结构优化方法范文

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2手臂结构优化变量确定

如何在可优化变量中找到对固有频率影响最大的设计变量通常需要进行灵敏度分析。当优化参数以一很小值变化时，将此时固有频率的变化量作为该结构参数对固有频率的灵敏度。通常固有频率对结构设计参数的灵敏度可由式(4)表示式(4)的前提条件为设计变量bj的修改量必须很小。而在实际应用中，对不同设计变量改变同样数值时的难易程度并不相同，而对优化变量改变同样百分比的数值的难易程度基本一致。例如硅片传输机器人柔性关节刚度数值相对较大，而手臂质量较小，如果同样采取0.1为改变量时，刚度修改比质量修改更容易。因此，本文提出固有频率权值的概念，并以权值作为优化参数的选择依据。2.1权值概念在结构优化设计中，固有频率一般为多个优化设计变量的隐函数，可将固有频率按式(6)进行展开，其中偏导数项即为固有频率的灵敏度，而权值向量则表示所有变量对固有频率数值“贡献”的比例。优化变量的权值越大说明该变量对固有频率的影响越大。2.2优化参数确定根据上述理论，分别对硅片传输机器人手臂的优化参数进行灵敏度分析与权值分析。结构参数对一阶固有频率的灵敏度分析结果如图5所示，结构参数对一阶固有频率的权值分析结果如图6所示；结构参数对二阶固有频率的灵敏度分析结果如图7所示，结构参数对二阶固有频率的权值分析结果如图8所示。从仿真结果中可以看出：当采用灵敏度作为选择依据时，关节处的等效惯量灵敏度最高，而其余参数均较小，当采用权值作为选择依据时，手臂质量、杆长以及柔性环节刚度对固有频率影响较大，显然采取权值作为判断依据更符合实际情况。其中权值为正表示参数增大时固有频率提升，权值为负表示参数减小时固有频率提升。分析结果表明：对一阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节集中质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带的刚度；对二阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节质量、小臂质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带刚度。本文只重点考虑质量的优化，且腕关节集中质量主要为轴承等标准件，无法进行优化。因此，最终的优化变量确定为：小臂质量与末端手臂质量。同时注意到大臂的质量对一阶与二阶固有频率均无影响，必要时可以考虑增加大臂的质量来增加竖直方向上的刚度。

3手臂结构优化设计

根据上述分析结果，最终选取硅片传输机器人小臂质量与末端手臂的质量作为优化参数，减小质量参数有助于固有频率的提高。然而大幅度的减小手臂的质量必然造成手臂在竖直方向上的刚度降低，从而使悬臂结构在竖直方向上的静态变形增大以及在竖直方向上的振动的加剧。因此在减小手臂质量的同时，需要考虑对竖直方向上变形的影响。3.1优化方法及约束方程推导将硅片传输机器人小臂与末端臂简化为图9所示的等截面空心梁。其中H与W为空间尺寸约束条件，通常为常数；h1、h2、h3为手臂厚度变量；L为手臂长度。OYZ为截面坐标系，YC为截面弯曲中性轴。硅片传输机器人小臂与末端臂的受力均可等效为图10所示的形式。图10中p为手臂自身重力引起的均布载荷，Fe为等效力，Me为等效转矩。则手臂末端的挠度、由于硅片传输机器人手臂为串联结构，故式(8)中的等效力与等效力矩均参数均与该手臂所承载的后端的手臂的质量以及长度参数有关。因此，在进行硅片传输机器人手臂结构优化设计时需要从末端手臂开始设计，随后再设计小臂。3.2末端手臂优化设计在硅片传输机器人末端手臂设计时，末端手臂所承受的等效力与等效转矩由末端手与负载的参数决定。通常末端手与负载的参数为常数，且末端手等效载荷以及尺寸约束参数数值如表2所示。仿真结果表明：末端总变形随末端手臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着末端手臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，末端手臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2mm、侧壁厚度1.5mm、下盖厚度1.5mm。3.3小臂结构优化设计末端手臂优化完成后，小臂的等效力与等效转矩参数即可以确定。小臂受力及约束尺寸参数数值如表3所示。仿真结果表明：末端总变形随小臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着小臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，小臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2.5mm、侧壁厚度2mm、下盖厚度1.5mm。

4优化前后性能及参数对比

优化前后的小臂与末端手臂的三维模型如图17所示(手臂的下端盖未显示)。优化前后手臂质量以及硅片传输机器人手臂系统的固有频率数值对比关系如表4所示优化前后硅片传输机器人手臂系统由悬臂引起的竖直方向上的静变形、静应力以及竖直方向上的振动频率如图18～23所示。由表5与表6可以看出：优化前后末端手臂质量降低了50%，小臂质量降低了18.8%；一阶固有频率平均值与二阶固有频率平均值均提高了10%；竖直方向上最大静态变形量降低了52.3%；系统最大应力降低了58.3%；竖直方向上的振动频率提高了45.2%。

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中图分类号 U66 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0100-02

进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。

1经典优化设计的数学规划方法

结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。

由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。

2 多目标的模糊优化设计法

经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：

式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。

模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。

3 基于可靠性的优化设计方法

概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。

船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：

1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。

关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。

4 智能型的优化设计方法

随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。

智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。

智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。

5 结论

通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。

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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中图分类号：TU318 文献标识码：A

对于一个项目，工程结构总体的优化设计主要是针对围护结构、屋盖系统、结构体系、基础形式以及结构细部等进行相应的设计方案的优化设计。在设计的时候还必须考虑到相应的布置、选型、造价以及受力等方面的问题，然后根据工程的实际情况并结合建筑物的经济性要求，对建筑结构进行相应的优化设计。 为了适应时展的要求，建筑的结构形式必须不断的进行创新。对于结构设计师来说，要在确保建筑结构具有一定的安全保证的基础上设计更合理、更经济、更能体现创新的结构形式。

1 结构设计优化技术的现实意义

对建筑结构的设计进行必要的优化，在对于房屋结构相关的设计中的应用意义重大，不仅能够满足了建筑的实用与美观，而且还可以有效地对工程造价进行控制。对于建筑商来说，其当然希望用最少的投资，而获得最大的收益，然而又必须对建筑结构的科学性、可靠性以及安全性做出保证，这必然要求对建筑结构进行优化设计。

结构设计优化和传统房屋结构设计进行比较我们可以发现：运用设计优化的技术能够降低整个建筑工程造价10%～40％。结构设计优化技术能够使得建筑结构内部的每个单元都得到最佳的协调，并可以对材料的性能进行最合理的利用。这样不仅能够保证相关规定的安全系数，还能够实现建筑结构设计的经济性与实用性。

2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

2.1 建立结构优化的模型

在我们对房屋结构整体进行必要的优化设计时候，可以分成三步进行建筑结构的优化设计。下面将对每一步骤进行详细的介绍：

2.1.1 要对设计变量进行合理的选择

通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数（损失的期望C2 和结构的造价C1）和约束控制相关参数（结构的可靠度PS）等；然而还有一些影响不是太大，其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示，这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。

2.1.2 对目标函数进行确定

在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋面积以及相应的失效概率的函数，使得工程造价最少。 针对目标函数进行的优化设计都有条件和相对的，即为“最满意解”而不是最优解。

2.1.3 对约束条件进行确定

对于房屋的结构的设计优化来说，必须在确保结构整体可靠的基础上，对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及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等约束条件。在进行结构设计的时候，我们必须对目标约束条件与实际的约束条件进行相应的比较与分析，确保每个约束条件都必须满足相应的要求，化繁为简，抓大放小，以实现最佳的设计。

2.2 对优化设计的计算方案进行设定

根据可靠度进行的房屋结构的优化设计具有多约束且非线性的优化问题以及复杂的多变量，在进行相应的分析计算中，一般把有约束的优化问题转换成无约束优化问题的求解。常用的优化设计的计算方法有拉格朗日乘子法、复合形法、准则法以及Powell（鲍威尔） 法等基于不同理论准侧的计算方法。

2.3 进行程序的相关设计

针对具体的工程设计，我们可以根据不同的设计要求选择有限元分析软件或者设计配筋软件，可以选择针对具体构件进行有限元分析或者是针对整体结构实际工程计算分析。针对复杂的超高超限的工程可以进行专门的不同目标函数的优化设计，具体可选用结构优化设计系统MCADS。

