優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法大全11篇

緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

Abstract: with China's economic prosperity and development, housing construction structure design level also constantly improving, the optimization design of building structure not only can save cost cost, but also can improve the quality and safety of the house. The paper mainly introduces the present situation of the houses and the optimization design of reason, and expounds the optimized design of building the main contents and methods, finally puts forward the design optimization of building structure should be pay attention to, and puts forward some opinions of his own.

Keywords: housing, structure design, optimization technology, method, the main points

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

近年來(lái)，由于土地價(jià)格市場(chǎng)的變化，不斷上漲的土地價(jià)格給開發(fā)商的建筑總成本控制帶來(lái)了極大的壓力，同時(shí)，人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價(jià)就成為開發(fā)商追求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法，提高有限空間 有限資源的最大化效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化 實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

1 房屋設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及實(shí)行優(yōu)化的原因

依據(jù)我國(guó)的國(guó)情以及發(fā)展形勢(shì)，我國(guó)今后主要以建設(shè)高層住房為主。與此同時(shí)，投資者們也日益關(guān)注建設(shè)成本如何最低化，使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑成本的最低化。

若想實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，工程設(shè)計(jì)人員首先以建筑的安全性為基礎(chǔ)，然后理性分析建筑方案，融合與之相適宜的設(shè)計(jì)理念以及方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工程造價(jià)的有效控制，以符合投資者的經(jīng)濟(jì)要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)比未進(jìn)行優(yōu)化的建筑節(jié)省了50%至30%的費(fèi)用。然而，在很多實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其因?yàn)槭艿捷^多因素的制約而難以施展、發(fā)揮出其優(yōu)越性。比如，過(guò)度追求工程設(shè)計(jì)進(jìn)度，就會(huì)影響工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效果，一味地以滿足工程進(jìn)度為目標(biāo)；年輕的工程設(shè)計(jì)人員常受其專業(yè)素質(zhì)限制，難以理解其設(shè)計(jì)軟件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)。也有一些工程設(shè)計(jì)人員過(guò)于關(guān)注建筑部分，忽視了建筑的整體方案，能實(shí)現(xiàn)控制整體造價(jià)。由此可見，工程設(shè)計(jì)人員要將其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，只有合理的設(shè)計(jì)方案才能確保實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。

2 房屋優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

通常房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是利用適宜的方法和設(shè)計(jì)理念來(lái)滿足房屋建筑設(shè)計(jì)的需求，比如確定合理的布置、結(jié)構(gòu)形勢(shì)、構(gòu)件尺寸等。尤其是優(yōu)化設(shè)計(jì)基本的鋼筋混凝土房屋結(jié)構(gòu)體系，往往自整體布局與具體構(gòu)件兩個(gè)角度進(jìn)行分析。影響整體布局的關(guān)鍵因素是建筑物的柱網(wǎng)尺寸、層高、體型、抗側(cè)力構(gòu)件位置等。具體構(gòu)件主要是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾面、布局、鋼筋及混凝土的配筋構(gòu)造、強(qiáng)度等級(jí)、對(duì)于這兩大方面的因素，需要有專業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員，熟知構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范并具有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且善于分析與把握構(gòu)件受力特性及結(jié)構(gòu)，進(jìn)而選取最相適宜的方法展開優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)密切配合的結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工五種效果，而建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法的應(yīng)用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求，又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，成為實(shí)際意義上的“經(jīng)濟(jì)適用”房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)量方面。

房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，還應(yīng)該按照一切從實(shí)際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會(huì)使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用 豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)變量的合理選擇。通常的設(shè)計(jì)變量選擇對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對(duì)變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過(guò)這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。

（2）目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解最后，約束條件的確定 房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。設(shè)計(jì)中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)約束條件來(lái)計(jì)算常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)注意的問題

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)踐之中，是目前一個(gè)比較廣泛的課題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達(dá)到降低工程造價(jià)的目的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)，舊房改造，抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益 在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程中，要注意下面的幾個(gè)問題：

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期準(zhǔn)備

因?yàn)榍捌诜桨傅拇_定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果卻直接對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來(lái)，那么我們就能針對(duì)不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開端。

4.2 概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù) 設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要注意對(duì)于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板注意鋼筋的選擇，I級(jí)鋼和冷軋帶肋鋼市場(chǎng)價(jià)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(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋，從而達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

4.3 下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，工程造價(jià)在工程項(xiàng)目占有很大比例，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)能夠卓有成效地減少工程造價(jià)成本。與此同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)要保障建筑的安全級(jí)別，合理化等，協(xié)調(diào)好技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩者之間的關(guān)系，切勿因重視節(jié)省成本，而忽視質(zhì)量或技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)最優(yōu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與工程師要分析房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，利用精細(xì)高效的工作標(biāo)準(zhǔn)及要求來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的房屋結(jié)構(gòu)。

篇（2）

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目，工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋蓋系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)形式以及結(jié)構(gòu)細(xì)部等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候還必須考慮到相應(yīng)的布置、選型、造價(jià)以及受力等方面的問題，然后根據(jù)工程的實(shí)際情況并結(jié)合建筑物的經(jīng)濟(jì)性要求，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為了適應(yīng)時(shí)展的要求，建筑的結(jié)構(gòu)形式必須不斷的進(jìn)行創(chuàng)新。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，要在確保建筑結(jié)構(gòu)具有一定的安全保證的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更合理、更經(jīng)濟(jì)、更能體現(xiàn)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的優(yōu)化，在對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實(shí)用與美觀，而且還可以有效地對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行控制。對(duì)于建筑商來(lái)說(shuō)，其當(dāng)然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較我們可以發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)能夠降低整個(gè)建筑工程造價(jià)10%～40％。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)能夠使得建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的每個(gè)單元都得到最佳的協(xié)調(diào)，并可以對(duì)材料的性能進(jìn)行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關(guān)規(guī)定的安全系數(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

2.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型

在我們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候，可以分成三步進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面將對(duì)每一步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

2.1.1 要對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行合理的選擇

通常在對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選擇時(shí)，我們把對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)（損失的期望C2 和結(jié)構(gòu)的造價(jià)C1）和約束控制相關(guān)參數(shù)（結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的相關(guān)要求就能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求的一些參數(shù)，我們可以用預(yù)定參數(shù)來(lái)表示，這樣能夠使得我們的設(shè)計(jì)量、計(jì)算量以及編制程序的工作量均大大減小。

2.1.2 對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關(guān)的預(yù)定條件的截面相應(yīng)的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應(yīng)的失效概率的函數(shù)，使得工程造價(jià)最少。 針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)都有條件和相對(duì)的，即為“最滿意解”而不是最優(yōu)解。

2.1.3 對(duì)約束條件進(jìn)行確定

對(duì)于房屋的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)說(shuō)，必須在確保結(jié)構(gòu)整體可靠的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的確定，設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等約束條件。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們必須對(duì)目標(biāo)約束條件與實(shí)際的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的比較與分析，確保每個(gè)約束條件都必須滿足相應(yīng)的要求，化繁為簡(jiǎn)，抓大放小，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)。

2.2 對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方案進(jìn)行設(shè)定

根據(jù)可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有多約束且非線性的優(yōu)化問題以及復(fù)雜的多變量，在進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算中，一般把有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成無(wú)約束優(yōu)化問題的求解。常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法有拉格朗日乘子法、復(fù)合形法、準(zhǔn)則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準(zhǔn)側(cè)的計(jì)算方法。

2.3 進(jìn)行程序的相關(guān)設(shè)計(jì)

針對(duì)具體的工程設(shè)計(jì)，我們可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選擇有限元分析軟件或者設(shè)計(jì)配筋軟件，可以選擇針對(duì)具體構(gòu)件進(jìn)行有限元分析或者是針對(duì)整體結(jié)構(gòu)實(shí)際工程計(jì)算分析。針對(duì)復(fù)雜的超高超限的工程可以進(jìn)行專門的不同目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體可選用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)MCADS。

2.3 結(jié)果分析

我們必須對(duì)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的分析比較，選擇出最佳的設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)過(guò)程中，我們對(duì)出現(xiàn)的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結(jié)構(gòu)滿應(yīng)力設(shè)計(jì)中病態(tài)桿的出現(xiàn)等。這一步驟在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中尤其重要，合理的選擇設(shè)計(jì)方案，不僅能夠確保結(jié)構(gòu)的美觀、安全性、合理性以及實(shí)用性，還能夠?qū)κ┕ぶ械馁Y金的投入有著重大的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性要求，而忽略技術(shù)要求，是不正確的；同樣只考慮技術(shù)要求，忽略經(jīng)濟(jì)性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現(xiàn)行規(guī)范的前提下，區(qū)分“應(yīng)”和“宜”，對(duì)兩者進(jìn)行合理的配置，才能達(dá)到相關(guān)要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

當(dāng)下，限額設(shè)計(jì)已經(jīng)成為常態(tài)，建設(shè)商經(jīng)常附加各種各樣的設(shè)計(jì)條件，對(duì)于這樣的項(xiàng)目我們可以從前期設(shè)計(jì)、整體設(shè)計(jì)、舊房改造以及抗震設(shè)計(jì)等方面采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來(lái)節(jié)約造價(jià)。下面對(duì)實(shí)踐應(yīng)用中的問題進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明：

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與

前期方案直接會(huì)影響到工程的造價(jià)，然而很多建筑物的設(shè)計(jì)往往忽略了這一點(diǎn)。項(xiàng)目立項(xiàng)后，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該及時(shí)跟進(jìn)，對(duì)建筑方案提出合理的指導(dǎo)意見，避免出現(xiàn)超限、超規(guī)范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結(jié)構(gòu)形式以及合理的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約造價(jià)占50%以上。

3.2 概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在沒有具體數(shù)值量化的情況下，我們可以使用概念設(shè)計(jì)。例如，對(duì)地震的烈度進(jìn)行設(shè)防時(shí)，由于它存在這不確定的因素，所以我們無(wú)法找到與實(shí)際相符合的計(jì)算式，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候我們可以使用概念設(shè)計(jì)的方法，把相應(yīng)的數(shù)值作為參考與輔助相關(guān)的依據(jù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須合理并靈活的使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，從而達(dá)到最佳的效果。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)細(xì)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，物盡其材。例如，豎向柱構(gòu)件采用高強(qiáng)度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對(duì)于水平構(gòu)件來(lái)說(shuō)就可以降低混凝土標(biāo)號(hào)，這樣既可以達(dá)到受力要求，又可以節(jié)約成本。后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)能節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)成本。此階段通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)能節(jié)約造價(jià)10%以上。

3.3 下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尤為重要，基礎(chǔ)造價(jià)能占到結(jié)構(gòu)成本的30%左右，在地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，我們必須選取合適的基礎(chǔ)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(jié)約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據(jù)樁端持力層的厚度選擇合理的樁長(zhǎng)，并根據(jù)土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對(duì)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(guò)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行必要的分析比較，然后選取最佳的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于住宅建筑，目前限額設(shè)計(jì)已經(jīng)成為常態(tài)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法已經(jīng)無(wú)法滿足建設(shè)商的要求，在目前的設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為無(wú)法回避的問題。通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系以及基礎(chǔ)方案，充分利用材料強(qiáng)度，降低自重，活學(xué)活用規(guī)范做到精細(xì)化設(shè)計(jì)能夠節(jié)約可觀的工程造價(jià)，適應(yīng)建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2008：34-36.

