时间：2023-05-29 18:19:21
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇优化设计与优化方法，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：素描教学；教学方法；创造能力；想象能力
中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2013）05-0239-01
设计素描与传统素描不同，其涵盖内容十分广泛，如表现设计素描、结构设计素描、具象设计素描、意象设计素描、抽象设计素描等。设计素描是设计类课程的基础，强调对学生构思能力、表现能力、创造能力的训练和培养，通过科学的结构剖析、透视训练和理性推理，使学生创作出兼具审美性和功用性的设计素描作品。由于设计素描的教学质量与设计类学科学生的专业能力培养息息相关，所以探讨其教学方法和教学手段的优化具有重要的现实意义。
一、设计素描含义
设计素描是以设计概念为先导的素描造型形式，是以设计为教学目的而进行的各种素描实践活动。它以比例尺、透视规律、事物形体的内部构造剖析、三维空间观念及手法等方面的技巧，来表现新的视觉传达与造型手法。设计素描充分结合了现代设计学科的特点，强调造型能力的培养、观察能力的训练以及设计意图的表达，适用于所有设计专业，是一门专业基础课。设计素描在追求完美图形效果的同时，更侧重于追求设计的适用性和实用功能，表达设计者的独特设计意图。
设计素描不同于绘画素描，两者在本质上有着极大的区别。绘画素描强调绘画创作中的写实能力和表现能力，力求使艺术造型生动、富有感染力，体现造型的审美作用，成为陶冶情操的精神产品；设计素描是在基本造型的基础上，成为表达设计创意、交流设计方法的语言和手段，强调绘画中创造性思维和设计意识的体现，使设计素描为设计服务，关注功能性价值的实现，而不是单纯的艺术信息传达。所以，设计素描以实用性为主，精神内涵为辅。
二、当前设计素描教学存在的问题
（一）教学改革滞后
在设计素描教学中，许多教师对素描的写实主义风格盲目崇拜，久而久之形成了单一的教学模式。现阶段，国内许多知名院校对设计专业的素描基础课均进行了改革与创新，取得了良好的教学成效。然而，我国大部分院校的设计素描课程仍然延续传统的素描理念，以传授绘画经验、技法、指导与训练为主，强调对客观事物的模仿和再现，严重制约了学生想象力和创造力的提高，致使设计素描的教学改革严重滞后于设计学科类专业的发展。
（二）教学模式单一
大部分院校的设计素描教学以结构训练为主要教学模式，甚至有些院校直接将设计素描视为结构素描，没有考虑到不同类型设计专业的实际教学需要。在服装设计、工业设计、动画设计、环境艺术设计等设计专业中，设计素描将结构训练模式贯穿于始终，忽视了设计学科不同专业的指向性。同时，单一的教学模式仅仅关注于学生描绘能力、塑造能力、结构分析能力的培养，而不重视学生设计意念、逻辑思维、想象能力、表现手法的提高，使得设计素描的基础训练与设计专业需求相背离。
（三）教学方法和手段守旧
部分院校的设计素描教学理念落后，在教学内容上仍以静物写生、人像写生、石膏几何形体写生、圆雕写生为主。课堂实践中，教师的教学活动过于僵硬、死板，一般为教师先讲解相关基础知识，再以国外作业为范例，最后进入训练阶段，这种守旧的教学方法和手段容易使学生形成思维定式，影响学生创造力的发挥。
三、优化设计素描教学方法与手段
（一）改进传统常规的教学方法
设计素描的传统常规教学方法在一定程度上限制了学生思维能力和创新能力的发展，使课堂教学因循守旧，难以激发学生的学习兴趣，所以必须对传统常规的教学方法进行改进和创新。首先，打破传统静物组合方式和选择方式。传统物体组合方式包括高差异体量组合、体量类似物组合、关联性事物组合、质感差异组合等，教师应转变这些固定的物体组合方式，通过倒挂、包扎、悬挂、垒积等方式对物体进行随机性摆放，也可以让学生参与物体的选择，以此提高学生学习的主动性，活跃学生的思维；其次，让学生尝试多种素描手法和素描工具。教师可让学生掌握设计素描的不同表现手法，如擦、抹、涂、贴、印等，让学生体会不同表现手法所产生的视觉美感。教师也可让学生尝试使用多种绘画工具和各种有色纸张进行设计素描，以激发学生的学习兴趣，开阔学生的眼界，培养学生的审美能力和创新意识；再次，突破透视法则和常规构图的限制，让学生明确透视不是衡量画面美的唯一标准。教师可让学生对画面物体进行夸张化、平面化、扭曲的形象处理，在构图上采取求偏、求险、求满、求局部、求空等形式格局，拓展学生的想象思维和创造思维，提高审美标准。
（二）强化创造能力训练
在设计素描教学中，教师应当结合设计学科的专业特点，运用循序渐进的教学方法，在准确性训练、结构理解性训练以及质感和材料写真训练等素描技巧训练之后，强化学生创造能力训练。教师要在学生全面了解空间、形体、结构、材料等基本特征的基础上，引导学生从视觉效果、视觉特征、视觉传达的感受认知中探寻自己的造型思路，让学生捕捉新颖的意象。在创造能力训练中，教师要强调学生自主捕捉物象的审美点和特征点，并融入自己的感受，运用多种表现形式和手法进行创作设计，展现具有个人特质的审美追求。教师应让学生明确设计素描并不仅限于物象的模拟，而是一种更深层次的观察和发现，从而更准确的把握自然物象形体的本质特征，探寻更新颖和丰富的意象，潜移默化地提高学生的想象能力和创造能力。
（三）将现代元素融入教学
设计素描教学要重视教学方法的创新，使教学方法能够满足现代艺术设计和设计学科专业的需求，积极探寻将现代元素融入教学中的途径。首先，教师可利用多媒体教学手段实施情景教学，运用先进的多媒体设备展示经典设计，对其进行细致讲解，使学生能够全方位地研究和剖析作品，主动发掘作品的思路，进而拓展学生的设计思维，增强学生的创作意识；其次，学校可组织设计素描作品大赛、学术交流活动等，为学生提供相互交流、相互学习的平台，在实践中不断提高学生创作的综合素质。通过多样化的实践活动，使学生明确设计素描是一种创造性的思维活动，需要积累丰富的基础知识和审美素养，而不是简单的模仿性活动，必须发挥思维能动性力求创新和突破；再次，运用理论与实践的专题训练方式，使学生勇于尝试新的创作手法，如可让学生借鉴传统绘画的手法设计作品，也可让学生尝试不同地质纹理在设计中的运用效果，以拓宽学生的设计思路。
（四）开展针对性的创作训练
在传统的设计素描教学中，教师沿袭绘画性素描的教学方法，通过观察训练和写生练习来培养学生的造型能力，限制了学生创作思维的拓展，使学生陷入了设计素描就是物体临摹的误区。所以，教师必须根据设计素描的教学目的，开展针对性的创作训练，使学生从物象的内外构造关系入手认知事物本质，进而在物象中抽象出有价值的意象元素。在基本功教学方面，可划分为结构形态、明暗形态、质感形态等几个专题进行教学。在学生具备一定的造型能力之后，再开展主题素描教学培养学生的综合能力。如，以某种常见物品为主题，向学生提出特定的设计诉求，让学生根据诉求充分发挥想象力和创造力，创作出不同的设计方案。这种教学方法能够让学生将掌握的基本造型技能，通过想象和设计思维，运用到实践中去，通过设计手法和艺术语言阐释自己的意图。此外，设计方案完成后，让其他学生和专业教师评价学生的作品，在学生虚心接受别人建议的过程中，进一步思考作品在实用和审美方面存在的不足，进而使学生在创作实践中不断提高自己的设计能力。
四、结论
总而言之，教师要在设计素描教学中坚持以设计观念为指导，对传统的素描教学模式进行改革和创新，使设计素描教学模式与设计学科专业发展相适应，为学生不断提高设计专业能力奠定基础。设计素描要强调为设计服务，教师在教学过程中要使学生明确设计素描是兼具实用和审美功能的表现形式，充分发挥学生的想象能力和创造能力，培养学生创新思维、审美素养和造型能力，实现设计素描的教学目标。
参考文献：
[1]杨成品.李颖婷.艺术设计专业设计素描教学的模式与方法研究[J].新课程研究（中旬刊）.2012（7）.
