優化設計與優化方法匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇優化設計與優化方法范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

引言

隨著我國社會經濟的快速發展，我國各行各業對大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業循環水等方面發揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設計方法、完善大型自吸離心泵的設計理論，能夠有效提高泵的工作效率，對提高自吸離心泵的性能有重要的現實意義。

1 大型自吸離心泵存在的問題

從上世紀60年代開始我國就開始了對大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應用彈性橡膠閥來實現回流孔自動關閉的理論，在此基礎上研制出了外混式結構的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時代的發展，對大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對大型自吸離心泵的結構、參數以及成本等方面對其進行了廣泛的調查，總結出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結構設計方法有待完善。在國內離心泵生產企業中，大多數還是生產內混式和外混式自吸離心泵，缺乏創新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數自吸離心泵采用的是上世紀90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動關閉從而實現自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應用，但隨著科學技術的進步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國生產大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會導致大型自吸離心泵比較重，也會一定程度上增大工作人員的工作強度。

2 大型自吸離心泵結構及參數設計

2.1 大型自吸離心泵結構設計

大型自吸離心泵通過自吸系統將泵的進口管內空氣排凈并實現快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結構由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統等組成，泵與自吸系統采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結構如圖1所示。

圖1 大型自吸離心泵三維結構圖

2.2 大型自吸離心泵的設計參數

設計流量為Q=500m3/h，揚程H=45m，泵的轉速n=2200r/min，柴油機的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。

2.3 葉輪水利設計

大型自吸離心泵內部水的流動非常復雜，在自吸系統工作時涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設計關系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結構采用閉式結構，葉輪的設計首先需要確定泵的比轉速，比轉速可以采用以下公式來計算：

n■=■=188

其次，需要確定泵的進出口直徑，泵的進口直徑是指進口管法蘭處內徑，常用泵的進口直徑、流速以及流量之間的關系表1所示。

表1

根據圖表再加上實際情況選擇泵的進口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計算可得，葉輪進口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數為6片。

3 大型自吸離心泵自吸系統工作原理

本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統，文丘里自吸系統是一種以壓縮空氣作為動力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統的排氣裝置和進口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統內部沒有運動部件，所以不需要設置裝置，而且密封性能良好，結構相對簡單，系統工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統通過壓縮空氣產生射流，這時逆止閥會被打開，射流會不斷地卷吸泵體內的空氣，然后排出。與此同時，逆止閥會組織外部的氣體進入泵體內部，經過這樣的反復排氣會使泵體產生真空，這時水流進入葉輪，水流的作用力會將逆止閥關閉，這時離心泵開始了正常工作，實現了大型離心泵的自吸功能。

4 大型自吸離心泵試驗研究

按照上述設計，在產品質量檢測水泵試驗臺上進行檢測，并按照國家標準GB/T3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》進行實驗。預測性能曲線與實驗性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計算方法等都會對計算結果產生一定的影響，所以實驗結果產生的誤差在可以接受的范圍之內。同時對大型自吸離心泵自吸性能進行實驗，按照相關標準，當自吸離心泵自吸高度達到5米時，自吸時間應小于120s，本裝置進行自吸實驗時，自吸高度達到5米時自吸時間為75s，遠遠高于國家標準，通過實驗可以得出，大型自吸離心泵的性能參數滿足設計要求。

5 結束語

綜上所述，文章對離心泵優化設計理論與方法進行了分析，介紹了泵的結構、自吸系統以及葉輪等的設計，通過對大型自吸離心泵試驗研究可以得出其性能參數滿足設計要求，甚至一些參數遠遠超過了國家相關標準。對大型自吸離心泵進行研究，提高了泵的工作效率和性能，對促進我國社會經濟發展具有重要的現實意義。

參考文獻

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1.1給水管網優化設計模型研究

給水管網優化設計模型是進行優化設計的基礎，其優劣程度決定優化設計是否成功。因此，所建的模型必須真實地反映管網運行特征及管理要求。其模型的發展經歷單目標函數和多目標函數兩個階段。20世紀50年代后，國內的研究者開始對管網優化設計模型研究，取得一定成果的有同濟大學、哈爾濱工業大學等。國內研究者一般都以管網年費用折算值最小為目標函數建立管網優化設計數學模型。此模型沒有考慮管網的可靠性約束。隨著研究的深入和實踐證明，人們逐漸認識到若僅以經濟性作為管網優化設計的目標函數與工程實際相比存在某種欠缺和不足，還需要考慮系統可靠性這一因素。

1.2給水管網優化設計模型求解算法研究

給水管網優化設計模型求解方法主要經歷了以下三個階段。

（1）拉格朗日函數優化法。該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標單工況優化設計模型。應用拉格朗日未定系數法，將目標函數進行轉換，然后用計算機進行求解。但是由于管徑為離散變量，應用此法求得的管徑需要進行圓整，化為市售管徑，這在某種程度上破壞了解的最優性。該算法目前應用較少。

（2）數學規劃法。

①線性規劃。線性規劃法是在一組線性約束條件下，求某個線性目標函數的最小值(最大值)。該方法只能解決樹狀管網的優化設計，因此該算法應用較少。

②動態規劃法。動態規劃法是一種求解多階段決策過程最優化方法。該法對模型中的目標函數和約束條件的形式要求不高，以標準管徑為變量計算結果不需要調整。該方法對小型樹狀管網能得到最優解;對于簡單的環狀管網，需預先假設一組管徑并進行初始流量分配，將環狀網化為樹狀網;對于復雜管網應用該法不能得到最優解。

③非線性規劃法。非線性規劃法是在一組非線性約束條件下，尋求非線性目標函數的最大值或最小值。在管網優化設計中，目前所建的模型基本都是非線性模型，因為此種模型能更好地反映管網系統各因素之間的關系，因此該方法能提高計算精度。非線性規劃法能較好的反映管網系統的本質。

(3)隨機搜索優化方法。

①神經網絡算法。神經網絡算法是將優化問題的目標函數和約束條件映射到神經網絡動力系統，利用人工神經網絡的動力系統演化機制，搜索到局部最優解，將最優解映射為動力系統平衡點。目前將神經網絡算法用于環狀管網方面的研究較少。

②蟻群算法。蟻群算法(ACOAs)是由意大利學者Dorigo于1996年提出的一種模擬螞蟻尋食行為的算法。該算法能夠智能搜索、全局優化，且易與其它算法結合。但有以下缺點：a:當規模較大時，算法效率下降得很快，需要較長的搜索時間；b:容易出現停滯現象，即搜索到一定程度后，所有個體所發現的解完全一致，不能對解空間進一步進行搜索，不利于發現更好的解，從而容易陷入局部最優。

