时间：2023-05-26 16:44:06
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【关键词】结构设计；结构优化；结构类型
0引言
建筑结构优化，即在一些建筑结构的设计方案中选取最优的或最适宜的设计方案，它参照数学中的模型最优化原理应用到建筑工程结构设计方案的优化比选中。研究发现，建筑结构在使用过程中是否稳定、耐久、合理等，主要决定于在建筑结构设计时选定的结构类型是否最优、是否最符合工程结构的需要。对于同一座建筑工程项目，不同的结构设计师知识储备不同，因此可能会设计出不同的结构类型、结构体系，但经过结构方案的优化、从而选取最优化的结构类型，提高建筑结构的使用寿命、稳定性能。
1建筑结构优化的主要因素
1.1荷载设计
研究发现，任何一座建筑结构都需要受到水平力和竖向荷载的作用，同时建筑还要承受较大的风荷载、地震力的作用等。当建筑结构的整体高度比较低时，由结构本身的重力引起的竖向荷载对结构的作用比较明显，而水平荷载作用在结构上，产生的内力和位移比较小，往往在计算时不考虑水平荷载的作用；若在较高层建筑设计中，虽然所受到的竖向荷载仍对结构产生较大程度的影响，但水平荷载对建筑结构本身的影响比竖向荷载产生的影响更加强烈。研究表明，随着建筑结构整体高度的逐渐增加，水平荷载对建筑结构产生的影响越将会越来越大，因此，在建筑结构高度较高时，结构所承受的水平荷载对结构的影响则不可忽视。
1.2选取结构类型较轻的
在建筑结构优化过程中，要尽量选取结构体较轻的。在现代结构优化设计中，设计人员越来越重视选用轻质高强材料，从而做大程度上减轻整体结构的自重。由于在多层建筑结构中，水平荷载对结构产生的影响处于较次要地位，结构所承受的主要荷载是竖向荷载。由于多层建筑楼层较少，整体高度相对比较低，结构自重相对来说较轻，对材料的强度要求不是特高。
但随着建筑结构高度的增加，在较多的楼层作用下，结构产生的自重荷载则会比较大，使得建筑结构对基础产生较大的竖向荷载，同时在水平荷载的作用下，结构的竖向构件（柱）中会产生较大的水平剪力和附加轴力。为了使得结构满足刚度和强度的要求，通常采取加大结构构件的截面尺寸，但是加大构件的截面尺寸会使得结构的整体自重增加。因此在高层建筑结构首先应该考虑如何减轻结构的自重。
研究表明，当在高层或超高层建筑结构优化设计时，选用结构强度高、自重较轻的钢结构、高强混凝土结构可以很大程度上减小建筑结构的自重。
1.3 侧向位移
据相关资料表明，建筑结构的侧向位移随着建筑高度的增加而逐渐增大，因此，在建筑结构的优化设计中，对层数较少、高度较低的结构，可以不考虑其侧向位移对结构的影响。但随建筑结构高度的增加，整体结构的侧移对结构产生的影响则不可忽视。
研究表明，由于水平荷载对结构作用产生的侧移随着建筑高度的增加而逐渐增大，且侧移量与结构高度成一定的关系。
在进行高层建筑结构优化设计时，既需要充分考虑建筑结构整体是否具有足够的承载能力，能否承受风荷载的冲击作用，又要求结构具有足够的抗侧移性能，当建筑结构受到较大的水平力作用下，其可以很好地控制产生过大的侧移量，确保结构整体的稳定性能。
与低层或多层建筑相比，高层建筑结构的刚度稍微差一些，在发生地震灾害时，结构的侧向变形更大。为了确保高层建筑结构在进入塑性阶段后，结构整体仍具有较强的抗侧移性能，保持结构的稳定性，则需要在高层建筑结构的构造上采取合适的措施，确保结构具有足够的延性，从而满足结构的刚度要求。
2建筑优化方法综述
2.1基本假设
（1）弹性体假设
目前，对建筑结构进行工程分析时，均采用弹性的分析方法。当结构受到风荷载或竖向荷载时，假设结构处于弹性工作状态，符合建筑结构的实际受力状态。但是当受到地震灾害或台风袭击时，结构产生较大的侧向位移，更甚出现裂缝，使得结构进入到塑性阶段，此时不可以再用弹性变形计算，应采用弹塑性理论进行分析。
（2）小变形假设
小变形假设普遍应用于结构变形分析中。但当结构顶点的水平位移与结构的高度比值大于0.002时，就不可以忽略P―Δ效应对结构的影响了。
（3）刚性楼板假设
在高层建筑结构分析时，假设楼板的自身平面内刚度无限大，而自身平面外的刚度则忽略不进行计算。采用这一假设，在很大程度上减少了高层建筑结构位移的自由度，减小了计算的难度，并为筒体结构采用空间薄壁杆的计算理论提供了保障。研究发现，刚性楼板假设一般适用于框架结构体系和剪力墙结构体系中。
