結構優化方法精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇結構優化方法范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

關健詞 船舶結構；優化；設計方法

中圖分類號 U66 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）103-0100-02

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

1經典優化設計的數學規劃方法

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

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

2 多目標的模糊優化設計法

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

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

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

3 基于可靠性的優化設計方法

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

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

1）根據結構的可靠性R·，要求結構的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現某種組合的滿意度達到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

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

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

4 智能型的優化設計方法

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

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

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

5 結論

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

參考文獻

[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結構多目標優化設計[J].上海交通大學學報，2010（1）.

篇(2)

[關鍵詞]型鋼混凝土；組合結構；優化設計方法

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）01-0136-01

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

1 型鋼混凝土組合結構的基本特點

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

2 型鋼混個凝土組合結構優化設計的基本方法

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

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

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

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

3 型鋼混個凝土組合結構優化設計的基本原理

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

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

4 結束語

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

參考文獻：

[1]王秋維，史慶軒，侯煒，等.型鋼混凝土框架結構基于增量動力分析的抗震性能評估【J】.世界地震工程，2011，27.

篇(3)

關鍵詞：隔膜泵；隔膜腔；機械強度；ANSYS

中圖分類號：TH323 文獻標識碼：A

作為高壓隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在輸送固液兩相流體過程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于連接隔膜室蓋、進料閥和出料閥，因此隔膜腔的設計過程中需要考慮流體壓力、螺栓預緊力和其他因素的影響。本文以某大型高壓隔膜泵中隔膜腔為研究對象，基于有限元方法對隔膜腔進行了靜力強度分析。通過ANSYS的后處理分析模塊獲得了隔膜腔的應力分布，扭曲和應力線性化結果。根據ASME VIII-2標準對隔膜腔的機械強度進行了校核，并在此基礎上對隔膜腔的結構進行改進設計。分析結果可為隔膜腔的結構優化設計和降低成本提供一定的理論基礎。

1 有限元模型的建立

圖1（a）給出了隔膜腔的剖面圖，從圖中可以看出兩個內腔圓角和最小壁厚分別用R1，R2和d表示。通過三維設計軟件SolidWorks畫出隔膜腔的1/4對稱模型，如圖1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料屬性如下：拉伸強度σb為510MPa，屈服極限σs為295MPa。根據ASME相關標準，材料的許用應力可通過下式計算出來。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

將SolidWorks建立的隔膜腔幾何模型輸出為SAT格式檔并導入有限元分析軟件ANSYS，在ANSYS的前處理模塊對隔膜腔劃分網格。應力集中區域需要局部網格加密，最后獲得隔膜腔有限元模型的單元數為173812，節點數為36952。根據隔膜泵實際的工作狀態，定義隔膜腔的邊界條件和載荷如下：隔膜腔的對稱面施加對稱邊界約束，定義隔膜腔和隔膜室蓋螺栓連接處施加600000N的預緊力，隔膜腔和出料閥螺栓連接處定義80000N的螺栓預緊力，隔膜腔內受液體壓力的面施加20MPa的壓力。圖2給出了隔膜腔的載荷約束圖。

2 應力分類及強度評定

圖3給出了隔膜腔的Von Mises應力圖和位移云圖。從圖中可以看出最大應力出現在隔膜腔的相貫線處。根據ASME VIII-2標準，定義了用于強度校核的四條線性化的應力計算路徑，如圖4所示。選擇這些路徑的原理如下：沿著壁厚的方向，根據最大應力節點定義一條或多條應力計算路徑。應力線性化計算路徑還應當在隔膜腔的應力集中區域進行定義。

根據應力產生的原因、應力集中區域和應力的性質，壓力容器應力可以大致分為：主整體膜應力（Pm），主局部膜應力（PL），主彎曲應力（Pb）和次應力（Q）。利用這些應力和如下的校核方法可對隔膜腔的強度進行校核：主總體膜應力的等效值應當小于金屬材料的許用應力（Sm）。考慮到應力的位置，主局部膜應力的等效值應當小于1.5倍材料許用應力（1.5Sm）。根據極限載荷設計理論，當膜應力和彎曲應力同時存在時，他們的和應當小于1.5倍的材料許用應力（1.5Sm）。更進一步考慮次應力的限制條件時，Pm（PL）+Pb+Q應當小于3倍的材料許用應力（3Sm）。

