CN112668247A - 一种施工便道厚度最优化设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种施工便道厚度最优化设计方法及系统，包括以下步骤S1获取拟建便道地基极限承载力、汽车载重、轮胎个数及便道结构层类型；S2核对便道结构层是否符合实际，进行底面应力计算，判断结构层厚度设计是否满足要求的验算；S3根据验算结果，核对是否满足要求，并使用标准粒子群算法进行结构层厚度最优化计算；S4修改粒子数及迭代次数，得到所选便道结构层设计情况下，每个结构层的最优设计厚度；S5对计算结果进行保存，重新录入相关信息或修改，继续进行下一项目的计算。本发明可验算便道设计是否合理以及便道结构层的最优化厚度，通过合理化设计便道厚度，在保证使用安全的前提下，最小化便道修筑成本。
Description
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种施工便道厚度最优化设计方法及系统。
背景技术
工程项目中施工便道作为连接材料、人员、机械等的运输通道，对项目的进度、成本以及质量起着至关重要的作用。然而在对施工便道厚度的设计，相关规范中并未给出具体的公式及计算过程。运输便道设计是设计工作不可缺少的内容之一,也是编制材料供应计划、计算运杂费和运输便道建设费、编制概预算的基础。
在工程建设过程中，施工便道主要承担设备材料运输、人员出行以及各种施工活动等功能，一方面方便了公路的施工，另一方面也给沿线群众的生产和生活带来了便利。尤其对于线性工程，施工便道的质量严重制约着项目的进度。因此，针对施工便道进行厚度最优化设计的研究对项目成本、质量、安全具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种施工便道厚度最优化设计方法及系统，目的是建立一个施工便道厚度最优化设计的计算理论模型，同时将模型通过程序实现自动化计算，以便工程项目快捷地对便道进行合理的设计。
本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明公开了一种施工便道厚度最优化设计方法，包括以下步骤：
S1获取拟建便道地基极限承载力、汽车载重、轮胎个数及便道结构层类型；
S2核对便道结构层是否符合实际，进行底面应力计算，判断结构层厚度设计是否满足要求的验算；
S3根据验算结果，核对是否满足要求，并使用标准粒子群算法进行结构层厚度最优化计算；
S4根据需要修改粒子数及迭代次数，得到所选便道结构层设计情况下，每个结构层的最优设计厚度；
S5对计算结果进行保存，重新录入相关信息或修改，继续进行下一项目的计算。
更进一步的，所述方法中，进行应力计算时，假设力在同一介质中的应力扩散角保持不变且在同一界面上应力分布是均匀的，且定义沿应力作用面宽度B方向的应力分布角为α，沿长度方向L方向的应力分布角为β；
则第n层结构层的作用面宽度Bn及长度Ln可表示为
式中，Bn、Ln为第n层结构底部应力作用面的宽度及长度；B0、L0为轮胎着地宽度及长度；hi、αi、βi为第i层结构的厚度、B方向及L方向的应力分布角；
第n层结构层的底面应力为
式中，σn为第n层结构底部应力；P为上部汽车轮载；δ为冲击系数，γi为第i层结构物的重度。
更进一步的，所述方法中，标准粒子群算法按下式计算
式中，i＝1,2,……,N为种群大小；w为惯性权重；
为粒子i在第t代的速度及位置方向向量；
gbestt为第t代的粒子i的个体最优及全体粒子的全局最优；c1、c2为个体认知权重及全体社会权重；r1、r2为两个均匀分布在[0,1]之间的随机D维矢量参数。
更进一步的，所述方法中，惯性权重采用非线性扰动的余弦变化，写为
式中，wmax＝7/6，wmin＝1/2。
更进一步的，所述方法中，个体认知权重及全体社会权重采用自适应加速的正弦函数，即
粒子越界问题：当粒子速度越界时，速度大小取最大值，方向取反；当粒子位置越界时，取其边界值。
第二方面，本发明公开一种施工便道厚度最优化设计系统，采用通用程序设计语言VB执行第一方面所述的施工便道厚度最优化设计方法，包括便道设计参数模块、方案优化计算模块和数据保存模块。
更进一步的，所述便道设计参数模块包含便道结构上部数据录入、便道填筑类型选择及相关参数带出和下部土层结构示意图、结果显示；
