结构优化方法大全11篇

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结构优化设计是最近30年来才发展起来的一个新的技术，这是结构上的一次重大的飞跃，它让设计者们从被动的状态变为了主动状态。优化设计能够非常合理地使用每一种材料的性能，让结构内的每一个单元都能够很好的协调在一起，并且保证安全度是完全达标的。于此同时，它还能够帮助整体性的方案设计进行一个非常合理的决策。结构优化设计从出现到现在已经有40多年的历史了，而在过去的30年内，它在理论和算法等方面都取得了非常显著的进展。这些进展大部分是与连续变量优化设计相关的，另外少部分是与离散变量优化设计相关的。

1.结构优化设计理论

1.1 截面优化

截面优化的设计变量要么是板的厚度、杆的横截面积，要么是复合材料的方向角度或分层厚度，因此，在使用有限元对结构的位移与应力进行计算时，只需要直接地使用灵敏度分析以及适当的数学规划方法便能够完成截面优化的过程，而不需要对网格进行重新划分。对于几何状态一定的情况，有限元分析只需要在杆的横截面的性质发生改变的时候才重复地进行。对于板这类有连续性结构的东西，也只需要把各个单元的厚度作为设计的变量，得出的优化结果便是呈阶梯形分布的板的厚度。在这些优化设计的过程当中，设计变量和刚度矩阵一般情况下是简单的线性关系。所以，截面优化应该重点研究优化算法与灵敏度分析。

1.2 形状优化

形态优化的主要特征是在结构给定的前提下通过对结构的边界形状或内部的几何形状进行调整来节约材料并且对结构的特性进行改善。从对象上划分，形状优化主要可以分为块状、板状的连续体结构与桁架类的杆系结构。对于杆系结构形状进行优化的求解方法主要可以分为两类。第一类是综合法，即是将两类变量统一起来同时进行处理，运用无量纲化，然后构造近似数学模型进行求解。第二类是分步优化方法，即是将尺寸变量和几何变量分为两个设计空间，然后分别对这两类变量进行优化，也即是每一步将一个变量固定，同时优化另一个变量，两步之间通过迭代进行协调。

1.3 拓扑优化

拓扑优化已经成为了现今结构优化设计研究的一个焦点，因为它可以在工程结构设计的最初的阶段便为设计者提供一个概念性的设计，让结构在布局上运用到最好的方案，这样，拓扑优化就比截面优化和形状优化能够获得更大的经济效益，也更容易受到工程设计人员的亲睐。拓扑优化的目的是在设计空间中寻找结构的刚度最好的分布形式，从而来对结构的一些性能进行优化或者减轻结构的重量。

2.结构优化设计方法

2.1 数学规划法

数学规划方法的提出开创了现代结构优化的新时代，将优化问题转化成数学规划的形式求解也就是将问题转化为在设计的空间中，在一定的可行域内寻找最小目标等值面上的可行的点，这个点也就是问题的最优解。数学规划法有非常严格的理论基础，虽然它在一定的条件下能够收敛到最优的解，但是它要求问题能够非常明显地表达，而且大多数情况下还要求设计变量必须是连续变量，目标函数是连续的而且性态要良好。对于大型的结构优化问题，收敛性一般都不是很好，而且迭代的次数比较多，这样就加大了结构分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了规划方法的计算的效率。

2.2 最优准则法

直接地使用数学规划理论需要多次地调用函数进行计算，而且当设计变量增加时调用次数也会迅速增加，导致设计的效率太低，在这样一种背景下便出现了最优准则法，它是最先发展的一种结构优化设计方法。这种方法虽然计算效率比较高，但是在建立迭代公式的过程中受到很多假设的限制。

2.3 仿生学方法

近年来，对自然界进化进行模拟的算法有两类，即模仿自然界过程算法和模仿自然界结构算法，主要又可以分为：进化算法、神经网络算法与模拟退火。

结语

结构优化是一门综合性的学科，也是一个有很大发展潜力的研究方向，它具有一定的理论价值与应用价值。在理论上，它对结构设计提出了一个新理念，极大地促进了人类资源的合理配置。于此同时，结构优化问题的本身也带动了一些相关性学科的发展，对各个学科的发展提出了一些新要求。本文对结构优化的一些优化方法进行了简要的概括。截面优化相对来说已经比较完善，形状优化也渐渐地变得成熟，只有拓扑优化至今还处在理论探索的阶段。

参考文献

[1]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，08：30-33.

[2]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压，2010，15：114-119.

[3]李晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设，2007，06：21-31.

