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建筑结构学报 2023年第1期44卷 259-268页

作者：王琛樊健生清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

为了实现工程结构的准确、高效模拟,提出了完全基于深度学习的结构全过程响应智能计算框架,从数据侧到模型侧综合考虑了结构自身构造信息以及任意加载制度,能够适用于材料、构件甚至是结构体系等多层次力学响应预测问题.并根据结构计算... 详细信息

为了实现工程结构的准确、高效模拟,提出了完全基于深度学习的结构全过程响应智能计算框架,从数据侧到模型侧综合考虑了结构自身构造信息以及任意加载制度,能够适用于材料、构件甚至是结构体系等多层次力学响应预测问题.并根据结构计算场景特点制定了结构静态特征统一数据接口模式,保真结构原始信息输入,有效减少人工干预.在此基础上,引入了注意力机制与深度交叉网络,提出了结构静态特征表示学习模型PADCN(注意力机制预处理的深度交叉网络,pre-attention deep&cross network),能够兼顾结构静态特征的记忆性与泛化性,挖掘不同构造信息的耦合关系.将PADCN模型与动态特征预测模型Mechformer相集成,并与设计的通用数据接口衔接,形成了端到端数据驱动的结构响应智能计算框架.为验证框架的有效性,以钢板剪力墙结构为载体开展数值试验,其中提出了适用于结构计算领域的数据增广算法,以缓解结构工程数据量匮乏的问题.结果表明:基于该框架的智能模型成功预测了不同构造的钢板剪力墙试件的全过程非线性响应,模拟精度优于精细有限元模型.同时,计算效率为传统数值方法1 000倍以上,证明该智能计算框架具有卓越的准确性与高效性.

关键词：土木工程深度学习结构计算数据接口人工智能

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理论辅助的弹塑性本构关系小样本深度学习

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工程力学 2023年第9期40卷 29-36页

作者：王琛何有泉宋凌寒樊健生清华大学土木工程系北京 100084 清华大学土木工程系北京 100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京 100084

该文提出了一种引入经典弹塑性力学理论知识作为辅助驱动的小样本深度学习算法,适用于土木工程任意材料弹塑性本构关系,能够有效缓解大规模深度学习模型实际应用时常见的数据量匮乏瓶颈.该文简要概述了通用的经典弹塑性力学框架;在此基... 详细信息

该文提出了一种引入经典弹塑性力学理论知识作为辅助驱动的小样本深度学习算法,适用于土木工程任意材料弹塑性本构关系,能够有效缓解大规模深度学习模型实际应用时常见的数据量匮乏瓶颈.该文简要概述了通用的经典弹塑性力学框架;在此基础上详细阐释了将弹塑性力学方程引入到常规深度学习模型中的方法与流程,该过程无需关心底层理论本构模型的具体形式与传统的复杂数值实现,保留了数据驱动技术简单、直接、高效的优点;为缓解优化目标复杂化所导致的训练不收敛问题,提出了一种与理论辅助驱动相适应的训练策略"过拟合-修正法",能够稳定并加速收敛过程;基于结构钢材精细弹塑性本构模型开展了数值试验,验证了理论辅助的小样本学习算法的有效性,能够实现大规模深度学习模型在少量训练样本情形下获得优异的泛化性,相较纯粹数据驱动模型准确性提升 38.9%.该文采用的理论辅助思想具有可借鉴性,后续可应用于结构层次的深度学习代理模型研究,促进未来更为先进、大型的智能算法落地土木工程计算领域.

关键词：深度学习理论驱动小样本学习弹塑性本构土木工程材料

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土木工程结构智能计算特征工程研究

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工程力学 2023年第12期40卷 55-64页

作者：张翀陶慕轩王琛樊健生清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

数据与特征是智能技术的基础,但现有结构智能计算的文献报道却极少涉猎数据端相关研究。为此,该文围绕土木工程结构计算场景,开展了特征工程研究,实现了结构原始数据的自动去量纲化以及向有效特征的智能转化,进而大幅提升了模型性能表... 详细信息

