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結構優化設計是最近30年來才發展起來的一個新的技術，這是結構上的一次重大的飛躍，它讓設計者們從被動的狀態變為了主動狀態。優化設計能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結構內的每一個單元都能夠很好的協調在一起，并且保證安全度是完全達標的。于此同時，它還能夠幫助整體性的方案設計進行一個非常合理的決策。結構優化設計從出現到現在已經有40多年的歷史了，而在過去的30年內，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進展。這些進展大部分是與連續變量優化設計相關的，另外少部分是與離散變量優化設計相關的。

1.結構優化設計理論

1.1 截面優化

截面優化的設計變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對結構的位移與應力進行計算時，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當的數學規劃方法便能夠完成截面優化的過程，而不需要對網格進行重新劃分。對于幾何狀態一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質發生改變的時候才重復地進行。對于板這類有連續性結構的東西，也只需要把各個單元的厚度作為設計的變量，得出的優化結果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優化設計的過程當中，設計變量和剛度矩陣一般情況下是簡單的線性關系。所以，截面優化應該重點研究優化算法與靈敏度分析。

1.2 形狀優化

形態優化的主要特征是在結構給定的前提下通過對結構的邊界形狀或內部的幾何形狀進行調整來節約材料并且對結構的特性進行改善。從對象上劃分，形狀優化主要可以分為塊狀、板狀的連續體結構與桁架類的桿系結構。對于桿系結構形狀進行優化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統一起來同時進行處理，運用無量綱化，然后構造近似數學模型進行求解。第二類是分步優化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個設計空間，然后分別對這兩類變量進行優化，也即是每一步將一個變量固定，同時優化另一個變量，兩步之間通過迭代進行協調。

1.3 拓撲優化

拓撲優化已經成為了現今結構優化設計研究的一個焦點，因為它可以在工程結構設計的最初的階段便為設計者提供一個概念性的設計，讓結構在布局上運用到最好的方案，這樣，拓撲優化就比截面優化和形狀優化能夠獲得更大的經濟效益，也更容易受到工程設計人員的親睞。拓撲優化的目的是在設計空間中尋找結構的剛度最好的分布形式，從而來對結構的一些性能進行優化或者減輕結構的重量。

2.結構優化設計方法

2.1 數學規劃法

數學規劃方法的提出開創了現代結構優化的新時代，將優化問題轉化成數學規劃的形式求解也就是將問題轉化為在設計的空間中，在一定的可行域內尋找最小目標等值面上的可行的點，這個點也就是問題的最優解。數學規劃法有非常嚴格的理論基礎，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達，而且大多數情況下還要求設計變量必須是連續變量，目標函數是連續的而且性態要良好。對于大型的結構優化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數比較多，這樣就加大了結構分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規劃方法的計算的效率。

2.2 最優準則法

直接地使用數學規劃理論需要多次地調用函數進行計算，而且當設計變量增加時調用次數也會迅速增加，導致設計的效率太低，在這樣一種背景下便出現了最優準則法，它是最先發展的一種結構優化設計方法。這種方法雖然計算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設的限制。

2.3 仿生學方法

近年來，對自然界進化進行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結構算法，主要又可以分為：進化算法、神經網絡算法與模擬退火。

結語

結構優化是一門綜合性的學科，也是一個有很大發展潛力的研究方向，它具有一定的理論價值與應用價值。在理論上，它對結構設計提出了一個新理念，極大地促進了人類資源的合理配置。于此同時，結構優化問題的本身也帶動了一些相關性學科的發展，對各個學科的發展提出了一些新要求。本文對結構優化的一些優化方法進行了簡要的概括。截面優化相對來說已經比較完善，形狀優化也漸漸地變得成熟，只有拓撲優化至今還處在理論探索的階段。

參考文獻

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隨著我國經濟的持續發展，房屋建筑業也取得了很大的成就。房屋建筑離不開基本的房屋結構設計，一個好的房屋結構設計不僅可以減少建設單位的建設成本，同時還可以提升使用者的切身利益。在市場競爭異常激烈的今天，優化房屋建筑結構才能有效的控制建設成本，才能給建設單位帶來良好的品牌效應，才能順應經濟發展潮流。因此，在房屋建筑中使用建筑結構優化方法有著重要的意義。

一、建筑結構優化設計方法概述

傳統的房屋建筑已經不能滿足新時期人們對于居住條件的要求，因此，在房屋建筑中運用建筑結構優化設計將房屋的實用性、安全性、美觀性相結合是如今房屋建設企業的必由之路。在新時期的房屋結構設計中是追求適用、經濟、安全、美觀以及便于施工五種效果的綜合。而這五種要求又相互影響甚至會出現相互矛盾的問題，這就需要運用到房屋建筑結構優化設計方法來最大程度的提升有限空間，有限資源。在綜合五種要求的情況下，選取最優方案，實現經濟化，實用性，適用性的良好目標。

二、建筑結構優化設計的意義

1、提高房屋建設企業的經濟效益。經濟的持續發展使得人們的生活水平也越來越高，土地的價格也隨之上漲，這也勢必影響房屋建設企業的成本上漲。市場競爭日益激烈，如何在穩定成本的基礎上建造出有美觀耐用的房屋也是建設企業值得思考的重大問題。因此，這就需要房屋建筑結構的改革，優化建筑結構設計，有效的提高房間的空間利用率和資源的使用率。在建設過程中對房屋結構進行優化改革，精簡建造工序，減少資源浪費，有效的降低施工過程中的難度，這樣不僅可以提高企業的經濟效益，有效的控制成本，同時還能滿足新時期人們對于房屋的需求。

2、提高房屋建筑結構的實用性。近年來，由于我國對于房產需求的劇增，房屋建筑行業也得到了快速的發展，房屋建筑結構也越來越有特色。在保證美觀，安全，經濟的同時，我們不能忽略了一個最基本的要求，就是實用性。新時期人們對住房要求越來越高，好的房屋格局，實用便利的住房條件是人們選擇房屋的基本條件，在有限的空間和有限的資源下，將房屋的實用性得到最大發揮，這就需要房屋結構優化設計的辦法進行改良。因此，房屋結構的優化設計將人們對于房屋安全、美觀、實用等要求結合起來，不斷的房屋結構進行優化與改良，滿足人們的各項需求。

三、建筑結構設計的標準與原則

所謂房屋建筑設計就是對房屋建筑過程規劃、設想的過程通過視覺感官的方式描繪出來。設計的優劣直接導致房屋質量的優劣，因此，在設計過程中就要求房屋建設企業重視房屋質量，優化房屋結構。在設計過程中考量多方面因素，除了對房屋本身的材質結構進行考量之外，還要結合當地的具體環境，地質要求等要素進行考慮。綜合各方面因素，對房屋建設做出科學合理的設計。

在設計過程中我們要遵守安全性、經濟性、合理性的原則。安全是房屋設計的重中之重，也是人們在住房選擇上最注重的要求，因此在住房結構的總體設計下也要注重各細節方面的安全性設計。同時，在住房設計上也要科學合理，房屋結構設計中各環節是相互影響相互制約的，只有保證房屋建筑的科學性和合理性，才能提高房屋建設企業的經濟效益，才能保證房屋的結構優化。

四、房屋建筑結構優化的應用措施

1、選擇科學合理的結構形式和設計方案

房屋建造初期選擇好的設計方案直接關系到企業的總投資成本，房屋的建筑進程以及房屋建成質量等重要問題，所以說，好的開頭是成功的一半，由此可看出，對于前期的方案選擇尤為重要。在設計時，融入房屋結構優化設計，就可以針對不同的房屋類型，建筑類別作出相應的合理的結構設計和調整。相關設計師通過房屋結構優化設計，在設計初期對建筑結構進行優化，減少建造過程中的困難度，有效的降低建筑成本和施工損耗，因此，建房初期選擇合理的設計方案在整個建房過程中有著重要的作用。

2、設計最優的計算進程

建筑房屋的設計過程是一項復雜的計算過程，在整個過程中涉及很多方面的系統程序。因此就要求設計師在進行計算的過程中，必須將附加約束條件轉換成不帶約束的條件，盡量提高計算過程的精準度。這樣一方面利于房屋建設企業在建設過程中的過程精簡，有效的降低了建造過程中的難度，另一方面，精準的計算過程也有利于房屋的建設和房屋的質量。同時，設計師在設計計算過程中也要充分考量現場施工的實際情況，根據當地的實際環境和建筑特點，制定出符合當地情況的建筑方案，因此，要求相關設計人員盡量選擇程序運轉效率高，功能完善的計算程序，一方面提高自身的工作效率，另一方面確保整個設計計算過程的進準度。

