结构优化设计范文

结构优化设计范文第1篇

关键词：ANSYS参数化语言 APDL 钢结构 优化设计

中图分类号：TU3 文献标识码：A

1.引言

结构优化设计理论已有近四十年的发展历史,目前在一些重要的结构(如飞机结构)上已经得到了应用,这也引起了土木和建筑工程界人士的广泛关注,寻求建筑结构优化设计的理论、方法一直在紧张有序的进行当中。由于传统的优化方法,例如准则法、数学规划法以及两者的结合(即所谓的混合法)等静态优化方法都是基于代数方程模型的;最优控制理论中的动态规划优化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而这些传统数学模型的描述能力和求解方法有相当的局限性,使得最优化理论和方法在实际应用中受到了很大的限制,存在着局部最优解、维数灾难、不确定性等问题,这些困难需要寻求新的优化设计方法,才能得到最终解决。

随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟,特别是计算机技术的广泛应用,基于ANSYS参数化设计语言APDL的结构优化设计越来越体现出它强大的生命力,这无疑给建筑结构的优化设计注入了新的活力。

ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件,其有限元分析过程主要包括:建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析3个步骤。对于某一有限元模型来说,当分析结果表明需要修改设计时,就必须修改有限元模型的几何尺寸或改变载荷状况,建立新的有限元模型,然后再重复以上分析过程。这种/设计)分析)修改设计)再分析)再修改0的过程,在有限元分析中存在着大量的重复性工作,将直接影响设计的效率。而运用ANSYS提供的参数化设计语言(APDL),通过结构设计参数的调整,则可以自动完成上述循环功能,进行优化设计,从而大大减少修改模型和重新分析所花的时间。

2.结构优化设计的基本理论

2.1结构优化设计概念

假定分析搜索最优设计一般被归纳为结构优化分析过程的流程。而这其中优化分析的核心部分为搜索过程。在包括满足各种给定条件的前提下，是否达到最优是结构优化设计最先对设计方案进行的判断。如果没能达到，但又为了使得预定的最优指标能逐步达到，就需要遵循某一设定的规则进行修改。而以数学规划为基础，进行数学模型建立，并对计算方法进行选择，使得工程结构设计问题转化为数学问题，然后在多种可行性设计中运用计算机选择出相对属于最优设计的方案，这也正是结构优化设计的主要任务。

2.2结构优化设计的数学模型

设计变量、目标函数和约束条件是结构优化设计的主要要素：。其数学模型的一般表达式为

求设计变量

使目标函数

满足约束条件

3.基于APDL的钢结构优化设计

3.1APDL语言简介和使用

APDL是指ANSYS 参数化设计语言，是使得某些功能或建模可以自动完成的脚本语言之一。它提供如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS 有限元数据库等一般程序语言的功能，同时其可以实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等，因此它也提供简单界面定制功能。为了扩展了传统有限元分析范围以外的能力，它可以根据指定的函数、变量设定程序的输入，同时选它使用户对任何设计和分析属性有控制权，也就是说其为了为用户提供了自动完成繁琐循环的功能而运用了建立智能分析的手段，从而为优化设计运行繁琐的迭代提供了可能和高效率，具体为参数、函数、分支与循环、重复、宏等功能。

3.2优化基本原理

优化方法采用复形法。复形法优化是一个运用较多且较为成熟的非线性数学规划方法，其基本思路来源于无约束优化算法的单纯形法。而无约束优化算法的单纯形法就是复合形法的基本思路的来源。

3.3优化设计流程

为了将有限元法与优化方法结合起来，可以采用基于APDL语言的ANSYS优化设计模块（OPT）来实现。基本流程图如图1所示。

图1ANSYS软件优化设计程序流程图

3.4APDL优化程序关键技术

首先建立钢框架结构参数化有限模型。参数是指APDL中的变量与数组。参数化模型的建立，便于模型的修改，也便于设置优化设计变量。

其次建立钢框架结构优化设计模型。下面是部分优化命令：

/POST1！进入后处理器

*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取结构体积，赋予参数V

……

/OPT！进入优化设计器

OPANL,1.LGW!指定分析文件

OPVAR,W1,DV,.1,.4!定义设计变量

OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02

OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02

……

OPVAR,MS1,SV,0,225750!定义状态变量

OPVAR,SS1,SV,0,125000

……

OPVAR,V,OBJ,,,.01!定义目标函数

OPKEEP,ON!要求保留最优设计序列时的数据库和结果文件

OPTYPE,SUBP!使用零阶方法

OPFRST,40!最大40次迭代

OPEXE!运行优化

4.优化设计实例分析

本文以单跨单层钢框架结构厂房为例，跨度为 12m，层高为4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型钢截面且翼缘采用焰切边，材质均为Q235 钢。为简便起见，取恒荷载为0.5kN/m2，活荷载为2.0kN/m2。通过APDL 优化程序，得出用钢量约为18.2kg/m2。优化前后的结果对比分析见表1。

表1 优化前后结果分析

5.结语

本文首先论述了进行钢框架结构优化研究的意义，介绍了优化算法（复形法）和ANSYS 中的APDL语言。并通过与实际工程相结合，并分别采用复形法和有限元软件ANSYS优化模块，同时以最低化用为优化的目的，使一平面钢结构的梁柱截面尺寸得到优化并进行相应的分析。通过理论分析与结果的分析比较，证实了该优化方法是可行的，不仅能明显降低工程造价，促进钢结构的普及和推广。而由设计实例可知，基于ANSYS 的二次开发语言APDL 语言建立的钢结构优化设计模块操作方便，优化程序可自定义优化过程和控制性变量，适应了不同的结构类型和荷载组合，具有很强的灵活性。本文的优化设计思想，可以推广到其它结构形式，可对其它类型结构优化起到借鉴作用。

参考文献：

[1] 王富强,芮执元,魏兴春.基于APDL语言的结构优化设计[J]. 科学技术与工程. 2006(21)

[2] 赵霞,邰英楼.基于ANSYS的结构设计优化[J]. 辽宁工程技术大学学报. 2006(S2)

[3] 陈珂,张茂.基于ANSYS的参数化设计与分析方法[J]. 机械工程师. 2007(01)

[4] 王学文,杨兆建,段雷.ANSYS优化设计若干问题探讨[J]. 塑性工程学报. 2007(06)

[5] 刘丽贤,马国鹭,赵登峰.基于APDL的ANSYS网格划分及应用[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2008(05)