③遺傳算法。遺傳算法(GA)近年來被認為是管網優化技術的飛躍，它通過模擬自然界生物種群的遺傳和自然選擇機制，隨機搜索最優解。遺傳算法是以標準管徑為決策變量的，對其采用一定的編碼方式，通過選擇、交叉和變異等操作，求得最優解。它的優勢主要在于:a:該算法不受可微、可導、連續等數學處理方式的限制；b:以離散的標準管徑為決策變量避免了非線性規劃法需對連續管徑進行“圓整”帶來的偏差；c:該算法是一種隨機搜索過程，不會形成局部最優解；該算法也存在一些缺陷，如遺傳算法的早熟現象、適應度值難以標定、接近最優解時收斂很慢等。

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中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

對于一個項目，工程結構總體的優化設計主要是針對圍護結構、屋蓋系統、結構體系、基礎形式以及結構細部等進行相應的設計方案的優化設計。在設計的時候還必須考慮到相應的布置、選型、造價以及受力等方面的問題，然后根據工程的實際情況并結合建筑物的經濟性要求，對建筑結構進行相應的優化設計。 為了適應時展的要求，建筑的結構形式必須不斷的進行創新。對于結構設計師來說，要在確保建筑結構具有一定的安全保證的基礎上設計更合理、更經濟、更能體現創新的結構形式。

1 結構設計優化技術的現實意義

對建筑結構的設計進行必要的優化，在對于房屋結構相關的設計中的應用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實用與美觀，而且還可以有效地對工程造價進行控制。對于建筑商來說，其當然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對建筑結構的科學性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對建筑結構進行優化設計。

結構設計優化和傳統房屋結構設計進行比較我們可以發現：運用設計優化的技術能夠降低整個建筑工程造價10%～40％。結構設計優化技術能夠使得建筑結構內部的每個單元都得到最佳的協調，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關規定的安全系數，還能夠實現建筑結構設計的經濟性與實用性。

2 結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

2.1 建立結構優化的模型

在我們對房屋結構整體進行必要的優化設計時候，可以分成三步進行建筑結構的優化設計。下面將對每一步驟進行詳細的介紹：

2.1.1 要對設計變量進行合理的選擇

通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望C2 和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。

2.1.2 對目標函數進行確定

在進行結構設計優化的時候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應的失效概率的函數，使得工程造價最少。 針對目標函數進行的優化設計都有條件和相對的，即為“最滿意解”而不是最優解。

2.1.3 對約束條件進行確定

對于房屋的結構的設計優化來說，必須在確保結構整體可靠的基礎上，對優化設計相關的約束條件進行相應的確定，設計優化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束等約束條件。在進行結構設計的時候，我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，確保每個約束條件都必須滿足相應的要求，化繁為簡，抓大放小，以實現最佳的設計。

2.2 對優化設計的計算方案進行設定

根據可靠度進行的房屋結構的優化設計具有多約束且非線性的優化問題以及復雜的多變量，在進行相應的分析計算中，一般把有約束的優化問題轉換成無約束優化問題的求解。常用的優化設計的計算方法有拉格朗日乘子法、復合形法、準則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準側的計算方法。

2.3 進行程序的相關設計

針對具體的工程設計，我們可以根據不同的設計要求選擇有限元分析軟件或者設計配筋軟件，可以選擇針對具體構件進行有限元分析或者是針對整體結構實際工程計算分析。針對復雜的超高超限的工程可以進行專門的不同目標函數的優化設計，具體可選用結構優化設計系統MCADS。

2.3 結果分析

我們必須對相應的計算結果進行必要的分析比較，選擇出最佳的設計方案。在這個過程中，我們對出現的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結構滿應力設計中病態桿的出現等。這一步驟在建筑結構設計優化中尤其重要，合理的選擇設計方案，不僅能夠確保結構的美觀、安全性、合理性以及實用性，還能夠對施工中的資金的投入有著重大的影響。在結構設計優化中只強調經濟性要求，而忽略技術要求，是不正確的；同樣只考慮技術要求，忽略經濟性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現行規范的前提下，區分“應”和“宜”，對兩者進行合理的配置，才能達到相關要求。

3 結構設計優化技術的實踐應用

當下，限額設計已經成為常態，建設商經常附加各種各樣的設計條件，對于這樣的項目我們可以從前期設計、整體設計、舊房改造以及抗震設計等方面采用結構設計優化設計的方法來節約造價。下面對實踐應用中的問題進行簡單的說明：

3.1 結構設計優化應注意前期參與

前期方案直接會影響到工程的造價，然而很多建筑物的設計往往忽略了這一點。項目立項后，結構師應該及時跟進，對建筑方案提出合理的指導意見，避免出現超限、超規范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結構形式以及合理的設計方案，節約造價占50%以上。

3.2 概念設計結合細部結構設計優化

在沒有具體數值量化的情況下，我們可以使用概念設計。例如，對地震的烈度進行設防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實際相符合的計算式，所以在進行設計優化的時候我們可以使用概念設計的方法，把相應的數值作為參考與輔助相關的依據。同時在設計過程中，相關結構設計人員必須合理并靈活的使用結構設計優化的方法，從而達到最佳的效果。

在設計過程中必須對細部的結構進行相應的設計優化，物盡其材。例如，豎向柱構件采用高強度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對于水平構件來說就可以降低混凝土標號，這樣既可以達到受力要求，又可以節約成本。后期的優化設計和細部結構精細化設計能節約一定的經濟成本。此階段通過優化設計能節約造價10%以上。

3.3 下部地基基礎結構的設計優化

基礎的設計尤為重要，基礎造價能占到結構成本的30%左右，在地基基礎的結構設計優化中，我們必須選取合適的基礎方案，確定合理的持力層，盡量選擇天然地基，樁基能不用則不用，可以有效降低成本、節約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據樁端持力層的厚度選擇合理的樁長，并根據土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對于管樁，同樣直徑可以考慮選用方樁，能夠提高20%的摩擦力。通過對多種設計方案進行必要的分析比較，然后選取最佳的設計方案。

4 結語

對于住宅建筑，目前限額設計已經成為常態，傳統的結構設計理論與方法已經無法滿足建設商的要求，在目前的設計中采用優化設計已經成為無法回避的問題。通過選擇合理的結構體系以及基礎方案，充分利用材料強度，降低自重，活學活用規范做到精細化設計能夠節約可觀的工程造價，適應建設綠色可持續發展社會的要求。

參考文獻

[1]張炳華.土建結構優化設計[M].上海：同濟大學出版社，2008：34-36.

