工程結構優化設計概述精選(九篇)

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第1篇：工程結構優化設計概述范文

（長沙市規劃設計院，長沙410007）

摘要：建筑結構優化設計對于項目的成本控制起著重要的作用。在建筑結構優化設計中引入價值工程理論，通過功能成本分析，將技術問題與經濟問題緊密結合，以最低的成本費用，可靠地實現產品的必要功能，從而提高產品的價值，彌補設計工作的不足。本文通過價值工程在建筑結構優化設計中的使用，說明價值工程在結構優化設計中的意義，確保有效優選。

關鍵詞 ： 建筑結構；優化設計；價值工程

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0130-02

作者簡介：羅利波（1978-），男，湖南長沙人，高級工程師，研究方向為結構設計及加固。

1 建筑結構優化設計概述

1.1 傳統的建筑結構設計方法

傳統的建筑結構設計方法，過程大致是根據經驗給出一個設計方案和做法，用力學方法進行結構分析，檢驗結構及構件是否滿足規范規定的強度、剛度、穩定性、使用等方面的要求，或通過對少數幾個方案進行比較而選出可用方案。通常的步驟是假設、分析、校核、重新設計。

1.2 建筑結構優化設計方法

我國建筑結構設計優化設計理論研究始于六十年代，1973年錢令希教授發表《結構優化設計的近展》，將數學規劃法和準則法結合在一起，假定結構構件處于滿應力狀態，分別對構件進行優化。由于結構優化設計的重要性，很多學者對結構優化設計做出大量的研究，使結構優化設計理論研究不斷發展。1982年，錢令希教授在《我國結構優化設計的現況》中詳細總結了這十年的結構優化設計研究和應用方面的成果，為我國進行優化設計研究指明方向。2001年，大連召開第四屆WCSMO會議，30多個國際200多位學者參加了會議，會議內容包括結構與多學科問題的靈敏度計算、分析計算、優化設計及其工程應用等。

目前，建筑結構優化設計主要指結構綜合與優選，過程大致是假設、分析、修改設計、最優設計，這種修改設計是在滿足各種規范或特定要求的條件下，通過優化方法，從管理、技術、經濟各方面綜合考慮，采用結構優化程序、應用優化理論方法，找出最優級的方案（材料最省、造價最低、或某些指標最佳的方案），以達到最優目標。

1.3 大師對建筑結構優化設計的看法

中國工程院院士江歡成：“我國優化設計工作方興未艾，大有可為。它符合可持續發展和科教興國兩大戰略，它是我國建設方針的體現，是科學發展觀在建筑行業中的落實。優化設計工作，私企、民企對此態度積極，國企相對不夠重視。建議政府給予支持”。

中國工程院院士程耿東：“在建筑領域應用優化設計，不僅可行而且十分符合節約能源，保護環境的可持續發展觀。結構優化設計作為一種基于計算機的快速自動設計過程，可以在滿足規范等約束條件下得到優化的設計方案，降低成本造價，提高結構性能。增大使用空間，縮短施工工期，是設計者追求的終極目標，在建筑領域應用和推廣結構優化設計更有著不同尋常的意義，對設計單位、開發商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的環保設計理念，具有前瞻性，會帶來多贏”。

2 運用價值工程優化建筑結構設計

價值工程，是一門技術與經濟相結合的現代管理科學，是通過對產品的功能與費用系統分析，使之以最低的壽命周期成本，可靠地實現產品的必要功能的管理方法。運用這種方法，通過功能細化，去掉多余的功能，對功能實施重點控制，目的是以研究對象的最低壽命周期成本可靠地實現使用者所需功能，以獲取建設項目經濟效益、社會效益以及環境效益的最佳結合。

價值工程以功能分析為核心，著眼于建筑產品的壽命周期成本。建設費用、使用費用與功能水平的變化規律決定了壽命周期成本（圖1），隨著功能水平提高，建筑產品的使用費用降低，建設費用卻在增高，反之，使用費用增高，建設費用降低；建設費用C1的曲線和使用費用C2的曲線的交點所對應的最低壽命周期成本Cmin才是最低的，最低壽命周期成本Cmin所對應的功能水平F0是從費用方面考慮的最為適宜的功能水平。

價值工程的目標表現為產品價值的提高，是對象所具有的功能與獲得該功能的費用之比，可用公式表示為：價值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高產品價值的途徑：

某住宅小區在基礎設計前對方案對比優化設計。該工程場地穩定，無不良地質作用。場地類型為軟弱場地土，建筑場地類別屬II類，擬建場地可不考慮地震液化的影響。場地自上而下各地層為：

①素填土①：平均層厚10.78m，結構松散，未完成自重固結，局部有建筑垃圾分布，承載力低。

②粉質粘土②：分布連續，埋深大，層厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍濕，不宜選擇該層作為擬建多層建筑物基礎持力層，fa=240kPa。

③強風化板巖③：厚度較大，巖心呈塊狀，遇水易軟化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注樁），qpa=2500kPa（沉管夯擴灌注樁）。地下水：主要類型為強風化板巖③基巖裂隙水，微承壓性，該段地下水水量較少。在勘察期間，穩定地下水位埋深為5.32~13.20m，高程為52.77m~59.36m。擬建場地有一層地下室。地下水在直接臨水或強透水層中對混凝土具有中等腐蝕性，在弱透水層中不具腐蝕性；對鋼結構具弱腐蝕性。

可選樁型及優缺點：

①沉管夯擴灌注樁，優點：在樁端處夯出擴大頭，單樁承載力較高；樁身質量高；施工機械輕便；施工速度快、工期短、造價低；無泥漿排放。缺點：遇中間硬夾層，樁管很難沉入；遇承壓水層，成樁困難；振動較大，噪聲較高；屬擠土樁，設樁時對周邊建筑物和地下管線產生擠土效應；擴大頭形狀很難保證與確定。

②預應力管樁，優點：單樁承載力高；單樁承載力造價便宜；運輸吊裝方便；施工快、工效快，工期短。缺點：噪音大，擠土量大，會造成一定的環境污染和影響；打樁時送樁深度受限制，在深基坑開挖后截去余樁較多；在“上軟下硬、軟硬突變”的地質條件下，不宜采用錘擊法施工；不適合樁端持力層為遇水易軟化的風化巖層。

③長螺旋鉆孔灌注樁，優點：不受地下水位的限制，穿透力強，施工過程無噪音，振動小、無排漿、無塌孔，成樁效率高。缺點：樁身強度不足；樁底不能入巖，單樁承載力低。

④人工挖孔樁，優點：單樁承載力高；可以極大降低生產成本；適用于大型機械無法作業的山區；生產條件要求低，可多孔同時作業。缺點：機械化低，施工進度慢；成孔質量不易控制；現場施工不易控制。人工挖孔樁技術適合直徑超過800mm并且地下水較少或無水的土質，不適合地下水位高、有流沙、大水量沖擊區域、含水量多的淤泥、淤泥質土層等。

⑤旋挖樁，優點：鉆進能力強；不易產生泥皮，有利于增加樁的摩阻力，提高樁的質量；振動與噪音較低；成孔速度快，尤其在砂質土內成孔；機械設備較簡單。缺點：護壁相對較差，容易縮徑、塌孔；設備價格昂貴，設備維修費用高、時間長，工成本與其他成孔方式相對較高，卵砂石層中鉆進存在成孔困難。

以上5種方案，各有優缺點。利用價值工程理論，①、④兩種方案更具經濟性，滿足功能不變化同時降低造價，以此來提高產品價值。本工程多為墻下線荷載及柱下集中荷載，其墻柱荷載為5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（純地下室的框架柱），依據價值工程理論綜合比較采用人工挖孔樁基礎，以強風化板巖③為持力層，該持力層的樁的端阻力特征值為qpa=2100kPa，樁端進入持力層的深度大于等于≥1.0m，相鄰樁端底標高應按規范進行控制，平均樁徑為0.9~1.5不等（主樓部分），0.9~1.0不等（純地下室部分）；擴底直徑分別為1.3~2.4m（主樓部分），1.3~1.6m（純地下室）。施工完成后經濟效果良好。

3 結語

價值工程著重產品功能的分析，以最低的成本費用，可靠地實現產品的必要功能，提高產品價值，而這可以彌補結構設計優化的不足。所以，價值工程在結構設計優化中的運用，能夠很好地解決工程成本的控制，優選出最佳的設計方案。價值工程存在于項目進行的方方面面，設計、施工以及管理等等，不能只靠個別人員、部門，而要通過有組織的活動，發揮集體智慧，經過多個部門的配合，才能收到良好的效果，達到項目的利益最大化。

參考文獻：

[1]錢令希.我國結構優化設計的現況[J].大連工學院學報，1982（03）:1-5.

