緒論：寫作既是個人情感的抒發(fā)，也是對學術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

隨著社會的發(fā)展，人們對于建筑的要求越來越高。建筑工程的結(jié)構(gòu)越來越復雜，建筑面積越來越大，建筑層數(shù)越來越高，要求建筑成本控制與建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，對建筑工程提出了更多的挑戰(zhàn)。采取相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，提高設(shè)計水平，能夠降低當前的投資成本，提升建筑質(zhì)量。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括房屋整體設(shè)計的優(yōu)化和內(nèi)部細節(jié)的優(yōu)化，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化建設(shè)中，對相關(guān)的制約因素進行分析，落實優(yōu)化技術(shù)措施，提升優(yōu)化水平，能夠促進建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升。本文從建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念與優(yōu)化技術(shù)探討建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)措施。

1、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)概述

1.1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)概念

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)建筑工程的需求，考慮到布置、造型、造價等因素，運用相關(guān)的技術(shù)和方法，對建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容進行優(yōu)化設(shè)計，確保設(shè)計工程質(zhì)量與施工效率的技術(shù)的總稱。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)具有自身的顯著特征，設(shè)計過程中，需要在考慮建筑工程需求的基礎(chǔ)上，采取針對性的設(shè)計策略，對不同的設(shè)計方案進行對比，選擇最優(yōu)方案，對工程建設(shè)進行指導，提升工程建設(shè)項目效益。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)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(zhì)量的前提下，對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。具體而言，建筑工程優(yōu)化的主要內(nèi)容包括對房屋的整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及房屋細節(jié)構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計，通過整體和部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，逐步進行劃分，從而獲得最優(yōu)化的分析設(shè)計。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義

通過優(yōu)化設(shè)計，能夠提升建筑空間的使用效率。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，能夠提升設(shè)計水平，對各部分結(jié)構(gòu)進行合理的安排，確保建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠節(jié)省成本5-20%，從而提升建筑工程效益。

2、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)組成

為了提升建筑的建設(shè)質(zhì)量，具體的優(yōu)化技術(shù)包括以下方面。

2.1 概念優(yōu)化設(shè)計

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

2.2 樁基優(yōu)化技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)樁基優(yōu)化措施包括以下方面：（1）樁靜載荷試驗以及單樁承載力調(diào)整，基礎(chǔ)試樁以及工程樁的檢驗可以看到，近年來許多基礎(chǔ)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(chǔ)的計算，能夠提升樁基工程的承載力穩(wěn)定性，降低樁基工程成本，提升樁基工程的效益，在樁基結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，需要按照試驗樁進行樁基設(shè)計與施工，按照樁基承載力以及荷載試驗進行研究，通過調(diào)整單樁承載力的特征值，優(yōu)化樁基數(shù)量計算；（2）樁身配筋調(diào)整，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)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(chǔ)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(shù)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(jié)構(gòu)的計算中，部分結(jié)構(gòu)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(shù)的基礎(chǔ)上，進行配筋計算，確保所有樁基的配筋率均能滿足樁基礎(chǔ)的承載需求，滿足樁基裂縫控制的目的；從樁身出發(fā)，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(yōu)化設(shè)計技術(shù)

施工優(yōu)化設(shè)計技術(shù)主要包括以下的流程：（1）結(jié)構(gòu)整體和局部優(yōu)化，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化應該具有層次慈寧宮，從設(shè)計體系、結(jié)構(gòu)體系、安裝體系等多層次的體系，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的需求，確保設(shè)計體系的完整性，除了結(jié)構(gòu)整體設(shè)計之外，還需要從材料選取、構(gòu)件選擇、結(jié)構(gòu)類型等方面完成優(yōu)化選擇，確保所選擇的材料滿足建筑結(jié)構(gòu)的需求，從整體入手，細化設(shè)計工作，提高設(shè)計水平；（2）樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從樁基礎(chǔ)施工開始，合理選擇樁基施工技術(shù)，當前常用的樁基礎(chǔ)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(zhì)量可靠，能夠顯著提高地基承載力，根據(jù)地質(zhì)特點與建筑工程的需求選擇樁基礎(chǔ)施工技術(shù)；在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)建筑方案合理布置柱、剪力墻等豎向構(gòu)件，保證其滿足側(cè)向剛度和承載能力的要求的前提下，達到最優(yōu)的經(jīng)濟性；（3）不同階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、細部結(jié)構(gòu)等各部分設(shè)計時，從整體到細部進行合理優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)各部分的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計中，除了確保建筑的設(shè)計安全之外，還需要保障設(shè)計的美觀，在建筑結(jié)構(gòu)柱、墻的設(shè)計中，在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量簡化建筑系統(tǒng)，選擇自重較輕的原料，以實現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)自重的目的，同時確保各部分的結(jié)構(gòu)美觀，在應力集中、受力方向較多的轉(zhuǎn)角區(qū)域進行加固措施，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。

3、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應用策略

3.1 前期優(yōu)化設(shè)計

前期設(shè)計是影響建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，在建設(shè)過程中，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的需求，考慮到結(jié)構(gòu)的合理性以及可行性的情況下，對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行有關(guān)設(shè)計。在前期設(shè)計中，除了確保結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足建筑的需求之外，還需要結(jié)合建筑的成本、計算設(shè)計等方向進行分析，設(shè)計合理的建筑方案與施工方案，盡量降低總投資，確保設(shè)計的合理性。

3.2 合理的運用概念設(shè)計

概念設(shè)計是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容，在概念設(shè)計中，通過對建筑結(jié)構(gòu)進行分析，再此基礎(chǔ)上提高房屋性能、經(jīng)濟性，確保房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，合理的運用計算程序，對建筑結(jié)構(gòu)的周圍環(huán)境與建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進行分析，合理的篩選設(shè)計方案，從而選擇最優(yōu)的概念設(shè)計方案。比如在地震區(qū)的建筑設(shè)計中，需要對地震區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進行分析，考慮到建筑結(jié)構(gòu)減震的需求，合理的選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；在概念設(shè)計中，合理的選擇設(shè)計軟件與信息技術(shù)，根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗進行判斷，確保最終方案的適用性與經(jīng)濟性。

