船舶结构优化设计方法及应用实践微探周琦
发表时间：2019-02-21T15:44:46.337Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：周琦
[导读] 不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新周琦
上海中远海运重工有限公司上海市 200030
摘要：不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新，船舶制造行业也应该进行创新。在实际中采取何种优化方法，才能获取相应的效果，这就需要结合实际的建造需求，文章主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。首先分析了船舶结构优化设计的概述，同时阐述了各类优化设计方式及其应用。
关键词：船舶结构；优化设计；概念；应用
近几年，随着我国市场经济的迅速发展，船舶行业也得到了较好的发展，在科技时代背景下，船舶建造行业也面临着较大的挑战，对船舶的制造速度和制造质量提出了更高的要求。借助何种手段，在确保船舶制造质量的同时，缩减制造速度是当前船舶制造企业首要解决的难题。全球范围内的造船大国，仅创建了大量的数字化造船体系。
1船舶结构优化设计概述
1.1船舶结构优化设计概念
随着船舶行业的不断发展，计算机技术的不断转变，与船舶设计相关的知识、技术也在发生了变化。在船舶设计制造过程中不管应用何种设计方式，首先需要确保船舶使用的安全性、便捷性，进而再追求船舶设计的经济利益，这也是船舶结构设计的原则。对船舶结构设计进行优化主要是为了挖掘更大的经济效益，同时创新船舶设计结构形式，在设计过程中主要包含设计大小、设计外形等信息，追求目标与重量的同时，还需要符合相应的标准，满足相应的约束限制，以此确保在船舶设计过程中，实现动力形态与精力形态的完美结合。
1.2船舶结构优化分类
按照变量属性，将船舶结构优化划分为离散模型、连续模型、混合变量模型。由于船舶制造过程中自身的比较繁琐，在建造过程中包括连续性、离散性，在骨材制造中包含连续性，在钢材厚度、型材上涉及离散性内容，因此，船舶结构优化设计本身属于一项混合优化设计方式。
2船舶结构经典优化设计方式
2.1准则优化设计方式
准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。
准则法经典优化设计方法的优点包括：（1）物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；（2）准则法计算方式比较简单；（3）在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；（4）计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。准则优化设计方式的缺点包括：（1）无法确保计算结果的最优化；（2）收敛性难以验证；（3）在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。
基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。
2.2数学规划设计方式
随着准则法的不断发展，相关专家学者对数学规划也展开了探讨，在1970年，相关学者创新了结构优化定义，为规范法注入了活力。通常情况下使用的方式为：单目标排序法、降维法、函数评价法等。在使用过程中是将多个目标进行规范，简化为单个目标，通过优化单个目标进行实现设计方式的优化。
数学规划法是在规划论的基础上存在，由于理论较为全面，因此使用范围也比较广，数学规划法自身还具备一定的收敛性。但是在应用中依旧存在一些缺点，主要包括：（1）计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；（2）在计算上还存在一些隐性缺陷。
针对上述问题，相学者进行了改进，在规范法中融入了准则法的优点，依照力学的特征进行了完善，其完善范围包括：选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等方面，很大程度提升了运算速度。
3船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理
船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的激励作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。
4船舶与海洋工程结构振动问题的研究现状
随着船舶工程的不断发展以及船舶与海洋工程结构稳定性研究工作的不断深入，当前许多研究人员与学术人员也将注意力集中在了工程结构的振动方面。其中，张生明等人通过使用流体边界法结合结构有限元的方式对于振动的计算特征进行了分析，同时得到了板架结构的相关参数，包括变长比、边界条件以及阻尼参数等不同的内容。另外，邹春萍等人通过结合流固耦合的技术内容实现了用有限元技术对船舶模态分析与动态数值计算的工作，同样为实现在船舶的设计阶段对船舶结构震动进行预测与评估提供了技术依据。目前，板架结构作为船舶与海洋平台结构应用过程中最为重要的结构形式之一，其在结构动态优化中也逐渐成为了核心实践环节。一些学术研究人员开始考
