优化设计与优化方法大全11篇

优化设计与优化方法篇（1）

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、建筑设计方案优化的必要性

1、中标设计方案有待成熟与完善

方案中标并不意味着方案的完善。通常情况下，自招标文件公布至提交方案，留给设计单位的有效设计周期不会超过40天。同时，依据招投标法规，招标期间建设单位与设计单位之间除“答疑”之外不能进行其他方式的沟通，因此，在有限时间与有限交流的前提下，要求设计单位拿出能够充分领悟建设单位意图、完全满足建设需求的方案是不现实的。

2、建设单位的技术要求有待明确与落实

目前的建设项目，尤其是大型复杂建设项目，面临功能、交通、环保、景观、法规等越来越复杂的内外部环境条件和设计约束，在缺乏建筑设计方案雏形的情况下，建设单位很难提出明确详细的设计要求，其在设计招标文件中对功能需求、建筑风格的描述往往是模糊的或是框架的。因此，在明确中标方案后，应该基于中标方案的建筑布局，对各项技术要求、功能需求及设计约束进行逐一细化、优化和协调，并最终落实和确认。

3、集思广益，博采众长

中标方案仅为一家单位的设计成果，其设计思路的局限性在所难免。而设计招标过程中，少则三家，多则十几家单位参与设计，各投标方案的设计手法、设计亮点对开拓建设单位和中标设计单位的思路是有价值的，可以在设计方案优化阶段集思广益、博采众长，充分借鉴其他投标方案的优点，对中标方案进行优化完善。鉴于这些情况，对于工程建设项目，尤其是大型复杂建设项目，方案优化工作已成为工程建设过程中不可或缺的工作程序和环节。建设单位要摒弃建筑设计方案优化可有可无的思想误区，在设计招标结束后不要急于展开后续设计，而要发挥各方优势，对中标方案进行充分的优化和深化，使各项功能指标及技术措施更为合理，建筑风格定位更为准确，造价与运营成本更为经济，并为后续工程设计、工程施工等环节提供科学、系统的工作依据。

二、建筑设计方案优化的风险与原则

建筑设计方案优化的初衷往往都是好的，但是否所有的优化工作都能够实现目标呢？一些建设单位和设计单位虽然投入了大量精力、时间进行方案优化，但由于工作方法不当，往往出现调改了一个地方，却引发更多相关问题的现象。经过反复调改，却发现不是对中标方案进行了“优化”，而是丑化、劣化了原有方案，甚至颠覆了中标方案，轻者延误了工期，重者则造成工程建设管理的重大失误。

因此，为了实现优化目标，达到理想的优化效果，在建筑设计方案优化过程中，如下几条原则是应该严格遵循的：

1、坚持并充分发挥专业人员的主导作用

优化不成反遭劣化的原因可能来自多方面，但非专业因素过多地干预甚至主导优化过程是其中一项主要原因：一方面是建设单位的参与热情或领导的主观意愿不知不觉中影响或压制了建筑师的创作空间；另一方面，中标单位也常常存在任务完成式的被动工作心态，“既然已经中标了，业主单位说怎么改就怎么改吧！”结果是系统思考不足引发更多的问题，造成方案的劣化。虽然建筑设计方案优化是一项需要多方参与、博采众长的活动，但同时，也是一项专业性极强的工作。为确保优化方案的科学性与合理性，来自各方面的的意见与建议必须要经过建筑师的整理、甄别与过滤后，通过专业的设计手段与技术举措加以落实。建筑师要摒弃任务完成式的消极态度，积极承担起方案优化的主导责任。同时，建设单位要给予建筑师以充分的信任与授权，并在工作程序、机制上给予保证。

2、识别并坚持中标设计方案的精髓，避免颠覆性的修改

设计招投标制度对中标方案的法律地位是有明确规定的，且大型重要项目的中标方案一般都经过了建设单位高层领导的认可，所以不能敞开来优化，而是应该充分挖掘、识别、提炼出原有中标方案的亮点，在保持原有方案精髓的基础上开展设计优化工作，切忌进行颠覆性的修改。

3、自顶向下，抓大放小，做本阶段应该做的事

由于中标方案大多为概念设计深度，在设计方案优化阶段，应采取自顶向下的优化策略，优先着力于宏观与总体层面上的要素，重点关注于本阶段必须完善与决策的重要事项，避免过多、过早地陷入局部细节问题中。

三、建筑设计方案优化中应重点关注的要素

那么，在建筑设计方案优化阶段，需要重点关注的要素有哪些呢？通常包括如下几个方面：

1、文化要素

建筑的文化特质与内涵,广泛涉及到历史、文脉、民族、地域风情、风格定位、建设单位的组织文化等诸多方面，且往往难以用明确的语言来加以表述。对文化要素的正确把握与合理表达通常是建筑设计的难点之一。中标方案能得到评标专家的认可，一般会在文化要素的诠释方面有独到的优势，但这并不意味着已全面到位。在方案优化阶段，建设单位与设计单位均应对文化要素给予充分关注，并通过反复的沟通与论证，以准确把控建筑的文化定位与建筑格调。

2、功能要素

在招投标之前，由于尚无建筑方案雏形，建设单位对功能需求的描述往往是粗线条的，大量技术指标尚有待细化与明确。因而，在方案优化阶段，需要基于中标方案对功能要素进行梳理，并逐一验证落实。同时，力争通过功能集成，碰撞、激发新的想法和创意，使功能更趋完善与优化。

3、成本要素

目前成本指标已成为限额设计的一项硬性约束，必须加以严格控制。然而，在投标阶段，设计单位的关注点集中在建筑专业，建筑估算往往仅能达到匡算深度。在方案优化阶段，需要结合具体的中标方案，对建筑成本要素进行分析，并基于成本限额指标对功能、材料、结构形式、技术标准等进行全面优化与协调。基于倒三角工作法的建筑设计方案优化模式。“倒三角工作法”是作者在长期的工作实践中总结提出的一种建筑设计方案优化工作模式。下面将结合某总部办公大楼建筑（建筑面积15万平方米）设计方案优化的具体案例，对基于倒三角工作法的方案优化模式进行介绍。

基于倒三角工作法，在优化过程中，沿倒三角逆向而上，首先从位于“倒三角”最底层的功能要素入手，依据功能使用的合理性，结合出入口的交通组织，在保持对称性的基础上，将其功能布局从“东西分区”调改为“南北分区”。进而，从文化要素入手，在保证其立面肌理的基础上，对立面色彩、幕墙比例进行优化，使其更符合该企业的文化定位。之后，从绿色环保节能出发，对通高中庭进行了内部尺度的优化。而对于专家和领导普遍认可的五段式体量关系，则作为方案的重要特质原汁原味地给予保留。依据上述工作模式，建设单位编制的“建筑设计方案优化大纲”，各项调改要求明确、全面，且设计单位接受度、参与度很高，双方共同组建成为一个工作团队，将优化工作开展得系统而顺畅，并在短时间内实现了优化目标，优化成果得到专家和领导的一致认可。

四、结语

在目前勘察设计招投标的法规环境下，建筑设计方案优化工作已成为工程建设过程中一个必不可少的重要环节。科学的工作方法能有效提升优化效率，达到优化效果。本文对建筑设计方案优化的原则、要素进行了探讨，提出了基于“倒三角”工作法的方案优化模式，并结合典型案例进行了分析与概述。

优化设计与优化方法篇（2）

1 机械优化设计理论概述

1.1 机械优化设计的概念

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算机计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