篇（3）

引言：

眾所周知，不論在什么行業(yè)中，追求追優(yōu)化的配置和設(shè)計(jì)是每一個(gè)行業(yè)從業(yè)者追求的目標(biāo)。所謂的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在諸多被選擇的項(xiàng)目中根據(jù)自身的特點(diǎn)以及條件找到一種比較合理的，最節(jié)約成本以及實(shí)現(xiàn)利益最大化的設(shè)計(jì)方式與方法。

立足于工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谧顑?yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中致力于將技術(shù)以及力學(xué)的相應(yīng)概念做到最好的融合。在設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上形成一些可以操作的，具有可行性的方案。進(jìn)而通過(guò)科學(xué)的數(shù)學(xué)計(jì)算找到客觀的，可以應(yīng)用于實(shí)際的優(yōu)化方案。在諸多工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案中，我們?cè)谶x擇了最佳方案的同時(shí)也就同時(shí)節(jié)約了成本，使得愛同樣的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造了巨大的效應(yīng)，更加使得這些工程的工期變短，工程質(zhì)量變的十分優(yōu)良，是一種降低工程成本，提高質(zhì)量的最佳選擇則途徑。

一、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)演變歷史概述

對(duì)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最開始是將直覺的準(zhǔn)則法，如滿應(yīng)力準(zhǔn)則法，滿應(yīng)變準(zhǔn)則法等作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性選擇，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間中得到了很好的應(yīng)用和成本的節(jié)約。一般來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)則法的應(yīng)用是為了主要提升單步設(shè)計(jì)變量修改幅度使之變得越來(lái)越大，并且在收斂速度上也有著顯著的提升，但是這些不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的大小，也不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜而改變。隨著時(shí)間的推移，我們的研究者逐漸的將拓寬了優(yōu)化設(shè)計(jì)的范圍，從而數(shù)學(xué)規(guī)劃法出現(xiàn)了。這就使得我們要針對(duì)一些特殊的工程進(jìn)行很好的研究，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的準(zhǔn)則法已經(jīng)不適用有所有具有個(gè)性的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中了，主要是因?yàn)闆]有一些科學(xué)的，客觀的理論準(zhǔn)繩。與其相反，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，站在比較科學(xué)的角度，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯浚@樣的算法能夠有著科學(xué)性的展現(xiàn)。但是實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般都是有約束、非線性和隱式的優(yōu)化問題.這兩種方式都不是用于現(xiàn)代工程的發(fā)展和訴求。隨之而來(lái)的就是模擬退火算法的出現(xiàn).接著，到了二十一世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，信息化以及全球化時(shí)代的到來(lái)，我們的研究方式與方法就隨之而來(lái)了，在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上有著很好的發(fā)展，諸多實(shí)用性方式出現(xiàn)，下面我們將做詳細(xì)的研究。

一、 工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1.為何設(shè)計(jì)---工程中結(jié)構(gòu)不確定性的存在

在工程施工之前，對(duì)于其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析和研究，并完成良好的設(shè)計(jì)是因?yàn)樵诠こ淘O(shè)計(jì)以及進(jìn)行的過(guò)程中，有著很多不確定性的存在。基于不確定性理論的工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮變量。但是出于安全性以及可靠性的角度考慮，先前的優(yōu)化設(shè)計(jì)有些過(guò)時(shí)，我們要站在更新的角度上發(fā)展，所以之前的缺陷我們要有著很好的認(rèn)識(shí)。主要分為以下幾點(diǎn)。

第一， 缺乏結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)，不能保證穩(wěn)定，安全。

第二， 沒有對(duì)材料的可變性做出預(yù)算，不能真實(shí)的反映材料的參數(shù)。所以沒有科學(xué)的數(shù)學(xué)建模可以支撐，難以形成最佳的方案。

第三， 在工程中存在著一些很復(fù)雜的施工情況，之前的設(shè)計(jì)不能很好的給予判斷以及確定，這就使得我們的施工情況不能符合實(shí)際，沒有真正意義上的達(dá)到最優(yōu)。

2.工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

第一，形狀優(yōu)化。可以說(shuō)，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是當(dāng)下比較流行的，主要是通過(guò)調(diào)整工程結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界形狀來(lái)改善結(jié)構(gòu)性能和降低工程結(jié)構(gòu)造價(jià)，其主要用來(lái)發(fā)掘工程系統(tǒng)構(gòu)件的合理內(nèi)外邊界形狀。具體上講，這種優(yōu)化也是將一些離散變量以及塊體、板、殼類的連續(xù)變量包含在內(nèi)。

第二，模擬退火算法。也就是通常所說(shuō)的SA方式放大，也就是在施工的設(shè)計(jì)中進(jìn)行固體加熱，使之到達(dá)了一定的溫度，進(jìn)而在科學(xué)的作用下使之漸漸的變冷下來(lái)。因?yàn)樵谏郎氐臅r(shí)候，固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)法身了很大的變化，隨著熱能的增多內(nèi)能變大，其中固體中組成部分也就是內(nèi)部的元素也會(huì)隨之變大。但是隨著熱脹冷縮原理的深入，當(dāng)這個(gè)固體的整體變得冷卻的時(shí)候，所有的元素變回到之前的一種有序的排列狀態(tài)。也就是說(shuō)，在固體中，元素因?yàn)樵诿恳粋€(gè)趨近于平衡溫度的時(shí)候都有著自己的平衡狀態(tài)出現(xiàn)，最重要的是在常溫的時(shí)候內(nèi)能處于最小化狀態(tài)，也就是我們所說(shuō)的基態(tài)。這就是模擬退火算法.這種方法有著自身的好處，那就是：適用于離散型、連續(xù)型及混合型變量；魯棒性、全局收斂性、隱含并行性較強(qiáng)，并且可以得到很廣泛的應(yīng)用。

第四， 粒子群優(yōu)化算法。該種算法是近幾年來(lái)比較流行的一種應(yīng)

應(yīng)用廣泛，并有著實(shí)際用途的設(shè)計(jì)計(jì)算方式與方法。這個(gè)算法的研究十分奇怪，主要是來(lái)源于整個(gè)鳥群，從鳥群捕捉食物中找到靈感，這個(gè)算法是開始于隨機(jī)解，并通過(guò)迭代尋找最優(yōu)解，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不斷的尋找一種適應(yīng)度來(lái)找尋解的品質(zhì)。這樣的算法是比較方便以及會(huì)計(jì)的的，沒有一些復(fù)雜的計(jì)算以及冗長(zhǎng)的分析。是比較得到現(xiàn)代設(shè)計(jì)者以及施工方的喜愛的，效果也是比較明顯的。

第五， 變密度法假設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，變密度法假設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

的主要設(shè)計(jì)對(duì)象是那些密度可以變更的材料，這就使得我們的設(shè)計(jì)具有一定的局限性。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們要假定材料物理參數(shù)與密度間存在某種數(shù)學(xué)關(guān)系，并將所設(shè)計(jì)的材料的密度作為一種變量，致力于尋找到一種目標(biāo)函數(shù)，這種目標(biāo)函數(shù)以材料的最優(yōu)質(zhì)分配為主要目標(biāo)。并且，我們?cè)谶@種工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以找到一些優(yōu)勢(shì)或者是特色，具體來(lái)說(shuō)，該種方式可以很好的展現(xiàn)出拓?fù)鋬?yōu)化的本質(zhì)特征，并且在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中顯得比較簡(jiǎn)便，有利于操；同時(shí)這種程序的設(shè)計(jì)計(jì)算成功率比較高，但是精準(zhǔn)度確實(shí)是不高，總而言之，這種方式的最大他點(diǎn)就是計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，但是適用范圍十分受到局限，需要特定的材料以及特定的環(huán)境。

第六， 相對(duì)差商法和混沌優(yōu)化相結(jié)合。該種范式是一種導(dǎo)出求解

離散變量桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的混合算法，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方式和方法，將設(shè)計(jì)的體積最小最為最終目的。從而有力的實(shí)現(xiàn)了一種

拱壩的體形優(yōu)化的設(shè)計(jì)和分析，在應(yīng)用的過(guò)程中得到了很好的設(shè)計(jì)效果，節(jié)省了成本提升了利潤(rùn)。

最后，多目標(biāo)優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，多種目標(biāo)優(yōu)化方案就像字面上所述，不是一種單一的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方式，而是在設(shè)計(jì)中考包含了多方面的設(shè)計(jì)方式以及方法，這樣在計(jì)算的過(guò)程中，在實(shí)施的過(guò)程中保證了設(shè)計(jì)的安全性以及穩(wěn)定性，更大的程度上實(shí)現(xiàn)了一種可靠性。在安全性的實(shí)現(xiàn)上，這種多元化的實(shí)施方案就要不斷的加大結(jié)構(gòu)的截面面積但是要取得最少重量的目標(biāo)，在設(shè)計(jì)上就要使得截面面積變小。所以我們知道，這就不可能在全局上實(shí)現(xiàn)一種面面俱到的設(shè)計(jì)方案，所以，我們的設(shè)計(jì)管理者以及決定人，要在多方面分析只會(huì)走找到一個(gè)比好合適的方案做一個(gè)決定，并實(shí)施。可以說(shuō)，這種多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于工程系統(tǒng)決策是很重要，并有著很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào) U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）103-0100-02

進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是尋求合適的結(jié)構(gòu)形式和最佳的構(gòu)件尺寸，既保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、使用性能和工藝性能。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)分析與模擬基礎(chǔ)上建立的船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，借鑒了相關(guān)的工程學(xué)科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也取得了較大的進(jìn)步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的智能型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也取得了突破性進(jìn)展。

1經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把給定條件的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變成目標(biāo)函數(shù)求極值的數(shù)學(xué)問題。這一方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻開了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新篇章。我國(guó)的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

由于船舶結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的板梁組合結(jié)構(gòu)，在受力和使用的要求上也很高，所以在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及到許多設(shè)計(jì)變量與約束條件，工作內(nèi)容很多，十分困難。船舶結(jié)構(gòu)的分級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)法就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級(jí)的整個(gè)材料，優(yōu)選第二級(jí)的具體結(jié)構(gòu)的尺寸。每一級(jí)又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個(gè)子級(jí)。兩級(jí)最后通過(guò)協(xié)調(diào)變量迭代，將整個(gè)優(yōu)化問題回歸到原問題。分級(jí)優(yōu)化方法成功地解決了進(jìn)行船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)中的剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法

經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在確定性條件下進(jìn)行的， 也就是說(shuō)目標(biāo)函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個(gè)確定的值。但是在實(shí)際上， 在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、約束條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實(shí)現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的主要形式是：

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大大的增加了設(shè)計(jì)者在選擇優(yōu)化方案時(shí)的可能性， 讓設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法發(fā)展很快， 但是，還未實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用化。多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法的難點(diǎn)主要在于如何針對(duì)具體設(shè)計(jì)對(duì)象， 正確描述目標(biāo)函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。

3 基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來(lái)分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機(jī)性因素。早在50年代，人們就在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中指出了可靠性概念，隨后，船舶設(shè)計(jì)的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設(shè)計(jì)方法在船舶結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用。