3.3 解決房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際復雜問題

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，需要考慮到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜問題，從前期設(shè)計開始，加強結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計管理，通過概念優(yōu)化設(shè)計，加強建筑物的抵御能力，確保建筑物能夠抵抗外部環(huán)境的影響，增強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，同時達到合理的節(jié)省建筑總的建造成本。

4 結(jié)語

建筑是凝固的藝術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是確保建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效措施，對于建筑結(jié)構(gòu)具有重要的意義。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工的原則，對建筑結(jié)構(gòu)的整體以及細部進行合理設(shè)計，有效的發(fā)揮建筑的空間效果，降低建筑成本，優(yōu)化設(shè)計的各個部分，提升設(shè)計水平的提升，提升建筑工程質(zhì)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(jié)構(gòu)是一種用量最大也是最普通的一種結(jié)構(gòu)形式, 一般設(shè)計人員用計算機軟件分析, 很快就能得到分析結(jié)果, 如果設(shè)計人員掌握了一般的結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念和方法, 設(shè)計人員在追求設(shè)計速度的同時就可以進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案, 那么通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計每年節(jié)約的建筑材料是相當可觀的, 而且結(jié)構(gòu)整體性能也大大提高。

一、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及步驟

1、常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法概述

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計大致可以分為三類, 即尺寸優(yōu)化、性能指標優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

( 1) 尺寸優(yōu)化。

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

( 2) 性能指標優(yōu)化。

常用的形狀設(shè)計方法將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點的幾何信息取為設(shè)計變量, 由這些控制點生成結(jié)構(gòu)的邊界, 從而達到改變結(jié)構(gòu)的形狀, 使目標函數(shù)最優(yōu)的目的。性能指標優(yōu)化既可以改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸, 又可以改變結(jié)構(gòu)的形狀。

( 3) 拓撲優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。它不僅要解決尺寸優(yōu)化問題, 還要確定結(jié)點間桿件的連接方式, 是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中更為困難、更具挑戰(zhàn)性的課題。

2、優(yōu)化設(shè)計步驟

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

( 1) 給定參數(shù)。指預先給定的描述結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)。在優(yōu)化過程中,其值是固定的, 因此可以作為常數(shù)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(shù)。

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

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

( 4) 構(gòu)建約束條件。優(yōu)化設(shè)計尋求目標函數(shù)極值時的某些限制條件, 稱為約束條件。它反映了有關(guān)設(shè)計規(guī)范、計算規(guī)程、運輸、安裝、施工、構(gòu)造等各方面的要求, 有的約束條件還反映了優(yōu)化設(shè)計工作者的設(shè)計意圖。

二、鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(qū)域），上部結(jié)構(gòu)由7 棟高層塔樓組成。施工圖完成后受業(yè)主委托，對該工程地下部分進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化咨詢。該工程優(yōu)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(xiàn)行的國家以及地區(qū)的行業(yè)規(guī)范、規(guī)程，確保建筑物安全和抗震能力為前提，通過對該工程的結(jié)構(gòu)分方案和各類構(gòu)件的截面、配筋優(yōu)化，最大限度的降低建筑材料和人工消耗，優(yōu)化過程以定性分析為主，輔以重點優(yōu)化部位的定量計算分析，主要優(yōu)化內(nèi)容如下。

1、對基礎(chǔ)形式進行優(yōu)化

原設(shè)計基礎(chǔ)形式高層部分采用板式筏板基礎(chǔ)、多層和單獨地下室部分采用柱下獨立基礎(chǔ)，因場地持力層有一定起伏，原設(shè)計為滿足基礎(chǔ)持力層的最低標高，將基礎(chǔ)底標高均取- 6.8m 左右，同時在- 5.200 標高設(shè)地梁、地下室底板，導致基礎(chǔ)板與地下室底板間高差很小，結(jié)構(gòu)不合理，且土方開挖、回填量增加，基礎(chǔ)與地下室底板間施工難度較大。優(yōu)化設(shè)計將獨立基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)頂標高均改為- 5.200，使地下室底板頂標高與筏板基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)頂標高一致，同時對局部基礎(chǔ)不能進入持力層的，采用毛石回填的方法解決，優(yōu)化后基礎(chǔ)受力更加合理，同時原設(shè)計筏板基礎(chǔ)上方地梁和底板完全取消，節(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的突出表現(xiàn)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(xiàn)實中對建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)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(zhì)量保證中找到一個最優(yōu)的平衡點，這就是目前建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的意義所在。

1.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的概述

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本理論建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要體現(xiàn)在建筑工程的決策階段、設(shè)計階段、建設(shè)階段。在建筑工程的決策階段，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shè)計階段，確定每一個子系統(tǒng)及整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局；在建筑工程的建設(shè)階段，以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為建設(shè)原則，組織建設(shè)好每一個子系統(tǒng)從而實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局。決策階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇是關(guān)鍵，設(shè)計階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是核心，建設(shè)階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化建設(shè)是基礎(chǔ)，3個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本要求:功能性建筑是人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標就是為了滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計相互協(xié)調(diào)密切配合的結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理，成為實際意義上的"經(jīng)濟適用"房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在建筑工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和建筑工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計量方面。

2.1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案

在設(shè)計模型已經(jīng)優(yōu)化后，工程師可以在概念、經(jīng)驗和估算的基礎(chǔ)上借助計算機進行可靠的分析計算，經(jīng)過多次計算比較和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理和經(jīng)濟。在利用計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計程序進行結(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸、荷載數(shù)據(jù)等應認真核對、力求準確無誤，對計算參數(shù)的選取要正確合理，注意實際結(jié)構(gòu)與計算模型的差異。最后可以利用程序的工程量統(tǒng)計功能進行不同結(jié)構(gòu)形式的對比，以找出最優(yōu)方案。

2.2進行程序設(shè)計。根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

2.3結(jié)果分析。對計算結(jié)果進行分析，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

