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建筑结构优化，即在一些建筑结构的设计方案中选取最优的或最适宜的设计方案，它参照数学中的模型最优化原理应用到建筑工程结构设计方案的优化比选中。研究发现，建筑结构在使用过程中是否稳定、耐久、合理等，主要决定于在建筑结构设计时选定的结构类型是否最优、是否最符合工程结构的需要。对于同一座建筑工程项目，不同的结构设计师知识储备不同，因此可能会设计出不同的结构类型、结构体系，但经过结构方案的优化、从而选取最优化的结构类型，提高建筑结构的使用寿命、稳定性能。
1建筑结构优化的主要因素
1.1荷载设计
研究发现，任何一座建筑结构都需要受到水平力和竖向荷载的作用，同时建筑还要承受较大的风荷载、地震力的作用等。当建筑结构的整体高度比较低时，由结构本身的重力引起的竖向荷载对结构的作用比较明显，而水平荷载作用在结构上，产生的内力和位移比较小，往往在计算时不考虑水平荷载的作用；若在较高层建筑设计中，虽然所受到的竖向荷载仍对结构产生较大程度的影响，但水平荷载对建筑结构本身的影响比竖向荷载产生的影响更加强烈。研究表明，随着建筑结构整体高度的逐渐增加，水平荷载对建筑结构产生的影响越将会越来越大，因此，在建筑结构高度较高时，结构所承受的水平荷载对结构的影响则不可忽视。
1.2选取结构类型较轻的
在建筑结构优化过程中，要尽量选取结构体较轻的。在现代结构优化设计中，设计人员越来越重视选用轻质高强材料，从而做大程度上减轻整体结构的自重。由于在多层建筑结构中，水平荷载对结构产生的影响处于较次要地位，结构所承受的主要荷载是竖向荷载。由于多层建筑楼层较少，整体高度相对比较低，结构自重相对来说较轻，对材料的强度要求不是特高。
但随着建筑结构高度的增加，在较多的楼层作用下，结构产生的自重荷载则会比较大，使得建筑结构对基础产生较大的竖向荷载，同时在水平荷载的作用下，结构的竖向构件（柱）中会产生较大的水平剪力和附加轴力。为了使得结构满足刚度和强度的要求，通常采取加大结构构件的截面尺寸，但是加大构件的截面尺寸会使得结构的整体自重增加。因此在高层建筑结构首先应该考虑如何减轻结构的自重。
研究表明，当在高层或超高层建筑结构优化设计时，选用结构强度高、自重较轻的钢结构、高强混凝土结构可以很大程度上减小建筑结构的自重。
1.3 侧向位移
据相关资料表明，建筑结构的侧向位移随着建筑高度的增加而逐渐增大，因此，在建筑结构的优化设计中，对层数较少、高度较低的结构，可以不考虑其侧向位移对结构的影响。但随建筑结构高度的增加，整体结构的侧移对结构产生的影响则不可忽视。
研究表明，由于水平荷载对结构作用产生的侧移随着建筑高度的增加而逐渐增大，且侧移量与结构高度成一定的关系。
在进行高层建筑结构优化设计时，既需要充分考虑建筑结构整体是否具有足够的承载能力，能否承受风荷载的冲击作用，又要求结构具有足够的抗侧移性能，当建筑结构受到较大的水平力作用下，其可以很好地控制产生过大的侧移量，确保结构整体的稳定性能。
与低层或多层建筑相比，高层建筑结构的刚度稍微差一些，在发生地震灾害时，结构的侧向变形更大。为了确保高层建筑结构在进入塑性阶段后，结构整体仍具有较强的抗侧移性能，保持结构的稳定性，则需要在高层建筑结构的构造上采取合适的措施，确保结构具有足够的延性，从而满足结构的刚度要求。
2建筑优化方法综述
2.1基本假设
（1）弹性体假设
目前，对建筑结构进行工程分析时，均采用弹性的分析方法。当结构受到风荷载或竖向荷载时，假设结构处于弹性工作状态，符合建筑结构的实际受力状态。但是当受到地震灾害或台风袭击时，结构产生较大的侧向位移，更甚出现裂缝，使得结构进入到塑性阶段，此时不可以再用弹性变形计算，应采用弹塑性理论进行分析。
（2）小变形假设
小变形假设普遍应用于结构变形分析中。但当结构顶点的水平位移与结构的高度比值大于0.002时，就不可以忽略P―Δ效应对结构的影响了。
（3）刚性楼板假设
在高层建筑结构分析时，假设楼板的自身平面内刚度无限大，而自身平面外的刚度则忽略不进行计算。采用这一假设，在很大程度上减少了高层建筑结构位移的自由度，减小了计算的难度，并为筒体结构采用空间薄壁杆的计算理论提供了保障。研究发现，刚性楼板假设一般适用于框架结构体系和剪力墙结构体系中。
2.2结构优化方法
（1）并行算法
由于高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。
由于在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。图3-1表示在风荷载作用下的5跨钢框架结构，不同的结构层数结构材料各个构件用量。
研究表明，楼房结构所采用的结构体系是否具有较好的抗侧力性能，在很大程度上影响结构材料的用量，综合考虑各方面的条件，通过精心设计确定结构的最优化设计方案，使结构体系的材料用量降低到最小程度。从上图中的虚线以上阴影部分就是结构优化设计节约的钢材用量，因此高层建筑结构方案的优化设计可以在很大程度上节约工程的总造价。
（2可靠度优化法
在建筑结构的优化设计时，必须进行结构的整体可靠度优化。在地质灾害发生不活跃的地区，风荷载是主要的水平荷载。因此，在非地震灾害区高层建筑结构的方案选型时，应优先选用抗风性能比较好的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗风。此外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。同时，还要限制高层建筑结构的高宽比，避免结构发生倾覆和失稳现象。
（3）高层体系优化法
由于建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时，高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案；办公楼则适合采用大小空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。
3结束语
综上所述，在确定高层建筑结构方案时，要全面考虑结构的使用功能、场地类别、设防烈度、建筑高度、地基基础类型、结构材料和施工工艺，同时还要考虑结构的设计、技术以及经济保障等，选择最优化的结构体系。
参考文献
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进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。
1经典优化设计的数学规划方法
结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。
由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。
2 多目标的模糊优化设计法
经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：
式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。
模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。
3 基于可靠性的优化设计方法
概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。
船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：
1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。
关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。
4 智能型的优化设计方法
随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。
智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。
智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。
5 结论
通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。
参考文献
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一、建筑结构优化设计方法概述
传统的房屋建筑已经不能满足新时期人们对于居住条件的要求，因此，在房屋建筑中运用建筑结构优化设计将房屋的实用性、安全性、美观性相结合是如今房屋建设企业的必由之路。在新时期的房屋结构设计中是追求适用、经济、安全、美观以及便于施工五种效果的综合。而这五种要求又相互影响甚至会出现相互矛盾的问题，这就需要运用到房屋建筑结构优化设计方法来最大程度的提升有限空间，有限资源。在综合五种要求的情况下，选取最优方案，实现经济化，实用性，适用性的良好目标。
二、建筑结构优化设计的意义
1、提高房屋建设企业的经济效益。经济的持续发展使得人们的生活水平也越来越高，土地的价格也随之上涨，这也势必影响房屋建设企业的成本上涨。市场竞争日益激烈，如何在稳定成本的基础上建造出有美观耐用的房屋也是建设企业值得思考的重大问题。因此，这就需要房屋建筑结构的改革，优化建筑结构设计，有效的提高房间的空间利用率和资源的使用率。在建设过程中对房屋结构进行优化改革，精简建造工序，减少资源浪费，有效的降低施工过程中的难度，这样不仅可以提高企业的经济效益，有效的控制成本，同时还能满足新时期人们对于房屋的需求。
