工程结构优化设计概述精选(九篇)

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第1篇：工程结构优化设计概述范文

（长沙市规划设计院，长沙410007）

摘要：建筑结构优化设计对于项目的成本控制起着重要的作用。在建筑结构优化设计中引入价值工程理论，通过功能成本分析，将技术问题与经济问题紧密结合，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，从而提高产品的价值，弥补设计工作的不足。本文通过价值工程在建筑结构优化设计中的使用，说明价值工程在结构优化设计中的意义，确保有效优选。

关键词 ： 建筑结构；优化设计；价值工程

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0130-02

作者简介：罗利波（1978-），男，湖南长沙人，高级工程师，研究方向为结构设计及加固。

1 建筑结构优化设计概述

1.1 传统的建筑结构设计方法

传统的建筑结构设计方法，过程大致是根据经验给出一个设计方案和做法，用力学方法进行结构分析，检验结构及构件是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、使用等方面的要求，或通过对少数几个方案进行比较而选出可用方案。通常的步骤是假设、分析、校核、重新设计。

1.2 建筑结构优化设计方法

我国建筑结构设计优化设计理论研究始于六十年代，1973年钱令希教授发表《结构优化设计的近展》，将数学规划法和准则法结合在一起，假定结构构件处于满应力状态，分别对构件进行优化。由于结构优化设计的重要性，很多学者对结构优化设计做出大量的研究，使结构优化设计理论研究不断发展。1982年，钱令希教授在《我国结构优化设计的现况》中详细总结了这十年的结构优化设计研究和应用方面的成果，为我国进行优化设计研究指明方向。2001年，大连召开第四届WCSMO会议，30多个国际200多位学者参加了会议，会议内容包括结构与多学科问题的灵敏度计算、分析计算、优化设计及其工程应用等。

目前，建筑结构优化设计主要指结构综合与优选，过程大致是假设、分析、修改设计、最优设计，这种修改设计是在满足各种规范或特定要求的条件下，通过优化方法，从管理、技术、经济各方面综合考虑，采用结构优化程序、应用优化理论方法，找出最优级的方案（材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案），以达到最优目标。

1.3 大师对建筑结构优化设计的看法

中国工程院院士江欢成：“我国优化设计工作方兴未艾，大有可为。它符合可持续发展和科教兴国两大战略，它是我国建设方针的体现，是科学发展观在建筑行业中的落实。优化设计工作，私企、民企对此态度积极，国企相对不够重视。建议政府给予支持”。

中国工程院院士程耿东：“在建筑领域应用优化设计，不仅可行而且十分符合节约能源，保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程，可以在满足规范等约束条件下得到优化的设计方案，降低成本造价，提高结构性能。增大使用空间，缩短施工工期，是设计者追求的终极目标，在建筑领域应用和推广结构优化设计更有着不同寻常的意义，对设计单位、开发商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的环保设计理念，具有前瞻性，会带来多赢”。

2 运用价值工程优化建筑结构设计

价值工程，是一门技术与经济相结合的现代管理科学，是通过对产品的功能与费用系统分析，使之以最低的寿命周期成本，可靠地实现产品的必要功能的管理方法。运用这种方法，通过功能细化，去掉多余的功能，对功能实施重点控制，目的是以研究对象的最低寿命周期成本可靠地实现使用者所需功能，以获取建设项目经济效益、社会效益以及环境效益的最佳结合。

价值工程以功能分析为核心，着眼于建筑产品的寿命周期成本。建设费用、使用费用与功能水平的变化规律决定了寿命周期成本（图1），随着功能水平提高，建筑产品的使用费用降低，建设费用却在增高，反之，使用费用增高，建设费用降低；建设费用C1的曲线和使用费用C2的曲线的交点所对应的最低寿命周期成本Cmin才是最低的，最低寿命周期成本Cmin所对应的功能水平F0是从费用方面考虑的最为适宜的功能水平。

价值工程的目标表现为产品价值的提高，是对象所具有的功能与获得该功能的费用之比，可用公式表示为：价值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高产品价值的途径：

某住宅小区在基础设计前对方案对比优化设计。该工程场地稳定，无不良地质作用。场地类型为软弱场地土，建筑场地类别属II类，拟建场地可不考虑地震液化的影响。场地自上而下各地层为：

①素填土①：平均层厚10.78m，结构松散，未完成自重固结，局部有建筑垃圾分布，承载力低。

②粉质粘土②：分布连续，埋深大，层厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍湿，不宜选择该层作为拟建多层建筑物基础持力层，fa=240kPa。

③强风化板岩③：厚度较大，岩心呈块状，遇水易软化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注桩），qpa=2500kPa（沉管夯扩灌注桩）。地下水：主要类型为强风化板岩③基岩裂隙水，微承压性，该段地下水水量较少。在勘察期间，稳定地下水位埋深为5.32~13.20m，高程为52.77m~59.36m。拟建场地有一层地下室。地下水在直接临水或强透水层中对混凝土具有中等腐蚀性，在弱透水层中不具腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。

可选桩型及优缺点：

①沉管夯扩灌注桩，优点：在桩端处夯出扩大头，单桩承载力较高；桩身质量高；施工机械轻便；施工速度快、工期短、造价低；无泥浆排放。缺点：遇中间硬夹层，桩管很难沉入；遇承压水层，成桩困难；振动较大，噪声较高；属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应；扩大头形状很难保证与确定。

②预应力管桩，优点：单桩承载力高；单桩承载力造价便宜；运输吊装方便；施工快、工效快，工期短。缺点：噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响；打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去余桩较多；在“上软下硬、软硬突变”的地质条件下，不宜采用锤击法施工；不适合桩端持力层为遇水易软化的风化岩层。

③长螺旋钻孔灌注桩，优点：不受地下水位的限制，穿透力强，施工过程无噪音，振动小、无排浆、无塌孔，成桩效率高。缺点：桩身强度不足；桩底不能入岩，单桩承载力低。

④人工挖孔桩，优点：单桩承载力高；可以极大降低生产成本；适用于大型机械无法作业的山区；生产条件要求低，可多孔同时作业。缺点：机械化低，施工进度慢；成孔质量不易控制；现场施工不易控制。人工挖孔桩技术适合直径超过800mm并且地下水较少或无水的土质，不适合地下水位高、有流沙、大水量冲击区域、含水量多的淤泥、淤泥质土层等。

⑤旋挖桩，优点：钻进能力强；不易产生泥皮，有利于增加桩的摩阻力，提高桩的质量；振动与噪音较低；成孔速度快，尤其在砂质土内成孔；机械设备较简单。缺点：护壁相对较差，容易缩径、塌孔；设备价格昂贵，设备维修费用高、时间长，工成本与其他成孔方式相对较高，卵砂石层中钻进存在成孔困难。

