结构设计的优化（精选8篇）
篇1：结构设计的优化
粒子群优化算法及其在结构优化设计中的应用
介绍了粒子群优化算法的原理和实现方法,分析了该算法的主要参数对搜索方向的影响.将粒子群优化算法与遗传算法在优化过程和搜索技术方面进行了对比.利用粒子群优化算法与遗传算法分别对测试函数和桁架结构优化设计问题进行求解,将两种算法的计算结果进行了对比.计算结果表明在满足相同的.计算精度的前提下,粒子群优化算法的效率更高,利用粒子群优化算法可求解机翼结构优化设计问题,因此,粒子群算法是一种有效的优化方法,适用于大型复杂结构优化设计.
作 者：王允良 李为吉 WANG Yun-liang LI Wei-ji 作者单位：西北工业大学,航空学院,西安,710072刊 名：机械科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：24(2)分类号：V221+.6关键词：粒子群优化算法 演化计算 结构优化设计
篇2：结构设计的优化
主讲人：秦美玉
地点：多功能厅 2014.11.7 课堂教学结构是指一节课的组成部分及其相互关系。其设计合理与否，直接影响课堂教学质量的高低。结构完美、布局合理的课堂教学，可以增强课堂教学的艺术魅力，提高教学质量。那么，怎样设计课堂教学的结构，才能做到既保证教学效果，又符合美学法则呢？古人写文章讲求“起要美丽，中要浩荡，结要响亮”。因此课堂教学结构设计应以序列性为前提，实现序列性与波动性二者的最佳组合，使课堂教学既绵绵有序，又起伏有致，以保证课堂教学的良性运行。现代心理学家、统计学家证明：一堂课中，学生的思维状态呈现三个阶段的变化，即思维水平逐渐集中阶段、最佳思维水平阶段和思维水平逐渐下降阶段。根据学生思维的这一特点，我们可以将课堂教学结构设计为“凤头—驼峰—豹尾”的形式，即由精彩夺人的导课、引人入胜的高潮、耐人寻味的结课三部分构成的抛物线式结构。
一、“凤头”——课堂教学导课的设计
好的导课，如高手对弈，第一招就为全面胜利铺垫基础，有一石激起千层浪之妙；又如钢琴家演奏，发出的第一个音符就悦耳动听，给人一种激情夺魄的艺术享受。一堂课开始就教得索然无味，如同嚼蜡，是很难调动学生积极性的。因此，在导课的设计中讲求的是“第一锤就敲在学生的心上”，像磁石把学生吸引住。学生在教师创设的撩人心魄的教学情境中，或悬念于怀，或激情四溢，或徘徊于新旧认识的矛盾圈中，自然而然地进入最佳学习状态。例如，根据“学起于思，思源于疑”的认知程序，导课可采用“设疑启思”的方式，以扬起学生思维与想象的风帆。在这种情况下，教师的讲课就像磁石一样牢牢地吸引住学生的注意力，学生的思维活动和情绪也和教师的讲课相互交融，使所讲知识溶于学生的思维之中；也可采取意蕴深刻的故事导课，这是学生所喜闻乐见的导课形式。目的都是为了提起学生的兴趣，吸引学生注意力，从而更好地完成教学任务。
二、“驼峰”——课堂教学高潮的设计
课堂教学高潮如同“驼峰”，在教学中起着不可忽视的作用。如果缺少课堂教学高潮，教学的重点与难点将难以突破，课堂气氛也将难以调动。课堂教学高潮是指给学生留下最深刻鲜明的印象并得到学生最富于感情反应的时刻，这时师生双方的积极性达到最佳配合状态。教师的教学风格不同，创设课堂教学高潮的方法也不同，或豪迈奔放，或庄严悲壮，或热情洋溢，或富于哲理„„。在教学高潮中，学生表现出强烈的创造激情和旺盛的求知欲望。教师在设计教学高潮时应找准时机，或设在重点难点处，或设在疑问丛生处。
对此，以下几种技巧可资借鉴：
一是巧布疑阵的悬念式。悬念式在心理学上是指人们急切期待的心理状态。导课时教师有意避而不讲，引而不发，使学生进入“心求通而未得，口欲言而不能”的状态。精彩而成功的悬念能给教学带来无穷的韵味，收到“投石冲破井中天” 的教学效果。二是因势利导的应变式。课堂教学中，情境瞬息万变，处理欠妥当，势必影响正常的教学进程，甚至使教学预先精心设计的计划付之东流。此时，教师若能因势利导、灵活处理，则可以形成课堂教学高潮。
三是活跃激烈的辩论式。教师有意地制造活跃自由的课堂讨论，既可使学生的个性得以充分舒展，并加深对知识的理解，又实为一种制造教学高潮的良好技巧。
三、“豹尾”——课堂教学结课的设计
好的结尾，有如品尝香茗令人回味再三。俗话说：编筐编篓，重在收口；描龙绘凤，重在点睛。高明的教师就如同优秀的作家，都应给学生“教学已随时光去，思绪仍在课中游”之感。好的结课可以给学生以无穷的美感与艺术上的享受。为此，教学结课应力求做到首尾呼应、蕴藉隽永。唯其如此，教学才能收到余音绕梁的效果。
教学结课主要有以下几种设计技巧：
第一，总结升华式。由于学生不善于归纳知识，课尾要引导学生回到整体上来，以理性的高度、准确的语言总结升华，即结课时教师利用较短的一段时间，把教学的内容、知识结构、思想方法采用叙述、表格、图示等方法加以浓缩概括，给学生以系统完整的印象，促使学生加深对所学知识的理解和记忆，培养其综合概括能力。
第二，巧置悬念式。因为盎然的余味是艺术永存魅力的秘诀所在。教师在结课时有意识地设置悬念，使得“且听下回分解”成为学生的学习期待，可以收到理想的教学效果。第三，幽默解颐式。它有时来自教师精心的设计，有时来自教师机智灵活的应变。如有位教师讲解一幅挂图时，挂图“啪”地一声掉了下来，这时恰好响起了下课铃声，这位教师不失时机，幽默地说道：“看来挂图也想休息了，下课。”师生在会心一笑中完成了课堂教学。
篇3：浅析建筑抗震结构设计的优化
1 建筑抗震结构设计原则
1.1 关于结构的规则性
在建筑防震结构设计的初级阶段, 要先了解建筑抗震结构设计的要求, 并与之结合, 优化建筑平面以及建筑物的使用功能, 并对其进行合理的布局, 对于那些高层建筑, 一定要确保其刚度足够强, 以此来降低结构扭转的影响, 对建筑物的要求就是要保证其平面均匀对称, 建筑物的柱网剪力墙一定要合理布置。由于这种建筑结构能够很容易的产生建筑物多地震的反应, 在进行建筑防震结构设计时要对建筑合理布置, 这样对于降低竖向构件间的差异变形以及结构内应力对建筑结构的不利影响有着很大的作用。在进行建筑防震结构设计的过程中要尽量使建筑物的垂直重力的荷载均匀受力, 满足其结构刚度、保证其体型简单。通过近几年来的地震灾害可以表明, 当有地震发生时, 只有建筑物平立面的布局合理简洁, 受力均匀, 才可以满足建筑抗震结构设计的要求。
