时间：2023-07-03 09:40:38
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇基于模型的优化设计，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
【关键词】分布式水文模型；雨洪排放系统；优化设计
1、现有雨洪排放排水系统的缺点
（1）现有雨洪排放系统设计标准偏低。我国城市现有雨水排水管网的设计暴雨标准大多是几年一遇，最高的也只是20年一遇，明显偏低。我国城市化进程速度很快，很多城市目前的局部降雨状况已经大大超过了当初的设计值，排水系统已经不堪重荷，局部区域的雨水不能及时得以排放。形成内涝，内涝又破坏排水系统，使得排水能力下降，形成恶性循环。
（2）现有设计方法本身存在很多不合理性。目前我国大多数城市排水管网设计依据的径流量仍然是直接或者间接通过下面的推理公式得来的[1]。
QS=F.qs.Ψ
式中：QS-管道节点以上的设计流量；F-节点以上的汇流面积；qs-管道节点以上的设计的平均暴雨强度，由历史同历时的最大降雨强度统计得来；Ψ-径流系数。
应用推理公式的优点是简单迅速，但其本身很粗糙。一方面，设计的平均暴雨强度是通过历年的短历时最大降雨强度统计分析总结得出的，用它来计算形成的径流量有偏大之嫌，造成管网建设的浪费，实践中也证实了这一点。另一方面.该公式只是简单地使用一个“刊布”而未经实地检验的径流系数或平均径流系数来计算产流量，不能考虑城市化变化的趋势。 （3）排水系统设计施工中的问题。目前已有的排水系统设计存在很多的不规范性。如在排水管径变化时，当下段的管径计算值比上一段小，简单的取上一段的管径作为本段管径，这反应了设计方法的不合理性。施工中，为了减少工程量。管道埋深不能满足设计要求，在地质条件很差的时候，管道的坡度更是不能达到设计要求，形成淤积或冲刷[2]。
（4）排水系统管理中的问题。重建设轻管理，城市雨水管网在管理方面很是欠缺。一个好的设计排水工程.要想发挥其最大地效率。管理、优化调度与运行很重要。
2、分布式水文模型用于排水系统设计的优势分析
分布式水文模型应用于城市化排水系统的设计的想法，基于以下几点优势：
（1）设计暴雨更接近实际。传统设计方法将统计得来的单次的设计暴雨按照时程逐渐较少、在空间上平均来分配，这明显不以实际情况为基础。典型的降雨是一个先增加达到最大强度后逐渐衰减的过程。推理公式无法将这一复杂的过程用于设计，用分布式水文模型则可以。在确定本地区的“设计雨量”后，用典型降雨的时空分配特征来分配设计降雨，从而为设计提供更为客观的基础[3]。
（2）产汇流机理的科学化。使用水文模型可以从机理上解释径流的形成，从根本上消除传统推理公式带来的一些不合理性。计算正确时一般不会遇到排水系统越来越小的情况。从设计的前提到依据，都从实际情况和科学的角度出发，随着对产汇流物理机理认识的不断加深，模拟精度将不断得以提高，设计的依据越来越可靠。
（3）设计尺度更加合理。分布式水文模型则可以在细化的雨水搜集的区域内做特别的研究，不同的区域将会有不同的产汇流参数来精确反应该区域的特性。
（4）能够反应城市化进程中的设计要求的变化趋势。城市排水系统的设计研究需要更为精细，需要反应随着城市化进程加快出现的一些趋势。使用分布式水文模型，则可以将其一些参数（如下渗率、截留量、蒸发率等）与变化因素关联起来，可以结合对城市发展规划或城市化的趋势。在设计同时预测变化情况下的数值，使得设计兼顾未来[4]。
3、基于分布式水文模型的城市雨洪排放系统设计思路
在城市排水系统设计中应用分布式水文模型将大大消除现有雨洪排放排水系统的各种弊端。其设计思路是[5]：
（1）按照分水线和地势划分雨水收集面积，初步确定雨水管线，并确定各短管网的收集区域。雨水收集排放尽量的依照地形坡度.充分利用坡度进行地面汇流，在不影响输水能力的情况下减少管道工程量。
（2）确定设计暴雨及其时程分配。对设计时段的历年雨量进行统计分析或利用气象的资料将设计暴雨作为总雨深和历时的函数，确定设计降雨量，依据典型暴雨时空分布规律，并按照空间特性分配设计降雨。
（3）将降雨的时空分配值带入分布式水文模型进行计算，对降雨通过植物截留、地面储蓄、下渗扣除，求得相应区域的产流，并进行汇流演进计算，得到流量过程。依据流量过程进行管道设计。并逐一进行演算。完成初步设计。
（4）进行排水系统设计的优化。城市化进程带来雨洪排放系统很多不确定性，在这种情况下，对设计的雨洪排放系统某些环节做一定技术上的改进，可以增强排放系统的耐冲击性和适应性。
4、雨洪排放系统设计措施
实践证明，新型的雨洪排放技术应用于排水系统的设计确实大大地提高排水系统的效率。目前。新型的雨洪排放技术化分为两类：以实现及时排放为目的快速雨洪排放技术和以实现雨水利用为目的的雨洪利用技术。前者设法减少雨水在积水区的停留时间.而后者则侧重于用工程措施储蓄雨水而实现对其利用。在很多地方，二者区别并不明显。有结合的趋势。
城市雨洪利用技术一般用于缺水地区[6]。它用工程措施将雨水储蓄起来。然后常以中水的方式加以利用。如屋顶雨水收集技术利用屋顶水箱储蓄雨水，稍加处理后用作室内冲洗厕所；用停车场收集的房屋排水管和建筑物周边的雨水用作的冲洗车辆、喷泉：公园闲置池塘和水沟在下雨期间最大程度的截留雨水，用作浇灌植物和景观用水。在严重缺水的地区，收集的雨水通过渗渠长时间下渗，补给地下水.缓解过度开采地下水造成的“地下漏斗”、地面沉降和海水入侵等问题。
结 论
在设计中不论是运用人工技术还是利用天然设施，都是为了使得设计的系统发挥最大的效用。进行优化设计的系统如果实现了高效调度。即对雨洪的排放、分流、储存、下渗、利用等各个环节达到有机结合。将大大提高对雨洪的耐冲击的能力，缓解高强度降雨对排放系统的压力。有效地防止雨水的淤积。避免大面积内涝。
参考文献
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关键词 太阳能小屋；Monte Carlo算法；混合整数规划；计算机模拟
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0019-04
新能源利用是我国七大战略性新兴产业之一，太阳能光伏发电是新能源利用的重要领域。在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220 V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。
本文主要研究户用并网光伏阵列安装方案的组合优化问题。为满足年光伏发电总量尽可能大，单位发电费用尽可能小的目标，首先根据地区地理条件、电池组安装部位及方式，给出太阳能电池组的选定方案。然后在各电池分组的逆变器选配原则下，考虑各太阳能组件的不同设计参数及价格，从而确定最佳光伏系统设计方案。