以上5种方案，各有优缺点。利用价值工程理论，①、④两种方案更具经济性，满足功能不变化同时降低造价，以此来提高产品价值。本工程多为墙下线荷载及柱下集中荷载，其墙柱荷载为5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（纯地下室的框架柱），依据价值工程理论综合比较采用人工挖孔桩基础，以强风化板岩③为持力层，该持力层的桩的端阻力特征值为qpa=2100kPa，桩端进入持力层的深度大于等于≥1.0m，相邻桩端底标高应按规范进行控制，平均桩径为0.9~1.5不等（主楼部分），0.9~1.0不等（纯地下室部分）；扩底直径分别为1.3~2.4m（主楼部分），1.3~1.6m（纯地下室）。施工完成后经济效果良好。

3 结语

价值工程着重产品功能的分析，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，提高产品价值，而这可以弥补结构设计优化的不足。所以，价值工程在结构设计优化中的运用，能够很好地解决工程成本的控制，优选出最佳的设计方案。价值工程存在于项目进行的方方面面，设计、施工以及管理等等，不能只靠个别人员、部门，而要通过有组织的活动，发挥集体智慧，经过多个部门的配合，才能收到良好的效果，达到项目的利益最大化。

参考文献：

[1]钱令希.我国结构优化设计的现况[J].大连工学院学报，1982（03）:1-5.

[2]张炳华，侯昶.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社，1998.

[3]蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[4]李芳，凌道盛.工程结构优化设计的现况[J].工程设计学报，2002（12）:229-235.

[5]江欢成.优化设计的探索和实践[J].建筑结构，2006（06）:1-24.

[6]程耿东，李刚.基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨[J].建筑结构学报，2000（01）:5-11.

第2篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：拓扑优化技术；汽车设计；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.236

0 前言

作为结构优化设计的一门新技术，拓扑优化技术在汽车、机床、电子机械等领域中已经得到了广泛地应用。传统的结构优化设计具有一定的盲目性，完全依赖于工程师的经验，并且需要做大量的实验，周期较长且成本较高。现阶段，通过在结构优化设计的初始阶段引入拓扑优化技术，大大提高了结构设计的合理性，改变了传统的仅凭经验来设计的理念。

拓扑优化技术是指在指定的设计空间内，重新规划材料分布，使得部件的某种性能满足设计者的要求。拓扑优化技术主要探讨结构材料的分布形式和构件的联结方式，运用去除材料、增加孔洞数量等拓扑优化形式，旨在使结构在满足应力、位移等约束条件下，其强度或固有特性等指标达到最优。

1 拓扑优化技术概述

结构拓扑优化设计的主要思想是将结构优化问题转化为材料优化问题，并在给定的设计区域内进行优化计算。拓扑优化设计的思路首先需给定材料类型和设计方法，在此基础上得到既满足约束条件又能使目标函数最优的结构布置形式。由于拓扑优化设计初始约束条件较少，工程师仅需给定设计域而不必清楚具体的结构拓扑形式。

拓扑优化设计是在指定的设计区域内，通过迭代过程计算求解材料最优分布的一种优化手段。以某种材料为例进行说明，首先需定义材料分布形式，再以灵敏度计算、结构分析、修改材料分布等方式进行迭代计算。经过多轮迭代优化后，材料分布逐渐趋于稳定，优化过程结束。对于连续体优化问题，通过计算通常可得到最优的材料分布形式，使设计结构达到最优。

在进行优化设计之前需明确设计区域、目标约束及分析类型模型等因素，用户可直接监视优化过程，在优化结束后需对结果进行后处理。因拓扑优化后尽管结构最优，但局部区域仍不太完善，常需进行局部优化，如形状优化等。局部完善后需根据结果对结构进行三维建模从而完成结构的拓扑优化设计。由于需要修改参数等原因，常需对某一步或整个过程进行反复迭代。

2 拓扑优化设计的研究方法

目前拓扑优化方法主要有以下三种，分别为变密度法、均匀化方法以及渐进结构优化方法[2]。

（1）变密度法就是将材料密度与特性之间建立某种联系，假设材料的密度是可变的，其屈服极限、抗拉强度等物理参数与密度之间的联系也是人为假定的。在进行拓扑优化时，以材料密度为设计变量，这样结构的拓扑优化问题即转换为材料的最优分布问题。

（2）均匀化方法是建立在均匀化理论基础之上的，通过在拓扑结构材料中引入带有孔洞的单胞结构，并将设计区域离散成多个微结构单胞集合体，经计算可实现对连续体的拓扑优化。通过均匀化方法计算，可确定结构材料密度呈 0～1 分布，最终得出最优的拓扑结构。目前广泛应用于三维连续体、振动、热弹性、屈曲及复合材料的拓扑优化分析。

（3）渐进结构优化方法（Evolutionary Structure Optimization，ESO）的基本原理是将结构中多余或低效的材料逐渐去除，从而使剩余的结构趋于合理。该方法物理概念简单、明确、通用性好，易于被工程技术人员接受和理解，因此应用范围较广。ESO方法自提出以来，广泛应用于各类结构的尺寸、形状和拓扑优化，如应力、刚度、位移、振动频率、响应等稳定性约束的连续体结构拓扑优化设计问题。

3 拓扑优化技术的应用

随着计算机技术和数学优化算法的发展，拓扑优化技术取得了重大的成就，目前广泛应用于汽车工业、航空航天、机械制造、机车和复合材料等设计领域。拓扑优化技术在汽车工业上的运用，国外起步较早且应用较广泛，国内则相对较晚。汽车拓扑优化技术对象主要为车身本体构件、底盘和动力总成支架等；优化目标一般包括质量最小、能量吸收最优、柔顺度最好等；约束通常涵盖固有频率、应力和最大位移等[3]。

在对某车身整体结构进行拓扑优化时，以质量最小化为目标，首先获取整车的初始设计空间，以车身在实际工作过程中所承受的载荷为约束，并根据各种约束的重要程度分配不同的权重因子，在此基础上对该车身结构进行拓扑优化。优化结果表明：车身结构在质量、设计成本、乘员舱空间及能耗指标均得到了很大程度的优化。

汽车底盘系统的许多零部件均是实心结构，如控制臂、转向节、副车架等。因经验设计往往存在多余，从而造成整个结构重量加大。因此，在对该类零部件进行设计优化时，常以质量最小为优化目标。控制臂以质量最小化作为目标，以结构的最大应力作为约束，通过对该结构进行优化减重效果明显，比例达到 14%，结构应力控制在材料的屈服极限内。同样，在对转向节进行拓扑优化时，其目标设置为质量最小，约束为结构的应力和连接点位移。经过优化，转向节强度大幅度提高。但在局部位置出现高应力集中现象，可通过后续设计，降低这些部位的应力水平，增强连接点的刚度。

对于支架结构，频率和刚度是其关键指标。对某支架进行拓扑优化时，目标通常为质量最小，并将支架的一阶频率和载荷施加点位移控制在一定范围内。经过优化，质量减少了 42%，应力也控制在材料屈服极限内。

4 结论

随着环境问题和能源问题的日益凸显，如何快速地研发出产品，对各汽车制造商都尤为重要。拓扑优化技术可在前期设计阶段大幅度缩短项目的开发周期，并在满足性能目标的前提下使得结构设计最优。通过该技术，可以为工程师在设计企划阶段提供大量的优化方案，对后期整车轻量化具有重要的意义。

参考文献：

[1]范文杰，范子杰，桂良进.多工况下客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究[J].汽车工程，2008，30（06）：531-533.