1.2 关于层间的位移限制
当建筑结构工程师进行建筑防震结构设计的过程中要考虑到建筑结构材料、位移的限制、装修标准、结构体系、侧向荷载以及高比宽等问题。在建筑防震结构设计时要严格要求钢筋混凝土结构的位移限值, 并对建筑的所处位置进行有效的设计, 确保其稳定性及功能的正常使用等。建筑在地震或者是风力的作用下层间经常会出现较大位移, 在建筑防震结构设计时既要满足其刚度问题, 又要避免超过其承载力。
2 建筑抗震结构设计注意事项
2.1 注意确定基本设计信息
由建筑物所在地区建筑类别及其防烈度等对抗震等级进行确定。其中要加以注意的是, 高层建筑大多都属于丙类建筑, 它是不需要对设防烈度进行调整, 可是甲类和乙类建筑, 它们一定要依照《建筑抗震设防标准》来对设防烈度进行调整。在进行建筑防震结构设计时要明确地震加速度、地面粗糙度以及该场土地类别, 这样一来建筑防震结构设计就更加科学合理了。一般来说建筑物越高, 风荷载对其就有越大的影响, 所以在进行设计时一定要重视基本风压, 如果建筑物对风荷载较为敏感或者是本身高于60m时, 一定要采用百年重现的风压区, 还要按照建筑的高宽比、形状等这些来选择建筑物的体形系数。
2.2 正确选择设计参数以及概念设计
在建筑结构方案设计的过程中, 要注意概念设计, 要明确建筑结构设计体系的地震作用的途径, 设计多条抗震防线。注意要把建筑结构的最大高度控制在合理范围内, 使建筑结构的延性足够。对于剪力墙而言, 其布置一定要对称均匀, 并在其纵横方向都要去布置, 尽量让两个主轴方向刚度接近。另外要注意, 尽量减少墙体开洞, 若真的要开洞, 要使洞口对齐, 不要任意的开洞。对于砼结构而言, 其构件要控制受力钢筋、截面尺寸以及钢筋设置, 避免发生弯曲破坏慢于剪切破坏、钢筋破坏慢于钢筋锚固粘结构破坏、钢筋的屈服慢于砼的压溃。对于各个结构间的连接要注意构件节点的破坏。对于预埋件, 其锚固破坏不要先于连接件。
3 建筑抗震结构设计的优化策略
3.1 对建筑结构的概念设计加以重视
建筑概念之所以形成就是人们对其的认知从感性上升到理性, 这也反映出了人类对于事物有了更加客观的认识。在进行建筑结果设计的过程中, 建筑师一定要对建筑设计的概念熟练地掌握, 只有这样设计师才可能设计出一个安全经济, 构建平衡, 结构科学合理的优质建筑物。在进行建筑结构设计时设计师要注意把建筑概念的基本思想贯穿其中。建筑结构设计师要运用自身所积累的经验以及深厚的设计理论, 形成一种属于自己的设计概念, 并用其完成高水平建筑结构设计工作, 建筑的概念设计对于设计师而言是其必须具备的能力之一。
3.2 对建筑抗震设计理念进行加强
我们都知道, 对于建筑物而言, 不但要承担起其本身的垂直负荷, 还要承受相当于地震冲击以及侧风向负载的力度。在建筑物中, 对于不同高度的抗侧力, 其冲击强度大都不同, 这样就会有薄弱层面存在, 在进行建筑结构设计时要尽量去减弱甚至避免。如今在我们国家的建筑抗震结构设计的规范中, 一般分为两个阶段进行抗震, 这样对于建筑抗震能力的提高很有帮助。首先是第一阶段, 建筑结构设计师要对地震参数进行充分运用, 对建筑结构在弹性的状况下所发生的地震以及所产生的效应进行计算。在进行第二阶段设计时, 要用所对应的地震参数对建筑物的薄弱层面进行计算, 待结果出来后再对薄弱楼层进行转角位移或者是侧向位移, 可是这一定不能使设计超过规定限值, 只有这样才可以是薄弱环节尽量不影响到建筑物本身。
3.3 对建筑结构设计进行综合考虑
建筑结构设计师在进行设计时要考虑多种优化方案, 并同时对内部因素以及外界各方面的因素进行综合性的考虑。其中内部因素主要是指建筑物各个构件本身所能够承受的受力负载, 尤其是高层建筑更要对其承受能力进行综合考虑, 考虑哪种建筑设计方案更加合理, 但前提一定要遵循经济原则, 但在水平受力的这一方面就要求对其抗倒塌能力进行研究, 外界因素主要是对建筑物所受的平常风力、温度应力、抗震等进行考虑, 对各方面的因素进行综合考虑, 争取设计出最好的方案。在进行地基设计的过程中, 要与设计师本身的实践经验相结合进行综合性的设计, 与此同时设计师要提前预测其中可能会出现的各类问题, 并对找出这些问题的解决措施。当计算建筑物本身的受力情况时要谨记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉”的原则, 一定不要仅凭经验去判断建筑所要增加的配筋量, 一定要先对构件自身的性能进行考虑, 重点关注建筑物的薄弱环节, 尽量降低甚至避免危害发生的几率。与此同时, 对于建筑物本身的组成材料要对其温度应力进行考虑, 就比如说钢筋材料, 温度对其有很大的影响。所以不管怎么说, 在进行建筑抗震结构设计时, 不管是建筑结构选型还是建筑的设计布置, 又或者说是一些有关的计算过程, 一定要先对所有可能会出现的问题进行综合性的考虑, 必要时要对建筑物的受力极限进行验算, 只有这样才能保证建筑防震结构的合理, 才能确保建筑防震结构设计的安全性以及可行性。
4 结束语
伴随着高性能材料以及新型结构的出现, 我国建筑行业也开辟了新天地, 理顺建筑与结构两者之间的关系, 确保新型结构的建筑不但能满足建筑物的使用功能, 而且还能满足人们对其的外观要求。要想使设备与结构两者关系提高, 一定要先了解抗震设计目前现状, 再由建筑抗震结构设计者从抗震概念以及抗震经验, 对工程做出正确的判断, 找出一种既经济又安全的建筑抗震结构的优化设计方案。
参考文献
[1]张华宇.建筑防震结构设计注意事项[J].中国建筑, 2009 (22) :34-35.
篇4：论结构设计的优化应用
关键词： 建筑 结构设计 设计优化
