Застосування сурогатних моделей на основі нейронних мереж для швидкої оптимізації залізобетонних каркасних конструкцій

Заголовок (англійською): 
Application of surrogate models based on neural networks for fast optimization of reinforced concrete frame structures
Автор(и): 
Гетун С.Ю.
Іванченко Г.М.
Гетун Г.В.
Скляров І.О.
Соломін А.В.
Автор(и) (англ): 
Getun S.Iu.
Ivanchenko H.M.
Getun G.V.
Skliarov I.O.
Solomin A.V.
Ключові слова (укр): 
оптимізація конструкцій, метод скінченних елементів, конструкції будівель, залізобетонний каркас, сурогатна модель, нейронна мережа, машинне навчання, ANSYS
Ключові слова (англ): 
Structural optimization, finite element method, building structures, reinforced concrete frame, surrogate model, neural network, machine learning, ANSYS
Анотація (укр): 
У статті представлено розробку, імплементацію та валідацію комплексного програмного конвеєра для створення та застосування високоточної нейромережевої сурогатної моделі, призначеної для вирішення багатопараметричної задачі оптимізації конструкцій будівель. Оптимізація проєктування залізобетонних каркасно-монолітних конструкцій є фундаментально складною обчислювальною проблемою. Її складність обумовлена високою вартістю скінченно-елементного (МСЕ) аналізу, який є основним інструментом для перевірки відповідності нормативним вимогам, що робить традиційний багатоваріантний пошук оптимальних рішень за допомогою прямого перебору непрактичним в рамках реалістичних термінів проєктування. Запропонована методологія включала створення детальної параметричної МСЕ-моделі просторової комірки залізобетонного каркаса в середовищі Ansys, автоматизовану генерацію репрезентативного датасету з 12000 унікальних комбінацій проєктних параметрів та їх подальшу інженерну постобробку. Ключовим етапом постобробки, що забезпечив фізичну коректність навчальних даних, стало обчислення необхідної площі армування для кожного елемента. Цей розрахунок було виконано за допомогою спеціально розробленого ітераційного алгоритму, що повністю реалізує нелінійну деформаційну модель згідно з актуальними нормами України ДСТУ Б В.2.6-156:2010. На основі цього збагаченого датасету було навчено та валідовано модель багатошарового перцептрона (MLP). Результати фінального тестування на відкладеній вибірці продемонстрували, що навчена сурогатна модель досягла високої прогнозної здатності з коефіцієнтом детермінації R² = 0,9946. При застосуванні до практичної задачі оптимізації за критерієм мінімальної вартості, модель змогла проаналізувати 10 мільйонів кандидатських дизайнів приблизно за одну хвилину — завдання, що потребувало б орієнтовно 8 років безперервних обчислень при прямому МСЕ-аналізі. Фінальна верифікація знайдених топ-10 оптимальних рішень шляхом їх повного розрахунку в Ansys показала високу збіжність прогнозних та фактичних значень, з похибкою прогнозування цільової функції (вартості), що не перевищувала 2,1%. Таким чином, у роботі продемонстровано, що запропонований підхід, який поєднує сучасні інженерні розрахункові моделі та методи машинного навчання, дозволяє створювати надійні предиктивні інструменти, які на порядки прискорюють процес пошуку оптимальних конструктивних рішень, відкриваючи нові можливості для ефективного та економічно обґрунтованого проєктування.
Анотація (англ): 
This paper presents the development, implementation, and validation of a comprehensive software pipeline for creating and applying a high-fidelity neural network-based surrogate model, designed to solve the multi-parameter optimization problem of building structures. The design optimization of cast-in-situ reinforced concrete frames is a fundamentally complex computational challenge. Its difficulty arises from the high cost of Finite Element (FE) analysis, which is the primary tool for verifying compliance with regulatory requirements, rendering traditional multi-variant searches for optimal solutions via direct enumeration impractical within realistic design timelines. The proposed methodology involved the creation of a detailed parametric FE model of a spatial cell of a reinforced concrete frame in the Ansys environment, the automated generation of a representative dataset with 12000 unique design parameter combinations, and their subsequent engineering post-processing. A key stage of the post-processing, which ensured the physical correctness of the training data, was the calculation of the required reinforcement area for each element. This calculation was performed using a specially developed iterative algorithm that fully implements the nonlinear deformation model in accordance with the current Ukrainian State Standard DSTU B V.2.6-156:2010 (harmonized with Eurocode 2: EN 1992-1-1). Based on this enriched dataset, a Multi-Layer Perceptron (MLP) model was trained and validated. The results of the final testing on a hold-out set demonstrated that the trained surrogate model achieved high predictive capability with a coefficient of determination R² = 0.9946. When applied to a practical optimization problem with a minimum cost criterion, the model was able to analyze 10 million candidate designs in approximately one minute – a task that would require an estimated 8 years of continuous computation using direct FE analysis. The final verification of the top 10 optimal solutions, performed by their full analysis in Ansys, showed a high convergence between predicted and actual values, with the prediction error for the objective function (cost) not exceeding 2.1%. Thus, this work demonstrates that the proposed approach, which combines modern engineering computational models and machine learning methods, enables the creation of reliable predictive tools that accelerate the process of finding optimal structural solutions by orders of magnitude, opening new possibilities for efficient and economically justified design.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Дата публікації: 
