（环境工程专业论文）高层建筑给水系统优化设计研究.pdf

a b s t r a c t 0 p t i m a ld e s i g n o fh i g h r i s e ，a t e rs u p p l vs y s t e m m am i nx i a nu n i v e r s 时o f t e c h n o l o g y a b s t r a c t h i 曲“s e sw a t e rs u p p i ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fh i 曲一“s e ， w h oi sf a rs u p e r i o rt og e n e r a lw a t e rs u p p l ys y s t e mi nt e c h n o l o g ys c o p ea n dd e s i g n d e p t hb e c a u s eo ft h ep a n i c u l a “t yo fh i g h r i s e ，s u c ha sm o r en o o r s ，b i gh e i g h t ，w i d e f l i n c t i o n s ，c o m p l e xs t r u c t u r ea n db e i n gr e s t r i c t e dt oa l lk i n d so fe x 把m a 【c o n d i t i o n s i n t h ed e s i g no fh i 曲- r i s ew a t c rs u p p l ys y s t e mt h e r ea r em a n yu n s o l v e dp r o b l e m sb o t h h e r ea n da b r o a d e s p e c i a l l y ，w i t ht h ep e r f e c t i o no fa 1 1k i n d so fe s t a b i j s h m e ts u c ha sw a t e rs u p p l v h o tw a t e rs y s t e m ，d r a i n a g ew a t e t6 r cc o n t r 0 1 ，c e n t r a lh e a t i n ga n dw i r i n g ，w h i c hl e a d t ot h ei n c r e a s eo fa l lk i n d so f p i p e sa n dc o n s e q u e n t l yt h ef e ew i l li n c r e a s e u n d e rt h i s c o nd i t i 。ni ti sn e c e s s a r yt ol o o kf o rt h em o s te c o n o m i c a lo p t i m a ld e s i g n ，i n c l u d i n g s e l c c t i n gr a t i o n a lw a t e rs u p p l ym a n n e r s ，h a v i n go p t i m a lv e 九i c a ls u b a r e a ，p i p e n e t w o r k so p t i m a ld e s i g na n dr a t i o n a ip u m ps e l e c t i o n ，t os a v ei n v e s t m e n ta n dr e s o u r c e h o w e v e rl i t t i ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h e s e 行e l d st ot h i sd a yt h i sp a p e ri sj u s tb a s e d o nt h i sd e m a n da n dt od os o m ew o r ko nt h eo p t i m a ld e s i g no fh i g l l 一r i s ew a t e rs u p p l y s y s t e ms o m es a t i s n e dr e s u l t sh a v eb e e ng o t t h i sp a p e re m p l o y sa n a l y t i c a l i i e r a r c h yp r o c e s s ( a l pf o rs h o r t ) t os e l e c tw a t e r s u p p l ym a n n e la i m i n ga t a 1 1k i n d so fm a n n e r s ( e i 曲tk i n d s ) ，t h i sp a p e rc o n s i d e n q u e s t i o n f 、r o m p o s s e s s i v eb u i l d