工程結構優化設計概述大全11篇

緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇工程結構優化設計概述范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

篇（1）

隨著社會的發展，人們對于建筑的要求越來越高。建筑工程的結構越來越復雜，建筑面積越來越大，建筑層數越來越高，要求建筑成本控制與建筑結構優化技術，對建筑工程提出了更多的挑戰。采取相應的結構優化技術，提高設計水平，能夠降低當前的投資成本，提升建筑質量。建筑結構優化主要包括房屋整體設計的優化和內部細節的優化，在建筑結構優化建設中，對相關的制約因素進行分析，落實優化技術措施，提升優化水平，能夠促進建筑結構設計水平的提升。本文從建筑結構優化的概念與優化技術探討建筑結構的優化技術措施。

1、建筑結構優化技術概述

1.1 建筑結構優化技術概念

建筑結構優化技術是在建筑結構設計中，根據建筑工程的需求，考慮到布置、造型、造價等因素，運用相關的技術和方法，對建筑結構的相關內容進行優化設計，確保設計工程質量與施工效率的技術的總稱。建筑結構優化技術具有自身的顯著特征，設計過程中，需要在考慮建筑工程需求的基礎上，采取針對性的設計策略，對不同的設計方案進行對比，選擇最優方案，對工程建設進行指導，提升工程建設項目效益。

1.2 建筑結構優化技術的內容

房屋建筑最重要的是建筑安全以及使用價值，對于建筑工程而言，在保障建筑質量的前提下，對建筑結構進行優化設計。具體而言，建筑工程優化的主要內容包括對房屋的整體結構的優化以及房屋細節構造的優化設計，通過整體和部分的結構優化設計，逐步進行劃分，從而獲得最優化的分析設計。

1.3 建筑結構優化的意義

通過優化設計，能夠提升建筑空間的使用效率。建筑結構優化設計，能夠提升設計水平，對各部分結構進行合理的安排，確保建筑結構的美觀實用，同時有利于降低建筑工程造價。實踐表明，建筑結構優化設計能夠節省成本5-20%，從而提升建筑工程效益。

2、建筑結構優化技術組成

為了提升建筑的建設質量，具體的優化技術包括以下方面。

2.1 概念優化設計

概念優化設計主要包括以下的技術：（1）結構優化模型，房屋建筑的結構優化設計首先需要選擇設計變量，設定目標控制參數與約束控制參數，確定目標函數與約束條件，對于房屋結構中的結構條件、尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束等參數進行確定，將設計的約束條件與目標約束條件相比較，選擇最優的約束條件，使設計成本最小，從而實現最優設計；（2）優化設計計算方案，合理選擇優化設計計算方案，可以選擇復合形法、拉氏乘子法等方法，對相關參數進行計算；（3）進行程序設計，采用合理的計算程序與結構優化模型，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序；（4）結果分析，對計算結果進行分析，從成本、施工等多角度進行計算，確保計算結果滿足安全的需求，確保優化設計適用、安全、經濟、美觀和便于施工。

2.2 樁基優化技術

建筑結構樁基優化措施包括以下方面：（1）樁靜載荷試驗以及單樁承載力調整，基礎試樁以及工程樁的檢驗可以看到，近年來許多基礎樁的承載力大于計算值，因此在計算的過程中，采用試驗樁的實際承載力進行樁基基礎的計算，能夠提升樁基工程的承載力穩定性，降低樁基工程成本，提升樁基工程的效益，在樁基結構優化中，需要按照試驗樁進行樁基設計與施工，按照樁基承載力以及荷載試驗進行研究，通過調整單樁承載力的特征值，優化樁基數量計算；（2）樁身配筋調整，根據《建筑樁基技術規范》對樁承載力以及裂縫控制的要求，在樁基計算中，需要對不同鋼筋級別對承載力的影響進行分析，在對樁基計算的基礎上，合理計算配筋率，將樁身配筋進行計算，在確定樁靜荷載和樁中心距等參數的情況下，按照樁基頂部能夠承受的豎向力計算配筋率。建筑主體結構的計算中，部分結構的柱墻底彎矩非常大，在計算的過程中，通過配筋率的計算嚴格控制裂縫，在確保靜荷載力、彎矩等參數的基礎上，進行配筋計算，確保所有樁基的配筋率均能滿足樁基礎的承載需求，滿足樁基裂縫控制的目的；從樁身出發，將樁身中部以下部分進行減半處理，從而減少鋼筋用量，降低工程成本。

2.3 施工優化設計技術

施工優化設計技術主要包括以下的流程：（1）結構整體和局部優化，建筑結構優化應該具有層次慈寧宮，從設計體系、結構體系、安裝體系等多層次的體系，結合建筑結構的需求，確保設計體系的完整性，除了結構整體設計之外，還需要從材料選取、構件選擇、結構類型等方面完成優化選擇，確保所選擇的材料滿足建筑結構的需求，從整體入手，細化設計工作，提高設計水平；（2）樁基礎與上部結構優化，從樁基礎施工開始，合理選擇樁基施工技術，當前常用的樁基礎包括預制樁和灌注樁兩種不同的類型，灌注樁的施工難度較高，預制樁的質量可靠，能夠顯著提高地基承載力，根據地質特點與建筑工程的需求選擇樁基礎施工技術；在上部結構設計時，根據建筑方案合理布置柱、剪力墻等豎向構件，保證其滿足側向剛度和承載能力的要求的前提下，達到最優的經濟性；（3）不同階段結構優化，對建筑的基礎結構、上部結構、細部結構等各部分設計時，從整體到細部進行合理優化設計，實現各部分的協調優化設計，在設計中，除了確保建筑的設計安全之外，還需要保障設計的美觀，在建筑結構柱、墻的設計中，在保證結構質量的基礎上，盡量簡化建筑系統，選擇自重較輕的原料，以實現減輕結構自重的目的，同時確保各部分的結構美觀，在應力集中、受力方向較多的轉角區域進行加固措施，確保結構的穩固。

3、建筑結構優化技術的應用策略

3.1 前期優化設計

前期設計是影響建筑結構優化設計的關鍵，在建設過程中，需要根據建筑結構的需求，考慮到結構的合理性以及可行性的情況下，對設計結構進行有關設計。在前期設計中，除了確保結構設計滿足建筑的需求之外，還需要結合建筑的成本、計算設計等方向進行分析，設計合理的建筑方案與施工方案，盡量降低總投資，確保設計的合理性。

3.2 合理的運用概念設計

概念設計是房屋建筑結構設計的重要內容，在概念設計中，通過對建筑結構進行分析，再此基礎上提高房屋性能、經濟性，確保房屋結構的優化設計。在建筑結構優化設計中，合理的運用計算程序，對建筑結構的周圍環境與建筑結構的內部進行分析，合理的篩選設計方案，從而選擇最優的概念設計方案。比如在地震區的建筑設計中，需要對地震區的地質環境進行分析，考慮到建筑結構減震的需求，合理的選擇結構優化方案；在概念設計中，合理的選擇設計軟件與信息技術，根據設計人員的經驗進行判斷，確保最終方案的適用性與經濟性。

3.3 解決房屋建筑結構設計的實際復雜問題

建筑結構優化設計中，需要考慮到建筑結構設計的復雜問題，從前期設計開始，加強結構優化設計管理，通過概念優化設計，加強建筑物的抵御能力，確保建筑物能夠抵抗外部環境的影響，增強建筑結構的穩定性與安全性，同時達到合理的節省建筑總的建造成本。