结构优化设计范文第2篇

关键词：桥梁结构；优化设计

随着我国交通事业的快速发展，大跨度桥梁的发展也十分迅速。如何在满足结构使用要求的前提下对桥梁结构进行合理的优化设计已经成为目前大跨度桥梁设计的重要内容。目前的桥梁技术虽然已经能够很好的解决大跨度桥梁现存的问题，但是随着桥梁跨度的不断增加，向着更长、更大、更柔方向发展，为了保证其建设的可靠性、耐久性、行车的舒适性、施工的简易性以及美观性，桥梁设计以及施工人员还有更多的工作要做。而大跨度桥梁结构优化设计的过程，也是为了更好的处理和解决桥梁结构的安全性、适用性以及经济合理性、美观性的过程。下面就对其设计要点进行一一阐述。

1 大跨度桥梁结构优化设计

1.1 局部优化

大跨度桥梁的局部优化虽然不能等同于整体，但是却优于整体，可以更好的促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小，研究的深度因而能更透彻。目前针对大跨度桥梁的局部结构进行优化设计研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面，主要有：加劲梁横截面的优化，斜拉索或主缆的动力优化，索力调整优化，索塔的结构优化，斜拉索和吊索锚固的优化，悬索桥锚锭的优化，桥墩及基础优化。

1.1.1加劲梁横截面的优化

大跨度桥梁的加劲梁主要是由钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。就目前建成的大跨度桥梁中，主跨梁的主要形式多数以钢梁为主，钢梁与混凝土结合梁以及混凝土梁较少且相对较小。

1.1.2斜拉索或主缆的动力优化

由于斜拉桥和悬索桥是当前大跨度桥梁建设的主要桥式，两者具有共同的特点，即都是由缆索支承，且桥面柔软，属于柔性结构，其阻尼值较低。在外部激励下，拉索极易出现大幅度的振动，如风雨交加时出现的主梁和拉索之间的耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振动极易引起拉索锚固端的疲劳、降低了拉索的使用寿命，严重时甚至会直接影响桥梁结构的安全系数。由此可见，大跨度桥梁的动力问题极其重要。

1.1.3索塔结构优化

索塔的结构优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔的高度越高给施工带来的难度也就越大，塔太矮也会直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。因此，单独的对塔高进行优化是不明智的，应该与大跨度桥梁的其他部分整合起来综合考虑。塔的受力合理性与他的结构形式、缆索形式、缆索的锚固形式以及锚固点的分布状况有着直接或间接的关系，因此索塔受力的合理性优化也是大跨度桥梁结构设计中不可缺少的一部分。

1.1.4桥墩及基础的优化

桥墩以及基础是桥梁重要支撑结构，也是桥梁下部结构中的重要组成部分，对桥梁的稳固性起着重要的作用，因此桥墩及基础不论在数量、位置、还是结构形式上，都对桥梁的稳固、耐久有直接的影响，但对桥梁上部结构的影响较小。因此，在对桥墩和基础进行设计时，应针对具体的桥梁进行考虑。

1.2 整体优化

大跨度桥梁都为高次超静定结构，结构复杂，设计变量多，建设和设计工作又涉及到多方面的因素。因此，要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立，也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此，对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但是综合评价一座桥梁的优劣不是仅仅凭借局部的进行评判，而是要看整体的效果和运营，因此对桥梁的整体结构进行优化设计存在着一定的难度。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面：整体造价最优，整体动力性能优化，整体施工工艺优化，桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。

1.3 桥梁上部结构优化

上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区大跨度中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线梁来说，T梁为开口断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直线设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。对于大跨径桥梁，最好采用悬臂浇筑箱梁。但是对于中等跨径的桥梁，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

1.4 桥梁下部结构优化

下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布置均匀。桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或至少一梁作为分析对象。稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载，下面以连续梁为例进行说明。介于梁、墩之间的板式橡胶支座，梁体上的水平力H（车辆制动力和温度影响力等）是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的，它不但使墩顶产生水平位移，而且板式橡胶支座也要产生剪切变形。当梁体完成水平力的传递以后，梁体暂时处于一种固定状态，但由于轴力及墩身自重的影响，墩顶还会继续产生附加变形，这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐达到反向的状态。

2 结束语

随着交通事业的快速发展，近年来，大量的大跨度桥梁相继建成，其结构形式也趋于多样化、复杂化，而且大跨度桥梁的安全运营也关系到整个交通运输事业的发展。但是，随着大跨度桥梁的运营过程中，随着年限的增长、运输量的逐渐增加，都使得桥梁的结构出现各式各样的问题，怎样杜绝或者延缓这些问题的发生，首先要在桥梁最初的设计阶段，对其结构进行优化设计，减少因为设计影响桥梁后期运营的情况发生。

参考文献：

[1]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报（机械・设备和仪器的开发技术），2011，（05）.

[2]禹智涛，韩大建.基于可靠度的桥梁结构优化设计[J].广东工业大学学报.2009，（03）.

[3]柴志，赵磊，卢彪.基于耐久性的桥梁结构优化设计模型[J].河南科学.2010，（03）.

[4]陈东霞.桥梁结构优化设计浅析[J].建材与装饰（中旬刊）.2008，（04）.

结构优化设计范文第3篇

关键词：优化设计；框架结构；剪力墙结构

为了争取利润，第三方优化公司介入结构设计成为趋势，“把好钢用在刀刃上”成了结构工程师越发注重的问题。

1结构优化设计的底线是规范条文

优化设计首先要满足规范、标准中的强制条文和构造要求的底线。满足这项安全底线并不难，熟悉规范的结构工程师都可做到。特别应注意规范中对条文的严格程度的区分。“宜”和“不宜”表示允许稍有选择，在条件许可时首先这样做，并非只要见到“宜”就是“可以不这样”之意。通常第三方优化公司是按后者理解，这是错误的理解。规范对于有选择，在一定条件下可以这样做时，是采用“可”来表达或描述的。

2框架结构的优化设计

2.1“强柱弱梁”

“强柱弱梁”是确保破坏时梁端先出现塑性铰，引发结构内力重分布，提高框架抗震性能的关键。一般采用增大柱端弯矩设计值的方法，即框架抗震等级为一级、二级、三级时，柱端弯矩增大系数分别取1.4、1.2、1.1。优化设计应遵循此原则，合理优化并应以梁配筋优化为优先。例如，PKPM中引入了中梁和边梁的刚度放大系数来考虑楼板对梁的刚度贡献。当此系数为“自动”考虑时，计算结果为T型梁刚度下的配筋结果，却在绘制施工图时配在了矩形梁截面中。显然，这种增大是不合理也不安全的。可以将梁刚度增大系数手动设置为“1”，即不放大刚度，计算结果便是矩形梁配筋结果。用这个结果配梁钢筋，即可以做到优化节约，也可以满足强柱弱梁的要求。或者将按T型截面进行内力分析后得到的承载力除以梁刚度放大系数，然后按照矩形截面进行配筋。另外PKPM在计算梁配筋时采用柱中线处的内力，而实际上应该采用柱边的内力。柱中心线处的内力要比柱边内力大约20%，这一选择在PKPM参数定义的设计信息页可实现，如图1所示。若勾选梁端简化为刚域，则内力取值在柱边位置。为更好的实现强柱弱梁，可以勾选梁端简化为刚域，而不勾选柱端简化为刚域。这样做非但不是盲目的减少钢筋，反而更体现了“强柱弱梁”的设计原则。