随着我国改革开发的进一步发展，全国人民的生活都步入了小康时代。越来越多的人对物质生活要求也越来越高了，许多人都住进了高楼大厦。人口的继续增长，使得建筑物越来越多，而土地资源有限，这样导致土地价格越来越高，从而导致了建筑商的建筑成本也越来越高。降低建筑成本是建筑商首先考虑的方法，那么如何控制建筑成本呢？结构优化设计思想是目前国内外比较有价值的一套理论系统。运用该理论方法，实现人民对于居住环境和生活环境的改善，提高建筑产品的质量与品味，满足小康社会人们对新生活的需求，同时降低工程建筑的造价成本，实现建筑商利润最大化的目标，这具有适用、经济、实用的价值。
1优化的结构设计方法
社会上的建筑物都很令人赏心悦目给人以美的享受，这是结构设计与建筑实施技术相互协调、密切配合，从而达到美观效果的结果
建筑结构设计我们都追求安全、适用、经济、美观、施工简单等五种目标。文中的结构设计优化，能实现建筑设计技术优化的目的，能应用于实践，它不但满足了人们对建筑美观、造型优美的要求，又能使房屋的结构设计合理、性能安全、建筑成本经济，成为名副其实的“经济适用”建筑。结构设计优化方法从建筑上来分析，它主要体现在优化设计的建筑工程结构和建筑工程结构的总体优化设计两个方面。
第一个方面：建筑模型的优化结构设计方法。
一项大的建筑工程，先设计建筑模型，那么建筑模型的优化是十分必要的。建筑工程的结构优化设计主要包括：基础结构方案的优化
设计、围护结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。除此之外，还需要做选型、布置、受力分析、造价分析等内容的优化设计。所有这些设计，都按照一切从实际出发的原则来进行，根据工程的具体实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。在进行结构设计时，首先要满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样可以避免水平荷载与建筑物中太大的扭转作用力。在竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。
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。在设计中，我们要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。
第二个方面：建筑模型的优化结构设计的 计算方案。
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。然而，结构设计的优化涉及到多个变量、多个约束条件，这是属于一个非线性的优化问题，在设定计算方案时，需要将有约束条件转变为无约束条件来进行计算。建筑工程设计中常用
的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用这些方法来计算建筑模型的优化结构设计方案。
2优化的结构设计技术在实践中的应用
在设计好了优化的结构设计方案后，就可以将该理论方法应用于实践之中。结构设计的优化，是目前一个比较普遍的课题，要达到利
用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的，将结构设计优化方法应用于实践之中，这是我们建筑工程设计
人员所追求的目标。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。
在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的三个方面的问题：参与结构设计优化的前期工作，将概念设计和细部结构设计进行优化，优化下部的地基基础结构设计。下面就这三个方面进行详细描述。
2.1参与结构设计优化的前期工作
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。
2.2将概念设计和细部结构设计进行优化
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。
2.3优化下部的地基基础结构设计
地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
3优化的结构设计实际价值
结构设计优化在建筑设计中具有很重要的地位，首先使用结构优化的设计能降低建筑，其次进行优化结构的设计能提高建筑结构的经济性。这些都具有实际价值。
3.1 通过结构优化设计来降低总造价
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。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。
3.2 通过进行结构设计优化来提高建筑结构的经济性
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。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。
4 结论
利用结构设计优化的技术方法，能提高有限的空间、有限的资源，让其最大化的效果发挥，实现了经济化、实用性和适用性的良好目标。满足了建筑产品的品质要求不断提高的目的，实现了人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高的需求，同时，这也实现了建筑商不断寻求新的手段来满足顾客的需求，达到降低建筑工程造价成本的目标。
5参考文献
[1]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009
[2]张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J]，陕西建筑，2008（1 1）.
