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建筑結構優化，即在一些建筑結構的設計方案中選取最優的或最適宜的設計方案，它參照數學中的模型最優化原理應用到建筑工程結構設計方案的優化比選中。研究發現，建筑結構在使用過程中是否穩定、耐久、合理等，主要決定于在建筑結構設計時選定的結構類型是否最優、是否最符合工程結構的需要。對于同一座建筑工程項目，不同的結構設計師知識儲備不同，因此可能會設計出不同的結構類型、結構體系，但經過結構方案的優化、從而選取最優化的結構類型，提高建筑結構的使用壽命、穩定性能。

1建筑結構優化的主要因素

1.1荷載設計

研究發現，任何一座建筑結構都需要受到水平力和豎向荷載的作用，同時建筑還要承受較大的風荷載、地震力的作用等。當建筑結構的整體高度比較低時，由結構本身的重力引起的豎向荷載對結構的作用比較明顯，而水平荷載作用在結構上，產生的內力和位移比較小，往往在計算時不考慮水平荷載的作用；若在較高層建筑設計中，雖然所受到的豎向荷載仍對結構產生較大程度的影響，但水平荷載對建筑結構本身的影響比豎向荷載產生的影響更加強烈。研究表明，隨著建筑結構整體高度的逐漸增加，水平荷載對建筑結構產生的影響越將會越來越大，因此，在建筑結構高度較高時，結構所承受的水平荷載對結構的影響則不可忽視。

1.2選取結構類型較輕的

在建筑結構優化過程中，要盡量選取結構體較輕的。在現代結構優化設計中，設計人員越來越重視選用輕質高強材料，從而做大程度上減輕整體結構的自重。由于在多層建筑結構中，水平荷載對結構產生的影響處于較次要地位，結構所承受的主要荷載是豎向荷載。由于多層建筑樓層較少，整體高度相對比較低，結構自重相對來說較輕，對材料的強度要求不是特高。

但隨著建筑結構高度的增加，在較多的樓層作用下，結構產生的自重荷載則會比較大，使得建筑結構對基礎產生較大的豎向荷載，同時在水平荷載的作用下，結構的豎向構件（柱）中會產生較大的水平剪力和附加軸力。為了使得結構滿足剛度和強度的要求，通常采取加大結構構件的截面尺寸，但是加大構件的截面尺寸會使得結構的整體自重增加。因此在高層建筑結構首先應該考慮如何減輕結構的自重。

研究表明，當在高層或超高層建筑結構優化設計時，選用結構強度高、自重較輕的鋼結構、高強混凝土結構可以很大程度上減小建筑結構的自重。

1.3 側向位移

據相關資料表明，建筑結構的側向位移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，因此，在建筑結構的優化設計中，對層數較少、高度較低的結構，可以不考慮其側向位移對結構的影響。但隨建筑結構高度的增加，整體結構的側移對結構產生的影響則不可忽視。

研究表明，由于水平荷載對結構作用產生的側移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，且側移量與結構高度成一定的關系。

在進行高層建筑結構優化設計時，既需要充分考慮建筑結構整體是否具有足夠的承載能力，能否承受風荷載的沖擊作用，又要求結構具有足夠的抗側移性能，當建筑結構受到較大的水平力作用下，其可以很好地控制產生過大的側移量，確保結構整體的穩定性能。

與低層或多層建筑相比，高層建筑結構的剛度稍微差一些，在發生地震災害時，結構的側向變形更大。為了確保高層建筑結構在進入塑性階段后，結構整體仍具有較強的抗側移性能，保持結構的穩定性，則需要在高層建筑結構的構造上采取合適的措施，確保結構具有足夠的延性，從而滿足結構的剛度要求。

2建筑優化方法綜述

2.1基本假設

（1）彈性體假設

目前，對建筑結構進行工程分析時，均采用彈性的分析方法。當結構受到風荷載或豎向荷載時，假設結構處于彈性工作狀態，符合建筑結構的實際受力狀態。但是當受到地震災害或臺風襲擊時，結構產生較大的側向位移，更甚出現裂縫，使得結構進入到塑性階段，此時不可以再用彈性變形計算，應采用彈塑性理論進行分析。

（2）小變形假設

小變形假設普遍應用于結構變形分析中。但當結構頂點的水平位移與結構的高度比值大于0.002時，就不可以忽略P―Δ效應對結構的影響了。

（3）剛性樓板假設

在高層建筑結構分析時，假設樓板的自身平面內剛度無限大，而自身平面外的剛度則忽略不進行計算。采用這一假設，在很大程度上減少了高層建筑結構位移的自由度，減小了計算的難度，并為筒體結構采用空間薄壁桿的計算理論提供了保障。研究發現，剛性樓板假設一般適用于框架結構體系和剪力墻結構體系中。

2.2結構優化方法

（1）并行算法

由于高層建筑結構的主要因素是結構的抵抗水平力的性能。因此，抗側移性能的強弱成為高層建筑結構設計的關鍵因素，且是衡量建筑結構安全性、穩定性能的標準。

由于在建筑結構中，單位建筑結構面積的結構材料中，用于承擔重力荷載的結構材料用量與房屋的層數近似成正比例線性關系。此外，用于建筑結構樓頂的結構材料用量幾乎是定值，不隨結構的層數變化；但是用于墻、柱等結構構件的材料用量隨樓房的層數成線性正比例增加；而對于抵抗側向移動的結構材料用量，與樓房結構層數的二次方的關系增長。圖3-1表示在風荷載作用下的5跨鋼框架結構，不同的結構層數結構材料各個構件用量。

研究表明，樓房結構所采用的結構體系是否具有較好的抗側力性能，在很大程度上影響結構材料的用量，綜合考慮各方面的條件，通過精心設計確定結構的最優化設計方案，使結構體系的材料用量降低到最小程度。從上圖中的虛線以上陰影部分就是結構優化設計節約的鋼材用量，因此高層建筑結構方案的優化設計可以在很大程度上節約工程的總造價。

（2可靠度優化法

在建筑結構的優化設計時，必須進行結構的整體可靠度優化。在地質災害發生不活躍的地區，風荷載是主要的水平荷載。因此，在非地震災害區高層建筑結構的方案選型時，應優先選用抗風性能比較好的結構體系，也就是選用風壓體型系數較小的建筑結構體系。比如結構外形呈曲線流線型變化的建筑結構圓形、橢圓形等，或是結構從下往上逐漸減小的截錐形體系的風壓體形系數較小，有利于很好地抗風。此外，在對結構進行平面布置時，適合選取結構平面形狀和結構剛度分布均勻對稱的結構體系類型，這樣可以在很大程度上減小風荷載作用下的扭轉效應引起的結構變形和內力的影響。同時，還要限制高層建筑結構的高寬比，避免結構發生傾覆和失穩現象。

（3）高層體系優化法

由于建筑使用性能的不同，所以其對內部空間的要求不同。同時，高層建筑結構使用功能不同，則其平面布置也發生改變。通常，住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案；辦公樓則適合采用大小空間均有；商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置；宴會廳、舞廳則要求結構內部沒有柱子的大空間。由于不同的結構體系可以提供的內部空間的大小不同，因此，在建筑結構設計階段，應該首先根據建筑結構的使用功能，選用合適的結構類型。

3結束語

綜上所述，在確定高層建筑結構方案時，要全面考慮結構的使用功能、場地類別、設防烈度、建筑高度、地基基礎類型、結構材料和施工工藝，同時還要考慮結構的設計、技術以及經濟保障等，選擇最優化的結構體系。