1.2 机械优化设计研究的内容

机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。

2 机械优化设计的一般思路与常见方法

2.1 机械优化设计的一般思路

2.1.1 分析问题，建立优化设计数学模型

在机械优化设计的过程中，首先需要通过对实际问题的分析，选取适当的设计变量，确定优化问题的目标函数和约束条件，从而建立优化设计的数学模型。

2.1.2 选择优化设计方法，编写程序

在设计变量、约束条件和目标函数三大要素已经确定，构建好数学模型的情况下，编写计算机语言程序。

2.1.3 分析结果，找到最优方案

准备必须的初始化数据，通过计算机数值计算，对比计算结果，在众多的设计方案中选择最完善或者最适宜的设计方案，使其期望的经济指标达到最高。

2.2 机械优化设计中的常见方法

2.2.1 传统优化设计理论方法

传统机械优化设计方法的种类有很多，按求解方法的特点可分为准则优化法、线性规划法和非线性规划法。准则优化法是指不应用数学极值原理而是采用力学、物理中的一些手段来谋求最优解的方法。常见的准则优化法有迭代法中的满应力准则法等，其主要特点是直接简单效率高，缺点是只能处理简单的工程问题。线性规划法是指应用数学极值原理，选取适当的设计变量和约束条件，求解目标函数的一种方法。常见的有单纯形法、序列线性规划法。其优点是通过把实际工程问题转化为数学极值问题的求解，使其直接、有效、精度系数高，缺点是工作量大。非线性规划法同样根据数学极值原理求最优问题，可分为无约束直接法、无约束间接法。有约束直接法和有约束间接法。其优点是应用范围广，可应用于大、中、小型工程问题，且都相对简单方便、可靠性高、稳定性强、精度高。

2.2.2 现代优化设计理论方法

现代优化设计方法不同于传统优化方法，其无需通过选取设计变量、约束条件、目标函数等因素，便可获得全局最优解，大大地减少了传统优化设计方法花费的人力与财力，在日今复杂的工程问题中，提出了全新的思路与方法。常见的现代优化设计方法有遗传方法、神经网络法、模拟退火法、粒子群算法等。

3 机械优化设计的现状与前景

机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。二十世纪五十年代以前，用于解决最优问题的数学方法仅限于古典的微分法与变分法，在处理现实问题时，计算量非常大。直到四十年代前后，大型线性规划技术的提出，数学方法首次被运用到结构最优化，使得计算过程不再复杂，有效的解决了数值最优化计算。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。

机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。

虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。

4 结语

机械优化设计即是指从众多设计方案中需找最优方案的过程，一般包括建立数学模型、选择优化方法、分析计算结果选择出最优方案三个过程。根据不同的分类方式，机械优化设计的方法有很多，从传统角度，最常用到的有线性规则法中的序列线性规则法等等，由于现在各技术领域的发展以及工程问题对优化设计的需求，衍生了很多与传统方法原理完全不同的新兴方法，最常见到的有遗传算法、神经网络法等。纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献：

[1]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]陈立周.机械优化设计技术的发展现状及其新问题.2000年中国机械科学部份研究的征文，1984.

[3]秦东晨，陈江义，胡滨生等.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005（9）.

优化设计与优化方法篇（3）

结构优化设计是最近30年来才发展起来的一个新的技术，这是结构上的一次重大的飞跃，它让设计者们从被动的状态变为了主动状态。优化设计能够非常合理地使用每一种材料的性能，让结构内的每一个单元都能够很好的协调在一起，并且保证安全度是完全达标的。于此同时，它还能够帮助整体性的方案设计进行一个非常合理的决策。结构优化设计从出现到现在已经有40多年的历史了，而在过去的30年内，它在理论和算法等方面都取得了非常显著的进展。这些进展大部分是与连续变量优化设计相关的，另外少部分是与离散变量优化设计相关的。

1.结构优化设计理论

1.1 截面优化

截面优化的设计变量要么是板的厚度、杆的横截面积，要么是复合材料的方向角度或分层厚度，因此，在使用有限元对结构的位移与应力进行计算时，只需要直接地使用灵敏度分析以及适当的数学规划方法便能够完成截面优化的过程，而不需要对网格进行重新划分。对于几何状态一定的情况，有限元分析只需要在杆的横截面的性质发生改变的时候才重复地进行。对于板这类有连续性结构的东西，也只需要把各个单元的厚度作为设计的变量，得出的优化结果便是呈阶梯形分布的板的厚度。在这些优化设计的过程当中，设计变量和刚度矩阵一般情况下是简单的线性关系。所以，截面优化应该重点研究优化算法与灵敏度分析。

1.2 形状优化

形态优化的主要特征是在结构给定的前提下通过对结构的边界形状或内部的几何形状进行调整来节约材料并且对结构的特性进行改善。从对象上划分，形状优化主要可以分为块状、板状的连续体结构与桁架类的杆系结构。对于杆系结构形状进行优化的求解方法主要可以分为两类。第一类是综合法，即是将两类变量统一起来同时进行处理，运用无量纲化，然后构造近似数学模型进行求解。第二类是分步优化方法，即是将尺寸变量和几何变量分为两个设计空间，然后分别对这两类变量进行优化，也即是每一步将一个变量固定，同时优化另一个变量，两步之间通过迭代进行协调。

1.3 拓扑优化

拓扑优化已经成为了现今结构优化设计研究的一个焦点，因为它可以在工程结构设计的最初的阶段便为设计者提供一个概念性的设计，让结构在布局上运用到最好的方案，这样，拓扑优化就比截面优化和形状优化能够获得更大的经济效益，也更容易受到工程设计人员的亲睐。拓扑优化的目的是在设计空间中寻找结构的刚度最好的分布形式，从而来对结构的一些性能进行优化或者减轻结构的重量。

2.结构优化设计方法

2.1 数学规划法

数学规划方法的提出开创了现代结构优化的新时代，将优化问题转化成数学规划的形式求解也就是将问题转化为在设计的空间中，在一定的可行域内寻找最小目标等值面上的可行的点，这个点也就是问题的最优解。数学规划法有非常严格的理论基础，虽然它在一定的条件下能够收敛到最优的解，但是它要求问题能够非常明显地表达，而且大多数情况下还要求设计变量必须是连续变量，目标函数是连续的而且性态要良好。对于大型的结构优化问题，收敛性一般都不是很好，而且迭代的次数比较多，这样就加大了结构分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了规划方法的计算的效率。

2.2 最优准则法

直接地使用数学规划理论需要多次地调用函数进行计算，而且当设计变量增加时调用次数也会迅速增加，导致设计的效率太低，在这样一种背景下便出现了最优准则法，它是最先发展的一种结构优化设计方法。这种方法虽然计算效率比较高，但是在建立迭代公式的过程中受到很多假设的限制。

2.3 仿生学方法

近年来，对自然界进化进行模拟的算法有两类，即模仿自然界过程算法和模仿自然界结构算法，主要又可以分为：进化算法、神经网络算法与模拟退火。

结语

结构优化是一门综合性的学科，也是一个有很大发展潜力的研究方向，它具有一定的理论价值与应用价值。在理论上，它对结构设计提出了一个新理念，极大地促进了人类资源的合理配置。于此同时，结构优化问题的本身也带动了一些相关性学科的发展，对各个学科的发展提出了一些新要求。本文对结构优化的一些优化方法进行了简要的概括。截面优化相对来说已经比较完善，形状优化也渐渐地变得成熟，只有拓扑优化至今还处在理论探索的阶段。

参考文献

[1]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，08：30-33.

[2]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压，2010，15：114-119.

[3]李晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设，2007，06：21-31.

优化设计与优化方法篇（4）

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0063-01

1.前言

在建筑设计进程当中，要求建筑师需竭尽所能，扬长避短，将实用性跟艺术性完美结合，优化完成房屋建筑设计工作，在保障建筑质量高质获取的同时尽可能降低投入成本，为此需针对建筑结构实施合理设计，兼顾经济跟美观，规避结构僵化问题出现。

2.简析结构设计的优化技术

2.1 步骤

构建结构优化模型――通常而言，一般按照三个步骤实施房屋结构的整体优化设计，第一，进行适合设计变量的优化选择，将直接影响设计要求的相关参数当作是变量指标，譬如说约束控制参数和目标控制参数等，其中结构造价以损失期望为目标控制参数，结构可靠度为约束控制参数，在设计中，针对变化范围相对较小或者是结合结构要求及局部设计需求综合考虑将能够充分满足设计要求的参数作为是预定参数，如此一来，便能大幅度减少设计及计算、编程过程所涉及的具体工作量；第二，将对应的目标函数确定下来，要求找到一组能够符合对应预定条件的截面几何尺寸、失效概率、钢筋截面积，使得设计总费用得以优化降至最低；第三，将具体的约束条件确定下来，在可靠度优化设计基础上，房屋结构优化设计约束条件涵盖有结构强度约束以及尺寸约束、变形约束、构件单元约束、应力约束、裂缝宽度约束、基于正常使用极限值之下的弹性约束至最终极限值之下的弹塑性约束等方面内容。在具体的设计进程当中，在实际房屋结构工程建设中有效采用结构优化设计，通过对比房屋结构设计中对应的实际目标约束条件，确保各类型条件均能符合现行规范需求，尽可能实现最优化设计。