[2]張炳華，侯昶.土建結構優化設計[M].上海:同濟大學出版社，1998.

[3]蔡新，郭興文，張旭明.工程結構優化設計[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[4]李芳，凌道盛.工程結構優化設計的現況[J].工程設計學報，2002（12）:229-235.

[5]江歡成.優化設計的探索和實踐[J].建筑結構，2006（06）:1-24.

[6]程耿東，李剛.基于功能的結構抗震設計中一些問題的探討[J].建筑結構學報，2000（01）:5-11.

第2篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：拓撲優化技術；汽車設計；應用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.236

0 前言

作為結構優化設計的一門新技術，拓撲優化技術在汽車、機床、電子機械等領域中已經得到了廣泛地應用。傳統的結構優化設計具有一定的盲目性，完全依賴于工程師的經驗，并且需要做大量的實驗，周期較長且成本較高?，F階段，通過在結構優化設計的初始階段引入拓撲優化技術，大大提高了結構設計的合理性，改變了傳統的僅憑經驗來設計的理念。

拓撲優化技術是指在指定的設計空間內，重新規劃材料分布，使得部件的某種性能滿足設計者的要求。拓撲優化技術主要探討結構材料的分布形式和構件的聯結方式，運用去除材料、增加孔洞數量等拓撲優化形式，旨在使結構在滿足應力、位移等約束條件下，其強度或固有特性等指標達到最優。

1 拓撲優化技術概述

結構拓撲優化設計的主要思想是將結構優化問題轉化為材料優化問題，并在給定的設計區域內進行優化計算。拓撲優化設計的思路首先需給定材料類型和設計方法，在此基礎上得到既滿足約束條件又能使目標函數最優的結構布置形式。由于拓撲優化設計初始約束條件較少，工程師僅需給定設計域而不必清楚具體的結構拓撲形式。

拓撲優化設計是在指定的設計區域內，通過迭代過程計算求解材料最優分布的一種優化手段。以某種材料為例進行說明，首先需定義材料分布形式，再以靈敏度計算、結構分析、修改材料分布等方式進行迭代計算。經過多輪迭代優化后，材料分布逐漸趨于穩定，優化過程結束。對于連續體優化問題，通過計算通?？傻玫阶顑灥牟牧戏植夹问?，使設計結構達到最優。

在進行優化設計之前需明確設計區域、目標約束及分析類型模型等因素，用戶可直接監視優化過程，在優化結束后需對結果進行后處理。因拓撲優化后盡管結構最優，但局部區域仍不太完善，常需進行局部優化，如形狀優化等。局部完善后需根據結果對結構進行三維建模從而完成結構的拓撲優化設計。由于需要修改參數等原因，常需對某一步或整個過程進行反復迭代。

2 拓撲優化設計的研究方法

目前拓撲優化方法主要有以下三種，分別為變密度法、均勻化方法以及漸進結構優化方法[2]。

（1）變密度法就是將材料密度與特性之間建立某種聯系，假設材料的密度是可變的，其屈服極限、抗拉強度等物理參數與密度之間的聯系也是人為假定的。在進行拓撲優化時，以材料密度為設計變量，這樣結構的拓撲優化問題即轉換為材料的最優分布問題。

（2）均勻化方法是建立在均勻化理論基礎之上的，通過在拓撲結構材料中引入帶有孔洞的單胞結構，并將設計區域離散成多個微結構單胞集合體，經計算可實現對連續體的拓撲優化。通過均勻化方法計算，可確定結構材料密度呈 0～1 分布，最終得出最優的拓撲結構。目前廣泛應用于三維連續體、振動、熱彈性、屈曲及復合材料的拓撲優化分析。

（3）漸進結構優化方法（Evolutionary Structure Optimization，ESO）的基本原理是將結構中多余或低效的材料逐漸去除，從而使剩余的結構趨于合理。該方法物理概念簡單、明確、通用性好，易于被工程技術人員接受和理解，因此應用范圍較廣。ESO方法自提出以來，廣泛應用于各類結構的尺寸、形狀和拓撲優化，如應力、剛度、位移、振動頻率、響應等穩定性約束的連續體結構拓撲優化設計問題。

3 拓撲優化技術的應用

隨著計算機技術和數學優化算法的發展，拓撲優化技術取得了重大的成就，目前廣泛應用于汽車工業、航空航天、機械制造、機車和復合材料等設計領域。拓撲優化技術在汽車工業上的運用，國外起步較早且應用較廣泛，國內則相對較晚。汽車拓撲優化技術對象主要為車身本體構件、底盤和動力總成支架等；優化目標一般包括質量最小、能量吸收最優、柔順度最好等；約束通常涵蓋固有頻率、應力和最大位移等[3]。

在對某車身整體結構進行拓撲優化時，以質量最小化為目標，首先獲取整車的初始設計空間，以車身在實際工作過程中所承受的載荷為約束，并根據各種約束的重要程度分配不同的權重因子，在此基礎上對該車身結構進行拓撲優化。優化結果表明：車身結構在質量、設計成本、乘員艙空間及能耗指標均得到了很大程度的優化。

汽車底盤系統的許多零部件均是實心結構，如控制臂、轉向節、副車架等。因經驗設計往往存在多余，從而造成整個結構重量加大。因此，在對該類零部件進行設計優化時，常以質量最小為優化目標?？刂票垡再|量最小化作為目標，以結構的最大應力作為約束，通過對該結構進行優化減重效果明顯，比例達到 14%，結構應力控制在材料的屈服極限內。同樣，在對轉向節進行拓撲優化時，其目標設置為質量最小，約束為結構的應力和連接點位移。經過優化，轉向節強度大幅度提高。但在局部位置出現高應力集中現象，可通過后續設計，降低這些部位的應力水平，增強連接點的剛度。

對于支架結構，頻率和剛度是其關鍵指標。對某支架進行拓撲優化時，目標通常為質量最小，并將支架的一階頻率和載荷施加點位移控制在一定范圍內。經過優化，質量減少了 42%，應力也控制在材料屈服極限內。

4 結論

隨著環境問題和能源問題的日益凸顯，如何快速地研發出產品，對各汽車制造商都尤為重要。拓撲優化技術可在前期設計階段大幅度縮短項目的開發周期，并在滿足性能目標的前提下使得結構設計最優。通過該技術，可以為工程師在設計企劃階段提供大量的優化方案，對后期整車輕量化具有重要的意義。

參考文獻：

[1]范文杰，范子杰，桂良進.多工況下客車車架結構多剛度拓撲優化設計研究[J].汽車工程，2008，30（06）：531-533.

