发布时间：2023-09-24 15:40:38
绪论：一篇引人入胜的工程结构优化设计，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
中图分类号：TU318 文献标识码：A
对于一个项目，工程结构总体的优化设计主要是针对围护结构、屋盖系统、结构体系、基础形式以及结构细部等进行相应的设计方案的优化设计。在设计的时候还必须考虑到相应的布置、选型、造价以及受力等方面的问题，然后根据工程的实际情况并结合建筑物的经济性要求，对建筑结构进行相应的优化设计。 为了适应时展的要求，建筑的结构形式必须不断的进行创新。对于结构设计师来说，要在确保建筑结构具有一定的安全保证的基础上设计更合理、更经济、更能体现创新的结构形式。
1 结构设计优化技术的现实意义
对建筑结构的设计进行必要的优化，在对于房屋结构相关的设计中的应用意义重大，不仅能够满足了建筑的实用与美观，而且还可以有效地对工程造价进行控制。对于建筑商来说，其当然希望用最少的投资，而获得最大的收益，然而又必须对建筑结构的科学性、可靠性以及安全性做出保证，这必然要求对建筑结构进行优化设计。
结构设计优化和传统房屋结构设计进行比较我们可以发现：运用设计优化的技术能够降低整个建筑工程造价10%～40％。结构设计优化技术能够使得建筑结构内部的每个单元都得到最佳的协调，并可以对材料的性能进行最合理的利用。这样不仅能够保证相关规定的安全系数，还能够实现建筑结构设计的经济性与实用性。
2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤
2.1 建立结构优化的模型
在我们对房屋结构整体进行必要的优化设计时候，可以分成三步进行建筑结构的优化设计。下面将对每一步骤进行详细的介绍：
2.1.1 要对设计变量进行合理的选择
通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数（损失的期望C2 和结构的造价C1）和约束控制相关参数（结构的可靠度PS）等；然而还有一些影响不是太大，其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示，这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。
2.1.2 对目标函数进行确定
在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋面积以及相应的失效概率的函数，使得工程造价最少。 针对目标函数进行的优化设计都有条件和相对的，即为“最满意解”而不是最优解。
2.1.3 对约束条件进行确定
对于房屋的结构的设计优化来说，必须在确保结构整体可靠的基础上，对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件。在进行结构设计的时候，我们必须对目标约束条件与实际的约束条件进行相应的比较与分析，确保每个约束条件都必须满足相应的要求，化繁为简，抓大放小，以实现最佳的设计。
2.2 对优化设计的计算方案进行设定
根据可靠度进行的房屋结构的优化设计具有多约束且非线性的优化问题以及复杂的多变量，在进行相应的分析计算中，一般把有约束的优化问题转换成无约束优化问题的求解。常用的优化设计的计算方法有拉格朗日乘子法、复合形法、准则法以及Powell（鲍威尔） 法等基于不同理论准侧的计算方法。
2.3 进行程序的相关设计
针对具体的工程设计，我们可以根据不同的设计要求选择有限元分析软件或者设计配筋软件，可以选择针对具体构件进行有限元分析或者是针对整体结构实际工程计算分析。针对复杂的超高超限的工程可以进行专门的不同目标函数的优化设计，具体可选用结构优化设计系统MCADS。
2.3 结果分析
我们必须对相应的计算结果进行必要的分析比较，选择出最佳的设计方案。在这个过程中，我们对出现的问题必须全方位、多角度的考虑。例如，钢结构满应力设计中病态杆的出现等。这一步骤在建筑结构设计优化中尤其重要，合理的选择设计方案，不仅能够确保结构的美观、安全性、合理性以及实用性，还能够对施工中的资金的投入有着重大的影响。在结构设计优化中只强调经济性要求，而忽略技术要求，是不正确的；同样只考虑技术要求，忽略经济性要求，也是不合理的。我们必须在满足现行规范的前提下，区分“应”和“宜”，对两者进行合理的配置，才能达到相关要求。
3 结构设计优化技术的实践应用
当下，限额设计已经成为常态，建设商经常附加各种各样的设计条件，对于这样的项目我们可以从前期设计、整体设计、旧房改造以及抗震设计等方面采用结构设计优化设计的方法来节约造价。下面对实践应用中的问题进行简单的说明：
3.1 结构设计优化应注意前期参与
前期方案直接会影响到工程的造价，然而很多建筑物的设计往往忽略了这一点。项目立项后，结构师应该及时跟进，对建筑方案提出合理的指导意见，避免出现超限、超规范的情况，前期参与能够让我选择合理的结构形式以及合理的设计方案，节约造价占50%以上。
3.2 概念设计结合细部结构设计优化
在没有具体数值量化的情况下，我们可以使用概念设计。例如，对地震的烈度进行设防时，由于它存在这不确定的因素，所以我们无法找到与实际相符合的计算式，所以在进行设计优化的时候我们可以使用概念设计的方法，把相应的数值作为参考与辅助相关的依据。同时在设计过程中，相关结构设计人员必须合理并灵活的使用结构设计优化的方法，从而达到最佳的效果。
在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，物尽其材。例如，竖向柱构件采用高强度混凝土能够有效减少柱子截面，而对于水平构件来说就可以降低混凝土标号，这样既可以达到受力要求，又可以节约成本。后期的优化设计和细部结构精细化设计能节约一定的经济成本。此阶段通过优化设计能节约造价10%以上。
3.3 下部地基基础结构的设计优化
基础的设计尤为重要，基础造价能占到结构成本的30%左右，在地基基础的结构设计优化中，我们必须选取合适的基础方案，确定合理的持力层，尽量选择天然地基，桩基能不用则不用，可以有效降低成本、节约工期。如果不可避免的采用桩基，需根据桩端持力层的厚度选择合理的桩长，并根据土层情况确定是否采用后压浆灌注桩；而对于管桩，同样直径可以考虑选用方桩，能够提高20%的摩擦力。通过对多种设计方案进行必要的分析比较，然后选取最佳的设计方案。
4 结语
对于住宅建筑，目前限额设计已经成为常态，传统的结构设计理论与方法已经无法满足建设商的要求，在目前的设计中采用优化设计已经成为无法回避的问题。通过选择合理的结构体系以及基础方案，充分利用材料强度，降低自重，活学活用规范做到精细化设计能够节约可观的工程造价，适应建设绿色可持续发展社会的要求。
参考文献
[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.
