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灌溉排水工程优化设计方法论文
在我国，季风气候分布广泛，降水的时间和空间分布不均，旱、涝灾害频发，这对农业生产造成了很大的影响。我国水利基础设施的不断完善对农业生产效益的提高作出了重要贡献。灌溉排水工程是关系到我国国计民生的重要工程，是促进农村经济增长、增加农民收入、促进农民生活水平不断提高的重要基础设施。因此，对灌溉排水工程的优化设计至关重要。灌溉排水工程的核心在于对区域内水资源的合理配置，水量的分配和输送由灌溉渠道完成，多余水量的输送由排水沟渠承担。关于灌溉工程的优化设计，需要从而系统优化方面来解决。现阶段，针对水利工程渠道沟管的优化设计问题，主要的解决方法是将其转换为求极值的高阶隐函数形式，比如试算法、图解法、查图表法和抽样法等。这些方法工作量大、精度差，迫切需要现代化的设计理论和计算方法的改革，从而不断提高水利工程的适应能力，延长其使用寿命，促进灌溉排水工程的可持续发展。
1优化设计和改造方法
1.1系统布置和断面设计
关于渠道设计，其横断面和纵断面设计是相互联系、不可分割的。在设计有关渠道断面的方案时，要综合考虑纵断面与横断面的关系，反复对比二者后展开交替设计。在设计时，应尽量使渠道和排水沟满足平面稳定和纵向稳定的要求。平面稳定，即沟渠在工作时无左、右摇摆，沟床和两岸无淤积和冲刷；纵向稳定，即沟渠在工作时，无冲刷、淤积或冲淤平衡。此外，各级沟渠间的水位衔接应合理、无塞水现象，这就需要合理布置各级沟渠间的线路和比降，且保证上级沟渠的沟底高于下级沟渠的沟底。
1.2工程优化设计的施工要点
设计时，应根据渠道的功能和不同的灌溉取水方式来设计沟渠和渠系建筑物的结构形式。根据河流取水、灌溉取水和灌区情况，目前，主要有无坝引水、有坝引水、抽水引水和水库引水四种方式。无坝引水是指在水源丰富、水位流量合适的河流附近修建进水闸，作为取水口引水灌溉；有坝引水是指在水源丰富、水位不适宜的河道上修建可抬高水位的建筑物来引水灌溉；抽水引水是指在灌区较高、水源丰富的地区就近修建抽水建筑和设施来引水，最常见的即机电排灌泵站，由泵房、电动机和进水池等组成，还需配备闸门、清污设备和断流设备等；水库取水是指在水源匮乏、水位较低的河流中修建水库，从而调节水量的取水方式。在采用上述引水方式时，需要重点考虑主要建筑物和调蓄工程的地基处理措施，合理选定防渗、抗冻胀等措施，并在满足灌溉功能的同时，考虑施工条件、建筑材料和工期。
1.3排水工程的规划设计
排水沟只具有排水功能，起不到节水作用，因此，在设计排水沟时，只做防渗即可。目前，渠道防渗的方法主要有土料夯实防渗、三合土护面防渗，用石料、砖块和混凝土衬砌渠道等。土料夯实防渗是指在渠床表面涂抹涂料层，以起到防渗效果，具有应用广泛、效果好、取材易和造价低等优点，常使用的技巧包括压实渠床土坡、利用黏土和砂黏土等；三合土护面防渗是指将由石灰、砂与黏土搅拌而成的三合土涂在渠床表面的防渗方法；为了达到防渗效果，衬砌渠道时应尽量就地取材，比如，在山区可采用块石、卵石、片石等石料，在平原地区可采用砖块或混凝土，采用混凝土衬砌渠道时，要综合考虑混凝土衬砌的施工方式、混凝土的强度和混凝土的板厚等问题，并注意混凝土的施工质量。
2生态化设计
2.1灌溉渠道生态化设计的原则
在灌溉渠道的建设过程中，保证输水效益是工程建设的关键，也是水利工程设计中最不可忽视的重要环节。与排水沟的优化设计相比，灌溉渠道的优化设计必须更加注重渠道防渗和水流速度。因此，在工程设计实践过程中，应本着生态化设计理念，遵循生态化设计原则，以确保灌溉渠道的`设计质量。优化设计的新方法必须保证渠道的输水功能不受影响；生态化优化设计必须保证渠道的安全系数，保证渠道符合安全设计要求，尤其是对于有结冰期的寒冷地区，更应采取防冻胀措施；在生态化优化设计的前提下，灌溉排水工程的设计应以自然环境为主，所采用的设计措施也应尽量减少对自然环境的破坏，维持施工地点的生态平衡，维护生态系统可再生功能得以发挥作用的条件；为了保证灌溉排水工程建设的顺利进行，应将施工对生态环境造成的影响控制在最小限度内，保证本区域内野生动物的自由活动不受限制，保证水域与陆域间的通行顺畅度，保证渠道上、下游野生动物的活动权利不受侵害，因此，在设计中应尽最大限度地降低阻隔横越构筑物的建设频率。
2.2灌溉渠道生态化设计的要点分析
对于灌溉渠道而言，有灌溉期与非灌溉期之分。当灌溉渠道处于灌溉期时，渠道内水位高、水流速度快；当渠道处于非灌溉期时，情况相反，渠道内甚至会出现干涸现象。鉴于两个时期的水位差异过大，所以，在优化设计的过程中，必须采取相应的防范措施。通常情况下，与排水沟共通的缓坡设计、多孔质空间和扰流结构属于生态工法，在渠道防渗方面必须与生态化相结合，尤其是在非灌溉区，更应注重灌溉渠道的最低流量设计。因此，在实践操作中应注意以下3点：①缓坡设计。在渠道护岸占用允许占用耕地的前提下，可视缓坡设计为渠道环境的延伸，为区域内两栖动物或其他水陆域动物的迁徙创造条件。此外，缓坡设计也可对水位变化起到缓冲作用。②混凝土与块石的结合。在设计过程中，应采用浆砌块石法，石头外侧无需填筑砂浆，利用石头的天然材质营造多孔质空间环境，从而为区域内的昆虫创造合适的栖息环境。在常水位以下的渠道位置，应采用混凝土衬砌的设计形式，保证渠道的输水效率，从而确保渠道设计满足防渗、提高输水效率、维持生态平衡的需求。③造型模板混凝土护岸。在浇筑过程中，应充分考虑输水稳定性，发挥造型模板的多孔、防渗作用，从而保证渠道的美观度、使用性能和生态景观功能。
3结束语