參考文獻

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進行船舶結構優化設計的目的就是尋求合適的結構形式和最佳的構件尺寸，既保證船體結構的強度、穩定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學性能、經濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術的發展，在計算機分析與模擬基礎上建立的船舶結構的優化設計，借鑒了相關的工程學科的基本規律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優化設計方法也取得了較大的進步；建立在人工智能原理與專家系統技術基礎上的智能型結構設計方法也取得了突破性進展。

1經典優化設計的數學規劃方法

結構優化設計數學規劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認為在進行結構設計時應當把給定條件的結構尺寸的優化設計問題轉變成目標函數求極值的數學問題。這一方法很快得到了其他專家的認可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數學規劃法應用于船舶的結構設計，翻開了船舶結構設計的新篇章。我國的船舶結構的設計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結構的優化設計方法。

由于船舶結構是非常復雜的板梁組合結構，在受力和使用的要求上也很高，所以在進行船舶結構的優化設計時，會涉及到許多設計變量與約束條件，工作內容很多，十分困難。船舶結構的分級優化設計法就是在這個基礎上產生的，其基本思路是最優配置第一級的整個材料，優選第二級的具體結構的尺寸。每一級又可以根據具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協調變量迭代，將整個優化問題回歸到原問題。分級優化方法成功地解決了進行船舶優化設計中的剖面結構、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標的模糊優化設計法

經典優化設計的數學規劃方法是在確定性條件下進行的， 也就是說目標函數與約束條件是人為的或者按某種規定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結構的優化設計過程、約束條件、評價指標等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現模糊因素優化問題， 就必須依賴于模糊數學來實現多目標的優化設計。模糊優化設計問題的主要形式是：

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

模糊優化設計方法大大的增加了設計者在選擇優化方案時的可能性， 讓設計者對設計方案的形態有了更深入的了解。目前，模糊優化設計法發展很快， 但是，還未實現完全實用化。多目標的模糊優化設計法的難點主要在于如何針對具體設計對象， 正確描述目標函數的滿意度與約束函數滿足度隸屬函數的問題。

3 基于可靠性的優化設計方法

概率論與數理統計方法首先在40 年代后期由原蘇聯引入到結構設計中， 產生了安全度理論。這種理論以材料勻質系數、超載系數、工作條件系數來分析考慮材料、載荷及環境等隨機性因素。早在50年代，人們就在船舶結構的優化設計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設計方法在船舶結構建造中的應用。

船舶結構可靠性的理論和方法根據設計目標的不同要求， 可以得出不同的結構可靠性的優化設計準則。大體分為以下3種：

1）根據結構的可靠性R·，要求結構的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現某種組合的滿意度達到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分別代表結構重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應的滿意度。

關于船舶結構的可靠性優化設計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結構優化設計中的重要方向。但是，可靠性的優化設計方法除了在大規模的隨機性非線性規劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結構可靠性的過程很復雜， 而且計算量大。

4 智能型的優化設計方法

隨著人工智能技術（Al）和計算機信息技術的發展， 給船舶結構的優化設計提供了一個新的途徑，也就是智能型優化設計法。

智能型的優化設計法的基本做法為：搜索優秀的相關產品資料，通過整理，概括成典型模式，再進行關聯分析、類比分析和敏度分析尋找設計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設計變量敏度等，按某種準則實施的樣本模式進行變換， 進而產生若干符合設計要求的新模式， 經過綜合評估與經典優化方法的調參和優選， 最終取得最優方案。

智能型的優化設計法法的優點是創造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產生的各種性能指標時，應當進行多目標的模糊評估， 必要時還應當使用經典優化方法對某些參數進行調整。

5 結論

通過本文對船舶結構優化設計方法的研究，我們得出在進行船舶結構優化設計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設計人員權衡利弊， 進行綜合考察， 不但要進行結構參數與結構型式的優選，而且還要針對具體情況對做出的方案進行評估、優選和排序。通過什么準則對不同的方案進行綜合評估，得出最優方案， 成為專家和設計人員需要繼續研究的問題。

參考文獻

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一、建筑結構優化設計方法概述

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

二、建筑結構優化設計的意義

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

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

三、建筑結構設計的標準與原則

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

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

四、房屋建筑結構優化的應用措施

1、選擇科學合理的結構形式和設計方案

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

2、設計最優的計算進程

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

3、綜合分析計算結果，積極應用信息優化技術

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

4、在遵循科學的基礎上優化房屋結構設計

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

結語

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

參考文獻：

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摘要：基于電力系統調度結構優化是電力系統分析的一個重要組成結構優化課題.提出基于高斯擾動和免疫系統理論的自適應差分進化算法和免疫系統理論的自適應差分進化算法。

Abstract: Scheduling structure optimization based on power system is one of the important optimization issues of power system analysis. The adaptive differential evolution algorithm based on gauss disturbance and immune system theory and adaptive differential evolution algorithm of immune system theory are given.

關鍵詞：差分進化算法 結構優化算法 電力系統調度

Key words: differential evolution algorithm；structural optimization algorithm；power dispatch system

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）26-0045-01

1基于差分進化算法在動態環境經濟電力系統調度結構優化應用研究

1.1 基于電力系統調度結構優化模型分析基于電力系統經濟調度火力發電機i燃料消耗量可以表示為：

f■■（p■）=a■+b■?鄢p■+c■?鄢p■■+e■?鄢sinf■p■■-p■（1）

其中，ai，bi，ci，ei，fi是火力發電機i的經濟調度參數；p■■是火力發電機i最小的有功輸出功率；p■表示火力發電機i在時刻t有功輸出功率。對于給定的一個電力系統,其經濟調度可以表示為一段時間T內所有處于工作狀態的Ns個火力發電機總燃料消耗量最小化。可表示為：F=min■■f■■（p■）（2）

其中：F為總的燃料消耗量，T表示為基于特定調度問題的時間跨度，Ns從為特定調度問題處于運行狀態的火力發電機的數量，f■■（p■）表示火力發電機i在時刻t的燃料消耗量。

1.2 基于電力系統最小化污染物排放調度方法研究基于電力部門不僅要保證采用盡可能少的燃料消耗量來提供充足和安全的電力保障，確保盡可能減少環境污染。每個火力發電機的污染物排放量可以是一個RBF函數和一個指數函數組如公式（3）所示。

e■■（p■）=a■+?茁■?鄢p■+?酌■?鄢p■■+?濁■?鄢exp（?啄■?鄢p■）（3）

其中，ai，?茁i，?酌i，?濁i，?啄i為火力發電機i污染物質排放量因子，e■■（p■）表示火力發電機i在時刻t的污染物質排放量。基于運算動態電力系統，其環境調度問題可以滿足一系列約束條件的前提下同時運行的Ns火力發電機在時間跨度T內總的污染物排放量達到最小，如公式（4）所示E=min■■e■■（p■）（4）

其中：E為總的污染物排放量，T表示為基于特定調度問題的時間跨度，Ns為基于特定調度問題處于運行狀態的火力發電機的數量，e■■（p■）表示火力發電機，在時刻t的污染物排放量。

2基于電力系統結構預測優化問題方法研究

2.1 基于雙目標結構優化問題轉換單目標結構優化問題分析基于動態環境經濟電力系統的調度問題是一個雙目標結構優化問題，它需要同時進行電力系統的經濟調度和環境調度。基于多目標結構優化算法來運算雙目標結構優化問題，但是那些算法都是基于低維的多目標結構優化問題提出的。基于高維的多目標結構優化問題那些算法不但效率低，而且往往得不到滿意的運算方案。短期水火電力系統的調度不但是高維雙目標結構優化問題，而且有多個約束條件需要運算。

