基于知識(shí)圖譜的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型建模方法

摘? 要：對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)集中等特點(diǎn)，文章分析了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)，構(gòu)建了自頂向下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型，包括結(jié)構(gòu)形式本體、結(jié)構(gòu)模型本體、構(gòu)件本體、結(jié)構(gòu)計(jì)算本體、結(jié)構(gòu)校核本體、設(shè)計(jì)成果本體等，并獲取典型設(shè)計(jì)模型庫、型鋼庫、節(jié)點(diǎn)庫、設(shè)計(jì)規(guī)范集等知識(shí)源，進(jìn)行了人工為主，工具為輔的方式建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜的研究。最后，基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜建立了多層次鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，為異構(gòu)模型的統(tǒng)一提供了公共數(shù)據(jù)模型，并應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)模型;知識(shí)圖譜;本體模型

中圖分類號(hào)：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材為主的結(jié)構(gòu)類型，由于鋼材的自重輕、強(qiáng)度高、剛度好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于民用與工業(yè)建筑中，如大型廠房、場館、超高層等。鋼結(jié)構(gòu)主要包括各種構(gòu)件，如鋼梁、鋼柱、鋼撐、鋼桁架、樓板等，以及各構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)，如柱腳節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)等，其中連接節(jié)點(diǎn)采用焊縫、螺栓或鉚釘?shù)戎饕B接形式。鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)是集加工、設(shè)計(jì)、安裝等為一體的綜合性行業(yè)，其中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一種知識(shí)密集、專業(yè)性強(qiáng)的領(lǐng)域，包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算、出施工圖等。因此，有必要研究如何建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)體系，達(dá)到知識(shí)共享重用，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的目的。

知識(shí)圖譜是一種知識(shí)組織方式：通過結(jié)構(gòu)化的三元組（實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體、實(shí)體-屬性-屬性值）描述知識(shí)體系[1]。目前，作為人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一的知識(shí)圖譜廣泛應(yīng)用于自動(dòng)問答、信息搜索、決策分析等方面;在領(lǐng)域行業(yè)方面同樣應(yīng)用較廣，如通過藥材、病癥及其關(guān)聯(lián)關(guān)系建立中醫(yī)藥領(lǐng)域知識(shí)圖譜;通過知識(shí)點(diǎn)、例題及其關(guān)聯(lián)關(guān)系建立教育領(lǐng)域知識(shí)圖譜;通過電影、演員及其關(guān)聯(lián)關(guān)系建立電影領(lǐng)域知識(shí)圖譜等。

隨著知識(shí)圖譜普及程度的提高，相關(guān)研究越來越多，并且目前已取得了一些不錯(cuò)成果。相關(guān)研究主要集中在構(gòu)建方法、領(lǐng)域圖譜等兩方面。

知識(shí)圖譜構(gòu)建研究主要在知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合等相關(guān)核心技術(shù)方面，如杭婷婷等[2]研究了知識(shí)圖譜構(gòu)建過程中的知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合、知識(shí)推理、知識(shí)存儲(chǔ)等內(nèi)容的解決方法，并展望了時(shí)空多元關(guān)系抽取、動(dòng)態(tài)知識(shí)獲取、動(dòng)態(tài)知識(shí)表示等未來研究方向;劉嶠等[3]研究了構(gòu)建知識(shí)圖譜的三層技術(shù)框架，分為信息抽取層、知識(shí)融合層和知識(shí)加工層，并分類研究了每層相關(guān)技術(shù);徐增林等[4]以開放鏈接知識(shí)庫、垂直行業(yè)知識(shí)庫為基礎(chǔ)，研究了若干個(gè)大規(guī)模知識(shí)庫，并介紹了知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合、知識(shí)推理等核心技術(shù)的相關(guān)研究;楊玉基等[5]研究了領(lǐng)域本體構(gòu)建、眾包半自動(dòng)語義標(biāo)注、外源數(shù)據(jù)補(bǔ)全、信息抽取等四步構(gòu)建中國基礎(chǔ)教育九門學(xué)科知識(shí)圖譜等。