在執(zhí)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(shè)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(guī)和考慮，不能僅僅為了節(jié)約資金投入而忽視了設(shè)計的優(yōu)化作用。要正確處理技術(shù)與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計中既要反對片面強調(diào)節(jié)約，忽視技術(shù)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(shù)，輕經(jīng)濟、設(shè)計保守浪費的現(xiàn)象。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化經(jīng)濟性

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟性是市場經(jīng)濟條件下對資源配置提出的新要求。經(jīng)濟性是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，最大化的節(jié)約各種材料資源，達到減少建設(shè)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計能科學合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設(shè)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(jié)構(gòu)的自重會增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應增加，水衛(wèi)和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節(jié)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(jié)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(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)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(jīng)濟性能6%-34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實現(xiàn)建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節(jié)省，達到了建筑工程設(shè)計對適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優(yōu)化設(shè)計手段，達到這5個方面的最佳結(jié)合，符合現(xiàn)今建筑商對于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。

4.工程概況及應用實例

麗翠苑住宅小區(qū)位于中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)，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(guī)范要求的嵌固構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，在裙樓五層處進行高位轉(zhuǎn)換。

結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生的荷載效應的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計要求，裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，主樓采用剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)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(guī)則，因樓梯、電梯間均設(shè)置在核心筒內(nèi)，為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力，剪力墻結(jié)合樓電梯間在主樓范圍內(nèi)采取了加強處理，具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)換柱的所在位置來設(shè)置，以避免二次轉(zhuǎn)換及盡量減少需要轉(zhuǎn)換的剪力墻，經(jīng)過多輪的調(diào)整后，將原來方案中需要轉(zhuǎn)換的剪力墻減少了四條，使轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)大為減少，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，對經(jīng)濟性亦有提高。

5.結(jié)束語

綜上所述，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shù)與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵。對建筑工程進行優(yōu)化設(shè)計一直是結(jié)構(gòu)師們共同的目標，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是一個比較科學系統(tǒng)的設(shè)計過程，不能片面強調(diào)節(jié)約投資,而降低技術(shù)和質(zhì)量標準,又要反對重技術(shù)、輕經(jīng)濟,設(shè)計保守浪費的現(xiàn)象。 因為影響工程造價和建筑質(zhì)量的因素有很多，所以在實際的建筑機構(gòu)設(shè)計中，一定要充分的考慮各方面的因素，在每個細節(jié)上都力求優(yōu)化， 只有這樣才能實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最終目的，以更好的服務于我國建筑業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

1.談建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].建筑科學，2009(4).

2.張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少建筑投資成本[J]. 陜西建筑，2008(11).

篇（4）

1概述

優(yōu)化設(shè)計指的是在設(shè)計過程中尋找最完善的設(shè)計方案，從而滿足所有的設(shè)計要求。現(xiàn)如今，科學技術(shù)發(fā)展迅速，有限元分析技術(shù)也日漸完善，并逐漸被應用于機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，不僅能夠為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供便利，而且能夠有效提高數(shù)據(jù)的準確性，應用優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應用于大型機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)進行設(shè)計過程中，可以結(jié)合實際情況選用具體的制圖軟件對機械構(gòu)件進行建模設(shè)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(zhì)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(jié)果。在對機械構(gòu)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(yōu)化設(shè)計分析，但是通過應用ANSYS有限元分析軟件，只需要根據(jù)設(shè)計參數(shù)語言，對機械構(gòu)件的參數(shù)進行調(diào)整，就可以完善機械構(gòu)件的設(shè)計和分析過程，在最大程度上縮短機械構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計所需時間，減少設(shè)計人員的工作量。

3ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

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

3.2ANSIS優(yōu)化設(shè)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(yè)技術(shù)人員，在復雜程度比較高的機械設(shè)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(yōu)化設(shè)計辦法和優(yōu)化設(shè)計工具，ANSIS用戶在對不同的問題進行優(yōu)化設(shè)計時，可以有針對性地選用相應的優(yōu)化設(shè)計工具或者辦法，從而簡化分析過程，提供優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的精準性。

4ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例

4.1問題描述

某機械設(shè)備是由5節(jié)箱型同步伸縮臂所構(gòu)成的，所有的伸縮臂展開后，整個機械設(shè)備的長度約為27.0m，通過ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，能夠有效滿足機械設(shè)備的強度要求和剛度要求，這樣不僅能夠有效降低機械設(shè)備自重，而且還能夠有效降低設(shè)備造價。4.2有限元分析4.2.1建立模型。以機械設(shè)備的初始結(jié)構(gòu)、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(guān)鍵點，然后依次建立線、面、體，最終形成實體模型。在網(wǎng)格劃分方面，可以綜合應用自由網(wǎng)格劃分以及人工設(shè)置網(wǎng)格尺寸的方式完成。4.2.2約束及載荷處理。在該機械設(shè)備設(shè)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(zhuǎn)動自由度，并且注意釋放銷軸中心位置的互轉(zhuǎn)自由度，對于該設(shè)備伸縮臂與滑塊之間的接觸點位置，可以采用節(jié)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(shè)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(shù)據(jù)直接計入總載荷中并進行自重計算。另外，對于該機械設(shè)備伸縮臂上的所有附屬裝置，都可以將其質(zhì)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(jié)果。通過對這一機械設(shè)備進行ANSYS有限元分析，當該設(shè)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(jié)臂位置的大部分區(qū)域的應力則比較小，最大應力主要分布于各個節(jié)臂以及滑塊的接觸位置，根據(jù)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(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型的建立