2.2 基于差分進化算法求解電力系統調度結構優化問題研究基于動態電力系統調度結構優化這樣高維結構優化問題，采用啟發式策略對差分進化算法得到的運算方案進行修正，能夠極大的提高群體的多樣性，采樣拓展搜索空間數據，并對問題的求解精度有著較大的互影響，因而能夠得到更優的調度運算方案。基于動態環境經濟調度問題是雙目標結構優化問題，雖然很多學者提出很多雙目標結構優化算法，但是對于高維的雙目標結構優化問題那些算法不但效率低，而且往往得不到滿意的運算方案。

3基于多目標差分進化算法在電力系統調度結構優化中的應用

3.1 基于水火電力系統的經濟調度系統分析基于經濟負載調度是在一般情況下，經典的經濟負載調度就是在滿足各種操作約束的條件下使系統中的火力發電機總的燃料消耗達到最小。一般都是采用軟計算的方法來運算經濟負載調度問題。某一火力發電機i在時刻t的燃料消耗量可以用一元二次方程來表示，如公式（5）所示：

f■（p■）=a■+b■?鄢p■+c■?鄢p■■（5）

其中，asi，bsi，csi為火力發電機i的燃料消耗因子，psit為電力發電i在時刻t的有功輸出功率。

基于火力發電機工作原理出發，為了更高精確的描述火力發電機燃料消耗數據，采用上面的公式進一步的優化模型算法。在計算火力發電機的燃料消耗量的過程中，火力發電機的隱含閥點效應自適應濾波運算。因此運用火力發電機的燃料消耗量的修正公式如公式（1）所示。對于一個給定的水火電調度系統，其經濟調度問題可以滿足一系列約束條件的前提下使同時運行的從Ns個火力發電機在時間跨度T內總的燃料消耗量達到最小及其總的燃料消耗量的計算公式如公式（2）所示。

3.2 基于水火電系統的環境調度應用分析基于電力系統環境調度是將火力發電站作為市場經濟的可持續發展提供源源不斷的電能，但它同樣也帶來嚴重的環境污染問題。基于全國人民都關注和支持環境的保護，因此各省市自治區電力部門在保障提供充足和安全電能的前提下不僅要保證采用盡可能少的燃料消耗量而且還要保證盡可能減少環境污染[2]。在運行水火電力系統調度中，只是要求在整個系統運算的過程中使用最少的燃料來提供盡可能多的電能，并沒有考慮環境污染的問題。而在該水火混合電力系統中，每個火力發電機的污染物排放量可以由一個RBF函數和一個指數函數組成如公式（3）所示。對于一個給定的水火電調度系統，其環境調度問題可以被描述為一系列約束條件的前提下同時運行的Ns個火力發電機在時間跨度T內總的污染物排放量達到最小，其總的污染物排放量如公式（4）所示。

4結束語

基于動態環境經濟調度中復雜結構優化運算，提出基于差分進化算法和該啟發式搜索策略的動態環境經濟調度算法。實驗結果證實，該計算算法能夠處理電力系統調度結構優化中的問題和故障。

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型鋼混凝土結構主要由以下兩個方面組成：①型鋼混凝土柱；②型鋼混凝土梁。型鋼混凝土具有承載力高以及彈塑性好等特點，目前來看，型鋼混凝土在工程應用方面有很大的發展前景。型鋼混凝土結構中的單調加載條件與循環加載條件下的受力性能研究有較大的應用前景，在循環荷載作用下呈現出較好的性能。從型鋼混凝土結構應力發展裂縫情況不難看出，型鋼混凝土結構在水平荷載作用下被分為以下三個階段：①塑性破壞階段；②彈性階段；③彈塑性階段。國內外的相關實驗研究結果表明，型鋼混凝土結構在低周反復荷載作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型鋼混凝土結構的延性以及剛度方面。

1 型鋼混凝土組合結構的基本特點

型鋼混凝土組合結構主要指的是把型鋼埋入到混凝土中的結構形式，在操作過程中主要先通過定位放線最后再進行混凝土澆筑，被分為以下兩種類型：①部分結構構件采用型鋼混凝土結構形式；②全部結構構件采用型鋼混凝土結構形式。上述兩種結構類型都適用于以下四種結構：①框架結構；②底部大空間剪力墻結構；③筒中筒結構；④框架-剪力墻結構。與傳統的型鋼結構相比，具有以下三個方面的優點：①能夠更為節約鋼材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。與鋼筋混凝土結構相比，型鋼混個凝土組合結構具有以下三個方面的優點：①施工周期較短；②抗震性能較好；③承載力較高。型鋼混個凝土組合結構具備以下兩種結構類型的特點：①型鋼結構類型；②鋼筋混凝土結構類型。為了讓人們能夠更加清楚了解型鋼混個凝土組合結構結構，筆者將針對型鋼混個凝土組合結構的混凝土和型鋼的計算和優化方法進行研究。舉例來說，型鋼混個凝土組合結構中的型鋼與混凝土之間相互約束，在一定程度上提高了混凝土的強度和型鋼的強度，有效增加了整體構件的延性、構件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。眾所周知，智利是地震多發國家，智利國家尤其重視型鋼混個凝土組合結構的性能研究和基礎工程應用。例如，1973年建成的圣地亞哥，其所用結構為型鋼混凝土組合結構，在地震中基本沒有受到很大損毀，繼而引起了日本建筑工程行業的重視。

2 型鋼混個凝土組合結構優化設計的基本方法

型鋼混個凝土組合結構在優化設計中基本以變量結構的參數形式出現，在根據相關要求的基礎上，形成型鋼混個凝土組合結構方案。簡而言之，型鋼混個凝土組合結構優化設計主要利用數學手段，并且按照設計者所規定的要求從中選出一個最為理想的方案。型鋼混個凝土組合結構優化設計主要表現如下：①以有限單元法為基礎的分析方法；②以數學規劃為計算手段；③以現代高速計算機為工具；④最終得出設計方案。隨著現代科學技術的發展，優化設計的過程具備靈活性等特點，再通過有限次的計算能夠使得結構設計方案逐漸改善。筆者將根據相關工作經驗，針對型鋼混凝土組合結構優化問題算法來進行簡單介紹：①簡單解法；②數學規劃法；③準則法。

（1）簡單解法。當設計變量處于不多的情況下，可以采用簡單解法。一般來說，圖解法對設計變量小于或者等于2h，效果達到最為理想。對于柱與板的優化設計問題需要采用松弛變量法，此種方法對求解約束條件要求不是很高。

（2）數學規劃法。數學規劃法（Mathematical Programming，MP）從結構力學的基本原理角度出發，選用MP來尋找設計參數的最優解。此種解答方法發展比較早，用途也較為廣泛。數學規劃法中主要包含以下幾個方面的解法：①線性規劃；②非線性規劃；③動態規劃；④幾何規劃。其中線性規劃問題的解決方法較為成熟，在處理目標函數方面能夠設計變量的線性函數問題。非線性規劃則主要應用目標函數的方法，結構的優化設計有約束的非線性規劃問題，在解答過程中有較大難度。例如，目前最常使用的導數分析方法以及梯度投影法等。

