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纪念John Michael Rotter教授

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Professor J Michael Rotter, FREng, FRSE, FICE, structural engineer and academic. (31 Oct. 1948 - 9 Aug. 2025).




2004年,Rotter教授、陈建飞教授和叶列平教授共同申请的中-英合作课题获批,在该课题的支持下,我有幸得以访问英国爱丁堡大学并见到了Rotter教授。


Rotter教授是非常典型的老派英国绅士风格,优雅、幽默、不急不忙。我和叶列平老师抵达英国后,Rotter教授请我们去了郊外的一个苏格兰小饭店吃晚饭。当时正好是夏天,苏格兰纬度高,天黑得很晚。饭店周围是苏格兰的丘陵和草地,环境非常好。我当时没怎么出过国,也不知道点啥,胡乱点了一个炸鱼排,吃起来感觉就是一个高级一点的Fish & Chips。但Rotter教授很热情地教我点了一杯Gin酒,这也是我第一次喝Gin酒,当时觉得很好喝。后来在英国生活期间,我自己跑到超市去买了一瓶Gin酒,却发现和那天晚上的酒完全不是一个味道,一点都不好喝,最后都拿去炒菜了。


此后和Rotter教授交流科研工作,Rotter教授对论文精益求精的要求和不急不忙的态度是出了名的。有一次Rotter教授拿出了他的博士论文,厚厚的一大本,然后对我说,他博士论文的成果还没有完全发表出来,有两篇论文他仍然觉得有些地方还没有写到十全十美,还需要再改改再投稿。不过他很自信地说,虽然距离他博士毕业已经过去了差不多30年,这些成果放到今天去读仍然具有很好的创新性。这番谈话对当时正忙着写论文攒工分的我产生了巨大的震撼。


在英国期间,我见到Rotter教授的机会不多,听别的老师说,他花了大量时间在欧洲大陆参加相关设计规范的编制。Rotter教授本人是筒仓(Silo)结构的权威专家,据说很多国家的筒仓规范都有他的贡献。Rotter教授曾经提及,当时英国女王的丈夫菲利普亲王有一次来爱丁堡大学视察,他去给亲王讲解他的科研工作。他用透明塑料袋做了一个筒仓的模型,然后里面灌上沙子,再把塑料袋底部剪开,沙子开始流出,塑料袋一下子就凹下去一大块,很好地演示了筒仓的失稳破坏过程,向亲王解释了他研究的内容。这套实验装置虽然简单,但试验成功率高,效果明显。这种“土法上马”的演示实验给了我很好的教学启示。


在合作课题的支持下,Rotter教授也曾数次来清华访问。Rotter教授在日常生活中非常随和而风趣。有一次他带了一个英国学生一起来访,在餐厅吃饭时他给学生解释桌上每道菜。其中有一道菜是甲鱼,Rotter教授可能一时不记得甲鱼这个词怎么说了,于是就在那里用身体和手部动作来比划这是一个什么动物。不知道是不是那个英国学生就没见过甲鱼,虽然Rotter教授用各种动作去说明,但是那个学生就是不明白这是一个什么动物,倒是滑稽的动作把我们逗得哈哈大笑。


Rotter教授是一个非常好的老师、非常好的朋友,但是和他合作写论文真是一番挑战。2004年访问结束后我们就决定一起写一篇论文,当时论文的研究工作基本上都已经做完了,但是论文一直反复修改到2008年才算完成。不过想想他对自己的论文修改了30年还不满意,这篇论文才修改了3年多也就不算啥了。


后来我因为研究方向变化,一直没有机会再见到Rotter教授,只是在网上联系。他一直非常热爱科研,在2021年美国佛罗里达公寓倒塌事故后,我还收到ResearchGate发来的通知,说Rotter教授刚刚阅读了我们关于事故分析的论文。不想今天在朋友圈得知Rotter教授不幸离世,谨以此文纪念这位在我求学阶段指导过我的可敬的前辈学者。

 


Rotter教授的生平可以参阅他的同事和学生为他写的这篇纪念文章

https://www.scots man.com/news/people/scots man-obituaries-professor-michael-rotter-visionary-structural-engineer-and-academic-5286960


 

来源:陆新征课题组
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首次发布时间:2025-09-07
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要想AI学得好,教案必须水平高 | 新论文:通过结构优化实现生成式AI设计的数据增强

