优化设计十篇

优化设计篇1

关键词：平面控制网，优化设计，控制网的质量，数据处理

测量工作的优化问题研究始于1868 年德国，但在此后相当长的一段时间内，由于受到计算工具的限制等原因，这一问题没有得到进一步研究，直到20 世纪60 年代，随着最优化理论与方法的发展和子计算机的应用，测量控制网的优化设计问题，才得到国内外广大测绘工作者的关注。近30年来，由于科学技术发展的需要，实践中许多最优化问题已无法用古典方法来解决，因此，许多新的最优化技术应运而生，为解决各种优化设计问题提供了有效的方法。目前最优化设计己普遍应用于国民经济的各个领域，如生产管理、运输调度、服务系统、信息系统等等。

1控制网的布设原则

（1）分级布网、逐级控制

对于工程测量控制网，通常先布设精度要求最高的首级控制网，随后根据测图需要，测区面积的大小再加密若干级较低精度的控制网。用于工程建筑物放样的专用控制网，往往分二级布设。第一级作总体控制，第二级直接为建筑物放样而布设；用于变形观测或其它专门用途的控制网，通常无须分级。

（2）要有足够的精度

以工程测量控制网为例，一般要求最低一级控制网（四等网）的点位中误差能满足大比例尺1：500的测图要求。按图上0.lmm的绘制精度计算，这相当于地面上的点位精度为0.1×500=5（cm）。对于国家控制网而言，尽管观测精度很高，但由于边长比工程测量控制网长得多，待定点与起始点相距较远，因而点位中误差远大于工程测量控制网。

（3）要有足够的密度

不论是工程测量控制网或专用控制网，都要求在测区内有足够多的控制点。如前所述，控制点的密度通常是用边长来表示的。《城市测量规范》中对于城市三角网平均边长的规定列于表2.1中。

2布设方案

现以《城市测量规范》为例，将其中三角网的主要技术要求列于表2-3，电磁波测距导线的主要技术要求列于表2-1。从这些表中可以看出，工程测量三角网具有如下的特点：

①各等级三角网平均边长较相应等级的国家网边长显著地缩短；

②三角网的等级较多；

③各等级控制网均可作为测区的首级控制。这是因为工程测量服务对象非常广泛，测区面积大的可达几千平方公里（例如大城市的控制网），小的只有几公顷（例如工厂的建厂测量），根据测区面积的大小，各个等级控制网均可作为测区的首级控制；

④三、四等三角网起算边相对中误差，按首级网和加密网分别对待。对独立的首级三角网而言，起算边由电磁波测距求得，因此起算边的精度以电磁波测距所能达到的精度来考虑。对加密网而言，则要求上一级网最弱边的精度应能作为下一级网的起算边，这样有利于分级布网、逐级控制，而且也有利于采用测区内已有的国家网或其它单位已建成的控制网作为起算数据。以上这些特点主要是考虑到工程测量控制网应满足最大比例尺1：500测图的要求而提出的。

3控制网优化理论和方法

网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，即涉及到网的基准设计、网形、观测值精度以及观测方案的设计。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指针作为目标函数或约束条件。网的质量指针主要有精度、可靠性和建网费用。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主要是： 根据设计数据和地图数据在图上选点布网，获取网点近似坐标，模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，进一步模拟观测值，计算网的各种质量指针： 如精度、可靠性、灵敏度。将计算出的各项质量指针与设计要求的指标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案（ 增加或减少观测值） 或局部改变网形（ 增加或减少网点） 等方法重新做上述设计计算，直到获取较好的结果。

3.1 解析法设计

解析法设计是将各种设计标准（ 精度标准、费用标准、可靠性等） 以数学方式表达为目标函数和若干约束条件，然后解出使目标函数值为极值的设计参数，得到最优设计。即先建立设计问题的数学模型，然后用一种适当的算法，求出最优解。现以网形优化设计中怎样确定网点的最优位置为例，来说明解析法设计的思想。

