A Transformer–GNN Hybrid Framework for Predicting Structural Nonlinear Responses in Urban‐Scale Seismic Performance Assessment

非线性系统 计算 计算机科学 可扩展性 结构工程 集合(抽象数据类型) 自回归模型 人工神经网络 算法 联轴节(管道) 地震分析 增量动力分析 加速 地震模拟 工程类 地震振动台 地震工程 峰值地面加速度 地震动 基本事实
作者
Ce Wang,Lijia Xu,Anxin Guo,Hui Li
出处
期刊:Earthquake Engineering & Structural Dynamics [Wiley]
标识
DOI:10.1002/eqe.70222
摘要

ABSTRACT The rapid and accurate computation of seismic responses for large‐scale urban building clusters is crucial for post‐earthquake damage assessment, emergency response, disaster scenario simulation, and pre‐disaster planning. However, traditional numerical approaches encounter the long‐standing accuracy‐scalability trade‐off, which limits their applicability in urban‐scale analyses. To overcome this limitation, a Transformer‐Graph Neural Network (GNN) hybrid framework is developed for efficient prediction of nonlinear seismic response time histories of shear wall structures. The framework consists of three tightly integrated modules: a GNN‐based structural property encoder, a Transformer‐based ground motion encoder, and an autoregressive response decoder with cross‐attention fusion. This architecture effectively integrates static structural attributes and dynamic ground motion features, enabling the model to capture their nonlinear coupling and temporal evolution during seismic excitation. The model is trained and evaluated on a large‐scale dataset comprising approximately 2.3 million samples. On the validation set and the test set, the model achieves overall R 2 values of 0.93 and 0.90, respectively, and mean relative errors of 15.85% and 18.83% for peak inter‐story drift prediction. Moreover, the model achieves an effective per‐sample latency of 0.35 ms and a speedup of over conventional nonlinear time‐history analysis (NLTHA). The proposed framework is scalable to urban‐scale building clusters, enabling near‐real‐time seismic response computation and supporting rapid post‐earthquake loss assessment.

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