2.2结构优化方法
（1）并行算法
由于高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。
由于在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。图3-1表示在风荷载作用下的5跨钢框架结构，不同的结构层数结构材料各个构件用量。
研究表明，楼房结构所采用的结构体系是否具有较好的抗侧力性能，在很大程度上影响结构材料的用量，综合考虑各方面的条件，通过精心设计确定结构的最优化设计方案，使结构体系的材料用量降低到最小程度。从上图中的虚线以上阴影部分就是结构优化设计节约的钢材用量，因此高层建筑结构方案的优化设计可以在很大程度上节约工程的总造价。
（2可靠度优化法
在建筑结构的优化设计时，必须进行结构的整体可靠度优化。在地质灾害发生不活跃的地区，风荷载是主要的水平荷载。因此，在非地震灾害区高层建筑结构的方案选型时，应优先选用抗风性能比较好的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗风。此外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。同时，还要限制高层建筑结构的高宽比，避免结构发生倾覆和失稳现象。
（3）高层体系优化法
由于建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时，高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案；办公楼则适合采用大小空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。
3结束语
综上所述，在确定高层建筑结构方案时，要全面考虑结构的使用功能、场地类别、设防烈度、建筑高度、地基基础类型、结构材料和施工工艺，同时还要考虑结构的设计、技术以及经济保障等，选择最优化的结构体系。
参考文献
[1] 谢琳琳.关于高层建筑结构选型决策的研究[D]，重庆：重庆大学硕士学位论文，2001
【关键词】工业建筑；结构设计；优化方法
1工业建筑结构优化设计的探讨
1.1工业建筑优化设计的目的。目前，在工业建筑优化设计的过程之中，依据各类建筑，其优化需求目标基本上可以分成两类：（1）传统概念之上的建筑结构设计与优化，其主要就是针对成本结构来进行优化设计，在最大限度之上来充分的保障设计的质量以及结构设计的科学合理性，最终于现代社会低碳环保的各项要求相符。（2）主要就是利用建筑结构的设计优化来满足企业工业生产的各项目标，达到建筑整体而结构的布局及设备置放的部位、分析与处理施工流程之中的各项数据，来最大程度之上加大工业生产作业的效率，提升企业的市场竞争力。
1.2工业建筑结构设计优化中的常见问题。在目前建筑结构设计优化设计的施工经验之中来进行分析，一般问题都是出现在优化之中。现如今，应用钢结构的范围逐渐的加大，这对于概念性设计与空间美学产生了较大的影响。此外，大部分工业建筑结构设计优化之中，设计人员对于整个结构规划布局缺乏一个全面化的认识，最终相应的也就引发了优化效果不显著情况的出现以及大部分企业对工业建筑结构设计优化不认可。
2工业建筑设计优化
2.1建筑结构优化的注意事项。现如今，在进行建筑结构设计的时候，我们国家大多建筑师基本上都不会参前期方案的设计，针对结构可行性与合理性来进行分析，在后期工程建设与方案设计相应的也就加大了难度，当然这也就需要增加对于工程的投入及应用。在工程结构设计前期就得要及时的引入结构优化的设计理念，这样一来不仅仅可以统筹兼顾来分析出工程优化设计的各项需求，而且还可以缩减企业资金的投入量，那么就可以在工程的初期进行合理的控制。
2.2建立完善的工业建筑结构优化体系。在工业建筑结构优化设计的过程之中，因为各个工业建筑结构的设计缺失统一的指导方案，那么就会使得建筑内部结构优化无法满足工业建筑结构的各项要求。所以在进行优化设计之前，首先要做的就是得完成的管理体系建立起来，利用管理体系以及工业建筑结构优化设计之中出现的各项问题来进行分析，并及时的制定出来行之有效的措施来解决，逐渐的工作的内容完善起来，最终在最大限度之上来充分的满足工业建筑结构优化设计质量管理的目的，加大工业建筑结构优化设计质量及其后期正式应用的使用效率。