23 December 2025
Номер збірника: 
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv
References: 
 
  1. Gholizadeh, S., Cha, Y.-J. (2021). Probabilistic Performance-Based Optimum Seismic Design of RC Structures Considering Soil–Structure Interaction Effects. ASCE-ASME Journal of Risk and Uncertainty in Engineering Systems, Part A: Civil Engineering. doi:10.1061/AJRUA6.0000880
  2. Getun, S., Ivanchenko, H., Botvinovska, S., Getun, G., Solomin, A. (2025). Optimization of structural computational models using neural networks: a systematic review of current approaches and prospects. Applied geometry and engineering graphics, 108, 72-96. doi:10.32347/0131-579X.2025.108.72-96
  3. Liang, L., Liu, M., Martin, C., Sun, W. (2018). A deep learning approach to estimate stress distribution: a fast and accurate surrogate of finite-element analysis. Journal of The Royal Society Interface, 15(138). doi:10.1098/rsif.2017.0844
  4. Gholizadeh, S. (2015). Performance-based optimum seismic design of steel structures by a modified firefly algorithm and a new neural network. Advances in Engineering Software, 81, 50-65. doi:10.1016/j.advengsoft.2014.11.003
  5. Afzal, M., Li, R. Y. M., Ayyub, M. F., Shoaib, M., Bilal, M. (2023). Towards BIM-Based Sustainable Structural Design Optimization: A Systematic Review and Industry Perspective. Sustainability, 15(20), 15117. doi:10.3390/su152015117
  6. Jang, J., Mun, D., Jo, B., Lee, H. (2025). Flexible Behavior of Transverse Joints in Full-Scale Precast Concrete Slabs with Open-Type Joint Method. Buildings, 15(13), 2337. doi:10.3390/buildings15132337
  7. Wu, H., Wu, Y.-C., Zhi, P., Wu, X., Zhu, T. (2023). Structural optimization of single-layer domes using surrogate-based physics-informed neural networks. Heliyon, 9(10), e20867. doi:10.1016/j.heliyon.2023.e20867
  8. Suffian, M. S. Z. B., Kamil, S., Ariffin, A. K., Azman, A. H., Ibrahim, I. M., Suga, K. (2024). A surrogate model’s decision tree method evaluation for uncertainty quantification on a finite element structure via a Fuzzy-Random approach. Journal of Current Science and Technology, 14(3), Article 50. doi:10.59796/jcst.V14N3.2024.50
  9. Dadras Eslamlou, A., Huang, S. (2022). Artificial-Neural-Network-Based Surrogate Models for Structural Health Monitoring of Civil Structures: A Literature Review. Buildings, 12(12), 2067. doi:10.3390/buildings12122067
  10. Wu, H., et al. (2024). Finite Element Analysis of Perforated Prestressed Concrete Frame Enhanced by Artificial Neural Networks. Buildings, 14(10), 3215. doi:10.3390/buildings14103215
  11. Bui-Ngoc, H., et al. (2024). A deep neural network based surrogate model for damage identification of full-scale structures. Frontiers of Structural and Civil Engineering. doi:10.1007/s11709-024-1060-8
  12. Xing, Z., et al. (2025). Deep learning-based surrogate capacity models and multi-objective fragility estimates for reinforced concrete frames. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 441, 117928. doi:10.1016/j.cma.2025.117928
  13. Jia, Y., Sasani, M., Sun, H. (2023). Symbolic Neural Networks for Surrogate Modeling of Structures. Proceedings of the 14th International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering (ICASP14), Dublin, Ireland.
  14. Wu, T., Jahanshahi, M. R. (2023). Symbolic Neural Networks for Surrogate Modeling of Structures. In ICASP14. doi:10.1061/9780784485358.053
  15. Chen, J., Zhao, K., Sun, K. (2025). Development of an Intelligent Monitoring Framework for Concrete Tensioning Quality Based on the Radial Basis Function Neural Network. Journal of Civil and Hydraulic Engineering, 3(2), 100-112. doi:10.56578/jche030204
  16. DSTU B V.2.6-156:2010. (2010). Structures of buildings and erections. Concrete and reinforced concrete structures made of heavy-weight concrete. Design rules. State Research Institute of Building Constructions.{In Ukrainian}.
  17. Ivanchenko H., Getun G., Sklyarov I., Solomin A., Getun S. (2025). Application of the low-rank adaptation method on the example of fine-tuning a latent diffusion model. Strength of Materials and Theory of Structures, No. 114 (2025). doi:10.32347/2410-2547.2025.114.299-310.
  18. Ivanchenko H., Getun G., Bezklubenko I., Solomin A., Getun S. (2024). Mathematical model of the stress-strain state of multilayered structures with different elastic properties. Strength of Materials and Theory of Structures, No. 113 (2024). doi:10.32347/2410-2547.2024.113.131-138.