工程结构优化设计研究进展

工程结构优化设计研究进展

李海兵

身份证号：132522197406093015

摘要：结构优化是一门综合性的学科，具有理论和应用价值，是有发展潜力的研究方向。结构优化设计是一种近代的、科学的设计方法，与传统的设计方法相比较，优化设计可以加快设计进度，节省工程造价，工程结构优化设计是一个非常复杂的过程。

关键词：工程结构；优化算法；研究进展

最优化设计的初衷在于从所有可能的设计中寻找最佳的设计进而促进目标的实现，这个寻找最优方法的过程就是最优化设计。

1工程结构优化的发展现状

集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设计是现代结构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设计，尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。结构优化设计是一门综合性、实用性均很强的技术，它要面向工程设计中的各种实际问题建立优化设计模型，根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的改进。现如今，无论国内还是国外。对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着设计技术的更新和产品竞争的加剧，结构优化设计将会有更大的发展。由于结构优化设计的工程意义，这一领域中研究的深度和广度不断得到扩展，相应的学术交流也很活跃。

2工程结构优化设计存在的一些问题

2.1工程结构设计规范不完善

我国的上程结构可靠度与发达国家相比较是偏低的。尽管制订了《上程结构抗震可靠度统一标准》，但还是出现了一系列问题。目前，与规范相配且适应丁实际上程的CAD软件并不完善。必须经过充分的研究，以利于优化设计。而且对大多数结构而占，也并未给山验算大震不倒的方法。在超高层建筑结构设计方面，必须提出有关的规定和建议，尤其在建筑抗震设汁方面有待改进。

2.2工程结构技术水平有限

这主要体现在设计人员上。目前，许多结构设计人员不熟悉抗震规范，不熟悉无枯结予应力等新技术；也不熟悉板柱结构体系，不能熟练掌握CAD软件。此外，设计人员人多数也不熟悉建筑工程定额，技术经济观念较淡薄。因此，应及早采取有效措施来根治，以提高工程结构设计水平。

2.3管理不善，设计市场较混乱

目前，许多工程足边设计、边旌工、急于mI{}l，根本没有时问去论证结构方案。许多大工程的设计审查也不严，初步设计，f：不审查结构方案。口本抗震规范规定，高度大于60m的结构设计，通常要进行以地震为输人的直接动力非线性反应分析，设计结果要由同本建筑中心超高层建筑结构审查委员会审查。再经建设省特批，低于2、3类建筑要进行小震地震系数的弹性承载力验算和大震的抗倒塌验算。而我国100m以上的高层建筑结构设计，设计院做的好台，根本无人过问。因此，应加强设计管理，以利于优化设计。

3工程结构优化设计的途径

3.1选择合理的结构方案

结构设计方案的优劣决定了结构设计的成败。建筑结构的设计方案是否科学、合理，在很大程度上决定着建筑结构设计的优良性。就同一个建筑项目而言，其可选的结构设计方案通常都不是固定的，而选用不同的方案会让建筑工程在质量上、造价上出现较大差别。因此在结构方案的选择应遵循以下基本原则：①要用整体的概念在特定的建筑空间中来完成结构总体方案的构思，处理好构件与结构、结构与结构的关系；②尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确；③保持整个结构安全可靠度的协调一致性。通盘考虑整体结构的每一个构件，使结构构件能够协调一致发挥其最大效能，确保达到规范规定的设计目标水准，实现结构既经济又安全的目标；④使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合，以避免或减小外力作用下结构的扭转效应；⑤积极主动的参与建筑设计的方案阶段。

3.2进行正确的结构计算

在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时应注意以下问题：

（1）1丢1计算软件的缺陷和设计人员不加分析的盲从容易导致设计错误，因此不能盲目的依赖计算机。

（2）为避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差，输入的几何图形、构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误。

（3）选取不同的计算参数会得m完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。

（4）所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，因

4工程结构优化设计的展望

（1）尺寸优化：在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面。

（21形状优化：让结构的几何形状和拓扑可变并参与优化设计，可以解决结构内外边界形状最优问题、结构构件相互连接方式优化问题、结构内空洞、孔洞的数量位置优化问题等。f3）自动优化：近十年来发展起来的将CAD与优化理论相结合的自动优化已经取得一系列重要成果。CAD中的自动设计在一定程度上主要依靠结构优化设计来实现，只要能以表达式表示的项目均可以依SOD来完成。另一方面，SOD的结果也要依赖于CAD图形功能来实现直观、快速、自动表达，因此形成集成化程度较高的自动化CAD系统。

（4）智能优化：将计算智能引入结构优化设计进而寻求一种具

有自组织、自适应、自学习等功能的算法来解决结构优化中非公式化、经验性的问题，形成具有智能辅助决策功能的专家系统。

（5）系统优化：包括全局和全寿命两个内涵的系统优化是将土木工程的优化作为一个大的系统来考虑，其优化的目标函数包括社会效益、经济效益、施T及使用期间的安全、使用功能的满足、美学功能、和施工方便等等，并且在工程进行的不同阶段对各个目标的侧重点不同。从可行性研究、总体布置、结构选型到结构的变量设计、工程实施规划、施工组织与管理、结构使用与维修管理等各个阶段对土木工程进行全寿命优化。

4结束语

总的来说，工程结构的优化设计的发展经历了从尺寸优化到形状优化再到拓扑优化的不同的阶段，从目标方面来看，经历了从单目标到多目标的转化，实现了结构优化的确定性与不确定性的转变，脱离于传统的算法和准则，向着仿生学的方向迈进，进而促使工程结构优化向着更高的方向发展，不论是数学计算法还是最优准则法，或者是仿生学算法都存在着一定的局限性，在进行实际的工程操作的时候需要针对实际情况研究和确定最佳的算法，不过，在工程结构优化设计过程中，对于目标函数的寻找和约束函数的精度的控制仍然是结构优化发展的重要方向。

参考文献：

[1]赵勋.挡土墙库仑土压力的遗传算法求解分析[J].岩土力学，2019（04）.

[2]曹洪涛，董军，居雅楠.基于MATLAB的钢―混凝土组合梁截面多目标优化设计[J].四川建筑科学研究，2019（01）.