优化设计与优化方法大全11篇

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Abstract: with China's economic prosperity and development, housing construction structure design level also constantly improving, the optimization design of building structure not only can save cost cost, but also can improve the quality and safety of the house. The paper mainly introduces the present situation of the houses and the optimization design of reason, and expounds the optimized design of building the main contents and methods, finally puts forward the design optimization of building structure should be pay attention to, and puts forward some opinions of his own.

Keywords: housing, structure design, optimization technology, method, the main points

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

近年来，由于土地价格市场的变化，不断上涨的土地价格给开发商的建筑总成本控制带来了极大的压力，同时，人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高，相应建筑产品的品质要求也就不断提高，这就让开发商不断寻求新的手段满足顾客需求，而降低工程造价就成为开发商追求的直接目标，这就需要我们利用结构设计优化设计技术方法，提高有限空间 有限资源的最大化效果发挥，实现经济化 实用性和适用性的良好目标。

1 房屋设计的现状及实行优化的原因

依据我国的国情以及发展形势，我国今后主要以建设高层住房为主。与此同时，投资者们也日益关注建设成本如何最低化，使用结构设计优化技术能够实现建筑成本的最低化。

若想实现结构优化的目的，工程设计人员首先以建筑的安全性为基础，然后理性分析建筑方案，融合与之相适宜的设计理念以及方法实现对工程造价的有效控制，以符合投资者的经济要求。根据统计资料显示，建筑结构经过优化设计比未进行优化的建筑节省了50%至30%的费用。然而，在很多实际优化设计中，其因为受到较多因素的制约而难以施展、发挥出其优越性。比如，过度追求工程设计进度，就会影响工程设计人员的设计效果，一味地以满足工程进度为目标；年轻的工程设计人员常受其专业素质限制，难以理解其设计软件，无法实现优化技术。也有一些工程设计人员过于关注建筑部分，忽视了建筑的整体方案，能实现控制整体造价。由此可见，工程设计人员要将其技术与经济效益进行有机结合，只有合理的设计方案才能确保实现最大经济效益。

2 房屋优化设计的主要内容

通常房屋结构的设计主要是利用适宜的方法和设计理念来满足房屋建筑设计的需求，比如确定合理的布置、结构形势、构件尺寸等。尤其是优化设计基本的钢筋混凝土房屋结构体系，往往自整体布局与具体构件两个角度进行分析。影响整体布局的关键因素是建筑物的柱网尺寸、层高、体型、抗侧力构件位置等。具体构件主要是指结构构件的几面、布局、钢筋及混凝土的配筋构造、强度等级、对于这两大方面的因素，需要有专业的工程设计人员，熟知构件设计规范并具有丰富设计经验，而且善于分析与把握构件受力特性及结构，进而选取最相适宜的方法展开优化设计工作。

3 房屋结构设计优化方法

赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑设计优化设计技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求，又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的“经济适用”房。从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。

房屋工程分部结构优化设计实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，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。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用 竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

3.1结构优化设计模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：

（1）设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。

（2）目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解最后，约束条件的确定 房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

3.2结构优化计算方案

结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

4 结构设计优化中应注意的问题

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不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的 结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益 在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题：

4.1 结构设计优化应注意前期准备

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的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，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，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。

4.2 概念设计结合细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据 设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。

在结构设计的过程中，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，从而达到既安全又经济的目的。

4.3 下部地基基础结构设计优化

地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

5 结束语

总之，工程造价在工程项目占有很大比例，具有重要的经济效益，所以优化设计房屋结构能够卓有成效地减少工程造价成本。与此同时，优化设计房屋结构要保障建筑的安全级别，合理化等，协调好技术和经济两者之间的关系，切勿因重视节省成本，而忽视质量或技术。为了实现整体目标最优，结构设计人员与工程师要分析房屋结构设计，充分发挥其优势，利用精细高效的工作标准及要求来实现最优化的房屋结构。

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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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引言：

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

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

一、工程结构优化设计演变历史概述

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

一、 工程优化设计研究

1.为何设计---工程中结构不确定性的存在

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

第一， 缺乏结构可靠性的设计，不能保证稳定，安全。

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

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

2.工程优化设计方案研究

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

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

第四， 粒子群优化算法。该种算法是近几年来比较流行的一种应

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

第五， 变密度法假设优化设计。可以说，变密度法假设优化设计

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

第六， 相对差商法和混沌优化相结合。该种范式是一种导出求解

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

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

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

参考文献

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

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

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

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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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在建筑设计的工作中，通常需要进行建筑设计方案的优化，建筑设计方案优化的工作开展是在建筑设计的招标工作完成之后，中标的设计单位需要与建筑的建设单位进行接洽，对于建筑物种的一些细节进行必要的探讨，对于建筑设计中的不合理的地方进行优化，这是建筑工程中非常重要的一项工作，本文就针对建筑设计方案的优化工作中的相关问题予以分析探讨。

一、开展建筑设计方案优化工作的意义

在建筑设计方案的招标的过程中，中标的设计方案会在一定程度上优于其他方案，但并不是说中标的方案是完美的，因为在建筑方案的设计过程中不允许设计单位与建设单位之间有过多的交流，这就使得设计人员在进行建筑方案的设计过程中，不能完全的与建设单位进行设计思想的交流，在这样的情况下设计出来的方案是很难完全符合建设单位的设计要求的，另一方面，为了加快招标的进度，通常在招标的过程中都要求设计单位进行概念设计方案，对于建筑中的具体的细节在设计方案中并没有反映，确定中标方案之后再进行设计方案优化是非常有必要的。

现代的建筑项目在建设的过程中，要考虑的影响因素非常的多，法规、景观、环保、交通等各种内外部的制约条件都需要全面的考虑，在招标的初期，没有设计方案的初期模型或效果图，建设单位很难就此提出详细的要求，对于建筑风格、功能需求等的描述往往是一个模糊的概念，在确定中标方案之后，还需要对建筑设计中的各项技术要求进行进一步的细化，确定出详细的建筑设计方案。

在建筑设计方案的招标过程中，参与竞标的设计方案是各种各样的，招标的过程同样是一个集思广益的过程，在招标的过程中，能够发现各种设计方案中的亮点，以及有使用价值的设计思路，在招标工作结束之后，中标的单位，能够通过与其他设计单位进行比较，找出自身的设计方案中的不足，对自己的中标方案进行改进与优化，由此可见，进行建筑设计方案的优化是有重大的意义的。在一些大型的复杂的建设项目中，设计方案的优化已经成为必不可少的环节，在建筑设计方案的招标工作结束之后，建设单位不能忙于开始建设工作，要对设计方案进行深入充分的优化，对于设计中的各项工作予以明确，这样才能为后续的工作打好基础，有利于后续工作的顺利开展。

二、建筑设计方案优化的原则及方法

建筑设计方案的优化是建筑设计工作中的重要的组成部分，开展建筑设计方案的优化是非常有必要的，但是有的建设单位在开展建筑设计方案的优化的过程中，采取了错误的方法，导致对招标方案的改动不仅没有起到设计方案优化的作用，反而使原有的设计方案遭到了丑化，因此，在进行建筑设计方案的优化的过程中，要遵循一定的原则，采用正确的优化方式来开展优化工作。

