一种用于土木工程设计的三级优化方法与流程

本发明涉及土木工程建设领域，特别是涉及建筑工程中的优化设计方法。

背景技术：

随着我国基建事业的迅猛发展，新工艺和新技术的不断涌现，工程设计趋于复杂化和多元化。工程设计的水平直接决定了项目的进度、成本、质量甚至社会影响。为了提升设计质量，各类优化方法应运而生。

主流的优化方法大部分是对设计好的方案进行大量细部结构优化，易造成设计过度并且效果有限，缺乏整体性；或囿于初期的方案比选，忽略了结构设计、施工工艺、安全保障等方面的优化空间，缺乏全局性；或是过早完成优化设计，缺乏时效性和准确性。这些优化各有自己的必要性却又不够全面。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于土木工程设计的三级优化体系，以解决目前的技术问题，该发明适用性强，在工程中使用该优化体系可从整体到局部，从静态到动态系统全方位地优化设计。

本发明的三级优化体系由一级系统优化、二级细部优化和三级动态反演优化组成。一级系统优化：根据工程信息确定边界条件并提供方案集；根据工程设计考虑的因素确定指标集和各指标的权重集，调用优选函数比选出一级优化设计方案。二级细部优化：基于一级优化设计方案，确定二级细部优化方案，二级细部优化为细部结构层面和工艺工法层面。二级细部优化方案为在一级优化结果的基础上，对细部结构方案和工艺工法进行定向性、补充性的优化。三级动态反演优化：基于所述一级优化设计方案和所述二级细部优化方案，进行施工步骤动态模拟指导现场实际施工；根据现场实际施工信息进行调参反分析，完善二级细部优化方案，根据完善后的二级细部优化方案修正施工步骤动态模拟再次指导现场实际施工。

本发明中的边界条件为外部环境、施工水平、可操作性、内部需求等带来的限制条件。

基于上述技术特征，在三级动态反演优化中，根据施工步骤动态模拟，进行危险工况评估预报，提前规避或者采取补强措施。

基于上述技术特征，一级系统优化中的指标集包括造价、结构可靠性、位移变形、施工难度、工期或环境影响。

基于上述技术特征，一级系统优化中的所述函数包括熵值法、模糊集理论、层次分析法或遗传理论领域的比选计算公式。即一级系统优化中的优选方法包括熵值法、模糊集理论、层次分析法或遗传理论。

基于上述技术特征，二级细部优化中，可采取定向指标优化所述二级细部优化方案。

通过上述用于土木工程设计的三级优化方法的运用，将产生以下有益效果：

1、适用性强，可适用于绝大部分的建筑工程设计。

2、内容系统全面，从整体到局部，从静态到动态，可以满足各种优化需求。

3、准确性高，时效性强，得益于动态反演优化。

4、灵活可控，二级优化可对一级优化结果进行定向补充调整。

附图说明

图1为本发明的技术思路框架图。

图2为本发明中一级系统优化的框架图。

图3为本发明中三级动态反演优化中调参反分析框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

如图1所示，本发明采用的技术思路是：

1)一级系统优化：一级系统优化的核心是比选。从方案层来讲，不同的设计方案都有着各自的优点、缺陷、适用范围，难以兼顾所有指标。对目标层来讲，各工程个体特征明显，对方案的需求也不一样。如图2所示，首先根据工程基本信息确定边界条件，并例举第一方案a，第二方案b，第三方案c等，形成方案集，其次依据工程设计考虑的因素确定指标集，指标集可包括经济性、可靠性、位移变形、施工难度、可行性或环境影响等，再结合客观情况和业主需求分配指标权重，形成权重集。具体可选用的比选函数有加权评分法、熵值法、层次分析法或遗传理论等的比选计算公式，最后得出一级优化结果。

2)二级细部优化：二级细部优化是对一级系统优化结果的增强，形成二级细部优化方案。具体是根据实际情况在细部结构和工艺工法层面做文章，深化设计第一结构1、第二结构2、第三结构3等；第一工艺1、第二工艺2和第三工艺3等。并且可以作为一级优化中权重分配的补充调节手段，进行定向和补充优化，使设计更加灵活。比如，在一级系统优化中侧重于经济性，在二级细部优化中就可以在保持原有经济性的前提下以工程可靠性为优化目标。