篇（2）

随着我国经济的持续发展，房屋建筑业也取得了很大的成就。房屋建筑离不开基本的房屋结构设计，一个好的房屋结构设计不仅可以减少建设单位的建设成本，同时还可以提升使用者的切身利益。在市场竞争异常激烈的今天，优化房屋建筑结构才能有效的控制建设成本，才能给建设单位带来良好的品牌效应，才能顺应经济发展潮流。因此，在房屋建筑中使用建筑结构优化方法有着重要的意义。

一、建筑结构优化设计方法概述

传统的房屋建筑已经不能满足新时期人们对于居住条件的要求，因此，在房屋建筑中运用建筑结构优化设计将房屋的实用性、安全性、美观性相结合是如今房屋建设企业的必由之路。在新时期的房屋结构设计中是追求适用、经济、安全、美观以及便于施工五种效果的综合。而这五种要求又相互影响甚至会出现相互矛盾的问题，这就需要运用到房屋建筑结构优化设计方法来最大程度的提升有限空间，有限资源。在综合五种要求的情况下，选取最优方案，实现经济化，实用性，适用性的良好目标。

二、建筑结构优化设计的意义

1、提高房屋建设企业的经济效益。经济的持续发展使得人们的生活水平也越来越高，土地的价格也随之上涨，这也势必影响房屋建设企业的成本上涨。市场竞争日益激烈，如何在稳定成本的基础上建造出有美观耐用的房屋也是建设企业值得思考的重大问题。因此，这就需要房屋建筑结构的改革，优化建筑结构设计，有效的提高房间的空间利用率和资源的使用率。在建设过程中对房屋结构进行优化改革，精简建造工序，减少资源浪费，有效的降低施工过程中的难度，这样不仅可以提高企业的经济效益，有效的控制成本，同时还能满足新时期人们对于房屋的需求。

2、提高房屋建筑结构的实用性。近年来，由于我国对于房产需求的剧增，房屋建筑行业也得到了快速的发展，房屋建筑结构也越来越有特色。在保证美观，安全，经济的同时，我们不能忽略了一个最基本的要求，就是实用性。新时期人们对住房要求越来越高，好的房屋格局，实用便利的住房条件是人们选择房屋的基本条件，在有限的空间和有限的资源下，将房屋的实用性得到最大发挥，这就需要房屋结构优化设计的办法进行改良。因此，房屋结构的优化设计将人们对于房屋安全、美观、实用等要求结合起来，不断的房屋结构进行优化与改良，满足人们的各项需求。

三、建筑结构设计的标准与原则

所谓房屋建筑设计就是对房屋建筑过程规划、设想的过程通过视觉感官的方式描绘出来。设计的优劣直接导致房屋质量的优劣，因此，在设计过程中就要求房屋建设企业重视房屋质量，优化房屋结构。在设计过程中考量多方面因素，除了对房屋本身的材质结构进行考量之外，还要结合当地的具体环境，地质要求等要素进行考虑。综合各方面因素，对房屋建设做出科学合理的设计。

在设计过程中我们要遵守安全性、经济性、合理性的原则。安全是房屋设计的重中之重，也是人们在住房选择上最注重的要求，因此在住房结构的总体设计下也要注重各细节方面的安全性设计。同时，在住房设计上也要科学合理，房屋结构设计中各环节是相互影响相互制约的，只有保证房屋建筑的科学性和合理性，才能提高房屋建设企业的经济效益，才能保证房屋的结构优化。

四、房屋建筑结构优化的应用措施

1、选择科学合理的结构形式和设计方案

房屋建造初期选择好的设计方案直接关系到企业的总投资成本，房屋的建筑进程以及房屋建成质量等重要问题，所以说，好的开头是成功的一半，由此可看出，对于前期的方案选择尤为重要。在设计时，融入房屋结构优化设计，就可以针对不同的房屋类型，建筑类别作出相应的合理的结构设计和调整。相关设计师通过房屋结构优化设计，在设计初期对建筑结构进行优化，减少建造过程中的困难度，有效的降低建筑成本和施工损耗，因此，建房初期选择合理的设计方案在整个建房过程中有着重要的作用。

2、设计最优的计算进程

建筑房屋的设计过程是一项复杂的计算过程，在整个过程中涉及很多方面的系统程序。因此就要求设计师在进行计算的过程中，必须将附加约束条件转换成不带约束的条件，尽量提高计算过程的精准度。这样一方面利于房屋建设企业在建设过程中的过程精简，有效的降低了建造过程中的难度，另一方面，精准的计算过程也有利于房屋的建设和房屋的质量。同时，设计师在设计计算过程中也要充分考量现场施工的实际情况，根据当地的实际环境和建筑特点，制定出符合当地情况的建筑方案，因此，要求相关设计人员尽量选择程序运转效率高，功能完善的计算程序，一方面提高自身的工作效率，另一方面确保整个设计计算过程的进准度。

3、综合分析计算结果，积极应用信息优化技术

房屋结构设计师一项漫长且复杂的过程，这就要求相关设计人员能够与时俱进，通过现代网络化技术的支持，运用网络技术，提高数据整理的自动化程度，有效的减少设计过程中的人力和物力。而且通过网络技术对于数据的准确分析，可以有效的节约建设过程的成本，同时为房屋结构的进一步优化提供了依据。利用信息化技术不仅可以有效的为企业节省人力和物力，还能保障设计过程的进度和质量。