2.2“强剪弱弯”

“强剪弱弯”是指梁、柱、墙的斜截面受剪承载力大于实际受弯承载力。因为弯矩破坏是延性破坏，有一定的征兆，比如裂缝、挠度等，且在地震时能起到耗能的作用；而剪切破坏是脆性破坏，没有任何预兆突然破坏。为保证结构构件在发生弯曲破坏前不产生剪切破坏。混凝土构件承受剪切破坏一是靠截面混凝土抗剪，再者是靠箍筋。特别是跨度较小的梁（如走廊位置的柱间梁），剪力尤其其大，此处不应以截面和配筋为优化目标，而是调整两侧的大跨梁刚度，在满足整体设计指标的前提下进行整楼的刚度调节。

2.3“强节点弱杆件”

“强节点弱杆件”指节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力。节点的重要性不言而喻，当节点失效，则相邻构件连接失效，变为机构导致坍塌。在《建筑抗震设计规范》中对梁的钢筋配置给出规定，要求一、二、三级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径不应大于矩形截面柱在该方向截面尺寸的1/20。这条规定就是对框架结构梁的纵向受力钢筋伸入节点的握裹要求，以达到强节点的目的。但有时很难满足“1/20”的要求，这时除了审视平面布局是否合理的之外，可以适当调幅，加大梁下铁。特别在边柱大跨处，另一侧没有梁再来平衡边跨梁的弯矩了，柱子对梁的约束也显得吃力。这时除了调幅，也可降低梁截面高度，减少吸引的地震力进而减少配筋。而在节点处采取加腋处理，某种意义上减小了梁跨、加强了节点，在外观的截面上做到“强节点、弱杆件”，也是让承载能力更加拟合内力包络图，既节约了钢筋，又体现了“强节点弱杆件”的设计原则。

3剪力墙结构的优化设计

剪力墙体系更多用在住宅建筑中，因墙体的用钢量大，是优化公司关注的重点。剪力墙结构因为开间进深的关系，板块通常不大，楼板不应有特别废钢筋的设计难点。反而墙体和连梁的配筋是剪力墙能否达到用钢量指标的关键。墙体的截面厚度、长度、数量直接影响了剪力墙结构的米用钢量。在布置剪力墙时，应遵循“对称、均匀，强周边、弱中部，形状简单”的原则。剪力墙的“对称、均匀”是指刚度的对称、均匀。只有这样，才能更好的联合抗震，是安全需要，也是为了充分发挥每一道剪力墙的构造配筋。结构计算时可以将墙体竖向钢筋构造配筋率按实际配筋计算后填在PKPM参数设置中，减少墙端暗柱的配筋量，优化设计。“强周边、弱中部”是为了控制结构整体扭转，能减少角部墙体的配筋和连梁配筋。墙肢的形状应简单，避免Z型墙，这样做能从根本上优化暗柱配筋、也使得受力明确。另外在端暗柱配筋时，可以将一片墙理解为一个长悬臂构件，尽量把大直径的钢筋用在外侧。虽然墙肢形状应简单为佳，但也要注意避免“一”字墙。因为“无端柱或翼墙”时，抗震墙的构造要求更为严格，当墙肢长度不大于墙厚的3倍时，尚应按照柱的有关要求进行设计。连梁的高度其实是工程师用来调节整体刚度分布的利器，将全部的窗槛墙认作连梁高度，或者只把窗顶墙作为连梁高度都是不合理的。如果如此设计，肯定有优化的余地。在绘制施工图时，连梁的归并应拟合连梁剪力沿楼高度变化的曲线。因为连梁是耗能构件，因此在施加水平力后应先于墙体破坏。但又不能配筋不足，导致结构变形过大引起的破坏。所以连梁在配筋时应细致，并进行合理归并，才能发挥连梁的作用，同时达到优化配筋的目的。

4结束语

综上，混凝土结构的优化设计是应该在理解了规范意图，明确了设计原则，并积累工程经验后，逐步实现的，应该溶于设计师的血液当中，既达到经济目的，又不失结构安全。

参考文献：

[1]程懋堃.创新思维结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2]建筑抗震设计规范（附条文说明）[S].GB50011-2010（2016年版）.

[3]混凝土结构设计规范[S].GB50010-2010.

结构优化设计范文第4篇

关键词：结构布置；构造措施；混凝土用量；结构优化

Abstract: shear wall structure stiffness big, integral sex is good, with steel lower amount of province. Structure optimization design is an important development of the theory of structural design, the ideological content is not only the pursuit of minimum volume or weight the most light, it is more important to achieve a reasonable resources optimization allocation. According to the largest back hurriedly high-rise shear wall residential design, discusses from shear wall and beam plate layout, structure calculation analysis and adjustment methods, structure measures and so on various control structure cost method, and the calculation and analysis of LiangChao even reinforced treatment, containing a small amount of frame column shear wall structure of the shear adjustment problems and puts forward some Suggestions.

Keywords: structure arrangement; Structural measures; Concrete dosage; Structure optimization

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

引言

高层建筑是社会生产发展和人们生活需求的产物,是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。它反应了一个国家的建筑科技、经济发展水平。随着经济和社会发展的需求,以及城市人口密度的持续增长,高层建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势,也是城市现代化的象征。高容积率的高层住宅小区也成为量大面广的住宅形式。而在高层住宅的各类结构体系中，钢筋混凝土剪力墙结构的经济指标最好，因而成为高层住宅中最主要的结构形式。如何在确保结构安全及建筑使用功能的前提下，将有限的材料资源配置到能充分发挥其作用的关键部位，在不降低结构安全赘余度的情况下优化结构设计，做到技术可行、经济合理成为结构工程师关注的重点。

1 结构布置

1.1 剪力墙布置

在高层剪力墙住宅建筑标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占45%～65%，剪力墙边缘构件用钢量约占30%～50%(该统计数据为7度抗震设防区的数据，以下同)，因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标。剪力墙布置的基本原则是：尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下:

