优化设计与优化方法范文

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引言

随着我国社会经济的快速发展，我国各行各业对大型自吸离心泵的需求不断增加，大型自吸离心泵应用广泛，在城市给排水、灌溉工程以及工业循环水等方面发挥着重要的作用，所以，研究大型自吸离心泵的设计方法、完善大型自吸离心泵的设计理论，能够有效提高泵的工作效率，对提高自吸离心泵的性能有重要的现实意义。

1 大型自吸离心泵存在的问题

从上世纪60年代开始我国就开始了对大型自吸离心泵的研究，到90年代提出了应用弹性橡胶阀来实现回流孔自动关闭的理论，在此基础上研制出了外混式结构的自吸离心泵，提高了泵的可靠性，这种离心泵得到了广泛的使用。随着时代的发展，对大型自吸离心泵的要求也在不断提高，文章针对大型自吸离心泵的结构、参数以及成本等方面对其进行了广泛的调查，总结出了目前大型自吸离心泵存在的主要问题：（1）自吸结构设计方法有待完善。在国内离心泵生产企业中，大多数还是生产内混式和外混式自吸离心泵，缺乏创新，离心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比较单一。大多数自吸离心泵采用的是上世纪90年代提出的通过弹性橡胶阀压缩来控制回流孔自动关闭从而实现自吸的理论，这种自吸原理虽然得到了广泛的应用，但随着科学技术的进步，这种自吸原理逐渐变得单一、落后；（3）大型自吸离心泵的材料单一。我国生产大型自吸离心泵的主要材料是铸铁，这会导致大型自吸离心泵比较重，也会一定程度上增大工作人员的工作强度。

2 大型自吸离心泵结构及参数设计

2.1 大型自吸离心泵结构设计

大型自吸离心泵通过自吸系统将泵的进口管内空气排净并实现快速自吸，保证了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸离心泵的主要结构由吸入段、泵体、冷却油箱、轴承以及自吸系统等组成，泵与自吸系统采用螺栓连接，密封形式为油冷却，保证泵工作效率和可靠性，大型自吸离心泵的结构如图1所示。

图1 大型自吸离心泵三维结构图

2.2 大型自吸离心泵的设计参数

设计流量为Q=500m3/h，扬程H=45m，泵的转速n=2200r/min，柴油机的功率为P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及装置效率ηm%=65.5%。

2.3 叶轮水利设计

大型自吸离心泵内部水的流动非常复杂，在自吸系统工作时涉及到气液的混合，叶轮是非常重要的过流部分，叶轮的设计关系到泵的流量和抗气蚀性能等，对于大型自吸离心泵的正常工作起着重要的作用。本装置叶轮的结构采用闭式结构，叶轮的设计首先需要确定泵的比转速，比转速可以采用以下公式来计算：

n■=■=188

其次，需要确定泵的进出口直径，泵的进口直径是指进口管法兰处内径，常用泵的进口直径、流速以及流量之间的关系表1所示。

表1

根据图表再加上实际情况选择泵的进口直径为200mm，大型自吸离心泵的出口直径选择与进口直径相同，也为200mm；最后要确定叶轮的主要尺寸，叶轮直径也叫做叶轮颈部直径，本装置使用的是悬臂式叶轮。通过一系列计算可得，叶轮进口直径为200mm，叶轮出口宽度为200mm，叶片包角为120°，进口安放角为25°，出口安放角为30°，叶片厚度为8mm，叶片数为6片。

3 大型自吸离心泵自吸系统工作原理

本大型自吸离心泵采用了文丘里自吸系统，文丘里自吸系统是一种以压缩空气作为动力的排气装置，主要由喷嘴、逆止滤网以及排气装置外壳等组成。文丘里自吸系统的排气装置和进口管采用螺栓连接，中间安装金属滤网，用来过滤固体颗粒，文丘里自吸系统内部没有运动部件，所以不需要设置装置，而且密封性能良好，结构相对简单，系统工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系统通过压缩空气产生射流，这时逆止阀会被打开，射流会不断地卷吸泵体内的空气，然后排出。与此同时，逆止阀会组织外部的气体进入泵体内部，经过这样的反复排气会使泵体产生真空，这时水流进入叶轮，水流的作用力会将逆止阀关闭，这时离心泵开始了正常工作，实现了大型离心泵的自吸功能。