2、提高房屋建筑结构的实用性。近年来，由于我国对于房产需求的剧增，房屋建筑行业也得到了快速的发展，房屋建筑结构也越来越有特色。在保证美观，安全，经济的同时，我们不能忽略了一个最基本的要求，就是实用性。新时期人们对住房要求越来越高，好的房屋格局，实用便利的住房条件是人们选择房屋的基本条件，在有限的空间和有限的资源下，将房屋的实用性得到最大发挥，这就需要房屋结构优化设计的办法进行改良。因此，房屋结构的优化设计将人们对于房屋安全、美观、实用等要求结合起来，不断的房屋结构进行优化与改良，满足人们的各项需求。
三、建筑结构设计的标准与原则
所谓房屋建筑设计就是对房屋建筑过程规划、设想的过程通过视觉感官的方式描绘出来。设计的优劣直接导致房屋质量的优劣，因此，在设计过程中就要求房屋建设企业重视房屋质量，优化房屋结构。在设计过程中考量多方面因素，除了对房屋本身的材质结构进行考量之外，还要结合当地的具体环境，地质要求等要素进行考虑。综合各方面因素，对房屋建设做出科学合理的设计。
在设计过程中我们要遵守安全性、经济性、合理性的原则。安全是房屋设计的重中之重，也是人们在住房选择上最注重的要求，因此在住房结构的总体设计下也要注重各细节方面的安全性设计。同时，在住房设计上也要科学合理，房屋结构设计中各环节是相互影响相互制约的，只有保证房屋建筑的科学性和合理性，才能提高房屋建设企业的经济效益，才能保证房屋的结构优化。
四、房屋建筑结构优化的应用措施
1、选择科学合理的结构形式和设计方案
房屋建造初期选择好的设计方案直接关系到企业的总投资成本，房屋的建筑进程以及房屋建成质量等重要问题，所以说，好的开头是成功的一半，由此可看出，对于前期的方案选择尤为重要。在设计时，融入房屋结构优化设计，就可以针对不同的房屋类型，建筑类别作出相应的合理的结构设计和调整。相关设计师通过房屋结构优化设计，在设计初期对建筑结构进行优化，减少建造过程中的困难度，有效的降低建筑成本和施工损耗，因此，建房初期选择合理的设计方案在整个建房过程中有着重要的作用。
2、设计最优的计算进程
建筑房屋的设计过程是一项复杂的计算过程，在整个过程中涉及很多方面的系统程序。因此就要求设计师在进行计算的过程中，必须将附加约束条件转换成不带约束的条件，尽量提高计算过程的精准度。这样一方面利于房屋建设企业在建设过程中的过程精简，有效的降低了建造过程中的难度，另一方面，精准的计算过程也有利于房屋的建设和房屋的质量。同时，设计师在设计计算过程中也要充分考量现场施工的实际情况，根据当地的实际环境和建筑特点，制定出符合当地情况的建筑方案，因此，要求相关设计人员尽量选择程序运转效率高，功能完善的计算程序，一方面提高自身的工作效率，另一方面确保整个设计计算过程的进准度。
3、综合分析计算结果，积极应用信息优化技术
房屋结构设计师一项漫长且复杂的过程，这就要求相关设计人员能够与时俱进，通过现代网络化技术的支持，运用网络技术，提高数据整理的自动化程度，有效的减少设计过程中的人力和物力。而且通过网络技术对于数据的准确分析，可以有效的节约建设过程的成本，同时为房屋结构的进一步优化提供了依据。利用信息化技术不仅可以有效的为企业节省人力和物力，还能保障设计过程的进度和质量。
4、在遵循科学的基础上优化房屋结构设计
房屋结构的优化设计应建立在遵循科学的基础上。在房屋结构设计中是追求适用、经济、安全、美观以及便于施工等要求是建设企业的重要任务。因此，为了将这些要求在房屋建筑是得到最大的发挥，就要求相关工作者不仅要具备非常丰富的技术知识理论，还要具备丰富的施工实践经验，在理论结合实践的经验中，对房屋设计及施工中的细节进行把握和裁决，确保房屋结构优化设计的实施，同时相关工作者也要掌握国家的质量标准和相关规定，严格按照国家标准进行工作。
结语
通过以上论述可知，房屋结构的优化设计方法在房屋建设中有着重要的作用，相关设计人员在确保建筑设施功能完善的同时，通过房屋结构的优化设计方法也可有效的降低建设企业的生产成本和精简建设过程的难度。由此可看出，房屋结构优化设计不仅可以有效的提高建设企业的经济效益，还能为居民带来更多房屋户型选择。所以，在房屋建造过程中应该广泛的应用到房屋结构优化设计的方法，同时大胆创新，探索出更为优异的房屋结构设计方案。
参考文献：
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摘要：基于电力系统调度结构优化是电力系统分析的一个重要组成结构优化课题.提出基于高斯扰动和免疫系统理论的自适应差分进化算法和免疫系统理论的自适应差分进化算法。
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.
关键词：差分进化算法 结构优化算法 电力系统调度
Key words: differential evolution algorithm；structural optimization algorithm；power dispatch system
中图分类号：TM7 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）26-0045-01
1基于差分进化算法在动态环境经济电力系统调度结构优化应用研究
1.1 基于电力系统调度结构优化模型分析基于电力系统经济调度火力发电机i燃料消耗量可以表示为：
f■■（p■）=a■+b■?鄢p■+c■?鄢p■■+e■?鄢sinf■p■■-p■（1）
其中，ai，bi，ci，ei，fi是火力发电机i的经济调度参数；p■■是火力发电机i最小的有功输出功率；p■表示火力发电机i在时刻t有功输出功率。对于给定的一个电力系统,其经济调度可以表示为一段时间T内所有处于工作状态的Ns个火力发电机总燃料消耗量最小化。可表示为：F=min■■f■■（p■）（2）
其中：F为总的燃料消耗量，T表示为基于特定调度问题的时间跨度，Ns从为特定调度问题处于运行状态的火力发电机的数量，f■■（p■）表示火力发电机i在时刻t的燃料消耗量。
1.2 基于电力系统最小化污染物排放调度方法研究基于电力部门不仅要保证采用尽可能少的燃料消耗量来提供充足和安全的电力保障，确保尽可能减少环境污染。每个火力发电机的污染物排放量可以是一个RBF函数和一个指数函数组如公式（3）所示。
e■■（p■）=a■+?茁■?鄢p■+?酌■?鄢p■■+?浊■?鄢exp（?啄■?鄢p■）（3）
其中，ai，?茁i，?酌i，?浊i，?啄i为火力发电机i污染物质排放量因子，e■■（p■）表示火力发电机i在时刻t的污染物质排放量。基于运算动态电力系统，其环境调度问题可以满足一系列约束条件的前提下同时运行的Ns火力发电机在时间跨度T内总的污染物排放量达到最小，如公式（4）所示E=min■■e■■（p■）（4）
其中：E为总的污染物排放量，T表示为基于特定调度问题的时间跨度，Ns为基于特定调度问题处于运行状态的火力发电机的数量，e■■（p■）表示火力发电机，在时刻t的污染物排放量。
2基于电力系统结构预测优化问题方法研究
2.1 基于双目标结构优化问题转换单目标结构优化问题分析基于动态环境经济电力系统的调度问题是一个双目标结构优化问题，它需要同时进行电力系统的经济调度和环境调度。基于多目标结构优化算法来运算双目标结构优化问题，但是那些算法都是基于低维的多目标结构优化问题提出的。基于高维的多目标结构优化问题那些算法不但效率低，而且往往得不到满意的运算方案。短期水火电力系统的调度不但是高维双目标结构优化问题，而且有多个约束条件需要运算。
2.2 基于差分进化算法求解电力系统调度结构优化问题研究基于动态电力系统调度结构优化这样高维结构优化问题，采用启发式策略对差分进化算法得到的运算方案进行修正，能够极大的提高群体的多样性，采样拓展搜索空间数据，并对问题的求解精度有着较大的互影响，因而能够得到更优的调度运算方案。基于动态环境经济调度问题是双目标结构优化问题，虽然很多学者提出很多双目标结构优化算法，但是对于高维的双目标结构优化问题那些算法不但效率低，而且往往得不到满意的运算方案。
3基于多目标差分进化算法在电力系统调度结构优化中的应用
3.1 基于水火电力系统的经济调度系统分析基于经济负载调度是在一般情况下，经典的经济负载调度就是在满足各种操作约束的条件下使系统中的火力发电机总的燃料消耗达到最小。一般都是采用软计算的方法来运算经济负载调度问题。某一火力发电机i在时刻t的燃料消耗量可以用一元二次方程来表示，如公式（5）所示：
f■（p■）=a■+b■?鄢p■+c■?鄢p■■（5）
其中，asi，bsi，csi为火力发电机i的燃料消耗因子，psit为电力发电i在时刻t的有功输出功率。
基于火力发电机工作原理出发，为了更高精确的描述火力发电机燃料消耗数据，采用上面的公式进一步的优化模型算法。在计算火力发电机的燃料消耗量的过程中，火力发电机的隐含阀点效应自适应滤波运算。因此运用火力发电机的燃料消耗量的修正公式如公式（1）所示。对于一个给定的水火电调度系统，其经济调度问题可以满足一系列约束条件的前提下使同时运行的从Ns个火力发电机在时间跨度T内总的燃料消耗量达到最小及其总的燃料消耗量的计算公式如公式（2）所示。
3.2 基于水火电系统的环境调度应用分析基于电力系统环境调度是将火力发电站作为市场经济的可持续发展提供源源不断的电能，但它同样也带来严重的环境污染问题。基于全国人民都关注和支持环境的保护，因此各省市自治区电力部门在保障提供充足和安全电能的前提下不仅要保证采用尽可能少的燃料消耗量而且还要保证尽可能减少环境污染[2]。在运行水火电力系统调度中，只是要求在整个系统运算的过程中使用最少的燃料来提供尽可能多的电能，并没有考虑环境污染的问题。而在该水火混合电力系统中，每个火力发电机的污染物排放量可以由一个RBF函数和一个指数函数组成如公式（3）所示。对于一个给定的水火电调度系统，其环境调度问题可以被描述为一系列约束条件的前提下同时运行的Ns个火力发电机在时间跨度T内总的污染物排放量达到最小，其总的污染物排放量如公式（4）所示。
4结束语
基于动态环境经济调度中复杂结构优化运算，提出基于差分进化算法和该启发式搜索策略的动态环境经济调度算法。实验结果证实，该计算算法能够处理电力系统调度结构优化中的问题和故障。
