基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究

李玉学; 杨君保; 陈铁; 田玉基

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230422002

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基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究

论文 | 更新时间：2024-11-04

- 基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究
- Study on Wind Load Zoning of Large⁃span Roofs Based on Improved K⁃means Algorithm
- 防灾减灾工程学报 2024年44卷第5期页码：1106-1114
- 作者机构：
  
  1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043
  2.河北省建筑材料工业设计研究院有限公司,石家庄 050050
  3.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室,石家庄 050043
  4.北京交通大学结构风工程与城市风环境北京市重点实验室,北京 100044
- 作者简介：
  
  李玉学（1978—），男，副教授，博导，博士。主要从事结构风工程研究。E-mail:liyuxue2000@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51278314);中央引导地方科技发展资金项目(206Z5401G);北京交通大学“结构风工程与城市风环境北京市重点实验室”开放课题(2023-1)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230422002
  中图分类号： TU393.3;TU312.1
- 收稿：2023-04-22，
  
  修回：2023-10-19，
  
  纸质出版：2024-10-15
- 稿件说明：
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李玉学,杨君保,陈铁等.基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究[J].防灾减灾工程学报,2024,44(05):1106-1114.

LI Yuxue,YANG Junbao,CHEN Tie,et al.Study on Wind Load Zoning of Large⁃span Roofs Based on Improved K⁃means Algorithm[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(05):1106-1114.
李玉学,杨君保,陈铁等.基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究[J].防灾减灾工程学报,2024,44(05):1106-1114. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230422002.

LI Yuxue,YANG Junbao,CHEN Tie,et al.Study on Wind Load Zoning of Large⁃span Roofs Based on Improved K⁃means Algorithm[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(05):1106-1114. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230422002.

摘要

针对K⁃means算法进行大跨屋盖结构表面风荷载分区中存在的分类数

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值需凭经验事先给定以及所有初始聚类中心均需随机选取带来的分类情况数过多、从中寻找最优分类结果工作量大且效率低的问题，提出基于改进K⁃means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区方法。首先，建立分类数

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与其相应测点风荷载的误差平方和（Sum of the Squared Errors：

SSE

）关系曲线，引入手肘法基本思想，实现最优分类数

值的精准识别；其次，在首个初始聚类中心随机选取基础上，引入轮盘法基本思想，完成对剩余初始聚类中心的高效选取；然后，根据类内紧凑、类间分散的原则，通过类内紧凑性判定指标

（

）和类间分散性判定指标

（

），构造并借助

（

）值有效性检验，得到最优的风荷载分区结果；最后，以北京奥林匹克网球中心大跨悬挑屋盖结构为例，针对风洞试验所得风荷载测试结果，采用所提方法对其表面最不利风压系数进行分区计算，并与传统K⁃means算法进行对比，结果表明，所提方法能够高效实现大跨屋盖结构表面风压分区计算，具有较好的工程应用价值。

Abstract

In the application of the K-means algorithm for the wind load zoning on the surface of large-span roof structures

the classification number k values are given in advance by experience

and all initial clustering centers are randomly selected. This often results in an excessive number of classification

leading to increased workload and low efficiency in identifying the optimal classification results. To address these issues

this study proposed a wind load zoning method for large-span roof structures based on improved K-means algorithm. First

a relationship curve between the classification number k and the sum of the squared errors (SSE) of wind loads at the corresponding pressure taps was established

incorporating the Elbow Method to accurately determine the optimal classification number kst values. Next

after randomly selecting the first initial clustering center

the Roulette Wheel method was introduced to efficiently select the remaining initial cluster centers. Following this

based on the principles of intra-cluster compactness and inter-cluster dispersion

compactness criterion S(k) and dispersion criterion D(k) were employed to construct and validate the zoning effectiveness using the SD(k) value

which resulted in the optimal wind load zoning scheme. Finally

taking the large-span cantilevered roof structure of Beijing Olympic Tennis Center as an example

wind tunnel test results were employed to calculate the most unfavorable wind pressure coefficients on the surface of the structure. A comparison with the traditional K-means algorithm demonstrated that the proposed method efficiently achieved wind pressure zoning for large-span roof structures and holds significant engineering application value.

关键词

Keywords

references

建筑结构荷载规范： GB 50009—2012 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2012 .

李丹煜，杨庆山，田玉基 . 基于K-means聚类的风压系数快速分区方法［J］. 工程力学， 2014 ， 31 （ 12 ）： 164 - 172 .