[2]劉林華，辛勇，汪偉.基于折衷規劃的車架結構多目標拓撲優化設計[J].機械科學與技術，2011，30（03）：382-385.

第3篇：工程結構優化設計概述范文

【關鍵詞】房屋結構設計 建筑結構 設計 優化

一、引言

針對建筑進行評價的指標比較多，同樣的，針對建筑性能評價的指標也多種多樣。一般的來講合格的、高質量的建筑，外觀應當是美觀且大氣，同時整個房屋建筑的基本結構完整、質量上乘，所使用的材料也相當考究。針對房屋結構設計的質量好壞、水平高低進行評價，對于整個建筑功能性的發揮以及整個建筑的后期使用均有著巨大的意義。所以，有必要針對房屋建筑的結構設計理念進行分析，對傳統的設計理論進行優化和改良，以現代化的審美標準來提高房屋結構設計的水準，促進我國建筑事業和相關設計行業的不斷發展。

二、建筑結構設計優化的基本理論

房屋結構設計，是一項技術含量很高的專業性活動。設計人員在進行具體房屋結構的設計時，應當兼顧建筑物的各種性能指標，包括使用價值指標、美學價值指標等。建筑物的功能價值，指的是建筑物作為人們的日常住所必須具有的遮擋風雨、抗溫度變化等基本功能；建筑物的審美價值，指的是建筑物的外形要美觀、結構搭配要協調，從而給人以美的享受。設計者不僅要考慮到房屋的基本性能，還要考慮到房屋的結構搭配以及美學價值的大小。在這樣的設計理念指引下，設計者就要從擬定的多種方案中選擇一種最佳方案，以實現房屋結構設計的綜合目標。我們可以將這個方案篩選過程用科學化方式加以表達，運用建筑學和相關的數學知識，在許多種設計方案中，選擇一種與設計目標最相符的、最能體現居住著需要的設計方案。

建筑結構設計優化，指的是在設計建筑結構時，要改革設計理念，應用科學、先進的設計方案篩選方式，選擇出在各方面都能達到最佳效果的設計方法。建筑物內部的結構十分復雜，要將建筑物的各個部分完美組合在一起，使建筑物發揮最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑結構設計優化，具體包括建筑區中各個部分結構設計的優化，以及建筑物整體設計結構的優化。在這兩個部分中，建筑區整體結構的優化顯得更為重要，因為整體是各個部分的綜合，在完善房屋高性能方面發揮著更大的作用。具體來說，建筑物整體結構的優化包括房屋頂部設計的優化、房屋設計的優化，以及房屋細節結構設計的優化。在這三個大部分中，還可以細分出型號選擇、布局設置、受力研究、價格衡量等較小的設計項目。在實際的結構設計中，設計者還要緊密結合建筑工程的實際情況，努力實現房屋建造的經濟效益、社會效益和環境效益。

在確保房屋結構性能穩定的前提下，設計者要大膽創新，敢于探索新型的結構優化方案。在進行建筑結構設計的過程中，設計者要平衡房屋使用者和建造者的利益，充分考慮房屋建筑工作者的意見；在滿足建筑物建造者需求的基礎上，尋求新式的房屋結構布局方法。

具體而言，房屋的平面結構應當憑證，體現出建筑物的對稱美，并盡量減小平面建造質量與房屋剛性結構要求之間的差異，使得房屋在承受較大的水平方向作用力時，不至于發生結構性的扭曲；在滿足居住著使用要求的基礎上，設計者應將房屋的承重結構設計成豎直貫通的形式，以便增強房屋對豎直方向壓力的承受能力；盡量不更換房屋原有的轉換結構。因為一旦更換這些結構，就會消耗大量的建筑原料，不符合房屋建設的經濟性的要求，還不比較容易造成外來壓力集中于某一個承受點上的現象；豎直方向的剛性程度設計要遵循漸變規律，避免剛性結構角度的突然改變。否則，角度突變的部位在受到強烈的水平壓力時，不容易轉移壓力，這對于房屋整體抗壓性能的提升是很不利的。

三、房屋結構設計優化方法概述

在建筑結構設計工作中，造價是極為關鍵的一個環節，也是整個工程中比例極為重大的問題。結構設計優化技術的選用對于造價控制極為關鍵，可以產生客觀的經濟效益。為此，建筑設計部門和有關工作人員在工作中必須要遵守經濟、適用、合理、科學的設計原則，精心設計，采取科學的現代化技術手段制定出能夠滿足建設設計、工作要求的設計方案，從而實現降低工程造價、取得工程最大經濟效益的目的。

1.結構設計優化技術分析

在剛從事建筑工程項目結構設計的時候，除了考慮到設計對象的基本使用功能以及安全可靠性之外，還應當在工作中考慮到將它作為設計對象來進行分析，使得其盡可能的達到完美。這就是工程和結構的最優化問題，是一個用科學的語言來描述的問題。對于利用確定的數學方法，在所能的設計方案的集合中搜索出可以讓人滿足、達到預計標準的方案。

結構設計優化方法從建筑理論上進行分析，主要是體現房屋工程分布結構的優化設計和整體結構優化設計兩個不同的方面。其中房屋結構整體優化設計則是一個涵蓋了房屋系統的設計、房屋圍護結構設計、房屋選型設計、房屋布置、房屋受力分析以及地面工程等多個環節的復雜工作。而局部設計主要是指對房屋某一部位和分項工程進行優化和改進的結果。

2.房屋結構優化設計的意義

就一個建筑工程項目而言，結構設計優化技術的應用不僅可以達到降低工程造價、提高工程效率的效果，而且對于實現房屋的美觀性、實用性以及室內空間的個性化布置有著重要的意義。在建筑市場上，每一個單位和企業都希望工程在滿足建筑結構長遠效益的基礎上，最大限度的減少和降低建筑結構的近期投資，同時保證建筑物的節后可靠性、科學性，也只有這樣，才能夠在工作中實現持續發展、可持續發展以及更多的市場經濟效益。

四、結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

結構設計優化方法和技術使用于實踐之中的一個廣泛課題，是建筑工程項目的整體設計、前期設計、抗震設計等多個部分環節組成，利用結構優化的方法不改變使用性能的前提降低工程造價，已取得巨大的經濟效益。

1.結構設計優化前注重事項

結構設計過程中，前提方案時明確設計方案目標的前提，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機構設計并不進行參與，設計者進行建筑設計時大多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.直覺優化（概念設計優化）技術與建筑結構設計

直覺設計用于沒有具體數量的情況下，由于不確定性和計算難度大等差異，在對于統一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是唯一的；建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷。而判斷只能在結構設計的一半規律指導下，根據工程實踐經驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。

3.概念設計處理的實際建筑設計問題

概念設計所要處理的問題是不確定的，多種多樣的，例如一些抗震能力。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或是破壞程度降至最低。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的做法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞。

五、結束語

綜上所述，只有合理地選擇建筑結構設計方案，不但可以滿足相應的技術要求，還能節約工程成本，因此在建筑結構優化設計時，合理的設計方案極其重要。但是建筑的結構優化設計非常復雜，且具有很強的綜合性，因此必須深入研究對建筑結構設計的優化方法。

參考文獻：

[1]周宏偉 芻議房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用[J] 四川水泥 2014（12）

第4篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：高層建筑； 結構； 設計； 優化

1 工程概況

某高層建筑屬綜合建筑。主樓占地面積9383 m2， 總建筑面積19537 m2，主樓高74.8 m， 地面以上19 層、地下1 層， 主樓建筑面積為12091 m2； 裙樓高3 層， 建筑面積為7 646 m2。建筑平面如圖l 所示。

圖1 建筑總平面圖

1.1 結構承重體系設計

綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求，以及主樓部分的抗側移設計要求， 裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式， 主樓采用框架―剪力墻承重結構體系。