(1) 强周边，弱中部

剪力墙尽可能布置在结构周边护墙位置，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度。在结构中部宜减少剪力墙的布置量(如中部楼电梯间附近)，以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，同时有利于建筑外墙防水。

多均匀长墙(长度8m)，少短墙

在保证竖向及水平承重情况下，要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙，尽量拉大剪力墙的布置间距，避免在较小的间距内布置多道剪力墙。通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置灵活性。为了使剪力墙实现弯曲破坏的延性破坏模式，规定墙长不宜大于8m。实际上影响剪力墙破坏模式的两个主要因素是剪跨比和轴压比， 只要剪跨比大于2，且轴压比满足规范限值，能够实现延性的弯曲破坏。对高层剪力墙，即便是墙长大于8m，剪跨比一般也会大于2，即能满足延性破坏的需求。但需要注意的是，在一个结构单元中，布置剪力墙时应避免个别墙肢为长墙。如果个别墙肢较长而其余墙肢较短时，长墙肢承担总地震力的比例会较大，当其在超过设防地震的作用下首先发生破坏时，其余结构不能起到第二道抗震防线的作用，可能导致结构因个别长墙的破坏而发生连续倒塌。所以在高层剪力墙结构中，长墙的脆性破坏不是主要的，内力集中的不良后果反倒应引起足够重视。一般来讲可通过在长墙中部设置洞口弱连梁方式分为两个短墙肢，但对于限额设计的项目来讲设置洞口会增加边缘构件数量及施工难度从而增加工程成本。

(3)多L形、T形、十字形墙肢，少复杂形状转折

在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。电梯井处往往是大暗柱设置区，为此应尽量避免在墙肢中部布置短横墙及小墙垛。

(4)多连续, 少半框

应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。这就是有的项目剪力墙虽少但刚度较大，有的项目剪力墙虽多但刚度反而较小的原因。

(5)沿高度均匀变化

剪力墙厚度应沿结构高度均匀变化，高层剪力墙结构不宜在底部为适应建筑净面积的要求布置大量200mm厚剪力墙，在上部为控制成本减少剪力墙的设置数量，此做法会加大层刚度变化，不利于抗震，同时也不一定经济；应尽量说服建筑师，在结构底部合理设置较厚剪力墙，厚度随结构高度增加均匀变化，此做法还可以适应底部大层高的要求，避免为保证墙体的稳定而人为增加墙厚的情况。

(6)各墙肢轴压比宜接近

结构优化设计范文第5篇

关键词:结构优化;产品设计;创新方法

一、结构优化的层次与分类

不同的结构优化的方法是在研究对象、目标函数、约束对象、变量和寻优策略的不同要求上派生出来的日。由优化目标的深浅将结构优化划分为三个不同层次:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。以上各层次按顺序难度依次增加,收益依次增大。

(一)尺寸优化

在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下,通过对设计变量的分析重组,寻求最佳的性能组合关系的优化方法。

(二)形状优化

形状的优化设计是指在设计域内的拓扑关系保持不变的情况下求得结构的边界,使得这些边界构成的结构组件达到理想的几何形状,并实现某种性能的最佳表现。

(三)拓扑优化

结构拓扑优化包括了连续结构和离散结构的拓扑优化。连续体结构拓扑优化,包括孔洞个数及形状分布的优化,以及结构的边界形状的优化:离散结构的拓扑优化,就是在给定节点位置情况下,确定各节点的最佳联结关系Ⅲ。

二、产品生命周期的设计制造环节

产品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生产管理领域的产品的市场战略。经过半个多世纪的发展,产品生命周期的概念和内涵也在不断发展变化H。并行工程概念提出促使产品生命周期的概念逐渐从经济管理领域扩展到了工程制造领域,将产品命周期的范围从市场阶段扩展到了研制阶段,覆盖了包括需求分析、产品设计、原料采购、制造装配以及销售维护阶段。20世纪90年代以来,全球机械产品市场进入了大规模定制与个性化需求并举的时代。在这种情况下,规模化的生产能力与机械产品的可靠性固然重要,而能否根据潜在客户需求做出快速响应,已经成为未来装备制造企业在激烈竞争中取胜的关键。这里我们将规模化机械产品的设计与生产过程加以分离,重点研究在结构优化的基础上寻求创新产品的设计的思路,以期快速响应客户需求。

三、基于结构优化的产品创新设计方法

产品的创新设计方法是指设计人员根据创造性思维的发展规律,在优化产品结构的基础上总结的一系列的原理、技巧以及方法。这些方法或技巧,可以在各种创造、创新过程中得到借鉴,同时提高人们的创造、创新思维的能力和促进产品设计创新成果的实现效率。产品设计创新的方法对创新有十分重要的作用,它既能产生直接的创新成果提高创新概念到产品实现的效率,同时也可启发设计人员的创新思维,提高创新的能力。机械产品的市场需求是进行产品设计创新的基础,要把产品需求转化为产品的创新设计成果,必须经过在原有的外形、尺寸及拓扑结构的基础上通过创新设计方法来实现产品的创新功能。机械产品的设计创新分为两个层次:一是运用工业设计的技术以及方法,以产品需求为基础,开发出全新的产品,成为原创型设计创新:二是运用现代工业的设计方法对原有产品进行外观以及内部结构的优化与改进,实现局部改进创新,称为次生型设计创新。实际上,人类数百年的工业发展史中,开创性的原创型设计创新产品所占的比例微乎其微,大量实用性高的创新产品都是次生型设计创新的产物。同时,由于无需进行原创型设计创新所需要进行的大量原型设计,因而能够有效提高机械产品的设计效率,减少设计环节所占用的时间。本文所介绍的基于结构优化的产品创新设计方法属于次生型设计创新的范畴。

四、机械产品的次生型优化创新方法

针对机械产品的次生型优化设计创新是指以在原有产品设计的结构基础上,在保留原有产品设计的核心功能与产品优点的同时,对该产品外形、拓扑结构等进行优化和再设计,使得新产品具备原有产品所不具备的 新功能和特征。产品的次生型优化设计创新是建立在产品的结构优化层次分类基础上的创新活动,机械结构的布局包括尺寸、形状、拓扑三个方面的信息,而尺寸优化、形状优化和拓扑优化体现了结构优化中三个不同层次的问题月。针对机械产品尺寸、形状、拓扑结构的优化创新设计,以产品基本架构组成零件之间的装配关 系为前提,结构优化的关注点是有待改进或者进一步开发的结构要素。通常,这些结构要素在设计之初并不明确,隐藏在复杂的形状、色彩以及结构形态之中,只有通过对多变的市场需求、多方面的用户期望以及现有同类产品的优缺点进行深入分析,才能找出最具创新价值的结构优化要素。成功地选择结构优化关注要素,为机械产品的创新思考确定清晰的方向。对机械产品的创新问题包含了优化问题的三个要素,即设计变量、目标函数以及约束条件,机械产品的次生型优化创新方法是TRJz。