4.3.1設(shè)計變量。在該機械設(shè)備的ANSYS優(yōu)化設(shè)計過程中，由于其各個節(jié)臂的長度是在優(yōu)化設(shè)計前根據(jù)作業(yè)范圍來確定的，因此在優(yōu)化設(shè)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(jù)幾何關(guān)系逐步調(diào)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(yōu)化設(shè)計變量，其中對于Ti可以根據(jù)連續(xù)變量進行考慮。4.3.2目標函數(shù)。在本次優(yōu)化設(shè)計過程中，最為主要的目標在于保障設(shè)備正常使用功能的基礎(chǔ)上盡量減小設(shè)備體積和自重，材料體積越大，則設(shè)備質(zhì)量越大，因此可以將各節(jié)臂總體積WVOLU作為本次優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。4.3.3狀態(tài)變量。在本次優(yōu)化設(shè)計過程中，狀態(tài)變量有兩種，分別為部件作業(yè)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(yōu)化設(shè)計過程中，為了保證設(shè)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(shè)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(yōu)化設(shè)計過程中，為了簡化模型的計算時間，提高建模進度和經(jīng)濟性，不需要考慮風載荷的影響。但是，在ANSYS優(yōu)化設(shè)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(shè)備材料的力學性能，在本工程中，將應力值STRESS控制在375MPa以內(nèi)；（3）尺寸約束條件：綜合考慮初始結(jié)構(gòu)尺寸與各個節(jié)臂尺寸之間的關(guān)系，以及伸縮臂內(nèi)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(jù)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(yōu)化過程及結(jié)果分析

4.4.1部件各節(jié)臂厚度的優(yōu)化。在對各個節(jié)臂厚度進行優(yōu)化設(shè)計時，需要對鋼板厚度及其他設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計，同時還需要注意將目標函數(shù)的允許誤差控制在1%以內(nèi)，加上初始數(shù)據(jù)，通過16次優(yōu)化循環(huán)，總共得到17組數(shù)據(jù)。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(shè)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(yōu)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(yōu)化設(shè)計，設(shè)計變量為高度H以及寬度B，目標函數(shù)允許誤差應該控制在初始體積的1%以內(nèi)，總共需要進行6次優(yōu)化循環(huán)，再加上初始值，總共獲得7組數(shù)據(jù)，并采用隨機搜索的方式進行驗證，確保計算結(jié)果的一致性。4.4.3結(jié)果分析。通過對該機械設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，所得結(jié)果如表1所示，由此可見，部件總體積在優(yōu)化前為0.143m3，優(yōu)化后為0.105m3，體積減少26.4%。由此可見，在本次ANSYS優(yōu)化設(shè)計過程中，在保證設(shè)備剛度和強度符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量減少設(shè)備材料體積，能夠達到很好的優(yōu)化結(jié)果。5結(jié)語綜上所述，對于機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，能夠獲得最優(yōu)設(shè)計方案。通過應用ANSYS有限元分析軟件進行優(yōu)化設(shè)計，能夠簡化計算過程，有效提高機械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)改進及強度分析[J]．機械設(shè)計，2013，30（1）.

篇（5）

自從改革開放以來，我國市場經(jīng)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(yè)施工成本日益攀升。在這種設(shè)備背景下，建筑工程施工人員利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的方法來對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對資源進行合理配置已成為提高建筑經(jīng)濟效益的主要手段，也是現(xiàn)代化建筑工程中備受人們關(guān)注和重視的工作環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應用一方面為房屋結(jié)構(gòu)建設(shè)指明了發(fā)展新方向，也為現(xiàn)代化社會發(fā)展提供了充足的能源保障。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述

隨著我國建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的高層建筑拔地而起，為建筑行業(yè)發(fā)展指明了新方向的同時也為房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展提出了艱巨挑戰(zhàn)。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(jié)構(gòu)的可靠性、經(jīng)濟性已成為一個世界性話題，也是建筑業(yè)內(nèi)人士研究的重點話題。另外，隨著建筑市場的發(fā)展和建筑材料的不斷涌現(xiàn)，更多的新興建筑材料被應用在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，起到越來越重要的作用，同時也造成了傳統(tǒng)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)化，從而發(fā)揮出應有的設(shè)計目標。

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

所謂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是指工程結(jié)構(gòu)在滿足相關(guān)約束條件的基礎(chǔ)上，按照預定的目標求出最優(yōu)化的設(shè)計方案和設(shè)計策略，以實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益。在一個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，其主要的工作環(huán)節(jié)大致可以分為假設(shè)、分析、核對、重新設(shè)計幾個方面。其中能夠重新設(shè)計的主要目的在于選擇出一個科學、經(jīng)濟、合理的方案，但是它在應用中只是一個分析的環(huán)節(jié)。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計構(gòu)成

房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個綜合化、系統(tǒng)化的工作環(huán)節(jié)，其在工作中包含有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)學模型的優(yōu)化設(shè)計、變量優(yōu)化設(shè)計、目標函數(shù)設(shè)計和約束條件分析等環(huán)節(jié)。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方法

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

1、保障設(shè)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(guān)注，這也是建筑結(jié)構(gòu)美觀性得以保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這種建筑工程環(huán)節(jié)中，建筑設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計以及建筑作用設(shè)計都是一種全面系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。在這種結(jié)構(gòu)條件下，結(jié)構(gòu)設(shè)計通常都是以追求實用、經(jīng)濟、美觀和便于施工為主要目的的結(jié)構(gòu)模式。因此在設(shè)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(shè)計模式的主要意義在于以經(jīng)濟方式的發(fā)展和前進為基礎(chǔ)，從而在工作中實現(xiàn)了房屋結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化、全面化發(fā)展模式。

2、模型設(shè)計優(yōu)化

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作中，通常情況下在設(shè)計中對要遵循一切從實際出發(fā)的優(yōu)化與設(shè)計原則，并且在工程項目中我們需要布置一套系統(tǒng)化的管理模式，同時還需要根據(jù)我們目前存在的相關(guān)情況和工作模式進行系統(tǒng)化的管理與總結(jié)，從而使得工程環(huán)節(jié)中的設(shè)計意圖和設(shè)計宗旨都能夠達到最佳標準和要求。在目前的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作中，對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計影響最大的設(shè)計模式和變動方式都是以函數(shù)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(shù)來進行分析，并且要根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體性、全面性優(yōu)化手段來系統(tǒng)深入的進行總結(jié)和完善。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的實踐應用

在目前的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除了在工作中需要考慮到設(shè)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(shè)計工作中將設(shè)計對象做的盡善盡美，這也是工程和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作中最值得我們關(guān)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(shù)學方法將所有可能涉及到工程環(huán)節(jié)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(shè)計方案。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計并不進行參與，建筑師進行建筑設(shè)計時大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成影響，某些方案可能會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計方案，獲得一個良好的開端。