2.3建立工业建筑结构设计优化模型。为了进一步科学、合理化的实现工业建筑结构优化设计的工作可以有条不紊的进行，在真是开展优化工作之前，要将结构优化设计模型建立起来，在众多变量参数之中选择出来其中的重要参数，逐步将函数模型建立起来，最终实现最佳的优化方案。
2.4吊车水平载荷。大部分工厂的生产均要利用吊车来进行输送体积偏大的获取，吊车荷载主要可以分为水平与竖直。SAP2000在结构分析之中可以将吊车的水平荷载利用等效静载负荷的方式来加到排架桩之上，另外竖直荷载主要就是利用移动式的静载负荷来进行施加的。
2.5电厂煤斗。煤斗是一种大型设备，其主要特征表现在：高度高以及体积大，并且有水平地震的重要性。针对支承构建而产生附加的扭矩以及弯矩，那么就得要利用相应的计算来进行补偿附加的内力。其主要步骤为：首先在设备的重心位置加设相应的支承结构，将附加的内力进行缩减；其次则是在与支承梁杆的轴心位置垂直的部位加设梁结构，使得支承梁的扭矩转变成为作用在梁上的弯矩；再者就是这个时候梁的抗弯能力十分的强，最终转移危险；最后则是支承结构抗扭配筋在不断的强化，楼板强度也随即加强。
2.6磨煤机隔振。对于火电厂而言，其发电过程之中始终无法离开煤炭，那么其中的关键工具就是磨煤机。振动的程度也会在很大程度之上影响到其他设备，特别是配电装置以及发电机组所处的控室。为了可以有效的避免这些问题的出现，那么弹性支承系统也因此而出现。（1）应用了弹簧振系统之后，磨煤机基础台座的重量约为一般基础快的二分之一。由于将之前的占地空间缩减，这对于工艺布置而言十分的有利。（2）应用了弹簧隔振系统之后，降低了磨煤机振动的频率，另外最为关键的就是有效的降低了磨煤机对于周边厂房及人员的影响。（3）因为磨煤机基础台座和锅炉厂房结构之间出现分离的现象，磨煤机基础施工的灵活性偏大。磨煤机基础施工的进行交叉是的施工，可以有效的缩减施工周期。（4）调平磨煤机，基础沉降可以通过弹性弹簧隔振器来进行相应的调整。（5）应用弹簧隔振系统之后，磨煤机自身受到荷载影响偏小，减小了磨煤机磨损的程度，使得磨煤机的运行可靠性进一步的提升。另外还可以有效的延长磨煤机的使用寿命，加大磨煤机大修的周期。（6）和一般基础相比之下，在应用弹簧隔振系统之后，磨煤机基础的振动具备可控制性，最为关键的就是传递到基础下荷载量减小了，所以可以适当的缩减地基基础处理的资金。综上所述，工业建筑结构设计是一项较为繁杂的工作，那么需要考虑各个方面的因素，从选择原材料到工程设计以及设计优化等等各个部分，依据工业建筑结构的特征来来具体的进行操作。逐渐的优化设计方案，在最大限度之上设计出来经济合理的方案。
参考文献
1.1基于拉格朗日方程的刚柔耦合动力学建模在对硅片传输机器人动力学模型过程中，需要对实际机器人进行如下合理的假设：①将硅片传输机器人手臂等效为均质杆，将关节质量等效为集中质量；②将同步带以及谐波减速器等效为无质量线性弹簧，系统阻尼采用比例阻尼进行简化。经过上述假设后，硅片传输机器人手臂可由如图2所示的简化模型表示。硅片传输机器人手臂简化模型中各物理量参数定义及其数值见表1。1.2硅片传输机器人动态特性分析柔性系统一般有多阶固有频率以及模态，但并非所有阶固有频率和模态会对末端轨迹精度造成影响。为了有效地选取优化变量，首先应先对柔性系统进行固有频率及模态等动态特性分析，从中寻找对末端轨迹精度有影响的模态以及对应的固有频率阶数，从而将优化重点放在为对末端轨迹精度影响较大的固有频率阶数上。由于固有频率为系统的固有属性，因此将硅片传输机器人手臂的刚柔耦合动力学模型写为式(2)的形式进行模态分析根据模态分析理论，柔性系统固有频率以及模态振型可由式(3)求得，其中ω为固有频率，A为模态振型矢量硅片传输机器人手臂柔性关节系统的质量阵为时变矩阵，因此其固有频率会随着末端的位置变化而变化。采用表1的系统参数进行仿真得到硅片传输机器人手臂固有频率特性如图3所示。由图3中可以看出机械臂的固有频率随末端点位置变化而变化。选取末端点位置最远点进行模态分析，分析结果如图4所示。由模态分析结果可以看出，系统的第三阶模态各个关节角的振幅比例约为1:–2:1。根据硅片传输机器人手臂的结构原理，大臂、小臂以及末端手的关节角度按照1:–2:1运动时，末端点的运动轨迹为一条直线，故三阶振动状态对末端轨迹的直线度并不造成影响。因此，对于硅片传输机器人手臂进行优化设计时，只需要重点考虑一阶与二阶的振动，以提高系统一阶与二阶固有频率为主要目标。