3、綜合分析計算結果，積極應用信息優化技術

房屋結構設計師一項漫長且復雜的過程，這就要求相關設計人員能夠與時俱進，通過現代網絡化技術的支持，運用網絡技術，提高數據整理的自動化程度，有效的減少設計過程中的人力和物力。而且通過網絡技術對于數據的準確分析，可以有效的節約建設過程的成本，同時為房屋結構的進一步優化提供了依據。利用信息化技術不僅可以有效的為企業節省人力和物力，還能保障設計過程的進度和質量。

4、在遵循科學的基礎上優化房屋結構設計

房屋結構的優化設計應建立在遵循科學的基礎上。在房屋結構設計中是追求適用、經濟、安全、美觀以及便于施工等要求是建設企業的重要任務。因此，為了將這些要求在房屋建筑是得到最大的發揮，就要求相關工作者不僅要具備非常豐富的技術知識理論，還要具備豐富的施工實踐經驗，在理論結合實踐的經驗中，對房屋設計及施工中的細節進行把握和裁決，確保房屋結構優化設計的實施，同時相關工作者也要掌握國家的質量標準和相關規定，嚴格按照國家標準進行工作。

結語

通過以上論述可知，房屋結構的優化設計方法在房屋建設中有著重要的作用，相關設計人員在確保建筑設施功能完善的同時，通過房屋結構的優化設計方法也可有效的降低建設企業的生產成本和精簡建設過程的難度。由此可看出，房屋結構優化設計不僅可以有效的提高建設企業的經濟效益，還能為居民帶來更多房屋戶型選擇。所以，在房屋建造過程中應該廣泛的應用到房屋結構優化設計的方法，同時大膽創新，探索出更為優異的房屋結構設計方案。

參考文獻：

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引言

目前，隨著社會經濟水平的不斷提高，土地價格也在不斷上漲。同時，人民對住房條件的需求也在不斷上升，因此，對開發商帶來的壓力也在不斷加大。為了實現房屋建筑經濟效益的最大化，就需要采用結構優化技術，在有限的空間內實現資源的最大利用。房屋結構優化設計是指，采取科學合理的設計理念和技術方法來設計房屋結構，以最小的工程報價來最大化整體的建筑收益，提高房屋的質量水平，使得企業也獲得較高的利潤等。

一、我國目前房屋結構設計現狀以及實施優化設計的原因

隨著我國經濟的飛速發展，人民生活水平的不斷提高，對住房建設要求也越來越高。同時，根據我國目前的基本國情，人口數量日益增長，住房面積需求量不斷加大。因此，我國現階段住房建設主要以高層為主。房屋的結構設計優化不僅能夠滿足當今大眾的需求，更能為投資者減少建筑成本。

房屋建設結構優化必須以建筑的安全性為首要原則，然后再進一步分析建筑方案，配合科學合理的設計理念，從而有效控制建筑工程造價，實現經濟效益的最大化。根據近些年的數據資料顯示，優化建筑結構設計可以為整項建筑工程節省30%-50%的費用。但是，在實際的設計過程中，方案設計受自然因素的影響很大，很難發揮出其本身的優越性。例如，工程設計階段，施工方過多的縮短建筑設計時間，從而使設計效果達不到理想的要求，在縮短工程工期的同時也降低了工程設計質量；建筑設計時，設計人員的經驗不足，專業知識不完備，對一些設計軟件掌握的不夠精通；一些設計者在設計建筑時過度的關注部分結構而忽視了整體方案等等，這些因素都會導致建筑結構設計的不夠優化。因此，房屋建筑設計者必須科學合理的分析整體建筑方案，并設計出最優的結構，才能實現經濟利益的最大化。

二、房屋結構設計優化主要體現在哪些方面

房屋結構設計優化主要是采取合適的方法以及科學的設計理念來最大化的達到房屋設計標準，如：房屋結構的合理布局、構件大小、結構框架等。鋼筋混凝土結構的優化設計的基本理念是將建筑的具體部件以及整體布局進行分析，而頂柱、體形、層高以及拉力構件等等都會影響建筑物的整體布局。建筑構件的布局、強度等級以及配筋構造都是建筑物具體構件的體現。綜合以上因素，建筑方案結構需要專業知識豐富且熟知設計規范的工程技術人員設計，而且在設計時必須充分考慮各構件直接的受力特性，從而選取最優的設計方案。

三、房屋結構優化設計技術

（一）優化技術的基本原則

在工程設計優化過程中，必須以工程設計和工程價值為基本原則。優化結構設計的最終目標是充分利用建筑材料，實現建筑構件利用的最大化。優化結構設計不僅遵守建筑設計規范，更實現了當今建筑的審美學和價值學。通過深化改善房屋結構設計，從而實現建筑功能更加協調完善，降低建筑成本，提高經濟效益。

房屋結構的優化必須從實際工程施工出發，結合房屋結構的具體情況，實現房屋建筑的結構的最優化設計。在進行結構優化時，必須依據設計意圖，采用平面設計布局，降低構件質量和剛度之間的差異，減小水平負載造成的房屋扭曲，在豎直方向上采用轉換層技術，有效地降低構件的集中用力。

（二）優化設計的基本的要點

1.依據設計規范

工程師在設計建筑結構時必須具備豐富的建筑設計經驗以及熟知設計規范。即依據科學的設計理念，將自身的優化方案融于整個工程項目設計中去。建筑結構設計規范更多是對于工程較大的項目，因而會造成某些規定過于保守。另外，在工程設計比較特殊或復雜時，依據某些規定將會造成建筑物的不安全。因此，這就要求設計師在建筑設計過程中必須具備良好的專業素質以及清醒的思路、正確的判斷力，爭取將建筑結構設計做到最優。

優化房屋結構設計過程中，應注重建筑構件的細節優化，如：建筑構件的受力鋼筋，在滿足塑性的條件下盡可能的選擇性價比較高的產品，從而實現房屋結構的經濟、安全。

2.結構師主動參與建筑設計

在工程施工前期以及施工過程中，建筑結構師的主動參與對整個房屋結構優化起到關鍵性作用。在實際的工程施工過程中，建筑設計師往往不能夠對整個結構體系進行很好的受力分析，即建筑結構師的設計理念以及其自身具備的經驗不能完全代替設計師的設計思想，同時，建筑與結構上專業知識的隔閡也無法彌補。建筑結構設計師其豐富的工程設計經驗以及專業設計理論，積極主動的為設計師出謀劃策，只有兩者的順利合作才能設計出更加優秀的方案。

目前，我國的房屋建筑設計總是先從建筑的結構布局開始，根據結構承載負荷的不同分析所需的材料、參數等，往往這種分析方法是計算機所不能計算出的，它需要建筑結構設計師充分論證整個建筑設計方案之后做出的判斷。而這些判斷需依據實際工程實踐經驗以及結構設計所遵循的一般規律進行。

3.加強設計團隊之間的合作

優化房屋結構是一項整體而系統的工作，它需要團隊之間的協調合作。現代建筑主要由結構、設備、建筑三大要素組成。因此，在工程施工過程中要明細團隊內部分工，并做好團隊合作，只有這樣才能有機的結合各個構件創造出更加完美的作品。在建筑工程設計階段，房屋的結構設計和建筑設計是不可分割的，只有協調好兩者之間的關系，才能設計出更加美觀大方的建筑方案，同時，又降低了建筑成本，簡化施工過程，達到既美觀又實用的建筑效果。通常建筑設計師在設計建筑時，只是一味的要求設計方案的新奇，而忽略了建筑學中基本的力學關系，這樣設計出的方案往往在結構設計上造成困難。因此，團隊之間的協調合作是房屋結構優化的重要保障。

4.優化房屋建筑結構，解決房屋抗震問題

房屋結構的優化不僅僅能降低建筑成本、增加建筑美觀、簡化施工過程，更能加強房屋的抗震作用。通過房屋結構優化技術，可以增加房屋抵抗外部作用的破壞，有效地降低房屋破壞程度。因此，在房屋結構優化設計過程中，抵抗外界各種不良因素的影響成為結構優化設計工作的主要內容。在日常的外界不良因素中，地震是最難以預測且對房屋建筑物破壞最強的，所以在房屋計算及構造上必須加強抗震措施。如：房屋構件剛度的對稱性以及均勻性都可以有效的緩解地震對建筑物的破壞；多道防設設計理念可以有效緩沖特大地震對房屋主構件的破壞。以上這些設計思想都是房屋結構設計的重要內容。

四、總結

工程造價對整個工程項目的經濟效益起著關鍵性作用，因此優化房屋結構設計，不僅可以降低整個工程的造價成本，更能提升整體房屋的安全級別。結構設計與建筑設計的協調配合，充分發揮其自身的優勢，設計出最優的房屋結構。在平面設計過程中，應遵循對稱、均勻的原則，縮小房屋構建質量與剛度之間的差異。在豎直布置上，保證上下承重件負載的上下貫通。建筑是藝術的表現，在保證房屋安全的前提下，結構師應敢于創新，將房屋的實用性與藝術性完美的結合在一起。

參考文獻：

[1]侯貫澤，劉樹堂.工程結構優化設計理論與方法[J].鋼結構，2009，2（8）：148-150.