研究在仅考虑贴附安装方式的情况下，对光伏阵列铺设方案的优化问题。首先，需要根据题目给出的小屋外观尺寸，对每个墙面分别建立直角坐标系。然后，主要考虑光伏电池组件面积和房屋的铺设条件，以各类光伏电池组件数量和安装位置为决策变量，建立年发电总量最大、单位发电费用最小的双目标最优化模型.并考虑逆变器额定输入电压和功率约束，调整太阳能电池组件安装设计方案，从而得到最优光伏电池组件及逆变器的选配方案。
1 模型假设
1）假设太阳能电池方阵的架设是独立的，不受周围环境影响。
2）假设同一分组阵列中的组件在安装时，具有相同的阵列方位角、倾角。
3）假设各类电池组件的最低辐射量限值分别为：单晶硅和多晶硅电池启动发电的表面总辐射量≥80 W/m2、薄膜电池表面总辐射量≥30 W/m2。
4）假设所有光伏组件在0～10年效率按100%，10～25年按照90%折算，25年后按80%折算。
5）假设逆变器设置在房屋外部，不占用建筑外表面。
6）假设当太阳辐射值低于电池表面太阳光辐照阈值时，电池组件不输出电力。
2 变量与符号说明
：表示墙面的长度；
：表示墙面的宽度；
：表示第i类光伏电池组件的铺设数量；
：表示对第i类光伏电池组件中的第j个组件的标记；
：表示第i类的光伏电池组件铺设数量；
：表示第i个同类电池板的额定功率；
：表示第j类逆变器的额定输入功率。
3 模型的建立与求解
主要研究在有瑕疵墙面上光伏阵列布局的数学模型与算法。由于仅考虑光伏电池组件贴附安装，故首先需要建立安装光伏电池组件的类型选择模型，以及相应铺设数量的计算模型。其次，在仅考虑无瑕疵平面情况下，构造太阳能电池组的最优布局规划模型。再利用各墙面的门窗尺寸和位置数据对模型进行修正，得到有瑕疵情况下，各墙面和屋顶的光伏电池阵列最优布局方案。最后，根据所得布局方案，给出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益及投资的回收年限的计算模型。
3.1 光伏电池年发电总量计算模型的建立
为求解光伏电池年发电总量，首先建立光伏电池第m年发电量计算模型：
其中，表示第k个太阳时的辐射量，表示第i类型号电池板的面积，表示第类型号电池板在辐射为情况下的转换效率，表示第i类逆变器的逆变效率。由于逆变器存在80%的阻性负载，故计算光伏电池年发电总量时，应当加上0.8乘项，修正阵列年总发电量输出值。
然后，计算光伏组件在第年的效率，已知发电效率为：
则光伏电池35年的总发电量的计算模型为：
其中，8759表示一年太阳时最大值。
3.2 光伏电池年经济效益计算模型的建立
由模型I可得到光伏阵列最优布局方案，据此，结合各墙面年总辐射强度有效值数据，建立光伏电池总经济效率的计算模型：
其中，表示光伏阵列35年的毛经济效益总和（即不减去成本的毛收益），其计算模型如下：
式中，表示光伏电池第i年的毛经济效益，光伏电池第m年的发电量由光伏电池年发电总量计算结果可知。
3.3 光伏阵列投资回收年限计算模型的建立
通过分析光伏阵列的年发电总量与年经济效益计算模型间的关系，可得光伏阵列投资回收年限T应满足如下关系：
其中，表示光伏电池第i年的毛经济效益；C表示逆变器和电池组的总成本；表示使用的第i种型号电池组件的数量；表示使用的第i种型号逆变器的数量；表示所使用的第i种型号电池组件的价格；表示所使用的第i种逆变器的价格。
利用上述关系，求解使得上述不等式成立的最小整数T，即为所求的回收年限。
3.4 光伏阵列最优布局规划模型的建立与求解
3.4.1 模型的建立
1）电池组件的摆放方向分析。
对于每块放入的电池组件，均存在两种不同摆放方向：横向和纵向。在不考虑光伏发电系统布线复杂性的情况下，引入变量（，表示横放；，表示竖放），用来描述各个墙面上第i类第j块光伏阵列的铺设方向。其中，横向摆放表示电池组件的长边与墙面的长平行摆放，纵向摆放表示电池组件的长边与墙面的宽平行摆放。
2）电池组的类型选择分析。
考虑到同一安装平面内所铺设组件受到逆变器选配约束，故首先建立各墙面安装光伏电池组件的类型最优排序模型，选择不超过3种类型的电池组，从而降低安装组件类型的选择方案，达到简化问题的目的。
通过分析各墙面光照辐射年均值，同时考虑各类型光伏发电组件的发电辐射阀值，计算各墙面各类型的电池组件接收总辐射有效值：
利用每个墙面除去窗口后的总面积和各类电池组件的面积，可计算得到第i类电池的最大摆放组件个数。又需要考虑光伏电池组件的单位发电功率费用指标，。其中，表示逆变器和电池组的总成本，表示第i类光伏电池阵列的年发电总量。
利用（1）、（2）式条件，同时考虑各类电池组件转换效率，可得到排序指标R的计算模型如下：
各墙面的最佳组件字典序排序与值相关，越大表示该电池组越优，表示电池组件的转换效率需要受到的影响，据此，可得电池类型最优选择方案。
由太阳辐射相关知识可以得到。其中为平面的法线和太阳入射方向的夹角。
3）无瑕疵条件下光伏阵列最优布局规划模型。
按照问题分析中对光伏系统设计的目标分析，确定如下两个最优化目标：
目标I：年光伏发电总量最大可表示为：
其中，表示第i类的光伏电池组件铺设数量，表示第i类光伏电池组件的实际功率，由于电池发电总量与光伏组件的实际功率仅相差太阳辐射乘项，且根据对太阳辐射的假设，同一平面上的太阳辐射相等，故原目标与光伏阵列总实际功率最大等价。
目标II：单位发电量的总费用最小可表示为：
其中，表示第i类的光伏电池组件铺设数量，表示第i类光伏电池组件的单位发电功率费用，与原目标中的单位发电量费用等价。
为确定光伏电池组件的铺设位置，针对不同墙面，建立如图1所示的直角坐标系。
其中，x轴的取值范围是，表示该面墙体的长度；y轴的取值范围是，表示该面墙体的宽度，直角坐标系内点的坐标表示光伏电池组件左下角的横纵坐标数对。
然后，对问题进行约束条件分析，无瑕疵平面铺设约束如下：
约束I：铺设范围界定约束
基于对墙体边界条件的分析，铺设光伏电池组件不应超出安装平面范围的约束，即铺设面积不可超过墙面总面积，则铺设范围界定约束可表示为：
其中，表示第i类第j块的光伏电池组件左下角的直角坐标；表示第i类光伏电池组件的长度；表示第i类光伏电池组件的宽度；表示表示第i类第j块的光伏电池组件是否铺设，且第i类光伏电池组件总数。
约束II：电池组件分离约束
当铺设多块光伏组件时，各个太阳能电池板需要保证相互独立摆放，即板与板之间互不交叠，则电池组件分离约束可表示为：
由（4）～（7）式的分析，建立无瑕疵条件下光伏阵列布局双目标混合整数规划模型如下：
