Внедрение экспертных систем в процесс проектирования строительных конструкций

УДК 67.01.85

ХАНИНАА. Б., АЛЕХИН В. Н.

Внедрение экспертных систем в процесс проектирования строительных конструкций

Статья посвящена проблеме безопасности и экономичности зданий и сооружений. Авторами разработана концепция экспертной системы оптимального проектирования строительных конструкций, исследована методика проектирования зданий и сооружений сучетом риска ихлавинообразного разрушения.

Алехин

Владимир Николаевич

кандидаттехнических наук, доцент, декан строительного факультета, заведующий кафедрой «САПР ОС» УрФУ E-mail: sapros_ustu@mail.ru

Ханина

Анна Борисовна

аспирантка УрФУ E-mail: aurora84@mail.ru

Ключевые слова: экспертные системы, оптимальное проектирование, лавинообразное обрушение, строительные конструкции, генетический алгоритм.

HANINA А. В., ALEKHIN V. N.

INTRODUCTION OF EXPERT SYSTEMS IN THE PROCESS OF OPTIMAL STRUCTURAL DESIGN

The concept of expert system supporting optimum design of building structures is developed. Design methods taking into account the disproportionate collapse risk of buildings and structures is investigated.

Keywords: zxpert systems, optimum design, disproportionate collapse, building structures, genetic algorithm.

Проблема безопасности и экономичности зданий и сооружений относится к числу основных проблем, выдвинутых на первый план непрерывно увеличивающимся объемом строительства. Проведенные исследования в области проектирования надежных и в то же время оптимальных строительных конструкций указывают на актуальность создания систем, базирующихся на принципах искусственного интеллекта, в том числе экспертных систем, играющих роль человека-эксперта. Это связано с трудностями, возникшими в последнее время перед инженерами-строителями. Назрела острая необходимость в наличии информационной базы (ИБ) и системы поддержки принятия решений. Предлагается создание экспертной системы (ЭС) поддержки принятия решений, которая обеспечит доступ к интересующей проектировщика информации на момент проектирования конструкции и подскажет пути эффективного решения задачи.

В США, Германии, Японии и других развитых странах разработаны и функционируют сотни систем поддержки принятия решений интеллектуального типа (базирующиеся на ЭС) в различных областях строительства. В России экспертные системы применяются в сфере инвестиционно-строительного процесса.

Заложенные в ЭС знания экспертов по расчету зданий позволят повысить качество проектирования и, как следствие, надежность

конструкций. Приведем лишь некоторые возможности ЭС:

• оптимизация проектных решений зданий на ранних стадиях проектирования, выбор основных объемно-планировочных решений зданий (конфигурация, сетка колонн, конструктивные решения);

• принятие эффективных решений по снижению уровня риска возникновения аварийных ситуаций на территориях, подверженных природно-техногенным воздействиям;

• проектирование конструкций по критерию надежности, с учетом вероятности отказа конструкции через определенное время ее эксплуатации и с учетом выполнения соответствующих ремонтных работ;

• возможность использования вероятностных методов оптимизации конструкций;

• проектирование конструкций с учетом риска их лавинообразного обрушения;

• принятие решений в условиях неопределенности;

• оптимизация конструкций на основе современных методов оптимизации — генетических алгоритмов;

• грамотная консультация пользователя, приведение ссылок на нормативную документацию.

Для создания ЭС разработано достаточное количество стандартных оболочек. Однако все они ориентированы на решение широко-

82

©ХанинаА. Б., Алехин В. Н., 2011

АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2011

го класса задач, и поэтому при решении специализированных задач строительства их использование становится непроизводительным. Поэтому первым этапом создания ЭС является разработка специализированной оболочки, предназначенной для решения задач проектирования. При разработке экспертных систем часто используется концепция быстрого прототипа. Суть этой концепции заключается в разработке за незначительное время прототипа ЭС, который призван реализовывать ограниченный круг задач. На основе прототипа выявляется пригодность системы к работе в данной предметной области, правильность программного кода, кодировки фактов, связей и стратегий рассуждения эксперта. На сегодняшний день сложилась определенная технология разработки экспертных систем, включающая 6 этапов (рис. 1): идентификация, концептуализация, формализация, реализация, тестирование, опытная эксплуатация [1].

Рассматриваемая экспертная система содержит следующие основные компоненты: решатель (интерпретатор), рабочую память (РП), именуемую также базой данных (БД), базу знаний (БЗ), компоненты приобретения знаний, объяснительный компонент, диалоговый компонент.