建筑结构优化设计 发表时间：2016-03-28T16:11:12.903Z 来源：《基层建设》2015年23期供稿作者：陈火涛吕金钊罗森陈钰璐陈湧填[导读] 华南农业大学水利与土木工程学院广东广州 510642 当然除此之外还有一些构造上及概念上的优化措施，将在概念设计，高层剪力墙结构与高层混凝土结构的优化设计中重点论述。 陈火涛吕金钊罗森陈钰璐陈湧填 华南农业大学水利与土木工程学院广东广州 510642 摘要：对建筑结构优化设计理论进行了概述，并重点介绍了基于可靠度理论的工程结构优化设计，概念设计在结构优化设计中应用，高层混凝土结构的优化设计以及高层剪力墙结构的优化设计四个方面，为结构的优化设计提供参考依据。关键词：结构设计；优化；应用 结构优化设计的任务，就是以数学规划为基础，将力学的概念、理论和近似方法和数学规划方法结合，转化成数学问题，建立数学模型，选择计算方法，运用计算机在多种可行性设计中，选择出相对而言属于最优的设计方案，达到兼顾经济性，安全性，舒适性的目的。其步骤可分为设计变量，建立目标函数，确定约束条件，经过计算分析得出优化的计算结果。[1]当然除此之外还有一些构造上及概念上的优化措施，将在概念设计，高层剪力墙结构与高层混凝土结构的优化设计中重点论述。 1.基于可靠度理论的结构优化设计 结构的可靠度指结构在设计的基准期内能够承受施工过程中以及正常使用期间的各种外加荷载和变形，有较好的工作性能，耐久性满足正常使用要求，在偶遇灾害如地震，海啸，爆炸等发生时保持必要的整体稳定性。[2] 从工程结构的可靠度理论角度分析，传统的结构优化设计存在以下几点不足：①传统的结构优化并没有完全反映体现结构的可靠性，也没有定量描述可靠度理论，得出的最优结构并不能确保结构具有足够的可靠性。②由于结构构件的尺寸和材料的性能参数具有随机不确定性，而传统结构优化设计并没有考虑这些因素因此并不能反映参数不确定性这一特点。基于以上分析论述，结构的可靠度要求考虑进工程结构优化设计的数学模型中，文献[3]给出了基于可靠度约束的结构优化算例，在结构可靠度分析基础上进行结构优化设计，实现经济合理的设计方案。 2.概念设计在结构优化设计中应用 概念设计，即在建筑物施工前，设计人员考虑建造地周围的地理环境、文化环境与社会环境等，提出相应的建筑结构设计方案，优化建筑结构设计，以期达到进一步融合周围环境与社会环境的目的。概念设计有效弥补理论性设计与计算性设计的不足，使结构设计方案更科学合理；进行抗震设计时概念设计能在降低地震作用效应的同时提高建筑工程的质量和安全性；科学合理的概念设计拓展了建筑物的结构设计思路，增强工程质量、安全性及工程造价。[4] 2.1应用概念设计可在多个建筑结构施工方案中择优而用。 概念设计使得建筑结构施工方案具有合理性、实用性和经济性，这要求设计人员在优化建筑结构时，充分考虑建筑物建成后的目的、抵抗外界环境的能力需要、施工条件、施工材料等因素，从而制定并选取科学合理、全面系统的建筑结构施工方案。 2.2概念设计中应用抵抗自然灾害的能力设计。 概念设计应与时俱进、因地制宜，如考虑抗震能力设计、防火能力设计、抗击风荷载能力设计等，充分考虑现代建筑结构需要适应的社会环境与自然环境，在建筑结构满足工程施工要求的同时，优化结构，使工程中各个构件环环相扣，增强建筑工程的安全性。 3.高层剪力墙结构的优化设计 剪力墙结构体系由于整体性好，侧向刚度大，抗震性能优越，且由于没有梁柱的外露突出，结构层平整，利于房间布置，因而被广泛应用于高层住宅性建筑中。对该结构体系进行优化需考虑钢筋混泥土用量大造价高，剪力墙中墙肢轴压比偏低的承载力发挥不充分，采用构造配筋的墙体延性低等常见问题，[5]如何对剪力墙结构体系进行优化，使其既发挥其抗侧能力强等优点，又降低工程造价，现就以下几方面进行论述。 3.1强周边，弱中部。剪力墙应尽量布置在结构周边，中部减少剪力墙的布置量，以提高结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比。另外，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，避免单向布置，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近。 3.2多均匀长墙，少短墙。选择对结构承受水平及竖直向荷载有利的隔墙位置布置剪力墙，尽量设置为长墙，以充分发挥剪力墙的作用。在较长的剪力墙宜开设门窗洞口，上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接。 3.3剪力墙应自下到上连续布置，允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。这样一方面可以避免刚度突变，另一方面可以减轻自重，降低工程造价。 3.4尽量采用普通剪力墙和使墙肢长度较长，并且两端与翼墙相连，减少小墙肢和短肢墙的数量。应尽量减小墙肢长度的差异，使各片剪力墙分配的地震作用力均匀。这样发挥了剪力墙的抗侧移刚度，在满足规范层间位移角限值的情况下，减少剪力墙的数量；同时减少了开洞的数量和其两端边缘约束构件的数量从而减小暗柱的构造配筋面积，使得工程造价降低。 4.高层混凝土结构的优化设计 高层建筑的特点是建筑结构需同时承受水平和竖向的荷载作用。混凝土是高层建筑设计中的重要考虑因素。在进行结构设计时要充分考虑各种因素，确保结构的强度，刚度和延性均处于合理范围，高层混凝土结构的优化设计具体措施有以下几个方面。 4.1合理使用高强砼和高强钢筋 强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，可以减轻地基的承载量和高层建筑自重，从而减小超高层受地震破坏的程度。还减低施工单位的成本，使经效益最大化。 4.2布局优化 高层建筑宜使结构平面形状简单、规则，适合刚度和承载力分布均匀的结构单元。 4.3 抗震结构的优化