船舶結(jié)構(gòu)可靠性的理論和方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同要求， 可以得出不同的結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。大體分為以下3種：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性R·，要求結(jié)構(gòu)的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大承重量W·， 要求結(jié)構(gòu)的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結(jié)構(gòu)重量和可靠性或破損概率， 實(shí)現(xiàn)某種組合的滿意度達(dá)到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分別代表結(jié)構(gòu)重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應(yīng)的滿意度。

關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究越來(lái)越多， 逐漸成為船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法除了在大規(guī)模的隨機(jī)性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個(gè)重要的難點(diǎn)在于評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)可靠性的過(guò)程很復(fù)雜， 而且計(jì)算量大。

4 智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

隨著人工智能技術(shù)（Al）和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展， 給船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)法。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關(guān)產(chǎn)品資料，通過(guò)整理，概括成典型模式，再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設(shè)計(jì)對(duì)象和樣本模式間的相似度、差異性與設(shè)計(jì)變量敏度等，按某種準(zhǔn)則實(shí)施的樣本模式進(jìn)行變換， 進(jìn)而產(chǎn)生若干符合設(shè)計(jì)要求的新模式， 經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調(diào)參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法法的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)造性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是可靠性較弱。所以在分析計(jì)算其產(chǎn)生的各種性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)的模糊評(píng)估， 必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)使用經(jīng)典優(yōu)化方法對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，我們得出在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候， 往往會(huì)涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設(shè)計(jì)人員權(quán)衡利弊， 進(jìn)行綜合考察， 不但要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選，而且還要針對(duì)具體情況對(duì)做出的方案進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)選和排序。通過(guò)什么準(zhǔn)則對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設(shè)計(jì)人員需要繼續(xù)研究的問題。

參考文獻(xiàn)

篇（5）

在建筑設(shè)計(jì)的工作中，通常需要進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的工作開展是在建筑設(shè)計(jì)的招標(biāo)工作完成之后，中標(biāo)的設(shè)計(jì)單位需要與建筑的建設(shè)單位進(jìn)行接洽，對(duì)于建筑物種的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行必要的探討，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)中的不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化，這是建筑工程中非常重要的一項(xiàng)工作，本文就針對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作中的相關(guān)問題予以分析探討。

一、開展建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作的意義

在建筑設(shè)計(jì)方案的招標(biāo)的過(guò)程中，中標(biāo)的設(shè)計(jì)方案會(huì)在一定程度上優(yōu)于其他方案，但并不是說(shuō)中標(biāo)的方案是完美的，因?yàn)樵诮ㄖ桨傅脑O(shè)計(jì)過(guò)程中不允許設(shè)計(jì)單位與建設(shè)單位之間有過(guò)多的交流，這就使得設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不能完全的與建設(shè)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)思想的交流，在這樣的情況下設(shè)計(jì)出來(lái)的方案是很難完全符合建設(shè)單位的設(shè)計(jì)要求的，另一方面，為了加快招標(biāo)的進(jìn)度，通常在招標(biāo)的過(guò)程中都要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行概念設(shè)計(jì)方案，對(duì)于建筑中的具體的細(xì)節(jié)在設(shè)計(jì)方案中并沒有反映，確定中標(biāo)方案之后再進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化是非常有必要的。

現(xiàn)代的建筑項(xiàng)目在建設(shè)的過(guò)程中，要考慮的影響因素非常的多，法規(guī)、景觀、環(huán)保、交通等各種內(nèi)外部的制約條件都需要全面的考慮，在招標(biāo)的初期，沒有設(shè)計(jì)方案的初期模型或效果圖，建設(shè)單位很難就此提出詳細(xì)的要求，對(duì)于建筑風(fēng)格、功能需求等的描述往往是一個(gè)模糊的概念，在確定中標(biāo)方案之后，還需要對(duì)建筑設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)技術(shù)要求進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，確定出詳細(xì)的建筑設(shè)計(jì)方案。

在建筑設(shè)計(jì)方案的招標(biāo)過(guò)程中，參與競(jìng)標(biāo)的設(shè)計(jì)方案是各種各樣的，招標(biāo)的過(guò)程同樣是一個(gè)集思廣益的過(guò)程，在招標(biāo)的過(guò)程中，能夠發(fā)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)方案中的亮點(diǎn)，以及有使用價(jià)值的設(shè)計(jì)思路，在招標(biāo)工作結(jié)束之后，中標(biāo)的單位，能夠通過(guò)與其他設(shè)計(jì)單位進(jìn)行比較，找出自身的設(shè)計(jì)方案中的不足，對(duì)自己的中標(biāo)方案進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，由此可見，進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化是有重大的意義的。在一些大型的復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化已經(jīng)成為必不可少的環(huán)節(jié)，在建筑設(shè)計(jì)方案的招標(biāo)工作結(jié)束之后，建設(shè)單位不能忙于開始建設(shè)工作，要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入充分的優(yōu)化，對(duì)于設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)工作予以明確，這樣才能為后續(xù)的工作打好基礎(chǔ)，有利于后續(xù)工作的順利開展。

二、建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的原則及方法

建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化是建筑設(shè)計(jì)工作中的重要的組成部分，開展建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化是非常有必要的，但是有的建設(shè)單位在開展建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化的過(guò)程中，采取了錯(cuò)誤的方法，導(dǎo)致對(duì)招標(biāo)方案的改動(dòng)不僅沒有起到設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的作用，反而使原有的設(shè)計(jì)方案遭到了丑化，因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化的過(guò)程中，要遵循一定的原則，采用正確的優(yōu)化方式來(lái)開展優(yōu)化工作。

1、自頂向下的開展優(yōu)化工作

中標(biāo)的設(shè)計(jì)方案大多采用的是概念設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化階段要開展具體的、深入的方案設(shè)計(jì)，這時(shí)要首先進(jìn)行宏觀上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于本階段需要完成的重要事項(xiàng)予以重點(diǎn)的關(guān)注，對(duì)于具體的局部的細(xì)節(jié)可以在工程的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)工作中有可能會(huì)對(duì)一些早早確定的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行廢棄，以達(dá)到優(yōu)化的目的。

2、堅(jiān)持中標(biāo)設(shè)計(jì)方案中的核心內(nèi)容，杜絕顛覆性的方案修改

大型的項(xiàng)目建設(shè)中的中標(biāo)方案是受到建設(shè)單位的高層的領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可的，并且在法律中是具有明確的規(guī)定的，在建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作中，不能對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行顛覆性的修改，只能充分的挖掘原有方案中的亮點(diǎn)。

3、方案優(yōu)化的過(guò)程中應(yīng)該選用專業(yè)的設(shè)計(jì)人員

在建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作中，很容易出現(xiàn)對(duì)中標(biāo)方案的丑化現(xiàn)象，造成這樣現(xiàn)象的因素有很多，但是其中的主要的影響因素是非專業(yè)因素的影響，很多建設(shè)單位的領(lǐng)導(dǎo)強(qiáng)行的將自己的主觀意識(shí)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化中，對(duì)建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)空間有了一定的抑制作用，建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作要能夠保證優(yōu)化之后的方案具有合理性與科學(xué)性，這是一項(xiàng)具有很強(qiáng)的專業(yè)性的工作，建筑師在方案的優(yōu)化工作中要能夠運(yùn)用專業(yè)的技術(shù)手段與方法，在優(yōu)化工作中起到主導(dǎo)的作用，建設(shè)單位要給予建筑設(shè)計(jì)師充分的優(yōu)化權(quán)力，促進(jìn)優(yōu)化工作的順利進(jìn)行。

三、建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作中應(yīng)該注意的要素

1、建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作中的成本要素

在建筑的設(shè)計(jì)中對(duì)成本指標(biāo)必須嚴(yán)加控制，在建筑方案的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位關(guān)注的是建筑成本的估算，但在建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化階段，需要結(jié)合中標(biāo)方案中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)成本要素進(jìn)行分析，并開展基于成本的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的協(xié)調(diào)工作。

2、建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作中的功能要素

在方案的優(yōu)化階段，建筑設(shè)計(jì)方案的初步形態(tài)已經(jīng)顯現(xiàn)，這時(shí)需要對(duì)中標(biāo)方案中的功能要素進(jìn)行分析，并對(duì)相應(yīng)的功能要素進(jìn)行驗(yàn)證，在對(duì)功能的梳理、分析的過(guò)程中，往往會(huì)激發(fā)出新的創(chuàng)意及想法，使得建筑設(shè)計(jì)方案中的功能要素更加的完善。

3、建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作中的文化要素

建筑設(shè)計(jì)中的文化要素通常難以用具體的語(yǔ)言來(lái)進(jìn)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(fēng)格定位、地域風(fēng)情、民族、文脈、歷史等各方面的內(nèi)容，建筑設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一就是對(duì)建筑物的文化要素進(jìn)行正確的把握、合理的表達(dá)，要想在招標(biāo)工作中，設(shè)計(jì)方案得到認(rèn)可，對(duì)文化要素進(jìn)行獨(dú)特的詮釋是非常重要的，在設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化階段，同樣需要對(duì)建筑設(shè)計(jì)中的文化要素進(jìn)行反復(fù)的推敲、論證，對(duì)建筑物進(jìn)行準(zhǔn)確的文化定位。

結(jié)束語(yǔ)

為了保證建筑工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，很多大型的建筑項(xiàng)目在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選擇的過(guò)程中，都會(huì)以招標(biāo)的形式來(lái)進(jìn)行，而建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化逐漸成為建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的程序，對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化，能夠有效的提升建筑項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，這就需要建設(shè)單位重視建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作，在優(yōu)化工作中遵循優(yōu)化原則，選擇正確的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

篇（6）

一 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的背景分析

隨著我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，全國(guó)人民的生活也逐步的走入了相對(duì)良好和穩(wěn)定的小康時(shí)代，相應(yīng)的對(duì)于生活質(zhì)量和環(huán)境要求也就越來(lái)越高，絕大多數(shù)的人都住進(jìn)了高層建筑當(dāng)中。在這樣一種實(shí)際的背景狀況下，人口持續(xù)增長(zhǎng)，土地資源卻是極其有限，建筑的建設(shè)與規(guī)格也在持續(xù)見長(zhǎng)，這使得土地、建筑物以及建筑物的建設(shè)成本都在不停的提升。由此，降低建筑建設(shè)成本就成為了建筑商在進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程當(dāng)中最需要注意和考慮的。那在實(shí)際的建設(shè)過(guò)程的當(dāng)中應(yīng)當(dāng)以什么樣的方式來(lái)進(jìn)行建筑成本的控制呢？本文實(shí)際上也是針對(duì)于這樣一個(gè)問題展開的討論和分析。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目前在國(guó)外是非常有價(jià)值的一種理論系統(tǒng)，其核心就在于能夠通過(guò)對(duì)居住環(huán)境以及生活環(huán)境的改善來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品質(zhì)量以及品位的提高，以這樣一種定性的思維和方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工程建筑質(zhì)量最大化和成本最小化，因此具有適用、經(jīng)濟(jì)和適用的價(jià)值，是值得在實(shí)際的工程建設(shè)中予以廣泛的應(yīng)用和實(shí)施的。