通過ANSYS的后處理模塊，畫出了沿著四條應力計算路徑的等效應力變化曲線，如圖5所示。四條應力計算曲線的最大等效應力列在了表1中。

表1 不同路徑的最大等效應力

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲（MPa） 總應力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

將表1中的應力數據帶入應力校核公式，可獲得隔膜腔的應力校核結果，如式2-5所示。結果表明隔膜腔的應力滿足強度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通過修改隔膜腔的結構來優化隔膜腔的結構并降低制造成本。結構的修改方法如下：保持內腔幾何尺寸不變，壁厚減小30mm，修改結構前后的模型對比如圖6所示。

根據相同的應力分析方法，用ANSYS軟件對修改結構后的隔膜腔進行應力分析。修改結構后的隔膜腔的應力線性化路徑的定義位置與改結構之前的位置相同。修改結構的隔膜腔的最大等效應力列在表2中。

表2 不同路徑的最大等效應力

（修改結構）

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲 （MPa） 總應力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根據表2中的等效應力，按照ASME VIII-2標準對隔膜腔的強度進行校核，可以看出修改結構后的隔膜腔同樣滿足強度要求。

3 結論

通過對用于遠距離管道輸送的某型隔膜泵隔膜腔的應力分析和校核，可得到如下結論：

可通過有限元分析軟件ANSYS對隔膜腔進行靜應力分析，并且獲得了工作壓力下隔膜腔的最大應力位置和最大應力值。

根據ASME VIII-2標準中對應力的分類，在隔膜腔1/4對稱模型上定義了四條不同的應力線性化計算路徑，并且通過ANSYS后處理模塊獲得了等效應力變化曲線。隔膜腔的機械強度通過相關的應力校核方法進行了校核，結果顯示修改結構前后的隔膜腔結構均滿足強度要求。

通過減小壁厚獲得了一種新的隔膜腔結構，新結構通過校核滿足強度使用要求，通過比較結構，發現新結構減小了重量，降低了制造成本。

參考文獻

[1]ANSYS help. USA： ANSYS company，2010.

篇(4)

針對傳統的安全因數法考慮載荷和強度不確定性因素對飛機安全性的影響太籠統，無法從根本上減輕飛機結構質量的問題，提出一種飛機結構可靠性優化設計方法.根據應力強度干涉模型計算結構單元的可靠度，建立以單元滿可靠度為準則的優化模型，實現包含可靠性約束的結構尺寸優化.該功能已經加入到COMPASS中.算例結果表明該方法能夠減輕結構質量，改善結構可靠度. 該方法為開展飛機結構不確定性設計提供技術手段.

關鍵詞：

飛機； 薄壁結構； 準則法； 可靠性； 優化設計； 關鍵元； COMPASS

中圖分類號： V214.19

文獻標志碼： B

0引言

隨著輕質材料的大量應用，飛機結構的質量越來越輕、性能越來越好.例如，歐美兩大飛機制造商空客和波音公司最新研制的A350和B787客機，復合材料的使用量已達到甚至超過50%，新型金屬合金材料也占有較高的比例.輕質材料的大量使用雖然能大幅減輕結構質量，但并不能從根本上解決結構質量突出的問題，主要原因在于當前飛機結構設計仍沿用確定性設計思想即安全因數法，該方法比較保守，籠統考慮載荷和強度不確定性因素對安全性的影響.[1]為解決傳統設計存在的不足，飛行器設計嘗試開展可靠性設計.[2]在現有工程結構優化的基礎上，本文提出一種可行的結構可靠性優化設計方法，并以結構優化設計系統COMPASS為平臺，研究考慮可靠性約束的結構優化設計.目前，該方法主要針對飛機薄壁結構，其他結構需展開相應研究，包括失效分析和可靠性分析等.