[2]刘林华，辛勇，汪伟.基于折衷规划的车架结构多目标拓扑优化设计[J].机械科学与技术，2011，30（03）：382-385.

第3篇：工程结构优化设计概述范文

【关键词】房屋结构设计 建筑结构 设计 优化

一、引言

针对建筑进行评价的指标比较多，同样的，针对建筑性能评价的指标也多种多样。一般的来讲合格的、高质量的建筑，外观应当是美观且大气，同时整个房屋建筑的基本结构完整、质量上乘，所使用的材料也相当考究。针对房屋结构设计的质量好坏、水平高低进行评价，对于整个建筑功能性的发挥以及整个建筑的后期使用均有着巨大的意义。所以，有必要针对房屋建筑的结构设计理念进行分析，对传统的设计理论进行优化和改良，以现代化的审美标准来提高房屋结构设计的水准，促进我国建筑事业和相关设计行业的不断发展。

二、建筑结构设计优化的基本理论

房屋结构设计，是一项技术含量很高的专业性活动。设计人员在进行具体房屋结构的设计时，应当兼顾建筑物的各种性能指标，包括使用价值指标、美学价值指标等。建筑物的功能价值，指的是建筑物作为人们的日常住所必须具有的遮挡风雨、抗温度变化等基本功能；建筑物的审美价值，指的是建筑物的外形要美观、结构搭配要协调，从而给人以美的享受。设计者不仅要考虑到房屋的基本性能，还要考虑到房屋的结构搭配以及美学价值的大小。在这样的设计理念指引下，设计者就要从拟定的多种方案中选择一种最佳方案，以实现房屋结构设计的综合目标。我们可以将这个方案筛选过程用科学化方式加以表达，运用建筑学和相关的数学知识，在许多种设计方案中，选择一种与设计目标最相符的、最能体现居住着需要的设计方案。

建筑结构设计优化，指的是在设计建筑结构时，要改革设计理念，应用科学、先进的设计方案筛选方式，选择出在各方面都能达到最佳效果的设计方法。建筑物内部的结构十分复杂，要将建筑物的各个部分完美组合在一起，使建筑物发挥最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑结构设计优化，具体包括建筑区中各个部分结构设计的优化，以及建筑物整体设计结构的优化。在这两个部分中，建筑区整体结构的优化显得更为重要，因为整体是各个部分的综合，在完善房屋高性能方面发挥着更大的作用。具体来说，建筑物整体结构的优化包括房屋顶部设计的优化、房屋设计的优化，以及房屋细节结构设计的优化。在这三个大部分中，还可以细分出型号选择、布局设置、受力研究、价格衡量等较小的设计项目。在实际的结构设计中，设计者还要紧密结合建筑工程的实际情况，努力实现房屋建造的经济效益、社会效益和环境效益。

在确保房屋结构性能稳定的前提下，设计者要大胆创新，敢于探索新型的结构优化方案。在进行建筑结构设计的过程中，设计者要平衡房屋使用者和建造者的利益，充分考虑房屋建筑工作者的意见；在满足建筑物建造者需求的基础上，寻求新式的房屋结构布局方法。

具体而言，房屋的平面结构应当凭证，体现出建筑物的对称美，并尽量减小平面建造质量与房屋刚性结构要求之间的差异，使得房屋在承受较大的水平方向作用力时，不至于发生结构性的扭曲；在满足居住着使用要求的基础上，设计者应将房屋的承重结构设计成竖直贯通的形式，以便增强房屋对竖直方向压力的承受能力；尽量不更换房屋原有的转换结构。因为一旦更换这些结构，就会消耗大量的建筑原料，不符合房屋建设的经济性的要求，还不比较容易造成外来压力集中于某一个承受点上的现象；竖直方向的刚性程度设计要遵循渐变规律，避免刚性结构角度的突然改变。否则，角度突变的部位在受到强烈的水平压力时，不容易转移压力，这对于房屋整体抗压性能的提升是很不利的。

三、房屋结构设计优化方法概述

在建筑结构设计工作中，造价是极为关键的一个环节，也是整个工程中比例极为重大的问题。结构设计优化技术的选用对于造价控制极为关键，可以产生客观的经济效益。为此，建筑设计部门和有关工作人员在工作中必须要遵守经济、适用、合理、科学的设计原则，精心设计，采取科学的现代化技术手段制定出能够满足建设设计、工作要求的设计方案，从而实现降低工程造价、取得工程最大经济效益的目的。

1.结构设计优化技术分析

在刚从事建筑工程项目结构设计的时候，除了考虑到设计对象的基本使用功能以及安全可靠性之外，还应当在工作中考虑到将它作为设计对象来进行分析，使得其尽可能的达到完美。这就是工程和结构的最优化问题，是一个用科学的语言来描述的问题。对于利用确定的数学方法，在所能的设计方案的集合中搜索出可以让人满足、达到预计标准的方案。

结构设计优化方法从建筑理论上进行分析，主要是体现房屋工程分布结构的优化设计和整体结构优化设计两个不同的方面。其中房屋结构整体优化设计则是一个涵盖了房屋系统的设计、房屋围护结构设计、房屋选型设计、房屋布置、房屋受力分析以及地面工程等多个环节的复杂工作。而局部设计主要是指对房屋某一部位和分项工程进行优化和改进的结果。

2.房屋结构优化设计的意义

就一个建筑工程项目而言，结构设计优化技术的应用不仅可以达到降低工程造价、提高工程效率的效果，而且对于实现房屋的美观性、实用性以及室内空间的个性化布置有着重要的意义。在建筑市场上，每一个单位和企业都希望工程在满足建筑结构长远效益的基础上，最大限度的减少和降低建筑结构的近期投资，同时保证建筑物的节后可靠性、科学性，也只有这样，才能够在工作中实现持续发展、可持续发展以及更多的市场经济效益。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

结构设计优化方法和技术使用于实践之中的一个广泛课题，是建筑工程项目的整体设计、前期设计、抗震设计等多个部分环节组成，利用结构优化的方法不改变使用性能的前提降低工程造价，已取得巨大的经济效益。

1.结构设计优化前注重事项

结构设计过程中，前提方案时明确设计方案目标的前提，前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段机构设计并不进行参与，设计者进行建筑设计时大多不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