篇（4）

基金項目:本項目為2014年省科技廳科技計劃項目承擔的“基于ANSYS的門式起重機金屬結構的力學性能分析及優化研究”的研究項目，（編號為：20142BBE50009）

集裝箱起重機中最為復雜的故障是門架變形，其中，門架的下撓變形，對起重機的正常運行危害最大。本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了起重機的有限元模型，對其進行結構應力分析、模態分析，從應力分布和應力集中兩個方面對該起重機進行評價和校核。

1起重機門架結構有限元模型的建立

集裝箱起重機門架是由標準型鋼構成，結構對稱。首先建立起重機門架整體三維模型。

1.1起重機主要性能參數。該起重機主要性能參數為：額定載荷320T；跨度25m；桁高12m；起升速度9.5/19 m/min；最大起升高度10/12m；小車輪距3035mm；小車質量5t；吊鉤總重2T；材料全部采用Q235。門式起重機門架的主要結構與參數如圖1所示。

1-前端梁 2-道軌 3-后端梁 4-主梁 5-前上橫梁

6-后上橫梁7-門腿 8-底橫梁

1.2起重機有限元模型單元選擇

采用ANSYS中的三維梁單元，劃分單元建立有限元分析模型。門架結構有限元模型劃分后的單元95401個，節點數182120。圖2為該起重機劃分單元后的有限元網格模型。

2應力分布分析

2.1固定載荷

按圖1所示的工況位置，要求額定起門力：工況1（16T）、工況2（在門架中間帶運行吊重11T運行）工況3（10T）、工況4（9T）、工況5（（懸臂處5T）；規定起重機主梁方向為Z方向，垂直地面向上方向為Y方向，X向垂直于起重機平面。

2.2移動載荷

起升載荷16T，同時，取動力系數1.25；起重機自重，在建模過程中單位采用SI（MKS），取重力加速度g =10；抓斗和小車結構自重共為5T；水平慣性載荷：根據有關文獻，取加速度0.13 m/s2，取加速度放大倍數1.5。選擇對門架最危險的工況1、工況2和工況5載荷組合進行分析，如果這三工況沒有問題，其它工況也就沒有問題。

2.3計算結果分析

1）小車在工況1起吊16T額定載荷時，由圖3~6所示。

由上各工況的位移、等效應力數據分析可以看出：

（1）X方向最大位移為9.566，最大位移發生在小車位于工況2上，滿足規范要求的；

（2）Y方向最大位移為11.658，最大位移發生在小車位于工況5上，位移動載數值過大；（3）Z方向最大位移為13.98，最大位移發生在小車位于工況5上，最大位移13.98；

（4）最大等效應力為333MPa，最大等效應力發生在小車位于工況5上。

2.4方案優化設計比較

重新對圖2進行結構優化，在ansys中進行一系列的操作，得到有限元模型有95300個單元，181367個節點，稱為方案2，比較后發現，門架結構和受力上沒有什么變化，只是將主梁懸臂端變為一梯形結構，也就是說只進行小車工況5時（在懸臂端）的計算即可。

通過現場實際測量，如表4所示。數據表明，實際測量值與有限元分析計算結果比較吻合，有限元分析結果有較高的計算精度。

3結論

本文研究的對象為集裝箱門式起重機門架，采用有限元分析軟件ANSYS對門架進行分析，并在原來的基礎上進行優化設計，達到了以下目的：

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中圖分類號：S611 文獻標識碼： A

1 引言

電梯轎架的主要功能是支撐整個轎廂系統，載著轎廂在曳引鋼絲繩的作用下沿著電梯導軌上下運行，它要具有足夠強度的同時也要保證轎廂內乘客乘坐舒適，且要有與安全制動裝置相配合的機構來保證特殊狀態下乘客的安全。一套設計合理的產品須滿足如下幾個基本要求：

1）結構、功能及強度要求

2）使用性能要求。

3）標準化及成本、工藝等要求

以下以轎架上橫梁設計為例，介紹最優化方法和CAE有限元分析方法在電梯結構設計方面的具體應用。

2 上橫梁受力分析及結構選型

在轎架系統中，上橫梁需承受所有的重量，所以上橫梁所用物料的結構形式和尺寸參數是設計的關鍵所在。 以載重1600kg轎架設計為例，其中轎架各部分重量分布如下表：

表2.1系統配置參數

2.1 截面選型

上橫梁承受的主要載荷類型是彎矩，因此要優化截面類型就要選擇截面面積最小且抗彎系數最大的截面形狀。截面形狀為簡單的矩形時（矩形高度為h，寬度為b），截面的抗彎系數為

ABC

圖2.1三種常見上橫梁截面

取3種截面的高度尺寸相同，在相同面積下比較其慣性矩及抗彎截面系數，根據截面慣性矩如下計算公式及具體截面的慣性矩算法可對圖2.1三種截面抗彎系數進行對比。

（以上公式：即面積元素A對Z軸的慣性矩為：面積A與其到Z軸的距離平方的乘積。）

經比較，截面A和C的慣性矩和截面抗彎系數在高度和面積相同的情況下大于截面B，考慮到結構的加工工藝，截面A加工較C更為簡單，所設計的上橫梁基本結構型式如下圖2.2所示（圖右為上橫梁橫截面示意圖）。

圖2.2 上橫梁結構型式及橫截面示意圖

2.2 上承重梁受力情況分析

取單根梁為研究對象，上橫梁長度為L，其受力簡圖如下圖所示：

圖2.1 上橫梁受力簡圖

單根梁所受力為：

2.3截面模量計算

為便于計算，將上橫梁槽鋼截面簡化分解成如圖2.2所示的模塊，其中上橫梁高度為h，寬度為b，厚度值為t，分別計算截面3個部分的慣性矩得：

上橫梁所受應力為

3參數優化及有限元分析

3.1 上橫梁結構參數優化計算

結構優化的目的是為尋求零部件結構參數的最優配置，力求綜合滿足各設計目標。如使所設計的部件在強度滿足時，具有更小的原材料消耗量，最佳的制作裝配工藝等。根據引言所述的設計目標以及對上橫梁的受力分析，確立上橫梁結構參數的最優化數學模型如下:

其中優化目標為：上橫梁重量最小，對應的目標函數為：

約束條件1為：最大應力小于材料屈服極限235MPa，其對應的約束條件為：

約束條件2為：上橫梁的最大撓度σ≤【σ】，其中【σ】為上橫梁最大容許撓度，【σ】=3，其對應的約束條件方程為

根據設計經驗，初步確定上述各參數變化范圍為：

根據表2.1所列出的電梯轎廂的各部分重量值，計算得出作用在上橫梁上的總重量為：

又由文中2.2對上橫梁的受力分析所得，單根梁所承受的力和彎矩分別為

將上述公式所計算值代入目標函數及約束條件，并在matlab中應用數值搜索和窮舉法對優化方程進行求解得：

t=8.32mmb=76.8mm h=230.6mm

當上橫梁截面參數取上述3個值時，滿足優化優化目標，此時為參數的優化值，即保證零件強度的情況下，材料重量最小。

因此，根據GB型材標準，選用厚度的槽鋼作為載重1600kg轎架上橫梁材料。此時，根據式3.1函數，計算的上橫梁的實際重量為

按優化計算值，在solidworks中創建上橫梁實際結構模型，測得上橫梁實際重量值和慣性矩分別為：

此為優化的最終結果。

3.2優化解的有限元驗算

根據3.1中對上橫梁橫截面參數優化計算得出的最優解，在solidworks中，創建上橫梁結構的簡易模型，并依據對上橫梁的受力分析，在ansys 12.0環境下對該參數下的上橫梁進行結構靜力解析，得出的結果見下圖3.1。

圖3.1 上橫梁ansys仿真結果圖

從圖3.1可以看出上橫梁的最大應力為211.46MPa，為壓應力，而最容易引起破壞的拉應力的為81.67，均小于材料Q235的屈服強度極限，由圖右的應變示意中，上橫梁的最大變形為2.7263mm，小于容許撓度【σ】=3，因此優化計算得出的截面參數t=9，b=80，h=250合格。

4結論

在電梯行業中，現代設計理論和方法的使用也越來越多，本文應用最優化思想和現代CAD/CAE手段以電梯轎架零部件上橫梁為例，說明了優化設計和有限元方法在電梯部件結構設計中的應用。

參考文獻

[1] 傅海明.電梯轎廂的ansys優化設計.機電信息.2012（6）

篇（6）

在建筑設計的工作中，通常需要進行建筑設計方案的優化，建筑設計方案優化的工作開展是在建筑設計的招標工作完成之后，中標的設計單位需要與建筑的建設單位進行接洽，對于建筑物種的一些細節進行必要的探討，對于建筑設計中的不合理的地方進行優化，這是建筑工程中非常重要的一項工作，本文就針對建筑設計方案的優化工作中的相關問題予以分析探討。

一、開展建筑設計方案優化工作的意義

在建筑設計方案的招標的過程中，中標的設計方案會在一定程度上優于其他方案，但并不是說中標的方案是完美的，因為在建筑方案的設計過程中不允許設計單位與建設單位之間有過多的交流，這就使得設計人員在進行建筑方案的設計過程中，不能完全的與建設單位進行設計思想的交流，在這樣的情況下設計出來的方案是很難完全符合建設單位的設計要求的，另一方面，為了加快招標的進度，通常在招標的過程中都要求設計單位進行概念設計方案，對于建筑中的具體的細節在設計方案中并沒有反映，確定中標方案之后再進行設計方案優化是非常有必要的。

現代的建筑項目在建設的過程中，要考慮的影響因素非常的多，法規、景觀、環保、交通等各種內外部的制約條件都需要全面的考慮，在招標的初期，沒有設計方案的初期模型或效果圖，建設單位很難就此提出詳細的要求，對于建筑風格、功能需求等的描述往往是一個模糊的概念，在確定中標方案之后，還需要對建筑設計中的各項技術要求進行進一步的細化，確定出詳細的建筑設計方案。

在建筑設計方案的招標過程中，參與競標的設計方案是各種各樣的，招標的過程同樣是一個集思廣益的過程，在招標的過程中，能夠發現各種設計方案中的亮點，以及有使用價值的設計思路，在招標工作結束之后，中標的單位，能夠通過與其他設計單位進行比較，找出自身的設計方案中的不足，對自己的中標方案進行改進與優化，由此可見，進行建筑設計方案的優化是有重大的意義的。在一些大型的復雜的建設項目中，設計方案的優化已經成為必不可少的環節，在建筑設計方案的招標工作結束之后，建設單位不能忙于開始建設工作，要對設計方案進行深入充分的優化，對于設計中的各項工作予以明確，這樣才能為后續的工作打好基礎，有利于后續工作的順利開展。

二、建筑設計方案優化的原則及方法

建筑設計方案的優化是建筑設計工作中的重要的組成部分，開展建筑設計方案的優化是非常有必要的，但是有的建設單位在開展建筑設計方案的優化的過程中，采取了錯誤的方法，導致對招標方案的改動不僅沒有起到設計方案優化的作用，反而使原有的設計方案遭到了丑化，因此，在進行建筑設計方案的優化的過程中，要遵循一定的原則，采用正確的優化方式來開展優化工作。

1、自頂向下的開展優化工作

中標的設計方案大多采用的是概念設計，在設計方案的優化階段要開展具體的、深入的方案設計，這時要首先進行宏觀上的優化設計，對于本階段需要完成的重要事項予以重點的關注，對于具體的局部的細節可以在工程的設計階段進行詳細的設計，在后續的設計工作中有可能會對一些早早確定的設計細節進行廢棄，以達到優化的目的。

2、堅持中標設計方案中的核心內容，杜絕顛覆性的方案修改

大型的項目建設中的中標方案是受到建設單位的高層的領導的認可的，并且在法律中是具有明確的規定的，在建筑設計方案的優化工作中，不能對設計方案進行顛覆性的修改，只能充分的挖掘原有方案中的亮點。

3、方案優化的過程中應該選用專業的設計人員

在建筑設計方案的優化工作中，很容易出現對中標方案的丑化現象，造成這樣現象的因素有很多，但是其中的主要的影響因素是非專業因素的影響，很多建設單位的領導強行的將自己的主觀意識應用于建筑設計的方案優化中，對建筑設計師的設計空間有了一定的抑制作用，建筑設計方案的優化工作要能夠保證優化之后的方案具有合理性與科學性，這是一項具有很強的專業性的工作，建筑師在方案的優化工作中要能夠運用專業的技術手段與方法，在優化工作中起到主導的作用，建設單位要給予建筑設計師充分的優化權力，促進優化工作的順利進行。