随着我国经济的发展和社会的进步，各项基础设施不断趋于完善。水利工程建设是一项复杂的工程，在其优化设计中更应充分考虑与生态环境的适应性，尤其是在灌溉排水工程的设计过程中，为了保证工程的经济效益、社会效益和生态效益最大化，必须充分考虑当地的自然地理特征和人文地理特征，寻求最佳的设计方案，实现灌溉排水工程的可持续发展。
摘要:分别阐述了管网布置和管径优化问题的研究进展，分析了求解优化模型的各种算法，通过比较，认为遗传算法在优化应用中，能取得良好效果，预估遗传算法在管网与管径同步优化方面能得到应用。
关键词:灌溉管网优化;遗传算法;同步优化
随着社会经济的高速发展，水资源的需求量在不断增加。我国总用水量的60%以上用于农业灌溉。相比发达国家，我国灌溉水利用率较低，农业节水潜力巨大。农田灌溉主要通过管道和渠道输水，相比渠道，管道输水有以下优势，首先，管道输水避免了远距离输水过程中的蒸发和渗漏损失，提高了水利用效率，而且不会因为渗水导致土壤盐碱化而无法种植作物。其次，除了地面简单的给水设施外，大部分管道都铺设在地面以下，输水占地少，使得土地的利用效率明显提高，并且管灌对地形的要求低，可逆坡灌溉。第三，灌溉管道水流运动一般依靠外力作用，使用灵活，便于自动化管理，大大减少了灌溉管理人员的工作量，有利于田间管理。因此，管道灌溉是节水灌溉的趋势。在管道供水系统中，工程总造价的50%-80%用于管网，而且不同管网水力特性不同，能耗和运行管理费用不同，因此从满足水量和水压要求的各种可行方案中，寻求系统造价最低或年费用最小的设计方案，对节约投资有非常重要的意义。管网系统的优化研究主要是通过构造抽象或简化的设计模型，利用优化理论和技术合理选择有关参数。
管网系统工程从规划设计到运行管理，各阶段相互影响，但是每一个阶段设计任务不同，采用的优化模型和算法不同，因此，目前在优化设计中仍然按照相对独立的阶段分别进行设计。
(1)管网布置优化:管网水力计算是建立在管网布置确定的基础上。
管网布置是否合理，最直接的影响就是管线长度，管线越长，造价越大。其次管网布置还需要综合考虑地形、施工的难易、管路运行可靠性等因素，而这些因素有时需要借助设计者的经验。国内外的学者对管网布置进行了深入研究。董文楚(1984)以造价最小为原则优化了树状输配水管网的布置，首先通过距离最短原则布置了给水栓，然后按1200夹角和经济流速对管网布置进行了逐级调整。朱振锁(1991)分析了自压喷灌管网各级管道单位面积造价与管网形状和面积的关系，并提出了优化布置的顺序。林性粹等人(1993)在低压树状管灌系统优化设计中，首先利用正交表进行了管网布置，然后据非线性数学规划法优化了管径，但得出的不是标准管径。魏永曜(1992)应用总长度最短法得出的最小生成树优化了管网布置，并对其进行了修正，之后以管网造价最小为目标优化了管径，提出了适应不同地形的数学规划法。王雪珍(1995)编制了输配水管网布置和绘图的程序。周荣敏等应用改进的遗传算法，以管网造价最小为目标，优化了树状管网的布置。
(2)管径优化:管径优化是建立在管网布置的基础上。
管径优化设计模型包括基于工程经验的非数学规划模型和基于数学技术的数学规划模型两大类。其中线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型都属于数学规划模型，应用较广。若约束条件或目标函数存在线性函数，称为线性规划模型，同理，若存在非线性函数，称为非线性规划模型。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程的最优化方法。在管网系统中，管道和各种水力元件的水头损失等都是非线性的，因此，非线性规划模型能够比较真实精确地反应管网系统的实际状态。国内外很多学者建立了大量管网优化设计的非线性规划模型。魏永曜(1983)采用了经济管径而非经济流速来优化管径，首先确定了管段经济水头损失值，然后利用微分求极值确立相应管径，该法简单，但考虑因素较少，而且需对求解管径标准化，破坏了解的最有性。刘子沛(1986)以离散的标准管径作为优化变量，利用动态规划法优化了串联管网，由于该法建立在地形高差大等条件下，实用受限。杨健康(1990)建立的非线性规划模型是以管径为变量，优化目标为允许水头差的分配。陈渠昌、郑耀全等人()以一定的假定为基础，限定了地形和毛管出流量的范围，以支毛管压力差分配比例为变量，建了单位面积管网投资最小的平地田间管网优化设计模型，由于条件多，应用受限。翟国亮、董文楚()等以变径支管组合方式和组合比例系数为变量，年费用最小为优化目标建立了优化模型，计算步骤是首先计算经济组合比例参数，然后对多种组合方式进行了年投资计算，然后选择最优方案，由于计算繁杂，应用受限。张庆华、马庆斌等人()以管径为变量，管道系统年费用最小为优化目标，建立了管径无约束情况下的优化模型及其求解方法，该方法考虑的影响因素较少，很难推广。王新坤、林性粹等人(2001)以田间管网投资最小为目标建立了优化模型，利用枚举法和动态规划法分两级对支管管径进行了求解，首先利用枚举法确定出了支管允许水头差，然后利用动态规划法得出了支管管径，由于田间面积较大时，不宜采用枚举法，实用受限。白丹在管网优化方面作了很多研究，例如利用线性规划法对管长和水泵扬程进行了优化。目前，随着计算机软硬件的高速发展，涌现了一些智能优化算法，诸如人工神经网络、模拟退火算法以及遗传算法等。周荣敏、林性粹等人()对压力树状管网进行了优化设计，首先以管路长度最短为目标，利用单亲遗传算法进行了优化布置，然后利用神经网络技术优化了管径和水泵扬程，该法在大规模的管网设计中具有明显的优越性。
2存在问题及展望