1.2 建筑縫的處理設計

本建筑由主樓和裙房兩部分組成， 在二者的連接部位需設置建筑縫。考慮到主樓部分高度較高、結構有效重量大， 裙房部分高度較低， 因此二者間需設置防震縫和沉降縫。對于防震縫， 為避免主樓和裙房間連接部位留出較大的寬縫， 給裙房屋頂防水處理帶來困難， 本建筑采用“抗” 的方法。在結構分析時， 將主樓和裙房視為一個整體進行抗側力設計計算； 對于沉降縫， 結合主樓需設一層地下室的建筑要求， 設計中將主樓基礎設計成樁基礎， 而將裙房基礎設計成柱下條形基礎。

1.3 基礎設計

根據《工程地質勘察報告》提供的場地工程地質條件， 并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點， 主樓部分結合地下室的設計采用深樁筏板基礎， 以提高主樓結構的整體穩定性， 降低主樓部分的沉降變形。

裙房部分采用柱下條形基礎， 通過修工條形基礎的寬度來調整基底反力， 進一步控制裙房部分的基礎沉降變形， 使主樓結構和裙房結構在各自使用荷載作用下， 能產生基本上一致的基礎沉降變形量。

2 結構優化設計策略

鋼筋混凝土框架―剪力墻結構是高層建筑結構中最常采用的承載體系之一， 它具有框架結構建筑平面布置靈活， 能獲得大空間， 建筑立面易于處理， 以及剪力墻結構抗側移剛度大、整體性好、抗震能力強的優點。在水平荷載作用下， 具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框― 剪結構是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系， 力學分析難度較大， 其優化設計就更為復雜和難以實現。

2.1 框架結構的分部優化設計技術

鋼筋混凝土框架結構屬于具有多個多余約束的超靜定結構， 其荷載效應不僅與外荷載大小有關，還與結構構件的材料特征、幾何構造特征有關。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計， 即是在結構整體內力分析完成后， 根據梁柱各構件的控制內力進行截面優化設計， 確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征和配筋量的優化結果， 由此導致原結構的幾何特征和荷載特征發生變化。優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化， 各構件控制截面上的控制內力也發生相應變化， 據此再進行新一輪的優化設計。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計方法的具體步驟為：

a ） 初始選型： 根據結構平面、立面布置及建筑物設計使用功能， 分析結構所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線， 并考慮施工因素， 歸并框架梁、柱的類型， 初選梁柱的幾何尺寸。

b ） 結構分析： 按照結構的實際幾何構造特征，計算結構所受豎向荷載及水平荷載， 對鋼筋混凝土結構進行空間內力分析。根據結構分析結果， 將截面尺寸相同的構件來控制截面內力， 根據其大小進行分類， 并確定每一類構件的設計控制內力。

c ） 截面優化設計： 針對每一種梁柱構件的控制內力進行優化設計， 得出優化約束條件下的結構幾何構造特征和配筋特征的優化設計結果， 從而構成新的優化意義上的設計結構。

d ） 收斂性判斷： 在工程精度意義上選取一個較小的數值， 作為檢驗結構收斂性的條件， 進行收斂性判斷， 若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的， 可以轉入下一步的可行性判斷， 否則轉回第b ） 步重新進行結構分析、優化設計。

2.2 框― 剪結構的三階段優化設計策略

框―剪結構的設計主要涉及3個方面的優化問題：①結構最優設防水平的決策；②框架與剪力墻結構協同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設計；③框架―剪力墻結構構件的優化設計。

2.2.1 第一階段： 最優設防水平的優化決策

根據地震危險性分析結果或地震區劃規定， 在預測地震烈度概率分析基礎上， 用模糊綜合評判法計算結構的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預估期望值E（Id），在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）達到最小，求出最優抗震設防烈度Id。

2.2.2 第二階段： 剪力墻構件的優化設計

剪力墻結構構件的優化設計主要是結構剛度與延性指標的最佳組合， 可用力學準則進行優化。結構剛度對結構的影響主要為結構的自振周期和側向位移， 結構延性對結構的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此， 可用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性。根據高層結構設計規范對結構層間位移和頂點總側移的限值來控制結構的剛度設計和延性設計。

2.2.3 第三階段： 框架結構的優化設計

框架結構的優化設計準則是一個結構準則， 在一次整體分析完成之后， 可按照前述方法對框― 剪結構中的框架部分進行優化設計。

2.2.4 框― 剪結構的優化設計步驟

a ） 分析結構平面、立面布置特點， 根據工程經驗選定剪力墻抗側力構件的布置位置及幾何厚度；

b ） 根據結構使用荷載特點， 根據經驗歸并框架結構類型， 并初步選定每一類型框架結構梁柱構件的幾何尺寸；

c ） 進行整體結構的空間內力分析；

d ） 根據結構分析計算結果， 檢查結構的層間位移及頂點總位移是否滿足規范要求， 若滿足規范要求， 則轉入第e ） 步進行判斷； 若不滿足規范要求， 則直接返回第a ） 步， 進行剪力墻水平截面面積的修正；

e ） 剛度最優化判斷： 比較結構實際側移值和規范限值， 若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，則轉入第f） 步進行計算； 否則轉入第a ） 步， 并用原剪力墻厚度乘以修正系數，來修正剪力墻幾何尺寸， 重新進行結構分析；

f ） 分別進行剪力墻和框架結構構件的截面優化設計；

g ） 收斂性判斷： 比較優化結構與原結構的接近程度， 若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的， 可以轉入下一步進行可行性判斷， 否則將優化結構作為原結構轉回第c ） 步重新進行結構分析、優化設計。

第5篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞:房屋建筑結構;設計;優化技術

1房屋建筑結構設計中的優化技術概述

房屋建筑結構設計中的優化技術主要是指在保證房屋建筑質量的條件下，在盡量降低成本的條件下，通過優化設計方案，完成房屋建筑的結構設計。對房屋建筑結構進行優化設計，一般分為主體結構的優化和子結構的優化。從部分結構設計優化方面來分，又分為上部屋頂結構設計、中部主體結構設計和下部基礎結構設計。此外還包括建筑結構選型、建筑結構受力設計、建筑結構的布置設計等內容。總之，要以房屋建筑的主體性結構為主，在保證設計滿足房屋建筑質量與安全的基礎上進行優化。同時，要注重工程造價，這對建筑企業的經濟效益具有重要作用。不能盲目追求結構設計的優化，要在合理的資金投入范圍內，既滿足房屋建筑的實際居住需求，又兼顧房屋的美觀程度。在優化過程中，要對房屋建筑結構進行科學分析，有針對性地進行。

2房屋建筑結構設計中優化技術的意義

在房屋建筑工程結構設計中，保證建筑工程的質量是關鍵。在保證安全與質量的基礎上，對建筑結構進行整體分析、考量，對相關數據信息進行綜合評價，找出結構設計上的不合理之處，或者在結構設計上尋求創新，采取有效、有針對性的優化措施，不僅能夠使房屋建筑的結構更加科學、合理，在一定程度上還會降低施工成本，降低了整個工程的造價，有利于提高建筑企業的經濟效益，促進建筑工程的不斷發展。

3房屋建筑結構設計中的優化技術應用具體分析

3．1房屋建筑基礎結構的優化設計

在房屋建筑結構優化設計中，首先就是地基的優化設計。地基結構設計是整個結構設計的基礎，這是保證建筑工程順利進行設計與施工的關鍵。特別是在建筑行業發展迅速的背景下，市場競爭越來越激烈，相關政策制度對地基結構設計的要求也越來越高，為了保證建筑工程的性能，滿足人們的實際需求，需要相關設計人員認真考察建筑區域的實際情況，同時結合建筑物的實際情況，科學、合理地制定地基結構設計方法，對此進行優化設計，力求選擇造價最低、性能最好、結構設計最優的方案進行施工。

