光伏支架结构设计优化方法与流程

1.本发明涉及光伏支架结构设计技术领域，具体涉及一种光伏支架结构设计优化方法。


背景技术：

2.近年来，新能源技术被应用得越来越广泛，其中，光伏产业作为新能源产业的重要组成部分，发展势头向好。而在光伏发电工程中，光伏支架结构设计是光伏发电站设计的重点内容。而在光伏支架设计中，如何实现光伏支架在满足强度、刚度和稳定性等条件下尽量的节省钢材是目前光伏支架设计中面临的关键问题之一。光伏支架结构作为光伏发电站的重要组成部分，如果存在不合理的钢结构设计，光伏支架成本将直线上升，不利于光伏发电站的建设和发展。
3.在现有的光伏结构的设计中，常采用sap2000、midasgen、staad pro等结构分析与设计软件对光伏支架进行设计及运算分析。但是这些软件在实际应用中，虽然一定程度上提升了工程师们的结构设计及分析效率，但仍存在许多缺陷。例如，上述软件无法准确识别光伏结构，使得受力分析出错，需要工程师们再次逐一核算光伏结构中各个组件的受力情况；并且由于软件对于光伏结构识别不准确，在对光伏结构的截面赋予截面属性时，截面属性也易赋予错误，需要人为介入调整，而若是未及时调整，则会直接性地导致建模不准确。
4.而还有的3d3s软件，该3d3s钢与空间结构设计系统包括轻型门式刚架、多高层建筑结构塔架结构及幕墙结构的设计与绘图，均可直接生成word文档计算书和autocad设计及施工图，它相比于上述软件，能够相对准确地识别出光伏结构，并还可输出对应计算书，但是其输出的计算书仅输出最终的结构核验结构，缺乏各结构各点位的具体参数内容，用户无法查看到关键参数的设置，生成的计算书不够详细。并且，由于3d3s依赖于autocad，结构校核需要借助第三方软件autocad来完成，并且在后期结构构件校核计算及计算书整理时都需要人工输入和计算，这很容易出现人为错误，使得光伏支架系统的计算结果与实际可能不符，给实际工程中光伏支架系统的设计和制造带来不必要的麻烦。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种光伏支架结构设计优化方法，能够标准化、程序化地进行光伏支架结构设计，达到提升光伏支架结构设计规范度、提升对光伏支架结构进行自动校验的可靠度以及降低光伏支架结构成本的效果。
6.本发明提供的基础方案为：光伏支架结构设计优化方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在自建模系统中，输入待构建光伏支架结构的几何参数及截面参数；
8.步骤2：自建模系统按照选型策略选取截面型号；
9.步骤3：自建模系统通过3d3s自动建模得到光伏支架结构；
10.步骤4：按预设标准校核策略校核光伏支架结构；所述预设标准校核策略依据《冷弯薄壁型钢结构设计规范》设置。
11.本发明的工作原理及优点在于：输入光伏支架结构相关的参数后，通过自建模系统进行自动建模，不再依靠人力进行，能够系统化地程序化地进行光伏支架结构的建模，有效提升光伏支架结构设计效率。并且，若是后续经过校核分析发现该光伏支架结构强度、刚度或者稳定性不满足相关规范要求，需要及重新修改结构形式或者截面形式时，本方案通过修改输入的尺寸参数和截面参数即可由自建模系统快速完成新的结构模型的构建，相比于现有方案中，采用如sap2000系统进行建模分析的方案，此类方案需要反复进行图形绘制、参数化、分析计算、再参数化的循环计算，工作量非常大，循环式的结构修正也会耗费工程师的大量精力，结构设计效率较低。而本方案则采用自建模系统替代了工程师的重复操作，将光伏支架结构设计标准化、程序化，大幅提升了设计及修正效率。
12.并且，本方案可按照一定的选型策略进行截面型号选择，相比于现有软件中单纯地按照规范校验结果选择截面型号的选型方式，本方案中选型时综合考量的维度更为多样，选型结果更为优良，有助于优化光伏支架结构。
13.更重要的是，本方案在校核光伏支架结构时，按预设标准校核策略进行，且预设标准校核策略依据《冷弯薄壁型钢结构设计规范》设置。本方案发现，在实际应用中，光伏支架结构大量采用了薄壁型冷弯结构，该类结构质量轻巧，钢材屈服点较高，具备冷弯效应，功能多样，且相比于其他钢结构更为环保节能，故而光伏支架结构中大量采用了该结构。具体地，在光伏支架结构中有75％的钢材都是冷弯薄壁型钢结构。