目前，管网优化算法理论方面的研究和革新较少，多数着眼于算法的改进和创新，各种方法都有自身的优缺点及适用性。单纯形法是求解线性规划模型的通用算法。线性规划模型约束条件多，未考虑非线性的费用项，影响了求解问题的规模和精度，这些不足都限制了线性规划模型的推广应用。适用于非线性规划模型的算法较多，如罚函数法、梯度法等，各种算法都有各自的适用性。另外，非线性规划模型的变量一般为连续变量，需要把优化结果调整为标准值，影响了解的最优性。动态规划模型在小型树状管网的优化设计中显示出了优越性，但随着管网形式的复杂化，动态规划模型对硬件的要求越来越高，运行时间也较长，有时无法得到最优解。另外，动态规划模型模型受人为主观因素影响大，没有构造模型的统一方法，因此，动态规划模型应用受限。模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，不易使搜索过程进入理想的搜索区域，寻优效率不高。人工神经网络算法需要具备扎实的计算机知识，算法的实现有硬件和软件两个方面，硬件实现最大的优点是处理速度快，但缺乏通用性和灵活性。软件实现的最主要问题是人工神经网络模型计算量特别大。遗传算法是一种可处理任何形式目标函数的全局寻优算法，寻优原理是模拟自然界的生物进化，即在选择、交叉，变异过程中不断优化，并始终以概率1接近最优解，虽然算法中各种参数的选择会影响寻优结果，但是算法的鲁棒性使得受参数影响较低。另外，Matlab遗传算法工具箱可以提供了大量函数，这些函数的应用简化了遗传算法计算机的`程序编辑，并且已经得到广泛的应用。大量的实例研究表明，应用遗传算法优化管网设计可节约6%-49%的管网费用，一般都能找到15%-25%的节约，且系统越复杂，投资越节省。周荣敏利用单亲遗传算法进行了树状管网的优化布置，在较短时间内获得了一批最优或近最优的最小生成树布置方案。但是对于实际问题而言，由于管网连接方式不同，各管段流量分配、水力分析的结果也不同，下面举一个简单的例子说明，如下图所示:两个简单树状管网节点连接方案图Figure1Twosimplespanningtreesforanetwork1点代表水源，分别向节点2，3，4供水，很明显，左图管线长度大于右图，但左图各节点离水源点近。若地势平坦，各节点高程一样，则最远点水压满足要求，其它都满足。在水源水压一定的条件下，为保证最远节点2点的水压要求，1-3，3-4管段须通过减小流速减少能量损失，这就需要增大1-3，3-4管的管径。管径增大，投资也就增大了。因此管线造价有可能更高。所以管线最短未必投资最少，管网布置和管径同步优化是非常有必要的。
3结语
随着节水灌溉在我国的广泛普及，管网优化越来越受到工程人员的重视，这一方面的的研究将日趋深入和完善。遗传算法在德国16个大领域、250多个小领域中得到广泛引用(1993)，在国内，遗传算法在管网优化中的应用非常有限。随着遗传算法研究和应用的不断深入和发展，可以预见，遗传算法在管网布置和管径同步优化方面能得到应用，从而使管网系统设计整体最优。
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1概述
目前，高层建筑的迅速发展已经成为我国建筑建设的主流方向。但是，在实际的建设过程中，给水排水设计表现出很多的困难。由于高层建筑的楼层较多，在管道设计、水压安排等多个方面都亟需进行深度的优化，与此同时，加强整个建筑施工管理工作、保证施工工作的正常进行对优化高层建筑给排水工程的意义更加深远，也能够从某种角度上保证人们生活质量的不断提升。
2建筑给排水工程在施工中存在的问题
2.1管道材料的质量问题
在给排水工程中，上水管作为给水的关键管道，其质量好坏直接关系到水源质量的好坏。我国以前采用的管材是镀锌管，现在已经逐步进行淘汰，代替其在施工过程中使用的是新型的管道材料，建筑上常用的管道材料大多数是以塑料作为原材料进行制作出的上水管道。现在，国家对上水管道的材料没有进行明确的规定，在进行给水排水工程设计和施工的时候，进行施工的企业常常由于过度追求利益上的收获，因此选用一些耐腐蚀性较强，但是抗压性较差的管道。这种做法严重影响建筑管道的建设，非常容易发生严重的漏水或者渗水问题，可能引发建筑整体的质量问题，甚至危及人们的生命和财产安全。
2.2管道噪音的控制问题
由于目前的建筑下水管道中大部分空间是空气，如果有水经过，便会引起不同程度的噪音，这种问题对于上水管道而言通常不会发生，因为上水管里基本没有空气，噪音就没有出现。那么，只是下水管道中才会存在噪音问题，比如坐便器在下水的时候，存在水流和管壁相互撞击而造成的噪音，管道中水流的搅动产生大量的气泡上浮在整个管道中产生的`噪音，当水流进一步流进垂直管道中后又产生了噪音，因此现在下水管道的噪音问题是一个非常严重的问题，究其原因有以下几点：
2.2.1由于震动而形成的噪音。震动噪音就是指受到下水管水流撞击而产生的噪音，这种噪声的传播范围非常广，给人们的实际生活带来了很大的负面影响。再者，在现代高层建筑不断建设的过程中，为了不断提高业主的日常用水质量，满足业主的用水需求，绝大多数高层建筑物里都安装了水源加压设备，该设备在工作的时候存在很大的震动，也会产生严重的噪音问题。
2.2.2由于不合理设计而导致的噪音。在进行住宅设计时，受到居住面积不同的影响，通常会设置不同的排水管道。对于较大的居住面积就会设计多个排水点，也要设计相应排水管道，于是造成排水管道实际的距离需要增加数倍以上，造成严重的浪费，同时形成了更多的管道噪音。过长的管道设计造成业主水源压强的增加，从而形成噪音。对于一些严重缺水的地方，建筑给水排水设计中常常不考虑实际地域性特征，不仅浪费管道实际的设计面积，而且增加了噪音形成的渠道，更是严重偏离了建筑设计节能减排的发展目标。
2.2.3由于过滤物冲击而形成的噪音。建筑内部，存在很多个排水口，由于没有对过滤网进行合理的设计，导致很多固态的残渣也流进了下水管道里，在水流的过程中，固态的残渣也随之流动，对管壁形成严重的冲击而带来噪音，并且固态残渣还会严重损伤下水管道。