三、建筑設計方案優化工作中應該注意的要素

1、建筑設計方案優化工作中的成本要素

在建筑的設計中對成本指標必須嚴加控制，在建筑方案的設計階段，設計單位關注的是建筑成本的估算，但在建筑設計方案的優化階段，需要結合中標方案中的各項設計內容，對成本要素進行分析，并開展基于成本的各項技術指標的協調工作。

2、建筑設計方案優化工作中的功能要素

在方案的優化階段，建筑設計方案的初步形態已經顯現，這時需要對中標方案中的功能要素進行分析，并對相應的功能要素進行驗證，在對功能的梳理、分析的過程中，往往會激發出新的創意及想法，使得建筑設計方案中的功能要素更加的完善。

3、建筑設計方案優化工作中的文化要素

建筑設計中的文化要素通常難以用具體的語言來進行描述，但是其涉及的范圍十分的廣泛，涉及到建筑單位的組織文化、風格定位、地域風情、民族、文脈、歷史等各方面的內容，建筑設計中的難點之一就是對建筑物的文化要素進行正確的把握、合理的表達，要想在招標工作中，設計方案得到認可，對文化要素進行獨特的詮釋是非常重要的，在設計方案的優化階段，同樣需要對建筑設計中的文化要素進行反復的推敲、論證，對建筑物進行準確的文化定位。

結束語

為了保證建筑工程設計的質量，很多大型的建筑項目在進行設計方案的選擇的過程中，都會以招標的形式來進行，而建筑設計方案的優化逐漸成為建筑項目的設計過程中必不可少的程序，對建筑設計方案進行科學合理的優化，能夠有效的提升建筑項目中的設計方案的質量，這就需要建設單位重視建筑設計方案的優化工作，在優化工作中遵循優化原則，選擇正確的方法進行設計方案的優化。

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中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模擬集成電路設計通常分為三個步驟[1-3]：首先根據電路性能要求選擇合適的電路拓撲結構，然后設計電路參數，最后設計版圖并驗證。而最為重要的是前兩步。在選好一個電路拓撲結構后，如何完成電路的參數設計，即根據預期的電路性能參數來確定電路中器件尺寸、電阻、電容等參數的取值非常重要。傳統的設計方法首先根據電路設計指標列出方程，從方程中計算尺寸并進行仿真。如果所得結果不符合要求，則需更改方程得到新的器件尺寸繼續調試，不斷重復直至符合電路要求。這一過程繁瑣、冗長且難以保證結果，是模擬電路設計效率難以提高的主要原因。

目前，電路領域提高電路設計效率的方法主要是基于優化的方法。基于優化的方法是將電路性能指標作為優化的目標函數，利用函數優化的方法來完成電路設計。一般優化設計方法有兩種，即基于方程的優化和基于仿真的優化。基于方程的優化中目標函數由解析公式計算而得，雖然優化速度快但精度低。基于仿真的優化中目標函數通過電路仿真獲得，雖然精度高，但計算量大，優化速度慢。

如何獲得精度與基于仿真方法相當的準確解，又使計算量不致過大，是近年來電路優化研究領域備受關注的課題。人們雖采用多種方法嘗試，但最常見的是先構造電路性能指標的宏模型，再進行優化。宏模型的計算相當于一個解析式的計算，因此可較快完成，只要宏模型構造得當，精度可達到與仿真接近的程度。需要研究的主要問題是宏模型的形式，如簡單多項式、統計回歸、神經網絡與模糊邏輯、SVM等，及宏模型的構造算法。

本文采取的方法是一種基于方程與誤差增量模型的混合優化方法，可大幅減少仿真器的調用次數，降低計算成本，同時又具備與基于仿真方法幾乎相同的精度。方法的主要思想是以基于方程的優化結果作為出發點，通過構造電路性能準確值與解析近似之間的差值增量模型，求解一系列誤差不斷減小的近似優化問題，通過迭代逐步獲得問題的準確解；每一次迭代在上一次優化解附近構造新的差值增量模型再調用優化算法，相當于采用基于方程的方法求解，因此速度很快；電路仿真只在構建誤差增量模型時需要，而一次迭代解附近的誤差增量模型一般用二次多項式近似即可，因此所需仿真次數不多。整體上可達到既減少仿真次數，又不影響精度的目的。我們稱這種方法為基于誤差增量模型的優化方法。

1 基于誤差增量模型的優化

電路性能指標的解析表達雖然存在誤差，但大致反映了性能隨設計變量的變化情況。將其準確值表達為：

f（x）=fa（x）+fd（x） （1）

其中，fa（x）是性能的近似解析表達，fd（x）=f（x）-fa（x）是誤差增量。基于這一表達，本文提出的基于方程與基于仿真的混合優化方法如下：

（1）用基于方程的方法進行一次初始優化，即求解：

（2）

獲得一個近似最優解x0作為初始點；

（2）在點xk附近構造電路性能準確值與解析近似之間的誤差增量模型，包括目標函數：

（3）

與約束函數：

（4）

由于只需在一點附近的增量誤差近似，因此通常用二次插值即可構造這一模型[4]。

（3）求出如下題的最優解：

（5）

這一步的優化目標與約束函數均是解析計算，因此可以很快完成。

（4）重復步驟（2）、（3），直至該過程收斂。

這種混合優化方法的基本思想從基于方程的近似最優解出發，通過迭代逐步消除誤差，與一般非線性問題的迭代求解類似。該方法的特點在于充分利用了電路的性能解析表達式。解析表達雖有誤差，但包含了目標與約束函數的基本特性，反映了函數變化的總體趨勢，降低了每次迭代時誤差增量函數的復雜性，可用較簡單的函數形式近似，也有利于設計者更好地理解優化過程。該方法既改善了電路性能解析表達式精度不高的問題，又可大幅減少仿真器調用次數，提高優化效率。

2 兩級運放設計實例

以一個帶米勒補償的兩級運放為例，說明利用該方法進行優化設計的過程。電路采用TSMC 0.35 μm工藝，其中CL=3 pF，VDD=2.5 V，VSS=-2.5 V，電路要求的性能指標見表3所列，考慮到的性能指標有功耗（Power），單位增益（Av），單位增益帶寬（UGB），擺率（SR）以及相位裕度（PM）。CMOS兩級運算放大器電路如圖1所示。兩級運放性能指標見表1。