制定结构优化设计计算方案――一般来说，在可靠度优化设计问题基础上能够实施房屋结构的优化设计，该项工作复杂程度相对较高，涉及有多约束非线性及多变量优化问题等方面内容，在实际的计算进程当中，一般会进行约束优化问题向无约束问题的合理转化并求解，相关计算方法包括有拉氏乘子法、复合形法及Powell法等多种计算方式。

有效实施程序设计――结合在可靠度基础上构建的结构优化模型及计算优化方式，可进行多功能且具备有较快运算速度的综合程序的有效编制。

2.2 实践应用

细部结构优化设计――在结构优化设计中，设计人员需在宏观把控的基础上给予西部设计更多重视，譬如说，异形裂缝情况，选择钢筋的时候，应综合考虑钢筋材料的极限抗拉力值等相关因素，基于塑性要求基础，择取合适的建筑施工钢材。譬如说为实现现浇板的良好受力，设计人员在选择一级钢跟冷轧带肋钢的时候建议选用冷轧带肋钢，房屋建筑的室内设计同样需满足相应基本需求，旨在确保建筑具备有良好的经济安全性。

地基基础结构优化设计――在建筑地基基础上设计进程当中，首先需要做到的是针对相关设计方案实施优化选择，若面对的建筑桩地基，则应结合施工现场的地理环境进行类型选择，旨在实现造价的优化节约，对于桩端持力层而言，因为灌注桩长会受到直接影响，所以应因地制宜地选择正确的结构优化设计方案。

2.3 功效

实现工程造价的优化降低――在具体的结构优化设计进程当中，通过对比高层住宅与多层住宅可以知道，建筑层数越多，则会产生越大的建筑面积，单位面积所占的土地面积则越小，能够尽可能实现用地成本的优化节约，然而伴随着建筑层数的加大导致建筑的总高度随之加大，为此需尽可能加大建筑跟建筑相互之间的距离，进而所占用的土地面积节约量跟建筑层数的不断增加难以拥有相同比例情况。针对建筑基础部分来说，其是建筑各层所共同使用的，可是伴随着建筑层数的不断增加，导致基础所承受荷载不断加大，基于此需强化增大建筑基础，如此一来，虽然建筑单位面积的造价大大降低，却未能获取像屋盖那样较为明显的效果。

实现建筑结构经济性的合理提升――伴随着建筑层数的逐渐增加导致建筑墙体面积及柱体积不断增加，进而加大建筑结构自身重力情况，基础及柱的承载力随之增加，建筑结构中的电气及水卫管线越来越长；反之，若是建筑层数相对降低，则能够实现建筑材料的有效节约，使得建筑能够更好地实现抗震效果，与此同时，降低建筑总体高度，进而缩短两个建筑相互之间的日照距离，从间接方面实现实际用地的合理节约。若是建筑拥有相同面积，其各自的形状各不相同的话，会造成建筑拥有不同的外墙周长，建筑形状为圆形或者是跟方形较为接近的时候，其对应的外墙周长系数则越小，外墙砌体及基础、建筑内外表面装修则越少，与此同时，建筑所具备的受力性能获得优化提升，其对应的经济性能有效增强。由此可见，充分实现结构优化方式的技术性，能够使得建筑拥有使用美观价值的同时尽可能降低投入成本，达到具体的经济适用、安全美观、便捷施工需求，在房屋建筑设计中合理应用结构优化设计手段，能够顺应现代市场的可持续发展要求。

3.结语

综上，在建筑工程建设中，建筑结构设计中占据相对较大的比例，合理采用优化技术能够获取较为可观有效的经济效益，要求设计人员需严格遵循经济合理、美观适用的相关原则，精心设计，运用先进的现代化科技手段，择取合理性较强的建筑结构设计方案，尽可能在降低造价的同时实现最大化经济效益的合理获取，确保建筑的高质完成。

参考文献

[1] 樊剑.关于建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用探究[J].《城市建设理论研究（电子版）》，2013（24）.

[2] 吕芳.浅析房屋建筑的结构设计优化方法与应用[J].《科技创新与应用 》，2013（34）.

优化设计与优化方法篇（5）

1 引言

机械优化设计的目的就是在给定的载荷或环境条件作用下，对机械产品的性能、几何尺寸或其它因素的限制（约束） 范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值。

MATLAB 和LabVIEW是最经典的两种编程语言，但这两种语言有各自的特点和使用范围。MATLAB具有强大的数学运算功能，而LabVIEW在用户界面设计和快速开发等方面具有独特优势，但功能相对单一。因此，通过两种语言的接口技术来实现 MATLAB和LabVIEW 的混合编程，有利于充分发挥两者优势，快速高效地完成比较复杂的设计任务。

2 MATLAB 和LabVIEW 软件简介

MATLAB软件集数值计算、符号计算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体，是数学计算方面功能最强、操作最简单的语言。该语言被广泛应用于机械设计、自动控制和数理统计、信号处理等工程领域。应用MATLAB优化工具箱可求解机械设计中的线形规划，非线形规划，二次规划，多目标优化问题以及基于启发式算法等优化问题。对大多数机械优化问题，MATLAB通过调用优化工具箱中的优化函数均可实现。

LabVIEW语言即“实验室虚拟仪器集成环境” ，是一种虚拟仪器软件开发平台，它采用编译型图形化语言。最大特点是编程简单、直观、开发效率高。它除了具备常规函数功能外，内部还集成了大量的生成图形界面模块，具备对RS232、GPIB、VXI、数据采集板卡和网络等硬件进行设备驱动的功能，以及可满足控制系统中的各种信号处理要求。

3 混合编程的实现方法

混合编程的基本方法是利用LabVIEW 作为前端开发工具，将LabVIEW 前面板中的用户自定义初始值送到MATLAB 中进行相应较复杂的数学运算处理，然后输出和显示在LabVIEW 前面板上。两种语言的通讯方法一般有以下4种：

（1）ActiveX 是一个技术集的统称，其基础是组件对象模型COM。COM是跨语言的操作系统级标准，它定义了对象之间的存取方法，不同的应用程序可以各自开发一系列公共对象，它们具有开放的属性和方法。ActiveX 技术可以使用重复代码，并能将多个程序连接在一起实现复杂的计算要求。

（2）动态连接库（ DLL） 是基于Windows 程序设计的一个重要组成部分。DLL 是一个位于程序外部的过程库，它可以从应用程序中调用和共享。因此，在LabVIEW 和MATLAB 之间应用DLL可以实现数据传输和函数调用。

（3）动态数据交换（DDE） 是Windows应用程序之间的通讯协议。利用DDE，在客户程序和服务程序之间可以互相发送或接受命令及数据。在LabVIEW函数模板的DDE VI可将LabVIEW 程序设置为DDE 服务器程序或者DDE 客户程序，从而实现对MATLAB 程序的创建或调用。

（4）MATLAB Script 节点法是实现LabVIEW和MATLAB 间通讯和混合编程的常用方法。这种方法容易实现，但打开脚本速度快，可满足多输入多输出，信息处理量大。缺点是不能控制MATLAB服务器，当节点脚本执行完毕后，MATLAB 程序不能自动关闭，不利于较大应用程序开发。

4 仿真验证

在机械优化设计中的应用分析在机械设计中，经常会遇到连杆机构、凸轮机构、齿轮传动、弹簧、螺栓、轴、衍架以及液压、气动元件等零部件的设计问题。因此可将LabVIEW 和MATLAB 混合编程技术应用于机械优化设计领域，提高工作效率。现以某车床主轴的优化设计为例进行说明。设该轴内径d=8 mm，轴外伸长a=100mm，作用在其外伸端的载荷F=15000N，许用挠度[y]=0.125 mm，许用切应力[τ]=220MPa，许用转角[θ]= 0.02 rad。轴材料密度ρ = 7800kg/m3，剪切模量G=81MPa，转速n=80r/min，轴最大输出功率P= 7.5 kW。设计要求在满足刚度要求的条件下，使轴的质量最小。

按照MATLAB 中进行优化设计的思路认为，该轴的优化设计模型包括设计变量、目标函数、和约束条件 （即抗弯强度、抗扭强度、刚度、结构尺寸限制） 。因要求轴的质量最小，需用到MATLAB优化工具箱中的fmincon函数.编制好的优化设计程序前面板如图1所示.