4、在遵循科学的基础上优化房屋结构设计

房屋结构的优化设计应建立在遵循科学的基础上。在房屋结构设计中是追求适用、经济、安全、美观以及便于施工等要求是建设企业的重要任务。因此，为了将这些要求在房屋建筑是得到最大的发挥，就要求相关工作者不仅要具备非常丰富的技术知识理论，还要具备丰富的施工实践经验，在理论结合实践的经验中，对房屋设计及施工中的细节进行把握和裁决，确保房屋结构优化设计的实施，同时相关工作者也要掌握国家的质量标准和相关规定，严格按照国家标准进行工作。

结语

通过以上论述可知，房屋结构的优化设计方法在房屋建设中有着重要的作用，相关设计人员在确保建筑设施功能完善的同时，通过房屋结构的优化设计方法也可有效的降低建设企业的生产成本和精简建设过程的难度。由此可看出，房屋结构优化设计不仅可以有效的提高建设企业的经济效益，还能为居民带来更多房屋户型选择。所以，在房屋建造过程中应该广泛的应用到房屋结构优化设计的方法，同时大胆创新，探索出更为优异的房屋结构设计方案。

参考文献：

篇（3）

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.

篇（4）

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

篇（5）

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

整体框架式液压机是利用液压传动技术进行压力加工的一种锻压机械设备,在国民经济的各行各业得到了日益广泛的应用。液压机机身结构组成链相对简单,其布局形式一般为三梁四柱式,有铸造和焊接两种结构方式。液压机主要功能是完成工件的压制成型,这一过程中机身结构要承受较大的载荷,因此,液压机整机结构布局要求符合整体力流最短原则和力流封闭原则。液压机结构主要以筋板为主,造型简单。整机及部件具有相似性,这种相似性是进行参数化设计分析的前提。就我国现在的生产状况而言,液压机结构设计采用的仍然是传统材料力学简化计算和经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法在以前经过实践证明具有一定的可靠性,但存在着设计周期长,结构组建复杂等诸多的弊端,致使成本高,效益低,削弱了产品的竞争力。

本文利用了三维设计软件SolidWorks进行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后通过ANSYS对液压机下梁进行网络划分,加载求解,得到最大处的弯曲应力。这样除了在资源的利用方面得到了节省,得出来的结果也达到一定的精度。

1.液压机的优化设计

1.1液压机建模

在我们的实际设计优化中,我们根据实际情况,建立了两个建模:一个是利用SolidWorks软件建立的CAD模型;另一个是利用ANSYS软件建立的CAE模型。原因是目前各个CAD/CAE软件彼此之间的模型通用性较差不能很好的实现无缝对接,在导入中经常会发生部分模型数据丢失的情况,所以,我们的研究方向是利用了SolidWorks软件进行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后分析和优化,这样除了在资源的利用方面得到了节省,得出来的结果也达到一定的精度。

2.分析与优化

2.1优化前分析结果

使用ANSYS软件进行CAE模型建立,对THP61-500型整体框架式液压机下梁进行分析运算,然后将优化前的变形和应力云图从软件中保存出来(如图1.图2所示)。注:其中材料应力变形图为弹性材料模型所得到的应力变形结果。

从图中不难看出随着整体下梁结构上不同颜色的分布,液压机下梁各部位在受力的情况下发生的变形是不同的。其中出现红色的孔受力发生变形最大。变形最大值为0.1637mm。通常情况下,我们考虑极限值为下梁长度的1/5000。

从图中可以看出,应力主要集中在孔边缘,因为整体液压机在工作的时候,其承载了很大的压力,最大值为64.400MPa,在许可的范围内。其余部分应力分布都很均衡,受力后影响不大。

从上两图中可以看出,实际变形应力值与极限值还有很大的差距。在这种情况下,液压机在承受载荷时发生的变形很小,安全系数很高。用了很多没必要的材料,造成了人力和物力上的浪费,无形的增加了产品的成本。所以我们要利用有限元技术对此进行优化,通过合理分配油缸的受力,降低梁的高度,减小某些筋板的厚度,去掉一些没有用的筋板等一些方法,得到相比起来更优化的结果。达到既能让机器安全稳定的运行,又能减少材料,减轻液压机的重量,降低产品成本的目的。

2.2 优化分析

优化主要针对液压机下梁部分的左纵板位置,横前板,厚凸台厚,横后筋板厚,这几个变量来进行优化。将其变量取不同数值时,与变形和应力的关系用曲线图的形势表现出来。经过多次的分析验证,取下梁左纵板位置d3:0.25m,下梁横后筋板厚t4:0.02m,下梁厚凸台厚t11:0.06m,并且以这些数据作为参数进行优化结果的计算。

2.3 优化后的结果

将上节分析的优化结果程序在ANSYS软件中运行,得到THP61-500型整体框架式液压机下梁优化后的变形应力分布云图,如图3和图4所示。

从云图中可以看出,在进行了一系列的改进之后,对机器上的变形分布并没有大的影响。变形的最大值为0.387mm,其值在规定许可的范围之内,在节省材料和减轻重量的同时,不会影响液压机本身的正常安全使用,因此本设计达到了优化的目的,相对优化的比较成功。