1、自顶向下的开展优化工作

中标的设计方案大多采用的是概念设计，在设计方案的优化阶段要开展具体的、深入的方案设计，这时要首先进行宏观上的优化设计，对于本阶段需要完成的重要事项予以重点的关注，对于具体的局部的细节可以在工程的设计阶段进行详细的设计，在后续的设计工作中有可能会对一些早早确定的设计细节进行废弃，以达到优化的目的。

2、坚持中标设计方案中的核心内容，杜绝颠覆性的方案修改

大型的项目建设中的中标方案是受到建设单位的高层的领导的认可的，并且在法律中是具有明确的规定的，在建筑设计方案的优化工作中，不能对设计方案进行颠覆性的修改，只能充分的挖掘原有方案中的亮点。

3、方案优化的过程中应该选用专业的设计人员

在建筑设计方案的优化工作中，很容易出现对中标方案的丑化现象，造成这样现象的因素有很多，但是其中的主要的影响因素是非专业因素的影响，很多建设单位的领导强行的将自己的主观意识应用于建筑设计的方案优化中，对建筑设计师的设计空间有了一定的抑制作用，建筑设计方案的优化工作要能够保证优化之后的方案具有合理性与科学性，这是一项具有很强的专业性的工作，建筑师在方案的优化工作中要能够运用专业的技术手段与方法，在优化工作中起到主导的作用，建设单位要给予建筑设计师充分的优化权力，促进优化工作的顺利进行。

三、建筑设计方案优化工作中应该注意的要素

1、建筑设计方案优化工作中的成本要素

在建筑的设计中对成本指标必须严加控制，在建筑方案的设计阶段，设计单位关注的是建筑成本的估算，但在建筑设计方案的优化阶段，需要结合中标方案中的各项设计内容，对成本要素进行分析，并开展基于成本的各项技术指标的协调工作。

2、建筑设计方案优化工作中的功能要素

在方案的优化阶段，建筑设计方案的初步形态已经显现，这时需要对中标方案中的功能要素进行分析，并对相应的功能要素进行验证，在对功能的梳理、分析的过程中，往往会激发出新的创意及想法，使得建筑设计方案中的功能要素更加的完善。

3、建筑设计方案优化工作中的文化要素

建筑设计中的文化要素通常难以用具体的语言来进行描述，但是其涉及的范围十分的广泛，涉及到建筑单位的组织文化、风格定位、地域风情、民族、文脉、历史等各方面的内容，建筑设计中的难点之一就是对建筑物的文化要素进行正确的把握、合理的表达，要想在招标工作中，设计方案得到认可，对文化要素进行独特的诠释是非常重要的，在设计方案的优化阶段，同样需要对建筑设计中的文化要素进行反复的推敲、论证，对建筑物进行准确的文化定位。

结束语

为了保证建筑工程设计的质量，很多大型的建筑项目在进行设计方案的选择的过程中，都会以招标的形式来进行，而建筑设计方案的优化逐渐成为建筑项目的设计过程中必不可少的程序，对建筑设计方案进行科学合理的优化，能够有效的提升建筑项目中的设计方案的质量，这就需要建设单位重视建筑设计方案的优化工作，在优化工作中遵循优化原则，选择正确的方法进行设计方案的优化。

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一 建筑结构设计的优化方法与现实应用的背景分析

随着我们国家经济技术的不断进步和发展，全国人民的生活也逐步的走入了相对良好和稳定的小康时代，相应的对于生活质量和环境要求也就越来越高，绝大多数的人都住进了高层建筑当中。在这样一种实际的背景状况下，人口持续增长，土地资源却是极其有限，建筑的建设与规格也在持续见长，这使得土地、建筑物以及建筑物的建设成本都在不停的提升。由此，降低建筑建设成本就成为了建筑商在进行建设的过程当中最需要注意和考虑的。那在实际的建设过程的当中应当以什么样的方式来进行建筑成本的控制呢？本文实际上也是针对于这样一个问题展开的讨论和分析。

结构优化设计目前在国外是非常有价值的一种理论系统，其核心就在于能够通过对居住环境以及生活环境的改善来实现建筑产品质量以及品位的提高，以这样一种定性的思维和方式来实现工程建筑质量最大化和成本最小化，因此具有适用、经济和适用的价值，是值得在实际的工程建设中予以广泛的应用和实施的。

二 优化结构设计方法

现代社会环境下很多建筑物的造型都相当的优美和独特，能够给人以很好的精神享受，这样一种良好的建筑效果从本质上来看就正是结构设计与建筑实施技术的良好协调和配合，以这样一种方式来实现建筑美观效果的完成。建筑结构设计所追求的五种最为基本的目标就是：安全、经济、适用、美观以及施工简便，因此我们在文中所讨论的结构优化设计方案就要保证能够切实的实现这些点，将其良好的应用于实践，这样不断能够满足人们对于美的追求，还能够保证整个房屋建筑的结构设计合理以及性能上的安全保障，成为名符其实的经济实用型建筑。我们在对其进行深入的探讨和分析时则往往需要通过两个具体的方面来进行：

第一方面：主要是建筑模型的优化结构设计方案，在进行一项大型的建筑工程方案之前，首先必然是需要进行建筑模型的设计的，而在这样一个过程当中对于建筑模型的优化设计就是非常关键和有必要的。在进行建筑模型的优化设计时，主要的工作就是以下几个部分：基础结构方案的优化设计、屋盖系统的优化设计、围护结构方案的优化设计以及结构细部的优化设计等。除此之外，还需要采取进一步的处理措施，主要就是进行必要的选型、布置以及准确的受力分析，最终实现对于造价本身的良好优化。上述一系列的优化过程都需要按照一切以实际出发的原则来进行，也就是围绕工程的实际状况和需要来进行，将房屋建筑的综合经济效益以及房屋质量的保证作为设计的最终目标和要求。在进行结构的设计和规划时，首要的就是要把握和设计的真实意图，这样才能够尽可能的保证整个布置状况的规则，并较大程度的降低刚度以及质量中心之间的差异，以此来避免较大扭转作用力的产生。

第二方面：主要是建筑模型的优化结构计算方案，计算方案的进行和完成实际上只需要进行相应的编制并按照相应的运算程序进行计算就能够得到我们做需要的最终的优化结果。但是我们需要注意和认识到的就是，在进行结构优化的过程当中可能会涉及到多个方面的变量和约束条件，这也就意味着处理的是非线性的优化问题，针对于此，我们在进行计算方案的确定时就需要将一些有约束的条件转化成为没有约束条件的问题来进行计算。在实际的建筑工程设计中较多应用的就是Powell算法和拉式乘子法以及符合性法等，利用这样一些方法基本上就能够实现优化结构设计方案的良好计算。