二 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境下很多建筑物的造型都相當(dāng)?shù)膬?yōu)美和獨(dú)特，能夠給人以很好的精神享受，這樣一種良好的建筑效果從本質(zhì)上來(lái)看就正是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑實(shí)施技術(shù)的良好協(xié)調(diào)和配合，以這樣一種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑美觀效果的完成。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追求的五種最為基本的目標(biāo)就是：安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀以及施工簡(jiǎn)便，因此我們?cè)谖闹兴懻摰慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案就要保證能夠切實(shí)的實(shí)現(xiàn)這些點(diǎn)，將其良好的應(yīng)用于實(shí)踐，這樣不斷能夠滿足人們對(duì)于美的追求，還能夠保證整個(gè)房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理以及性能上的安全保障，成為名符其實(shí)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型建筑。我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行深入的探討和分析時(shí)則往往需要通過(guò)兩個(gè)具體的方面來(lái)進(jìn)行：

第一方面：主要是建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在進(jìn)行一項(xiàng)大型的建筑工程方案之前，首先必然是需要進(jìn)行建筑模型的設(shè)計(jì)的，而在這樣一個(gè)過(guò)程當(dāng)中對(duì)于建筑模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是非常關(guān)鍵和有必要的。在進(jìn)行建筑模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要的工作就是以下幾個(gè)部分：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)細(xì)部的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。除此之外，還需要采取進(jìn)一步的處理措施，主要就是進(jìn)行必要的選型、布置以及準(zhǔn)確的受力分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于造價(jià)本身的良好優(yōu)化。上述一系列的優(yōu)化過(guò)程都需要按照一切以實(shí)際出發(fā)的原則來(lái)進(jìn)行，也就是圍繞工程的實(shí)際狀況和需要來(lái)進(jìn)行，將房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益以及房屋質(zhì)量的保證作為設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)和要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)，首要的就是要把握和設(shè)計(jì)的真實(shí)意圖，這樣才能夠盡可能的保證整個(gè)布置狀況的規(guī)則，并較大程度的降低剛度以及質(zhì)量中心之間的差異，以此來(lái)避免較大扭轉(zhuǎn)作用力的產(chǎn)生。

第二方面：主要是建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算方案，計(jì)算方案的進(jìn)行和完成實(shí)際上只需要進(jìn)行相應(yīng)的編制并按照相應(yīng)的運(yùn)算程序進(jìn)行計(jì)算就能夠得到我們做需要的最終的優(yōu)化結(jié)果。但是我們需要注意和認(rèn)識(shí)到的就是，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)涉及到多個(gè)方面的變量和約束條件，這也就意味著處理的是非線性的優(yōu)化問題，針對(duì)于此，我們?cè)谶M(jìn)行計(jì)算方案的確定時(shí)就需要將一些有約束的條件轉(zhuǎn)化成為沒有約束條件的問題來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際的建筑工程設(shè)計(jì)中較多應(yīng)用的就是Powell算法和拉式乘子法以及符合性法等，利用這樣一些方法基本上就能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的良好計(jì)算。

三 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐當(dāng)中的應(yīng)用

我們將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案處理完成以后就可以將其應(yīng)用于實(shí)踐。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行良好的優(yōu)化在現(xiàn)今的時(shí)代背景下實(shí)際上是非常好的一個(gè)課題，在目前開展的也比較普遍，我們采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法就是希望能夠在不改變建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際使用性能的前提下來(lái)保證其工程造價(jià)的大幅降低，因此將其應(yīng)用到實(shí)際的工程實(shí)踐當(dāng)中去就是我們工程人員不二的追求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化在實(shí)際的工程環(huán)境中能夠應(yīng)用和滲透到其進(jìn)行的各個(gè)步驟和環(huán)節(jié)當(dāng)中去，這其中就包括整體的設(shè)計(jì)階段、前期的設(shè)計(jì)階段、舊房的改造以及抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中去，并能夠在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮出巨大的效益來(lái)。我們?cè)诎凑战Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論方法對(duì)模型進(jìn)行改造實(shí)踐的過(guò)程中，需要注意以下三個(gè)方面的具體問題，下文中正是針對(duì)于這樣三個(gè)問題進(jìn)行了詳盡的闡述和分析。

3.1 參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作

這樣一個(gè)方面的強(qiáng)調(diào)主要是因?yàn)榍捌诠ぷ鞯倪M(jìn)行直接影響到整個(gè)建筑工程的總造價(jià)，而現(xiàn)如今大多數(shù)工程在進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程當(dāng)中最為普遍的問題往往也就是其前期方案結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的問題，建筑師在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候更多關(guān)注的是設(shè)計(jì)本身的問題，而極少關(guān)注結(jié)構(gòu)自身的合理性和可行性，這就使得建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程當(dāng)中面臨著較多方面的問題，更多的是會(huì)引起工程造價(jià)的提高，這就與我們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)本身的目的有所違背。正是因?yàn)檫@樣，我們有必要在進(jìn)行建設(shè)之前針對(duì)于不同的建筑類別來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇，為整個(gè)工作的開展和進(jìn)行提供良好的開端。

3.2 將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

所謂概念設(shè)計(jì)實(shí)際上也就是指一些沒有具體的數(shù)值來(lái)進(jìn)行量化的指標(biāo)，包括地震的防裂度以及其本身的不確定性等，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候難免會(huì)和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生較大的差別，正是在這樣一種背景下我們才需要在對(duì)這樣一種指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定時(shí)選擇使用概念設(shè)計(jì)的方法，將數(shù)值僅僅只是作為輔助或者是參考的依據(jù)來(lái)進(jìn)行。在這樣一種設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中更為強(qiáng)調(diào)的就是設(shè)計(jì)人員本身的靈活性以及應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的能力，這樣良好的結(jié)合才能夠真正實(shí)現(xiàn)效果上的最優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行過(guò)程中最開始的一步就是進(jìn)行方案的選擇，如果是樁基礎(chǔ)的話，就有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件來(lái)選擇樁基的類型，以此來(lái)最大程度的降低造價(jià)。在建設(shè)進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中，樁端持力層對(duì)于灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響也是非常大的，因此需要進(jìn)行較多的對(duì)比和分析以后再來(lái)進(jìn)行核實(shí)方案的確定和選擇。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)上文中詳盡的分析我們就可以看到，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方法是能夠切實(shí)有效的提高空間、資源等的利用率的，除此之外，還能夠最大程度的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的最大化，這樣一種狀況實(shí)際上就是我們?cè)谶M(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中最希望能夠?qū)崿F(xiàn)的。滿足了建筑產(chǎn)品本身品質(zhì)不斷提高的基本要求，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)人們對(duì)于生活質(zhì)量以及生活水平的更高要求。最后，實(shí)際上也是實(shí)現(xiàn)了建筑商不斷尋求新手段吸引顧客的目的，達(dá)到降低工程建設(shè)實(shí)際造價(jià)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李國(guó)勝.《多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與合理構(gòu)造》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

篇（7）

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

中圖分類號(hào)：TU32/399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422（2012）08-0089-02

1 引言

在進(jìn)行建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了使得建筑結(jié)構(gòu)在空間、實(shí)用性、整體效果以及造價(jià)等方面達(dá)到最優(yōu)，在完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之后都需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。尤其是在整體結(jié)構(gòu)的造價(jià)控制方面，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是進(jìn)行造價(jià)控制的主要途徑。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都是以建筑的造價(jià)為根本進(jìn)行控制的，而隨著人們對(duì)建筑的實(shí)用性和整體效果要求不斷增加，建筑的使用的方便性以及整體效果成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。而各種不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑材料的選用、建筑基礎(chǔ)類型的選擇、房屋進(jìn)深的確定、建筑的層高以及總層數(shù)的確定等都是需要優(yōu)化的問題和對(duì)象，因此在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中都應(yīng)該予以重點(diǎn)考慮。

2 人性化建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)化內(nèi)容

建筑的人性化是體現(xiàn)建筑實(shí)用性的一個(gè)重要方面，尤其是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)于自身居住條件提出了更高的要求。在居住環(huán)境方面，不但要求有房可居，同時(shí)還要求住得方便、住得舒適。這時(shí)，以實(shí)用性為基礎(chǔ)的“人性化”就成為了人們對(duì)建筑設(shè)計(jì)追求的一個(gè)重要概念。而在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)就需要以“人性化”這個(gè)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，對(duì)建筑的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

人性化建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)具有這樣的幾個(gè)特點(diǎn)：① 合理的空間布局，通常而言在人少地多的地方選擇獨(dú)立的小高層以及別墅，而在人多地少的地區(qū)則盡量建設(shè)高層，而且在建筑整體結(jié)構(gòu)之內(nèi)具有明確的用地分工，能夠提高對(duì)土地空間的利用率；② 整體建筑結(jié)構(gòu)極具藝術(shù)效果，通常在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在充分考慮通風(fēng)以及采光等因素的基礎(chǔ)上，一般盡可能的將客廳和臥室布置在建筑整體結(jié)構(gòu)的南面，而將廚房、餐廳以及衛(wèi)生間設(shè)置在建筑的北面。陽(yáng)臺(tái)直接與陽(yáng)客廳相通，這樣就使得穿過(guò)陽(yáng)臺(tái)時(shí)不需要穿過(guò)臥室，將私人空間和公共空間相分離，有效的保證了住宅類建筑使用過(guò)程中的私密性。

而通過(guò)采用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，不但可以實(shí)現(xiàn)建筑的上述特點(diǎn)，還可以有效的降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本。其中，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，主要的優(yōu)化對(duì)象和優(yōu)化內(nèi)容包括：建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、建筑屋蓋系統(tǒng)的優(yōu)化、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等內(nèi)容。

而針對(duì)上述結(jié)構(gòu)具體方面的優(yōu)化還包括具體的選型、結(jié)構(gòu)的布置、結(jié)構(gòu)整體受力分析以及結(jié)構(gòu)造價(jià)分析等，在確保達(dá)到實(shí)用要求以及建筑標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，通過(guò)與具體的工程實(shí)際情況相結(jié)合，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖1-建筑外部結(jié)構(gòu)

圖2-建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

3 概念設(shè)計(jì)方法在提高建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用性及效果中的作用

建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)一直是建筑整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要方向和重要基礎(chǔ)。通過(guò)采用建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方法，可以保證建筑整體結(jié)構(gòu)能在多種意料之外的外部作用力以及外部破壞的作用之下，將建筑的受破壞程度降到最低。所以，對(duì)建筑在使用的過(guò)程中可能會(huì)遇到的各種不穩(wěn)定因素成為了建筑概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，同時(shí)也成為了提高建筑實(shí)用性的一種建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效手段。在進(jìn)行建筑可能遭受的結(jié)構(gòu)破壞分析過(guò)程中，地震是一種作用力大、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的破壞因素。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中就應(yīng)該預(yù)先針對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及計(jì)算等多個(gè)方面對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力采取多種措施，而不利于建筑抗震能力提高的設(shè)計(jì)方案則盡可能的避免。通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應(yīng)該確保建筑的整體剛度盡量均勻、對(duì)稱，這是有效降低建筑整體結(jié)構(gòu)在減小建筑結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中出現(xiàn)破壞的一個(gè)重要手段。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還應(yīng)該采用多種有效的設(shè)計(jì)方式來(lái)增加建筑抵抗地震的能力，諸如延性設(shè)計(jì)，它可以有效的控制建筑在地震的作用下出現(xiàn)脆性破壞的問題；多道設(shè)防的設(shè)計(jì)思路可以使得在劇烈地震的作用下，建筑的一些次要結(jié)構(gòu)先發(fā)送破壞，通過(guò)消耗一部分地震能量來(lái)減小對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)的破壞。這些建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法都是建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循和采用的有效原則。