从云图中我们可以看出,应力仍就集中在孔附近。最大应力为208.268MPa,在工程中的许可范围内,优化相对成功。

通过表1可以看出,经过一系列的减去前面横筋板,减小厚凸台厚,减小后横筋板厚度,移动左纵板位置的优化之后,虽然液压机的变形及应力有所增大,但是其变化值都在规定许可的变化范围之内,不影响液压机的正常使用。与此同时,液压机下梁的重量由原本的6.015吨减为3.838吨,比优化前减轻了2.177吨。所以本设计达到了优化的目的,相对优化的比较成功。

表1 优化前后对照表

变形(DMAX) (mm) 应力(SMAX)(MPa) 吨位(WT) (吨)

优化前 0.163 64.40 6.015

优化后 0.387 208.268 3.838

相对变化 +137.32% +223.39% -36.19%

3.结论

本课题对整体液压机下梁进行优化改进,在经过一系列的优化之后,使液压机在变形及应力都符合要求的前提下,减轻了液压机自身的重量,从而达到优化的目的。此设计相对于过去的设计方法,有诸多优点。第一,使用计算机制图,较传统的手工制图缩短了设计时间,提高了劳动效率。第二,使用CAE建模,使优化全过程更加精确并且便于修改,避免在图纸中修改所造成的不必要的时间浪费。第三,节省了液压机所用材料,使本液压机在激烈的市场竞争中占据了优势地位。因此,本设计在改善传统设计方法的同时,也较好的达到了优化的目的。

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.

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中图分类号：TU318文献标识码： A

一直以来，居民住房问题是整个社会的焦点问题，房屋建筑设计也成为大家关注的话题。建筑结构设计必须从多个层面去考虑，首先是对工程建筑成本的投入和预算，工程竣工后怎么使用，还要在设计的同时尽可能地满足居住、使用者对建筑的各种需求等，所以在建筑机构设计优化方面提出了更高更多的标准。

一、建筑结构设计优化的意义

国家宏观调控力度在不断加大，原材料价格在不断上涨，在工程建设前期挖掘潜力，节约建筑成本、科学优化设计，有利于节约建筑原材料、保护环境，符合国家“低碳、节能、环保”理念，利国利民。

建筑工程造价中建筑结构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上程总造价，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。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，相关专业工程师没有相互沟通，导致在施工过程中出现进行修改及返工现象，更是没法控制施工工期。同时因为工程存在安全隐患、工程质量差等问题，使得投资经常被消耗浪费。所以通过建筑结构设计优化可以减少投资浪费、降低安全隐患，有效的提高工程设计质量。

二、满足建筑结构设计优化的要点

首先，在完成建筑结构优化设计时安全性是首先要考虑的因素；其次，在社会不断进步、科学技术快速发展的背景下，人们的思想也在随之发生改变，在这些改变的基础上，人类在建筑功能上的要求也越来越多；再次，在建筑结构优化设计方面，应该从节能环保建材、优化建筑结构整体布局来实现节能环保。在建筑施工过程中产生的废弃材料要做好科学处理，注意废水排放的方式；最后，在确保安全稳定、功能全面、节能环保的同时降低投资成本才是建筑结构优化设计的经济性所在。

三、结构设计优化技术在应用中的问题

结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在适用性能不改变的前提下使工程造价有所降低。结构设计优化设计应用于项目的前期设计、整体设计，抗震设计、旧房改造等设计的各个部分，多种效益都是非常可观的。在模型进行实践以及按照结构设计优化方法过程中，要注意以下几个方面。

（一）前期的设计参与

建筑总投资受前期方案的直接影响，所以现在存在的问题大都是前期方案阶段结构设计并不参与进行，建筑师进行设计方案时大多也不考虑结构的可行性及合理性，而建筑设计的最终结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑总投资提高。如果在方案初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

（二）地基基础的结构设计

地基基础的结构设计优化首先就是选择最恰当的方案，如果为桩基础，一定得依据施工现场的具体情况选择桩基类型，节省成本，减少不必要的浪费。对灌注桩的选择影响较多的就是桩端持力层，应多进行比较以确定最合适的方案。

（三）细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活运用结构设计优化方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应，设计过程同时要注意对于细部结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做立面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

三、建筑结构设计优化方法

我国社会经济不断发展，人们的生活水平也不断提高，对房屋的设计质量和居住舒适度要求也越来越高，但由于人口增长迅速和土地资源有限，再加上近几年房价迅速飞涨态势，人们对于居住的房屋设计，包括空间设计、成本控制等方面要求越来越高，若对民用建筑结构进行优化设计，可有效降低成本，从根本上实现经济效益。设计人员在设计民用建筑结构时，应严格遵守经济、合理等原则，采用先进的现代化房屋设计理念，制定经济合理的房屋建筑方案，以实现减少工程造价、达到经济利益最大化的目的。结合实际，从具体实际情况出发，选择正确、合理的计算参数，有效完成结构计算。