3优化设计建筑给排水工程的措施
3.1完善设计，优选材料
对于不同的建筑形态一定要采用不同的给水排水设计方案，根据不同的客观条件进行合理的选择管道材料，要选择那些质量比较高并且环保效果好的管道材料，保证完成对建筑给排水的合理设计。结合实际的建筑下水管长度情况，设计标准的管道布局，决定建筑设计的管道基准，只有这样才能够保证建筑地下管道给水排水的畅通。
3.2施行全面管理
建立完善的给水排水管道施工安全制度，对需要细化的安全管理规范进行有效的规划，严格按照国家规定的基本原则，结合各个部门的法律规定标准来实施。同时，给排水管道施工还需要一些细化具体的制度和安装规范，同时落实施工质量和安全到安装作业一线之中，让参与施工的每一个人员在思想上都能树立安全生产、质量保证的意识，学习相应的安装规范安全作业，在开展安装作业前一定对施工工人进行技术交接及相应的技术培训，不断提升管道安装的质量和安全要求。规定工人严格按照安装图纸的要求进行作业，同时设计专业人员负责安装现场情况，监理部门对施工过程中出现的一些问题一定要第一时间进行纠正，监督安装过程全面的规范化。管道建设材料需要在监理部门的实时监督下购买，实现对建材质量的监管，严禁使用质量不达标的管道建材。
3.3降低管道噪音
管道材料在选择的过程中，一定要严格按照国家相关规定的标准要求并结合具体的建筑情况进行准确的分析，选择那些质量达到国家标准的建筑材料，从而控制管道的噪音污染问题。当前，两竖管排水能够有效地降低管道内的水流噪音，同时，其排水的效果在很大程度上优于传统排水设计。所以这种两竖管排水设计中存在大气压差，进而有效实现了降低噪音的功能，这种两竖管排水的设计在建材选择方面需要按照国内的要求严苛执行，同时要根据建筑的实际情况，来选择质量最佳的管材。
3.4实现节能减排
建筑给水排水设计中需要重视节能减排的效果，按照设计标准合理对雨水进行收集并设计合理收集雨水的利用标准，结合建筑的实际情况，完成对生活用水和日常用水的合理管理。上述设计理念在实际建筑应用中常常需要一定的测试过程，根据实际的测试结果不断进行方法上的改良，同时通过测试分析适合给水排水的实际节能减排的效果，在不久的将来进行实施和推广，充分实现这种给排水系统的节能减排理念。
结束语
综上所述，对于高层建筑给水排水工程进行合理、有效设计能够优化建筑整体质量，具有非常重要的意义。笔者在本次研究中，对进行建筑给水排水设计施工的过程中需要对管道可能存在的常见问题进行详细的分析和处理，降低管道噪音和管道污染，结合专业的设计标准，合理的规划具体设计，保证给水排水设计的科学性。结合给水排水实际的施工标准进行设计优化，促进给水排水系统的建设发展，确保建筑给水排水设计的合理规划和建设，同时推动建筑给水排水设计的优化性发展，让我国建筑行业的整体水平有所提升。
在建筑给排水工程构建过程中，需要以相关工程建设标准作为依据及参考，并保证实际施工按照标准进行，以实现工程质量品控。从建筑给排水工程设计标准来看，目前我国具有相关标准超过200种以上，分为四级两类。四级是指国家标准、行业标准、企业标准及地方标准，两类是指推荐性标准与强制性标准［1］。除此之外，还有工程建设标准协会标准、设计参考手册等。在实际设计工作开展过程中，由于设计标准繁多，易出现紊乱，使得相关设计人员难以把握。另外，在建筑给排水标准体系中内容重复现象较为严重，还存在内容交叉或矛盾的情况，给实际设计工作造成了较大的影响。为进一步完善建筑给排水工程设计，必须要对相关设计标准进行整合优化，以为设计工作提供良性基础。由于建筑给排水工程是典型的系统性工程，所以在实际设计过程中要遵循一定的原则，如此才能保证设计质量，具体如下［2］:(1)整体性原则。系统性原则是建筑给排水工程设计的核心原则，要求在设计过程中做到“先看整体，再看局部”，将微观问题上升至宏观角度，并将部分与局部置于整体与全局之间进行考察，以保证局部设计与整体目标相符;(2)目标性原则。给排水工程设计强调了目标的重要性，设计必须跟随目标进行，才能构建出具有预期效果的系统，并保证系统良性运转;(3)适应性原则。给排水工程需要基于外界环境才能发挥作用，所以在设计期间，应保证工程系统能够适应环境。即便外界环境发生变化时，给排水系统也能够根据环境变化，进行自我调控，以适应这种变化;(4)优化性原则。工程设计无法一蹴而就，需要根据实际情况不断优化，才能得到最优设计。总之，建筑给排水工程设计是一个综合性的过程，需要从多个角度充分考虑，以保证设计质量，从而为工程施工创造基础。
2建筑给排水工程设计优化整体流程分析
建筑给排水最优设计是通过系统分析原理及最优化技术设计出低能耗、高效率、低成本、高稳定性的给排水系统的综合性过程。一方面，通过优化设计能够让系统结构得到完善;另一方面，优化设计保证了系统参数能够达到相关要求［3］。从国内给排水系统优化设计环境来看，目前已经形成了大量系统性的.优化方法，并在前人研究的基础上获取了大量经验性数据，极大程度上简化了设计过程，提升了设计效率。合理应用优化设计，能够得到更为满意的参数、结构，促使整体效能达到最佳，并可让系统实现自动化运行及管理。另外，优化设计是一个不断发掘、寻找、获取更优良系统的过程，可促进新系统形成。通常情况下，给排水工程优化设计流程包括以下几个环节:根据给排水系统要求确定问题→筛选目标→寻找综合性方案→构建分析模型→求解最优值→决策与评价→落实设计。在优化设计过程中，往往遇到的都是工程实际问题，涵盖了较多的复杂因素，导致无法完全确认结构及功能性是否能满足要求。将给排水工程项目由一个工程简化成一个能实现功能需求、能反映主要问题并可定量表达和模拟优化的切实可行的替代系统，是系统设计首要环节，也是最为关键的环节，它会对最终的优化结果产生直接影响。通过上述系统化处理，可确认各要素对系统功能目标的影响，并可根据分析结果，确定主要影响因子及次要影响因子，让优化设计能做到“有的放矢”，这与上文中所提到的目标性原则也是相契合的。然后，再根据问题分析结果，确定实际目标，主要涉及内容包括水量、水压、水质、供水安全性及供水经济性。在建筑供水管网方案确定后，以其中某一项内容作为目标函数，其他内容则视为约束条件，构建出约束条件与目标函数的表达式，以获取最优设计方案，并结合以上分析结果进行建模。建模时要扣住主要影响因子，尽可能保证模型简洁化，以便于分析计算。同时，要求所设计的模型能够与其他模型有效衔接。再通过模型优化求解及检验，获取模型的最优值，让系统能够保持最理想的工作状态。最后对优化设计进行有效评价，并对其中存在的瑕疵进行修正，让优化设计产生最佳效果，并严格按照设计方案实现产品。