关键词：优化设计；精品课程；教学内容；教学手段；教学方法；网络教学环境
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）03-0004-03
优化设计是工程设计中重要的科学设计方法。它将最优化原理与计算机技术应用于设计领域的科学设计方法，已经在各个行业得到广泛的应用[1]。优化设计理论研究和应用实践的不断发展，使传统设计方法发生了根本的变革，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，工程设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展[2]。国内大多数机械类、工程类本科专业中，大都开设了优化设计课程，学习优化设计的理论和方法，培养分析和解决优化设计问题的初步能力，为将来从事工程设计工作打下一定基础。为了提高“优化设计”课程的教学质量和水平，昆明理工大学把“优化设计”课程列为校级精品课程进行建设。本文从教学内容、教学手段、教学方法、网络教学环境、教材建设与选用、师资队伍建设、实验教学改革等方面作讨论。
一、优化设计课程的特点
优化设计课程的特点是将“基本设计方法”与“优化设计思想”紧密结合，着重介绍优化设计的基本概念、基本原理和基本方法，学习优化设计方法的实用程序和应用，使学生在学习“优化设计方法”的同时，也能够在计算机上得到实际应用的训练，进而培养他们的创新能力和科学思维方法。通过优化设计课程的学习，使学生掌握优化设计的基本概念和基本知识，掌握常用优化方法的基本原理和计算方法，熟悉常用工程软件的优化分析和计算的功能，了解优化设计在工程设计方面的应用。所以，学生应达到下列四个基本要求，一是树立工程优化设计和优化决策的思想；二是掌握优化设计的基本概念、基本知识和常用方法；三是了解常用工程软件进行优化分析和计算的功能；四是具有解决工程设计中一般优化设计问题的能力。
二、教学内容改革
优化设计课程的教学内容，应根据专业培养方案，从专业特点和实际需要出发，对教学内容进行精选和组织，突出“基”、“精”、“新”。“基”是围绕本课程的基本知识和基本理论；“精”是突出重点和难点，精讲重点内容，讲清各知识点间的相互联系；“新”是紧跟国内外相关研究前沿，适时补充新内容、新趋势、新方法，了解和掌握最新研究发展动态，与前沿课题交叉、与工程实际交叉，突出应用，联系工程实际及其发展。围绕以上原则，把优化设计课程的教学内容划分为四大部分进行教学。
1.基础篇。主要教学内容为优化设计的基本概念、数学模型和数学基础。（1）优化设计的基本概念。了解传统设计与优化设计的区别；了解设计参数和设计变量的概念；熟悉目标函数的概念和表达形式。（2）优化设计的数学模型。熟悉优化设计数学模型的一般形式；分析优化设计数学模型的建立方法。优化设计的数学模型是优化设计问题的数学表达形式，它反映了优化设计问题中各个主要因素之间的内在联系。（3）优化设计的数学基础。优化设计的几何意义，多维函数的方向导数等。
2.应用篇。通过优化设计的具体应用实例，来帮助学生理解、体验优化设计的基本知识和各种优化方法应用，主要教学内容可结合专业特点进行选择，具体应用实例既包括典型的、具有代表性的应用实例，也提供体现专业特点、结合专业的优化设计应用实例。作为典型的、具有代表性的应用实例大多选择机械优化设计实例。因为，以优化设计理论为基础，以计算机为工具，将优化设计方法用于机械设计中，形成了机械优化设计，成为优化设计的典型代表和重要内容。机械优化设计是机械现代设计方法中的重要方法之一。在国内大多数机械类本科专业中，大都开设了机械优化设计课程，为将来从事机械设计工作打下一定基础。甚至有很多机械类硕士研究生培养方案中也开设有机械优化设计课程，进行更深入的理论学习。具有代表性的机械优化设计实例教学内容可选择连杆机构的优化设计、链传动优化设计、齿轮传动优化设计、螺栓组联接的优化设计、弹簧结构参数多目标优化等。体现专业特点、结合专业的优化设计应用实例可提供机械制造工艺中的优化设计，各种专用机械的优化设计，例如，化工机械优化设计、农业机械优化设计等，还有工程设施、工程管理中的优化设计等。
3.高级应用篇。近年快速发展起来的计算机辅助设计和计算机辅助分析中，引入优化设计方法，形成优化设计方法与计算机辅助设计相结合的先进设计方法，是现代设计方法的一个重要发展趋势，对提高产品设计水平，缩短设计周期，使设计过程自动化和智能化具有重要意义。这部分内容的教学目的是拓展学生视野、引导和启发学生，为工程设计高级应用奠定基础，其内容可选择介绍MATLAB软件的优化函数及应用实例，三维设计软件PRO/E的建模和优化分析实例，ADAMS软件中的机构优化应用实例，计算机辅助分析软件ANSYS中的优化应用实例等。
三、教学手段改革
由于优化设计课程的特点，造成教师教学和学生学习会存在一定困难，优化设计课程大部分讲授内容在于各种基本优化算法，理论性强，涉及数学知识多，又比较抽象；学生难免会感觉枯燥乏味、不直观、难理解。教师讲解也十分费力，教师难以把握学生对不同优化算法执行的想象情况，不知道学生是否对各种优化方法真正理解透彻。另一方面，学生缺乏实际工程设计经验，甚至对传统设计流程都不熟悉，设计体验不多，学生不能直观地、实时地看到不同设计变量条件下，产品的设计指标的变化情况，甚至连简单的外观形状尺寸的变化都难以直观看到，更不要说深一步的力学性能、运动学性能、动力学性能以及功能等的变化了，所以，很难体验到优化设计的优越性。因此，优化设计课程的教学手段值得关注和改进，对于优化方法教学手段的改进，采用基于Matlab软件开发的优化设计辅助教学软件，通过教学软件，学生可以根据建立好的数学模型选择合适的优化算法，可以保存程序文件中的所有变量计算结果，以便作数据对比或观察优化过程中迭代变化规律。可以进行优化计算的数值迭代，并且可以得到优化结果。在优化计算完成之后，可以对优化计算的迭代程序流程图、程序代码和计算过程中迭代数据的变化规律进行观测，这样有助于学生领会各种优化算法的优化原理，以及从迭代计算中数据的变化观察优化算法的特点和计算规律。对于学生缺乏实际工程设计经验，很难体验到优化设计的优越性，可通过使用优化设计方法与计算机辅助设计相结合的先进设计分析软件来做一些典型优化设计的实例，例如，使用PRO/E进行三维建模，使用ADAMS进行运动学、动力学分析，使用ANSYS进行力学、动态性能的优化分析，这些软件都具有可视化、直观形象的特点，并有强大的分析功能。通过软件的优化模块，可方便地分析已有模型经过优化后的特性参数曲线的变化、迭代次数以及实物模型尺寸等参数的变化过程。
八、实验教学改革
通常，优化设计课程实验学时偏少，因此，需针对不同专业和不同学时数的教学要求，对实验教学内容进行适当的取舍和精选，但需保证实验目标的实现，实验的基本目标是要求学生结合所学的一维搜索优化方法、多维搜索优化方法和无约束优化方法的基本原理、迭代过程和程序框图，选择自己熟练掌握的计算机语言（采用VB、VC语言），完成一维搜索优化方法程序，多维搜索优化方法程序和无约束优化方法程序的编制，并上机调试和运行，学生应根据实验得出的数据，评价数学模型，比较各种优化方法的计算结果，初步对工程设计问题进行优化设计计算。通过实验，加深对优化设计方法的基本理论和算法步骤的理解；培养学生独立编制、调试计算机程序的能力和灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。优化设计课程实验教学改革一方面是对基础性实验的实验教学内容进行精选和组织，使学生深刻掌握和理解优化设计的基本知识、基本理论、基本方法和基本应用；另一方面则是对综合性、设计性实验的开设积极进行探索。目前实验教学中设置的实验类型，就其教学内容层次而言，可分为基础性实验和提高性实验两大类。从实验的教学功能来看，可分为验证性实验、演示性实验、综合性实验、设计性实验和研究探索性实验[5]。验证性实验、演示性实验属于传统的基础性实验，实验内容、实验步骤和实验方法一般较固定，通常是验证某一基本理论、基本方法的基本训练。这类实验对学生理解优化设计方法的基本理论和算法步骤，无疑是重要的和必需的，但如果在实验教学中占的比重过大，不利于学生的个性发展，不利于学生的综合素质和创新能力的培养。因此，优化设计课程还需要积极研究综合性实验、设计性实验的开设，以达到能力和素质的综合培养。
“优化设计”课程培养学生树立工程优化设计和优化决策的思想，培养学生的工程设计能力，使学生掌握科学的设计方法，是许多工科本科专业普遍开设的一门课程。结合“优化设计”课程的特点和精品课程建设要求，从教学内容、教学手段、教学方法、网络教学环境、教材建设与选用、师资队伍建设、实验教学改革等方面进行精品课程建设。推进精品课程的建设，对提高“优化设计”课程的教学质量和水平具有重要意义。
参考文献：
[1]孙全颖，赖一楠，白清顺.机械优化设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.
[2]郭仁生，苏君，卢洪胜.优化设计应用[M].北京：电子工业出版社，2003.
[3]李旻，黄平.机械优化设计课程案例教学的研究与实践[J].机械工程师，2011，（8）：18-19.
[4]王巧稚，曹高飞，赵宏贤，等.“互动式”精品课程网络教学平台的构建和应用研究[J].中国校外教育，2011，（8）：98.
[5]姜龙生.浅谈综合性、设计性实验的研发和开设[J].赤峰学院学报，2011，（6）：217-218.