宁波工程学院机械工程学院 机械优化设计大作业 班级 姓名 学号 教师
机械优化设计大作业 1.题目 行星减速器结构优化设计 NGW型行星减速器应用非常广泛。 1.1结构特点 (1)体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高； (2)传动效率高，工作高； (3)传动比大。 1.2用途和使用条件 某行星齿轮减速器主要用于石油钻采设备的减速，其高速轴转速为1300r/min；工作环境温度为-20℃～60℃，可正、反两向运转。 按该减速器最小体积准则，确定行星减速器的主要参数。 2.已知条件 传动比u=4.64，输入扭矩T=1175.4N.m，齿轮材料均选用38SiMnMo钢，表面淬火硬度HRC 45~55，行星轮个数为3。要求传动比相对误差02 ?u。 .0 ≤ 弹性影响系数Z E=189.8MPa1/2；载荷系数k=1.05； 齿轮接触疲劳强度极限[σ]H=1250MPa； 齿轮弯曲疲劳强度极限[σ]F=1000MPa； =2.97；应力校正系数Y Sa=1.52； 齿轮的齿形系数Y Fa 小齿轮齿数z取值范围17--25；模数m取值范围2—6。 注： 优化目标为太阳轮齿数、齿宽和模数，初始点[24，52，5]T
3.数学模型的建立 建立数学模型见图1，即用数学语言来描述最优化问题，模型中的数学关系式反映了最优化问题所要达到的目标和各种约 束条件。 3.1设计变量的确定 影响行星齿轮减速器体积的独立参数为中心轮齿数、齿宽、模数及行星齿轮的个数,将他们列为设计变量，即： x=[x 1 x 2 x 3 x 4 ]T=[z 1 b m c]T [1] 式中：z 1ˉ￣ 太阳轮齿数；b―齿宽（mm）；m—模数（mm）;行星轮的个数。通常情况下，行星轮个数根据机构类型以事先选定，由已知条件c=3。这样，设计变量为： x=[x 1 x 2 x 3 ]T=[z 1 b m]T [1] 3.2目标函数的确定 为了方便，行星齿轮减速器的重量可取太阳轮和3个行星轮体积之和来代替，即： V=π/4（d 12+Cd 2 2）b 式中：d 1--太阳轮1的分度圆直径，mm；d 2 --行星轮2的分度圆 直径，mm。 将d 1=mz 1， d 2 =mz 2 ，z 2 =z 1 （u－2）/2代入（3）式整理，目标函数 则为： F（x）=0.19635m2z 1 2b［4+（u－2）2c］[1] 式中u--减速器传动比;c--行星轮个数 由已知条件c=3,u=4.64,因此目标函数可简化为： F（x）=4.891x 32x 1 2x 2
基于多学科优化的船舶结构设计研究 发表时间：2017-09-21T14:15:44.680Z 来源：《防护工程》2017年第12期作者：叶帆[导读] 满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。 武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市 430000 摘要：在船舶结构设计的过程中，设计者需要积极应用多学科优化设计方式，建立专门的框架体系，在继承有限元建模与分析软件优化技术的支持之下，科学开展船舶设计工作，逐渐提高设计质量与可靠性，增强其工作成效。 关键词：多学科；船舶结构；优化设计 在船舶设计的过程中，设计人员应用多学科优化设计方式，可以有效提高设计工作质量，建立科学的计算结构，对其进行校核处理，应用专门的软件设计技术，明确约束条件，提高结构的耐波性与操控性，满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。 一、优化设计模型的构建措施 在建立优化设计模型期间，需要对船舱区域结构进行重点分析，主要因为其占有整个船体重量的70%左右，决定着船舶的造价与费用，因此，需要对其进行全面的处理，提高结构设计的优化型，做好区域结构设计工作。 第一，设计模型范围。对于模型范围而言，需要根据船舱实际情况，对其货仓进行划分处理，利用先进的定位技术，明确船舱的各类区域。一方面，需要建设完善的有限元模型，按照工作要求，对其进行优化处理。另一方面，需要建设有效分析区域模型，根据传承的设计要求，对其设计质量进行控制。且在结构优化设计期间，需要对燃油舱与淡水舱等重量进行检验，通过多点约束的方式，对其进行等效划分处理，全面调节空船重量与实体船舱重量之间的关系，及时发现其中存在的差值问题，采取有效措施对其进行改革，以此增强设计成效。 第二，边界条件的明确。设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。 第三，荷载调节措施。为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。 二、舱段优化设计模型 在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。 