所述方案优化计算模块包含最优化方法参数录入及计算、数据保存按钮和下方的结果显示窗口。
更进一步的，所述便道设计参数模块，进行相关参数的录入均通过与之对应的文本框进行输入或修改，且只能输入数值，便道结构层的选择，通过点击拾取，程序提供填料类型包括混凝土、沥青、水稳碎石、砖渣及钢渣。
更进一步的，所述方案优化计算模块采用粒子群算法进行计算，其中粒子数和迭代次数可手动修改，且只能输入正整数。
更进一步的，所述数据保存模块，默认保存为TXT文本格式，文件名为“结果-”和当前的日期的组合，保存路径为程序所在的文件目录，文件结果中包括计算时间和计算细节过程结果，不同计算项目预保存到同一文件中，通过“方案保存”更改文件名为同一文件名，并自动叠加保存计算结果。
本发明的有益效果为：
本发明建立一个施工便道厚度最优化设计的计算理论模型，同时将模型通过程序实现自动化计算，以便工程项目快捷地对便道进行合理的设计。通过合理化设计便道厚度，在保证使用安全的前提下，最小化便道修筑成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例分布应力简化计算模型图；
图2是本发明实施例图便道设计主界面图；
图3是本发明实施例填料类型的选择图；
图4是本发明实施例便道结构层厚度的修改图；
图5是本发明实施例填料类型核对图；
图6是本发明实施例填料类型修改图；
图7是本发明实施例填料类型清除图；
图8是本发明实施例验算结果图；
图9是本发明实施例砂种类选择图；
图10是本发明实施例计算进度显示图；
图11是本发明实施例计算结果图；
图12是本发明实施例结果文件内容图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开一种施工便道厚度最优化设计方法，包括以下步骤：
S1获取拟建便道地基极限承载力、汽车载重、轮胎个数及便道结构层类型；
S2核对便道结构层是否符合实际，进行底面应力计算，判断结构层厚度设计是否满足要求的验算；
S3根据验算结果，核对是否满足要求，并使用标准粒子群算法进行结构层厚度最优化计算；
S4根据需要修改粒子数及迭代次数，得到所选便道结构层设计情况下，每个结构层的最优设计厚度；
S5对计算结果进行保存，重新录入相关信息或修改，继续进行下一项目的计算。
本实施例通过合理化设计便道厚度，在保证使用安全的前提下，最小化便道修筑成本。对工程项目具有重要意义，可运用于工程实践领域。
实施例2
本实施例公开一种施工便道厚度最优化设计系统，采用通用程序设计语言VB执行施工便道厚度最优化设计方法，包括便道设计参数模块、方案优化计算模块和数据保存模块。
本实施例的便道设计参数模块包含便道结构上部数据录入、便道填筑类型选择及相关参数带出和下部土层结构示意图、结果显示；
所述方案优化计算模块包含最优化方法参数录入及计算、数据保存按钮和下方的结果显示窗口。
本实施例的便道设计参数模块，进行相关参数的录入均通过与之对应的文本框进行输入或修改，且只能输入数值，便道结构层的选择，通过点击拾取，程序提供填料类型包括混凝土、沥青、水稳碎石、砖渣及钢渣。
本实施例的方案优化计算模块采用粒子群算法进行计算，其中粒子数和迭代次数可手动修改，且只能输入正整数。
本实施例的数据保存模块，默认保存为TXT文本格式，文件名为“结果-”和当前的日期的组合，保存路径为程序所在的文件目录，文件结果中包括计算时间和计算细节过程结果，不同计算项目预保存到同一文件中，通过“方案保存”更改文件名为同一文件名，并自动叠加保存计算结果。
实施例3
本实施例公开计算模型的建立，对不同位置应力计算，假设力在同一介质中的应力扩散角保持不变且在同一界面上应力分布是均匀的，那么施工便道第i层结构应力分布简化计算模型见图1。且定义沿应力作用面宽度B方向的应力分布角为α，沿长度方向L方向的应力分布角为β。
由图1可知，第n层结构层的作用面宽度Bn及长度Ln可表示为
式中，Bn、Ln为第n层结构底部应力作用面的宽度及长度(m)；B0、L0为轮胎着地宽度及长度(m)，一般取0.2和0.6(公路工程技术标准表7.0.4)；hi、αi、βi为第i层结构的厚度(m)、B方向及L方向的应力分布角(°)。
第n层结构层的底面应力为