其中，约束条件1、2表示铺设范围界定约束，约束条件3表示电池组件分离安装约束，约束4表示光伏组件的坐标取值范围.通过确定各目标优先级P1和P2，可将该双目标规划模型转化为单目标规划问题，得到最终混合整数线性规划模型如下：
4）考虑门窗的光伏阵列最优布局规划模型。
将门窗看作各墙面瑕疵，考虑光伏阵列不能在门窗上方安装，因此需要对模型约束条件进行调整，引入墙面瑕疵约束如下：
约束III：墙面瑕疵约束
其中，X1、X2分别表示瑕疵的左边界和右边界的横坐标值，Y1、Y2分别表示瑕疵的上边界和下边界的纵坐标值.约束限制当组件横放或纵放情况下，电池的边界与瑕疵四周不能存在交叠区域，从而得到带瑕疵条件下光伏阵列最优布局规划模型如下：
至此，即得到有瑕疵任意安装平面的光伏阵列最优布局规划模型。
3.4.2 模型求解
由于在铺设每个光伏组件时，有横向摆放与纵向摆放两种方案.为求解该NPC组合优化问题，我们利用Monte Carlo方法进行计算机模拟，具体程序框图如图2所示。
利用Matlab软件，对每个墙面光伏电池组件选择方案进行1000次模拟，比较各次模拟结果，保留使得模型I中目标最优方案，得到各立面和屋顶最优铺设方案，其中小屋屋顶带天窗面的最优光伏阵列布局方案如表1所示。
根据该方案，可得到屋顶较大斜面外表面各摆放方法下，电池组件铺设分组阵列图形（其余各外表面布局图形因篇幅原因未给出），如图3所示。
分析表1中结果，可知屋顶较大斜面最优铺设方案应选择横向布局，分别需要6个A3类、8个A4类及16个B1类光伏发电组件。
在紧贴铺设的情况下，小屋一年发电量，且各外表面分布发电量如表2所示。
分析表，进而计算得到最优光伏系统设计方案下，35年总发电量，经济效益为，投入资金，得到投资回报年限年年。
4 模型评价与改进方向
4.1 模型的评价
1）模型的优点。
本文建立了关于太阳能小屋设计的多个优化模型，较好的解决了太阳能小屋设计中的一系列问题。
对于太阳能电池板的铺设问题，利用坐标定位思想，建立了有瑕疵布局问题的优化模型。由于坐标的引入，可以很容易地解决不同形状不同个数的瑕疵情况，因此该模型具有较普遍的适用性。
对于架空情况下的电池板优化设计，通过对电池板的长度进行转化，可以直接利用在电池板贴附设计情况下建立的优化模型，避免了重新建立模型带来的复杂性，简化了问题。
对于太阳能小屋的尺寸设计，通过确定一些明显可以使得结果最优的参数，减少了变量，使得最终的决策变量仅为两个，简化了问题分析与求解.通过确定电池板的评价指标，基于不同的接收辐射情况，给出了每个墙面的最优电池板型号，从而可以简化约束条件，避免了房屋尺寸与电池板选取两方面问题同时考虑的复杂性。
2）模型的缺点。
由于布局规划问题属于NP完全问题，没有多项式时间算法，基于穷举思想的算法无法解决此类问题，因此我们采用了蒙特卡洛方法，由于蒙特卡洛方法无法保证得到最优解，故我们对求解结果进行人工修正，并多次计算取最优解。这样无法进行自动化计算，这是我们模型的缺点，也是目前学术界的难点。
4.2 模型的改进方向
对于布局问题，目前较好的解决方法是启发式搜索法，包括模拟退火算法、人工神经网络，遗传算法等，我们模型的求解可以利用这些算法进行改进，并比较多个结果取最优。
参考文献
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摘要： 在滩地种植防浪林,可以减少风浪在堤防的爬高，是有效的生态护岸措施。为合理设计防浪林优化布局、提高防浪林的消波效果，提出了基于模糊熵权法的防浪林布局优选模型。在考虑防浪林的排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度多种消波影响因素作用的前提下，以在提高消波效果的同时减少经济成本和减少占地面积为目标进行多目标评价决策。以嫩江干流同盟水文站附近堤段为例，采用模糊熵权法优选出防浪林优化布局，推荐行株距2.5 m、林带宽度40 m的等边三角形排列作为嫩江干流防浪林的优化布局。
关键词： 防浪林； 优化布局； 模糊熵权法； 嫩江干流
中图分类号： S 759. 2 , TV 871. 2 文献标识码： A
在汛期，很多大型河流的中下游段来水量大，水面宽阔，风速较快，易产生较大的风浪，对堤防以及堤防保护区内人民的生命财产安全造成严重威胁。目前，在滩地种植防浪林，是一项可以有效降低风浪爬高、滞洪导流、延长堤防寿命、减少水毁工程的生态护岸措施[ 1 ]，并在我国大江大河大湖以及海滨等地段得到广泛应用[ 2 - 7 ]。防浪林的植被布局是一个复杂的多目标问题， 既需要考虑多因素影响下防浪林的消波效果，又要考虑到植被场的种植面积与种植成本。目前，关于防浪林的研究主要集中于对植被消波机理的研究， 多采用控制变量法研究单一因素对防浪林消波效果的影响[ 8 - 11 ]，而对于防浪林的种植布局缺乏科学的规划和定量分析。合理的植被布局可以极大地提高防浪林的消波效果，因此，研究各消波影响因素组合条件下的优化布局，对提高防浪林消波效果、加强生态护坡建设具有非常重要的实际意义。
熵，是热力学中表征体系混乱程度的参量之一，由Shannon[ 12 ]首次引入信息论中，现已在径流分析、水资源配置、水文水资源不确定性分析等多个领域得到广泛应用[ 13 - 16 ]。其主导思想是：在多指标的评价决策体系中，某一指标的变化程度越大，则该指标越重要，其权重也越大。笔者基于模糊熵权思想，提出了多目标防浪林布局优选模型，并应用于嫩江干流同盟段的防浪林优化布局设计。
1 研究区域概况
嫩江干流同盟段位于黑龙江省齐齐哈尔市东阳镇，有良好的水文资料。同盟水文站附近堤段示意图如图1所示。堤段全长均分布有雨淋冲蚀沟，堤前分布有远近不一的汊流河道，部分堤段汊流紧邻堤脚，易产生近堤急流，直接破坏迎水堤坡，形成堤面洪水冲蚀破坏，局部有渗漏、脱坡现象；除护坡堤段外，其它堤坡坡面植被稀疏。在这些险工堤段种植防浪林，可以起到消减波浪、固土护堤的作用。同盟段现状防洪标准为平均10年一遇，局部最低5年一遇，预计黑龙江省嫩江干流治理工程治理后的防洪标准可达到50年一遇。研究区水面宽约5 km，风区长度为5 300 m，计算风速为11.87 m/s，风向为东南，与法线夹角为5°。按设计来水频率为50年一遇计算，研究区设计洪水水深为1.8 m。
2 方案与方法
2. 1 嫩江干流同盟段防浪林布局方案集
目前，已有国内外学者对防浪林消波机理、消波效果进行了研究。综合已有的研究成果，选择排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度为防浪林消波影响因素。课题组于2016年7月25日至2016年8月25日对嫩江干流已种植的现有防浪林进行了实地勘察，测得研究区现有防浪林各影响因素的参数值，沿岸各地防浪林各现状布局方式参数见表1。并根据章家昌公式[ 7 ]计算出各种现状布局条件下（共25个方案）防浪林消波系数（表1）。