第一，设计变量的分析。在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。 第二，边界条件的明确。设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。 第三，荷载调节措施。为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。 二、舱段优化设计模型 在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。 第一，设计变量的分析。在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。 第二，约束条件分析。对于约束条件而言，需要参考屈服应力数据信息，对其进行全面的处理，满足相关工作要求。在此期间，需要根据国家规范，对其强度进行计算，如果将刚才的屈服应力条件作为约束条件，就要对其最小值进行计算，获取合理的优化设计成果。同时，在货仓区域优化设计期间，由于材料等级存在差异，系数也会有所不同，因此，在实际设计期间，需要制定针对性的约束条件设计方案，提高优化设计工作的合理性与有效性[2]。 第三，目标函数的分析。对于目标函数而言，在实际分析期间，需要科学设定重量值，对其进行最小化的优化处理，将表达式设置为： ×X2....X6]7 minFX 三、多学科优化船舶结构设计实现措施 （一）工作流程分析 第一，做好准备工作。首先，需要利用相关软件，建立有限元的模型，明确相关材料与各类属性，对荷载问题进行全面的分析与处理。其次，需要对属性进行分析，在强度检验的情况下，生成文件。再次，需要利用计算方式，对文件中的各类数据信息进行全面的计算，以此提高优化设计质量。最后，需要计算质量与应力报告，对各类模型进行分析[3]。
结构优化设计的综述与 发展 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
结构优化设计的综述与发展 摘要：结构优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。结构优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章将简单对结构优化设计的发展状况进行介绍，列举几种优化设计方法，以及讨论未来优化的发展情况。 关键词：结构优化设计发展优化设计方法 1 结构优化设计 结构优化简单来说就是在满足一定的约束条件下，通过改变结构的设计参数，以达到节约原材料或提高结构性能的目的。结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。结构优化设计一般由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。评价设计优、劣的标准，在优化设计中称为目标函数；结构设计中以变量形式参与的称为设计变量；设计时应遵守的几何、刚度、强度、稳定性等条件称为约束条件，而设计变量、约束函数与目标函数一起构成了优化设计的数学模型。结构优化的目的是让设计的结构利用材料更经济、受力分布更合理。 结构优化设计根据设计变量选取的不同可以分为截面（尺寸）优化、形状优化、拓扑优化三个层次。尺寸优化是选取结构元件的几何尺寸作为设计变量，例如，杆元截面积、板元的厚度等等[1]。而形状优化是选取结构的内部形状或者是节点位置作为设计变量。拓扑优化就是选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1型逻辑型设计变量。 2 结构优化设计研究概况与现状 结构优化设计最早可以追溯到17世纪，伽利略和伯努利对弯曲梁的研究从而引发了变截面粱形状优化的问题。后来Maxwell和Michell提出了单载荷仅有应力约束条件下最小重量桁架结构布局的基本理论，为系统地分析结构优化理论作出了重大的贡献。然而长期以来，由于缺乏高速可靠的计算手段和理论，结构优化设计一直无法获取较大发展。 到上世纪六十年代，有限元技术借助于计算机技术，得到了极大的发展。1960年Schmit在求解多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题时，首次在结构优化中引入入数学规划理论，并与有限元方法结合应用，形成了全新的结构优化思想，标志着现代结构优化技术的开始[2]。 1973年Zienkiewicz和Campbell[3]在解决水坝的形状优化问题时，首次以节点坐标作为设计变量，在结构分析方面使用了等参元，在优化方法上使用了序列线性规划的方法。其后，众多的学者在此基础上，逐渐发展形成了使用边界形状参数化方法描述连续体边界的方法，即采用直线、圆弧、样条曲线、二次参数曲线、二次曲面、柱面等方式来描述边界。 1982年，Iman提出了设计元法。该方法把结构分成若干子域，每个子域对应一个设计元。设计元由一组控制设计元几何形状的主节点来描述，接着选择一组设计变量来控制主节点的移动。该方法可以有效地减少设计变量，但也存在网格畸形的缺点。 1986年Belegundu提出了基于自然设计变量和形状函数的形状优化方法[4]。他选择了作用在结构上的假想载荷等一系列自然变量，把由假想载荷产生的位移加到初始