（2）概念設(shè)計結(jié)合細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

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

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的現(xiàn)實意義

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計降低總造價

進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)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(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)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(jié)約量就不與建筑層數(shù)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(shù)的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。

2）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應增加，水衛(wèi)和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節(jié)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(jié)約了用地。

五、結(jié)束語

與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法可以使建筑工程造價降低6%-34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實現(xiàn)建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節(jié)省，達到了建筑工程設(shè)計對適用、安全、經(jīng)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(tǒng)工程，深基坑工程在穩(wěn)定性與可靠性都方面很大程度受支護方案的設(shè)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(xiàn)失穩(wěn)并增加工程造價等問題。對此對支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中應考慮到施工環(huán)境與施工狀況，實現(xiàn)工期縮短并使造價得以節(jié)約的目標。然而現(xiàn)行優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)方面仍存在一定的不足，需在此基礎(chǔ)上采取相應的優(yōu)化措施以使設(shè)計質(zhì)量得以提高。

一、支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)理論概述

對深基坑支護的概念，根據(jù)以往學者研究可將其概括為利用支擋方式實現(xiàn)對深基坑周邊環(huán)境的保護以及側(cè)壁的加固。目前支護結(jié)構(gòu)在深基坑中的應用若從結(jié)構(gòu)原理或應用材料性質(zhì)角度，主要可劃分為邊坡穩(wěn)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(shè)計與開挖中以工程實際情況包括經(jīng)濟因素、環(huán)境因素、地質(zhì)氣候條件、材料應用以及施工技術(shù)等進行結(jié)構(gòu)型式的合理選擇。同時需提及的是在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)方面首先需做好方案的優(yōu)化工作，其具體指為根據(jù)深基坑設(shè)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(guān)于支護結(jié)構(gòu)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(jù)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(yōu)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(shè)置相應的支撐靠梯，避免存在踩踏支撐進行作業(yè)的情況[1]。

二、優(yōu)化支護細部結(jié)構(gòu)中存在的主要問題

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

（一）優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在的弊端

優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)過程中若以數(shù)學語言進行描述主要需考慮到如何選取變量、構(gòu)建目標函數(shù)并確定相關(guān)的約束條件等內(nèi)容。但如前文所述深基坑支護結(jié)構(gòu)本身受較多不確定因素影響，設(shè)計中存有許多離散變量，一定程度上使優(yōu)化過程中易出現(xiàn)組合爆炸問題。為簡化優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，通常需利用基本李學內(nèi)容對其分析，這就要求充分考慮支護結(jié)構(gòu)的安全性、土壓力等內(nèi)容，將造價最后為設(shè)計的主要目標進行函數(shù)的優(yōu)化，以此得出相應的設(shè)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(nèi)容且涉及極為繁瑣的計算過程，是細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(shè)計要求提供符合施工要求的具體方案。以往許多設(shè)計人員與學者在此方面提出極多理論性極強的設(shè)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(nèi)容，不具備較強的實用性，導致具體設(shè)計過程中仍以工程人員依靠個人經(jīng)驗進行具體判斷。同時在支護方案構(gòu)建方面，雖然關(guān)于細部結(jié)構(gòu)如何進行優(yōu)化設(shè)計已提出許多策略，但如何構(gòu)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(guān)條件如水文地質(zhì)條件、經(jīng)濟因素以及環(huán)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要問題[2]。

三、完善支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體路徑

（一）對優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)的內(nèi)容與設(shè)計原則進行明確

在優(yōu)化內(nèi)容方面，完成支護方案確定后主要優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的支護參數(shù)，如施工方案中體現(xiàn)的錨支護，在細部優(yōu)化中便需對錨桿的具體設(shè)計位置、樁距數(shù)等內(nèi)容進行體現(xiàn)并優(yōu)化。而在設(shè)計原則方面，要求滿足相關(guān)施工規(guī)范標準的基礎(chǔ)上，注重對支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)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(shù)優(yōu)化相關(guān)的支護參數(shù)等。

（二）優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)設(shè)計的路徑

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

（三）具體工程實例分析

以我國某地區(qū)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(jù)實際勘測調(diào)查，場地在地震設(shè)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(shè)的一般性場地。而在水文地質(zhì)方面，通過勘察結(jié)果得出地下水在30.0m之內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)合國內(nèi)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(wǎng)片在表面進行鋪設(shè)，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(shè)計后，便需優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)置其中，在支護高度方面設(shè)計為24.80m，并對樁頂設(shè)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(yōu)化設(shè)計后，發(fā)現(xiàn)在支撐道數(shù)不變的情況下可優(yōu)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(yōu)化效果[4]。

結(jié)論：支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是保證深基坑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的重要途徑。實際優(yōu)化設(shè)計過程中應正視深基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化的內(nèi)涵，立足于當前優(yōu)化設(shè)計過程中存在的不足，在此基礎(chǔ)上通過方案的確定、變量的選擇、目前函數(shù)的確定以及相關(guān)模型的構(gòu)建完成優(yōu)化設(shè)計的具體計算，通過文中的實例也充分說明在保證設(shè)計方案等合理的情況下，只需探求其中既可滿足經(jīng)濟效益提高又符合結(jié)構(gòu)安全標準的平衡點，便可實現(xiàn)支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標。

參考文獻：

[1]丁敏. 深基坑支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用分析[D].重慶大學，2012.

