В
проектировании объектов строительства значительный объем составляют работы по проектированию фундаментов, особенно в сложных инженерно-геологических условиях.

Внедрение компьютерных технологий в этой области осуществляется, главным образом путем автоматизации выполнения трудоемких расчетных операций и их объединения в пакеты прикладных программ. Другое направление развития компьютерного проектирования фундаментов и оснований, связанно с оптимизацией разрабатываемых решений, в основе которого лежит вариантное проектирование. При этом оцениваются промежуточные решения с целью получения лучшего типа фундамента из числа имеющихся в заданном n-мерном пространстве. Применение компьютерной техники позволяет не только перебрать возможные варианты, но и сокращает множество исходных вариантов, т.е. исключает из неформального анализа те варианты, которые будут заведомо плохи по каждому из признаков (критериям).

Множество неулучшаемых формальными методами вариантов формируется в программном модуле «Optimum», разработанном автором, по принципу Парето. Принцип Парето не выделяет единственного решения, он только сужает множество альтернатив. Окончательный выбор остается за специалистами, принимающими решение, здесь должен проявиться их опыт, интуиция, умение предвидеть различные последствия принимаемого решения.

В течении ряда лет коллективом сотрудников кафедры САПР ОСФ под руководством проф. Ю.Н. Мурзенко разрабатывается программный комплекс автоматизированного проектирования оптимальных фундаментов на естественном основании «АПОФЕОС». В нем достигнута значительная определенность в использовании метода многопараметрического синтеза вариантов. В ПК «АПОФЕОС» реализованы принципы многоступенчатой оптимизации решения задач вариантного проектирования. Модули программного комплекса позволяют осуществлять четырехуровневую оптимизацию:

1-й уровень — анализ и оптимизация исходных данных, выбор критериев и ограничений;

2-й уровень — структурная оптимизация, выбор лучшего типа фундамента (ЛТФ);

3-й уровень — оптимизация параметров ЛТФ по многоцелевым функциям (ограничения осадки, несущей способности, минимизация затрат рабочего времени и приведенной стоимости и т.д.);

4-й уровень — окончательная разработка ЛТФ с использованием программ, реализующих в расчетах современные модели основания.

На первом этапе осуществляется анализ исходных данных по инженерной геологии площадки и особенностям объекта.

На втором этапе структурная оптимизация реализована способом, который заключается в проведении экспресс — расчетов, отобранных пользователем типов фундаментов и выбора из них наилучшего.

Третий этап – параметрическая оптимизация реализована в программном модуле «Optimum», для выбранного на втором уровне столбчатого типа фундамента.

Для выбора окончательного проектного решения столбчатого фундамента на 4-м уровне оптимизации выбранный на предыдущих этапах фундамент рассчитывается с применением кинематического метода предельного равновесия, метода конечных элементов Structure CAD и других программных комплексов, реализующих современные моделей упруго-пластического основания. На этом уровне проводится окончательная оптимизация проектного решения фундамента.

При многокритериальной оптимизации в вариантном проектировании, задача изучения и построения множества вариантов, неулучшаемых формальными методами (множества Парето), является сложной. В машиностроении группой академика И.И. Артоболевского (В.И. Сергеев, Н.М. Соболь, Р.Б. Статников и др.) разработан метод систематического просмотра многомерных областей в котором в качестве пробных точек в пространстве параметров используются точки равномерно распределенных областей. Профессор В.П. Дыба предложил использовать данный метод в многовариантном проектировании фундаментов.

Данная методика реализована автором для многопараметрической оптимизации при проектирования столбчатых фундаментов в программном модуле «Optimum» (3-й уровень оптимизации) программного комплекса «АПОФЕОС». Схематично процесс многокритериальной оптимизации представлен на рис. 1.

Многокритериальная оптимизация параметров столбчатых фундаментов

Рис. 1. Схема многокритериальной оптимизации столбчатых фундаментов.

Анализируя инженерно-геологические данные по створу фундамента и основываясь на своих знаниях и опыте, проектировщик может либо самостоятельно принять конкретный тип фундамента, либо обратиться к экспертной системе.

На третьем уровне оптимизации оптимизируются параметры принятого типа фундамента по нескольким критериям. Для столбчатых фундаментов нами предлагается оптимизировать следующие параметры xi (i=1..4): глубина заложения фундамента – df ; ширина подошвы фундамента – b; длина подошвы фундамента – l; толщина плитной части – hf. Проектировщик задает интервал варьирования каждого параметра исходя из имеющейся геологии, конструктивных особенностей здания и здравого смысла.

Программный модуль «Optimum» генерирует заданное количество вариантов фундаментов с использованием ЛПτ — последовательности для заданных границ параметров. Число параметров i может быть разным для разных типов фундаментов.

Оптимальный столбчатый фундамент в программном модуле «Optimum» выбирается по следующим критериям Фj(xi) (j=1..2) :

1) относительная осадка S(xi)/Su , определяемая как отношение осадки фундамента вычисляемой по методу послойного суммирования, к предельно допустимой осадке;

2) стоимость C(xi), руб.

Следует отметить, что число критериев – j может быть увеличено или уменьшено, для чего необходимо добавить или убрать программные блоки, входящие в программный комплекс, в которых вычисляются критерии.

После расчета критериев Фj(xi) для всех сгенерированных вариантов фундаментов проектировщик просматривает поле полученных решений в усеченной, с учетом ограничений на введенные критерии, «таблице испытаний» (табл. 1). В результате анализа пользователь принимает решение о выборе оптимального варианта и переходит на следующий этап оптимизации или возвращается к корректировке исходных данных. Итерационный процесс позволяет повторить ввод новых более узких интервалов для параметров или ввести новые ограничения на критерии. Менее жесткие ограничения на критерии, как правило,  задают в том случае, если не получен ни один удовлетворительный вариант.

Таблица 1. Значения критериев для допустимых вариантов ленточных фундаментов

 Номер варианта Критерий по осадке S/Su Критерий по стоимости, руб

Если было получено слишком большое количество вариантов, неудобное для анализа и не представляющее собой множество Парето, пользователю необходимо ужесточать ограничения на критерии до тех пор, пока не будет получено множество вариантов, не улучшаемое формальными методами (множество Парето). Для удобства пользователя результаты расчета выводятся программным модулем в виде таблицы 2.

Таблица 2. Значения параметров для допустимых вариантов ленточных фундаментов

 Номер варианта Ширина подошвы фундамента, м Длина подошвы фундамента, м Глубина заложения фундамента, м Высота плитной части, м

Анализируя полученную информацию и используя свои знания, интуицию и опыт пользователь окончательно выбирает наиболее приемлемый вариант.