从图1 中可知，前面板中设置了8个数值输入控件，2个数值显示控件，分别用于轴的参数输入和计算结果输出。为便于研究轴的最小质量与外径及轴长的关系，引入了三维曲面图形函数。此外，为形象直观地显现主轴的结构，在前面板中还导入了轴的力学结构简图.

由图2 可以看出，程序框图引用了MATLAB Script 节点。该程序框图主要调用了优化函数fmincon 和三维绘图函数surfc，而fmincon函数所用到的目标函数和约束函数，则是在MATLAB环境下分别编制的M文件。从车床主轴优化设计的前面板和程序框图可知，只需要在LabVIEW 的前面板中修改相关参数（内径、功率、外伸长度等），就能得到不同设计条件下的极值点和对应的轴最小质量，且界面清晰直观，编程思路明确，效率得到了明显提高。

4 结语

本文分析了MATLAB和LabVIEW 这两种软件的特点和各自使用优势，并对应用MATLAB Script 节点法实现混合编程进行了重点讨论。在此基础上，提出了将混合编程技术应用于机械优化设计领域的新思路，并通过车床主轴的混合编程优化设计示例，说明该方法在机械优化设计中具有广泛的应用价值。

参考文献

[1]梁尚明，殷国富.现代机械优化设计方法[M].北京：化学工业出版社，2005.

优化设计与优化方法篇（6）

中图分类号：U442.5文献标志码：A文章编号：1672－4011(2016)01－0180－02

0前言

桥梁设计是确保我国交通事业有效发展的一项重要工作。现阶段，社会各个领域都对桥梁设计给予了高度的重视，地方政府对桥梁设计以及工程施工投入了非常多的资金，其中桥梁设计不仅需要确保桥梁安全性以及实用性，同时需要确保桥梁美观性以及科学性。传统桥梁具体设计理念只可以确保桥梁正常使用，在创新方面有很大的难度。仿生方法科学性非常强，在设计过程中采用这种方法可以有效解决传统桥梁设计中的各种问题，有效提升桥梁设计所具有的科学性。

1仿生法的具体涵义

所谓仿生法，就是模仿自然界里面的生物形式或者是运动状态，通过相似性来进行创造。现阶段，自然科学界应用仿生法的学科非常多，其中有工程学、生物学以及化学等，同时在这些领域发挥了非常重要的作用［1］。自然界的所有生物都起源于自然，自然界里面的生物组成结构一般要比科学发明更加先进。仿生法就是有效结合自然界智慧以及各学科知识，促进了科学进一步的发展。对于桥梁设计领域，设计师将自然智慧变成了能够度量的具体理性数据，并通过总结以及分析形成具有系统性的一门桥梁学科，对设计者的设计工作进行指导。

2桥梁设计及优化过程中应用仿生法的意义

桥梁设计是确保工程质量的基础，会对后期施工以及人们的安全使用产生直接的影响。设计师属于桥梁设计主体，是确保桥梁设计质量和安全的关键，设计师具体设计理念直接决定了桥梁外观以及结构。仿生法是一门比较先进的学科，在各行各业得到了广泛的应用，同时获得了比较好的反响，所以，掌握仿生法理念的设计师可以对桥梁功能以及造型进行不断的创新，从而有效促进我国桥梁事业的进一步发展。

3仿生方法的应用

对桥梁进行设计的时候，很多形式均源于生物界以及大自然，有的甚至可以找到原型［2］。仿生法可以分成两种，分别是宏观和微观。桥梁设计以及优化中，仿生法的应用也可以分成宏观以及微观，从细节角度上看，宏观和微观均要分成很多种仿效细节，该细节通过新载体能够形成新的整体。

3.1桥梁形态方面进行的仿生

西班牙某设计师在进行桥梁设计的时候，最先从形态方面进行仿生，该设计师的设计灵感主要是从植物以及骨骼形态上获得的，然后以此进行仿效，很多人对它的设计有不同的看法，有的甚至觉得非常荒诞，施工难度非常大。可是对于该设计者来说，其认为自己所进行的仿生设计技术含量不是很高，仅仅是对自然形态进行仿效，施工所需的材料也只不过是最普通的钢筋混凝土材料［3］。而仿生法的应用并不是随意的，而是需要有效结合仿效结构以及桥梁工程具体需求，尽管自然界大部分生物形态结构仿效性非常强，可在实际施工过程中很有可能产生沉降引发开裂、自重过大以及结构太复杂等问题，因此，进行桥梁设计的时候，仿生法的应用应该充分考虑其可建造性以及合理性。

3.2桥梁结构方面进行的仿生

自然界以及生物界存在的很多骨骼和组成结构均能在桥梁设计中应用，如人体骨骼结构，组成部分主要有足、脊柱、髋以及股和胫等，并通过足骨来分解人体自重量，其中必须承重的骨骼，其骨质一般都非常密实。在进行桥梁设计的时候，可以充分利用该生物结构形态。桥梁结构同样需要完整性比较高的承载力分散模式，其可以确保桥梁使用功能以及所具有的持续性，若设计结构很难分散力量，则表示该桥梁结构不可以进行实际建造，属于不合理设计。人体骨骼仿效产生的效果比较好的桥梁是以色列的卡拉特拉瓦设计出来的科兹桥，由于该桥高度为119m，所以桥塔上总共辐射有66根拉索，该桥梁在2010年真正投入使用，一直到今天，该桥梁也是耶路撒冷的美丽风景线。

3.3桥梁建筑材料方面进行的仿生

对人类来说，自然界就是一个非常大的藏宝箱，其不仅蕴藏钢铁资源、石油资源以及煤炭资源等自然物进行的显性应用，同时还有由大自然界获得的各种材料应用灵感，从而进行隐性应用。现代建筑主要强调的是绿色环保功能、工程可持续性和资源有效利用性，因此，桥梁设计人员应该充分考虑该怎样把建筑材料所具有的最大功能完全发挥出来。随着科学技术的快速发展，新型仿生材料可以对建筑材料功能进行有效的改善，有些发展非常好的仿生材料甚至能够取代现有材料，比如，和贝壳进行比较，水泥抗拉性相对较小，由于贝壳里面含有大约95%的石灰石，剩下的都是蛋白质，提示人们该化学组成方式可以有效提升工程所具有的抗拉性，并且还可以减少其他化学材料给自然环境造成的污染。此外，桥梁应该具有防水性以及防腐蚀性等功能，从而确保桥梁使用寿命，对于防水性，吉林大学进行仿生实验的时候发现蝴蝶翅膀鳞片结构可以有效防水，并且其自洁功能也非常强。再如，现阶段在路标中得到广泛应用的发光材料，在白天能够吸收同时储存太阳能，晚上其可以确保持续发光，该材料的应用既可以提升夜间交通安全性，也与节能环保理念相一致。

3.4桥梁功能机理方面进行的仿生

仿生学里面，具体研究对象是自然界里面动植物所具有的功能机理，一般主要有行为学、力学以及能量转化等。对于这一方面进行的仿生应用，很早以前就开始了，如通过效仿鸟类翅膀上的功能机理，设计了飞机机翼，然而最初机翼存在震颤问题，人们又到生物界里面去探寻解决方式，然后在研究蜻蜓翅膀翅痣的过程中，有效解决了这一问题。自然界里面的狂风、地震以及洪水等因素会直接影响到桥梁寿命，并且在现阶段桥梁建筑跨度越来越大的条件下，桥梁所承受的风险也逐渐增大，想要确保桥梁所具有的安全使用性，就应该在设计中努力寻找办法，有效规避自然界风险因素造成的危害。而自然界里面的生物在经历了大量狂风、地震以及洪水等过程后均可以自然地存在，这其中所蕴含的功能机理就是进行桥梁设计时应该借鉴的。德国一所大学经过研究发现，巨型木贼和木贼草植物里面的细胞就可以通过自我调整来有效改变植物体系所具有的刚度，从而和外界造成的压力相适应［4］。该生物功能性机理就能够在大跨度桥梁结构中的桥墩以及桥塔上得到应用，使该桥梁具备和生命体质比较接近的特征。