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引言：

眾所周知，不論在什么行業中，追求追優化的配置和設計是每一個行業從業者追求的目標。所謂的最優化設計，就是在諸多被選擇的項目中根據自身的特點以及條件找到一種比較合理的，最節約成本以及實現利益最大化的設計方式與方法。

立足于工程結構的設計中，我們在最優化設計的過程中致力于將技術以及力學的相應概念做到最好的融合。在設計要求的基礎上形成一些可以操作的，具有可行性的方案。進而通過科學的數學計算找到客觀的，可以應用于實際的優化方案。在諸多工程結構設計的優化方案中，我們在選擇了最佳方案的同時也就同時節約了成本，使得愛同樣的時間內創造了巨大的效應，更加使得這些工程的工期變短，工程質量變的十分優良，是一種降低工程成本，提高質量的最佳選擇則途徑。

一、工程結構優化設計演變歷史概述

對于工程結構設計，最開始是將直覺的準則法，如滿應力準則法，滿應變準則法等作為優化設計的基礎性選擇，在很長的一段時間中得到了很好的應用和成本的節約。一般來說，準則法的應用是為了主要提升單步設計變量修改幅度使之變得越來越大，并且在收斂速度上也有著顯著的提升，但是這些不會改變結構的大小，也不會因為結構的復雜而改變。隨著時間的推移，我們的研究者逐漸的將拓寬了優化設計的范圍，從而數學規劃法出現了。這就使得我們要針對一些特殊的工程進行很好的研究，因為這個時候的準則法已經不適用有所有具有個性的工程優化設計中了，主要是因為沒有一些科學的，客觀的理論準繩。與其相反，數學規劃方法，站在比較科學的角度，對于結構設計有著嚴謹的研究，這樣的算法能夠有著科學性的展現。但是實際的工程結構優化設計一般都是有約束、非線性和隱式的優化問題.這兩種方式都不是用于現代工程的發展和訴求。隨之而來的就是模擬退火算法的出現.接著，到了二十一世紀，隨著計算機的普遍應用，信息化以及全球化時代的到來，我們的研究方式與方法就隨之而來了，在工程結構優化設計上有著很好的發展，諸多實用性方式出現，下面我們將做詳細的研究。

一、 工程優化設計研究

1.為何設計---工程中結構不確定性的存在

在工程施工之前，對于其結構進行深入的分析和研究，并完成良好的設計是因為在工程設計以及進行的過程中，有著很多不確定性的存在。基于不確定性理論的工程結構優化設計主要考慮變量。但是出于安全性以及可靠性的角度考慮，先前的優化設計有些過時，我們要站在更新的角度上發展，所以之前的缺陷我們要有著很好的認識。主要分為以下幾點。

第一， 缺乏結構可靠性的設計，不能保證穩定，安全。

第二， 沒有對材料的可變性做出預算，不能真實的反映材料的參數。所以沒有科學的數學建模可以支撐，難以形成最佳的方案。

第三， 在工程中存在著一些很復雜的施工情況，之前的設計不能很好的給予判斷以及確定，這就使得我們的施工情況不能符合實際，沒有真正意義上的達到最優。

2.工程優化設計方案研究

第一，形狀優化。可以說，這種優化設計方案是當下比較流行的，主要是通過調整工程結構內外邊界形狀來改善結構性能和降低工程結構造價，其主要用來發掘工程系統構件的合理內外邊界形狀。具體上講，這種優化也是將一些離散變量以及塊體、板、殼類的連續變量包含在內。

第二，模擬退火算法。也就是通常所說的SA方式放大，也就是在施工的設計中進行固體加熱，使之到達了一定的溫度，進而在科學的作用下使之漸漸的變冷下來。因為在升溫的時候，固體的內部結構法身了很大的變化，隨著熱能的增多內能變大，其中固體中組成部分也就是內部的元素也會隨之變大。但是隨著熱脹冷縮原理的深入，當這個固體的整體變得冷卻的時候，所有的元素變回到之前的一種有序的排列狀態。也就是說，在固體中，元素因為在每一個趨近于平衡溫度的時候都有著自己的平衡狀態出現，最重要的是在常溫的時候內能處于最小化狀態，也就是我們所說的基態。這就是模擬退火算法.這種方法有著自身的好處，那就是：適用于離散型、連續型及混合型變量；魯棒性、全局收斂性、隱含并行性較強，并且可以得到很廣泛的應用。

第四， 粒子群優化算法。該種算法是近幾年來比較流行的一種應

應用廣泛，并有著實際用途的設計計算方式與方法。這個算法的研究十分奇怪，主要是來源于整個鳥群，從鳥群捕捉食物中找到靈感，這個算法是開始于隨機解，并通過迭代尋找最優解，在設計的過程中不斷的尋找一種適應度來找尋解的品質。這樣的算法是比較方便以及會計的的，沒有一些復雜的計算以及冗長的分析。是比較得到現代設計者以及施工方的喜愛的，效果也是比較明顯的。

第五， 變密度法假設優化設計。可以說，變密度法假設優化設計

的主要設計對象是那些密度可以變更的材料，這就使得我們的設計具有一定的局限性。在設計的過程中我們要假定材料物理參數與密度間存在某種數學關系，并將所設計的材料的密度作為一種變量，致力于尋找到一種目標函數，這種目標函數以材料的最優質分配為主要目標。并且，我們在這種工程優化設計中可以找到一些優勢或者是特色，具體來說，該種方式可以很好的展現出拓撲優化的本質特征，并且在實現的過程中顯得比較簡便，有利于操；同時這種程序的設計計算成功率比較高，但是精準度確實是不高，總而言之，這種方式的最大他點就是計算方法簡單易行，但是適用范圍十分受到局限，需要特定的材料以及特定的環境。

第六， 相對差商法和混沌優化相結合。該種范式是一種導出求解

離散變量桁架結構拓撲優化設計的混合算法，這種優化設計的計算方式和方法，將設計的體積最小最為最終目的。從而有力的實現了一種

拱壩的體形優化的設計和分析，在應用的過程中得到了很好的設計效果，節省了成本提升了利潤。

最后，多目標優化。一般來說，多種目標優化方案就像字面上所述，不是一種單一的目標實現方式，而是在設計中考包含了多方面的設計方式以及方法，這樣在計算的過程中，在實施的過程中保證了設計的安全性以及穩定性，更大的程度上實現了一種可靠性。在安全性的實現上，這種多元化的實施方案就要不斷的加大結構的截面面積但是要取得最少重量的目標，在設計上就要使得截面面積變小。所以我們知道，這就不可能在全局上實現一種面面俱到的設計方案，所以，我們的設計管理者以及決定人，要在多方面分析只會走找到一個比好合適的方案做一個決定，并實施。可以說，這種多目標的優化設計對于工程系統決策是很重要，并有著很好的應用。

參考文獻

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Optimization design of hydraulic press structure based on CAE

Abstract:The involue hydraulic press is built in SolidWorks―3D mechanic design software,then analyzes stress of underbeam by the finite element software ANSYS,so obtain the contour of bending stress distribution of underbeam.According to the countor of stress distribution,improve the structure of hydraulic press,so it canprovide the dependable basic for optimization of design of hydraulic press

Keywords: Finite element;SolidWorks;Entity modeling;Lower the cost

引言

整體框架式液壓機是利用液壓傳動技術進行壓力加工的一種鍛壓機械設備,在國民經濟的各行各業得到了日益廣泛的應用。液壓機機身結構組成鏈相對簡單,其布局形式一般為三梁四柱式,有鑄造和焊接兩種結構方式。液壓機主要功能是完成工件的壓制成型,這一過程中機身結構要承受較大的載荷,因此,液壓機整機結構布局要求符合整體力流最短原則和力流封閉原則。液壓機結構主要以筋板為主,造型簡單。整機及部件具有相似性,這種相似性是進行參數化設計分析的前提。就我國現在的生產狀況而言,液壓機結構設計采用的仍然是傳統材料力學簡化計算和經驗設計相結合的方法。雖然這種設計方法在以前經過實踐證明具有一定的可靠性,但存在著設計周期長,結構組建復雜等諸多的弊端,致使成本高,效益低,削弱了產品的競爭力。