[3]马臣杰，张良平，范重.优化技术在深圳京基金融中心中的应用[J].建筑结构，2009
篇5：工业建筑结构设计优化的论文
结构优化与建筑美学的矛盾在当前工业建筑结构设计优化过程中尤为突出。通常在结构设计中很难做到对结构强度、建筑性能、实用性与现代设计理念、建筑美学兼顾。过多关注设计理念与建筑美学的优化，会造成设计方案对结构布局、工艺流程的考虑不足，使得优化方案缺少实用性，对工业生产的提升效果不明显，很难得到企业的认可。另一个主要问题是工业建筑结构设计方案中工程造价优化与结构强度优化的矛盾。钢结构的设计除了要保障刚度、强度的同时还要做到兼顾经济合理性。如何在保证设计要求的情况下尽可能优化结构工程造价、减少钢材使用量，也是设计人员在工业建筑结构设计优化中主要考虑的问题。
篇6：高层建筑的结构优化设计研究
林知泉
（北京中华建规划设计研究院有限公司福州公司)摘 要：
高层建筑项 目投资大，建设周期长，对其进行优化设计能够有效的减少投资金，但是，由于设计变量、约束条件、计 算量过于庞大的原因，高层建筑的结构优化设计并未有效的展开。分析了高层建筑结构和工程优化设计理论的发展趋势，研究了高层建筑结构优化设计中存在的问题，并探讨了利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计的可行性。关键词 ：高层建筑；结构设计 ；优化设计
高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的 需要而发展起来的，是城市和工商业发展的结果，而 建筑技术的进步，轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的应用，又为高层建筑的发 展提供了物质和技术基础。
（一）高层建筑结构的发展趋势
第一，钢筋混凝土材料重新得到重视。20世纪 9O年代以来，美国、日本等原来从高层钢结构起步 的国家开始大力发展钢筋混凝土结构。与钢结构相 比，钢筋混凝土结构具有整体性好、刚度大、位移小、舒适度佳、耐腐蚀、耐高温、耐火、维护方便等优点。
此外，即使是在美、日等钢铁工业发达的国家，钢筋 混凝土造价还是低于钢结构。特别是 20～40层区 间的住宅，多采用钢筋混凝土框架或框架一剪力墙 结构。我国的高层建筑中，绝大部分为钢筋混凝土 现浇结构，只有少数采用了钢结构。轻混凝土、高强 混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土等理论技术已经成 熟，而非金属配筋、新型预应力钢棒等混凝土增强材 料技术的不断发展，也为钢筋混凝土材料的重新崛 起提供了条件。
第二，组合结构的高层建筑发展迅速。采用组 合结构可建造比混凝土结构更高的建筑，不但具有 优异的静、动力工作性能，而且能大量节约钢材、降 低工程造价和加快施工进度。在不同的情况下，可 以取代钢筋混凝土结构和钢结构，科技含量也较高，对环境污染也较少，已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中，并以迅猛的势头进入了桥梁
工程和高层与超高层建筑中。在强震国家 日本，组 合结构高层建筑发展迅速，钢筋混凝土组合柱应用 广泛。由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高承载力，从而可节约钢材。而香港的中国银行采 用巨形组合柱的建筑设计方法，获得了十分可观的 经济效益。随着混凝土强度的提高以及构造和施工 技术上的改进，组合结构在高层建筑中的应用可望进一步扩大。
第三，新型结构形式的应用不断增加。框架体系、剪力墙体系和框架一剪力墙(支撑)体系是高层建筑的传统结构体系。筒体结构出现于 2O世纪 6O 年代，它的问世对高层建筑的发展有重要影响。根 据筒体的不同组成方式，分为框筒体系、筒中筒体系 和多束筒体系3种类型。筒体最主要的受力特点是 它的空间受力性能。无论哪一种筒体，在水平力作 用下都可以看成固定于基础上的箱形
悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并 具有很好的抗扭刚度。因此，该种体系广泛应用于 多功能、多用途、层数较多的高层建筑中。而 2O世纪 8O年代发展起来的巨形结构(巨形桁架、巨形框架)、应力蒙皮结构、隔震结构等也都已经开始了广 泛 的应用。
第四，智能建筑的发展异军突起。现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各 自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷 高度安全的环境空间。智能建筑的构成至少必须具备三大系统：设备管理 自动化系统、通讯网络系统、办公 自动化系统，并以此应用现代 4C技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。
（二）工程优化设计理论的发展