式中，σn为第n层结构底部应力(kPa)；P为上部汽车轮载(kN)；δ为冲击系数，一般取0.3(公路路基设计规范3.9节)；γi为第i层结构物的重度(kN/m3)。
本实施例混凝土路面及沥青路面的荷载应力分布角取45°和40°。根据材料强度及工程试算，水泥稳定碎石及砖渣分布角可取42°和30°。
(2)结构层厚度最优化计算
标准粒子群算法(PSO-S)按下式计算
式中，i＝1,2,……,N(种群大小)；w为惯性权重；
为粒子i在第t代的速度及位置方向向量；
gbestt为第t代的粒子i的个体最优及全体粒子的全局最优；c1、c2为个体认知权重及全体社会权重；r1、r2为两个均匀分布在[0,1]之间的随机D维矢量参数。
惯性权重采用非线性扰动的余弦变化，这有利于提高种群的多样性，可写为
式中，wmax＝7/6，wmin＝1/2。
本实施例中个体认知权重及全体社会权重可采用自适应加速的正弦函数，即
粒子越界问题：当粒子速度越界时，速度大小取最大值，方向取反；当粒子位置越界时，本实施例取其边界值。
实施例4
本实施例简化模型的程序化实现，采用通用程序设计语言VB对上述简化模型进行计算。程序包括“便道设计参数”及“方案优化计算”2个模块。“便道设计参数”模块包含便道结构上部数据录入、便道填筑类型选择及相关参数带出，和下部土层结构示意图、结果显示。“方案优化计算”模块包含最优化方法参数录入及计算、数据保存按钮，和下方的结果显示窗口。图便道设计主界面如图2所示。
一般操作流程为：
a.根据项目实际情况，录入拟建便道地基极限承载力(kPa)、汽车载重(kN)、轮胎个数；
b.选择便道结构层类型：通过鼠标依次选取最顶层至最底层的道的结构类型，并核对重度(kN/m3)、分布角(°)、厚度(m)以及造价(元/m2)是否正确，若错误进行手动修改；
c.根据“土层示意图”核对便道结构层是否符合实际；
d.点击“底面应力计算”按钮，进行结构层厚度设计是否满足要求的验算；
d.根据验算结果，核对是否满足要求；
e.点击“方案优化计算”按钮，打开方案优化界面，根据需要修改粒子数及迭代次数；
f.点击“优化计算”按钮，计算所选便道结构层设计情况下，每个结构层的最优设计厚度；
g.点击“方案保存”按钮，对计算结果进行保存；
h.重新录入相关信息或修改，进行下一项目的计算。
(1)便道设计参数
相关参数的录入均通过与之对应的文本框进行输入或修改，且只能输入数值。便道结构层的选择，通过点击拾取，程序默认提供了5种填料类型：混凝土、沥青、水稳碎石、砖渣及钢渣。鼠标单击选择后，会默认给出相对应的重度(kN/m3)、分布角(°)、厚度(m)以及造价(元/m2)，见图3。
若对应数据有错误，可鼠标单击该项内容，手动进行修改。根据便道设计要求，修改结构层的厚度，见图4。
同时在“土层示意图”界面核对填料类型是否选择正确，见图5。
若数据有误，可通过界面右端的“删除层”按钮删除错误层，或通过填料类型下拉菜单重新选择类型，见图6。
点击“清除”，将清空表格内的所有数据，适应于错误数据较多，或需进行新项目计算时使用，见图7。
核对无误后，点击“底面应力计算”按钮进行验算。程序会自动验算便道结构层设计的是否合理，并给出结论，见图8。
当不满足设计要求时，可对结构层厚度进行手动修改，以达到满足要求，或通过“方案优化计算”自动计算最优厚度。
(2)方案优化计算
本程序方案优化计算采用粒子群算法进行计算，其中粒子数和迭代次数可手动修改，且只能输入正整数。建议采用程序默认数值，见图9。也可调整，以便达到最优的效果。
参数设置好后，点击“优化计算”按钮进行计算，且滚动条会根据计算量实时变动，见图10。
计算结束后，最优的4个计算方案会显示到下部显示窗口，通过鼠标滚动条可查看结果，见图11。一般情况下，建议多点击几次优化计算。计算结果中，方案1是最优的结果，其余3个方案优化效果依次递减。
(3)数据保存
点击“方案保存”按钮后可对计算结果进行保存。默认保存为TXT文本格式，文件名为“结果-”和当前的日期的组合，保存路径为程序所在的文件目录。文件结果中给了计算时间和计算细节过程结果。文件结果中给了计算时间和计算细节过程结果。见图12。存储文件中给出了计算时间，各步骤具体计算过程。不同计算项目预保存到同一文件中，可通过“方案保存”更改文件名为同一文件名，会自动叠加保存计算结果。