3.2案例分析

對于地基基礎結構的優化設計，首先，要科學地選擇合理的設計方案，如果是樁基礎，樁基類型要根據施工場地的具體地質條件來選擇，在保證設計質量的同時，盡量降低造價。對于樁端持力層進行仔細分析、比較，最后確定最佳的方案。3.2．1案例1某工程位于福州市晉安區鼓山鎮化工路北側、東山路西側，方位示意見圖1，根據相鄰地塊已施工完基礎項目的判斷，采用管樁的造價比沖孔樁的造價高。因此，前期慎重樁基選型極為重要，可以從以下幾方面綜合考慮。1)根據地質提供的資料初步計算，判斷管樁和沖孔樁的經濟性。地質土層分別為:①雜填土，厚度1.5～3.60m;②粉質黏土，厚度0.60～6.50m;③淤泥，厚度4.50～10.20m;④含碎石粉質黏土，厚度0.80～5．10m;⑤粉質黏土，厚度1.20～14.40m;⑥淤泥質土，厚度2.20～7.80m;⑦卵石，厚度0.90～6.10m;⑧全風化花崗巖，厚度1.30～8.30m;⑨砂土狀強風化花崗巖，厚度1.90～29.60m;⑩以下為碎塊狀強風化巖及中風化巖。2)采用PHC500－125AB管樁(承載力特征值2400)，根據項目部提供的造價大概為145元/m，由于存在卵石層，管樁無法穿透，后期補樁30根，而且淤泥層厚度超8m，違反省標規定，因此，必須采用水泥土攪拌樁固化土層。見表1。2)采用800灌注樁(施工方式不討論)，持力層為中風化層，并使用后注漿工藝，且參考其他項目承載力特征值取5000，見表2～3。4)由于現場地面有較多的雜填土，地面上存在較厚的淤泥，管樁走機需采用地面處理，按工程部提供的數據，現場換土的平均深度為2.5m，挖方的價格為70元/m3，磚碴回填為40元/m3，以5#的施工范圍(1500m2)計算，總費用為42萬元。5)從工期考慮，管樁施工日期為8月17日～11月12日，將近90天，灌注樁按照平均3天一根，5臺機，大概需要70天，時間也相近。綜上所述，152－65－27.4－42=17.6萬元，雖然管樁比灌注樁便宜，但是管樁在施工前，需要對場地進行處理，施工工期反而比灌注樁長了，考慮整個工程的貸款利息，采用灌注樁反而節約成本。3.2.2案例2天津市某項目對于高層地庫頂板結構方案問題進行了優化處理，減少地庫土建投資約15元/m2，造價經濟，施工方便，效果美觀。1)天津地區一般做法。目前地下車庫設計中一般選用兩種樓蓋形式:梁板樓蓋和無梁樓蓋。梁板樓蓋體系簡單，計算軟件模擬度高，天津地區建筑結構樓面采用梁板結構較多。2)本項目結構優化做法。地下車庫一般頂板荷載較大，抗側力要求較低，設備管道較多，無梁樓蓋較之傳統的梁板結構體系具有建筑效果好、有效降低地下室層高、方便設備安裝等優點，非常適合采用無梁樓蓋作為地下車庫頂板。本項目施工圖開始前，選取標準5跨8．1×8．1(m)網格進行計算，我們對采用兩種結構方案的地庫頂板結構做了詳盡對比，見表4。3)成果。通過以上對比可以看出，若采用無梁樓蓋方案，則采用350mm板厚+700mm柱帽的無梁樓蓋結構最為經濟。在有消防車荷載作用下，梁板結構較無梁樓蓋結構節省10元/m2，在無消防車荷載作用下，梁板結構較無梁樓蓋結構造價高出10元/m2。但有消防車荷載的地庫所占面積比例較小，且采用無梁樓蓋方案，地庫層高可由3700減至3500，可減少土方開挖、降低豎向構件等成本，根據以往的經驗數據分析，如果地庫層高減少200mm，則可減少地庫土建投資約15元/m2。天津地區由于地下車庫內采暖與通風排煙管道較多，且因嚴寒天氣給水、中水及采暖管路均需做保溫，管路較多及保溫厚度等因素對車庫的層高影響較大，通常天津地區地下車庫層高在3600mm以上，本項目無梁樓蓋方案層高為3500mm，在天津地區已達到較高水平。采用350mm板厚+350mm柱帽的無梁樓蓋方案，造價上較經濟，施工也較方便。施工完工后建筑效果較為美觀。

4結論

綜上所述，房屋建筑結構設計中應用優化技術，是我國建筑行業快速發展的實際需要與具體要求。建筑設計人員要不斷提升自身的專業設計能力，根據建筑工程的實際情況，有針對性地采用合理的優化技術，對建筑結構進行優化設計，不斷提高設計水平，促進建筑行業健康、穩定發展。

參考文獻

［1］徐凌云．探討房屋建筑結構設計中優化技術的應用［J］．中國房地產業，2016，31(15):91－92．

第6篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：高層建筑； 結構； 設計； 優化

1 工程概況

某高層建筑屬綜合建筑。主樓占地面積9383 m2，總建筑面積19537 m2，主樓高74.8 m， 地面以上19 層、地下1 層，主樓建筑面積為12091 m2；裙樓高3 層， 建筑面積為7 646 m2。

1.1 結構承重體系設計

綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求，以及主樓部分的抗側移設計要求， 裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式， 主樓采用框架―剪力墻承重結構體系。

本建筑結構在主樓抗側力構件設計中，剪力墻主要承擔水平作用， 框架承擔少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形， 樓梯均設置在角部位置。為提高主樓結構的抗扭能力，剪力墻結合樓電梯間設在主樓結構的兩個對角位置， 具體厚度根據高層建筑結構設計的變形限值， 由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。

1.2 基礎設計

根據《工程地質勘察報告》提供的場地工程地質條件， 并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點，主樓部分結合地下室的設計采用深樁筏板基礎， 以提高主樓結構的整體穩定性，降低主樓部分的沉降變形。

裙房部分采用柱下條形基礎，通過修工條形基礎的寬度來調整基底反力，進一步控制裙房部分的基礎沉降變形，使主樓結構和裙房結構在各自使用荷載作用下， 能產生基本上一致的基礎沉降變形量。

2 結構優化設計策略

鋼筋混凝土框架―剪力墻結構是高層建筑結構中最常采用的承載體系之一， 它具有框架結構建筑平面布置靈活， 能獲得大空間， 建筑立面易于處理， 以及剪力墻結構抗側移剛度大、整體性好、抗震能力強的優點。在水平荷載作用下， 具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框― 剪結構是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系， 力學分析難度較大， 其優化設計就更為復雜和難以實現。所以， 盡管國內外學者對此做過許多有益的嘗試， 但框― 剪結構的優化設計還存在很多具有重大工程意義和科學意義的課題。

2.1 框架結構的分部優化設計技術

鋼筋混凝土框架結構屬于具有多個多余約束的超靜定結構， 其荷載效應不僅與外荷載大小有關，還與結構構件的材料特征、幾何構造特征有關。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計， 即是在結構整體內力分析完成后， 根據梁柱各構件的控制內力進行截面優化設計， 確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征和配筋量的優化結果， 由此導致原結構的幾何特征和荷載特征發生變化。優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化， 各構件控制截面上的控制內力也發生相應變化， 據此再進行新一輪的優化設計。因此框架結構的分部優化設計實際上是一個迭代、漸進的尋優過程， 計算結果雖不能總等價于整體優化設計結果， 但通常能給出工程實用的滿意結果。

鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計方法的具體步驟為：

a ） 初始選型： 根據結構平面、立面布置及建筑物設計使用功能， 分析結構所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線， 并考慮施工因素， 歸并框架梁、柱的類型， 初選梁柱的幾何尺寸。

b ） 結構分析： 按照結構的實際幾何構造特征，計算結構所受豎向荷載及水平荷載， 對鋼筋混凝土結構進行空間內力分析。根據結構分析結果， 將截面尺寸相同的構件來控制截面內力， 根據其大小進行分類， 并確定每一類構件的設計控制內力。

c ） 截面優化設計： 針對每一種梁柱構件的控制內力進行優化設計， 得出優化約束條件下的結構幾何構造特征和配筋特征的優化設計結果， 從而構成新的優化意義上的設計結構。

d ） 收斂性判斷： 在工程精度意義上選取一個較小的數值， 作為檢驗結構收斂性的條件， 進行收斂性判斷， 若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的， 可以轉入下一步的可行性判斷， 否則轉回第b ） 步重新進行結構分析、優化設計。

e ） 可行性判斷： 對優化設計結果進行一次內力分析， 檢驗其可用性， 若整體分析能夠滿足工程設計要求， 則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果。否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整， 直到方案可用為止。

2.2 框― 剪結構的三階段優化設計策略

框―剪結構的設計主要涉及3個方面的優化問題：①結構最優設防水平的決策；②框架與剪力墻結構協同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設計；③框架―剪力墻結構構件的優化設計。

2.2.1 第一階段： 最優設防水平的優化決策

根據地震危險性分析結果或地震區劃規定， 在預測地震烈度概率分析基礎上， 用模糊綜合評判法計算結構的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預估期望值E（Id），在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）達到最小，求出最優抗震設防烈度Id。

2.2.2 第二階段： 剪力墻構件的優化設計

剪力墻結構構件的優化設計主要是結構剛度與延性指標的最佳組合，可用力學準則進行優化。結構剛度對結構的影響主要為結構的自振周期和側向位移， 結構延性對結構的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性。根據高層結構設計規范對結構層間位移和頂點總側移的限值來控制結構的剛度設計和延性設計。

2.2.3 第三階段：框架結構的優化設計

框架結構的優化設計準則是一個結構準則，在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對框― 剪結構中的框架部分進行優化設計。

2.2.4 框― 剪結構的優化設計步驟

a ） 分析結構平面、立面布置特點，根據工程經驗選定剪力墻抗側力構件的布置位置及幾何厚度；

b ） 根據結構使用荷載特點，根據經驗歸并框架結構類型，并初步選定每一類型框架結構梁柱構件的幾何尺寸；

c ） 進行整體結構的空間內力分析；

d ） 根據結構分析計算結果，檢查結構的層間位移及頂點總位移是否滿足規范要求，若滿足規范要求，則轉入第e ）步進行判斷；若不滿足規范要求， 則直接返回第a ）步，進行剪力墻水平截面面積的修正；

e ） 剛度最優化判斷： 比較結構實際側移值和規范限值，若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，則轉入第f） 步進行計算； 否則轉入第a）步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數，來修正剪力墻幾何尺寸， 重新進行結構分析；

f ） 分別進行剪力墻和框架結構構件的截面優化設計；

g ） 收斂性判斷：比較優化結構與原結構的接近程度，若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的，可以轉入下一步進行可行性判斷，否則將優化結構作為原結構轉回第c）步重新進行結構分析、優化設計；

h ） 可行性判斷：對優化設計結果進行一次內力分析，檢驗其可用性，若整體分析能夠滿足工程設計要求， 則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果；否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整，直到方案可用為止。

第7篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：方程式賽車；拓撲優化；hypermesh

引言

方程式賽車車架是賽車的重要的組成部分，它需要承載駕駛員與各種總成的重量，以及來自賽道的全部力。因此車架的強度、剛度直接決定整車的安全與性能。根據往屆大賽比賽成績來看，排名靠前的車隊都有性能優異、質量較輕的車架，這是因為車架占整車質量的比重較大，車架的性能直接影響整車動力性、經濟性。而賽車的各個組成部分大部分是直接選擇成品，并沒有多大設計空間，因此設計一個既輕又擁有較好力學性能的車架顯得尤為重要。

文章基于連續體拓撲優化理論，利用hypermesh中的OptiStruct模塊并結合FSC大賽規則以及賽車四種工況對車架進行拓撲優化，初步設計出賽車車架的雛形，為車架方案的優化與最終確定指明方向。使得車架在符合大賽安全要求的前提下，獲得更合理的結構、更輕的質量，從而獲改善整車的經濟性與動力性。

1 理論概述

1.1 拓撲優化方法介紹

拓撲優化包括變密度法、變厚度法、漸進結構優化法和水平集方法等[1]。

變密度法是根據均勾化方法得到的一種有效的結構優化方法，變密度法不引入微結構，而是賦予有限元單元0-1的假想密度，設計變量為假想密度，目標函數為結構柔順性，之后設置材料彈性模量、泊松比等材料參數，將位移和載荷設置為約束條件對設計變量進行優化，并對有限單元的假設密度賦予一個闊值，隨著迭代過程的進行，密度大于闊值的單元被保留，密度小于闊值的單元被刪除，因而優化區域的體積不斷減小，最后留下的區域便是最終的拓撲優化結果。變密度法的數學模型為：

1.2 拓撲優化流程

拓撲優化設計流程如圖1所示。

2 拓撲優化

2.1 模型建立

根據FSC大賽規則，參賽大學生方程式賽車車架必須包含：（1）主環、（2）前環、（3）防滾架斜撐、（4）側邊防撞結構前隔板、（5）前隔板、（6）前隔板支撐系統等結構[2]。

車架所使用的材料使用用高強度4130鉻鉬鋼圓管，材料的抗拉強度σb（MPa）：930、屈服強度σs（MPa）：785，并初步設計采用直徑25.4mm壁厚3mm的鋼管。

由于賽車車架前環和主環結構有大賽規則有特殊要求，所以在拓撲優化中作為非設計區域單獨設計出來。并且車架后部由于發動機等總成的限制，優化設計空間比較小，所以文章只對車架前部駕駛艙做拓撲優化研究。

在CATIA軟件中，根據上幾代車型車架結構、造型，設計出前環主環的位置，及前防撞支架的形狀位置，并用單體殼模型包絡出新車架的大體輪廓，為拓撲優化做準備。

2.2 網格劃分

網格類型的選擇：文章中使用RBE2和RBE3單元類型對3D模型進行網格劃分。

網格尺寸的選擇：綜合考慮分析結果的精度和效率，文章選擇網格尺寸為10mm。

網格疏密的調整：為了保證優化計算的效率已經分析結果的精度，在結構簡單規則處調整網格密度稀疏一些，在結構復雜處網格密度適當加密。

網格質量的檢查：檢查翹曲度、長寬比、扭曲角、雅克比值、最大內角、最小內角等值均在合理范圍內[3]。

賦予材料屬性：此方案所設計車架所用4130鋼管的彈性模量為EX=2.05e11pa、泊松比PRVX=0.285、密度DENX=7850kg/m3。單體殼的厚度選擇25.4mm與鋼管直徑一致。

2.3 計算載荷的確定與邊界條件的處理

工況設定：由于FSC方程式賽車大賽中有多個比賽環節，賽車需要經受多種不同的載荷與賽道激勵，為了使設計更符合實際需求，文章在優化設計中設置了四種典型工況來模擬賽車的真實情況。