2.3 结果分析

我们必须对相应的计算结果进行必要的分析比较，选择出最佳的设计方案。在这个过程中，我们对出现的问题必须全方位、多角度的考虑。例如，钢结构满应力设计中病态杆的出现等。这一步骤在建筑结构设计优化中尤其重要，合理的选择设计方案，不仅能够确保结构的美观、安全性、合理性以及实用性，还能够对施工中的资金的投入有着重大的影响。在结构设计优化中只强调经济性要求，而忽略技术要求，是不正确的；同样只考虑技术要求，忽略经济性要求，也是不合理的。我们必须在满足现行规范的前提下，区分“应”和“宜”，对两者进行合理的配置，才能达到相关要求。

3 结构设计优化技术的实践应用

当下，限额设计已经成为常态，建设商经常附加各种各样的设计条件，对于这样的项目我们可以从前期设计、整体设计、旧房改造以及抗震设计等方面采用结构设计优化设计的方法来节约造价。下面对实践应用中的问题进行简单的说明：

3.1 结构设计优化应注意前期参与

前期方案直接会影响到工程的造价，然而很多建筑物的设计往往忽略了这一点。项目立项后，结构师应该及时跟进，对建筑方案提出合理的指导意见，避免出现超限、超规范的情况，前期参与能够让我选择合理的结构形式以及合理的设计方案，节约造价占50%以上。

3.2 概念设计结合细部结构设计优化

在没有具体数值量化的情况下，我们可以使用概念设计。例如，对地震的烈度进行设防时，由于它存在这不确定的因素，所以我们无法找到与实际相符合的计算式，所以在进行设计优化的时候我们可以使用概念设计的方法，把相应的数值作为参考与辅助相关的依据。同时在设计过程中，相关结构设计人员必须合理并灵活的使用结构设计优化的方法，从而达到最佳的效果。

在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，物尽其材。例如，竖向柱构件采用高强度混凝土能够有效减少柱子截面，而对于水平构件来说就可以降低混凝土标号，这样既可以达到受力要求，又可以节约成本。后期的优化设计和细部结构精细化设计能节约一定的经济成本。此阶段通过优化设计能节约造价10%以上。

3.3 下部地基基础结构的设计优化

基础的设计尤为重要，基础造价能占到结构成本的30%左右，在地基基础的结构设计优化中，我们必须选取合适的基础方案，确定合理的持力层，尽量选择天然地基，桩基能不用则不用，可以有效降低成本、节约工期。如果不可避免的采用桩基，需根据桩端持力层的厚度选择合理的桩长，并根据土层情况确定是否采用后压浆灌注桩；而对于管桩，同样直径可以考虑选用方桩，能够提高20%的摩擦力。通过对多种设计方案进行必要的分析比较，然后选取最佳的设计方案。

4 结语

对于住宅建筑，目前限额设计已经成为常态，传统的结构设计理论与方法已经无法满足建设商的要求，在目前的设计中采用优化设计已经成为无法回避的问题。通过选择合理的结构体系以及基础方案，充分利用材料强度，降低自重，活学活用规范做到精细化设计能够节约可观的工程造价，适应建设绿色可持续发展社会的要求。

参考文献

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.

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中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0136-01

型钢混凝土结构主要由以下两个方面组成：①型钢混凝土柱；②型钢混凝土梁。型钢混凝土具有承载力高以及弹塑性好等特点，目前来看，型钢混凝土在工程应用方面有很大的发展前景。型钢混凝土结构中的单调加载条件与循环加载条件下的受力性能研究有较大的应用前景，在循环荷载作用下呈现出较好的性能。从型钢混凝土结构应力发展裂缝情况不难看出，型钢混凝土结构在水平荷载作用下被分为以下三个阶段：①塑性破坏阶段；②弹性阶段；③弹塑性阶段。国内外的相关实验研究结果表明，型钢混凝土结构在低周反复荷载作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型钢混凝土结构的延性以及刚度方面。

1 型钢混凝土组合结构的基本特点

型钢混凝土组合结构主要指的是把型钢埋入到混凝土中的结构形式，在操作过程中主要先通过定位放线最后再进行混凝土浇筑，被分为以下两种类型：①部分结构构件采用型钢混凝土结构形式；②全部结构构件采用型钢混凝土结构形式。上述两种结构类型都适用于以下四种结构：①框架结构；②底部大空间剪力墙结构；③筒中筒结构；④框架-剪力墙结构。与传统的型钢结构相比，具有以下三个方面的优点：①能够更为节约钢材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。与钢筋混凝土结构相比，型钢混个凝土组合结构具有以下三个方面的优点：①施工周期较短；②抗震性能较好；③承载力较高。型钢混个凝土组合结构具备以下两种结构类型的特点：①型钢结构类型；②钢筋混凝土结构类型。为了让人们能够更加清楚了解型钢混个凝土组合结构结构，笔者将针对型钢混个凝土组合结构的混凝土和型钢的计算和优化方法进行研究。举例来说，型钢混个凝土组合结构中的型钢与混凝土之间相互约束，在一定程度上提高了混凝土的强度和型钢的强度，有效增加了整体构件的延性、构件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。众所周知，智利是地震多发国家，智利国家尤其重视型钢混个凝土组合结构的性能研究和基础工程应用。例如，1973年建成的圣地亚哥，其所用结构为型钢混凝土组合结构，在地震中基本没有受到很大损毁，继而引起了日本建筑工程行业的重视。

2 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本方法

型钢混个凝土组合结构在优化设计中基本以变量结构的参数形式出现，在根据相关要求的基础上，形成型钢混个凝土组合结构方案。简而言之，型钢混个凝土组合结构优化设计主要利用数学手段，并且按照设计者所规定的要求从中选出一个最为理想的方案。型钢混个凝土组合结构优化设计主要表现如下：①以有限单元法为基础的分析方法；②以数学规划为计算手段；③以现代高速计算机为工具；④最终得出设计方案。随着现代科学技术的发展，优化设计的过程具备灵活性等特点，再通过有限次的计算能够使得结构设计方案逐渐改善。笔者将根据相关工作经验，针对型钢混凝土组合结构优化问题算法来进行简单介绍：①简单解法；②数学规划法；③准则法。

（1）简单解法。当设计变量处于不多的情况下，可以采用简单解法。一般来说，图解法对设计变量小于或者等于2h，效果达到最为理想。对于柱与板的优化设计问题需要采用松弛变量法，此种方法对求解约束条件要求不是很高。

（2）数学规划法。数学规划法（Mathematical Programming，MP）从结构力学的基本原理角度出发，选用MP来寻找设计参数的最优解。此种解答方法发展比较早，用途也较为广泛。数学规划法中主要包含以下几个方面的解法：①线性规划；②非线性规划；③动态规划；④几何规划。其中线性规划问题的解决方法较为成熟，在处理目标函数方面能够设计变量的线性函数问题。非线性规划则主要应用目标函数的方法，结构的优化设计有约束的非线性规划问题，在解答过程中有较大难度。例如，目前最常使用的导数分析方法以及梯度投影法等。

（3）准则法。准则法主要从工程方面的观点出发，从预先规定的结构来满足相关准则（能量准则、位移准则、频率准则以及应力准则等），为了满足上述准则条件应该使用结构最轻的材料。使用的相关方法为：利用最为优化的杆系结构，重新分析设计变量初始，一旦计算量不够大时，需要使用已经设定好的几个布局。准则法有其自身的缺陷，从工程应用方面来看，型钢混个凝土组合结构结构比较方便，能够更容易被人接受。在早期，准则法能够满足应力设计，将结构杆件的应力在某种情况下达到允许的范围力之内，充分发挥出材料强度的潜力。上述所说的方法在发展的基础上与框架结构的应力设计两者相互结合，从而处理弹性稳定方面以及位移方面等约束条件。

3 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本原理

型钢混个凝土组合结构由柱构件与规则截面的杆系梁组成，在设计过程中均采用部分优化的方法。在满足相关建筑要求的情况下进行结构的平立面布置（抗震功能首先考虑原则基础上），进一步确定好梁的跨度与柱的高度。基于此，按照经济跨高比和框架梁进行初步选型，最终得出型钢混个凝土组合结构的初始截面。在上述初始方案基础上，采用有限单元法分析不同荷载情况下的受体力分析，最后得到剪力、轴力的组合值，再计算出常规设计所需要的参数值。例如，柱的计算长度以及梁的剪跨比等指标。将型钢混个凝土组合结构离散柱构件与杆系梁根据已经得到的受力条件来优化设计柱与梁，再得到工程的总造价。利用变量方法来进行二次处理，直到前后2次的设计方案能够接近并且最终得到优化设计方案。简而言之，确定好方案1之后再进行结构整体分析，通过分部方案1优化得到方案2，在进行分部优化设计时，需要注意以下几个方面：①利用结构分析得到剪力值、轴力值，继而能够优化截面；②对于超静定结构，初始截面的选择相对于构件内力所需要的截面来说不够充分，优化后构件的截面将会有效增大，重新分析构件内力时将会取得更大的效果。对于超静定结构优化过程，其构件内力始终和截面保持不一致，此种差距不会随着结构重分析次数的增加而减少，在优化构件设计时，对结构的内力应该引M超松弛系数，S′=S（S/R）α，其中S′代表构件内力，S为前一次结构重分析得到的构件内力，R为优化前构件抗力；α代表超松弛系数，α=0.4。