Основу ЭС составляет база знаний, которая закладывается во время ее разработки и может уточняться и расширяться при использовании по мере утверждения новых строительных норм, появления новых рекомендаций по проектированию конструкций. БЗ разрабатывается во взаимодействии с ведущими специалистами и представляет собой свод квалифицированных мнений (правил) и постоянно обновляющийся справочник наилучших

методов и стратегий, используемых для решения конкретных задач. Экспертную систему предусмотрено построить на основании четких правил и рекомендаций зарубежных и отечественных строительных норм с учетом таких документов, как [2], [3], а также европейских стандартов и мирового опыта аварий зданий и сооружений. С помощью ЭС собирается и систематизируется требуемая исходная информация по объекту: тип, размеры, этажность, уровень ответственности, функциональное назначение, специфика происходящих в нем процессов при эксплуатации, местоположение, грунтовые условия, размещение и т. д. БД при необходимости уточняется. Посредством диалога с пользователем на основании сценарного подхода и базы знаний ЭС задача формализуется. Как справедливо отмечено в [4], небольшие строения, габариты которых сопоставимы с размерами «локальных» повреждений, не имеет смысла проверять на возможность прогрессирующего разрушения.

Осуществляется отбор объектов анализа согласно классификации зданий и сооружений по следующим признакам:

1 Объекты класса 1, при проектировании которых возможность возникновения аварийных ситуаций не принимается во внимание.

2 Объекты класса 2, в которых все конструкции могут быть защищены от аварийных повреждений за счет увеличения несущей способности или применения защитных устройств.

3 Объекты класса 3, некоторые конструктивные элементы которых невозможно защитить от аварийных повреждений, что потребует проверки на прогрессирующее разрушение [4].

На следующем этапе блок решателя ЭС, согласно введенным пользователем данным, относит здание к тому или иному классу в зависимости от габаритов рассматриваемой конструкции и списка возможных аварийных ситуаций. ЭС по согласованию с пользователем выбирает один из трех возможных вариантов: расчет конструкции без учета лавинообразного разрушения; расчет конструкции без учета лавинообразного разрушения с указанием возможных превентивных мер защиты сооружения, либо расчет конструкции с учетом аварийной ситуации, но при условии сохранения целостности конструкции; третий вариант — расчет с учетом лавинообразного обрушения конструкции, т. е. с удалением из расчетной схемы некоторых элементов. Удаляемые элементы выбираются в зависимости от исходной информации об объекте. Это означает, что, например, при размещении в здании взрывчатого вещества опасности подвергаются прежде всего элементы, находящиеся в непосредственной близости от него. Расчет конструкции ведется с учетом возможного разрушения этих элементов.

Пользователь может применить полученные от ЭС советы по корректировке исходной расчетной схемы конструкции (нагрузки от аварийных воздействий, исключение из расчетной схемы некоторых элементов конструкции) для расчета объекта в одном из доступных расчетных программных комплексов. На основе полученных усилий в элементах конструкции предусмотрена возможность оптимизации этих элементов на основе генетического алгоритма (ГА), хорошо зарекомендовавшего себя эвристического метода поиска решений.

Концептуальное решение предлагаемой экспертной системы для расчета конструкций с учетом риска прогрессирующего обрушения рассмотрено на примере проектирования высотного здания в составе торгово-делового центра (рис. 2).

Несущая схема каркаса 38-этажной части — связевая, с внешним стволом в виде фермы. Общую устойчивость здания обеспечивают колонны, неразрезные диски перекрытий и вертикальная пространственная ферма, которая представляет собой систему вертикальных крестовых связей из стержневых элементов, расположенных по контуру здания. Вертикальная нагрузка воспринимается колоннами, горизонтальная нагрузка передается через перекрытия на ферму.

По логике экспертной системы низкая стилобатная часть отнесена

Рисунок 1. Этапы разработки ЭС

Рисунок 2. Расчетная схема здания торгово-делового центра в г. Екатеринбурге

к объектам класса 1, т. е. при расчете аварийные ситуации не учитывались. Она запроектирована без мероприятий, препятствующих прогрессирующему разрушению. Так как высотная часть является объектом I уровня ответственности высотой более 75 м, она была отнесена к объектам класса 3. К ней предъявлялись специальные требования по устойчивости к лавинообразному разрушению, и при расчете выход из строя каких-либо несущих элементов здания рассматривался как вероятный.

Согласно концепции ЭС, были выбраны схемы гипотетических локальных разрушений. Данное здание не содержит взрывоопасных производств, скопления горючих материалов, а также других объектов повышенного риска. Поэтому типы локальных разрушений определены стандартно, в соответствии с [5]. В качестве самых опасных типов локальных разрушений рассмотрены

разрушения любой отдельно стоящей колонны и обрушение вышележащего перекрытия площадью 80 кв. м. Разрушения участков стен лифтовой шахты и лестничной клетки не рассматривались в качестве опасного локального разрушения, так как лестнично-лифтовой узел отделен от основного объема здания деформационными швами и не участвует в обеспечении его общей устойчивости. Авария какого-либо элемента связе-вой фермы также не рассматривалась, так как ферма воспринимает горизонтальные нагрузки и передает их на каркас. При расчете на прогрессирующее разрушение учитываются только постоянные и длительные временные (вертикальные) нагрузки. Усилия в элементах фермы при действии вертикальных нагрузок ничтожно малы, и их разрушение не приведет к лавинообразному разрушению.