（3）準則法。準則法主要從工程方面的觀點出發，從預先規定的結構來滿足相關準則（能量準則、位移準則、頻率準則以及應力準則等），為了滿足上述準則條件應該使用結構最輕的材料。使用的相關方法為：利用最為優化的桿系結構，重新分析設計變量初始，一旦計算量不夠大時，需要使用已經設定好的幾個布局。準則法有其自身的缺陷，從工程應用方面來看，型鋼混個凝土組合結構結構比較方便，能夠更容易被人接受。在早期，準則法能夠滿足應力設計，將結構桿件的應力在某種情況下達到允許的范圍力之內，充分發揮出材料強度的潛力。上述所說的方法在發展的基礎上與框架結構的應力設計兩者相互結合，從而處理彈性穩定方面以及位移方面等約束條件。

3 型鋼混個凝土組合結構優化設計的基本原理

型鋼混個凝土組合結構由柱構件與規則截面的桿系梁組成，在設計過程中均采用部分優化的方法。在滿足相關建筑要求的情況下進行結構的平立面布置（抗震功能首先考慮原則基礎上），進一步確定好梁的跨度與柱的高度。基于此，按照經濟跨高比和框架梁進行初步選型，最終得出型鋼混個凝土組合結構的初始截面。在上述初始方案基礎上，采用有限單元法分析不同荷載情況下的受體力分析，最后得到剪力、軸力的組合值，再計算出常規設計所需要的參數值。例如，柱的計算長度以及梁的剪跨比等指標。將型鋼混個凝土組合結構離散柱構件與桿系梁根據已經得到的受力條件來優化設計柱與梁，再得到工程的總造價。利用變量方法來進行二次處理，直到前后2次的設計方案能夠接近并且最終得到優化設計方案。簡而言之，確定好方案1之后再進行結構整體分析，通過分部方案1優化得到方案2，在進行分部優化設計時，需要注意以下幾個方面：①利用結構分析得到剪力值、軸力值，繼而能夠優化截面；②對于超靜定結構，初始截面的選擇相對于構件內力所需要的截面來說不夠充分，優化后構件的截面將會有效增大，重新分析構件內力時將會取得更大的效果。對于超靜定結構優化過程，其構件內力始終和截面保持不一致，此種差距不會隨著結構重分析次數的增加而減少，在優化構件設計時，對結構的內力應該引M超松弛系數，S′=S（S/R）α，其中S′代表構件內力，S為前一次結構重分析得到的構件內力，R為優化前構件抗力；α代表超松弛系數，α=0.4。

型鋼混凝土框架梁的截面寬度不宜小于300mm，截面的高度和寬度的比值不宜大于4，為了進一步保證框架梁對框架節點的約束作用，便于施工過程中能夠充分考慮到截面高度比值、寬度比值等，型鋼混凝土框架梁在支座處和上翼緣受有較大固定集中荷載處，應在型鋼腹板兩側對稱設置支承加勁肋。

4 結束語

綜上所述，型鋼混個凝土組合結構作為一種工程方法，型鋼混個凝土組合結構連續變量所得到的結果不能夠直接被應用，在初步優化設計方法基礎上，收斂的速度也能夠接近優化解，當變量較多時此種途徑能夠帶來較寬的時間效益。

參考文獻：

篇6

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

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

引言

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

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

1.液壓機的優化設計

1.1液壓機建模

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

2.分析與優化

2.1優化前分析結果

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

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

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

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

2.2 優化分析

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

2.3 優化后的結果

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

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

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

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

表1 優化前后對照表

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

優化前 0.163 64.40 6.015

優化后 0.387 208.268 3.838

相對變化 +137.32% +223.39% -36.19%

3.結論

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

參 考 文 獻:

篇7

Key words：Many tall buildings; Upper structure; Optimization design; Method research

中圖分類號：[TU208.3]文獻標識碼：A 文章編號：

引言

多高層建筑大量的建設需求使得對其結構優化設計一直都是結構領域探討研究的重點課題之一。結構優化的理論研究已經經歷了較長的發展歷史，也取得了眾多的優化實踐經驗，但是仍缺乏系統性和全面性，相對來講對程序設計模型優化等還十分匱乏。多高層建筑從設計策略上就要實現優化，繼而從多類型的結構體系選擇進行荷載抗力優化處理，接著從整體性角度提高結構性能，通過結構體系和算法手段，實際操作表明優化效果明顯。

上部結構設計策略的優化

數學計算優化方法是基于傳統的結構問題特點而建立發展起來，運用計算機程序技術進行結構的算法優化設計，較為先進的有最優準則法和遺傳算法。最優準則法是起步較早的結構優化設計方法之一，其以預先規定好一組優化設計需要滿則的準則為基本出發點，繼而依據這些準則來建立實現優化設計相關迭代公式進行計算。通常依據已有工程經驗，使用相關的理論研究、分析和判斷，繼而得出迭代算法，較為適用于連續變量情況近似的工程優化方法。遺傳算法發展史較短，其為近些年來新興啟發式算法之一，基于生物進化學說的自然遺傳機制優化的算法。遺傳算法將結構的優化設計問題轉變為生物的進化過程，使用優勝劣汰機制以取得優化處理后的最優解，其操作參數的 編碼，而非參數自身。遺傳算法進行結構優化策略的優勢在于其操作眾多的起始點，并非單一點，有效地避免了搜索進程向局部的最優解收斂，同時期使用的概率轉變規則避免了確定性規則的單一性，實現復雜系統的優化應用。

結構體系的優化設計

多高層建筑結構體系的優化設計目標在于實現結構足夠的豎向荷載及水平荷載抵抗能力，使其具備良好的變形性能、耗能減震能力和抗震承載能力。

3.1 傳力路徑明晰化處理

多高層建筑的結構體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結構上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎，避開出現傳力迂回的情況。優化結構體系時要盡量形成較為正確簡單的計算簡圖，降低實際情況同計算模型之間的差異。在進行傳力路徑處理過程中保證概念設計最優化，尤其是有錯層、轉換層和大底盤等復雜結構體系形式中其作用更為突出。

3.2 多道設防措施的采用

最新修訂的抗震規范對結構體系多道設防機制形成要求更為嚴格，通常使用合理處置承載力的分布、結構剛度與構件之間強弱的關系，利用第一道防線破壞來消耗地震能量的方式，改變整個結構的動力特性，實現減小地震作用的目標。大量的多高層建筑設計實踐經驗表明，對于純框架的結構體系，加設鋼或者鋼筋混凝土的柱間支撐，使用支撐屈曲作用來耗能，更能優化結構抗震性能，最大限度的發揮第一道防線對框架柱保護能力。對于剪力墻結構和框架剪力墻結構，可以通過連梁的屈曲和開裂來消耗地震能量以保護墻體。第一道設防能力發揮的前提是保證連梁抗剪性能相對值，確保強剪弱彎，或設置雙連梁以提高抗震效果。

3.3 強柱弱梁全面實現

作為結構延性措施保障之一的強柱弱梁，其保證就算塑性鉸在梁端出現，形成了梁鉸機制，避免柱子斷裂，強化結構穩定性要求。高層設計規范和抗震規范都要求梁端的彎矩設計值比柱端的彎矩設計值要小來實現這一性能要求，結構的優化設計同樣遵從這一設計指標，按照具體的抗震等級，保證新規范抗震調整系數情況下的具體公式要求。具體優化設計過程中，因為考慮到現澆樓板能夠參與到梁受力體系之中，所以適當對梁抗彎剛度擴大1.5倍到2倍，梁支座配筋率高和板上實際配筋問題造成梁實際的剛度較計算值往往偏大，實際的梁端承載力較梁端彎矩要大。