第一，工程设计软科学的发展。实际上，人们在处理事物时都会遇到硬、软两种因素。硬因素就是有实体的物质系统中的一些因素；软因素就是精神意识系统中的一些因素。软科学和硬科学的区分是相对的，不应该也不可能给出截然划分的界限。目前的工程设计主要侧重于力学分析，具有硬科学的性质。力学分析只是荷载决定后计算结构力学反应的一种手段，是工程设计所使用的工具之一。在工程设计中，更重要的是必须进行很多运筹、决策和规划的工作，这些工作具有软科学的特点。所以，工程设计应该是硬科学和软科学的结合，这就需要建立全面的、崭新的工程设计理论。在土建工程设计的前期，有许多重大的问题需要进行科学的决策，包括工程项目的可行性论证、工程项 目的总体规划及功能优化、结构的造型、结构设防水平的决策等。所有这些前期的决策工作，其影响都远大于目前的以结构计算为主的优化设计工作。
第二，工程项目功能优化的发展。在经过可行性论证决定了工程项 目的任务、规模、建设地点、建设分期等重大问题之后，就需要考虑工程建设的总体布局及规划，这也是一个重大的决策，直接影响工程的社会和经济效益、运行的功能和对环境的美学效应。在优化整个工程项 目的功能时，可以利用价值工程的某些概念和手段来改善现有的方法。价值工程是一门软科学，依靠集体智慧有组织地研究系统的功能，揭示系统中的必要功能与总成本间的最佳匹配。价值工程的基本观点是对产品及其各个组成部分进行功能分析，在很多情况下，这样做都是很有好处的，因为人类制造任何产品，实际上是为了使用该产品的功能，例如，兴建电视塔、水塔等高耸构筑物是为了求得一个工作高度，兴建房屋是为了提供一个工作、生活和娱乐的空间，兴建桥梁是为了求得一个跨越的媒介，兴建雕塑是为了美学享受或某种纪念。在进行工程项目的总体规划时，从功能出发，可以开拓视野，减少习惯的束缚。
第三，工程结构系统全局优化的发展。各个结构独立优化和拼凑而成的工程系统并不一定优化，只有当工程系统中各个结构之间不存在任何横向约束时，各结构的独立优化才形成工程系统的优化。只有从大系统全局进行优化，才能真正收到优化的效果。近些年，在解决抗灾结构优化设计方法的实用化问题上，研究者以设防烈度，d作为优化参数，并且比较容易和切实地将结构造价 c(，d)和损
失期望(，d)表为结构设计方案(，d)的函数，原因在于
现行规范将抗灾结构的失效简化为单失效模式，并地震烈度度量结构抗力和地震的作用，这就使结 的优化得到了极大的简化。此外，现行规范得 以 理地提出了三级失效准则。结合这两个举措，就 成了国内外所共识的“小震不坏，中震可修，大震 倒”的设计原则。
第四，工程项 目全寿命优化的发展。以往的优 设计理论针对的都是具体的结构，而在工程实际中，一般都是整个工程大系统的优化设计问题，其由 多子系统或者结构组成，具有高维数、多目标、变量种类多、约束耦合复杂等难点，故其子系统的独立优化并不能带来整个大系统的优化方法。实际的工程系统优化模型往往预先不知道，需要通过子系统或者结构的具体优化模型来构造大系统的全局优化模型。工程的全系统全寿命优化就是考虑了工程系统中的动态可靠度与模糊因素，在各个阶段的优化中都应该以工程项 目的全局作为优化对象，而各个单元的优化必须在总体全局优化的指导下进行。这是一个从工程项目可行性开始，直至工程设施报废全过程的优化体系，优化 目标不仅包括近期的投资和效益，还包括长远的经济和社会效益，后者包括服役期间使用单位企事业运营的直接经济效益的期望值和遇到灾害时工程失效带来的损失的期望值。
（三）高层建筑结构优化设计中存在的问题
目前，结构优化的应用远远落后于理论进展，特别是高层建筑土木建筑结构的优化设计应用还不普遍。其主要原因有 ：
第一，只重视结构尺寸的优化，即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，而忽视结构整体的优化。已有的研究结果表明，形状优化比尺寸优化更有意义。单纯的尺寸优化无法接近最优的结果，因此，也就不能完全令人信服。设计人员较普遍地认为，结构设计只要结构方案和布置合理，上部结构又有 比较成熟的计算机软件进行分析计算，构件截面只要通过计算结果满足规范即可，认为上部结构相对下部结构，即地基基础部分，特别是软土地基的意义不大，因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以充分的重视。
第二，优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂，存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能限制较大等难点，多种因素 甚至不确定性因素使得 目标函数在建立后只能得到 相对最优解。而且，目前尚没有实用的高层建筑优 化分析软件，而应用现有的各种计算机分析软件进 行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果 的，因此，无论是机时，还是设计进度，都较难允许实 施这种优化方法。很多高层建筑设计项目，结构方案和布置还是比较合理的，其构件截面也是同类型结构中常用的尺寸，但是计算分析后还存在某些薄弱环节，为了改善这种受力状况，增大构件截面却未能得到明显改善，反而增加了材料耗量。第三，离散变量优化问题。建筑物尺寸以及钢筋、型钢规格型号等都不是连续变化的，因此，传统的优化方法，如各种梯度算法、对偶算法等解析算法