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型钢混凝土结构主要由以下两个方面组成：①型钢混凝土柱；②型钢混凝土梁。型钢混凝土具有承载力高以及弹塑性好等特点，目前来看，型钢混凝土在工程应用方面有很大的发展前景。型钢混凝土结构中的单调加载条件与循环加载条件下的受力性能研究有较大的应用前景，在循环荷载作用下呈现出较好的性能。从型钢混凝土结构应力发展裂缝情况不难看出，型钢混凝土结构在水平荷载作用下被分为以下三个阶段：①塑性破坏阶段；②弹性阶段；③弹塑性阶段。国内外的相关实验研究结果表明，型钢混凝土结构在低周反复荷载作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型钢混凝土结构的延性以及刚度方面。
1 型钢混凝土组合结构的基本特点
型钢混凝土组合结构主要指的是把型钢埋入到混凝土中的结构形式，在操作过程中主要先通过定位放线最后再进行混凝土浇筑，被分为以下两种类型：①部分结构构件采用型钢混凝土结构形式；②全部结构构件采用型钢混凝土结构形式。上述两种结构类型都适用于以下四种结构：①框架结构；②底部大空间剪力墙结构；③筒中筒结构；④框架-剪力墙结构。与传统的型钢结构相比，具有以下三个方面的优点：①能够更为节约钢材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。与钢筋混凝土结构相比，型钢混个凝土组合结构具有以下三个方面的优点：①施工周期较短；②抗震性能较好；③承载力较高。型钢混个凝土组合结构具备以下两种结构类型的特点：①型钢结构类型；②钢筋混凝土结构类型。为了让人们能够更加清楚了解型钢混个凝土组合结构结构，笔者将针对型钢混个凝土组合结构的混凝土和型钢的计算和优化方法进行研究。举例来说，型钢混个凝土组合结构中的型钢与混凝土之间相互约束，在一定程度上提高了混凝土的强度和型钢的强度，有效增加了整体构件的延性、构件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。众所周知，智利是地震多发国家，智利国家尤其重视型钢混个凝土组合结构的性能研究和基础工程应用。例如，1973年建成的圣地亚哥，其所用结构为型钢混凝土组合结构，在地震中基本没有受到很大损毁，继而引起了日本建筑工程行业的重视。
2 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本方法
型钢混个凝土组合结构在优化设计中基本以变量结构的参数形式出现，在根据相关要求的基础上，形成型钢混个凝土组合结构方案。简而言之，型钢混个凝土组合结构优化设计主要利用数学手段，并且按照设计者所规定的要求从中选出一个最为理想的方案。型钢混个凝土组合结构优化设计主要表现如下：①以有限单元法为基础的分析方法；②以数学规划为计算手段；③以现代高速计算机为工具；④最终得出设计方案。随着现代科学技术的发展，优化设计的过程具备灵活性等特点，再通过有限次的计算能够使得结构设计方案逐渐改善。笔者将根据相关工作经验，针对型钢混凝土组合结构优化问题算法来进行简单介绍：①简单解法；②数学规划法；③准则法。
（1）简单解法。当设计变量处于不多的情况下，可以采用简单解法。一般来说，图解法对设计变量小于或者等于2h，效果达到最为理想。对于柱与板的优化设计问题需要采用松弛变量法，此种方法对求解约束条件要求不是很高。
（2）数学规划法。数学规划法（Mathematical Programming，MP）从结构力学的基本原理角度出发，选用MP来寻找设计参数的最优解。此种解答方法发展比较早，用途也较为广泛。数学规划法中主要包含以下几个方面的解法：①线性规划；②非线性规划；③动态规划；④几何规划。其中线性规划问题的解决方法较为成熟，在处理目标函数方面能够设计变量的线性函数问题。非线性规划则主要应用目标函数的方法，结构的优化设计有约束的非线性规划问题，在解答过程中有较大难度。例如，目前最常使用的导数分析方法以及梯度投影法等。
（3）准则法。准则法主要从工程方面的观点出发，从预先规定的结构来满足相关准则（能量准则、位移准则、频率准则以及应力准则等），为了满足上述准则条件应该使用结构最轻的材料。使用的相关方法为：利用最为优化的杆系结构，重新分析设计变量初始，一旦计算量不够大时，需要使用已经设定好的几个布局。准则法有其自身的缺陷，从工程应用方面来看，型钢混个凝土组合结构结构比较方便，能够更容易被人接受。在早期，准则法能够满足应力设计，将结构杆件的应力在某种情况下达到允许的范围力之内，充分发挥出材料强度的潜力。上述所说的方法在发展的基础上与框架结构的应力设计两者相互结合，从而处理弹性稳定方面以及位移方面等约束条件。
3 型钢混个凝土组合结构优化设计的基本原理
型钢混个凝土组合结构由柱构件与规则截面的杆系梁组成，在设计过程中均采用部分优化的方法。在满足相关建筑要求的情况下进行结构的平立面布置（抗震功能首先考虑原则基础上），进一步确定好梁的跨度与柱的高度。基于此，按照经济跨高比和框架梁进行初步选型，最终得出型钢混个凝土组合结构的初始截面。在上述初始方案基础上，采用有限单元法分析不同荷载情况下的受体力分析，最后得到剪力、轴力的组合值，再计算出常规设计所需要的参数值。例如，柱的计算长度以及梁的剪跨比等指标。将型钢混个凝土组合结构离散柱构件与杆系梁根据已经得到的受力条件来优化设计柱与梁，再得到工程的总造价。利用变量方法来进行二次处理，直到前后2次的设计方案能够接近并且最终得到优化设计方案。简而言之，确定好方案1之后再进行结构整体分析，通过分部方案1优化得到方案2，在进行分部优化设计时，需要注意以下几个方面：①利用结构分析得到剪力值、轴力值，继而能够优化截面；②对于超静定结构，初始截面的选择相对于构件内力所需要的截面来说不够充分，优化后构件的截面将会有效增大，重新分析构件内力时将会取得更大的效果。对于超静定结构优化过程，其构件内力始终和截面保持不一致，此种差距不会随着结构重分析次数的增加而减少，在优化构件设计时，对结构的内力应该引M超松弛系数，S′=S（S/R）α，其中S′代表构件内力，S为前一次结构重分析得到的构件内力，R为优化前构件抗力；α代表超松弛系数，α=0.4。
型钢混凝土框架梁的截面宽度不宜小于300mm，截面的高度和宽度的比值不宜大于4，为了进一步保证框架梁对框架节点的约束作用，便于施工过程中能够充分考虑到截面高度比值、宽度比值等，型钢混凝土框架梁在支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，应在型钢腹板两侧对称设置支承加劲肋。
4 结束语
综上所述，型钢混个凝土组合结构作为一种工程方法，型钢混个凝土组合结构连续变量所得到的结果不能够直接被应用，在初步优化设计方法基础上，收敛的速度也能够接近优化解，当变量较多时此种途径能够带来较宽的时间效益。
参考文献：
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
整体框架式液压机是利用液压传动技术进行压力加工的一种锻压机械设备,在国民经济的各行各业得到了日益广泛的应用。液压机机身结构组成链相对简单,其布局形式一般为三梁四柱式,有铸造和焊接两种结构方式。液压机主要功能是完成工件的压制成型,这一过程中机身结构要承受较大的载荷,因此,液压机整机结构布局要求符合整体力流最短原则和力流封闭原则。液压机结构主要以筋板为主,造型简单。整机及部件具有相似性,这种相似性是进行参数化设计分析的前提。就我国现在的生产状况而言,液压机结构设计采用的仍然是传统材料力学简化计算和经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法在以前经过实践证明具有一定的可靠性,但存在着设计周期长,结构组建复杂等诸多的弊端,致使成本高,效益低,削弱了产品的竞争力。
本文利用了三维设计软件SolidWorks进行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后通过ANSYS对液压机下梁进行网络划分,加载求解,得到最大处的弯曲应力。这样除了在资源的利用方面得到了节省,得出来的结果也达到一定的精度。
1.液压机的优化设计
1.1液压机建模
在我们的实际设计优化中,我们根据实际情况,建立了两个建模:一个是利用SolidWorks软件建立的CAD模型;另一个是利用ANSYS软件建立的CAE模型。原因是目前各个CAD/CAE软件彼此之间的模型通用性较差不能很好的实现无缝对接,在导入中经常会发生部分模型数据丢失的情况,所以,我们的研究方向是利用了SolidWorks软件进行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后分析和优化,这样除了在资源的利用方面得到了节省,得出来的结果也达到一定的精度。
2.分析与优化
2.1优化前分析结果
使用ANSYS软件进行CAE模型建立,对THP61-500型整体框架式液压机下梁进行分析运算,然后将优化前的变形和应力云图从软件中保存出来(如图1.图2所示)。注:其中材料应力变形图为弹性材料模型所得到的应力变形结果。
从图中不难看出随着整体下梁结构上不同颜色的分布,液压机下梁各部位在受力的情况下发生的变形是不同的。其中出现红色的孔受力发生变形最大。变形最大值为0.1637mm。通常情况下,我们考虑极限值为下梁长度的1/5000。
从图中可以看出,应力主要集中在孔边缘,因为整体液压机在工作的时候,其承载了很大的压力,最大值为64.400MPa,在许可的范围内。其余部分应力分布都很均衡,受力后影响不大。
从上两图中可以看出,实际变形应力值与极限值还有很大的差距。在这种情况下,液压机在承受载荷时发生的变形很小,安全系数很高。用了很多没必要的材料,造成了人力和物力上的浪费,无形的增加了产品的成本。所以我们要利用有限元技术对此进行优化,通过合理分配油缸的受力,降低梁的高度,减小某些筋板的厚度,去掉一些没有用的筋板等一些方法,得到相比起来更优化的结果。达到既能让机器安全稳定的运行,又能减少材料,减轻液压机的重量,降低产品成本的目的。