2.直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

直觉设计用于没有具体数量的情况下，由于不确定性和计算难度大等差异，在对于统一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一半规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题是不确定的，多种多样的，例如一些抗震能力。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或是破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的做法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。

五、结束语

综上所述，只有合理地选择建筑结构设计方案，不但可以满足相应的技术要求，还能节约工程成本，因此在建筑结构优化设计时，合理的设计方案极其重要。但是建筑的结构优化设计非常复杂，且具有很强的综合性，因此必须深入研究对建筑结构设计的优化方法。

参考文献：

[1]周宏伟 刍议房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的应用[J] 四川水泥 2014（12）

第4篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：高层建筑； 结构； 设计； 优化

1 工程概况

某高层建筑属综合建筑。主楼占地面积9383 m2， 总建筑面积19537 m2，主楼高74.8 m， 地面以上19 层、地下1 层， 主楼建筑面积为12091 m2； 裙楼高3 层， 建筑面积为7 646 m2。建筑平面如图l 所示。

图1 建筑总平面图

1.1 结构承重体系设计

综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求，以及主楼部分的抗侧移设计要求， 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式， 主楼采用框架―剪力墙承重结构体系。

1.2 建筑缝的处理设计

本建筑由主楼和裙房两部分组成， 在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较高、结构有效重量大， 裙房部分高度较低， 因此二者间需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝， 为避免主楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝， 给裙房屋顶防水处理带来困难， 本建筑采用“抗” 的方法。在结构分析时， 将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算； 对于沉降缝， 结合主楼需设一层地下室的建筑要求， 设计中将主楼基础设计成桩基础， 而将裙房基础设计成柱下条形基础。

1.3 基础设计

根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件， 并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点， 主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础， 以提高主楼结构的整体稳定性， 降低主楼部分的沉降变形。

裙房部分采用柱下条形基础， 通过修工条形基础的宽度来调整基底反力， 进一步控制裙房部分的基础沉降变形， 使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下， 能产生基本上一致的基础沉降变形量。

2 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架―剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一， 它具有框架结构建筑平面布置灵活， 能获得大空间， 建筑立面易于处理， 以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下， 具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框― 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系， 力学分析难度较大， 其优化设计就更为复杂和难以实现。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构， 其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计， 即是在结构整体内力分析完成后， 根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计， 确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果， 由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化， 各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化， 据此再进行新一轮的优化设计。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

a ） 初始选型： 根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能， 分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线， 并考虑施工因素， 归并框架梁、柱的类型， 初选梁柱的几何尺寸。

b ） 结构分析： 按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载， 对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果， 将截面尺寸相同的构件来控制截面内力， 根据其大小进行分类， 并确定每一类构件的设计控制内力。

c ） 截面优化设计： 针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计， 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果， 从而构成新的优化意义上的设计结构。

d ） 收敛性判断： 在工程精度意义上选取一个较小的数值， 作为检验结构收敛性的条件， 进行收敛性判断， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步的可行性判断， 否则转回第b ） 步重新进行结构分析、优化设计。

2.2 框― 剪结构的三阶段优化设计策略

框―剪结构的设计主要涉及3个方面的优化问题：①结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③框架―剪力墙结构构件的优化设计。

2.2.1 第一阶段： 最优设防水平的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定， 在预测地震烈度概率分析基础上， 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。

2.2.2 第二阶段： 剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合， 可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移， 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此， 可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

2.2.3 第三阶段： 框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则， 在一次整体分析完成之后， 可按照前述方法对框― 剪结构中的框架部分进行优化设计。

2.2.4 框― 剪结构的优化设计步骤

a ） 分析结构平面、立面布置特点， 根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

b ） 根据结构使用荷载特点， 根据经验归并框架结构类型， 并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

c ） 进行整体结构的空间内力分析；

d ） 根据结构分析计算结果， 检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求， 若满足规范要求， 则转入第e ） 步进行判断； 若不满足规范要求， 则直接返回第a ） 步， 进行剪力墙水平截面面积的修正；

e ） 刚度最优化判断： 比较结构实际侧移值和规范限值， 若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，则转入第f） 步进行计算； 否则转入第a ） 步， 并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸， 重新进行结构分析；

f ） 分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

g ） 收敛性判断： 比较优化结构与原结构的接近程度， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步进行可行性判断， 否则将优化结构作为原结构转回第c ） 步重新进行结构分析、优化设计。

第5篇：工程结构优化设计概述范文

关键词:房屋建筑结构;设计;优化技术

1房屋建筑结构设计中的优化技术概述

房屋建筑结构设计中的优化技术主要是指在保证房屋建筑质量的条件下，在尽量降低成本的条件下，通过优化设计方案，完成房屋建筑的结构设计。对房屋建筑结构进行优化设计，一般分为主体结构的优化和子结构的优化。从部分结构设计优化方面来分，又分为上部屋顶结构设计、中部主体结构设计和下部基础结构设计。此外还包括建筑结构选型、建筑结构受力设计、建筑结构的布置设计等内容。总之，要以房屋建筑的主体性结构为主，在保证设计满足房屋建筑质量与安全的基础上进行优化。同时，要注重工程造价，这对建筑企业的经济效益具有重要作用。不能盲目追求结构设计的优化，要在合理的资金投入范围内，既满足房屋建筑的实际居住需求，又兼顾房屋的美观程度。在优化过程中，要对房屋建筑结构进行科学分析，有针对性地进行。

2房屋建筑结构设计中优化技术的意义

在房屋建筑工程结构设计中，保证建筑工程的质量是关键。在保证安全与质量的基础上，对建筑结构进行整体分析、考量，对相关数据信息进行综合评价，找出结构设计上的不合理之处，或者在结构设计上寻求创新，采取有效、有针对性的优化措施，不仅能够使房屋建筑的结构更加科学、合理，在一定程度上还会降低施工成本，降低了整个工程的造价，有利于提高建筑企业的经济效益，促进建筑工程的不断发展。

3房屋建筑结构设计中的优化技术应用具体分析

3．1房屋建筑基础结构的优化设计

在房屋建筑结构优化设计中，首先就是地基的优化设计。地基结构设计是整个结构设计的基础，这是保证建筑工程顺利进行设计与施工的关键。特别是在建筑行业发展迅速的背景下，市场竞争越来越激烈，相关政策制度对地基结构设计的要求也越来越高，为了保证建筑工程的性能，满足人们的实际需求，需要相关设计人员认真考察建筑区域的实际情况，同时结合建筑物的实际情况，科学、合理地制定地基结构设计方法，对此进行优化设计，力求选择造价最低、性能最好、结构设计最优的方案进行施工。