【关键词】VB；机械优化设计；软件；实现
VB机械优化设计软件是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，随着数学规划论和计算机技术的发展，它与机械设计理论相结合，解决了在机械设计领域中最优化设计问题。通过这种新的设计方法，可以从众多的设计方案中寻找最佳的设计方案，从而大大减轻了设计人员的劳动强度并提高了设计效率。
一、VB机械优化设计
1.含义。VB程序设计语言是一门面向对象的可视化编程语言。机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论、方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。
2.现状。随着现代科学技术的发展与机械设计水平的不断提高，人们对机械工程结构性能要求也越来越高。传统的设计方法很难适应这些要求，因此在工程设计中出现了多种现代设计方法。优化设计方法就是其中之一。到目前为止，优化设计方面的研究工作很大程度上仍然局限于拓宽和加深优化方法领域。以数学方法为主并配以应用程序，如多目标优化，混合离散变量优化或将人工智能、人工神经网络及基因遗传等算法应用于优化。经过多年的努力，优化理论得到进一步完善。现行的各种优化方法及其程序几乎完全能使大多数设计问题得到解决。
从70年代起，优化方法开始应用于工程设计中，并利用计算机求解实际工程设计问题。随之各专业的优化研究工作有了不同程度的发展，出现了许多与各专业相联系的工程优化设计软件。在机械行业中有许多用于工程设计的优化软件。目前最常见的优化设计软件有华中科技大学的《优化方法程序库OPB-2》和《优化方法程序库OPB-1》等。这类优化软件着重于优化方法的研究和实现，提供了一批可处理混合离散设计变量优化问题的方法和程序。其中《优化方法程序库OPB-2》包含了许多现代设计方法，如人工智能等方法，另外还有与机械专业联系十分紧密的优化设计软件，如常见的减速器的优化设计软件等，基本为各应用单位自己研制，有很强的针对性，这些应用软件丰富多样，大大推动了优化方法在机械工程结构设计中的应用。
二、VB机械优化设计软件的研究与实现
1.设计步骤。VB机械优化设计软件设计步骤为：①将设计问题的物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量、确定目标函数、给出约束条件；②采用适当的最优化方法求解数学模型；③编制优化设计程序；④求解优化结果；⑤分析优化结果。
2.特点。VB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、数据结构、函数输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。版本的VB新语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式，更利于非计算机专业的科技人员使用。且这种语言可植性好、拓展性极强，这也是VB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因，VB由一系列工具组成，这些工具方便用户使用VB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面，包括VB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
3.基于VB优化设计教学软件的程序编写。本程序采用模块化设计思想，设置一个主窗口程序和若干子窗口程序，各种优化方法在子窗口程序中具体实现，使程序结构变得清晰，简化了程序设计结构，运行中通过主程序调用各优化方法的子窗口程序。程序以主窗口程序为核心，窗口中给出了本校机械专业大纲要求掌握的主要优化算法，算法按照教材章节由易到难的顺序依此给出了三类优化问题的具体求解方法。选择需要学习和训练的优化方法，点击“下一步”按钮，进入子窗口程序。
三、结语
随着网络技术和信息技术的不断发展，传统的优化设计方法已不能满足现代设计的需要。所以，实现优化设计资源的广泛共享，研究基于Internet的机械优化设计系统具有重要的现实意义。利用VB脚本语言和语言实现了优化设计方法数据库、优化设计算法模块、机械零件优化设计模块、设计软件模块和客户留言模块。系统界面优美简洁，易操作，具有很强的交互性，是集在线优化设计计算、资料查询和技术交流等功能为一体的机械优化设计资源服务系统。
参考文献：
[1]任晓丹.基于VB机械优化设计软件的研究与实现.
[2]董立立，赵益萍.机械优化设计软件包中的关键技术研究.
关键词：城市燃气管线；系统优化；设计
随着城市的发展，城市内燃气管线的长度不断增加，对燃气管线的施工改造也不断频繁，为了避免燃气管道施工对城市带来的影响，就要对燃气管线进行优化设计，既能保证居民正常使用燃气，又能保证后期施工改造的的顺利进行。对此国内外都进行了深入研究，取得了初步研究成果。
一、国内外燃气管线优化设计研究现状
国外对燃气管线优化设计研究经历了近50年的发展，产生了动态规划法、局部优化方法、几何规划法、Steiner算法、遗传算法等多种优化设计方法，这些方法在城市燃气管线优化设计中已经得到了广泛使用，为城市管线优化设计提供了方法。
国内对燃气管线的优化设计始于改革开放后，特别是在计算机技术和高级算法语言得到发展后，我国学者才在燃气管线优化设计上取得了一定成果。我国学者采用模糊物元的方法对燃气管道优化设计进行分析，采用Cholesky分解法用于管线优化设计。总之我国在燃气管线优化设计上取得了长足的发展，为我国城市燃气管道的优化设计水平的进一步提高奠定了坚实的基础。
二、城市燃气管线优化设计方法
（一）城市燃气管网的分布
城市燃气管网不仅仅承担着为居民生活供应燃气的作用，也是城市基础设施建设中的重要组成部分，也是一个城市现代化程度的重要标志。城市燃气管网是一个复杂庞大的系统工程，不仅仅包括燃气输送管道，还包括燃气分配站、储气站、调压站、计算机控制系统及其他辅助的仪器设备。当然燃气管线在这一系统工程中占据着主体地位，直接影响着居民生活和燃气管线优化设计。
城市燃气管网优化设计要考虑到多种因素的影响，要充分考虑燃气的来源、城市的规模、燃气供应设施的承载能力、居民的用气需求、城市地形地质条件、地下其他管网的分布情况，同时还要考虑燃气管线的压力等级等情况。一般情况下，小范围的燃气供应通常采用低压管网，而大范围的燃气供应就要采取综合使用低压和中压两种级别管网的方法，这样才能为居民提供更安全的燃气。只有充分考虑到这些因素，才能使燃气管线的优化设计更加科学合理，更加符合城市和居民的需求，保证后期燃气管线的改造施工不会对居民生活和城市发展带来严重影响。
城市燃气管线的布局
城市中燃气管线的主要作用是为居民提供燃气，因此一般采取埋设的方法将燃气管线埋在地下，燃气管线通常是沿着马路、人行道或者建筑物进行埋设的，这就要求燃气管线在布局时充分考虑城市道路结构、车流量、城市地形地貌、地上建筑物等因素对燃气管道的影响，这样才能充分保证燃气管线的稳定与安全，保证燃气管道在使用过程中不出现重大事故。对于不同级别的燃气管线，在设计时还要综合考虑各自的燃气流量、燃气用途、管线特点等因素。避免燃气管线穿越障碍物，影响后期对燃气管线的改造。在设计燃气管线时，还要充分考虑燃气管道在发生事故时的维修问题，当燃气管线发生事故后，能及时对燃气管线进行修理，同时不影响燃气管线的正常使用，保证居民的正常生活。
城市燃气管线优化设计采用的方法
常用的城市燃气管线优化设计方法有Steiner算法、MCST-CD算法和遗传算法。
Steiner算法可以针对城市具体的地形地质特点通过局部调整管线的关键线路对燃气管网布局进行合理优化，最终确定燃气管网的布局。但这种算法将管道总长度作为目标函数，没有考虑燃气管网在施工和使用中的成本，不能保证在确定最优布局时保证经济效益最佳。
MCST-CD算法是以各个管网的成本最为权重因子，通过链接所有节点保证各管管网长度之和最小、成本最低、经济效益最高，更好地解决了燃气管网的优化问题。最后将MCST算法与ConstrainedDerivatives算法相结合，进行管网优化，这种方法能有效地保证燃气管道的优化效果，但只能保证燃气管网的小范围优化设计，无法满足大规模的燃气管网优化设计。
遗传算法从许多节点开始对各种参数进行编码计算，通过字符串与目标函数进行计算适配，与传统算法相比，遗传算法的应用范围更广、计算速度更快，方便快捷，适合大规模燃气管道优化设计。
遗传算法在城市燃气管线优化设计中的应用
在使用遗传算法进行优化时要遵守一定的工作顺序。首先，在优化前需要目标函数、变量以及一定的约束条件；然后根据变量值的大小以及约束条件进行编码工作；然后按照适者生存的原则将与目标函数相关的适应度与个体生存发展的能力进行对比；然后对在对比过程中得到的数据进行系统分析，通过竞争法、最价格提法进行优胜劣汰，得到每个个体的适应度；最后通过多次迭代运算，使目标函数得到最优解。
在燃气管网优化设计中，要根据实际情况确定节点、管线长度以及节点的流量值等情况。将这些数据带入遗传算法中，这样就可以确定燃气管线优化设计的经济指标函数，为燃气管线的优化设计提供准确数据，这样才能保证燃气管线优化设计的最大效益。
三、结语：
随着城市的不断发展以及我国对燃气工程的重视程度不断提高，城市中的燃气应用范围会越来越广，城市中的燃气管线会越来越密集，作用也会越来越重要，如何才能使这些燃气管线的布局更加合理，为居民生活和城市建设提供便捷将是未来城市燃气管线优化设计的重要课题。
参考文献
[1]郑利平.遗传算法在城市燃气管网优化中的应用研究[D].重庆大学，2003.