4 結語

建筑是凝固的藝術，建筑結構優化技術是確保建筑結構優化的有效措施，對于建筑結構具有重要的意義。根據建筑結構的適用、安全、經濟、美觀和便于施工的原則，對建筑結構的整體以及細部進行合理設計，有效的發揮建筑的空間效果，降低建筑成本，優化設計的各個部分，提升設計水平的提升，提升建筑工程質量。

參考文獻 ：

篇（2）

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

中圖分類號： TU318 文獻標識碼： A 文章編號：

鋼筋混凝土框架結構是一種用量最大也是最普通的一種結構形式, 一般設計人員用計算機軟件分析, 很快就能得到分析結果, 如果設計人員掌握了一般的結構優化概念和方法, 設計人員在追求設計速度的同時就可以進一步優化結構方案, 那么通過優化結構設計每年節約的建筑材料是相當可觀的, 而且結構整體性能也大大提高。

一、鋼筋混凝土框架結構優化設計方法及步驟

1、常用的結構優化設計方法概述

結構優化設計大致可以分為三類, 即尺寸優化、性能指標優化和拓撲優化。

( 1) 尺寸優化。

對結構進行優化設計的最簡單和最直接的做法是修改結構單元的尺寸, 亦即在優化設計過程中將結構的尺寸參數作為設計變量, 這種方法稱為結構尺寸優化設計。運用這種方法, 人們可以對結構進行優化, 以達到目標函數最優的目的。但尺寸優化不能改變原結構的形狀和拓撲, 很難對原設計進行較大的修改。

( 2) 性能指標優化。

常用的形狀設計方法將控制結構形狀的某些邊界控制點的幾何信息取為設計變量, 由這些控制點生成結構的邊界, 從而達到改變結構的形狀, 使目標函數最優的目的。性能指標優化既可以改變結構單元的尺寸, 又可以改變結構的形狀。

( 3) 拓撲優化。

結構拓撲優化方法的主要思想是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料的分布問題。它不僅要解決尺寸優化問題, 還要確定結點間桿件的連接方式, 是結構優化領域中更為困難、更具挑戰性的課題。

2、優化設計步驟

通常對鋼筋混凝土框架結構進行優化設計, 可以采用建立數學模型的方法進行優化設計, 即把工程實際問題用數學表達式表示, 包括選定設計變量, 選擇目標函數, 建立約束方程等幾個步驟。

( 1) 給定參數。指預先給定的描述結構特性的參數。在優化過程中,其值是固定的, 因此可以作為常數考慮, 如荷載、柱高、梁長、彈性模量以及材料容重等一般都屬于給定參數。

( 2) 明確設計變量。優化設計中待確定的某些參數, 稱為設計變量。一個結構的設計方案是由若干個量來描述的, 這些量可以是結構構件的截面尺寸, 如面積、慣性矩等幾何參數, 也可以是結構的幾何參數, 如結點坐標、高度、跨度和間距等, 還可以是結構材料的力學或物理特性參數, 如材料的彈性模量等。設計變量是最優化設計數學模型的基本組成部分, 是最優化設計最后所要確定的參數。

( 3) 構造目標函數。利用設計參數描述追求目標( 如重量、造價) 的數學表達式稱為目標函數, 也稱為直函數、評價函數, 它是設計變量的函數, 代表所設計結構的某個最重要的特征或指標。優化設計就是要從許多的可行設計中, 以目標函數為標準, 找出這個函數的極值( 極小值或極大值) , 從而選出最優設計方案。結構的體積、造價、剛度、承載力、自振頻率等都可以根據需要作為優化設計中的目標函數。

( 4) 構建約束條件。優化設計尋求目標函數極值時的某些限制條件, 稱為約束條件。它反映了有關設計規范、計算規程、運輸、安裝、施工、構造等各方面的要求, 有的約束條件還反映了優化設計工作者的設計意圖。

二、鋼筋混凝土建筑結構設計優化實證分析

某工程，兩層地下室，負一層為超市，負二層為車庫（含部分人防區域），上部結構由7 棟高層塔樓組成。施工圖完成后受業主委托，對該工程地下部分進行了結構優化咨詢。該工程優化是針對已完成的施工圖，在不影響建筑使用功能的情況下，以滿足現行的國家以及地區的行業規范、規程，確保建筑物安全和抗震能力為前提，通過對該工程的結構分方案和各類構件的截面、配筋優化，最大限度的降低建筑材料和人工消耗，優化過程以定性分析為主，輔以重點優化部位的定量計算分析，主要優化內容如下。

1、對基礎形式進行優化

原設計基礎形式高層部分采用板式筏板基礎、多層和單獨地下室部分采用柱下獨立基礎，因場地持力層有一定起伏，原設計為滿足基礎持力層的最低標高，將基礎底標高均取- 6.8m 左右，同時在- 5.200 標高設地梁、地下室底板，導致基礎板與地下室底板間高差很小，結構不合理，且土方開挖、回填量增加，基礎與地下室底板間施工難度較大。優化設計將獨立基礎和筏板基礎頂標高均改為- 5.200，使地下室底板頂標高與筏板基礎、獨立基礎頂標高一致，同時對局部基礎不能進入持力層的，采用毛石回填的方法解決，優化后基礎受力更加合理，同時原設計筏板基礎上方地梁和底板完全取消，節約了大量的鋼筋和混凝土，減少了土方工程量，也降低了施工難度。

篇（3）

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

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

建筑結構優化設計的突出表現和最終目的， 是為了降低工程的造價， 這是比較狹義上的說法，但是在現實中對建設結構設計的優化，主要指的是廣義的說法，在降低工程造價的同時，保證其建筑的安全性，在利益最大化和質量保證中找到一個最優的平衡點，這就是目前建筑結構優化設計的意義所在。

1.建筑結構優化設計的概述

建筑結構優化設計的基本理論建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結構優化設計的基本要求:功能性建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。

2.建筑結構設計優化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結構設計相互協調密切配合的結果。建筑結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優美的要求又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實際意義上的"經濟適用"房。從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在建筑工程分部結構的優化設計和建筑工程結構總體的優化設計量方面。

2.1建筑結構優化計算方案

在設計模型已經優化后，工程師可以在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時，要注意以下問題：不能盲目的依賴計算機-對于輸入的幾何圖形，構件尺寸、荷載數據等應認真核對、力求準確無誤，對計算參數的選取要正確合理，注意實際結構與計算模型的差異。最后可以利用程序的工程量統計功能進行不同結構形式的對比，以找出最優方案。

2.2進行程序設計。根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

2.3結果分析。對計算結果進行分析，確定最優設計方案。

在執行以上步驟的過程中，必須要全方位、多角度考慮方方面面的問題。這主要是因為建設投資是一項耗資巨大的工程，涉及到的方面比較復雜，因此必須進行總法規和考慮，不能僅僅為了節約資金投入而忽視了設計的優化作用。要正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵環節。設計中既要反對片面強調節約，忽視技術上的合理要求，使項目達不到功能的傾向，又要反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。

3.建筑結構設計優化經濟性

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利于抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能6%-34%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優化設計手段，達到這5個方面的最佳結合，符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。