2.2 优化分析
优化主要针对液压机下梁部分的左纵板位置,横前板,厚凸台厚,横后筋板厚,这几个变量来进行优化。将其变量取不同数值时,与变形和应力的关系用曲线图的形势表现出来。经过多次的分析验证,取下梁左纵板位置d3:0.25m,下梁横后筋板厚t4:0.02m,下梁厚凸台厚t11:0.06m,并且以这些数据作为参数进行优化结果的计算。
2.3 优化后的结果
将上节分析的优化结果程序在ANSYS软件中运行,得到THP61-500型整体框架式液压机下梁优化后的变形应力分布云图,如图3和图4所示。
从云图中可以看出,在进行了一系列的改进之后,对机器上的变形分布并没有大的影响。变形的最大值为0.387mm,其值在规定许可的范围之内,在节省材料和减轻重量的同时,不会影响液压机本身的正常安全使用,因此本设计达到了优化的目的,相对优化的比较成功。
从云图中我们可以看出,应力仍就集中在孔附近。最大应力为208.268MPa,在工程中的许可范围内,优化相对成功。
通过表1可以看出,经过一系列的减去前面横筋板,减小厚凸台厚,减小后横筋板厚度,移动左纵板位置的优化之后,虽然液压机的变形及应力有所增大,但是其变化值都在规定许可的变化范围之内,不影响液压机的正常使用。与此同时,液压机下梁的重量由原本的6.015吨减为3.838吨,比优化前减轻了2.177吨。所以本设计达到了优化的目的,相对优化的比较成功。
表1 优化前后对照表
变形(DMAX) (mm) 应力(SMAX)(MPa) 吨位(WT) (吨)
优化前 0.163 64.40 6.015
优化后 0.387 208.268 3.838
相对变化 +137.32% +223.39% -36.19%
3.结论
本课题对整体液压机下梁进行优化改进,在经过一系列的优化之后,使液压机在变形及应力都符合要求的前提下,减轻了液压机自身的重量,从而达到优化的目的。此设计相对于过去的设计方法,有诸多优点。第一,使用计算机制图,较传统的手工制图缩短了设计时间,提高了劳动效率。第二,使用CAE建模,使优化全过程更加精确并且便于修改,避免在图纸中修改所造成的不必要的时间浪费。第三,节省了液压机所用材料,使本液压机在激烈的市场竞争中占据了优势地位。因此,本设计在改善传统设计方法的同时,也较好的达到了优化的目的。
参 考 文 献:
篇7
Key words：Many tall buildings; Upper structure; Optimization design; Method research
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
多高层建筑大量的建设需求使得对其结构优化设计一直都是结构领域探讨研究的重点课题之一。结构优化的理论研究已经经历了较长的发展历史，也取得了众多的优化实践经验，但是仍缺乏系统性和全面性，相对来讲对程序设计模型优化等还十分匮乏。多高层建筑从设计策略上就要实现优化，继而从多类型的结构体系选择进行荷载抗力优化处理，接着从整体性角度提高结构性能，通过结构体系和算法手段，实际操作表明优化效果明显。
上部结构设计策略的优化
数学计算优化方法是基于传统的结构问题特点而建立发展起来，运用计算机程序技术进行结构的算法优化设计，较为先进的有最优准则法和遗传算法。最优准则法是起步较早的结构优化设计方法之一，其以预先规定好一组优化设计需要满则的准则为基本出发点，继而依据这些准则来建立实现优化设计相关迭代公式进行计算。通常依据已有工程经验，使用相关的理论研究、分析和判断，继而得出迭代算法，较为适用于连续变量情况近似的工程优化方法。遗传算法发展史较短，其为近些年来新兴启发式算法之一，基于生物进化学说的自然遗传机制优化的算法。遗传算法将结构的优化设计问题转变为生物的进化过程，使用优胜劣汰机制以取得优化处理后的最优解，其操作参数的 编码，而非参数自身。遗传算法进行结构优化策略的优势在于其操作众多的起始点，并非单一点，有效地避免了搜索进程向局部的最优解收敛，同时期使用的概率转变规则避免了确定性规则的单一性，实现复杂系统的优化应用。
结构体系的优化设计
多高层建筑结构体系的优化设计目标在于实现结构足够的竖向荷载及水平荷载抵抗能力，使其具备良好的变形性能、耗能减震能力和抗震承载能力。
3.1 传力路径明晰化处理
多高层建筑的结构体系需要保证传力途径的明晰化，使得作用于结构上部的水平和竖向荷载可以直接传向基础，避开出现传力迂回的情况。优化结构体系时要尽量形成较为正确简单的计算简图，降低实际情况同计算模型之间的差异。在进行传力路径处理过程中保证概念设计最优化，尤其是有错层、转换层和大底盘等复杂结构体系形式中其作用更为突出。
3.2 多道设防措施的采用
最新修订的抗震规范对结构体系多道设防机制形成要求更为严格，通常使用合理处置承载力的分布、结构刚度与构件之间强弱的关系，利用第一道防线破坏来消耗地震能量的方式，改变整个结构的动力特性，实现减小地震作用的目标。大量的多高层建筑设计实践经验表明，对于纯框架的结构体系，加设钢或者钢筋混凝土的柱间支撑，使用支撑屈曲作用来耗能，更能优化结构抗震性能，最大限度的发挥第一道防线对框架柱保护能力。对于剪力墙结构和框架剪力墙结构，可以通过连梁的屈曲和开裂来消耗地震能量以保护墙体。第一道设防能力发挥的前提是保证连梁抗剪性能相对值，确保强剪弱弯，或设置双连梁以提高抗震效果。
3.3 强柱弱梁全面实现
作为结构延性措施保障之一的强柱弱梁，其保证就算塑性铰在梁端出现，形成了梁铰机制，避免柱子断裂，强化结构稳定性要求。高层设计规范和抗震规范都要求梁端的弯矩设计值比柱端的弯矩设计值要小来实现这一性能要求，结构的优化设计同样遵从这一设计指标，按照具体的抗震等级，保证新规范抗震调整系数情况下的具体公式要求。具体优化设计过程中，因为考虑到现浇楼板能够参与到梁受力体系之中，所以适当对梁抗弯刚度扩大1.5倍到2倍，梁支座配筋率高和板上实际配筋问题造成梁实际的刚度较计算值往往偏大，实际的梁端承载力较梁端弯矩要大。
结构整体性优化设计
由于结构空间的整体刚度大小直接的关乎着结构抗震能力强弱，结构整体性保证了结构各个体系和构件之间能够共同工作。楼盖的刚性处理对于结构整体稳定性能的提高效果非常明显，保证楼盖承受竖向荷载能力的同时，实现其在水平方向上的支撑能力。对于竖向抗侧力不均匀的结构布置或者各个抗侧力构件的水平位移不同时发生的情况，楼盖体系的抗侧力保证性能协同作用尤为重要。通过非结构构件同结构主体间的连接作用同样具有良好的结构整体性提高性能，进行结构优化设计时需要加强非结构构件同主体结构的连接部位预埋件和锚固件的设计，保证非结构构件附加地震作用合理传向主体结构。
设计计算模型优化处理
5.1 设计计算变量选择
合理选择变量时优化设计问题处理最基本的问题，对于不同界面变量采用不同的方法实现了对不同优化模型及优化算法操作的简化。矩形混凝土梁要选取梁宽B和梁高H最为优化的变量，出现不满足约束条件的时候，增加H大小直到满足要求，但是如果H/B大于3就要同时增加B，使得H/B小于3，优化截面。圆形和矩形混凝土柱要选择弯矩平面垂直面的柱宽B，此时柱截面高度H取аB，其中а参照建筑的布局和规范取值。
5.2 局部约束优化处理
局部的优化对于整体结构设计意义重大，合理控制各个局部性能就能够实现整个建筑结构的综合性能，主要的优化处理集中于构造的约束和强度条件的约束。混凝土柱的优化约束需要着重考虑堆成配筋优化，大偏心受压和小偏心受压公式计算完成后考虑受剪强度条件和梁的约束条件，进行配筋率约束，继而控制轴压比和整体综合性能。
结构优化设计处理效果分析
6.1 工程概况
图1 某十二层钢筋混凝土框架结构平面布置图
某十二层钢筋混凝土框架结构平面布置图如上图1所示，应用本文所总结的优化设计计算方法对其整体优化设计。建筑物总体高度39.9m，底层层高3.6m，其余层层高3.3m，全部使用C30混凝土，楼面恒荷载取5 kN/m2、活荷载5 kN/m2，梁上荷载取20 kN/m2，基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙程度为C级，场地土类别为Ⅱ类，地震分组为第一组，加速度取0.1g，结构阻尼比0.05。
6.2 采用优化措施的设计效果
下表1 所列为使用了本文所阐述的优化设计方法完成本结构的优化设计后底层柱内力结果，数据显示优化后的结构柱端轴力和柱端弯矩明显有所降低，适当的乘以富于系数即可在满足结构安全性的前提下实现该多高层建筑的经济效益。
表1 底层柱的内力结果
结语
随着建筑体量的不断扩大，对建筑结构采取合理的优化设计已经逐渐成为研究重点。从工程实践情况表明，对结构优化主要是从结构体系设计及其结构计算方法入手。结构体系上优化就是要使多高层建筑的结构体系需要保证传力途径的明晰化，使得作用于结构上部的水平和竖向荷载可以直接传向基础，从多类型的结构体系选择进行荷载抗力优化处理，接着从整体性角度提高结构性能，通过结构体系和算法手段，实际操作表明优化效果明显。而结构计算方法优化就是对结构设计采取有效的数学计算优化方法，运用计算机程序技术进行结构的算法优化设计，如较为先进的有最优准则法和遗传算法。
参考文献：
[1] 沈汝伟．对建筑结构优化设计的探讨[J]．铁道科学与工程学报，2011，28（12）：118~119．
篇8
1房屋建筑结构设计优化的相关要点
第一，模型的确立。在房屋建筑结构优化设计当中，模型的确立是基础环节，相关人员只有对具体变量参数进行提取分析，才能根据相关参数建立模型，以此求出最佳答案。相关人员需要科学选择变量并且对目标函数进行确定分析，以此满足后续相关需求。第二，程序的设计。在房屋建筑结构的设计优化中，相关人员需要科学确定优化程序，并且将具体程序导入计算机内部，利用计算机就可以将相关数据求出。第三，结果的分析。相关人员在利用计算机等进行计算之后，就要对相关的结果进行分析，并且根据结果中的具体信息等制定后续的设计方案等。
