工程结构优化设计概述大全11篇

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随着社会的发展，人们对于建筑的要求越来越高。建筑工程的结构越来越复杂，建筑面积越来越大，建筑层数越来越高，要求建筑成本控制与建筑结构优化技术，对建筑工程提出了更多的挑战。采取相应的结构优化技术，提高设计水平，能够降低当前的投资成本，提升建筑质量。建筑结构优化主要包括房屋整体设计的优化和内部细节的优化，在建筑结构优化建设中，对相关的制约因素进行分析，落实优化技术措施，提升优化水平，能够促进建筑结构设计水平的提升。本文从建筑结构优化的概念与优化技术探讨建筑结构的优化技术措施。

1、建筑结构优化技术概述

1.1 建筑结构优化技术概念

建筑结构优化技术是在建筑结构设计中，根据建筑工程的需求，考虑到布置、造型、造价等因素，运用相关的技术和方法，对建筑结构的相关内容进行优化设计，确保设计工程质量与施工效率的技术的总称。建筑结构优化技术具有自身的显著特征，设计过程中，需要在考虑建筑工程需求的基础上，采取针对性的设计策略，对不同的设计方案进行对比，选择最优方案，对工程建设进行指导，提升工程建设项目效益。

1.2 建筑结构优化技术的内容

房屋建筑最重要的是建筑安全以及使用价值，对于建筑工程而言，在保障建筑质量的前提下，对建筑结构进行优化设计。具体而言，建筑工程优化的主要内容包括对房屋的整体结构的优化以及房屋细节构造的优化设计，通过整体和部分的结构优化设计，逐步进行划分，从而获得最优化的分析设计。

1.3 建筑结构优化的意义

通过优化设计，能够提升建筑空间的使用效率。建筑结构优化设计，能够提升设计水平，对各部分结构进行合理的安排，确保建筑结构的美观实用，同时有利于降低建筑工程造价。实践表明，建筑结构优化设计能够节省成本5-20%，从而提升建筑工程效益。

2、建筑结构优化技术组成

为了提升建筑的建设质量，具体的优化技术包括以下方面。

2.1 概念优化设计

概念优化设计主要包括以下的技术：（1）结构优化模型，房屋建筑的结构优化设计首先需要选择设计变量，设定目标控制参数与约束控制参数，确定目标函数与约束条件，对于房屋结构中的结构条件、尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束等参数进行确定，将设计的约束条件与目标约束条件相比较，选择最优的约束条件，使设计成本最小，从而实现最优设计；（2）优化设计计算方案，合理选择优化设计计算方案，可以选择复合形法、拉氏乘子法等方法，对相关参数进行计算；（3）进行程序设计，采用合理的计算程序与结构优化模型，编制功能齐全、运算速度快的综合程序；（4）结果分析，对计算结果进行分析，从成本、施工等多角度进行计算，确保计算结果满足安全的需求，确保优化设计适用、安全、经济、美观和便于施工。

2.2 桩基优化技术

建筑结构桩基优化措施包括以下方面：（1）桩静载荷试验以及单桩承载力调整，基础试桩以及工程桩的检验可以看到，近年来许多基础桩的承载力大于计算值，因此在计算的过程中，采用试验桩的实际承载力进行桩基基础的计算，能够提升桩基工程的承载力稳定性，降低桩基工程成本，提升桩基工程的效益，在桩基结构优化中，需要按照试验桩进行桩基设计与施工，按照桩基承载力以及荷载试验进行研究，通过调整单桩承载力的特征值，优化桩基数量计算；（2）桩身配筋调整，根据《建筑桩基技术规范》对桩承载力以及裂缝控制的要求，在桩基计算中，需要对不同钢筋级别对承载力的影响进行分析，在对桩基计算的基础上，合理计算配筋率，将桩身配筋进行计算，在确定桩静荷载和桩中心距等参数的情况下，按照桩基顶部能够承受的竖向力计算配筋率。建筑主体结构的计算中，部分结构的柱墙底弯矩非常大，在计算的过程中，通过配筋率的计算严格控制裂缝，在确保静荷载力、弯矩等参数的基础上，进行配筋计算，确保所有桩基的配筋率均能满足桩基础的承载需求，满足桩基裂缝控制的目的；从桩身出发，将桩身中部以下部分进行减半处理，从而减少钢筋用量，降低工程成本。

2.3 施工优化设计技术

施工优化设计技术主要包括以下的流程：（1）结构整体和局部优化，建筑结构优化应该具有层次慈宁宫，从设计体系、结构体系、安装体系等多层次的体系，结合建筑结构的需求，确保设计体系的完整性，除了结构整体设计之外，还需要从材料选取、构件选择、结构类型等方面完成优化选择，确保所选择的材料满足建筑结构的需求，从整体入手，细化设计工作，提高设计水平；（2）桩基础与上部结构优化，从桩基础施工开始，合理选择桩基施工技术，当前常用的桩基础包括预制桩和灌注桩两种不同的类型，灌注桩的施工难度较高，预制桩的质量可靠，能够显著提高地基承载力，根据地质特点与建筑工程的需求选择桩基础施工技术；在上部结构设计时，根据建筑方案合理布置柱、剪力墙等竖向构件，保证其满足侧向刚度和承载能力的要求的前提下，达到最优的经济性；（3）不同阶段结构优化，对建筑的基础结构、上部结构、细部结构等各部分设计时，从整体到细部进行合理优化设计，实现各部分的协调优化设计，在设计中，除了确保建筑的设计安全之外，还需要保障设计的美观，在建筑结构柱、墙的设计中，在保证结构质量的基础上，尽量简化建筑系统，选择自重较轻的原料，以实现减轻结构自重的目的，同时确保各部分的结构美观，在应力集中、受力方向较多的转角区域进行加固措施，确保结构的稳固。

3、建筑结构优化技术的应用策略

3.1 前期优化设计

前期设计是影响建筑结构优化设计的关键，在建设过程中，需要根据建筑结构的需求，考虑到结构的合理性以及可行性的情况下，对设计结构进行有关设计。在前期设计中，除了确保结构设计满足建筑的需求之外，还需要结合建筑的成本、计算设计等方向进行分析，设计合理的建筑方案与施工方案，尽量降低总投资，确保设计的合理性。