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

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化概述

結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法主要包括兩個方面，一個是從整體出發(fā)，對結(jié)構(gòu)模型進行合理調(diào)整，通過控制位移、剛度等參數(shù)保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。另一個是從分部出發(fā)，對建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化設(shè)計。對這些分部進行優(yōu)化設(shè)計時，需要對建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，要以建筑工程的實際情況為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)建筑的經(jīng)濟效益和綜合效益為目標進行設(shè)計優(yōu)化。另外，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計前，要對建筑的功能準確掌握，在此基礎(chǔ)上盡可能地使各個平面布置的均勻、規(guī)則，使不同部位的質(zhì)量和剛度差異得到縮小，避免建筑物在水平荷載作用下發(fā)生巨大扭轉(zhuǎn)。豎向上要盡可能避免轉(zhuǎn)換層的使用，避免應力集中問題的發(fā)生。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

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

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計算方案時，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o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(shè)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(yōu)化結(jié)果。

3、推廣設(shè)計標準規(guī)范和標準設(shè)計

工程設(shè)計標準規(guī)范的形成，來源于大量成熟的、行之有效的實踐經(jīng)驗和科技成果，是科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的必要途徑。優(yōu)秀的工程設(shè)計標準和規(guī)范，不僅優(yōu)化了設(shè)計，減少設(shè)計的盲目性，還將大大提高設(shè)計速度，有效降低項目的全壽命費用。在標準規(guī)范中可以對一些重要的部位采取設(shè)計經(jīng)濟指標限額制度，對一些設(shè)計部位使用“宜”或“不宜”等引導性語言提示設(shè)計人員對方案進行優(yōu)化，鼓勵他們在設(shè)計中大膽使用新工藝和新材料。整體結(jié)構(gòu)的科學性和合理性是新規(guī)范特別強調(diào)內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計計算、配筋構(gòu)造方面均有重大更新和補充，特別是對抗震及結(jié)構(gòu)的整體性，規(guī)則性作出了更高的要求。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用分析

1、對建筑主體上部結(jié)構(gòu)進行的科學性優(yōu)化

房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計應當建立相應的模型并進行系統(tǒng)的優(yōu)化。整個過程第一步就是先合理地設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)量，還能在符合規(guī)范的條件下減少混凝土的使用量。另外，剪力墻內(nèi)的暗柱一般都設(shè)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(shù)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(yōu)化

建筑在設(shè)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(shè)計體系、結(jié)構(gòu)相關(guān)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(shè)計時，設(shè)計者要對每一個下屬系統(tǒng)地進行相應的優(yōu)化，沖破關(guān)聯(lián)的橫向性，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化時要從整體入手，才能真正實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計優(yōu)化。

3、材料優(yōu)化設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)在材料方面的優(yōu)化就是使建筑材料最充分的利用，對材料的選擇很關(guān)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(zhì)量，當然還能最大化地降低成本，節(jié)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(zhì)、各項質(zhì)量指標熟悉了解，購買時本著經(jīng)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(shè)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(xiàn)在市場中鋼筋的種類很多，所以好的優(yōu)化設(shè)計方案應該是在滿足設(shè)計承載力要求的前提下，選擇適合的鋼筋種類和數(shù)量，這樣就能很大程度上降低資金投入。

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建筑優(yōu)化保持協(xié)調(diào)

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計既要保證結(jié)構(gòu)的整體性，又要與建筑平面功能緊密配合，這樣才能實現(xiàn)建筑本身的功能與結(jié)構(gòu)相應合理性的效果。對于建筑系統(tǒng)來講要保證平面簡潔，墻體與立柱不能有錯位的現(xiàn)象，高度與截面的面積相通。在樓體設(shè)計時，自身受力較多的轉(zhuǎn)角區(qū)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(jié)構(gòu)整體來講要保證重心、剛心、質(zhì)心三者正確交疊，防止扭轉(zhuǎn)的狀況出現(xiàn)。

5、直覺優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

即使對于同一個建筑方案，結(jié)構(gòu)布置方面也可能存在諸多的差異。建筑結(jié)構(gòu)的布置如已經(jīng)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(shè)計參數(shù)、材料和荷載的取值，對于建筑結(jié)構(gòu)的細部處理，更是存在著諸多的差異。現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計人員進行科學的判斷。在判斷的過程中，需要嚴格依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般規(guī)律，總結(jié)過去的工程實踐經(jīng)驗，這也就是我們所說的概念設(shè)計。

篇（8）

0 概述

科學技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，壽命期縮短，復雜性增加，更新?lián)Q代速度變快。此外，由于國際化市場的激烈競爭，用戶對產(chǎn)品功能、質(zhì)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(shù)為代表的現(xiàn)代科學技術(shù)對制造業(yè)的滲透、改造和更新，使傳統(tǒng)的制造技術(shù)演變成為一門涵蓋從產(chǎn)品設(shè)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(shù)[1]。現(xiàn)代設(shè)計是現(xiàn)代制造的基礎(chǔ)，伴隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，以計算機和信息技術(shù)為主體的產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計方法得到了普遍應用。

1 優(yōu)化設(shè)計

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

2 醫(yī)用升降椅優(yōu)化設(shè)計

2.1 升降椅及其結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)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(wěn)等一系列有點，被廣泛應用于美容店、醫(yī)療機構(gòu)等。如圖1所示，本文設(shè)計的醫(yī)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(gòu)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(zhuǎn)動，當搖動支架搖臂時帶動支架進行升降，實現(xiàn)座板的升降；另外，在支架與椅腳之間還設(shè)置了升降定位裝置。

2.2 升降椅的優(yōu)化設(shè)計

使用優(yōu)化設(shè)計軟件SolidWorks/simulation進行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)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(yōu)化目的是馬達力最小化。

分析優(yōu)化結(jié)果可以看出，迭代3得到的結(jié)果最優(yōu)，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(jié)論

馬達力隨搖臂長度增加呈正比關(guān)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(nèi)降低較快，基本上呈線性趨勢，之后基本趨于穩(wěn)定（最小值），所以在設(shè)計時可以固定搖臂寬度，變量減少一個，可以大大簡化優(yōu)化設(shè)計過程，尤其在分析變量與變量相關(guān)性的優(yōu)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(yōu)化設(shè)計過程為醫(yī)用升降椅設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。

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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(jié)構(gòu)設(shè)計中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理論概述

1.1房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理念及意義

在進行工程項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除了要考慮設(shè)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(shè)計對象設(shè)計的更加完美，這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化問題。定義為工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預定目標求出最優(yōu)方案的設(shè)計方法。隨著我國社會精神文明建設(shè)的不斷發(fā)展，人們對于居住環(huán)境精神領(lǐng)域的追求已然形成一種時尚。對于人居環(huán)境的改善，其根本主要體現(xiàn)為美觀與結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)、配合，使得建筑工程滿足美觀的同時也能實現(xiàn)在經(jīng)濟規(guī)劃方面的實際意義。