3.2案例分析

对于地基基础结构的优化设计，首先，要科学地选择合理的设计方案，如果是桩基础，桩基类型要根据施工场地的具体地质条件来选择，在保证设计质量的同时，尽量降低造价。对于桩端持力层进行仔细分析、比较，最后确定最佳的方案。3.2．1案例1某工程位于福州市晋安区鼓山镇化工路北侧、东山路西侧，方位示意见图1，根据相邻地块已施工完基础项目的判断，采用管桩的造价比冲孔桩的造价高。因此，前期慎重桩基选型极为重要，可以从以下几方面综合考虑。1)根据地质提供的资料初步计算，判断管桩和冲孔桩的经济性。地质土层分别为:①杂填土，厚度1.5～3.60m;②粉质黏土，厚度0.60～6.50m;③淤泥，厚度4.50～10.20m;④含碎石粉质黏土，厚度0.80～5．10m;⑤粉质黏土，厚度1.20～14.40m;⑥淤泥质土，厚度2.20～7.80m;⑦卵石，厚度0.90～6.10m;⑧全风化花岗岩，厚度1.30～8.30m;⑨砂土状强风化花岗岩，厚度1.90～29.60m;⑩以下为碎块状强风化岩及中风化岩。2)采用PHC500－125AB管桩(承载力特征值2400)，根据项目部提供的造价大概为145元/m，由于存在卵石层，管桩无法穿透，后期补桩30根，而且淤泥层厚度超8m，违反省标规定，因此，必须采用水泥土搅拌桩固化土层。见表1。2)采用800灌注桩(施工方式不讨论)，持力层为中风化层，并使用后注浆工艺，且参考其他项目承载力特征值取5000，见表2～3。4)由于现场地面有较多的杂填土，地面上存在较厚的淤泥，管桩走机需采用地面处理，按工程部提供的数据，现场换土的平均深度为2.5m，挖方的价格为70元/m3，砖碴回填为40元/m3，以5#的施工范围(1500m2)计算，总费用为42万元。5)从工期考虑，管桩施工日期为8月17日～11月12日，将近90天，灌注桩按照平均3天一根，5台机，大概需要70天，时间也相近。综上所述，152－65－27.4－42=17.6万元，虽然管桩比灌注桩便宜，但是管桩在施工前，需要对场地进行处理，施工工期反而比灌注桩长了，考虑整个工程的贷款利息，采用灌注桩反而节约成本。3.2.2案例2天津市某项目对于高层地库顶板结构方案问题进行了优化处理，减少地库土建投资约15元/m2，造价经济，施工方便，效果美观。1)天津地区一般做法。目前地下车库设计中一般选用两种楼盖形式:梁板楼盖和无梁楼盖。梁板楼盖体系简单，计算软件模拟度高，天津地区建筑结构楼面采用梁板结构较多。2)本项目结构优化做法。地下车库一般顶板荷载较大，抗侧力要求较低，设备管道较多，无梁楼盖较之传统的梁板结构体系具有建筑效果好、有效降低地下室层高、方便设备安装等优点，非常适合采用无梁楼盖作为地下车库顶板。本项目施工图开始前，选取标准5跨8．1×8．1(m)网格进行计算，我们对采用两种结构方案的地库顶板结构做了详尽对比，见表4。3)成果。通过以上对比可以看出，若采用无梁楼盖方案，则采用350mm板厚+700mm柱帽的无梁楼盖结构最为经济。在有消防车荷载作用下，梁板结构较无梁楼盖结构节省10元/m2，在无消防车荷载作用下，梁板结构较无梁楼盖结构造价高出10元/m2。但有消防车荷载的地库所占面积比例较小，且采用无梁楼盖方案，地库层高可由3700减至3500，可减少土方开挖、降低竖向构件等成本，根据以往的经验数据分析，如果地库层高减少200mm，则可减少地库土建投资约15元/m2。天津地区由于地下车库内采暖与通风排烟管道较多，且因严寒天气给水、中水及采暖管路均需做保温，管路较多及保温厚度等因素对车库的层高影响较大，通常天津地区地下车库层高在3600mm以上，本项目无梁楼盖方案层高为3500mm，在天津地区已达到较高水平。采用350mm板厚+350mm柱帽的无梁楼盖方案，造价上较经济，施工也较方便。施工完工后建筑效果较为美观。

4结论

综上所述，房屋建筑结构设计中应用优化技术，是我国建筑行业快速发展的实际需要与具体要求。建筑设计人员要不断提升自身的专业设计能力，根据建筑工程的实际情况，有针对性地采用合理的优化技术，对建筑结构进行优化设计，不断提高设计水平，促进建筑行业健康、稳定发展。

参考文献

［1］徐凌云．探讨房屋建筑结构设计中优化技术的应用［J］．中国房地产业，2016，31(15):91－92．

第6篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：高层建筑； 结构； 设计； 优化

1 工程概况

某高层建筑属综合建筑。主楼占地面积9383 m2，总建筑面积19537 m2，主楼高74.8 m， 地面以上19 层、地下1 层，主楼建筑面积为12091 m2；裙楼高3 层， 建筑面积为7 646 m2。

1.1 结构承重体系设计

综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求，以及主楼部分的抗侧移设计要求， 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式， 主楼采用框架―剪力墙承重结构体系。

本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中，剪力墙主要承担水平作用， 框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形， 楼梯均设置在角部位置。为提高主楼结构的抗扭能力，剪力墙结合楼电梯间设在主楼结构的两个对角位置， 具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值， 由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。

1.2 基础设计

根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件， 并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点，主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础， 以提高主楼结构的整体稳定性，降低主楼部分的沉降变形。

裙房部分采用柱下条形基础，通过修工条形基础的宽度来调整基底反力，进一步控制裙房部分的基础沉降变形，使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下， 能产生基本上一致的基础沉降变形量。

2 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架―剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一， 它具有框架结构建筑平面布置灵活， 能获得大空间， 建筑立面易于处理， 以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下， 具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框― 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系， 力学分析难度较大， 其优化设计就更为复杂和难以实现。所以， 尽管国内外学者对此做过许多有益的尝试， 但框― 剪结构的优化设计还存在很多具有重大工程意义和科学意义的课题。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构， 其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计， 即是在结构整体内力分析完成后， 根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计， 确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果， 由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化， 各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化， 据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程， 计算结果虽不能总等价于整体优化设计结果， 但通常能给出工程实用的满意结果。

钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

a ） 初始选型： 根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能， 分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线， 并考虑施工因素， 归并框架梁、柱的类型， 初选梁柱的几何尺寸。

b ） 结构分析： 按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载， 对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果， 将截面尺寸相同的构件来控制截面内力， 根据其大小进行分类， 并确定每一类构件的设计控制内力。

c ） 截面优化设计： 针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计， 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果， 从而构成新的优化意义上的设计结构。

d ） 收敛性判断： 在工程精度意义上选取一个较小的数值， 作为检验结构收敛性的条件， 进行收敛性判断， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步的可行性判断， 否则转回第b ） 步重新进行结构分析、优化设计。

e ） 可行性判断： 对优化设计结果进行一次内力分析， 检验其可用性， 若整体分析能够满足工程设计要求， 则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整， 直到方案可用为止。