均无法胜任。而且，由于问题的规模较大，随之带来的计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。
（四）高层建筑结构优化设计的方法
对高层建筑结构方案进行优化采用何种方法，首先应分析这一问题的目标函数、目标函数中的各种变量，这些变量之间的各种数学解析关系以及与各种变量
有关的约束条件，在分析的基础上是采用间接优化还是直接优化方法来确定。高层建筑结构方案优化的目标就是材料耗量，材料耗量决定于构件的截面尺寸大小，截面尺寸必须满足通过力学分析得到各构件内力后的强度计算及位移变形等条件。因此，目标函数很难用明确的数学解析式来表达，不能用数学上求极小值的方法，也就是一般所说的间接优化方法来优化。高层建筑结构方案的优化只能采用直接优化法来解决，即给目标函数中变量以已知值，经过试算使其满足一定的约束条件，求得其目标值，并找出使 目标值逐步变小而趋向最佳值的路线或方向，以达到目标函数的最优值。因此，可以采用满应力法进行高层建筑结构优化设计。满应力设计法是在桁架等杆系结构的设计中发展起来的，是结构优化中最简单、最易为工程人员理解的一种准则法。所谓满应力是指结构构件在荷载作用下的最大应力达到所用材料的容许应力，此时材料的强度得到充分利用，构件截面面积将是最小，故可作为桁架最轻设计或体积最小设计的一个准则。满应力设计法是结构在规定材料和几何形状的条件下，按照满应力准则的要求，修改构件的截面尺寸，使每一构件至少在一种工况下达到或接近其容许应力限值的化算法。如果结构除了应力约束外还有界限约束，则要求每一构件应力约束和界限约束中至少有一个达到临界值。
利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计要遵循以下步骤：首先，要根据常规做法和经验确定结构构件的初始截面尺寸，并按构件分类分别建立柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库；其次，要对结构构件进行力学分析，算出各工况下结构的位移力，并对结构构件进行承载力计算；再次，要根据计算结果，对构件截面尺寸进行调整，在满足位移条件的前提下，尽量充分发挥构件材料的性能，即按规范计算使其接近满应力状态，但截面选择应在指定的数据库中进行，并统计截面需修改的个数；然后，根据修改截面的数量、性质，由人工干预决定或指定一个限值自动决定是否重新计算，即返回到第二步计算，如此循环反复，直到满足要求为止；最后，输出最后优化的构件截面尺寸及计算结果。按以上步骤，可编制完整的高层建筑结构优化分析软件，但在软件研制中，如何尽量减少内存、加快运算速度，需做大量工作，才能使之达到较为实用的程度。当前，在无成熟的优化分析软件的情况下，应用现有的 高层建筑结构分析软件，采用人工分析调整构件的截面尺寸，进行反复运算，也可达到优化效果，但费工费时，较难满足设计进度要求，而且对设计人员的素质要求较高，需要有较高的分析判别能力，当结构布置较复杂时，不仅工作量大，而且有时甚至无法将优化工作进行下去，因此，人工方法只是 目前一个暂时性 的过渡办法。
参 考 文 献：
[1] 沈蒲生．高层建筑结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．
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[7]王全凤．高层建筑结构优化、动力和稳定的实用计算[M]．
篇7：结构设计的优化
关键词:房屋；结构设计；优化方法
0前言
实用性与安全性是房屋结构设计的基础，而随着建筑技术的发展，现代建筑结构设计中不仅需要考虑房屋的安全性与实用性，还需要考虑房屋的美观性与经济性，同时还要兼顾施工的便利性，能够按期的保质保量的将蓝图变成实物。因此，在结构设计过程中，必须对房屋结构设计进行优化，从而实现以上要求。笔者结合多年的工作经验，总结房屋结构设计优化方法，为后续房屋结构设计优化提供借鉴。
1结构设计优化方法理论体现
结构设计优化主要是考虑房屋结构安全、实用基础上使得其具有一定的美感。这种优化方案是通过一定的数学计算，将不同的结构设计方案进行对比分析，选择最优方案作为最终的设计方案，从而实现预期目标[1]。从结构设计优化理论角度出发，房屋结构设计优化可以分为分部工程结构优化以及总体方案优化两个方面内容。总体方案优化主要是对房屋的屋盖系统、围护结构、结构细部构造进行有针对性的优化设计。在优化过程中要充分考虑房屋的选型、布置、受力、造价、节能等方面，还需要综合考虑实际施工过程中施工技术是否能够满足该设计要求、房屋建筑是否经济，全方位、多角度的对房屋结构设计进行优化。随着设计理念的不断更新、建筑技术、建筑材料的不断更新，在结构设计优化过程中也应该不断地进行创新设计。结构设计人员应该时刻更新自己的知识储备，紧跟时代潮流，在保证房屋安全性的基础上实现结构形式的创新。在房屋结构设计过程中，设计人员应该尽可能缩小刚度中心以及质量中心的差异，所设计的房屋建筑平面尽量做到规则以及对称[2]。同时，加强对房屋受力的分析，保证房屋在水平荷载作用下不会由于力的作用使得房屋出现扭转的情况，能够满足用户使用功能的情况下，尽可能使得垂直方向上受力构件能够上下贯通。为了能够提高房屋的经济性能以及降低结构设计的难度，在设计过程中应该减少转换层的设计。垂直方向刚度方面，结构设计优化中也需要重点关注，在刚度上应该形成逐渐变化而非突变的形式，突变会使突变部位应力集中，致使结构产生薄弱部位。