4 大型自吸离心泵试验研究

按照上述设计，在产品质量检测水泵试验台上进行检测，并按照国家标准GB/T3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》进行实验。预测性能曲线与实验性能曲线重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及计算方法等都会对计算结果产生一定的影响，所以实验结果产生的误差在可以接受的范围之内。同时对大型自吸离心泵自吸性能进行实验，按照相关标准，当自吸离心泵自吸高度达到5米时，自吸时间应小于120s，本装置进行自吸实验时，自吸高度达到5米时自吸时间为75s，远远高于国家标准，通过实验可以得出，大型自吸离心泵的性能参数满足设计要求。

5 结束语

综上所述，文章对离心泵优化设计理论与方法进行了分析，介绍了泵的结构、自吸系统以及叶轮等的设计，通过对大型自吸离心泵试验研究可以得出其性能参数满足设计要求，甚至一些参数远远超过了国家相关标准。对大型自吸离心泵进行研究，提高了泵的工作效率和性能，对促进我国社会经济发展具有重要的现实意义。

参考文献

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引言

目前，随着社会经济水平的不断提高，土地价格也在不断上涨。同时，人民对住房条件的需求也在不断上升，因此，对开发商带来的压力也在不断加大。为了实现房屋建筑经济效益的最大化，就需要采用结构优化技术，在有限的空间内实现资源的最大利用。房屋结构优化设计是指，采取科学合理的设计理念和技术方法来设计房屋结构，以最小的工程报价来最大化整体的建筑收益，提高房屋的质量水平，使得企业也获得较高的利润等。

一、我国目前房屋结构设计现状以及实施优化设计的原因

随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对住房建设要求也越来越高。同时，根据我国目前的基本国情，人口数量日益增长，住房面积需求量不断加大。因此，我国现阶段住房建设主要以高层为主。房屋的结构设计优化不仅能够满足当今大众的需求，更能为投资者减少建筑成本。

房屋建设结构优化必须以建筑的安全性为首要原则，然后再进一步分析建筑方案，配合科学合理的设计理念，从而有效控制建筑工程造价，实现经济效益的最大化。根据近些年的数据资料显示，优化建筑结构设计可以为整项建筑工程节省30%-50%的费用。但是，在实际的设计过程中，方案设计受自然因素的影响很大，很难发挥出其本身的优越性。例如，工程设计阶段，施工方过多的缩短建筑设计时间，从而使设计效果达不到理想的要求，在缩短工程工期的同时也降低了工程设计质量；建筑设计时，设计人员的经验不足，专业知识不完备，对一些设计软件掌握的不够精通；一些设计者在设计建筑时过度的关注部分结构而忽视了整体方案等等，这些因素都会导致建筑结构设计的不够优化。因此，房屋建筑设计者必须科学合理的分析整体建筑方案，并设计出最优的结构，才能实现经济利益的最大化。

二、房屋结构设计优化主要体现在哪些方面

房屋结构设计优化主要是采取合适的方法以及科学的设计理念来最大化的达到房屋设计标准，如：房屋结构的合理布局、构件大小、结构框架等。钢筋混凝土结构的优化设计的基本理念是将建筑的具体部件以及整体布局进行分析，而顶柱、体形、层高以及拉力构件等等都会影响建筑物的整体布局。建筑构件的布局、强度等级以及配筋构造都是建筑物具体构件的体现。综合以上因素，建筑方案结构需要专业知识丰富且熟知设计规范的工程技术人员设计，而且在设计时必须充分考虑各构件直接的受力特性，从而选取最优的设计方案。

三、房屋结构优化设计技术

（一）优化技术的基本原则

在工程设计优化过程中，必须以工程设计和工程价值为基本原则。优化结构设计的最终目标是充分利用建筑材料，实现建筑构件利用的最大化。优化结构设计不仅遵守建筑设计规范，更实现了当今建筑的审美学和价值学。通过深化改善房屋结构设计，从而实现建筑功能更加协调完善，降低建筑成本，提高经济效益。

房屋结构的优化必须从实际工程施工出发，结合房屋结构的具体情况，实现房屋建筑的结构的最优化设计。在进行结构优化时，必须依据设计意图，采用平面设计布局，降低构件质量和刚度之间的差异，减小水平负载造成的房屋扭曲，在竖直方向上采用转换层技术，有效地降低构件的集中用力。