发明解决理论中最常用的创新工具,也是全工程化的解决问题方式,对于创新思考的要素与方向难于把握的产品形态创新设计而言,这种高效率的创新解决方法不仅能够提供明确的创新方向,而且能够使创新设计人员准确把握创新要素,从而降低了创新思考的盲目性。

结构的关注点是创新思考的起点,借助于一般创新的方法分析与产品结构关注点相关联的各种技术参数(即设计变量、目标函数以及约束条件),将彼此关联的技术参数对于相应的功能与外形需求,利用从优化创新的方法找寻对应的发明原理,然后根据发明原理的创新方向进行结构优化的创意方向。综合考虑市场需求及实际的生产条件,选择一到两个有利于结构功能属性创新的冲突因素,实现机械产品的创新思考。

结构优化设计范文第6篇

关键词：滚筒；结构；设计

1 滚筒结构设计中传统结构设计方法与存在的缺点

用传统的结构方法进行设计时，首先要根据以往的设计经验及判断来确定滚筒的结构形式，一般指结构布置、材料的选择、制定尺寸及制定相应工艺；其次是全面分析其结构；最后在滚筒成品生产完成之后才可以进行校对工作，一般都是通过力学模型来检测其强度是否符合规定条件，并对一些参数进行适当修订。由此可以得出结论：在传统设计理念中，缺乏合理的更新，只将结构分析视为校对及检验的工具。

由此可以分析传统设计中存在的缺陷是：（1）在有限的校对过程中，单次校对时间长，难度高，工作量大等问题，直接给设计人员带来困难；（2）材料分布情况不能得到有效合理的数据分析结果，对于提出理想的经济适用的方案有很大难度；（3）大量的精力都投入到初始设计方案当中，因此如果原则性问题出现在初始方案中，就会给整个设计带来不良影响，从而无法保证正确性，在年轻的设计师中，缺乏经验，压力又大。

2 滚筒结构设计优化现状

利用数学思想中的函数编程求解是滚筒结构设计得到优化的一个重要方式。利用数学思想，将数学模型运用到相应的结构转化当中，然后同样设置参数及目标函数，并且将约束条件抽离出来，进而可以将位置数值确定下来。通过此法得到的参数值可以达到使用条件标准，对细部尺寸进行参数化，进一步通过三维软件进行讨论，理论上可以实现最终目的，即优化滚筒结构设计。

虽然当前已经经历过很多的实验，然而，滚筒设计仍然不能在参数上给出最优化的一系列参数，在设计的过程中，设计人员仅仅改进了单一的零部件结构，以及研究其在整体结构中起到的作用及造成的影响。截至目前为止，仍然没有一套完整的参考设计方法可以应用到带式输送机整体参数的系统设计，优化所有零部件，特别是优化设计细部参数部分，装配方式组成的滚筒结构模式，有利于展开理论分析及参数验证整体结构，进而可以对所有参数组合进行最优的设计。考虑到整体结构的效果，设计员们都将思路集中到优化思想上，在滚筒设计研究课题中，这种思想极具突破性，值得人们关注并实践。

3 改向滚筒的优化设计

在滚筒设计优化的过程中，是彻底的将滚筒功能加以应用，仍然利用托辊为原型，利用托辊运动原理将滚筒设计为轴承内置形式[1，2]，在进行设计的过程中，主要思考方向是对结构的设计，对受力的分析，同时进行理论验证；在结构设计方面，主体内容是在产品的结构中应用到轴承内置理论，目的是实现突破改向滚筒的设计结构；然后利用对受力程度的分析来检验优化设计滚筒结构的功能是否可以在实际中应用，是否具有稳定的结构，同时能够实现同等运力的产品结构参数，因此此项工作急需解决；接下来理论验证就要通过全面比较轴承外置式和轴承内置式两种滚筒得出结论：改向滚筒的设计理念具有一定的优越性，同时还要找出这种理念下存在的问题及不完美的地方。综合所有信息对改向滚筒设计进行整体的评价[3]。

带式输送机在进行常规作业时，改向滚筒在整个运行过程中担负着端部变更运输方向的角色和增加输送带在传动滚筒上的包角， 同时利用改向滚筒拉紧装置从而达到张紧效果，实现其作用。在这三种功能作用不同的情况下，人们之所以称其为改向滚筒，是由于改向的功能体现在不同位置上，同时满足改向滚筒的受力分析，其承担的压力及摩擦力仅来自其上部的张紧力，并且不会受到来自主动力方向力的作用。出于对以上两点的考虑，在轮毂和轴中间放置轴承，避免轴随整个滚筒一起转动，此方法既可以实现改向滚筒的作用，还起到固定轴的作用，有利于实现整体滚筒的定位及受力强度的平衡[4]。

结合以往常用轴承外置式滚筒结构，以及基于创新的想法，现在所设计的轴承内置式改向滚筒新结构由轴座、轴、筒皮、接盘、轴承、透盖、密封圈Ⅰ和密封圈Ⅱ构成，结构示意图如图1：

图1 新型改向滚筒结构示意图

设计轴承座时，借鉴联轴器的连接方式，在两端轴座与轴之间采用键连接，接盘由辐板和轮毂两部分结构通过焊接技术使之成为一体结构，接盘与筒皮的连接方式则采用现如今比较可靠的埋弧焊接方式焊接而成，新设计结构中接盘与透盖通过螺栓连接，接盘与轴承采用过盈配合，轴承与轴也是采用过盈配合，配合尺寸满足接盘的内径比轴的外径大，透盖的内径比轴的外径大，而轴承则设计于接盘的内部，透盖的主要任务是用来保证内部轴承的干净不被污染，为了防止杂质等进入轴承，保障轴承的寿命，密封的作用则尤为重要，所以结构设计时设置了两个密封圈，（如图2）密封圈Ⅰ设在接盘与轴之间，密封圈Ⅱ设在透盖与轴之间。

图2 新型改向滚筒局部示意图

由上述本实用新型的技术方案可以看出，文章所述的新型改向滚筒，在结构上突破了传统轴承外置式改向滚筒的结构，使得结构设计简易合理，同时在生产以及现场应用上更为简便，对提高产量以及现场安装应用测试等操作提供了极大地空间和便利。新型改向滚筒的受力分析[5]：改向滚筒受力为：输送带所受的张紧力引起的对改向滚筒的压力P和两者之间的摩擦力Ff。两种滚筒受力相比，新型改向滚筒比传统滚筒少受到一个主动力矩的作用。