本文利用了三維設計軟件SolidWorks進行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后通過ANSYS對液壓機下梁進行網絡劃分,加載求解,得到最大處的彎曲應力。這樣除了在資源的利用方面得到了節省,得出來的結果也達到一定的精度。

1.液壓機的優化設計

1.1液壓機建模

在我們的實際設計優化中,我們根據實際情況,建立了兩個建模:一個是利用SolidWorks軟件建立的CAD模型;另一個是利用ANSYS軟件建立的CAE模型。原因是目前各個CAD/CAE軟件彼此之間的模型通用性較差不能很好的實現無縫對接,在導入中經常會發生部分模型數據丟失的情況,所以,我們的研究方向是利用了SolidWorks軟件進行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后分析和優化,這樣除了在資源的利用方面得到了節省,得出來的結果也達到一定的精度。

2.分析與優化

2.1優化前分析結果

使用ANSYS軟件進行CAE模型建立,對THP61-500型整體框架式液壓機下梁進行分析運算,然后將優化前的變形和應力云圖從軟件中保存出來(如圖1.圖2所示)。注:其中材料應力變形圖為彈性材料模型所得到的應力變形結果。

從圖中不難看出隨著整體下梁結構上不同顏色的分布,液壓機下梁各部位在受力的情況下發生的變形是不同的。其中出現紅色的孔受力發生變形最大。變形最大值為0.1637mm。通常情況下,我們考慮極限值為下梁長度的1/5000。

從圖中可以看出,應力主要集中在孔邊緣,因為整體液壓機在工作的時候,其承載了很大的壓力,最大值為64.400MPa,在許可的范圍內。其余部分應力分布都很均衡,受力后影響不大。

從上兩圖中可以看出,實際變形應力值與極限值還有很大的差距。在這種情況下,液壓機在承受載荷時發生的變形很小,安全系數很高。用了很多沒必要的材料,造成了人力和物力上的浪費,無形的增加了產品的成本。所以我們要利用有限元技術對此進行優化,通過合理分配油缸的受力,降低梁的高度,減小某些筋板的厚度,去掉一些沒有用的筋板等一些方法,得到相比起來更優化的結果。達到既能讓機器安全穩定的運行,又能減少材料,減輕液壓機的重量,降低產品成本的目的。

2.2 優化分析

優化主要針對液壓機下梁部分的左縱板位置,橫前板,厚凸臺厚,橫后筋板厚,這幾個變量來進行優化。將其變量取不同數值時,與變形和應力的關系用曲線圖的形勢表現出來。經過多次的分析驗證,取下梁左縱板位置d3:0.25m,下梁橫后筋板厚t4:0.02m,下梁厚凸臺厚t11:0.06m,并且以這些數據作為參數進行優化結果的計算。

2.3 優化后的結果

將上節分析的優化結果程序在ANSYS軟件中運行,得到THP61-500型整體框架式液壓機下梁優化后的變形應力分布云圖,如圖3和圖4所示。

從云圖中可以看出,在進行了一系列的改進之后,對機器上的變形分布并沒有大的影響。變形的最大值為0.387mm,其值在規定許可的范圍之內,在節省材料和減輕重量的同時,不會影響液壓機本身的正常安全使用,因此本設計達到了優化的目的,相對優化的比較成功。

從云圖中我們可以看出,應力仍就集中在孔附近。最大應力為208.268MPa,在工程中的許可范圍內,優化相對成功。

通過表1可以看出,經過一系列的減去前面橫筋板,減小厚凸臺厚,減小后橫筋板厚度,移動左縱板位置的優化之后,雖然液壓機的變形及應力有所增大,但是其變化值都在規定許可的變化范圍之內,不影響液壓機的正常使用。與此同時,液壓機下梁的重量由原本的6.015噸減為3.838噸,比優化前減輕了2.177噸。所以本設計達到了優化的目的,相對優化的比較成功。

表1 優化前后對照表

變形(DMAX) (mm) 應力(SMAX)(MPa) 噸位(WT) (噸)

優化前 0.163 64.40 6.015

優化后 0.387 208.268 3.838

相對變化 +137.32% +223.39% -36.19%

3.結論

本課題對整體液壓機下梁進行優化改進,在經過一系列的優化之后,使液壓機在變形及應力都符合要求的前提下,減輕了液壓機自身的重量,從而達到優化的目的。此設計相對于過去的設計方法,有諸多優點。第一,使用計算機制圖,較傳統的手工制圖縮短了設計時間,提高了勞動效率。第二,使用CAE建模,使優化全過程更加精確并且便于修改,避免在圖紙中修改所造成的不必要的時間浪費。第三,節省了液壓機所用材料,使本液壓機在激烈的市場競爭中占據了優勢地位。因此,本設計在改善傳統設計方法的同時,也較好的達到了優化的目的。

參 考 文 獻:

篇（6）

中圖分類號：U462.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0087-02

引言

隨著社會的快速發展，汽車保有量越來越多。汽車在帶來方便快捷的同時，其油耗排放等問題也越來越引起大家的重視。汽車車身質量約占汽車總重的40%，空載情況下油耗約占整車油耗的70%[1]。其輕量化的目標在于盡可能降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗和排放，并且提高操穩性以及碰撞安全性。本文通過總結車身輕量化優化方法，介紹不同的優化步驟，并對車身輕量化優化設計進行展望。

1 汽車車身輕量化研究背景

汽車自1886年誕生至今有一百多年的歷史，汽車車身的研究起步相對較晚，但是其作為汽車的重要組成部分，在整車結構中占據重要地位。研究表明，汽車車身質量每減輕1%，相應油耗降低0.7%[2]。

輕量化研究，是在滿足安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性的前提下，盡可能降低車身質量，以實現減重、降耗、環保、安全的綜合目標[3]。輕量化的實現不僅滿足了汽車的基本性能要求，且緩解了能源危機和環境污染的壓力，也沒有提高汽車設計制造成本，故汽車車身輕量化的研究引起了越來越多的關注。

2 輕量化結構優化方法

目前，以汽車車身輕量化為目標的優化設計方法主要包括拓撲優化、尺寸優化和結構優化。優化設計通常由目標函數、設計變量、約束條件三個因素組成。拓撲優化是在整體優化之前，設計空間確定后對材料布置格局進行優化，但是拓撲優化是從宏觀出發，在某些細節方面可能并沒有達到最優，因此在拓撲優化之后需要進行尺寸和形狀優化。

2.1 拓撲優化

拓撲優化是在給定的空間范圍內，通過不停地迭代，重新規劃材料的分布和連接方式；是在工程師經驗的基礎上，明確目標區域和目標函數，確定變量以及約束條件，使車身結構最終既滿足性能要求又減輕了質量[4]。拓撲優化通常將有限元分析和數學算法結合起來。

2.1.1 拓撲優化的數學模型

拓撲優化通常以車身質量為目標函數，結構參數和材料厚度為變量，模態和剛度為約束條件。其數學模型為：

minf（X）=f（x1，x2…xn）；

s.t.g（X）>0；

ai

其中，x1，x2…xn為設計變量。

2.1.2 拓撲優化的基本步E和實例

在進行拓撲優化之前首先需要確定設計區域，設計變量和約束條件。然后通常進行有限元模態分析和靈敏度分析，使靈敏度小的部分不參與優化。在此基礎上利用軟件進行計算，因為在每次的計算中都有參數的改變，所以需要經過較多次的迭代，最終使其分布最優。在軟件進行拓撲優化的過程中，用戶對于每一次的迭代均可以實時監控。

目前拓撲優化中用到的數學優化算法包括優化準則法、移動漸近線法、數學規劃法、遺傳算法、進化算法等。使用較多的是優化準則法和移動漸近線法，優化準則法適于求解少約束問題，后者偏重于多約束問題[5][6]。

周定陸等[7]建立參數化模型，不僅將下車體質量減少了23kg，而且模態和剛度在原有的性能上略有上升。王登峰等[8]基于拓撲優化使大客車車身骨架質量減少約11%，且剛度強度等性能滿足設計要求。