2结构设计优化的意义
房屋建筑结构设计优化不仅能够提升建筑的美观性，充分有效地利用有限的空间，同时可以有效地控制工程造价。对建设单位来说，所需要得到的是利用较少的投入，能够获得最大的效益，并且房屋具有足够的安全性、可靠性以及科学性，这也是对结构设计优化的要求。根据大量的统计数据可以发现与传统的房屋结构设计相比，运用结构设计优化技术能够有效地降低工程造价6%~35%[3]。通过优化后的房屋结构设计可以使得每个部分相互协调，能够有效地提高空间的利用率，同时可以根据房屋的特性选择合理的建筑材料。在保证房屋安全系数的同时，能够提高房屋的实用性与经济性。
3结构设计优化技术应用步骤
3.1建立优化模型
对房屋整体结构进行优化时，通常情况下采用以下三个步骤完成:1）选择合理的设计变量。结构设计优化人员应该重点选择对房屋结构影响较大的参数作为设计的变量。例如约束控制的参数、目标控制的参数，具有包括结构可靠度、工程造价、损失期望值等指标。在结构优化过程中，对部分变化幅度不明显、影响程度不高的参数或者部分采用特定的参数就能满足要求,设计人员可以事先预定参数进行设计，这样设计人员在计算、设计、编程的过程中可以大大的减少工作量。2）确定目标函数。在优化的过程中，设计人员需要设定能够符合预定条件的钢筋截面积、构件几何尺寸以及其对应的失效概率，从而使得成本控制最优化。3）确定约束条件。房屋结构的安全性与可靠性是房屋结构设计的基础，是优化的前提条件。因此在函数设定的过程中,必须设定相应的约束条件。房屋结构设计优化的约束条件通常包含以下几个方面内容:尺寸约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构强度约束、应力约束、可靠指标约束、结构体系约束、确定下条件约束、弹塑性约束、极限状态约束等。在优化过程中，设计人员必须将实际项目情况的约束条件与假定的约束条件作对比，确保所设定的约束条件能够满足实际工程需求。
3.2方案设定、程序设计与结果分析
以可靠度为基础的房屋结构设计优化具有非线性以及多条件、变量复杂的特点，在优化结构计算的过程中，通常情况下将具有约束性的优化转化成为无约束性的优化函数进行计算。目前，我国结构设计优化中常用的计算方法有:复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。随着计算技术不断应用于设计领域，将基于可靠度进行的房屋结构设计优化方案以及选用的符合工程实际情况的优化计算方法运用计算机语言编制相关的程序，从而提高优化设计的运算速度以及满足结构优化的各项功能需求。在选定优化计算方法、建立相应的优化模型与优化程序的基础上，对结构设计进行优化。设计人员通过所编制的程序对方案进行处理后，必须对程序运行的结果进行比较分析,选择最佳的优化方案。在结果分析的过程中，结构优化人员必须对各个影响因素进行整体综合性考虑，多角度、全方位地考虑优化方案。优化方案结果分析对结构设计优化及其关键，对结果进行有效的分析能够从中选择安全性、实用性、合理性以及美观性有效协同的方案，同时，可以降低建筑施工难度，加快施工进度，降低建设投资。在优化过程中只考虑经济效益，忽略对技术方面的考虑是不正确的，在优化的过程中应该将两者相互统一，形成有机整体进行综合优化。
4结语
房屋结构设计优化是建筑结构设计中的重要环节，由于选择最佳的结构设计方案不仅将先进的施工技术融入到设计之中，使得建筑更科学，同时能够有效降低建设成本，提高房屋的经济性。但是，房屋结构设计优化是一项综合且复杂的系统性工程，需要设计人员具有较高的专业素养，较为丰富的结构设计经验，同时能够准确地把握当前的新施工技术、新型建筑材料。笔者结合多年的结构设计优化经验，从优化的步骤、方法、程序设计等方面展开论述，为后续结构设计优化提供借鉴。
参考文献:
篇8：浸洗台车结构设计的优化分析
实验动物中心作为现代化综合医院科学研究的技术平台和课题实施的研究基地,运行的优劣直接关系到课题完成的质量、科研数据的准确性及科研结论的可靠性[1]。良好的设备支持是硬件环境建设及环境设施安全运行和标准化控制的重要方面,也是实验动物质量和科研人员职业安全的重要保障[2]。
作为非人灵长类实验动物,其在生理学、形态解剖学与生理生化机能等方面与人类较为相似,在生命科学各个领域的实验过程中作为人类的“替身”,被广泛应用于传染病与疫苗研制、药理学、毒理学、生殖与避孕等领域的研究。尤其在药物毒理学、药(毒)代动力学、基因工程药和生物制剂等方面的非临床研究中,灵长类动物实验极为重要。因此,非人灵长类动物实验中的动物福利(animal welfare)问题应当引起足够的重视,该问题也涉及到我国的实验动物科学与国际接轨并获得国际认可的问题[3]。
在非人灵长类动物进出口检疫、转运和饲养过程中,定期进行预防性清洗消毒,保持动物及动物房卫生,是非人灵长类实验动物饲养工作中的一项经常性的重要工作,任何时候都不可疏忽大意。