知識(shí)圖譜按適用范圍可分為通用知識(shí)圖譜和領(lǐng)域知識(shí)圖譜。對于知識(shí)集中行業(yè)，適用于領(lǐng)域知識(shí)圖譜建模。如趙建勛等[6]為了提高機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度，研究了機(jī)械工程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程本體、產(chǎn)品信息模型本體、產(chǎn)品數(shù)據(jù)語義交換本體，并以此為基礎(chǔ)提出了機(jī)械工程中本體應(yīng)用框架;李秀玲等[7]為了解決異構(gòu)CAM模型的重用與共享問題，以基于特征、耦合特征、零件的多層次工藝知識(shí)圖譜模型為基礎(chǔ)，采用多策略相似性本體映射方法統(tǒng)一構(gòu)建的異構(gòu)CAM 語義模型，利用規(guī)則推理獲取隱含語義來豐富工藝知識(shí)圖譜，同時(shí)開發(fā)了異構(gòu)CAM模型結(jié)構(gòu)化建模原型系統(tǒng);劉寶珠等[8]利用關(guān)系模型建立RDF圖和屬性圖統(tǒng)一高效存儲(chǔ)，利用基于特征集的聚類方法存儲(chǔ)無類型實(shí)體，利用統(tǒng)一語義層建立SPARQL、Cypher等查詢語言的互操作，并以此為基礎(chǔ)建立了統(tǒng)一模型和語言的知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)KGDB;潘理虎等[9]基于煤礦領(lǐng)域數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究了基于七步法、METHONTOLOGY法的本體構(gòu)建方法，利用本體建模工具和Neo4j圖數(shù)據(jù)庫完成煤礦領(lǐng)域核心知識(shí)圖譜的構(gòu)建，并設(shè)計(jì)開發(fā)了煤礦監(jiān)測監(jiān)控原型系統(tǒng);楊一帆[10]針對鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識(shí)管理體系不健全、領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)難、領(lǐng)域知識(shí)利用率低、領(lǐng)域知識(shí)流失嚴(yán)重、領(lǐng)域知識(shí)共享難等問題，構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識(shí)圖譜，其中，數(shù)據(jù)源采用python爬蟲獲取、知識(shí)抽取采用Bi LSTM-CRF模型、知識(shí)融合采用余弦相似度計(jì)算法、知識(shí)通過定義概念類、屬性及關(guān)系方式表示、知識(shí)圖譜可視化采用Protégé軟件等。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，知識(shí)圖譜是一種知識(shí)體系的表示方式，一般通過知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建。針對知識(shí)集中的領(lǐng)域，可通過領(lǐng)域本體建模的方式構(gòu)建知識(shí)圖譜。而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是專業(yè)知識(shí)集中的領(lǐng)域，包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、出施工圖等知識(shí)體系。因此，針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)集中等特點(diǎn)，本文擬通過分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)，自頂向下的構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型，并通過獲取典型設(shè)計(jì)模型庫、型鋼庫、節(jié)點(diǎn)庫、設(shè)計(jì)規(guī)范集等知識(shí)源，通過人工為主、工具為輔的方式建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜。最后，基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜擬建立多層次鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，為統(tǒng)一異構(gòu)模型提供公共數(shù)據(jù)模型，并擬應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中。

1? 鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識(shí)

鋼結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為鋼框架、框排架、門式鋼架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。不同結(jié)構(gòu)形式適用范圍不同，如鋼框架結(jié)構(gòu)適用于民用或工業(yè)建筑中多層結(jié)構(gòu);框排架結(jié)構(gòu)適用于工業(yè)建筑中主體廠房結(jié)構(gòu);門式鋼架適用于輕型工業(yè)建筑、單層廠房等;網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適用于候車廳、會(huì)議室、體育館等的屋蓋結(jié)構(gòu)。如嚴(yán)旭等[11]研究了火力發(fā)電廠主廠房的框排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，并利用Revit2016與STAAD.Pro等軟件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)階段來分，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)建模指建立鋼結(jié)構(gòu)的CAD模型，包括鋼梁、鋼柱、鋼撐、樓板、節(jié)點(diǎn)等，同時(shí)包括建立工程荷載模型，如風(fēng)荷載、地震荷載、樓面荷載、施工荷載、檢修荷載等。結(jié)構(gòu)模型的建立除可通過專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件（如PKPM、盈建科、廣廈、ETABS SAP2000、Midas等）建立外，也可以通過BIM模型轉(zhuǎn)換而成。如劉照球等[12]研究了IFC4定義的結(jié)構(gòu)分析模型標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了BIM模型與各類結(jié)構(gòu)分析軟件之間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型的間接建模功能;秦領(lǐng)等[13]針對建筑建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)分析建筑物理模型，并通過提取構(gòu)件以及構(gòu)件連接關(guān)系建立了結(jié)構(gòu)模型。

結(jié)構(gòu)分析是指采用有限單元法對結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)情況（如幾何、約束、荷載工況）進(jìn)行模擬，并通過求解幾何方程和物理方程來計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形。結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果包括構(gòu)件內(nèi)力（包括軸力、剪力、彎矩、扭矩等）和節(jié)點(diǎn)位移（包括水平X向位移、水Y向位移及豎向位移）。