在传统滚筒进行受力分析的过程中可以得知，筒皮中点被视为筒皮的危险处，同时在轮毂辐板附近位置有较大的应力，无论从现场使用情况还是从经验方面，能够满足辐板附近位置的筒皮强度即可，根据现场真实状态来选择型号，并且仔细确认参数，接下来即可利用有限元分析软件展开模拟滚筒的现场操作。

在进行滚筒设计的过程中，设计员们就全面注意滚筒性能方面的稳定可靠，滚筒运行过程中保证筒体运转，同时保证轴不转，在任何情况下，都要保证筒体、轴、轴承及轴承座可以在同一圆心下运行。载负力始终由两个轴承均匀受载。相较于传统通用的改向滚筒两边的轴承和轴承座，都设置在滚筒体两侧外面的轴端处，筒体通过轴和轴承以及轴承座与输送机的钢架相连接有更大的优越性。传统的轴承外置式改向滚筒，在运转时筒体和轴一起转动，对轴承座的安装定位，正确性要求很高，稍不注意，就容易出现偏心，使得轴和轴承，轴承座三者不在同一个圆心上，轴承上受力就容易偏离轴承的中心线，增加了轴承的旋转阻力，容易造成轴承的局部磨损加速导致轴承的损坏。另一个细节就是为了纠正皮带跑偏现象不得不改变改向滚筒原有的定位点，容易使得轴承受力点偏移，造成轴承损坏。经过改进后的滚筒结构，不论在何种工况下，轴，轴承，轴承座都在同一个圆心上运转，减少了旋转阻力，降低了材料消耗和制造成本，降低运转时的能量消耗，延长了轴承的运转寿命，保持了良好的运转性能，安全可靠性高。

参考文献

[1]张亮有，董萌.带式输送机驱动滚筒非标准化设计[J].山西科技，2007（3）：123-124.

[2]李克信，平建明，刘曙辉，等.带式输送机换向滚筒结构分析与改进[J].中州煤炭，1999（5）：31-32.

[3]Callaghan.Advances in the design of mechanical conveyors[J].Bulk Solids Handling，1994（2）：255-281.

[4]陈志杰.可调式内轴承改向滚筒[P].中国专利：92215888.6，1993.

结构优化设计范文第7篇

住宅建筑结构设计优化是要通过对拟建住宅进行模型的优化、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。

1.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。

2.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、约束条件多且非线性，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。

二、住宅建筑结构设计优化的应用分析

建筑结构的优化设计要在保证建筑使用功能的条件下，利用结构优化设计技术达到提高结构安全度、降低工程造价、提高经济性的效果，也就是要贯穿建筑的整体设计、前期规划及抗震设计等阶段。

1.结构优化设计的前期参与

建筑是相对长期的投资，常见的建筑使用年限均在50～100年间，这就要求结构能够保证在设计使用年限内，建筑能够保持基本的使用功能、良好的空间环境。因此，要在建筑方案设计初期就加入结构优化的考虑。这样可以有效避免出现结构不合理、工程造价高等问题。也就是说，在建筑方案的设计初期就加入结构的优化设计，是提高建筑利用率的有效方法。

2.结构的概念优化设计

一幢建筑的完成，可以有不同的结构设计方案；另外，对于同一种结构布置方案，采用不同的结构荷载、材料和分析方法，参数的取值也是有较大区别的。这些是通过计算机无法实现的，需要结构设计人员作出合理的选择，根据工程实践经验来进行参数的确定。通过概念优化设计，可以预算建筑结构在各种外力荷载的作用下的内力分布，以及将所有不利的荷载集中加载时可能出现的破坏形式等，如建筑结构在地震荷载作用下的破坏情况等，得到预算结果后，就可以作为结构设计的有利参考资料，采取有效的结构方案，选用有利的建筑材料和构造形式，从而降低刚度不均匀、结构的不对称等对抗震不利的结构设计。因此，结构的概念优化设计在自然灾害发生时，显得尤为的重要。

三、结语

住宅是目前建设数量最多，建设频率最高的一种建筑，其结构的优化设计具有较为深远的意义。对于高层住宅迅速发展的今天，结构设计更突显其重要性。结构优化设计的目的是为了让建在设计年限内能够更好的发挥其作用而提出的。本文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。总之，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。

结构优化设计范文第8篇

关键词：机械结构；优化设计；应用趋势

随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式[1]。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。

1 机械结构优化设计方法

目前，机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域，很多的机械产品在设计中都会采用优化设计，才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平，还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。

对机械结构的尺寸优化设计的应用方法有：用遗传算法对空间杆桁架的杆截面进行尺寸优化，从而得到空间桁架较好的结构。对一些结构的形状优化设计方法有：用数值解法计算机械产品的形状优化，并采用数学规划的方法进行形状优化设计。下面介绍下在振动机械优化设计中的对比分析 ：

筋板在连接结构的内壁，能提高其抗弯和抗扭刚度；对开式截面的结构，作用很明显；而对闭式结构作用影响不大。筋板作为壁板加强时，刚度作用增强，能抵抗局部变形。

无论采用何种优化方法，在迭代过程中求解目标函数和约束函数的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目标函数和约束函数的1阶甚至2阶偏导数。这些约束函数往往是结构的性能要求，如结构的应力、位移、频率、稳定性、可靠性等，这些性能经常是设计变量的高阶非线性函数。如果采用经典的力学公式能获得满足工程要求的结果，则在优化过程中，不断调用这些公式计算当前函数值或导数值，就可以完成优化迭代。在这样的方法中，由于函数最终表达为显式，因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是，对于复杂的机械结构来说，采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等数值方法快速发展的今天，自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛，可以求解结构的各类问题，包括静力、动力、弹塑性、热传导等，因此，随着计算机的软件和硬件技术快速发展，在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量，对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时，机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好，使用方便，适合各类机械结构优化问题，包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是，随着优化迭代次数的增加，重分析次数也大幅度上升，尤其对于大规模的结构问题，特别是涉及动力、可靠性问题，如果单次有限元分析的时间就很长，再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时，以致不可行。

2 机械结构优化的应用趋势

结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善， 已逐渐得以发展。近些年来， 在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统， 由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法， 在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络， 遗传算法等方法， 在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化， 这对发展结构近似重分析的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快收敛， 增加方法的通用性[2]。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。

拓扑优化在结构优化中是重要的参考依据， 让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性地、灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但是如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。

机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题， 综合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视[3]。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务， 进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十分迫切。

从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近20项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法， 面向产品的创新的概念设计等课题， 这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向[4]。

参考文献

[1] 张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑，2008（11）.