圖1 CMOS兩級運算放大器電路

表1 兩級運放性能指標

性能

指標 Av PM UGB Power SR Area

設計

要求 >70 dB >65° >10 MHz 10 V/μs

對該電路，性能的近似表達式為[5-8]：

SR=I5/Cc

Power=（VDD-VSS）?（I5+I7+IBias）

AV=gM1?gM6/（（gds1+gds3）?（gds6+gds7）） （6）

Area=2?W1?L1+2?W3?L3+W5?L5+W6?L6+W7?L7+W8?L8

UGB=ωc/2π

PM=180°-tan-1（ωc/p1）-tan-1（ωc/p2）-tan-1（ωc/z1）

f3db=p1/2π

Ω玫緶方行優化設計，采用Matlab工具箱中的約束優化工具fmincon，將功耗作為目標函數，表1中的其他性能指標作為約束條件，做基于方程的優化。為保證電路正常工作，需要對電路中的晶體管添加約束。對于NMOS管，有：

Vds≥Vgs-VT>0 （7）

對于PMOS管：

-Vds>VT-Vgs>0 （8）

除此之外晶體管需滿足工藝庫對器件尺寸的要求：

Wi≥1 μm， i=1，2，…，8

Wi≤195 μm， i=1，2，…，8

之后，利用誤差增量模型進行優化設計，并以一次基于仿真的優化設計作為比較。基于方程的優化設計見表2所列，方程和誤差增量模型的混合優化設計見表3所列，基于仿真的優化設計見表4所列。

表2 基于方程的優化設計

電路性能 參數 器件尺寸 參數（μm）

UGB 9.66 MHz W1 2.94

Power 0.40 mW W3 5.30

PM 63.32° W5 5.52

Av 72.58 dB W6 66.79

SR 10.00 V/μs W7 46.59

Area 146.40 μm2 W8 6.06

表3 方程和誤差增量模型的混合優化設計

電路性能 參數 器件尺寸 參數（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.81

Power 0.43 mW W3 8.73

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 131.28

SR 10.00 V/μs W7 57.12

Area 223.10 μm2 W8 6.06

表4 基于仿真的優化設計

電路性能 參數 器件尺寸 參數（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.80

Power 0.44 mW W3 8.84

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 132.73

SR 10.00 V/μs W7 57.14

Area 224.78 μm2 W8 6.06

可見，利用基于仿真和方程的混合優化方法可以得到和完全基于仿真方法相近的結果。且通過表5可以看出，混合優化方法減少了仿真器的調用次數，提高了優化效率。

表5 混合設計和基于仿真設計的F-count比較

混合優化設計方法 基于仿真優化設計方法

F-count 136 335

3 結 語

本文提出了一種基于方程和誤差增量模型的混合優化方法，即通過對性能誤差建立二階模型來建立新的性能方程。再采用Matlab的優化工具箱進行基于方程的優化。本文通過運算放大電路優化實例來驗證該方法的有效性，且相較于基于仿真的優化方法減少了調用Hspice的次數，節約了時間。

參考文獻

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[4] RM Biernacki，JW Bandler，J Song，et al. Efficient quadratic approximation for statistical design[J].IEEE Transactions On Circuits And Systems，1989，36（11）：1449-1454.

[5] Metha Jeeradit.Mixed Equation-Simulation Circuit Optimization[D].For The Degree Of Doctor Of Philosophy，2011.

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中圖分類號：TU318文獻標識碼： A 文章編號：

在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則，對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異; 使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通; 能不使用轉換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經濟，還容易造成應力集中;豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象。

1 結構優化設計的模型和方案

房屋工程分部結構優化設計包括: 基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發的原則，結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。進行結構設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。

1．1 結構優化設計模型

結構設計優化就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟是: 設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

1. 2 房屋建筑結構設計的基本方法

(1) 當結構平面圖在繪制結構平面布置圖時，需要輸入結構軟件進行建模。建筑物根據設防類別、烈度、結構類型和房屋高度進行相應的計算和構造措施要求。注意“地震作用”、“抗震措施”與“抗震構造措施”，提高地震作用，則結構的各構件均全面增加材料; 抗震措施指除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施，其中的一般規定及計算要點中的地震作用效應(內力和變形) 調整的規定均屬于抗震措施，提高抗震措施，著眼于把財力、物力用在增加結構薄弱部位的抗震能力上，是經濟而有效的方法; 抗震構造措施指根據抗震概念設計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。設計中需要注意受壓和局部受壓的一些問題。

(2) 屋頂(面) 結構圖當建筑是坡屋面時，結構處理方式有梁板與及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面，折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構造需要一般不宜小于120 厚。至于坡屋面板的平面畫法，通常使用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法，這樣更便于施工人員正確理解圖紙。正確繪圖和設計的關鍵是設計人員真正的心知肚明，結構設計者必須要具備一定的空間概念，正確理解建筑圖紙和意圖。設計的圖紙方能讓施工人員明白。由于屋面的起坡會造成閣樓層的部分墻體超高，要結合門窗頂設置圈梁來降低墻的計算高度。

1．3 結構優化設計方案

結構設計優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。

2 結構設計優化技術在應用中的幾個問題

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。

2．1 前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

2．2 細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I 級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

2．3 地基基礎結構設計

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

3 結構設計優化的的功用

3．1 降低總造價

進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

3．2 提高建筑結構經濟性

篇（9）

1、房屋建筑結構設計優化原則

1.1、安全性

在房屋建筑結構優化的過程中的過程中首先要考慮的就是穩定性與房屋建筑結構的安全性，并且在優化時要盡量節約房屋建筑結構的優化成本，在進行優化方案設計的過程中要緊跟當今社會所倡導的綠色健康無公害的步伐，積極將健康綠色的理念引入到房屋建筑設計的方案中。另一方面房屋建筑優化結構設計也應積極響應國家所倡導的節能理念，要充分利用自然能，設計時應充分考慮怎么設計才能讓自然能發揮其最佳的效果。

1.2、環保性

房屋基礎結構直接關系到房屋結構的整體功能和穩定，因此在基礎結構設計環節中要全面應用建筑結構設計優化方法，對地基地質、樁基類型、基礎結構等方面的設計進行全面地控制，合理確定樁基工程的形式，把握樁身長度和直徑，優化基礎結構的方案，確定基礎結構、施工技術和資金投入的平衡點，在全面進行建筑結構設計優化的基礎上，提升和保證房屋整體結構強度、結構穩定性。