三 优化的结构设计技术在实践当中的应用

我们将结构设计方案处理完成以后就可以将其应用于实践。对结构设计进行良好的优化在现今的时代背景下实际上是非常好的一个课题，在目前开展的也比较普遍，我们采用结构设计的优化方法就是希望能够在不改变建筑结构实际使用性能的前提下来保证其工程造价的大幅降低，因此将其应用到实际的工程实践当中去就是我们工程人员不二的追求。结构设计的优化在实际的工程环境中能够应用和渗透到其进行的各个步骤和环节当中去，这其中就包括整体的设计阶段、前期的设计阶段、旧房的改造以及抗震设计当中去，并能够在应用的过程当中发挥出巨大的效益来。我们在按照结构设计优化的理论方法对模型进行改造实践的过程中，需要注意以下三个方面的具体问题，下文中正是针对于这样三个问题进行了详尽的阐述和分析。

3.1 参与结构设计优化的前期工作

这样一个方面的强调主要是因为前期工作的进行直接影响到整个建筑工程的总造价，而现如今大多数工程在进行建设的过程当中最为普遍的问题往往也就是其前期方案结构结构设计上的问题，建筑师在进行设计的时候更多关注的是设计本身的问题，而极少关注结构自身的合理性和可行性，这就使得建筑结构在进行建设的过程当中面临着较多方面的问题，更多的是会引起工程造价的提高，这就与我们进行优化设计本身的目的有所违背。正是因为这样，我们有必要在进行建设之前针对于不同的建筑类别来对结构形式进行选择，为整个工作的开展和进行提供良好的开端。

3.2 将概念设计和细部结构设计进行优化

所谓概念设计实际上也就是指一些没有具体的数值来进行量化的指标，包括地震的防裂度以及其本身的不确定性等，因此在进行设计计算的时候难免会和现实产生较大的差别，正是在这样一种背景下我们才需要在对这样一种指标进行设计和确定时选择使用概念设计的方法，将数值仅仅只是作为辅助或者是参考的依据来进行。在这样一种设计的过程当中更为强调的就是设计人员本身的灵活性以及应用结构设计优化方法的能力，这样良好的结合才能够真正实现效果上的最优化。

3.3 优化下部的地基基础结构设计

地基基础的结构设计优化进行过程中最开始的一步就是进行方案的选择，如果是桩基础的话，就有必要根据现场的地质条件来选择桩基的类型，以此来最大程度的降低造价。在建设进行的过程当中，桩端持力层对于灌注桩桩长的选择影响也是非常大的，因此需要进行较多的对比和分析以后再来进行核实方案的确定和选择。

结语：通过上文中详尽的分析我们就可以看到，利用结构设计优化的技术方法是能够切实有效的提高空间、资源等的利用率的，除此之外，还能够最大程度的实现经济性和实用性的最大化，这样一种状况实际上就是我们在进行工程设计的过程当中最希望能够实现的。满足了建筑产品本身品质不断提高的基本要求，更重要的是能够实现人们对于生活质量以及生活水平的更高要求。最后，实际上也是实现了建筑商不断寻求新手段吸引顾客的目的，达到降低工程建设实际造价的目的。

参考文献

[1] 李国胜.《多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造》.中国建筑工业出版社，2008.

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Abstract:The optimized design of the building structure is the important process of building the overall structure of the optimal. In a humane architecture and the use of conceptual design methods to improve the utility of the building structure and overall effect is explored on the basis of the basic procedures of the building structure design optimization method based on practical effect.

Keywords:architectural design；structural optimization；practicality；the overall effect

中图分类号：TU32/399

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2012）08-0089-02

1 引言

在进行建筑整体结构设计的过程中，为了使得建筑结构在空间、实用性、整体效果以及造价等方面达到最优，在完成基础设计之后都需要对建筑结构设计进行优化。尤其是在整体结构的造价控制方面，建筑结构设计优化是进行造价控制的主要途径。传统的建筑结构优化设计过程中一般都是以建筑的造价为根本进行控制的，而随着人们对建筑的实用性和整体效果要求不断增加，建筑的使用的方便性以及整体效果成为了人们关注的重点。而各种不同的设计方案对建筑材料的选用、建筑基础类型的选择、房屋进深的确定、建筑的层高以及总层数的确定等都是需要优化的问题和对象，因此在进行优化设计的过程中都应该予以重点考虑。

2 人性化建筑结构的特点及优化内容

建筑的人性化是体现建筑实用性的一个重要方面，尤其是随着社会经济的不断发展和进步，人们对于自身居住条件提出了更高的要求。在居住环境方面，不但要求有房可居，同时还要求住得方便、住得舒适。这时，以实用性为基础的“人性化”就成为了人们对建筑设计追求的一个重要概念。而在现代建筑结构设计优化的过程中，现代建筑设计就需要以“人性化”这个特点为基础，采用“以人为本”的设计理念，对建筑的整体结构进行优化。

人性化建筑结构的特点具有这样的几个特点：① 合理的空间布局，通常而言在人少地多的地方选择独立的小高层以及别墅，而在人多地少的地区则尽量建设高层，而且在建筑整体结构之内具有明确的用地分工，能够提高对土地空间的利用率；② 整体建筑结构极具艺术效果，通常在进行结构设计是在充分考虑通风以及采光等因素的基础上，一般尽可能的将客厅和卧室布置在建筑整体结构的南面，而将厨房、餐厅以及卫生间设置在建筑的北面。阳台直接与阳客厅相通，这样就使得穿过阳台时不需要穿过卧室，将私人空间和公共空间相分离，有效的保证了住宅类建筑使用过程中的私密性。

而通过采用建筑结构优化设计的方法，不但可以实现建筑的上述特点，还可以有效的降低建筑结构设计的成本。其中，在进行结构优化的过程中，主要的优化对象和优化内容包括：建筑基础结构的优化、建筑屋盖系统的优化、建筑围护结构的优化以及细部结构的优化等内容。

而针对上述结构具体方面的优化还包括具体的选型、结构的布置、结构整体受力分析以及结构造价分析等，在确保达到实用要求以及建筑标准的同时，通过与具体的工程实际情况相结合，达到优化设计的目的。

图1-建筑外部结构

图2-建筑内部结构布局

3 概念设计方法在提高建筑结构实用性及效果中的作用

建筑结构的概念设计一直是建筑整体结构优化的一个重要方向和重要基础。通过采用建筑结构的概念设计方法，可以保证建筑整体结构能在多种意料之外的外部作用力以及外部破坏的作用之下，将建筑的受破坏程度降到最低。所以，对建筑在使用的过程中可能会遇到的各种不稳定因素成为了建筑概念设计的重要内容，同时也成为了提高建筑实用性的一种建筑结构优化有效手段。在进行建筑可能遭受的结构破坏分析过程中，地震是一种作用力大、难以准确预测的破坏因素。因此，在进行建筑结构设计的过程中就应该预先针对建筑整体结构进行优化，从结构构造以及计算等多个方面对提高建筑结构抗震能力采取多种措施，而不利于建筑抗震能力提高的设计方案则尽可能的避免。通过对建筑结构的优化，应该确保建筑的整体刚度尽量均匀、对称，这是有效降低建筑整体结构在减小建筑结构在地震过程中出现破坏的一个重要手段。同时，在设计的过程中还应该采用多种有效的设计方式来增加建筑抵抗地震的能力，诸如延性设计，它可以有效的控制建筑在地震的作用下出现脆性破坏的问题；多道设防的设计思路可以使得在剧烈地震的作用下，建筑的一些次要结构先发送破坏，通过消耗一部分地震能量来减小对建筑主体结构的破坏。这些建筑结构优化方法都是建筑整体结构设计过程中需要遵循和采用的有效原则。