4.工程概況及應用實例

麗翠苑住宅小區位于中山市三鄉鎮，建筑面積約57674.79m2，由5層裙樓及32層塔樓組成，裙房平面尺寸為76.65m×63.62m，塔樓平面尺寸為37.65m×32.6m，將地下二層按規范要求的嵌固構造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深7m，以上99.8m（結構計算高度）。建筑總高度為106.8m（未包括出屋面的電梯，樓梯間的高度）。該結構平面布置不規則，在裙樓五層處進行高位轉換。

結構設計中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應，主樓部分結構設計不僅考慮豎向荷載效應，還要考慮水平地震作用及風荷載作用下產生的荷載效應的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求以及主樓部分的抗側移設計要求，裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式，主樓采用剪力墻承重結構體系。本建筑結構在主樓抗側力構件設計中，剪力墻主要承擔水平作用，框架承擔少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀不規則，因樓梯、電梯間均設置在核心筒內，為提高主樓結構的抗扭能力，剪力墻結合樓電梯間在主樓范圍內采取了加強處理，具體厚度根據高層建筑結構設計的變形限值，由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。 在主樓剪力墻的布置中，盡量按照下部轉換柱的所在位置來設置，以避免二次轉換及盡量減少需要轉換的剪力墻，經過多輪的調整后，將原來方案中需要轉換的剪力墻減少了四條，使轉換結構大為減少，在保證結構安全的前提下，對經濟性亦有提高。

5.結束語

綜上所述，通過結構優化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑,而正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵。對建筑工程進行優化設計一直是結構師們共同的目標，建筑結構的優化設計是一個比較科學系統的設計過程，不能片面強調節約投資,而降低技術和質量標準,又要反對重技術、輕經濟,設計保守浪費的現象。 因為影響工程造價和建筑質量的因素有很多，所以在實際的建筑機構設計中，一定要充分的考慮各方面的因素，在每個細節上都力求優化， 只有這樣才能實現建筑結構優化設計的最終目的，以更好的服務于我國建筑業的發展。

參考文獻：

1.談建筑結構的優化設計[J].建筑科學，2009(4).

2.張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J]. 陜西建筑，2008(11).

篇（4）

1概述

優化設計指的是在設計過程中尋找最完善的設計方案，從而滿足所有的設計要求。現如今，科學技術發展迅速，有限元分析技術也日漸完善，并逐漸被應用于機械產品的結構優化設計過程中，不僅能夠為機械結構優化設計提供便利，而且能夠有效提高數據的準確性，應用優勢十分明顯，因此對有限元分析軟件及其應用方式進行詳細探究具有十分重要的現實意義。

2ANSYS有限元分析軟件概述

ANSYS有限元分析軟件是由多個模塊所組成的，包括分析計算模塊、前后處理模塊等，現如今已經被廣泛應用于大型機械結構設計過程中。在ANSYS有限元分析軟件的前處理模塊中，有Pro/E、UG等建模工具，在對機械結構進行設計過程中，可以結合實際情況選用具體的制圖軟件對機械構件進行建模設計。在對計算模塊進行分析過程中，可以模擬出不同種類的物理介質的相互作用，因此分析靈敏度比較高，而且分析能力比較高。另外，通過應用ANSYS有限元分析軟件的后處理模塊，可以彩色等值線、圖表以及圖像等形式顯示出計算結果。在對機械構件模型進行有限元模型分析過程中，需要不斷進行修改和優化設計分析，但是通過應用ANSYS有限元分析軟件，只需要根據設計參數語言，對機械構件的參數進行調整，就可以完善機械構件的設計和分析過程，在最大程度上縮短機械構件優化設計所需時間，減少設計人員的工作量。

3ANSYS結構優化設計

3.1建立結構優化設計模型

在機械設計優化過程中，最為關鍵的是建立數學模型，而在建立數學模型時需要結合實際情況選用合適的設計變量，在一定的約束條件下，通過目標函數計算獲得設計最優的設計變量。與傳統的機械優化設計不同，在ANSIS有限元分析軟件的實際應用中，只需要設定一定的參數，就可以表示出數學模型的構建要素，包括目標函數、約束條件以及設計變量。

3.2ANSIS優化設計分析方法

在ANSIS有限元分析軟件的實際應用中，由于不同用戶對于ANSIS有限元軟件的掌握程度是不同的，對此ANSIS可以提供批處理和圖形交互兩種分析方法。其中批處理主要適用于能夠熟練掌握ANSIS分析軟件各項命令的專業技術人員，在復雜程度比較高的機械設計過程中可以采用批處理方式，這樣能夠有效提高有限元分析效率。另外，對于ANSIS有限元分析軟件的一般用戶，可以采用圖形交互方式，操作更加直觀便捷。還需要注意的是，ANSIS有限元分析軟件可以為軟件用戶提供很多種優化設計辦法和優化設計工具，ANSIS用戶在對不同的問題進行優化設計時，可以有針對性地選用相應的優化設計工具或者辦法，從而簡化分析過程，提供優化設計結果的精準性。

4ANSYS結構優化設計實例

4.1問題描述

某機械設備是由5節箱型同步伸縮臂所構成的，所有的伸縮臂展開后，整個機械設備的長度約為27.0m，通過ANSYS結構優化設計，能夠有效滿足機械設備的強度要求和剛度要求，這樣不僅能夠有效降低機械設備自重，而且還能夠有效降低設備造價。4.2有限元分析4.2.1建立模型。以機械設備的初始結構、尺寸以及工況要求，采用ANSYS有限元分析軟件，從底部至上建模，在建模過程中，首先確定關鍵點，然后依次建立線、面、體，最終形成實體模型。在網格劃分方面，可以綜合應用自由網格劃分以及人工設置網格尺寸的方式完成。4.2.2約束及載荷處理。在該機械設備設計過程中，其約束點主要位于變幅油缸支座的鉸接位置以及基本臂根鉸點位置，在各個約束點上需要約束三個方向的平動自由度以及兩個轉動自由度，并且注意釋放銷軸中心位置的互轉自由度，對于該設備伸縮臂與滑塊之間的接觸點位置，可以采用節點自由度耦合進行模擬。在ANSYS有限元分析軟件的處理模塊中，輸入機械設備制造所需材料的密度以及重力加速度，程序即可將單元載荷因子數據直接計入總載荷中并進行自重計算。另外，對于該機械設備伸縮臂上的所有附屬裝置，都可以將其質量作為集中荷載，并使其作用于相應的位置。4.2.3有限元分析結果。通過對這一機械設備進行ANSYS有限元分析，當該設備在水平位置全部展開時，其應力以及端部的位移量能夠達到最大值，而各個節臂位置的大部分區域的應力則比較小，最大應力主要分布于各個節臂以及滑塊的接觸位置，根據ANSYS有限元軟件分析計算，應力值在132～277MPa之間，局部最大應力達到385MPa。另外，在臂端變幅平面中，最大變形量為0.55m。