3.2 合理的运用概念设计

概念设计是房屋建筑结构设计的重要内容，在概念设计中，通过对建筑结构进行分析，再此基础上提高房屋性能、经济性，确保房屋结构的优化设计。在建筑结构优化设计中，合理的运用计算程序，对建筑结构的周围环境与建筑结构的内部进行分析，合理的筛选设计方案，从而选择最优的概念设计方案。比如在地震区的建筑设计中，需要对地震区的地质环境进行分析，考虑到建筑结构减震的需求，合理的选择结构优化方案；在概念设计中，合理的选择设计软件与信息技术，根据设计人员的经验进行判断，确保最终方案的适用性与经济性。

3.3 解决房屋建筑结构设计的实际复杂问题

建筑结构优化设计中，需要考虑到建筑结构设计的复杂问题，从前期设计开始，加强结构优化设计管理，通过概念优化设计，加强建筑物的抵御能力，确保建筑物能够抵抗外部环境的影响，增强建筑结构的稳定性与安全性，同时达到合理的节省建筑总的建造成本。

4 结语

建筑是凝固的艺术，建筑结构优化技术是确保建筑结构优化的有效措施，对于建筑结构具有重要的意义。根据建筑结构的适用、安全、经济、美观和便于施工的原则，对建筑结构的整体以及细部进行合理设计，有效的发挥建筑的空间效果，降低建筑成本，优化设计的各个部分，提升设计水平的提升，提升建筑工程质量。

参考文献 ：

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Abstract: through the reinforced concrete frame structure reasonable optimization design, can significantly less steel, concrete dosage, on the one hand, can reduce the project construction cost, on the other hand also can effectively slow building energy consumption and achieve the purpose of intensive construction, so in modern engineering construction, must vigorously promote structural optimization design method. This paper introduces the reinforcement concrete frame structural optimization design methods and steps, the reinforced concrete building structure design optimization empirical analysis.

Keywords: reinforced concrete; Structure design; optimization

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

钢筋混凝土框架结构是一种用量最大也是最普通的一种结构形式, 一般设计人员用计算机软件分析, 很快就能得到分析结果, 如果设计人员掌握了一般的结构优化概念和方法, 设计人员在追求设计速度的同时就可以进一步优化结构方案, 那么通过优化结构设计每年节约的建筑材料是相当可观的, 而且结构整体性能也大大提高。

一、钢筋混凝土框架结构优化设计方法及步骤

1、常用的结构优化设计方法概述

结构优化设计大致可以分为三类, 即尺寸优化、性能指标优化和拓扑优化。

( 1) 尺寸优化。

对结构进行优化设计的最简单和最直接的做法是修改结构单元的尺寸, 亦即在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量, 这种方法称为结构尺寸优化设计。运用这种方法, 人们可以对结构进行优化, 以达到目标函数最优的目的。但尺寸优化不能改变原结构的形状和拓扑, 很难对原设计进行较大的修改。

( 2) 性能指标优化。

常用的形状设计方法将控制结构形状的某些边界控制点的几何信息取为设计变量, 由这些控制点生成结构的边界, 从而达到改变结构的形状, 使目标函数最优的目的。性能指标优化既可以改变结构单元的尺寸, 又可以改变结构的形状。

( 3) 拓扑优化。

结构拓扑优化方法的主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。它不仅要解决尺寸优化问题, 还要确定结点间杆件的连接方式, 是结构优化领域中更为困难、更具挑战性的课题。

2、优化设计步骤

通常对钢筋混凝土框架结构进行优化设计, 可以采用建立数学模型的方法进行优化设计, 即把工程实际问题用数学表达式表示, 包括选定设计变量, 选择目标函数, 建立约束方程等几个步骤。

( 1) 给定参数。指预先给定的描述结构特性的参数。在优化过程中,其值是固定的, 因此可以作为常数考虑, 如荷载、柱高、梁长、弹性模量以及材料容重等一般都属于给定参数。

( 2) 明确设计变量。优化设计中待确定的某些参数, 称为设计变量。一个结构的设计方案是由若干个量来描述的, 这些量可以是结构构件的截面尺寸, 如面积、惯性矩等几何参数, 也可以是结构的几何参数, 如结点坐标、高度、跨度和间距等, 还可以是结构材料的力学或物理特性参数, 如材料的弹性模量等。设计变量是最优化设计数学模型的基本组成部分, 是最优化设计最后所要确定的参数。

( 3) 构造目标函数。利用设计参数描述追求目标( 如重量、造价) 的数学表达式称为目标函数, 也称为直函数、评价函数, 它是设计变量的函数, 代表所设计结构的某个最重要的特征或指标。优化设计就是要从许多的可行设计中, 以目标函数为标准, 找出这个函数的极值( 极小值或极大值) , 从而选出最优设计方案。结构的体积、造价、刚度、承载力、自振频率等都可以根据需要作为优化设计中的目标函数。

( 4) 构建约束条件。优化设计寻求目标函数极值时的某些限制条件, 称为约束条件。它反映了有关设计规范、计算规程、运输、安装、施工、构造等各方面的要求, 有的约束条件还反映了优化设计工作者的设计意图。

二、钢筋混凝土建筑结构设计优化实证分析

某工程，两层地下室，负一层为超市，负二层为车库（含部分人防区域），上部结构由7 栋高层塔楼组成。施工图完成后受业主委托，对该工程地下部分进行了结构优化咨询。该工程优化是针对已完成的施工图，在不影响建筑使用功能的情况下，以满足现行的国家以及地区的行业规范、规程，确保建筑物安全和抗震能力为前提，通过对该工程的结构分方案和各类构件的截面、配筋优化，最大限度的降低建筑材料和人工消耗，优化过程以定性分析为主，辅以重点优化部位的定量计算分析，主要优化内容如下。

1、对基础形式进行优化

原设计基础形式高层部分采用板式筏板基础、多层和单独地下室部分采用柱下独立基础，因场地持力层有一定起伏，原设计为满足基础持力层的最低标高，将基础底标高均取- 6.8m 左右，同时在- 5.200 标高设地梁、地下室底板，导致基础板与地下室底板间高差很小，结构不合理，且土方开挖、回填量增加，基础与地下室底板间施工难度较大。优化设计将独立基础和筏板基础顶标高均改为- 5.200，使地下室底板顶标高与筏板基础、独立基础顶标高一致，同时对局部基础不能进入持力层的，采用毛石回填的方法解决，优化后基础受力更加合理，同时原设计筏板基础上方地梁和底板完全取消，节约了大量的钢筋和混凝土，减少了土方工程量，也降低了施工难度。

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Abstract: with the rapid growth of the economy, promoting the urbanization process pace and the building structure optimization design, is the realization of building ontology function and construction investment cost of the key method. Along with the national building economical society concept unceasingly thorough, building to connect to building structure and providers of optimization design put forward higher request. Building structure optimization design of project cost is to save one of the important means, and at the same time, the relationship between the safety of buildings and to maximize the benefit of investment.