2.2 尺寸優化

尺寸優化是在結構參數、材料分布確定的前提下，對各桁架結構尋找梁最合適的橫截面積、幾何尺寸，使得車身質量最小且滿足剛度等要求的優化方法。相對來說，尺寸優化建立數學模型較容易，計算簡單，在實際工程中可以較快取得最優

解[9]。也可以說，尺寸優化是拓撲優化的進一步完善和發展。

2.2.1 尺寸優化的數學模型

尺寸優化以車身質量最小為目標，幾何尺寸為設計變量，剛度以及各變量尺寸限制作為約束條件。

2.2.2 尺寸優化的基本步驟和實例

利用有限元分析劃分單元，再進行靈敏度分析，排除不參與優化的單元。為了減少計算量，通常采用近似模型，然后對近似模型進行求解。劉開勇[10]利用超拉丁實驗設計方法，采集車身的剛度和模態數據，在此基礎上建立一階響應面模型。潘鋒[11]通過建立組合近似模型，減少優化過程的計算量，提高效率。

常用的近似模型有響應面模型、人工神經網絡、徑向基函數模型、kriging和支持向量回歸模型等[10][12]。通過對一階近似模型進行分析，計算不同的權系數并進行加權疊加構成的組合模型在滿足模態和剛度要求的前提下，又兼顧了汽車碰撞安全性、NVH和疲勞等性能影響，且精度更高，因此組合近似模型在多目標多學科優化方面更勝一籌。

張偉[13]等采用遺傳算法，結合拓撲優化和車身尺寸優化，不僅將質量降低35%，而且使剛度提高了80%以上。康元春等[14]采用DOE及極差分析和方差分析，確定車身骨架梁截面最優尺寸方案，使車身骨架質量減輕了123.5kg。

2.3 形狀優化

形狀優化是優化結構的幾何形狀，通常包括桁架結構梁節點位置的優化；結構內部孔的形狀、尺寸的優化以及連續體邊界尺寸的優化[15]。早期，與尺寸優化相比，形狀優化模型建立比較困難，建立的模型質量通常比較差，影響后期模型的優化求解，尺寸優化的發展受到了限制。后來，網格變形技術的發展簡化了形狀優化模型的建立[16]。形狀優化的過程與尺寸優化相似，通常也需要建立近似模型。

3 結束語

（1）拓撲優化計算量大，應用受到一定限制。尺寸、形狀優化在多數軟件中都有專門的模塊，應用較多。為了解決計算困難問題，優化算法有待突破，算法的突破也是車身結構優化進一步發展的重要前提。

（2）有限元分析方法在車身結構優化中起重要作用，建模、分析軟件在車身結構優化方面應用越來越多。

（3）本文所提優化方法沒有充分考慮安全性、操穩性、NVH等因素，多學科多目標優化方法是目前車身結構優化的熱點。

參考文獻：

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[11]潘鋒.組合近似模型方法研究及其在轎車車身輕量化設計的應用[D].上海交通大學，2011.

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[13]張偉，侯文彬，.基于拓撲優化的電動汽車白車身優化設計[J].湖南大學學報（自科版），2014（10）：42-48.

篇（7）

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A

一直以來，居民住房問題是整個社會的焦點問題，房屋建筑設計也成為大家關注的話題。建筑結構設計必須從多個層面去考慮，首先是對工程建筑成本的投入和預算，工程竣工后怎么使用，還要在設計的同時盡可能地滿足居住、使用者對建筑的各種需求等，所以在建筑機構設計優化方面提出了更高更多的標準。

一、建筑結構設計優化的意義

國家宏觀調控力度在不斷加大，原材料價格在不斷上漲，在工程建設前期挖掘潛力，節約建筑成本、科學優化設計，有利于節約建筑原材料、保護環境，符合國家“低碳、節能、環保”理念，利國利民。

建筑工程造價中建筑結構成本大約占到總造價的50%，對建筑結構進行優化設計可以在很大程度上降低上程總造價，節約工程造價成本。建筑結構優化設計能有效的節省房屋建筑的投資成本，具有巨大的經濟價值。據統計因為在設計過程中，設計質量差，造成功能布置不合理，相關專業工程師沒有相互溝通，導致在施工過程中出現進行修改及返工現象，更是沒法控制施工工期。同時因為工程存在安全隱患、工程質量差等問題，使得投資經常被消耗浪費。所以通過建筑結構設計優化可以減少投資浪費、降低安全隱患，有效的提高工程設計質量。

二、滿足建筑結構設計優化的要點

首先，在完成建筑結構優化設計時安全性是首先要考慮的因素；其次，在社會不斷進步、科學技術快速發展的背景下，人們的思想也在隨之發生改變，在這些改變的基礎上，人類在建筑功能上的要求也越來越多；再次，在建筑結構優化設計方面，應該從節能環保建材、優化建筑結構整體布局來實現節能環保。在建筑施工過程中產生的廢棄材料要做好科學處理，注意廢水排放的方式；最后，在確保安全穩定、功能全面、節能環保的同時降低投資成本才是建筑結構優化設計的經濟性所在。

三、結構設計優化技術在應用中的問題

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在適用性能不改變的前提下使工程造價有所降低。結構設計優化設計應用于項目的前期設計、整體設計，抗震設計、舊房改造等設計的各個部分，多種效益都是非常可觀的。在模型進行實踐以及按照結構設計優化方法過程中，要注意以下幾個方面。

（一）前期的設計參與

建筑總投資受前期方案的直接影響，所以現在存在的問題大都是前期方案階段結構設計并不參與進行，建筑師進行設計方案時大多也不考慮結構的可行性及合理性，而建筑設計的最終結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑總投資提高。如果在方案初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

（二）地基基礎的結構設計

地基基礎的結構設計優化首先就是選擇最恰當的方案，如果為樁基礎，一定得依據施工現場的具體情況選擇樁基類型，節省成本，減少不必要的浪費。對灌注樁的選擇影響較多的就是樁端持力層，應多進行比較以確定最合適的方案。

（三）細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，設計過程中需要設計人員靈活運用結構設計優化方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應，設計過程同時要注意對于細部結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做立面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

三、建筑結構設計優化方法

我國社會經濟不斷發展，人們的生活水平也不斷提高，對房屋的設計質量和居住舒適度要求也越來越高，但由于人口增長迅速和土地資源有限，再加上近幾年房價迅速飛漲態勢，人們對于居住的房屋設計，包括空間設計、成本控制等方面要求越來越高，若對民用建筑結構進行優化設計，可有效降低成本，從根本上實現經濟效益。設計人員在設計民用建筑結構時，應嚴格遵守經濟、合理等原則，采用先進的現代化房屋設計理念，制定經濟合理的房屋建筑方案，以實現減少工程造價、達到經濟利益最大化的目的。結合實際，從具體實際情況出發，選擇正確、合理的計算參數，有效完成結構計算。

（一）不可盲目依賴計算機

計算機功能畢竟不是絕對萬能的，計算機程序本身也存在很多漏洞，所以結構設計人員不可完全依賴計算機完成結構計算，否則很容易出現計算結果出錯的情況。設計人員應該對結構計算做出基本分析，還要清楚了解計算機程序的應用范圍、理論基礎與限制條件等。

（二）合理運用材料

材料是建筑結構的最基本物質，對材料選用必須要求合理、規范。所有材料都是寶貴的物質財富，都必須充分利用起來，不可浪費。將材料合理運用到結構構件的具體空間、環境特點以及力學特性上來，正確處理好一些邊角材料，提高材料的利用率，降低投資成本。

（三）做到數據錄入精準無誤

建筑實施過程中數據的作用是十分重要的。結構尺寸、荷載及幾何圖形等數據記錄，做的時候必須耐心核對，認真仔細。盡量避免因數據計算結果出現誤差或錯誤，不然一定會為其付出悲痛的代價。

（四）加強建筑結構設計深度

民用建筑結構設計時，存在設計粗糙、標注不全、圖紙偷工減料、圖紙缺漏等問題，這主要由于設計師設計水平有限或缺乏責任心，嚴重影響了結構設計的安全性和整個建筑工程的質量。因此，為提升建筑結構設計深度和質量，設計師應注重自身設計能力的提升，并端正工作態度，做到認真負責。

（五）注重整體意識和具體空間的結合

整體把握好結構同結構之間，以及結構同構件之間的關系。來創造你自己與大自然、與這個場所、與這里的傳統的對話，并將它們融入你心中的童話。同時將建筑物的空間性、時間性、安全性等納入其中，讓建筑物發揮出時代氣息、科技氣息、人文氣息，從某種意義上應該更具有生物氣息，要使建筑與人類、與自然相互襯托，實現社會與人類、自然的和諧發展。