結構整體性優化設計

由于結構空間的整體剛度大小直接的關乎著結構抗震能力強弱，結構整體性保證了結構各個體系和構件之間能夠共同工作。樓蓋的剛性處理對于結構整體穩定性能的提高效果非常明顯，保證樓蓋承受豎向荷載能力的同時，實現其在水平方向上的支撐能力。對于豎向抗側力不均勻的結構布置或者各個抗側力構件的水平位移不同時發生的情況，樓蓋體系的抗側力保證性能協同作用尤為重要。通過非結構構件同結構主體間的連接作用同樣具有良好的結構整體性提高性能，進行結構優化設計時需要加強非結構構件同主體結構的連接部位預埋件和錨固件的設計，保證非結構構件附加地震作用合理傳向主體結構。

設計計算模型優化處理

5.1 設計計算變量選擇

合理選擇變量時優化設計問題處理最基本的問題，對于不同界面變量采用不同的方法實現了對不同優化模型及優化算法操作的簡化。矩形混凝土梁要選取梁寬B和梁高H最為優化的變量，出現不滿足約束條件的時候，增加H大小直到滿足要求，但是如果H/B大于3就要同時增加B，使得H/B小于3，優化截面。圓形和矩形混凝土柱要選擇彎矩平面垂直面的柱寬B，此時柱截面高度H取аB，其中а參照建筑的布局和規范取值。

5.2 局部約束優化處理

局部的優化對于整體結構設計意義重大，合理控制各個局部性能就能夠實現整個建筑結構的綜合性能，主要的優化處理集中于構造的約束和強度條件的約束。混凝土柱的優化約束需要著重考慮堆成配筋優化，大偏心受壓和小偏心受壓公式計算完成后考慮受剪強度條件和梁的約束條件，進行配筋率約束，繼而控制軸壓比和整體綜合性能。

結構優化設計處理效果分析

6.1 工程概況

圖1 某十二層鋼筋混凝土框架結構平面布置圖

某十二層鋼筋混凝土框架結構平面布置圖如上圖1所示，應用本文所總結的優化設計計算方法對其整體優化設計。建筑物總體高度39.9m，底層層高3.6m，其余層層高3.3m，全部使用C30混凝土，樓面恒荷載取5 kN/m2、活荷載5 kN/m2，梁上荷載取20 kN/m2，基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙程度為C級，場地土類別為Ⅱ類，地震分組為第一組，加速度取0.1g，結構阻尼比0.05。

6.2 采用優化措施的設計效果

下表1 所列為使用了本文所闡述的優化設計方法完成本結構的優化設計后底層柱內力結果，數據顯示優化后的結構柱端軸力和柱端彎矩明顯有所降低，適當的乘以富于系數即可在滿足結構安全性的前提下實現該多高層建筑的經濟效益。

表1 底層柱的內力結果

結語

隨著建筑體量的不斷擴大，對建筑結構采取合理的優化設計已經逐漸成為研究重點。從工程實踐情況表明，對結構優化主要是從結構體系設計及其結構計算方法入手。結構體系上優化就是要使多高層建筑的結構體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結構上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎，從多類型的結構體系選擇進行荷載抗力優化處理，接著從整體性角度提高結構性能，通過結構體系和算法手段，實際操作表明優化效果明顯。而結構計算方法優化就是對結構設計采取有效的數學計算優化方法，運用計算機程序技術進行結構的算法優化設計，如較為先進的有最優準則法和遺傳算法。

參考文獻：

[1] 沈汝偉．對建筑結構優化設計的探討[J]．鐵道科學與工程學報，2011，28（12）：118~119．

篇8

1房屋建筑結構設計優化的相關要點

第一，模型的確立。在房屋建筑結構優化設計當中，模型的確立是基礎環節，相關人員只有對具體變量參數進行提取分析，才能根據相關參數建立模型，以此求出最佳答案。相關人員需要科學選擇變量并且對目標函數進行確定分析，以此滿足后續相關需求。第二，程序的設計。在房屋建筑結構的設計優化中，相關人員需要科學確定優化程序，并且將具體程序導入計算機內部，利用計算機就可以將相關數據求出。第三，結果的分析。相關人員在利用計算機等進行計算之后，就要對相關的結果進行分析，并且根據結果中的具體信息等制定后續的設計方案等。

2房屋建筑結果設計優化方面的具體方法

2.1上部結構的優化處理

對于房屋建筑的結構設計優化而言，上部結構優化十分重要，特別是剪力墻結構的建筑，需要相關人員對這一部分的結構進行優化布置。相關人員需要保證剪力墻的重量均勻性，這樣才能確保每層建筑的重心與平面剛度的中心位置完全一致，這樣就可以有效避免外界的風力及自然災害等給房屋建筑帶來嚴重的影響。如果房屋建筑的剪力墻結構為大開間形式，相關人員就可以盡量減少混凝土的使用量，并且盡量減少墻肢的數量。如果房屋建筑的所處環境地質條件相對較差，就需要有更強的防震性能等，相關人員在上部結構的優化處理當中就盡量不要采用大開間形式的剪力墻。

2.2框架結構優化

在很多房屋建筑的施工當中，都會選擇鋼筋混凝土結構，這種類型的框架結構優化也會成為房屋建筑結構優化設計的重要組成部分。相關人員在實際的框架結構優化當中，可以選擇準則法來進行操作。相關人員也可以根據房屋建筑自身結構的截面大小情況，選擇有限單元法等進行優化分析，這樣就可以有效保證房屋建筑的結構優化得到順利進行。

2.3建筑平面優化

在房屋建筑的結構優化設計當中，平面優化也是重要的組成部分。首先，相關人員需要針對樓面量進行科學的控制。樓面是房屋建筑的重要結構之一，樓面量減少或者是樓板的開洞量出現過大，都不利于樓面整體結構的穩定。所以，相關人員在實際工作當中應當針對天井或者樓面的開洞量等進行嚴格、細致的計算分析，這樣才能對房屋建筑的樓板面進行科學控制。與此同時，相關人員應當適當提高房屋建筑內樓板的配筋量，以免出現嚴重的預應力損失等，并且保證不同結構之間的連續性，做好樓層之間的支撐等。其次，相關人員在房屋建筑的結構優化設計當中，還需要做好平面布置方面的外形優化等。相關人員在實際工作當中需要仔細考慮風壓帶來的影響，對房屋建筑的外形結構進行科學的優化設計，這樣才能有效避免外力帶來不利影響。在具體操作當中，相關人員可以根據房屋建筑所處的環境及地理位置、氣候特點等進行分析。比如，如果房屋建筑位于沿海地區環境，在其自身的外形方面，相關人員就要避免其外形凹凸面積較大，以免給整體結構帶來較強的不穩定性。相關人員一定要根據外形合理化的基本原則進行優化設計，特別是要重點考慮風壓因素，這樣才能有效保證房屋建筑平面得到明顯優化。

2.4建筑階段性及相關壽命的優化

對于房屋建筑結構的設計優化而言，階段性優化及整體壽命的優化也十分關鍵，這一部分的的內容不僅僅在于正式施工至建筑工程的使用年限之內。房屋建筑的設計人員等需要根據其自身不同階段出現的特點等進行分析，并且參考相應的實際情況進行處理。這樣才能在保證建筑自身質量的基礎之上，實現建筑企業的整體效益。此外，在房屋建筑的壽命優化方面，相關人員還需要切實按照建筑自身的使用年限、具體的施工方式等進行綜合性分析，確保在建筑房屋的使用年限當中不會出現嚴重的意外問題，這樣才能有效保證房屋建筑相關結構的優化。

3結語

目前，人們的生活水平與過去相比出現了明顯的提高，其自身的安全性、實用性等也得到了普遍的關注，除了房屋建筑的自身質量需要相關單位及人員給予高度重視之外，房屋建筑的經濟性、美觀性也成為了人們關心的重點問題之一。所以，在房屋建筑的設計當中，針對其自身結構方面的優化設計就成為房屋建筑建設的重要組成部分。相關單位及人員等需要切實把握房屋建筑結構設計優化的具體要點，并且從多方面選擇科學、有效的方法等保證房屋建筑的結構優化順利進行，以此保證房屋建筑的質量與美觀性、經濟性及實用性等。

參考文獻：

[1]劉松.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J].城市建設理論研究(電子版),2016(20).

