張民剛

摘要：給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在已定線下尋求管徑與水力參數(shù)的最優(yōu)化組合的解。在已定管線中，合理分配管網(wǎng)流量，采用優(yōu)化算法，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)管徑，根據(jù)城市地形特點(diǎn)，優(yōu)化組合和分布供水區(qū)域，采用不同壓力范圍供水，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低。本文分析了城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了一般工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，提出了城市管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì);建筑設(shè)計(jì);環(huán)境藝術(shù)

前 ?言

廣義而言，所謂“優(yōu)化”就是從完成某一任務(wù)的所有可能方案中選出最好的方案。因此，對(duì)各種事物，只要存在不同的解決辦法，就存在優(yōu)化問(wèn)題。用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)，一般可節(jié)省投資5%～ 20%左右。因此，很有必要研究和推廣優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

一、城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，許多城市的供水管網(wǎng)建設(shè)都滯后于城市水廠建設(shè)，存在管徑過(guò)小、布局凌亂、管網(wǎng)老化、管材較差等諸多問(wèn)題，從而造成管道漏損嚴(yán)重，用戶的供水壓力和供水安全得不到保證。

1.管線設(shè)計(jì)

一般在定線所用圖至少是本市最近的實(shí)測(cè)1：500地形圖，并且有必要時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘來(lái)確定或修正。如果是改造工程，注意最理想的管位是和老管道的凈距1.5m。在實(shí)際操作中，有些管道之間影響比較小，凈距可酌情減少。如規(guī)范中規(guī)定熱力管與給水管的水平凈距為1.5m，而如今管材的質(zhì)量提高后，根據(jù)實(shí)際情況也可以酌情減少兩管道水平凈距，而并不影響管道正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管道基礎(chǔ)、預(yù)留預(yù)埋、管徑、標(biāo)高等的標(biāo)注和說(shuō)明，給出盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)圖或詳圖，以避免不必要的損失。在豎向設(shè)計(jì)時(shí)，要按照以下原則進(jìn)行合理布置，保證管線在荷載作用下不被壓壞;在天氣寒冷地區(qū)或是冬季，要保證管道介質(zhì)不凍結(jié)，滿足豎向規(guī)劃要求，按照規(guī)范要求布置各個(gè)管線之間的垂直間距。值得注意的是，各個(gè)管材對(duì)壓力的承受力是不一樣的，設(shè)計(jì)最小覆土要根據(jù)所選擇的管材實(shí)際情況而定。

當(dāng)工程管線豎向之間發(fā)生矛盾時(shí)應(yīng)遵行如下原則：支管避讓干管：可彎曲管避讓不可彎曲管;規(guī)劃管線讓現(xiàn)狀管線;壓力管避讓重力管;管徑小的管線避讓管徑大的管線。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些原則也不是固定的，主要是根據(jù)實(shí)際情況而定，盡量減少不必要的損失和麻煩。在住宅區(qū)給水設(shè)計(jì)應(yīng)注意：系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分結(jié)合物業(yè)管理需要;設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)厥┕に降囊蛩兀哼\(yùn)用新產(chǎn)品應(yīng)慎重，要深入了解其原理性能，掌握其優(yōu)缺點(diǎn)，明確安裝使用的注意事項(xiàng)等;注意其它專業(yè)對(duì)給排水設(shè)計(jì)的要求，如建筑構(gòu)造、結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)管徑、標(biāo)高的限制。

2.管網(wǎng)優(yōu)化

目前在給排水中常用的優(yōu)化算法有如下幾類：純屬規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和遺傳算法。一般在解決中小型管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇遺傳算法求得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。綜合地運(yùn)用直接式管網(wǎng)疊壓供水技術(shù)和無(wú)負(fù)壓管網(wǎng)增壓穩(wěn)流給水設(shè)備，當(dāng)市政供水管網(wǎng)水量充分，供水壓力相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可采用無(wú)負(fù)壓管網(wǎng)增壓穩(wěn)流給水設(shè)備。用水非常集中、瞬時(shí)用水量過(guò)大的地方，則應(yīng)使用直接式管網(wǎng)疊壓供水，以減少峰值流量對(duì)管網(wǎng)造成的影響，保證無(wú)負(fù)壓設(shè)備的正常工作。

二、一般工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

最優(yōu)化理論是一門應(yīng)用相當(dāng)廣泛的科學(xué)，它討論決策問(wèn)題的最佳選擇特性，構(gòu)造尋求最優(yōu)解的計(jì)算方法，研究這些方法的理論性質(zhì)及實(shí)際表現(xiàn)。近年來(lái)，隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和更多優(yōu)化方法的不斷涌現(xiàn)，優(yōu)化的工具和手段都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，優(yōu)化的領(lǐng)域和規(guī)模也越來(lái)越大。設(shè)計(jì)科研人員在工程實(shí)踐中，采用的優(yōu)化方法通常有以下幾種：