（六）注重提高結構體系設計水平

在民用建筑結構設計中，普遍存在抗震結構不合理、規則性差以及樓層錯層等情況，這與選用結構體系不合理有很大關系，因此，優化結構體系設計很有必要。

（七）重視實際結構與計算模型的差異

計算機所使用的結構計算程序從理論上來講，是一種虛擬的計算模型。盡管這種虛擬的計算模型非常科學、嚴謹。因為現實的結構受力不是計算機可以直接處理的，所以用到現實中來又存在一些差異。必須從實際出發，不能忽視計算模型與實際結構的差異，將各種可能影響建筑結構的因素綜合參考，確定好它們之間的約束關系，反復核對計算結果，仔細檢查計算過程。確保結構設計和計算結果的正確性。

結語

總而言之，結構設計是個系統、全面的工作，需要扎實的理論知識功底，靈活創新的思維和嚴肅、認真、負責的工作態度。通過概念設計、正確的計算及合理的構造措施來保證，設計要在實踐過程中不斷的研究、探索和創新，使其經濟性和適用性的目標得以實現。

篇（8）

中圖分類號：TB482文獻標識碼： A

一、結構設計優化方法

依據設計的要求，把力學概念與結構優化設計進行有機結合，讓參與計算的量部分可以以變量部分出現，進而形成結構設計優化方案域，運用數學手段，在域中找到可以滿足要求的結構優化最佳設計方案。由此可見，結構優化設計不僅可以提高整體設計水量及設計質量，還可縮短設計周期，從而降低整體工程造價，提高經濟及社會效益。房屋工程分部結構優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，不僅要按照一切從實際出發的原則，更應該結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。在滿足設計要求后，在進行結構設計時應該盡量縮小剛度、質量中心的差異使平面布置規則，水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。為降低應力集中，豎直方向上應避開使用轉換層。

結構優化設計的本質以力學理論和數學規劃理論為理論基礎，以計算機技術為工具，對建筑結構涉及到的各個變量進行尋找優化決策的先進的設計方法，其本質就是求極值問題。（1）優化數學模型。建立正確合理的優化數學模型是結構優化設計的關鍵步驟，基于正確的優化數學模型是得到正確優化結果的基礎。例如，在優化模型中，數學模型中的等式約束個數應當小于設計變量的個數，這樣才能求得最優解。（2）優化數學算法和優化迭代控制。對于建立的優化數學模型，雖然可用的優化算法有多種，但是采用不同的優化算法所得到的優化效果和所花費的求解時間會有差別。所以，快速、有效的數學優化算法也是結構優化設計的一項關鍵技術。（3）結構分析方法。絕大多數的結構優化設計問題難以采用解析法求解，而是采用數值法的方法。數值解的尋優實際上是一個優化迭代過程，而每次優化迭代都需要進行結構分析。實現以上提到的關鍵技術需要經過建立可靠的優化模型，然后采用適當的優化算法進行求解。這其中選擇計算簡便且正確率高的優化算法顯得尤為重要。

二、民用建筑結構設計和經濟性的關系

第一點，結構設計和用地之間的關系。在多層或者高層的民用建筑中，我們常說的總建筑的面積具體講是每層的建筑面積之和，如果層數越多，那么單位建筑的面積分攤的占地面積相應的就會越小。然而隨著層數日益變多，總體住宅高度也會不斷上升，隨之屋子間的距離也相應的變大。通過這一闡述我們了解到，用地節約的多少并不會根據建筑樓層增加而按一定的約數變高。

第二點，結構設計和造價之間的關系。一般建筑的樓層會在一定程度上影響到單位建筑的面積，但對每部分的結構來講，具體的影響程度是不一樣的。在屋蓋的區域，無論有多少層，都統一使用統一相同的房屋蓋。它跟層數增加無關，所以對屋蓋的資金投入也不會加大。因此，屋蓋處的單位面積資金投入會根據層數的不斷上升而表現出很明顯的降低。在建筑的基礎處，每層都共同使用一個基礎，因此隨著層數不斷增加，相應的基礎結構承受的荷重就會增加，因此我們必須要增加基本的荷載力。基礎地區的單位開銷雖然會根據層數的增加而呈現出降低的意思，但是這種意思并不像屋蓋那樣如此明顯。一些承重體，比如墻、梁或者柱等，會隨著層數的不斷增加而不斷地增加荷載能力以及抗震能力等，相應的這些分部的單位房屋造價會有一定的提升。

第三點，高層住宅結構設計與經濟性的關系。一般而言，住宅層數高矮將本質的影響住宅開銷，其根本原因乃是伴隨層高不斷上升，墻體面積和柱體積也會慢慢上升，而且會加大結構自重，進而還會增加柱以及基礎承受荷載力，于是讓電氣以及水衛的管線同比例變長。如果將層高降低，那么可以有效地節省材料物資，而且還可以節約能源等，對于抗震非常有利，能最大程度的節約金錢輸出。另一方面，減少層高不但可以降低房屋的高矮，有效地縮小建筑和建筑間日照的距離，所以降低層高也在一定程度上對于節約土地資源有很大的作用。

三、結構設計優化技術應用實踐

結構方案的建立過程即工程結構設計。伴隨急速更新發展的計算機硬、軟件產業，憑借計算機、力學、數學一系列方法，將結構設計做到最優化技術推廣。結構優化設計及傳統結構設計其設計原則和過程是相同的，不同之處在于傳統設計缺少安全、經濟性作為衡量準則。最優設計則是在安全、經濟準則基礎之上，利用計算機作為輔助技術，非常便利地實現了分析計算、設計、出效果圖等整套程序的自動化，大大提升了設計整體效果及質量。為了達到降低工程造價之目地，在不更改使用性能的基礎之上，就要對結構進行最優化設計。由此可見結構設計優化技術的應用已經是較為寬廣的課題之一。它不僅應用于項目的前期、整體、抗震設計，在舊房改造期間的各個環境均有廣泛應用。結構設計優化技術在應用實踐中應注意的問題如下：

1前期方案設計期間將結構設計優化參與其中

建筑方案設計前期如有一個優秀的、合理的設計方案，并參與結構設計優化，就會爭取到非常優秀的開端。但目前在前期設計方案中結構設計優化參與其中的并不多，如果能對建筑類別有所針對，并進行合理選擇結構設計優化方案，將降低建筑的總投資成本，因此在建筑方案設計初期應注意建筑方案的結構優化設計，考慮結構的合理及可行性。

2概念設計結合細部結構設計優化

概念設計主要作用于無具體數值量化現象，比如無確定性的地震設防烈度，現實難免與計算式存在區別，那么設計時應采取概念設計方法，使數值成為輔助及參考根據。為達到最佳優化設計效果，設計人員應該靈活運用結構設計優化方案。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角方向容易出現的裂縫，可歸結為矩形板。鋼筋選擇時應注意：I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力相差卻相當大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，應在滿足基本規范要求之上，以達到安全、經濟之目的。

3結構設計優化―――下部地基基礎

樁基礎類型的選擇，要依據現場地質條選擇最為合適的結構設計優化方案，以降低工程總造價為目的。例如對灌注樁樁長的選擇影響較大的樁端持力層的選擇，要多進行比較，最終確定最為合適的方案。

總之，建筑是凝固的藝術，好的建筑師總希望可以通過建筑來合理的表達本身設計意圖，希望擁有藝術性以及實用性能的美妙融合。建筑結構設計師們應嚴格遵“安全、經濟、合理”的設計理念，努力探索更合理的結構設計方案，保證建筑工程取得良好的經濟效益和質量效益。

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

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

1房屋結構設計中的建筑結構設計優化方法的理論概述

1.1房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的理念及意義

在進行工程項目的結構設計過程中，除了要考慮設計對象的基本使用功能和兼顧其安全適用性以外，還應盡可能將設計對象設計的更加完美，這就是結構設計優化問題。定義為工程結構在滿足約束條件下按預定目標求出最優方案的設計方法。隨著我國社會精神文明建設的不斷發展，人們對于居住環境精神領域的追求已然形成一種時尚。對于人居環境的改善，其根本主要體現為美觀與結構之間的協調、配合，使得建筑工程滿足美觀的同時也能實現在經濟規劃方面的實際意義。