4 基于實(shí)用與效果的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

4.1 提高建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的策略

空間利用率是衡量建筑人性化指標(biāo)的一個(gè)重要指標(biāo)，下面從提高提高住宅建筑的空間利用率出發(fā)，探討提高建筑實(shí)用性的人性化建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。

4.1.1基本思路

這里對(duì)于提高建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的策略是利用了整體和部分的關(guān)系，

N=1+1+1+1+1……

當(dāng)N表示為整個(gè)建筑主體時(shí)，1就可以分別代表臥室、客廳、餐廳和衛(wèi)生間等；

當(dāng)N表示為120m2的建筑空間時(shí)，1則分別表示25m2的客廳、15m2的主臥室、5m2的衛(wèi)生間以及9m2的餐廳等；同樣，當(dāng)N表示為對(duì)應(yīng)臥室的大小時(shí)，1則表示臥室中的床鋪、電視柜、掛衣柜以及桌子的大小；而當(dāng)N表示為客廳時(shí)，1則表示電視的尺寸、沙發(fā)的大小、背景墻體的比例等。

4.1.2提高空間利用率的主要目的

增加對(duì)空間的利用程度，減少空間的浪費(fèi)，在保證空間使用的實(shí)用性基礎(chǔ)上增加空間利用的人性化。

4.1.3具體的實(shí)施策略

確定建筑空間的面積確保建筑的容積效率之后確定結(jié)構(gòu)的最佳進(jìn)深計(jì)算面寬確定房間的具體進(jìn)深房間家具的尺寸以及實(shí)用性

目標(biāo)空間結(jié)構(gòu)合理的交通面積

增加面積

房間+客廳+起居室+運(yùn)動(dòng)室……

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

4.2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

建筑結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化方法包括這樣三個(gè)基本的步驟：首先，確定設(shè)計(jì)變量。以影響建筑整體效果和實(shí)用性的相關(guān)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，諸如對(duì)應(yīng)的目標(biāo)控制函數(shù)(整體結(jié)構(gòu)造價(jià)C1、損失期望C2)、約束控制參數(shù)(整體建筑結(jié)構(gòu)的可靠度SP)。在進(jìn)行選取的過(guò)程中，盡量忽略那些對(duì)結(jié)構(gòu)整體效果以及實(shí)用性影響不大的相關(guān)參數(shù)，這樣可以大大減少模型的計(jì)算以及編程工作量；其次，建立目標(biāo)函數(shù)，以建筑的整體效果和實(shí)用性最佳為目標(biāo)，尋找一組既能夠滿足建筑使用功能又能夠滿足預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)截面尺寸、鋼筋截面積等要素的參量，使得目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)；再次，定義約束條件，建筑結(jié)構(gòu)的約束條件包括建筑的可靠度、強(qiáng)度約束、應(yīng)力變形約束以及裂縫寬度約束等。設(shè)計(jì)的過(guò)程中就是要使得實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在和約束條件相比較之后，符合當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的選擇

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案很多，一般采用基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這些方案在計(jì)算的過(guò)程中需要考慮到多變量的復(fù)雜變化，同時(shí)約束條件較多，且都屬于非線性問題，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程中一般要轉(zhuǎn)化成為無(wú)約束以及線性問題來(lái)加以求解。這個(gè)過(guò)程中，可以采用的優(yōu)化計(jì)算方法包括：拉普拉斯算子法、復(fù)合形法等。在進(jìn)行算法的選取時(shí)可以對(duì)算法的精度以及算法的計(jì)算速率予以綜合考慮，選定一個(gè)最適合的算法。

4.2.3 具體的程序設(shè)計(jì)

以上述選擇和確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，編制一個(gè)功能齊全而運(yùn)算速度較快的綜合計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉及到具體的工程指標(biāo)選取以及建筑的功能需要，且編程內(nèi)容較為繁復(fù)，這里不詳細(xì)論述。

4.2.4結(jié)果分析

在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的過(guò)程中，應(yīng)該從多個(gè)方面和多個(gè)角度予以考慮，諸如建筑結(jié)構(gòu)的成本、實(shí)用性和整體空間效果等。這主要是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)屬于一項(xiàng)耗資較大的工程，涉及到的方面比較多，需要從全盤予以考慮，不能夠僅僅為了節(jié)省資金、或者是僅僅為了增加建筑的實(shí)用性來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。總的來(lái)講就是要爭(zhēng)取的處理好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間的問題，在兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，屬于綜合決策的問題。在優(yōu)化的過(guò)程中需要綜合考慮實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)和整體效果等因素。本文對(duì)人性化建筑以及采用概念設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用程度及整體效果進(jìn)行改進(jìn)的方式進(jìn)行了探討，并針對(duì)建筑部分結(jié)構(gòu)的空間利用率的優(yōu)化部分進(jìn)行了具體分析，提供了一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新理念。

圖3-某大底盤高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4-某住宅內(nèi)部空間布局

圖5-建筑結(jié)構(gòu)的有限元分析

參考文獻(xiàn)：

[1] 張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2008 :34-36.

篇（8）

1、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化原則

1.1、安全性

在房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中的過(guò)程中首先要考慮的就是穩(wěn)定性與房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性，并且在優(yōu)化時(shí)要盡量節(jié)約房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化成本，在進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中要緊跟當(dāng)今社會(huì)所倡導(dǎo)的綠色健康無(wú)公害的步伐，積極將健康綠色的理念引入到房屋建筑設(shè)計(jì)的方案中。另一方面房屋建筑優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家所倡導(dǎo)的節(jié)能理念，要充分利用自然能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮怎么設(shè)計(jì)才能讓自然能發(fā)揮其最佳的效果。

1.2、環(huán)保性

房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到房屋結(jié)構(gòu)的整體功能和穩(wěn)定，因此在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中要全面應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)地基地質(zhì)、樁基類型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面地控制，合理確定樁基工程的形式，把握樁身長(zhǎng)度和直徑，優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的方案，確定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)和資金投入的平衡點(diǎn)，在全面進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提升和保證房屋整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.3、經(jīng)濟(jì)性

考慮開發(fā)商的經(jīng)濟(jì)效益設(shè)計(jì)師們?cè)趦?yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)，也要考慮建筑項(xiàng)目資源分配的最優(yōu)化，盡力的為開發(fā)商節(jié)約資源和成本。

1.4、創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)一些新的結(jié)構(gòu)和思路建筑設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮時(shí)，需要充分結(jié)合之前的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，大膽的進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)一些新的結(jié)構(gòu)和思路，不斷引進(jìn)新的技術(shù)。總之，要注重使得其設(shè)計(jì)的建筑作品在優(yōu)化的同時(shí)也要具有實(shí)用價(jià)值。

2、房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

2.1、建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常情況下分為兩部分，一部分是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，另一部分就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案。所謂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是變量中選擇出主要的參數(shù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析建立起函數(shù)模型，運(yùn)用函數(shù)模型借助較為科學(xué)的方法計(jì)算出最優(yōu)解。建立模型的步驟一般有以下幾步：一、選擇合理的設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的選擇對(duì)于模型的構(gòu)建具有重要的意義，設(shè)計(jì)變量的選擇將會(huì)影響到對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)的選擇，進(jìn)一步涉及到參數(shù)重要性的區(qū)分問題。選擇出了合理的設(shè)計(jì)變量在很大的程度上能夠減少計(jì)算編程的工作量；二、確定目標(biāo)函數(shù)。首先找出滿足函數(shù)條件的最優(yōu)解，然后確定約束條件。在房屋的優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在著很多的約束條件，其中有：應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從彈塑性約束等，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要確保所有的約束條件都在規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，即在規(guī)范條件內(nèi)滿足約束條件。

2.2、設(shè)計(jì)計(jì)算方案和程序

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證計(jì)算方案合理優(yōu)化。在這個(gè)過(guò)程中，涉及很多約束條件和變量，所以在設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行計(jì)算中，要了解這些約束條件，然后進(jìn)行合理的分析，最后考慮工程的變量，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算方式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在模型建立和設(shè)計(jì)方案確定后，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)方案制定相應(yīng)的程序，然后將這些變量錄入到計(jì)算機(jī)中，然后有設(shè)計(jì)變動(dòng)，就要在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改寫，將新的程序錄入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)在計(jì)算中只需要相關(guān)編程數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

2.3、認(rèn)真分析統(tǒng)計(jì)結(jié)論

設(shè)計(jì)師在進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算之后，要認(rèn)真對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，并找出各個(gè)設(shè)計(jì)方案所得結(jié)果的異同，綜合考慮設(shè)計(jì)情況與進(jìn)展確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行結(jié)論分析時(shí)，設(shè)計(jì)師還有對(duì)一些細(xì)節(jié)問題多加留意。房屋的建設(shè)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要消耗大量的人力、物力，建設(shè)成本對(duì)于建設(shè)單位的利益和房屋使用者的利益都有很大的影響。因此，設(shè)計(jì)師需要在把握細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，從宏觀上把握當(dāng)事人的利用，有效節(jié)約建設(shè)成本，進(jìn)一步優(yōu)化建設(shè)方案。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師要杜絕脫離建筑實(shí)際，盲目追求創(chuàng)新的現(xiàn)象。同時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)具有全局意識(shí)，一切從企業(yè)、人民的利益出發(fā)。

2.4、靈活運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

設(shè)計(jì)人員需要全面理解規(guī)范條文，正確靈活的運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。例如在規(guī)范中對(duì)剪力墻設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的，因?yàn)檫@樣可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭作用，從而讓建筑結(jié)構(gòu)的剛度有連貫性且變化情況穩(wěn)定，但是作為一個(gè)優(yōu)秀的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，應(yīng)該靈活運(yùn)用這個(gè)要求，不僅要考慮規(guī)范的要求，還需要考慮溫度對(duì)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(jié)構(gòu)的不安因素。

2.5、具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)把控

2.5.1、主體優(yōu)化

房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。整個(gè)過(guò)程最先一步就應(yīng)當(dāng)合理地設(shè)置剪力墻，保證剪力墻整體的質(zhì)量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點(diǎn)重合于樓層整體的結(jié)構(gòu)重心，從而減少地震或者風(fēng)力等對(duì)其的破壞性。在房屋建設(shè)時(shí)，如果條件允許，要盡可能地對(duì)剪力墻進(jìn)行大開間的構(gòu)造，加長(zhǎng)剪力墻的墻肢長(zhǎng)度，這樣就能減少墻肢的數(shù)量，還能在符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上減少混凝土的使用。