结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，参考了相关文献，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，供设计人员参考。 1结构优化设计的步骤 笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：①在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；②在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；③在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；④在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。 在进行多方案的技术经济性比较时，应综合考虑材料费、模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后择优选用。 2结构体系与布置优化 结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。 1)应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。 2)应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。 3)应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。 4)应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1／35，单向板宜控制在短跨的1／30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。 5)剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。 6)降低含钢量的小技巧：①楼电梯间不宣布置在房屋端部或转角处。因其空间刚度较小，设在端部对抗扭不利，设在转角处应力集中。②框架结构层刚度较弱时，加大柱尺寸或梁高都可显著增大层刚度，而提高混凝土强度效果不明显。③柱的截面尺寸，多层宜2层～3层
建筑结构优化设计要点分析 摘要：当前，随着城市化进程进一步加快，人们越来越注重生活的品质，对于 房屋建筑结构设计工作有了更高的要求。而建筑结构设计是保证主体结构稳定、 安全的基础条件，做好结构设计优化能提高建筑物的外观质量、功能价值与安全性，优化设计应正确理解并运用好相关规范要求，充分了解建筑物特点，选择最 优方案，选择合适的措施对各环节进行优化，把建筑结构优化落在实处细处，打 造精品建筑工程。本文在此从结构优化设计的内涵出发，对建筑结构优化设计的 几个重要的实践应用做了一定的分析。 关键词：建筑结构；剪力墙；地下室；优化技术 前言：建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。优化设计过程中应确定合理的目标，采用科学的控制方法，各个方面达到最佳结合，降低工程的总造价，这不仅符合现今建筑商对于建筑结构效益的追求，也是 市场可持续发展的需求，更是适应绿色环保的要求。 1 建筑结构优化设计概述 建筑结构设计优化主要是指结构工程师要满足人们对居住环境的改善与调整性，具体要求进行的房屋结构更趋于人性化、舒适化的整个过程。在新的居住理 念不断变化的前提下，结构设计人员要引进先进的结构设计理念以及方法，使现 代建筑结构更加科学合理，更具备舒适性、人性化的功能，同时要满足人们对良 好的工程质量的具体要求，从结构设计上来说，就要对结构整体进行优化处理。 建筑结构优化设计不仅能够在资源上节约成本的支出，还能够实现在资源的有限 条件下使建筑的质量功能水平最优化，能够提高空间的利用率，发挥资源的最大 功效，建筑的高质量包括建筑的环境以及使用功能，结构设计优化符合一定的经 济发展原理，对资金，土地资源空间，建筑质量与水平都能做到合理的优化，建 筑结构优化对于建筑行业的发展以及未来的经济可持续发展都有着很重要的作用。 2 建筑结构优化设计的内涵 建筑结构设计的优化是通过整体建筑的要求决定的，首先要了解整体建筑的设计 理念，这样才能够进一步的确定建筑的整体结构，才能开展建筑设计的优化工作，确保在有限的空间及资金条件下，优化建筑水平，建筑结构设计也有着自身的特点，要考虑建筑结构的整体性，把握好建筑的一般结构类型，了解建筑结构的特点，这样才能够在进行建筑结构设计的时候充分考虑到各种条件方面的优化，还 要根据建筑的整体结构，还有建筑结构的特点来设计合适的结构类型，确定具体 的结构配置，以及所需资源的构件，对各种建筑结构进行设计优化时，还要考虑 整体建筑的布局类型，实现科学技术与建筑艺术性设计的结合，通过对建筑结构 的进行优化来找出最好的建设方案进行建筑设计。 3 建筑结构优化设计的几个重要的实践应用 3.1 优化设计结构模型 要认真计算结构模型当中的每一项数据，从中获取合理性参数，将参数作为着眼点，确保结构模型数据足够准确、足够真实，更好地应对建筑设计、建筑结构要求。该过程所得到的数据对于房屋模型、房屋建筑的设计优化意义突出，是基础 性工作。数据准确与否关系到模型是否合理、是否科学，要重点把握设计效率、 结构质量。当然模型函数的选择同样意义突出。在成本、结构稳定性设计过程中，要把握结构联系、数据联系，体现前后逻辑性特征，最优化处理结构模型、结构 需要。