篇9

一、結構設計優化方法

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

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

二、民用建筑結構設計和經濟性的關系

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

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

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

三、結構設計優化技術應用實踐

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

1前期方案設計期間將結構設計優化參與其中

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

2概念設計結合細部結構設計優化

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

3結構設計優化―――下部地基基礎

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

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

篇10

1結構設計優化方法內容及其原則

1.1概述。在房屋建筑結構設計時，如果要對設計方法進行優化，這就勢必給工作人員帶來更多的問題，例如成本問題和建筑材料問題。這種情況下，就要求工作人員用最低的資金投入，進行房屋建筑設計的優化。對優化房屋建筑設計時，其優化的內容主要包括兩個內容：①優化整體的房屋建筑結構；②優化局部的房屋建筑結構。而局部房屋建筑結構主要就是對主體結構、房頂結構和下部基礎結構等分別進行優化設計。1.2原則。（1）使建筑具有安全性能。房屋結構優化不是簡單的進行材料的節約，而是首先要確保房屋建筑結構安全，然后利用專業知識，結合實際的房屋建筑情況，對房屋建筑結構進行科學合理的優化，從而使得房屋建筑的設計趨于完善。（2）使建筑具有實用性能。對于房屋建筑優化設計的另一個原則就是要確保建筑物的實用性，使得房屋建筑通過優化設計具備更多的功能，滿足人們的實用與使用需求。（3）保證建筑結構優化的同時保護環境。房屋建筑結構優化設計的另一個原則就是要尊重環境，也就是說要注意環保，例如，可以采用綠色環保材料。（4）確保建筑具有可用價值。這個原則也是非常重要的一點，要求在進行房屋建筑優化設計時，不能一味追求利益，忽視質量，而是要在保證建筑質量的基礎上降低資金投入。根據以上原則，不難看出，在進行房屋建筑結構優化設計時必須保證其科學、安全、質量要求。首先，充分重視結構優化模型，科學合理的結構設計變量得到解決。主要針對相關的參數值和約束來控制參數值的選擇應注意，而較小的將實現一個預定義的類型參數，可以有效地減少編程，提高效率，提高整體水平；然后是目標函數的確定，這將對建筑作為一個整體的成本情況來理解。可以科學地確定約束條件，為結構的優化設計奠定基礎。

2建筑結構設計優化方法的具體應用

2.1整體和局部優化。房屋建筑結構設計具有復雜層次性。首先要求在進行設計時要考慮設計、結構、安裝等不同子系統及其下屬體系。在進行優化設計時，綜合考慮各個子系統和下屬體系并且進行優化；其次，由于在房屋建筑結構設計時設計到施工材料、構建、配件等內容，這就要求進行房屋建筑設計時，進行整體優化。建筑結構的優化計算模型和優化計算方案屬于建筑結構優化設計的重要組成部分。建筑結構的優化設計的本質就是在變量中提取重要的參數，根據上述所說參數建立函數模型，從而得到比較好的方案。一般來說，建立模型主要從以下方面入手：①合理選擇設計變量，這屬于重要內容，而且在選擇變量設計會影響參數的選擇，因此合理計算變量就能將降低計算編程的工作量；②確定目標函數，首先要在符合函數的基礎上找到最優解，才能確定目標函數；其次，將約束條件確定下來，主要包含彈塑性、強度、應力及尺寸等方面，在優化建筑結構的同時，必須確保約束條件的范圍在規定的要求之內，滿足設計的需求。2.2建筑主體上部結構的科學性優化。建筑主體上部結構的科學性優化，是在建立模型，優化系統設計，保證科學合理性的基礎上，對建筑剪力墻進行優化設計。首先，建立合理的剪力墻數量；其次，保。證剪力墻的整體質量的統一性，保證其整體結構的重心，減少地震等災害對房屋建筑的破壞；最后，如果要保證剪力墻的高抗剪能力，在滿足質量的要求上減少墻的數量。2.3概念設計結合細部結構設計優化概念設計的應用表明沒有具體的量化數據，例如，抗震防裂度，這種情況下沒有具體的量化的標準進行優化設計，因此需要用到概念設計。但是在設計過程中，要求工作人員必須會合理且靈活運用建筑結構設計的優化方法。例如，在進行抗震設計時，可以根據房屋建筑的實際情況，選擇合理的抗震方法進行設計，方法不同，但是達到了相同的優化目的。2.4結構設計中注重協調性設計。應用結構設計的優化方法，可以充分體現在協調方面。將建筑與整個平面之間的關系應得到有效的加強，可以在結構設計中加以保護，以及結構設計的外觀也應體現。在設計過程中，墻、柱的結構布置，建筑平面功能需要得到有效保證，建筑空間和深度，充分保證房子的整體結構來反映系統的簡單性，在各部門的高度可以充分的保護。2.5對計算結果進行分析，確定最優設計方案。作為優化結構設計中比較重要的部分，結果分析的意義不言而喻。在此過程中，要將計算數據結果進行詳細的分析，然后以數據中得到的信息為依據，制定優化設計方案。另外，在優化設計的過程中需要多方面考慮，尤其是各種阻礙因素，要對其進行控制，使得建筑結構優化設計能夠順利完成。此外，由于在施工建設過程中，涉及的人力、物理、財力較多，因此結構優化的主要目的就是合理降低上述指標，從而保證建筑指標不會受到影響。因此，在建筑結構設計中必須注意：①找到建筑技術和經濟之間的平衡點，降低二者矛盾，使用高新技術，降低費用成本；②充分理解技術所帶來的經濟價值，充分意識到技術的進步和發展有利于降低經濟損耗，因此這就要求必須加強技術發展。

3建筑結構設計優化的現實意義

3.1有利于降低工程總成本。現階段，高層建筑不斷增加，與普通多層建筑比較，主要的區別就是占據的土地面積比較小，占據的空間面積比較大，減少用地費用。但是建筑物的高度的增加，層數的增多，就容易造成樓與樓之間的不協調問題，占地節約量和建筑的層數不成比例。因此，不可以單純的追求建筑的高度而忽視土地節約量，要將占地面積、造價進行統一協調。另外，高層建筑并不會因為層數的增多增加樓頂，這就明顯的降低了成本，只是會增加樓層的基礎造價。3.2有利于加強建筑物的整體經濟性能。隨著層數的不斷增加，建筑物必會影響整體框架梁與柱的承載能力，使之承載力增加，這就造成墻體的面積和梁柱的體積的增加，增加結構自重，電線、水管等管道等房屋配置會有所延長。相對來說，普通的多層建筑物能夠節省建材但不會影響抗震性能。此外，建筑物高度的不同勢必會影響墻面的范圍，這時候一般會選擇圓形建筑或者是接近方形的建筑，這樣外墻的周長系數就會相對減少，而且內外裝修面積也會隨之減少，而且以上形狀有利于其受力的提高，在保證安全穩定的基礎上增加了建筑的整體經濟效益。