4.3優化設計數學模型的建立

4.3.1設計變量。在該機械設備的ANSYS優化設計過程中，由于其各個節臂的長度是在優化設計前根據作業范圍來確定的，因此在優化設計過程中不可以改變。另外，基本臂與各個伸縮臂的截面尺寸可以根據幾何關系逐步調整，對此，可以將基本臂的壁厚Ti、寬度B以及高度H作為本次優化設計變量，其中對于Ti可以根據連續變量進行考慮。4.3.2目標函數。在本次優化設計過程中，最為主要的目標在于保障設備正常使用功能的基礎上盡量減小設備體積和自重，材料體積越大，則設備質量越大，因此可以將各節臂總體積WVOLU作為本次優化設計的目標函數。4.3.3狀態變量。在本次優化設計過程中，狀態變量有兩種，分別為部件作業工況下的應力值STRESS以及前端變幅平面的位移量DY。在本次優化設計過程中，為了保證設計剛度和強度能夠滿足實際需要，應該加強應力和位移的控制。4.3.4約束條件。（1）剛度約束條件：為了保證設備的剛度能夠滿足實際需要，可以將變幅平面最大變形量作為約束條件。在ANSYS優化設計過程中，為了簡化模型的計算時間，提高建模進度和經濟性，不需要考慮風載荷的影響。但是，在ANSYS優化設計完成后，還是需要加載風載荷，對探測臂進行校核，確保其能夠滿足剛度需要；（2）強度約束條件：通過ANSYS有限元分析，綜合考慮設備材料的力學性能，在本工程中，將應力值STRESS控制在375MPa以內；（3）尺寸約束條件：綜合考慮初始結構尺寸與各個節臂尺寸之間的關系，以及伸縮臂內部油缸的外形尺寸的限制條件，指定高度H、寬度B以及基本臂壁厚Ti的最值，根據本次研究分析，高度H在0.19～0.44m之間，寬度B在0.19～0.31m之間，基本臂壁厚Ti在0.002～0.006m之間，其中i＝1，2，3，4，5。

4.4優化過程及結果分析

4.4.1部件各節臂厚度的優化。在對各個節臂厚度進行優化設計時，需要對鋼板厚度及其他設計變量進行優化設計，同時還需要注意將目標函數的允許誤差控制在1%以內，加上初始數據，通過16次優化循環，總共得到17組數據。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。綜合考慮機械設備的焊接要求，最終，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工作裝置截面尺寸的優化。確定壁厚尺寸后，對于各個部件的截面尺寸，可以采用一階方法進行優化設計，設計變量為高度H以及寬度B，目標函數允許誤差應該控制在初始體積的1%以內，總共需要進行6次優化循環，再加上初始值，總共獲得7組數據，并采用隨機搜索的方式進行驗證，確保計算結果的一致性。4.4.3結果分析。通過對該機械設備進行優化設計，所得結果如表1所示，由此可見，部件總體積在優化前為0.143m3，優化后為0.105m3，體積減少26.4%。由此可見，在本次ANSYS優化設計過程中，在保證設備剛度和強度符合設計要求的基礎上，盡量減少設備材料體積，能夠達到很好的優化結果。5結語綜上所述，對于機械結構進行優化設計，能夠獲得最優設計方案。通過應用ANSYS有限元分析軟件進行優化設計，能夠簡化計算過程，有效提高機械設備的優化設計效率，因此值得推廣和應用。

參考文獻

[1]王春華，黃楊，孟凡林，等．基于ANSYS液壓支架托梁結構改進及強度分析[J]．機械設計，2013，30（1）.

篇（5）

自從改革開放以來，我國市場經濟體制日益完善，建筑市場競爭也越來越激烈，這就使得建筑行業施工成本日益攀升。在這種設備背景下，建筑工程施工人員利用結構優化技術的方法來對建筑結構進行設計，對資源進行合理配置已成為提高建筑經濟效益的主要手段，也是現代化建筑工程中備受人們關注和重視的工作環節。這種結構優化技術的應用一方面為房屋結構建設指明了發展新方向，也為現代化社會發展提供了充足的能源保障。

一、結構優化設計概述

隨著我國建筑事業的不斷發展，越來越多的高層建筑拔地而起，為建筑行業發展指明了新方向的同時也為房屋結構設計工作開展提出了艱巨挑戰。截至目前的建筑工程項目中，工作人員如何有效的提高房屋結構的可靠性、經濟性已成為一個世界性話題，也是建筑業內人士研究的重點話題。另外，隨著建筑市場的發展和建筑材料的不斷涌現，更多的新興建筑材料被應用在房屋結構設計中，起到越來越重要的作用，同時也造成了傳統的房屋結構設計方法的滯后和落伍，無法滿足目前時展需要，這就需要我們在工作中進行優化，從而發揮出應有的設計目標。

1、結構優化設計

所謂的結構優化設計是指工程結構在滿足相關約束條件的基礎上，按照預定的目標求出最優化的設計方案和設計策略，以實現最大經濟效益。在一個建筑結構設計工作中，其主要的工作環節大致可以分為假設、分析、核對、重新設計幾個方面。其中能夠重新設計的主要目的在于選擇出一個科學、經濟、合理的方案，但是它在應用中只是一個分析的環節。

2、結構優化設計構成

房屋結構優化設計是一個綜合化、系統化的工作環節，其在工作中包含有建筑結構數學模型的優化設計、變量優化設計、目標函數設計和約束條件分析等環節。

二、建筑結構優化的主要方法

在目前的建筑工程項目中，機構設計有優化的方法與應用結構優化的方法是相互依存和促進的發展關系。隨著近年來房屋工程建設力度的加大，建筑工程施工項目越來越受到人們的關注與重視，尤其是在工程項目中，我們對于建筑工程施工結構方面的優化通常還是從兩個方面進行的，其中房屋工程的部分優化模式包括對結構設計方案的優化、房屋屋蓋系統方案的優化、維護結構方案的優化以及結構細部優化等等。在目前施工項目中，我們最為常見的優化體系和優化措施主要有以下幾種。

1、保障設計工作的美觀性

賞心悅目在目前的建筑工程項目中越來越受到人們的關注，這也是建筑結構美觀性得以保證的關鍵環節。在這種建筑工程環節中，建筑設計、建筑結構設計以及建筑作用設計都是一種全面系統優化的結果。在這種結構條件下，結構設計通常都是以追求實用、經濟、美觀和便于施工為主要目的的結構模式。因此在設計中通常也都是從這幾個方面入手去分析與完善的。這種設計模式的主要意義在于以經濟方式的發展和前進為基礎，從而在工作中實現了房屋結構的系統化、全面化發展模式。

2、模型設計優化

在房屋結構設計優化工作中，通常情況下在設計中對要遵循一切從實際出發的優化與設計原則，并且在工程項目中我們需要布置一套系統化的管理模式，同時還需要根據我們目前存在的相關情況和工作模式進行系統化的管理與總結，從而使得工程環節中的設計意圖和設計宗旨都能夠達到最佳標準和要求。在目前的建筑工程結構設計優化工作中，對于建筑結構設計影響最大的設計模式和變動方式都是以函數確立為主的工作模式，在工作中通常都是運用科學、有序的管理模式和管理技術來進行分析，并且要根據結構的整體性、全面性優化手段來系統深入的進行總結和完善。

三、結構設計優化技術的實踐應用

在目前的工程結構設計過程中，除了在工作中需要考慮到設計對象的基本使用功能和安全、可靠性之外，還需要考慮到在設計工作中將設計對象做的盡善盡美，這也是工程和結構優化設計工作中最值得我們關注和重視的話題。用科學的話語來描述就是在工作中利用確定的數學方法將所有可能涉及到工程環節的方案進行稽核，搜索出其中能夠滿足預定目標且最令人滿意的設計方案。

（1）結構設計優化應注意前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

（2）概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。

四、結構設計優化的現實意義

（1）結構優化設計降低總造價

進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。

2）進行結構設計優化提高建筑結構經濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。

五、結束語

與傳統的結構設計相比，采用結構設計優化方法可以使建筑工程造價降低6%-34%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。