4 基于实用与效果的建筑结构设计优化方法的应用

4.1 提高建筑结构空间利用率的策略

空间利用率是衡量建筑人性化指标的一个重要指标，下面从提高提高住宅建筑的空间利用率出发，探讨提高建筑实用性的人性化建筑结构优化策略。

4.1.1基本思路

这里对于提高建筑结构空间利用率的策略是利用了整体和部分的关系，

N=1+1+1+1+1……

当N表示为整个建筑主体时，1就可以分别代表卧室、客厅、餐厅和卫生间等；

当N表示为120m2的建筑空间时，1则分别表示25m2的客厅、15m2的主卧室、5m2的卫生间以及9m2的餐厅等；同样，当N表示为对应卧室的大小时，1则表示卧室中的床铺、电视柜、挂衣柜以及桌子的大小；而当N表示为客厅时，1则表示电视的尺寸、沙发的大小、背景墙体的比例等。

4.1.2提高空间利用率的主要目的

增加对空间的利用程度，减少空间的浪费，在保证空间使用的实用性基础上增加空间利用的人性化。

4.1.3具体的实施策略

确定建筑空间的面积确保建筑的容积效率之后确定结构的最佳进深计算面宽确定房间的具体进深房间家具的尺寸以及实用性

目标空间结构合理的交通面积

增加面积

房间+客厅+起居室+运动室……

4.2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

4.2.1结构优化模型的建立

建筑结构的整体优化方法包括这样三个基本的步骤：首先，确定设计变量。以影响建筑整体效果和实用性的相关参数作为设计变量，诸如对应的目标控制函数(整体结构造价C1、损失期望C2)、约束控制参数(整体建筑结构的可靠度SP)。在进行选取的过程中，尽量忽略那些对结构整体效果以及实用性影响不大的相关参数，这样可以大大减少模型的计算以及编程工作量；其次，建立目标函数，以建筑的整体效果和实用性最佳为目标，寻找一组既能够满足建筑使用功能又能够满足预设的结构截面尺寸、钢筋截面积等要素的参量，使得目标函数值最优；再次，定义约束条件，建筑结构的约束条件包括建筑的可靠度、强度约束、应力变形约束以及裂缝宽度约束等。设计的过程中就是要使得实际的结构设计在和约束条件相比较之后，符合当前的设计规范，达到最优的设计标准。

4.2.2优化设计方案的选择

建筑结构优化设计的方案很多，一般采用基于可靠度的优化设计方案。这些方案在计算的过程中需要考虑到多变量的复杂变化，同时约束条件较多，且都属于非线性问题，在进行设计计算的过程中一般要转化成为无约束以及线性问题来加以求解。这个过程中，可以采用的优化计算方法包括：拉普拉斯算子法、复合形法等。在进行算法的选取时可以对算法的精度以及算法的计算速率予以综合考虑，选定一个最适合的算法。

4.2.3 具体的程序设计

以上述选择和确定的优化设计方案为基础，编制一个功能齐全而运算速度较快的综合计算程序进行计算。程序设计的内容涉及到具体的工程指标选取以及建筑的功能需要，且编程内容较为繁复，这里不详细论述。

4.2.4结果分析

在对计算结果进行分析的过程中，应该从多个方面和多个角度予以考虑，诸如建筑结构的成本、实用性和整体空间效果等。这主要是因为建筑结构属于一项耗资较大的工程，涉及到的方面比较多，需要从全盘予以考虑，不能够仅仅为了节省资金、或者是仅仅为了增加建筑的实用性来进行优化。总的来讲就是要争取的处理好技术与经济之间的问题，在两者之间找到一个平衡点来进行优化。

5 结语

建筑结构的优化设计是一个复杂的过程，属于综合决策的问题。在优化的过程中需要综合考虑实用、安全、经济和整体效果等因素。本文对人性化建筑以及采用概念设计方法对建筑结构实用程度及整体效果进行改进的方式进行了探讨，并针对建筑部分结构的空间利用率的优化部分进行了具体分析，提供了一个建筑结构优化的新理念。

图3-某大底盘高层建筑结构设计

图4-某住宅内部空间布局

图5-建筑结构的有限元分析

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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1、房屋建筑结构设计优化原则

1.1、安全性

在房屋建筑结构优化的过程中的过程中首先要考虑的就是稳定性与房屋建筑结构的安全性，并且在优化时要尽量节约房屋建筑结构的优化成本，在进行优化方案设计的过程中要紧跟当今社会所倡导的绿色健康无公害的步伐，积极将健康绿色的理念引入到房屋建筑设计的方案中。另一方面房屋建筑优化结构设计也应积极响应国家所倡导的节能理念，要充分利用自然能，设计时应充分考虑怎么设计才能让自然能发挥其最佳的效果。

1.2、环保性

房屋基础结构直接关系到房屋结构的整体功能和稳定，因此在基础结构设计环节中要全面应用建筑结构设计优化方法，对地基地质、桩基类型、基础结构等方面的设计进行全面地控制，合理确定桩基工程的形式，把握桩身长度和直径，优化基础结构的方案，确定基础结构、施工技术和资金投入的平衡点，在全面进行建筑结构设计优化的基础上，提升和保证房屋整体结构强度、结构稳定性。

1.3、经济性

考虑开发商的经济效益设计师们在优化结构时，也要考虑建筑项目资源分配的最优化，尽力的为开发商节约资源和成本。

1.4、创新性

实验一些新的结构和思路建筑设计师在对建筑结构设计进行综合考虑时，需要充分结合之前的经验和教训，大胆的进行创新，实验一些新的结构和思路，不断引进新的技术。总之，要注重使得其设计的建筑作品在优化的同时也要具有实用价值。

2、房屋建筑的结构设计优化方法

2.1、建立结构优化模型

结构优化设计通常情况下分为两部分，一部分是结构优化设计模型，另一部分就是结构优化计算方案。所谓的结构设计优化就是变量中选择出主要的参数，然后根据数据分析建立起函数模型，运用函数模型借助较为科学的方法计算出最优解。建立模型的步骤一般有以下几步：一、选择合理的设计变量。设计变量的选择对于模型的构建具有重要的意义，设计变量的选择将会影响到对设计要求影响较大的参数的选择，进一步涉及到参数重要性的区分问题。选择出了合理的设计变量在很大的程度上能够减少计算编程的工作量；二、确定目标函数。首先找出满足函数条件的最优解，然后确定约束条件。在房屋的优化设计中存在着很多的约束条件，其中有：应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从弹塑性约束等，在进行优化设计时要确保所有的约束条件都在规定的范围内，能够满足设计规范，即在规范条件内满足约束条件。