2.2 框― 剪结构的三阶段优化设计策略

框―剪结构的设计主要涉及3个方面的优化问题：①结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③框架―剪力墙结构构件的优化设计。

2.2.1 第一阶段： 最优设防水平的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定， 在预测地震烈度概率分析基础上， 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。

2.2.2 第二阶段： 剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合，可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移， 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此，可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

2.2.3 第三阶段：框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则，在一次整体分析完成之后，可按照前述方法对框― 剪结构中的框架部分进行优化设计。

2.2.4 框― 剪结构的优化设计步骤

a ） 分析结构平面、立面布置特点，根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

b ） 根据结构使用荷载特点，根据经验归并框架结构类型，并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

c ） 进行整体结构的空间内力分析；

d ） 根据结构分析计算结果，检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求，若满足规范要求，则转入第e ）步进行判断；若不满足规范要求， 则直接返回第a ）步，进行剪力墙水平截面面积的修正；

e ） 刚度最优化判断： 比较结构实际侧移值和规范限值，若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，则转入第f） 步进行计算； 否则转入第a）步，并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸， 重新进行结构分析；

f ） 分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

g ） 收敛性判断：比较优化结构与原结构的接近程度，若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步进行可行性判断，否则将优化结构作为原结构转回第c）步重新进行结构分析、优化设计；

h ） 可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性，若整体分析能够满足工程设计要求， 则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果；否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。

第7篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：方程式赛车；拓扑优化；hypermesh

引言

方程式赛车车架是赛车的重要的组成部分，它需要承载驾驶员与各种总成的重量，以及来自赛道的全部力。因此车架的强度、刚度直接决定整车的安全与性能。根据往届大赛比赛成绩来看，排名靠前的车队都有性能优异、质量较轻的车架，这是因为车架占整车质量的比重较大，车架的性能直接影响整车动力性、经济性。而赛车的各个组成部分大部分是直接选择成品，并没有多大设计空间，因此设计一个既轻又拥有较好力学性能的车架显得尤为重要。

文章基于连续体拓扑优化理论，利用hypermesh中的OptiStruct模块并结合FSC大赛规则以及赛车四种工况对车架进行拓扑优化，初步设计出赛车车架的雏形，为车架方案的优化与最终确定指明方向。使得车架在符合大赛安全要求的前提下，获得更合理的结构、更轻的质量，从而获改善整车的经济性与动力性。

1 理论概述

1.1 拓扑优化方法介绍

拓扑优化包括变密度法、变厚度法、渐进结构优化法和水平集方法等[1]。

变密度法是根据均勾化方法得到的一种有效的结构优化方法，变密度法不引入微结构，而是赋予有限元单元0-1的假想密度，设计变量为假想密度，目标函数为结构柔顺性，之后设置材料弹性模量、泊松比等材料参数，将位移和载荷设置为约束条件对设计变量进行优化，并对有限单元的假设密度赋予一个阔值，随着迭代过程的进行，密度大于阔值的单元被保留，密度小于阔值的单元被删除，因而优化区域的体积不断减小，最后留下的区域便是最终的拓扑优化结果。变密度法的数学模型为：

1.2 拓扑优化流程

拓扑优化设计流程如图1所示。

2 拓扑优化

2.1 模型建立

根据FSC大赛规则，参赛大学生方程式赛车车架必须包含：（1）主环、（2）前环、（3）防滚架斜撑、（4）侧边防撞结构前隔板、（5）前隔板、（6）前隔板支撑系统等结构[2]。

车架所使用的材料使用用高强度4130铬钼钢圆管，材料的抗拉强度σb（MPa）：930、屈服强度σs（MPa）：785，并初步设计采用直径25.4mm壁厚3mm的钢管。

由于赛车车架前环和主环结构有大赛规则有特殊要求，所以在拓扑优化中作为非设计区域单独设计出来。并且车架后部由于发动机等总成的限制，优化设计空间比较小，所以文章只对车架前部驾驶舱做拓扑优化研究。

在CATIA软件中，根据上几代车型车架结构、造型，设计出前环主环的位置，及前防撞支架的形状位置，并用单体壳模型包络出新车架的大体轮廓，为拓扑优化做准备。

2.2 网格划分

网格类型的选择：文章中使用RBE2和RBE3单元类型对3D模型进行网格划分。

网格尺寸的选择：综合考虑分析结果的精度和效率，文章选择网格尺寸为10mm。

网格疏密的调整：为了保证优化计算的效率已经分析结果的精度，在结构简单规则处调整网格密度稀疏一些，在结构复杂处网格密度适当加密。

网格质量的检查：检查翘曲度、长宽比、扭曲角、雅克比值、最大内角、最小内角等值均在合理范围内[3]。

赋予材料属性：此方案所设计车架所用4130钢管的弹性模量为EX=2.05e11pa、泊松比PRVX=0.285、密度DENX=7850kg/m3。单体壳的厚度选择25.4mm与钢管直径一致。

2.3 计算载荷的确定与边界条件的处理

工况设定：由于FSC方程式赛车大赛中有多个比赛环节，赛车需要经受多种不同的载荷与赛道激励，为了使设计更符合实际需求，文章在优化设计中设置了四种典型工况来模拟赛车的真实情况。

（1）弯曲工况：约束左右后悬架连接点处的Z方向自由度、左前悬架连接点处的XZ方向自由度、右前悬架的YZ方向自由度，释放其余自由度。

（2）扭转工况：约束左后悬架连接点处的所有自由度、右后悬架XZ方向自由度、左前悬架YZ方向自由度，释放其余自由度[4]。

（3）紧急制动工况：仅释放左右后悬架Y方向自由度，约束其余自由度，并沿X轴正方向给车架施加1.5倍重力加速度。

（4）急速转弯工况：释放左前悬架的Y方向自由度、后悬架的XY方向自由度，约束其他方向自由度，并沿Y轴正方向给车架施加1.5倍重力加速度。

定义优化变量：设置所包络的车架轮廓单体壳模型所有有限元单元密度为？浊i，其中ε

定义响应：最小化柔度；优化后保留材料体积占初始优化区域的体积百分比。

创建约束：本分析设定的约束条件为体积比为0.3。

创建目标：创建拓扑优化设计目标为最小化柔度。

2.4 优化结果分析

经过18次迭代，优化结果趋于收敛，总柔度收敛曲线如图5所示：

图6中浅色部分表示假想密度为1的单元（要保留的部分），深色部分表示假想密度为0的单元（要去除的部分），其他颜色表示假想密度介于0-1之间的单元[5]。

从结果可以发现，拓扑优化单元密度分布图中，浅色和深色区域较多，介于浅色、深色之间的部分较少，形成了较为明确的拓扑优化模型。并且模型边界清晰，结构对称，符合设计要求。

参考文献

[1]姜立 .FSC赛车车架结构动态特性分析与优化设计[D].北京信息科技大学，2013.