2房屋建筑结果设计优化方面的具体方法
2.1上部结构的优化处理
对于房屋建筑的结构设计优化而言，上部结构优化十分重要，特别是剪力墙结构的建筑，需要相关人员对这一部分的结构进行优化布置。相关人员需要保证剪力墙的重量均匀性，这样才能确保每层建筑的重心与平面刚度的中心位置完全一致，这样就可以有效避免外界的风力及自然灾害等给房屋建筑带来严重的影响。如果房屋建筑的剪力墙结构为大开间形式，相关人员就可以尽量减少混凝土的使用量，并且尽量减少墙肢的数量。如果房屋建筑的所处环境地质条件相对较差，就需要有更强的防震性能等，相关人员在上部结构的优化处理当中就尽量不要采用大开间形式的剪力墙。
2.2框架结构优化
在很多房屋建筑的施工当中，都会选择钢筋混凝土结构，这种类型的框架结构优化也会成为房屋建筑结构优化设计的重要组成部分。相关人员在实际的框架结构优化当中，可以选择准则法来进行操作。相关人员也可以根据房屋建筑自身结构的截面大小情况，选择有限单元法等进行优化分析，这样就可以有效保证房屋建筑的结构优化得到顺利进行。
2.3建筑平面优化
在房屋建筑的结构优化设计当中，平面优化也是重要的组成部分。首先，相关人员需要针对楼面量进行科学的控制。楼面是房屋建筑的重要结构之一，楼面量减少或者是楼板的开洞量出现过大，都不利于楼面整体结构的稳定。所以，相关人员在实际工作当中应当针对天井或者楼面的开洞量等进行严格、细致的计算分析，这样才能对房屋建筑的楼板面进行科学控制。与此同时，相关人员应当适当提高房屋建筑内楼板的配筋量，以免出现严重的预应力损失等，并且保证不同结构之间的连续性，做好楼层之间的支撑等。其次，相关人员在房屋建筑的结构优化设计当中，还需要做好平面布置方面的外形优化等。相关人员在实际工作当中需要仔细考虑风压带来的影响，对房屋建筑的外形结构进行科学的优化设计，这样才能有效避免外力带来不利影响。在具体操作当中，相关人员可以根据房屋建筑所处的环境及地理位置、气候特点等进行分析。比如，如果房屋建筑位于沿海地区环境，在其自身的外形方面，相关人员就要避免其外形凹凸面积较大，以免给整体结构带来较强的不稳定性。相关人员一定要根据外形合理化的基本原则进行优化设计，特别是要重点考虑风压因素，这样才能有效保证房屋建筑平面得到明显优化。
2.4建筑阶段性及相关寿命的优化
对于房屋建筑结构的设计优化而言，阶段性优化及整体寿命的优化也十分关键，这一部分的的内容不仅仅在于正式施工至建筑工程的使用年限之内。房屋建筑的设计人员等需要根据其自身不同阶段出现的特点等进行分析，并且参考相应的实际情况进行处理。这样才能在保证建筑自身质量的基础之上，实现建筑企业的整体效益。此外，在房屋建筑的寿命优化方面，相关人员还需要切实按照建筑自身的使用年限、具体的施工方式等进行综合性分析，确保在建筑房屋的使用年限当中不会出现严重的意外问题，这样才能有效保证房屋建筑相关结构的优化。
3结语
目前，人们的生活水平与过去相比出现了明显的提高，其自身的安全性、实用性等也得到了普遍的关注，除了房屋建筑的自身质量需要相关单位及人员给予高度重视之外，房屋建筑的经济性、美观性也成为了人们关心的重点问题之一。所以，在房屋建筑的设计当中，针对其自身结构方面的优化设计就成为房屋建筑建设的重要组成部分。相关单位及人员等需要切实把握房屋建筑结构设计优化的具体要点，并且从多方面选择科学、有效的方法等保证房屋建筑的结构优化顺利进行，以此保证房屋建筑的质量与美观性、经济性及实用性等。
参考文献：
[1]刘松.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2016(20).
篇9
一、结构设计优化方法
依据设计的要求，把力学概念与结构优化设计进行有机结合，让参与计算的量部分可以以变量部分出现，进而形成结构设计优化方案域，运用数学手段，在域中找到可以满足要求的结构优化最佳设计方案。由此可见，结构优化设计不仅可以提高整体设计水量及设计质量，还可缩短设计周期，从而降低整体工程造价，提高经济及社会效益。房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，不仅要按照一切从实际出发的原则，更应该结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。在满足设计要求后，在进行结构设计时应该尽量缩小刚度、质量中心的差异使平面布置规则，水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。为降低应力集中，竖直方向上应避开使用转换层。
结构优化设计的本质以力学理论和数学规划理论为理论基础，以计算机技术为工具，对建筑结构涉及到的各个变量进行寻找优化决策的先进的设计方法，其本质就是求极值问题。（1）优化数学模型。建立正确合理的优化数学模型是结构优化设计的关键步骤，基于正确的优化数学模型是得到正确优化结果的基础。例如，在优化模型中，数学模型中的等式约束个数应当小于设计变量的个数，这样才能求得最优解。（2）优化数学算法和优化迭代控制。对于建立的优化数学模型，虽然可用的优化算法有多种，但是采用不同的优化算法所得到的优化效果和所花费的求解时间会有差别。所以，快速、有效的数学优化算法也是结构优化设计的一项关键技术。（3）结构分析方法。绝大多数的结构优化设计问题难以采用解析法求解，而是采用数值法的方法。数值解的寻优实际上是一个优化迭代过程，而每次优化迭代都需要进行结构分析。实现以上提到的关键技术需要经过建立可靠的优化模型，然后采用适当的优化算法进行求解。这其中选择计算简便且正确率高的优化算法显得尤为重要。
二、民用建筑结构设计和经济性的关系
第一点，结构设计和用地之间的关系。在多层或者高层的民用建筑中，我们常说的总建筑的面积具体讲是每层的建筑面积之和，如果层数越多，那么单位建筑的面积分摊的占地面积相应的就会越小。然而随着层数日益变多，总体住宅高度也会不断上升，随之屋子间的距离也相应的变大。通过这一阐述我们了解到，用地节约的多少并不会根据建筑楼层增加而按一定的约数变高。
第二点，结构设计和造价之间的关系。一般建筑的楼层会在一定程度上影响到单位建筑的面积，但对每部分的结构来讲，具体的影响程度是不一样的。在屋盖的区域，无论有多少层，都统一使用统一相同的房屋盖。它跟层数增加无关，所以对屋盖的资金投入也不会加大。因此，屋盖处的单位面积资金投入会根据层数的不断上升而表现出很明显的降低。在建筑的基础处，每层都共同使用一个基础，因此随着层数不断增加，相应的基础结构承受的荷重就会增加，因此我们必须要增加基本的荷载力。基础地区的单位开销虽然会根据层数的增加而呈现出降低的意思，但是这种意思并不像屋盖那样如此明显。一些承重体，比如墙、梁或者柱等，会随着层数的不断增加而不断地增加荷载能力以及抗震能力等，相应的这些分部的单位房屋造价会有一定的提升。
第三点，高层住宅结构设计与经济性的关系。一般而言，住宅层数高矮将本质的影响住宅开销，其根本原因乃是伴随层高不断上升，墙体面积和柱体积也会慢慢上升，而且会加大结构自重，进而还会增加柱以及基础承受荷载力，于是让电气以及水卫的管线同比例变长。如果将层高降低，那么可以有效地节省材料物资，而且还可以节约能源等，对于抗震非常有利，能最大程度的节约金钱输出。另一方面，减少层高不但可以降低房屋的高矮，有效地缩小建筑和建筑间日照的距离，所以降低层高也在一定程度上对于节约土地资源有很大的作用。
三、结构设计优化技术应用实践
结构方案的建立过程即工程结构设计。伴随急速更新发展的计算机硬、软件产业，凭借计算机、力学、数学一系列方法，将结构设计做到最优化技术推广。结构优化设计及传统结构设计其设计原则和过程是相同的，不同之处在于传统设计缺少安全、经济性作为衡量准则。最优设计则是在安全、经济准则基础之上，利用计算机作为辅助技术，非常便利地实现了分析计算、设计、出效果图等整套程序的自动化，大大提升了设计整体效果及质量。为了达到降低工程造价之目地，在不更改使用性能的基础之上，就要对结构进行最优化设计。由此可见结构设计优化技术的应用已经是较为宽广的课题之一。它不仅应用于项目的前期、整体、抗震设计，在旧房改造期间的各个环境均有广泛应用。结构设计优化技术在应用实践中应注意的问题如下：
1前期方案设计期间将结构设计优化参与其中
建筑方案设计前期如有一个优秀的、合理的设计方案，并参与结构设计优化，就会争取到非常优秀的开端。但目前在前期设计方案中结构设计优化参与其中的并不多，如果能对建筑类别有所针对，并进行合理选择结构设计优化方案，将降低建筑的总投资成本，因此在建筑方案设计初期应注意建筑方案的结构优化设计，考虑结构的合理及可行性。
2概念设计结合细部结构设计优化
概念设计主要作用于无具体数值量化现象，比如无确定性的地震设防烈度，现实难免与计算式存在区别，那么设计时应采取概念设计方法，使数值成为辅助及参考根据。为达到最佳优化设计效果，设计人员应该灵活运用结构设计优化方案。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角方向容易出现的裂缝，可归结为矩形板。钢筋选择时应注意：I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力相差却相当大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，应在满足基本规范要求之上，以达到安全、经济之目的。
3结构设计优化―――下部地基基础
桩基础类型的选择，要依据现场地质条选择最为合适的结构设计优化方案，以降低工程总造价为目的。例如对灌注桩桩长的选择影响较大的桩端持力层的选择，要多进行比较，最终确定最为合适的方案。
总之，建筑是凝固的艺术，好的建筑师总希望可以通过建筑来合理的表达本身设计意图，希望拥有艺术性以及实用性能的美妙融合。建筑结构设计师们应严格遵“安全、经济、合理”的设计理念，努力探索更合理的结构设计方案，保证建筑工程取得良好的经济效益和质量效益。