关键词：优化设计；机械设计；效率；最佳方案
我国在工程运用中都取得了非常大的进步与很好的成效,然而和国外的先进优化技术相比还是有非常大的差异,在现实工程中能够起到作用的优化设计方案或者是设计结果所占据的比例并不是非常的大。计算机等辅助装备性能的不断增强、加之市场与科技的双重推进，使优化技术能够在机械设计与制造中的运用得到了迅猛的发展,遗传算法、粒子群法以及神经网络等其它一些智能的优化方法在优化设计中也得到了非常广泛的引用。现代机械正向着大型化、复杂化的方向发展,传统优化设计方法在实际工程的运用中逐渐显表现的有些单调与乏力，已经不能满足产品不断创新的需求,机械优化设计急需创新和发展。
1机械优化设计中的相关定义
优化设计能够展示出人们对于设计规律这个客观世界认知的深化。设计上的优化值具体是指在特定条件的影响下能够取得的最佳设计值。最优值是一个比较相对的概念,其和数学上的极值相比还是有很多不同的。
2机械优化设计研究内容
机械优化设计是一种比较科学、现代化的设计方式,而且是“最优”的。此处的“最优”也是相对而言的,伴随科技的不断发展以及设计条件不断变化,最优的标准也随之改变。优化设计体现了人们对于客观世界认知的深化,需要人们按照事物发展的客观规律,在特定的物质基础与技术情况下完全发挥人的主观能动性,获得最好的设计方案。
2.1优化设计与传统设计的区别
优化设计的最终目的就是最优设计，运用数学手段创建能够达到设计目的的优化模型；在大量能够实施的设计方案里面选择出最好的设计方案；其所运用的手段就是计算机，计算机具有非常快的运算速度，可以从数量较多的方案中挑选出“最优方案”。即使在建模的时候需要进行合适的适简化,或许会导致所得到的结果不是完全可行或者是实际最优的，然而它是以客观规律与数据为基础的，不需要太多费用，所以其具备了经验类比或者是试验手段所没有的特征。传统设计同样也追寻着最优的结果，经常是以调查分析为基石，根据设计需要与实践经验，参照相似的工程设计,经过估算、经验对比、试验以及构思、评价、再构思、再评价的寻优步骤来选择设计方案，接下来需要刚度、强度以及稳定性等其它方面进行计算。经有关实践可以看出，传统的设计还要大量不足之处需要改善，并且最后的结果基本上离不开初始设计的试验范围。
2.2优化设计所研究的内容
优化设计首先需要选择设计变量、制定目标函数、列出约束条件以及构建优化模型,其次是选用比较合适的优化方法进行优化求解,其主要包含了建模与求解。建模的要求:了解与把握优化设计方法的基本理论知识、设计问题抽象与数学模型处理的基本技能；具备此领域丰富的专业知识与设计经验。
2.3机械优化设计特点
机械优化设计其实就是将计算方法与数学规划理论运用到机械设计中去，按照所设定好的目标，凭借电子计算机的运算寻找最佳设计方案的相关参数，进而能够获得更大的技术经济的成效，其具备了普通的机械设计所没有的特征。主要体现在以下几个方面：能够减少机械产品的成本，增强它的性能。
2.4机械优化设计基本思路
在保证基本机械性能的基础上，依托计算机,运用部分具有较高精度的力学与数学规划方法来进行计算。机械优化设计的步骤：对设计变量进行分析，提出目标函数，确定约束条件，建立优化设计的数学模型；选用合适的优化方式，编写优化程序；准备所需要使用的初始数据并且上机进行计算，对计算所得到的结果进行必要的验证。
3机械优化设计方法
优化准则法针对不同类型的约束、变量以及目标函数等需要导出完全不一样的优化准则,通用性非常差,并且基本上都是近似最优解；规划法需要经过大量的迭代、不断进行分析，需要花费大量的资金，这在很大程度上限制了它在实际工程优化设计中的宣传运用。现代化的机械设计复杂程度越来越高,传统的优化算法已经不能跟上时代的潮流。
3.1遗传算法
遗传算法最是早由美国密歇根大学的Holland教授所提出的，是模拟生物进化的过程、高度并行、随机以及自适应的全局优化概率搜索算法。其根据获得最大收益的原则进行随机搜索,不需要使用任何梯度信息,就能够获得全局最优解,具备非常强的灵活性、通用性与全面性；其缺点就是不能够确保下一代比上一代要好。在1980年的时候，被大量的运用到函数优化与人工搜索等其它方面，在最近的几年里更多的是被运用到工程优化设计中，其主要适合设计变量比较少的情况使用。
3.2粒子群算法
Kennedy和Ebehart在1995年的时候提出了模拟鸟群觅食环节的粒子群法，从一个优化解集进行搜索，经过个体之间的相互竞争与合作，实现复杂空间中最优解的全局搜群法与遗传算法相比，容易实现、原理简单以及有记忆性，不需要进行变异与交叉操作，需要调节的参数并不是非常的多，收敛的速度很快，算法所独有的并行搜索不仅能够降低陷入局部极小的可能性，进一步提高了算法的性能与计算的效率。目前，其已经被应用到了对目标函数进行、对优化动态环境进行优化与神经网络训练等其它方面，然而运用在机械优化设计中的研究还是非常少的。
4案例分析
内燃机连杆结构的最优化设计。运用传统的设计是很难使得连杆达到不但要轻而且又非常可靠的目标，而选用最优化方法并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析，则可圆满完成这一任务，并得出连杆最优化设计后的结构形状。在连杆结构的最优化设计计算中，每向最优方案前进一步，都需要对连杆结构进行有限元研究，其主要目标就是为最优化的设计提供变形、应力以及疲劳安全系数等相关信息。运用有限元的方式对连杆结构在全部720°循环的过程中做动态分析，会获得非常好的效果，然而这就会导致会有一个非常繁琐的计算过程，需呀花费大量的时间。所以，在最优化过程中可配合使用计算比较方便、结果也比较准确以及花费时间比较少的最大拉、压工况下的有限元静力分析，而后对连杆上应力、变形最大及疲劳安全系数最小的特征部位的计算结果进行动态修正。修正值可通过对连杆最优化设计初始方案的动态分析或对已有连杆的动应力电测得到。
5结语
机械优化设计为机械工程界创造了巨大的经济财富，伴随科技手段的不断更新，优化设计的发展具有非常广阔的前景。目前的优化正逐渐的发展成为多学科的优化设计，完全运用最先进的计算机技术。虚拟设计技术是未来发展的重点，仿真技术也逐步向着协同化与系统化的方向不断发展。目前依然处在理论探究阶段的结构拓扑优化、结构动态性能优化设计、智能算法优化设计、可靠性稳健设计、柔性机械优化以及绿色优化等都是未来机械优化设计的重点发展方向。然而我们依然需要注意的是，在逐渐增强优化技术水平的同时，国内的机械加工的工艺水平、制造技术以及加工手段也需要同步增强，否则机械的整体水平依然会停在原地。这不但要引入先进的加工技术，更为重要的是不断增强加工设备自身的性能，特别是数控机床的加工水平。增强与国际技术发达国家之间的沟通与合作，软、硬件技术共同提升，以期达到机械设计——加工一体化的目的。
作者:张鑫 单位:西京学院
参考文献:
关键词：桁架结构；几何非线性优化设计；石油井架设计；有限元静力分析 文献标识码：A
中图分类号：TE922 文章编号：1009-2374（2016）17-0009-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.201617.004
作为石油钻采机械的重要组成部分，石油井架的设计得到了石油行业的重视。但就目前来看，使用线性稳定分析和有限元静力分析方法进行井架的设计，将无法满足所有井架的应用需求。因此，还需要在石油井架设计中进行桁架结构几何非线性优化设计方法的运用，从而更好地满足石油工业的发展需要。
1 几何非线性分析的概念
在工程设计过程中，通常使用的理论都是线弹性理论，比如几何方程、平衡方程和物理方程等。但是一些实际工程并不能保持上述线性关系，所以就无法使用线弹性方程进行工程力学关系的描述。例如，工程结构形状的不连续变化、在外载荷作用下出现的工程结构局部材料进入塑性、钢架结构大变形和高温下的结构蠕变，都属于需要利用非线性理论描述的问题。而在工程结构的非线性分析中，又可以划分成几何非线性、材料非线性和状态非线性。所谓的几何非线性，其实就是其应变位移是非线性的。比如，工程结构出现的大位移、大转动和小应变问题，就属于几何非线性问题。
与线性方法不同，几何非线性方法使用的小变形线性理论平衡方程需要在工程结构未发生变形的情况下建立。但是在实际生活中，平衡方程需要在变形之后建立。所以结构变形状态将与平衡状态出现差异，这种差异则会对结构设计产生一定的影响。使用几何大变形结构分析理论，则能够使二者保持统一协调。此外，采用线性分析方法，一定能够获得问题的解。但是，使用几何非线性分析方法，在杆件界面过小或荷载过大的情况下，就可能无法求到解。而这也说明，工程结构可能不存在变形与平衡统一的状态。
2 桁架结构的几何非线性优化设计方法
2.1 桁架结构的几何非线性稳定性分析
针对小变形桁架结构，可以使用几何非线性欧拉理论进行结构稳定性的分析。而使用该理论，其实就是以欧拉稳定条件为临界点理论的约束条件，可以顺利求得方程的正确解。在任何桁架结构中，该方法都能够适用。而针对高荷载和大截面的桁架结构，也可以通过将其自动归结为临界点理论进行问题的求解。具体来讲，就是在桁架变形状态下进行平衡方程的建立，然后利用几何非线性理论进行结构稳定性的分析。但此时，结构变形是未知的，所以还需要使用迭代的方法进行求解，并且直到前后两次迭代的解的误差小于给定误差。在进行迭代求解时，需要使用线性平衡方程进行内力向量的求解，然后利用欧拉稳定条件进行杆件的横截面积的修改。针对细长圆杆，需要进行材料对应的长细比下界的设置，而针对中长杆和短杆，需要有相应的稳定条件，以便对横截面积的修改进行约束。完成该两个步骤之后，需要使用胡克定律进行各杆变形量的求解。但是，如果遭遇超静定问题，则需要进行与自由度数相同个数的杆件变形量的计算。此时就不需要进行其与杆件变形量的计算，但是需要得到杆件的内力值。根据计算得到的杆件变形量，可以对各节点位移进行计算，然后进行节点位移向量的求解。在这一过程中，需要先进行各杆的变形量，然后再计算长度。针对已经变形的几何构形，需要建立内力平衡方程，然后进行平衡方程的求解，从而得到待定的内力。最后根据求得的结果，就可以判断桁架结构是否稳定。
