基于知识图谱的钢结构设计模型建模方法

摘  要：对钢结构设计领域的专业性强、知识集中等特点，文章分析了钢结构设计领域知识，构建了自顶向下的钢结构设计多层次本体模型，包括结构形式本体、结构模型本体、构件本体、结构计算本体、结构校核本体、设计成果本体等，并获取典型设计模型库、型钢库、节点库、设计规范集等知识源，进行了人工为主，工具为辅的方式建立钢结构设计知识图谱的研究。最后，基于钢结构设计知识图谱建立了多层次钢结构设计模型，为异构模型的统一提供了公共数据模型，并应用于钢结构设计软件中。

关键词：钢结构;设计模型;知识图谱;本体模型

中图分类号：TP391.4                    文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0095-06

Abstract： Aiming at the characteristics of strong professionalism and concentrated knowledge in the field of steel structure design， the paper analyzes the domain knowledge of steel structure design， and constructs the multi-level ontology model of steel structure design from the top down， including structure type ontology， structure model ontology， component ontology， structure calculation ontology， structure check ontology， design result ontology， etc. The paper obtains knowledge sources like typical design model database， section steel database， node database and design specification set. The research on establishing the knowledge map of steel structure design by means of mainly manual， supplemented by tools is carried out. Finally， based on the knowledge graph of steel structure design， a multi-level steel structure design model is established and applied in the steel structure design software， which provides a common data model for the unification of heterogeneous models.

Keywords： steel structure; design model; knowledge graph; ontology model

0  引  言

鋼结构是以钢材为主的结构类型，由于钢材的自重轻、强度高、刚度好等特点，广泛应用于民用与工业建筑中，如大型厂房、场馆、超高层等。钢结构主要包括各种构件，如钢梁、钢柱、钢撑、钢桁架、楼板等，以及各构件之间的连接节点，如柱脚节点、梁柱节点、梁梁节点等，其中连接节点采用焊缝、螺栓或铆钉等主要连接形式。钢结构行业是集加工、设计、安装等为一体的综合性行业，其中，钢结构设计领域是一种知识密集、专业性强的领域，包括结构选型、结构建模、结构计算、构件验算、节点验算、出施工图等。因此，有必要研究如何建立钢结构设计的知识体系，达到知识共享重用，提高钢结构设计效率的目的。

知识图谱是一种知识组织方式：通过结构化的三元组（实体-关系-实体、实体-属性-属性值）描述知识体系[1]。目前，作为人工智能领域的研究热点之一的知识图谱广泛应用于自动问答、信息搜索、决策分析等方面;在领域行业方面同样应用较广，如通过药材、病症及其关联关系建立中医药领域知识图谱;通过知识点、例题及其关联关系建立教育领域知识图谱;通过电影、演员及其关联关系建立电影领域知识图谱等。

随着知识图谱普及程度的提高，相关研究越来越多，并且目前已取得了一些不错成果。相关研究主要集中在构建方法、领域图谱等两方面。

知识图谱构建研究主要在知识抽取、知识表示、知识融合等相关核心技术方面，如杭婷婷等[2]研究了知识图谱构建过程中的知识抽取、知识表示、知识融合、知识推理、知识存储等内容的解决方法，并展望了时空多元关系抽取、动态知识获取、动态知识表示等未来研究方向;刘峤等[3]研究了构建知识图谱的三层技术框架，分为信息抽取层、知识融合层和知识加工层，并分类研究了每层相关技术;徐增林等[4]以开放链接知识库、垂直行业知识库为基础，研究了若干个大规模知识库，并介绍了知识抽取、知识表示、知识融合、知识推理等核心技术的相关研究;杨玉基等[5]研究了领域本体构建、众包半自动语义标注、外源数据补全、信息抽取等四步构建中国基础教育九门学科知识图谱等。