2. 2 模糊熵权法
根据Shannon信息熵的基本思想，一个指标的熵值越大，则各方案在这一指标下的变异程度越大，说明该指标越重要，所对应的权重也就越大。据此计算多目标评价决策体系中各指标的权重，可以得到加权综合评价下的最优方案。熵权法[17 - 18 ]主要有以下4个步骤：
（1）原始数据矩阵进行标准化
由于各指标数据的量纲、数量级有很大差异，各指标对于优的定义也相去甚远，故需对原始数据进行标准化处理，使数据取值都在0~1之间。可以利用相对隶属度对每一指标进行标准化。指标的优劣程度是一个模糊的概念，在实际决策中，通常用模糊集理论中的隶属度函数进行计算，常见的指标对优的相对隶属度计算公式为
优属度向量中，数值最大的分量对应的方案即为最优方案，对所有分量根据数值大小进行排列，可以得到所有方案由优到劣的排序。
3 考虑多目标的嫩江干流防浪林布局优选
防浪林布局问题是一个多目标决策问题，需要综合考虑多个影响因素对防浪林消波的影响。出于经济和占地面积的考虑，希望可以用较少的植被棵数和较小的防浪林种植宽度，达到较大的消波效果。这3个目标可以用消波系数、植被密度和林带宽度3个指标来表示。定义密度表示单位面积上植被的棵数，防浪林排列方式和行株距的不同，均会导致防浪林密度的变化，根据表1中的25个方案，计算每个方案的植被密度（表1最后一列）。采用模糊熵权法对方案进行优选排序，优选时采用3个目标条件：（1）林带宽度越小越好；（2）消波系数越大越好；（3）植被密度越小越好。
采用熵权法对25个方案、3个指标进行矩阵计算，得到每一个方案的优属度，将所有方案按优属度从高到低进行排序。
3. 1 计算相对隶属度矩阵R
根据25个方案的种植宽度、消波系数、植被密度数据，得到本问题的相对隶属度矩阵，绘出各方案的密度和消波系数散点图（图2）。根据散点分布可以看到，密度多集中在0.2~0.6的区域中，消波系数多集中于70%~85%；又由于防浪林宽度超过70 m后，消波效果增长不明显，因此可以分别定义3个约束条件的隶属度函数如下：
3. 2 计算熵值向量H
根据式（3）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的熵值分别为：
3. 3 计算熵权向量W
根据式（5）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的权重分别为：
3. 4 计算优属度向量U
根据式（8）计算出的所有方案在优选目标条件下的优属度为：
U=0.4588 0.3956 0.3900 0.9218 L 0.5986 0.1756 0.5126 0.3289
统计分析所有方案优属度取值的分布（图3），本研究选取0.9作为优选阈值，从中选择优属度大于0.9的方案作为较优方案，并将这4个方案列于表2，做进一步分析。
通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型优选出的4个较优方案中，防浪林行株距均为2.5 m，排列方式均为等边三角形，这是由于在行株距为2.5 m、排列方式为等边三角形时，密度达到最低。优选方案的防浪林宽度为40 m或50 m，未见有方案的宽度是30 m，说明虽然在目标中加入了“防浪林宽度越小越好”的约束，但防浪林宽度对防浪林消波具有极大的影响作用，对宽度的变化较敏感。防浪林消波效果对树干半径和树冠半径的变化不明显，对树干半径的变化尤其不明显，总体随树冠和树干半径的增大而增大。可以根据当地树种供应情况选择种植，在保证植被正常生长的前提下保持树冠半径尽可能大。
4 结 论
4. 1 通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型计算，推荐“防浪林行株距2.5 m，林带宽度40 m，排列方式等边三角形”为嫩江干流防浪林优化布局方式， 该布局方式可以在较小的防浪林宽度和较少的植被棵数的前提下， 达到较高的消波效果。
4. 2 嫩江干流同盟段的应用实例证明，本研究提出的基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型，求解过程受主观因素影响小，切实可行。该方法可以为其他地区生态护岸工程的防浪林优化布局设计提供指导和借鉴。
参考文献
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【关键词】城市绿地系统；楔形绿地；T型模式；优化设计；荆州
中图分类号:S73 文献标识码：A
1、研究背景
传统绿地系统规划只是在总规阶段控性，控规阶段控量，而到了修规阶段却完全由开发商自主设计，往往就造成了压缩绿地指标，提高建筑容积率的现象。由此看来绿地系统规划的设计远没有达到人性化的要求。本文所要思考的就是在保证城市绿地系统架构的前提下探索对各层面绿地系统进行的优化设计方法，以塑造人性化城市为原则，打造城市特色，并实现城市的有机生长。
2、T型绿地的概念与特征
顾名思义，本文所提出的T型绿地就是指形态上与T相似布局的绿地结构。他总体上由横向与纵向两部分具有宽度的绿地所构成，有如下特征：突出结构相似，构成T型绿地的横纵两大部分是线型绿地与楔形绿地的组合；突出绿地之间的联系，加强了楔与外部绿地的联系；突出有机生长的特性，在所需要的用地内均能有效的渗透。
3、理论依据
（1）有机生长理论。工业革命以前，城市多表现出自然生长为主，有机生长理论以朴素的自然设计观为特征。工业革命以后，主要分为主张技术派、主张田园派、主张历史角度三个倾向。这些理论的出发点均是在寻求人、城市、自然三者的和谐共处。到了现代，有机生长逐渐与可持续发展理论相结合，多强调组团式布局。如我国的中新天津生态城规划，组团特征特别明显。
（2）绿楔理论。绿楔思想是生态意识形态下的产物。绿楔作为联系城乡的纽带，对控制大城市摊大饼式的蔓延也起有很好的效果，并逐步演变成为一种规划思想。绿楔较早地出现在西方城市规划中。如在哥本哈根的指状规划、莫斯科发展总体规划、墨尔本市规划、慕尼黑规划中均有绿楔存在。我国近年来各大城市城市规划中也均出现了绿楔（见表1）。
4、传统绿地系统规划的问题
传统绿地系统规划具有用地规整化、分级分类明确、体系完整等特征。从以往实施效果来看，主要存在下面的问题。
（1）人工化而不人性化。传统的绿地系统规划对系统的考虑十分全面，但是最关键的是弱化了对于使用者切身感受的环节，人性化设计往往只停留在理念的阶段。
（2）过于图面化而实操性较差。规划设计人员过分追求图面效果，疏于考虑现状特征，往往采用一刀切的方式。事实上，基地的微环境是塑造具有特色的绿地景观的关键要素。