2.2 桁架结构的几何非线性优化设计
2.2.1 优化模型。完成桁架结构的几何非线性稳定分析后，就可以使用工程结构优化设计方法进行工程结构的优化。利用该方法可以将优化算法与结构分析结合起来，从而得到满足设计要求的最优设计方案。针对确定几何形状和给定拓扑安排的桁架结构，想要进行结构的优化设计就可以重量极小为目标。而结构优化设计模型如下式，需要进行A的范围的求解：
式中：A为杆件的横截面积，即设计变量向量；则为某个方向的位移界限；为给定应力上下限；为尺寸上下限；N、M、N1、Lk和ρk分别为设计变量总数、位移约束总数、杆件总数、第K类杆件长度和第K类杆件的重度。
在处理该模型时，需要使用准则法，并且按照应力法进行应力约束的处理，以便形成相应的函数。在此基础上，通过适当变换就可以得到迭代公式，然后通过求解获得桁架结构的线性优化设计结果。而由于整个过程未进行本构关系的引入，所以也可以利用该模型求解桁架结构的非线性优化设计问题。
2.2.2 桁架的静力分析。针对空间桁架结构，可以使用Newton-Raphson法进行结构的静力分析。在分析的过程中，可以采取单元刚度阵进行杆件的局部坐标系的表示，从而使结构坐标得到适当的整理，继而满足优化公式推导需要。在此基础上，还要将公式转换成全局坐标系，从而对结构的整体稳定情况进行掌握。考虑到大部分桁架结构整体失稳时会出现位移发散现象，而一些结构则会出现位移过大或位移振荡不收敛的问题，所以在利用模型求解后，一旦位移收敛于有限的确定值，就可以认为结构整体比较稳定。
2.2.3 桁架的敏度分析。就目前来看，在使用几何非线性分析法进行桁架结构的优化设计时，通常需要使用位移对设计变量的导数。所以在结构优化设计的过程中，还需要进行位移灵敏度的求解。针对线性问题则可以利用一些推导能用显式进行位移对设计变量的导数的表达，但是针对几何非线性问题，考虑到位移与载荷之间的非线性关系，则需要使用其他方法进行结构的敏度分析。具体来讲，就是需要将位移灵敏度显式进行两边求导。在求导的过程中，需要对设计变量求偏导，从而得到关于位移灵敏度的线性方程组。而在该方程组中，结构刚度矩阵是在几何非线性的影响下得到的，所以还可以根据总刚的组装规则进行公式的简化。最后通过求解位移灵敏度的系数矩阵，就能够得到单元刚度阵有所改变的杆件设计优化结果。
2.2.4 桁架的近似重分析。在进行桁架结构的优化设计时，往往需要进行设计变量的多次修改，从而得到最优的设计方案。而在每次进行方案的修改后，都需要进行结构的重分析。但是非线性问题的重分析则需要较大的计算量，所以将导致设计矛盾的出现。因此为了利用几何非线性优化设计方法进行大型实际结构的优化设计，还需要使用近似重分析法对修改后的设计方案进行分析。使用该方法，其实就是直接将一次迭代的计算结果作为二次迭代的输入值，并且直至两次迭代相差不大。但在解决线性问题时，由于需要进行刚度阵的重新组装，所以使用该方法并没有实际意义。在几何非线性问题的解决上，使用该方法可以将几十次迭代过程简化成一两次迭代，所以能够有效降低非线性分析的工作量。
3 桁架结构的几何非线性优化设计在石油井架设计中的运用
在生产的过程中，石油井架时常会出现破坏现象，从而给石油企业的生产带来阻碍。所以在设计石油井架的过程中，还应该实现井架结构的优化设计，从而使井架得到更好的应用。而考虑到井架结构形式多样，并且承受的载荷并不相同的问题，还需要使用几何非线性桁架结构优化设计方法对井架设计进行优化。
3.1 平面桁架的优化设计
通过将上述方法编写成计算机程序，就可以利用几何非线性优化设计方法进行平面桁架的优化设计。而石油井架的平面桁架结构具有39根杆件，各杆件许用应力为1.5×108N/m2，截面积下限和上限分别为1cm2和1000cm2，各杆截面积的初始设计值为50cm2。使用几何非线性方法进行该结构的优化设计，可以将设计纵向边缘节点的y向位移不超过±7cm，并且横向边缘节点的水平位移不超过±1cm，从而对结构变形进行约束。而通过优化设计，则能够发现得到的目标函数和杆件截面积与线性优化设计结果有较大的差异。
3.2 A型井架的优化设计
针对A型井架结构，其大腿横截面为边长1.5m的等边三角形，结构内共有188个杆件，自由度174个，横截面初始设计值为40.21cm2，并且以横杆、斜杆和弦管为设计变量。同时各设计变量下限为5.88cm2，应力约束为1.6×108N/m2，并且需要承受自重、钩载和风载。在使用几何非线性方法进行该结构的优化设计时，可以将顶部y向位移不超过±12cm，然后通过载荷简化将每个节点沿z向的作用力设定为-3×103N，从而实现对该结构的优化设计。
4 结语
总而言之，相较于线性计算方法，非线性计算方法将更加精确。在进行一些高柔结构的优化设计时，使用几何非线性设计方法将得到差别较大的计算结果。而在现实生活中，包括石油井架在内的很多桁架结构都属于高柔结构，所以还需要使用几何非线性方法进行结构的优化设计，从而提升结构的稳定性。因此，通过本文对桁架结构的几何非线性优化设计问题展开分析，可以为相关工作的开展提供指导。
参考文献
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【关键词】结构设计；建筑结构；优化技术；应用
在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。
一、结构优化设计的模型和方案
房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。
1.结构优化设计模型
结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是：设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。
2.结构优化设计方案
结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。
二、结构设计优化技术在应用中的几个问题
结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。
1.前期参与
因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。
2.细部结构设计优化
概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。
3.地基基础结构设计
地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
三、结构设计优化的的功用
1.降低总造价
进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。
2.提高建筑结构经济性
建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。
优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。
结束语
建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。
参考文献
[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社,2008:34-36.
[2]汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化,2007:12-13.
[3]王光远.工程结构与系统抗震优化设计的实用方法[M].北京:中国建筑工业出版社,2007：35-37.
关键词:VB;机械优化设计;软件;实现
Realization and Implementation of Mechanical Optimal Design Software Based on Visual Basic
REN Xiao-dan
(Electrical Engineering Department, Inner Mongolia Machine Electricity Occupation Technical College, Hohhot, 010051, China )
Abstract: Mechanical optimal design method is an important means of the modern mechanical design process to identify the most optimum design. Using VB as a development platform to the exploit optimization software applied in the process of mechanical design based on the commonly used optimize method calculation, use which to meet the mechanical design process optimization requirements.