2.2、设计计算方案和程序

在进行结构优化中，设计人员应保证计算方案合理优化。在这个过程中，涉及很多约束条件和变量，所以在设计人员在进行计算中，要了解这些约束条件，然后进行合理的分析，最后考虑工程的变量，运用数学计算方式，进行优化设计。在模型建立和设计方案确定后，设计人员要根据设计方案制定相应的程序，然后将这些变量录入到计算机中，然后有设计变动，就要在基础结构上进行改写，将新的程序录入到计算机中。计算机在计算中只需要相关编程数据，然后计算出对应的结果。

2.3、认真分析统计结论

设计师在进行大量复杂的计算之后，要认真对统计结果进行分析，并找出各个设计方案所得结果的异同，综合考虑设计情况与进展确定最优设计方案。在进行结论分析时，设计师还有对一些细节问题多加留意。房屋的建设是一个漫长的过程，需要消耗大量的人力、物力，建设成本对于建设单位的利益和房屋使用者的利益都有很大的影响。因此，设计师需要在把握细节的基础上，从宏观上把握当事人的利用，有效节约建设成本，进一步优化建设方案。在进行建筑结构优化设计时，设计师要杜绝脱离建筑实际，盲目追求创新的现象。同时，设计师应当具有全局意识，一切从企业、人民的利益出发。

2.4、灵活运用建筑结构设计规范

设计人员需要全面理解规范条文，正确灵活的运用建筑结构设计规范。例如在规范中对剪力墙设计的要求是剪力墙需要上下贯通，剪力墙的布置位置最好是在结构的，因为这样可以增强结构的抗扭作用，从而让建筑结构的刚度有连贯性且变化情况稳定，但是作为一个优秀的工程结构设计师，应该灵活运用这个要求，不仅要考虑规范的要求，还需要考虑温度对楼层的影响，从而控制剪力墙的间距，防止剪力墙裂缝增大而增加建筑结构的不安因素。

2.5、具体设计要点把控

2.5.1、主体优化

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。整个过程最先一步就应当合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的质量是均匀的，这样能将楼层中平面刚度的中心点重合于楼层整体的结构重心，从而减少地震或者风力等对其的破坏性。在房屋建设时，如果条件允许，要尽可能地对剪力墙进行大开间的构造，加长剪力墙的墙肢长度，这样就能减少墙肢的数量，还能在符合标准的基础上减少混凝土的使用。

2.5.2、结构细部优化

对于房屋建筑结构来说，一定要重视房屋建筑的分部结构优化工作。首先，在建筑物进行前期设计时，就应该深入考虑方案的合理性，为后期结构设计做好铺垫，才能完成合理完整的建筑物。与此同时，中国有句老话叫“千里之堤毁于蚁穴”，说的就是重视细节的道理，主体结构构建好了，但是如果局部位置出现问题，将危及整座建筑物，结构细部的优化工作包括了结构细部的设计工作，如平时我们工作中给常见的矩形现浇板做设计时，需要对其先做分析，避免在拐角处有裂缝，这都是细节，但如果不注意，引起的后果将不堪设想。

2.6、注重利用计算机技术

通过建筑结构优化设计和计算机技术的结合，设计师利用计算机仿真的设计优化方法对建筑结构优化设计带来了很多新的思路。建筑设计师能够利用计算机软件建立各种便于分析的模型并通过计算机的优化计算为设计师提供精确的数据最后达到建筑设计的优化。计算机技术的运用可以说把建筑结构优化设计这样一个工程的问题转变成一个数学的问题。特别对于大型的复杂的建筑结构设计中，计算其技术拥有人脑不可替代的优势。对于一些超高建筑的抗震、抗风等等设计问题计算机技术的合理运用能够分析得到很多精确的数据为建筑设计师在具体的设计中提供可靠的参考数据，可以大大提高建筑设计师的工作效率。

总言之，现今随着我国建筑工程项目的逐渐展开，有关建筑结构优化设计的问题将更加的突出，为了有效的适应城市的整体美观规划，相关人员要不断强化对建筑结构的优化设计在房屋结构设计中的应用，在保证建筑基础功能的基础上进行设计，提高建筑主体的质量，已最终满足人们对房屋建筑的现实需求。

参考文献

[1]何冬霞.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用[J].中华民居（下旬刊），2013，10：18-19.

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中图分类号： U461文献标志码： B

引言

现代产品更新换代速度快，且功能极大丰富，导致系统设计的复杂程度提高.复杂的产品及工程，如汽车、飞机和宇航等，通常由众多的系统、子系统及其零部件组成.同时，这些复杂的产品及工程设计问题又大多涉及多个学科领域，并且各个学科之间可能存在着很强的相互耦合关系.这些复杂因素都给产品开发与工程设计带来非常大的挑战.[1]

为满足现代社会对产品开发及工程设计的要求，并行性、一致性和高效率已经成为设计流程设置及其开发环节中极为重要的考核指标.

所谓的并行性，指系统的各个设计任务在彼此相互独立的情况下同时实施.并行进行的设计任务之间，可能会存在着大量的关联与耦合关系.这就要求各个设计任务之间必须保持与系统设计目标高度一致，从而使得最终生产制造出的产品可以实现预定的设计目标要求.各个设计任务需要与产品的设计目标之间进行不断地交互，而且这种交互工作越早发生，越有利于整个产品开发的高效进行，避免在产品设计后期发生系统整体的性能未能满足产品设计目标要求的情况，从而不得不重新设计，导致极为严重的资源和时间浪费.

传统的优化设计方法，采用串行设计模式和单层次优化方法（AllatOnce）.整个产品开发与工程设计过程按照单个子系统或零部件依次进行设计与优化工作.这样的设计模式严重制约产品的开发效率，也导致最终集成的系统无法实现最优方案.随着产品开发与工程设计问题越来越复杂，自20世纪80年代后期以来，一种解决复杂产品开发与工程设计优化问题的多学科设计优化（Multidiscipline Design Optimization，MDO）方法，在国内外获得广泛关注.MDO方法是一种通过充分探索和利用系统间的协同机制来设计复杂系统的方法，即MDO方法是在复杂系统的设计过程中结合系统的多学科本质，充分利用各种不同学科的设计与分析工具，最终达到最优设计的方法.基于MDO理念，将各学科的高精度分析模型与优化技术有机结合起来，寻找到最佳的总体设计方案.MDO方法最初应用在航空、航天领域，目前已经广泛应用于船舶、汽车和建筑等各个领域.[2]

目前，主要的MDO方法包括：协同优化（Collaborative Optimization，CO），并行子空间优化（Concurrent Subspace Optimization，CSSO），二级系统一体化合成优化（BiLevel Integrated System Synthesis，BLISS）和解析目标分解 （Analytical Target Cascading，ATC）法等.[3]不同于CO和BLISS等传统的MDO优化方法，ATC方法起源于汽车产品设计，其目标主要是通过不断地进行子系统与零部件的迭代优化，实现系统级的产品开发与工程设计问题的既定目标.通过层次化的多学科设计优化方法，在系统的优化设计过程中，结合系统设计目标考虑构成系统的各个子系统的优化设计，并在优化各个子系统的基础上达成整个系统的优化.该方法最早由美国密西根大学KIM博士和PAPALAMBROS教授所在的Optimal Design实验室提出.[45]

1目标分解方法及其数学表达

1.1优化设计问题的层次化构架设计

通常，一个复杂的产品开发与工程设计问题，可以通过分解构建成一个层次化的结构形式.典型的层次化结构设计案例见图1.产品开发与工程设计问题被分解为3层结构，包含由A到G的所有元素.对于层级1而言，只拥有元素A.元素A又可通过分解，得到下一个层级（即层级2）的2个元素，分别为B和C.依次，又可分解得到层级3及其对应的元素D，E，F和G.这样，就可以将一个极为复杂的系统逐层分解成多个简单问题的集合.