Keywords: optimization design; Building structure; scheme

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

引言

建筑结构优化设计的突出表现和最终目的， 是为了降低工程的造价， 这是比较狭义上的说法，但是在现实中对建设结构设计的优化，主要指的是广义的说法，在降低工程造价的同时，保证其建筑的安全性，在利益最大化和质量保证中找到一个最优的平衡点，这就是目前建筑结构优化设计的意义所在。

1.建筑结构优化设计的概述

建筑结构优化设计的基本理论建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本；在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，3个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。建筑结构优化设计的基本要求:功能性建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。

2.建筑结构设计优化方法

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，它主要体现在建筑工程分部结构的优化设计和建筑工程结构总体的优化设计量方面。

2.1建筑结构优化计算方案

在设计模型已经优化后，工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时，要注意以下问题：不能盲目的依赖计算机-对于输入的几何图形，构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误，对计算参数的选取要正确合理，注意实际结构与计算模型的差异。最后可以利用程序的工程量统计功能进行不同结构形式的对比，以找出最优方案。

2.2进行程序设计。根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。

2.3结果分析。对计算结果进行分析，确定最优设计方案。

在执行以上步骤的过程中，必须要全方位、多角度考虑方方面面的问题。这主要是因为建设投资是一项耗资巨大的工程，涉及到的方面比较复杂，因此必须进行总法规和考虑，不能仅仅为了节约资金投入而忽视了设计的优化作用。要正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键环节。设计中既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求，使项目达不到功能的倾向，又要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。

3.建筑结构设计优化经济性

建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利于抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能6%-34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。

4.工程概况及应用实例

丽翠苑住宅小区位于中山市三乡镇，建筑面积约57674.79m2，由5层裙楼及32层塔楼组成，裙房平面尺寸为76.65m×63.62m，塔楼平面尺寸为37.65m×32.6m，将地下二层按规范要求的嵌固构造处理，使其作为上部的嵌固端，嵌固以下埋深7m，以上99.8m（结构计算高度）。建筑总高度为106.8m（未包括出屋面的电梯，楼梯间的高度）。该结构平面布置不规则，在裙楼五层处进行高位转换。

结构设计中裙房部分主要考虑由恒载及使用活荷载等竖向荷载引起的荷载效应，主楼部分结构设计不仅考虑竖向荷载效应，还要考虑水平地震作用及风荷载作用下产生的荷载效应的组合。综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求，裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式，主楼采用剪力墙承重结构体系。本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中，剪力墙主要承担水平作用，框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状不规则，因楼梯、电梯间均设置在核心筒内，为提高主楼结构的抗扭能力，剪力墙结合楼电梯间在主楼范围内采取了加强处理，具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值，由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。 在主楼剪力墙的布置中，尽量按照下部转换柱的所在位置来设置，以避免二次转换及尽量减少需要转换的剪力墙，经过多轮的调整后，将原来方案中需要转换的剪力墙减少了四条，使转换结构大为减少，在保证结构安全的前提下，对经济性亦有提高。

5.结束语

综上所述，通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径,而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。对建筑工程进行优化设计一直是结构师们共同的目标，建筑结构的优化设计是一个比较科学系统的设计过程，不能片面强调节约投资,而降低技术和质量标准,又要反对重技术、轻经济,设计保守浪费的现象。 因为影响工程造价和建筑质量的因素有很多，所以在实际的建筑机构设计中，一定要充分的考虑各方面的因素，在每个细节上都力求优化， 只有这样才能实现建筑结构优化设计的最终目的，以更好的服务于我国建筑业的发展。

参考文献：

1.谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009(4).

2.张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J]. 陕西建筑，2008(11).

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1概述

优化设计指的是在设计过程中寻找最完善的设计方案，从而满足所有的设计要求。现如今，科学技术发展迅速，有限元分析技术也日渐完善，并逐渐被应用于机械产品的结构优化设计过程中，不仅能够为机械结构优化设计提供便利，而且能够有效提高数据的准确性，应用优势十分明显，因此对有限元分析软件及其应用方式进行详细探究具有十分重要的现实意义。

2ANSYS有限元分析软件概述

ANSYS有限元分析软件是由多个模块所组成的，包括分析计算模块、前后处理模块等，现如今已经被广泛应用于大型机械结构设计过程中。在ANSYS有限元分析软件的前处理模块中，有Pro/E、UG等建模工具，在对机械结构进行设计过程中，可以结合实际情况选用具体的制图软件对机械构件进行建模设计。在对计算模块进行分析过程中，可以模拟出不同种类的物理介质的相互作用，因此分析灵敏度比较高，而且分析能力比较高。另外，通过应用ANSYS有限元分析软件的后处理模块，可以彩色等值线、图表以及图像等形式显示出计算结果。在对机械构件模型进行有限元模型分析过程中，需要不断进行修改和优化设计分析，但是通过应用ANSYS有限元分析软件，只需要根据设计参数语言，对机械构件的参数进行调整，就可以完善机械构件的设计和分析过程，在最大程度上缩短机械构件优化设计所需时间，减少设计人员的工作量。

3ANSYS结构优化设计

3.1建立结构优化设计模型

在机械设计优化过程中，最为关键的是建立数学模型，而在建立数学模型时需要结合实际情况选用合适的设计变量，在一定的约束条件下，通过目标函数计算获得设计最优的设计变量。与传统的机械优化设计不同，在ANSIS有限元分析软件的实际应用中，只需要设定一定的参数，就可以表示出数学模型的构建要素，包括目标函数、约束条件以及设计变量。

3.2ANSIS优化设计分析方法

在ANSIS有限元分析软件的实际应用中，由于不同用户对于ANSIS有限元软件的掌握程度是不同的，对此ANSIS可以提供批处理和图形交互两种分析方法。其中批处理主要适用于能够熟练掌握ANSIS分析软件各项命令的专业技术人员，在复杂程度比较高的机械设计过程中可以采用批处理方式，这样能够有效提高有限元分析效率。另外，对于ANSIS有限元分析软件的一般用户，可以采用图形交互方式，操作更加直观便捷。还需要注意的是，ANSIS有限元分析软件可以为软件用户提供很多种优化设计办法和优化设计工具，ANSIS用户在对不同的问题进行优化设计时，可以有针对性地选用相应的优化设计工具或者办法，从而简化分析过程，提供优化设计结果的精准性。