3.2 机助法设计

机助法设计又称模拟法设计，对于初步确定的网形与观测精度，模拟一组起始数据与观测值输入计算机，按间接平差原理与计算方法，组成观测值方程式、法方程式、求逆而得到未知数的协因子阵，计算未知参数及其函数的精度，估算成本，或进一步计算观测值的可靠性，敏感度等信息； 与预定的精度要求，成本约束，可靠性约束相比较； 根据计算所提供的信息与设计者的经验，对控制网的基准、网型、观测精度等进行修正，然后重复上述计算，必要时再进行修正，直到获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。

机助法设计优点是设计的计算简单，设计程序易于编制，且优化过程可利用作业人员已有的经验随时进行人工干预。计算结果可用计算机或绘图仪输出和显示，进行人机对话，使设计过程达到高效率，使用灵活。其缺点是较费机时，计算量较大，所得结果，相对解析法而言，在严格的数学意义上可能并非最优解，但从实用角度来说，机助法设计具有更大优越性。

机助法设计适用于除零类设计之外的各类设计。

4控制网优化设计的四要素

根据最优化理论与实用的要求，一个最优化的控制网，必须满足以下四要素：

① 精确性。控制网中各元素达到或高于预定的精度，如相对于基准的绝对精度，点位之间的相对精度，以及边长和方位角的精度等。

②可靠性。控制网中具有一定数量的多余观测，使网形结构构成坚强的几何图形，具有较高的自检校功能，以避免粗差的出现和影响。

③经济性。用最少时间、人力和物力实现对控制网精确性和可靠性的要求，所设计的控制网有最好的经济效益。

④可检测性。对变形观测网而言，提出了应具有检测变形量大小的能力，即检测的灵敏度要高。使控制网在重复观测中能以比较高的显著性进行各种假设检测。

测量控制网优化设计的研究不会停顿，它必然会随着科技的发展而发展，测绘科技人员应该为促进这种发展而努力。在测绘技术，仪器不断更新的同时，测量控制网优化设计的内容不断丰富。

参考文献

[1]黄明华.平面控制网优化设计方法探讨[J].西部探矿工程.2005（1）

优化设计篇2

关键词： 初中化学教学 化学实验 优化设计

新课程标准强调指出：“义务教育阶段的化学课程以提高学生的科学素养为主旨，把科学探究作为新课改的突破口，转变学生的学习方式，激发学生积极主动地获取知识，培养学生的创新精神和实践能力。”化学是一门以实验为基础的自然科学，通过实验，不仅可以激发学生学习化学的兴趣，培养学生的科学探究能力，而且可以帮助学生亲身体验知识的产生与发展的过程。因此，在新课程改革的背景下，化学老师更应高度重视发挥实验的作用，积极探索，尽力优化实验教学，提高科学素养，促进学生的全面发展。我通过多年的教学实践与摸索，认为在化学的实验教学中除了要注重设计出具有探究性的实验外，还应从以下几个方面去优化设计实验。

一、实验的设计要趋向“生活化”

贴近生活，贴近社会，是化学新课程的一个重要理念。在化学实验教学中为了有效落实这一理念，广大教师就要以学生熟知的化学反应为切入点去设计实验进行新知的教学，从而大大激发学生的学习兴趣和求知欲望。新教材在编写时也特别注意这一点。例如现行的上教版九年级化学教材一开始，就从学生比较熟悉的物质如蜡烛、铁丝、食醋、鸡蛋、铜丝等物质设计了几个实验，探究物质发生的变化，使学生一开始就对化学产生一种亲切感，感到化学就在我们的身边，化学与我们的生活密切相关，使学生从一开始就对化学学习充满了兴趣。而在实际教学中，我们广大化学老师应根据不同的教学内容，巧妙地设计一些与生活密切相关的实验，以维持学生持久的学习兴趣。如在学习了《酸碱盐》的内容之后，可让学生去检测附近河水的酸碱度，设计实验辨别黄金的真伪；学习了材料的相关知识后，可让学生设计实验区别棉线和毛线，塑料包装袋是聚乙烯还是聚氯乙烯……这样的实验不仅可以巩固和落实化学基础知识，而且可以提高学生解决实际问题的能力使其感受化学给个人和社会带来的价值，从而以更积极的态度投入到化学的学习中。