篇（6）

前言：作為一項復雜的系統工程，深基坑工程在穩定性與可靠性都方面很大程度受支護方案的設計是否合理而影響，很多方案中存在極小誤差便可使基坑出現失穩并增加工程造價等問題。對此對支護細部結構優化過程中應考慮到施工環境與施工狀況，實現工期縮短并使造價得以節約的目標。然而現行優化支護結構方面仍存在一定的不足，需在此基礎上采取相應的優化措施以使設計質量得以提高。

一、支護結構優化的相關理論概述

對深基坑支護的概念，根據以往學者研究可將其概括為利用支擋方式實現對深基坑周邊環境的保護以及側壁的加固。目前支護結構在深基坑中的應用若從結構原理或應用材料性質角度，主要可劃分為邊坡穩定式、水泥土擋墻式以及板墻與排樁式三類支護體系，需在設計與開挖中以工程實際情況包括經濟因素、環境因素、地質氣候條件、材料應用以及施工技術等進行結構型式的合理選擇。同時需提及的是在設計支護結構方面首先需做好方案的優化工作，其具體指為根據深基坑設計要求與施工目標等進行方案的確定。目的在于深基坑工程中關于支護結構方面在選擇過程中存有許多制約因素，無法利用普通施工中根據費用最低的要求進行決策，因此引入多目標決策模糊方式進行方案的優選。在完成方案確定后，具體施工前還需保證地下水位至少保持在基坑底1.0m以下，同時設置相應的支撐靠梯，避免存在踩踏支撐進行作業的情況[1]。

二、優化支護細部結構中存在的主要問題

盡管現階段我國在深基坑支護技術方面已逐漸趨于完善，且從許多相關理論內容與實踐中都可尋找相關的優化方法與模型。但從整體深基坑工程方面因支護結構的不合理設計仍會出現較多的安全事故問題，其原因在于支護技術方面存在一定的不足，具體表現在以下幾方面。

（一）優化細部結構設計方面存在的弊端

優化細部結構過程中若以數學語言進行描述主要需考慮到如何選取變量、構建目標函數并確定相關的約束條件等內容。但如前文所述深基坑支護結構本身受較多不確定因素影響，設計中存有許多離散變量，一定程度上使優化過程中易出現組合爆炸問題。為簡化優化細部結構設計過程，通常需利用基本李學內容對其分析，這就要求充分考慮支護結構的安全性、土壓力等內容，將造價最后為設計的主要目標進行函數的優化，以此得出相應的設計模型。由此可看出，該過程在實際操作過程中需考慮許多學科內容且涉及極為繁瑣的計算過程，是細部結構設計優化的難點所在。

（二）深基坑支護方案存在的問題

深基坑支護的合理設計要求提供符合施工要求的具體方案。以往許多設計人員與學者在此方面提出極多理論性極強的設計模型與方法，要求施工決策人員與操作者需掌握更多學科內容，不具備較強的實用性，導致具體設計過程中仍以工程人員依靠個人經驗進行具體判斷。同時在支護方案構建方面，雖然關于細部結構如何進行優化設計已提出許多策略，但如何構建深基坑支護方案集仍不完善，其要求實際施工時對施工相關條件如水文地質條件、經濟因素以及環境因素考慮其中。因此，深基坑支護方案的缺失或不完善成為制約細部結構優化的主要問題[2]。

三、完善支護細部結構優化的具體路徑

（一）對優化細部結構的內容與設計原則進行明確

在優化內容方面，完成支護方案確定后主要優化設計相關的支護參數，如施工方案中體現的錨支護，在細部優化中便需對錨桿的具體設計位置、樁距數等內容進行體現并優化。而在設計原則方面，要求滿足相關施工規范標準的基礎上，注重對支護結構的相關設計要求如強度、滑動位移以及沉陷等考慮其中。同時需對支護高度與基坑平面位置進行確定，分析如何利用當前技術優化相關的支護參數等。

（二）優化細部結構設計的路徑

優化過程中主要從四方面進行，即：首先，進行設計變量的選擇。要求將趁機坑支護結構的相關參數如結構形狀、尺寸等內進行分析，將變量數量作為優化細部結構設計的準數。其次，進行目標函數的確定。目標函數的確定要求立足于優化設計的主要目標對工程完成準確定位，如其中是否滿足經濟型目標或結構位移偏量的控制等方面，需通過目標函數進行體現。再次，做好約束條件的明確工作。具體將設計變量在去職過程中限定在一定區間范圍內，保證設計時符合約束條件要求。最后，設計模型的構建。在完成選取設計變量、確定目標函數與約束條件的基礎上便需進行細部結構優化相關模型的構建，使其在符合約束條件要求時保證目標函數中的相關數值為最優，可采用最大值或最小值對最優值進行描述，以該設計模型為指導完成具體設計過程[3]。

（三）具體工程實例分析

以我國某地區工程為實例，其場地地面標高大約在46.65m左右，且地下室埋深為24.8m。根據實際勘測調查，場地在地震設防烈度方面控制在8度，被劃入第一組地震分組，綜合分析該場地為能夠建設的一般性場地。而在水文地質方面，通過勘察結果得出地下水在30.0m之內可細化為三層，其中一層在埋深方面為4.80m左右，屬上層滯水。第二層在埋深方面約為19.10m左右，屬潛水，多以大氣降水為補給方式。第三層埋深則在23.41m左右，主要以卵石層為主，分析其可能向承壓水方面進行轉變。完成勘察與分析過程后便進行深基坑支護方案的確定，首先在護坡樁方面將預攪拌混凝土應用其中并利用旋挖鉆機完成成孔過程。其次在預應力錨桿方面，要求結合國內與進口錨桿鉆機完成成孔過程，并對成孔直徑進行控制。最后利用樁間土支護的方式，將鋼板網片在表面進行鋪設，在其中植入短錨筋，并完成混凝土的噴射過程。但注意該過程實施前需做好噴射厚度與鋼筋直徑的計算等。完成支護方案設計后，便需優化細部結構的設計，針對該工程實際情況，在支護方案中主要考慮護坡樁問題，將5道預應力錨干設置其中，在支護高度方面設計為24.80m，并對樁頂設計的標高、護坡樁樁徑以及混凝土強度等方面嚴格控制。通過優化設計后，發現在支撐道數不變的情況下可優化支撐位置，且通過樁間距的控制無需利用過多配筋量，很大程度上減少施工成本，具有明顯的優化效果[4]。

結論：支護結構的優化是保證深基坑整體結構設計合理的重要途徑。實際優化設計過程中應正視深基坑支護結構優化的內涵，立足于當前優化設計過程中存在的不足，在此基礎上通過方案的確定、變量的選擇、目前函數的確定以及相關模型的構建完成優化設計的具體計算，通過文中的實例也充分說明在保證設計方案等合理的情況下，只需探求其中既可滿足經濟效益提高又符合結構安全標準的平衡點，便可實現支護細部結構優化的目標。

參考文獻：

[1]丁敏. 深基坑支護細部結構優化及應用分析[D].重慶大學，2012.