2.5.2、結(jié)構(gòu)細(xì)部?jī)?yōu)化

對(duì)于房屋建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一定要重視房屋建筑的分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。首先，在建筑物進(jìn)行前期設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該深入考慮方案的合理性，為后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好鋪墊，才能完成合理完整的建筑物。與此同時(shí)，中國(guó)有句老話叫“千里之堤毀于蟻穴”，說(shuō)的就是重視細(xì)節(jié)的道理，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)建好了，但是如果局部位置出現(xiàn)問題，將危及整座建筑物，結(jié)構(gòu)細(xì)部的優(yōu)化工作包括了結(jié)構(gòu)細(xì)部的設(shè)計(jì)工作，如平時(shí)我們工作中給常見的矩形現(xiàn)澆板做設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其先做分析，避免在拐角處有裂縫，這都是細(xì)節(jié)，但如果不注意，引起的后果將不堪設(shè)想。

2.6、注重利用計(jì)算機(jī)技術(shù)

通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)仿真的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多新的思路。建筑設(shè)計(jì)師能夠利用計(jì)算機(jī)軟件建立各種便于分析的模型并通過(guò)計(jì)算機(jī)的優(yōu)化計(jì)算為設(shè)計(jì)師提供精確的數(shù)據(jù)最后達(dá)到建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化。計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用可以說(shuō)把建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)這樣一個(gè)工程的問題轉(zhuǎn)變成一個(gè)數(shù)學(xué)的問題。特別對(duì)于大型的復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算其技術(shù)擁有人腦不可替代的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一些超高建筑的抗震、抗風(fēng)等等設(shè)計(jì)問題計(jì)算機(jī)技術(shù)的合理運(yùn)用能夠分析得到很多精確的數(shù)據(jù)為建筑設(shè)計(jì)師在具體的設(shè)計(jì)中提供可靠的參考數(shù)據(jù)，可以大大提高建筑設(shè)計(jì)師的工作效率。

總言之，現(xiàn)今隨著我國(guó)建筑工程項(xiàng)目的逐漸展開，有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題將更加的突出，為了有效的適應(yīng)城市的整體美觀規(guī)劃，相關(guān)人員要不斷強(qiáng)化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在保證建筑基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高建筑主體的質(zhì)量，已最終滿足人們對(duì)房屋建筑的現(xiàn)實(shí)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]何冬霞.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用[J].中華民居（下旬刊），2013，10：18-19.

篇（9）

中圖分類號(hào)： U461文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

引言

現(xiàn)代產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，且功能極大豐富，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度提高.復(fù)雜的產(chǎn)品及工程，如汽車、飛機(jī)和宇航等，通常由眾多的系統(tǒng)、子系統(tǒng)及其零部件組成.同時(shí)，這些復(fù)雜的產(chǎn)品及工程設(shè)計(jì)問題又大多涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并且各個(gè)學(xué)科之間可能存在著很強(qiáng)的相互耦合關(guān)系.這些復(fù)雜因素都給產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)帶來(lái)非常大的挑戰(zhàn).[1]

為滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)及工程設(shè)計(jì)的要求，并行性、一致性和高效率已經(jīng)成為設(shè)計(jì)流程設(shè)置及其開發(fā)環(huán)節(jié)中極為重要的考核指標(biāo).

所謂的并行性，指系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)在彼此相互獨(dú)立的情況下同時(shí)實(shí)施.并行進(jìn)行的設(shè)計(jì)任務(wù)之間，可能會(huì)存在著大量的關(guān)聯(lián)與耦合關(guān)系.這就要求各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)之間必須保持與系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)高度一致，從而使得最終生產(chǎn)制造出的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求.各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)需要與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)之間進(jìn)行不斷地交互，而且這種交互工作越早發(fā)生，越有利于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的高效進(jìn)行，避免在產(chǎn)品設(shè)計(jì)后期發(fā)生系統(tǒng)整體的性能未能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的情況，從而不得不重新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致極為嚴(yán)重的資源和時(shí)間浪費(fèi).

傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用串行設(shè)計(jì)模式和單層次優(yōu)化方法（AllatOnce）.整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)過(guò)程按照單個(gè)子系統(tǒng)或零部件依次進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作.這樣的設(shè)計(jì)模式嚴(yán)重制約產(chǎn)品的開發(fā)效率，也導(dǎo)致最終集成的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案.隨著產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)問題越來(lái)越復(fù)雜，自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，一種解決復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)優(yōu)化問題的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidiscipline Design Optimization，MDO）方法，在國(guó)內(nèi)外獲得廣泛關(guān)注.MDO方法是一種通過(guò)充分探索和利用系統(tǒng)間的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的方法，即MDO方法是在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合系統(tǒng)的多學(xué)科本質(zhì)，充分利用各種不同學(xué)科的設(shè)計(jì)與分析工具，最終達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法.基于MDO理念，將各學(xué)科的高精度分析模型與優(yōu)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，尋找到最佳的總體設(shè)計(jì)方案.MDO方法最初應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶、汽車和建筑等各個(gè)領(lǐng)域.[2]

目前，主要的MDO方法包括：協(xié)同優(yōu)化（Collaborative Optimization，CO），并行子空間優(yōu)化（Concurrent Subspace Optimization，CSSO），二級(jí)系統(tǒng)一體化合成優(yōu)化（BiLevel Integrated System Synthesis，BLISS）和解析目標(biāo)分解 （Analytical Target Cascading，ATC）法等.[3]不同于CO和BLISS等傳統(tǒng)的MDO優(yōu)化方法，ATC方法起源于汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其目標(biāo)主要是通過(guò)不斷地進(jìn)行子系統(tǒng)與零部件的迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)問題的既定目標(biāo).通過(guò)層次化的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)考慮構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在優(yōu)化各個(gè)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上達(dá)成整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化.該方法最早由美國(guó)密西根大學(xué)KIM博士和PAPALAMBROS教授所在的Optimal Design實(shí)驗(yàn)室提出.[45]

1目標(biāo)分解方法及其數(shù)學(xué)表達(dá)

1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的層次化構(gòu)架設(shè)計(jì)

通常，一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)問題，可以通過(guò)分解構(gòu)建成一個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)形式.典型的層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例見圖1.產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)問題被分解為3層結(jié)構(gòu)，包含由A到G的所有元素.對(duì)于層級(jí)1而言，只擁有元素A.元素A又可通過(guò)分解，得到下一個(gè)層級(jí)（即層級(jí)2）的2個(gè)元素，分別為B和C.依次，又可分解得到層級(jí)3及其對(duì)應(yīng)的元素D，E，F(xiàn)和G.這樣，就可以將一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)逐層分解成多個(gè)簡(jiǎn)單問題的集合.

圖 1典型的層次化結(jié)構(gòu)

1.2ATC方法的實(shí)施步驟

ATC方法一般可以按照以下4個(gè)步驟實(shí)施.

（1）首先確定產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)問題系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；

（2）將這個(gè)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)逐層分解到各個(gè)子系統(tǒng)或者零部件上，確定它們?yōu)闈M足這個(gè)總目標(biāo)的要求各自所必須實(shí)現(xiàn)的子目標(biāo)；

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得各個(gè)子系統(tǒng)或零部件分別實(shí)現(xiàn)其滿足系統(tǒng)總目標(biāo)要求的各自的子目標(biāo)；

（4）通過(guò)各個(gè)子系統(tǒng)和零部件設(shè)計(jì)結(jié)果的組合，驗(yàn)證最終產(chǎn)品開發(fā)與工程設(shè)計(jì)是否可實(shí)現(xiàn)既定的總目標(biāo)要求.

ATC方法在建立層次化結(jié)構(gòu)時(shí)，需要建立2種類型的模型，分別為優(yōu)化模型P和分析模型r.優(yōu)化模型P的主要功能是建立優(yōu)化算法，并通過(guò)調(diào)用分析模型r得到系統(tǒng)、子系統(tǒng)及其零部件的設(shè)計(jì)響應(yīng)；分析模型r為仿真計(jì)算模型，其主要功能是根據(jù)優(yōu)化模型P產(chǎn)生的輸入?yún)?shù)（即設(shè)計(jì)變量）和下一層的響應(yīng)，通過(guò)仿真計(jì)算得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果輸出，返回給優(yōu)化模型P.ATC方法中不同層級(jí)之間數(shù)據(jù)流向及每一層中分析模型P與分析模型r之間的調(diào)用關(guān)系見圖2.

圖 2ATC方法的數(shù)據(jù)流向

圖2中，作為中間層的子系統(tǒng)層，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)RUs1和共享變量yUs1由系統(tǒng)層傳遞下來(lái).經(jīng)過(guò)一系列的子系統(tǒng)層及零部件層優(yōu)化設(shè)計(jì)求解之后，將生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)響應(yīng)RLs1和共享設(shè)計(jì)變量yLs1，并返回給系統(tǒng)層.同理，對(duì)于最底層的零部件層ss1，RUss1和yUss1被作為設(shè)計(jì)目標(biāo)和共享設(shè)計(jì)變量由子系統(tǒng)層傳遞下來(lái)，而后通過(guò)優(yōu)化與仿真，再將相對(duì)應(yīng)的RLss1和yLss1返回給子系統(tǒng)層.對(duì)于子系統(tǒng)層調(diào)用的分析模型rs1，來(lái)自零部件層的ss1響應(yīng)Rss1和ss2的響應(yīng)Rss2，子系統(tǒng)層本地設(shè)計(jì)變量x-s1和子系統(tǒng)層的共享設(shè)計(jì)變量ys一同作為其輸入?yún)?shù)，由Ps1調(diào)用.

1.3ATC方法的數(shù)學(xué)表達(dá)

2數(shù)值案例及Isight軟件求解

2.1數(shù)值案例的分解解析

2.2基于Isight優(yōu)化軟件的ATC實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的深入，采用單一學(xué)科軟件的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化方法，已經(jīng)難以適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程開發(fā)的需要.以航空航天領(lǐng)域設(shè)計(jì)為例，其涉及機(jī)械、電子、控制和熱工等多個(gè)學(xué)科.隨著各個(gè)學(xué)科的深入發(fā)展，在每個(gè)單獨(dú)的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，都已經(jīng)形成大量專業(yè)的仿真方法與工具.因此，如何在設(shè)計(jì)中將各個(gè)學(xué)科有效鏈接起來(lái)，使其形成一個(gè)統(tǒng)一各學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)的平臺(tái)，已經(jīng)成為工程和學(xué)術(shù)界所關(guān)注的重點(diǎn).

作為多學(xué)科聯(lián)合仿真與優(yōu)化技術(shù)的先驅(qū)者，Isight軟件為解決復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程開發(fā)提供多學(xué)科集成的優(yōu)秀平臺(tái).Isight軟件將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計(jì)搜索技術(shù)進(jìn)行有效融合，將多學(xué)科專業(yè)軟件進(jìn)行協(xié)同以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并且把原來(lái)需要大量人工完成的工作改由軟件自動(dòng)進(jìn)行處理.Isight軟件的使用可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計(jì)周期，顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性.

本文將Isight軟件作為實(shí)現(xiàn)ATC方法的優(yōu)化仿真平臺(tái).Isight軟件下為實(shí)現(xiàn)上述數(shù)值案例所構(gòu)建的2層的ATC架構(gòu)見圖3，包括系統(tǒng)層與子系統(tǒng)層，其中，子系統(tǒng)層由2個(gè)元素組成.