型钢混凝土框架梁的截面宽度不宜小于300mm，截面的高度和宽度的比值不宜大于4，为了进一步保证框架梁对框架节点的约束作用，便于施工过程中能够充分考虑到截面高度比值、宽度比值等，型钢混凝土框架梁在支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，应在型钢腹板两侧对称设置支承加劲肋。

4 结束语

综上所述，型钢混个凝土组合结构作为一种工程方法，型钢混个凝土组合结构连续变量所得到的结果不能够直接被应用，在初步优化设计方法基础上，收敛的速度也能够接近优化解，当变量较多时此种途径能够带来较宽的时间效益。

参考文献：

篇6

中图分类号：U462.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0087-02

引言

随着社会的快速发展，汽车保有量越来越多。汽车在带来方便快捷的同时，其油耗排放等问题也越来越引起大家的重视。汽车车身质量约占汽车总重的40%，空载情况下油耗约占整车油耗的70%[1]。其轻量化的目标在于尽可能降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗和排放，并且提高操稳性以及碰撞安全性。本文通过总结车身轻量化优化方法，介绍不同的优化步骤，并对车身轻量化优化设计进行展望。

1 汽车车身轻量化研究背景

汽车自1886年诞生至今有一百多年的历史，汽车车身的研究起步相对较晚，但是其作为汽车的重要组成部分，在整车结构中占据重要地位。研究表明，汽车车身质量每减轻1%，相应油耗降低0.7%[2]。

轻量化研究，是在满足安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性的前提下，尽可能降低车身质量，以实现减重、降耗、环保、安全的综合目标[3]。轻量化的实现不仅满足了汽车的基本性能要求，且缓解了能源危机和环境污染的压力，也没有提高汽车设计制造成本，故汽车车身轻量化的研究引起了越来越多的关注。

2 轻量化结构优化方法

目前，以汽车车身轻量化为目标的优化设计方法主要包括拓扑优化、尺寸优化和结构优化。优化设计通常由目标函数、设计变量、约束条件三个因素组成。拓扑优化是在整体优化之前，设计空间确定后对材料布置格局进行优化，但是拓扑优化是从宏观出发，在某些细节方面可能并没有达到最优，因此在拓扑优化之后需要进行尺寸和形状优化。

2.1 拓扑优化

拓扑优化是在给定的空间范围内，通过不停地迭代，重新规划材料的分布和连接方式；是在工程师经验的基础上，明确目标区域和目标函数，确定变量以及约束条件，使车身结构最终既满足性能要求又减轻了质量[4]。拓扑优化通常将有限元分析和数学算法结合起来。

2.1.1 拓扑优化的数学模型

拓扑优化通常以车身质量为目标函数，结构参数和材料厚度为变量，模态和刚度为约束条件。其数学模型为：

minf（X）=f（x1，x2…xn）；

s.t.g（X）>0；

ai

其中，x1，x2…xn为设计变量。

2.1.2 拓扑优化的基本步E和实例

在进行拓扑优化之前首先需要确定设计区域，设计变量和约束条件。然后通常进行有限元模态分析和灵敏度分析，使灵敏度小的部分不参与优化。在此基础上利用软件进行计算，因为在每次的计算中都有参数的改变，所以需要经过较多次的迭代，最终使其分布最优。在软件进行拓扑优化的过程中，用户对于每一次的迭代均可以实时监控。

目前拓扑优化中用到的数学优化算法包括优化准则法、移动渐近线法、数学规划法、遗传算法、进化算法等。使用较多的是优化准则法和移动渐近线法，优化准则法适于求解少约束问题，后者偏重于多约束问题[5][6]。

周定陆等[7]建立参数化模型，不仅将下车体质量减少了23kg，而且模态和刚度在原有的性能上略有上升。王登峰等[8]基于拓扑优化使大客车车身骨架质量减少约11%，且刚度强度等性能满足设计要求。

2.2 尺寸优化

尺寸优化是在结构参数、材料分布确定的前提下，对各桁架结构寻找梁最合适的横截面积、几何尺寸，使得车身质量最小且满足刚度等要求的优化方法。相对来说，尺寸优化建立数学模型较容易，计算简单，在实际工程中可以较快取得最优

解[9]。也可以说，尺寸优化是拓扑优化的进一步完善和发展。

2.2.1 尺寸优化的数学模型

尺寸优化以车身质量最小为目标，几何尺寸为设计变量，刚度以及各变量尺寸限制作为约束条件。

2.2.2 尺寸优化的基本步骤和实例

利用有限元分析划分单元，再进行灵敏度分析，排除不参与优化的单元。为了减少计算量，通常采用近似模型，然后对近似模型进行求解。刘开勇[10]利用超拉丁实验设计方法，采集车身的刚度和模态数据，在此基础上建立一阶响应面模型。潘锋[11]通过建立组合近似模型，减少优化过程的计算量，提高效率。

常用的近似模型有响应面模型、人工神经网络、径向基函数模型、kriging和支持向量回归模型等[10][12]。通过对一阶近似模型进行分析，计算不同的权系数并进行加权叠加构成的组合模型在满足模态和刚度要求的前提下，又兼顾了汽车碰撞安全性、NVH和疲劳等性能影响，且精度更高，因此组合近似模型在多目标多学科优化方面更胜一筹。

张伟[13]等采用遗传算法，结合拓扑优化和车身尺寸优化，不仅将质量降低35%，而且使刚度提高了80%以上。康元春等[14]采用DOE及极差分析和方差分析，确定车身骨架梁截面最优尺寸方案，使车身骨架质量减轻了123.5kg。

2.3 形状优化

形状优化是优化结构的几何形状，通常包括桁架结构梁节点位置的优化；结构内部孔的形状、尺寸的优化以及连续体边界尺寸的优化[15]。早期，与尺寸优化相比，形状优化模型建立比较困难，建立的模型质量通常比较差，影响后期模型的优化求解，尺寸优化的发展受到了限制。后来，网格变形技术的发展简化了形状优化模型的建立[16]。形状优化的过程与尺寸优化相似，通常也需要建立近似模型。

3 结束语

（1）拓扑优化计算量大，应用受到一定限制。尺寸、形状优化在多数软件中都有专门的模块，应用较多。为了解决计算困难问题，优化算法有待突破，算法的突破也是车身结构优化进一步发展的重要前提。

（2）有限元分析方法在车身结构优化中起重要作用，建模、分析软件在车身结构优化方面应用越来越多。

（3）本文所提优化方法没有充分考虑安全性、操稳性、NVH等因素，多学科多目标优化方法是目前车身结构优化的热点。

参考文献：

[1]黄磊.以轻量化为目标的汽车车身优化设计[D].武汉理工大学，2013.

[2]迟汉之.世界汽车轻量化及轻质材料应用趋势[J].轻型汽车技术，2001（4）：54-56.

[3]韩宁，乔广明.汽车车身材料的轻量化[J].林业机械与木工设备，2010，38（1）：50-52.

[4]崔建磊，曹学涛.拓扑优化技术在汽车设计中的应用[J].山东工业技术，2016（6）：254.

[5]周克民，李俊峰，李霞.结构拓扑优化研究方法综述[J].力学进展，2005，35（1）：69-76.

[6]葛文杰，黄杰，杨方.拓扑优化技术及其在汽车设计中的应用[J].机床与液压，2007，35（8）：11-14.

[7]周定陆，高岩，蔡华国.基于车身结构拓扑优化的车身轻量化研究[C]//2010中国汽车工程学会年会论文集，2010.

[8]王登峰，毛爱华，牛妍妍，等.基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J].中国公路学报，2017，30（2）.

[9]王赢利.新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计[D].大连理工大学，2012.

[10]刘开勇.基于响应面模型的白车身轻量化优化方法[D].湖南大学，2016.

[11]潘锋.组合近似模型方法研究及其在轿车车身轻量化设计的应用[D].上海交通大学，2011.

[12]韩鼎，郑建荣.工程优化设计中的近似模型技术[J].华东理工大学学报：自然科学版，2012，38（6）：762-768.

[13]张伟，侯文彬，.基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计[J].湖南大学学报（自科版），2014（10）：42-48.