知识图谱按适用范围可分为通用知识图谱和领域知识图谱。对于知识集中行业，适用于领域知识图谱建模。如赵建勋等[6]为了提高机械设计自动化程度，研究了机械工程中产品设计工程本体、产品信息模型本体、产品数据语义交换本体，并以此为基础提出了机械工程中本体应用框架;李秀玲等[7]为了解决异构CAM模型的重用与共享问题，以基于特征、耦合特征、零件的多层次工艺知识图谱模型为基础，采用多策略相似性本体映射方法统一构建的异构CAM 语义模型，利用规则推理获取隐含语义来丰富工艺知识图谱，同时开发了异构CAM模型结构化建模原型系统;刘宝珠等[8]利用关系模型建立RDF图和属性图统一高效存储，利用基于特征集的聚类方法存储无类型实体，利用统一语义层建立SPARQL、Cypher等查询语言的互操作，并以此为基础建立了统一模型和语言的知识图谱数据库管理系统KGDB;潘理虎等[9]基于煤矿领域数据特点，研究了基于七步法、METHONTOLOGY法的本体构建方法，利用本体建模工具和Neo4j图数据库完成煤矿领域核心知识图谱的构建，并设计开发了煤矿监测监控原型系统;杨一帆[10]针对钢结构领域知识管理体系不健全、领域知识表达难、领域知识利用率低、领域知识流失严重、领域知识共享难等问题，构建了钢结构领域知识图谱，其中，数据源采用python爬虫获取、知识抽取采用Bi LSTM-CRF模型、知识融合采用余弦相似度计算法、知识通过定义概念类、属性及关系方式表示、知识图谱可视化采用Protégé软件等。

经研究发现，知识图谱是一种知识体系的表示方式，一般通过知识抽取、知识表示、知识融合等关键技术构建。针对知识集中的领域，可通过领域本体建模的方式构建知识图谱。而钢结构设计是专业知识集中的领域，包括结构选型、结构建模、结构计算、构件设计、节点设计、出施工图等知识体系。因此，针对钢结构设计领域的专业性强、知识集中等特点，本文拟通过分析钢结构设计领域知识，自顶向下的构建钢结构设计多层次本体模型，并通过获取典型设计模型库、型钢库、节点库、设计规范集等知识源，通過人工为主、工具为辅的方式建立钢结构设计知识图谱。最后，基于钢结构设计知识图谱拟建立多层次钢结构设计模型，为统一异构模型提供公共数据模型，并拟应用于钢结构设计软件中。

1  钢结构领域知识

钢结构按结构形式划分，可分为钢框架、框排架、门式钢架、网架结构等。不同结构形式适用范围不同，如钢框架结构适用于民用或工业建筑中多层结构;框排架结构适用于工业建筑中主体厂房结构;门式钢架适用于轻型工业建筑、单层厂房等;网架结构适用于候车厅、会议室、体育馆等的屋盖结构。如严旭等[11]研究了火力发电厂主厂房的框排架结构设计流程，并利用Revit2016与STAAD.Pro等软件结合的方式实现了结构设计功能。钢结构设计按设计阶段来分，如图1所示。

结构建模指建立钢结构的CAD模型，包括钢梁、钢柱、钢撑、楼板、节点等，同时包括建立工程荷载模型，如风荷载、地震荷载、楼面荷载、施工荷载、检修荷载等。结构模型的建立除可通过专业结构分析软件（如PKPM、盈建科、广厦、ETABS SAP2000、Midas等）建立外，也可以通过BIM模型转换而成。如刘照球等[12]研究了IFC4定义的结构分析模型标准，开发了BIM模型与各类结构分析软件之间模型数据转换接口，实现了结构模型的间接建模功能;秦领等[13]针对建筑建模软件与结构分析软件数据转换问题，基于IFC标准分析建筑物理模型，并通过提取构件以及构件连接关系建立了结构模型。

结构分析是指采用有限单元法对结构模型的真实情况（如几何、约束、荷载工况）进行模拟，并通过求解几何方程和物理方程来计算结构构件的内力和变形。结构分析的结果包括构件内力（包括轴力、剪力、弯矩、扭矩等）和节点位移（包括水平X向位移、水Y向位移及竖向位移）。

目前，结构分析软件较多，如王佳慧等[14]研究了建筑结构设计主流有限元软件（如PKPM、盈建科、广厦、ETABS、SAP2000、Midas、ANSYS、ABAQUS）的发展现状及技术特点。虽然结构分析软件各有特点，但计算内核均采用有限元单元法进行结构分析。

构件验算是指利用国家规范、行业标准等对钢结构构件进行强度与刚度验算，进而判断结构模型在设计工况下是否达到安全及舒适度要求。构件验算规范包括《建筑结构设计统一标准》《钢结构设计规范》《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》等。构件验算内容包括：受弯构件抗弯强度、抗剪强度、折算应力、整定稳定性、局部稳定性及挠度验算;轴心受力构件的强度、稳定性及长细比验算;拉弯、压弯构件的强度、稳定性及长细比验算等。