综上，本发明可方便的验算便道设计是否合理以及便道结构层的最优化厚度。通过合理化设计便道厚度，在保证使用安全的前提下，最小化便道修筑成本。该发明对工程项目具有重要意义，可运用于工程实践领域。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种施工便道厚度最优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1获取拟建便道地基极限承载力、汽车载重、轮胎个数及便道结构层类型；
S2核对便道结构层是否符合实际，进行底面应力计算，判断结构层厚度设计是否满足要求的验算；
S3根据验算结果，核对是否满足要求，并使用标准粒子群算法进行结构层厚度最优化计算；
S4根据需要修改粒子数及迭代次数，得到所选便道结构层设计情况下，每个结构层的最优设计厚度；
S5对计算结果进行保存，重新录入相关信息或修改，继续进行下一项目的计算。
2.根据权利要求1所述的施工便道厚度最优化设计方法，其特征在于，所述方法中，进行应力计算时，假设力在同一介质中的应力扩散角保持不变且在同一界面上应力分布是均匀的，且定义沿应力作用面宽度B方向的应力分布角为α，沿长度方向L方向的应力分布角为β；
则第n层结构层的作用面宽度Bn及长度Ln可表示为
式中，Bn、Ln为第n层结构底部应力作用面的宽度及长度；B0、L0为轮胎着地宽度及长度；hi、αi、βi为第i层结构的厚度、B方向及L方向的应力分布角；
第n层结构层的底面应力为
式中，σn为第n层结构底部应力；P为上部汽车轮载；δ为冲击系数，γi为第i层结构物的重度。
3.根据权利要求1所述的施工便道厚度最优化设计方法，其特征在于，所述方法中，标准粒子群算法按下式计算
式中，i＝1,2,……,N为种群大小；w为惯性权重；vi t、xi t为粒子i在第t代的速度及位置方向向量；pbesti t、gbestt为第t代的粒子i的个体最优及全体粒子的全局最优；c1、c2为个体认知权重及全体社会权重；r1、r2为两个均匀分布在[0,1]之间的随机D维矢量参数。
4.根据权利要求3所述的施工便道厚度最优化设计方法，其特征在于，所述方法中，惯性权重采用非线性扰动的余弦变化，写为
式中，wmax＝7/6，wmin＝1/2。
5.根据权利要求3所述的施工便道厚度最优化设计方法，其特征在于，所述方法中，个体认知权重及全体社会权重采用自适应加速的正弦函数，即
粒子越界问题：当粒子速度越界时，速度大小取最大值，方向取反；当粒子位置越界时，取其边界值。
6.一种施工便道厚度最优化设计系统，采用通用程序设计语言VB执行如权利要求1-5任一项所述的施工便道厚度最优化设计方法，包括便道设计参数模块、方案优化计算模块和数据保存模块。
7.根据权利要求6所述的施工便道厚度最优化设计系统，其特征在于，所述便道设计参数模块包含便道结构上部数据录入、便道填筑类型选择及相关参数带出和下部土层结构示意图、结果显示；
所述方案优化计算模块包含最优化方法参数录入及计算、数据保存按钮和下方的结果显示窗口。
8.根据权利要求6所述的施工便道厚度最优化设计系统，其特征在于，所述便道设计参数模块，进行相关参数的录入均通过与之对应的文本框进行输入或修改，且只能输入数值，便道结构层的选择，通过点击拾取，程序提供填料类型包括混凝土、沥青、水稳碎石、砖渣及钢渣。
9.根据权利要求6所述的施工便道厚度最优化设计系统，其特征在于，所述方案优化计算模块采用粒子群算法进行计算，其中粒子数和迭代次数可手动修改，且只能输入正整数。
10.根据权利要求6所述的施工便道厚度最优化设计系统，其特征在于，所述数据保存模块，默认保存为TXT文本格式，文件名为“结果-”和当前的日期的组合，保存路径为程序所在的文件目录，文件结果中包括计算时间和计算细节过程结果，不同计算项目预保存到同一文件中，通过“方案保存”更改文件名为同一文件名，并自动叠加保存计算结果。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN112668247B (zh) | 2023-12-26 |
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