3.5生物神经系统方面进行的仿生

有生命的生物最大的特征为拥有神经系统，可以根据外界环境发生的变化合理进行自我调整［5］。然而桥梁工程只可以被动接受外界施加的压力，其不具备自动调节能力。想要提升桥梁工程所具有的反应能力，比如通过一些仿生方法实现实时监控。其中仿生发明，比如，阻尼器等，在现阶段桥梁设计过程中得到了创新应用，这些仿生方法以及仿生发明的应用就属于桥梁神经系统。以前仿效生物构建神经系统具有非常大的难度，然而在电子信息技术高速发展的今天，对桥梁构建神经系统是比较容易的。对神经系统进行仿生应用的桥有很多，如千禧桥，其可以在河道上提供交通服务，可以保证河道正常通行，同时，其仿生性能够显著增加该桥梁所具有的观赏价值以及生命价值，当遭遇外界风险的时候，又可以自动调节自身安全性。

4结论

自然界里面，各种事物都存在一定的联系，其中生物学以及建筑学的联系尤其明显，所以，随着创新理念的持续发展，人们已经意识到通过仿生法设计以及优化桥梁工程，可以有效提升其所具有的各种性能。在桥梁设计过程中应用仿生法的时候，主要可以从五个方面进行仿生，分别是：桥梁形态方面进行的仿生;结构方面进行的仿生;建筑材料方面进行的仿生;功能机理方面进行的仿生;生物神经系统方面进行的仿生。

参考文献：

［1］胡楠．仿生方法在桥梁设计与优化中的应用研究［D］．长沙：中南大学，2010．

［2］李继军．仿生方法在桥梁设计与优化中的运用［J］．城市建筑，2015，12(24)：249－249．

［3］郗轶博．仿生方法在桥梁设计与优化的应用研究［J］．黑龙江交通科技，2013，36(9)：91－92．

优化设计与优化方法篇（7）

中图分类号： TU2 文献标识码： A

引言

建筑设计的理念是着眼于持久的长期价值，它通过良好的功能与适用性的产品，在很长一段时间里，能够给消费者带来很高的价值。因此在目标要求、市场要求、销售要求、材料要求、结构及其要素的合理选用与商品生命周期间的配合下。形成了最佳配比和系统优化的组合，避免了资源的浪费及增加无效的投入。

1.建筑设计方案优化的风险与原则

建筑设计方案优化的初衷往往都是好的，但是否所有的优化工作都能够实现目标呢？一些建设单位和设计单位虽然投入了大量精力、时间进行方案优化，但由于工作方法不当，往往出现调改了一个地方，却引发更多相关问题的现象。 因此，为了实现优化目标，达到理想的优化效果，在建筑设 计方案优化过程中，如下几条原则是应该严格遵循的：

1.1坚持并充分发挥专业人员的主导作用

优化不成反遭劣化的原因可能来自多方面，但非专业因素过多地干预甚至主导优化过程是其中一项主要原因，一方面是建设单位的参与热情或领导的主观意愿不知不觉中影响或压制了建筑师的创作空间：另一方面，中标单位也常常存在任务完成式的被动工作心态“既然已经中标了 业主单位说怎么改就怎么改吧! ”结果是系统思考不足引发更多的问题，造成方案的劣化。虽然建筑设计方案优化是一项需要多方参与、博采众长的 活动，但同时也是一项专业性极强的工作。为确保优化方案的科学性与合理性，来自各方面的的意见与建议必须要经过建筑师 的整理、甄别与过滤后，通过专业的设计手段与技术举措加以落实。建筑师要摒弃任务完成式的消极态度。积极承担起方案优化的主导责任。同时，建设单位要给予建筑师以充分的信任与授权，并在工作程序、机制上给予保证。

1.2识别并坚持中标设计方案的精髓，避免颠覆性的修改

设计招投标制度对中标方案的法律地位是有明确规定的，且大型重要项目的中标方案一般都经过了建设单位高层领导的认可，所以不能敞开来优化，而是应该充分挖掘、识别、提炼出原有中标方案的亮点，在保持原有方案精髓的基础上开展设计优化。

2.建筑工程设计方案的优化分析

由于建筑工程设计方案对工程投资有着重要的意义,因此,加强建筑工程设计方案的优化已经成为现代工程建设的重要工作,是影响投资收益、建筑施工质量与成本控制的关键。

2.1建筑工程设计方案现状分析

目前我国的建筑工程设计方案主要是本着对投资方要求负责的理念进行,有关部门仅对图纸等进行简单的审核,这就造成对建筑工程设计方案缺乏必要的考核与评价。而且投资方没有认识到方案设计对投资的影响,仅注重投标价与标底价的差距,没有认识到设计方案的优化对投资的影响。因此导致在投标过程中方案审核不细、概算粗略、要求出图时间紧、刻意压低设计费用。种种原因导致了建筑工程设计方案没有得到足够的重视,设计方案的优化也无从谈起,最终导致工程投资超标的现象屡屡发生。针对这样的情况,建筑工程投资企业必须认识到建筑工程设计方案优化的重要性,认真审核投标方设计方案,通过对设计方案的优化达到降低工程投资、提高工程造价管理水平的目的。

2.2如何提高我国建筑工程设计方案优化水平

建筑工程设计方案优化水平的提高不仅仅是提高投资方对设计方案的认识,还要通过国家主管部门提高监管力度、提高设计监理推广、完善有关法规、强化综合性设计方案优化等多方面工作共同提高我国建筑工程设计方案优化水平。通过建筑工程设计方案优化不能够单纯的强调节约投资,应从综合性考虑出发,注重设计的科学性、技术的先进性,以提高设计价值目标为基础、总体效益为出发点,达到建筑工程设计方案优化效果。

3.建筑设计方案优化的策略与方法

3.1通过设计招投标和方案竞选优化设计方案

建设单位就拟建工程的设计任务通过报刊、信息网络或其他媒介公告，吸引设计单位参加设计招标或设计方案竞选，以获得众多的设计方案；然后组织评标专家小组，采用科学的方法，按照经济、适用、美观的原则，以及技术先进、功能全面、结构合理、安全适用、满足建筑节能及环境等要求，综合评定各设计方案优劣，从中选择最优的设计方案，或将各方案的可取之处重新组合，提出最佳方案。

3.2运用价值工程优化设计方案

价值工程(Value Engineering)，又称价值分析，是一门技术与经济相结合的现代化管理科学。价值工程中的“价值”是功能与成本的综合反映，其表达式为：价值(V)= 功能(F)／成本(C)。在设计过程中，利用价值工程对设计方案进行经济比较，对不合理的设计提出意见，运用价值工程原理，对方案实行科学决策，对工程设计进行优化，使设计项目的产品质量，也就是产品最终价值体现在经济效益和社会效益中。由此可见，设计质量的优劣是价值工程应用的最好体现。在工程设计中应用价值工程，对资源合理配置，增加设计产品的科技含量和价值均具有重大的意义。

3.3实施限额设计，优化设计方案

所谓限额设计，就是按照批准的设计任务书及投资估算控制初步设计，按照初步设计总概算控制施工图设计，同时各专业在保证达到使用功能的前提下，按分配的投资限额控制设计，严格控制技术设计和施工图设计的不合理变更，保证总投资限额不被突破。投资分解和工程量控制是实行限额设计的有效途径和主要方法。限额设计是将上阶段设计审定的投资限额和工程量先分解到各专业，然后再分解到各单位工程和各分部工程而得到的，通过层层限额设计，实现对投资限额的控制与管理；同时也实现了对设计标准、工程数量与概预算指标等各方面的控制。限额设计是设计阶段控制工程造价的重要手段，它能有效地克服和控制“三超”现象，使设计单位加强技术与经济的对立统一管理，能克服设计概预算本身的失控对工程造价带来的负面影响。

3.4推广标准化设计，优化设计方案

标准化设计又称定型设计、通用设计，是工程建设标准化的组成部分。各类工程建设的构件、配件、零部件、通用的建筑物、构筑物、公用设施等，只要有条件的，都应该实施标准化设计。采用标准化设计的优点有：设计质量比一般工程设计质量高；可以提高劳动生产率，加快程建设进度；可以节约建筑材料，降低工程造价。

4.结束语

现代建筑工程设计方案要求的提高对建筑工程施工企业有关部门的工作人员提出了更高的要求,要求施工企业专业技术人员不断提高专业技术与管理水平,以全过程、全面性施工管理理念对就建筑工程设计方案进行审核与优化,积极与设计单位进行沟通,为提高投资效率、提高施工质量奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]刘鸿钧.论建筑工程设计方案优化[J].建筑工业资讯,2008,10.