篇7

中图分类号：TH323 文献标识码：A

作为高压隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在输送固液两相流体过程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于连接隔膜室盖、进料阀和出料阀，因此隔膜腔的设计过程中需要考虑流体压力、螺栓预紧力和其他因素的影响。本文以某大型高压隔膜泵中隔膜腔为研究对象，基于有限元方法对隔膜腔进行了静力强度分析。通过ANSYS的后处理分析模块获得了隔膜腔的应力分布，扭曲和应力线性化结果。根据ASME VIII-2标准对隔膜腔的机械强度进行了校核，并在此基础上对隔膜腔的结构进行改进设计。分析结果可为隔膜腔的结构优化设计和降低成本提供一定的理论基础。

1 有限元模型的建立

图1（a）给出了隔膜腔的剖面图，从图中可以看出两个内腔圆角和最小壁厚分别用R1，R2和d表示。通过三维设计软件SolidWorks画出隔膜腔的1/4对称模型，如图1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料属性如下：拉伸强度σb为510MPa，屈服极限σs为295MPa。根据ASME相关标准，材料的许用应力可通过下式计算出来。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

将SolidWorks建立的隔膜腔几何模型输出为SAT格式档并导入有限元分析软件ANSYS，在ANSYS的前处理模块对隔膜腔划分网格。应力集中区域需要局部网格加密，最后获得隔膜腔有限元模型的单元数为173812，节点数为36952。根据隔膜泵实际的工作状态，定义隔膜腔的边界条件和载荷如下：隔膜腔的对称面施加对称边界约束，定义隔膜腔和隔膜室盖螺栓连接处施加600000N的预紧力，隔膜腔和出料阀螺栓连接处定义80000N的螺栓预紧力，隔膜腔内受液体压力的面施加20MPa的压力。图2给出了隔膜腔的载荷约束图。

2 应力分类及强度评定

图3给出了隔膜腔的Von Mises应力图和位移云图。从图中可以看出最大应力出现在隔膜腔的相贯线处。根据ASME VIII-2标准，定义了用于强度校核的四条线性化的应力计算路径，如图4所示。选择这些路径的原理如下：沿着壁厚的方向，根据最大应力节点定义一条或多条应力计算路径。应力线性化计算路径还应当在隔膜腔的应力集中区域进行定义。

根据应力产生的原因、应力集中区域和应力的性质，压力容器应力可以大致分为：主整体膜应力（Pm），主局部膜应力（PL），主弯曲应力（Pb）和次应力（Q）。利用这些应力和如下的校核方法可对隔膜腔的强度进行校核：主总体膜应力的等效值应当小于金属材料的许用应力（Sm）。考虑到应力的位置，主局部膜应力的等效值应当小于1.5倍材料许用应力（1.5Sm）。根据极限载荷设计理论，当膜应力和弯曲应力同时存在时，他们的和应当小于1.5倍的材料许用应力（1.5Sm）。更进一步考虑次应力的限制条件时，Pm（PL）+Pb+Q应当小于3倍的材料许用应力（3Sm）。

通过ANSYS的后处理模块，画出了沿着四条应力计算路径的等效应力变化曲线，如图5所示。四条应力计算曲线的最大等效应力列在了表1中。

表1 不同路径的最大等效应力

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲（MPa） 总应力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

将表1中的应力数据带入应力校核公式，可获得隔膜腔的应力校核结果，如式2-5所示。结果表明隔膜腔的应力满足强度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通过修改隔膜腔的结构来优化隔膜腔的结构并降低制造成本。结构的修改方法如下：保持内腔几何尺寸不变，壁厚减小30mm，修改结构前后的模型对比如图6所示。

根据相同的应力分析方法，用ANSYS软件对修改结构后的隔膜腔进行应力分析。修改结构后的隔膜腔的应力线性化路径的定义位置与改结构之前的位置相同。修改结构的隔膜腔的最大等效应力列在表2中。

表2 不同路径的最大等效应力

（修改结构）

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲 （MPa） 总应力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根据表2中的等效应力，按照ASME VIII-2标准对隔膜腔的强度进行校核，可以看出修改结构后的隔膜腔同样满足强度要求。

3 结论

通过对用于远距离管道输送的某型隔膜泵隔膜腔的应力分析和校核，可得到如下结论：

可通过有限元分析软件ANSYS对隔膜腔进行静应力分析，并且获得了工作压力下隔膜腔的最大应力位置和最大应力值。

根据ASME VIII-2标准中对应力的分类，在隔膜腔1/4对称模型上定义了四条不同的应力线性化计算路径，并且通过ANSYS后处理模块获得了等效应力变化曲线。隔膜腔的机械强度通过相关的应力校核方法进行了校核，结果显示修改结构前后的隔膜腔结构均满足强度要求。

通过减小壁厚获得了一种新的隔膜腔结构，新结构通过校核满足强度使用要求，通过比较结构，发现新结构减小了重量，降低了制造成本。

参考文献

篇8

对于房屋建筑的自身结构而言，只有保证其结构的合理性，房屋建筑的整体质量与使用性能等才会得到显著提高，并且可以有效避免建设资金等的浪费。如果房屋建筑的自身结构存在严重不合理之处，不仅会增加相关的建设成本，房屋建筑的整体质量也无法达到相关要求，这样就会给用户带来安全隐患等。基于上述背景，对房屋建筑的结构设计予以优化就变得尤为重要。

1房屋建筑结构设计优化的相关要点

第一，模型的确立。在房屋建筑结构优化设计当中，模型的确立是基础环节，相关人员只有对具体变量参数进行提取分析，才能根据相关参数建立模型，以此求出最佳答案。相关人员需要科学选择变量并且对目标函数进行确定分析，以此满足后续相关需求。第二，程序的设计。在房屋建筑结构的设计优化中，相关人员需要科学确定优化程序，并且将具体程序导入计算机内部，利用计算机就可以将相关数据求出。第三，结果的分析。相关人员在利用计算机等进行计算之后，就要对相关的结果进行分析，并且根据结果中的具体信息等制定后续的设计方案等。

2房屋建筑结果设计优化方面的具体方法

2.1上部结构的优化处理

对于房屋建筑的结构设计优化而言，上部结构优化十分重要，特别是剪力墙结构的建筑，需要相关人员对这一部分的结构进行优化布置。相关人员需要保证剪力墙的重量均匀性，这样才能确保每层建筑的重心与平面刚度的中心位置完全一致，这样就可以有效避免外界的风力及自然灾害等给房屋建筑带来严重的影响。如果房屋建筑的剪力墙结构为大开间形式，相关人员就可以尽量减少混凝土的使用量，并且尽量减少墙肢的数量。如果房屋建筑的所处环境地质条件相对较差，就需要有更强的防震性能等，相关人员在上部结构的优化处理当中就尽量不要采用大开间形式的剪力墙。

2.2框架结构优化

在很多房屋建筑的施工当中，都会选择钢筋混凝土结构，这种类型的框架结构优化也会成为房屋建筑结构优化设计的重要组成部分。相关人员在实际的框架结构优化当中，可以选择准则法来进行操作。相关人员也可以根据房屋建筑自身结构的截面大小情况，选择有限单元法等进行优化分析，这样就可以有效保证房屋建筑的结构优化得到顺利进行。

2.3建筑平面优化

在房屋建筑的结构优化设计当中，平面优化也是重要的组成部分。首先，相关人员需要针对楼面量进行科学的控制。楼面是房屋建筑的重要结构之一，楼面量减少或者是楼板的开洞量出现过大，都不利于楼面整体结构的稳定。所以，相关人员在实际工作当中应当针对天井或者楼面的开洞量等进行严格、细致的计算分析，这样才能对房屋建筑的楼板面进行科学控制。与此同时，相关人员应当适当提高房屋建筑内楼板的配筋量，以免出现严重的预应力损失等，并且保证不同结构之间的连续性，做好楼层之间的支撑等。其次，相关人员在房屋建筑的结构优化设计当中，还需要做好平面布置方面的外形优化等。相关人员在实际工作当中需要仔细考虑风压带来的影响，对房屋建筑的外形结构进行科学的优化设计，这样才能有效避免外力带来不利影响。在具体操作当中，相关人员可以根据房屋建筑所处的环境及地理位置、气候特点等进行分析。比如，如果房屋建筑位于沿海地区环境，在其自身的外形方面，相关人员就要避免其外形凹凸面积较大，以免给整体结构带来较强的不稳定性。相关人员一定要根据外形合理化的基本原则进行优化设计，特别是要重点考虑风压因素，这样才能有效保证房屋建筑平面得到明显优化。

2.4建筑阶段性及相关寿命的优化

对于房屋建筑结构的设计优化而言，阶段性优化及整体寿命的优化也十分关键，这一部分的的内容不仅仅在于正式施工至建筑工程的使用年限之内。房屋建筑的设计人员等需要根据其自身不同阶段出现的特点等进行分析，并且参考相应的实际情况进行处理。这样才能在保证建筑自身质量的基础之上，实现建筑企业的整体效益。此外，在房屋建筑的寿命优化方面，相关人员还需要切实按照建筑自身的使用年限、具体的施工方式等进行综合性分析，确保在建筑房屋的使用年限当中不会出现严重的意外问题，这样才能有效保证房屋建筑相关结构的优化。

3结语

目前，人们的生活水平与过去相比出现了明显的提高，其自身的安全性、实用性等也得到了普遍的关注，除了房屋建筑的自身质量需要相关单位及人员给予高度重视之外，房屋建筑的经济性、美观性也成为了人们关心的重点问题之一。所以，在房屋建筑的设计当中，针对其自身结构方面的优化设计就成为房屋建筑建设的重要组成部分。相关单位及人员等需要切实把握房屋建筑结构设计优化的具体要点，并且从多方面选择科学、有效的方法等保证房屋建筑的结构优化顺利进行，以此保证房屋建筑的质量与美观性、经济性及实用性等。

参考文献：

[1]刘松.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2016(20).