（二）优化设计的基本的要点

1.依据设计规范

工程师在设计建筑结构时必须具备丰富的建筑设计经验以及熟知设计规范。即依据科学的设计理念，将自身的优化方案融于整个工程项目设计中去。建筑结构设计规范更多是对于工程较大的项目，因而会造成某些规定过于保守。另外，在工程设计比较特殊或复杂时，依据某些规定将会造成建筑物的不安全。因此，这就要求设计师在建筑设计过程中必须具备良好的专业素质以及清醒的思路、正确的判断力，争取将建筑结构设计做到最优。

优化房屋结构设计过程中，应注重建筑构件的细节优化，如：建筑构件的受力钢筋，在满足塑性的条件下尽可能的选择性价比较高的产品，从而实现房屋结构的经济、安全。

2.结构师主动参与建筑设计

在工程施工前期以及施工过程中，建筑结构师的主动参与对整个房屋结构优化起到关键性作用。在实际的工程施工过程中，建筑设计师往往不能够对整个结构体系进行很好的受力分析，即建筑结构师的设计理念以及其自身具备的经验不能完全代替设计师的设计思想，同时，建筑与结构上专业知识的隔阂也无法弥补。建筑结构设计师其丰富的工程设计经验以及专业设计理论，积极主动的为设计师出谋划策，只有两者的顺利合作才能设计出更加优秀的方案。

目前，我国的房屋建筑设计总是先从建筑的结构布局开始，根据结构承载负荷的不同分析所需的材料、参数等，往往这种分析方法是计算机所不能计算出的，它需要建筑结构设计师充分论证整个建筑设计方案之后做出的判断。而这些判断需依据实际工程实践经验以及结构设计所遵循的一般规律进行。

3.加强设计团队之间的合作

优化房屋结构是一项整体而系统的工作，它需要团队之间的协调合作。现代建筑主要由结构、设备、建筑三大要素组成。因此，在工程施工过程中要明细团队内部分工，并做好团队合作，只有这样才能有机的结合各个构件创造出更加完美的作品。在建筑工程设计阶段，房屋的结构设计和建筑设计是不可分割的，只有协调好两者之间的关系，才能设计出更加美观大方的建筑方案，同时，又降低了建筑成本，简化施工过程，达到既美观又实用的建筑效果。通常建筑设计师在设计建筑时，只是一味的要求设计方案的新奇，而忽略了建筑学中基本的力学关系，这样设计出的方案往往在结构设计上造成困难。因此，团队之间的协调合作是房屋结构优化的重要保障。

4.优化房屋建筑结构，解决房屋抗震问题

房屋结构的优化不仅仅能降低建筑成本、增加建筑美观、简化施工过程，更能加强房屋的抗震作用。通过房屋结构优化技术，可以增加房屋抵抗外部作用的破坏，有效地降低房屋破坏程度。因此，在房屋结构优化设计过程中，抵抗外界各种不良因素的影响成为结构优化设计工作的主要内容。在日常的外界不良因素中，地震是最难以预测且对房屋建筑物破坏最强的，所以在房屋计算及构造上必须加强抗震措施。如：房屋构件刚度的对称性以及均匀性都可以有效的缓解地震对建筑物的破坏；多道防设设计理念可以有效缓冲特大地震对房屋主构件的破坏。以上这些设计思想都是房屋结构设计的重要内容。

四、总结

工程造价对整个工程项目的经济效益起着关键性作用，因此优化房屋结构设计，不仅可以降低整个工程的造价成本，更能提升整体房屋的安全级别。结构设计与建筑设计的协调配合，充分发挥其自身的优势，设计出最优的房屋结构。在平面设计过程中，应遵循对称、均匀的原则，缩小房屋构建质量与刚度之间的差异。在竖直布置上，保证上下承重件负载的上下贯通。建筑是艺术的表现，在保证房屋安全的前提下，结构师应敢于创新，将房屋的实用性与艺术性完美的结合在一起。

参考文献：

[1]侯贯泽，刘树堂.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，2（8）：148-150.

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引言：

众所周知，不论在什么行业中，追求追优化的配置和设计是每一个行业从业者追求的目标。所谓的最优化设计，就是在诸多被选择的项目中根据自身的特点以及条件找到一种比较合理的，最节约成本以及实现利益最大化的设计方式与方法。

立足于工程结构的设计中，我们在最优化设计的过程中致力于将技术以及力学的相应概念做到最好的融合。在设计要求的基础上形成一些可以操作的，具有可行性的方案。进而通过科学的数学计算找到客观的，可以应用于实际的优化方案。在诸多工程结构设计的优化方案中，我们在选择了最佳方案的同时也就同时节约了成本，使得爱同样的时间内创造了巨大的效应，更加使得这些工程的工期变短，工程质量变的十分优良，是一种降低工程成本，提高质量的最佳选择则途径。