篇（7）

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）36-0233-01

一、結構設計優化概述

結構的設計優化方法主要包括兩個方面，一個是從整體出發，對結構模型進行合理調整，通過控制位移、剛度等參數保證結構的整體穩定性。另一個是從分部出發，對建筑物的基礎結構、上部結構和圍護結構等方面進行優化設計。對這些分部進行優化設計時，需要對建筑結構進行選型與布置，并進行工程造價分析和受力分析等。在具體的結構設計優化中，要以建筑工程的實際情況為基礎，以實現建筑的經濟效益和綜合效益為目標進行設計優化。另外，在進行結構設計前，要對建筑的功能準確掌握，在此基礎上盡可能地使各個平面布置的均勻、規則，使不同部位的質量和剛度差異得到縮小，避免建筑物在水平荷載作用下發生巨大扭轉。豎向上要盡可能避免轉換層的使用，避免應力集中問題的發生。

二、結構設計優化方法

1、結構優化設計模型

結構優化設計模型就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟如下：一是設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。二、目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

2、結構優化計算方案

結構優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。

3、推廣設計標準規范和標準設計

工程設計標準規范的形成，來源于大量成熟的、行之有效的實踐經驗和科技成果，是科技轉化為生產力的必要途徑。優秀的工程設計標準和規范，不僅優化了設計，減少設計的盲目性，還將大大提高設計速度，有效降低項目的全壽命費用。在標準規范中可以對一些重要的部位采取設計經濟指標限額制度，對一些設計部位使用“宜”或“不宜”等引導性語言提示設計人員對方案進行優化，鼓勵他們在設計中大膽使用新工藝和新材料。整體結構的科學性和合理性是新規范特別強調內容。新規范用于控制結構整體性的主要指標主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。新的建筑結構設計規范在結構可靠度、設計計算、配筋構造方面均有重大更新和補充，特別是對抗震及結構的整體性，規則性作出了更高的要求。

三、建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用分析

1、對建筑主體上部結構進行的科學性優化

房屋建筑的上部結構設計應當建立相應的模型并進行系統的優化。整個過程第一步就是先合理地設置剪力墻，保證剪力墻整體的布置是均勻的，這樣使樓層平面剛度的中心點重合于樓層平面質量的重心，從而減少地震作用及風荷載等對其的破壞性。在房屋結構設計時，如果條件允許，應盡可能地對剪力墻進行大開間的布置，加長剪力墻的墻肢長度，這樣既能減少墻肢的數量，還能在符合規范的條件下減少混凝土的使用量。另外，剪力墻內的暗柱一般都設置了鋼筋，如果采用較大的剪力墻就可以減少相對的鋼筋使用數量，從而相應減少的材料成本。然而如果建筑的本身不具有相應的條件，而且對于抗震抗壓的要求較高，就不得開間過大的剪力墻。

2、房屋建筑的整體性與局部性優化

建筑在設計過程中都應具備相應的層次性和復雜性的特點。從層次性角度來講，建筑體系包含著建筑整體設計體系、結構相關體系及安裝體系等，每一個單獨的體系又包含了眾多的下屬體系。在對房屋進行設計時，設計者要對每一個下屬系統地進行相應的優化，沖破關聯的橫向性，實現疊加型工程；對于復雜性角度來講，主要包含選取建筑的材料、選取建筑的零部件等。因此在進行結構優化時要從整體入手，才能真正實現結構整體的設計優化。

3、材料優化設計

建筑結構在材料方面的優化就是使建筑材料最充分的利用，對材料的選擇很關鍵，選擇合適的材料既能夠滿足使用的功能，又能提高房屋建筑質量，當然還能最大化地降低成本，節省更多資源。所以要求在材料采購選擇時一定要對所需的材料性質、各項質量指標熟悉了解，購買時本著經濟實用的原則。材料也要方便施工，保證施工安全易操作。鋼筋是建筑時最重要的材料之一，在選擇時大部分的設計人員都會強化著眼于鋼筋的配置計算上，很容易忽視鋼筋的種類。現在市場中鋼筋的種類很多，所以好的優化設計方案應該是在滿足設計承載力要求的前提下，選擇適合的鋼筋種類和數量，這樣就能很大程度上降低資金投入。

4、結構優化與建筑優化保持協調

對于結構設計既要保證結構的整體性，又要與建筑平面功能緊密配合，這樣才能實現建筑本身的功能與結構相應合理性的效果。對于建筑系統來講要保證平面簡潔，墻體與立柱不能有錯位的現象，高度與截面的面積相通。在樓體設計時，自身受力較多的轉角區域，要選擇高強建材做為承重的材料，從而更好地降低自重。對于結構整體來講要保證重心、剛心、質心三者正確交疊，防止扭轉的狀況出現。

5、直覺優化技術與建筑結構設計

即使對于同一個建筑方案，結構布置方面也可能存在諸多的差異。建筑結構的布置如已經確定，即使荷載情況是完全相同，也可以將差異化的分析方法給應用進來。在分析過程中，也可以采取差異化的設計參數、材料和荷載的取值，對于建筑結構的細部處理，更是存在著諸多的差異。現在建筑結構的計算大多都是靠計算機來完成的，但很多問題都是計算機無法完全解決的，那么就需要靠設計人員進行科學的判斷。在判斷的過程中，需要嚴格依據結構設計的一般規律，總結過去的工程實踐經驗，這也就是我們所說的概念設計。

篇（8）

0 概述

科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，壽命期縮短，復雜性增加，更新換代速度變快。此外，由于國際化市場的激烈競爭，用戶對產品功能、質量、價格、供貨期、售后服務等要求越來越高，以信息科學與微電子技術為代表的現代科學技術對制造業的滲透、改造和更新，使傳統的制造技術演變成為一門涵蓋從產品設計、制造、管理、銷售到回收再生的全過程的跨多個學科且高度復雜化、集成化的先進制造技術[1]。現代設計是現代制造的基礎，伴隨著先進制造技術的發展，以計算機和信息技術為主體的產品現代設計方法得到了普遍應用。

1 優化設計

優化設計是從多種方案中選擇最佳方案的設計方法。在眾多的優化設計中，結構優化是其他優化設計的前提和基礎，只有在結構優化的基礎上，才能進一步進行性能的優化，結構優化是在給定約束條件下，按某種目標求出最好的設計方案，通常以計算機為手段，根據設計所追求的性能目標，建立目標函數，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優的設計方案。

2 醫用升降椅優化設計

2.1 升降椅及其結構組成

升降椅是一種新型的椅子，市面上的升降椅使用的升降裝置分為3類――油壓、機械式和氣壓。在低端的升降椅中以氣壓的居多。氣壓式升降椅里有個氣缸，氣缸內的活塞氣動桿上下運動支配椅子升降。

近年來，由于氣壓升降椅的事故頻頻發生，液壓式升降椅的市場占有率在程上升趨勢，液壓升降椅由于升降過程動作平穩等一系列有點，被廣泛應用于美容店、醫療機構等。如圖1所示，本文設計的醫用液壓升降椅主要由座板、靠背、扶手、支架、支架搖臂、升降定位裝置（馬達和活塞桿）和椅腳構成。其特征在于：支架和椅腳之間由支架搖臂進行對應鉸接，支架搖臂以鉸接在椅腳上鉸接軸為圓心上下轉動，當搖動支架搖臂時帶動支架進行升降，實現座板的升降；另外，在支架與椅腳之間還設置了升降定位裝置。