（1）彎曲工況：約束左右后懸架連接點處的Z方向自由度、左前懸架連接點處的XZ方向自由度、右前懸架的YZ方向自由度，釋放其余自由度。

（2）扭轉工況：約束左后懸架連接點處的所有自由度、右后懸架XZ方向自由度、左前懸架YZ方向自由度，釋放其余自由度[4]。

（3）緊急制動工況：僅釋放左右后懸架Y方向自由度，約束其余自由度，并沿X軸正方向給車架施加1.5倍重力加速度。

（4）急速轉彎工況：釋放左前懸架的Y方向自由度、后懸架的XY方向自由度，約束其他方向自由度，并沿Y軸正方向給車架施加1.5倍重力加速度。

定義優化變量：設置所包絡的車架輪廓單體殼模型所有有限元單元密度為？濁i，其中ε

定義響應：最小化柔度；優化后保留材料體積占初始優化區域的體積百分比。

創建約束：本分析設定的約束條件為體積比為0.3。

創建目標：創建拓撲優化設計目標為最小化柔度。

2.4 優化結果分析

經過18次迭代，優化結果趨于收斂，總柔度收斂曲線如圖5所示：

圖6中淺色部分表示假想密度為1的單元（要保留的部分），深色部分表示假想密度為0的單元（要去除的部分），其他顏色表示假想密度介于0-1之間的單元[5]。

從結果可以發現，拓撲優化單元密度分布圖中，淺色和深色區域較多，介于淺色、深色之間的部分較少，形成了較為明確的拓撲優化模型。并且模型邊界清晰，結構對稱，符合設計要求。

參考文獻

[1]姜立 .FSC賽車車架結構動態特性分析與優化設計[D].北京信息科技大學，2013.

[2]中國汽車工程協會.2011中國大學生方程式汽車大賽規則[S].

2011.

[3]喬邦.基于有限元分析的大學生方程式賽車車架結構強度優化[D].

河南科技大學，2012.

第8篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：多層框架；結構設計；問題對策

我國建筑行業的發展完善，對建筑材料的要求越來越高。我國作為鋼材料的使用大國，每年使用的鋼材料位于世界的首位，鋼材料的使用為鋼結構事業提供了巨大的發展機遇，也促進了我國鋼結構多層框架的發展，為鋼結構住宅的發展奠定了基礎。多層框架結構鋼筋的設計使用是現在我居民住宅建設主要使用的方式之一，不僅節省了工程材料更使建筑更加的美觀，提升了居民的生存環境，為我國建筑行業的發展提供了更加廣闊的空間。下面本文就多層框架結構鋼筋進行進一步的研究分析。結構優化設計是將力學概念與優化技術結合起來，以計算機為工具，在滿足各種規范和規定的前提下，來研究結構最優設計方案的一種方法。與傳統的結構設計相比，結構優化設計更科學，其設計方案更為合理，能夠達到經濟性與安全性的協調與統一。進行結構優化設計的應用研究，具有很大的現實意義。

1、結構優化設計理論

1.1概述

傳統的結構設計實際上就是結構的力學分析與安全校核。它是由設計者根據自己的工程經驗通過自己的判斷，按設計要求來擬定出最初的設計方案然后對此方案進行力學方面的計算，以確保結構的安全。有時為了達到更合理的設計方案，往往需要修改初始方案的結構布局、構件尺寸和材料選型，再進行計算分析，直到得出各方面都比較滿意的結果。因此，傳統的結構設計效率不高，并且設計方案的好壞很大一部分都取決于設計者的經驗和水平，很有可能并不是最優的設計方案。相對于傳統的結構設計，結構優化設計把力學概念與優化技術結合起來，在滿足各種規范和規定的前提下，以變量的形式給出了部分參與結構設計的量，來完成結構所有可能的設計方案。然后再借助于數學手段，在結構設計方案域中找出可行的最優方案。結構優化設計的出現，使結構的設計變為主動，不僅可以減少設計的工作量，提高設計效率，而且還可以提升設計質量和水平，取得了更大的經濟效益。

2、鋼結構體系存在的問題

2.1鋼材料浪費的情況嚴重

隨著鋼材料的應用，多層框架結構鋼筋也逐漸應用到人們的生活當中，雖然體制機制還不完善，但是，多層框架結構鋼筋成為現代居民建筑的主流。據目前來看，我國是鋼材料使用大國，同時鋼材料量浪費的情況比較嚴重，這不僅影響資源的浪費，還會阻礙多層框架結構鋼筋的發展。隨著鋼材料浪費的增多和使用范圍的增大，我國鋼材料也逐漸的減少，由于現在多層框架結構鋼筋技術還不完善，與發達國家的發展還有很大的差距，因此，必須減少鋼材料浪費的情況，加大科技投入，保障多層框架結構鋼筋的進步和完善。

2.2多層框架結構鋼筋體制機制不完善

由于我國多層框架結構鋼筋與發達國家相比發展的比較晚，所以其技術水平不完善，相關的法律法規建設也不全面，體制機制也沒有滿足現代多層框架結構鋼筋的發展需求，致使，多層框架結構鋼筋的發展過于自主化、隨意化，沒有統一的標準進行規范，這不僅阻礙了多層框架結構鋼筋的發展，還影響建筑行業的順利開展和人民生活水平的改善，因此，必須加強多層框架結構鋼筋發展的體制機制，完善無發展內容，進行統一的管理，卻保其健康有序地發展。

2.3施工人員自身素質低

就目前來看，我國建筑行業的施工人員整體素質還有待提升。多層框架結構鋼筋是我國目前和未來建筑的主流，因此，提升施工人員的技術和是知識水平，加大對西方先進技術的吸收，并結合自身得建筑特色進行有效的結合，形成自己的發展方案，對施工人員進行知識技能培訓，并且進行考核，對于考核通過的人員實施獎勵，為通過的人員繼續學習，以達到需要的標準為止。

3、多層鋼框架的結構分析與設計

3.1多層鋼框架結構受力變形特點

鋼框架結構體系'中的每一棍框架在縱、橫兩個方向上均采用剛接，這些剛接框架不僅承受垂直荷載的豎向作用，還要承受水平荷載的側向作用。水平荷載對結構的作用主要表現在兩個方面水平荷載對整體結構的傾覆力矩和各層結構承受的水平剪力。因此，結構也就產生了由這兩方面作用共同引起的側移。在結構的傾覆力矩的作用下，框架柱產生底層較小，越往上越大的軸向變形，此時整個結構發生彎曲型變形在各層結構的水平剪力的作用下，梁、柱均出現反彎點，形成底層層間側移最大，向上層間變形依次減少的變形，此時整個結構發生剪切型變形。在框架結構的總側移變形中，剪切變形是主要的。隨著結構總高度的增加，彎曲變形在總側移變形中多占的比例會增大。針對多層鋼框架結構，由于層數不高，彎曲變形所占比例只有一，所以多層框架可以看成剪切型抗側力體系。

針對這種剪切型抗側的多層鋼框架結構體系，規范按結構正常使用極限狀態的要求，對結構的水平位移進行了限制。規定在風荷載標準值作用下，框架柱柱頂水平位移和層間位移相對值，不宜超過下列數值（H為自基礎頂面至柱頂的總高，h為結構層高）：

（1）多層框梁柱頂位移（H/500）

（2）多層框架層間相對位移（h/400）

本文所研究民用住宅僅為層，由于層數較低，水平荷載作用的側移不會很大，一般來說起不到控制的作用。

3.2多層鋼框架結構分析的基本要求與原則

采用的計算模型和基本假定要盡力的與構件連接的實際性能相符合。在鋼框架結構中，梁柱的剛性連接應符合受力過程中梁柱夾角不變的假定，同時連接應具有充分的強度，使它能夠承受交匯構件端部所傳遞的所有最不利內力。對于框架結構的內力分析，可以采取一A彈性分析的方法，也就是以未變形的結構簡圖為分析對象，不考慮結構在荷載作用下的變形對結構內力分布的影響。對內力的影響不能忽略的結構需要采取二階分析，比如懸索屋蓋結構在重力荷載作用下的位移比較大，如果采用一階分析的方法來計算內力會導致可靠度不足。