3．1给排水系统整体构建
由上文可知，给排水工程是一个系统化的工程，在进行优化设计时，也需要将其视为一个系统。为保证系统具有健全的功能，就必须保证系统功能模块之间的平衡性。给排水系统构建方法较多，最常见的包括以下几种［4］:(1)论证法。该方法适用于系统发展较为成熟，但存在新系统或方法或多种方案可以采用的情况;(2)规范化方法。该方法适用于一些较为成熟的系统，以前人经验为基础构建模型，并加入实际数据信息，便可获取系整体结构，该方法适用性较好且较为便捷;(3)试探法。对于一些较为复杂或新型的系统，可采取试探法构建。这种方法顾名思义，设计人员只能通过自身经验及创造力摸索系统构建方法，对相关人员具有较高要求，属于典型的创新性方法。当获得设计方案后，需进行针对性的调研及论证，以保证方案的可行性。
3．2给水系统设计优化
给水系统的主要作用是为用户提供可靠、稳定的生活、生产或消防用水点。通过优化设计，可让给水系统具备更好的节水、节能性能，并为相关维护工作提供便捷。随着建筑给排水工程优化设计的不断深入，产生了一些新的系统优化模型，其中“市政水源→二次供水前置设备→全流量高效变频调速给水设备(带气压罐)→用户”模型具有较好适用性与经济性［5］。此模型中，变频调速给水设备的加入让系统具备了更好的节能性，并降低了系统复杂程度及二次污染，提升了系统运行效率。同时，利用二次供水前置设备科充分利用市政管网余压，保证供水的稳定性。当然，构建上述系统初期投入成本较高，但从长远角度来看，其节能性较为理想，所节约的电能远超过初期投资。
3．3排水系统设计优化
排水系统优化方法较多，但需要注意两处关键点。首先，要对通气管进行合理设置。根据实际要求，采取有效的通气技术促使排水气体散逸，避免排水系统出现水封的负压虹吸及正压喷溅现象，使管道内空气保持良性循环。其次，要合理筛选排水管材。目前，大多数排水管均采用塑料管(塑料管具有成本低、重量轻、安装方便、水流阻力低的特征)但水流噪声较大，且容易老化。因此，在对噪声要求较高的地方应选用柔性接口离心铸造的铸铁管进行排水，以满足实际要求。雨水排放系统也是排水系统的重要构成部分，在筛选雨水排放系统时，要优先选择安全、经济性的雨水系统，以保证地面不会出现冒水，屋面不会出现溢水，且管道能满足正负压要求，不会出现漏水。
4结语
建筑给排水工程优化设计是一项系统化的工作，需要从多个角度并结合实际需求进行全面性分析，通过分析建模、最优值求解等一系列措施，获取最佳方案，让给排水系统质量得以保证。
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［5］邸卫猛．建筑给排水工程设计研究［J］．科技致富向导，(26):160+197．
高层建筑给水排水工程优化思考论文
近几年来，我国经济的发展可谓是一日千里，与此同时，人们的生活也随之得到了极大的改善。这一点，我们可以从人们的衣食住行上可以充分得出，尤其是建筑方面的发展，更是翻天覆地。随着高楼林立，城市化进程的不断推进，人们对高层建筑也有了更高的要求，尤其是高层建筑的给水排水工程，一直是人们所关注的一个重点。
1高层建筑给水排水特点
在高层建筑中，潜在的火点较多，因此发生火灾的可能性较大，受外在条件的影响，火势的蔓延速度较快，在进行火灾扑救时的难度更大。因此在进行高层建筑的给排水设计时要进行严格的防火材料的选择和给排水以及消防设计。在高层建筑中的排水量较大，所用排水管的数量较多、管道长度较远，在使用中的管道波动性较大。使用新型的管道系统或进行通气管系统的设置能够有效地提高建筑中给排水系统的质量，使管道中的压力保持稳定。在进行管道材料的选择时，要选择耐用性较高和接口是柔性接口的材料。在高层建筑中，给水系统的静压力较大，采用传统的供水方式方法会使管道及配件受到影响，采用竖向分区的供水方法能够有效减少静水产生的压力，使给水系统能够正常进行。在高层建筑中的震动和噪声的污染源较多，因此就需要提高管道的防震和防噪音技术，延长使用寿命。
2高层建筑给水设计优化
2．1常见的给水方式
(1)气压罐给水方式。气压罐给水的给水方式，在结构上通常依靠离心水泵和气压罐。气压罐起到了蓄能的作用，当系统水压大于容器内空气压力时，系统水就挤入罐体内存储起来。当系统水压较小时，罐内的水则会在压力作用下被送到一定的垂直几何高度，补回系统，水泵机组的工作方式就通过循环启动和软启动从而实现无塔供水。这种压力给水方式无需水箱与水塔等设备，能自动控制，罐内水不易受污染，方便统一管理，而且它的载荷小，适用地域广泛。但它具有的供水压力周期性波动，储水量有限，需频繁启动水泵等缺点。
(2)高位水箱给水方式。采用高位水箱主的给水方式主要依靠水泵和水箱抽水和使用。高位水箱的方式可分为:并联供水式、串联供水式、减压水箱供水式、减压阀供水式。水箱中的水来源主要是在泵房内的水泵抽水。和气压罐给水方式相比较，启动水泵的次数较少，箱内的.储水量比气压罐多，供水的压力稳定，因此在进行设计时就需要更加复杂的结构和更高的投资费用。