篇10
1结构设计优化方法内容及其原则
1.1概述。在房屋建筑结构设计时，如果要对设计方法进行优化，这就势必给工作人员带来更多的问题，例如成本问题和建筑材料问题。这种情况下，就要求工作人员用最低的资金投入，进行房屋建筑设计的优化。对优化房屋建筑设计时，其优化的内容主要包括两个内容：①优化整体的房屋建筑结构；②优化局部的房屋建筑结构。而局部房屋建筑结构主要就是对主体结构、房顶结构和下部基础结构等分别进行优化设计。1.2原则。（1）使建筑具有安全性能。房屋结构优化不是简单的进行材料的节约，而是首先要确保房屋建筑结构安全，然后利用专业知识，结合实际的房屋建筑情况，对房屋建筑结构进行科学合理的优化，从而使得房屋建筑的设计趋于完善。（2）使建筑具有实用性能。对于房屋建筑优化设计的另一个原则就是要确保建筑物的实用性，使得房屋建筑通过优化设计具备更多的功能，满足人们的实用与使用需求。（3）保证建筑结构优化的同时保护环境。房屋建筑结构优化设计的另一个原则就是要尊重环境，也就是说要注意环保，例如，可以采用绿色环保材料。（4）确保建筑具有可用价值。这个原则也是非常重要的一点，要求在进行房屋建筑优化设计时，不能一味追求利益，忽视质量，而是要在保证建筑质量的基础上降低资金投入。根据以上原则，不难看出，在进行房屋建筑结构优化设计时必须保证其科学、安全、质量要求。首先，充分重视结构优化模型，科学合理的结构设计变量得到解决。主要针对相关的参数值和约束来控制参数值的选择应注意，而较小的将实现一个预定义的类型参数，可以有效地减少编程，提高效率，提高整体水平；然后是目标函数的确定，这将对建筑作为一个整体的成本情况来理解。可以科学地确定约束条件，为结构的优化设计奠定基础。
2建筑结构设计优化方法的具体应用
2.1整体和局部优化。房屋建筑结构设计具有复杂层次性。首先要求在进行设计时要考虑设计、结构、安装等不同子系统及其下属体系。在进行优化设计时，综合考虑各个子系统和下属体系并且进行优化；其次，由于在房屋建筑结构设计时设计到施工材料、构建、配件等内容，这就要求进行房屋建筑设计时，进行整体优化。建筑结构的优化计算模型和优化计算方案属于建筑结构优化设计的重要组成部分。建筑结构的优化设计的本质就是在变量中提取重要的参数，根据上述所说参数建立函数模型，从而得到比较好的方案。一般来说，建立模型主要从以下方面入手：①合理选择设计变量，这属于重要内容，而且在选择变量设计会影响参数的选择，因此合理计算变量就能将降低计算编程的工作量；②确定目标函数，首先要在符合函数的基础上找到最优解，才能确定目标函数；其次，将约束条件确定下来，主要包含弹塑性、强度、应力及尺寸等方面，在优化建筑结构的同时，必须确保约束条件的范围在规定的要求之内，满足设计的需求。2.2建筑主体上部结构的科学性优化。建筑主体上部结构的科学性优化，是在建立模型，优化系统设计，保证科学合理性的基础上，对建筑剪力墙进行优化设计。首先，建立合理的剪力墙数量；其次，保。证剪力墙的整体质量的统一性，保证其整体结构的重心，减少地震等灾害对房屋建筑的破坏；最后，如果要保证剪力墙的高抗剪能力，在满足质量的要求上减少墙的数量。2.3概念设计结合细部结构设计优化概念设计的应用表明没有具体的量化数据，例如，抗震防裂度，这种情况下没有具体的量化的标准进行优化设计，因此需要用到概念设计。但是在设计过程中，要求工作人员必须会合理且灵活运用建筑结构设计的优化方法。例如，在进行抗震设计时，可以根据房屋建筑的实际情况，选择合理的抗震方法进行设计，方法不同，但是达到了相同的优化目的。2.4结构设计中注重协调性设计。应用结构设计的优化方法，可以充分体现在协调方面。将建筑与整个平面之间的关系应得到有效的加强，可以在结构设计中加以保护，以及结构设计的外观也应体现。在设计过程中，墙、柱的结构布置，建筑平面功能需要得到有效保证，建筑空间和深度，充分保证房子的整体结构来反映系统的简单性，在各部门的高度可以充分的保护。2.5对计算结果进行分析，确定最优设计方案。作为优化结构设计中比较重要的部分，结果分析的意义不言而喻。在此过程中，要将计算数据结果进行详细的分析，然后以数据中得到的信息为依据，制定优化设计方案。另外，在优化设计的过程中需要多方面考虑，尤其是各种阻碍因素，要对其进行控制，使得建筑结构优化设计能够顺利完成。此外，由于在施工建设过程中，涉及的人力、物理、财力较多，因此结构优化的主要目的就是合理降低上述指标，从而保证建筑指标不会受到影响。因此，在建筑结构设计中必须注意：①找到建筑技术和经济之间的平衡点，降低二者矛盾，使用高新技术，降低费用成本；②充分理解技术所带来的经济价值，充分意识到技术的进步和发展有利于降低经济损耗，因此这就要求必须加强技术发展。
3建筑结构设计优化的现实意义
3.1有利于降低工程总成本。现阶段，高层建筑不断增加，与普通多层建筑比较，主要的区别就是占据的土地面积比较小，占据的空间面积比较大，减少用地费用。但是建筑物的高度的增加，层数的增多，就容易造成楼与楼之间的不协调问题，占地节约量和建筑的层数不成比例。因此，不可以单纯的追求建筑的高度而忽视土地节约量，要将占地面积、造价进行统一协调。另外，高层建筑并不会因为层数的增多增加楼顶，这就明显的降低了成本，只是会增加楼层的基础造价。3.2有利于加强建筑物的整体经济性能。随着层数的不断增加，建筑物必会影响整体框架梁与柱的承载能力，使之承载力增加，这就造成墙体的面积和梁柱的体积的增加，增加结构自重，电线、水管等管道等房屋配置会有所延长。相对来说，普通的多层建筑物能够节省建材但不会影响抗震性能。此外，建筑物高度的不同势必会影响墙面的范围，这时候一般会选择圆形建筑或者是接近方形的建筑，这样外墙的周长系数就会相对减少，而且内外装修面积也会随之减少，而且以上形状有利于其受力的提高，在保证安全稳定的基础上增加了建筑的整体经济效益。
4结束语
综上所述，参考实际情况，从多个方面，研究对房屋结构设计中的建筑结构设计优化方法的应用，利用结构理念和方法的不断优化，有效的提高建筑整体的结构设计质量。希望本次的相关研究，可以对房屋建筑结构设计优化起到一定指导作用。
作者:胡必伟 单位:伊犁鼎轩建筑设计院有限公司
参考文献：
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一、建筑结构设计优化的重要性
在房屋结构的设计中，采用合理的建筑结构方案，不仅能够实现建筑物的实际使用价值，而且还能够很好地实现建筑物的经济价值和环保价值。通俗的讲，好的结构方案不仅可以在最大程度上为建设单位减少资本投入，带来更多的经济效益，而且还可以科学有效地保护建筑施工场地的生态环境，从而实现建筑经济利益与环境保护相结合的模式。因此，合理地使用建筑结构优化技术能够更好地实现建筑的综合效益。建设单位从事建筑开发的基本原则就是在最大程度的减少资本投入、减少建筑材料使用的基础上，实现建筑的高质量和长期使用【1】。建筑只有在保证良好质量和长期使用的前提下才能够实现建筑美观、耐用、新颖等特点，从而满足不同人群的需要。与传统的建筑结构设计方案相比，建筑结构设计的优化可以有效地降低建筑结构成本投入。其采用的结构设计优化措施可以科学地实现建筑施工过程中各种资源的合理配置，以及各项建筑材料的充分利用，并且更好地协调建筑空间布局，使得建筑空间布局能够有效的结合，共同发挥其使用功能。因此，合理的利用建筑结构优化技术，在确保建筑安全性能的前提下能够充分的体现出建筑结构创新性。此外，这种技术还能够帮助结构设计人员选择最为合理的设计方式。
二、建筑结构设计优化的理论体现
在进行建筑结构设计时，我们不仅需要考虑其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，还需要考虑建筑本身的美感与艺术感，这就是结构设计优化的相应体现。从理论上对建筑结构设计的相关优化方式进行分析，我们可知，建筑结构的的设计优化方式在现实应用中，主要体现在建筑结构整体的优化和建筑结构分层的优化上。对于建筑结构整体的优化，我们不仅应尽量减少结构质量中心和结构刚度中心的相关性差异，而且还应保持建筑结构的对称性和规则性，但是这些结构设计的理念同时应满足建筑设计师的设计要求。对于建筑结构分层的优化，在满足建筑本身功能的前提下，竖直方向应尽量让同一方向的竖向承重构件达到上下相通，而且为了减小在结构设计上的难度，宜尽量避免转换层结构的使用。在竖直方向的设计还应充分考虑刚度的相关要求，刚度的变化应保持均匀性而不是突变性，否则一旦出现刚度的突变会严重影响建筑结构在抵抗水平方向上的荷载作用性能。
三、建筑结构设计优化的方法
1、优化结构设计模型
建筑结构的优化可以分为以下几个阶段:
1.1 对变量的选择。一般情况下，建筑师决定的最终建筑设计方案起到重要的作用，这些重要的建筑数值均可以作为变量供建筑设计人员进行选择。例如:工程参数的参考，包括对房屋价格的参考、对于其损失的参考等等。设计人员若能够将变化幅度较小或考虑因素较少的参数作为设计的参考，建筑结构的设计和编程难度将会大大降低，设计人员也能够更快的找到最符合设计目标的数据【2】。
1.2 对函数的确定。设计人员要选择出最符合配筋率和房屋结构构件尺寸的一组函数，进而在最大程度上降低建设成本。
1.3 对施工条件的衡量。想要进一步确保建筑结构的稳定性，就需要从房屋的受力限度、变形限度、结构的稳定性、房屋结构构件的尺寸、结构构件裂缝的限度、房屋的结构体系等方面考虑。在实际的建筑结构设计过程中，设计师应该结合建筑使用方案和房屋的施工条件，分析出实际设计中存在的约束性条件，并且要确保解决这些约束性条件的方案要符合我国现行的规范规定，以保证建筑结构的设计结果达到最优。
2、科学设定优化设计的相关方案及应用程序