1.直覺(jué)優(yōu)化

直覺(jué)優(yōu)化又分直覺(jué)選擇性優(yōu)化和直覺(jué)判斷性優(yōu)化。前者是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)有限的幾個(gè)方案，經(jīng)過(guò)初步的分析計(jì)算，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)的好壞選擇其最佳者的一種方法;后者是設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)知識(shí)，毋須通過(guò)分析計(jì)算就做判斷性選擇的一種方法。直覺(jué)優(yōu)化方法是重要的、簡(jiǎn)易的方法，但它取決于設(shè)計(jì)者直覺(jué)知識(shí)的廣泛性、經(jīng)驗(yàn)判斷的推理能力及豐富的設(shè)計(jì)技藝。

2.試驗(yàn)優(yōu)化

當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的機(jī)理不很清楚、或?qū)ζ渲圃炫c施工經(jīng)驗(yàn)不足、各個(gè)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的主次影響難以分清時(shí)，試驗(yàn)優(yōu)化是一種可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)模型試驗(yàn)所得的結(jié)果，可以尋找出最優(yōu)方案。

3.價(jià)值分析優(yōu)化

價(jià)值分析優(yōu)化首先需要建立一個(gè)價(jià)值表，列出各項(xiàng)指標(biāo)的技術(shù)或經(jīng)濟(jì)價(jià)值，然后根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度引入權(quán)系數(shù)，再計(jì)算出各種方案的各項(xiàng)指標(biāo)的使用價(jià)值，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)方案的總使用價(jià)值，其數(shù)值最大者，即為最優(yōu)方案。

4.數(shù)值計(jì)算優(yōu)化

數(shù)值計(jì)算優(yōu)化是指一些用數(shù)學(xué)方法來(lái)求最優(yōu)方案的方法?，F(xiàn)代的數(shù)值計(jì)算優(yōu)化都是以使用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算為其主要特征。

三、城市管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在已定線下尋求管徑與水力參數(shù)的最優(yōu)化組合的解，目標(biāo)是降低管網(wǎng)年費(fèi)用折算值。城市輸配水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、改建或擴(kuò)建、運(yùn)行，對(duì)于節(jié)約投資、節(jié)省電能，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。目前，輸配水系統(tǒng)的合理改造、改建和調(diào)度、運(yùn)行，以及它對(duì)降低成本、節(jié)省節(jié)能的顯著經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越受到重視。對(duì)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是，在已定的管網(wǎng)中，合理分配管網(wǎng)流量，或在分配流量的管網(wǎng)基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化算法，優(yōu)化管網(wǎng)（道）設(shè)計(jì)管徑（尺寸），或根據(jù)城市地形特點(diǎn)，優(yōu)化組合和分布供水區(qū)域，采用不同壓力范圍供水，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用（動(dòng)力費(fèi)用）最低。在已有管網(wǎng)中進(jìn)行合理調(diào)度，在滿足用戶用水量的基礎(chǔ)上使供水壓力滿足較小服務(wù)水頭，并使運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到較低。

2.城市排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要可分為排水管網(wǎng)的平面布置與已定線下管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化。目前，排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是后者，排水管網(wǎng)系統(tǒng)已定線下的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是解決管徑和埋深（坡度）以及不同管段間的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于某一設(shè)計(jì)管段，當(dāng)流量確定后，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的管徑與其他水力參數(shù)有多種組合，但總存在一組管徑和其他水力參數(shù)的組合，使其投資最小。對(duì)于由若干根管段組成的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，上游管段的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果將直接影響到下游管段的設(shè)計(jì)參數(shù)，這就說(shuō)明系統(tǒng)中每根管段設(shè)計(jì)最優(yōu)的組合，并不能保證整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。因此，為了使整個(gè)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)，就必須以整個(gè)排水系統(tǒng)為整體，從全局出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，雖然排水管網(wǎng)計(jì)算采用的水力計(jì)算公示很簡(jiǎn)單，但是由于管徑的可選擇尺寸不是連續(xù)變化的，不能任意選擇管徑;同時(shí)最大充滿度的限制與管徑大小有關(guān)，關(guān)于最小設(shè)計(jì)流速、流速變化（隨設(shè)計(jì)流量增加而增大）及其與管徑之間關(guān)系的約束條件等都很復(fù)雜，也不能用數(shù)學(xué)公示來(lái)描述。因此，很難建立一個(gè)完整的求解最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型來(lái)用間接化法求解。用直接優(yōu)化法來(lái)解決這些問(wèn)題，具有直接、直觀和容易驗(yàn)證等特點(diǎn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著研究者在這一領(lǐng)域的不懈努力以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的方法日趨豐富，涉及的問(wèn)題的深度與廣度也日趨加強(qiáng)。具體地說(shuō)，如何對(duì)復(fù)雜管網(wǎng)在多種工況時(shí)，考慮管網(wǎng)的可靠性情況下，利用原有的線性的或者非線性的方法，或者采用遺傳算法之類的新方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之更接近城市供水管網(wǎng)的工程實(shí)際，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，是值得關(guān)注和研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀俊蘭.城區(qū)污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].水工業(yè)市場(chǎng)，2008年第2期：67-68.

[2]尹學(xué)農(nóng)，任群，王國(guó)華，王雪峰.給水排水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化與運(yùn)行管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]陳寶林.最優(yōu)化理論與算法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989.