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《广西大学》 2002年
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基坑支护工程遗传优化设计研究

周东  
【摘要】: 基坑支护优化设计的两个层次——方案设计和细部结构设计相互影响、密不可分,在设计中应将两者纳入到一个统一体中进行分析,这是基坑工程优化设计的基本观点,即协同优化设计理念。然而,协同优化设计面临着以下两个难点:①离散型设计变量多、维数高、解空间十分庞大,优化设计面临着组合爆炸问题;②优化目标与设计变量间的关系非常复杂,往往难以建立起显式的函数关系。正因如此,在实际基坑工程实践中,人们往往将基坑支护设计的两个层次割裂开来以简化设计,从而在基坑支护优化设计中留下了大量的人为扰动“痕迹”。因此,基坑工程优化设计必须首先解决两方面问题:一是根据协同优化设计理念建立起基坑工程优化设计分析模型;二是寻求能利用该优化设计模型求解“最优解”或“准最优解”的优化方法。因此,选择这两个问题作为论文的研究课题具有重要的理论和实际意义。 本文针对上述研究课题,首先系统阐述了各种支护结构及其优化设计的实现途径,运用系统工程方法对基坑支护系统的影响因素和系统结构进行了分析。指出:基坑工程优化设计应按照系统工程所揭示的工作程序、结合基坑工程系统的特点、运用优化算法来安排整个设计工作。提出了“自然选择、系统分析、逐级评价、协同优化”的基坑工程系统优化分析思想,并给出了基坑支护工程优化设计的流程、原则和方法。 提出了基于搜索的基坑支护协同优化设计分析模型。该模型将方案设计和细部结构设计描述为两个不同空间、不同层次的设计问题,前者为方案空间,后者为细部结构空间,这两个空间既相互独立又相互联系、相互影响。基坑支护优化设计就是对方案空间和细部结构空间进行交替搜索的过程。该模型描述了基坑支护方案和细部协同优化设计的过程,反映了“方案设计对细部结构设计具有指导作用,细部结构设计的结果又可反馈回方案设计中以修改或调整方案设计”的设计理念。并给出了基坑支护各层次优化设计的数学模型。 引入了近几年兴起的新型优化算法——遗传算法,其具有多点搜索、并行计算和自适应全局寻优的特点,特别适用于求解离散型设计变量多、维数高、优化目标高度 非线性、解空间十分庞大的复杂工程问题。本文以简单遗传算法为基础,建立了实现 基坑支护方案与细部协同优化设计的协同演化模型与算法。实验结果表明:协同演化 模型在解决基坑支护这一复杂工程问题上是成功的。 在两层协同演化模型中,细部演化是影响整个系统计算效率的关键因素,为此在 两层协同演化的基础上,进一步提出了三层协同演化模型(分解协同演化模型)。该 模型利用构成基坑支护系统的各个子系统之间既“相对独立”又“相互联系”的特点, 用“分解”和“协同”两种手段来分别处理“独立”和“联系”两方面的问题,即将 基坑支护细部优化设计系统分解成几个低维、与各子工程对应的、相对独立的子优化 器和一个进行全局协调优化的低维系统优化器。协同有两个层次:方案与细部设计的 协同,旨在消除人为扰动“痕迹”;子系统与子系统之间的协同设计,旨在充分反映 构成支护体系的各子系统之间相互联系的一面。分解是指将支护体系分解成若干子系 统,分别予以优化设计,旨在反映各子系统之间相对独立的一面。该模型可根据设计 需要任意增加次级于系统,并参照上述同样方法进行分解协调。因此,分解协同设计 为基坑支护工程提供了一个普遍适用的优化设计方法。 建立分布式并行计算环境,设计基于遗传算法的基坑支护分布式三层协同演化系 统,实现了三层协同演化模型的分布式计算,开发了“基坑支护分布式遗传优化设计 系统”软件mODRPE人该软件系统充分发挥遗传算法的本质并行性,优化效率显著 提高,可进行包括锚固式排桩、深层搅拌桩、土钉墙等支护结构和降排水、截水等控 水措施以及局部土体补强等在内的深基坑支护系统的优化设计。 应用DODnyE系统,对广西国际贸易大厦深基坑支护工程进行优化设计,验证了 系统的优化设计功能。
【学位授予单位】:广西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TU753

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