14.而常规系统中，如sap2000等软件中却没有冷弯薄壁钢结构的截面库，它们为保证系统具备较高的普适性，采用了《钢结构设计规范》作为截面库依据，能够与多种钢结构适配，但是却无法适用于采用薄壁型冷弯结构的光伏支架结构，而且它们也没有发现现今光伏支架结构核验存在钢结构核验规范不匹配的问题，虽然也可强行采用《钢结构设计规范》进行一定程度上的光伏支架结构计算，但是，因为普通钢结构和冷弯薄壁型钢结构存在本质上的结构区别，在进行结构核算的时候，计算公式及计算方法也都会存在较大区别，以不匹配的公式及方法对光伏支架结构进行核算，无论核算结果表现如何，都是错误的核算，无法有效校验光伏支架结构实际的设计规范性及标准性。
15.而本方案则首先明确了与现有光伏支架结构的实际结构设计对应的校验需求，即对75％冷弯薄壁钢结构占比的光伏支架结构进行校验的实际需求，对应采用适配的《冷弯薄壁型钢结构设计规范》标准来进行验算，可保证光伏支架结构校核符合正确的规范，保证支架结构可靠，且可有效避免错误的结构设计、不合适的结构设计浪费钢材料成本，校验可靠度较高。
16.进一步，还包括步骤5：输出校核计算书。
17.将具体的结构校核及解析流程等以校核计算书的形式输出，便于查看及后续核对。
18.进一步，所述校核计算书包括：光伏支架结构在承载力极限状态下每一梁、柱、檩条、斜撑在数种工况下的强度应力和稳定应力；薄壁冷弯结构的加劲板部分以及加劲板件的有效宽厚比和有效净截面模量；光伏支架结构在正常使用极限状态下每一梁、柱、檩条、斜撑于数种工况下的变形量。
19.这样设置，生成的校核计算书内容丰富且完善，并且，相比于现有的如3d3s、sap2000等软件系统生成的常规计算书，常规计算书中往往不包含如有效宽厚比、高厚比、
强度、稳定计算等详细数据，而仅仅展示各节点各单元的最终计算生成的载荷信息、约束条件等，计算过程中涉及的一些关键参数设置不可见，细致度不高，计算结果常与手算结果有一定差异，不便于验证校准计算内容。而本方案生成的校核计算书则包含了上述关键参数内容，细致度较高，便于细致性地再次核验校准计算内容，更便于把控结构设置情况。
20.进一步，所述几何参数包括：水平投影长、斜撑最低点高度、主梁最低点高度、主梁倾角、前斜撑一号倾角、前斜撑二号倾角、立柱榀数和檩条悬挑尺寸；所述截面参数包括材料号、材料类型和截面大小。
21.几何参数和截面参数中包含了建模需要的多类数据，能够为自动建模提供充足的依据。
22.进一步，所述选型策略为基于python语言根据预设选型库将梁、柱、檩条、斜撑作为4个种群；自动繁衍组合各个种群，得到种群族；筛选种群族，并从中得到优化组合。
23.这样设置，将光伏支架结构中的各组成部分划分为不同的种群，通过种群与种群的组合繁衍得到丰富的种群组合，涵盖的选型组合类别多样，选型的参考项较多，选型较为可靠。
24.进一步，所述优化组合为达到强度、刚度及稳定性结构标准及最低钢材使用量标准的组合。
25.这样设置，选型的参考项不仅仅是结构标准，还包括了钢材使用量标准，相比于现有的3d3s等软件系统，现有的软件系统虽然提供了在现有截面库中进行截面优选的功能，但是其在截面选择时主要依据的判定因素是结构构件的内力分析及验算结果，即结构标准方面的内容，而没有将经济性纳入考量，然而在实际应用中，经济性因素也是结构设计的关键项之一，是需要考量的重要因素。本方案则以钢材使用量标准作为考量经济性的标准，在建模过程中即由自建模系统判定出最为经济的截面型号，在结构搭建中即完成了选型优化，保证结构合格的同时，达到最优的经济性效果，优化操作简单且有效。
26.进一步，所述预设选型库包括：tensorflow、scikit-learn及pytorch。
27.其中，tensorflow是一个采用数据流图，用于数值计算的深度学习库，它支持异构设备分布式计算，能够在各个平台上自动运行模型。本方案中借由tensorflow可实现快速训练模型、快速编译代码等功能。
28.scikit-learn是一个开源的基于python的科学计算工具包，它内部实现了各种各样成熟的算法，容易安装和使用，样例丰富，内部算法的实现较为高效。
29.pytorch是torch的python版本，是由facebook开源的神经网络框架，其架构简洁，运作灵活度及速率较高，接口设计灵活多样。
30.本方案中综合采用上述三类预设选型库，配合以现有截面库，可以利用多样化的算法模型实现高效的种群构建、划分及组合。
31.进一步，在步骤3中，自建模系统建模时，包括以下子步骤：