（一）不可盲目依赖计算机

计算机功能毕竟不是绝对万能的，计算机程序本身也存在很多漏洞，所以结构设计人员不可完全依赖计算机完成结构计算，否则很容易出现计算结果出错的情况。设计人员应该对结构计算做出基本分析，还要清楚了解计算机程序的应用范围、理论基础与限制条件等。

（二）合理运用材料

材料是建筑结构的最基本物质，对材料选用必须要求合理、规范。所有材料都是宝贵的物质财富，都必须充分利用起来，不可浪费。将材料合理运用到结构构件的具体空间、环境特点以及力学特性上来，正确处理好一些边角材料，提高材料的利用率，降低投资成本。

（三）做到数据录入精准无误

建筑实施过程中数据的作用是十分重要的。结构尺寸、荷载及几何图形等数据记录，做的时候必须耐心核对，认真仔细。尽量避免因数据计算结果出现误差或错误，不然一定会为其付出悲痛的代价。

（四）加强建筑结构设计深度

民用建筑结构设计时，存在设计粗糙、标注不全、图纸偷工减料、图纸缺漏等问题，这主要由于设计师设计水平有限或缺乏责任心，严重影响了结构设计的安全性和整个建筑工程的质量。因此，为提升建筑结构设计深度和质量，设计师应注重自身设计能力的提升，并端正工作态度，做到认真负责。

（五）注重整体意识和具体空间的结合

整体把握好结构同结构之间，以及结构同构件之间的关系。来创造你自己与大自然、与这个场所、与这里的传统的对话，并将它们融入你心中的童话。同时将建筑物的空间性、时间性、安全性等纳入其中，让建筑物发挥出时代气息、科技气息、人文气息，从某种意义上应该更具有生物气息，要使建筑与人类、与自然相互衬托，实现社会与人类、自然的和谐发展。

（六）注重提高结构体系设计水平

在民用建筑结构设计中，普遍存在抗震结构不合理、规则性差以及楼层错层等情况，这与选用结构体系不合理有很大关系，因此，优化结构体系设计很有必要。

（七）重视实际结构与计算模型的差异

计算机所使用的结构计算程序从理论上来讲，是一种虚拟的计算模型。尽管这种虚拟的计算模型非常科学、严谨。因为现实的结构受力不是计算机可以直接处理的，所以用到现实中来又存在一些差异。必须从实际出发，不能忽视计算模型与实际结构的差异，将各种可能影响建筑结构的因素综合参考，确定好它们之间的约束关系，反复核对计算结果，仔细检查计算过程。确保结构设计和计算结果的正确性。

结语

总而言之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃、认真、负责的工作态度。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。

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中图分类号：TB482文献标识码： A

一、结构设计优化方法

依据设计的要求，把力学概念与结构优化设计进行有机结合，让参与计算的量部分可以以变量部分出现，进而形成结构设计优化方案域，运用数学手段，在域中找到可以满足要求的结构优化最佳设计方案。由此可见，结构优化设计不仅可以提高整体设计水量及设计质量，还可缩短设计周期，从而降低整体工程造价，提高经济及社会效益。房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、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。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，不仅要按照一切从实际出发的原则，更应该结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。在满足设计要求后，在进行结构设计时应该尽量缩小刚度、质量中心的差异使平面布置规则，水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。为降低应力集中，竖直方向上应避开使用转换层。

结构优化设计的本质以力学理论和数学规划理论为理论基础，以计算机技术为工具，对建筑结构涉及到的各个变量进行寻找优化决策的先进的设计方法，其本质就是求极值问题。（1）优化数学模型。建立正确合理的优化数学模型是结构优化设计的关键步骤，基于正确的优化数学模型是得到正确优化结果的基础。例如，在优化模型中，数学模型中的等式约束个数应当小于设计变量的个数，这样才能求得最优解。（2）优化数学算法和优化迭代控制。对于建立的优化数学模型，虽然可用的优化算法有多种，但是采用不同的优化算法所得到的优化效果和所花费的求解时间会有差别。所以，快速、有效的数学优化算法也是结构优化设计的一项关键技术。（3）结构分析方法。绝大多数的结构优化设计问题难以采用解析法求解，而是采用数值法的方法。数值解的寻优实际上是一个优化迭代过程，而每次优化迭代都需要进行结构分析。实现以上提到的关键技术需要经过建立可靠的优化模型，然后采用适当的优化算法进行求解。这其中选择计算简便且正确率高的优化算法显得尤为重要。

二、民用建筑结构设计和经济性的关系

第一点，结构设计和用地之间的关系。在多层或者高层的民用建筑中，我们常说的总建筑的面积具体讲是每层的建筑面积之和，如果层数越多，那么单位建筑的面积分摊的占地面积相应的就会越小。然而随着层数日益变多，总体住宅高度也会不断上升，随之屋子间的距离也相应的变大。通过这一阐述我们了解到，用地节约的多少并不会根据建筑楼层增加而按一定的约数变高。