Key words:visual basic; mechanical optimal design; software; realization
最优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科,随着数学规划论和计算机技术的发展,它与机械设计理论相结合,解决了在机械设计领域中最优化设计问题。通过这种新的设计方法,可以从众多的设计方案中寻找最佳的设计方案,从而大大减轻了设计人员的劳动强度,提高了设计效率和质量。
在机械优化设计过程中,将遇到如何选择合适的优化方法这一问题,由于求解问题的性质、规模及解题思路和策略不同,优化算法种类很多,设计人员需要寻找合适的算法,满足机械设计方案的要求。为了方便设计人员使用最优化方法,通过可视化语言VB开发了机械优化设计软件,能够满足工程人员的设计需要。
1 机械优化设计概述
机械设计优化问题,就是在给定的约束范围内,选取设计变量,建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。其设计步骤为:
1) 将设计问题的物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量、确定目标函数、给出约束条件;
2) 采用适当的最优化方法求解数学模型;
3) 编制优化设计程序;
4) 求解优化结果;
5) 分析优化结果。
机械优化设计常用的优化方法有一维搜索最优化方法、多变量无约束优化方法、约束最优化方法。一维搜索法主要包括黄金分割法和二次插值法。多变量无约束优化方法主要包括变量轮换法、鲍威尔法、梯度法、牛顿法、变尺度法等。约束最优化方法主要包括随机方向法、复合形法、惩罚函数法等。
2 软件开发
VB是一种Microsoft Windows应用程序的开发工具,采用了“可视化设计”和“面向对象设计”技术,初学者只要掌握几个关键技术就可以建立实用的应用程序。软件开发的效率大幅度提高,输入输出界面也都采用了Windows的标准,软件的维护和扩充也十分方便。用VB开发出的应用软件,其操作界面美观大方,使用方便,具有人性化的特点,更易为用户所接受。同时,程序编程语句直接简捷,在程序的调试过程中,容易跟踪程序的运行进程,从而发现问题,以进行改进和调整。
程序设计主要包括机械优化设计中常用的优化算法,所有功能都可以在菜单中进行操作。同时在软件左侧设计下拉式菜单,方便用户对优化算法的快捷访问,用户登录界面如图1所示。在函数方程输入的设计中,利用了ScriptControl控件。在使用ScriptControl控件前,先通过“工程/部件”菜单命令选择Microsoft Script Control 1.0选项,添加ScriptControl控件。实现步骤如下:
1) 将ScriptControl控件添加到工具箱;
2) 在窗体上放置ScriptControl控件;
3) 设置ScriptControl控件的Language属性为vbscript;利用Eval方法使用户可以根据实际需要,在界面输入需要优化的方程。
3 应用实例
针对工程技术中的许多问题,建立的目标函数常可归结为函数f(x)的形式,其最优化设计的数学模型可简化为:min f(x),x∈En或max f(x),x∈En。选取文献[1]上的一个例题进行验证。利用黄金分割法求目标函数为f(x)= x^2-7x+10的最优解。已知初始区间为[2、8],取迭代精度e=0.35。
在软件中选取黄金分割法优化界面,输入已知条件,如图2所示。观察输出结果,可以得到极值点x=3.58344,极值f(x)= -2.24304。根据软件优化结果,发现和理论计算结果一致。
4 结束语
机械优化设计软件可以帮助工作设计人员简化计算,缩短设计周期。但是,每一种优化方法都具有一定的局限性,在设计时应考虑求解问题的规模、数学模型的特性和复杂程度,及各类优化方法的特点和应用范围,选取合适的算法进行优化。
参考文献:
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关键字：房屋建筑 结构优化设计 应用
房屋结构设计优化技术的现实价值和应用
1.1房屋结构设计优化技术的现实价值
设计人员在进行房屋结构设计时，首先要考虑的就是要满足房屋结构效益的长远化，在这个前提下，要最大限度的减少投资商的投资成本同时保证结构上的科学合理。与传统的房屋结构设计理念相比，现代房屋结构设计优化技术应用之后，能够有效的降低工程成本，大约可以维持在10%—35%之间。结构设计优化技术的运用，不仅能够将建材的利用率和性能发挥到最大值，同时也使房屋内部的各个空间之间的结构实现协调规划，并且符合我国相关的安全质量规定。此外，房屋结构设计优化技术的运用还能够对房屋的最初设计提供帮助，因此，优化技术对房屋整体设计的安全、合理、舒适起着重要的作用。
1.2房屋结构设计技术方案和理论的应用
房屋结构设计方案和理论在现实中的应用主要表现在两个方面，即房屋总体工程结构设计的优化和房屋各个组成部分的设计优化。在这其中，房屋各个组成部分的设计优化包括很多方面，如：相关细节结构部分的优化设计、相关基础结构方面的优化设计、房屋护围结构方面的优化设计和房屋屋顶方面的设计优化等，对于这些方面的设计优化还包含很多更加细化的设计，如布置、选型、造价、受力等方面的设计优化。相关的设计工作者应该在满足房屋建造的相关规定前提下，而后充分考虑造价方面的因素进行相关的结构设计优化。
二、房屋结构设计优化的经济性分析
2.1房屋结构设计占地方面的经济性
在当前，房屋的建造形式主要以高层和超高层为主，而房屋建造的总面积是由隔层面积之和而得，所以说，房屋的建造层数越多，相应的总的建筑面积就会越多，由此房屋的单位建筑面积需要占用的土地面积越小。与此同时，随着建筑层数的不断增加，房屋高度也会随之不断增加，而房屋与房屋之间的间距也会随之增加，由此可见，在房屋建造时，占地面积与房屋高度并不是按照一定比例进行增加的。
2.2房屋结构设计在造价方面的经济性
在进行房屋结构设计时，结构设计方法以及所使用的建材的不同可能使整个工程的造价产生巨大的变化，因此在进行结构设计时有必要对各种方面如结构类型的选择和建筑材料的选用等进行必要的经济性的考虑。在相同建筑面积时,住宅建筑平面形状不同,住宅的外墙周长系数也不相同。显然平面形状越接近方形或圆形,外墙周长系数越小,外墙砌体、基础、内外表面装修等也随之减少,并且受力性能好,造价会降低。考虑到住宅的使用功能和方便性,通常单体住宅建筑的平面形状多为矩形。根据相关的统计显示，采用科学合理的设计方案能够使整个工程的造价下降10%左右，甚至有的可以达到20%。房屋结构大多是由基础、柱、梁、楼板等组成，而这些部分所需的成本造价也存在很大的差异，不同的结构类型的工程造价是不同的。如在剪力墙结构中，在进行高层建筑抗震设计时短支剪力墙的抗震等级应比相应的剪力墙的抗震等级高一级，所以在平面设计上要尽量减少短支剪力墙的数量这样也会相应的减少构造钢筋的使用量从而减少工程造价。因此，在实际工程施工过程中，应该根据实际情况有针对性的进行结构类型选择。
2.3高层住宅结构设计的经济性
对于高层住宅而言，其层数直接与成本造价产生联系，随着层数的不断增加，建筑中，墙体面积、柱体面积等都会随之增加，建筑的整体自重、基础的承载能力、各种管线的长度同样也会增加。因此设计一个合适的层数，不仅可以使得建筑材料大大节约，而且有利于抗 震性能的提升，同时，一个合适的建筑物高度还能够使得相邻建筑物之间的距离缩短，节约建筑用地。
结构优化设计技术在房屋建筑中的应用
3.1结构设计优化应注意前期参与
房屋建设的投资计划在实际的过程中受很多因素的影响，影响最大的当属前期方案的确定，
前期方案的确定将直接影响整个建设项目的总投资成本，对目前而言在进行结构设计时存在问题最大的也是前期方案的确定问题。在进行房屋结构设计时具体的施工人员并不将优化设计使用在前期方案的设计之中，往往忽略考虑建筑物结构的和理性和可行性，这样设计出来的结构设计结果将会对整体结构造成很大影响，不仅增加了后期结构设计的困难度而且在项目总投资上增加了一定的成本，这些都是得不尝试的结果。如果我们在前期方案确定是就加入结构优化设计，那么我们就能从容的针对不同的建筑类别要求，优化选择合理的结构形式和设计方案，在避免上述情况发生的同时保证了工程的进度也减少了投资商的投资资本，这是一举两得的最佳选择。
3.2结构设计优化方法
从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化计量。对于房屋工程分部结构优化设计主要包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、结构细部设计的优化设计和维护结构方案的优化设计四个大的方面，同时还包括对结构设计中选型、空间布置、受力分析和造价等几个小的方面。在实际的优化设计中要一切从实际出发结合具体的工程实际情况满足设计图的整体规划要求，最大限度的使平面布置规则同时减少刚度和质量中心的差异，要着重注意减少应力集中的现象。在构建结构优化设计模型时要合理选择主要参数以创建函数模型，运用合理科学的结构优化计算方案和计算方法将有约束条件转换成无约束条件进行计算最后编制相应的运算程序以得出最终的优化结果。具体步骤如下：首先是对设计变量的合理选择，要选取对设计要求影响较大的参数，并将影响较小的参数作为预定参数，采用此方法将会达到减少计算编程的工作量的效果：其次其确定目标函数，是函数满足设计要求的最优解；最后进行约束条件的确定，这里的约束条件包括应力约束、结构强度约束、尺寸约束等，在保证个约束条件满足现行规范要求的同时采用优化设计合理进行优化是建筑物达到最完美的设计效果。
3.3概念设计优化技术
在现代建筑设计中越来越多的因素被考虑在之中，不同于传统的结构设计概念设计的理念的引入是一场思想的革新。用概念思想来进行建筑结构设计就是设计师在设计的方案阶段根据其自身的工作经验和专业的理论知识，在没有确定具体方案的情况下运用概念设计方法在脑海中进行整体结构的优化。概念设计主要针对设计工程中对于不同的建筑结构采用何种设计施工方法无法确定时，这时设计人员就要根据自身经验并考虑和遵循一般设计规律在不依靠计算机的情况下得到我们想要的最终结果。概念设计的引用较传统设计思想而言可以迅速的、有效的对结构体系进行构思、比较和选择，保证了工作的高效进行的同时也帮助了建筑师确定整体结构体系，使结构体系和受力分析以一种清晰明朗的形式显示出来，避免了后期设计的不必要的计算具有很高的安全可靠性。将概念设计得到的数据与计算机计算得到的数据进行比较可以大大的提高运算的准确性。在实际设计中概念设计还表现在对一些外力的不确定因素堤建筑物的影响，其中影响最大的就是地震对建筑物产生的影响，因此在设计中就要首先将防震思想考虑其中，要多道设防思想是建筑物在地震发生时次要构件先破坏以消耗部分地震能量，此外进行延性设计也能有效的防止结构发生脆性破坏，这些抗震设防思想在整个设计工程中都将作为概念设计的重要指导思想。概念设计是结构设计的灵魂和核心，它贯穿于设计工程师的知识水平和设计水平也统领结构设计的全部过程。运用结构概念设计从整体上把握结构的的各项性能，只有这样才能对计算分析结果进行更为科学、更为合理的采用，保证了工程师在设计之中的主导地位。
3.31概念设计结合细部结构设计优化
概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实之间有很大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。