32.子步骤1：将几何参数及截面参数转换为点位参数；所述点位参数包括坐标参数和材料参数；
33.子步骤2：将点位参数转换为标准点位参数；所述标准点位参数与3d3s的excel接口要求相匹配；
34.子步骤3：由excel接口导入标准点位参数，由3d3s执行自动建模。
35.这样设置，一次性地将建模需要的点、线、角度等，依据几何参数和截面参数转换得到，也即是点位参数，建模需要的各个点位坐标全部自动转换生成，再经转换后变为3d3s的excel接口可识别的参数，再由3d3s自动完成建模。
36.本方案中不需要再依次计算各个节点数据，各点位由自建模系统自动生成，不存在未知点，连线在已知点与已知点之间进行，能够保证各线条的起止向正确，进而保证截面、建模绘制正确。并且，由于所有需要的点位均已生成，3d3s根据点位自动完成建模，不需要人工计算点位，也不需要操作移动线条，有效避免线条错位情况的同时，极大节省了人力成本，提升了建模效率。
37.进一步，在子步骤1中，将几何参数及截面参数转换为点位参数时，调用自建模系统中的预设算法进行转换。
38.这样设置，由预设算法完成对几何参数等的转换，转换高效且准确。
附图说明
39.图1为本发明光伏支架结构设计优化方法实施例的流程示意图；
40.图2为本发明光伏支架结构设计优化方法实施例的参数输入示意图。
具体实施方式
41.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
42.实施例基本如附图1所示：光伏支架结构设计优化方法，包括以下步骤：
43.步骤1：在自建模系统中，输入待构建光伏支架结构的几何参数及截面参数。
44.如附图2所示，所述几何参数包括：水平投影长、斜撑最低点高度h1、主梁最低点高度h2、主梁倾角(对应附图2中的角度1)、前斜撑一号倾角(对应附图2中的角度2)、前斜撑二号倾角(对应附图2中的角度3)、立柱榀数和檩条悬挑尺寸；所述截面参数包括材料号、材料类型和截面大小。标准的光伏支架结构需包含多榀立柱、主梁、斜撑和檩条，以搭建成完整的光伏支架组件；本方案这样设置，几何参数和截面参数项目囊括了光伏支架结构的重要结构参数，能够为后续建模建立可靠基础。
45.步骤2：自建模系统按照选型策略选取截面型号。
46.所述选型策略为基于python语言根据预设选型库将梁、柱、檩条、斜撑作为4个种群；自动繁衍组合各个种群，得到种群族；筛选种群族，并从中得到优化组合。所述优化组合为达到强度、刚度及稳定性结构标准及最低钢材使用量标准的组合。所述预设选型库包括：tensorflow、scikit-learn及pytorch。本实施例中，所述“自动繁衍组合各个种群，得到种群族；筛选种群族，并从中得到优化组合”步骤，由现有的遗传算法执行。遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索自适应搜索全局最优解的启发式算法，能够较快地从复杂的组合中获得较好的优化结果。应用该算法，有助于自建模系统快速完成选型，有效提升选型效率。
47.步骤3：自建模系统通过3d3s自动建模得到光伏支架结构。
48.本实施例中，3d3s具体指目前常用的3d3s钢结构设计软件，是基于杆系和膜板壳单元的三维结构有效元分析软件，本实施例执行时调用3d3s部分功能。
49.具体地，自建模系统建模时，包括以下子步骤：
50.子步骤1：将几何参数及截面参数转换为点位参数；所述点位参数包括坐标参数和材料参数；将几何参数及截面参数转换为点位参数时，调用自建模系统中的预设算法进行转换，本实施例中，所述预设算法为转换算法，所述转换算法运作时，首先根据几何参数和截面参数，计算得出光伏支架结构中的单立柱的每一个点的坐标，然后通过榀数和榀间距生成每一榀立柱的点的坐标，然后通过檩条悬挑尺寸生成檩条悬挑的点，最后通过斜撑最低点高度、前斜撑一号倾角、前斜撑二号倾角等生成斜撑的点的坐标。
51.具体地，所述坐标参数指几何参数及截面参数对应可形成的光伏支架结构的每一点，在3d3s坐标系中对应的几何坐标，例如(x,y)、(x,y,z)等几何坐标。所述材料参数指几何参数及截面参数对应可形成的光伏支架结构的每一点的应力参数(包括强度应力和稳定应力等)、材料号、材料类型、截面大小等。这样设置，转换得到的坐标参数为显性信息，有助于准确绘图建模，得到的材料参数为隐性信息，对光伏支架结构中的每个点位的受力情况、选料情况等进行准确确认，有助于保证整体光伏支架结构构建的合理性和标准性。