1優化設計現狀

篇(5)

關鍵詞：可靠度；橋梁結構；優化；設計

Abstract: based on the reliability of bridge structure optimization design will bridge structure as a whole study, but also to consider and deal with the design of bridge structure stochastic uncertainty, a traditional structure optimization design is more reasonable. The paper based on reliability of bridge structure optimization design basic ideas and development direction.

Keywords: reliability; Bridge structure; Optimization; design

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

1引言

橋梁結構設計的基本原則是安全、適用和經濟。傳統的橋梁結構設計主要是采用定值設計的方法，既不能描述和處理橋梁結構中客觀存在的各種不確定性因素，也不能定量地分析計算安全、適用及經濟的各項指標，更無法科學地協調它們之間的矛盾，使它們達到合理的平衡。事實上，傳統設計方法追求的是一個滿足設計規范條件下的最低水平設計，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

當前，結構優化設計在橋梁工程領域日益受到重視，但其應用的范圍和程度還很不理想。其原因除了橋梁工程設計取費標準不利于推動優化技術之外，還可歸結為橋梁工程結構優化問題的如下特點：

（1）橋梁工程結構設計中的大量不確定性。如外部環境（荷載和結構所處場地類型等）的不確定性、結構本身的不確定性（結構材料性能、截面幾何參數和計算模式的精度等不確定因素導致的結構構件抗力的不確定性）、結構整體分析中由于模型簡化的誤差而導致的不確定性等。為了充分考慮所涉及到的各種不確定性因素（目前主要考慮隨機性因素），必須采用結構可靠度理論。

（2）橋梁工程結構設計準則的多重性。包括承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計以及與其它特殊功能要求相聯系的極限狀態。

（3）結構優化目標的多樣性。對橋梁工程來說，人們既要求在目標方面考慮結構造價，還要考慮不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等在內的經濟指標，還可以以某些特定結構功能為目標。另外，目標函數的性質也很復雜，既有設計變量的顯式函數（結構的重量或造價），又有設計變量的非線性、高度隱式函數（結構的失效損失期望）；而且由結構造價和結構損失期望的加權和所構成的統一目標函數不具有對設計變量的單調性。

2結構優化模型

基于可靠度的橋梁結構優化模型可以決策出各個構件的最優可靠度，各個構件的優化設計就是以最小的造價實現它的最優可靠度。這就將結構整體優化設計方法轉化為一個兩層次的結構優化設計問題。

2.1層次一――結構可靠度的最優分配

在無約束條件下，尋求結構可靠度的最優分配就是求解如下的數學規劃：求

Psii＝1，2，…，K…。

min W＝C＋L（1）

式中：W為目標函數；C為結構造價；L為結構的損失期望；K為構件數目；Psi為第i個構件的可靠度。

以上模型中的C和L目前只能利用經驗統計法、半理論半經驗法等求得其近似表達式。

對不同的結構及不同的情況（如考慮構件失效的相關性及構件之間的串并邏輯關系），C和L具有不同的表達形式。因此，尋求C和L的合理表達式是有待于進一步研究的問題。

結構可靠度的最優分配模型中，采用目標函數W＝C＋L，將多目標優化問題轉化為單目標優化，使問題得到了極大的簡化。

求解數學規劃（2），便可決策出各個構件的最優可靠度Psi＊（i＝1，2，…，K）。它們是從結構整體的近期效益和長遠效益出發，結合投資條件為各個構件規定的控制指標，既是安全的指標，又是經濟的指標，因而是各個構件的最佳控制標準。

2.2層次二―――結構中的構件優化

在決策Psi＊（i＝1，2，…，K）時己考慮了結構的近期投資和長遠效益，因此，在構件設計變量的細部優化時就只需考慮如何以最小的造價Ci＊（i＝1，2，…，K）使構件具有規定的可靠度即可。這就是結構整體利益指導下的構件變量優化設計。它的數學模型就是解如下的數學規劃：