[2]中国汽车工程协会.2011中国大学生方程式汽车大赛规则[S].

2011.

[3]乔邦.基于有限元分析的大学生方程式赛车车架结构强度优化[D].

河南科技大学，2012.

第8篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：多层框架；结构设计；问题对策

我国建筑行业的发展完善，对建筑材料的要求越来越高。我国作为钢材料的使用大国，每年使用的钢材料位于世界的首位，钢材料的使用为钢结构事业提供了巨大的发展机遇，也促进了我国钢结构多层框架的发展，为钢结构住宅的发展奠定了基础。多层框架结构钢筋的设计使用是现在我居民住宅建设主要使用的方式之一，不仅节省了工程材料更使建筑更加的美观，提升了居民的生存环境，为我国建筑行业的发展提供了更加广阔的空间。下面本文就多层框架结构钢筋进行进一步的研究分析。结构优化设计是将力学概念与优化技术结合起来，以计算机为工具，在满足各种规范和规定的前提下，来研究结构最优设计方案的一种方法。与传统的结构设计相比，结构优化设计更科学，其设计方案更为合理，能够达到经济性与安全性的协调与统一。进行结构优化设计的应用研究，具有很大的现实意义。

1、结构优化设计理论

1.1概述

传统的结构设计实际上就是结构的力学分析与安全校核。它是由设计者根据自己的工程经验通过自己的判断，按设计要求来拟定出最初的设计方案然后对此方案进行力学方面的计算，以确保结构的安全。有时为了达到更合理的设计方案，往往需要修改初始方案的结构布局、构件尺寸和材料选型，再进行计算分析，直到得出各方面都比较满意的结果。因此，传统的结构设计效率不高，并且设计方案的好坏很大一部分都取决于设计者的经验和水平，很有可能并不是最优的设计方案。相对于传统的结构设计，结构优化设计把力学概念与优化技术结合起来，在满足各种规范和规定的前提下，以变量的形式给出了部分参与结构设计的量，来完成结构所有可能的设计方案。然后再借助于数学手段，在结构设计方案域中找出可行的最优方案。结构优化设计的出现，使结构的设计变为主动，不仅可以减少设计的工作量，提高设计效率，而且还可以提升设计质量和水平，取得了更大的经济效益。

2、钢结构体系存在的问题

2.1钢材料浪费的情况严重

随着钢材料的应用，多层框架结构钢筋也逐渐应用到人们的生活当中，虽然体制机制还不完善，但是，多层框架结构钢筋成为现代居民建筑的主流。据目前来看，我国是钢材料使用大国，同时钢材料量浪费的情况比较严重，这不仅影响资源的浪费，还会阻碍多层框架结构钢筋的发展。随着钢材料浪费的增多和使用范围的增大，我国钢材料也逐渐的减少，由于现在多层框架结构钢筋技术还不完善，与发达国家的发展还有很大的差距，因此，必须减少钢材料浪费的情况，加大科技投入，保障多层框架结构钢筋的进步和完善。

2.2多层框架结构钢筋体制机制不完善

由于我国多层框架结构钢筋与发达国家相比发展的比较晚，所以其技术水平不完善，相关的法律法规建设也不全面，体制机制也没有满足现代多层框架结构钢筋的发展需求，致使，多层框架结构钢筋的发展过于自主化、随意化，没有统一的标准进行规范，这不仅阻碍了多层框架结构钢筋的发展，还影响建筑行业的顺利开展和人民生活水平的改善，因此，必须加强多层框架结构钢筋发展的体制机制，完善无发展内容，进行统一的管理，却保其健康有序地发展。

2.3施工人员自身素质低

就目前来看，我国建筑行业的施工人员整体素质还有待提升。多层框架结构钢筋是我国目前和未来建筑的主流，因此，提升施工人员的技术和是知识水平，加大对西方先进技术的吸收，并结合自身得建筑特色进行有效的结合，形成自己的发展方案，对施工人员进行知识技能培训，并且进行考核，对于考核通过的人员实施奖励，为通过的人员继续学习，以达到需要的标准为止。

3、多层钢框架的结构分析与设计

3.1多层钢框架结构受力变形特点

钢框架结构体系'中的每一棍框架在纵、横两个方向上均采用刚接，这些刚接框架不仅承受垂直荷载的竖向作用，还要承受水平荷载的侧向作用。水平荷载对结构的作用主要表现在两个方面水平荷载对整体结构的倾覆力矩和各层结构承受的水平剪力。因此，结构也就产生了由这两方面作用共同引起的侧移。在结构的倾覆力矩的作用下，框架柱产生底层较小，越往上越大的轴向变形，此时整个结构发生弯曲型变形在各层结构的水平剪力的作用下，梁、柱均出现反弯点，形成底层层间侧移最大，向上层间变形依次减少的变形，此时整个结构发生剪切型变形。在框架结构的总侧移变形中，剪切变形是主要的。随着结构总高度的增加，弯曲变形在总侧移变形中多占的比例会增大。针对多层钢框架结构，由于层数不高，弯曲变形所占比例只有一，所以多层框架可以看成剪切型抗侧力体系。

针对这种剪切型抗侧的多层钢框架结构体系，规范按结构正常使用极限状态的要求，对结构的水平位移进行了限制。规定在风荷载标准值作用下，框架柱柱顶水平位移和层间位移相对值，不宜超过下列数值（H为自基础顶面至柱顶的总高，h为结构层高）：

（1）多层框梁柱顶位移（H/500）

（2）多层框架层间相对位移（h/400）

本文所研究民用住宅仅为层，由于层数较低，水平荷载作用的侧移不会很大，一般来说起不到控制的作用。

3.2多层钢框架结构分析的基本要求与原则

采用的计算模型和基本假定要尽力的与构件连接的实际性能相符合。在钢框架结构中，梁柱的刚性连接应符合受力过程中梁柱夹角不变的假定，同时连接应具有充分的强度，使它能够承受交汇构件端部所传递的所有最不利内力。对于框架结构的内力分析，可以采取一A弹性分析的方法，也就是以未变形的结构简图为分析对象，不考虑结构在荷载作用下的变形对结构内力分布的影响。对内力的影响不能忽略的结构需要采取二阶分析，比如悬索屋盖结构在重力荷载作用下的位移比较大，如果采用一阶分析的方法来计算内力会导致可靠度不足。