(3)减压分区给水方式。减压分区给水是分区供水方式的一种，利用减压阀或各区的减压水箱的减压达到减压的目的设备在运行过程中，水泵将水直接送入顶层的水箱，各区分别不再设置水箱，提高了建筑面积的利用率，而且减压阀设备和管道系统价格低，安装方便，使其供水可靠，节约了投资与维护成本。但下区供水压力小损失较大，水泵能源消耗较大。在实际的使用情况下可通过一些可调式的减压阀来调节。
(4)变频泵无水箱给水方式。在无水箱水泵直接供水系统中，目前普遍采用变频调速供水装置。通过改变电机定子的供电频率来改变电机的转速，从而使水泵的转速发生变化。调节水泵的转速，可以改变水泵的流量、扬程和功率，使出水量适应用水量的变化，并使水泵变流量供水时保持高效运行。变频调速水泵的运行通常是控制水泵出水管处压力恒定。因变频调速水泵的变速、变流量只有在一定的范围内才能保持高效运行，故选用调速水泵与恒速水泵组合供水方式可取得更好的节能效果。为避免给水系统在小流量用水时，水泵的工作效率低，可选用配有小型水泵和小型气压罐的变频调速供水装置，在系统用水量小时变频调速水泵停止运行，利用小型气压罐供水。高层建筑应按照供水安全可靠、技术先进、经济合理的原则确定给水方式。
2．2给水管道的布置与敷设
确保供水安全、力求经济合理、保护管道不受损坏、不影响生产和建筑物的使用、便于安装维修。给水管道的敷设有明装、暗装两种形式。暗装给水宜设在地下室、顶棚或管沟内，立管可敷设在管井内。明装给水管道尽量沿墙、梁、柱平行敷设。
3排水设计优化
在高层住宅建筑中，卫生间作为满足人们日常生活中各种卫生要求，作为给排水一个重要组成部分，其排水方式对管道维护及居住环境优劣起着重要的作用。传统卫生间排水方式采取的是下排式。其化点是管道无需预埋，管道及维护方便，缺点是对楼下层用户产生干扰，以及影响楼下用户卫生间净层高度，特别是管道排水的噪声的干扰。为有效解决上述问题，可采取如下方法。
3．1底板下沉排水方式
在广西工程设计中常采用是底板下沉排水方式。其排水方式是将卫生间楼板全部下沉500mm。下沉排水方式做好卫生间的防水是关键，且在降层内做好二次排水，将卫生间降层内的积水引流至立管中。底板下沉排水方式相对于下排水方式，底板下沉排水卫生间无管道外露，卫生间器具布置灵活，占用下层空间少，提高卫生间的有效净高，清理及维护不打扰下层用户，水流噪声减少。现采用空心隔板进行砌筑，管道发生堵塞时，维修方便，且减少结构荷载，与以往煤渣回填，造成结构荷载增大，维修困难，工作大量相比，优点显著。综合比较以上向种排水方式，底板下沉排水方式适合现代的高层住宅。
3．2地漏与存水弯的配合
排水管道中存在着一些有毒有害的气体，为了避免或减少这些气体进入室内污染环境，影响人们的身心健康，在卫生器具应装上存水弯装置。作者所在的上班场所，洗手盘没按要求安装存水弯，造成整层办公场地嗅气外泡，影响人们的身心健康及造成环境的污染。规范上没有规定排水地漏一定要设存水弯，但作者认为这确实影响到用户的使用效果。全国通用给水排水标准图集上将带水封的圆形钟罩式地漏分为了甲、乙、丙、丁四种，虽然标准图上对存水部分的高度都作了具体规定，但都有一个存水量小，水封易因水的蒸发而被破坏的毛病。且往往制造和安装时达不到设计的要求。凡是室内承接有粪便污水的排水系统的地漏．均应配套存水弯，此可有效地防止串味现象。
3．3室内排水管最小管径
经过实验论证在地面以下敷设的排水管最小管径宜为DN75，那样并不需要多增加多少投资，也不占用使用空间，但却方便使用和维修。对于楼房合粪便污水的底层排出横管，使用Dg150为最小管径更适合中国国情。一般这段横管长度不大，由Dg100改为Dg150也不会增加很多投资，但却能极大地减少管道的堵塞机会。而改变管径位置宜设在立管地面以下的地方，这样并不影响地面以上的空间。
4结束语
随着建筑业的高速发展，以及研究者们的不懈努力，高层建筑对给水排水的技术要求也随之而越来越高。因此就需要进行不断的技术革新，满足其设计和施工要求，为建筑整体的合理布置和生活条件的便利提供有力的条件，切实保证其使用的安全性和经济性，提高工程的建设品质。同时在以后的发展过程中应该更加注重实用性、可行性、安全性以及其有机结合，从而才能为打造世界一流的工程提供可靠的技术支撑和质量保障。
浅谈如何设计桥梁与优化方法的论文
1.桥梁整体性设计与优化策略
1.1设计中关于焊接结构的问题
在桥梁的整体性设计中，首先需要注意的问题是焊接结构，由于焊接结构中，牵涉到的相关因素较多，如来自母材的结构和材料质量等，或是其受力情况和相关性能，而诸多问题的共同作用也将致使焊接结构直接影响到桥梁的稳定性。焊接结构中，不仅需要注意焊接的接头形式，同时需要注意焊接工艺独有的特点，如焊接过程中将产生焊接应力，通常这会造成焊件的局部变形，同时接头处由于应力变化，也将形成结构缺陷。为此，桥梁的整体性设计中对于焊接结构来讲，需要做到以下几点：分析焊件结构，根据桥梁的实际情况进行焊缝形式的确定工作，并检测其静力和疲劳等级；需要设计人员充分掌握焊接工艺实操知识，并在对待焊接的结构进行充分计算之后，确定焊接位置，使得焊接后各部分受力均衡；焊料和母料的焊接过程，需要设计人员进行充分调查，确保焊接质量的高标准实现。
1.2设计中关于横向抗倾覆的问题
在关于桥梁的横向抗倾覆设计中，需要认识到横向抗倾覆问题的重要性，在现阶段的钢结构中，桥梁设计一般会倾向于质量更轻而强度较高的设计方案，在设计中，由于在施工过程中或是在使用过程中，都发生过桥体的倾覆现象，为此在其横向抗倾覆问题上，设计人员有必要认识其重要性并对其进行深入的研究；在设计过程中通过进行对桥体的合理计算，确定横梁的偏心受力情况。
1.3设计中关于施工人孔设置问题