[2] 秦东晨，陈江义等.机械结构优化设计的综述与展望[J].工程论坛，2005，（9）：

[3] 史凤兰.机械结构优化设计发展综述[J].中国科技信息.2010（22）

结构优化设计范文第9篇

关键词：房屋；结构；优化；设计；技术；应用

中图分类号：TU2文献标识码： A

引言

结构优化设计技术，能在有限的空间、有限的资源下，实现效果发挥的最大化，也能实现经济性、实用性和适用性的良好目标。既满足了人们对建筑产品的品质要求不断提高的目的，又实现了人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高的需求，同时，它也实现了建筑商不断寻求新的手段来满足顾客的需求，从而达到降低建筑工程造价成本的目标。

一、房屋结构优化设计对造价控制的作用

房屋结构设计对工程造价的影响并非一次性的，其设计的合理性，将贯穿整个工程的始末。众所周知，设计除了要实现房屋的功能使用需求外，还要通过成本节约带来合理的经济效益，因此，房屋结构的优化设计不仅是对房屋质量安全的保障，还要实现项目效益的最大化。譬如房屋容积率方面的结构设计，由于容积率是项目建筑面积和用地面积的比值，而用地面积通常是固定不变的，因此建筑物高度和栋距成为容积率的决定因素，通过增加建筑物高度和缩小栋距，实现建筑面积的最大化。建筑面积越大，所带来的经济效益就越大。但容积率的提高必须掌握在一定的程度内，否则将带来居住舒适度下降的弊端，也会增大对地基承载力的要求，从而影响房屋的安全使用。另外房屋的层数增加，墙体、地基等施工成本也会随之增加，因此如果没有动态考虑成本影响而盲目制定房屋结构设计方案，将会使得房屋建筑陷入成本盲目的状态。

由此可见，我们对房屋的结构设计必须进行优化，在技术可行性前提下通过设计内容优化，协调好各部份的功能实现，并最大限度节约造价成本，使得房屋建筑达到安全、经济、适用安全等综合要求。

二、结构优化设计技术的实践应用

结构优化设计技术应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法可以在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等的各分部环节，可以发挥着巨大的效益。

（一）结构优化设计应注意前期参与

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而目前存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。所以如果在方案的初期，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。

（二）结构优化设计与概念设计的结合

概念设计通常应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算难免与现实有较大的差异，因此在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。所以设计过程中也需要设计人员灵活的应用结构优化设计的方法，以求达到最佳的效果。

（三）保障设计工作的美观性

赏心悦目在目前的建筑工程项目中越来越受到人们的关注，这也是建筑结构美观性得以保证的关键环节。在这种建筑工程环节中，建筑设计、建筑结构设计以及建筑作用设计就是一种全面系统优化的结果。在这种结构条件下，结构设计通常都是以追求实用、经济、美观和便于施工为主要目的的结构模式。因此在设计中通常也都是从这几个方面入手去分析与完善。这种设计模式的主要意义在于以经济方式的发展和前进为基础，从而在工作中实现房屋结构的系统化、全面化发展模式。

三、房屋结构进行优化设计的措施

房屋结构的优化设计旨在降低工程造价成本，并为房屋建成后的经济效益提供基础条件，根据实践的设计经验，笔者得出了以下几条优化措施：

（一）选择节能指标较高的结构类型

房屋结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式，常见的结构设计模式有如下三种：①剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，以混凝土结构技术规程为依托，这种结构形式相对于短肢剪力墙的抗震级别要高，比起短肢剪力墙，构造钢筋使用数量不多。②框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成本低的优点，但这种结构抗震能力弱,柱截面较大，形成的柱角凸出部位会妨碍家具的布置。③框架一剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。以上的三种结构模式各具优缺点，但我们在选择结构模式的时候，不能片面认为造价最低的方案就是最科学合理的方案，而是我们要结合房屋业主的功能需求，以及建设单位的投资水平和施工能力等方面的因素进行结构类型的综合分析，将投资与收益进行平衡优化，根据工程条件的客观实际情况选择最为合适的结构模式。

（二）应用模式优化设计技术

在房屋结构优化设计工作中，通常情况下在设计中对要遵循一切从实际出发的优化与设计原则，并且在工程项目中我们需要布置一套系统化的管理模式，同时还需要根据我们目前存在的相关情况和工作模式进行系统化的管理与总结，从而使得工程环节中的设计意图和设计宗旨都能够达到最佳标准和要求。在目前的建筑工程结构优化设计工作中，对于建筑结构设计影响最大的设计模式和变动方式都是以函数确立为主的工作模式，在工作中通常都是运用科学、有序的管理模式和管理技术来进行分析，并且要采用结构的整体性、全面性优化手段来系统深入的进行总结和完善。

（三）采用结构信息优化设计技术

由于房屋建筑结构受到设计变量等条件的约束，难以用单一的方法进行结构优化。鉴于房屋结构设计的复杂性，应该开发一种较为实用方便的参数定义优化软件，减少设计者在结构优化方面的精力和时间。笔者较为推崇的是TBCAD系统，这种系统是针对结构方案设计、建模、分析、评估等为一体的成本控制软件系统，这种系统可以进行结构方案的指导设计，使得方案的人力、物力和财力资源等趋于最优状态。系统的信息分为两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，使用最少的混凝土用量满足侧向刚度的要求，系统在这个时间段的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则是设计的变量。第二个时间段是对构件强度的优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的调整，使得构件的强度要求实现只需较少的结构造价。

（四）加强结构抗震设计经济化

结构抗震的经济化设计，主要针对高层的房屋建筑，高层建筑的水平荷载结构造价占所有结构的绝大部分造价，在抗震结构设计中，抗侧力构件是造价控制的重点内容。尤其是在建筑物高度增加之后，抗侧力构件的造价也会随之增加。因此，抗侧力的构件必须进行合理选用，以便形成造价优势。上文已经对常见结构形式进行了一定阐述，虽然每种结构形式都具备一定的抗震性能，但所达成的经济效果却是各不相同的，因此设计人员对房屋结构的设计要充分了解各种结构模式的抗震性能和经济指标，把握好房屋的体型、结构的体系以及刚度的分布等，针对抗震的薄弱环节通过抗震构造措施进行改善，将抗震结构设计的成本降到最低。

结语

结构优化设计技术是房屋结构设计的重要设计技术，作为设计师，必须合理有效的利用结构设计优化技术，将结构优化设计技术有效地运用到房屋结构设计中，让房屋结构更加安全、合理、经济。

参考文献：

[1]关新. 结构设计的优化方法与应用[J]. 科技与企业,2014,02:166.