求X

min C（X）

s.t.PS（X）＝PS＊（2）

式中：X為設計變量，為了一般化，上式中的符號均未加下標。

解決問題的另一途徑就是找出結構造價和可靠度之間的比較精細合理的函數關系，這時，C（PS＊）就是構件最合理的造價。

3結構優化設計研究方向

基于可靠度的橋梁結構優化設計，應重點研究和解決以下問題：

3.1研究符合橋梁結構特點的、實用可行的優化模型。

3.2研究橋梁結構各構件的邏輯功能關系。

在結構體系可靠度理論中，研究較多較成熟的是“串聯系統”，因此，如何將橋梁結構劃分為若干具有串聯關系的單元（單元可以是單個構件，也可以是構件的組合，這種組合可能出現并聯關系或混合關系），也是一個十分有意義的問題，可使問題得到簡化。

3.3研究單元（構件）失效之間、失效模式之間的相關性問題。

可靠度計算是結構優化過程中非常關鍵的環節，為此，合理考慮各單元（構件）失效間的相關性及失效模式間的相關性是非常重要的。

4基于可靠度的結構優化水平的劃分

基于可靠度的結構優化方法按其設計變量的特性可劃分為四個優化水平，分別是：水平一：截而優化，以截而尺寸作為設計變量；水平二：形狀優化，以截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸作為設計變量；水平二：結構優化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸和結構特性參數作為設計變量；水平四：總體優化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸、結構特性參數和材料參數作為設計變量。

5結語

從確定性的設計方法向概率設計方法方向發展，這是當前結構工程設計的發展趨勢。計入作用和結構抗力實際上存在的隨機性和將主要依靠直觀經驗確定的安全系數變為系統地應用統計數學定量給出一定基準期內結構的失效概率和統一可比的可靠指標，無疑是工程設計思想、概念和方法上的突破。基于可靠度的結構優化方法的研究和工程應用的前景將十分廣闊。

參考文獻:

[1]葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1998.

篇(6)

【關鍵詞】建筑結構；優化設計

中圖分類號：TU3文獻標識碼： A

一、前言

建筑結構優化設計是指在滿足各種規范或某些特定要求的條件下，使建筑結構的某種指標，如結構形式、重量、剛度、造價等，達到最佳的設計方法。優化設計就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標選出最優的方法。隨著科學技術的不斷創新，推動經濟不斷向前快速發展，人們對物質生存環境提出了更高要求，而建筑是人類物質生存環境的重要載體。近年來，節約環保型社會建設理念的不斷深入人心，進一步加劇了建筑的需求者與供應者對建筑結構優化設計的需要。建筑結構的優化設計，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標，而且更加符合使用者對建筑本體功能的需求，從而實現了社會整體經濟效益的最大化。因此，建筑結構的優化設計，在市場經濟下的節約環保型社會越來越成為可行。

二、建筑結構優化設計的原則:

2.1功能性

建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統的實用，而是增添了舒適性、美觀性、協調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環境的更高要求。

2.2安全性

建筑作為人類生存的基礎生存環境，與人類的生產、生活緊密相關，安全性成為建筑結構優化設計的必然考慮因素。一味追求建筑結構的優化設計，忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結構優化設計中的必然考慮因素。

2.3經濟性

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

2.4環保性

建筑結構設計的環保性是繼經濟性之后的一大更高要求，建筑結構優化設計過程通過材料選用品種的環保、整體布局的環保來體現可持續的發展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節能環保型材料，同時，在結構優化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統一與環保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環境產生的重要影響。另外，材料選用的環保、整體布局的環保也是結構優化設計過程中安全性的體現。

三、建筑結構優化設計的內容

3.1 結構優化設計中的構件布置

建筑結構優化設計中的構件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設計。目前，高層建筑的結構設計大多采用框架 - 剪力墻結構體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態各異的高層建筑,給建筑結構優化設計增加了一定的難度。而框架-剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優點, 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架-剪力墻結構體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優化設計的實踐過程中，在框架 - 剪力墻結構設計中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外, 還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此,剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架-剪力墻結構初步設計階段,簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優數量,即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算,還可以達到減少經濟成本的目標。梁的選用與布置。常規梁經濟性最好,但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現社會整體經濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數,以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并不是最優,由于Y方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下,也可采用預應力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