篇9

Abstract: the architecture is solidification of art, architecture, to reflect exquisite must will structural design and beautiful design reasonable collocation. Housing structure design has been seeking the safe, applicable, economic, beautiful, and construction and five effect. The need to design department or design personnel strictly abide by the five kinds of effect principle, make rational structure design, the application of the modern science and technology optimization method, realize the most effective play limited resources, finish to lower the project cost and get people to the goal of material and spiritual needs. The current, building structure design of the building structure design optimization method has been widely applied to the actual start of project, this paper the structure design optimization methods reflect of theory, the structure design optimization method of application and practice are analyzed and discussed.

Keywords: structure design, structure, optimization method

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1房屋结构设计中的建筑结构设计优化方法的理论概述

1.1房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的理念及意义

在进行工程项目的结构设计过程中，除了要考虑设计对象的基本使用功能和兼顾其安全适用性以外，还应尽可能将设计对象设计的更加完美，这就是结构设计优化问题。定义为工程结构在满足约束条件下按预定目标求出最优方案的设计方法。随着我国社会精神文明建设的不断发展，人们对于居住环境精神领域的追求已然形成一种时尚。对于人居环境的改善，其根本主要体现为美观与结构之间的协调、配合，使得建筑工程满足美观的同时也能实现在经济规划方面的实际意义。

房屋结构设计中建筑结构设计优化的内容主要是通过对基础结构、屋盖系统结构方案、维护系统结构方案等其他结构综合进行设计的过程。在整个过程之中强调的是一切从实际出发，紧贴工程进度、发展的实际情况，以控制工程造价成本为中心的结构优化设计理念。

1.2建筑结构设计优化方法的实践价值

与传统的设计相比，在设计中采用优化方法可以使建筑工程造价降低5%~30%，可以尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度。结构设计优化方法的应用能充分利用材料性能，对结构内部的各个单元进行协调，规范建筑结构安全度，为建筑整体布局提供合理决策。

2结构设计优化方法在建筑结构设计中的步骤

(1)整体优化模型

房屋结构设计优化方法一般从三个方面展开。第一，选择设计变量。在设计过程中将所要选择的描述结构特性的参数确立为设计变量，比如目标控制参数和约束控制参数。而将那些变化范围不是很大或者对设计要求而言局部设计考虑就能满足设计要求的参数确立为预定参数，这样做可以大大减少计算、编排、设计的工作量。第二，确定目标函数。寻求一组可以满足预定条件的钢筋截面积和截面几何尺寸以及是小概率，已达到总费用最小。第三，确定约束条件。房屋结构设计的约束条件包括强度和稳定约束、截面尺寸约束、结构整体约束、构建单元约束、正常使用状态下的变量从上限到下限的约束条件等。在设计时，若要使结构设计优化方法应用于实际房屋工程，则必须通过建筑结构设计中实际约束条件与目标约束条件相比较，保证每项约束条件都能符合规范，实现最优。

(2)设定优化设计计算方案

由于房屋结构设计中适用性优化问题较为复杂，属于多变量、多约束非线性优化问题，所以在计算当中，通常是将有约束优化问题转化为无约束来求解。其中可以利用的结构优化设计计算方法有拉式乘子法、复合形法等。

(3)进行程序设计

根据在以上整体优化模型和选择优化设计计算方案的基础上进行编制，做出功能齐全、运算快速的综合程序。

(4)结果分析

在得出计算结果后，对结果进行分析，最终确定理想的优化设计方案。

笔者以上叙述了结构设计优化方法在建筑结构设计中的步骤，考虑到建筑工程投资数额巨大，涉及范围较广，所以在具体执行过程中应当从多角度全方位的考虑问题。正确处理技术与经济之间的关系，不能仅仅为了节约资金就忽视建筑结构设计优化技术、方法。在设计中不但要保证技术上的合理要求，还应控制投资不被浪费。

3结构设计优化方法在房屋建筑结构设计中的应用

结构设计优化方法在实际应用中主要是在不改变房屋建筑使用性能的前提下，利用结构优化设计技术达到降低工程成本、提高经济性的目的。一般应用在建筑的整体设计、前期设计以及抗震设计等各个阶段，在以下笔者分为三方面逐一进行论述。

3.1结构优化设计方法应注重前期参与

房屋建筑项目属于长期的投资计划过程，所以说在实际当中非常容易受到影响，故而前期方案就显得尤为重要。目前存在的主要问题就是设计人员在前期方案阶段忽视结构设计优化方法，在设计中不考虑建筑结构的合理性，这样持续下去在后期必然会因为增加结构设计困难而加大成本投入。要知道前期方案的确定的好会会直接影响到总投资成本的高低，所以在前期方案阶段使优化设计参与其中，能够有效避免投资过多所造成的浪费。

3.2概念设计优化方法在建筑结构设计中的作用

对于同一建筑工程结构设计方案在结构优化设计方法的布置上均会出现多种不同的情况，即就是几经确定了建筑物的结构设计布置，在不同种荷载情况下也存在着不同的分析方法。而且在分析的过程中，设计的参数、材料、荷载、承载能力的取值都不是唯一的。尤其是建筑物细部结构问题的处理更是复杂多变。应对以上问题要想单纯利用计算机是无法实现的，作为工程设计人员就必须根据自己的判断展开设计，但是这种判断只适用于一般规律指导下进行，所以说概念设计优化方法在没有具体数值量化的情况下作为辅依据，可以避免设计偏差，从而达到最佳效果。

3.3概念设计处理的实际建筑工程结构设计问题

在这一问题上我们所希望的是通过概念设计，能使房屋建筑工程结构在遭遇各种外力作用下不受破坏会将破坏程度降到最低，因此对可能遭遇的破坏因素进行分析就显得尤为重要，这里必须提到的一个因素就是地震，因为地震无法预测而且破坏力极强，所以在对房屋结构的设计中就应当考虑到工程区域在历史上的地震活动情况和自然灾害发生情况，根据这些未雨绸缪，从计算及构造等各个方面入手采取一些提高抗震、抗灾害的措施办法。若要构建这样的结构优化设防思想，就必须把概念设计作为重点。

4结束语

综上所述，可以说对房屋结构设计中的建筑结构设计优化方法的研究是一项非常复杂的综合性问题。我前边增提到，安全、适用、经济、美观、便与施工等五种效果是房屋设计优化的原则，但是这五种效果之间又相互独立、相互矛盾。所以尽管在结构优化技术已经广泛应用的今天，如何使这五种因素更好的融合仍然需要我们在以后的应用实践中多探索、多积累，达到一种用最低造价实现最佳效益，既美观又合理，鱼和熊掌兼得的设计效果。

参考文献：

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海.同济大学出版社.2008，34-36.

