寿命周期成本优化

《寿命周期成本优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、考虑寿命周期成本的水工结构设计及维修计划优化专业：农业水土工程姓名：刘辉学号：20102100501水工结构优化的意义和研究现状1.1水工结构优化的目的和意义水工结构优化设计是相对于传统设计方法而言的。传统设计方法是设计者根据设计要求以及实践经验，参考类似的工程设计，确定结构方案，然后进行水力、结构等方面的计算。此种设计方法只是起到了一种校核及补充细节的作用，仅证实了原方案的可行性。虽然在设计过程中，设计者可通过不同方案的比较，对结构布局、材料选择、构件尺寸等进行修改，以便得到更为合理的方案。但是，往往由于时间的限制、

2、工作量过大等原因，方案比较这一环节受到很大的限制，有时甚至是不可能的。传统设计的特点是将所有参与计算的参数视为常量，即使通过几个方案的比较，这种设计仍只是“可行的”，而未必是“最优的”。尤其当设计者的经验不足或遇到新型结构时，这样的设计一般只能是“可行的”。而水工结构优化设计则是把计算原理和优化技术有机地结合，根据设计要求，将优化的参数视为变量，形成全部可能的结构设计方案域，然后利用一定的优化方法在方案域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。我国水工结构优化设计的研究和应用始于20世纪70年代末，近年来，随着

3、计算机应用技术的飞速发展和设计理论的不断成熟，水工结构优化已成为水工结构设计的发展趋势，许多工程采用优化设计节省了工程量、缩短了工期。我国学者先后对重力坝、空腹重力坝以及拱坝等进行了设计优化，并取得了较好的效果，建立的拱坝优化模型已应用于100多个工程。瑞洋拱坝是世界上第一座用优化方法设计的拱坝，节约投资30.6%；二滩水电站混凝土双曲拱坝经优化设计后节约混凝土约50万m3；广西龙滩碾压水电站混凝土重力坝经科技攻关与设计优化，不仅发电工期提前，而且节约坝体混凝土量35万m3、土石方开挖150多万m3，，节约人民币2亿元

4、以上。1.2水工结构设计优化研究存在的问题近年来，我国在水工结构设计优化领域取得了一定的成果，但同时仍然存在着一些不可忽视的问题。主要体现在基于规范的设计理论缺乏灵活性，与目前在国际工程界得到广泛认可的“性能设计”存在较大差距。另外，现有的水工结构风险分析及设计优化方法也有待于进一步改进和完善。(1)设计理论与方法水工结构优化设计实质上是在结构的安全性和经济性之间寻找最佳的设计方案。我国不同时期的水利水电工程规范均考虑了结构安全性的保证。早期的以经验为主的“安全系数法”是将影响结构安全度的不确定性因素化为定值计算，这种

5、方法不能准确反映结构的实际可靠度，并且不同结构的安全度没有可比性。目前正在推行的以结构可靠度理论为基础的概率极限状态设计法，可以较好地对设计中不定性因素进行量化分析。《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB5O199--1994)(以下简称:《水工统标》)中明确地提出了可靠度的概念，并且规定了不同等级的结构所需满足的可靠度及相应的失效概率。水工结构设计理论的过渡和改进使结构可靠度有了比较定量的描述，为保证水工建筑物安全运行、节约投资起到了积极的推动作用。但是即使是按照目前较先进的基于可靠度的设计规范，也只能够保证所

6、设计的结构满足可靠度要求，也即现行规范规定的结构安全准则是相对固定的，相同级别的结构其可靠度要求相同，而没有考虑到即使是相同级别的结构，失效成本的不同对结构可靠度的影响。假定设计两个同等级别的大坝，其中一个大坝的失效成本为10个亿，而另一个大坝的失效成本为50个亿，按照规范要求，两个坝采用相同的安全水平(失效概率)显然是不合理的。因此，以现行规范为基础的优化设计实质上是在保证结构安全水平的前提下初始成本最小化的设计，而没有考虑结构在整个寿命期内成本的优化。现行水工结构设计是基于规范的设计，也可以称为处方式设计，有关结构

7、尺寸、材料、分析方法等按照规范“照方抓药”即可。这种传统的设计理论与方法不仅没有考虑工程的特殊要求，而且由于过于重视结构造价的降低，从而忽视了结构在长期运行中的经济性和社会性。为了有效地避免传统设计理论的弊端，国际工程界在上世纪末提出了“基于性能的结构设计”的理论与方法。这种全新的设计方法是针对结构功能的极限状态进行不确定性设计，在满足多元化的结构功能(安全性、适用性、耐久性)要求下，以结构系统可靠度为决策变量，以结构寿命全过程为时间范围，以相应的寿命期内总的费用和损失之和最小为决策目标，实现设计功能在安全-费用上的最

8、佳平衡。性能设计是未来工程设计的发展方向，为使我国的水工结构设计与世界接轨，应该考虑将性能设计的理论与方法合理地引入到水利工程设计领域。因此，本文对基于寿命周期成本的水工结构设计理论与方法进行了初步研究。寿命周期成本分析是性能设计的重要组成部分，是现代优化设计由传统的初始成本效益有效性发展到了寿命周期成本有效性设计的基础。(2)结