房屋結構設計中建筑結構設計優化的內容主要是通過對基礎結構、屋蓋系統結構方案、維護系統結構方案等其他結構綜合進行設計的過程。在整個過程之中強調的是一切從實際出發，緊貼工程進度、發展的實際情況，以控制工程造價成本為中心的結構優化設計理念。

1.2建筑結構設計優化方法的實踐價值

與傳統的設計相比，在設計中采用優化方法可以使建筑工程造價降低5%~30%，可以盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度。結構設計優化方法的應用能充分利用材料性能，對結構內部的各個單元進行協調，規范建筑結構安全度，為建筑整體布局提供合理決策。

2結構設計優化方法在建筑結構設計中的步驟

(1)整體優化模型

房屋結構設計優化方法一般從三個方面展開。第一，選擇設計變量。在設計過程中將所要選擇的描述結構特性的參數確立為設計變量，比如目標控制參數和約束控制參數。而將那些變化范圍不是很大或者對設計要求而言局部設計考慮就能滿足設計要求的參數確立為預定參數，這樣做可以大大減少計算、編排、設計的工作量。第二，確定目標函數。尋求一組可以滿足預定條件的鋼筋截面積和截面幾何尺寸以及是小概率，已達到總費用最小。第三，確定約束條件。房屋結構設計的約束條件包括強度和穩定約束、截面尺寸約束、結構整體約束、構建單元約束、正常使用狀態下的變量從上限到下限的約束條件等。在設計時，若要使結構設計優化方法應用于實際房屋工程，則必須通過建筑結構設計中實際約束條件與目標約束條件相比較，保證每項約束條件都能符合規范，實現最優。

(2)設定優化設計計算方案

由于房屋結構設計中適用性優化問題較為復雜，屬于多變量、多約束非線性優化問題，所以在計算當中，通常是將有約束優化問題轉化為無約束來求解。其中可以利用的結構優化設計計算方法有拉式乘子法、復合形法等。

(3)進行程序設計

根據在以上整體優化模型和選擇優化設計計算方案的基礎上進行編制，做出功能齊全、運算快速的綜合程序。

(4)結果分析

在得出計算結果后，對結果進行分析，最終確定理想的優化設計方案。

筆者以上敘述了結構設計優化方法在建筑結構設計中的步驟，考慮到建筑工程投資數額巨大，涉及范圍較廣，所以在具體執行過程中應當從多角度全方位的考慮問題。正確處理技術與經濟之間的關系，不能僅僅為了節約資金就忽視建筑結構設計優化技術、方法。在設計中不但要保證技術上的合理要求，還應控制投資不被浪費。

3結構設計優化方法在房屋建筑結構設計中的應用

結構設計優化方法在實際應用中主要是在不改變房屋建筑使用性能的前提下，利用結構優化設計技術達到降低工程成本、提高經濟性的目的。一般應用在建筑的整體設計、前期設計以及抗震設計等各個階段，在以下筆者分為三方面逐一進行論述。

3.1結構優化設計方法應注重前期參與

房屋建筑項目屬于長期的投資計劃過程，所以說在實際當中非常容易受到影響，故而前期方案就顯得尤為重要。目前存在的主要問題就是設計人員在前期方案階段忽視結構設計優化方法，在設計中不考慮建筑結構的合理性，這樣持續下去在后期必然會因為增加結構設計困難而加大成本投入。要知道前期方案的確定的好會會直接影響到總投資成本的高低，所以在前期方案階段使優化設計參與其中，能夠有效避免投資過多所造成的浪費。

3.2概念設計優化方法在建筑結構設計中的作用

對于同一建筑工程結構設計方案在結構優化設計方法的布置上均會出現多種不同的情況，即就是幾經確定了建筑物的結構設計布置，在不同種荷載情況下也存在著不同的分析方法。而且在分析的過程中，設計的參數、材料、荷載、承載能力的取值都不是唯一的。尤其是建筑物細部結構問題的處理更是復雜多變。應對以上問題要想單純利用計算機是無法實現的，作為工程設計人員就必須根據自己的判斷展開設計，但是這種判斷只適用于一般規律指導下進行，所以說概念設計優化方法在沒有具體數值量化的情況下作為輔依據，可以避免設計偏差，從而達到最佳效果。

3.3概念設計處理的實際建筑工程結構設計問題

在這一問題上我們所希望的是通過概念設計，能使房屋建筑工程結構在遭遇各種外力作用下不受破壞會將破壞程度降到最低，因此對可能遭遇的破壞因素進行分析就顯得尤為重要，這里必須提到的一個因素就是地震，因為地震無法預測而且破壞力極強，所以在對房屋結構的設計中就應當考慮到工程區域在歷史上的地震活動情況和自然災害發生情況，根據這些未雨綢繆，從計算及構造等各個方面入手采取一些提高抗震、抗災害的措施辦法。若要構建這樣的結構優化設防思想，就必須把概念設計作為重點。

4結束語

綜上所述，可以說對房屋結構設計中的建筑結構設計優化方法的研究是一項非常復雜的綜合性問題。我前邊增提到，安全、適用、經濟、美觀、便與施工等五種效果是房屋設計優化的原則，但是這五種效果之間又相互獨立、相互矛盾。所以盡管在結構優化技術已經廣泛應用的今天，如何使這五種因素更好的融合仍然需要我們在以后的應用實踐中多探索、多積累，達到一種用最低造價實現最佳效益，既美觀又合理，魚和熊掌兼得的設計效果。

參考文獻：

[1]張炳華.土建結構優化設計[M].上海.同濟大學出版社.2008，34-36.

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關鍵詞:

建筑結構設計；優化方法；應用；建筑

隨著我國經濟水平的不斷提高，我們在考慮建筑的安全性和實用性的同時，對建筑的美觀性和經濟性方面的要求也不斷提高。既要求建筑安全、實用，又要求建筑經濟、美觀，同時也要考慮到施工的便利性和時效性，那么對建筑結構進行必要的優化設計則顯得尤為重要，而合理的建筑結構優化設計可以使得這些要求實現統一。在本文中，筆者結合自身的工作經驗和所學的相關知識，對房屋建筑結構設計的相關優化方式進行介紹，并對建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用進行闡述。

1結構設計優化方式的理論體現

在建筑結構設計過程中，除了要考慮建筑結構的安全性、基本功能健全性等可靠性因素，我們還需要對其建筑本身的藝術美感進行考慮，這便是建筑結構設計優化的體現。通過對建筑結構設計優化方法進行理論分析，我們得知，在實際應用過程中，建筑結構設計優化方式主要體現在房屋工程的分層優化和總體優化兩方面。對建筑結構進行設計時，在滿足基本設計要求的前提下，應盡可能減小建筑物的質量中心和剛度中心之間的差異，保持平面結構的規則性以及對稱性，以避免在水平荷載作用下建筑物產生較大的扭轉效應。與此同時，在進行豎向設計時，應盡可能保證其同方向的承重構件上下貫通，使豎向剛度不發生突變，否則一旦發生剛度突變，建筑物會在水平荷載作用下產生嚴重的應力集中現象，對抵抗水平方向的動力荷載作用大大減小。此外，為了降低結構設計和分析方面的難度，我們可以盡量減少使用轉換層結構。總而言之，在建筑結構設計過程中具體問題具體分析，綜合多方面因素設計出最令人滿意的建筑體系。

2建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

2．1整體與局部優化每一個建筑項目的設計都包括兩類特點，即復雜性和層次性。就復雜性而言，內容一般包括零部件選取、建筑原料選取以及結構類型的選取等;而層次性則主要包括建筑設計體系、建筑結構體系以及安裝設計體系等內容，其中每個獨立的體系又包括很多不同的下屬體系，在設計房屋結構的過程中，設計人員應優化其每一個下屬體系，沖破橫向關聯，實現工程疊加。所有的房屋建筑不僅要進行局部的優化，更應該注重整體的全面優化，這樣才能夠真正實現房屋結構的設計優化的意義。

2．2壽命與分階段優化在固定的使用年限中，任何一個建筑工程項目的各個環節都有著各式各樣可供挑選的設計方案，也就是說，在工程的任何一個階段都能夠開展優化工作。設計人員可以根據每個階段的不同性質確定優化方案，進而優化工程壽命。最終的益處就是，一方面，使建筑工程的施工質量得到了保證，另一方面，使企業的經濟收益得到了增加。

2．3樁基礎優化建筑結構樁基礎由預制樁和灌注樁兩種類型組成。由于施工過程中灌注樁的質量控制較難實現，并且耗時較長、操作復雜，因此，在符合相關標準的前提下，實際施工應優先選擇預制樁。另外，一般情況下，樁基越是深入，樁身與土壤之間的摩擦力和作用力就越大，因此，在選擇預制樁的同時，還應盡可能選取長度較大的預制樁。