图 1典型的层次化结构

1.2ATC方法的实施步骤

ATC方法一般可以按照以下4个步骤实施.

（1）首先确定产品开发与工程设计问题系统级的设计目标；

（2）将这个系统级的设计目标逐层分解到各个子系统或者零部件上，确定它们为满足这个总目标的要求各自所必须实现的子目标；

（3）通过设计优化，使得各个子系统或零部件分别实现其满足系统总目标要求的各自的子目标；

（4）通过各个子系统和零部件设计结果的组合，验证最终产品开发与工程设计是否可实现既定的总目标要求.

ATC方法在建立层次化结构时，需要建立2种类型的模型，分别为优化模型P和分析模型r.优化模型P的主要功能是建立优化算法，并通过调用分析模型r得到系统、子系统及其零部件的设计响应；分析模型r为仿真计算模型，其主要功能是根据优化模型P产生的输入参数（即设计变量）和下一层的响应，通过仿真计算得到相应的计算结果输出，返回给优化模型P.ATC方法中不同层级之间数据流向及每一层中分析模型P与分析模型r之间的调用关系见图2.

图 2ATC方法的数据流向

图2中，作为中间层的子系统层，它的设计目标RUs1和共享变量yUs1由系统层传递下来.经过一系列的子系统层及零部件层优化设计求解之后，将生成相应的设计目标响应RLs1和共享设计变量yLs1，并返回给系统层.同理，对于最底层的零部件层ss1，RUss1和yUss1被作为设计目标和共享设计变量由子系统层传递下来，而后通过优化与仿真，再将相对应的RLss1和yLss1返回给子系统层.对于子系统层调用的分析模型rs1，来自零部件层的ss1响应Rss1和ss2的响应Rss2，子系统层本地设计变量x-s1和子系统层的共享设计变量ys一同作为其输入参数，由Ps1调用.

1.3ATC方法的数学表达

2数值案例及Isight软件求解

2.1数值案例的分解解析

2.2基于Isight优化软件的ATC实现

随着计算机仿真技术的深入，采用单一学科软件的设计、分析与优化方法，已经难以适应复杂系统设计和工程开发的需要.以航空航天领域设计为例，其涉及机械、电子、控制和热工等多个学科.随着各个学科的深入发展，在每个单独的学科领域内，都已经形成大量专业的仿真方法与工具.因此，如何在设计中将各个学科有效链接起来，使其形成一个统一各学科的综合设计的平台，已经成为工程和学术界所关注的重点.

作为多学科联合仿真与优化技术的先驱者，Isight软件为解决复杂系统的产品设计与工程开发提供多学科集成的优秀平台.Isight软件将数字技术、推理技术和设计搜索技术进行有效融合，将多学科专业软件进行协同以驱动产品设计与优化，并且把原来需要大量人工完成的工作改由软件自动进行处理.Isight软件的使用可以大大缩短产品的开发与设计周期，显著提高产品的质量与可靠性.

本文将Isight软件作为实现ATC方法的优化仿真平台.Isight软件下为实现上述数值案例所构建的2层的ATC架构见图3，包括系统层与子系统层，其中，子系统层由2个元素组成.

2.3优化结果分析

利用Isight优化软件所构建的ATC仿真模型见图4.系统级优化和子系统级优化均采用序列二次规划优化算法（Sequential quadratic programming，SQP）.最后设计变量（x1，x2，…，x14）收敛，目标函数f=17.02，与该数值算例的最优值f=17.00非常接近.

图 3Isight软件下的ATC架构

图 4ATC方法的Isight软件实现

3工程案例分析

3.1问题定义

以纯电动汽车动力总成优化设计为例，进一步说明ATC方法.纯电动汽车动力总成的详细结构见图5，其动力总成类似传统汽车的动力总成结构.

图 5纯电动汽车动力总成结构

车辆的基本参数与性能指标见表1.优化目标为在纯电动汽车动力总成的制造成本与其使用成本之间取得设计平衡.基于ATC方法的2层电动汽车动力总成目标分解与架构设计方案见图6.系统层以能耗仿真模型、动力总成成本模型和车辆性能仿真模型作为这一层级的分析模型.通过调用能耗仿真模型和动力总成成本模型可以分别得到使用成本和制造成本，将车辆性能仿真模型作为性能约束条件.[6]

3.2优化结果分析

优化前、后结果的对比见表2，可知，制造成本在整个成本构成中占据较大份额.通过对设计变量优化，使得使用成本和制造成本都有所下降，从而最终优化目标（总成本）也相应地有所下降，说明所提出的基于ATC优化设计方法得到预期效果.

表 2优化设计结果的对比名称原始值优化值传动比ig67.983 2电机转子直径d/m0.120.051 2电机转子长度L/m0.128 70.138 1使用成本/元897.71893.73制造成本/元5 013.894 984.88总成本/元5 911.605 878.61

4结束语

目标分解方法是一种处理复杂系统产品设计与工程开发层次化架构的系统化方法，结合Isight优化软件，对ATC方法进行充分的说明.

（1）对ATC方法的层次化架构进行详细描述，并引出实施ATC方法的一般步骤.

（2）详细论述ATC方法每层之间的信息传递，并给出ATC方法的一般数学表达式.

（3）基于Isight优化软件，分别进行数值案例和工程案例的分析，充分说明ATC方法对解决复杂系统优化设计问题的有效性.参考文献：

[1]赵刚， 江平宇. 面向大规模定制生产的e制造单元目标层解分析优化规划模型[J]. 机械工程学报， 2007， 43（2）： 178185.

[2]吴蓓蓓， 黄海， 吴文瑞. ATC与CO方法对比及其在卫星设计问题中的应用[J]. 计算机工程与设计， 2012， 33（6）： 24552460.

[3]姜哲， 崔维成. 多学科设计优化算法比较及其在船舶和海洋平台设计上的应用[J]. 船舶力学， 2009， 13（1）： 150159.