（3）绿地功能单一、缺少联系。往往规定的一块绿地只有一种功能类型，缺少其他功能的加入。不同功能绿地之间往往被道路、建筑、围墙等分隔，使得不同绿地之间缺少通道、联系不便。
（4）过于强调绿地边界。在所有的用地中绿地的边界最模糊，因为他具有最高的渗透度，与所有的用地都高度兼容。过于强调绿地边界的结果就是反而让绿地外的用地开发商思考如何侵入绿地，绿地所有者永远进行着边界保卫战。
（5）规划落后。绿地分类在以往进行了几次修订，如今，城市用地分类标准将广场被纳入绿地类型之一，但规划设计人员对变动的意义了解不够，应用时也仅仅是将S2换成G3。
5、T型绿地布局模式构想
T型绿地布局事实上是在传统带型绿地与楔形绿地模式上的改进，是将两者进行融合并关联形成的一个整体，笔者称为绿T模式。
以基本的T型绿地单元，可以通过四种方式进行组合。其中十字、工字形模式是我们通常所能见到的现代化城市的棋盘状网格型绿地系统的基本单元。这种模式的特征就是所有绿地的联系较直接，多以贯穿式划分地块，形成的绿地系统具有明显的人工痕迹。
表2 绿T模式基本组合形态
基本单元 基本组合模式
十字形传统组合 工字形传统组合 T型组合一 T型组合二 T型组合三
在基本组合的基础上，将多个单元再次组合，就会形成大绿T模式，可以适用于组团、城市、区域等不同尺度的城市空间。可见这样组合形成的城市的绿地系统具有很强的有机形态，与树形结构非常相似。
T型绿地相比传统绿地系统规划有如下几点改进。
（1）更为有机的结构。T型模式结构体现的是一种更加有机的生长方式。只要需求，绿地就存在。这样的结构亦具有传统绿地规划“点线面”结合的层次。
（2）更灵活的布局方式。一定意义上，T型绿地打破了传统绿地以贯穿性、包围性、切蛋糕等较为粗放的麦当劳式的布局方式，提倡建立在需求层次之上的绿地安排，注重基地的微环境，因此具有更加灵活的布局方式。
（3）更具趣味性的城市空间。T型模式布局，增加了更多异型的不规则的城市空间，也充分保留了城市的水体、山体等自然景观，维持城市肌理。城市将更加充满趣味性，更加有特色。
（4）更具有实效性。由于T型模式遵循城市有机生长原理，尽量不改变城市自然环境，保留城市河流、山体及局部的微地形等。同时由于保存了城市文化环境，因此实施中易于为人们接受。
6、荆北新区概念规划设计实践
项目位于湖北省荆州城市中心区边缘，荆州古城北部，具有良好的区位优势、交通优势、人文及生态资源优势。项目定位为打造成集商业、教育医疗服务、文化娱乐、休闲体育等功能于一体，配套设施一流的综合性居住社区。其现状主要存在的问题之一就是如何利用T型绿地，提高项目品质。
规划中利用T型生态绿地基底，将绿地引入各个地块内部，并在公共绿地中配套相应的设施，实现景观、休闲、健身、交流及服务多种功能为一体的活力“绿T”空间。这种模式城市生态绿地与社区公共绿地融为一体，实现了城市公共空间与社区半公共空间的有机过渡。
在这种绿T模式下，我们确定了“T型绿构、带状延伸、核心引领、群组辉映”的规划结构，从而为方案的完成奠定了基础。
7、总结
T型绿地模式是对传统线型绿地空间及楔形空间的改进，加强了两者的联系，更加体现人性化设计与有机生长方式。对于打造景观特色鲜明的生态城市具有很大的意义。对解决城市更新改造中的绿地系统的问题有着十分有效的作用。
参考文献
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一、当前高中语文选修课程模块设计存在的问题
为了适应社会对人才的多样化需求和学生对语文教育的期待，《普通高中语文课程标准（实验）》（以下简称《课标》）将高中语文课程设置为必修和选修两部分，其中选修课程设计为五个系列：诗歌与散文、小说与戏剧、新闻与传记、语言文字运用、文化论著研读。并指出：“学校应按照各个系列的课程目标根据本校的课程资源和学生需求，有选择地设计模块，开设选修课。对于模块内容组合以及模块与模块之间顺序编排，各学校可以根据实际情况灵活实施。”[1]然而，这种理念上的初衷只是“看上去很美”。现实当中，高中语文选修课程模块设计可谓问题丛生，具体表现如下。
1.选修模块多样有余而科学不足
高中语文选修课程设置了诗歌与散文、小说与戏剧、新闻与传记、语言文字运用、文化论著研读等五个系列。围绕这五个系列，各个学校集思广益，结合实际开发出了各种各样的选修模块，如“论语选读”、“中国小说欣赏”、“外国小说欣赏”、“影视名作欣赏”、“中国民俗文化”等等，不一而足。然而总体来看，这些选修模块在表面的“热闹”下却掩盖不了存在的缺陷。首先，选修模块大多限于语文学科领域内的“自娱自乐”，缺乏与其他学科的交叉糅合，少有的一些交叉内容却也仅限于简单的移植。显然，选修模块的狭窄视野必然带来学生学习视野的狭窄。其次，选修课程模块对学生发展关照不够。我国普通高中需要完成两个层次的教育任务，“第一层次的教育任务是，按照国家对高中学生提出的全面发展、具有个性的要求和学生身心发展的需要，对全体学生进行基本的全面素质教育，使之达到高中毕业的标准。第二层次的教育任务，是按照高三学生对于升学和就业的不同选择而分别进行升学教育与择业就业教育”[2]。而从现实来看，大多学校语文选修课程模块只是关照到第一层次教育任务以及第二层次教育任务的升学教育目标，而择业就业教育的目标却极少体现。这与西方发达国家选修课程相比，是有很大出入的。再次，高中语文选修课程模块的地方特色、民族特色以及校本特色凸显不够。一些学校选用了某一版本的必修课教材后，接着就选用该版本的选修模块教材，这样，校本、地方特色的语文选修模块开设空间就显得非常狭小了。最后，高中语文选修课程实施时间保障不足。大多数学校往往在高二学年集中实施选修课程，以致学校无论如何加快速度，最多只能开设三个或四个选修模块。而《课标》建议：“从五个系列的选修课程中任意选修四个模块。对于语文学习兴趣浓厚并希望进一步深造的学生，建议在此基础上，再从这五个系列里任意选修三个模块。”[1]显然，时间的保障不足可能带来选修模块的“走马观花”以及学生学习的“消化不良”，并且给学校的师资、场地条件带来巨大的压力。
2.选修模块限制有余而自由不足
区别于必修课程，选修课程是在必修课程基础上的进一步提高与拓展，其主旨在于关照学生的兴趣、爱好和志向，关照学生的个体差异，培养学生全面发展。自由与选择是选修课程的最大特征，这也是落实选修课程目标的关键所在。然而，囿于传统认识、教学设施、教学任务、教师水平和时间精力等因素的限制，许多中学在语文选修课程模块的开设上作了很多限制。这些限制可以概况为三种：一种是完全以高考为“指挥棒”，明确要求只开设与高考内容相关的几个选修模块，并且要求全体学生都选这几个模块，如此导致选修课程“名存实亡”，湮灭了选修课程的本真含义和价值。一种是由于学校师资、教学设施限制，或没有更多的教师来开设选修课，或没有更多的教学场地提供给学生走班、自由选课，因此，学生只能“看菜吃饭”，统一时间、室、师指定选修课程。第三种情况是由于必修课程任务繁重，高三升学压力较大，许多学校干脆大量挤占和压缩选修课程的时间，使选修课程仅仅停留在静态的课程设计层面。