3)三级动态反演优化：它的核心为设计指导现场实际施工，施工反馈设计，可循环，使计算模型更仿真，指导作用更精确。内容包括a：基于一级优化设计方案和二级细部优化方案，可采用有限元仿真软件建立精确的施工步骤动态模拟，考虑具体施工步骤和各类临时荷载。b：参数调整反分析过程：针对现场实际施工过程的外部新测环境资料，进行设计资料的比对；针对施工过程中工程主体监测数据所反映的情况，对比施工步骤动态模拟的准确性。将前两步中的工程主体监测数据和外部新测环境资料反馈给设计，对现二级细部优化方案中的细部结构和工艺工法达不到规范要求之处及时进行变更验算和调参校核，对工程主体监测数据和外部新测环境资料与原设计依据出入较大的地方进行修正，根据修正后的二级细部优化方案进行施工步骤动态模拟后再指导施工。如此不断循环，具体流程可见图3。c：依据施工步骤动态模拟结果对每一个施工步骤进行预测，进行危险工况评估预报，提前采取措施。

以下为本发明方法应用于海上风电设计进行举例说明，设定该海域的水深为0-30m，软土覆盖层厚度为5-10m。

一级系统优化：1.首先根据风电场区域海洋水文、气象、水深、地质条件及施工能力确定边界条件，对基础结构形式进行初选。适用于该水深的基础形式有单桩基础、三脚架基础、导管架基础、高桩承台承台基础，其他结构形式排除在外。对四种基础形式进行基本设计计算，形成由四个方案形成的方案集。2.确定评估指标的指标集，设该工程考虑的指标为造价、结构可靠性、结构适用性、施工难度、工期、环境影响。3.确定权重集。权重根据客观情况和甲方需求确定。优选函数以加权评分法为例：

表1评分指标矩阵

(注：方案列为i，指标行为j，xij表示i方案在j指标下的得分。)

其中：

xij＝[1+(ai-aij)/aj]^c

式中，aij为i方案在j指标时的具体数值

aj为各方案在j指标时的平均值

c为差异影响系数

yi为第i方案的总评分

为j指标与其他指标相比时的权重

最终根据得到的总评分y1、y2、y3、y4比选出一级优化设计方案。

二级细部优化：假设一级优化方案为高桩承台基础，二级细部优化即对高桩承台基础进行进一步优化。二级细部优化方案优化分为结构方面和工艺方面。以高桩承台为例，结构方面可以对桩径、桩长、桩个数、桩形式、过渡段、桩斜度等进行优化。桩形式可为打入、普通灌注、预应力灌注、嵌岩、托底等。工艺方面可对沉桩工艺、灌浆工艺、吊装工艺等进行优化。优化目标根据实际情况或是调整的需要，可定为稳定性、变形、强度、经济性、工期等，进行灵活的选择。

三级动态反演优化：对完成前两级优化的高桩承台的一级优化设计方案和二级细部优化方案进行施工步骤动态模拟，考虑具体的施工步骤和施工荷载，对每一步施工进行指导。同时进行调参反分析，即二级细部优化不断根据施工过程中的新测地质海文资料进行修正，并指导完善施工步骤动态模拟；根据结构监测数的位移、变形、应力数据据进行迭代，不断循环提高施工步骤动态模拟中模型精度，保证模型的准确性和时效性。进行危险工况评估预报，提前采取措施。例如，桩基础施工后嵌岩平台安装工况、风机主体吊装工况、台风暴雨工况等。动态反演优化过程贯穿工程始末，全程对施工进行指导。

以上内容是以海上风电设计为例对三级优化体系进行的简单概括性说明，在具体的工程设计中应当根据实际情况对三级优化框架进行填充和展开，完成优化设计。上述实施例仅例示性说明本发明专利的原理及其功效，而非用于限制本发明专利。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明专利的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明专利所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明专利的权利要求所涵盖。