目前，結(jié)構(gòu)分析軟件較多，如王佳慧等[14]研究了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主流有限元軟件（如PKPM、盈建科、廣廈、ETABS、SAP2000、Midas、ANSYS、ABAQUS）的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)。雖然結(jié)構(gòu)分析軟件各有特點(diǎn)，但計(jì)算內(nèi)核均采用有限元單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

構(gòu)件驗(yàn)算是指利用國家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度與剛度驗(yàn)算，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)模型在設(shè)計(jì)工況下是否達(dá)到安全及舒適度要求。構(gòu)件驗(yàn)算規(guī)范包括《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等。構(gòu)件驗(yàn)算內(nèi)容包括：受彎構(gòu)件抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、折算應(yīng)力、整定穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性及撓度驗(yàn)算;軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及長細(xì)比驗(yàn)算;拉彎、壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及長細(xì)比驗(yàn)算等。

節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算是指利用國家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對不同型式的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行構(gòu)造及強(qiáng)度驗(yàn)算。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算規(guī)范包括《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算內(nèi)容包括：焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算、梁柱節(jié)點(diǎn)的螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算、端板厚度驗(yàn)算、腹板強(qiáng)度驗(yàn)算;梁梁節(jié)點(diǎn)的螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算、端板厚度驗(yàn)算、腹板強(qiáng)度驗(yàn)算等內(nèi)容。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型可通過專業(yè)的詳圖設(shè)計(jì)軟件（如Tekla等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以通過的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如張慎等[15]研究了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)特征，基于CATIA的二次開發(fā)建立了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)CAD模型，并對節(jié)點(diǎn)CAD模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。

施工圖設(shè)計(jì)是指以圖紙的方式輸出鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成果，包括平面布置圖、立面布置圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖等。其中，平面布置圖、立面布置圖應(yīng)包括軸線布置情況、樓層情況、構(gòu)件布置情況及構(gòu)件列表等;節(jié)點(diǎn)大樣圖應(yīng)包括節(jié)點(diǎn)大樣、零配件的規(guī)格尺寸、標(biāo)注、焊縫情況等。

2? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜構(gòu)建

2.1? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜構(gòu)建流程

本文通過研究鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識(shí)，分析結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算、施工圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容，通過構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜。知識(shí)圖譜的構(gòu)建流程如圖2所示。

文章論述的鋼結(jié)構(gòu)知識(shí)圖譜構(gòu)建流程分為以下三步：

（1）從典型設(shè)計(jì)模型庫、型鋼庫、節(jié)點(diǎn)庫、設(shè)計(jì)規(guī)范集等知識(shí)源提取知識(shí)。其中：典型設(shè)計(jì)模型庫指從設(shè)計(jì)工程中選取的典型工程，包括結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類、工程荷載種類、設(shè)計(jì)工況種類等;型鋼庫是指國家型鋼規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，如《熱軋型鋼》《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》等;節(jié)點(diǎn)庫是指設(shè)計(jì)中常用的節(jié)點(diǎn)模型，如梁梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)等;設(shè)計(jì)規(guī)范集是指國家設(shè)計(jì)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，如《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

（2）通過定義結(jié)構(gòu)形式本體、結(jié)構(gòu)模型本體、構(gòu)件本體、結(jié)構(gòu)計(jì)算本體、結(jié)構(gòu)校核本體、設(shè)計(jì)成果本體等多層次本體模型來構(gòu)建知識(shí)圖譜模式層。其中：結(jié)構(gòu)形式本體根據(jù)建筑樣式與用途定義具體結(jié)構(gòu)形式，包括鋼框架、框排架等;結(jié)構(gòu)模型本體對應(yīng)結(jié)構(gòu)建模領(lǐng)域知識(shí)，包括鋼構(gòu)件（梁、柱、撐、樓板）建模、工程荷載建模、節(jié)點(diǎn)建模等;構(gòu)件本體是結(jié)構(gòu)模型本體的子本體，通過提取結(jié)構(gòu)模型本體中的基本單元建立本體，同時(shí)為結(jié)構(gòu)計(jì)算本體、結(jié)構(gòu)校核本體提供輸入數(shù)據(jù);結(jié)構(gòu)計(jì)算本體對應(yīng)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域知識(shí)，為有限元分析提供輸入數(shù)據(jù);結(jié)構(gòu)校核本體對應(yīng)構(gòu)件驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算等領(lǐng)域知識(shí)，為規(guī)范校核提供輸入數(shù)據(jù)與接收輸出結(jié)果;設(shè)計(jì)成果本體對應(yīng)施工圖設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)，定義鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果展示模型。