Выбраны типы этажей, на которых моделировались разрушения. Рассмотрены все отличающиеся друг от друга этажи с учетом разумной типизации. Такими типами этажей в данном здании являются:

1 1...7 этажи, в уровне которых на колонны каркаса 38-этажной части по периметру шарнирно опираются балки каркаса стилобатной части, чем создают большие дополнительные нагрузки;

2 типовые 8...20, 22...35 этажи;

3 21-й технический этаж, отличающийся от типового большими нагрузками от оборудования;

4 36...38 этажи, имеющие треугольную форму в плане.

Согласно концепции экспертной системы, определены наиболее опасные места расположения локальных разрушений на этажах. Смоделированы разрушения всех четырех угловых колонн здания, так как на разных углах перекрытия запроектированы различные консоли, и разрушение угловой колонны наиболее опасно. Рассмотрены также несколько разрушений средней колонны здания и крайних колонн по периметру здания в местах наибольших консольных выступов перекрытий. Обрушение участка вышележащего перекрытия моделировалось в крайнем пролете и в местах наибольших консолей перекрытия.

Определены нагрузки при расчете здания на аварийной стадии. В соответствии с [5], расчет с учетом локальных разрушений произведен на особое сочетание нагрузок, которое включает постоянные нагрузки с их нормативным значением, длительные временные нагрузки (временные нагрузки с пониженными норматив-

ными значениями) и одно аварийное воздействие. Коэффициент сочетания всех нагрузок равен единице.

Расчеты каркаса здания на устойчивость против прогрессирующего разрушения выполнены с помощью программного комплекса «Лира 9.4». Для проверки вертикальных элементов каркаса (колонн) построена расчетная схема каркаса здания, произведен статический расчет здания на расчетные эксплуатационные нагрузки и определены усилия в элементах на стадии эксплуатации. Затем выполнены расчеты, моделирующие локальные разрушения несущих конструкций каркаса.

По логике экспертной системы, для всех выбранных схем локального разрушения последовательно выполнены статические расчеты здания на особое сочетание нагрузок и определены усилия в элементах. Усилия в отдельных конструктивных элементах, полученные на основании статических расчетов с учетом локальных разрушений, сравнивались с усилиями, полученными из статического расчета без учета локальных разрушений. Если в каком-либо элементе происходит увеличение усилий, то требуется выполнить проверку его прочности и при необходимости усилить конструкцию.

Для проверки горизонтальных несущих конструкций (перекрытий) были созданы отдельные расчетные модели четырех типов этажей в физически нелинейной постановке. В расчетную модель этажа входят колонны проверяемого этажа и перекрытие над ними (перекрытие над этажом). При удалении какого-либо несущего элемента (разрушении колонны) получаем схему, по которой работает каждый этаж во время локального разрушения.

На плиту перекрытия действует постоянная и длительная временная нагрузка с нормативными значениями. Для каждой из выбранных схем локальных разрушений корректировалась расчетная схема перекрытия. Моделировалось или разрушение вертикального несущего элемента, или обрушение участка вышележащего перекрытия. Нагрузка прикладывалась пошагово, общее количество шагов — 10 (на каждом шаге прикладывалось 10% полной нагрузки, после чего происходило переопределение модуля деформации материала).

Если нагрузка приложена полностью и в системе не произошло разрушений, то этаж (а значит, и все здание) защищен от прогрессирующего разрушения при данном локальном разрушении. Если на каком-то шаге

да 14058-91 Hi-Pul

Рисунок 3. Конструктивные мероприятия, препятствующие лавинообразному разрушению рассматриваемого здания

приложения нагрузки система разрушается (становится механизмом), перекрытие не защищено от данного аварийного воздействия, что может привести к прогрессирующему разрушению.

По результатам расчетов выявлено, что выбранные локальные разрушения не приводят к обрушению соседних вертикальных конструкций и лавинообразному разрушению здания. Наиболее неблагоприятными схемами локальных разрушений для вертикальных несущих элементов являются разрушения колонн по периметру здания, особенно угловых колонн. Уменьшение усилий в колоннах, расположенных близко к локальному разрушению, по сравнению с усилиями от расчетной эксплуатационной нагрузки составляет: при разрушении угловых колонн 1%...3%, при разрушении крайних колонн по периметру здания 2%...5%, при разрушении средних колонн внутри здания 9%...16%. То есть усилия в вертикальных элементах при аварийном воздействии оказываются меньше эксплуатационных усилий. В колоннах, находящихся далеко от локального разрушения, аварийные усилия меньше эксплуатационных на 27%...33%.