2手臂结构优化变量确定
如何在可优化变量中找到对固有频率影响最大的设计变量通常需要进行灵敏度分析。当优化参数以一很小值变化时，将此时固有频率的变化量作为该结构参数对固有频率的灵敏度。通常固有频率对结构设计参数的灵敏度可由式(4)表示式(4)的前提条件为设计变量bj的修改量必须很小。而在实际应用中，对不同设计变量改变同样数值时的难易程度并不相同，而对优化变量改变同样百分比的数值的难易程度基本一致。例如硅片传输机器人柔性关节刚度数值相对较大，而手臂质量较小，如果同样采取0.1为改变量时，刚度修改比质量修改更容易。因此，本文提出固有频率权值的概念，并以权值作为优化参数的选择依据。2.1权值概念在结构优化设计中，固有频率一般为多个优化设计变量的隐函数，可将固有频率按式(6)进行展开，其中偏导数项即为固有频率的灵敏度，而权值向量则表示所有变量对固有频率数值“贡献”的比例。优化变量的权值越大说明该变量对固有频率的影响越大。2.2优化参数确定根据上述理论，分别对硅片传输机器人手臂的优化参数进行灵敏度分析与权值分析。结构参数对一阶固有频率的灵敏度分析结果如图5所示，结构参数对一阶固有频率的权值分析结果如图6所示；结构参数对二阶固有频率的灵敏度分析结果如图7所示，结构参数对二阶固有频率的权值分析结果如图8所示。从仿真结果中可以看出：当采用灵敏度作为选择依据时，关节处的等效惯量灵敏度最高，而其余参数均较小，当采用权值作为选择依据时，手臂质量、杆长以及柔性环节刚度对固有频率影响较大，显然采取权值作为判断依据更符合实际情况。其中权值为正表示参数增大时固有频率提升，权值为负表示参数减小时固有频率提升。分析结果表明：对一阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节集中质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带的刚度；对二阶固有频率的权值较大的变量为：腕关节质量、小臂质量、末端手臂质量、小臂与末端手长度以及同步带刚度。本文只重点考虑质量的优化，且腕关节集中质量主要为轴承等标准件，无法进行优化。因此，最终的优化变量确定为：小臂质量与末端手臂质量。同时注意到大臂的质量对一阶与二阶固有频率均无影响，必要时可以考虑增加大臂的质量来增加竖直方向上的刚度。
3手臂结构优化设计
根据上述分析结果，最终选取硅片传输机器人小臂质量与末端手臂的质量作为优化参数，减小质量参数有助于固有频率的提高。然而大幅度的减小手臂的质量必然造成手臂在竖直方向上的刚度降低，从而使悬臂结构在竖直方向上的静态变形增大以及在竖直方向上的振动的加剧。因此在减小手臂质量的同时，需要考虑对竖直方向上变形的影响。3.1优化方法及约束方程推导将硅片传输机器人小臂与末端臂简化为图9所示的等截面空心梁。其中H与W为空间尺寸约束条件，通常为常数；h1、h2、h3为手臂厚度变量；L为手臂长度。OYZ为截面坐标系，YC为截面弯曲中性轴。硅片传输机器人小臂与末端臂的受力均可等效为图10所示的形式。图10中p为手臂自身重力引起的均布载荷，Fe为等效力，Me为等效转矩。则手臂末端的挠度、由于硅片传输机器人手臂为串联结构，故式(8)中的等效力与等效力矩均参数均与该手臂所承载的后端的手臂的质量以及长度参数有关。因此，在进行硅片传输机器人手臂结构优化设计时需要从末端手臂开始设计，随后再设计小臂。3.2末端手臂优化设计在硅片传输机器人末端手臂设计时，末端手臂所承受的等效力与等效转矩由末端手与负载的参数决定。通常末端手与负载的参数为常数，且末端手等效载荷以及尺寸约束参数数值如表2所示。