首先，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化通常都具有很多约束条件，有时会遇到非线性的相关优化问题。所以在相应的计算中，会进行相应的转换，将有约束的优化转化成无约束的优化，而相关的计算、方式有拉式乘子法、powell 法等。其次，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化基本模型，以及在设计时运用的相应的计算方式，为了可以更好地实现其效果，能够将这些编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施。
3、对统计结论进行分析
设计人员在进行了各种计算之后，要对统计结果进行认真的分析，并且找出各个设计方案中不同点和相同点，并且结合总体的设计情况和进展选择最佳的设计方案。设计人员在进行结论分析的时候，要注意不要遗漏一些细节问题。房屋的建设与设计是一项耗时长、成本高的项目，它不仅涉及到建设单位的利益，也涉及到了房屋使用者的利益，设计人员在把握细节的基础上，要注意从宏观上把握住当事人的利益，这样才能够有效的节约建设成本，进一步优化建筑结构。在进行建筑结构优化的时候，设计人员不仅要避免追求片面的利益，还应该避免为了追求设计创新而忽略了建筑实际情况。
四、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用分析
1、对建筑主体上部结构进行的科学性优化
房屋建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。整个过程第一步就是先合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的布置是均匀的，这样使楼层平面刚度的中心点重合于楼层平面质量的重心，从而减少地震作用及风荷载等对其的破坏性。在房屋结构设计时，如果条件允许，应尽可能地对剪力墙进行大开间的布置，加长剪力墙的墙肢长度，这样既能减少墙肢的数量，还能在符合规范的条件下减少混凝土的使用量。另外，剪力墙内的暗柱一般都设置了钢筋，如果采用较大的剪力墙就可以减少相对的钢筋使用数量，从而相应减少的材料成本。然而如果建筑的本身不具有相应的条件，而且对于抗震抗压的要求较高，就不得开间过大的剪力墙。
2、房屋建筑的整体性与局部性优化
建筑在设计过程中都应具备相应的层次性和复杂性的特点。从层次性角度来讲，建筑体系包含着建筑整体设计体系、结构相关体系及安装体系等，每一个单独的体系又包含了众多的下属体系。在对房屋进行设计时，设计者要对每一个下属系统地进行相应的优化，冲破关联的横向性，实现叠加型工程;对于复杂性角度来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的零部件等。因此在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现结构整体的设计优化。
3、结构优化与建筑优化保持协调
对于结构设计既要保证结构的整体性，又要与建筑平面功能紧密配合，这样才能实现建筑本身的功能与结构相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证平面简洁，墙体与立柱不能有错位的现象，高度与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而更好地降低自重。对于结构整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。
4、直觉优化技术与建筑结构设计
即使对于同一个建筑方案，结构布置方面也可能存在诸多的差异。建筑结构的布置如已经确定，即使荷载情况是完全相同，也可以将差异化的分析方法给应用进来。在分析过程中，也可以采取差异化的设计参数、材料和荷载的取值，对于建筑结构的细部处理，更是存在着诸多的差异。现在建筑结构的计算大多都是靠计算机来完成的，但很多问题都是计算机无法完全解决的，那么就需要靠设计人员进行科学的判断。在判断的过程中，需要严格依据结构设计的一般规律，总结过去的工程实践经验，这也就是我们所说的概念设计。因此，设计师在选择多种备选方案的过程中，就需要应用到概念设计。
5、建筑寿命优化与阶段性优化。
在建筑的使用年限内，需对建筑每一阶段进行相应的结构方案优化。房屋结构的设计者要考察各个阶段的特点，根据实际情况进行优化方式的确定，从而对工程的整体寿命进行科学的优化。这样，既保证了建筑产品质量，又提高了建筑企业的经济效益。
结束语
综上所述，建筑结构设计优化对于整个建筑工程的质量与美观都有着重要的促进作用，建筑结构设计优化方法在房屋建筑结构中的应用，在很大程度上促进了建筑结构设计的科学性和合理性，因此，有必要不断加强建筑结构设计优化方法的广泛应用。
参考文献：
[1]王也. 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 中华民居(下
旬刊),2013,03:81-82.
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随着我国房屋建筑工程行业的高速发展，居民对房屋建筑的功能质量的要求越来越高，房屋建筑从单层、多层朝着高层建筑发展，其结构形式也越趋多样化和复杂化。在这种形势下，通过优化建筑结构设计以提高建筑质量、降低建筑成本并满足居民对房屋建筑的品质要求，对于房地产企业保持并扩大市场份额具有重大现实意义。
据统计，建筑设计阶段决定了建筑造价的80%以上，而这其中结构设计由决定了建筑总造价的50%左右。我国大部分建筑施工过程中的水泥、钢材用量均远远多于欧美发达国家，有巨大的可优化空间。本文首先分析了结构优化设计的现状，并对基于ANSYS的框架结构优化设计方法进行了研究。
1 结构优化设计现状分析
结构优化是指在满足国家和地方相关法律法规规定的结构安全度要求的基础上，根据实际建筑物的设计特点及设计需求，通过选择合理的体系及结构，结合精确的计算机模型计算、校核与应力分析，制定出详细的配筋方法等设计内容，最终达到有效降低结构构件经济指标及整体工程造价的目的。
按照结构优化发展的难易程度，可将其分为截面或者尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化以及类型优化等5个层次，但结构优化在建筑结构设计领域的应用还比较有限，主要因为：（1）在现行国家和地方相关法律法规中，对建筑优化设计的要求不够明确，设计人员往往仅对尺寸、钢筋数目等细节进行优化，没有考虑总体设计理念，无法获得最优结果。（2）设计人员仅了解最基本的结构设计理论和设计软件，在行业内部对结构优化设计理论和方法的推广不足。（3）相关结构优化设计理论和方法缺乏实践检验，由于实际结构设计的影响因素、变量和约束条件较多，给目标函数的建立带来较大困难，因此现有的结构优化方法中界定的优化目标与实际工程需求还有较大差距。
2 基于ANSYS的框架结构优化设计方法
优化设计的基本原理：基于数学模型构建优化模型，在此基础上使用优化方法和优化工具进行迭代计算，对目标函数进行求解，得到相应的机制，并最终获得最有结果。国内外结构分析模型及其优缺点比较如表1所示。
表1 国内外结构分析模型及其优缺点
模型 平面框架 协同工作 薄壁柱 墙组元 板-梁墙元 平面应力元 壳元墙元
简图
优点 计算快
手动校核 计算较快
考虑了空间整体性 适用于所有平面、效率高 剪力墙可以多点传力，变型较协调 变形较协调，自由度较少 简单实用，充分考虑墙平面内刚度 分析精确较高，能直接与一般梁柱单元连接
缺点 模型粗糙
适应面窄 适应面窄
近似结果 剪力墙要求比较规则，单点传力 尚在实用 结果偏柔，有时失真 近似考虑墙平面外刚度 自由度太多，计算效率低，数据和程序复杂
代
表
软
件 建研院
PKPM 建研院
XTJS 建研院TBSA
TAT 建研院
TBWE 美国加州
ETABS
清华
TUS/ADBW 大连理工
DASTAB
美国加州
ETABS（95） 建研院
SATWE
北大SAP84
ANSYS软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，该软件分为前处理、分析计算和后处理三个模块。优化设计包含在分析计算模块，ANSYS提供了零阶方法和一阶方法两种优化方法来解决各类优化模拟问题。运用某工程实例说明ANSYS在框架结构优化中的方法。
（1）工程实例概况。某房屋建筑的二层梁梁长5700mm，梁截面为250mm×450mm。其梁配筋，梁端负筋为4根三级钢，直径为16mm，梁底正筋为3根三级钢，其中2根直径为20mm，一根直径为16mm。箍筋为一级钢，直径8mm，间距200mm，加密区100mm。现优化器梁截面与钢筋截面。梁的相关结构如图1所示，其中梁上的均布载荷为P=43.3kN・m。
（2）构建目标函数。目标函数是梁单位长度上的总造价最小，目标函数如式（1）所示。
（1）
式中，为单位体积混凝土的价格，初始为0.000057元/cm3;为单位质量钢筋价格，初始为0.4831元/kg;为单元面积模板的价格，初始为0.00016元/cm3;为负筋的总长度与梁全长的比值，初始值为2。
（3）优化设计。建立分离式有限元模型，混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用LINE8单元，进行模拟优化，梁的变形模拟图如图2所示，最终框架梁的优化结果如表2所示。
（a）钢筋混凝土梁应力图 （b）钢筋应力变形
（c）钢筋混凝土梁应力变形
图2 梁的变形模拟图
表2 框架梁优化结果
3 结语
房屋建筑结构设计首先需要保证建筑物的功能性、耐久性和安全性，在此基础上，应最大限度的控制建筑成本，才能有效提高企业的市场竞争力。为实现这些目标，就需要针对建筑结构设计不同阶段的内容和特征，将结构优化设计方法应用其中，以保证设计的合理性和可行性，并达到最终的优化设计目标。
参考文献
[1]李能能，董斌.房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨[J]. 建筑设计管理， 2013 （12）： 73-75.