4結束語

綜上所述，參考實際情況，從多個方面，研究對房屋結構設計中的建筑結構設計優化方法的應用，利用結構理念和方法的不斷優化，有效的提高建筑整體的結構設計質量。希望本次的相關研究，可以對房屋建筑結構設計優化起到一定指導作用。

作者:胡必偉 單位:伊犁鼎軒建筑設計院有限公司

參考文獻：

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一、建筑結構設計優化的重要性

在房屋結構的設計中，采用合理的建筑結構方案，不僅能夠實現建筑物的實際使用價值，而且還能夠很好地實現建筑物的經濟價值和環保價值。通俗的講，好的結構方案不僅可以在最大程度上為建設單位減少資本投入，帶來更多的經濟效益，而且還可以科學有效地保護建筑施工場地的生態環境，從而實現建筑經濟利益與環境保護相結合的模式。因此，合理地使用建筑結構優化技術能夠更好地實現建筑的綜合效益。建設單位從事建筑開發的基本原則就是在最大程度的減少資本投入、減少建筑材料使用的基礎上，實現建筑的高質量和長期使用【1】。建筑只有在保證良好質量和長期使用的前提下才能夠實現建筑美觀、耐用、新穎等特點，從而滿足不同人群的需要。與傳統的建筑結構設計方案相比，建筑結構設計的優化可以有效地降低建筑結構成本投入。其采用的結構設計優化措施可以科學地實現建筑施工過程中各種資源的合理配置，以及各項建筑材料的充分利用，并且更好地協調建筑空間布局，使得建筑空間布局能夠有效的結合，共同發揮其使用功能。因此，合理的利用建筑結構優化技術，在確保建筑安全性能的前提下能夠充分的體現出建筑結構創新性。此外，這種技術還能夠幫助結構設計人員選擇最為合理的設計方式。

二、建筑結構設計優化的理論體現

在進行建筑結構設計時，我們不僅需要考慮其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，還需要考慮建筑本身的美感與藝術感，這就是結構設計優化的相應體現。從理論上對建筑結構設計的相關優化方式進行分析，我們可知，建筑結構的的設計優化方式在現實應用中，主要體現在建筑結構整體的優化和建筑結構分層的優化上。對于建筑結構整體的優化，我們不僅應盡量減少結構質量中心和結構剛度中心的相關性差異，而且還應保持建筑結構的對稱性和規則性，但是這些結構設計的理念同時應滿足建筑設計師的設計要求。對于建筑結構分層的優化，在滿足建筑本身功能的前提下，豎直方向應盡量讓同一方向的豎向承重構件達到上下相通，而且為了減小在結構設計上的難度，宜盡量避免轉換層結構的使用。在豎直方向的設計還應充分考慮剛度的相關要求，剛度的變化應保持均勻性而不是突變性，否則一旦出現剛度的突變會嚴重影響建筑結構在抵抗水平方向上的荷載作用性能。

三、建筑結構設計優化的方法

1、優化結構設計模型

建筑結構的優化可以分為以下幾個階段:

1.1 對變量的選擇。一般情況下，建筑師決定的最終建筑設計方案起到重要的作用，這些重要的建筑數值均可以作為變量供建筑設計人員進行選擇。例如:工程參數的參考，包括對房屋價格的參考、對于其損失的參考等等。設計人員若能夠將變化幅度較小或考慮因素較少的參數作為設計的參考，建筑結構的設計和編程難度將會大大降低，設計人員也能夠更快的找到最符合設計目標的數據【2】。

1.2 對函數的確定。設計人員要選擇出最符合配筋率和房屋結構構件尺寸的一組函數，進而在最大程度上降低建設成本。

1.3 對施工條件的衡量。想要進一步確保建筑結構的穩定性，就需要從房屋的受力限度、變形限度、結構的穩定性、房屋結構構件的尺寸、結構構件裂縫的限度、房屋的結構體系等方面考慮。在實際的建筑結構設計過程中，設計師應該結合建筑使用方案和房屋的施工條件，分析出實際設計中存在的約束性條件，并且要確保解決這些約束性條件的方案要符合我國現行的規范規定，以保證建筑結構的設計結果達到最優。

2、科學設定優化設計的相關方案及應用程序

首先，依據可靠度而開始進行房屋結構設計的優化通常都具有很多約束條件，有時會遇到非線性的相關優化問題。所以在相應的計算中，會進行相應的轉換，將有約束的優化轉化成無約束的優化，而相關的計算、方式有拉式乘子法、powell 法等。其次，依據可靠度而開始進行房屋結構設計的優化基本模型，以及在設計時運用的相應的計算方式，為了可以更好地實現其效果，能夠將這些編纂成一個運算速度較快而且功能全面的綜合性、科學性的應用程序。這樣能使整個優化設計更加全面地、有效率地進行實施。

3、對統計結論進行分析

設計人員在進行了各種計算之后，要對統計結果進行認真的分析，并且找出各個設計方案中不同點和相同點，并且結合總體的設計情況和進展選擇最佳的設計方案。設計人員在進行結論分析的時候，要注意不要遺漏一些細節問題。房屋的建設與設計是一項耗時長、成本高的項目，它不僅涉及到建設單位的利益，也涉及到了房屋使用者的利益，設計人員在把握細節的基礎上，要注意從宏觀上把握住當事人的利益，這樣才能夠有效的節約建設成本，進一步優化建筑結構。在進行建筑結構優化的時候，設計人員不僅要避免追求片面的利益，還應該避免為了追求設計創新而忽略了建筑實際情況。

四、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、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。

4、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。因此，設計師在選擇多種備選方案的過程中，就需要應用到概念設計。

5、建筑壽命優化與階段性優化。

在建筑的使用年限內，需對建筑每一階段進行相應的結構方案優化。房屋結構的設計者要考察各個階段的特點，根據實際情況進行優化方式的確定，從而對工程的整體壽命進行科學的優化。這樣，既保證了建筑產品質量，又提高了建筑企業的經濟效益。

結束語

綜上所述，建筑結構設計優化對于整個建筑工程的質量與美觀都有著重要的促進作用，建筑結構設計優化方法在房屋建筑結構中的應用，在很大程度上促進了建筑結構設計的科學性和合理性，因此，有必要不斷加強建筑結構設計優化方法的廣泛應用。

參考文獻：

[1]王也. 建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J]. 中華民居(下

旬刊),2013,03:81-82.

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

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

1 結構優化設計現狀分析

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

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

2 基于ANSYS的框架結構優化設計方法

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

表1 國內外結構分析模型及其優缺點

模型 平面框架 協同工作 薄壁柱 墻組元 板-梁墻元 平面應力元 殼元墻元

簡圖

優點 計算快

手動校核 計算較快

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

缺點 模型粗糙

適應面窄 適應面窄

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

代

表

軟

件 建研院

PKPM 建研院

XTJS 建研院TBSA

TAT 建研院

TBWE 美國加州

ETABS

清華

TUS/ADBW 大連理工

DASTAB

美國加州

ETABS（95） 建研院

SATWE

北大SAP84

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

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

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

（1）

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

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

（a）鋼筋混凝土梁應力圖 （b）鋼筋應力變形

（c）鋼筋混凝土梁應力變形

圖2 梁的變形模擬圖

表2 框架梁優化結果

3 結語

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

參考文獻

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

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建筑是關乎民生、經濟、社會發展的主要建筑形式，且大量存在，因此對于建筑的結構設計應做到安全、適用、經濟、美觀，并且符合當前的施工技術水平。也可以說，建筑結構的質量是保證建筑使用功能的基礎，是保障建筑材料、能源和經濟等資源有效發揮作用的途徑。因此，對于建筑結構進行優化設計顯得尤為重要。