为改善环境设施,提高动物福利和实验效果,提升相关人员职业安全防护水平,降低工作强度及操作风险,需要大量设备和装置,非人灵长类动物专用的浸洗台车就是新研制的一种配套非标设备。为了实现新产品的快速开发,这一产品的设计改进了传统的产品设计方法,充分借助CAD/CAE技术实现浸洗台车的设计验证和缺陷修改。
浸洗台车总体设计思路是:根据非人灵长类实验动物管理、使用、清洗及消毒的连续过程,在一个平台上完成相关工作,减轻管理人员的工作强度,提升非人灵长类实验动物的舒适度,提高实验动物管理水平。其主要技术特征为:在具体结构上借助三维CAD系统,以实际工作情况为基础进行整体结构设计,根据结构特点进一步做简化处理,借助CAE系统进行整体支撑钢结构强度分析,及早发现设计缺陷,实现优化设计。在实现创新的同时,提高设计质量,降低研发成本,缩短研发周期[4]。进一步优化是根据分析的结果,对设计结构进行修改,以使整体结构支撑点布局达到最优化状态。
2 分析计算
灵长类动物浸洗台车包括清洗装置和消毒装置,由箱体、大功率热水器上水管线、PVC材料下水管线及不锈钢支撑结构和板面组成,本文针对其不锈钢支撑结构进行优化分析。
2.1 浸洗台车三维模型的建立
根据设计要求,借助CAD系统建立浸洗台车不锈钢支撑结构的三维几何模型,其固定装配结构设计为2种形式,分别以工况下整体钢结构的受力情况进行强度分析,选定更合理的结构,并进一步优化。整体完成后的模型如图1所示,分析用钢结构如图2所示。
利用所熟悉CAD系统快速建模,建成的实体模型可输入到ANSYS中构建有限元模型进行分析。这一建模思路可以避免对现有CAD模型的重复劳动,从而生成待分析的实体模型[5]。
有限元网格选用三维四面体单元,采用直接生成节点和单元的方法建立有限元模型,这一类型单元可保证计算的足够精确性。有限元网格的单元数为155 181,节点数为56 519。网格划分完毕,即进行载荷与边界条件的添加。根据不锈钢支撑结构的实际工作状态,载荷与边界条件的添加过程如下:
(1)位移边界条件为约束底平面架支撑点,约束3个方向的平动和转动;
(2)根据2个筒体的不同受力情况,对有限元模型添加相应载荷;
(3)进行网格划分,生成有限单元网格。
完成后的有限元模型如图3所示。
2.2 强度分析
对于无底支撑和有底支撑这2种不同装配结构的不锈钢支撑结构有限元模型进行分析计算,得出其应力分布情况如图4~6所示。
通过上面计算,我们可以分析出钢结构整体受力情况,具体结果如下:
(1)有底支撑的不锈钢支撑结构在整体支撑受力方面优于无底支撑结构;
(2)2种不锈钢支撑结构中,不同位置的各支撑杆受力分布不均匀,有待于进一步改进整体结构形状和支撑点;
(3)整体不锈钢支撑结构中,各支撑点有待于进一步合理布控;
(4)对整体不锈钢支撑结构中,局部应力比较集中区域增加加强筋结构,以增强刚度;
(5)对大变形筒体进一步设计改进,减小变形量,确保配套电动机的定位安装。
2.3 不锈钢支撑结构改进优化分析
针对上面分析显示出的不足之处,对其具体结构作了针对性的改进,具体如图7~8所示。
从图7~8可以看出,通过进一步的结构改进,在不降低整体不锈钢支撑结构强度的情况下,优化了设计结构,取得了比较满意的效果。当然,这其中还有许多细节需要进一步优化和完善,但总体上达到了预研项目的前期设计要求,为进一步做好具体设计工作奠定了坚实的基础。
3 讨论
计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域的科学计算、设计、分析中,成功地解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。了解建模方法以及有限元分析的基本理论,可以更好地在工程中应用。通过这些方法的学习和使用,能够更加有效、快捷地对产品进行设计制造,降低产品研制成本,提高产品的市场竞争力。
本研究借助先进的CAD/CAE技术,针对浸洗台车工作的典型工况,简化了载荷、约束的施加,对不锈钢支撑结构主要承力部件进行了整体建模。通过数值计算方法对不锈钢支撑结构进行了优化设计,在满足应力、应变约束的条件下,减轻了整体质量,合理设计布控不锈钢支撑结构承力点,同时,对改进后整体不锈钢支撑结构又进行了强度校核,均满足设计要求。利用数值仿真方法进行优化设计,不失为一种有效的设计方法,可用于完成类似复杂结构的产品设计。
提高实验动物管理及科研水平、保障从业人员的健康,是实验动物科技人员共同努力的目标和研究课题[6]。非人灵长类动物浸洗台车设计新颖、操作方便、易于清洗消毒,提高了实验动物管理和职业卫生防护水平,具有良好的推广应用前景。
摘要：目的:研制一种用于非人灵长类动物清洗消毒的专用设备。方法:利用CAD/CAE技术,针对主体框架进行CAD建模并简化主要承力部件载荷和约束的施加,进行CAE强度分析计算,以结构布局合理为优化目标。结果:减轻了整体质量,合理设计布控了支撑结构承力点。结论:该浸洗台车设计新颖、操作方便、易于清洗消毒,提高了实验动物管理和职业卫生防护水平,具有良好的推广应用前景。
关键词：CAD/CAE,主体框架,优化分析
参考文献
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