节点验算是指利用国家规范、行业标准对不同型式的钢结构节点模型进行构造及强度验算。节点验算规范包括《钢结构设计规范》《建筑抗震设计规范》等。节点验算内容包括：焊缝强度验算、梁柱节点的螺栓强度验算、端板厚度验算、腹板强度验算;梁梁节点的螺栓强度验算、端板厚度验算、腹板强度验算等内容。

钢结构节点模型可通过专业的详图设计软件（如Tekla等）进行设计，也可以通过的机械设计软件进行设计。如张慎等[15]研究了钢结构节点特征，基于CATIA的二次开发建立了钢结构节点CAD模型，并对节点CAD模型进行设计与验算。

施工图设计是指以图纸的方式输出钢结构的设计成果，包括平面布置图、立面布置图、节点大样图等。其中，平面布置图、立面布置图应包括轴线布置情况、楼层情况、构件布置情况及构件列表等;节点大样图应包括节点大样、零配件的规格尺寸、标注、焊缝情况等。

2  钢结构设计知识图谱构建

2.1  钢结构设计知识图谱构建流程

本文通过研究钢结构领域知识，分析结构形式、结构建模、结构分析、构件验算、节点验算、施工图设计等内容，通过构建钢结构设计多层次本体模型构建钢结构设计知识图谱。知识图谱的构建流程如图2所示。

文章论述的钢结构知识图谱构建流程分为以下三步：

（1）从典型设计模型库、型钢库、节点库、设计规范集等知识源提取知识。其中：典型设计模型库指从设计工程中选取的典型工程，包括结构形式、结构构件种类、工程荷载种类、设计工况种类等;型钢库是指国家型钢规范、行业标准等，如《热轧型钢》《热轧H型钢和剖分T型钢》等;节点库是指设计中常用的节点模型，如梁梁节点、梁柱节点、柱脚节点等;设计规范集是指国家设计规范、行业标准等，如《建筑结构设计统一标准》《钢结构设计规范》《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》等。

（2）通过定义结构形式本体、结构模型本体、构件本体、结构计算本体、结构校核本体、设计成果本体等多层次本体模型来构建知识图谱模式层。其中：结构形式本体根据建筑样式与用途定义具体结构形式，包括钢框架、框排架等;结构模型本体对应结构建模领域知识，包括钢构件（梁、柱、撑、楼板）建模、工程荷载建模、节点建模等;构件本体是结构模型本体的子本体，通过提取结构模型本体中的基本单元建立本体，同时为结构计算本体、结构校核本体提供输入数据;结构计算本体对应结构分析领域知识，为有限元分析提供输入数据;结构校核本体对应构件验算、节点验算等领域知识，为规范校核提供输入数据与接收输出结果;设计成果本体对应施工图设计领域知识，定义钢结构设计的成果展示模型。

（3）通过定义多层次结构化钢结构设计模型构建知识图谱数据层。在钢结构多层次本体模型的基础上，通过实体映射、属性映射、关系映射建立多层次结构化钢结构设计模型，并进行存储。

2.2  钢结构设计本体建模

为了描述结构建模、结构分析、构件设计、节点设计、施工图设计等领域知识，本文构建了钢结构设计多层次本体模型。本文的本体构建流程如图3所示。

钢结构设计多层次本体模型构建流程分为以下七步：

（1）确定本文研究钢结构设计领域，范围包括结构建模、结构分析、构件设计、节点设计、施工图设计等设计阶段。

（2）通过研究典型设计模型库、常用节点模型库、国家型钢规范、国家设计规范及行业设计标准等获取钢结构设计领域知识;同时，通过采访领域专家获取钢结构设计领域经验。

（3）对获取到的领域知识进行分类、分析、归并整理等建立分层领域概念。

（4）对分层领域概念进行总结，建立分层本体模型，包括结构形式本体、结构模型本体，构件本体、结构计算本体、结构校核本体、设计成果本体等。钢结构设计分层本体类如图4所示。

（5）通过定义本体属性及关系来详细描述本体的固有特征及本体之间的联系。本体属性一般指数据属性，描述本体所具有的特征，如钢梁具有长度、材料等数据属性;本体间的关系通过本体的对象属性描述，如钢梁本体与节点本体之间通过对象属性（节点特性）描述。