52.子步骤2：将点位参数转换为标准点位参数；所述标准点位参数与3d3s的excel接口要求相匹配；具体地，本实施例中通过openpyxl库将点位参数写入excel中转换为3d3s的excel接口结构形式，以使得数据能够被3d3s的excel接口识别，进而便于后续调用3d3s完成建模。
53.子步骤3：由excel接口导入标准点位参数，由3d3s执行自动建模。将标准点位参数导入到3d3s系统中后，3d3s能够自动识别该参数并自动调用内部功能开始建模，此部分内容属于现有3d3s系统的功能，为现有技术内容，在此不作展开。
54.步骤4：按预设标准校核策略校核光伏支架结构；所述预设标准校核策略依据《冷弯薄壁型钢结构设计规范》设置。
55.本实施例中，该规范具体为《冷弯薄壁型钢结构技术规范(gb50018-2002)》，在具体校核时，按照该规范对光伏支架结构的各个部位的稳定性、应力状态、极限状态下的变形量等逐项对标，若在对标过程中存在单项不符合规范要求，标记该项内容，并继续进行对标直至校验完光伏支架结构的所有部位。对光伏支架结构的各个部位均对标校核完成后，再提取对标过程中标记的内容项，并整合为文本等经由3d3s输出，以便于设计人员能够直观地查看，为光伏支架结构优化提供数据支撑。
56.步骤5：输出校核计算书。
57.具体地，本实施例中，校核计算书格式按照3d3s的现有计算书格式进行输出。所述校核计算书包括：光伏支架结构在承载力极限状态下每一梁、柱、檩条、斜撑在数种工况下的强度应力和稳定应力；薄壁冷弯结构的加劲板部分以及加劲板件的有效宽厚比和有效净截面模量；光伏支架结构在正常使用极限状态下每一梁、柱、檩条、斜撑于数种工况下的变形量，以及常规计算书所包括的光伏支架结构的每一梁、柱、檩条、斜撑对应的载荷信息、约束条件等。这样设置，生成的校核计算书内容丰富且完善，包含了常规计算书中所不包含的数据，如有效宽厚比、高厚比、强度、稳定计算等详细数据，细致度较高，便于细致性地再次核验校准计算内容，更便于把控结构设置情况。
58.本实施例提供的一种光伏支架结构设计优化方法，在建模时通过自建模系统完成建模，将光伏支架结构设计程序化、数字化、系统化，并且本方案明确了与现有光伏支架结构的实际结构设计对应的，光伏支架结构校验需求；即对75％冷弯薄壁钢结构占比的光伏
支架结构进行校验的实际需求，并按照该实际需求，设计按照《冷弯薄壁型钢结构设计规范》对光伏支架结构设计进行校验，保证了对光伏支架结构进行自动校验的高匹配度和高可靠度。对于校验不合格的结构，通过更改输入的几何参数或截面参数，即可快速完成光伏支架结构的重建及优化，设计优化效率较高，极大地节省了设计人力成本及时间成本。
59.并且，本方案在进行光伏支架结构设计时，还按照选型策略选取截面型号，以优化结构设计。相比于现有的3d3s中采用的截面优选功能，即根据输入的参数在截面库中依次进行内力分析和构架验算，将符合验算标准的截面作为优选截面，该方法在选型时受标准要求限制，仅将结构标准作为选型依据，单一追求完美的结构性能，而忽略了同样重要的成本因素，光伏支架结构作为目前广泛应用的一类结构，是光伏发电站设计的重要组成部分，对于其成本的考量是十分重要的。本方案则将成本同样纳为选型标准，以最低钢材使用量标准和结构标准共同作为优化组合的确认指标，在结构选型的同时即完成了结构优化，使得光伏支架在满足强度、刚度和稳定性等条件下尽量地节省钢材。
60.此外，本方案中生成的校核计算书包含有现有计算书所不包含的关键参数项，包括有效宽厚比、高厚比、强度、稳定计算等。常规生成的计算书，如sap2000、staad pro、midas等软件生成的计算书，由于其软件本身无法支持采用《冷弯薄壁型钢结构设计规范》进行校核，其生成的计算书的验算结果也并不可靠；而再如3d3s软件生成的计算书，虽采用了规范校核，但其生成的计算书中缺乏许多关键参数，该类计算书仅关注了结果性的载荷信息、约束条件等数据。本方案则细化展示了关键参数项，并对处于不同状态下的各部位相关信息进行了计算展示，且一切计算基于《冷弯薄壁型钢结构设计规范》进行，计算结果规范有效，细致度较高，便于细致分析结构性能，且细节性的参数展示能够为定向性地优化结构设计提供可靠数据参考及指导。
61.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。