3.选修模块功利有余而功效不足
《课标》要求“选修课与必修课的教学存在一定的差距”，“不能把选修课上成必修课的补习课和应考的辅导课，也不能照搬大学里的选修课”[1]。然而，当前大多高中语文选修课的实施状况却正应验了这种担心。这种情况主要表现在三个方面：一是将选修课上成必修课。教师在选修课教学时，照常按照惯性思维大肆训练学生的知识与技能、过程与方法，至于新课程要求的培养学生的审美能力、探究能力、增强学生的文化修养和关注历史与现实的意识等等或无从顾及或视而不见。二是将选修课上成高考专题辅导课。如开设“诗歌与散文”模块时，许多教师就选择古代诗歌、文言散文或诗词散文阅读专题训练；开设“小说与戏剧”甚至“文化论著研读”模块时，也是把相关的文章作为阅读专项训练的宝贵题材。三是简单照搬大学选修课教学模式，教师单纯从自身的知识储备和教学喜好出发决定教学内容，从而导致教学漫无计划，凌乱随意，效果甚微。
二、高中语文选修课程模块设计的优化思路
高中语文选修课程模块优化是指在高中语文课程标准的指导下，语文选修课程模块的限制性与灵活性之间的调控以及各选修模块之间最优化的组联方式。科学设计语文选修课程模块是一项系统且复杂的工程，涉及诸多要素。要有机整合各种要素，就要求学校在新课程理念的指导下，围绕学生的语文基础、语文兴趣、语文能力，在语文必修课的基础上进一步拓展和提高，凸现课程的选择性，实现学生全面而有个性的发展。要有效优化高中语文选修课程模块设计，可以从宏观、中观和微观三个课程结构入手。
1.宏观结构——探索“双轨并行+同步穿插”的选修模块实施模式
基于新课程理念而言，“走班制”应当是选修课程实施的最佳方式。然而，考虑到高中教育需要保障相对稳定而有序的教学秩序以及学校的教学设施、师资力量等软硬条件限制，高中选修课程实施要完全实现从传统的行政班授课制转到理想化的“走班制”，在当前多少是不可实现的。因此，实行“双轨并行”应当是高中选修课程实施的可行路径。所谓“双轨并行”是指把选修课程模块分为两轨，且两轨平行进行。其中，限定选修模块（即每个学生必选的课程模块）为一轨，任意选修模块（学生可真正自主选择的课程模块）为一轨。限定选修模块由学校统一组织安排，并在原有行政班基础上统一实施。而任意选修模块则由学生根据兴趣自主选择课程，并打乱E有行政班格局真正实行“走班教学”。学校可以每周确定一个固定时间，全部安排任意选修课程。这种开设组织形式一定程度上能够满足学生自主选课的需求，也缓解了大规模走班上课所引发的教学秩序混乱和教学设备不配套的矛盾。
在选修课程模块开设时间安排上，许多中学基本上是先上完必修课程后，再集中开设选修课程。这种安排的弊端在于必修课上得太匆忙而没落到实处，而选修课过于集中导致学生身心疲劳，学习效率低下。因此，选修课程的开设可以实行“同步穿插”的方式进行，即在时间上适当同步，在内容上必修与选修相互搭配，交叉安排，协调推进。具体而言，学校可以拉长选修模块的学习时间。在高中12个学段内（将以往的学期制改革为学段制，一学年分为4个学段，每个学段10周，其中9周学习，1周考试），第3～5学段开始设置趣味性的任意选修模块，第6～8学段集中开设限定选修模块，第9学段开设偏向文理升学方向和就业方向的选修模块。必修与选修同步穿插的课程实施模式，会给学生从学习内容到学习方式上带来新鲜感，有利于学生科学的学习方式养成，有利于提高学生全面的语文素养。
2.中观结构——构建“统一集中+自主选择”的选修模块组联模式
高中阶段，“语文选修课程是在必修课程基础上的拓展和提高”，必修课程是主要和核心，选修课程只能是“锦上添花”，这一性质决定了语文选修课是在约束性下的选择性修习。因此，在高中12个学段的划分范畴内，学校在第1～2学段可只开设必修课程，原因有二：一是高中第一学期学生大多来自不同学校和地区，语文基础参差不齐，语文习惯各不相同，有必要对语文常规、语文基础、学习习惯进行统一的教学；二是以行政班为单位的必修学习有利于班级凝聚力、团队意识的培养。第3～5学段可以开设趣味性的任意选修模块，原因有二：一是这一学段学生的语文基础还不够扎实，不能开设具有一定难度的、专题性的选修模块，以防挫伤学生语文学习积极性；二是趣味性的任意选修模块有益于培养和提高学生语文学习兴趣。第6～8学段集中开设限定选修模块，一是因为这一学段学生经过前面的学习，有了一定的语文基础，在必修的基础上进一步拓展和提升有了可能；二是必修任务大多已完成，有充裕时间集中选修，为学生的专业方向的发展和学生的个性特长发展奠定基础。最后，学校可在第9学段开设偏向文理升学方向和就业方向的选修模块，主要解决高三学生分流，满足不同学生的需求。以上选修课程模块组联模式，通过兴趣选修模块进入限定选修模块，再到专业提升和择业就业准备选修模块，模块切换频度适中，基本符合学生的身心发展，既注重学生的语文学习基础、学习兴趣，更注意关照学生未来发展的需要。
3.微观结构——施行“有机整合+遴选优化”的模块内容选择模式
“高中阶段的教育，仍然是基础教育，选修课程在整个高中课程结构中不应该占据主导地位，适当控制选修课所占的比例是非常必要的。”[3]可见，各个学校有必要根据自身实际情况对语文选修课程的内容进行整合和遴选。
关键词 TerraExplorerPro；SkyLine；三维建模；地理信息
中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）72-0207-02
0引言
随着地理信息向三维化的普及，城市三维景观模型在三维空间中对城市地形表面以及地表以上各种自然以及人工地物进行三维模拟表现，给人产生与在真实场景中相同的体验与感知。笔者结合在一个小区的三维建模试点的实践经验，讨论根据遥感影像数据以及DEM在TerraBuilder模块中建立地球三维模型后,对城市三维景观建模的一些技术和经验。
1软件简介
TerraExplorer Pro是SkyLine公司出品的能够基于地表的卫星影像、航空影像，创建高分辨率的三维虚拟地球场景，实现实时三维地形可视化功能，同时还能够在三维场景上创建和编辑二维文本、图片对象和三维模型对象，从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息。
2 三维建模流程
为了更好的实现三维模型的真实性，本次建模都选择在3DsMAX中实现并导出模型后添加到TerraExplorer Pro已经建好的三维场景当中，并在TerraExplorer Pro中实现对场景的布置以及优化。由于三维建模大多为整个三维模型系统服务，模型数据量的大小会影响整个系统的运行速度，繁冗而又过大的模型、过多的面、图片的数据量都会严重影响模型加载的速度。所以建模的中心思想即为简单和突出主题，在不缺失主体的情况下对模型以及场景进行综合取舍，舍去过多的折角。尽量通过图片的阴影效果来弥补模型的细节。
