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研究概述

       基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的智能化設(shè)計(jì)方法代表了一種新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范式，表現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力。但是，基于GAN的智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在業(yè)界落地應(yīng)用也遇到了很多困難，主要矛盾在于GAN的數(shù)據(jù)形式與業(yè)界廣泛使用的CAD圖紙和模型是異構(gòu)的，并且GAN對(duì)用戶(hù)的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境要求較高，導(dǎo)致其難以嵌入業(yè)界生產(chǎn)流程。因此，本研究提出了一種基于GAN的集成化智能生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為GAN在剪力墻結(jié)構(gòu)上的實(shí)際應(yīng)用提供了一種可行的解決方案。具體而言，開(kāi)發(fā)了建筑CAD圖紙的前處理方法，銜接上游建筑設(shè)計(jì)；搭建了用戶(hù)友好的云端設(shè)計(jì)平臺(tái)，降低了對(duì)用戶(hù)本地計(jì)算機(jī)環(huán)境的要求；提出了一種異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法和一套參數(shù)化建模流程，根據(jù)GAN生成的設(shè)計(jì)自動(dòng)建立結(jié)構(gòu)分析模型，便于后續(xù)深化設(shè)計(jì)。本文的最后給出了該系統(tǒng)的演示視頻。

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研究背景

      智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是智能建造的重要組成部分，也是土建行業(yè)向工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)之一。關(guān)注我們公眾號(hào)的小伙伴都知道，我們課題組近期圍繞這個(gè)課題開(kāi)展了系列研究，開(kāi)發(fā)了從“圖”到“圖”、從“文本”到“圖”、從“力學(xué)原理”到“圖”的多種智能生成算法，其核心都是生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）。

       但是，基于GAN的方法尚面臨系列難題，阻礙了其在業(yè)界的落地應(yīng)用：（1）GAN的輸入為像素圖的形式，無(wú)法直接基于業(yè)界常用的建筑CAD圖紙開(kāi)展設(shè)計(jì)；（2）GAN模型的調(diào)用對(duì)計(jì)算機(jī)的環(huán)境提出了較高的要求，不便于工程師使用；（3）GAN的輸出也是像素圖，其中包含的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)信息為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，難以形成后續(xù)深化設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)分析模型。

       為了解決上述難題，我們提出了一套集成化智能生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)（圖1），包括建筑CAD圖紙的前處理方法、基于軟件服務(wù)化（SaaS）思想的云端設(shè)計(jì)平臺(tái)、異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法和參數(shù)化建模流程。該系統(tǒng)可以較好地嵌入既有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作流，自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)了原本由工程師手動(dòng)完成的方案設(shè)計(jì)任務(wù)。

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核心模塊

       我們提出的集成化智能生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括3個(gè)核心模塊（圖2），能在10分鐘左右完成從建筑CAD圖紙到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)分析模型的設(shè)計(jì)流程。

（1）建筑CAD圖紙的前處理：開(kāi)發(fā)了AutoCAD插件GANIO，從建筑CAD圖紙中自動(dòng)識(shí)別和提取關(guān)鍵建筑構(gòu)件，并輸出構(gòu)件坐標(biāo)。用戶(hù)也可以用人機(jī)交互的方式對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行校核和調(diào)整?；跇?gòu)件坐標(biāo)，進(jìn)一步自動(dòng)生成建筑像素圖。該過(guò)程約耗時(shí)5分鐘。

（2）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的生成：將建筑像素圖上傳至部署了GAN的云端設(shè)計(jì)平臺(tái)，并輸入設(shè)計(jì)條件。一鍵生成結(jié)構(gòu)像素圖，并下載到本地。該過(guò)程約耗時(shí)1分鐘。

（3）結(jié)構(gòu)分析模型的構(gòu)建：采用異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法自動(dòng)識(shí)別和提取結(jié)構(gòu)像素圖中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件，得到構(gòu)件的坐標(biāo)。使用參數(shù)化建模軟件Swallow(ESD)導(dǎo)入構(gòu)件坐標(biāo)，根據(jù)預(yù)設(shè)建模流程建立結(jié)構(gòu)分析模型，并導(dǎo)出至ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該過(guò)程約耗時(shí)2分鐘。

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主要方法

3.1 建筑CAD圖紙前處理

我們基于AutoCAD的API開(kāi)發(fā)了GANIO插件，能夠從建筑CAD圖紙中自動(dòng)識(shí)別和提取出關(guān)鍵建筑構(gòu)件（隔墻、門(mén)、窗）的軸線(xiàn)坐標(biāo)?；跇?gòu)件坐標(biāo)，進(jìn)一步采用OpenCV繪制為語(yǔ)義化的建筑像素圖。如圖3所示。

3.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的生成

我們以StructGAN-PHY為核心智能生成算法，開(kāi)發(fā)了基于軟件服務(wù)化（SaaS）概念的云端設(shè)計(jì)平臺(tái)，如圖4所示。該云平臺(tái)為用戶(hù)提供軟件服務(wù)，對(duì)用戶(hù)本地的軟硬件要求低，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、高效?？蛻?hù)端提供人機(jī)交互界面，提供項(xiàng)目創(chuàng)建、文件上傳、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、成果下載等功能；服務(wù)端部署了訓(xùn)練完成的StructGAN-PHY模型，用于處理客戶(hù)端請(qǐng)求、維護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)，其中所有的計(jì)算與設(shè)計(jì)過(guò)程均在搭載GPU的云服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)。

3.3 結(jié)構(gòu)分析模型的構(gòu)建

為了將GAN生成的結(jié)構(gòu)像素圖中非結(jié)構(gòu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息提取出來(lái)，我們提出了引入建筑設(shè)計(jì)信息的剪力墻構(gòu)件像素圖矢量化方法，如圖5所示。第一步，基于HSV像素表達(dá)提取剪力墻像素；第二步，基于隔墻軸線(xiàn)和剪力墻像素輪廓的交點(diǎn)提取剪力墻軸線(xiàn)；第三步，基于剪力墻軸線(xiàn)與建筑軸線(xiàn)布置梁構(gòu)件。該方法實(shí)現(xiàn)了高精度的異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠?qū)⒎墙Y(jié)構(gòu)化的構(gòu)件像素轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的構(gòu)件坐標(biāo)。

為了便于后續(xù)的深化設(shè)計(jì)任務(wù)，我們利用Swallow(ESD)搭建了一套參數(shù)化建模流程，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)解析模塊、結(jié)構(gòu)構(gòu)件建模模塊、荷載定義模塊和ETABS調(diào)用模塊，如圖6所示。該參數(shù)化建模流程可以基于構(gòu)件坐標(biāo)，建立剪力墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，并導(dǎo)出至ETABS開(kāi)展力學(xué)分析。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中也可以直接基于常用結(jié)構(gòu)分析軟件（例如YJK、PKPM）的API實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模和分析。

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系統(tǒng)演示

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結(jié)論

我們提出了一種基于GAN的集成式智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了剪力墻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)全過(guò)程的自動(dòng)化，為基于GAN的方法在業(yè)界的落地應(yīng)用提供了可行的解決方案。本系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠較好地嵌入既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作流程、便于工程師使用，而且能夠在10 min左右就完成設(shè)計(jì)，極大地提升了設(shè)計(jì)效率。

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