桥梁整体性设计中，需要注重的环节较多，比如说十分重要的人孔设置，便是一个值得着重考虑的问题。现代桥梁设计中设计人孔，通常是为了在施工上能够提供快捷和方便，故而一般都开设在桥梁箱梁顶板和腹板上，在施工人孔中，为了桥梁的整体性，需要注意一下几个问题：在关于数量较多的'人孔设计上，需要尽可能的避免将所用的人孔放置在同一断面上，并将其分散开；人孔设置应尽可能避免应力集中的桥梁部位，如果人孔设置在桥梁局部应力较大的地方，应该采取相关措施对其进行加强巩固；在腹板中设置人孔，应选取应力相对薄软的地方，如跨中位置，如果是连续梁，当选取剪力最小的地方进行人孔施工设置，而在顶板中设置人孔，则需要将其放置在1.5跨径出，为此需要设计人员进行相关精确的测量和计算。
2.结语
新时代下，我国在30a的改革开放中取得了巨大的成果，各行各业都在竞争中得到了飞跃式的发展，人民生活也在日益提高。在众多基础建设过程中，桥梁技术的发展始终未曾离开专家学者们的视野，在长期的发展之下，桥梁钢结构的设计和优化问题也为学者所提及，在广泛关注也研究之下，现阶段已然有了一定的研究成果。桥梁的整体性设计，不仅需要考虑到桥梁各方面受力情况，同时还应该结合现实情况，通过桥梁所处环境进行实地探查，并在全面的数据分析和计算中考虑对桥梁设计上的优化，本文提到的关于焊接问题、横向抗倾覆的问题以及施工人孔设置问题都需要设计人员注意，以此保障桥梁钢结构完整性设计质量的提高。
优化设计方法的数值研究论文
1优化设计
以高压涡轮导叶为研究对象，对其轮毂进行非轴对称端壁优化设计，优化目标为在保证导叶入口质量流量尽量不变的前提下，使出口处的总压损失系数最小。对优化前后的高压涡轮导叶进行了全三维数值模拟，并对比分析了优化前后涡轮导叶出口处的气动性能，以探讨非轴对称端壁造型对高压渦轮导叶通道内流场的影响，以及在降低二次流损失上的能力。
1.1优化设计方法
优化过程中，采用端壁参数化造型、三维N-S方程流场求解与基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的遗传算法（GeneticAlgorithms）相结合的方法，对高压涡轮导叶进行非轴对称端壁造型设计。如图1所示。首先，对端壁进行参数化并生成若干端壁曲面控制点，对控制点进行随机赋值，再进行三维流场计算，建立一个有限个样本的数据库。然后，对目标函数及其权重进行设定，并开始参数优化，人工神经网络根据对数据库的学习及对网络中联接权的不断训练，能够很好地预测出控制点与目标函数之间的函数关系。然后通过遗传算法可以找到上述函数关系的最优解（即最佳非轴对称端壁造型），如果不满足收敛条件，将对优化结果进行一次流场计算，生成一个新的样本添加到数据库中，然后再进行一次循环，随着循环的进行，数据库中的样本数越来越多，人工神经网络也能够更准确的预测出目标函数和控制点之间的函数关系，从而找到最优解。
1.2端壁参数化
选取任一叶片通道为造型区域，端壁造型的参数化就是针对该区域进行的。如图2所示，以叶片中弧线为基准，在叶片通道内沿周向选取5条等分的平行切割线，即在叶片通道内，相邻切割线之间的周向距离为通道宽度的25%。沿每条切割线均匀的设置了9个点，其中中间5个蓝色点是可控制点，两端的红色点是为确保通道出入口处的.光滑过渡（及叶片前后缘处端壁和角度连续）而设置的固定点。因此，控制点共有20个。图3给出了端壁型线沿轴向构造示意图，即数值优化过程中通过Bezier曲线生成端壁切割线的原理示意图。每个控制点沿叶高的变化范围为-9～9mm，即占叶高的15%。最后，参数化后的非轴对称端壁是通过这组切割线生成的放样曲面，如图4。
1.3目标函数的设定
在本文的优化设计中，目标函数应满足在保证优化前后高压涡轮导叶的进口质量流量尽量不变的前提下，涡轮导叶出口总压损失系数最小化。目标函数具体定义如下式中下标m和Cpt分别是导叶进口质量流量和出口总压损失系数，w为相应参数的权重因子，Qobj为相应参数的目标值，Q为相应参数的计算值，Qref为相应参数的参考值，一般取为目标值Qobj，若目标值Qobj=0时，参考值Qref取为1。因此，根据公式（1）可知，在目标函数OF中引入权重因子w将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并且，通过调整各参数的权重因子w可以实现不同的优化目的，从而导致优化结果有不同的侧重点。本文在优化过程中更侧重于涡轮导叶出口处总压损失系数的最小化。表1给出了目标函数的具体设定，可见，导叶出口总压损失系数在目标函数中占的比例较大，达到75.12%。优化后的非轴对称端壁等高线图见图5。
2数值模拟
数值计算采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型求解相对坐标系下的三维时均守恒型Reynold-AveragedNavier-Stokes（RANS）控制方程，空间离散格式为中心差分格式。高压涡轮导叶采用O4H网格结构，近壁面处进行了加密处理，最贴近壁面网格与壁面间距为5×10-6m，总网格节点数约为36万。边界条件为进口给定总压、总温，并设定轴向进气；出口给定静压；壁面给定无滑移边界条件。
3结果和分析
为了便于对比和分析，本文用AEW（AxisymmetricEndWall）代表优化前轴对称端壁，用NEW（Non-axisymmetricEndWall）代表优化后非轴对称端壁。
3.1入口质量流量
表2给出了优化前后高压涡轮导叶进口质量流量的加权平均值，对比AEW和NEW可知，由于优化过程中通过目标函数的设定对质量流量进行了人为的控制，NEW对进口质量流量的影响很小，约为0.08%。
3.2总压损失系数式中pt_inlet为涡轮导叶进口总压