2.2 升降椅的優化設計

使用優化設計軟件SolidWorks/simulation進行優化，優化參數為搖臂長度、搖臂高度和活塞桿伸縮長度，邊界約束條件為最大升降位移和最小升降位移，優化目的是馬達力最小化。

分析優化結果可以看出，迭代3得到的結果最優，即在搖臂長度為0.4m，搖臂寬度為0.3m，活塞桿伸長量為0.6m時，滿足最小、最大升降位移的約束條件下，馬達力達到最小值1393.25N。

3 結論

馬達力隨搖臂長度增加呈正比關系增長，隨搖臂寬度增加呈減小趨勢，在搖臂寬度為0.15-0.27的范圍內降低較快，基本上呈線性趨勢，之后基本趨于穩定（最小值），所以在設計時可以固定搖臂寬度，變量減少一個，可以大大簡化優化設計過程，尤其在分析變量與變量相關性的優化過程中，這樣做尤為重要。另外，馬達力隨活塞桿伸長量的增大而減小，基本上呈線性趨勢。本文的優化設計過程為醫用升降椅設計提供了重要的理論依據。

【參考文獻】

[1]周小東，成思源.基于參數化逆向建模的仿真優化設計[J].組合機床與自動化加工技術，2015，11（12）：13-18.

[2]衛巍，呂志軍，黃東欣.基于遺傳算法的堆垛機結構多目標優化設計[J].華東大學學報，2012，10（12）：513-516.

[3]秦松，侯斌魁.面向模具并行設計的任務分派過程研究[J].機械設計與制造，2015，6（12）：245-247.

[4]馬巧云，洪流.多Agent系統中任務分配問題的分析建模[J].華中科技大學學報：自然科學版，2007，35（12）：54-57.

[5]彭觀明，胡靜，曹延華.基于Cult3D 技術的機電產品虛擬設計[J].煤炭技術，2013，10（12）：22-24.

[6]劉電霆.綠色設計中產品模塊劃分的不確定優化及GA求解[J].桂林理工大學學報，2013，11（12）：743-746.

[7]李斌，趙新樂.煤礦機械的綠色設計與制造技術研究[J].煤炭技術，2013，11（12）：45-46.

[8]謝里陽.機械可靠性理論、方法及模型中若干問題評述[J].機械工程學報，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

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

1房屋結構設計中的建筑結構設計優化方法的理論概述

1.1房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的理念及意義

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

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

1.2建筑結構設計優化方法的實踐價值

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

2結構設計優化方法在建筑結構設計中的步驟

(1)整體優化模型

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

(2)設定優化設計計算方案

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

(3)進行程序設計

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

(4)結果分析

在得出計算結果后，對結果進行分析，最終確定理想的優化設計方案。

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

3結構設計優化方法在房屋建筑結構設計中的應用

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

3.1結構優化設計方法應注重前期參與

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

3.2概念設計優化方法在建筑結構設計中的作用

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

3.3概念設計處理的實際建筑工程結構設計問題

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

4結束語

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

參考文獻：

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

篇（10）

中圖分類號：K928.78 文獻標識碼：A

一、概述

大跨度橋梁往往處于公路交通運輸樞紐的咽喉位置，為道路生命線工程的重要組成部分。隨著我國經濟的快速發展，大跨度橋梁建設在進入20世紀末進入了一個新的，大跨度橋梁形式結構多樣，主要有斜拉橋、懸索橋、拱橋、懸臂橫架橋以及一些其他的新型的橋式，比如全索橋、斜拉懸梁混合體系橋梁、索桁橋等等，但是就目前技術熟練程度和結構安全性能而言，尋索橋和斜拉橋是大跨度橋梁的發展主流。目前的橋梁技術雖然已經能夠很好的解決大跨度橋梁現存的問題，但是隨著橋梁跨度的不斷增加，向著更長、更大、更柔方向發展，為了保證其建設的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易型以及美觀性，橋梁設計以及施工人員還有更多的工作要做。而大跨度橋梁結構優化設計的過程，也是為了更好的處理和解決橋梁結構的安全性、適用性以及經濟合理性、美觀性的過程。下面就對其設計要點進行一一闡述。

二、大跨度橋梁結構優化設計

1、局部優化

大跨度橋梁的局部優化雖然不能等同于整體，但是卻優于整體，可以更好的促進橋梁結構的發展。因為對局部的優化設計變量相對較少而使研究的難度大大減小，研究的深度因而能更透徹。目前針對大跨度橋梁的局部結構進行優化設計研究已涉及到大跨度橋梁結構設計及施工的各個方面，主要有：加勁梁橫截面的優化，斜拉索或主纜的動力優化，索力調整優化，索塔的結構優化，斜拉索和吊索錨固的優化，懸索橋錨錠的優化，橋墩及基礎優化。

1.1加勁梁橫截面的優化

大跨度橋梁的加勁梁主要是由鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。就目前建成的大跨度橋梁中，主跨梁的主要形式多數以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結合梁以及混凝土梁較少且相對較小。

1.2斜拉索或主纜的動力優化

由于斜拉橋和懸索橋是當前大跨度橋梁建設的主要橋式，兩者具有共同的特點，即都是由纜索支承，且橋面柔軟，屬于柔性結構，其阻尼值較低。在外部激勵下，拉索極易出現大幅度的振動，如風雨交加時的出現的主梁和拉索之間的耦合振動引起的參數共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振動極易引起拉索錨固端的疲勞、降低了拉索的使用壽命，嚴重時甚至會直接影響橋梁結構的安全系數。由此可見，大跨度橋梁的動力問題極其重要。

1.3索塔結構優化

索塔的結構優化主要是塔高和受力合理性的優化。塔的高度越高給施工帶來的難度也就越大，塔太矮也會直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。因此，單獨的對塔高進行優化是不明智的，應該與大跨度橋梁的其他部分整合起來綜合考慮。塔的受力合理性與他的結構形式、纜索形式、纜索的錨固形式以及錨固點的分布狀況有著直接或間接的關系，因此索塔受力的合理性優化也是大跨度橋梁結構設計中不可缺少的一部分。

1.4橋墩及基礎的優化

橋墩以及基礎是橋梁重要支撐結構，也是橋梁下部結構中的重要組成部分，對橋梁的穩固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎不論在數量、位置、還是結構形式上，都對橋梁的穩固、耐久有直接的影響，但對橋梁上部結構的影響較小。因此，在對橋墩和基礎進行設計時，應針對具體的橋梁進行考慮。

2、整體優化

大跨度橋梁都為高次超靜定結構，結構復雜，設計變量多，建設和設計又涉及到多方面的因素。因此，要對其進行全面整體的優化或全過程的優化依然存在困難。這種困難不僅在于其目標函數的建立，也在于對已建立的目標函數尋求最優解的計算速度和可能性。為此，對大跨度橋梁結構的優化研究多以局部優化為主。但是綜合評價一座橋梁的優劣不是僅僅憑借局部的進行評判，而是要看整體的效果和運營，因此對橋梁的整體結構進行優化設計存在著一定的難度。目前對大跨度橋梁的整體優化主要有以下幾個方面：整體造價最優，整體動力性能優化，整體施工工藝優化，橋梁結構優化設計與景觀優化設計相協調。