第二点，结构设计和造价之间的关系。一般建筑的楼层会在一定程度上影响到单位建筑的面积，但对每部分的结构来讲，具体的影响程度是不一样的。在屋盖的区域，无论有多少层，都统一使用统一相同的房屋盖。它跟层数增加无关，所以对屋盖的资金投入也不会加大。因此，屋盖处的单位面积资金投入会根据层数的不断上升而表现出很明显的降低。在建筑的基础处，每层都共同使用一个基础，因此随着层数不断增加，相应的基础结构承受的荷重就会增加，因此我们必须要增加基本的荷载力。基础地区的单位开销虽然会根据层数的增加而呈现出降低的意思，但是这种意思并不像屋盖那样如此明显。一些承重体，比如墙、梁或者柱等，会随着层数的不断增加而不断地增加荷载能力以及抗震能力等，相应的这些分部的单位房屋造价会有一定的提升。

第三点，高层住宅结构设计与经济性的关系。一般而言，住宅层数高矮将本质的影响住宅开销，其根本原因乃是伴随层高不断上升，墙体面积和柱体积也会慢慢上升，而且会加大结构自重，进而还会增加柱以及基础承受荷载力，于是让电气以及水卫的管线同比例变长。如果将层高降低，那么可以有效地节省材料物资，而且还可以节约能源等，对于抗震非常有利，能最大程度的节约金钱输出。另一方面，减少层高不但可以降低房屋的高矮，有效地缩小建筑和建筑间日照的距离，所以降低层高也在一定程度上对于节约土地资源有很大的作用。

三、结构设计优化技术应用实践

结构方案的建立过程即工程结构设计。伴随急速更新发展的计算机硬、软件产业，凭借计算机、力学、数学一系列方法，将结构设计做到最优化技术推广。结构优化设计及传统结构设计其设计原则和过程是相同的，不同之处在于传统设计缺少安全、经济性作为衡量准则。最优设计则是在安全、经济准则基础之上，利用计算机作为辅助技术，非常便利地实现了分析计算、设计、出效果图等整套程序的自动化，大大提升了设计整体效果及质量。为了达到降低工程造价之目地，在不更改使用性能的基础之上，就要对结构进行最优化设计。由此可见结构设计优化技术的应用已经是较为宽广的课题之一。它不仅应用于项目的前期、整体、抗震设计，在旧房改造期间的各个环境均有广泛应用。结构设计优化技术在应用实践中应注意的问题如下：

1前期方案设计期间将结构设计优化参与其中

建筑方案设计前期如有一个优秀的、合理的设计方案，并参与结构设计优化，就会争取到非常优秀的开端。但目前在前期设计方案中结构设计优化参与其中的并不多，如果能对建筑类别有所针对，并进行合理选择结构设计优化方案，将降低建筑的总投资成本，因此在建筑方案设计初期应注意建筑方案的结构优化设计，考虑结构的合理及可行性。

2概念设计结合细部结构设计优化

概念设计主要作用于无具体数值量化现象，比如无确定性的地震设防烈度，现实难免与计算式存在区别，那么设计时应采取概念设计方法，使数值成为辅助及参考根据。为达到最佳优化设计效果，设计人员应该灵活运用结构设计优化方案。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角方向容易出现的裂缝，可归结为矩形板。钢筋选择时应注意：I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力相差却相当大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，应在满足基本规范要求之上，以达到安全、经济之目的。

3结构设计优化―――下部地基基础

桩基础类型的选择，要依据现场地质条选择最为合适的结构设计优化方案，以降低工程总造价为目的。例如对灌注桩桩长的选择影响较大的桩端持力层的选择，要多进行比较，最终确定最为合适的方案。

总之，建筑是凝固的艺术，好的建筑师总希望可以通过建筑来合理的表达本身设计意图，希望拥有艺术性以及实用性能的美妙融合。建筑结构设计师们应严格遵“安全、经济、合理”的设计理念，努力探索更合理的结构设计方案，保证建筑工程取得良好的经济效益和质量效益。

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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.

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关键词:

建筑结构设计；优化方法；应用；建筑

随着我国经济水平的不断提高，我们在考虑建筑的安全性和实用性的同时，对建筑的美观性和经济性方面的要求也不断提高。既要求建筑安全、实用，又要求建筑经济、美观，同时也要考虑到施工的便利性和时效性，那么对建筑结构进行必要的优化设计则显得尤为重要，而合理的建筑结构优化设计可以使得这些要求实现统一。在本文中，笔者结合自身的工作经验和所学的相关知识，对房屋建筑结构设计的相关优化方式进行介绍，并对建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用进行阐述。

1结构设计优化方式的理论体现

在建筑结构设计过程中，除了要考虑建筑结构的安全性、基本功能健全性等可靠性因素，我们还需要对其建筑本身的艺术美感进行考虑，这便是建筑结构设计优化的体现。通过对建筑结构设计优化方法进行理论分析，我们得知，在实际应用过程中，建筑结构设计优化方式主要体现在房屋工程的分层优化和总体优化两方面。对建筑结构进行设计时，在满足基本设计要求的前提下，应尽可能减小建筑物的质量中心和刚度中心之间的差异，保持平面结构的规则性以及对称性，以避免在水平荷载作用下建筑物产生较大的扭转效应。与此同时，在进行竖向设计时，应尽可能保证其同方向的承重构件上下贯通，使竖向刚度不发生突变，否则一旦发生刚度突变，建筑物会在水平荷载作用下产生严重的应力集中现象，对抵抗水平方向的动力荷载作用大大减小。此外，为了降低结构设计和分析方面的难度，我们可以尽量减少使用转换层结构。总而言之，在建筑结构设计过程中具体问题具体分析，综合多方面因素设计出最令人满意的建筑体系。