二、实验的设计要趋向“简约化”

现行教材中实验设计与以往教材相比应该说有了较大的改进，但是个别实验仍然存在一些不足。如有些实验装置太复杂，需要的实验仪器和药品太多，很难在课堂上开展学生探究活动。为此，我们要在遵循“科学、安全、可行”的原则下，大胆创新，积极探索，设计出合理的简约装置。

例如，现行教材中的固液制气装置一般用试管或锥形瓶、分液漏斗或长颈漏斗和导气管组成的，这些装置由于无法去除其中的空气，因此所制的气体是不纯的。浙江盐海高级中学的左其明老师对其加以改进，改用医疗葡萄糖注射液的塑料包装袋作为主要反应容器，配合上合适的橡皮塞、注射器、带针头的输液管。改进后的装置不仅连接简单，操作方便，而且由于塑料袋质软，可变形，能排尽其中的空气，故可以制取到几乎不含空气的纯净气体。

再比如，对于上教版九年级化学第60页证明“微粒在不断地运动”的实验，教材中是用一只大烧杯将两只分别盛有浓氨水和滴有酚酞的蒸馏水的小烧杯罩住。由于有的学校（特别像我们这些实验条件比较差的学校），一方面很难找到大小合适的烧杯，即使有，由于烧杯空间较大，导致实验时间长，现象不明显，而且由于装置不便移动，教室后面的学生也不便观察。另一方面本实验还会挥发出具有刺激性气味的氨气而污染环境。为此，我对其改进如下：取一只大小适中的试管，先向其中滴入适量的浓氨水，然后立即塞上插有细铁丝（下端系着沾有酚酞试液的湿润滤纸）的橡皮塞。教师可拿起试管在教室内走动，指导学生观察滤纸的变化，改进后的实验不仅现象明显，实验所需时间短，而且装置简单，避免了对环境的污染，效果非常好。

三、实验的设计要趋向“绿色化”

近年来，全球范围内的环境污染愈来愈严重，保护环境，提高人们的环保意识是当代教育义不容辞的责任。而以实验为基础的化学学科，由于在某些实验过程中会产生一些有害物质，对校园环境造成了一定的污染，因此化学老师更应该从自身做起，积极探索，主动创新。除了要抓住契机，更新观念，将绿色意识融入到平时的教学中，不断地对学生渗透“绿色化学理念”之外，更重要的是对一些产生污染物的实验要千方百计地加以改进，尽量减少或彻底消除有害物质，将污染消灭在源头，使化学实验对环境友好，即实现化学实验的“绿色化”。

例如，现行上教版九年级化学第119页中“一氧化碳与氧化铁的反应”实验中由于一氧化碳不能完全反应掉，直接排放会对空气造成污染。但如果用酒精灯将其点燃使其转化成二氧化碳放掉，则是一种对资源的浪费。因此，通过我的引导，同学们重新设计出如下的实验装置：

经过如此改进，该装置不仅可以防止一氧化碳直接污染空气，而且可以循环利用一氧化碳，节约能源，从根本上实现了“绿色化”。

四、实验的设计要趋向“微型化”

所谓微型化学实验，是指用微量化的药品在微型的仪器中进行的实验。其特点是实验药品微量化及实验仪器微量化。与常规实验相比，由于微量实验使用的试剂量少，故降低了实验的三废排放，减少了对环境的污染，也缩短了实验时间，并且安全系数更高。微型实验不仅激发了学生的学习兴趣，而且培养了学生的实验、观察、思维、自学等多方面的综合能力，培养了学生良好的节约意识和环保意识，对提高学生的科学素养有非常重要的作用。特别是在一些条件比较差的农村中学，为了正常地开展化学实验教学，化学老师一方面可以发动学生收集生活中一些微型化学用品来替代常规实验用品，另一方面应该认真开发研制出微型实验装置来完成一些演示实验。

