关键词:
木结构构件
点云分类
PointNet++
有限元分析
健康诊断
摘要:
中国文化源远流长,其中,木结构古建筑是中国文化的重要组成部分。中国木结构古建筑具有长期稳定性,即使经历了自然和人为损害,仍能够保持其完整性和功能性,这种长期稳定性取决于多个因素,包括建筑材料、工艺、结构和维护等。当前,国家高度重视已有建筑的安全性;单霁翔也在《建立故宫古建筑研究性保护机制的思考》一文中表示评估工作与实际工作脱节,特殊的评价普遍不足。因此,评估古建筑木结构的安全性,并提出合理的修缮方案是需要得到正确处理的问题。利用三维激光扫描技术生成的点云数据用于古建筑木结构构件分类以及安全性的评估,提供了全面的三维数据支持本文主要研究如何实现对古建筑中的木构件进行三维点云自动分割及健康诊断,包括对古建构件现状完整有限元模型的高效建模等。本研究遵循文物修复的可持续发展原则,旨在为故宫建筑的修缮和加固提供理论和技术支持,主要研究内容如下:(1)对于目标为古建筑这样的大场景的三维点云分类任务,深度学习中的Point Net网络与Point Net++网络可以胜任。本文对Point Net++改进,以提升对古建筑中的立柱,梁,枋点云分类的分类效果,除了数据增强方面,本文还通过更新Pointnet++的Adam优化器与交叉熵损失函数,使用Adam W与使用带标签平滑的交叉熵损失函数(Cross Entropy with label smoothing),放弃对网络增加深度,针对性解决“由于数据量小,而引发的过拟合与较差的泛化能力问题”,提高神经网络的准确率与效率,完成对木构件的分割。与原始Point Net++网络相比,本文改进的Point Net++算法在木柱类与梁类的Io U分别提升了39.3%与12.6%。(2)本文经过对建筑历史与考古资料整理分析,参考《营造法式》,《工程做法》,《太和殿三百年》等,在此基础上,针对古建筑三维数字化点云模型,通过对古建点云构件分割算法,点云引导下的标准构件变形算法,生成古建构件现状完整有限元模型。使用有限元方法,结合计算机数值模拟分析方法,量化构件残损状况,对重建的太和殿的简化实体现状模型进行静力分析。太和殿简化实体模型自上而下包括三个组成部分:上层梁架,斗拱,梁架与柱网。把屋面重量换算为集中荷载,集中质量施加在上层梁架的童柱顶与金柱挑尖梁上,下层屋面重量折算并施加在一层挑尖梁上;梁、枋、柱的连接简化为刚性连接;柱底采用铰接的连接方式。(3)应用计算机数值模拟分析得到的构件残损状况量化结果,判断最危险构件,结合累计损伤模型,预估古建筑剩余寿命,进行古建筑健康诊断。健康诊断包括判断损伤状态与评估建筑剩余寿命。将有限元静力分析计算结果与《GB50165-92:古建筑木结构维护与加固技术规范》对比,完成建筑现状损伤的判定。同时,承受恒载轴力与弯矩的木构件通过构件累计损伤模型进行数值分析模拟,来完成损伤耐久性评定,以此评估构件和建筑剩余寿命。考虑到腐蚀因素会引起木材强度的变化,故将所用到的Gerhards累计损伤模型进行腐蚀修整。结合损伤状态与评估建筑剩余寿命分析结果,最终完成太和殿的健康诊断。诊断结果表明:太和殿健康状态良好,各构件应力与应变程度均完全在规范范围内,在不考虑地震洪涝等自然灾害和人为损害等因素下,至少能安全存在1044-1063年,且太和殿立柱与梁枋现存时间为328年,远远短于预估寿命。