i n g a r e a ， e q u i p m e n ti n v e s t m e n t w a t e r 虬l p p i y r l i a b i l i t e n e r g y c o n 趴l m p t i o n a n d m a n a g e m e n tn v e n i e n c ee x t e n ta n da i s o c o n s i d e r st h eo p i n i o n so fo w n e ra n de x p e r t sa sw e l la sm a n n e r sa p p l i c a b i l i 妙 s y n t h e t i c a 崛b yt h ew a yo fa l pw ec a ng e tab u i l d i n g sr e l a t i v e l yo p t i m a lw a t e r s u p p l ym a n l l e r t h er e s u i ts h o w st h a t ：t h i sw a yc a ns u p p l yag i s tf o rs c h e m es e l e c t i o n a n dm a k ei tm o r er a t i o n a l f r o mt h ev i e w p o i n to fs y 髓e mt h i sp a p e rm a k e sa no p t i m a lw a t e rs u p p l yv e r t i c a l s u b a r e af b rh i g h r i s eo nt h e p r e c o n d i t i o no fs a t i s 母i n gt h ec o n s u m e r s w a t e r l l t i l i z a t i o nd e m a n d st h i sp a p e rc o n s i d e r st h ef a c t o r so ft h ei 1 1 v e s t m e n to fp i p e sa n d e q u i p m e n t ，m a n a g e m e n tf e e ，c o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n t t h r o u 曲an l a t h e m a t i c a lm o d e l ， w ec a ng e tt h e o p t i m a ls u b a r e an u m b e le a c hr i s e rp i p e s d i a m e t e r ， h o r i z o n t a i d i s t r i b u t i o np i p e s d i a m e t e ra n ds e l e c te a c hs u b a r e a 8p u m pt y p ea l s o t h i ss u b a r e a s e l e c t i o nm a i m e ro v e r c o m e st h es h o n c o m i n go f t a k i n gs a n i t a r yw a r e su t m o s tb e a r i n g f o r c ea st h e g i s t o fv e r t i c a ls u b a r e a ，a n dc a nc o n s i d e rt h e q u e s t i o no fe c o n o m i c e m c i e n c ya n dw a t e ru t i l i z a t i o n sr e l i a b i l i 哆b yt h i sw a yc a nw eg e tw a t e rs u p p l y s y s t e m so p t i m a ls u b a r e an u m b e r t h i sp a p e rb e n e f h sf r o mt h ee x p e r i e n c eo fc i t yp i p en e t w o r k so p t i m a ld e s i g n a n dp r e d e c e s s o r s r e s e a r c ha c c o m p l i s h r n e n t s ，c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u i l d i n g a b s t r a c t p i p en e t 、v o r ka n de s t a b l i s h e sl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e la n dn o n - 1 i n e a ip r o g r a m m i n g m o d e it