工程結構優化設計研究進展

李紅霞

摘要：結構優化是一門綜合性的學科，具有理論和應用價值，是有發展潛力的研究方向。結構優化設計是一種近代的、科學的設計方法，與傳統的設計方法相比較，優化設計可以加快設計進度，節省工程造價，工程結構優化設計是一個非常復雜的過程。本文就工程結構優化研究進行研究分析，著重對工程結構優化設計的技術途徑與發展做了粗淺討論，以提高工程結構優化設計水平。

關鍵詞：工程結構；優化設計；發展

1工程結構優化的發展現狀

集計算力學、數學規劃、計算機科學以及其他工程學科于一體的結構優化設計是現代結構設計領域的重要研究方向。它為人們長期所追求最優的工程結構設計，尤其是新型結構設計提供了先進的工具，成為近代設計方法的重要內容之一。結構優化設計是一門綜合性、實用性均很強的技術，它要面向工程設計中的各種實際問題建立優化設計模型，根據結構與力學的特點對數學規劃方法進行必要的改進?，F如今，無論國內還是國外。對這一現代技術的需求都有增長的趨勢。隨著設計技術的更新和產品競爭的加劇，結構優化設計將會有更大的發展。由于結構優化設計的工程意義，這一領域中研究的深度和廣度不斷得到擴展，相應的學術交流也很活躍。同時，結構優化設計也給工程界帶來了巨大的經濟效益。目前，結構優化設計的應用領域已從航守航人，逐步擴展到船舶、橋梁、汽車、機械、水利、建筑等更廣泛的工程領域；解決的問題也從減輕結構重量，逐漸擴展到降低應力水平、改進結構性能以及提高安全壽命等更多方面。

2工程結構優化設計存在的一些問題

2.1工程結構設計規范不完善

我國的上程結構可靠度與發達國家相比較是偏低的。盡管制訂了《上程結構抗震可靠度統一標準》，但還是出現了一系列問題。目前，與規范相配且適應丁實際上程的CAD軟件并不完善。必須經過充分的研究，以利于優化設計。而且對大多數結構而占，也并未給山驗算大震不倒的方法。在超高層建筑結構設計方面，必須提出有關的規定和建議，尤其在建筑抗震設汁方面有待改進。

2.2工程結構技術水平有限

這主要體現在設計人員上。目前，許多結構設計人員不熟悉抗震規范，不熟悉無枯結予應力等新技術；也不熟悉板柱結構體系，不能熟練掌握CAD軟件。此外，設計人員人多數也不熟悉建筑工程定額，技術經濟觀念較淡薄。因此，應及早采取有效措施來根治，以提高工程結構設計水平。

2.3管理不善，設計市場較混亂

目前，許多工程足邊設計、邊旌工、急于mI{}l，根本沒有時問去論證結構方案。許多大工程的設計審查也不嚴，初步設計，f：不審查結構方案?？诒究拐鹨幏兑幎?，高度大于60m的結構設計，通常要進行以地震為輸人的直接動力非線性反應分析，設計結果要由同本建筑中心超高層建筑結構審查委員會審查。再經建設省特批，低于2、3類建筑要進行小震地震系數的彈性承載力驗算和大震的抗倒塌驗算。而我國100m以上的高層建筑結構設計，設計院做的好臺，根本無人過問。因此，應加強設計管理，以利于優化設計。

3工程結構優化設計的途徑

3.1選擇合理的結構方案

結構設計方案的優劣決定了結構設計的成敗。建筑結構的設計方案是否科學、合理，在很大程度上決定著建筑結構設計的優良性。就同一個建筑項目而言，其可選的結構設計方案通常都不是固定的，而選用不同的方案會讓建筑工程在質量上、造價上出現較大差別。因此在結構方案的選擇應遵循以下基本原則：①要用整體的概念在特定的建筑空間中來完成結構總體方案的構思，處理好構件與結構、結構與結構的關系；②盡可能使結構的受力與傳力途徑簡單、直接、明確；③保持整個結構安全可靠度的協調一致性。通盤考慮整體結構的每一個構件，使結構構件能夠協調一致發揮其最大效能，確保達到規范規定的設計目標水準，實現結構既經濟又安全的目標；④使結構平面布置的抗側力剛度中心與建筑物的外力作用中心或質量重心盡量接近或重合，以避免或減小外力作用下結構的扭轉效應；⑤積極主動的參與建筑設計的方案階段。

3.2進行正確的結構計算

在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時應注意以下問題：

（1）1丟1計算軟件的缺陷和設計人員不加分析的盲從容易導致設計錯誤，因此不能盲目的依賴計算機。

（2）為避免因數據輸入錯誤造成計算分析結果的錯誤或較大的誤差，輸入的幾何圖形、構件尺寸、荷載數據等應認真核對、力求準確無誤。

（3）選取不同的計算參數會得m完全不同的計算結果，要根據實際結構的具體情況和計算程序的功能要求合理選取。

（4）所有的計算理論和設計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實際結構的受力狀態又是千差萬別的，因

4工程結構優化設計的展望

（1）尺寸優化：在給定結構的幾何形狀、拓撲和材料的情況下，求出滿足約束條件的最優構件截面。

（21形狀優化：讓結構的幾何形狀和拓撲可變并參與優化設計，可以解決結構內外邊界形狀最優問題、結構構件相互連接方式優化問題、結構內空洞、孔洞的數量位置優化問題等。f3）自動優化：近十年來發展起來的將CAD與優化理論相結合的自動優化已經取得一系列重要成果。CAD中的自動設計在一定程度上主要依靠結構優化設計來實現，只要能以表達式表示的項目均可以依SOD來完成。另一方面，SOD的結果也要依賴于CAD圖形功能來實現直觀、快速、自動表達，因此形成集成化程度較高的自動化CAD系統。

（4）智能優化：將計算智能引入結構優化設計進而尋求一種具

有自組織、自適應、自學習等功能的算法來解決結構優化中非公式化、經驗性的問題，形成具有智能輔助決策功能的專家系統。

（5）系統優化：包括全局和全壽命兩個內涵的系統優化是將土木工程的優化作為一個大的系統來考慮，其優化的目標函數包括社會效益、經濟效益、施T及使用期間的安全、使用功能的滿足、美學功能、和施工方便等等，并且在工程進行的不同階段對各個目標的側重點不同。從可行性研究、總體布置、結構選型到結構的變量設計、工程實施規劃、施工組織與管理、結構使用與維修管理等各個階段對土木工程進行全壽命優化。

總結：

總之，工程結構的優化設計，是實現建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開發商不能過分強調結構優化設計的經濟性，通過減少材料、降低技術、放低質量標準來追求經濟性，同時也反對一味重視技術要求、忽略經濟成本的做法。結構優化設計的終極目標是實現建筑的本體功能性、安全性、經濟性與環保性。因此，在保障全面發揮建筑本體功能性、保證安全性的條件下追求建筑投資建設的經濟陛與環保性是建筑建設的科學合理選擇。

參考文獻

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