2建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

2．1整体与局部优化每一个建筑项目的设计都包括两类特点，即复杂性和层次性。就复杂性而言，内容一般包括零部件选取、建筑原料选取以及结构类型的选取等;而层次性则主要包括建筑设计体系、建筑结构体系以及安装设计体系等内容，其中每个独立的体系又包括很多不同的下属体系，在设计房屋结构的过程中，设计人员应优化其每一个下属体系，冲破横向关联，实现工程叠加。所有的房屋建筑不仅要进行局部的优化，更应该注重整体的全面优化，这样才能够真正实现房屋结构的设计优化的意义。

2．2寿命与分阶段优化在固定的使用年限中，任何一个建筑工程项目的各个环节都有着各式各样可供挑选的设计方案，也就是说，在工程的任何一个阶段都能够开展优化工作。设计人员可以根据每个阶段的不同性质确定优化方案，进而优化工程寿命。最终的益处就是，一方面，使建筑工程的施工质量得到了保证，另一方面，使企业的经济收益得到了增加。

2．3桩基础优化建筑结构桩基础由预制桩和灌注桩两种类型组成。由于施工过程中灌注桩的质量控制较难实现，并且耗时较长、操作复杂，因此，在符合相关标准的前提下，实际施工应优先选择预制桩。另外，一般情况下，桩基越是深入，桩身与土壤之间的摩擦力和作用力就越大，因此，在选择预制桩的同时，还应尽可能选取长度较大的预制桩。

2．4上部结构优化在对房屋上部进行结构优化和建立模型的工程中，剪力墙的布置和设计是非常重要的一项因素。剪力墙的质量需要保证其均匀性，从而使得楼层结构的重心与其平面的中心点实现相互重合，实现削弱风力或是地震等外力因素的影响。在房屋类型允许的情况下，应该尽量采用剪力墙的大开间构造，增加其墙肢长度，这样一方面可以实现墙肢数量的缩减，另一方面还可以在刚度达标的前提下实现混凝土量的降低使用。另外，由于剪力墙采用钢材作为暗柱材料，所以通过剪力墙的大开间结构便能够实现钢筋使用数量的缩减，但是，如果建筑本身不具备相应的条件，并且对建筑物的抗震要求较高，则不能采用该类型的剪力墙。

2．5结构同建筑保持协调优化在进行建筑结构设计的时候，应该尽量保证建筑的整体平面和整体结构的紧密配合，最终实现结构合理和造型美观的设计效果。建筑系统应该尽量简洁，墙与柱的错位现象不可以发生，每一层的截面面积和高度都应该相通。在设计电梯或是楼梯的时候，应该尽量选择使用高强建材作为承重构件，实现降低自重，其他构件就应该尽量选择较轻质量的材质。在建筑的整体布局方面重心、质心与其刚心需要保证交叠，避免扭转现象的发生。

2．6结构同排水保持协调优化由于在整个建筑中，专门用于给排水的房间有很多机械设施，所以其相比较于普通房屋，荷载强度较大，因此，水泵房应该尽可能设在地下室区域。给排水房间里面的管道较为复杂，长度及粗细都不尽相同，因此，依照相关标准应该预留足够的尺寸和深度，同时加固其穿孔位置。除此之外，水平方向的管道如果贯穿承重墙，则应该及时对其进行维护和加固处理。尽量保证结构优化同排水优化的协调，避免管道绕梁绕柱等情况的发生。

2．7结构同电气保持协调优化电气的管线如果以导线形式安装于金属管的外部或是楼板处，则可能会造成预制结构施工难以开展。因此，导线如果贯穿结构梁体，那就需要在梁预制之前留下孔洞，与此同时需要保证墙体厚度与梁宽相同，如果做不到梁宽与墙体厚度相同，则需要确保梁的侧平面与墙体一侧相齐平，最终实现管线不在墙体外面。在房屋建设的过程中，电梯处的空洞很多、也预埋了较多的构件，因此，电梯房的强度需要单独进行计算分析，以保证合理设计，及施工的质量和安全。

3结语

综上所述，建筑结构设计方案的合理选择，不仅可以使建筑结构设计达到应有的技术要求，还可以减少不必要的经济损耗。建筑结构设计优化在房屋结构设计中是一个综合性比较强且极为复杂的系统性问题，这需要我们对其进行深入研究。本人结合自身的工作经验，阐述了建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用，希望此文对相关研究人员有所帮助。