1.3、經濟性

考慮開發商的經濟效益設計師們在優化結構時，也要考慮建筑項目資源分配的最優化，盡力的為開發商節約資源和成本。

1.4、創新性

實驗一些新的結構和思路建筑設計師在對建筑結構設計進行綜合考慮時，需要充分結合之前的經驗和教訓，大膽的進行創新，實驗一些新的結構和思路，不斷引進新的技術。總之，要注重使得其設計的建筑作品在優化的同時也要具有實用價值。

2、房屋建筑的結構設計優化方法

2.1、建立結構優化模型

結構優化設計通常情況下分為兩部分，一部分是結構優化設計模型，另一部分就是結構優化計算方案。所謂的結構設計優化就是變量中選擇出主要的參數，然后根據數據分析建立起函數模型，運用函數模型借助較為科學的方法計算出最優解。建立模型的步驟一般有以下幾步：一、選擇合理的設計變量。設計變量的選擇對于模型的構建具有重要的意義，設計變量的選擇將會影響到對設計要求影響較大的參數的選擇，進一步涉及到參數重要性的區分問題。選擇出了合理的設計變量在很大的程度上能夠減少計算編程的工作量；二、確定目標函數。首先找出滿足函數條件的最優解，然后確定約束條件。在房屋的優化設計中存在著很多的約束條件，其中有：應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從彈塑性約束等，在進行優化設計時要確保所有的約束條件都在規定的范圍內，能夠滿足設計規范，即在規范條件內滿足約束條件。

2.2、設計計算方案和程序

在進行結構優化中，設計人員應保證計算方案合理優化。在這個過程中，涉及很多約束條件和變量，所以在設計人員在進行計算中，要了解這些約束條件，然后進行合理的分析，最后考慮工程的變量，運用數學計算方式，進行優化設計。在模型建立和設計方案確定后，設計人員要根據設計方案制定相應的程序，然后將這些變量錄入到計算機中，然后有設計變動，就要在基礎結構上進行改寫，將新的程序錄入到計算機中。計算機在計算中只需要相關編程數據，然后計算出對應的結果。

2.3、認真分析統計結論

設計師在進行大量復雜的計算之后，要認真對統計結果進行分析，并找出各個設計方案所得結果的異同，綜合考慮設計情況與進展確定最優設計方案。在進行結論分析時，設計師還有對一些細節問題多加留意。房屋的建設是一個漫長的過程，需要消耗大量的人力、物力，建設成本對于建設單位的利益和房屋使用者的利益都有很大的影響。因此，設計師需要在把握細節的基礎上，從宏觀上把握當事人的利用，有效節約建設成本，進一步優化建設方案。在進行建筑結構優化設計時，設計師要杜絕脫離建筑實際，盲目追求創新的現象。同時，設計師應當具有全局意識，一切從企業、人民的利益出發。

2.4、靈活運用建筑結構設計規范

設計人員需要全面理解規范條文，正確靈活的運用建筑結構設計規范。例如在規范中對剪力墻設計的要求是剪力墻需要上下貫通，剪力墻的布置位置最好是在結構的，因為這樣可以增強結構的抗扭作用，從而讓建筑結構的剛度有連貫性且變化情況穩定，但是作為一個優秀的工程結構設計師，應該靈活運用這個要求，不僅要考慮規范的要求，還需要考慮溫度對樓層的影響，從而控制剪力墻的間距，防止剪力墻裂縫增大而增加建筑結構的不安因素。

2.5、具體設計要點把控

2.5.1、主體優化

房屋建筑的上部結構設計應當建立相應的模型并進行系統的優化。整個過程最先一步就應當合理地設置剪力墻，保證剪力墻整體的質量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點重合于樓層整體的結構重心，從而減少地震或者風力等對其的破壞性。在房屋建設時，如果條件允許，要盡可能地對剪力墻進行大開間的構造，加長剪力墻的墻肢長度，這樣就能減少墻肢的數量，還能在符合標準的基礎上減少混凝土的使用。

2.5.2、結構細部優化

對于房屋建筑結構來說，一定要重視房屋建筑的分部結構優化工作。首先，在建筑物進行前期設計時，就應該深入考慮方案的合理性，為后期結構設計做好鋪墊，才能完成合理完整的建筑物。與此同時，中國有句老話叫“千里之堤毀于蟻穴”，說的就是重視細節的道理，主體結構構建好了，但是如果局部位置出現問題，將危及整座建筑物，結構細部的優化工作包括了結構細部的設計工作，如平時我們工作中給常見的矩形現澆板做設計時，需要對其先做分析，避免在拐角處有裂縫，這都是細節，但如果不注意，引起的后果將不堪設想。

2.6、注重利用計算機技術

通過建筑結構優化設計和計算機技術的結合，設計師利用計算機仿真的設計優化方法對建筑結構優化設計帶來了很多新的思路。建筑設計師能夠利用計算機軟件建立各種便于分析的模型并通過計算機的優化計算為設計師提供精確的數據最后達到建筑設計的優化。計算機技術的運用可以說把建筑結構優化設計這樣一個工程的問題轉變成一個數學的問題。特別對于大型的復雜的建筑結構設計中，計算其技術擁有人腦不可替代的優勢。對于一些超高建筑的抗震、抗風等等設計問題計算機技術的合理運用能夠分析得到很多精確的數據為建筑設計師在具體的設計中提供可靠的參考數據，可以大大提高建筑設計師的工作效率。

總言之，現今隨著我國建筑工程項目的逐漸展開，有關建筑結構優化設計的問題將更加的突出，為了有效的適應城市的整體美觀規劃，相關人員要不斷強化對建筑結構的優化設計在房屋結構設計中的應用，在保證建筑基礎功能的基礎上進行設計，提高建筑主體的質量，已最終滿足人們對房屋建筑的現實需求。

參考文獻

[1]何冬霞.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的實際應用[J].中華民居（下旬刊），2013，10：18-19.