优化设计与优化方法篇（8）

Abstract:The optimized design of the building structure is the important process of building the overall structure of the optimal. In a humane architecture and the use of conceptual design methods to improve the utility of the building structure and overall effect is explored on the basis of the basic procedures of the building structure design optimization method based on practical effect.

Keywords:architectural design；structural optimization；practicality；the overall effect

中图分类号：TU32/399

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2012）08-0089-02

1 引言

在进行建筑整体结构设计的过程中，为了使得建筑结构在空间、实用性、整体效果以及造价等方面达到最优，在完成基础设计之后都需要对建筑结构设计进行优化。尤其是在整体结构的造价控制方面，建筑结构设计优化是进行造价控制的主要途径。传统的建筑结构优化设计过程中一般都是以建筑的造价为根本进行控制的，而随着人们对建筑的实用性和整体效果要求不断增加，建筑的使用的方便性以及整体效果成为了人们关注的重点。而各种不同的设计方案对建筑材料的选用、建筑基础类型的选择、房屋进深的确定、建筑的层高以及总层数的确定等都是需要优化的问题和对象，因此在进行优化设计的过程中都应该予以重点考虑。

2 人性化建筑结构的特点及优化内容

建筑的人性化是体现建筑实用性的一个重要方面，尤其是随着社会经济的不断发展和进步，人们对于自身居住条件提出了更高的要求。在居住环境方面，不但要求有房可居，同时还要求住得方便、住得舒适。这时，以实用性为基础的“人性化”就成为了人们对建筑设计追求的一个重要概念。而在现代建筑结构设计优化的过程中，现代建筑设计就需要以“人性化”这个特点为基础，采用“以人为本”的设计理念，对建筑的整体结构进行优化。

人性化建筑结构的特点具有这样的几个特点：① 合理的空间布局，通常而言在人少地多的地方选择独立的小高层以及别墅，而在人多地少的地区则尽量建设高层，而且在建筑整体结构之内具有明确的用地分工，能够提高对土地空间的利用率；② 整体建筑结构极具艺术效果，通常在进行结构设计是在充分考虑通风以及采光等因素的基础上，一般尽可能的将客厅和卧室布置在建筑整体结构的南面，而将厨房、餐厅以及卫生间设置在建筑的北面。阳台直接与阳客厅相通，这样就使得穿过阳台时不需要穿过卧室，将私人空间和公共空间相分离，有效的保证了住宅类建筑使用过程中的私密性。

而通过采用建筑结构优化设计的方法，不但可以实现建筑的上述特点，还可以有效的降低建筑结构设计的成本。其中，在进行结构优化的过程中，主要的优化对象和优化内容包括：建筑基础结构的优化、建筑屋盖系统的优化、建筑围护结构的优化以及细部结构的优化等内容。

而针对上述结构具体方面的优化还包括具体的选型、结构的布置、结构整体受力分析以及结构造价分析等，在确保达到实用要求以及建筑标准的同时，通过与具体的工程实际情况相结合，达到优化设计的目的。

图1-建筑外部结构

图2-建筑内部结构布局

3 概念设计方法在提高建筑结构实用性及效果中的作用

建筑结构的概念设计一直是建筑整体结构优化的一个重要方向和重要基础。通过采用建筑结构的概念设计方法，可以保证建筑整体结构能在多种意料之外的外部作用力以及外部破坏的作用之下，将建筑的受破坏程度降到最低。所以，对建筑在使用的过程中可能会遇到的各种不稳定因素成为了建筑概念设计的重要内容，同时也成为了提高建筑实用性的一种建筑结构优化有效手段。在进行建筑可能遭受的结构破坏分析过程中，地震是一种作用力大、难以准确预测的破坏因素。因此，在进行建筑结构设计的过程中就应该预先针对建筑整体结构进行优化，从结构构造以及计算等多个方面对提高建筑结构抗震能力采取多种措施，而不利于建筑抗震能力提高的设计方案则尽可能的避免。通过对建筑结构的优化，应该确保建筑的整体刚度尽量均匀、对称，这是有效降低建筑整体结构在减小建筑结构在地震过程中出现破坏的一个重要手段。同时，在设计的过程中还应该采用多种有效的设计方式来增加建筑抵抗地震的能力，诸如延性设计，它可以有效的控制建筑在地震的作用下出现脆性破坏的问题；多道设防的设计思路可以使得在剧烈地震的作用下，建筑的一些次要结构先发送破坏，通过消耗一部分地震能量来减小对建筑主体结构的破坏。这些建筑结构优化方法都是建筑整体结构设计过程中需要遵循和采用的有效原则。

4 基于实用与效果的建筑结构设计优化方法的应用

4.1 提高建筑结构空间利用率的策略

空间利用率是衡量建筑人性化指标的一个重要指标，下面从提高提高住宅建筑的空间利用率出发，探讨提高建筑实用性的人性化建筑结构优化策略。

4.1.1基本思路

这里对于提高建筑结构空间利用率的策略是利用了整体和部分的关系，

N=1+1+1+1+1……

当N表示为整个建筑主体时，1就可以分别代表卧室、客厅、餐厅和卫生间等；

当N表示为120m2的建筑空间时，1则分别表示25m2的客厅、15m2的主卧室、5m2的卫生间以及9m2的餐厅等；同样，当N表示为对应卧室的大小时，1则表示卧室中的床铺、电视柜、挂衣柜以及桌子的大小；而当N表示为客厅时，1则表示电视的尺寸、沙发的大小、背景墙体的比例等。

4.1.2提高空间利用率的主要目的

增加对空间的利用程度，减少空间的浪费，在保证空间使用的实用性基础上增加空间利用的人性化。

4.1.3具体的实施策略

确定建筑空间的面积确保建筑的容积效率之后确定结构的最佳进深计算面宽确定房间的具体进深房间家具的尺寸以及实用性

目标空间结构合理的交通面积

增加面积

房间+客厅+起居室+运动室……

4.2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

4.2.1结构优化模型的建立

建筑结构的整体优化方法包括这样三个基本的步骤：首先，确定设计变量。以影响建筑整体效果和实用性的相关参数作为设计变量，诸如对应的目标控制函数(整体结构造价C1、损失期望C2)、约束控制参数(整体建筑结构的可靠度SP)。在进行选取的过程中，尽量忽略那些对结构整体效果以及实用性影响不大的相关参数，这样可以大大减少模型的计算以及编程工作量；其次，建立目标函数，以建筑的整体效果和实用性最佳为目标，寻找一组既能够满足建筑使用功能又能够满足预设的结构截面尺寸、钢筋截面积等要素的参量，使得目标函数值最优；再次，定义约束条件，建筑结构的约束条件包括建筑的可靠度、强度约束、应力变形约束以及裂缝宽度约束等。设计的过程中就是要使得实际的结构设计在和约束条件相比较之后，符合当前的设计规范，达到最优的设计标准。

4.2.2优化设计方案的选择

建筑结构优化设计的方案很多，一般采用基于可靠度的优化设计方案。这些方案在计算的过程中需要考虑到多变量的复杂变化，同时约束条件较多，且都属于非线性问题，在进行设计计算的过程中一般要转化成为无约束以及线性问题来加以求解。这个过程中，可以采用的优化计算方法包括：拉普拉斯算子法、复合形法等。在进行算法的选取时可以对算法的精度以及算法的计算速率予以综合考虑，选定一个最适合的算法。

4.2.3 具体的程序设计

以上述选择和确定的优化设计方案为基础，编制一个功能齐全而运算速度较快的综合计算程序进行计算。程序设计的内容涉及到具体的工程指标选取以及建筑的功能需要，且编程内容较为繁复，这里不详细论述。

4.2.4结果分析

在对计算结果进行分析的过程中，应该从多个方面和多个角度予以考虑，诸如建筑结构的成本、实用性和整体空间效果等。这主要是因为建筑结构属于一项耗资较大的工程，涉及到的方面比较多，需要从全盘予以考虑，不能够仅仅为了节省资金、或者是仅仅为了增加建筑的实用性来进行优化。总的来讲就是要争取的处理好技术与经济之间的问题，在两者之间找到一个平衡点来进行优化。

5 结语

建筑结构的优化设计是一个复杂的过程，属于综合决策的问题。在优化的过程中需要综合考虑实用、安全、经济和整体效果等因素。本文对人性化建筑以及采用概念设计方法对建筑结构实用程度及整体效果进行改进的方式进行了探讨，并针对建筑部分结构的空间利用率的优化部分进行了具体分析，提供了一个建筑结构优化的新理念。

图3-某大底盘高层建筑结构设计

图4-某住宅内部空间布局

图5-建筑结构的有限元分析

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.