3、橋梁上部結構優化

上部構造形式的選擇，應結合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術難度和經濟性。簡支空心板結構的橋型，施工方便，施工技術成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協調，美觀性差；上部構造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。預制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價省、施工方便的特點，其造價低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產生的不平衡力大。但當曲線橋的彎曲程度較小時，曲線T梁橋采用直梁設計，以翼緣板寬度調整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補曲線T梁橋受力和施工上的不足。雖然直線設的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。此外，可以采取加強橫向聯系的措施，提高結構的整體性。對于大跨徑橋梁，最好采用懸臂澆筑箱梁。但是對于中等跨徑的橋梁，箱梁橋不論采取何種施工方式，費用都較高，與預制拼裝多梁式T梁相比，處于弱勢。

4、橋梁下部結構優化

下部結構應能滿足上部結構對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結構相互協調、布均勻。橋墩視上部構造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結構穩定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對于連續剛構橋，要注意把握上下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度，可減小剛結點處的負彎矩，同時減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產生的內力。但是橋墩也不可以太柔，否則會使結構產生過大變形，影響正常使用，并不利于結構的整體穩定性。對于高墩，除了要進行承載能力與正常使用極限狀態驗算外，還要著重進行穩定分析。對于連續梁結構或連續剛構橋，各墩的穩定性受相鄰橋墩的制約影響，應取全橋或至少一梁作為分析對象。穩定分析的中心問題就是確定構件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載，下面以連續梁為例進行說明。介于梁、墩之間的板式橡膠支座，梁體上的水平力H(車輛制動力和溫度影響力等)是通過支座與梁、墩接觸面上摩阻力而傳遞給橋墩的，它不但使墩頂產生水平位移，而且板式橡膠支座也要產生剪切變形。當梁體完成水平力的傳遞以后，梁體暫時處于一種固定狀態，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會繼續產生附加變形，這就使得板式支座由原來傳遞水平力的功能轉變為抵抗墩頂繼續變形的功能，支座原來的剪切變形先恢復到零，逐漸達到反向的狀態。

結束語

隨著我國交通事業的快速發展，大跨度橋梁的發展也十分迅速。如何在滿足結構使用要求的前提下對橋梁結構進行合理的優化設計已經成為目前大跨度橋梁設計的重要內容。

參考文獻

[1]李芳,凌道盛.工程結構優化設計發展綜述[J].工程設計學報(機械?設備和儀器的開發技術).2002(05)

[2]禹智濤,韓大建.基于可靠度的橋梁結構優化設計[J].廣東工業大學學報.2002(03)

篇（11）

在科學的結構分析方法誕生以前，結構設計是以模型試驗和經驗估算為主的原始方法進行的，結構設計的主要目的也是簡單的滿足安全使用，由于沒有正確的方法指導，常常造成不必要的材料浪費。隨著力學和材料科學的發展，結構工程師們逐漸掌握了結構分析理論和方法并將之用于工程實踐中，但在初期，由于理論的不完善和計算手段的局限，結構設計仍是以傾向結構安全為主而較少兼顧方案的經濟性。到了近代，特別是有限元分析的出現和計算機在工程中的日益廣泛運用，結構設計中尋求同時兼顧可靠性與經濟性的方案已成為可能，結構優化設計作為理論由此孕育而生。所謂結構優化設計就是在滿足各種規范或某些特定要求的條件下使結構的某些廣義性能指標（如重量、造價、剛度或頻率）為最佳，也就是在所有可用的方案中，按某種標準找出最優方案。在這種情況下，力學在工程設計所起的作用便由過去的“分析和校核"發展為“綜合和優化”。

迄今為止，公路隧道的一般設迄今為止，公路隧道的一般設計流程是：首先根據一定的技術標準初步設計出滿足建筑限界、通風條件、受力要求的襯砌內輪廓線，再根據經驗（工程類比）擬定出襯砌各截面厚度，最后檢算襯砌截面強度；如檢算不通過，則需要修改設計重新檢算，如此進行有限次選擇后，便得出滿足前述要求的襯砌結構。這樣設計出來的隧道結構沒有充分兼顧到支護結構斷面在經濟上的合理性，且安全系數一般均有些偏大，不能達到所謂的“最優設計"的目的。如何能設計出一個既滿足一定要求（建筑限界、通風條件、受力要求），又經濟合理的公路隧道襯砌結構，是許多設計者都在思考的一個問題。

二、拓撲優化基本理論

集計算力學、數學規劃、計算機科學以及其他工程學科于一體的結構優化設計是現代結構設計領域的重要研究方向。根據設計變量的類型差異，結構優化的研究可分為三個層次：結構尺寸優化、結構形狀優化和結構拓撲優化（布局優化）。在給定設計空間j支撐條件、載荷條件和某些工藝條件等要求下，確定結構構件的相互連接方式，結構內有無空洞，孔洞的數量、位置等拓撲形式，使載荷能將外荷載傳遞到支座，同時使結構的某種性能指標達到最優，這個過程稱為結構拓撲優化。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//總第547期2014年第15期-----轉載須注名來源根據優化對象的不同，結構拓撲優化可以分為兩大類：一類是以桁架結構為代表的離散結構拓撲優化，主要是確定節點間單元的相互連接方式，同時包括節點的刪除與增加；另一類是連續體結構的拓撲優化，主要是確定其內部材料的合理分布等。

拓撲優化的目標是尋求物體對材料的最佳利用，此目標判劇（如整體剛度、自振頻率等）要求在給定的約束（如體積減小）條件下取得最大或最小值。拓撲優化的標準方法是在給定結構體積（V）的約束條件下，定義問題為結構柔度最小，結構柔度最小等價于整體結構剛度最大。目前常用的連續體拓撲優化方法主要包括變厚度法、均勻化方法和變密度方法。由于本文程序采用的是以偽密度Pi為設計變量的變密度法進行拓撲優化，故本節主要簡述變密度方法的理論和數值實現過程。變密度法是連續體拓樸優化的常用方法，屬于在基結構基礎上的材料描述方法，其基本思想是引入一種假想的密度可變材料，給基結構中每個有限元單元賦予內部偽密度，當單元密度pi=O時，表示該單元無材料，單元刪除；當單元密度Pi=1時，表示該單元有材料，保留或增加該單元，優化時以材料密度P i為拓撲設計變量，使結構拓撲優化問題轉化為材料的最優分布問題。選擇變形能作為目標函數，以結構柔順度最小，即整體剛度最大為設計目標，通過施加體積約束來限制材料的使用。

三、計算模型

對于軟巖公路隧道，由于圍巖強度相對較低，開挖擾動后變形較大，加之公

路隧道大跨徑、大斷面和扁坦狀等特點，在設計施工中仍較多采用強支護方法。拓撲優化考慮體積約束和結構平衡方程，以結構的柔順度最小，即剛度最大為目

標，其得到的最優拓撲抵抗變形的能力最強。故拓撲優化和工程設計人員兩者的

目標一致，利用拓撲優化方法可阱得到襯砌結構的合理型式。

與傳統的優化設計不同的是，拓撲優化不需要給出參數和優化變量的定義。目標函數、狀態變量和設計變量都是預定義好的。只需要給出結構的參數（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。本文優化旨在通過改變村砌結構的斷面型式，尋求材料的最佳利用，但是，這種改變若造成施工開挖工作量的顯著增大和隧道內空間有效利用率的顯著降低，將從另一角度造成了浪費。所以在建模時，將襯砌結構在滿足斷面要求的前提下厚度僅增大一倍，拓撲優化時省去50%的材料，這樣既可以達到優化設計目的，也不會造成施工時開挖工作量的明

顯增大。