3.2 結構優化設計中的整體布局

為實現這些目標，建筑結構決策者與設計者須從結構優化設計的全局觀念出發，利用結構設計中的點、線、面，確定建筑結構設計的總體布局，處理好點、線、面之間的架構關系，借助于材料的選用、構件的布置，充分發揮單個構件與整體結構的配合與協調，使之能實現最佳受力狀況，既實現整體結構良好的承重力、剛性與延展性，也實現單個構件的最大化與最佳化利用，保證達到建筑設計的國家質量標準，實現建筑功能性、安全性與經濟性的多重目標。

四、結束語

通過建筑結構的優化設計，是實現建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開發商不能過分強調結構優化設計的經濟性，通過減少材料、降低技術、放低質量標準來追求經濟性，同時也反對一味重視技術要求、忽略經濟成本的做法。結構優化設計的終極目標是實現建筑的本體功能性、安全性、經濟性與環保性。因此，在保障全面發揮建筑本體功能性、保證安全性的條件下追求建筑投資建設的經濟性與環保性是建筑建設的科學合理選擇。為了實現這一目標，未來的建筑結構設計者將遵循功能性、安全性、經濟性、環保性四位一體的設計思路，真正實現未來建筑結構的優化升級，為人類提供一個更好的物質生存與發展環境。

參考文獻：

[1] 高新艷.鋼筋混凝土框架結構的整體分析與優化設計[D].太原理工大學.2007.

篇(7)

關鍵詞：鋼筋混凝土建筑；結構；優化設計

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：

結構優化設計是在滿足設計規范要求及保證結構安全和建筑使用功能的前提下，通過合理的結構布置，科學的計算論證，采取一定的措施來達到合理節約工程造價的一種設計方法。文章主要以優化結構方案及其構造措施入手，結合某鋼筋混凝土框架剪力墻結構優化工程，對鋼筋混凝土框架-剪力墻結構優化設計相關要點進行了闡述。

1 優化結構方案

結構方案是結構設計的關鍵，在設計中貫徹國家的技術經濟政策，采取正確的結構方案，是保證工程質量，提高工程效益的有力保障。

1) 結構工程師與建筑師商討，共同確定最優建筑方案。首先在建筑工程的設計階段，結構工程師憑借自身的專業知識，擁有的對結構體系功能及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，用概念設計的方法明確結構總體系同分體系之間的最佳受力特征分析，達到使建筑平面結構抗側剛度中心、建筑平面形心、建筑物質量中心重合，可以有效減少建筑扭轉的影響，此外建筑立面要盡可能避免剛度突變和結構不連續，體型要規則、均勻，建筑物總高度滿足適用最大高度的規范要求。

2) 力使結構受力與傳力途徑簡潔、明確，傳力途徑過于復雜會出現多次轉換的結構構件，這不僅會增加造價，還容易引起計算錯誤而埋下安全隱患。而簡單、直接的傳力途徑，可以減少中間傳遞的結構構件，減少結構的安全風險，結構受力明確，經濟實惠。

3) 結構工程師在建筑設計中要尤其注意規范，規程中有關結構概念設計的各項規定，雖然正確的結構計算是設計的重要基礎，但設計中不能僅僅依賴于計算，還必須非常重視概念設計。

2 合理的構造措施

構造措施作為計算假定的保證或作為計算中忽略某個因素或某項內容的補充，與結構計算相似。按構造要求設計時，一般只需滿足規范的最低要求。如梁箍筋加密的問題，梁的一側是框架柱，另一側是梁及梁的一側垂直搭在剪力墻上，而另一側搭在梁上，這種梁僅僅是作為支撐樓板用的普通梁，不像框架梁那樣耗能，因此不需要箍筋加密，應在位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載區域設置附加橫向鋼筋，并優先設置附加箍筋，此外當次梁放在主梁上面及梁上起柱時，主梁不必設置附加橫向鋼筋。當剪力墻結構中存在部分短肢剪力墻時，只需對短肢剪力墻的抗震等級提高一級而不需提高整體的抗震等級，分布筋、拉結筋、架立筋等起輔助作用的鋼筋等級為一級或二級。