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建筑是关乎民生、经济、社会发展的主要建筑形式，且大量存在，因此对于建筑的结构设计应做到安全、适用、经济、美观，并且符合当前的施工技术水平。也可以说，建筑结构的质量是保证建筑使用功能的基础，是保障建筑材料、能源和经济等资源有效发挥作用的途径。因此，对于建筑结构进行优化设计显得尤为重要。
一、分析为什么要对建筑结构设计优化
（一）节省工程造价
建筑工程造价中建筑结构的成本大约占到总造价的50%，对建筑结构进行优化设计可以在很大程度上降低工程总造价，节约工程造价成本。建筑结构优化设计能有效的节省房屋建筑的投资成本，具有巨大的经济价值。
（二）提高工程质量
目前设计单位的水平整体都在不断提升，但是首先很多工程师成本控制意识低，忽略对建筑工程的成本造价控制，只追求高的安全系数，从而造成设计过于保守；其次，没有相应的责任制，设计人员缺乏责任心，对建筑结构的设计概念不清楚，一味的使用计算机而不是大脑来进行计算，常常导致计算不合理或者与工程实际不吻合等等错误，使之结构设计存在安全隐患或者较大的浪费；另外，设计人员与建设单位的沟通不到位，没有完全理解建设单位的建造用途及建筑功能，进而造成建筑产品不能满足建设单位的需要。
据统计因为在设计过程中，设计质量差，造成功能布置不合理，相关专业工程师没有相互沟通，导致经常出现在施工过程中进行修改及返工现象，导致施工工期不能控制。同时因为工程质量差，工程存在安全隐患等问题，造成投资的卜大浪费。通过建筑结构设计优化可以有效的提高工程设计质量，降低安全隐患，减少投资浪费。
二、探究建筑结构设计优化的方法
建筑结构设计优化是要通过对拟建项目进行模型的优化、计算方法的优化，并在计算和模拟的基础上制定有效的结构方案，再进行验证。
（一）结构优化模型的建立
在进行结构优化设计的过程中，首要的问题是要根据实际的结构特性设定成为相关的结构设计参数，主要的有目标控制参数和约束控制参数。对于那些变化范围比较小的，且在结构的局部加强就能满足要求的部分参数，将其确定为预设参数，从而减少计算的工作量;对于目标函数，是要找到一组可以满足预定条件的钢筋截面积和截面的几何尺寸，目标是要让总造价最小。对于约束控制函数，包括前度和稳定约束、截面尺寸约束、结构整体约束、构建单元约束、正常使用状态的上下限约束条件等。参数的设计必须要与实际情况和规范相符。
（二）结构优化设计的计算方法
在结构优化设计计算方案的确定上，考虑到建筑结构的复杂性带来的变量多、约束条件多等情况，因此在计算过程中，一般的做法是先将有约束的优化问题转化为无约束条件再进行求解，可选用的计算方有拉式乘子法、复合形法等。结构选型、尺寸和参数设计完成后，在计算方案的基础上设计优化程序。并在得到计算结果后，对结构进行综合分析，最后确定最合理的结构优化设计方案。
三、建筑结构设计优化技术的应用
通过结构优化设计技术来逐步改善房屋建筑的使用性能，进而提高经济性，大力降低工程成本造价。在建设工程项目中，结构优化设计技术主要应用于项目的整体设计、前期设计以及抗震设计等各个分部阶段环节，应用广泛，其发挥的效能也十分明显。
（一）树立精品意识
结构优化设计过程是结构工程师打造设计精品的过程，预算专业提前到设计方案阶段，为结构工程师提供必要的经济分析数据，通过结构工程师与造价工程师对设计质量、品质的经济指标的全程控制，实现设计产品质量与经济的统一。
（二）优化设计中正确理解应用结构设计规范
追求适用、安全、经济、美观以及便于施工是建筑结构优化设计的目的。因此，建筑结构优化设计不但要求结构设计工程师有丰富的设计经验，也同时要对建筑结构规范的条文的概念、定义、前提条件及适用范围有较为详细的了解，在建筑结构设计规范的基础上，能够把自身的结构设计方案科学的融入到整个项目工程中。对于一些大面广的工程中，某些条文规定不可避免的偏于保守，同时，也有些条文对一些特殊、复杂工程的设计工程条文安全性不足。因此，建筑结构工程师在优化设计中，应该充分利用扎实专业知识与丰富的设计经验，对上述问题做出科学与正确的判断，从而能够把握设计，使设计成果逐步优化，不断创新。
（三）结构工程师要积极参与工程前期规划及方案
建筑结构工程师要积极主动参与前期工程规划及建筑方案，是实施结构优化技术的重点内容。因为，在在实际施工中，建筑结构工程建筑师难以把握对结构体系的受力的正确分析，相关建筑结构工程师要积极主动地参与前期方案设计，帮助建筑师构思与逐步创新，使得建筑师的建筑理念得以完美的体现。
（四）合理的结构方案
要用整体的概念在待定的建筑设计中来完成结构整体方案的构思，处理好构件与构件，构件与整体结构的关系，充分利用和发挥整体结构与构件的最佳受力状态，使结构具有足够的承载力、刚度及良好的延性，尽可能使结构受力与传力简单、直接、明确，使之整体结构安全可靠协调一致，使建筑的型心与重心重合，避免及减小外力作用下的扭转效应，结构平面规则对称与竖向刚度的均匀一致，可能达到结构设计的安全经济。
（五）建筑结构各部门相互协调与合作
建筑结构优化是一个复杂性的系统工程，涉及到的专业也很广，各个专业必须相互协调与配合。依据建筑学发展角度出发，现代建筑是综合性产品，包括建筑、结构以及设备等要素。因此，建筑工程在工程实施中，应该大力加强分工与合作，将各个构成要素进行充分有机结合，为打造出完美的作品夯实基础。在建筑工程项目设计中，最重要的环节是建筑设计与结构设计，只有将这两个环节充分结合，建筑工程实用、经济、美观大方效果才能充分体现，同时，建造结构受力更趋向合理性，大大降低了成本，简化了施工。但在建筑设计中，一些建筑设计人员不遵循建筑的基本力学规律，过于注重设计方案创作的新奇性，导致这建筑结构难于处理，因此，建筑结构优化必须通过强化各个专业的合作与协调，可能够实现结构合理，成本降低。
（六）提高材料的利用率
结构的效能设计主要考虑充分发挥结构材料的力学性能，有效的减少结构材料的消耗，达到“少费多用”的目的。各种高强材料：高强度钢筋、高强度混凝土等；各种轻型材料如：轻骨料混凝土、轻型隔墙的合理利用，可以有效的减轻建筑结构的自重，减小水平地震力的作用，减小基础顶部荷载等等。
（七）充分考虑地基基础结构设计
地基基础是建筑结构设计的重要组成部分之一，其造价根据工程所建地地基土的不同，基础形式不同，其基础造价也不同，但其造价占工程总造价的比例也不同，其比例占总造价的20~25%不等。地基基础属于隐蔽工程，建筑物的高度与安全性等受地基基础影响很大。建筑结构中的地基基础的结构设计必须选择合适的方案，要依据现场地质条件上部结构形式、高度、层数、基础顶部荷载，综合进行基础选型及埋深等设计，最大程度的节省造价。
总之，结构优化设计的目的是为了让建筑设计年限内能够更好的发挥其作用而提出的。我们通过对建筑结构优化设计的内容和方法的剖析，指出了在实际应用中如何来利用结构优化设计。所以，结构优化设计是在坚持可持续发展观、充分利用有限资源的基础上提出的，是符合社会发展需要的有力举措。