4、结束语

多层框架结构钢筋最为现阶段我国建筑行业主要的形式之一，多层民用的钢结构房屋具有广发的发展前景，值得进一步投资和发展，但是多层民用钢结构的起步相对较晚，多层民用钢结构的体制机制还不完善，其发展设计还没有成熟，与发达国家的先进技术还有一部分差异，这不仅会增加建筑施工的成本，还不利于多层民用钢结构的完善和发展，为节省建筑的成本，促进多层民用钢结构的完善，优化多层民用钢结构的设计设计不可避免的道路，并在实际的应用中起到指导作用。

参考文献：

[1]陈绍蕃，顾强钢结构，第三版[M].北京：中国建筑工业出版社，2003

[2]郭兵，纪伟东等.多层民用钢结构房屋设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

第9篇：工程结构优化设计概述范文

关键词：建筑结构;设计优化;重要性;流程;应用

1、建筑结构设计优化的重要性

建筑结构设计优化，指的是在设计期间创新设计理念，采用科学的方法对设计方案进行优化和筛选，最终保证设计方案能满足各方面需求。房屋结构设计工作中，采用设计优化方法的作用如下：第一，在保证建筑质量的基础上，可以提高经济性、美观性；第二，能够节约建筑成本，有效保护建筑周边的自然环境。由此可见，应用设计优化方法，能够提高房屋建筑的综合效益，满足不同用户的需求，同时为建筑企业带来更大的经营利润。和传统的建筑结构设计方法相比，设计优化能够降低建设成本，调查显示能降低30%左右。具体分析认为，通过设计优化，其一能充分利用各种建筑材料和资源，尤其是对内部结构单元进行协调，提高空间使用率；其二实现设计上的创新，在保证建筑安全的基础上，延长使用寿命，保护居民的人身财产安全；其三能帮助设计人员认真选择设计方案，提高设计的科学性、合理性。

2、建筑结构设计优化方法的流程

2.1结构模型设计。第一步，选择变量。从实际设计工作中来看，重要的数值、参数是决定设计方案的依据，这些数据可以作为变量使用。举例来说，在建设目标中，包括价格参数、预期损失参数；在工程控制中，包括房屋结构的可靠性参数。设计人员应该选择变化小、干扰少的参数，才能降低结构设计难度，尽早确定满足设计目标的数据。第二步，确定函数。在多个类似的函数中，设计人员应该选择出最佳的函数，要求满足房屋截面尺寸、钢筋尺寸面积，然后对函数的性质进行分析，以降低建设成本。第三步，衡量条件。从房屋结构的安全性、耐久性出发，设计约束指标包括房屋尺寸、架构刚度、变形限度、受力特点、单元组件、墙体裂隙、结构可塑性等。而且，还要考虑到房屋结构的实际情况，保证各个条件都满足规定要求，实现设计方案的最优化。2.2确定计算方法。房屋结构的设计伴有大量的计算过程，对结构设计进行优化，就是基于复杂变量和多种设计条件下的计算。对于设计人员而言，计算过程中应该演算各种数据，将附加约束条件转变为不附加约束条件，方便得出计算结果。另外，计算方法的种类较多，而且各自具有优点和缺点，应该根据现实条件选择出最为简便的计算方法，以节约计算时间、减轻计算工作量。2.3选择最优程序。确定房屋结构模型，并经过计算之后，下一步就要求设计人员从中选择最优程序。对于最优程序的要求，一是具有完整的功能，二是可以高效运转。这种程序是由多个小程序组合而成，在结构设计中具有重要作用。2.4分析统计结论。面对最优程序和计算结果，此时设计人员要对统计结论进行分析，明确不同设计方案之间的相同点、不同点，综合分析后确定最佳设计方案。由于房屋建设成本高，会涉及多个当事人的利益，因此设计人员应该从多个角度进行思考[3]。例如从宏观角度分析各种利益关系，处理好经济效益和技术含量之间的关系。值得注意的是，片面追求经济效益、不顾技术创新的做法是不可取的；应该在保证技术含量的基础上，尽量降低经济成本。

3、在房屋结构设计中的具体应用

3.1整体和局部优化。纵观建筑工程设计的共同特点，主要是复杂性、层次性两个方面。具体到复杂性，指的是原材料、零部件、结构类型的确定；具体到层次性，指的是结构体系、安装体系、设计体系等，每个体系又包含着诸多下属体系。房屋建筑结构的设计工作，要求设计人员从每个下属体系入手，打破不同布局之间的关联性，实现工程叠加的效果。由此可见，房屋建筑结构的优化设计，应该将落脚点放在整体上，而不是局部上，只有这样才能满足设计要求。3.2基础结构优化。基础是房屋建筑结构的关键部位，基础质量决定了建筑整体的质量，因此对基础结构进行优化具有重要意义。从基础结构类型来看，常见如桩基础、条形基础、独立基础等，优化内容在于基础设计应该满足施工标准，考虑到地质条件的差异性。以桩基础为例，计算抗拔桩的承载力时，首先应该从土层参数入手，确定承载力特征值；然后根据这一数值计算出抗拔桩的钢筋数量，确保满足承载力要求；最后实施静载试验，从实验数据评价桩基础设计的科学性。3.3上部结构优化。建筑工程的上部结构具有多种类型，因此设计优化方案也应该具有针对性，具体如下：第一，砖混结构，优化设计时应该避免在承重墙上开较大洞口；设置构造柱、墙垛长度、建筑层数时，严格按照相关规范执行；结构体系中不要采用混合承重的形式。第二，框架结构，首先合理布置柱网、柱距，确保整体结构的安全性和经济性。其次，单纯从平面布局来看，两侧刚度稍大、中部刚度稍小，能够避免扭转过大的现象，增强结构的抗震性能。最后，梁截面、柱截面应该合理设计，避免过大或过小，不仅影响美观性，还会浪费材料，而且要保证梁和柱的中线相互重合。第三，剪力墙结构，一方面应该确保结构重心、建筑平面形心相吻合，从而提高建筑刚度，避免出现分布不均的情况。另一方面，在保证结构计算安全的前提下，剪力墙和建筑隔墙应该相互重合，如此有利于提高空间利用效率，增强舒适程度。

综上所述，随着生活水平的提升，人们对于房屋建筑结构的设计需求也在不断增加，实现结构设计的综合效益，成为人们追求的目标。在设计优化方法中，包括结构模型设计、确定计算方法、选择最优程序、分析统计结论四个步骤，能够对房屋建筑的整体和局部、基础结构、上部结构进行优化，以促进建筑质量的提升。

作者:周福林 单位:四川省冶金设计研究院

参考文献：

[1]黄云.简论建筑结构设计优化思路与应用[J].建筑•建材•装饰,2014,(13):238-239.

[2]张振兴,刘宁波,何伟等.复杂造型建筑结构设计优化与施工[J].施工技术,2014,(9):11-15,27.

[3]林可勃.试论建筑结构设计优化及造价成本控制[J].中国新技术新产品,2014,(12):145-146.