论文:Data enhancement for generative AI design of shear wall structures incorporating structural optimization and diffusion modelsDOI:https://doi.org/10.1177/13694332251353614 0太长不看版生成式结构设计的核心思路是AI可以从图纸中学习设计经验。然而,实际收集到的人工设计图纸往往质量良莠不齐,严重影响了生成式AI的学习效果。因此,我们提出:先全面优化设计图纸,提升训练集的数据质量,再让AI学习。通过结构优化得到高质量的设计图纸,训练出高质量的AI模型,从而生成高质量的设计结果。 1研究背景 课题组前期提出了系列基于生成式AI的建筑结构智能设计方法(生成对抗网络、图神经网络、扩散模型等),其核心思路都是让生成式AI学习既有图纸、文本中的设计经验,而后用户给定户型布置图和设计条件后,AI生成结构布置图。从而实现从无到有、从零到一的结构设计智能生成。 我们知道,AI的性能高度依赖于训练数据的质量。在前期的工作中,我们从不同渠道收集了大量人工设计的图纸,作为训练数据。然而,收集到的数据往往质量良莠不齐,低质量数据会给AI带来不利影响。这就好比学生学习的教案都有错误,自然没法写对作业。同时,既有的数据清洗技术主要关注图像、文本、表格、时序数据等通用数据,难以直接适用于高度专业化的结构设计数据。 2数据增强的生成式结构设计工作流 对此,我们提出了数据增强的生成式结构设计工作流,包括数据准备、数据增强、模型训练、模型预测与评估四个模块。相比传统工作流有三点改进,一是在数据准备中通过回归公式补充缺失的设计信息,得到完整信息;二是在数据增强中引入结构优化,提升设计数据质量,使其更加安全和经济;三是在模型评估中根据精细有限元得到设计指标(而非传统的IoU等相似性指标),进行更全面与合理的评价。 3数据集与回归分析以课题组研究较为充分的剪力墙结构为例开展数据增强研究。首先,构建了一个包含三百多个案例的剪力墙结构设计数据集。训练集包括设计条件、建筑设计、结构设计,用于训练扩散模型;还包括每个标准层的剪力墙厚度,材料等级,层高等必要设计信息,用于构建回归模型。测试集仅包括设计条件和建筑设计,用于测试模型。 目前,扩散模型等生成式AI仅关注剪力墙设计的核心部分——剪力墙布置。而要形成一个完整的设计方案,从而开展建模计算和优化,需要补充其他的必要设计信息。例如标准层的数量和划分,层高,材料等级等。我们对收集到的设计数据进行了统计分析和回归分析,从而确定了上述参数的初始取值。 类似地,对于连梁和框架梁的高度,我们统计了三千多根梁,结合跨高比要求和统计得到的高度范围,给出了初始设计阶段,梁高的确定公式。 4基于结构优化的设计数据质量增强为了对剪力墙设计数据进行质量提升,我们提出了一套结构优化算法。通过调整剪力墙长度,使设计方案满足合规性和经济性要求。具体而言,基于K-Means聚类算法,显著减少了优化变量的数量;通过合理的罚函数设置,同时考虑了多个关键的力学响应指标和材料成本指标。 在优化算法方面,采用了YJK-GAMA的Online Learning,这是一种有效的代理辅助进化算法。为了确定算法的超参数,选取了8个典型的剪力墙结构案例,开展了优化试算。考察了有限元计算次数与罚函数下降的关系,发现当有限元计算次数为100时能够最好地达到优化效果与耗时的平衡。 这里给出了3个典型的训练数据,优化前存在多种问题、数据质量低,优化后在位移角、剪重比、扭转周期比等方面合规性提升,或者材料用量减少。 总体上看,开展结构优化之后,训练集的数据质量明显提升。原来不合规的案例,力学罚函数平均降低14%;原来已合规的案例,材料用量平均降低3%。 5基于扩散模型的生成式结构设计基于增强后的数据集,训练了一个生成式AI。我们采用了课题组前期提出的扩散模型(Diffusion Model智能设计原理揭秘 | 论文和发明专利:基于扩散模型的剪力墙结构智能设计),根据建筑布置和设计条件来生成初步的剪力墙布置设计。相比生成对抗网络、变分自编码器等传统生成式AI,扩散模型能够生成更加高质量和多样化的结果。 对照实验表明,优质数据带来了测试集上AI设计质量的提升,原本不合规的案例,力学罚函数平均降低23%;原本已合规的案例,材料用量平均降低0.5%。 可以发现,材料用量的降低相比力学罚函数并不明显,这是因为设计中要优先满足安全性,然后才能考虑经济性。 典型案例研究表明,采用了本研究提出的数据增强方法之后,AI设计的合规性和经济性均有提升。左图案例的力学响应从位移角不合规变为合规,右图案例的材料用量节省了2.3%。可见优质的训练数据确实带来了更优质的AI设计。 6结语针对生成式结构设计普遍面临的数据质量问题,本研究提出了基于结构优化的数据增强方法,成功应用于基于扩散模型的剪力墙布置设计。通过提升用于训练AI的设计数据的质量,提高了AI设计的水平。本研究是对“AI+优化”的又一次尝试,尚存在诸多不足,欢迎各位专家批评指正!相关论文Liao WJ, Lu XZ, Huang YL, Zheng Z, Lin YQ, Automated structural design of shear wall residential buildings using generative adversarial networks, Automation in Construction, 2021, 132: 103931. 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Bulletin of Earthquake Engineering, 2025, DOI: 10.1007/s10518-025-02164-3Liao WJ, Zhang ZL, Liu B, Lu XZ, Liu DF, Liu Q, Duan ZJ, Liu C, Intelligent zoning design of concrete-faced rockfill dams using image-parameter fusion enhanced generative adversarial networks, Engineering Structures, 2025, 339: 120662. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.120662Qin SZ, Fei YF, Liao WJ, Lu XZ*, Leveraging data-driven artificial intelligence in optimization design for building structures: A review, Engineering Structures, 2025, 341: 120810. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.120810 来源:陆新征课题组

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