本研究提出了一种高层钢结构的自动化建模方法，通过将建筑平面图信息智能转化为结构计算模型数据，实现了从建筑布局到结构设计的无缝衔接。该方法基于先进的算法设计和专家经验融合，有效解决了传统设计中依赖人工经验、耗时且易出错的痛点。考虑层高、设计需求、户型等，采用聚类算法进行结构标准层划分，以及对各标准层的构件类别进行归并，形成结构优化时所需的构件组并获取设计变量，采用MSC.Marc有限元软件和Python相结合的二次开发技术，自动生成结构计算模型。
在识别得到建筑构件、几何元素与封闭区域等信息的基础上，开展高层钢结构的参数化模型自动生成研究，主要包括结构构件布置与荷载施加，这两者的分配和布局设计都是基于建筑功能约束，结合结构工程师的专家经验知识完成的，这些规则和先验知识可以根据具体情况和工程实际进行调整和补充，以适用于不同的建筑结构设计项目中。下图展示了结构平面布置的示意图，主要包括结构轴网、结构构件、结构荷载三部分，具体步骤如下:
1.结构轴线布局设计。在结构建模之前，需要优先确定结构模型的轴网，即轴线布局设计，采用基于建筑几何特征，结合通用设计准则和工程师先验知识的智能识别算法，通过边缘检测技术精确捕捉建筑平面图中获取的几何线段，即建筑轮廓线，在本研究中，主要针对规则的平面布局，形成正交轴线网格。
2.结构柱布置。在钢结构中，结构柱的布置一般在结构轴线的交点上，基于步骤1的轴线布局，可获取所有水平轴线与纵向轴线的交点。在结构柱布置过程中，对于墙体分布不规则的建筑，并非所有交点都会设置，因此，采用角点检测法并基于轴网的拓扑关系进行配对处理，即检测结构轴网的交点与墙体的转角，当轴网交点位于墙体转角处，则在此布置结构柱。由此可形成完整的结构柱布置方案。
3.结构梁布置。在高层钢结构中，结构梁一般始终布置在相邻结构柱之间，确保梁柱的传力路径合理。依据此规则，首先随机选择一个结构柱，然后检测其水平与纵向两个方向的相邻结构柱，可在这些柱之间完成结构梁的布置，最终形成结构梁的整体布置方案。
4.结构荷载布置。结构荷载包括水平荷载和竖向荷载。前者主要考虑地震等效静力荷载，采用底部剪力法进行计算得到具体数值，再根据结构荷载矩阵，获取水平等效荷载的施加作用点。后者通过步骤1~3形成的结构梁柱区域，基于区域分割结果，根据建筑区域功能矩阵，可获取建筑区域的覆盖面积以及区域功能所对应的楼面荷载值，通过对结构楼板所在范围内的所有建筑区域荷载进行叠加，采用加权平均法，按下式可计算得到结构模型的楼面荷载分布。在结构荷载布置过程中，考虑水平和竖向荷载的组合系数，及水平荷载的方向，以考虑最不利荷载布置期刊。
在建筑结构设计中，为了施工便利性，通常有涉及标准层的概念，且结构构件也需要进行分类，形成不同的组别。文本采用K-means聚类算法（见下图），能够自动调整聚类中心，以获得符合建筑功能需求与结构设计要求的结构标准层聚类结果。综合考虑层高、设计需求、户型特征等多个因素，通过特征工程提取影响标准层划分的关键参数，如各楼层竖向构件（即结构柱）的受力情况，考虑相邻楼层的结构柱承受荷载能力相近，对结构柱轴力数值相近的楼层进行归并，完成结构标准层的智能划分，确保划分结果的合理性和经济性。
结构构件（包括梁柱）的类别主要通过专家经验得到，在各个已划分的标准层中保持一致，自动形成可用于结构优化所需的构件组，有效减少设计变量数量，提高优化效率。在结构构件归并过程中，建立了包括几何特征、受力特性等多个维度的归并准则。例如，在几何特征方面，考虑了构件长度、截面类型、截面尺寸的相似性，纵向的工字型钢梁与横向的工字型钢梁则分属于两类，工字型钢柱与箱型钢柱分属于两类；在受力特性方面，对于结构柱，一般可划分为角柱、边柱、中柱等；对于结构梁，一般可划分为水平向边梁、垂直向边梁、中梁等。结构构件归并的目的在于保证结构安全的前提下最大限度地简化设计问题并提高经济性。
参数化建模采用商用有限元分析软件MSC.Marc的应用程序接口实现。基于结构节点矩阵和结构单元矩阵，获取结构模型的数据信息（如物理位置与几何属性），结构模型的参数化定义见下图，对于本研究所研究的结构类型，主要采用梁单元进行模拟，具体参数包括以下三个方面：