Li D Y ， Yang Q S ， Tian Y J . A quick zoning method for wind pressure coefficients based on K-means clustering ［J］. Engineering Mechanics ， 2014 ， 31 （ 12 ）： 164 - 172 . （in Chinese）

聂燕松 . 大跨屋盖结构分区设计风荷载研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学工程硕士学位论文， 2018 .

Nie Y S . Research on partition design wind load of large-span roof ［D］. Harbin ： Thesis of Master of Harbin Institute of Technology ， 2018 . （in Chinese）

孙晓颖，武岳，沈世钊 . 鞍形屋盖平均风压分布特性的数值模拟研究［J］. 工程力学， 2006 ， 23 （ 10 ）： 7 - 14 .

Sun X Y ， Wu Y ， Shen S Z . Numerical simulation of mean wind pressure distribution on saddle roof ［J］. Engineering Mechanics ， 2006 ， 23 （ 10 ）： 7 - 14 . （in Chinese）

顾明，李方慧，潘钧俊，等 . 不同风场下开、闭鞍形屋盖脉动风压特性分析［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2010 ， 38 （ 7 ）： 969 - 975 .

Gu M ， Li F H ， Pan J J ， et al . Fluctuating wind pressure characteristics on saddle roof with and without enclosed wall under different terrain conditions ［J］. Journal of TongJi University（Natural Science）， 2010 ， 38 （ 7 ）： 969 - 975 . （in Chinese）

Pagnini L ， Torre S ， Freda A ， et al . Wind pressure measurements on a vaulted canopy roof ［J］. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics ， 2022 ， 223 ： 104934 .

李云，张先龙，刘洋，等 . 屋盖结构分区-多目标等效静风荷载方法研究［J］. 钢结构（中英文）， 2022 ， 37 （ 2 ）： 22 - 29 .

Li Y ， Zhang X L ， Liu Y ， et al . Research on partition-multi-objective equivalent static wind load method for roof structure ［J］. Steel Construction（Chinese & English）， 2022 ， 37 （ 2 ）： 22 - 29 . （in Chinese）

Alrawashdeh H ， Stathopoulos T . Wind pressures on large roofs of low buildings and wind codes and standards ［J］. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics ， 2015 ， 147 ： 212 - 225 .

Cao J ， Tamura Y ， Yoshida A . Wind pressures on multi-level flat roofs of medium-rise buildings ［J］. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics ， 2012 ， 103 （ 1 ）： 1 - 15 .

Gavanski E ， Nishimura H . Wind loads on multi-span roof buildings ［J］. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics ， 2022 ， 220 ： 104824 .

Pal N R ， Bezdek J C . On cluster validity for the fuzzy c-means model ［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems ， 1995 ， 3 （ 3 ）： 370 - 379 .

范九伦，裴继红，谢维信 . 模糊相关度与聚类有效性［J］. 西安电子科技大学学报， 1998 ， 25 （ 1 ）： 13 - 16 .

Fan J L ， Pei J H ， Xie W X . Fuzzy relation degree and cluster validity ［J］. Journal of Xidian University ， 1998 ， 25 （ 1 ）： 13 - 16 . （in Chinese）

刘爱国，沈一逸，侯显国，等 . 基于场景法的有源配电网动态无功优化［J］. 广东电力， 2021 ， 34 （ 9 ）： 18 - 26 .

Liu A G ， Shen Y Y ， Hou X G ， et al . Dynamic reactive power optimization of distribution network with DGs based on scenario method ［J］. GuangDong Electric Power ， 2021 ， 34 （ 9 ）： 18 - 26 . （in Chinese）

吴广建，章剑林，袁丁 . 基于K-means的手肘法自动获取K值方法研究［J］. 软件， 2019 ， 40 （ 5 ）： 167 - 170 .

Wu G J ， Zhang J L ， Yuan D . Automatically obtaining K value based on K-means elbow method ［J］. Computer Engineering & Software ， 2019 ， 40 （ 5 ）： 167 - 170 . （in Chinese）

马洁莹 . 基于轮盘赌策略的混沌萤火虫算法研究［D］. 西安：西安电子科技大学硕士学位论文， 2018 .

Ma J Y . Research on chaotic firefly algorithm based on roulette wheel selection strategy ［D］. Xi'an ： Thesis of Master of Xidian University ， 2018 . （in Chinese）

Halkidi M ， Vazirgiannis M ， Batistakis Y . Quality scheme assessment in the clustering process ［J］. Lecture Notes in Computer Science Volume ， 2000 ， 1910 （ 4 ）： 265 - 276 .

张相庭 . 结构风工程理论·规范·实践［M］. 北京：建筑工业出版社， 2006 ： 99 - 118 .

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