2.3優(yōu)化結(jié)果分析

利用Isight優(yōu)化軟件所構(gòu)建的ATC仿真模型見圖4.系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化和子系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化均采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（Sequential quadratic programming，SQP）.最后設(shè)計(jì)變量（x1，x2，…，x14）收斂，目標(biāo)函數(shù)f=17.02，與該數(shù)值算例的最優(yōu)值f=17.00非常接近.

圖 3Isight軟件下的ATC架構(gòu)

圖 4ATC方法的Isight軟件實(shí)現(xiàn)

3工程案例分析

3.1問題定義

以純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步說(shuō)明ATC方法.純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖5，其動(dòng)力總成類似傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu).

圖 5純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)

車輛的基本參數(shù)與性能指標(biāo)見表1.優(yōu)化目標(biāo)為在純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的制造成本與其使用成本之間取得設(shè)計(jì)平衡.基于ATC方法的2層電動(dòng)汽車動(dòng)力總成目標(biāo)分解與架構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖6.系統(tǒng)層以能耗仿真模型、動(dòng)力總成成本模型和車輛性能仿真模型作為這一層級(jí)的分析模型.通過(guò)調(diào)用能耗仿真模型和動(dòng)力總成成本模型可以分別得到使用成本和制造成本，將車輛性能仿真模型作為性能約束條件.[6]

3.2優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化前、后結(jié)果的對(duì)比見表2，可知，制造成本在整個(gè)成本構(gòu)成中占據(jù)較大份額.通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化，使得使用成本和制造成本都有所下降，從而最終優(yōu)化目標(biāo)（總成本）也相應(yīng)地有所下降，說(shuō)明所提出的基于ATC優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到預(yù)期效果.

表 2優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比名稱原始值優(yōu)化值傳動(dòng)比ig67.983 2電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑d/m0.120.051 2電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L/m0.128 70.138 1使用成本/元897.71893.73制造成本/元5 013.894 984.88總成本/元5 911.605 878.61

4結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)分解方法是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程開發(fā)層次化架構(gòu)的系統(tǒng)化方法，結(jié)合Isight優(yōu)化軟件，對(duì)ATC方法進(jìn)行充分的說(shuō)明.

（1）對(duì)ATC方法的層次化架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述，并引出實(shí)施ATC方法的一般步驟.

（2）詳細(xì)論述ATC方法每層之間的信息傳遞，并給出ATC方法的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式.

（3）基于Isight優(yōu)化軟件，分別進(jìn)行數(shù)值案例和工程案例的分析，充分說(shuō)明ATC方法對(duì)解決復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的有效性.參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 簡(jiǎn)單闡述

由于體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的功能性，除了滿足比賽場(chǎng)地的工藝設(shè)計(jì)要求，保證比賽的正常進(jìn)行外，對(duì)于使用人數(shù)最多的看臺(tái)部分進(jìn)行合理和優(yōu)化設(shè)計(jì)，是體育場(chǎng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，看臺(tái)設(shè)計(jì)中的視線設(shè)計(jì)則是其重中之重，視線設(shè)計(jì)決定了看臺(tái)各層的高度和距離，決定了看臺(tái)坡度的形狀和大小，從而直接影響著體育場(chǎng)的規(guī)模大小，使用功能和空間形式。

2 視線設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及主要數(shù)值變量的定義分析

影響視線設(shè)計(jì)的因素主要包括: 視點(diǎn)的選擇，排深，視距，各排視線升高值，首排距視點(diǎn)的水平距離以及首排距視點(diǎn)的眼高值( 如圖 1) 。

①視點(diǎn)的選擇: 視點(diǎn)是指為保證觀眾的觀看質(zhì)量，在視線設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同競(jìng)賽項(xiàng)目和不同標(biāo)準(zhǔn)，保證觀眾看到比賽場(chǎng)地的全部或絕大部分時(shí)所確定的場(chǎng)地設(shè)計(jì)平面位置。

②排深( d) : 排深是指觀眾席位排與排之間的距離。

③視距: 視距是指，由觀眾眼睛到比賽場(chǎng)地中被觀察物體的距離。視距的長(zhǎng)短，決定著觀看者的舒適程度。視距越近越清晰，但在體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，由于比賽多以足球和田徑為主，場(chǎng)地較大，過(guò)近的視距反而會(huì)使觀看者頭部來(lái)回?cái)[動(dòng)，不利于觀看，所以視距的選擇還應(yīng)根據(jù)具體比賽項(xiàng)目而定。

④視線升高差值( C) : 這個(gè)值是指前后排觀眾眼睛至視點(diǎn)視線間的垂直距離。

⑤首排距視點(diǎn)的水平距離( X1) : 是指看臺(tái)前沿至剖面視點(diǎn)的水平距離，一般作為運(yùn)動(dòng)緩沖帶和休息地。

⑥首排距視點(diǎn)的眼高值( Y1) : 是指首排觀眾保持坐立姿勢(shì)時(shí)眼睛距視點(diǎn)的垂直高度，首排高度主要保證觀眾不受在緩沖帶上行走的運(yùn)動(dòng)員的遮擋，大型體育場(chǎng)還應(yīng)考慮下部活動(dòng)座椅的高度。

3 各變量數(shù)值的變化規(guī)律及對(duì)看臺(tái)剖面的影響，由于現(xiàn)代體育場(chǎng)趨于多功能復(fù)合型，體育場(chǎng)中并不只舉辦單一賽事，各個(gè)賽事對(duì)場(chǎng)地大小高低的要求不同，視點(diǎn)的選擇也不同。

4 看臺(tái)視線設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化分析

4. 1 變量的確定

從上可見，各個(gè)變量在設(shè)計(jì)中得取值都不是一成不變的，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地，實(shí)際涉及的比賽項(xiàng)目以及各個(gè)體育場(chǎng)的規(guī)模要求，這些變量總是在一個(gè)范圍內(nèi)變化，它們相互制約，共同影響整個(gè)通視曲線的變化。在優(yōu)秀的體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中，首要問題就是正確合理的解決好四個(gè)變量的取值，不斷調(diào)整，反復(fù)斟酌，視情況而定。四個(gè)變量中由于 d 和 C 的變化范圍較小，往往取定值，因此變化最靈活的是 X1 和 Y1，從視點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)比賽緩沖區(qū)尺寸要求合理選取首排的水平距離，留出場(chǎng)地周圍的緩沖區(qū)域，一般 3 －5m 為宜，Y1 的確定則需考慮看臺(tái)下部空間的利用，和替補(bǔ)運(yùn)動(dòng)員的視線遮擋，一般根據(jù)下部用房層高需要而定。

4. 2 看臺(tái)剖面分段設(shè)計(jì)和優(yōu)化

好多場(chǎng)地看臺(tái)采用直線升起形式，不僅使后排觀眾的視線遮擋嚴(yán)重，而且升起過(guò)高，行走和站立很不方便。現(xiàn)代體育場(chǎng)設(shè)計(jì)通過(guò)作圖法和計(jì)算法兩種科學(xué)方法，確定出需要的通視曲線，在此基礎(chǔ)上逐一確定每排看臺(tái)的高度。

4. 2. 1 依次排列設(shè)計(jì)法:

現(xiàn)代體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中除了規(guī)模很小的小型看臺(tái)以外，大型體育場(chǎng)的看臺(tái)縱向連續(xù)排數(shù)不超過(guò) 20 排，因此需要設(shè)置橫向過(guò)道，這樣，我們?cè)谄拭嬖O(shè)計(jì)中，利用橫向過(guò)道將通視曲線打斷，將完整的看臺(tái)分為若干層，再通過(guò)每層的單獨(dú)出入口進(jìn)出看臺(tái)，上層看臺(tái)的觀眾也可通過(guò)縱向過(guò)道到達(dá)下層看臺(tái)，以保證每個(gè)座位的可達(dá)性和疏散安全( 如圖 2) 。

4. 2. 2 疊層排列設(shè)計(jì)法

在大型體育場(chǎng)中，由于看臺(tái)數(shù)較多，依次排列法會(huì)使整個(gè)體育場(chǎng)規(guī)模巨大，導(dǎo)致最后幾排看臺(tái)的視距過(guò)遠(yuǎn)，觀眾無(wú)法看清比賽。因此針對(duì)大型體育場(chǎng)設(shè)計(jì)需要對(duì)看臺(tái)剖面進(jìn)行優(yōu)化。

如圖 3，將分段后的上層看臺(tái)同下層看臺(tái)重疊一小部分，形成懸挑結(jié)構(gòu)，這樣不僅拉近了上部看臺(tái)與視點(diǎn)的距離，縮小了體育場(chǎng)的規(guī)模，同時(shí)也使看臺(tái)更加緊湊，觀看氛圍更好。需要說(shuō)明的是，這樣做會(huì)使上部看臺(tái)的 X1 值變小，后排升起變陡，因此需要對(duì)第一段看臺(tái)的 X1 值和 Y1 值進(jìn)行合理調(diào)整。

4. 3 通視曲線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

折線優(yōu)化: 通視曲線在精確計(jì)算結(jié)果下，由于 C 值為定值，因此每排的升高高度不同，且多為零數(shù)，在實(shí)際施工中很難實(shí)現(xiàn)。因此實(shí)際工程中的通常做法是將通視曲線以折線代替，以 4 ～6 排為一組，這樣會(huì)使 C 值有所變化，但由于變化不大，通常被忽略，這樣的好處是方便施工，且更易計(jì)算和繪制( 如圖 5，以下均以兩層看臺(tái)為例) 。在此，我們?cè)趫D中的曲線上選取 2 個(gè)點(diǎn) a 和 b，作直線，直線滿足的條件是: 既與虛線 AB，BC平行，也與曲線相切，如圖 6。可以看出，曲線 aA 段和 bB 段比優(yōu)化虛線 AB 和 BC 陡，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的折線并不是每排座位都能滿足固定的 C 值，因此為滿足視線的通暢，我們需要再次進(jìn)行優(yōu)化。

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DOIDOI：10.11907/rjdk.161913

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16727800（2016）010017604

0引言

由于社會(huì)發(fā)展的需要，傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足用戶更多類型的應(yīng)用需求，公眾對(duì)無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，面向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用加劇了提升通信效率方面的開發(fā)幅度和性能要求，受限的無(wú)線媒介與實(shí)際應(yīng)用的需求矛盾逐漸凸顯[12]。路由協(xié)議是運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)層的信息轉(zhuǎn)發(fā)策略，性能優(yōu)越的路由協(xié)議能夠使消息的傳遞過(guò)程更加順暢，使通信客戶端可以通過(guò)最優(yōu)的路徑將信息傳遞給其它客戶端，有效提升了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。無(wú)線通信協(xié)議的路徑選擇示意如圖1所示，目前針對(duì)路由協(xié)議的開發(fā)僅僅局限在網(wǎng)絡(luò)層本身，并沒有將其與實(shí)際的數(shù)據(jù)應(yīng)用相結(jié)合，通過(guò)信息手段將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況與實(shí)際協(xié)議開發(fā)相結(jié)合是目前行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)[34]。