3.4 ANSYS在优化设计中的应用
传统的结构设计先是凭借经验和判断做出结构的初始方案，包括空间总体布置、材料选择、结构尺寸和制造工艺等几个方面然后在进行结构分析，最后在力学的基础上校验其方案的可行性，必要时需要进行多次方案修改。在传统的结构设计中结构分析只是仅仅起到了校验可行性的校验功能。而利用ANSYS进行优化设计分析不仅只进行一次计算就可以完成结构的应力和寻优计算而且能够满足设计规定的约束条件实现目标最优。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析已预提的大型通用有限元分析软件，自开发以来不断汲取新的计算技术和方法，在进行高级分析时将有限元分析与优化设计方法合理有效的结合在一起，从而构成了基于有限元分析技术的优化设计。作为工程设计人员而言并不需要具备完善的理论基础只需要掌握就工程所涉及的相关背景能够将工程实际问题转换成优化模型，这样就可以通过使用ANSYS软件完成工程的优化设计，ANSYS软件的应用不仅大大提高了优化设计的工作效率减少了设计过程中繁琐的编程操作而且也大大的提高了工程计算的准确性，保证了工程的整体质量。
3.41 ANSYS结构优化实例
根据上述优化过程的思路，使用ANSYS对常用的三杆桁架进行优化设计。三杆桁架结构模型如图2所示，桁架由三根杆组成，承受纵向和横向载荷作用。优化的目标是使桁架的重量最小，其中三根杆的横截面面积和基本尺寸B在指定范围内变化，每根杆的在最大应力不超过400MPa。已知条件如下：
桁架的材料特性 弹性模量：E=2.06×105MPa，密度：ρ=7.5×10-3g/mm3，泊松比：ν=0.3，最大许用应力：σmax=400 MPa。
几何条件 杆的横截面面积变化范围：10~10000mm2，基本尺寸B的变化范围：1000~10000mm。
集中载荷FX=5×105N，FY=5×105N。
优化设计模型是要在满足给定的工况条件下，追求三杆桁架机构重量的最小值。根据该问题的情况，选择三根杆的横截面积A1，A2，A3以及基本尺寸B为设计变量，目标函数为桁架的重量最小，约束条件为三根杆的内应力在许用应力范围之内以及几何条件。所以，可以根据式（1）将该问题用优化数学模型表示。 按照ANSYS的优化设计过程，采用一阶方法，共进行了10次迭代，得到了优化结果。从结果中可以看出，当A1=2091.5mm，A2=10000mm，A3=477.6mm，B=6062.8mm时，桁架的重量为0.2261t，在满足给定条件下三杆桁架结构的重量达到最小。图2给出了目标函数（重量）的变化规律，从图中也能直观地看到目标函数的整个优化过程以及最终的结果。
图1 桁架结构模型图
图2目标函数与迭代次数的关系图
3.5下部地基基础结构设计优化
地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
结语：结构优化设计技术在房屋建筑中的应用，随着我国社会经济的快速发展、生产技术水平和人们生活水平的的提高以及人们对于居用建筑功能要求的不断改变，优化结构设计目前已经得到了极大的推广与发展。建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。结构优化设计工作同样是一项事无巨细的工作，只有在今后更多的实践中不断积累经验，发现问题和解决问题才能够在未来的房屋建筑工程结构设计竞争中占得先机。对于专业设计人员来说要把提高自身职业技能和设计质量作为终身奋斗的目标，为国家建设行业贡献自己的力量。
参考文献：
[1] 柯常忠, 索海波. ANSYS优化技术在结构设计中的应用. 煤矿机械, 2005, 1: 9-11.
[2] 庄轶, 谢俐. 结构优化设计的有限元方法分析. 山西建筑, 2007, 33(11): 66-68.
[3] 李黎明.有限元分析实用教程.[M].北京：清华大学出版.2005
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[6]潘亮，房屋结构设计中机构设计优化技术的应用，科技风，2011(12)
[7] 张炳华，王亚飞；土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社；2008，11（07）：34 - 36
[8] 张友鸿；优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑；2008，09（11）：12 - 13
[9]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.
[10]汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化，2007:12-13.
【关键词】结构设计优化设计技术；房屋结构设计；应用
人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高，相应建筑产品的品质要求也就不断提高，这就让开发商不断寻求新的手段满足顾客需求，而降低工程造价就成为开发商追求的直接目标，这就需要我们利用结构设计优化设计技术方法，提高有限空间、有限资源的最大化效果发挥，实现经济化、实用性和适用性的良好目标。
1 结构设计优化方法
赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑设计优化设计技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的"经济适用"房。从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。
1.1 结构优化设计模型
结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：一是设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。二、目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。
1.2 结构优化计算方案
结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。
2 结构设计优化技术的实践应用
结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。
2.1 结构设计优化应注意前期参与
因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。
2.2 概念设计结合细部结构设计优化
概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。
与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。
2.3 下部地基基础结构设计优化
地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
3 结构设计优化的现实意义
3.1 结构优化设计降低总造价
进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。
3.2 进行结构设计优化提高建筑结构经济性
建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。
与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。
参考文献
[1]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009(4).
【关键词】结构设计优化设计技术；房屋结构设计；应用
近年来，由于土地价格市场的变化，不断上涨的土地价格给开发商的建筑总成本控制带来了极大的压力，同时，人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高，相应建筑产品的品质要求也就不断提高，这就让开发商不断寻求新的手段满足顾客需求，而降低工程造价就成为开发商追求的直接目标，这就需要我们利用结构设计优化设计技术方法，提高有限空间、有限资源的最大化效果发挥，实现经济化、实用性和适用性的良好目标。
1.结构设计优化方法
赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑设计优化设计技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的“经济适用”房。从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。 房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。
1.1结构优化设计模型。 结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：
（1）设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。
（2）目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。
（3）约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。
1.2结构优化计算方案。 结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。
2.结构设计优化技术的实践应用
结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。
（1）结构设计优化应注意前期参与。 因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。
（2）概念设计结合细部结构设计优化。 概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。
（3）下部地基基础结构设计优化。 地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
3.结构设计优化的现实意义
（1）结构优化设计降低总造价 进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。
（2）进行结构设计优化提高建筑结构经济性。 建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。
（3）与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%～34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。
参考文献
[1]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009（4）.
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[3]马臣杰，张良平，范重.优化技术在深圳京基金融中心中的应用[J].建筑结构，2009（4）.