篇10

随着经济的发展，人们的生活水平也得到了一定的发展，居民对于购房过程中逐渐考虑多方面因素，无论是安全性还是经济性和外观设计，都成为了主导消费者选择的因素。因此在建筑结构设计中，不仅要对施工过程是否合理进行考虑，还要实现对设计方案的不断优化，从经济型以及安全性和外观设计等方面提高建筑的基本价值。文章对建筑结构的设计优化方案在房屋结构设计过程中的作用进行研究分析，希望能够更好的促进我国建筑设计者的创新意识的发展。

1结构设计优化方案的理论分析

站在理论层次来看，在进行结构设计优化的过程中，要充分考虑到安全性以及可靠性在建筑整个过程的发展和体现。与此同时，还要尽可能的保证建筑物的设计美观和结构合理。因此要想达到这些目标，需要不断的对结构设计方案进行合理的分析设置，并对计算方式进行合理的选择，以便能够更好的满足当前的既定目标。在实际设计的过程中，想要对房屋工程结构进行优化，就需要从围护结构以及屋盖系统和其他细节部分进行考虑。采取合理的方法对其造价以及结构进行整理的安排优化，不断实现经济性以及安全性目标的达成。为了更好的适应时代的发展需求，建筑结构的设计中要充分创新，不断提高设计的特殊性以及新颖性。从对称性以及独特性的角度出发，对建设设计方案进行不断的修改完善，并运用实际所学知识来实现对构架的合理布置，避免使用转换层机构。对不规则建筑设计的原则要进行恰当的处理与使用，从根本上完善设计方案，实现设计过程的整体优化。

2结构设计优化技术具体运用

2.1建立优化结构相关模型

在对房屋结构设计中，要充分对建筑结构设计优化方法进行使用。在具体实施的过程中，可以从三个步骤来实现最终的设计优化目的。（1）对设计变量的选择。在进行设计变量的选择过程中，要对影响建筑结构的相关参数进行系统的研究分析，并进行综合考虑选择。将对建筑结构影响的参数作为当前模型中的设计变量，这些变量主要包含损失的期望值以及结构的过后家和约束控制的相关参数等，最大程度的保证设计便变量选择的合理性。（2）确定目标函数。在进行实际优化的过程中，除了对必要的参数进行选择之外，还需要寻找到一些相关条件来实现对工程造价的降低，而这些条件主要包括相关建筑截面的具体尺寸以及钢筋的截面积等。（3）确定相关约束条件。在对房屋结构设计优化过程中，要保证房屋结构设计的合理性以及可靠性，确保相关的设计条件能够得到满足。而设计优化过程中的约束条件主要有裂缝宽度、结构强度、应力约束以及结构体系约束和尺寸约束等，在进行结构设计的过程中，要充分的对目标约束条件与实际情况形成对比，确保约束条件能够满足相关的规定要求，从而力求设计达到最佳。

2.2选择合理的优化计算方案

在进行方案设计的过程中，设计者要充分考虑当前的施工过程中的内部和外部环境，确保各种因素能够在可行的范围之内。借助对约束条件以及非线性优化问题等的具体研究和分析，最计算方案之中选取最适合当前施工状况的方案，从而确保方案设计更具有合理性。而在对设计方案进行优化的方法选择中，拉氏乘子法、复合形法以及Powcll法使用相对较为频繁。

2.3对程序问题进行设计优化

在对房屋结构设计的优化过程中，通过确定设计变量以及目标函数和约束条件从而实现对计算方法的合理选择，最终不断的实现对房屋结构设计的优化活动。而在优化过程中，还需要对对相关程序进行创新设计，以便于能够更好的对设计过程中出现的任何一个问题进行运算，确保设计方案的合理性。

2.4结果分析

在进行计算的过程中，要对计算结果的合理性进行再次的分析研究，最终来选取适合相关房屋结构设计的方案。在方案选取的过程中，要对能够产生影响的诸多因素都考虑在内，并且从多角度来看待这些因素所产生的问题，这能够更好的促进设计优化的作用，从而确保设计方案的合理性以及安全性。在施工问题上，设计方案能够更好的优化当前资源使用的程度和效率，确保资源不被合理的浪费的同时又能够保障相关技术支出不受缩减，其能够起到一个整体的统筹作用。

3结构设计优化技术的实践应用

在对于项目工程设计的过程中，无论前期设计还是后期设计，无论旧房改造还是抗震设计，结构设计优化技术运用在工程的每一个环节之中。因此，在结构设计过程中，要合理的选择结构的形式以及对设计方案进行深层次的优化，将概念设计和细节设计相结合，从而实现对方案最终的优化；在结构设计优化技术的实践作用之中，要充分将其运用在对地基基础的设计问题上，其能够更好的帮助房屋建筑实现安全性和可靠性，确保房屋建造的质量。

4结束语

分析建筑结构设计优化方法，可以得知，其对于房屋结构设计的作用是无法取代的。因此，选择合理的优化方案能够保证房屋建设在达到相关建设标准要求的基础上实现经济最大化。建筑结构的设计优化是一个相对复杂的概念，只有不断的加强研究和分析才能够更好的实现其在现实生活中的运用。文章在对建筑结构优化设计过程以及问题等多方面分析角度下，希望能够给相关的设计人员带来一定思考和启发，从而提高建筑结构的优化方案设计，实现房屋建造的安全性以及稳定性。希望文章对建筑结构优化设计方案的论述，能够促进读者对这一概念的更好的理解和思考。

作者:郭睿 单位:中铁工程设计院有限公司

参考文献：

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中图分类号：TU318文献标识码： A

一、建筑结构设计优化的重要性

在房屋结构的设计中，采用合理的建筑结构方案，不仅能够实现建筑物的实际使用价值，而且还能够很好地实现建筑物的经济价值和环保价值。通俗的讲，好的结构方案不仅可以在最大程度上为建设单位减少资本投入，带来更多的经济效益，而且还可以科学有效地保护建筑施工场地的生态环境，从而实现建筑经济利益与环境保护相结合的模式。因此，合理地使用建筑结构优化技术能够更好地实现建筑的综合效益。建设单位从事建筑开发的基本原则就是在最大程度的减少资本投入、减少建筑材料使用的基础上，实现建筑的高质量和长期使用【1】。建筑只有在保证良好质量和长期使用的前提下才能够实现建筑美观、耐用、新颖等特点，从而满足不同人群的需要。与传统的建筑结构设计方案相比，建筑结构设计的优化可以有效地降低建筑结构成本投入。其采用的结构设计优化措施可以科学地实现建筑施工过程中各种资源的合理配置，以及各项建筑材料的充分利用，并且更好地协调建筑空间布局，使得建筑空间布局能够有效的结合，共同发挥其使用功能。因此，合理的利用建筑结构优化技术，在确保建筑安全性能的前提下能够充分的体现出建筑结构创新性。此外，这种技术还能够帮助结构设计人员选择最为合理的设计方式。

二、建筑结构设计优化的理论体现

在进行建筑结构设计时，我们不仅需要考虑其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，还需要考虑建筑本身的美感与艺术感，这就是结构设计优化的相应体现。从理论上对建筑结构设计的相关优化方式进行分析，我们可知，建筑结构的的设计优化方式在现实应用中，主要体现在建筑结构整体的优化和建筑结构分层的优化上。对于建筑结构整体的优化，我们不仅应尽量减少结构质量中心和结构刚度中心的相关性差异，而且还应保持建筑结构的对称性和规则性，但是这些结构设计的理念同时应满足建筑设计师的设计要求。对于建筑结构分层的优化，在满足建筑本身功能的前提下，竖直方向应尽量让同一方向的竖向承重构件达到上下相通，而且为了减小在结构设计上的难度，宜尽量避免转换层结构的使用。在竖直方向的设计还应充分考虑刚度的相关要求，刚度的变化应保持均匀性而不是突变性，否则一旦出现刚度的突变会严重影响建筑结构在抵抗水平方向上的荷载作用性能。

三、建筑结构设计优化的方法

1、优化结构设计模型

建筑结构的优化可以分为以下几个阶段:

1.1 对变量的选择。一般情况下，建筑师决定的最终建筑设计方案起到重要的作用，这些重要的建筑数值均可以作为变量供建筑设计人员进行选择。例如:工程参数的参考，包括对房屋价格的参考、对于其损失的参考等等。设计人员若能够将变化幅度较小或考虑因素较少的参数作为设计的参考，建筑结构的设计和编程难度将会大大降低，设计人员也能够更快的找到最符合设计目标的数据【2】。

1.2 对函数的确定。设计人员要选择出最符合配筋率和房屋结构构件尺寸的一组函数，进而在最大程度上降低建设成本。

1.3 对施工条件的衡量。想要进一步确保建筑结构的稳定性，就需要从房屋的受力限度、变形限度、结构的稳定性、房屋结构构件的尺寸、结构构件裂缝的限度、房屋的结构体系等方面考虑。在实际的建筑结构设计过程中，设计师应该结合建筑使用方案和房屋的施工条件，分析出实际设计中存在的约束性条件，并且要确保解决这些约束性条件的方案要符合我国现行的规范规定，以保证建筑结构的设计结果达到最优。