结构优化设计范文第10篇

【关键词】绿色建筑；结构设计；结构优化；优化设计

【中图分类号】TU201.5【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2016）14-0156-02

社会经济的极大发展，积极的推动了建筑行业的进步与完善，绿色建筑逐渐成为现代建筑工程的重要部分，在满足相关规范的基础上，促使绿色建筑的节能水平得到有效的提升，降低绿色建筑在使用过程中和建设过程中的能源消耗，积极推动人与自然和谐相处。但是在实际的绿色建筑设计时，结构问题影响绿色建筑的节能性和安全性，因此，需要加强对绿色建筑结构设计的分析，并科学的展开结构优化设计，促使结构设计可以满足绿色建筑的实际需求，实现绿色建筑项目的经济效益与社会价值。

1绿色建筑结构优化设计的相关概述

1.1绿色建筑结构设计的基本内容

绿色建筑的结构优化设计是结合相关设计规范和标准，针对建筑结构设计的内容和方案，制定有效的优化措施，促使绿色建筑的结构可以达到标准和规范的需求，从而使得绿色建筑的整体可以达到使用标准。在实际的绿色建筑结构优化设计的过程中，需要结合绿色建筑的功能性和实用性进行分析，并对结构设计的经济性和可行性进行分析，如果发现结构设计中，存在问题，需要及时的进行修改，促使绿色建筑的结构可以得到优化和改善，确保绿色建筑的质量。

1.2绿色建筑结构设计优化的作用

受到绿色建筑的施工技术和材料的影响，使得绿色建筑的结构设计的成本较高。而且，在实际的绿色建筑结构设计中，绿色建筑需要大量的对钢筋混凝土进行应用，这也就使得绿色建筑结构设计的造价加高，甚至会对环境的质量造成影响：①通过绿色建筑结构设计优化的应用，可以使得钢筋混凝土的用量进行控制，在满足绿色建筑结构需求的基础上，降低施工对环境的影响，减少钢筋、混凝土的使用。②绿色建筑的结构设计优化，可以使得绿色建筑的结构设计更加合理有效，科学的对绿色材料和绿色能源进行使用，减少安全事故的发生，促使绿色建筑结构设计可以达到相关质量标准。③绿色建筑结构设计重视对能源、土地和材料的节约，并使得循环及可再生材料的使用满足《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014），提高资源的利用效率。

2绿色建筑结构优化设计面临的问题

针对建筑优化设计的实际情况，对影响结构优化的问题进行分析，为绿色建筑结构优化设计提供参考。

2.1基础结构优化设计中的问题

基础结构是绿色建筑中的重要组成部分，针对基础结构优化设计所面临问题进行解读和分析，其中基础结构优化设计主要面临：①基础设计不稳定，不良地基处理不够全面，地质因素的干扰明显，使得绿色建筑的安全受到影响。此外，由于基础的不均匀沉降，基础结构的可靠性和稳定性会受到影响，严重时会导致结构变形的情况。②地下空间的利用不够充足，空间利用效率不够合理。③地基基础优化设计缺乏相关论证报告，使得优化设计的实际控制能力不强。

2.2结构体系优化设计面临的问题

结构体系是绿色建筑中的重要部分，主要以钢筋混凝土结构、砌体结构为主。钢筋混凝土结构在实际的设计中，始终面临消耗或是浪费严重的情况。而且钢筋混凝土的强度和刚度不能满足绿色建筑的实际需求，甚至会出现裂缝的情况产生，影响绿色建筑的功能性和安全性的发挥。砌体结构同样是绿色建筑的重要结构部分，砌体结构中存在随意施放钢筋，且分布不够均匀、材料的使用缺乏连续性的情况，不但会造成结构的质量不能达标，还会造成大量的材料浪费。

2.3结构构件的优化设计面临问题

结构构件是影响绿色建筑的稳定性和功能性的关键因素，受到一些外界因素和质量因素的影响，钢筋混凝土的强度和刚度不能达到标准，构件的尺寸检测不够，导致绿色建筑的结构构件抗震性能不好。此外，绿色建筑中存在诸多装饰挂件，且没有合理的对预制构件进行使用，影响绿色建筑结构优化水平。

3绿色建筑结构优化设计的有效方案

结合《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）、《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193），科学的对绿色建筑结构优化设计的方案进行制定与实施，促使绿色建筑可以达到设计标准，降低安全隐患。

3.1基础结构优化设计

基础结构优化设计，需要结合地区的实际情况，对氡辐射的情况进行分析和判断，结合岩土工程的勘察报告，选择适宜的建设场地。结合地基的实际特点，科学的对不良地基进行处理，科学的对换填垫层、排水固结等方法进行应用，促使基础结构的优化可以得到保障。重视对地下空间的利用，充分发挥地下空间扩展能力，提高空间的利用率。并强化论证报告的分析和制定，促使优化设计可以得到有效的实施。

3.2结构体系优化设计

针对钢筋混凝土结构，混凝土和砂浆需要采用预制的方式，并使得混凝土的抗硫酸盐和氯离子侵蚀、抗碳化、早期抗裂性能等必须达到《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193）的相关标准，确保混凝土的质量可以满足绿色建筑的实际需求。对于钢结构部分，需要钢结构的除锈等级需要达到Sa21/2，可以采用聚硅氧烷作为防腐底漆，并控制干膜厚度≥2×50μm2提高保护膜的质量。在进行建筑材料的选择时，尽可能的选择本地区的材料，减少材料的运输距离，降低结构的成本。对框架、梁柱等的纵向钢筋可选择HRB400E热轧带肋钢筋。砌体结构优化时，需要合理的对砌体结构的布筋形式和布筋方式进行优化，减少裂缝的情况，提高结构体系的质量。

3.3结构构件的优化设计

针对结构构件，采用预制的方式，减少建筑中材料的使用。设计优化中，需要对预制构件与主体承重结构间的安装方式进行选择，促使二者有效的结合，对于竖向构件需要采用合理的焊接方式结合局部现浇的方式，提高连接质量，并确保混凝土的强度需求。针对结构构件的装饰功能，需要遵循装饰的原则和规范，提高装饰的连接质量。此外，在进行绿色建筑结构优化时，需要合理的对循环、可再生资源、废弃物的合理使用，室外的玻璃采用安全玻璃，并重视材料的放射性、有机质、粒径的检测，确保能够达到标准，且避免固体再生资源不经过检验后作为承重结构。

4结束语

结合《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014），对绿色建筑结构优化设计进行解读和分析，并明确绿色建筑结构优化设计面临的问题，制定有效的优化方案，提高绿色建筑结构设计的质量，提高绿色建筑的功能性、节能性和环保性，实现绿色建筑建设项目的经济效益与社会效益。

参考文献

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