关键词：优化设计；工程费用；费用函数
随着城市进程的加快，城市人口不断增加，城市的污水排放量也不断上升，这给污水管网的建设带来了巨大的挑战。建立一个经济，有效的污水管网处理系统是当前城市发展的重要任务之一。一般来说，城市污水管网工程投资巨大，设计时如何在满足规定的各种约束条件下，进行优化设计，尽量降低污水管网工程投资，是摆在工程设计人员面前的一个难题。
1 传统污水设计存在的问题
在传统的污水管道设计中，水力计算主要通过手工借助于计算器来完成。其计算过程是一项工作量很大，简单、机械、重复的劳动过程，既枯燥又费时，而结果一般得不出一个最优或者较优的设计方案。主要存在以下问题：
①传统的排水管道优化设计仅考虑了开挖回填施工的费用函数，而关于拖拉管和顶管的费用函数还鲜有实例推导，开挖、拉管和顶管这三种施工工艺的经济对比和适用条件不得而知，因此需要推导出拉管、顶管施工的费用函数。
②传统的开挖施工的费用函数为埋深H和管径D的二变量函数，但在沿海地区，开挖施工一般均为放坡开挖，极少采用挡土板支护，因此沟槽边坡坡度I对开挖回填的工程量和路面恢复工程量均有较大影响，需要推导出开挖施工的埋深H、管径D、沟槽边坡坡度I三变量费用函数。
③传统的污水管道优化设计方法中采用的费用函数未考虑路面恢复、沟槽回填材料、人工降低地下水位措施对工程费用的影响，因此必须完善细化费用函数内容。
④传统的优化设计方法中管道费用函数为固定函数，而管材价格、回填材料价格等随时间波动变化较大，因此在优化设计过程中需增加调整费用函数的功能。
2 影响污水管道工程费用的主要因素
通过研究分析污水管道施工工艺及施工过程，得出影响管道工程费用的主要因素如下：
①管材及施工工艺。不同的施工工艺对管材、施工周期等均有决定性的影响。在沿海地区，开挖施工采用的是PVC、钢筋混凝土排水管等管材；拖拉管施工工艺要求管材为PE管、钢管等抗拉管材，最大管径规格为de630，管道埋深必须满足覆土2m以上；顶管施工工艺要求管材为钢筋混凝土管、钢管等抗压管材，最小管径规格为DN800，管道埋深必须满足覆土2m以上。
②管道埋深。管道埋深决定沟槽或基坑土方的开挖回填量、管材的规格等级要求、支护的形式及工程量、人工降低地下水位措施方法及路面恢复工程量，直接影响工程的造价。
③边坡坡度。拉管和顶管工作一般采用沉井施工，因此边坡坡度主要针对管道开挖施工。边坡坡度对沟槽土方开挖回填量、路面恢复工程量有较大影响。
⑤人工降低地下水位。随管道埋深和地质情况的不同，沟槽或基坑需采用不同的人工降低地下水位的预降水方法。沿海地区采用的措施主要是轻型井点降水和管井降水，轻型井点降水多用于沟槽深度≤6.0m的沟槽开挖，管井降水多用于顶管、拉管工作坑和控制井的基坑降水。
⑥沟槽支护。沟槽支撑所采用的形式同样跟管道埋深有关，沿海地区主要采用钢板桩支护。钢板桩支护主要分为槽钢密排支护（6、8m）和拉森钢板桩支护（9、12m）。槽钢支护主要用于4～6m以下的沟槽支护，拉森钢板桩主要用于6m以下的沟槽支护。
3 污水管网优化设计的内容
3.1 平面布局的优化设计
污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流通畅且节省能量。
正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平面布置方案管径―――坡度（埋深）优化设计计算结果，因此，已定管线下的优化设计计算是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与已定管线下的优化设计计算是密不可分的。
3.2 管径优化设计
管网管径常用的优化方法有线性规划方法、分段线性规划法、广义简约梯度法、二次规划法和分支定界法。但是用这些方法进行优化设计的过程比较复杂，计算值发散，且需要构造恰当的优化模型。除了将管径优化转化为分段管长优化问题得到的优化结果不需再处理外，其它经典优化方法得到的优化管径还需要使用分支定界法圆整到标准管径，而且这仅适用于小型管网。实际中所采用的圆整方法多是根据就近圆整规则进行的，这样得到的最终管径值不再是理论上的最优值。启发式优化方法是以经验构造的算法为依托，根据污水管道经济流速的范围，地形和污水管道定线确定各管段水流动向，从最起端节点开始进行节点流量向排水管段的流量累加，采用就近圆整规则进行管径圆整，在合适的计算时间和计算空间下能寻找最好的解。
3.2 管道材料优化设计
适用于排除雨水和污水的混凝土管有混凝土管，轻型钢筋混凝土管和重型钢筋混凝土管三种。混凝土管材抗压性强、使用年限久、技术成熟，但是重量重，运输费用较高、承插口加工精度较低，管道易渗漏，管内壁容易滋生水生物，清理困难，影响管道过水能力。随着新材料技术的发展，越来越多的城市排水系统应用了HDPE管等新型材料。常用的高密度聚乙烯（HDPE）塑料管的外壁是环状波纹结构，内壁为平滑的新型塑料管材。这种新型管材重量轻、连接可靠、抗磨损、耐腐蚀、韧性高，但是承载能力差，不宜在高强度的荷载路面下铺设。管材的选择应该注意根据工程的实际情况，综合考虑各种管材的力学性质和维护方便程度，全面对比选择。
3.3 管道衔接方式优化设计
管道接口是管道系统给排水的薄弱环节，管道的衔接质量检查是污水管网优化的一个重要内容。检查井内管段衔接要在满足管段在检查井内衔接的约束条件的前提下，根据相衔接两管段的管径与管段中的污水深度情况减小下游管段埋深。当下游管段的管径比上游管段的管径大时使用管顶平接；下游管段的污水深度大于或等于上游管段中的污水深度时应使用水面平接；遇到陡坡情况下产生的下游管段管径反而比上游管段的管径小时使用管底平接。
4 污水管网优化的一般程序
用数值方法解决给水排水系统优化问题，一般需经过下列程序，其基本内容是：
4.1 构成问题
大多数给排水工程的实际问题，包含着很多复杂的因素，往往是一个多变量、多目标、多层次的复杂系统。如何把一个实际的给排水系统，科学地简化为一个能反映其关键要素及其基本特征，又便于进行定量表达和模拟优化的替代系统，这是优化过程首要和关键的一步，它将在很大程度上影响优化结果的合理性。构成问题的过程，也可称为“系统的概念化”，简称“系统化”。
4.2 确定目标
目标的确定是给排水工程系统化的重要内容，也是系统优化的评价依据。主要是探明该系统所涉及的各种目标和综合目标；识别各目标的重要性，并表达其中值得追求目标的属性指标；建立目标随基本变量（或所考虑的关键因素）变化的函数关系。最常遇到的给排水优化问题，是在给定的技术与社会条件下，寻求系统经济性最佳时的设计、运行方案、总费用现值等。
4.3 建立数学模型
在上述阶段工作的基础上，建立定受表达给排水系统的数学模型。优化设计的数学模型是设计问题抽象化了的数学形式的表现，它反映了设计问题中各主要因素间内在联系的一种数学关系。数学模型通常需引入设计变量、约束条件和目标函数三个基本要素。
（1）设计变量：通常一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示。选取哪些参数，因各设计问题而定。在设计时，有些参数可以根据工艺、运行和使用要求预先给定；而另一些则需要在设计过程中进行选择，这部分参数可看做变量，称为设计变量。这种变量是一种相互独立的基本参数。
当设计变量不是连续变化时称为离散设计变量。然而，由于按离散变量进行优化设计比较困难，因此，目前的工程优化设计中大多数还是按连续设计变量来处理。
（2）约束条件：在设计空间中，所有设计方案并不是工程实际都能接受的。因此，在优化设计中，必须根据实际设计要求，对设计变量的取值加以种种的限制。这种限制称为约束条件（或约束）。设计约束一般表达为设计变量的不等式约束函数和等式约束函数。
（3）目标函数：设计变量选定之后，设计所要达到的指标，如经济指标、效率指标等，可以表示成设计变量的函数，这个函数就称为目标函数，即F（X）=F（X1，X2…Xn）。在工程优化设计中，被优化的目标函数有两种表述方式：目标函数的极小化和目标函数的极大化，即F（x）min或F（X）max。
4.4 优化模型的求解与检验
实际工作中求最优解（或满意解）可能有以下几种情况：
（1）评价目标只是一个定量指标（通常是费用），且可变的方案很多又无法简单一一列举时，则要运用最优化方法求出其最优解。
（2）评价目标只是一个定量指标，而备选的方案不多，则可以较方便地逐一对备选方案进行模拟计算，并从中择优选定。
（3）评价目标不只一个，多种目标之间彼此又有矛盾，这时需要运用多目标最优化方法，通过各目标之间的权衡和协调加以优选。最优化方法可根据数学模型中的函数性质，选用合适的数值计算优化法，并作出相应的程序设计，然后利用计算机的快速分析与计算，得出最优值。优化数学模型的最优解，只是对所有模型来说为最优。而对现实问题来说，则还可能是不完全合乎理想。优化的实际目的在于追求“满意解”而不是“最优解”。因此，采用试算法得到一连串的解，并通过灵敏度分析来确定影响求解的关键要素和参数，以找到一个较为合乎理想的满意解。
5 结束语
综上所述，在满足规定的各种约束条件下，通过优化设计，降低工程的造价是十分有必要的。实践证明。本文所述的优化设计方法和费用函数具有一定的适用性，改善了传统优化设计方法存在的弊端，在实际工程设计中取得了较好的指导作用，具有较高的经济效益。
参考文献：