2、科学设定优化设计的相关方案及应用程序

首先，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化通常都具有很多约束条件，有时会遇到非线性的相关优化问题。所以在相应的计算中，会进行相应的转换，将有约束的优化转化成无约束的优化，而相关的计算、方式有拉式乘子法、powell 法等。其次，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化基本模型，以及在设计时运用的相应的计算方式，为了可以更好地实现其效果，能够将这些编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施。

3、对统计结论进行分析

设计人员在进行了各种计算之后，要对统计结果进行认真的分析，并且找出各个设计方案中不同点和相同点，并且结合总体的设计情况和进展选择最佳的设计方案。设计人员在进行结论分析的时候，要注意不要遗漏一些细节问题。房屋的建设与设计是一项耗时长、成本高的项目，它不仅涉及到建设单位的利益，也涉及到了房屋使用者的利益，设计人员在把握细节的基础上，要注意从宏观上把握住当事人的利益，这样才能够有效的节约建设成本，进一步优化建筑结构。在进行建筑结构优化的时候，设计人员不仅要避免追求片面的利益，还应该避免为了追求设计创新而忽略了建筑实际情况。

四、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用分析

1、对建筑主体上部结构进行的科学性优化

房屋建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。整个过程第一步就是先合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的布置是均匀的，这样使楼层平面刚度的中心点重合于楼层平面质量的重心，从而减少地震作用及风荷载等对其的破坏性。在房屋结构设计时，如果条件允许，应尽可能地对剪力墙进行大开间的布置，加长剪力墙的墙肢长度，这样既能减少墙肢的数量，还能在符合规范的条件下减少混凝土的使用量。另外，剪力墙内的暗柱一般都设置了钢筋，如果采用较大的剪力墙就可以减少相对的钢筋使用数量，从而相应减少的材料成本。然而如果建筑的本身不具有相应的条件，而且对于抗震抗压的要求较高，就不得开间过大的剪力墙。

2、房屋建筑的整体性与局部性优化

建筑在设计过程中都应具备相应的层次性和复杂性的特点。从层次性角度来讲，建筑体系包含着建筑整体设计体系、结构相关体系及安装体系等，每一个单独的体系又包含了众多的下属体系。在对房屋进行设计时，设计者要对每一个下属系统地进行相应的优化，冲破关联的横向性，实现叠加型工程;对于复杂性角度来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的零部件等。因此在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现结构整体的设计优化。

3、结构优化与建筑优化保持协调

对于结构设计既要保证结构的整体性，又要与建筑平面功能紧密配合，这样才能实现建筑本身的功能与结构相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证平面简洁，墙体与立柱不能有错位的现象，高度与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而更好地降低自重。对于结构整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。

4、直觉优化技术与建筑结构设计

即使对于同一个建筑方案，结构布置方面也可能存在诸多的差异。建筑结构的布置如已经确定，即使荷载情况是完全相同，也可以将差异化的分析方法给应用进来。在分析过程中，也可以采取差异化的设计参数、材料和荷载的取值，对于建筑结构的细部处理，更是存在着诸多的差异。现在建筑结构的计算大多都是靠计算机来完成的，但很多问题都是计算机无法完全解决的，那么就需要靠设计人员进行科学的判断。在判断的过程中，需要严格依据结构设计的一般规律，总结过去的工程实践经验，这也就是我们所说的概念设计。因此，设计师在选择多种备选方案的过程中，就需要应用到概念设计。

5、建筑寿命优化与阶段性优化。

在建筑的使用年限内，需对建筑每一阶段进行相应的结构方案优化。房屋结构的设计者要考察各个阶段的特点，根据实际情况进行优化方式的确定，从而对工程的整体寿命进行科学的优化。这样，既保证了建筑产品质量，又提高了建筑企业的经济效益。

结束语

综上所述，建筑结构设计优化对于整个建筑工程的质量与美观都有着重要的促进作用，建筑结构设计优化方法在房屋建筑结构中的应用，在很大程度上促进了建筑结构设计的科学性和合理性，因此，有必要不断加强建筑结构设计优化方法的广泛应用。

参考文献：

[1]王也. 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 中华民居(下

旬刊),2013,03:81-82.

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随着人们生活品质的不断提高，对建筑结构设计的要求也日渐高涨。建筑结构在设计优化时尚有不少问题需考虑，针对此，该文通过论述优化设计的要求，介绍一些建筑结构优化设计的改进思路和对策。

1房屋结构整体设计优化概述

房屋建具有很强的系统性，各种结构的优化设计也往往需要涉及多方面内容，从宏观的角度来看，对于房屋建筑结构的设计优化可以大致分为整体结构和局部结构两种，其中，整体结构设计主要包括以下内容：（1）对房屋建筑的基本结构进行优化；（2）对房屋建筑的顶部结构进行优化；（3）对房屋建筑总体维护、细节架构等系列问题进行优化；

在明确房屋建筑结构设计的优化的目的基础上，工作人员应充分利用有限的空间资源，有效控制资金损耗，加强提高建筑材料和器械的使用效率，让房屋建筑更加安全可靠。根据以往的统计数据，通过房屋建筑设计优化之后，工程损耗可以降低5%～30%左右，因此，在房屋结构设计当中，对建筑结构设计的优化无疑具有非常显著的社会与经济效益，只有采取积极主动的优化态度，才能让房屋建筑可以更加的经济、实用，使现有资源的使用效益实现最大化转变。

2 住宅建筑结构设计优化的作用

建筑结构设计过程中，首先需要解决的问题就是建筑结构如何满足效益的长远化，在这个问题得到有效解决的基础上，再对建筑结构设计的合理性与经济性做到尽可能的优化。与传统建筑结构设计理念相比，当前所采用的建筑结构设计方法在建筑结构设计中的有效应用，能够有效降低工程成本，一般能达到10%到35%的效果。其次建筑结构设计优化方法的应用，还能够做到对建筑材料有效性与利用率的最大程度发挥，能够让建筑物的各个空间与整体能够达到相互协调的效果，并能够满足质量安全管理规定的要求。另外，建筑结构设计优化方案的应用，还能够对建筑物的原先设计起到完善的作用。所以，建筑结构优化方法对建筑结构设计起到重要的作用。

4 住宅建筑结构设计优化的方法

住宅建筑结构设计优化是要通过对拟建住宅进行模型的优化、计算方法的优化、并在计算和模拟的基础上制定有效的结构方案，再进行验证。

1. 结构优化模型的建立

在进行结构优化设计的过程中首要的问题是要根据实际的结构特性设定成为相关的结构设计参数，主要的有目标控制参数和约束控制参数。对于那些变化范围比较小的，且在结构的局部加强就能满足要求的部分参数，将其确定为预设参数，从而减少计算的工作量；对于目标函数，是要找到一组可以满足预定条件的钢筋截面积和截面的几何尺寸，目标是要让总造价最小。对于约束控制函数，包括前度和稳定约束、截面尺寸约束、结构整体约束、构建单元约束、正常使用状态的上下限约束条件等。参数的设计必须要与实际情况和规范相符。

2. 结构优化设计的计算方法

在结构优化设计计算方案的确定上，考虑到建筑结构的复杂性带来的变量多、约束条件多且非线性，因此在计算过程中，一般的做法是先将有约束的优化问题转化为无约束条件再进行求解，可选用的计算方有拉式乘子法、复合形法等。结构选型、尺寸和参数设计完成后，在计算方案的基础上设计优化程序。并在得到计算结果后，对结构进行综合分析，最后确定最合理的结构优化设计方案。

5 住宅建筑结构设计优化的应用分析

建筑结构的优化设计要在保证建筑使用功能的条件下，利用结构优化设计技术达到提高结构安全度、降低工程造价、提高经济性的效果，也就是要贯穿建筑的整体设计、前期规划及抗震设计等阶段。

1. 结构优化设计的前期参与

建筑是相对长期的投资，常见的建筑使用年限均在 50～100 年间，这就要求结构能够保证在设计使用年限内，建筑能够保持基本的使用功能、良好的空间环境。因此，要在建筑方案设计初期就加入结构优化的考虑。这样可以有效避免出现结构不合理、工程造价高等问题。也就是说，在建筑方案的设计初期就加入结构的优化设计，是提高建筑利用率的有效方法。

2. 结构的概念优化设计

一幢建筑的完成，可以有不同的结构设计方案；另外，对于同一种结构布置方案，采用不同的结构荷载、材料和分析方法，参数的取值也是有较大区别的。这些是通过计算机无法实现的，需要结构设计人员作出合理的选择，根据工程实践经验来进行参数的确定。通过概念优化设计，可以预算建筑结构在各种外力荷载的作用下的内力分布，以及将所有不利的荷载集中加载时可能出现的破坏形式等，如建筑结构在地震荷载作用下的破坏情况等，得到预算结果后，就可以作为结构设计的有利参考资料，采取有效的结构方案，选用有利的建筑材料和构造形式，从而降低刚度不均匀、结构的不对称等对抗震不利的结构设计。因此，结构的概念优化设计在自然灾害发生时，显得尤为的重要。