例如，同样是上教版九年级化学第60页证明“微粒在不断运动”的实验，除了可以设计成上文所说的那种“简约化”的实验以外，也可以设计成如下的微型化学实验：将两支不带针头的注射器的内管暂时抽出，分别放入一团沾有浓氨水的棉花和一块井穴中依次盛有滴加了酚酞的蒸馏水的药穴板，再放入内管，两注射器之间用短的胶皮管相连后水平放置。结果学生可以看到井穴中的酚酞依次先后变红，真切地体会微粒是在不断运动的，可收到较好的效果。

总之，中学化学实验教学应走出过去的误区，化学老师要汲取新课程理念，加强业务学习，不断提高自身的知识修养，进行大胆的改革和尝试，用心设计出现象明显，操作安全简约，污染更小的创新型实验，以满足教学需要，从而全面地提高当代学生的科学素养。

参考文献：

［1］毛杨林.例谈化学实验简约设计的策略.

［2］周宁怀.微型无机化学实验［M］.北京科学出版社，2000.

［3］上教版义务教育课程标准实验教科书化学（九年级）.

优化设计篇3

1.1工业建筑结构设计优化的目的在现代工业建筑结构设计优化中，根据优化需求可以将其目的分为两类。一类是传统意义上的建筑结构设计优化目的，其包括了结构成本设计优化、提高设计质量、保障结构设计科学性、满足低碳环保需求等。而另一类建筑结构设计优化目的是以企业工业生产环节为核心，对结构布局、设备布局、工艺流程等进行分析，以此为基础提高生产工作效率、降低企业生产成本。1.2工业建筑结构设计优化开展的基础———团队建设受建筑结构设计优化人员专业性因素影响，工业建筑结构设计优化需要企业以科学的优化团队为基础开展优化工作。工业建筑结构设计优化团队中应具备建筑专业工程师对结构主体设计进行分析优化，同时具备工业生产相应工艺技术人员对工艺布局、工艺流程需求进行分析，提出建筑结构布局要求，并分析建筑结构设计的实用性、科学性。另外，优化团队中还需要加入机械设备工程，对设备的安装、布局等进行分析，保障设备运行安全性及运行成本。以基础团队建设为中心，可以确保工业建筑结构设计优化工作的科学开展。1.3工业建筑结构设计优化中的常见问题在现代建筑结构设计优化的经验总结及经验分享中，多数优化团队及个人提出了常见的问题。首先，钢结构应用日益增加，对概念性设计及空间美学产生了极大的影响。另外，许多工业建筑结构设计优化项目中，设计人员缺乏对结构布局的认识，缺乏对工艺的深入了解与探讨，造成了优化项目效果不明显，造成了多数企业对工业建筑结构设计优化工作的不认可问题。在一系列的问题中，土建工程含钢量问题也是设计优化的重点。工业建筑土建项目中的成本70%以上为材料费，其中钢材价格高达几千元每吨。科学的减少含钢量能够有效降低工程造价。因此在工业建筑结构设计优化中应在保障工程设计要求前提下，合理优化含钢量，实现减低造价的目标。在目前的工业建筑物结构设计优化中，由于概念性设计缺乏具体量化标准，因此设计优化存在较大的差异，影响了建筑物的设计与施工。针对这一问题，现代工业建筑物结构设计优化中应灵活运用结构设计优化方法，以数值为参考依据，提高优化效果。在工业建筑物结构设计优化中，虽然考虑了管理工作需求以及数字化办公对管理工作的影响，但是在实际的工作中仍需要各岗位人员不断出入各工序，因此结构设计优化中还需要考虑结构布局。根据质检工作、工艺管理等工作的实际行进路线，根据各岗位沟通及管理工作需求，对工业建筑物结构设计进行布局优化，实现高效率管理、提高工作效率，促进企业综合成本的降低的目的，借以提高工业企业综合市场竞争力。1.4工业建筑结构设计优化注意事项的分析现代工业建筑结构设计优化理论指出，设计优化的主要目标是在保障建筑安全、技术可行、配合并促进建筑设计的前提下，通过优化工作实现最经济的工业建筑投资预期效果。根据工业建筑物的使用特点及设计特点，优化工作需要从每一个环节及步骤的分析入手，深入挖掘。但是，在优化过程中不能以牺牲结构安全度及抗震性能实现经济效益。设计师需要通过对工业建筑投资建设的目的进行深入掌握，以实质内涵的理解及灵活的优化方法为基础，实现优化目的。优秀的工业建筑结构设计优化是美观与实用、经济与质量相结合的系统工作，以满足工业建筑结构安全性能、设备布局及人员通路需求为基础的活动。工业建筑结构设计优化活动以设计方案为基础，以工艺需求及设备布局为重点，实现工业建筑物内部生产及管理活动的需求。1.5建立工业建筑结构设计优化模型，提高优化质量为了实现科学的工业建筑结构设计优化工作，在优化工作开展前应建立结构设计优化模型。从诸多变量参数中选出重点参数，并建立函数模型，以此为基础实现最佳优化方案。在这一过程中，应首先确定各种变量是重点，针对影响工业建筑结构设计的重点确定模型中参数内容。其次，选定函数模型及优化方向，以此使各类约束性条件符合既定标准，满足优化工作需求。