4ANSYS结构优化设计实例

4.1问题描述

某机械设备是由5节箱型同步伸缩臂所构成的，所有的伸缩臂展开后，整个机械设备的长度约为27.0m，通过ANSYS结构优化设计，能够有效满足机械设备的强度要求和刚度要求，这样不仅能够有效降低机械设备自重，而且还能够有效降低设备造价。4.2有限元分析4.2.1建立模型。以机械设备的初始结构、尺寸以及工况要求，采用ANSYS有限元分析软件，从底部至上建模，在建模过程中，首先确定关键点，然后依次建立线、面、体，最终形成实体模型。在网格划分方面，可以综合应用自由网格划分以及人工设置网格尺寸的方式完成。4.2.2约束及载荷处理。在该机械设备设计过程中，其约束点主要位于变幅油缸支座的铰接位置以及基本臂根铰点位置，在各个约束点上需要约束三个方向的平动自由度以及两个转动自由度，并且注意释放销轴中心位置的互转自由度，对于该设备伸缩臂与滑块之间的接触点位置，可以采用节点自由度耦合进行模拟。在ANSYS有限元分析软件的处理模块中，输入机械设备制造所需材料的密度以及重力加速度，程序即可将单元载荷因子数据直接计入总载荷中并进行自重计算。另外，对于该机械设备伸缩臂上的所有附属装置，都可以将其质量作为集中荷载，并使其作用于相应的位置。4.2.3有限元分析结果。通过对这一机械设备进行ANSYS有限元分析，当该设备在水平位置全部展开时，其应力以及端部的位移量能够达到最大值，而各个节臂位置的大部分区域的应力则比较小，最大应力主要分布于各个节臂以及滑块的接触位置，根据ANSYS有限元软件分析计算，应力值在132～277MPa之间，局部最大应力达到385MPa。另外，在臂端变幅平面中，最大变形量为0.55m。

4.3优化设计数学模型的建立

4.3.1设计变量。在该机械设备的ANSYS优化设计过程中，由于其各个节臂的长度是在优化设计前根据作业范围来确定的，因此在优化设计过程中不可以改变。另外，基本臂与各个伸缩臂的截面尺寸可以根据几何关系逐步调整，对此，可以将基本臂的壁厚Ti、宽度B以及高度H作为本次优化设计变量，其中对于Ti可以根据连续变量进行考虑。4.3.2目标函数。在本次优化设计过程中，最为主要的目标在于保障设备正常使用功能的基础上尽量减小设备体积和自重，材料体积越大，则设备质量越大，因此可以将各节臂总体积WVOLU作为本次优化设计的目标函数。4.3.3状态变量。在本次优化设计过程中，状态变量有两种，分别为部件作业工况下的应力值STRESS以及前端变幅平面的位移量DY。在本次优化设计过程中，为了保证设计刚度和强度能够满足实际需要，应该加强应力和位移的控制。4.3.4约束条件。（1）刚度约束条件：为了保证设备的刚度能够满足实际需要，可以将变幅平面最大变形量作为约束条件。在ANSYS优化设计过程中，为了简化模型的计算时间，提高建模进度和经济性，不需要考虑风载荷的影响。但是，在ANSYS优化设计完成后，还是需要加载风载荷，对探测臂进行校核，确保其能够满足刚度需要；（2）强度约束条件：通过ANSYS有限元分析，综合考虑设备材料的力学性能，在本工程中，将应力值STRESS控制在375MPa以内；（3）尺寸约束条件：综合考虑初始结构尺寸与各个节臂尺寸之间的关系，以及伸缩臂内部油缸的外形尺寸的限制条件，指定高度H、宽度B以及基本臂壁厚Ti的最值，根据本次研究分析，高度H在0.19～0.44m之间，宽度B在0.19～0.31m之间，基本臂壁厚Ti在0.002～0.006m之间，其中i＝1，2，3，4，5。

4.4优化过程及结果分析

4.4.1部件各节臂厚度的优化。在对各个节臂厚度进行优化设计时，需要对钢板厚度及其他设计变量进行优化设计，同时还需要注意将目标函数的允许误差控制在1%以内，加上初始数据，通过16次优化循环，总共得到17组数据。其中T1取值4.0916mm、T2取值4.5119mm、T3取值3.0563mm、T4取值2.6187mm、T5取值2.509mm。综合考虑机械设备的焊接要求，最终，T1取值4.0mm、T2取值4.5mm、T3取值3.2mm、T4取值3.0mm、T5取值3.0mm。4.4.2工作装置截面尺寸的优化。确定壁厚尺寸后，对于各个部件的截面尺寸，可以采用一阶方法进行优化设计，设计变量为高度H以及宽度B，目标函数允许误差应该控制在初始体积的1%以内，总共需要进行6次优化循环，再加上初始值，总共获得7组数据，并采用随机搜索的方式进行验证，确保计算结果的一致性。4.4.3结果分析。通过对该机械设备进行优化设计，所得结果如表1所示，由此可见，部件总体积在优化前为0.143m3，优化后为0.105m3，体积减少26.4%。由此可见，在本次ANSYS优化设计过程中，在保证设备刚度和强度符合设计要求的基础上，尽量减少设备材料体积，能够达到很好的优化结果。5结语综上所述，对于机械结构进行优化设计，能够获得最优设计方案。通过应用ANSYS有限元分析软件进行优化设计，能够简化计算过程，有效提高机械设备的优化设计效率，因此值得推广和应用。

参考文献

[1]王春华，黄杨，孟凡林，等．基于ANSYS液压支架托梁结构改进及强度分析[J]．机械设计，2013，30（1）.

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自从改革开放以来，我国市场经济体制日益完善，建筑市场竞争也越来越激烈，这就使得建筑行业施工成本日益攀升。在这种设备背景下，建筑工程施工人员利用结构优化技术的方法来对建筑结构进行设计，对资源进行合理配置已成为提高建筑经济效益的主要手段，也是现代化建筑工程中备受人们关注和重视的工作环节。这种结构优化技术的应用一方面为房屋结构建设指明了发展新方向，也为现代化社会发展提供了充足的能源保障。

一、结构优化设计概述

随着我国建筑事业的不断发展，越来越多的高层建筑拔地而起，为建筑行业发展指明了新方向的同时也为房屋结构设计工作开展提出了艰巨挑战。截至目前的建筑工程项目中，工作人员如何有效的提高房屋结构的可靠性、经济性已成为一个世界性话题，也是建筑业内人士研究的重点话题。另外，随着建筑市场的发展和建筑材料的不断涌现，更多的新兴建筑材料被应用在房屋结构设计中，起到越来越重要的作用，同时也造成了传统的房屋结构设计方法的滞后和落伍，无法满足目前时展需要，这就需要我们在工作中进行优化，从而发挥出应有的设计目标。