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前言：社會生活水平提高，對建筑實用性以及經濟性提出更高要求。在建筑設計時，根據實際需要對房屋結構設計進行優化，從而保證房屋結構的經濟合理性，并且能夠增加建筑本身的美感。為此，下文對建筑結構設計優化方法進行詳細介紹，立足于結構設計優化的原則，結構優化不僅要符合社會的基本需求，還要在原有建筑基礎上進行創新。

1.建筑結構設計優化方法

1.1原則

1.1.1符合社會需求

建筑結構設計優化方法要立足于社會發展，并符合社會發展的要求。首先，為了滿足人們的基本日常生活功能，向人們提更加舒適的生活環境以及生活條件，建筑結構設計優化方法更加人性化。其次，在結構設計優化中，需要將建筑的環保以及人們生活的安全放在首要位置，做到建筑結構優化真正為人民服務[1]。

1.1.2創新性與經濟性

結構設計優化的出現緩解了建筑結構中的漏洞，改善其不足之處，因此建筑設計師應該在充分考慮設計之后總結經驗，并對建筑結構大膽創新，不斷采用新型科學技術。但是需要注意的是建筑設計優化要更加實用。此外，還要充分考慮建筑設計的經濟效益，實現資源配置最優化，盡量為開發商節約成本，合理利用資源[2]。

1.2建筑結構設計優化方法的重要性

對建筑結構進行合理的優化，對房屋結構設計來說具有重要意義，它不僅能夠在人們生活中實現實用性與美學相結合，還對建筑設計工程造價能夠有效控制。對于建筑的投資來說，投資少，收益多是建筑發展的經濟目標，然而在這樣的基礎上對建筑設計開展科學合理的結構優化設計是設計的重要舉措。與傳統結構設計相比，運用設計優化的建筑工程能夠減少很多工程造價，結構設計優化能在各個環節中起到最佳協調作用，并能夠對材料進行合理利用。結構設計優化不僅能夠提高建筑的安全系數，還能增加建筑設計的實用性。對建筑結構設計進行優化之后，企業能夠獲得更高的經濟效益。房屋結構中各個單元實現有機結合，從而提高了建筑的質量，為人們的生活安全帶來保障[3]。

2.建筑結構設計優化方法步驟

2.1結構優化模型建立

2.1.1設計變量選擇

將對建筑結構有影響的參數視為設計變量，如損失期望、結構造價等。將影響作用小，變化范圍小的參數視為預定參數。

2.1.2目標函數

在進行建筑結構設計優化時，需要尋找到能夠滿足預定條件的截面幾何尺寸、鋼筋的截面積以及一些相關的概率函數，減少工程造價。

2.1.3確定約束條件

對房屋結構設計優化而言，需要提高結構的可靠度，并制定相關的設計優化約束條件。其中主要的條件有：建筑裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、結構體系約束以及彈性約束等條件。在實際的結構優化中，需要設計師對目標約束條件與實際的約束條件反復進行對比與分析，保證工程能夠遵循具體要求，從而實現最佳設計[4]。

2.2方案制定與程序設計

設計師在進行分析計算中，將約束問題轉化為無約束問題的求解，其中最常見的優化方法有Powell、復合形法等，根據計算方法可以編寫出運算速度較快的綜合應用程序。

2.3分析結果

設計師需要根據最佳的計算結果選擇出合理的設計方案，并對問題進行多角度考慮，合理的設計方案能夠保證建筑結構美觀、安全以及更加實用。在結構設計中應該主張經濟節約，并充分重視技術上的問題，需要設計者將建筑設計優化兼顧實用性與經濟性。

3.結構設計優化技術的實踐應用-以A地區建筑為例

3.1 A地區住宅房屋概況

A地區住宅整體高度為17層，建筑的主體采用鋼結構框架的剪力墻形式。在對實際情況進行考察并對現場建筑場景進行分析之后，對該住宅建筑使用結構優化設計方案，結構優化對傳統結構設計模式進行改造與創新。在結構設計中主要以人力施工為主，采用計算機輔助設計方式，對施工中的各個環節進行優化，使得整體建筑設計實現了全局合理性優化。與結構優化之前作對比，建筑在設計方面更加的合理，減少了建筑成本，降低工程造價。

3.2直覺優化

直覺優化技術是指與建筑設計在同一方案中，可以實施諸多不同的結構布置設計，例如，在確定了結構設計優化的A地區住宅中，同種荷載下也可以有很多不同形式的分析方法。在具體的結構分析中，設計參數、荷載的取值以及材料都不是唯一的，在建筑的內部細節處理也不盡相同，這些問題計算機不能處理，需要相關設計人員作出分析與判斷[5]。

3.3對A區住宅建筑優化設計的前期處理

對房屋建筑結構作出設計需要最優化的設計方案，在房屋結構設計前期，工作人員應該積極參與其中，并對工程的實際情況充分了解，對建筑結構以及框架作出合理選擇。一個好的設計方案是房屋結構設計的保障，在對A地區建筑進行結構優化設計的過程中，需要相關設計人員能夠嚴格遵守設計方案，不僅需要對設計方案細節了解，好需要對工程環境的合理性作出判斷，并在結構不規范之處作出調整。

3.4 A地區房屋結構組成優化

3.4.1混凝土結構裂縫

A地區房屋結構主要以鋼筋混凝土結構組成，難免會出現混凝土結構裂縫，因此，需要對混凝土結構裂縫進行優化設計，對混凝土結構進行受力分析，分解到結構構件中的細節中，對進行數據結構處理，計算出混凝土框架最優化結構。

3.4.2基礎拉梁結構優化

為了提高房屋建筑的抗震效應，需要對建筑的基礎拉梁進行設計優化。首先，在進行拉梁設計優化時，必須要確定建筑地址的防烈度，然后設計師對建筑拉梁的長度和橫截面積進行確定。在結構設計中為了保證建筑的抗震結構和建筑拉梁鋼筋混凝土框架保持一致，需要減少設計中鋼筋的利用率，從而能夠使拉梁優化設計效果達到最佳。

結論：綜上所述，建筑結構設計優化能夠促進建筑品質不斷提高，實現了人們對居住環境的高標準以及高要求。隨著建筑行業不斷發展，建筑結構優化設計作用突出，在形式上能夠適應城市發展的美觀規劃，在經濟上減少成本，提高資源使用率。然而，建筑結構設計優化比較復雜，并且綜合性較強，因此設計師在對建筑結構設計優化時需要對設計進行深入研究，并作出合理的優化方案。

參考文獻：

[1]王鵬.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的實際應用分析[J].中國建材科技，2014，04：162-163.

[2]陳俊.淺談結構設計優化設計技術與其在房屋結構設計中的應用[J].科技致富向導，2013，02：172.