2．4上部結構優化在對房屋上部進行結構優化和建立模型的工程中，剪力墻的布置和設計是非常重要的一項因素。剪力墻的質量需要保證其均勻性，從而使得樓層結構的重心與其平面的中心點實現相互重合，實現削弱風力或是地震等外力因素的影響。在房屋類型允許的情況下，應該盡量采用剪力墻的大開間構造，增加其墻肢長度，這樣一方面可以實現墻肢數量的縮減，另一方面還可以在剛度達標的前提下實現混凝土量的降低使用。另外，由于剪力墻采用鋼材作為暗柱材料，所以通過剪力墻的大開間結構便能夠實現鋼筋使用數量的縮減，但是，如果建筑本身不具備相應的條件，并且對建筑物的抗震要求較高，則不能采用該類型的剪力墻。

2．5結構同建筑保持協調優化在進行建筑結構設計的時候，應該盡量保證建筑的整體平面和整體結構的緊密配合，最終實現結構合理和造型美觀的設計效果。建筑系統應該盡量簡潔，墻與柱的錯位現象不可以發生，每一層的截面面積和高度都應該相通。在設計電梯或是樓梯的時候，應該盡量選擇使用高強建材作為承重構件，實現降低自重，其他構件就應該盡量選擇較輕質量的材質。在建筑的整體布局方面重心、質心與其剛心需要保證交疊，避免扭轉現象的發生。

2．6結構同排水保持協調優化由于在整個建筑中，專門用于給排水的房間有很多機械設施，所以其相比較于普通房屋，荷載強度較大，因此，水泵房應該盡可能設在地下室區域。給排水房間里面的管道較為復雜，長度及粗細都不盡相同，因此，依照相關標準應該預留足夠的尺寸和深度，同時加固其穿孔位置。除此之外，水平方向的管道如果貫穿承重墻，則應該及時對其進行維護和加固處理。盡量保證結構優化同排水優化的協調，避免管道繞梁繞柱等情況的發生。

2．7結構同電氣保持協調優化電氣的管線如果以導線形式安裝于金屬管的外部或是樓板處，則可能會造成預制結構施工難以開展。因此，導線如果貫穿結構梁體，那就需要在梁預制之前留下孔洞，與此同時需要保證墻體厚度與梁寬相同，如果做不到梁寬與墻體厚度相同，則需要確保梁的側平面與墻體一側相齊平，最終實現管線不在墻體外面。在房屋建設的過程中，電梯處的空洞很多、也預埋了較多的構件，因此，電梯房的強度需要單獨進行計算分析，以保證合理設計，及施工的質量和安全。

3結語

綜上所述，建筑結構設計方案的合理選擇，不僅可以使建筑結構設計達到應有的技術要求，還可以減少不必要的經濟損耗。建筑結構設計優化在房屋結構設計中是一個綜合性比較強且極為復雜的系統性問題，這需要我們對其進行深入研究。本人結合自身的工作經驗，闡述了建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用，希望此文對相關研究人員有所幫助。

參考文獻

［1］王也．建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用［J］．中華民居(下旬刊)，2013(03):81－82．

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引言

隨著我國房屋建筑工程行業的高速發展，居民對房屋建筑的功能質量的要求越來越高，房屋建筑從單層、多層朝著高層建筑發展，其結構形式也越趨多樣化和復雜化。在這種形勢下，通過優化建筑結構設計以提高建筑質量、降低建筑成本并滿足居民對房屋建筑的品質要求，對于房地產企業保持并擴大市場份額具有重大現實意義。

據統計，建筑設計階段決定了建筑造價的80%以上，而這其中結構設計由決定了建筑總造價的50%左右。我國大部分建筑施工過程中的水泥、鋼材用量均遠遠多于歐美發達國家，有巨大的可優化空間。本文首先分析了結構優化設計的現狀，并對基于ANSYS的框架結構優化設計方法進行了研究。

1 結構優化設計現狀分析

結構優化是指在滿足國家和地方相關法律法規規定的結構安全度要求的基礎上，根據實際建筑物的設計特點及設計需求，通過選擇合理的體系及結構，結合精確的計算機模型計算、校核與應力分析，制定出詳細的配筋方法等設計內容，最終達到有效降低結構構件經濟指標及整體工程造價的目的。

按照結構優化發展的難易程度，可將其分為截面或者尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、布局優化以及類型優化等5個層次，但結構優化在建筑結構設計領域的應用還比較有限，主要因為：（1）在現行國家和地方相關法律法規中，對建筑優化設計的要求不夠明確，設計人員往往僅對尺寸、鋼筋數目等細節進行優化，沒有考慮總體設計理念，無法獲得最優結果。（2）設計人員僅了解最基本的結構設計理論和設計軟件，在行業內部對結構優化設計理論和方法的推廣不足。（3）相關結構優化設計理論和方法缺乏實踐檢驗，由于實際結構設計的影響因素、變量和約束條件較多，給目標函數的建立帶來較大困難，因此現有的結構優化方法中界定的優化目標與實際工程需求還有較大差距。

2 基于ANSYS的框架結構優化設計方法

優化設計的基本原理：基于數學模型構建優化模型，在此基礎上使用優化方法和優化工具進行迭代計算，對目標函數進行求解，得到相應的機制，并最終獲得最有結果。國內外結構分析模型及其優缺點比較如表1所示。

表1 國內外結構分析模型及其優缺點

模型 平面框架 協同工作 薄壁柱 墻組元 板-梁墻元 平面應力元 殼元墻元

簡圖

優點 計算快

手動校核 計算較快

考慮了空間整體性 適用于所有平面、效率高 剪力墻可以多點傳力，變型較協調 變形較協調，自由度較少 簡單實用，充分考慮墻平面內剛度 分析精確較高，能直接與一般梁柱單元連接

缺點 模型粗糙

適應面窄 適應面窄

近似結果 剪力墻要求比較規則，單點傳力 尚在實用 結果偏柔，有時失真 近似考慮墻平面外剛度 自由度太多，計算效率低，數據和程序復雜

代

表

軟

件 建研院

PKPM 建研院

XTJS 建研院TBSA

TAT 建研院

TBWE 美國加州

ETABS

清華

TUS/ADBW 大連理工

DASTAB

美國加州

ETABS（95） 建研院

SATWE

北大SAP84

ANSYS軟件是以有限元分析為基礎的大型通用CAE軟件，該軟件分為前處理、分析計算和后處理三個模塊。優化設計包含在分析計算模塊，ANSYS提供了零階方法和一階方法兩種優化方法來解決各類優化模擬問題。運用某工程實例說明ANSYS在框架結構優化中的方法。

（1）工程實例概況。某房屋建筑的二層梁梁長5700mm，梁截面為250mm×450mm。其梁配筋，梁端負筋為4根三級鋼，直徑為16mm，梁底正筋為3根三級鋼，其中2根直徑為20mm，一根直徑為16mm。箍筋為一級鋼，直徑8mm，間距200mm，加密區100mm。現優化器梁截面與鋼筋截面。梁的相關結構如圖1所示，其中梁上的均布載荷為P=43.3kN?m。

（2）構建目標函數。目標函數是梁單位長度上的總造價最小，目標函數如式（1）所示。

（1）

式中，為單位體積混凝土的價格，初始為0.000057元/cm3;為單位質量鋼筋價格，初始為0.4831元/kg;為單元面積模板的價格，初始為0.00016元/cm3;為負筋的總長度與梁全長的比值，初始值為2。

（3）優化設計。建立分離式有限元模型，混凝土采用SOLID65單元，鋼筋采用LINE8單元，進行模擬優化，梁的變形模擬圖如圖2所示，最終框架梁的優化結果如表2所示。

（a）鋼筋混凝土梁應力圖 （b）鋼筋應力變形

（c）鋼筋混凝土梁應力變形

圖2 梁的變形模擬圖

表2 框架梁優化結果

3 結語

房屋建筑結構設計首先需要保證建筑物的功能性、耐久性和安全性，在此基礎上，應最大限度的控制建筑成本，才能有效提高企業的市場競爭力。為實現這些目標，就需要針對建筑結構設計不同階段的內容和特征，將結構優化設計方法應用其中，以保證設計的合理性和可行性，并達到最終的優化設計目標。

參考文獻

[1]李能能，董斌.房屋建筑結構設計中優化技術應用探討[J]. 建筑設計管理， 2013 （12）： 73-75.