一、工程结构优化设计演变历史概述

对于工程结构设计，最开始是将直觉的准则法，如满应力准则法，满应变准则法等作为优化设计的基础性选择，在很长的一段时间中得到了很好的应用和成本的节约。一般来说，准则法的应用是为了主要提升单步设计变量修改幅度使之变得越来越大，并且在收敛速度上也有着显著的提升，但是这些不会改变结构的大小，也不会因为结构的复杂而改变。随着时间的推移，我们的研究者逐渐的将拓宽了优化设计的范围，从而数学规划法出现了。这就使得我们要针对一些特殊的工程进行很好的研究，因为这个时候的准则法已经不适用有所有具有个性的工程优化设计中了，主要是因为没有一些科学的，客观的理论准绳。与其相反，数学规划方法，站在比较科学的角度，对于结构设计有着严谨的研究，这样的算法能够有着科学性的展现。但是实际的工程结构优化设计一般都是有约束、非线性和隐式的优化问题.这两种方式都不是用于现代工程的发展和诉求。随之而来的就是模拟退火算法的出现.接着，到了二十一世纪，随着计算机的普遍应用，信息化以及全球化时代的到来，我们的研究方式与方法就随之而来了，在工程结构优化设计上有着很好的发展，诸多实用性方式出现，下面我们将做详细的研究。

一、 工程优化设计研究

1.为何设计---工程中结构不确定性的存在

在工程施工之前，对于其结构进行深入的分析和研究，并完成良好的设计是因为在工程设计以及进行的过程中，有着很多不确定性的存在。基于不确定性理论的工程结构优化设计主要考虑变量。但是出于安全性以及可靠性的角度考虑，先前的优化设计有些过时，我们要站在更新的角度上发展，所以之前的缺陷我们要有着很好的认识。主要分为以下几点。

第一， 缺乏结构可靠性的设计，不能保证稳定，安全。

第二， 没有对材料的可变性做出预算，不能真实的反映材料的参数。所以没有科学的数学建模可以支撑，难以形成最佳的方案。

第三， 在工程中存在着一些很复杂的施工情况，之前的设计不能很好的给予判断以及确定，这就使得我们的施工情况不能符合实际，没有真正意义上的达到最优。

2.工程优化设计方案研究

第一，形状优化。可以说，这种优化设计方案是当下比较流行的，主要是通过调整工程结构内外边界形状来改善结构性能和降低工程结构造价，其主要用来发掘工程系统构件的合理内外边界形状。具体上讲，这种优化也是将一些离散变量以及块体、板、壳类的连续变量包含在内。

第二，模拟退火算法。也就是通常所说的SA方式放大，也就是在施工的设计中进行固体加热，使之到达了一定的温度，进而在科学的作用下使之渐渐的变冷下来。因为在升温的时候，固体的内部结构法身了很大的变化，随着热能的增多内能变大，其中固体中组成部分也就是内部的元素也会随之变大。但是随着热胀冷缩原理的深入，当这个固体的整体变得冷却的时候，所有的元素变回到之前的一种有序的排列状态。也就是说，在固体中，元素因为在每一个趋近于平衡温度的时候都有着自己的平衡状态出现，最重要的是在常温的时候内能处于最小化状态，也就是我们所说的基态。这就是模拟退火算法.这种方法有着自身的好处，那就是：适用于离散型、连续型及混合型变量；鲁棒性、全局收敛性、隐含并行性较强，并且可以得到很广泛的应用。

第四， 粒子群优化算法。该种算法是近几年来比较流行的一种应

应用广泛，并有着实际用途的设计计算方式与方法。这个算法的研究十分奇怪，主要是来源于整个鸟群，从鸟群捕捉食物中找到灵感，这个算法是开始于随机解，并通过迭代寻找最优解，在设计的过程中不断的寻找一种适应度来找寻解的品质。这样的算法是比较方便以及会计的的，没有一些复杂的计算以及冗长的分析。是比较得到现代设计者以及施工方的喜爱的，效果也是比较明显的。