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的內(nèi)容主要是通過對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案、維護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案等其他結(jié)構(gòu)綜合進行設(shè)計的過程。在整個過程之中強調(diào)的是一切從實際出發(fā)，緊貼工程進度、發(fā)展的實際情況，以控制工程造價成本為中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理念。

1.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的實踐價值

與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，在設(shè)計中采用優(yōu)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(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應用能充分利用材料性能，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個單元進行協(xié)調(diào)，規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)安全度，為建筑整體布局提供合理決策。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的步驟

(1)整體優(yōu)化模型

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法一般從三個方面展開。第一，選擇設(shè)計變量。在設(shè)計過程中將所要選擇的描述結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)確立為設(shè)計變量，比如目標控制參數(shù)和約束控制參數(shù)。而將那些變化范圍不是很大或者對設(shè)計要求而言局部設(shè)計考慮就能滿足設(shè)計要求的參數(shù)確立為預定參數(shù)，這樣做可以大大減少計算、編排、設(shè)計的工作量。第二，確定目標函數(shù)。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(jié)構(gòu)設(shè)計的約束條件包括強度和穩(wěn)定約束、截面尺寸約束、結(jié)構(gòu)整體約束、構(gòu)建單元約束、正常使用狀態(tài)下的變量從上限到下限的約束條件等。在設(shè)計時，若要使結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應用于實際房屋工程，則必須通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)范，實現(xiàn)最優(yōu)。

(2)設(shè)定優(yōu)化設(shè)計計算方案

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

(3)進行程序設(shè)計

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

(4)結(jié)果分析

在得出計算結(jié)果后，對結(jié)果進行分析，最終確定理想的優(yōu)化設(shè)計方案。

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

3結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)達到降低工程成本、提高經(jīng)濟性的目的。一般應用在建筑的整體設(shè)計、前期設(shè)計以及抗震設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shè)計人員在前期方案階段忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，在設(shè)計中不考慮建筑結(jié)構(gòu)的合理性，這樣持續(xù)下去在后期必然會因為增加結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)化設(shè)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(shè)計優(yōu)化方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用

對于同一建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的布置上均會出現(xiàn)多種不同的情況，即就是幾經(jīng)確定了建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的參數(shù)、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(jié)構(gòu)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(xiàn)的，作為工程設(shè)計人員就必須根據(jù)自己的判斷展開設(shè)計，但是這種判斷只適用于一般規(guī)律指導下進行，所以說概念設(shè)計優(yōu)化方法在沒有具體數(shù)值量化的情況下作為輔依據(jù)，可以避免設(shè)計偏差，從而達到最佳效果。

3.3概念設(shè)計處理的實際建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

在這一問題上我們所希望的是通過概念設(shè)計，能使房屋建筑工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計中就應當考慮到工程區(qū)域在歷史上的地震活動情況和自然災害發(fā)生情況，根據(jù)這些未雨綢繆，從計算及構(gòu)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(gòu)建這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)防思想，就必須把概念設(shè)計作為重點。

4結(jié)束語

綜上所述，可以說對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(jīng)濟、美觀、便與施工等五種效果是房屋設(shè)計優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)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(xiàn)最佳效益，既美觀又合理，魚和熊掌兼得的設(shè)計效果。

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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(jīng)濟的快速發(fā)展，大跨度橋梁建設(shè)在進入20世紀末進入了一個新的，大跨度橋梁形式結(jié)構(gòu)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(shù)熟練程度和結(jié)構(gòu)安全性能而言，尋索橋和斜拉橋是大跨度橋梁的發(fā)展主流。目前的橋梁技術(shù)雖然已經(jīng)能夠很好的解決大跨度橋梁現(xiàn)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(fā)展，為了保證其建設(shè)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(shè)計以及施工人員還有更多的工作要做。而大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程，也是為了更好的處理和解決橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性以及經(jīng)濟合理性、美觀性的過程。下面就對其設(shè)計要點進行一一闡述。

二、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、局部優(yōu)化

大跨度橋梁的局部優(yōu)化雖然不能等同于整體，但是卻優(yōu)于整體，可以更好的促進橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展。因為對局部的優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計研究已涉及到大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工的各個方面，主要有：加勁梁橫截面的優(yōu)化，斜拉索或主纜的動力優(yōu)化，索力調(diào)整優(yōu)化，索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，斜拉索和吊索錨固的優(yōu)化，懸索橋錨錠的優(yōu)化，橋墩及基礎(chǔ)優(yōu)化。

1.1加勁梁橫截面的優(yōu)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(shù)以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結(jié)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(yōu)化

由于斜拉橋和懸索橋是當前大跨度橋梁建設(shè)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(jié)構(gòu)，其阻尼值較低。在外部激勵下，拉索極易出現(xiàn)大幅度的振動，如風雨交加時的出現(xiàn)的主梁和拉索之間的耦合振動引起的參數(shù)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(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。由此可見，大跨度橋梁的動力問題極其重要。

1.3索塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是塔高和受力合理性的優(yōu)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(guān)系，因此索塔受力的合理性優(yōu)化也是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可缺少的一部分。

1.4橋墩及基礎(chǔ)的優(yōu)化

橋墩以及基礎(chǔ)是橋梁重要支撐結(jié)構(gòu)，也是橋梁下部結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對橋梁的穩(wěn)固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎(chǔ)不論在數(shù)量、位置、還是結(jié)構(gòu)形式上，都對橋梁的穩(wěn)固、耐久有直接的影響，但對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響較小。因此，在對橋墩和基礎(chǔ)進行設(shè)計時，應針對具體的橋梁進行考慮。

2、整體優(yōu)化

大跨度橋梁都為高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計變量多，建設(shè)和設(shè)計又涉及到多方面的因素。因此，要對其進行全面整體的優(yōu)化或全過程的優(yōu)化依然存在困難。這種困難不僅在于其目標函數(shù)的建立，也在于對已建立的目標函數(shù)尋求最優(yōu)解的計算速度和可能性。為此，對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究多以局部優(yōu)化為主。但是綜合評價一座橋梁的優(yōu)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計存在著一定的難度。目前對大跨度橋梁的整體優(yōu)化主要有以下幾個方面：整體造價最優(yōu)，整體動力性能優(yōu)化，整體施工工藝優(yōu)化，橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與景觀優(yōu)化設(shè)計相協(xié)調(diào)。