6 住宅建筑结构优化技术的应用需注意的问题

6.1 房屋建筑机构优化技术的应用需注意到前期的参与

房屋建筑前期的设计方案直接影响建筑项目的成本，但是很多前期方案确定中却不包括结构优化设计技术，以致相关的设计人员在进行房屋建筑结构设计时，常常忽略建筑结构的和理性和可行性，这样不但增加了机构设计的难度，而且使房屋建筑结构的设计成本也相应增加。因此，设计人员在前期设计时要充分的融入优化设计方案，节约建筑成本。

6.2 设计人员要注重细部优化

设计人员在注重整体设计的同时，还要加强对结构基本构建的精细设计。如尽量划分矩形板块的现浇板设计，增加现浇板的受力程度和避免出现拐角裂缝。随着计算机技术和优化设计理论的相互结合，优化设计已经从工程实践问题逐渐向数学问题过渡，因此，工程设计人员还要加强自身基于计算机技术的优化设计分析，使自身的设计更为合理和科学。

7 结语

结构优化设计是一个全面、综合的课题，需要周密的部署并且严格的实施结构优化设计的首要任务是在实现建筑工程的基础上，保证建筑的舒适度好的结构设计能够给企业带来可观的经济效益，而结构安全更是生命恢关的大事我国规范明确规定，在进行结构设计时要避免薄弱环节，确保结构设计中计算出的理论值与实际相符合，并确保建筑材料的安全可靠结构优化设计过程非常复杂，因此要选取最优的方案根据具体的工程结合设计经验对工程进行合理的分析，确保工程的安全和经济效益结构优化设计能够加快设计进度，节省工程造价，全面提高工程的质量与安全因此，必须加强人们对于建筑结构优化设计的重视不断提高建

筑的使用价值，最大限度的增加结构优化设计的时效性。

参考文献

[1]孙大伟，陶志军.浅析建筑结构中的优化设计与应用[J].科技创新与应用，2012（23）.

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中图分类号：TU318文献标识码： A

引言

传统的建筑结构优化设计大部分都是以建筑造价为根本进行控制，而随着人们对建筑的实用性及整体效果要求的不断增加，建筑使用的方便性以及整体效果如今已经成了人们关注的重点。建筑结构设计优化的理念应注重实际为主，其内容就是对建筑方案、建筑结构含楼盖结构、基础结构以及围护系统结构等环节，建立起一种P于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干P键参数的科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化方案。

一、建筑结构设计优化的内容及意义

1.1建筑结构设计优化的内容

建筑结构设计优化主要体现在两个方面，一是对建筑工程总体结构进行优化设计，二是对建筑工程局部结构进行优化设计。其中，建筑工程局部结构的优化设计对象主要包括以下几点：1）基础结构方案；2）屋盖系统方案；3）围护结构方案；4）结构细部等。对上述对象进行优化设计时，通常还会涉及选型、受力分析以及造价分析等诸多内容。总之，对建筑结构设计进行优化的过程中，不仅要严格依据设计规范执行，还应充分结合建筑工程的具体情况，最终提高建筑工程的综合经济效益。

1.2建筑结构设计优化的意义

1.1节省工程造价

建筑工程造价中建筑结构的成本大约占到总造价的50%，对建筑结构进行优化设计可以在很大程度上降低工程总造价，节约工程造价成本。建筑结构优化设计能有效的节省房屋建筑的投资成本，具有巨大的经济价值。

1.2提高工程质量

目前设计单位的水平整体都在不断提升，但是首先很多工程师成本控制意识低，忽略对建筑工程的成本造价控制，只追求高的安全系数，从而造成设计过于保守；其次，没有相应的责任制，设计人员缺乏责任心，对建筑结构的设计概念不清楚，一味的使用计算机而不是大脑来进行计算，常常导致计算不合理或者与工程实际不吻合等等错误，使之结构设计存在安全隐患或者较大的浪费；另外，设计人员与建设单位的沟通不到位，没有完全理解建设单位的建造用途及建筑功能，进而造成建筑产品不能满足建设单位的需要。

据统计因为在设计过程中，设计质量差，造成功能布置不合理，相P专业工程师没有相互沟通，导致经常出现在施工过程中进行修改及返工现象，导致施工工期不能控制。同时因为工程质量差，工程存在安全隐患等问题，造成投资的巨大浪费。通过建筑结构设计优化可以有效的提高工程设计质量，降低安全隐患，减少投资浪费。

1.3建筑结构优化设计的社会意义

国家的宏观调控力度在不断的加大，原材料的价格在不断的上涨，从而在建设的前期挖掘潜力，节约建筑造成成本、科学的优化设计，有利于节约建筑的原材料、保护环境，符合国家“低碳、节能、环保”的理念，利国利民。

二、建筑结构设计优化方法

建筑结构设计优化是要通过对拟建项目进行模型的优化、计算方法的优化，并在计算和模拟的基础上制定有效的结构方案，再进行验证。

（一）结构优化模型的建立

在进行结构优化设计的过程中，首要的问题是要根据实际的结构特性设定成为相关的结构设计参数，主要的有目标控制参数和约束控制参数。对于那些变化范围比较小的，且在结构的局部加强就能满足要求的部分参数，将其确定为预设参数，从而减少计算的工作量;对于目标函数，是要找到一组可以满足预定条件的钢筋截面积和截面的几何尺寸，目标是要让总造价最小。对于约束控制函数，包括前度和稳定约束、截面尺寸约束、结构整体约束、构建单元约束、正常使用状态的上下限约束条件等。参数的设计必须要与实际情况和规范相符。

（二）结构优化设计的计算方法

在结构优化设计计算方案的确定上，考虑到建筑结构的复杂性带来的变量多、约束条件多等情况，因此在计算过程中，一般的做法是先将有约束的优化问题转化为无约束条件再进行求解，可选用的计算方有拉式乘子法、复合形法等。结构选型、尺寸和参数设计完成后，在计算方案的基础上设计优化程序。并在得到计算结果后，对结构进行综合分析，最后确定最合理的结构优化设计方案。

三、建筑结构设计优化设计的应用

4.1建筑结构设计初期的方案计划决定着施工建筑的总投入，现实中的问题是初期方案计划制定时建筑设计人员并没有积极参与，建筑施工中也没有考虑房屋结构优化的科学合理性，致使建筑结束后对房屋结构设计优化思想产生了约束，从而加大了建筑结构优化设计的技术难度，同时增加了建筑的投入资本。假设在建筑投建初期就与房屋优化设计相结合，就会根据需要建筑的结构选择科学的优化方案，减少不必要的成本投入。

4.2在进行建筑时候，有一些情况是不能使用具体数据进行施工建筑的，这种情况我们可以植入概念性设计理念。利用概念性设计理念针对相同的房屋建筑方案，能够产生不同的建筑结构设计 把建筑结构设计确定之后，相同荷载的情形下也会出现不同的方式进行分析。进行分析的时候所应用的材料、参数等不具有唯一性，细部的结构设计也会不一样。以上这些情况也是没有办法使用计算机处理的，需要设计人员进行概念性判断。

4.3虽然需要进行概念性结构设计的问题很多，但是都是期望能够借助概念性结构设计，使房屋建筑体在种种不能预料的外在作用时不会受到损害，或者是最大限度的降低损害程度。最难以掌控的是地震损害，地震造成的损害也是最强烈的。因此，进行房屋结构设计时就应该充分考虑这个因素，房屋施工中保持均匀的刚度，对称的设置都是能够降低地震对房屋造成损害的重点，房屋结构在地震破坏中避免脆性损害的关键设计是延性的结构设计。还有针对现浇板的拐角位置容易发生裂缝的现象，可使用矩形状的现浇板替换，房屋钢筋的使用也是关键，分析钢筋的不同功效，结合经济使用的思想，冷轧钢筋可以用作现浇板受力钢筋。

结束语

建筑物的增多，导致土地资源有限，土地的价格越来越高，从而导致了建筑商的建筑成本也越来越高。降低建筑成本是建筑商首先考虑的方法，对于控制建筑成本，结构优化设计思想是目前国内外比较有价值的一套理论系统。要科学合理的对建筑结构进行优化设计，使其在建筑业的发展中发挥更好的作用，降低建筑成本。通过概念设计、正确的计算及合理的构造措施来保证，设计要在实践过程中不断的研究、探索和创新，使其经济性和适用性的目标得以实现。

参考文献