仿真结果表明：末端总变形随末端手臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着末端手臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，末端手臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2mm、侧壁厚度1.5mm、下盖厚度1.5mm。3.3小臂结构优化设计末端手臂优化完成后，小臂的等效力与等效转矩参数即可以确定。小臂受力及约束尺寸参数数值如表3所示。仿真结果表明：末端总变形随小臂上壁厚度的增加而增加，但当上壁厚度大于2mm后末端总变形基本不变；侧壁的厚度对末端总变形的影响较小，基本可以忽略；末端总变形随着小臂下盖厚度增加而增加，但当下盖厚度大于1mm之后，总变形增加的较为缓慢。因此，小臂厚度尺寸最终确定为：上壁厚度2.5mm、侧壁厚度2mm、下盖厚度1.5mm。
4优化前后性能及参数对比
优化前后的小臂与末端手臂的三维模型如图17所示(手臂的下端盖未显示)。优化前后手臂质量以及硅片传输机器人手臂系统的固有频率数值对比关系如表4所示优化前后硅片传输机器人手臂系统由悬臂引起的竖直方向上的静变形、静应力以及竖直方向上的振动频率如图18～23所示。由表5与表6可以看出：优化前后末端手臂质量降低了50%，小臂质量降低了18.8%；一阶固有频率平均值与二阶固有频率平均值均提高了10%；竖直方向上最大静态变形量降低了52.3%；系统最大应力降低了58.3%；竖直方向上的振动频率提高了45.2%。
5结论
截面优化 形状优化 拓扑优化 算法
结构优化设计是最近30年来才发展起来的一个新的技术，这是结构上的一次重大的飞跃，它让设计者们从被动的状态变为了主动状态。优化设计能够非常合理地使用每一种材料的性能，让结构内的每一个单元都能够很好的协调在一起，并且保证安全度是完全达标的。于此同时，它还能够帮助整体性的方案设计进行一个非常合理的决策。结构优化设计从出现到现在已经有40多年的历史了，而在过去的30年内，它在理论和算法等方面都取得了非常显著的进展。这些进展大部分是与连续变量优化设计相关的，另外少部分是与离散变量优化设计相关的。
1.结构优化设计理论
1.1 截面优化
截面优化的设计变量要么是板的厚度、杆的横截面积，要么是复合材料的方向角度或分层厚度，因此，在使用有限元对结构的位移与应力进行计算时，只需要直接地使用灵敏度分析以及适当的数学规划方法便能够完成截面优化的过程，而不需要对网格进行重新划分。对于几何状态一定的情况，有限元分析只需要在杆的横截面的性质发生改变的时候才重复地进行。对于板这类有连续性结构的东西，也只需要把各个单元的厚度作为设计的变量，得出的优化结果便是呈阶梯形分布的板的厚度。在这些优化设计的过程当中，设计变量和刚度矩阵一般情况下是简单的线性关系。所以，截面优化应该重点研究优化算法与灵敏度分析。
1.2 形状优化
形态优化的主要特征是在结构给定的前提下通过对结构的边界形状或内部的几何形状进行调整来节约材料并且对结构的特性进行改善。从对象上划分，形状优化主要可以分为块状、板状的连续体结构与桁架类的杆系结构。对于杆系结构形状进行优化的求解方法主要可以分为两类。第一类是综合法，即是将两类变量统一起来同时进行处理，运用无量纲化，然后构造近似数学模型进行求解。第二类是分步优化方法，即是将尺寸变量和几何变量分为两个设计空间，然后分别对这两类变量进行优化，也即是每一步将一个变量固定，同时优化另一个变量，两步之间通过迭代进行协调。
1.3 拓扑优化
拓扑优化已经成为了现今结构优化设计研究的一个焦点，因为它可以在工程结构设计的最初的阶段便为设计者提供一个概念性的设计，让结构在布局上运用到最好的方案，这样，拓扑优化就比截面优化和形状优化能够获得更大的经济效益，也更容易受到工程设计人员的亲睐。拓扑优化的目的是在设计空间中寻找结构的刚度最好的分布形式，从而来对结构的一些性能进行优化或者减轻结构的重量。
2.结构优化设计方法
2.1 数学规划法
数学规划方法的提出开创了现代结构优化的新时代，将优化问题转化成数学规划的形式求解也就是将问题转化为在设计的空间中，在一定的可行域内寻找最小目标等值面上的可行的点，这个点也就是问题的最优解。数学规划法有非常严格的理论基础，虽然它在一定的条件下能够收敛到最优的解，但是它要求问题能够非常明显地表达，而且大多数情况下还要求设计变量必须是连续变量，目标函数是连续的而且性态要良好。对于大型的结构优化问题，收敛性一般都不是很好，而且迭代的次数比较多，这样就加大了结构分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了规划方法的计算的效率。