数据与特征是智能技术的基础,但现有结构智能计算的文献报道却极少涉猎数据端相关研究。为此,该文围绕土木工程结构计算场景,开展了特征工程研究,实现了结构原始数据的自动去量纲化以及向有效特征的智能转化,进而大幅提升了模型性能表现。该文建立了与下游智能模型无关的特征工程架构,以量纲分析为基础,实现对结构特征的自动无量纲化预处理。在此基础上,提出了一种对模型训练得到的无量纲化参数进行物理意义解读的算法,可对输入数据开展因子分析,增强了模型的物理可解释性。为验证特征工程架构的有效性,以钢筋混凝土柱双向压弯的屈服承载力预测问题为例开展数值试验,结果表明:在设定了充足无量纲参量数目的情形下,相较于无特征工程的对照模型,该架构能够加快模型收敛速度4倍~5倍,并提升预测准确率20%~50%,优势显著;同时,通过物理意义解读算法复现的无量纲参量与经典理论分析结论高度吻合,证明特征工程架构成功捕捉了与目标问题密切相关的影响因素。

关键词：结构计算人工智能特征工程量纲分析深度学习

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超高性能混凝土在房屋建筑结构中的研究与应用进展

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硅酸盐学报 2023年第5期51卷 1246-1258页

作者：樊健生丁然清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

近年来,超高性能混凝土(UHPC)发展迅速,已较广泛应用于桥梁工程等领域,在提升耐久性、减轻自重、简化配筋、缩短工期等方面展现出很大优势,取得了良好的综合经济技术效益.然而,目前UHPC在房屋建筑结构中的研究还比较少,应用情况尚不尽... 详细信息

近年来,超高性能混凝土(UHPC)发展迅速,已较广泛应用于桥梁工程等领域,在提升耐久性、减轻自重、简化配筋、缩短工期等方面展现出很大优势,取得了良好的综合经济技术效益.然而,目前UHPC在房屋建筑结构中的研究还比较少,应用情况尚不尽如人意.本文以UHPC建筑结构为对象,对UHPC结构特征及目前的工程应用概况进行总结,分析了UHPC结构的基本设计原理和方法.着重介绍了本课题组近年来有关UHPC建筑结构构件和节点的相关研究成果,包括新型轻质保温夹芯屋面板、新型夹芯楼板–墙板装配式结构、双向waffle板、装配式混凝土框架后浇梁柱节点等,总结了UHPC在建筑结构中的合理应用方式和效果.最后,提出了UHPC建筑结构发展的建议,以期推动UHPC在房屋建筑中的应用,提升其综合性能和品质.

关键词：超高性能混凝土建筑结构夹芯板 waffle板装配式结构连接免配筋或少配筋

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震损RC柱FRP加固后抗震性能数值模拟分析

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工程力学 2023年第10期40卷 89-98页

作者：李硕赵作周清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

使用有限元软件ABAQUS,基于箍筋约束混凝土、钢筋以及FRP材料的材料本构模型,完成了未震损未加固、未震损FRP加固和震损后FRP加固的RC柱抗震数值模拟分析。对震损后FRP加固的RC柱,完成不同程度震损模拟;使用生死单元法实现严重震损混凝... 详细信息

使用有限元软件ABAQUS,基于箍筋约束混凝土、钢筋以及FRP材料的材料本构模型,完成了未震损未加固、未震损FRP加固和震损后FRP加固的RC柱抗震数值模拟分析。对震损后FRP加固的RC柱,完成不同程度震损模拟;使用生死单元法实现严重震损混凝土的剔除与替换以及FRP的加固;再模拟修复加固后RC柱的加载,模拟结果与试验结果基本吻合。对比了3种RC柱抗震性能的数值模拟结果,发现严重震损后用FRP加固的RC柱其抗侧刚度与承载力不能完全恢复,需要考虑不同损伤程度与不同FRP加固措施等对加固效果的影响。研究了不同损伤程度和加固方法下的RC柱,结果表明:对于中等震损的试件,纵横向FRP组合加固可以完全恢复并超越原有抗震性能;对严重损伤RC柱,外围损伤严重混凝土的修复与替换是影响震损RC柱加固后性能的关键;相较于仅有横向GFRP环向加固,纵横向FRP组合加固的效果更好。

关键词：震损 RC柱抗震性能数值模拟 FRP加固

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一维有限元的EEP单元及其自适应分析

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应用数学和力学 2025年第1期46卷 1-11页

作者：杨帅袁驷清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

对m(>1)次单元,基于单元能量投影(element energy projection,简称EEP)法提出的简约格式位移解u∗具有比常规有限元解uh至少高一阶的精度,据此提出了EEP单元概念,并给出以EEP单元作为最终解的自适应有限元求解策略.通过编制相应的计... 详细信息

对m(>1)次单元,基于单元能量投影(element energy projection,简称EEP)法提出的简约格式位移解u∗具有比常规有限元解uh至少高一阶的精度,据此提出了EEP单元概念,并给出以EEP单元作为最终解的自适应有限元求解策略.通过编制相应的计算程序分析了一维非自伴随问题,计算结果与理论预期吻合较好,验证了自适应求解策略的有效性和可靠性.研究结果表明:该法可以给出按最大模度量、逐点满足误差限的解答,相较于常规单元,最终的求解单元数更少.