优化设计与优化方法篇（9）

中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：

在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异; 使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通; 能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象。

1 结构优化设计的模型和方案

房屋工程分部结构优化设计包括: 基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

1．1 结构优化设计模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是: 设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

1. 2 房屋建筑结构设计的基本方法

(1) 当结构平面图在绘制结构平面布置图时，需要输入结构软件进行建模。建筑物根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度进行相应的计算和构造措施要求。注意“地震作用”、“抗震措施”与“抗震构造措施”，提高地震作用，则结构的各构件均全面增加材料; 抗震措施指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施，其中的一般规定及计算要点中的地震作用效应(内力和变形) 调整的规定均属于抗震措施，提高抗震措施，着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的抗震能力上，是经济而有效的方法; 抗震构造措施指根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。设计中需要注意受压和局部受压的一些问题。

(2) 屋顶(面) 结构图当建筑是坡屋面时，结构处理方式有梁板与及折板式两种。梁板式适用于建筑平面不规整，板跨度较大，屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面，折板式适用于相反的条件。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。板厚基于构造需要一般不宜小于120 厚。至于坡屋面板的平面画法，通常使用剖面示意图加大样详图的表示方法，这样更便于施工人员正确理解图纸。正确绘图和设计的关键是设计人员真正的心知肚明，结构设计者必须要具备一定的空间概念，正确理解建筑图纸和意图。设计的图纸方能让施工人员明白。由于屋面的起坡会造成阁楼层的部分墙体超高，要结合门窗顶设置圈梁来降低墙的计算高度。

1．3 结构优化设计方案

结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

2 结构设计优化技术在应用中的几个问题

结构设计优化方法应用于实践之中，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。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。

2．1 前期参与

因为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。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。

2．2 细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I 级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

2．3 地基基础结构设计

地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

3 结构设计优化的的功用

3．1 降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。

3．2 提高建筑结构经济性

优化设计与优化方法篇（10）

一、仿生法的涵义

仿生法是人类对自然界生物自身形式或其运动状态进行模仿，利用其相似性来发明创造的一种学科。就目前而言，仿生法已经被应用到很多学科中，包括生物学、化学、工程学等，并在各自领域均发挥了重要的作用。自然界是一切生物的起源地，可以发现，自然界蕴含着宇宙的智慧，也正因如此，自然界中生物的组成结构往往比科学发明更先进。仿生法将自然界的智慧与各个学科相结合，更好的推动了科学的发展。在桥梁设计领域，桥梁设计师把感性层次的的自然智慧转化为可以度量的理性数据，经过总结分析形成一门系统的桥梁学科，以指导桥梁设计人员的桥梁设计工作。

桥梁设计是工程质量的前期保证，一是关系到后期的施工，二是关系到人们的安全使用问题。桥梁设计师作为桥梁设计的主体，对桥梁设计的质量以及安全都起到关键作用，而设计师的设计理念更是对桥梁的外观和结构起到决定性的作用。仿生法作为一门先进的学科，已经被应用到各行各业，并得到了很好的反响，因此，一个具有仿生法理念的桥梁设计师必然会更好地实现桥梁功能与造型的不断创新，这对于推动我国桥梁事业顺利发展具有十分重要的意义。

二、仿生法的理念与实践

经过亿万年的生物进化，各种生命结构已经呈现出非常合理化的状态。它们具有小巧、灵敏、高效的特点，现在很多科学领域都引入了仿生法，仿生法理念为科学领域提供了新的思路和方法、概念，通过对仿生法理念的应用各学科都取得了显著的研究成果。仿生法由于研究角度不同分类也不同，本文从宏观和微观两类来研究仿生法。宏观仿生法主要研究生物体（包括动物、植物、微生物、人类）和自然界物质存在的外部造型、表宏观仿生面纹理、力学构造特点、生物材料性能、生物的运动方式、行为规律、视觉意象等，微观仿生法则研究生物体内部微观系统，重点研究生物体能量转换、内部神经反应机理、信息传递处理和行为调控能力以及适应环境的生存能力等。在工程研究中，主要是研究生命系统中的结构或功能如何应用到工程技术中来实现其价值。通过研究资料分析仿生在工程中应用的可行性，然后建立模型，再通过计算机技术，分析、模拟、仿效生命系统，最后设计、制造出工程结构。

三、仿生法在桥梁设计与优化中的应用

人源于自然，因此从潜意识里对自然有一种难以言说的亲近感和归属感，因此在桥梁设计工作中，很多思路和理念都来自于自然界，如果仔细观察目前的桥梁，可以发现，有些桥梁造型与自然界的某些事物具有惊人的相似性，这也从另外一个角度说明仿生法在桥梁设计中已经占据着重要的地位。仿生法可以分为宏观仿生和微观仿生两大类，同样的，在桥梁设计中亦包含以上两类。然而，不管是宏观仿生还是微观仿生，按照应用来分，均大致可分为三个层面，即功能机理仿生、形态仿生以及结构仿生。

（一）仿生法在桥梁功能机理中的应用

仿生法中研究的生物，主要指的就是自然界中的动植物，而对动植物的机理研究又是仿生法的重要内容之一。机理研究主要研究与动植物相关的力学、动植物的运动形式以及植物的能量转换等。事实上，这类仿生人们很早以前就已经参与研究，例如参照鸟类的翅膀来对飞机两翼进行设计。值得注意的是，科学发明与自然生物之间虽然有很多通性，但是毕竟存在着一定的差异，因此仿生法的发展并不只是一个纯粹模仿的短期过程，而必须经历一个不断纠偏和调整的长期阶段才能达到较为理想的效果。

显而易见，桥梁在使用阶段，桥梁的可靠性和耐久性对桥梁自身的正常使用起着决定性作用，为了确保桥梁使用阶段的质量和安全，在桥梁设计阶段就必须全面考虑到这些影响因素，并寻找出解决方案。研究表明，参照动植物的机理来进行桥梁设计可以有效地解决桥梁设计问题，一个成功案例是德国一所大学的生物研究，研究人员对某种巨型植物的刚度进行试验，发现这种巨型植物能够调整自身的结构和形态来适应外界的压力，于是研究人员得到灵感，将此原理应用于大跨度桥梁的桥墩和桥塔，使得设计出来的桥梁能够很好地协调各个方面的压力，从而发明出有生命特征的大跨度桥梁，对当代桥梁设计的创新起到了很好的推动作用。

（二）仿生法在桥梁形态上的应用

最早的仿生法桥梁设计师对仿生桥梁的设计是一种纯粹的模仿，设计出来的桥梁形象怪异，甚至有些脱离实际，造成施工难度很大，有的根本无法与施工技术相匹配。随着设计人员设计理念的成熟，桥梁设计师渐渐意识到，仿生法在桥梁建筑中的应用，需要立足于实际状况进行设计，脱离实际的形态仿生是完全没有应用价值的，也是完全没有意义的。例如，尽管自然界中很多的生物形态具有很好的仿效价值，然而在实际的桥梁施工中，则很容易面临负荷超重，结构复杂，没有可靠的施工技术等问题，因此在桥梁设计中，必须根据现实需求科学合理地运用仿生法理论，严格分析其可行性，确定其实际可行了之后才能进行桥梁的设计工作。

（三）仿生法在桥梁结构中的应用

如果注意观察，可以发现在生物界中，有许多动物的骨骼结构、植物的外形结构均对桥梁的结构设计有很好的参考作用。另外，随着生物学科的迅速发展，生物知识不断在日常生活中普及，人们也逐渐认识到了自然界中更多的生物结构形态，而这些结构形态无疑为桥梁的结构设计提供了更多的设计思路，如果可以将这些生物结构应用于桥梁结构，则桥梁设计必定会有愈加广阔的发展空间。自然界的生物充满了宇宙的智慧，许多结构均有完美的对称性和实用性，一旦将这些原则恰当地运用到桥梁设计中，那么必定可以设计出低耗能、高质量并拥有美好外观的新型桥梁。

结束语

大自然是一位充满智慧的导师，拥有无穷无尽的知识让人类去挖掘和学习。可以发现，日常生活中各种产品的设计灵感均或多或少受到大自然的启示。同样，桥梁设计中仿生法的应用对于我国桥梁设计的发展将起到不可低估的推动作用，这种新型的设计理念为桥梁设计师们提供了和谐、新颖的设计思路，也是我国“科技强国、创新强国”战略在桥梁事业中的具体实践。

参考文献

[1]高聚福.空间结构仿生工程学的研究[D].天津：天津大学，2012.