（3）通過定義多層次結(jié)構(gòu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型構(gòu)建知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)層。在鋼結(jié)構(gòu)多層次本體模型的基礎(chǔ)上，通過實(shí)體映射、屬性映射、關(guān)系映射建立多層次結(jié)構(gòu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本體建模

為了描述結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等領(lǐng)域知識(shí)，本文構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型。本文的本體構(gòu)建流程如圖3所示。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型構(gòu)建流程分為以下七步：

（1）確定本文研究鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，范圍包括結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)階段。

（2）通過研究典型設(shè)計(jì)模型庫、常用節(jié)點(diǎn)模型庫、國家型鋼規(guī)范、國家設(shè)計(jì)規(guī)范及行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等獲取鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí);同時(shí)，通過采訪領(lǐng)域?qū)＜耀@取鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)。

（3）對獲取到的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行分類、分析、歸并整理等建立分層領(lǐng)域概念。

（4）對分層領(lǐng)域概念進(jìn)行總結(jié)，建立分層本體模型，包括結(jié)構(gòu)形式本體、結(jié)構(gòu)模型本體，構(gòu)件本體、結(jié)構(gòu)計(jì)算本體、結(jié)構(gòu)校核本體、設(shè)計(jì)成果本體等。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分層本體類如圖4所示。

（5）通過定義本體屬性及關(guān)系來詳細(xì)描述本體的固有特征及本體之間的聯(lián)系。本體屬性一般指數(shù)據(jù)屬性，描述本體所具有的特征，如鋼梁具有長度、材料等數(shù)據(jù)屬性;本體間的關(guān)系通過本體的對象屬性描述，如鋼梁本體與節(jié)點(diǎn)本體之間通過對象屬性（節(jié)點(diǎn)特性）描述。

（6）通過領(lǐng)域?qū)＜掖_認(rèn)方式檢查本體類。如果檢查通過，則需進(jìn)一步通過對象校驗(yàn)的方式來校驗(yàn)本體類描述知識(shí)的完整性。

（7）將通過檢查及校驗(yàn)的本體類更新本體模型。本體模型如圖5所示。

3? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型建模

3.1? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型建模流程

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型目的是模型數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計(jì)全流程，包括結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等階段。本文基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的流程如圖6所示。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)源為結(jié)構(gòu)CAD模型，可通過第三方建模系統(tǒng)導(dǎo)入，也可用軟件功能進(jìn)行自有建模。在獲取數(shù)據(jù)源的前提下，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型建模流程如以下所示：

（1）分析結(jié)構(gòu)CAD模型，分組抽取包括模型層數(shù)據(jù)（如結(jié)構(gòu)形式、樓層數(shù)、層高、地下層數(shù)、地下層高等）、構(gòu)件數(shù)據(jù)（如鋼梁、鋼柱、鋼撐、樓板等）、荷載數(shù)據(jù)（如樓面荷載等）、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)（如節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)形式、焊縫數(shù)據(jù)、螺栓數(shù)據(jù)等）。

（2）抽取模型層數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)體、屬性、關(guān)系等映射規(guī)則映射結(jié)構(gòu)形式本體。

（3）抽取構(gòu)件數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)體、屬性、關(guān)系等映射規(guī)則映射結(jié)構(gòu)模型本體，其中，本體數(shù)據(jù)屬性表示對象的固有特征，本體對象屬性表示對象之間的連接關(guān)系。

（4）將結(jié)構(gòu)模型本體中對象屬性映射構(gòu)件本體模型，包括截面規(guī)格映射截面本體、幾何表示映射桿件本體、焊接特性映射焊縫本體、栓接特性映射螺栓本體、荷載計(jì)算規(guī)則映射結(jié)構(gòu)荷載本體等。

（5）將結(jié)構(gòu)形式本體、結(jié)構(gòu)模型本體及構(gòu)件本體建立多層次鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。

3.2? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜，本文實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖7所示。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件具體功能包括：

（1）第三方接口功能：包括導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)IFC模型及第三方軟件（如Revit、Autocad、PKPM、MidasGen、ETABS、SAP2000等）模型文件，便捷實(shí)現(xiàn)異構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)模型的重用功能。

（2）結(jié)構(gòu)建模功能：提供鋼梁、鋼柱、支撐、樓板等主要構(gòu)件的圖形建模能力，同時(shí)提供按樓層管理鋼構(gòu)件的能力。

（3）工程荷載：提供樓面荷載、施工荷載、檢修荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等工程荷載建模能力。