建筑结构优化设计建议 侯善民 201305 2013.05
第一章 第章基础 1、基础类型： ? 天然地基基础 ?复合地基→天然地基+增加体（柔性桩、刚性桩）? 桩基：常规桩基 后处理加强的后注浆钻孔灌注桩 先处理加强的劲性复合予制静压桩
第一章第章基础 ? 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四 十软土地基上采用复合地基要慎重组成复合地基的增采用复合地基应注意： 十，软土地基上采用复合地基要慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，并且不能是端承桩；随着复合地基承载力需求增大增强体桩基的支承刚度与 ? 随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度与桩身强度，要求也需相应提高，对于20层~30层的高层建筑不宜采用单纯摩阻桩桩端进入较好的持力层但持筑，不宜采用单纯摩阻桩，桩端进入较好的持力层。但持力层不宜是强风化以上的岩层，桩身强度承载力要满足计算底板与桩基持力层选择需慎重 算，底板与桩基持力层选择需慎重。
第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右
机械结构优化设计 ——周江琛 2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立
目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算
数控机床主轴结构的改进和优化设计 严鹤飞 （天水星火机床有限责任公司技术中心 甘肃 天水 741024） 摘 要： 掌握机床主轴的关键部件，安装方式，轴承的调制环节以及材料、操作维护等，并且各种原因中又包含着多种影响因素互相交叉，因此必须对每个影响因素作具体分析。而对于优化设计理论的基本思想及其求解方法，将其应用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并用内点惩罚函数法求解模型，得到了整体最优的结构设计方案，使机床主轴在满足各种约束要求条件下，刚度最好，材料最省。 关键词：机床主轴；轴承；调整；优化设计；数学模型 在数控机床中，主轴是最关键的部件，对机床起着至关重要的作用，主轴结构的设计首先考虑的是其需实现的功能，当然加工及装配的工艺性也是考虑的因素。 1. 数控机床主轴结构改进： 目前机床主轴设计普遍采用的结构如图1所示。图中主轴1支承在轴承4、5、8上，轴承的轴向定位通过主轴上的三个压块紧锁螺母3、7、9来实现。主轴系统的精度取决于主轴及相关零件的加工精度、轴承的精度等级和主轴的装配质量。在图1中主轴双列圆锥滚子轴承4的内锥孔与主轴1:12外锥配合的好坏将直接影响株洲的工作精度，一般要求其配合接触面积大于75%，为了达到这一要求，除了在购买轴承时注意品牌和等级外，通常在设计时对主轴的要求较高，两端的同轴度为0.005mm，对其相关零件，如螺母3、7、9和隔套6的端面对主轴轴线的跳动要求也较高，其跳动值一般要求在0.008mm以内。对一般压块螺母的加工是很难保证这么高的精度的，因而经常出现主轴精度在装配时超差，最终不得不反复调整圆螺母的松紧，而勉强达到要求，但这样的结果往往是轴承偏紧，精度稳定性差，安装位置不精确，游隙不均匀，造成工作时温升较高，噪音大，震动厉害，影响工件的加工质量和轴承的寿命。但对于重型数控机床用圆锥滚子轴承其承载负荷大，运转平稳，精度调整好时，其对机床的精度保持性较好，可对与轻型及高速机床就不十分有力了。 图1 通用机床主轴结构图 1— 主轴；2—法兰盘；3—圆螺母；4—双列圆柱滚子轴承；5—球轴承 6— 调整垫；7—圆螺母；8—双列圆柱滚子轴承；9-螺母
第六章 船舶中剖面结构优化设计 6.1 概述 船舶结构设计通常是从船中剖面设计开始的。中剖面各部分的结构形式、构件尺寸和它们的连接方法，都集中地反映了船舶的结构概貌。船体中部结构是保证其总纵强度的主要部分，也是船体结构重量的主要部分，因此，进行中剖面结构优化设计是十分有意义的。那么，如何运用最优化方法和计算机技术，在保证船体结构必需的强度和刚度情况下，选择最佳的结构方案，使其重量最轻或成本最低呢?这就是本章所要讨论的问题。 本章首先介绍了适用于船舶结构优化问题的混合离散变量的直接搜索法（MDOD 法），接着应用MDOD 法分别讨论了基于“规范”法和直接计算方法的中剖面结构优化设计，并给出了国内外学者（包括编著者）在船舶结构优化设计方面的一些研究成果。 6.2 离散变量的结构优化设计 结构优化设计大体上可分为三个阶段。第一个阶段是建立数学模型，把一个工程结构的设计问题变成一个数学问题；第二个阶段是选择合理、有效的计算方法；第三个阶段是编制计算机程序，进行设计方案的优化计算和评估。 介绍结构优化设计的教材已有一些[1,2]，但由于船舶结构的设计的方法大都是离散的变量, 真正处理起来并不简单。本章将介绍新近发展起来直接处理的混合离散变量优化问题方法[3]。 6.2.1 结构优化的数学模型 混合离散变量优化问题与一般的连续变量优化问题的区别在于，前者的设计变量中既包含有连续变量也有离散变量,而后者只包含连续变量。其数学模型可简单的表达为 min )(X f （6-1） s.t. (X )≤0 j =1,2,3,…,NC g j （6-2） 式中 ub i lb i x x x ≤≤ i =1,2,3,…,NN D T ND D T C D R x x x X X X X ∈==],,,[, ],[21L C T NN N D ND C R x x x X ∈=++],.....,,[21, C D n R R R ×= 其中：x i lb 和x i ub 分别为变量的下界值和上界值，D X 为离散变量的子集合（整型变量可 视为离散变量的特例），C X 为连续变量的子集合。 6.2.2 结构优化的方法