（6）通过领域专家确认方式检查本体类。如果检查通过，则需进一步通过对象校验的方式来校验本体类描述知识的完整性。

（7）将通过检查及校验的本体类更新本體模型。本体模型如图5所示。

3  钢结构设计模型建模

3.1  钢结构设计模型建模流程

钢结构设计模型目的是模型数据贯穿设计全流程，包括结构建模、结构分析、构件设计、节点设计、施工图设计等阶段。本文基于钢结构设计知识图谱构建钢结构设计模型的流程如图6所示。

钢结构设计模型的数据源为结构CAD模型，可通过第三方建模系统导入，也可用软件功能进行自有建模。在获取数据源的前提下，钢结构设计模型建模流程如以下所示：

（1）分析结构CAD模型，分组抽取包括模型层数据（如结构形式、楼层数、层高、地下层数、地下层高等）、构件数据（如钢梁、钢柱、钢撑、楼板等）、荷载数据（如楼面荷载等）、节点数据（如节点位置、节点形式、焊缝数据、螺栓数据等）。

（2）抽取模型层数据，并根据实体、属性、关系等映射规则映射结构形式本体。

（3）抽取构件数据、荷载数据、节点数据，并根据实体、属性、关系等映射规则映射结构模型本体，其中，本体数据属性表示对象的固有特征，本体对象属性表示对象之间的连接关系。

（4）将结构模型本体中对象属性映射构件本体模型，包括截面规格映射截面本体、几何表示映射杆件本体、焊接特性映射焊缝本体、栓接特性映射螺栓本体、荷载计算规则映射结构荷载本体等。

（5）将结构形式本体、结构模型本体及构件本体建立多层次钢结构设计模型。

3.2  钢结构设计软件系统实现

基于钢结构设计知识图谱，本文实现了钢结构设计软件系统，系统架构图如图7所示。

钢结构设计软件具体功能包括：

（1）第三方接口功能：包括导入标准IFC模型及第三方软件（如Revit、Autocad、PKPM、MidasGen、ETABS、SAP2000等）模型文件，便捷实现异构钢结构模型的重用功能。

（2）结构建模功能：提供钢梁、钢柱、支撑、楼板等主要构件的图形建模能力，同时提供按楼层管理钢构件的能力。

（3）工程荷载：提供楼面荷载、施工荷载、检修荷载、风荷载、地震荷载等工程荷载建模能力。

（4）结构分析：根据钢结构设计多层次本体模型自动抽取结构分析模型，利用有限元单元法进行结构分析，并将结构分析结果返回结构模型本体进行存储。

（5）构件设计：内置的国家设计规范、行业设计标准，并对受弯构件、轴心受力构件、拉弯压弯构件进行强度和刚度验算。具体验算内容包括：强度验算、稳定性验算、挠度验算或长细比验算等。

（6）节点设计：内置的国家设计规范、行业设计标准，并对柱脚节点、梁梁节点、梁柱节点等节点形式进行焊缝强度验算、螺栓强度验算、腹板厚度验算等验算项。

（7）计算书：内置的计算书模板，根据构件设计及节点设计的验算项输出详细验算内容。

（8）施工图：按楼层自动输出平面布置图，内容包括轴线布置情况、楼层情况、构件布置情况及构件列表等;按节点输出节点大样图，内容包括节点大样、零配件的规格尺寸、标注、焊缝情况等。

4  结  论

本文针对钢结构设计领域的专业性强、知识集中等特点，通过分析钢结构设计领域知识，建立钢结构设计知识图谱。知识图谱构建流程包括：获取典型设计模型库、型钢库、节点库、设计规范集等知识源，采用自顶向下构建钢结构设计多层次本体模型，包括结构形式本体、结构模型本体、构件本体、结构计算本体、结构校核本体、设计成果本体等;通过实体映射、属性映射、关系映射建立多层次结构化钢结构设计模型，并进行存储。

本文最后基于钢结构设计知识图谱构建钢结构设计模型，为统一异构设计模型提供了公共数据模型，并应用于钢结构设计软件中。

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作者简介：向燕飞（1980—），女，汉族，湖南怀化人，软件设计师，硕士研究生，研究方向：计算机算法、图形图像。

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