op i p en e t w o r ku n d e ro u t d o o rp i p en e t w o r kp r e s s u r ea n dp u m pp r e s s u r e r e s p e c t i v e l y t ot h ef o r m e rt h i sp a p e rt a k e st h es t a n d a r dd i a l l l e t e r sp i p el e n g t ha s o p t i m a lv a r i a b l e ，t h e1 e a s tp i p en e t w o r ki n v e s t m e ma so b j e c t i v ef u n c t i o na l o n gw i t h v e l o c i t ya n dp r e s s u r ea sr e s t r i c t i o nc o n d i t i o nt of o r mal i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l _ t h em o d e lc a nb es o l v e db y s i m p l e xm e t h o d ，t h r o u g ht h em o d e lw ec a ng e tt h e t u b u l a t i o n s o p t i m a id i a m e t e r t ot h e1 a n e rt h i sp a p e rt a k e ss t a n d a r dd i a m e t e ra s o p t i m a lv a “a b l et o a i lt h ep i p e sa n dt a k e st h ei e a s tp i p en e t w o r ki n v e s t m e n to rl e a s t a n m i a lc o s ta sf u n c t i o n so b j e c t i v et oe s t a b l i s han o n - l i n e a rp r o g r a m m i n g t h ep a p e r e m p l o y sg e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et h i sm o d e l t h er e s u l ts h o w st h a t ：b yt h i sm a n n e r c a nw eo b t a i nr a t i o n a lp i p en e t 、v o r kt u b i n ga n dh a v ep u m ps e l e c t i o na l s o ，a n da tt h e s a m et i m et h eo p t i m a ld e s i g nh a st h ee f ! f 爸c to fs a v i n gi n v e s t m e n ta n di m p r o v i n g d e s 培ne m c i e n c y a c c o r d i n gt ot h i sp a p e r sr e s e a r c hr e s u l t ，r e l a t e dp r o g r a m m i n go fp i p en e t w o r k o p t i m a ld e s i g nh a sb e e np r o g r a m m e di n c l u d i n gl i n e a rp r o g r a m m i n gp m g m m ，g e n e t j c a l g o r i t h mp r o g r a m t h e s ep r o g r a m sh a v ev e r s a t i l i t ya n di t c a nb eu s e di no t h e rk i n d s o fp i p en e t w o r k so p t i n l a id e s i g n k e y w o r d s ：h i 曲一r i s e ， w a t e rs u p p i ? s y s t e m ， p i p en e t w o r ko p t i m a id e s i g n g e n e t i ca i g o r i t h m o p c i m a ls u b a r e a w a t e rs u p p l ym a n n e r 第一章绪论 1 1 概述 由于社会经济的发展，城市人口日趋密集，造成用地紧张、地价昂贵，迫 使人们“借天入地”，大力发展高层建筑以满足人们生活和社会发展的需要。高 层建筑在国外发展较早且较成熟，在我国虽起步较晚，但近几十年来，随着改 革丌放政策的实施，国民经济的快速发展，城市开发建设事业突飞猛进。