2.2 最优准则法
直接地使用数学规划理论需要多次地调用函数进行计算，而且当设计变量增加时调用次数也会迅速增加，导致设计的效率太低，在这样一种背景下便出现了最优准则法，它是最先发展的一种结构优化设计方法。这种方法虽然计算效率比较高，但是在建立迭代公式的过程中受到很多假设的限制。
2.3 仿生学方法
近年来，对自然界进化进行模拟的算法有两类，即模仿自然界过程算法和模仿自然界结构算法，主要又可以分为：进化算法、神经网络算法与模拟退火。
结语
结构优化是一门综合性的学科，也是一个有很大发展潜力的研究方向，它具有一定的理论价值与应用价值。在理论上，它对结构设计提出了一个新理念，极大地促进了人类资源的合理配置。于此同时，结构优化问题的本身也带动了一些相关性学科的发展，对各个学科的发展提出了一些新要求。本文对结构优化的一些优化方法进行了简要的概括。截面优化相对来说已经比较完善，形状优化也渐渐地变得成熟，只有拓扑优化至今还处在理论探索的阶段。
参考文献
[1]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，08：30-33.
[2]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压，2010，15：114-119.
[3]李晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设，2007，06：21-31.
[4]钱令希，程耿东，隋允康，钟万勰，林家浩.结构优化设计理论与方法的某些进展[J].自然科学进展，1995，01：66-72.
关健词 船舶结构；优化；设计方法
中图分类号 U66 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0100-02
进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。
1经典优化设计的数学规划方法
结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。
由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。
2 多目标的模糊优化设计法
经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：
式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。
模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。
3 基于可靠性的优化设计方法
概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。
船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：
1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。
关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。
4 智能型的优化设计方法
随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。
智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。
智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。
5 结论
通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。
参考文献
[1]郭军，肖熙.基于可靠性的船体结构多目标优化设计[J].上海交通大学学报，2010（1）.