1、结构优化设计

所谓的结构优化设计是指工程结构在满足相关约束条件的基础上，按照预定的目标求出最优化的设计方案和设计策略，以实现最大经济效益。在一个建筑结构设计工作中，其主要的工作环节大致可以分为假设、分析、核对、重新设计几个方面。其中能够重新设计的主要目的在于选择出一个科学、经济、合理的方案，但是它在应用中只是一个分析的环节。

2、结构优化设计构成

房屋结构优化设计是一个综合化、系统化的工作环节，其在工作中包含有建筑结构数学模型的优化设计、变量优化设计、目标函数设计和约束条件分析等环节。

二、建筑结构优化的主要方法

在目前的建筑工程项目中，机构设计有优化的方法与应用结构优化的方法是相互依存和促进的发展关系。随着近年来房屋工程建设力度的加大，建筑工程施工项目越来越受到人们的关注与重视，尤其是在工程项目中，我们对于建筑工程施工结构方面的优化通常还是从两个方面进行的，其中房屋工程的部分优化模式包括对结构设计方案的优化、房屋屋盖系统方案的优化、维护结构方案的优化以及结构细部优化等等。在目前施工项目中，我们最为常见的优化体系和优化措施主要有以下几种。

1、保障设计工作的美观性

赏心悦目在目前的建筑工程项目中越来越受到人们的关注，这也是建筑结构美观性得以保证的关键环节。在这种建筑工程环节中，建筑设计、建筑结构设计以及建筑作用设计都是一种全面系统优化的结果。在这种结构条件下，结构设计通常都是以追求实用、经济、美观和便于施工为主要目的的结构模式。因此在设计中通常也都是从这几个方面入手去分析与完善的。这种设计模式的主要意义在于以经济方式的发展和前进为基础，从而在工作中实现了房屋结构的系统化、全面化发展模式。

2、模型设计优化

在房屋结构设计优化工作中，通常情况下在设计中对要遵循一切从实际出发的优化与设计原则，并且在工程项目中我们需要布置一套系统化的管理模式，同时还需要根据我们目前存在的相关情况和工作模式进行系统化的管理与总结，从而使得工程环节中的设计意图和设计宗旨都能够达到最佳标准和要求。在目前的建筑工程结构设计优化工作中，对于建筑结构设计影响最大的设计模式和变动方式都是以函数确立为主的工作模式，在工作中通常都是运用科学、有序的管理模式和管理技术来进行分析，并且要根据结构的整体性、全面性优化手段来系统深入的进行总结和完善。

三、结构设计优化技术的实践应用

在目前的工程结构设计过程中，除了在工作中需要考虑到设计对象的基本使用功能和安全、可靠性之外，还需要考虑到在设计工作中将设计对象做的尽善尽美，这也是工程和结构优化设计工作中最值得我们关注和重视的话题。用科学的话语来描述就是在工作中利用确定的数学方法将所有可能涉及到工程环节的方案进行稽核，搜索出其中能够满足预定目标且最令人满意的设计方案。

（1）结构设计优化应注意前期参与

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。

（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。

四、结构设计优化的现实意义

（1）结构优化设计降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。

2）进行结构设计优化提高建筑结构经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。

五、结束语

与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。

篇（6）

前言：作为一项复杂的系统工程，深基坑工程在稳定性与可靠性都方面很大程度受支护方案的设计是否合理而影响，很多方案中存在极小误差便可使基坑出现失稳并增加工程造价等问题。对此对支护细部结构优化过程中应考虑到施工环境与施工状况，实现工期缩短并使造价得以节约的目标。然而现行优化支护结构方面仍存在一定的不足，需在此基础上采取相应的优化措施以使设计质量得以提高。

一、支护结构优化的相关理论概述

对深基坑支护的概念，根据以往学者研究可将其概括为利用支挡方式实现对深基坑周边环境的保护以及侧壁的加固。目前支护结构在深基坑中的应用若从结构原理或应用材料性质角度，主要可划分为边坡稳定式、水泥土挡墙式以及板墙与排桩式三类支护体系，需在设计与开挖中以工程实际情况包括经济因素、环境因素、地质气候条件、材料应用以及施工技术等进行结构型式的合理选择。同时需提及的是在设计支护结构方面首先需做好方案的优化工作，其具体指为根据深基坑设计要求与施工目标等进行方案的确定。目的在于深基坑工程中关于支护结构方面在选择过程中存有许多制约因素，无法利用普通施工中根据费用最低的要求进行决策，因此引入多目标决策模糊方式进行方案的优选。在完成方案确定后，具体施工前还需保证地下水位至少保持在基坑底1.0m以下，同时设置相应的支撑靠梯，避免存在踩踏支撑进行作业的情况[1]。

二、优化支护细部结构中存在的主要问题

尽管现阶段我国在深基坑支护技术方面已逐渐趋于完善，且从许多相关理论内容与实践中都可寻找相关的优化方法与模型。但从整体深基坑工程方面因支护结构的不合理设计仍会出现较多的安全事故问题，其原因在于支护技术方面存在一定的不足，具体表现在以下几方面。

（一）优化细部结构设计方面存在的弊端

优化细部结构过程中若以数学语言进行描述主要需考虑到如何选取变量、构建目标函数并确定相关的约束条件等内容。但如前文所述深基坑支护结构本身受较多不确定因素影响，设计中存有许多离散变量，一定程度上使优化过程中易出现组合爆炸问题。为简化优化细部结构设计过程，通常需利用基本李学内容对其分析，这就要求充分考虑支护结构的安全性、土压力等内容，将造价最后为设计的主要目标进行函数的优化，以此得出相应的设计模型。由此可看出，该过程在实际操作过程中需考虑许多学科内容且涉及极为繁琐的计算过程，是细部结构设计优化的难点所在。

（二）深基坑支护方案存在的问题

深基坑支护的合理设计要求提供符合施工要求的具体方案。以往许多设计人员与学者在此方面提出极多理论性极强的设计模型与方法，要求施工决策人员与操作者需掌握更多学科内容，不具备较强的实用性，导致具体设计过程中仍以工程人员依靠个人经验进行具体判断。同时在支护方案构建方面，虽然关于细部结构如何进行优化设计已提出许多策略，但如何构建深基坑支护方案集仍不完善，其要求实际施工时对施工相关条件如水文地质条件、经济因素以及环境因素考虑其中。因此，深基坑支护方案的缺失或不完善成为制约细部结构优化的主要问题[2]。