При разрушении какой-либо колонны нагрузка, которую она ранее воспринимала, распределяется на соседние с ней колонны, которые принимают дополнительное усилие. Но при расчете на стадии эксплуатации здание проверяется на воздействие всех постоянных, временных длительных и кратковременных нагрузок с коэффициентами надежности больше единицы. На стадии аварии здание рассчитывается при воздействии только постоянных и длительных временных нагрузок с коэффициентами надежности, равными единице. При аварии у колонн, близко расположенных к локальному разрушению, увеличивается грузовая площадь, на них передается нагрузка, ранее воспринимавшаяся разрушенными элементами. Но значение нагрузки значительно меньше (1275 кг/м2 на стадии эксплуатации и 865 кг/м2 при аварийном воздействии). Поэтому

усилия в колоннах зачастую оказываются меньше.

Таким образом, вертикальные элементы каркаса защищены от прогрессирующего обрушения.

Расчеты показали, что обрушение вышележащего участка перекрытия площадью 80 кв. м не является опасной схемой локальных разрушений. Усилия в элементах перекрытия не превышают допустимых. Выявлено, что конструкции перекрытий не защищены от прогрессирующего разрушения при разрушении отдельно стоящих колонн. Это объясняется, в первую очередь, шарнирным опира-нием балок перекрытий на колонны, предусмотренным в проекте. При выходе из работы какого-либо вертикального элемента шарнирно опертые балки превращаются в механизм, что приводит к прогрессирующему разрушению. Жестко сопряженные с колоннами ригели могут продолжать эффективно работать при образовании в системе больших пролетов и появлении консолей.

При выходе из строя какой-либо колонны изменяется схема работы перекрытия, пролеты увеличиваются в два раза либо образуются большие консоли (при разрушении угловых колонн). В местах наибольших напряжений образуются пластические шарниры. Как и предполагалось, расчеты показали, что самыми опасными схемами локальных разрушений являются разрушения угловых колонн здания. Это объясняется тем, что при такой схеме разрушения в перекрытии образуется небольшая область развития пластических шарниров. При разрушении крайней колонны по периметру здания, а тем более средней колонны общая область развития пластических шарниров в перекрытии велика, что позволяет более эффективно сопротивляться разрушению и приводит к меньшим напряжениям.

Согласно концепции экспертной системы, был разработан проект усиления конструкций для защиты перекрытий от прогрессирующего разрушения. Согласно [5], было предусмотрено жесткое сопряжение ригелей с колоннами. Кроме того, по-

требовалось увеличить армирование плоской части перекрытия. В проекте была предусмотрена верхняя фоновая арматура, непрерывная по всей площади плиты 5 В500 (Вр-I) с шагом 400 мм в обоих направлениях. Ее заменили на 10 А400 (A-III) с шагом 200 мм в обоих направлениях. Шаг нижней фоновой арматуры — по первоначальному проекту 10 А400 (A-III) с шагом 400 мм — также уменьшили до 200 мм, так как при отказе какой-либо колонны или при неравномерной осадке конструкций в области колонны может потребоваться усиленное нижнее армирование. На угловых участках перекрытий потребовалось также усилить местное армирование.

Также был предусмотрен ряд конструктивных мероприятий, препятствующих прогрессирующему разрушению. Так, анкеровка нижней арматуры в районе обетонированных балок осуществляется на сварке (рис. 3).

Проект данного торгово-делового центра был откорректирован с учетом замечаний, выявленных в ходе расчета. В настоящее время здание находится в стадии строительства.

Заключение

Таким образом, заложенные в ЭС знания экспертов по расчету зданий с учетом прогрессирующего разрушения позволят повысить качество проектирования и, как следствие, надежность конструкций. В процессе работы пользователя с ЭС последняя обобщает накопленные знания в своей базе и предлагает пользователю рациональные пути решения поставленной задачи, приводя цепочку рассуждений и ссылки на параграфы нормативной документации. Путем использования модуля оптимизации на основе генетического алгоритма может быть решена задача нахождения оптимальных, либо близких к оптимальным параметрам сечений оптимизируемых элементов конструкции.

Список использованной литературы

1 Муромцев Д. И. Введение в технологию экспертных систем. СПб, 2005.

2 Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях. М., 2002.

3 СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений».

4 Перельмутер A.B., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. М„ 2007.

5 Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2006.