3、橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上部構(gòu)造形式的選擇，應結(jié)合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術(shù)難度和經(jīng)濟性。簡支空心板結(jié)構(gòu)的橋型，施工方便，施工技術(shù)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(xié)調(diào)，美觀性差；上部構(gòu)造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數(shù)量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區(qū)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(chǎn)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(shè)計，以翼緣板寬度調(diào)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(shè)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(lián)系的措施，提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

下部結(jié)構(gòu)應能滿足上部結(jié)構(gòu)對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)、布均勻。橋墩視上部構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對于連續(xù)剛構(gòu)橋，要注意把握上下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度，可減小剛結(jié)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(chǎn)生的內(nèi)力。但是橋墩也不可以太柔，否則會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形，影響正常使用，并不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。對于高墩，除了要進行承載能力與正常使用極限狀態(tài)驗算外，還要著重進行穩(wěn)定分析。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)橋，各墩的穩(wěn)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(wěn)定分析的中心問題就是確定構(gòu)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(xù)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(chǎn)生水平位移，而且板式橡膠支座也要產(chǎn)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(tài)，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會繼續(xù)產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榈挚苟枕斃^續(xù)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(tài)。

結(jié)束語

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁的發(fā)展也十分迅速。如何在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下對橋梁結(jié)構(gòu)進行合理的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為目前大跨度橋梁設(shè)計的重要內(nèi)容。

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[2]禹智濤,韓大建.基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學學報.2002(03)

篇（11）

在科學的結(jié)構(gòu)分析方法誕生以前，結(jié)構(gòu)設(shè)計是以模型試驗和經(jīng)驗估算為主的原始方法進行的，結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)展，結(jié)構(gòu)工程師們逐漸掌握了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計仍是以傾向結(jié)構(gòu)安全為主而較少兼顧方案的經(jīng)濟性。到了近代，特別是有限元分析的出現(xiàn)和計算機在工程中的日益廣泛運用，結(jié)構(gòu)設(shè)計中尋求同時兼顧可靠性與經(jīng)濟性的方案已成為可能，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為理論由此孕育而生。所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計就是在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下使結(jié)構(gòu)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(yōu)方案。在這種情況下，力學在工程設(shè)計所起的作用便由過去的“分析和校核"發(fā)展為“綜合和優(yōu)化”。

迄今為止，公路隧道的一般設(shè)迄今為止，公路隧道的一般設(shè)計流程是：首先根據(jù)一定的技術(shù)標準初步設(shè)計出滿足建筑限界、通風條件、受力要求的襯砌內(nèi)輪廓線，再根據(jù)經(jīng)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(shè)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(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計出來的隧道結(jié)構(gòu)沒有充分兼顧到支護結(jié)構(gòu)斷面在經(jīng)濟上的合理性，且安全系數(shù)一般均有些偏大，不能達到所謂的“最優(yōu)設(shè)計"的目的。如何能設(shè)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(jīng)濟合理的公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)，是許多設(shè)計者都在思考的一個問題。

二、拓撲優(yōu)化基本理論

集計算力學、數(shù)學規(guī)劃、計算機科學以及其他工程學科于一體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的重要研究方向。根據(jù)設(shè)計變量的類型差異，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究可分為三個層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化（布局優(yōu)化）。在給定設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互連接方式，結(jié)構(gòu)內(nèi)有無空洞，孔洞的數(shù)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(jié)構(gòu)的某種性能指標達到最優(yōu)，這個過程稱為結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導報》雜志http：//總第547期2014年第15期-----轉(zhuǎn)載須注名來源根據(jù)優(yōu)化對象的不同，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化可以分為兩大類：一類是以桁架結(jié)構(gòu)為代表的離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，主要是確定節(jié)點間單元的相互連接方式，同時包括節(jié)點的刪除與增加；另一類是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，主要是確定其內(nèi)部材料的合理分布等。

拓撲優(yōu)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(yōu)化的標準方法是在給定結(jié)構(gòu)體積（V）的約束條件下，定義問題為結(jié)構(gòu)柔度最小，結(jié)構(gòu)柔度最小等價于整體結(jié)構(gòu)剛度最大。目前常用的連續(xù)體拓撲優(yōu)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(shè)計變量的變密度法進行拓撲優(yōu)化，故本節(jié)主要簡述變密度方法的理論和數(shù)值實現(xiàn)過程。變密度法是連續(xù)體拓樸優(yōu)化的常用方法，屬于在基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)中每個有限元單元賦予內(nèi)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(yōu)化時以材料密度P i為拓撲設(shè)計變量，使結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為材料的最優(yōu)分布問題。選擇變形能作為目標函數(shù)，以結(jié)構(gòu)柔順度最小，即整體剛度最大為設(shè)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(shè)計施工中仍較多采用強支護方法。拓撲優(yōu)化考慮體積約束和結(jié)構(gòu)平衡方程，以結(jié)構(gòu)的柔順度最小，即剛度最大為目

標，其得到的最優(yōu)拓撲抵抗變形的能力最強。故拓撲優(yōu)化和工程設(shè)計人員兩者的

目標一致，利用拓撲優(yōu)化方法可阱得到襯砌結(jié)構(gòu)的合理型式。

與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同的是，拓撲優(yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量都是預定義好的。只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。本文優(yōu)化旨在通過改變村砌結(jié)構(gòu)的斷面型式，尋求材料的最佳利用，但是，這種改變?nèi)粼斐墒┕ら_挖工作量的顯著增大和隧道內(nèi)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(jié)構(gòu)在滿足斷面要求的前提下厚度僅增大一倍，拓撲優(yōu)化時省去50%的材料，這樣既可以達到優(yōu)化設(shè)計目的，也不會造成施工時開挖工作量的明

顯增大。