2.1准备工作
高分辨的卫星影像；城区试点区域内1：500地形图；外业实地拍摄照片。
2.2 实地采集图片方法
整体的处理是先拍远景和大的场景，然后需在两个面的交接处角度进行拍摄，这样做的目的是对在后期内业建模时对整体的建模思路和规划有所帮助，且使拍摄的照片有有序。局部拍摄要求建筑物的每个面都要求尽量正面拍摄，这样在后期处理照片时变形较小，然后对具有特点的部分进行特别的拍摄，如门窗、建筑物的特殊标志和图案等。拍摄完建筑物主体时，也需拍摄如花坛、大门、雕塑等需要在三维建模时拟合真实场景的地方，照片拍摄的越详细，角度越好，越能够还原真实的场景。最后光线也对拍摄有很重要的影响，拍摄时尽量选择明朗的天气，且在一片小区域内的拍摄时间相同，这样拍摄的照片不仅色彩较好，且一栋建筑每个面的色差也不大，后期易处理。
拍摄完成后需对图片处理，提取出模型每个面的贴图，图片宽度和高度的象素数都要设置成2的N次方，；为提高场景运算速度和模型的简化，例如一栋住宅楼高6层，每层有5个窗户，那么仅需处理一部分包括窗户图片，这样在后期的模型贴图中可以将一扇窗户做6乘5的排列。减少数据量，优化模型。
2.3 3DsMAX中的建模以及优化
为了使加载模型后的场景具有较快的浏览和运行速度，建议对每一栋建筑物分别建模，建模前将地形图导入3DsMAX作为底图使用，并依据地形图中的房屋绘制相应的矩形或者多边形。对于所建的模型进行优化时，在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形。如创建圆柱使Height Segment 和 Cap Segment的数值都是1，边数一般为10或12，如果是小细柱，则用4边即可。如果模型中有重复的部分，那么只创建重复部分的一个模型，然后在TerraExplorer Pro中进行复制。在建模过程中尽量不用布尔运算和切割等工具，减少面的数量和出错的可能性。使用布尔运算时两物体法线方向应一致，这样防止两物体有坏面。建模完成后确保模型的中心的坐标为（0，0，0）并且确保所有模型的底部在水平面之上。
建模时应该用实际大小建模，即导入场景中使模型的比例值为1。建模时数据的小数点前或后的位数不应太多，以提高运行速度。然后根据高度信息进行挤压建立模型，一般来说建筑物的高度都在3m左右，所以当无法知道建筑物的高度时可根据建筑物的层数来估算高度。主体模型完成后根据拍摄的建筑物照片制作贴图并依附于建立的三维模型。在建模时对一些不必要的模型可以进行精简，例如一段楼梯不需用一多个矩形建立，仅需建立一个面，将面贴图即可；一个广告牌也仅需建一个多边形，完成贴图；由于TerraExplorer Pro支持3DMAX模型中使用TAG格式的贴图来达到镂空的效果，一组栏杆也只需建立一个多边形，用镂空贴图完成。这些做法都会使得模型即与真实场景吻合，又减少了模型的数据量。
2.4模型贴图
由于三维城市建模的目的是展现一片区域的场景，建模的数量多，但对每一个模型的要求不是特别精细，所以不需对一个模型的纹理需要精细的处理，而纹理文件需要大量的显卡资源，且当单张贴图超过1MB时，导入的模型贴图很有可能出现拉花的现象，所以贴图大小最好不要超过1024象素，大多为256象素即可。为了便于修改模型，同一模型的贴图名称最好按照具体规定依次进行数字排列，且每个导出的模型及其图片都要放在一个单独的文件夹中。
3 TerraExplorer Pro中场景的制作与美化
TerraExplorer Pro中的MPT文件是根据遥感影像数据以及DEM在TerraBuilder模块中建立的地球三维模型，且根据显示比例的不同，加载的的影像数据分辨率逐级增加。我们可以在这个模型中找到我们需要建模的位置（见图1）。
加载三维模型数据的时候注意以下相关的各项参数信息：Altitude Method为设置是相对高程还是绝对高程，根据建模时需对高度做估算，一般选择相对高程；X、Y为3D模型的经纬度坐标，Yaw为模型的旋转角度，导入时选择0；Scale为导入比例尺，为1.0；Default Viewing Distance为三维模型可见以及可编辑距离，默认设置为500m，也就是说当相对高度在500m外此三维模型在场景中不可见，我们可以根据这个选项设置不同比例尺中显示模型的内容，做到分级显示，分级加载，提高加载速度。
由于仅仅加载三维模型不能做到对三维场景的突出和美化，所以我们需要根据真实场景来美化建筑物周边的三维场景，一般有城市绿地、道路、城市附属设施等的美化。由于TerraExplorer Pro支持二维贴图、透明贴图、GIF动画等，并且有很多种贴图模式，我们就利用这些功能美化三维场景。树木是实现城市三维建模生动化的一个必不可少的美化要素，选取带有树木的GIF图片来贴图，在贴图前处理好图片，使树木以外的地方透明，图片导入后需注意两点：1）参数中Lock Mode的方式一定要选择Decal保证树木一定按照Z轴旋转，这样无论从哪个方向观看都是树木垂直于地面；2）参数中的比例尺Scale的设置。由于每一棵树木都是独一无二的，所以靠近在一起的相同树木图片应根据大小来控制他们的不同；比较好的方法是不同类的数木可以穿插贴图，使得看上去更具有真实感。
除了树木，由于也可以支持GIF格式的动画贴图，这样就可以制作喷泉的水柱、飘动的红旗等使得三维场景更具有观赏性，且TerraExplorer Pro本身也附带动态模型的加载，也可以将汽车、飞机等模型加载其中，并设定动态模型的运动轨迹；设定轨迹参数需注意设定其速度、转弯速度、路径是否循环等，设定完成成之后，我们的动态模型就可以根据自己的需要来运行。
4结论
由于实现了对模型的优化以及相关设施场景的建设，提高了三维模型的加载和浏览速度，使得在三维场景在TerraExplorer Pro中浏览更加流畅和美观，这些都可以应用在城市、大型厂区、交通设施等规划建设的现场演示中，同时也对数字城市三维浏览服务起到重要作用。
参考文献
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关键词：ANSYS参数化语言 APDL 钢结构 优化设计
中图分类号：TU3 文献标识码：A
1.引言