（4）結(jié)構(gòu)分析：根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型自動(dòng)抽取結(jié)構(gòu)分析模型，利用有限元單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并將結(jié)構(gòu)分析結(jié)果返回結(jié)構(gòu)模型本體進(jìn)行存儲(chǔ)。

（5）構(gòu)件設(shè)計(jì)：內(nèi)置的國家設(shè)計(jì)規(guī)范、行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并對受彎構(gòu)件、軸心受力構(gòu)件、拉彎壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。具體驗(yàn)算內(nèi)容包括：強(qiáng)度驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算或長細(xì)比驗(yàn)算等。

（6）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：內(nèi)置的國家設(shè)計(jì)規(guī)范、行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并對柱腳節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算、螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算、腹板厚度驗(yàn)算等驗(yàn)算項(xiàng)。

（7）計(jì)算書：內(nèi)置的計(jì)算書模板，根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的驗(yàn)算項(xiàng)輸出詳細(xì)驗(yàn)算內(nèi)容。

（8）施工圖：按樓層自動(dòng)輸出平面布置圖，內(nèi)容包括軸線布置情況、樓層情況、構(gòu)件布置情況及構(gòu)件列表等;按節(jié)點(diǎn)輸出節(jié)點(diǎn)大樣圖，內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)大樣、零配件的規(guī)格尺寸、標(biāo)注、焊縫情況等。

4? 結(jié)? 論

本文針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)集中等特點(diǎn)，通過分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)，建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜。知識(shí)圖譜構(gòu)建流程包括：獲取典型設(shè)計(jì)模型庫、型鋼庫、節(jié)點(diǎn)庫、設(shè)計(jì)規(guī)范集等知識(shí)源，采用自頂向下構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次本體模型，包括結(jié)構(gòu)形式本體、結(jié)構(gòu)模型本體、構(gòu)件本體、結(jié)構(gòu)計(jì)算本體、結(jié)構(gòu)校核本體、設(shè)計(jì)成果本體等;通過實(shí)體映射、屬性映射、關(guān)系映射建立多層次結(jié)構(gòu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行存儲(chǔ)。

本文最后基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，為統(tǒng)一異構(gòu)設(shè)計(jì)模型提供了公共數(shù)據(jù)模型，并應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中。

參考文獻(xiàn)：

[1] PAULHEIM H. Knowledge graph refinement：a survey of approaches and evaluation methods [J].Semantic Web，2016，8（3）：489-508.

[2] 杭婷婷，馮鈞，陸佳民.知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)：分類、調(diào)查和未來方向 [J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2021，48（2）：175-189.

[3] 劉嶠，李楊，段宏，等.知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)綜述 [J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2016，53（3）：582-600.

[4] 徐增林，盛泳潘，賀麗榮，等.知識(shí)圖譜技術(shù)綜述 [J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，45（4）：589-606.

[5] 楊玉基，許斌，胡家威，等.一種準(zhǔn)確而高效的領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建方法 [J].軟件學(xué)報(bào)，2018，29（10）：2931-2947.

[6] 趙建勛，張振明，田錫天，等.本體及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用綜述 [J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13（4）：727-737.

[7] 李秀玲，張樹生，黃瑞，等.基于工藝知識(shí)圖譜的異構(gòu)CAM模型結(jié)構(gòu)化建模方法 [J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2018，30（7）：1342-1355.

[8] 劉寶珠，王鑫，柳鵬凱，等.KGDB：統(tǒng)一模型和語言的知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) [J].軟件學(xué)報(bào)，2021，32（3）：781-804.

[9] 潘理虎，張佳宇，張英俊，等.煤礦領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2019，36（8）：47-54+59.

[10] 楊一帆.鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建研究 [D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[11] 嚴(yán)旭，范盛穎，周光炳.BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型與計(jì)算軟件貫通的研究 [J].土木建筑工程信息技術(shù)，2017，9（2）：84-87.

[12] 劉照球，張吉.結(jié)構(gòu)分析BIM模型框架和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用 [J].工業(yè)建筑，2015，45（2）：178-183.

[13] 秦領(lǐng)，劉西拉.建筑物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射研究 [J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：28-36.

[14] 王佳慧，李莎，李德慧.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元軟件發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用 [J].廣東土木與建筑，2021，28（2）：16-18

[15] 張慎，楊浩，杜新喜.基于CATIA鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用 [J].建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（7）：93-98+106.

作者簡介：向燕飛（1980—），女，漢族，湖南懷化人，軟件設(shè)計(jì)師，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)算法、圖形圖像。

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