基于知识组件的可重构桥梁设计理论研究

随着计算机解决更为复杂设计问题的能力逐渐增强，桥梁设计必须突破现有的发展局限，向更为智能化和集成化的方向前进。本研究通过以下三个方面的基础研究，系统的建立融合知识的桥梁设计的基础理论、框架、方法和途径。首先通过已有优质桥梁设计图纸和桥梁设计知识，形成可重复使用的桥梁设计知识组件(Components of Expertise)，在此基础上，建立可重构的桥梁设计案例库。其次，通过元胞模型和特征依赖图等方法，建立和求解桥梁设计空间特征映射关系。设计空间特征映射关系包含以下三种类型：桥梁构件的几何数据和特征设计信息的映射、桥梁构件间几何约束的映射和桥梁设计知识对桥梁构件特征的映射。最后，调研设计人员使用习惯，确定常用的桥梁设计重构操作元方法；并通过桥梁设计案例库数据挖掘和对设计人员修改案例的历史操作追溯等实现对桥梁设计的重构。

为解决桥梁设计重用过程中遇到的关键技术难题，本文提出并编程初步实现了知识融合的桥梁特征模型，具体包括以下内容：第一，研究了桥梁特征建模的方法和步骤，通过建立桥墩、主梁、钢筋等构件的属性数据，实现桥梁构件的特征化输入；第二，在桥梁特征模型中，将设计相关信息分成互为支撑的三层，宏观层，细观层和微观层。宏观层解决基本设计参数、施工方法、施工工艺及环境条件等信息输入的问题，从细观层和微观层收集数据并实现对上述两层的驱动，为桥梁设计案例的分类及检索提供支持。细观层解决结构计算及内力分配的问题，实现对微观层的自适应驱动，本文通过对桥梁倒塌过程中的力学模拟和仿真，系统研究了细观层的相关计算方法，并进行试验验证。微观层解决满足构造要求和受力要求的构件配筋问题，首先对桥梁设计规范条文进行了系统归纳和整理，将上述知识分成公式知识元、规则知识元和表格知识元，在此基础上建立了与特征模型相互独立并互为驱动的设计知识库，该知识库可独立修改以适应规范修订；其次，进一步研究了轮廓与箍筋的关系、箍筋与纵向钢筋的关系、箍筋与分布钢筋的关系以及预应力钢筋与轮廓的关系，实现了形状自适应的满足受力和构造要求的钢筋布置和排列；第三，在特征模型的具体实现上，利用元胞模型来表示桥梁设计过程中的各功能组，通过元胞创建、元胞修改和元胞删除等操作，并采用特征依赖图实现桥梁特征模型的定义。本文提出了通过边驱动的方法实现箍筋、纵向钢筋和分布纵筋等钢筋元胞的特征驱动。研究结果表明，根据复杂桥梁建模的专业特点，建立可计算复杂建模技术，对于提高复杂工程构件设计效率和设计质量具有显著的意义。