3 結構優化實例

某鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑由四層裙樓和A、B兩棟高層建筑組成，A樓高74.2m，20層，B樓高88.3m，30層，地下兩層為停車庫和設備用房，房屋平面布置為不規則形狀，總建筑面積約5.4萬m2。

3.1設計優化的原則

通過大量計算和經驗分析，在滿足現行結構設計規范及規定的前提下，遵循保證結構的安全性及合理的剛度，對通過對可減小的結構構件進行有效的核減等措施來進行設計優化。

3.2結構優化設計

高層框架剪力墻結構體系中，重點是是水平荷載作用下，框架和剪力墻內力分配設計問題，其中剪力墻的數量及設計位置是關鍵。

3.3鋼筋混凝土框架結構的優化設計

結構優化是一個漸進的尋優過程。首先對結構整體內力進行分析，然后根據梁柱各構件的控制內力進行截面的優化設計，計算出滿足荷載效應要求的各結構構件的幾何特征的配筋量的優化結果，在此基礎上導致原結構的幾何特征和荷載特征的變化，優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化，各控制截面的控制內力也發生相應變化，根據這些變化進行下一步的優化設計。

3.4框架-剪力墻結構的優化設計

框架結構優化設計的原則究其根本就是結構優化的原則，利用一次完成的結構件，優化各個構件，可以節約投資并使結構受力更加合理。

3.5基礎優化設計

(1) 依據地質勘查資料，分別設計主樓和裙樓的基礎，主樓采用筏板基礎，裙樓采用獨立基礎，基礎底板要按照經驗和計算結果設置。例如在地下室基礎的設計工作中，初步設計中地下室基礎計劃全部采用筏板基礎，經審核計算，為達到節約鋼筋、混凝土的目的提出純地下室基礎部分采用獨立基礎加抗浮底板及抗浮錨桿的做法，這種方案可以有效保證結構的安全，施工簡便。因此對純地下室基礎采用獨立基礎加抗浮錨桿、底板方式設計施工圖（圖1）。

圖1獨立柱基礎剖面

(2) 對地下室有防水要求的基礎底板，裂縫寬度控制在0.2mm左右；地下室頂板及外墻，荷載取值要準確、可根據實際情況選用荷載。

(3) 作為塔樓的嵌固端，地下室的頂板不宜太薄，根據覆土薄厚情況，采用十字梁井字梁。

3.4.7樓板優化設計

根據樓板要預埋管道的要求，樓板較薄時施工容易造成裂縫，因此樓板設計時采用彈性假定而非塑性假定來計算樓板厚度及配筋的折減，最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中較大值相同板厚時混凝土強度等級低、鋼筋強度大時，最小配筋率低，故優先采用三級筋，板中抗裂鋼筋最小配筋率為0.1%，不用或少用大跨厚板。

1.5優化設計效果

高層建筑的結構優化問題是一個非常復雜的工程難題，同時結構優化具有巨大的經濟效益，因此研究和開發應用鋼筋混凝土結構優化技術對節約工程投資具有重大意義。為驗證設計優化的有效性，分析結構設計的初步方案，根據工程所在地的市場價格推算本工程的優化節約了鋼筋65t，節約資金約32萬元。

3結語

文章從鋼筋混凝土結構優化設計應用出發，總結出了鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑優化設計方法，符合當前建筑結構設計發展的需要，具有一定的現實應用意義。建筑結構的優化設計是一個科學系統的設計過程，針對每一項工程設計，應當根據其建筑特點，使結構各個構件受力均衡，同時要求技術應用合理、結構整體安全可靠，充分發揮每個構件的最大作用。只有這樣才能實現建筑結構優化設計的最終目的，以便更好地服務于我國建筑業的發展。

參考文獻

[1]張民.鋼筋混凝土框架-剪力墻結構設計的優化研究.上海：同濟大學土木工程學院，2008.