4、結束語

多層框架結構鋼筋最為現階段我國建筑行業主要的形式之一，多層民用的鋼結構房屋具有廣發的發展前景，值得進一步投資和發展，但是多層民用鋼結構的起步相對較晚，多層民用鋼結構的體制機制還不完善，其發展設計還沒有成熟，與發達國家的先進技術還有一部分差異，這不僅會增加建筑施工的成本，還不利于多層民用鋼結構的完善和發展，為節省建筑的成本，促進多層民用鋼結構的完善，優化多層民用鋼結構的設計設計不可避免的道路，并在實際的應用中起到指導作用。

參考文獻：

[1]陳紹蕃，顧強鋼結構，第三版[M].北京：中國建筑工業出版社，2003

[2]郭兵，紀偉東等.多層民用鋼結構房屋設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005

第9篇：工程結構優化設計概述范文

關鍵詞：建筑結構;設計優化;重要性;流程;應用

1、建筑結構設計優化的重要性

建筑結構設計優化，指的是在設計期間創新設計理念，采用科學的方法對設計方案進行優化和篩選，最終保證設計方案能滿足各方面需求。房屋結構設計工作中，采用設計優化方法的作用如下：第一，在保證建筑質量的基礎上，可以提高經濟性、美觀性；第二，能夠節約建筑成本，有效保護建筑周邊的自然環境。由此可見，應用設計優化方法，能夠提高房屋建筑的綜合效益，滿足不同用戶的需求，同時為建筑企業帶來更大的經營利潤。和傳統的建筑結構設計方法相比，設計優化能夠降低建設成本，調查顯示能降低30%左右。具體分析認為，通過設計優化，其一能充分利用各種建筑材料和資源，尤其是對內部結構單元進行協調，提高空間使用率；其二實現設計上的創新，在保證建筑安全的基礎上，延長使用壽命，保護居民的人身財產安全；其三能幫助設計人員認真選擇設計方案，提高設計的科學性、合理性。

2、建筑結構設計優化方法的流程

2.1結構模型設計。第一步，選擇變量。從實際設計工作中來看，重要的數值、參數是決定設計方案的依據，這些數據可以作為變量使用。舉例來說，在建設目標中，包括價格參數、預期損失參數；在工程控制中，包括房屋結構的可靠性參數。設計人員應該選擇變化小、干擾少的參數，才能降低結構設計難度，盡早確定滿足設計目標的數據。第二步，確定函數。在多個類似的函數中，設計人員應該選擇出最佳的函數，要求滿足房屋截面尺寸、鋼筋尺寸面積，然后對函數的性質進行分析，以降低建設成本。第三步，衡量條件。從房屋結構的安全性、耐久性出發，設計約束指標包括房屋尺寸、架構剛度、變形限度、受力特點、單元組件、墻體裂隙、結構可塑性等。而且，還要考慮到房屋結構的實際情況，保證各個條件都滿足規定要求，實現設計方案的最優化。2.2確定計算方法。房屋結構的設計伴有大量的計算過程，對結構設計進行優化，就是基于復雜變量和多種設計條件下的計算。對于設計人員而言，計算過程中應該演算各種數據，將附加約束條件轉變為不附加約束條件，方便得出計算結果。另外，計算方法的種類較多，而且各自具有優點和缺點，應該根據現實條件選擇出最為簡便的計算方法，以節約計算時間、減輕計算工作量。2.3選擇最優程序。確定房屋結構模型，并經過計算之后，下一步就要求設計人員從中選擇最優程序。對于最優程序的要求，一是具有完整的功能，二是可以高效運轉。這種程序是由多個小程序組合而成，在結構設計中具有重要作用。2.4分析統計結論。面對最優程序和計算結果，此時設計人員要對統計結論進行分析，明確不同設計方案之間的相同點、不同點，綜合分析后確定最佳設計方案。由于房屋建設成本高，會涉及多個當事人的利益，因此設計人員應該從多個角度進行思考[3]。例如從宏觀角度分析各種利益關系，處理好經濟效益和技術含量之間的關系。值得注意的是，片面追求經濟效益、不顧技術創新的做法是不可取的；應該在保證技術含量的基礎上，盡量降低經濟成本。

3、在房屋結構設計中的具體應用

3.1整體和局部優化?？v觀建筑工程設計的共同特點，主要是復雜性、層次性兩個方面。具體到復雜性，指的是原材料、零部件、結構類型的確定；具體到層次性，指的是結構體系、安裝體系、設計體系等，每個體系又包含著諸多下屬體系。房屋建筑結構的設計工作，要求設計人員從每個下屬體系入手，打破不同布局之間的關聯性，實現工程疊加的效果。由此可見，房屋建筑結構的優化設計，應該將落腳點放在整體上，而不是局部上，只有這樣才能滿足設計要求。3.2基礎結構優化。基礎是房屋建筑結構的關鍵部位，基礎質量決定了建筑整體的質量，因此對基礎結構進行優化具有重要意義。從基礎結構類型來看，常見如樁基礎、條形基礎、獨立基礎等，優化內容在于基礎設計應該滿足施工標準，考慮到地質條件的差異性。以樁基礎為例，計算抗拔樁的承載力時，首先應該從土層參數入手，確定承載力特征值；然后根據這一數值計算出抗拔樁的鋼筋數量，確保滿足承載力要求；最后實施靜載試驗，從實驗數據評價樁基礎設計的科學性。3.3上部結構優化。建筑工程的上部結構具有多種類型，因此設計優化方案也應該具有針對性，具體如下：第一，磚混結構，優化設計時應該避免在承重墻上開較大洞口；設置構造柱、墻垛長度、建筑層數時，嚴格按照相關規范執行；結構體系中不要采用混合承重的形式。第二，框架結構，首先合理布置柱網、柱距，確保整體結構的安全性和經濟性。其次，單純從平面布局來看，兩側剛度稍大、中部剛度稍小，能夠避免扭轉過大的現象，增強結構的抗震性能。最后，梁截面、柱截面應該合理設計，避免過大或過小，不僅影響美觀性，還會浪費材料，而且要保證梁和柱的中線相互重合。第三，剪力墻結構，一方面應該確保結構重心、建筑平面形心相吻合，從而提高建筑剛度，避免出現分布不均的情況。另一方面，在保證結構計算安全的前提下，剪力墻和建筑隔墻應該相互重合，如此有利于提高空間利用效率，增強舒適程度。

綜上所述，隨著生活水平的提升，人們對于房屋建筑結構的設計需求也在不斷增加，實現結構設計的綜合效益，成為人們追求的目標。在設計優化方法中，包括結構模型設計、確定計算方法、選擇最優程序、分析統計結論四個步驟，能夠對房屋建筑的整體和局部、基礎結構、上部結構進行優化，以促進建筑質量的提升。

作者:周福林 單位:四川省冶金設計研究院

參考文獻：

[1]黃云.簡論建筑結構設計優化思路與應用[J].建筑•建材•裝飾,2014,(13):238-239.

[2]張振興,劉寧波,何偉等.復雜造型建筑結構設計優化與施工[J].施工技術,2014,(9):11-15,27.

[3]林可勃.試論建筑結構設計優化及造價成本控制[J].中國新技術新產品,2014,(12):145-146.