《结构优化设计》 大作业报告 实验名称: 拓扑优化计算与分析 1、引言 大型的复杂结构诸如飞机、汽车中的复杂部件及桥梁等大型工程的设计问题，依靠传统的经验和模拟实验的优化设计方法已难以胜任，拓扑优化方法成为解决该问题的关键手段。近年来拓扑优化的研究的热点集中在其工程应用上，如: 用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计，车门设计，飞机加强框设计，机翼前缘肋设计，卫星结构设计等。在其具体的操作实现上有两种方法，一是采用计算机语言编程计算，该方法的优点是能最大限度的控制优化过程，改善优化过程中出现的诸如棋盘格现象等数值不稳定现象，得到较理想的优化结果，其缺点是计算规模过于庞大，计算效率太低;二是借助于商用有限元软件平台。本文基于matlab软件编程研究了不同边界条件平面薄板结构的在各种受力情况下拓扑优化，给出了几种典型结构的算例，并探讨了在实际优化中优化效果随各参数的变化，有助于初学者初涉拓扑优化的读者对拓扑优化有个基础的认识。
2、拓扑优化研究现状 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。结构拓扑优化设计研究，已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。 3、拓扑优化建模（SIMP） 结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。优化的基本方法是将设计区域划分为有限单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。 变密度法以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(solidisotropic microstructures with penalization，简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(rational approximation ofmaterial properties，简称RAMP)。而本文所用即为SIMP插值模型。
探讨建筑结构优化设计分析 发表时间：2018-11-15T14:24:03.870Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第20期作者：徐皓宇[导读] 本文将介绍几种具体方法来优化建筑结构的设计,以供参考。 华东建筑设计研究院有限公司上海市 200041 摘要：在建筑结构设计过程中,安全性,施工便利性,经济性,实用性和美观性是必须考虑的五个基本问题。同时也要求设计人员优化建筑结构设计,使建筑更合理,更安全,更实用。为此,本文将介绍几种具体方法来优化建筑结构的设计,以供参考。 关键词：建筑结构；结构设计；优化途径 1 引言 在我国经济快速发展的背景下，人们的生活水平不断提高，对居住条件也提出了更高的要求。近年来，随着环保、节约等理念的不断发展，在建筑行业中，节能环保型社会建设理念逐渐深入人心，这种情况下，为了更好地满足建筑使用者的需求，必须对建筑结构进行优化设计，力求在满足投资成本控制目标的前提下，使建筑的各项功能达到使用者的预期，进而使建筑的经济和社会效益最大化。鉴于此，本文对建筑结构优化设计进行研究，具有重要的现实价值。 2 建筑结构设计优化的主要内容 建筑结构设计包括基础部分结构设计、主体部分结构设计、建筑上部结构设计、围护结构设计、细部结构设计等。此外，建筑结构设计的优化可以从成本控制、结构构件受力情况、结构布置方式、材料选型等方面入手[1]。由此可知，在对建筑结构进行优化时，必须在满足建筑基本使用要求和相关设计规范的前提下，结合建筑结构设计的实际情况，以经济效益最大化为最终目标，进行建筑结构的优化设计。需要注意的是，在建筑设计方案完成后，会不可避免地出现一些不完善地方，导致资金的大量浪费。因此，建筑结构的优化设计必须贯穿建筑建设的全过程，以提高经济效益，实现对资金的合理利用。 3 建筑结构优化设计的重要性与基本要求 3.1 建筑结构优化设计的重要性 在建筑设计中，结构设计优化的重要性主要体现在2方面：降低建筑总造价；提高建筑的经济性。具体来说，通过建筑结构优化设计，可以在资源上降低建筑的建设成本。同时，还可以在资源条件有限的情况下，使建筑的质量与功能水平达到最优，提高空间利用率，使资源功效最大化。建筑质量包括建筑环境与使用功能，而建筑结构设计优化是基于一定经济发展原理而进行的[2]。因此，建筑结构优化可以实现对投资资金、建筑质量、功能水平、土地资源空间利用的合理优化。