三、完善支护细部结构优化的具体路径

（一）对优化细部结构的内容与设计原则进行明确

在优化内容方面，完成支护方案确定后主要优化设计相关的支护参数，如施工方案中体现的锚支护，在细部优化中便需对锚杆的具体设计位置、桩距数等内容进行体现并优化。而在设计原则方面，要求满足相关施工规范标准的基础上，注重对支护结构的相关设计要求如强度、滑动位移以及沉陷等考虑其中。同时需对支护高度与基坑平面位置进行确定，分析如何利用当前技术优化相关的支护参数等。

（二）优化细部结构设计的路径

优化过程中主要从四方面进行，即：首先，进行设计变量的选择。要求将趁机坑支护结构的相关参数如结构形状、尺寸等内进行分析，将变量数量作为优化细部结构设计的准数。其次，进行目标函数的确定。目标函数的确定要求立足于优化设计的主要目标对工程完成准确定位，如其中是否满足经济型目标或结构位移偏量的控制等方面，需通过目标函数进行体现。再次，做好约束条件的明确工作。具体将设计变量在去职过程中限定在一定区间范围内，保证设计时符合约束条件要求。最后，设计模型的构建。在完成选取设计变量、确定目标函数与约束条件的基础上便需进行细部结构优化相关模型的构建，使其在符合约束条件要求时保证目标函数中的相关数值为最优，可采用最大值或最小值对最优值进行描述，以该设计模型为指导完成具体设计过程[3]。

（三）具体工程实例分析

以我国某地区工程为实例，其场地地面标高大约在46.65m左右，且地下室埋深为24.8m。根据实际勘测调查，场地在地震设防烈度方面控制在8度，被划入第一组地震分组，综合分析该场地为能够建设的一般性场地。而在水文地质方面，通过勘察结果得出地下水在30.0m之内可细化为三层，其中一层在埋深方面为4.80m左右，属上层滞水。第二层在埋深方面约为19.10m左右，属潜水，多以大气降水为补给方式。第三层埋深则在23.41m左右，主要以卵石层为主，分析其可能向承压水方面进行转变。完成勘察与分析过程后便进行深基坑支护方案的确定，首先在护坡桩方面将预搅拌混凝土应用其中并利用旋挖钻机完成成孔过程。其次在预应力锚杆方面，要求结合国内与进口锚杆钻机完成成孔过程，并对成孔直径进行控制。最后利用桩间土支护的方式，将钢板网片在表面进行铺设，在其中植入短锚筋，并完成混凝土的喷射过程。但注意该过程实施前需做好喷射厚度与钢筋直径的计算等。完成支护方案设计后，便需优化细部结构的设计，针对该工程实际情况，在支护方案中主要考虑护坡桩问题，将5道预应力锚干设置其中，在支护高度方面设计为24.80m，并对桩顶设计的标高、护坡桩桩径以及混凝土强度等方面严格控制。通过优化设计后，发现在支撑道数不变的情况下可优化支撑位置，且通过桩间距的控制无需利用过多配筋量，很大程度上减少施工成本，具有明显的优化效果[4]。

结论：支护结构的优化是保证深基坑整体结构设计合理的重要途径。实际优化设计过程中应正视深基坑支护结构优化的内涵，立足于当前优化设计过程中存在的不足，在此基础上通过方案的确定、变量的选择、目前函数的确定以及相关模型的构建完成优化设计的具体计算，通过文中的实例也充分说明在保证设计方案等合理的情况下，只需探求其中既可满足经济效益提高又符合结构安全标准的平衡点，便可实现支护细部结构优化的目标。

参考文献：

[1]丁敏. 深基坑支护细部结构优化及应用分析[D].重庆大学，2012.

篇（7）

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0233-01

一、结构设计优化概述

结构的设计优化方法主要包括两个方面，一个是从整体出发，对结构模型进行合理调整，通过控制位移、刚度等参数保证结构的整体稳定性。另一个是从分部出发，对建筑物的基础结构、上部结构和围护结构等方面进行优化设计。对这些分部进行优化设计时，需要对建筑结构进行选型与布置，并进行工程造价分析和受力分析等。在具体的结构设计优化中，要以建筑工程的实际情况为基础，以实现建筑的经济效益和综合效益为目标进行设计优化。另外，在进行结构设计前，要对建筑的功能准确掌握，在此基础上尽可能地使各个平面布置的均匀、规则，使不同部位的质量和刚度差异得到缩小，避免建筑物在水平荷载作用下发生巨大扭转。竖向上要尽可能避免转换层的使用，避免应力集中问题的发生。

二、结构设计优化方法

1、结构优化设计模型

结构优化设计模型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：一是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。二、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。

2、结构优化计算方案

结构优化设计多个变量、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。

3、推广设计标准规范和标准设计

工程设计标准规范的形成，来源于大量成熟的、行之有效的实践经验和科技成果，是科技转化为生产力的必要途径。优秀的工程设计标准和规范，不仅优化了设计，减少设计的盲目性，还将大大提高设计速度，有效降低项目的全寿命费用。在标准规范中可以对一些重要的部位采取设计经济指标限额制度，对一些设计部位使用“宜”或“不宜”等引导性语言提示设计人员对方案进行优化，鼓励他们在设计中大胆使用新工艺和新材料。整体结构的科学性和合理性是新规范特别强调内容。新规范用于控制结构整体性的主要指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充，特别是对抗震及结构的整体性，规则性作出了更高的要求。

三、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、材料优化设计

建筑结构在材料方面的优化就是使建筑材料最充分的利用，对材料的选择很关键，选择合适的材料既能够满足使用的功能，又能提高房屋建筑质量，当然还能最大化地降低成本，节省更多资源。所以要求在材料采购选择时一定要对所需的材料性质、各项质量指标熟悉了解，购买时本着经济实用的原则。材料也要方便施工，保证施工安全易操作。钢筋是建筑时最重要的材料之一，在选择时大部分的设计人员都会强化着眼于钢筋的配置计算上，很容易忽视钢筋的种类。现在市场中钢筋的种类很多，所以好的优化设计方案应该是在满足设计承载力要求的前提下，选择适合的钢筋种类和数量，这样就能很大程度上降低资金投入。

4、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。

5、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。

篇（8）

0 概述

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，寿命期缩短，复杂性增加，更新换代速度变快。此外，由于国际化市场的激烈竞争，用户对产品功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、改造和更新，使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收再生的全过程的跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术[1]。现代设计是现代制造的基础，伴随着先进制造技术的发展，以计算机和信息技术为主体的产品现代设计方法得到了普遍应用。