为解 决城市用地紧张的矛盾，国内许多城市陆续兴建了许多高层住宅楼，高层办公 楼及高层宾馆。可以预料，在今后相当长的时间内，高层建筑将在我固大部分 地区大量涌现出来，并将作为现代建筑的主要形式而得到发扬光大。 如果说古代高层建筑的发展是与宗教紧密联系在一起的，那么在近代，高层 建筑则是密切地伴随着世界经济技术的进步而不断发展的。科学发展到今天， 高层建筑则朝着高度更高、堤备更加完善舒适和现代化的方向迅速发展。 各国对高层建筑的定义不同，在我国，层数大于或等于1 0 层的住宅建筑， 或建筑高度超过2 4 米的其他民用建筑都称为高层建筑。高层建筑在我国经过几 1 年的发展，已经达到一定的规模并具有以下特点： ( 1 ) 规模大，速度快。目前，全国大、中、小城市己进入普遍兴建高层建筑 的阶段，并且建设速度很快。 ( 2 ) 类型全，高度大。除旅游性宾馆饭店和高层住宅外，还有办公偻、图书 馆、医院、公寓、电信楼、广播电视楼、科研楼、多功能综合楼等，同时建筑 物l 可度也宵很大提- 岛，超过2 0 层以上者很多。 ( 3 ) 内部设备月益完善和现代化。按照国家规定，有关高层建筑除设感烟、 感温及自动控制的消火栓给水系统外，还普遍安设了各种类型的自动灭火装置， 有力提高了建筑物的安全性，而且，今后高级的高层建筑的发展趋势是智能建 筑。 高层建筑的给水系统是高层建筑的重要组成部分，它由于高层建筑的特殊 性而具有不同于一般建筑的特点： ( i ) 建筑高，体积大，给水设备标准高，使用人数多且集中，瞬时给水流量 大，必须具有安全可靠的给水水源，以及技术先进，经济合理的系统形式，以 保证供水连续和维护管理方便。 ( 2 ) 建筑层数多，高度大，给水、热水及消防等静水压力大，必须进行合理 的竖向分区，并设置加压设备，以保证管道和配件不受破坏，系统使用完好。 ( 3 ) 建筑标准高，功能复杂。火灾危险性大，必须设置安全可靠的室内消防 给水系统，满足各类消防要求，且消防给水应立足于自救。 ( 4 ) 给水排水管道及设备多，噪音源、震源多，必须严格采取隔音、防震、 防水击等措施，以保证良好的生活和工作环境，且使系统安全运行。其对于管 材要求是强度高、质量好、使用期长和管道连接不漏水。 由于以上高层建筑给水系统的特点及高层建筑的特殊性，如层数多、高度 大、功能广、结构复杂、并受各种外界条件的制约，使得其无论是在技术广度 上还是在设计深度上都远远超过一般的建筑给排水。其中不少问题，在国内外 还没有得到很好的解决，因而在现在的给水设计中存在许多待解决的问题。 特别是在国内外的高层建筑中，随着各种设备日益完善，给水、热水、排 水、消防、暖通、电器等使得建筑内各种管道增多，其费用也相应的不断增加， 这就迫使人们去寻求最经济的优化设计，包括选择合理的供水方式、进行竖向 最优分区、管网优化设计、合理的水泵选型等以节省投资、节约资源。而随着 建筑事业在世界范围内的蓬勃发展，高层建筑给水系统的设计在理论和实践上 都积累了不少经验。所以对高层建筑给水系统进行优化设计时，借鉴前人已有 的经验，发现不足以掌握研究方向，从而提出有利于推动高层建筑给水设计的 方法和思想，这是本研究的核心所在。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 供水方式的选择 总结国内外建筑给水技术发展的现状，按常用的加压供水设备形式分：高 位水箱供水方式( 包括并列供水方式、串联供水方式、减压水箱供水方式和减 压阀供水方式) ，气压水箱供水方式( 包括并列供水方式和减压阀供水方式) 无水箱变频泵供水方式( 包括并列供水方式和减压阀供水方式) 。这几种也是国 内外高层建筑给水系统中普遍采用的给水形式。 对一幢高层建筑进行供水方式选择，也就是确定采用何种加压设备利给水 形式，从而确定经济合理、技术先进和供水安全可靠的给水系统。高层建筑的 加压和供水方式是高层建筑给水的核心，合理地选择供水形式及加压方式对一 幢高层建筑至关重要。 对供水方式进行选择，有人曾对各种供水方式的水泵扬水功率、设备费、 运营动力费、占有建筑面积和管理难易程度等进行分析，认为采用高位水箱供 水方式和高位水箱减压阀供水方式最为有利，而且它们也是在国内外实践中采 用最为普遍的供水方式心“1 。石家庄建筑设计院的孙振骑曾对多层住宅建筑给 水方式进行优化，运用价值工程中功能、成本、价值的原理，对组合泵供水、 气压泵供水、变频调速、高位水箱和水塔等七种供水方式进行评价，从中选出 一种较优的供水方式阿1 。王阿华对供水方式进行评价时选择的指标有：社会环 境效益、运行维护费用、安全可靠性、施工难易程度、占地情况和工程造价。 他根据若干份调查资料对各评价指标进行统计，得出评价权数，再根据模糊综 合评价理论，由上述6 个评价指标的评价权数构成矩阵，针对各种供水方式求 其最终评判结果，通过比较选择供水方式”。这些成果对于供水方式的选择有 一定的借鉴作用。但在具体工程当中，由于工程地点、具体要求、建筑功能和 建设方的意见不同，在进行综合评判时对各评价指标的着眼点不尽相同，也就 是说诸评价指标有不同的侧重，从而也导致对供水方式的不同选择。即在供水 方式选择中没有既定的规律可循，不存在统一的一种对所有建筑都较优的供水 方式但对某一具体建筑却存在在一定建筑功能下的一种相对较优的供水方式。 