1优化钢结构之ANSYS软件应用原理
目前，国际学者在对小型水电工程之钢结构进行优化设计时，通常运用美国ANSYS公司研制之有限元分析软件进行数据分析、整理。该软件内含包括零阶方法及一阶方法在内的两种优化设计模式，能够满足我国对钢结构进行优化设计的绝大部分需求。这两种优化设计模式旨在促进不同目标的达成，对于零阶方法而言，其主要用于测量目标函数是否达到足以适应广谱色合计变量的状态及其完善度的高低，在小型水电工程中可以普遍适用；而对一阶方法而言，其主要用于检测目标函数是否能对存在细微差异之不同设计变量作出灵敏的反应，多用于计算精密、准确的数据以供优化设计分析。ANSYS有限元分析软件遵循“系列分析—数据评估—优化修正”三个主体循环流程，也即在对输入软件之工程初步设计进行系统分析，再参照工程设计拟达之功效、目的的指标对该初步设计进行评估，最后根据评估结果展现出的缺漏、不足之处进行有针对性的、有助于工程达到安全、高效之优化修正；并借助软件反复循环的设计轨道，通过数据的反复检验、配试不断完善初步设计、整体化提升其性能，直到所有数据显示达标也即设计臻于完美状态。具体操作中，分析文件作为系统与用户最直接的对接窗口，一旦用户输入其初始设计，文件便将该设计编码成命令流进入到ANSYS的系统分析流程，经历前后两次处理及求解这三个环节；此外，系统通过预先设定之参数化模型对目标、状态及设计这三个变量进行比照分析。ANSYS软件经分析文件运作后，将自动反馈生成一个优化循环文件，该文件已经生成便进入到计算机系统的循环优化处理环节中。其具体的优化流程原理如图1所示[1]。
2优化钢结构之ANSYS软件应用实例
2.1问题的提出
在小型水电工程中，作为工程“心脏”之泵与泵站必不可少，广泛用于农业灌溉供水、排水系统以及城乡日常生产、生活供水等多个领域，为工程提供源源不断的动力支持。而作为泵站建设中的最重要之部分，泵房容纳配备了小型水电工程中包括主机、辅机部分及相关电气设备在内的重要配件，其泵房设计质量的高低直接决定了工程是否能够在保障安全、可靠运行的前提下，最大限度地降低对机电设备的不必要损耗，延长其使用年限，达到最佳经济效益的工程目标。因此，工程设计者对泵房的承重体系，也即钢结构进行科学、合理的优化设计尤为必要。常见的泵房主体设计架构包括吊车梁、房屋面板、基础承重梁、屋架、屋梁等几部分，优良的泵房构架设计能通过使得泵房的各个部分分工协作，实现了承重压力的均衡、合理分配，防止压力集中在某一部位而导致断裂、崩塌现象的出现。而那种为了赶工期而不惜一切代价、忽视泵房主体构架进行优化设计之必要性的小型水电工程在设计之初便存在严重的安全隐患，不仅极易酿成人身伤亡事故、其实际上还造成了工程无法投入正常使用、资源浪费的低效益局面，真可谓是“得不偿失”。目前，我国的城镇、农村在建设小型水电工程时普遍采用如上图之稳定性较强的三角型作为屋架，该设计方案简单便利、施工难度也相对较低。在三角屋架的设计中，如何对屋盖承受的包括恒定之屋盖自身结构重量以及工程中不定之设备、人员及风力重量带来的压力进行合理配置、优化设计是设计的难点所在。对钢结构屋架进行横向截面模拟可得出一矩形，图2为经对称性考量而简化之半边屋架构造之平面视图[2]。为了便利计算，在实验中尽量缩减设计变量的数值，将矩形截面的宽和高分别设为1：2。从优化设计的视角来看，AB、AC、AD、BC、BD、CD杆是可以进行数据模型优化的变量，其初始值一律设为80毫米，在进入ANSYS软件后系统自调幅度为20毫米到180毫米之间。在整个优化设计的流程中，上述可进行数据模型优化之变量也即钢结构屋架的各个组成部位的可承受最大拉力值、压强值以及挠度是优化设计中的状态变量。系统根据安全性、可靠性评估得出各组成部分的可承受之最大拉力值必须控制在191MPa范围内，可承受之压强极限必须控制在187.39MPa范围内，挠度的极限值不得超出13毫米。
2.2问题的分析
ANSYS软件对初始输入设值与最终得出之优化设计数据的对比图如表1所示。根据数据显示，研究者可以直接得出经过优化设计，工程原设定之初始数据的合理性、可靠性大大增强，且优化设计所得出的钢结构用料仅为原设计拟投入用料的百分之六十。为了更加直观地体现出优化设计前后各变量的具体变化，可绘制出其优化设计中随着迭代次数的递增而各部分杆干的数值渐趋合理的曲线变化图如下。由图可知，经优化设计修正后之钢结构屋架的各个杆干钢材用量最省，比原先设计拟投入使用的钢料相比实现了162.12kg的下降，在达到节约成本的经济效益的同时还最大限度地满足了可承受之压强、拉力值、挠度介于一个安全区间，也即保障了工程建设的可靠性和安全性，因而在我国城镇供水、农业灌溉供水、排水系统中具有可推广价值。
1工程概况