关键词：一维有限元单元能量投影(EEP) EEP单元自适应有限元法

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基于BIM和深度学习点云分割的施工检查方法模拟研究

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工程力学 2024年第2期41卷 194-201页

作者：张帆孙楚津覃思中赵馨怡中冶建筑研究总院有限公司北京100088 清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

建筑信息模型(BIM)为工程建设提供了丰富的空间和属性信息,三维激光扫描等三维信息获取技术的发展使获取工程建设三维场景信息变得更加便捷、高效。通过融合实际工程点云与BIM,将有助于实现工程建设质量和进度管理的自动化。既有研究一... 详细信息

建筑信息模型(BIM)为工程建设提供了丰富的空间和属性信息,三维激光扫描等三维信息获取技术的发展使获取工程建设三维场景信息变得更加便捷、高效。通过融合实际工程点云与BIM,将有助于实现工程建设质量和进度管理的自动化。既有研究一般比对点云与BIM的全局信息,需要工程人员根据不同规则检查判断,结果难以定量呈现。同时,比对结果无法与BIM构件属性自动关联并服务于智能化分析。针对上述问题,该文引入深度学习点云语义分割技术,对框架梁柱节点实现构件的对象化比对,提高了点云与BIM比对的自动化和数字化程度。模拟试验研究表明,采用的PointNet++模型在框架节点点云语义分割任务中取得了较高的精度,并对数据误差具有较好的健壮性,可为对象化的施工偏差比对提供良好的数据基础。该文方法实现的框架节点施工点云与BIM模型的对象化偏差比对,将在施工偏差展示、测量数据数字化和施工进度管理方面具有良好的应用价值和发展潜力。

关键词：建筑信息模型点云深度学习语义分割施工检查

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几种自适应有限元方法的对比分析

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工程力学 2025年

作者：杨帅袁驷清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的四种相类似的... 详细信息

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的四种相类似的一维自适应有限元算法，进行对比计算和分析，总结参比方法的优劣。本文的对比分析表明：作为自适应有限元分析方法，特别是从局部加密功能和性能来看，降阶单元原理简明、算法简单，在可靠、通用和计算效率等方面，均优于其他方法。

关键词：降阶单元边值问题最大模一维问题自适应有限元

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几种自适应有限元方法的对比分析

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工程力学 2025年第S期42卷 1-8页

作者：杨帅袁驷清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的4种相类似的... 详细信息

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的4种相类似的一维自适应有限元算法，进行对比计算和分析，总结参比方法的优劣。对比分析结果表明：作为自适应有限元分析方法，特别是从局部加密功能和性能来看，降阶单元原理简明、算法简单，在可靠、通用和计算效率等方面，均优于其他方法。

关键词：降阶单元边值问题最大模一维问题自适应有限元

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Timoshenko梁厚薄通用降阶单元的构造及其自适应求解

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工程力学 2025年第S期42卷 23-29页

作者：袁全袁驷清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

该文以含有弹性地基的Timoshenko梁和Euler梁为模型，提出厚薄梁通用降阶单元，采用泛函变分法构造了内置的厚薄梁通用的误差估计器，并构建了自适应有限元计算方法。该降阶单元继承了降阶单元在其他应用领域中的优点，对于厚薄梁，均... 详细信息

该文以含有弹性地基的Timoshenko梁和Euler梁为模型，提出厚薄梁通用降阶单元，采用泛函变分法构造了内置的厚薄梁通用的误差估计器，并构建了自适应有限元计算方法。该降阶单元继承了降阶单元在其他应用领域中的优点，对于厚薄梁，均可以给出按最大模度量的、满足用户指定的误差限的降阶单元解答。文中给出一系列典型算例以验证本法的可行性、有效性和可靠性。

关键词： Timoshenko梁厚薄梁通用降阶单元最大模自适应有限元方法

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