第五， 变密度法假设优化设计。可以说，变密度法假设优化设计

的主要设计对象是那些密度可以变更的材料，这就使得我们的设计具有一定的局限性。在设计的过程中我们要假定材料物理参数与密度间存在某种数学关系，并将所设计的材料的密度作为一种变量，致力于寻找到一种目标函数，这种目标函数以材料的最优质分配为主要目标。并且，我们在这种工程优化设计中可以找到一些优势或者是特色，具体来说，该种方式可以很好的展现出拓扑优化的本质特征，并且在实现的过程中显得比较简便，有利于操；同时这种程序的设计计算成功率比较高，但是精准度确实是不高，总而言之，这种方式的最大他点就是计算方法简单易行，但是适用范围十分受到局限，需要特定的材料以及特定的环境。

第六， 相对差商法和混沌优化相结合。该种范式是一种导出求解

离散变量桁架结构拓扑优化设计的混合算法，这种优化设计的计算方式和方法，将设计的体积最小最为最终目的。从而有力的实现了一种

拱坝的体形优化的设计和分析，在应用的过程中得到了很好的设计效果，节省了成本提升了利润。

最后，多目标优化。一般来说，多种目标优化方案就像字面上所述，不是一种单一的目标实现方式，而是在设计中考包含了多方面的设计方式以及方法，这样在计算的过程中，在实施的过程中保证了设计的安全性以及稳定性，更大的程度上实现了一种可靠性。在安全性的实现上，这种多元化的实施方案就要不断的加大结构的截面面积但是要取得最少重量的目标，在设计上就要使得截面面积变小。所以我们知道，这就不可能在全局上实现一种面面俱到的设计方案，所以，我们的设计管理者以及决定人，要在多方面分析只会走找到一个比好合适的方案做一个决定，并实施。可以说，这种多目标的优化设计对于工程系统决策是很重要，并有着很好的应用。

参考文献

1. 蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

2. 张炳华，侯昶.土建结构优化设计[M].2版.上海：同济大学出版社，1998.

3. 刘齐茂，燕柳斌，邓朗妮.桁架形状优化的一种改进模拟退火算法研究[J].计算机工程与应用，2007

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基金项目:本项目为2014年省科技厅科技计划项目承担的“基于ANSYS的门式起重机金属结构的力学性能分析及优化研究”的研究项目，（编号为：20142BBE50009）

集装箱起重机中最为复杂的故障是门架变形，其中，门架的下挠变形，对起重机的正常运行危害最大。本文采用有限元分析软件ANSYS建立了起重机的有限元模型，对其进行结构应力分析、模态分析，从应力分布和应力集中两个方面对该起重机进行评价和校核。

1起重机门架结构有限元模型的建立

集装箱起重机门架是由标准型钢构成，结构对称。首先建立起重机门架整体三维模型。

1.1起重机主要性能参数。该起重机主要性能参数为：额定载荷320T；跨度25m；桁高12m；起升速度9.5/19 m/min；最大起升高度10/12m；小车轮距3035mm；小车质量5t；吊钩总重2T；材料全部采用Q235。门式起重机门架的主要结构与参数如图1所示。

1-前端梁 2-道轨 3-后端梁 4-主梁 5-前上横梁

6-后上横梁7-门腿 8-底横梁

1.2起重机有限元模型单元选择

采用ANSYS中的三维梁单元，划分单元建立有限元分析模型。门架结构有限元模型划分后的单元95401个，节点数182120。图2为该起重机划分单元后的有限元网格模型。

2应力分布分析

2.1固定载荷

按图1所示的工况位置，要求额定起门力：工况1（16T）、工况2（在门架中间带运行吊重11T运行）工况3（10T）、工况4（9T）、工况5（（悬臂处5T）；规定起重机主梁方向为Z方向，垂直地面向上方向为Y方向，X向垂直于起重机平面。

2.2移动载荷

起升载荷16T，同时，取动力系数1.25；起重机自重，在建模过程中单位采用SI（MKS），取重力加速度g =10；抓斗和小车结构自重共为5T；水平惯性载荷：根据有关文献，取加速度0.13 m/s2，取加速度放大倍数1.5。选择对门架最危险的工况1、工况2和工况5载荷组合进行分析，如果这三工况没有问题，其它工况也就没有问题。

2.3计算结果分析

1）小车在工况1起吊16T额定载荷时，由图3~6所示。

由上各工况的位移、等效应力数据分析可以看出：

（1）X方向最大位移为9.566，最大位移发生在小车位于工况2上，满足规范要求的；

（2）Y方向最大位移为11.658，最大位移发生在小车位于工况5上，位移动载数值过大；（3）Z方向最大位移为13.98，最大位移发生在小车位于工况5上，最大位移13.98；