（1）速率：速率低，原因在哪？
（2）SINR：干扰高，怎么定位？
（3）覆盖：覆盖弱、重叠过高，原因在哪？
（4）业务：业务怎么分布、高业务在哪？
通过LTE网络结构分析优化平台（ASOS）软件的算法研究和软件开发，使得网络结构分析优化体系化且流程化。ASOS可以对LTE网络实现小区级的结构分析，对弱覆盖、重叠覆盖、过覆盖、下行SINR、上行SINR都可以实现小区级的统计分析，并可以实现弱覆盖及上下行SINR的采样点级的定位，快速查找问题区域。
1 LTE低速率原因分析方法
下载速率由单双流和MCS决定，双流和MCS由CQI决定，CQI由SINR决定，那决定SINR的因素就是网络结构优化分析的重点。
LTE低速率问题具体的表征有2个方面，一是每RB的传输效率低，二是PRB的调度率低。
2 LTE弱覆盖问题分析方法
弱覆盖发生的原因主要分为站距过大、基站未开通、移动参数配置问题、漏配邻小区、室分信号外泄。
在LTE网络结构分析平台ASOS中，采用MRO数据对弱覆盖进行定位分析，发现弱覆盖在小区中的具置，使得弱覆盖问题的解决更加有目标和针对性。
3 LTE干扰问题分析方法
下行SINR是有效信号功率和干扰信号以及噪声功率的比值，该指标能有效反映当前网络的干扰情况。SINR决定下载速率，两者呈线性关系。
导致低SINR的原因除了弱覆盖之外，还有重叠覆盖、切换不及时、漏配邻小区、室分外泄、过覆盖等。一般情况下弱覆盖的影响最大，可细分为缺站、基站未开通等问题。外部干扰也会导致SINR的严重恶化。
对于下行SINR，在OMC网络性能指标中并没有输出，LTE网络结构分析平台ASOS根据专利算法，实现全网络的下行SINR的计算和输出，对网络结构优化将会起到巨大推动作用。
4 LTE重叠覆盖分析方法
不同小区间的高重叠覆盖会引起干扰，干扰的程度会在SINR中体现，进而影响下载速率。将重叠覆盖和SINR以及下载速率进行关联分析，得出重叠覆盖对网络结构的影响程度。
在重叠覆盖分析中，通常会采用扫频数据，对于SINR，采用路测数据，两者通过栅格化的分析方向进行关联分析。重叠覆盖对SINR的影响非常明显，6dB范围内的重叠信号数越多，其平均SINR值与最大SINR估计值越低，在重叠覆盖度为1的情况下，平均SINR为12.78dB，每增加一个重叠覆盖小区，SINR下降40%以上。
【关键词】超深基坑，排桩内支撑支护结构，优化设计
随着城市化进程的快速发展，城市有限的地上空间越来越不能满足城市发展的需要，开发城市地下空间成为解决这一矛盾的重要途径。另一方面，随着建筑高度的不断增加，建筑基础的埋置深度也在不断的增加。基坑工程出现两个明显的趋势：基坑深度越来越大，工程环境越来越复杂。基坑环境保护的要求在不断的提高，同时基坑失效事故所带来的危害也越来越严重。如何确保在城市密集的建成区深基坑工程的施工安全和环境安全成为工程技术人员必须面对的课题。
本文结合青岛海景公寓深基坑支护设计方案，对岩土层开挖超深基坑中排桩内支撑支护结构进行优化设计研究。
1工程介绍
1.1工程概况。拟建工程场区位于青岛市香港东路南侧，国家级旅游胜地―――青岛市老人海水浴场以北，青岛啤酒城正南。设计单位提供的拟建物特征：地上30层，高99.80 m；地下4层，层高3.9 m～5.1m，层总高12.20m。现场自然地坪高-0.25m。平面尺寸为66m×45m。基坑东侧多为2层，7层砖混结构，距用地红线最近约为5.0m。基坑南侧和西侧均为砖混建筑结构，基坑北侧主要为道路和市政管线，用地红线距香港东路红线最近约为15.4m