pt为涡轮导叶当地总压；outlet和voutlet分别为涡轮导叶出口密度和出口速度。表3给出了优化前后高压涡轮导叶出口质量加权平均总压损失系数Cpt的计算结果，从表3中可以看出，NEW比AEW的总压损失系数Cpt降低了3.724%。图6对比了优化前后高压涡轮导叶出口周向质量加权平均的总压损失系数沿叶高的变化情况。根据图6可以看到，尽管NEW使涡轮导叶出口处的总压损失在近端壁附近有少量的增加（即约4%叶高以下），但在4%到16%叶高（Span）处总压损失下降最为明显，从16%叶高到叶顶的范围内，导叶出口处的总压损失在非轴对称端壁的作用下均有少量的减小。图7给出了AEW和NEW在涡轮导叶出口截面处总压损失系数Cpt的云图。从图中可以看出，通过图中的对比可以看出，NEW使得涡轮导叶出口截面的总压损失系数Cpt的分布发生了改变，特别是在近端壁区域，高损失区的面积显著减小，同时，导叶出口处的主流区和尾迹区的总压损失系数也有明显的下降，这主要是由于非轴对称端壁造型有效的抑制了通道涡的发展，降低了通道内的横向压力梯度，进而减弱了二次流的强度，因而降低了二次流损失。
3.3叶片表面静压的分布
图8给出了优化前后高压涡轮导叶在5%、50%和95%叶高处（即叶根、叶中和叶顶附近）的叶片表面静压分布。从图中可以看出，由于非轴对称端壁的影响，叶栅通道内的流场发生了改变，压力得以重新分布。由5%叶高处表面静压分布图可以看出，在压力面侧，从高压涡轮导叶前缘到70%轴向弦长（Cax）处，AEW和NEW的压差不大，但在70%轴向弦长往后，NEW的压力开始高于AEW；在吸力面侧，从叶片前缘到30%轴向弦长处AEW和NEW的压差不大，从30%到70%轴向弦长处，NEW相对于AEW而言，在吸力面压力有明显升高，而在压力面变化不大，这就有效的减小了吸、压力面的横向压差，有利于抑制通道涡的形成和发展，改善通道内的流场。在70%到90%轴向弦长处，与AEW相比，NEW在压力面侧压力升高，在吸力面侧压力降低，显著增大了吸压力面的横向压差，使叶片载荷的后加载情形更为明显，涡轮叶栅的载荷后置能够有效抑制通道涡的发展，有利于减小端壁处的二次流损失。压分布图可以看到，NEW对高压涡轮导叶表面静压在叶中和叶顶附近的分布没有明显影响，可见，高压涡轮导叶下端壁的非轴对称端壁造型对涡轮导叶上半叶高流场的影响不大。
3.4叶栅通道表面静压分布和流线图
图9和图10的极限流线图可以清晰地看到：在导叶前缘附近出现了马蹄涡的分离鞍点，以及由此引出的马蹄涡吸力面分支和压力面分支；随着导叶通道内气流的流动，马蹄涡吸力面分支和压力面分支开始向下游移动、发展；同时，由于导叶通道内横向压力梯度的影响，马蹄涡吸力面分支在绕过导叶前缘后与导叶吸力面在距导叶前缘30%左右轴向弦长处相交，并开始沿吸力面向上爬升，而马蹄涡压力面分支也在横向压力的作用下逐渐远离压力面，并向吸力面方向推移。对比图9（a）和图10（a）可以看出，相对于AEW，NEW吸力面低压区面积明显增加并且扩展到通道尾部。这使马蹄涡压力面分支与吸力面的交汇点向后推移，极限流线图也证明了这一点，由此可以看出NEW延迟了通道涡的形成和发展，减弱了通道涡的强度。对比图9（b）和图10（b）可以看出，AEW的马蹄涡吸力面分支在叶片前缘附近与吸力面交汇，而NEW的马蹄涡吸力面分支在靠近叶片中部附近与吸力面交汇。所以，NEW的马蹄涡吸力面分支与吸力面附面层的干扰被延后了，因此通道涡的强度将会减小，从而有利于减小通道内的二次流损失。将导叶尾缘附近的流场放大，见图9（c）和图10（c），马蹄涡压力面分支向导叶尾缘靠近时，马蹄涡压力面分支将逐渐地与导叶尾缘后的角涡相掺混，对比图9（c）和图10（c）可以看出，NEW削弱了马蹄涡压力面分支与导叶尾缘角涡的掺混，减小了角涡强度，从而减弱了涡轮导叶出口处的流动损失。
4结论
本文的分析结果进一步证实了非轴对称端壁造型是提高高压涡轮导叶气动性能的有效方法，是减小二次流流动损失的有效手段。
（1）本文发展的优化方法通过设定目标函数和控制自由变量，在进行非轴对称端壁造型的同时，可将高压涡轮导叶的参数控制在一定范围内。相比传统的非轴对称端壁造型方法，更加灵活、多样，更加接近实际应用。计算结果表明，与轴对称端壁相比，优化后的非轴对称端壁使涡轮导叶出口处的总压损失系数降低了3.724%。
（2）非轴对称端壁造型可以使叶根表面的静压分布更加合理，进而改善高压涡轮导叶的载荷分布，有利于抑制通道涡的生成和发展。非轴对称下端壁造型对高压涡轮导叶上半叶高流场的影响不大。
（3）非轴对称端壁造型可以改善高压涡轮导叶流场的流动结构。延迟并削弱马蹄涡同导叶吸力面附面层的相互掺混，削弱角涡的强度，进而削弱通道涡的强度，降低二次流损失。
所谓的电力变压器，指的是通过将交流电源输入后，依据一定技术，将其数值变高或变低，在任何电能整合配送的场合，变压器显然都有着重大的应用。截止21世纪初，我国的发电量就已跃居世界第二位，而通过变压器产生的电量总数也早已经超过了200亿kVh。因此，随着世界人口的不断膨胀，随着人们生活水平提高，对用电量的不断增进，随着更高更为科技感的建筑的不断落成，我们更加需要一种性能优的变压器。这其中抗燃性的干式变压器是一个不错的选择。
1当前行业背景介绍
事实上，现阶段，在变压器行业内，国际市场上的竞争压力是异常惨烈的，众多国际厂商为了加大自己产品的市场占有率，都会加大投资来提高产品的质量，而这些投资涉及设计、性能、售后等众多方面的技术改革工作。因此，通过当前的计算机技术，达到优化变压器设计的课题是当前电工行业重点发展的方向，相当多的单位已经开始大刀阔斧的自行投资研究，也正是计算机飞速发展，才为我们对变压器设计的优化工作提供更加便利的软件和硬件环境。
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