1 优化设计

优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。在众多的优化设计中，结构优化是其他优化设计的前提和基础，只有在结构优化的基础上，才能进一步进行性能的优化，结构优化是在给定约束条件下，按某种目标求出最好的设计方案，通常以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。

2 医用升降椅优化设计

2.1 升降椅及其结构组成

升降椅是一种新型的椅子，市面上的升降椅使用的升降装置分为3类――油压、机械式和气压。在低端的升降椅中以气压的居多。气压式升降椅里有个气缸，气缸内的活塞气动杆上下运动支配椅子升降。

近年来，由于气压升降椅的事故频频发生，液压式升降椅的市场占有率在程上升趋势，液压升降椅由于升降过程动作平稳等一系列有点，被广泛应用于美容店、医疗机构等。如图1所示，本文设计的医用液压升降椅主要由座板、靠背、扶手、支架、支架摇臂、升降定位装置（马达和活塞杆）和椅脚构成。其特征在于：支架和椅脚之间由支架摇臂进行对应铰接，支架摇臂以铰接在椅脚上铰接轴为圆心上下转动，当摇动支架摇臂时带动支架进行升降，实现座板的升降；另外，在支架与椅脚之间还设置了升降定位装置。

2.2 升降椅的优化设计

使用优化设计软件SolidWorks/simulation进行优化，优化参数为摇臂长度、摇臂高度和活塞杆伸缩长度，边界约束条件为最大升降位移和最小升降位移，优化目的是马达力最小化。

分析优化结果可以看出，迭代3得到的结果最优，即在摇臂长度为0.4m，摇臂宽度为0.3m，活塞杆伸长量为0.6m时，满足最小、最大升降位移的约束条件下，马达力达到最小值1393.25N。

3 结论

马达力随摇臂长度增加呈正比关系增长，随摇臂宽度增加呈减小趋势，在摇臂宽度为0.15-0.27的范围内降低较快，基本上呈线性趋势，之后基本趋于稳定（最小值），所以在设计时可以固定摇臂宽度，变量减少一个，可以大大简化优化设计过程，尤其在分析变量与变量相关性的优化过程中，这样做尤为重要。另外，马达力随活塞杆伸长量的增大而减小，基本上呈线性趋势。本文的优化设计过程为医用升降椅设计提供了重要的理论依据。

【参考文献】

[1]周小东，成思源.基于参数化逆向建模的仿真优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2015，11（12）：13-18.

[2]卫巍，吕志军，黄东欣.基于遗传算法的堆垛机结构多目标优化设计[J].华东大学学报，2012，10（12）：513-516.

[3]秦松，侯斌魁.面向模具并行设计的任务分派过程研究[J].机械设计与制造，2015，6（12）：245-247.

[4]马巧云，洪流.多Agent系统中任务分配问题的分析建模[J].华中科技大学学报：自然科学版，2007，35（12）：54-57.

[5]彭观明，胡静，曹延华.基于Cult3D 技术的机电产品虚拟设计[J].煤炭技术，2013，10（12）：22-24.

[6]刘电霆.绿色设计中产品模块划分的不确定优化及GA求解[J].桂林理工大学学报，2013，11（12）：743-746.

[7]李斌，赵新乐.煤矿机械的绿色设计与制造技术研究[J].煤炭技术，2013，11（12）：45-46.

[8]谢里阳.机械可靠性理论、方法及模型中若干问题评述[J].机械工程学报，2014，7（12）：27-34.

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）

中图分类号：K928.78 文献标识码：A

一、概述

大跨度桥梁往往处于公路交通运输枢纽的咽喉位置，为道路生命线工程的重要组成部分。随着我国经济的快速发展，大跨度桥梁建设在进入20世纪末进入了一个新的，大跨度桥梁形式结构多样，主要有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂横架桥以及一些其他的新型的桥式，比如全索桥、斜拉悬梁混合体系桥梁、索桁桥等等，但是就目前技术熟练程度和结构安全性能而言，寻索桥和斜拉桥是大跨度桥梁的发展主流。目前的桥梁技术虽然已经能够很好的解决大跨度桥梁现存的问题，但是随着桥梁跨度的不断增加，向着更长、更大、更柔方向发展，为了保证其建设的可靠性、耐久性、行车的舒适性、施工的简易型以及美观性，桥梁设计以及施工人员还有更多的工作要做。而大跨度桥梁结构优化设计的过程，也是为了更好的处理和解决桥梁结构的安全性、适用性以及经济合理性、美观性的过程。下面就对其设计要点进行一一阐述。

二、大跨度桥梁结构优化设计

1、局部优化

大跨度桥梁的局部优化虽然不能等同于整体，但是却优于整体，可以更好的促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小，研究的深度因而能更透彻。目前针对大跨度桥梁的局部结构进行优化设计研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面，主要有：加劲梁横截面的优化，斜拉索或主缆的动力优化，索力调整优化，索塔的结构优化，斜拉索和吊索锚固的优化，悬索桥锚锭的优化，桥墩及基础优化。

1.1加劲梁横截面的优化

大跨度桥梁的加劲梁主要是由钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。就目前建成的大跨度桥梁中，主跨梁的主要形式多数以钢梁为主，钢梁与混凝土结合梁以及混凝土梁较少且相对较小。

1.2斜拉索或主缆的动力优化

由于斜拉桥和悬索桥是当前大跨度桥梁建设的主要桥式，两者具有共同的特点，即都是由缆索支承，且桥面柔软，属于柔性结构，其阻尼值较低。在外部激励下，拉索极易出现大幅度的振动，如风雨交加时的出现的主梁和拉索之间的耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振动极易引起拉索锚固端的疲劳、降低了拉索的使用寿命，严重时甚至会直接影响桥梁结构的安全系数。由此可见，大跨度桥梁的动力问题极其重要。

1.3索塔结构优化

索塔的结构优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔的高度越高给施工带来的难度也就越大，塔太矮也会直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。因此，单独的对塔高进行优化是不明智的，应该与大跨度桥梁的其他部分整合起来综合考虑。塔的受力合理性与他的结构形式、缆索形式、缆索的锚固形式以及锚固点的分布状况有着直接或间接的关系，因此索塔受力的合理性优化也是大跨度桥梁结构设计中不可缺少的一部分。

1.4桥墩及基础的优化

桥墩以及基础是桥梁重要支撑结构，也是桥梁下部结构中的重要组成部分，对桥梁的稳固性起着重要的作用，因此桥墩及基础不论在数量、位置、还是结构形式上，都对桥梁的稳固、耐久有直接的影响，但对桥梁上部结构的影响较小。因此，在对桥墩和基础进行设计时，应针对具体的桥梁进行考虑。