结构优化设计理论已有近四十年的发展历史,目前在一些重要的结构(如飞机结构)上已经得到了应用,这也引起了土木和建筑工程界人士的广泛关注,寻求建筑结构优化设计的理论、方法一直在紧张有序的进行当中。由于传统的优化方法,例如准则法、数学规划法以及两者的结合(即所谓的混合法)等静态优化方法都是基于代数方程模型的;最优控制理论中的动态规划优化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而这些传统数学模型的描述能力和求解方法有相当的局限性,使得最优化理论和方法在实际应用中受到了很大的限制,存在着局部最优解、维数灾难、不确定性等问题,这些困难需要寻求新的优化设计方法,才能得到最终解决。
随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟,特别是计算机技术的广泛应用,基于ANSYS参数化设计语言APDL的结构优化设计越来越体现出它强大的生命力,这无疑给建筑结构的优化设计注入了新的活力。
ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件,其有限元分析过程主要包括:建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析3个步骤。对于某一有限元模型来说,当分析结果表明需要修改设计时,就必须修改有限元模型的几何尺寸或改变载荷状况,建立新的有限元模型,然后再重复以上分析过程。这种/设计)分析)修改设计)再分析)再修改0的过程,在有限元分析中存在着大量的重复性工作,将直接影响设计的效率。而运用ANSYS提供的参数化设计语言(APDL),通过结构设计参数的调整,则可以自动完成上述循环功能,进行优化设计,从而大大减少修改模型和重新分析所花的时间。
2.结构优化设计的基本理论
2.1结构优化设计概念
假定分析搜索最优设计一般被归纳为结构优化分析过程的流程。而这其中优化分析的核心部分为搜索过程。在包括满足各种给定条件的前提下，是否达到最优是结构优化设计最先对设计方案进行的判断。如果没能达到，但又为了使得预定的最优指标能逐步达到，就需要遵循某一设定的规则进行修改。而以数学规划为基础，进行数学模型建立，并对计算方法进行选择，使得工程结构设计问题转化为数学问题，然后在多种可行性设计中运用计算机选择出相对属于最优设计的方案，这也正是结构优化设计的主要任务。
2.2结构优化设计的数学模型
设计变量、目标函数和约束条件是结构优化设计的主要要素：。其数学模型的一般表达式为
求设计变量
使目标函数
满足约束条件
3.基于APDL的钢结构优化设计
3.1APDL语言简介和使用
APDL是指ANSYS 参数化设计语言，是使得某些功能或建模可以自动完成的脚本语言之一。它提供如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS 有限元数据库等一般程序语言的功能，同时其可以实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等，因此它也提供简单界面定制功能。为了扩展了传统有限元分析范围以外的能力，它可以根据指定的函数、变量设定程序的输入，同时选它使用户对任何设计和分析属性有控制权，也就是说其为了为用户提供了自动完成繁琐循环的功能而运用了建立智能分析的手段，从而为优化设计运行繁琐的迭代提供了可能和高效率，具体为参数、函数、分支与循环、重复、宏等功能。
3.2优化基本原理
优化方法采用复形法。复形法优化是一个运用较多且较为成熟的非线性数学规划方法，其基本思路来源于无约束优化算法的单纯形法。而无约束优化算法的单纯形法就是复合形法的基本思路的来源。
3.3优化设计流程
为了将有限元法与优化方法结合起来，可以采用基于APDL语言的ANSYS优化设计模块（OPT）来实现。基本流程图如图1所示。
图1ANSYS软件优化设计程序流程图
3.4APDL优化程序关键技术
首先建立钢框架结构参数化有限模型。参数是指APDL中的变量与数组。参数化模型的建立，便于模型的修改，也便于设置优化设计变量。
其次建立钢框架结构优化设计模型。下面是部分优化命令：
/POST1！进入后处理器
*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取结构体积，赋予参数V
……
/OPT！进入优化设计器
OPANL,1.LGW!指定分析文件
OPVAR,W1,DV,.1,.4!定义设计变量
OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02
OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02
……
OPVAR,MS1,SV,0,225750!定义状态变量
OPVAR,SS1,SV,0,125000
……
OPVAR,V,OBJ,,,.01!定义目标函数
OPKEEP,ON!要求保留最优设计序列时的数据库和结果文件
OPTYPE,SUBP!使用零阶方法
OPFRST,40!最大40次迭代
OPEXE!运行优化
4.优化设计实例分析
本文以单跨单层钢框架结构厂房为例，跨度为 12m，层高为4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型钢截面且翼缘采用焰切边，材质均为Q235 钢。为简便起见，取恒荷载为0.5kN/m2，活荷载为2.0kN/m2。通过APDL 优化程序，得出用钢量约为18.2kg/m2。优化前后的结果对比分析见表1。
表1 优化前后结果分析
5.结语
本文首先论述了进行钢框架结构优化研究的意义，介绍了优化算法（复形法）和ANSYS 中的APDL语言。并通过与实际工程相结合，并分别采用复形法和有限元软件ANSYS优化模块，同时以最低化用为优化的目的，使一平面钢结构的梁柱截面尺寸得到优化并进行相应的分析。通过理论分析与结果的分析比较，证实了该优化方法是可行的，不仅能明显降低工程造价，促进钢结构的普及和推广。而由设计实例可知，基于ANSYS 的二次开发语言APDL 语言建立的钢结构优化设计模块操作方便，优化程序可自定义优化过程和控制性变量，适应了不同的结构类型和荷载组合，具有很强的灵活性。本文的优化设计思想，可以推广到其它结构形式，可对其它类型结构优化起到借鉴作用。
参考文献：
[1] 王富强,芮执元,魏兴春.基于APDL语言的结构优化设计[J]. 科学技术与工程. 2006(21)
[2] 赵霞,邰英楼.基于ANSYS的结构设计优化[J]. 辽宁工程技术大学学报. 2006(S2)
[3] 陈珂,张茂.基于ANSYS的参数化设计与分析方法[J]. 机械工程师. 2007(01)
[4] 王学文,杨兆建,段雷.ANSYS优化设计若干问题探讨[J]. 塑性工程学报. 2007(06)
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