1.2工程地质与水文地质条件。本场区内地形平坦，位于滨海平原地貌单元，第四系较发育。基坑自上而下依次穿越素填土、粉砂、淤泥质粉砂、粉质黏土、粗砂、粉质黏土、角砾，基地位于强风化岩层。支护体系的选用要遵循安全、经济、方便施工及因地制宜的总原则。一般要综合考虑场地条件、基坑开挖深度和范围、地质条件以及地下水情况等几个方面做出选择。根据本工程地层地质情况和周围环境要求，初步拟定围护方案为排桩内支撑支护结构：钻孔灌注桩的直径为1 200mm，桩间距为1 500mm，桩长23.4m，自上而下分别在标高-2.65m，-6.50m，-10.40m，-15.50m处设置四道支撑。
2排桩内支撑支护结构优化设计方法研究
目前内支撑体系结构计算方法主要分为三类：简化计算方法、平面整体分析和空间整体分析。本文中采用的是平面整体分析的方法，即将支撑杆件、腰梁作为一个整体，视为一个平面体系，设置若干支座，借助大型有限元分析软件SAP 2000进行分析，得出支撑体系的内力与变形，最终设计出各构件的截面。
利用SAP2000对内支撑体系进行优化设计，大体上分为以下几步：
1）定义轴网类型。2）定义材料属性和截面。本文研究的内支撑为现浇钢筋混凝土支撑，支撑截面均为矩形。3）绘制构件。将每一层支撑看作一个平面桁架，选用线单元来模拟这一桁架。4）指定节点约束。分不同工况对该平面桁架施加约束。例如：两邻边约束、对边约束等。5）荷载工况。在内支撑计算中考虑静力荷载工况。6）分析工况。根据不同的节点约束，分不同工况对模型进行分析，得出不同工况下内支撑的内力，包括弯矩，剪力和轴向力。7）找出最不利情况下的内力，对支撑体系进行结构设计。
3A―A剖面结构设计计算
3.1排桩体系设计计算
根据前面提出的排桩内支撑体系的结构优化设计方法，以基坑东侧A―A剖面为例，对排桩体系进行结构计算。考虑工况，分段采用等值梁法计算排桩内力和各道支撑力，计算结果见表2。
表2 等值梁法计算结果
工况工况一工况二工况三工况四
Mmax/kN・m 173.0 324.5 658.0 986.0
T/kN 109.3 149.9 514.2 643.3
按各工况求得的墙上弯矩作出弯矩包络图，计算排桩配筋，计算结果见表3，按求得的支撑力设计各道支撑和围檩。
表3 排桩体系设计参数
参数桩径/mm桩长/m嵌固深度/m受力主筋箍筋
A―A 1 200 24.6 4标高10.4 m范围内：2828标高24.6 m范围内：323220@1 500
3.2内支撑体系的设计计算
内支撑系统由四道平面支撑和立柱组成。每道支撑包括环梁、腰梁和支撑杆。不同地质剖面计算求出的支撑系统需要提供的支护抗力是不同的，设计支撑系统时按所需最大支护抗力计算，第一，二道取N=353kN/m，第三，四道取N=571 kN/m，支护抗力较小侧将由基坑外侧的被动土压力平衡。
根据约束条件的不同，分四种不同支撑条件对支撑体系进行分析：1）X向两铰：即沿X方向在环梁的两端设置固定支座；2）两邻边固定1：将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座；3）两邻边固定2：将支撑体系的北侧与东侧的支座设置为固定支座；4）全铰：将环梁的约束全部设置为固定支座。通过对计算结果分析比较得出：1）在X向双铰的支撑条件下，环梁的弯矩最大，支撑杆件的轴力最大；2）在将支撑体系的南侧与西侧的支座设置为固定支座的支撑条件下，腰梁的弯矩最大。在内支撑体系中，支撑杆件和环梁是主要的控制构件，因此考虑选用第一种支撑条件下各构件的最不利内力组合来对各构件进行截面和配筋计算。