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中图分类号：S611文献标识码： A

1 简单阐述

由于体育场的设计具有很强的功能性，除了满足比赛场地的工艺设计要求，保证比赛的正常进行外，对于使用人数最多的看台部分进行合理和优化设计，是体育场设计的重点，看台设计中的视线设计则是其重中之重，视线设计决定了看台各层的高度和距离，决定了看台坡度的形状和大小，从而直接影响着体育场的规模大小，使用功能和空间形式。

2 视线设计主要内容及主要数值变量的定义分析

影响视线设计的因素主要包括: 视点的选择，排深，视距，各排视线升高值，首排距视点的水平距离以及首排距视点的眼高值( 如图 1) 。

①视点的选择: 视点是指为保证观众的观看质量，在视线设计时，根据不同竞赛项目和不同标准，保证观众看到比赛场地的全部或绝大部分时所确定的场地设计平面位置。

②排深( d) : 排深是指观众席位排与排之间的距离。

③视距: 视距是指，由观众眼睛到比赛场地中被观察物体的距离。视距的长短，决定着观看者的舒适程度。视距越近越清晰，但在体育场的设计中，由于比赛多以足球和田径为主，场地较大，过近的视距反而会使观看者头部来回摆动，不利于观看，所以视距的选择还应根据具体比赛项目而定。

④视线升高差值( C) : 这个值是指前后排观众眼睛至视点视线间的垂直距离。

⑤首排距视点的水平距离( X1) : 是指看台前沿至剖面视点的水平距离，一般作为运动缓冲带和休息地。

⑥首排距视点的眼高值( Y1) : 是指首排观众保持坐立姿势时眼睛距视点的垂直高度，首排高度主要保证观众不受在缓冲带上行走的运动员的遮挡，大型体育场还应考虑下部活动座椅的高度。

3 各变量数值的变化规律及对看台剖面的影响，由于现代体育场趋于多功能复合型，体育场中并不只举办单一赛事，各个赛事对场地大小高低的要求不同，视点的选择也不同。

4 看台视线设计方法及优化分析

4. 1 变量的确定

从上可见，各个变量在设计中得取值都不是一成不变的，根据实际场地，实际涉及的比赛项目以及各个体育场的规模要求，这些变量总是在一个范围内变化，它们相互制约，共同影响整个通视曲线的变化。在优秀的体育场设计中，首要问题就是正确合理的解决好四个变量的取值，不断调整，反复斟酌，视情况而定。四个变量中由于 d 和 C 的变化范围较小，往往取定值，因此变化最灵活的是 X1 和 Y1，从视点出发，根据比赛缓冲区尺寸要求合理选取首排的水平距离，留出场地周围的缓冲区域，一般 3 －5m 为宜，Y1 的确定则需考虑看台下部空间的利用，和替补运动员的视线遮挡，一般根据下部用房层高需要而定。

4. 2 看台剖面分段设计和优化

好多场地看台采用直线升起形式，不仅使后排观众的视线遮挡严重，而且升起过高，行走和站立很不方便。现代体育场设计通过作图法和计算法两种科学方法，确定出需要的通视曲线，在此基础上逐一确定每排看台的高度。

4. 2. 1 依次排列设计法:

现代体育场设计中除了规模很小的小型看台以外，大型体育场的看台纵向连续排数不超过 20 排，因此需要设置横向过道，这样，我们在剖面设计中，利用横向过道将通视曲线打断，将完整的看台分为若干层，再通过每层的单独出入口进出看台，上层看台的观众也可通过纵向过道到达下层看台，以保证每个座位的可达性和疏散安全( 如图 2) 。

4. 2. 2 叠层排列设计法

在大型体育场中，由于看台数较多，依次排列法会使整个体育场规模巨大，导致最后几排看台的视距过远，观众无法看清比赛。因此针对大型体育场设计需要对看台剖面进行优化。

如图 3，将分段后的上层看台同下层看台重叠一小部分，形成悬挑结构，这样不仅拉近了上部看台与视点的距离，缩小了体育场的规模，同时也使看台更加紧凑，观看氛围更好。需要说明的是，这样做会使上部看台的 X1 值变小，后排升起变陡，因此需要对第一段看台的 X1 值和 Y1 值进行合理调整。

4. 3 通视曲线的设计和优化

折线优化: 通视曲线在精确计算结果下，由于 C 值为定值，因此每排的升高高度不同，且多为零数，在实际施工中很难实现。因此实际工程中的通常做法是将通视曲线以折线代替，以 4 ～6 排为一组，这样会使 C 值有所变化，但由于变化不大，通常被忽略，这样的好处是方便施工，且更易计算和绘制( 如图 5，以下均以两层看台为例) 。在此，我们在图中的曲线上选取 2 个点 a 和 b，作直线，直线满足的条件是: 既与虚线 AB，BC平行，也与曲线相切，如图 6。可以看出，曲线 aA 段和 bB 段比优化虚线 AB 和 BC 陡，也就是说经过优化的折线并不是每排座位都能满足固定的 C 值，因此为满足视线的通畅，我们需要再次进行优化。

篇（11）

DOIDOI：10.11907/rjdk.161913

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号：16727800（2016）010017604

0引言

由于社会发展的需要，传统有线网络无法满足用户更多类型的应用需求，公众对无线通信领域的应用标准不断提高，面向无线通信网络的应用加剧了提升通信效率方面的开发幅度和性能要求，受限的无线媒介与实际应用的需求矛盾逐渐凸显[12]。路由协议是运行于网络层的信息转发策略，性能优越的路由协议能够使消息的传递过程更加顺畅，使通信客户端可以通过最优的路径将信息传递给其它客户端，有效提升了网络的整体性能。无线通信协议的路径选择示意如图1所示，目前针对路由协议的开发仅仅局限在网络层本身，并没有将其与实际的数据应用相结合，通过信息手段将当前网络状况与实际协议开发相结合是目前行业发展的新趋势[34]。

目前，很多专家学者针对无线环境下的路由协议进行了研究。为了解决分布式编码感知路由协议中可能出现的吞吐量降低的问题，王春雨等[5]设计了一个能够进行网络编码的无线通信路由协议，达到了提升系统吞吐量的目的。IP数据包广泛应用于分布式通信网络，迫切需要网络具有自组织能力。由于单通道单一接口模型不满足复杂系统的需求，Jin等[6]建立了一个面向军事应用的分布式网络拓扑结构，并实现了基于ZRP 的多渠道M-ZRP路由协议。仿真结果表明，M-ZRP具有更好的性能。

蚁群算法（Ant Colony Optimization，ACO）是根据蚂蚁群落采集食物的原理被提出和模拟而来，已被应用于诸多领域。与基于梯度的性能优化算法原理不同，蚁群算法通过概率搜索算法来完成[78]。虽然概率搜索算法一般需要采用价函数，但是与传统的梯度演化算法相比，其有诸多比较显著的性能，集中表现在以下方面[911]：①无集中控制约束，不会因个别个体的故障影响整个系统问题的求解，确保了系统更强更稳定的鲁棒性；②以非直接通信形式保证系统的可扩展性；③采用并行分布算法模型和多处理器运行模式；④定义问题的连续性没有限制；⑤算法实现相对比较简单。

OPNET Modeler中的WLAN 、MANET等无线通信节点模型提供了多种成熟的路由协议，包括按需距离向量路由（Ad hoc On Demand Distance Vector，AODV）、动态源路由（Dynamic Source Routing，DSR）、地理路由（Geographic Routing Protocol，GRP）等[1213]。