2、整体优化

大跨度桥梁都为高次超静定结构，结构复杂，设计变量多，建设和设计又涉及到多方面的因素。因此，要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立，也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此，对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但是综合评价一座桥梁的优劣不是仅仅凭借局部的进行评判，而是要看整体的效果和运营，因此对桥梁的整体结构进行优化设计存在着一定的难度。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面：整体造价最优，整体动力性能优化，整体施工工艺优化，桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。

3、桥梁上部结构优化

上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区大跨度中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线梁来说，T梁为开口断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直线设的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。对于大跨径桥梁，最好采用悬臂浇筑箱梁。但是对于中等跨径的桥梁，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

4、桥梁下部结构优化

下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布均匀。桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或至少一梁作为分析对象。稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载，下面以连续梁为例进行说明。介于梁、墩之间的板式橡胶支座，梁体上的水平力H(车辆制动力和温度影响力等)是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的，它不但使墩顶产生水平位移，而且板式橡胶支座也要产生剪切变形。当梁体完成水平力的传递以后，梁体暂时处于一种固定状态，但由于轴力及墩身自重的影响，墩顶还会继续产生附加变形，这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐达到反向的状态。

结束语

随着我国交通事业的快速发展，大跨度桥梁的发展也十分迅速。如何在满足结构使用要求的前提下对桥梁结构进行合理的优化设计已经成为目前大跨度桥梁设计的重要内容。

参考文献

[1]李芳,凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报(机械・设备和仪器的开发技术).2002(05)

[2]禹智涛,韩大建.基于可靠度的桥梁结构优化设计[J].广东工业大学学报.2002(03)

篇（11）

在科学的结构分析方法诞生以前，结构设计是以模型试验和经验估算为主的原始方法进行的，结构设计的主要目的也是简单的满足安全使用，由于没有正确的方法指导，常常造成不必要的材料浪费。随着力学和材料科学的发展，结构工程师们逐渐掌握了结构分析理论和方法并将之用于工程实践中，但在初期，由于理论的不完善和计算手段的局限，结构设计仍是以倾向结构安全为主而较少兼顾方案的经济性。到了近代，特别是有限元分析的出现和计算机在工程中的日益广泛运用，结构设计中寻求同时兼顾可靠性与经济性的方案已成为可能，结构优化设计作为理论由此孕育而生。所谓结构优化设计就是在满足各种规范或某些特定要求的条件下使结构的某些广义性能指标（如重量、造价、刚度或频率）为最佳，也就是在所有可用的方案中，按某种标准找出最优方案。在这种情况下，力学在工程设计所起的作用便由过去的“分析和校核"发展为“综合和优化”。

迄今为止，公路隧道的一般设迄今为止，公路隧道的一般设计流程是：首先根据一定的技术标准初步设计出满足建筑限界、通风条件、受力要求的衬砌内轮廓线，再根据经验（工程类比）拟定出衬砌各截面厚度，最后检算衬砌截面强度；如检算不通过，则需要修改设计重新检算，如此进行有限次选择后，便得出满足前述要求的衬砌结构。这样设计出来的隧道结构没有充分兼顾到支护结构断面在经济上的合理性，且安全系数一般均有些偏大，不能达到所谓的“最优设计"的目的。如何能设计出一个既满足一定要求（建筑限界、通风条件、受力要求），又经济合理的公路隧道衬砌结构，是许多设计者都在思考的一个问题。

二、拓扑优化基本理论

集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设计是现代结构设计领域的重要研究方向。根据设计变量的类型差异，结构优化的研究可分为三个层次：结构尺寸优化、结构形状优化和结构拓扑优化（布局优化）。在给定设计空间j支撑条件、载荷条件和某些工艺条件等要求下，确定结构构件的相互连接方式，结构内有无空洞，孔洞的数量、位置等拓扑形式，使载荷能将外荷载传递到支座，同时使结构的某种性能指标达到最优，这个过程称为结构拓扑优化。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//总第547期2014年第15期-----转载须注名来源根据优化对象的不同，结构拓扑优化可以分为两大类：一类是以桁架结构为代表的离散结构拓扑优化，主要是确定节点间单元的相互连接方式，同时包括节点的删除与增加；另一类是连续体结构的拓扑优化，主要是确定其内部材料的合理分布等。

拓扑优化的目标是寻求物体对材料的最佳利用，此目标判剧（如整体刚度、自振频率等）要求在给定的约束（如体积减小）条件下取得最大或最小值。拓扑优化的标准方法是在给定结构体积（V）的约束条件下，定义问题为结构柔度最小，结构柔度最小等价于整体结构刚度最大。目前常用的连续体拓扑优化方法主要包括变厚度法、均匀化方法和变密度方法。由于本文程序采用的是以伪密度Pi为设计变量的变密度法进行拓扑优化，故本节主要简述变密度方法的理论和数值实现过程。变密度法是连续体拓朴优化的常用方法，属于在基结构基础上的材料描述方法，其基本思想是引入一种假想的密度可变材料，给基结构中每个有限元单元赋予内部伪密度，当单元密度pi=O时，表示该单元无材料，单元删除；当单元密度Pi=1时，表示该单元有材料，保留或增加该单元，优化时以材料密度P i为拓扑设计变量，使结构拓扑优化问题转化为材料的最优分布问题。选择变形能作为目标函数，以结构柔顺度最小，即整体刚度最大为设计目标，通过施加体积约束来限制材料的使用。

三、计算模型

对于软岩公路隧道，由于围岩强度相对较低，开挖扰动后变形较大，加之公

路隧道大跨径、大断面和扁坦状等特点，在设计施工中仍较多采用强支护方法。拓扑优化考虑体积约束和结构平衡方程，以结构的柔顺度最小，即刚度最大为目

标，其得到的最优拓扑抵抗变形的能力最强。故拓扑优化和工程设计人员两者的

目标一致，利用拓扑优化方法可阱得到衬砌结构的合理型式。

与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的。只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。本文优化旨在通过改变村砌结构的断面型式，寻求材料的最佳利用，但是，这种改变若造成施工开挖工作量的显著增大和隧道内空间有效利用率的显著降低，将从另一角度造成了浪费。所以在建模时，将衬砌结构在满足断面要求的前提下厚度仅增大一倍，拓扑优化时省去50%的材料，这样既可以达到优化设计目的，也不会造成施工时开挖工作量的明

显增大。