1. 几何信息方面。结构节点信息，通过结构节点矩阵读取节点的编号及其坐标位置，通过参数（n, x, y, z）定义；结构单元信息，通过结构单元矩阵读取单元的编号、连接节点、长度、类别编号，通过参数（m, n1, n2, l, c）定义；结构标准层信息，根据结构构件的分类结果及结构单元矩阵，读取构件所属的标准层，通过参数（ss）定义；截面信息，设置不同截面类型，如工字型截面，通过截面总高度、翼缘宽度、翼缘厚度及腹板厚度四类参数（hs, wf, tf, tw）定义。
2. 荷载信息方面。荷载信息包含竖向楼面荷载与水平地震作用。基于结构荷载布置图，读取各结构楼板的楼面荷载分布，包括恒载与活载，通过参数（dl, ll）定义，在结构建模时，依据梯形荷载传递原理，自动计算得到垂直作用于结构梁的等效线荷载，以此简化考虑竖向荷载。通过基底剪力法考虑作用于结构柱梁节点处的等效水平地震作用，基于结构荷载矩阵，读取等效水平荷载分布，包括作用位置和大小，通过地震设防强度、地面运动设计特征周期、场地类别等参数（si, Tg, sc等）定义。
3. 材料信息方面。钢构件主要通过屈服强度、弹性模量、泊松比参数（fy, Es, ε）定义。
有限元方法的核心在于通过离散化思想近似求解连续介质问题，在处理复杂几何与边界条件时表现出显著的灵活性。该方法将原本具有无限自由度的连续求解域，划分为有限个通过节点相互连接的离散单元组合，从而用这一离散体系近似替代原始连续体，随后通过选取适当的单元类型与数量，并借助插值函数描述单元内部场变量，最终获得整个求解域的近似解。本课题研究的高层钢结构建筑主要采用梁单元（见下图）进行建模和分析，以此为例说明有限元分析方法的基本步骤。
1. 简化力学模型
结合实际工程结构特点，将其合理简化为一维、二维或三维分析模型，以尽可能反映真实受力状态。对于二维问题，可依据受力特征简化为平面应力或平面应变模型，并可利用结构对称性降低计算规模。荷载根据作用形式，可等效为集中力、分布荷载或弯矩等，同时依据实际约束条件设定边界条件。
2. 连续体离散化
根据力学模型特点选择合适的单元类型与网格密度，将连续区域划分为有限数量单元，单元之间通过节点连接，形成离散系统。需建立整体坐标系并对节点与单元进行系统编号。一般而言，网格越密集，解精度越高，但需综合考虑计算效率与成本。
3. 位移函数构造
基于弹性力学理论，若已知位移场，则可唯一确定应变与应力分布。有限元法以节点位移为基本未知量，为描述单元内部位移变化，需建立节点位移与单元内部位移之间的插值关系，即构造位移函数。该函数通常采用多项式形式，并定义于单元内部，须满足相邻单元在公共边界上的位移协调条件，且应包含线性项以保证单元能反映常应变状态。
4. 计算分析
在确定单元位移模式后，可通过几何方程与物理方程推导单元应变与应力。根据虚功原理，单元节点力所做虚功应等于单元内应力所做的虚功，可得到单元刚度矩阵，将所有的单元按照一定的编号顺序整合在一起可以得到整体结构的刚度方程。通过代入边界条件可以求出未知的位移，从而求得整体结构的位移、应力和应变。
对于三维梁单元，可由平面梁单元进行扩展得到，每个节点有三个自由度μ、v、θ，由此节点位移向量{δ}b可表示为：
则位移可表示为：
代入节点坐标后可得到平面梁单元的形函数为：
式中：
根据材料力学、弹性模量E和虚功原理，最终可积分得到平面梁单元的刚度矩阵为：
式中，b为剪切修正系数，当剪切变形不可忽略时，应对梁单元的刚度进行修正，可表示为：
式中，k为考虑剪应力不均匀分布的系数；G为剪切模量；A为截面面积；I为截面惯性矩。 采用MSC.Marc有限元软件与Python语言的深度集成开发技术，建立完整的结构计算模型自动生成流水线，通过开发专用的应用程序接口（Application Programming Interface，API），实现从参数化建模到有限元分析的无缝衔接，具体包括： 1. 在二次开发过程中，通过设置高效的数据交换机制，确保Python生成的数据能够准确导入MSC.Marc工作环境。 2. 开发自动化的前处理模块，基于统一矩阵建模理论，根据读取的数据和参数定义，自动完成网格划分、边界条件设置、荷载施加、构件生成等操作。 3. 开发自动化的后处理模块，自动提取关键计算结果，并进行规范化整理。通过建立结果评价体系，为设计优化提供数据支持，形成完整的“建模-分析-提取”闭环流程。 4. 为了后续开展结构优化研究，建立参数-模型的双向关联机制，支持设计参数的快速修改和模型的实时更新，同时，集成自动化分析流程，能够批量完成多种荷载工况下的结构计算分析。