针对无线网络中存在的问题，本文提出了基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议优化设计方法，此优化设计将TSP基本蚁群算法的基本原理和通信路由选择相结合，通过建立系统模型，依靠蚂蚁信息素含量及距离竞争机制为节点选择最优通信路径。同时，本文通过在OPNET Modeler通信仿真软件中建立仿真场景及完成模型构建，对基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议进行测试验证，并与其它典型无线路由协议进行对比分析，主要分析指标是传输延时及吞吐量。

1基于TSP蚁群算法的路由协议优化设计

1.1TSP蚁群算法模型

式中，Q为常数，表示蚂蚁寻找路径过程中所释放信息素总量，它在一定程度上影响算法的收敛速度，本文中的Q值通过仿真获得。本文采用的AntCycle模型，其利用的是系统全局信息，此信息更新策略能够使较短路径上对应的信息素逐步增大，保证了算法中整体范围下较短路径的生存能力，提升了信息正反馈性能，加快了系统搜索路径的效率。同时，AntCycle模型的更新规则能够保证残留信息不造成无限积累，如果某条路径没有被选中，则对应节点的信息素含量会随着时间的推移渐渐消失，使节点具备逐步淘汰劣质路径的能力，即使某条路径经常被访问也不至于因为τij（t）的积累，而出现τij≥ηij的情况，使得期望值的作用无法体现。因而，本文的蚁群算法采用AntCycle模型。

1.4路由协议设计与实现

针对求解TSP问题的蚁群算法模型，对此模型进行修改，同时结合无线自组织网络信息传输的特点，完成基于蚁群算法的路由协议设计，简称ACAB（ Ant Colony Algorithm Based）路由协议，具体实现步骤如下：Step1：初始化各通信节点间的距离。此操作通过节点广播信息完成，每个节点被分配不同的ID，作为其在此过程中的唯一标识，广播的数据帧格式如图2所示，包括节点ID属性，当前位置坐标（x，y），是否为源节点或目的节点，如果有数据发送需求，源节点属性值赋值为1，同时将目的节点的ID进行赋值，并对发送序列进行编号，如果没有数据发送需求，则置为0。

Step2：将若干蚂蚁放在不同的通信节点中，每个通信节点维护自身的信息素列表，表中描述了当前节点的信息素含量和此刻与其它节点间的距离。信息列表的具体信息如图4所示。当节点位置移动后，此表中的数据也进行更新。Step3：每只蚂蚁根据各节点至目的节点的距离d和信息素水平τij（t），选择下一通信节点，同时修改禁忌表。Step4：所有蚂蚁完成周游后，更新信息列表中的信息素水平和节点位置信息。Step5：返回Step2，迭代次数d=d+1，直至寻找到源节点与目的节点间的最优路径或者满足结束条件，最优路径的判定标准是路程最短min（Road），摒弃不必要的路径信息。

2仿真实现及分析

通过在OPNET Modeler中建立仿真对比场景，对提出的基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议与典型的AODV、DSR路由协议进行对比验证，分析其在传输延时及吞吐量方面的性能表现。

2.1仿真场景建立及模型实现

OPNET Modeler采用离散事件驱动的模拟机理，通过事件驱动器以先进先出的机制对事件列表和事件时间列表进行维护管理[15]。本文设计的仿真场景中包含的通信节点由WLAN节点组成，可以通过设置其属性对其进行控制。仿真范围为1 000m2，仿真时间为30min。仿真过程中通信节点可以随机移动，物理层与数据链路层均采用基本IEEE 802.11协议，通信节点总数初步设为100，数据发送间隔为100ms，基本数据帧大小为100字节，仿真场景如图3所示。

同时，WLAN节点包含完整的OSI协议模型，本文的路由协议设计在IP层自定义完成。通信信息从WLAN收信机进入，依次经过MAC层、数据链路层、IP层、UDP层、路由层、应用层，完成整个消息的通信流程[16]。对消息的处理过程由traf_src进程模型完成，负责应用层相关事务。

2.2基于TSP蚁群算法的路由协议测试验证

为了验证优化后路由协议的通信性能，本文将基于TSP蚁群算法的路由协议优化设计方法与传统的AODV及DSR路由协议进行了对比仿真。在仿真的20分钟内，节点的信息素逐步累积，不同的数据请求序列针对不同的信息素标识，完成数据传输后，对应此路径的信息素被清除，以节省系统容量。由于节点均为随机移动，各节点的平均信息素水平基本相同，体现了本协议优化方法的公平性。

为了更直观地体现通信性能的变化，本文通过传输延时和吞吐量对网络性能进行描述分析。

为了体现系统整体性能，本文统计平均传输延时，假设成功发送N组数据，则计算如下：

=1N・∑Ni=1D（i）（10）

式（10）中，D（i）表示第i个分组的传输延时。网络的吞吐量TH是指在正常情况下系统在单位时间内所有节点正确接收的信息量，单位是bit/s或是M/s。吞吐量描述了网络可以完成通信任务的程度，是衡量自组织网络通信质量的重要指标。

Th（i）m=ΔRp（i，m）ΔT（i，m） （11）

ΔRp（i，m）是指数据分组i到数据分组m被目的节点接收时系统已传输的信息总量，ΔT（i，m）是数据分组i到数据分组m被接收时两者的时间差。若i>m，表示计算从第m个分组到第i个分组的吞吐量，若m=1，则结果是平均吞吐量。

图4的仿真结果表明，在传输延时方面，提出的优化路由协议较AODV协议、DSR协议分别减少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的优化路由协议较AODV协议、DSR协议分别提高了8.4%和7.8%。信息素含量如图5所示，仿真过程中信息素含量基本维持在110单位左右，较稳定。这表明本文设计的基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议较经典的协议效果有所改进。优化协议性能突出的原因是通过蚂蚁信息素对路径进行规划和最优化选择，使得劣质路径在选择的过程中被淘汰，但是需要指出的是，前期为了蚂蚁寻找路径而广播的信息也加大了系统负担，隐含在一部分吞吐量数据中，对仿真结果也产生了一定的影响。但总体而言，本文设计的ACAB路由协议效果较为突出。

3结语

通过分析无线网络传输的基本原理及蚁群算法的运算过程，本文提出了基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议优化设计方法。此优化设计将TSP基本蚁群算法的基本原理和通信路由选择相结合，通过建立系统模型，依靠蚂蚁信息素含量及距离竞争机制为通信节点选择最优的通信路径。同时，本文在OPNET Modeler通信仿真软件中建立仿真场景并完成模型构建，对基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议进行测试验证，并与其它典型无线路由协议进行对比分析。仿真结果表明，在传输延时方面，提出的优化路由协议较AODV协议、DSR协议分别减少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的优化路由协议较AODV协议、DSR协议分别提高了8.4%和7.8%。总之，本文设计的基于TSP蚁群算法的无线通信路由协议优化设计方法效果突出。

同时，本文也存在一定的弊端，例如，蚁群算法必然会增加诸如信息素之类信息维护的额外成本，并且关于模型实现会影响底层协议的运行。笔者将在今后的工作中着重对以上不足之处进行研究改进。

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