所以在进行供水方式选择时应针对具体建筑的具体情况进行具体分析，从而确 定出一种适合于该建筑的供水方式。 1 t2 2 给水竖向分区 高层建筑层数多、高度大的特点决定了给水分区是其基本特征之一。所谓 给水分区是指沿建筑物的垂直方向，依序合理地将其划分为若干个供水区，每 个供水区都有完整的给水系统。确定给水竖向分区是高层建筑整个给水系统设 计中首要的和基本的环节，竖向分区合理与否，将直接关系着给水系统的运行、 使用、维修、管理、投资和节能的情况及效果。 若分区过大，将由于下层压力过大，从而给用户的使用带来许多不利之处， 而且管材易损坏，易产生回流污染及水锤和水锤噪音。 若分区过小，必将增加高层建筑供水分区数相应增加给水系统管道、设 备和土建投资及维护管理工作。 合理进行竖向给水分区也就是确定竖向分区压力值以此压力值为依据对 高层建筑进行分区。从系统1 程的观点来看，给水分区压力值不仅是一个竖向 分区的基础数据和标准，更重要的是它将决定着给水系统的供水方式、使用效 果、建设投资和经常维护费用，并对建筑、结构、暖通空调、电照等专业产生 一定影响，其意义远远超过其本身。 多年来，田内外在建筑给水设计中，普遍都是以分区中最低层配水点处卫 7 l ：器具的最大允许静水压力值为依据，以此来确定分区压力值和分区数。但是， 实践证明产品的最大允许工作压力并不是高层建筑竖向的最优分区压力值。 最优分区压力值是指：按该压力值分区，可使给水系统在运行可靠性，使用效 果有保证的自u 提f ，能使给水管道和有关设施的投资、土建投资和管理费用之 和最小。 对于具体的工程，由于： 程实际情况不同，从而也就存在不同的最优分区 压力值。如何确定某建筑的最优分区压力值，在这方面的理论和实践经验尚 不完善。各国在确定给水分区时所采用的分区压力值也不同，见下表l 一1 各国推荐分区压力范围表1 1 国别办公楼公爵。舷侣，任毛 ( k d a )( k d a ) 中国3 5 0 4 5 03 0 0 一3 j o 美国5 0 06 0 0 4 0 0 日本4 0 0 5 0 0 3 0 0 一3 j o 前苏联不大于6 0 0 从表上看，各国在确定压力分区时都是给定一个压力范围，没有具体的压 力分区值。各国之间，范围不同甚至相差很大。这其中可能有卫生器具质量不 同的原因，但是也说明在分区高度的确定上，弹性空间是很大的。但对于一个 具体的工程，究竟分区高度为多少才算最优，没有既定的规律可循。从系统的 观点出发，对一幢建筑在考虑给水系统运行可靠，使用效果有保证的前提下， 使给水管道和有关设施的投资、土建投资和管理费用之和最小的情况下应该是 存在一个最优分区压力值的，当然这个压力值对于不同的建筑是不同的。这就 要求我们针对高层建筑给水系统的共同点，同时又考虑单建筑的不同之处， 从系统的观点考虑问题，通过建立数学模型，求解获得具体建筑的最优分区值。 1 2 3 管网管径优化 对建筑管网进行管径优化设计，即在满足用户对水量和水压的要求下，通 过合理地选择管段管径使管网投资最少。但从已有的文献资料来看，关于建筑 管网优化设计的研究很少，而诸如此类的研究多见于城市管网，原因可能是： 与城市管网相比，建筑管网的管段短、管径小，而且整个管网的投资较小，优 化后经济效益没有城市管网那样显著。但随着高层建筑建设的不断发展，建筑 内部设施的逐渐完善，使得建筑内管道的类型增多、数量增大；而且由于高层 建筑的特殊性，它对管道的质量和性能方面都相对要求较高，这就使得在这方 面的投资不断增加。从提高经济效益和节省建设资金的角度出发，也就必然会 要求对它进行优化设计。 营段的长短和管径的大小并不影响优化方法的选取，所以在本研究中借鉴 城市管网优化设计的已有研究成果，对建筑管网的优化设计进行探索性的研究。 在室外给水管网系统中，管道的投资约占总投资的j o 7 0 ，据实践经 验，经过优化设计的管网，可节省投资1 0 一2 0 。所以长期以来，对城市管嘲 的最优设计引起了许多研究者的兴趣，也提出了许多解决办法，但由于在输配 水管网中涉及到的参数太多、太复杂，以至于人们不能够获得一个完全满意的 最优解 l i c h e r ，1 9 7 9 ；w a l s k ，1 9 8 5 。尽管如此，对于输配水管网的优化设计， 研究者们还是提出了各种不同的方法。这些方法包括线性规划法、动态规划法 和非线性规划法：比较新的而且仍处于发展中的解决方法是对随机优化技术的 应用，例如：遗传算法和模拟退火算法。归纳起来这些方法大致属于两种类型： ( 1 ) 基于连续管径的方法；( 2 ) 基于不连续管径的方法。 第一种是把管径看成连续变量，建立非线性规划数学模型或动态规划数学 模型。研究者们提出了大量的关于管网问题的非线性优化方法( e l b a h r a w y ，s m i t h1 9 8 5 ，1 9 8 7 ； s u e ta 1 1 9 8 7 ； l n s e y ，m a y s1 9 8 9 ； l a n s e ye t a 1 1 9 8 9 ：d u a ne ta l 1 9 9 0 ) “”一。e l b a h r a w v ，s m i t h ( 1 9 8 5 ) ，采用m i n o s 方 法对取水及配水系统进行优化设计。