（4）最大等效应力为333MPa，最大等效应力发生在小车位于工况5上。

2.4方案优化设计比较

重新对图2进行结构优化，在ansys中进行一系列的操作，得到有限元模型有95300个单元，181367个节点，称为方案2，比较后发现，门架结构和受力上没有什么变化，只是将主梁悬臂端变为一梯形结构，也就是说只进行小车工况5时（在悬臂端）的计算即可。

通过现场实际测量，如表4所示。数据表明，实际测量值与有限元分析计算结果比较吻合，有限元分析结果有较高的计算精度。

3结论

本文研究的对象为集装箱门式起重机门架，采用有限元分析软件ANSYS对门架进行分析，并在原来的基础上进行优化设计，达到了以下目的：

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一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。为实现在有限的空间、有限的资源的情况下，发挥出最大效果，最终达到经济化、实用性和适用性的良好目标，在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。而在房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用，从而真正成为“经济适用”房[1]。

一、结构设计优化方法的理论基础

在进行工程项目和结构设计的过程中，需要考虑的因素很多，最终目的是要在保证设计对象基本适用功能和安全可靠性的情况下，把设计对象设计到最好的程度。这就涉及到工程和结构最优化的问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案[2]。

从建筑理论上分析结构设计优化方法可以得知，结构设计优化方法主要体现在两个方面，其一是房屋工程部分结构的优化设计，其二是房屋工程结构总体的优化设计。后者的优化设计包括：屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。穿插其中的，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目，在实施过程中，应遵循一定的原则，结合具体工程的实际情况，从实际出发，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

在设计安全被保证的情况下，建筑师应开拓创新，挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，建筑师的设计意图应能够得到基本满足，应设置尽量符合规则的平面布局，使其对称；同时减少质量中心和刚度中心的差异，使建筑物在水平荷载作用下不致于产生太大的扭转效应。在竖直方向的布置上，应确保在满足功能要求的情况下，尽最大可能贯通竖向的承重构件；为使结构分析和设计上的难度不致于太大，减少不必要的经济浪费，使应力分散，转化层应尽可能少地使用；竖直方向的刚度要渐变，而不要突变，如若不然，在水平荷载作用下，突变处会产生严重的应力集中现象，这是非常不利于结构抵抗水平动力荷载的[3]。

二、结构设计优化技术的意义所在

在房屋结构设计中运用建筑结构设计可以起到非常好的效果，这不仅可以使房屋看起来更加美观，用起来更加实在，而且也能够节省大量的造价，起到良好的效果。采用设计优化的方法与采用传统房屋结构设计方法相比优点是十分明显的，它可以使建筑工程造价得到大幅度降低，降幅可达30%左右。要实现优化方法的技术性问题，材料的性能要合理利用起来，争取协调好建筑结构内部的各单元，达到建筑规范所规定的安全水平。同时，优化方法的技术性实现还可以合理决策建筑整体性方案设计，它可以有效实现建筑设计的经济化、实用性和适用性的良好目标。

三、结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

（一）结构优化模型

房屋结构整体优化设计方法分以按3 个步骤进行。首先，选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1 和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量；其次，确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率，从而使总费用最小；第三，确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。

（二）设定优化设计计算方案

房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，一般情况下，在计算过程中，应转化问题求解，即将有约束优化问题转化为无约束问题。可以利用起来的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。

（三）进行程序设计

根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。

（四）结果分析

对计算结果进行分析，确定最优设计方案。在上述步骤的执行过程中，涉及的问题包括多个方面，所以要全方位、多角度地考虑。这主要是因为建设投资这项工程的耗资非常大，涉及到的情况非常多，在设计中片面强调经济节约是不正确的。应满足技术上的相应要求，使项目达到相应的功能要求，与此同时，要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

（一）直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法：分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断[4]。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

（二）概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

总而言之，建筑结构优化设计方法的研究涉及面广泛，具有十分复杂的特点，是一项综合决策问题。适用、经济、安全、便于施工和美观是建筑工程设计优化追求的五种效果，而这五个方面的侧重点各不相同，相互之间又存在一些矛盾的地方，一个优秀设计的出现往往

是这五个方面的最佳结合。所以，在进行建筑设计的实践过程中，应加强实践探索，降低经济成本，以达到经济效益的最大化，从而在保证经节约经济成本和达到美观要求的情况下合理进行结构设计。

参考文献

[1]王智锋，孙之如. 建筑结构概念设计的优化[J]. 河南水利与南水北调. 2010（09）