一、分析為什么要對建筑結構設計優化

（一）節省工程造價

建筑工程造價中建筑結構的成本大約占到總造價的50%，對建筑結構進行優化設計可以在很大程度上降低工程總造價，節約工程造價成本。建筑結構優化設計能有效的節省房屋建筑的投資成本，具有巨大的經濟價值。

（二）提高工程質量

目前設計單位的水平整體都在不斷提升，但是首先很多工程師成本控制意識低，忽略對建筑工程的成本造價控制，只追求高的安全系數，從而造成設計過于保守；其次，沒有相應的責任制，設計人員缺乏責任心，對建筑結構的設計概念不清楚，一味的使用計算機而不是大腦來進行計算，常常導致計算不合理或者與工程實際不吻合等等錯誤，使之結構設計存在安全隱患或者較大的浪費；另外，設計人員與建設單位的溝通不到位，沒有完全理解建設單位的建造用途及建筑功能，進而造成建筑產品不能滿足建設單位的需要。

據統計因為在設計過程中，設計質量差，造成功能布置不合理，相關專業工程師沒有相互溝通，導致經常出現在施工過程中進行修改及返工現象，導致施工工期不能控制。同時因為工程質量差，工程存在安全隱患等問題，造成投資的卜大浪費。通過建筑結構設計優化可以有效的提高工程設計質量，降低安全隱患，減少投資浪費。

二、探究建筑結構設計優化的方法

建筑結構設計優化是要通過對擬建項目進行模型的優化、計算方法的優化，并在計算和模擬的基礎上制定有效的結構方案，再進行驗證。

（一）結構優化模型的建立

在進行結構優化設計的過程中，首要的問題是要根據實際的結構特性設定成為相關的結構設計參數，主要的有目標控制參數和約束控制參數。對于那些變化范圍比較小的，且在結構的局部加強就能滿足要求的部分參數，將其確定為預設參數，從而減少計算的工作量;對于目標函數，是要找到一組可以滿足預定條件的鋼筋截面積和截面的幾何尺寸，目標是要讓總造價最小。對于約束控制函數，包括前度和穩定約束、截面尺寸約束、結構整體約束、構建單元約束、正常使用狀態的上下限約束條件等。參數的設計必須要與實際情況和規范相符。

（二）結構優化設計的計算方法

在結構優化設計計算方案的確定上，考慮到建筑結構的復雜性帶來的變量多、約束條件多等情況，因此在計算過程中，一般的做法是先將有約束的優化問題轉化為無約束條件再進行求解，可選用的計算方有拉式乘子法、復合形法等。結構選型、尺寸和參數設計完成后，在計算方案的基礎上設計優化程序。并在得到計算結果后，對結構進行綜合分析，最后確定最合理的結構優化設計方案。

三、建筑結構設計優化技術的應用

通過結構優化設計技術來逐步改善房屋建筑的使用性能，進而提高經濟性，大力降低工程成本造價。在建設工程項目中，結構優化設計技術主要應用于項目的整體設計、前期設計以及抗震設計等各個分部階段環節，應用廣泛，其發揮的效能也十分明顯。

（一）樹立精品意識

結構優化設計過程是結構工程師打造設計精品的過程，預算專業提前到設計方案階段，為結構工程師提供必要的經濟分析數據，通過結構工程師與造價工程師對設計質量、品質的經濟指標的全程控制，實現設計產品質量與經濟的統一。

（二）優化設計中正確理解應用結構設計規范

追求適用、安全、經濟、美觀以及便于施工是建筑結構優化設計的目的。因此，建筑結構優化設計不但要求結構設計工程師有豐富的設計經驗，也同時要對建筑結構規范的條文的概念、定義、前提條件及適用范圍有較為詳細的了解，在建筑結構設計規范的基礎上，能夠把自身的結構設計方案科學的融入到整個項目工程中。對于一些大面廣的工程中，某些條文規定不可避免的偏于保守，同時，也有些條文對一些特殊、復雜工程的設計工程條文安全性不足。因此，建筑結構工程師在優化設計中，應該充分利用扎實專業知識與豐富的設計經驗，對上述問題做出科學與正確的判斷，從而能夠把握設計，使設計成果逐步優化，不斷創新。

（三）結構工程師要積極參與工程前期規劃及方案

建筑結構工程師要積極主動參與前期工程規劃及建筑方案，是實施結構優化技術的重點內容。因為，在在實際施工中，建筑結構工程建筑師難以把握對結構體系的受力的正確分析，相關建筑結構工程師要積極主動地參與前期方案設計，幫助建筑師構思與逐步創新，使得建筑師的建筑理念得以完美的體現。

（四）合理的結構方案

要用整體的概念在待定的建筑設計中來完成結構整體方案的構思，處理好構件與構件，構件與整體結構的關系，充分利用和發揮整體結構與構件的最佳受力狀態，使結構具有足夠的承載力、剛度及良好的延性，盡可能使結構受力與傳力簡單、直接、明確，使之整體結構安全可靠協調一致，使建筑的型心與重心重合，避免及減小外力作用下的扭轉效應，結構平面規則對稱與豎向剛度的均勻一致，可能達到結構設計的安全經濟。

（五）建筑結構各部門相互協調與合作

建筑結構優化是一個復雜性的系統工程，涉及到的專業也很廣，各個專業必須相互協調與配合。依據建筑學發展角度出發，現代建筑是綜合性產品，包括建筑、結構以及設備等要素。因此，建筑工程在工程實施中，應該大力加強分工與合作，將各個構成要素進行充分有機結合，為打造出完美的作品夯實基礎。在建筑工程項目設計中，最重要的環節是建筑設計與結構設計，只有將這兩個環節充分結合，建筑工程實用、經濟、美觀大方效果才能充分體現，同時，建造結構受力更趨向合理性，大大降低了成本，簡化了施工。但在建筑設計中，一些建筑設計人員不遵循建筑的基本力學規律，過于注重設計方案創作的新奇性，導致這建筑結構難于處理，因此，建筑結構優化必須通過強化各個專業的合作與協調，可能夠實現結構合理，成本降低。

（六）提高材料的利用率

結構的效能設計主要考慮充分發揮結構材料的力學性能，有效的減少結構材料的消耗，達到“少費多用”的目的。各種高強材料：高強度鋼筋、高強度混凝土等；各種輕型材料如：輕骨料混凝土、輕型隔墻的合理利用，可以有效的減輕建筑結構的自重，減小水平地震力的作用，減小基礎頂部荷載等等。

（七）充分考慮地基基礎結構設計

地基基礎是建筑結構設計的重要組成部分之一，其造價根據工程所建地地基土的不同，基礎形式不同，其基礎造價也不同，但其造價占工程總造價的比例也不同，其比例占總造價的20~25%不等。地基基礎屬于隱蔽工程，建筑物的高度與安全性等受地基基礎影響很大。建筑結構中的地基基礎的結構設計必須選擇合適的方案，要依據現場地質條件上部結構形式、高度、層數、基礎頂部荷載，綜合進行基礎選型及埋深等設計，最大程度的節省造價。

總之，結構優化設計的目的是為了讓建筑設計年限內能夠更好的發揮其作用而提出的。我們通過對建筑結構優化設計的內容和方法的剖析，指出了在實際應用中如何來利用結構優化設計。所以，結構優化設計是在堅持可持續發展觀、充分利用有限資源的基礎上提出的，是符合社會發展需要的有力舉措。