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．

篇（11）

引言

随着我国房屋建筑工程行业的高速发展，居民对房屋建筑的功能质量的要求越来越高，房屋建筑从单层、多层朝着高层建筑发展，其结构形式也越趋多样化和复杂化。在这种形势下，通过优化建筑结构设计以提高建筑质量、降低建筑成本并满足居民对房屋建筑的品质要求，对于房地产企业保持并扩大市场份额具有重大现实意义。

据统计，建筑设计阶段决定了建筑造价的80%以上，而这其中结构设计由决定了建筑总造价的50%左右。我国大部分建筑施工过程中的水泥、钢材用量均远远多于欧美发达国家，有巨大的可优化空间。本文首先分析了结构优化设计的现状，并对基于ANSYS的框架结构优化设计方法进行了研究。

1 结构优化设计现状分析

结构优化是指在满足国家和地方相关法律法规规定的结构安全度要求的基础上，根据实际建筑物的设计特点及设计需求，通过选择合理的体系及结构，结合精确的计算机模型计算、校核与应力分析，制定出详细的配筋方法等设计内容，最终达到有效降低结构构件经济指标及整体工程造价的目的。

按照结构优化发展的难易程度，可将其分为截面或者尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化以及类型优化等5个层次，但结构优化在建筑结构设计领域的应用还比较有限，主要因为：（1）在现行国家和地方相关法律法规中，对建筑优化设计的要求不够明确，设计人员往往仅对尺寸、钢筋数目等细节进行优化，没有考虑总体设计理念，无法获得最优结果。（2）设计人员仅了解最基本的结构设计理论和设计软件，在行业内部对结构优化设计理论和方法的推广不足。（3）相关结构优化设计理论和方法缺乏实践检验，由于实际结构设计的影响因素、变量和约束条件较多，给目标函数的建立带来较大困难，因此现有的结构优化方法中界定的优化目标与实际工程需求还有较大差距。

2 基于ANSYS的框架结构优化设计方法

优化设计的基本原理：基于数学模型构建优化模型，在此基础上使用优化方法和优化工具进行迭代计算，对目标函数进行求解，得到相应的机制，并最终获得最有结果。国内外结构分析模型及其优缺点比较如表1所示。

表1 国内外结构分析模型及其优缺点

模型 平面框架 协同工作 薄壁柱 墙组元 板-梁墙元 平面应力元 壳元墙元

简图

优点 计算快

手动校核 计算较快

考虑了空间整体性 适用于所有平面、效率高 剪力墙可以多点传力，变型较协调 变形较协调，自由度较少 简单实用，充分考虑墙平面内刚度 分析精确较高，能直接与一般梁柱单元连接

缺点 模型粗糙

适应面窄 适应面窄

近似结果 剪力墙要求比较规则，单点传力 尚在实用 结果偏柔，有时失真 近似考虑墙平面外刚度 自由度太多，计算效率低，数据和程序复杂

代

表

软

件 建研院

PKPM 建研院

XTJS 建研院TBSA

TAT 建研院

TBWE 美国加州

ETABS

清华

TUS/ADBW 大连理工

DASTAB

美国加州

ETABS（95） 建研院

SATWE

北大SAP84

ANSYS软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，该软件分为前处理、分析计算和后处理三个模块。优化设计包含在分析计算模块，ANSYS提供了零阶方法和一阶方法两种优化方法来解决各类优化模拟问题。运用某工程实例说明ANSYS在框架结构优化中的方法。

（1）工程实例概况。某房屋建筑的二层梁梁长5700mm，梁截面为250mm×450mm。其梁配筋，梁端负筋为4根三级钢，直径为16mm，梁底正筋为3根三级钢，其中2根直径为20mm，一根直径为16mm。箍筋为一级钢，直径8mm，间距200mm，加密区100mm。现优化器梁截面与钢筋截面。梁的相关结构如图1所示，其中梁上的均布载荷为P=43.3kN・m。

（2）构建目标函数。目标函数是梁单位长度上的总造价最小，目标函数如式（1）所示。

（1）

式中，为单位体积混凝土的价格，初始为0.000057元/cm3;为单位质量钢筋价格，初始为0.4831元/kg;为单元面积模板的价格，初始为0.00016元/cm3;为负筋的总长度与梁全长的比值，初始值为2。

（3）优化设计。建立分离式有限元模型，混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用LINE8单元，进行模拟优化，梁的变形模拟图如图2所示，最终框架梁的优化结果如表2所示。

（a）钢筋混凝土梁应力图 （b）钢筋应力变形

（c）钢筋混凝土梁应力变形

图2 梁的变形模拟图

表2 框架梁优化结果

3 结语

房屋建筑结构设计首先需要保证建筑物的功能性、耐久性和安全性，在此基础上，应最大限度的控制建筑成本，才能有效提高企业的市场竞争力。为实现这些目标，就需要针对建筑结构设计不同阶段的内容和特征，将结构优化设计方法应用其中，以保证设计的合理性和可行性，并达到最终的优化设计目标。

参考文献

[1]李能能，董斌.房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨[J]. 建筑设计管理， 2013 （12）： 73-75.