他们的模型是通过一个预处理程序对数据 进行处理并建立数据库，经过一定的计算后再通过一后处理程序把管径调整为 商用管径，即对管径进行圆整化。配水系统的模型能够处理考虑水泵、减压阀 及检查阀的情况。经过检验，在合理的机时下，得到一由3 3 个管段组成的环网 的较为理想的最优解。s ue ta l ( 1 9 8 7 ) 采用非线性规划法对环状网进行优化 设计，约束中包括了可靠性约束，在整个系统中采用广义简约梯度法，运用稳 态模拟模型( k y p i p e ，w o o d ，1 9 8 0 ) 计算系统的压力水头，另外还用到一个单独 的模型计算系统和节点的可靠度，即在管网破损的情况下，能够满足用户用水 的概率。这种模型在用于考虑管网中的泵、闸阀和蓄水池的影响时，结果不太 理想。l a n s e ye ta l ( 1 9 8 9 ) 进行管网优化设计时考虑节点压力、h a z e n w n l i m s 参数和节点水量的不确定性，应用机会约束把概率约束转换为确定变 量。约束包括了系统满足控制节点水量、水压的可能性。l a n s e y 和m a y s ( 1 9 8 9 ) 用非线性规划的方法以获得环状管网的最优布置和最优设计：他们的模型能够 模拟含有水泵、水池及各种负荷状态下的管网，在模型中应用了模拟软件包 ( k y p i p ew o o d1 9 8 0 ) 以确保满足流量连续和水头损失的要求，用广义简约 梯度法来获得最优解，采用拉格朗日法来处理最小水头及其他约束，优化结果 却常导致管网的树状布置。d u a ne ta l ( 1 9 9 0 ) ”j 进一步深化了l a n s e y 和m a y s ( 1 9 8 9 ) 的工作，建立一个通用优化模型，能够处理考虑泵、水池及各种负荷 条件的情况，在分层的基础上进行解算，结果能保证为环状布置。所有这些方 法都采用了广义简约梯度法，获得一个局部最优解。这些方法以投资最小为目 标，约束条件包括连续方程，能量方程及压力和管径约束。局限性在于：( 1 ) 得到的解未必是商用管径，需要对其进行圆整化；( 2 ) 只能得到局部最优解； ( 3 ) 它对约束的数量和种类有限制，从而对所处理的管网规模就有局限性， 同样基于非连续管径的方法中，研究者们也提出并采用了动念规划法进行 管网的优化设计。w o n g ( 1 9 6 8 ) 等人第一次应用动态规划法进行埘：恢输气管嘲 系统的运行优化，以系统内泵站之间的运行压力差作为决策变量，但没有考虑 系统的最优布局问题，“。l i a n g ( 1 9 7 1 ) 应用动态规划法进行供水系统的最优 设计，将系统内的每个管段作为动态规划的阶段，以每个管段入口和出口处的 压力作为输入和输出状态变量，以连续变化的管径为决策变量，以所有费用项 和整个系统效率为优化目标函数。该方法不考虑直径不同的相邻管段突然扩大 或收缩所引起的水头损失这种处理方法影响最终解的精度“。而且从已有的 应用来看将动态规划法应用于复杂管网时，动态规划需要的计算机内存和计算 机运行时间都很大，甚至得不到最优解。 基于非连续性管径的方法还有完全列举法。完全列举法是列出所有可能的 选择，从中选出最优组合。主要缺陷是占用机时过多。g e s s l e r ( 1 9 8 j ) 曾提出 有选择性地列举并修剪管网设计的搜索空间。缺陷是凭经验操作常常在修剪过 程中把最优区间都删除了瑚 。l o u b s e r 和g e s s l e r ( 1 9 9 0 ) 怖”又曾提出对该种 方法的改进意见，但改进结果仍是占用机时太多，对于大型管网的优化设计有 些不切实际。k w a n g ( 1 9 7 5 ) 采用动态规划法对一个单压力水源且有多个分支管 道的发散性树状供水管网进行优化设计，以标准管径为决策变量，以系统内的 水力关系为动态规划的状态传递关系，确定系统的最优管径组合 ( 。 在国内，对于管网的优化设计，许多学者也提出了大量的解决方法。归纳 起来有线性规划法、非线性规划法和动态规划法。愈国平，杨钦等采用广义简 约梯度法进行管网优化设计“”! ：石继等人在进行管网优化设计中引入图论的 的思想”“”3 ；这些方法都取得了一定的成绩，但对于所求结果也都面临着调整 管径的问题。白丹在进行管网优化设计时，以标准管径的管长为优化变量，以 管网投资最小为目标函数，建立管网优化的线性规划模型，进而对管径进行优 化设计 1 “：。这种方法较好地解决了由于管径不连续带来的问题。 遗传算法( g e n e t i ca g o r i t h m s ) 是近年来用于解决复杂数学问题的一种方 法。把它应用于管网的优化设计，国内外的许多学者都进行了有益的探索： g o l d b e r gd e 和k u o c h ( 1 9 8 7 ) ，d r a g a na s a v i c 和g o d f r e ya w a l t e r s ( 1 9 9 7 ) 【：”曾将其应用于管网的优化设计。结果表明，遗传算法( g a s ) 与其 他算法相比有许多显著的优点：全局优化能力强，占用机时少。由于采用二进 制或浮点数进行编码，构成初始染色体，通过复制、交叉、变异等过程获得最 优解，不存在管径圆整化的问题，对于管网优化非常有效。