[2]马修・韦尔斯.世界著名桥梁设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.35～37.

[3]刘福林. 生物群落结构原型的仿生法模拟[J]. 生态经济，2008，16（7）：151～154.

优化设计与优化方法篇（11）

中图分类号：TU208文献标识码： A

引言

近年来在我国建筑行业的发展过程中，混凝土结构设计作为其中重要的内容，它的质量问题不仅对建筑结构的稳定性和可靠性有着严重的影响，还使得建筑物的功能无法得到充分的发挥。因此我们在对建筑混凝土结构设计时，就要对设计技术进行严格要求，只有这样才能使得工程施工的质量得到进一步的保障。

一、高层建筑工程混凝土结构选型

1、概念设计

为了保证高层建筑结构具有良好的抗震能力，需要设计人员在设计时采用结构概念设计。这种设计方式对建筑师以及结构设计师有很高的要求，必需严格地遵守结构概念设计的规范规程以及各项规定，设计过程中需要对建筑结构进行全面的分析，不能仅仅依靠计算来进行设计。在进行结构体系设计时，需要对结构选型以及平面布置的规律提高重视程度，选用具有较好的抗震能力以及抗风性能，并且经济性较高的结构类型，并要对结构进行计算简图的设计，保证结构的地震力有合理的传递，并保证在两个主轴方向有相近的动力特性。另外，概念设计可以保证高层建筑受到中等级地震后可以通过修复继续使用，而在遇到高等级地震时可以保证不倒。为保证“中震可修，大震不倒”的目标，需要专家对设计提出具体指标，对建筑的稳定性以及弹性进行完善的设计。此外，水平地震对高层建筑有双向的力，在进行结构概念设计时应考虑到建筑物各个方向上的受力情况。

2、结构选型

在进行结构选型时需要考虑三方面的问题：结构规则性问题、结构超高问题以及嵌固端设置问题。高层建筑的结构规范新旧版本有着很大的不同，在新规范中，对于结构的限制条件也有所增加。并且，新规范明文规定建筑不应采用严重不规则的设计方案。因此，结构工程师需要在执行新规范时多注意不同之处，避免施工设计时处于被动状态。建筑结构的总高度在抗震规范以及高度规范当中都有着严格的限制，新规范中对于超高问题有了新的规定，增加了除了a级高度建筑以外的b级高度建筑。所以在进行结构选型时需要注意控制超高问题。高层建筑往往带有地下室，因此结构设计工程师需要对嵌固端设置进行重视。

二、高层建筑结构设计的特点

1、侧向力具有重要的影响

侧向力的影响主要表现在结构内力、结构变形和建筑物土建造价三个方面。在低层建筑主要是用于承受自重、活载和雪载等垂直力以及风地震之类的水平力，其中由于水平荷载对建筑结构的影响不大，甚至可以忽略；在多层建筑中，水平荷载的影响比低层建筑大；然而在高层建筑中，水平荷载和地震力是结构设计的重点。

2、结构的刚度要适宜

建筑高度的增加，会增加建筑的侧向位移。所以在进行高层建筑结构设计时，不仅要注意结构的强度，还要使结构的刚度适宜，以确保结构既可以保持合理的自振频率，又可以控制好水平力作用下的层位移的范围。

3、结构的延性要保持良好

高层建筑结构相对于低层建筑所要承受的荷载要大些，并且地震对高层建筑的影响也比低层建筑大。要想提高建筑结构的抗震性能，就要从结构的承载力和变形能力两个方面入手。只有确保了结构强大的变形能力，才能减小地震对建筑物的损坏，避免建筑物倒塌。要想达到这样的效果，首先要保证结构具有足够的强度，然后是提高薄弱部位的变形能力，使结构具有很好的延性。

三、高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法

1、高强砼和高强钢筋的合理使用

在建筑施工过程中，钢的花费在建筑总花费中占有很大的比重。因此，对于钢的用量要进行严格控制，合理地使用高强钢筋，避免过度用钢造成建筑施工资金不足或紧张。同时对于地基较软弱的高层建筑，合理布置高强砼和高强钢筋并优化构件截面尺寸，不仅可以减少造价，还可以减轻地基载荷，方便施工。建筑物的自重越大，地震对其破坏的程度就越大，所以还可以通过减轻建筑自重来降低地震对建筑物的损坏，而合理使用高强砼和高强钢筋可以有效地减轻自重，达到降低造价和降低地震对建筑物破坏的程度。

2、注重剪力墙的平面布置

具体的要从以下几项做起:

(1)剪力墙的布置要遵循周边均匀和相对集中的原则，当然前提是要保证建筑的使用功能。通常情况下剪力墙的位置是布置在建筑物的楼梯间、电梯间处以及平面形状变化及恒载较大的部位，其间距也要控制好，间距过大或过小都不可以。

(2)剪力墙墙肢截面要简单规则，不宜太复杂，同时剪力墙结构的侧向刚度也要适宜。

(3)短肢剪力墙的数量不宜太多，因为较多的短肢剪力墙没有联合剪力墙的效果好，特别是全部为短肢剪力墙的情况决不能发生。

3、注重结构抗震性能

合理设计混凝土筒体的承载力和延性，这里特别强调了混合结构体系的高层建筑。为了保证高层建筑的抗震性能，型钢柱的设置位置与设置方法要根据建筑高度的不同而选择适用的。在混合结构体系的高层建筑，7度抗震设防且房屋高度不大于130m时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱；7度抗震设防且房屋高度大于130m及8、9度抗震设防时，应在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱。要想通过刚性连接框架平面内柱与梁的方法增强框架的刚度和水平承载力，降低水平作用力使楼层侧移的可能性，可使用以下方法:一是设置外伸桁架加强层；二是采用分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙刚接的方法；三是均匀布置贯通性的刚接桁架与抗侧力墙体。

4、混凝土的养护

大体积混凝土的养护工作对保障混凝土结构质量安全有着不可忽视的作用，必须得到重视。而在大体积混凝土的具体施工过程中，很多施工人员恰巧会忽略对混凝土的养护工作，只注重对混凝土的浇筑施工，致使大体积混凝土产生裂缝，从而给建筑结构的日后使用埋下安全隐患。并且如果没有及时处理裂缝问题，使裂缝继续扩大，就会对建筑结构的使用性能和安全性能造成恶劣影响。因此结束大体积混凝土的浇筑工作后，必须及时对混凝土进行养护。施工季节不同，养护手段也不尽相同。夏季施工时，由于温度较高，因此应该可通过洒水湿润来养护混凝土；冬季施工时，由于温度很低，因此可通过保温保湿措施来养护混凝土，另外，当环境温度低于5℃时应暂停大体积混凝土的浇筑工作，待温度达到5℃之后，再继续进行浇筑工作。在对混凝土进行养护期间，应时刻关注混凝土的内外温差情况，可通过循环水流量及进口的水温的调节来对内外温差进行控制，将其控制在5℃范围内。大体积混凝土的养护时间应在十四天以上，如情况特殊，则应结合实际情况将养护时间适当延长。

结束语

在建筑业高速发展的今天，高层建筑在城市建设中越来越普及。完善高层建筑混凝土结构设计可以保证高层建筑的质量与性能，从而促进我国城市的建设以及建筑业的发展。因此，在现代建筑过程中，需要严格对高层建筑混凝土结构进行设计，对高层建筑中影响建筑整体稳定性的结构的设计进行完善与提高，确保建筑工程的质量。

参考文献