由此可知，建筑结构优化具有节约建筑成本的重要作用，既是实现建筑成本节约与建造高质量工程的重要途径，也是确保建筑行业未来实现可持续发展的重要保障。 3.2 建筑结构优化设计的基本要求 在对建筑结构设计进行优化时，需要遵循以下几要求：（1）功能性。建筑结构设计优化的最终目的是为了更好地满足人类对居住条件的多方面需求，随着社会发展水平的提高，人们对建筑的功能性需求，除了传统的实用性功能，还增添了美观性、舒适性、智能性等多种新的需求。因此，建筑结构的优化设计必须符合功能性需求[3]。（2）安全性。安全是人类对居住环境最主要的要求，过于追求优化而忽视安全性是绝对不可以的。（3）经济性。随着市场经济的不断发展，对资源配置提出了新的要求，而建筑结构优化设计必须遵循这一要求，提高各种材料资源的利用效率，进而缩减建设成本。此外，可以通过结构优化设计减少许多稀缺或价格昂贵的材料的使用量，进而降低材料使用成本。（4）环保性。这是继经济性之后，对建筑结构优化设计的又一更高的要求。在优化建筑结构设计时，应在满足建筑功能性与安全性需求的前提下，尽量选择节能环保型材料。同时，在优化设计的整体布局上，一方面要重点关注建筑主体内部结构的环保和统一；另一方面，也要对废旧材料进行环保性处理或应用。 4 建筑结构设计优化的具体路径 4.1 优化建筑结构的整体布局 首先，建筑结构的设计人员和决策人员必须站在全局的角度，通过点、线、面，对建筑结构优化设计的整体布局进行确定，之后再利用点、线、面三者之间的架构关系，通过材料的选择与应用、构件的布置等，实现单个构件与整体结构的优秀奥协调，进而使每一个构件均可以实现最佳受力情况，以此实现单个构件的最佳化利用，同时提高建筑整体结构的刚性、承重力以及延展性。 4.2 优化建筑材料的选择 在建筑结构中，各个点、线、面均具备一定的力学承载力特征，而材料是力学承载力的载体。因此，材料在建筑结构设计的优化中，具有至关重要的作用。钢筋混凝土是一种混合性材料，通过将各种材料按比例配置，可以显著增强构件的刚性以及强度，这也是结构设计优化的一部分。并且近年来，地震、泥石流等自然灾害不断增多，在建筑材料的使用上，必须重视材料的抗震性、抗土性等性能，这就要求在建筑结构设计优化时，必须综合考虑材料的质量、特性、与周围环境的适合程度以及价格等，力求在牺牲最小经济性的前提下，使建筑结构在安全性、功能性以及环保性上达到最优。 4.3 优化构件布置 在建筑结构的优化设计中，构件布置主要包括柱、梁与剪力墙的布置。现阶段，在高层建筑中，主要应用框架-剪力墙结构体系，框架-剪力墙结构比较灵活，很容易满足建筑物的使用要求，且该体系具有较好的承载力、整体性以及抗震性，在发生地震等自然灾害时，可以有效减小结构自身的侧移[4]。因此，在该体系的实践应用中，除了剪力墙的刚度必须满足建筑强度要求，还需要赋予结构一定的侧向刚度。而在梁的选择与布置上，一般情况下，常规梁最具经济性，但建筑层数不宜过高，在当今土地资源极为有限的前提下，难以实现建筑经济效益的最优化。而宽扁梁虽然可以缩小梁的截面高度，增加建筑层数，进而获得更大的建筑面积。但是，其经济性比较有限。预应力梁可以很好地满足建筑的特殊需求，但价格较高。总之，在对建筑结构设计进行优化时，必须对多方面因素进行综合考量，以满足建筑功能性需求与质量需求为基本前提，尽可能地通过构件布的优化，降低建筑成本，提高建筑的经济效益与社会效益。 4.4 合理应用概念设计
结构形式的合理优化方法 1、推敲地下室布置 地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构离散性比较大，对其他部分的影响和关联不明显，做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。 首先，要注意公共大地下室的面积的充分利用，做好单层地下室和多层地下室的方案比较。其次，要把握好支护成本的降低，尽量抬高整个±0.000的标高，因为这不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。对地下室的结构成本控制还要把握好地下室顶部覆土厚度的控制和顶部活荷载的控制，地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。最后，要把握好地下室顶板和底板的布置方案，对这些结构布置方案要做好多方案成本比较，要全方位的把握方案的可行性，对方案的取舍要慎之又慎。 2、控制层高 在满足建筑立面和使用净高的前提下，减少层高不仅可以减少竖向构件的长度和体积，同时还可以减少基础等土建成本和外装、设备及运营成本。对于一般中档房屋来讲，层高每减少100mm，成本可减少30～40元/㎡，地下室还会更高些。减少层高可以通过结构专业控制梁高、设备专业每层综合布线来实现。某些部位还可以采用变截面梁或在梁中预埋套管等措施来保证楼层净高的要求。 3、控制宽高比（即结构高度和结构有效宽度的比值） 建筑高宽比越大，主体结构抗倾覆力矩也越大，安全所需抗侧力构件（剪力墙）便越长，由此便会增加结构成本。控制高宽比成为了结构优化设计的显著环节。 4、优化剪力墙设置 底部商业、底层复式住宅或架空层层高一般较高，为满足规范要求，剪力墙墙厚必须增加较多，同时因变成了短肢剪力墙，配筋也将进一步增加，此时可以通过验算超限墙体的稳定性来减小墙厚，由此一来，墙厚变小，成本也将大大降低。