a n g u sr s i m p s o n 和 g r a e m ec d a n d y 。”1 等人曾在管网优化设计中把g a s 同完全列举法与非线性规 划法进行比较。结果显示：优化结果经过适当处理后结果虽相同，但是g a s 所 用的机时远远小于完全列举法，略大于拉格朗日法。由于拉格朗同法的结果需 要进行管径调整，相当于存在二次优化问题。所以比较起来在管网优化设计中 首推g a s 。在困内，王文远，邹林等也曾用基因算法求管网经济管径”。“。 模拟退火算法用于管网优化设计( m a r i ad ac o n c e i q a oc u n h a 和j o a q i u m s o u s n ( 1 9 9 9 ) ) 。i 。对环状网进行优化设计，用牛顿迭代法解水力网络方程。 这种随讥优化方法在解决不连续和组合性的大规模优化问题时具有优越性。优 点在于住算法中应用下降策略又允许随机向上移动，从而避免了把搜索区间局 限在小范围内，克服了许多典型优化算法的缺陷，应用于解配水管网优化问题 具有优越性，但应用于管网优化设计尚处于尝试阶段。 以上各种求解方法犬部以投资最小为目标，把供水可靠性仅当作约束条件 进行求解的。事实上，供水管网的优化问题是一个既包括经济投资又包括可靠 性要求的多目标问题。c h e n g c h o ux u 和i a nc g o u l t e r ( 1 9 9 9 ) 。”1 用基于可 靠性为基础的方法对管网进行优化设计。这种方法能够识别节点流量和管段流 量的不确定性以及系统故障的影响。应用概率水力模型来说明节点流量和管段 流量的不确定性。创新之处是在配水管网优化设计中应用了以可靠性为基础的 算法来求解，结果比较令人满意。 计算方法如此之多，在工程实际中究竟选择哪一种方式应依据实际情况具 体选用。高层建筑给水管网由于建筑层数多，功能复杂，从而也存在一个管道 多、布置复杂的问题，而且对于高层管网，由于压力问题一般均要求水平干管 和立管为坏状布置，这样就使得高层建筑管网和大型给水管网有许多相似之处。 区别为管道相对短，管径相对小以及对流速的要求等。但这些对于优化方法的 选取并无影响。这就给我们启示，在高层建筑给水管网优化设计中参考城市 给水管网的已有成果，将会对我们的研究带来很多便利。但在借鉴的同时必须 考虑到建筑管网和城市管网的区别之处，从而寻求出一种适合建筑管网优化设 计的方法。 1 3 研究内容和技术路线 本文针对现今高层建筑给水系统设计的现状和些尚未解决的问题，以高 层建筑的给水系统为研究对象，进行以下几方面的研究和尝试： ( 1 )高层建筑供水方式的选择。在设计时设计者常是依据经验或直接选用 最常用的供水方式。这些选择方式常常不能结合建筑的结构及功能特 点综合考虑各种供水方式的适用条件和业主的需要，所以也就很难对 一幢高层建筑的供水方式进行最优选择。所以本研究采用层次分析法 对供水方式进行选择。针对各种供水方式( 8 种) ，从占有建筑面积、 设备投资情况、供水可靠性、能量消耗情况及管理方便程度等5 个方 面进行考虑。综合考虑业主和专家意见以及供水方式本身的特点，用 层次分沂法进行求解，以对某一具体建筑选择相对最优的供水方式。 ( 2 )高层建筑给水竖向分区。在确定给水竖向分区时通常采用的方法是根 据经验确定竖向分区压力值或把卫生器具的最大承压力作为高层建筑 给水竖向分区的依据。但实践证明这些都不是给水分区压力的最优确 定方法。实践和理论经验证明，最优分区压力值是指：按该压力值分 区，可使给水系统在运行可靠性和使用效果有保证的i 讨提下，能使给 水管道和有关设施的投资、土建投资和管理费用之和最小。所以本研 究以此思想为依据，对于某一幢建筑从系统的观点考虑，在满足用户 用水要求下综合考虑管道等设备的投资、管理费用和土建投资等因 素。通过建立数学模型，以求得使它们投资之和达到最小的分区情况 即为该建筑的最优分区。 ( 3 ) 高层建筑给水系统管网的优化设计。对高层建筑给水管网进行优化设 计，从所查阅的文献资料来看，在这方面所作的研究较少。本研究将 借鉴城市管网优化设计的已有经验以及前人的研究成果，并结合建筑 管网的特点，分别建立线性规划和非线性规划数学模型并对它们进行 求解，以获得在满足用户对水量和水压要求下的各管段管径值。本研 究对于室外管网压力供水方式下建筑管网建立线性规划数学模型，用 单纯形法进行求解：对高位水箱供水、无水箱( 变频泵) 供水的树状 和环状网建立非线性规划数学模型用遗传算法进行求解。各种算法通 过编制i f 算程序上机解算。 西安理工大学硕士学位论文 第二章高层建筑给水方式选择 2 1 引言 在高层建筑给水系统设计中，确定经济合理、技术先进和供水安全可靠的 给水方式，是高层建筑给水系统规划设计的核心。 高层建筑给水系统的供水形式可概括为三种基本类型，8 种形式。即高位 水箱给水系统：有并列、串联、减压水箱和减压阀四种形式；气压罐给水系统： 包括并列和减压阀两种形式：无水箱( 变频泵) 给水系统：包括并列和减压阀 两种形式。在已建的工程中，8 种供水方式均有采用，但某一建筑究竟采用何 种供水方式迄今没有一个确定的标准，许多学者都在这方面作过研究口5 5 5 “。 