目前，很多專家學(xué)者針對(duì)無(wú)線環(huán)境下的路由協(xié)議進(jìn)行了研究。為了解決分布式編碼感知路由協(xié)議中可能出現(xiàn)的吞吐量降低的問題，王春雨等[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線通信路由協(xié)議，達(dá)到了提升系統(tǒng)吞吐量的目的。IP數(shù)據(jù)包廣泛應(yīng)用于分布式通信網(wǎng)絡(luò)，迫切需要網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力。由于單通道單一接口模型不滿足復(fù)雜系統(tǒng)的需求，Jin等[6]建立了一個(gè)面向軍事應(yīng)用的分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了基于ZRP 的多渠道M-ZRP路由協(xié)議。仿真結(jié)果表明，M-ZRP具有更好的性能。

蟻群算法（Ant Colony Optimization，ACO）是根據(jù)螞蟻群落采集食物的原理被提出和模擬而來(lái)，已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。與基于梯度的性能優(yōu)化算法原理不同，蟻群算法通過(guò)概率搜索算法來(lái)完成[78]。雖然概率搜索算法一般需要采用價(jià)函數(shù)，但是與傳統(tǒng)的梯度演化算法相比，其有諸多比較顯著的性能，集中表現(xiàn)在以下方面[911]：①無(wú)集中控制約束，不會(huì)因個(gè)別個(gè)體的故障影響整個(gè)系統(tǒng)問題的求解，確保了系統(tǒng)更強(qiáng)更穩(wěn)定的魯棒性；②以非直接通信形式保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；③采用并行分布算法模型和多處理器運(yùn)行模式；④定義問題的連續(xù)性沒有限制；⑤算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

OPNET Modeler中的WLAN 、MANET等無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)模型提供了多種成熟的路由協(xié)議，包括按需距離向量路由（Ad hoc On Demand Distance Vector，AODV）、動(dòng)態(tài)源路由（Dynamic Source Routing，DSR）、地理路由（Geographic Routing Protocol，GRP）等[1213]。

針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，本文提出了基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，此優(yōu)化設(shè)計(jì)將TSP基本蟻群算法的基本原理和通信路由選擇相結(jié)合，通過(guò)建立系統(tǒng)模型，依靠螞蟻信息素含量及距離競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制為節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)通信路徑。同時(shí)，本文通過(guò)在OPNET Modeler通信仿真軟件中建立仿真場(chǎng)景及完成模型構(gòu)建，對(duì)基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并與其它典型無(wú)線路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，主要分析指標(biāo)是傳輸延時(shí)及吞吐量。

1基于TSP蟻群算法的路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1TSP蟻群算法模型

式中，Q為常數(shù)，表示螞蟻尋找路徑過(guò)程中所釋放信息素總量，它在一定程度上影響算法的收斂速度，本文中的Q值通過(guò)仿真獲得。本文采用的AntCycle模型，其利用的是系統(tǒng)全局信息，此信息更新策略能夠使較短路徑上對(duì)應(yīng)的信息素逐步增大，保證了算法中整體范圍下較短路徑的生存能力，提升了信息正反饋性能，加快了系統(tǒng)搜索路徑的效率。同時(shí)，AntCycle模型的更新規(guī)則能夠保證殘留信息不造成無(wú)限積累，如果某條路徑?jīng)]有被選中，則對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信息素含量會(huì)隨著時(shí)間的推移漸漸消失，使節(jié)點(diǎn)具備逐步淘汰劣質(zhì)路徑的能力，即使某條路徑經(jīng)常被訪問也不至于因?yàn)棣觟j（t）的積累，而出現(xiàn)τij≥ηij的情況，使得期望值的作用無(wú)法體現(xiàn)。因而，本文的蟻群算法采用AntCycle模型。

1.4路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)求解TSP問題的蟻群算法模型，對(duì)此模型進(jìn)行修改，同時(shí)結(jié)合無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，完成基于蟻群算法的路由協(xié)議設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)稱ACAB（ Ant Colony Algorithm Based）路由協(xié)議，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：Step1：初始化各通信節(jié)點(diǎn)間的距離。此操作通過(guò)節(jié)點(diǎn)廣播信息完成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配不同的ID，作為其在此過(guò)程中的唯一標(biāo)識(shí)，廣播的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示，包括節(jié)點(diǎn)ID屬性，當(dāng)前位置坐標(biāo)（x，y），是否為源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送需求，源節(jié)點(diǎn)屬性值賦值為1，同時(shí)將目的節(jié)點(diǎn)的ID進(jìn)行賦值，并對(duì)發(fā)送序列進(jìn)行編號(hào)，如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送需求，則置為0。

Step2：將若干螞蟻放在不同的通信節(jié)點(diǎn)中，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)維護(hù)自身的信息素列表，表中描述了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信息素含量和此刻與其它節(jié)點(diǎn)間的距離。信息列表的具體信息如圖4所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置移動(dòng)后，此表中的數(shù)據(jù)也進(jìn)行更新。Step3：每只螞蟻根據(jù)各節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的距離d和信息素水平τij（t），選擇下一通信節(jié)點(diǎn)，同時(shí)修改禁忌表。Step4：所有螞蟻完成周游后，更新信息列表中的信息素水平和節(jié)點(diǎn)位置信息。Step5：返回Step2，迭代次數(shù)d=d+1，直至尋找到源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)路徑或者滿足結(jié)束條件，最優(yōu)路徑的判定標(biāo)準(zhǔn)是路程最短min（Road），摒棄不必要的路徑信息。

2仿真實(shí)現(xiàn)及分析

通過(guò)在OPNET Modeler中建立仿真對(duì)比場(chǎng)景，對(duì)提出的基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議與典型的AODV、DSR路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析其在傳輸延時(shí)及吞吐量方面的性能表現(xiàn)。

2.1仿真場(chǎng)景建立及模型實(shí)現(xiàn)

OPNET Modeler采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)器以先進(jìn)先出的機(jī)制對(duì)事件列表和事件時(shí)間列表進(jìn)行維護(hù)管理[15]。本文設(shè)計(jì)的仿真場(chǎng)景中包含的通信節(jié)點(diǎn)由WLAN節(jié)點(diǎn)組成，可以通過(guò)設(shè)置其屬性對(duì)其進(jìn)行控制。仿真范圍為1 000m2，仿真時(shí)間為30min。仿真過(guò)程中通信節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)移動(dòng)，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層均采用基本IEEE 802.11協(xié)議，通信節(jié)點(diǎn)總數(shù)初步設(shè)為100，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為100ms，基本數(shù)據(jù)幀大小為100字節(jié)，仿真場(chǎng)景如圖3所示。

同時(shí)，WLAN節(jié)點(diǎn)包含完整的OSI協(xié)議模型，本文的路由協(xié)議設(shè)計(jì)在IP層自定義完成。通信信息從WLAN收信機(jī)進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)MAC層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP層、UDP層、路由層、應(yīng)用層，完成整個(gè)消息的通信流程[16]。對(duì)消息的處理過(guò)程由traf_src進(jìn)程模型完成，負(fù)責(zé)應(yīng)用層相關(guān)事務(wù)。

2.2基于TSP蟻群算法的路由協(xié)議測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后路由協(xié)議的通信性能，本文將基于TSP蟻群算法的路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的AODV及DSR路由協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比仿真。在仿真的20分鐘內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的信息素逐步累積，不同的數(shù)據(jù)請(qǐng)求序列針對(duì)不同的信息素標(biāo)識(shí)，完成數(shù)據(jù)傳輸后，對(duì)應(yīng)此路徑的信息素被清除，以節(jié)省系統(tǒng)容量。由于節(jié)點(diǎn)均為隨機(jī)移動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)的平均信息素水平基本相同，體現(xiàn)了本協(xié)議優(yōu)化方法的公平性。

為了更直觀地體現(xiàn)通信性能的變化，本文通過(guò)傳輸延時(shí)和吞吐量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行描述分析。

為了體現(xiàn)系統(tǒng)整體性能，本文統(tǒng)計(jì)平均傳輸延時(shí)，假設(shè)成功發(fā)送N組數(shù)據(jù)，則計(jì)算如下：

=1N?∑Ni=1D（i）（10）

式（10）中，D（i）表示第i個(gè)分組的傳輸延時(shí)。網(wǎng)絡(luò)的吞吐量TH是指在正常情況下系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)正確接收的信息量，單位是bit/s或是M/s。吞吐量描述了網(wǎng)絡(luò)可以完成通信任務(wù)的程度，是衡量自組織網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要指標(biāo)。

Th（i）m=ΔRp（i，m）ΔT（i，m） （11）

ΔRp（i，m）是指數(shù)據(jù)分組i到數(shù)據(jù)分組m被目的節(jié)點(diǎn)接收時(shí)系統(tǒng)已傳輸?shù)男畔⒖偭浚（i，m）是數(shù)據(jù)分組i到數(shù)據(jù)分組m被接收時(shí)兩者的時(shí)間差。若i>m，表示計(jì)算從第m個(gè)分組到第i個(gè)分組的吞吐量，若m=1，則結(jié)果是平均吞吐量。

圖4的仿真結(jié)果表明，在傳輸延時(shí)方面，提出的優(yōu)化路由協(xié)議較AODV協(xié)議、DSR協(xié)議分別減少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的優(yōu)化路由協(xié)議較AODV協(xié)議、DSR協(xié)議分別提高了8.4%和7.8%。信息素含量如圖5所示，仿真過(guò)程中信息素含量基本維持在110單位左右，較穩(wěn)定。這表明本文設(shè)計(jì)的基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議較經(jīng)典的協(xié)議效果有所改進(jìn)。優(yōu)化協(xié)議性能突出的原因是通過(guò)螞蟻信息素對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃和最優(yōu)化選擇，使得劣質(zhì)路徑在選擇的過(guò)程中被淘汰，但是需要指出的是，前期為了螞蟻尋找路徑而廣播的信息也加大了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，隱含在一部分吞吐量數(shù)據(jù)中，對(duì)仿真結(jié)果也產(chǎn)生了一定的影響。但總體而言，本文設(shè)計(jì)的ACAB路由協(xié)議效果較為突出。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕驹砑跋伻核惴ǖ倪\(yùn)算過(guò)程，本文提出了基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此優(yōu)化設(shè)計(jì)將TSP基本蟻群算法的基本原理和通信路由選擇相結(jié)合，通過(guò)建立系統(tǒng)模型，依靠螞蟻信息素含量及距離競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制為通信節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的通信路徑。同時(shí)，本文在OPNET Modeler通信仿真軟件中建立仿真場(chǎng)景并完成模型構(gòu)建，對(duì)基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并與其它典型無(wú)線路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，在傳輸延時(shí)方面，提出的優(yōu)化路由協(xié)議較AODV協(xié)議、DSR協(xié)議分別減少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的優(yōu)化路由協(xié)議較AODV協(xié)議、DSR協(xié)議分別提高了8.4%和7.8%。總之，本文設(shè)計(jì)的基于TSP蟻群算法的無(wú)線通信路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)方法效果突出。

同時(shí)，本文也存在一定的弊端，例如，蟻群算法必然會(huì)增加諸如信息素之類信息維護(hù)的額外成本，并且關(guān)于模型實(shí)現(xiàn)會(huì)影響底層協(xié)議的運(yùn)行。筆者將在今后的工作中著重對(duì)以上不足之處進(jìn)行研究改進(jìn)。

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