本工程为某住宅小区内其中一幢高层商住楼，地下两层，地上二十四层，地上各层层高均为3.0m，房屋高度72.30m。其中地上1~3层住宅部分嵌套有两层商业裙房，裙房一层层高4.8m，二层层高4.2m，与主楼形成局部错层结构。主楼平面尺寸基本呈矩形，长68.2m，宽17.25m，局部有凹进部分。裙房位于高层主楼北侧及东侧，其中北侧部分宽度为12.60m，东侧部分宽度为20.40m。三层以上均为住宅。工程所在地抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。
2初选方案
根据建筑方案条件，由于底部两层商业裙房部分延伸进入主楼轮廓以内，为尽量保证商业空间的完整性，结构初步选定的方案为主楼与裙房连为一体，主楼采用剪力墙结构，裙房部分采用框架。由于存在局部错层，结构建模时地上1~3层按四个结构层输入，层高自下而上依次为3.0m、1.8m、1.2m、3.0m。通过使用中国建筑科学研究院PKPM工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（V2.2版）进行结构分析初步试算，获得了这一方案的试算结果，并通过试算结果对这一方案的合理性进行了判定。
3方案评价
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第二条：（二）规则性超限工程：指房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的特别不规则的高层建筑工程。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.1条在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。3.5.1条高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。通过对初步试算结果结合规范规定进行判定，该楼扭转位移比为1.33，平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，由于局部错层形成的刚度突变，层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，主楼质心与底部大底盘的质心偏心距为21.20%，均超过规范限值，初步试算结果存在“扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、刚度突变、塔楼偏置”共五项结构不规则项，属于规则性超限的高层建筑工程。通过对结果进行分析，各指标超出规范限值幅度均不大，通过对结构方案进行优化，有可能消除部分不规则项，提高结构的规则性，从而使结构方案趋于合理。
4方案优化
通过与建筑方案设计者进行协调，在主楼与裙房之间设置防震缝将主楼与裙房断开形成两个独立的结构单元，基本不影响其使用功能。而采用这一结构方案，可以消除“塔楼偏置”不规则项，故在方案优化过程中，笔者决定采用主楼与裙房之间设置防震缝的结构方案。接下来，笔者针对“扭转不规则”这一不规则项进行了优化试算。由于主楼为两个单元的塔式住宅拼成整体，长度方向较长，从而导致扭转位移比偏大，笔者试算时将其分成两个独立的塔式住宅单元，根据试算结果，分成两个塔式单元后扭转位移比有所减小，为1.25，但仍大于1.2，“扭转不规则”这一不规则项并未消除。究其原因，主要是该塔式住宅左右刚度不对称所致。所以此项优化措施并未达到消除不规则项的目的，最终确定仍采用两个塔式住宅单元拼成整体的方案。针对“凹凸不规则”不规则项，由于其平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，接近规范规定的30%的限值，通过与建筑专业协商，在不影响其使用功能的前提下，在平面凹入最深的部位增设了结构板带，使其平面凹凸尺寸与相应边长的比值减小至29.54%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。“楼板不连续”这一不规则项主要是由于主楼范围内商业与住宅形成局部错层所引起的，而各部分的建筑功能为方案设计阶段已经确定的内容，故此不规则项没有优化的余地。针对“刚度突变”不规则项，由于层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，接近规范规定的70%的限值，通过加大层高3.0m所在层剪力墙厚度、在该层局部增设剪力墙等措施，使调整后该层与上一层的刚度比达到72.43%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。