供水方式的选择是一个综合决策的问题，因为每一种供水方式都有各自的 特点和适用条件。同时，每一建筑都因其建筑功能的不同，专家及业主对供水 方式所能达到的目标的要求不同，从而在供水方式选择中需要考虑许多定量的 和定性的因素，包括每种供水方式的设各占用建筑面积、设备投资情况、供水 可靠性、能量消耗情况和管理难易程度。对某一具体建筑要选择一相对较优的 供水方式，就必须协调这些因素。这就需要设计者和有关专家得出各种供水形 式在满足以上各方面因素上的评价权数，以及业主对供水方式的具体要求。由 于这些评价权重针对不同的建筑功能和不同的业主是不同的，不能简单的从概 念上进行量化，从而导致在供水方式选择中，不存在一种对所有建筑都较优的 供水方式选择，但对特定建筑在满足各方面要求的条件下却存在一种相对较优 的供水方式。 针对此种情况，本文将采用层次分析法进行给水方式选择，在进行方案确定 时既考虑每种供水方式的特点又充分考虑业主意见和建筑功能特点。 2 2层次分析法的基本原理和求解步骤 层次分析法( a n a l v t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s 简称a h p ) 是美国运筹学家萨 蒂( t l s a a t y ) 于7 0 年代提出的。它是一种新的定性分析与定量分析相结 合的多目标决策分析方法。其特点是将分析人员的经验给予量化，在目标结构 复杂且缺乏必要数据的情况下更为实用，它是目前系统工程中处理定性与定量 相结合问题比较简便易行且又行之有效的一种系统分析方法。采用这种方法的 首要问题是把问题层次化。根据问题的性质和要达到的目标将问题分解为不同 的组成要素，并将这些要素按因素间的相互关联影响，按不同层次聚集组合， 从而形成多层次分析的结构模型。并最终把系统分析归结为，最低层相对于最 高层的相对重要性权值的确定和相对优劣次序的排序问题。其基本步骤为： 2 2 1 建立层次结构模型 根据问题要达到的目标和涉及的各因素，将它们划分为：目标层。即要达 j j 星茎垫竺銮主銮鎏耋 到的目标：准则层，表示采取某种方案措施实现预定目标所涉及的中间环节； 方案层，表示解决问题所采用的各种方案、措施。一般用框图的形式说明层次 的递阶结构和因素的从属关系。 2 2 2 构造判断矩阵 为了将判断定量化，a h p 法引入1 9 比率标度的方法构造判断矩阵。两 元素相比标度1 、3 、5 、7 、9 分别表示一个元素比另元素优劣相等、稍优、 优于、甚优、极优；有时采用2 、4 、6 、8 表示上述相邻的中间值。两个元素反 过来相比为其倒数。判断矩阵元素的取值是根据资料、专家意见和分析人员的 经验反复研究而确定的。 2 。2 3 层次单排序及一致性检验 层次单排序即是解决同一层次的相应因素对于上一层次某一因素相对重要性 的排序权值。为检验层次单排序的一致性，需要计算一致性指标c ，。鱼生= ， 式中1 一为判断矩阵的特征根，n 为阶数。当随机一致性比率傩2 茜c o 一1 时 即认为层次单排序结果具有较好的一致性。r i 为平均随机一致性指标，据阶数 n 由下表查得： 表2 1 2 2 ，4 层次总排序及一致性检验 利用层次单排序计算结果，计算同一层次所有因素对于最高层相对重要性的 排序权值，得出优劣顺序，就是层次总排序。层次总排序一致性检验从高到低 逐层进行。如p 层次某些因素对于r 单排序的一致性指标为c z ，相应的平均 随机一致性指标为舭，则p 层次总排序随机一致性比率为： c r _ q c ，q 肼 ，l l= l 如c r o 1 0 ，则认为层次总排序结果具有满意的致性，否则需要重新调 整判断矩阵的元素取值。 从层次分析法的原理来看，它较好地处理了定量与定性的关系，能够将分析 人员的经验给予量化，并最终获得一个较优选择，为决策提供依据。结合以上 分析的高层建筑供水方式选择的特点，对某一具体建筑采用层次分析法能够获 得较优的供水方式方案选择。 2 3 应用举例 在某高层建筑给水系统设计时，设计人员首先要和业主及专家沟通，然后按 两安理工大学硕士学位论文 照业主的要求、专家意见选择适当的给水方式，在给水方式选择上明确要考虑 的因素及各因素相对权重，按层次分析法进行求解，步骤如下： 2 3 1 建立层次结构模型 根据所要达到的目标及涉及的因素，列出层次结构模型。在设计中综合参考 各方意见，主要考虑的因素为：所占建筑面积、设备投资大小、供水可靠性、 能量消耗情况及管理方便程度。结构模型的第一层为目标层，即供水方式选择； 第二层为准则层r ，作为选择的依据：第三层为方案层p ，即可供采用的供水 方案。模型如下： 冈固冈冈冈困冈网 剀h 刨型uu 刨刮 、y 、v 、j 高位水箱供水方式气压罐供水方式 变频泵供水方式 2 3 2 构造判断矩阵 构造判断矩阵并计算权重c r 和进行致性检验，在设计中参考业主及各方 意见确定第二层对第一层的判断矩阵权重因子，及对系统供水方式的要求权重： 通过专家意见及设计人员的经验确定第三层对第二层各因子的权重，即每一供 水形式在满足各要求条件下的权重。对调查结果汇总并构造判断矩阵如下： 表2 a 层判断矩阵 a r -r !r ，r 4钆 j7l ，353 o2 6 2 7 r 1l 7ll l 3l 5 0 ，0 3 2