2建立完善的优化管理体系，保障工业建筑结构设计优化质量

在目前的工业建筑结构设计优化中，由于优化活动缺乏统一的指导、缺乏具体的管理，常会造成优化质量效果不明显的问题。因此，现代工业建筑结构设计优化必须建立相应的管理体系，且该体系具有动态完善性。通过对管理体系的实时评测，及时掌握管理体系中存在的问题，并采取针对性措施对管理体系进行完善，以此实现管理目标。另外，对相关的岗位工作人员也应采取相应的管理方式，以岗位职责的不断完善，指导设计优化人员的具体工作，实现对工业建筑结构设计优化质量管理目标。

3结束语

优化设计篇4

［关键词］桥梁结构优化设计方案优化经济效益

中图分类号：TU997 文献标识码： A

作为近四十年发展起来的一门新技术，结构优化设计使设计者从被动的分析、校核而进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。优化设计能最合理地利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安度。同时，它还可以为整体性方案设计进行合理地决策，优化设计是实现设计最终目标――适用、安全与经济的有效途径。桥梁设计方案优化也很有必要。设计优化的首要目的是投资最优化，围绕这一目的，综合考虑各方面因素，对设计方案进行全方位技术经济分析和比较，结合工程实际条件，寻求一个功能完善、技术可行、经济合理的设计方案。

1.桥梁结构优化问题的提出

桥梁是交通线中的重要组成部分。桥梁传统设计方法是：拟定结构尺寸，进行结构受力分析，并由此估算；然后，检算各种设计条件和要求，判定检算条件是否满足。如果不满足，修改结构尺寸，重新进行设计，直至满足为止。为了获得一个经济合理的设计，往往要动用许多人力物力，通过几个方案的比较，选取一个比较好的作为最后设计结果。最后设计方案也仅仅是人工拟定中的一个可行设计。它除了受设计人员经验影响外，不可避免的带有一定的或然性和盲目性。因此，设计结果并不是最经济的，只能说是可以接受的。随着桥跨度增大、跨数增多，传统设计的困难变得越发突出显然。与传统设计相比，结构优化设计直接把节省材料消耗和合理布局作为设计目标，通过数学优化模型的建立，协调各种因素的相互作用，应用数学优化的方法，以计算机为手段实现最优化选择。

设计优化，主要是从技术上采取措施，实施投资控制目标，包括设计多方案选择，严格审查监督初步设计、技术设计、施工图设计、施工组织设计，深入技术领域研究节约投资的可能性。

2.桥梁结构优化问题的分析

桥梁结构优化问题一般包含三个要素，即设计变量、目标函数和约束条件。

2.1设计变量

桥梁结构体系的设计变量可分为：1)构件优化阶段的设计变量；2)纵向布局优化阶段的设计变量；3)结构体系优化阶段的设计变量。

第一层次优化；构件优化的设计变量包括：构件(如梁、板、横隔梁)的横截面尺寸。在最优构件尺寸的优化进行的同时，也实现了最优横向布局的优化。因为当构件尺寸确定后，主梁间距也就确定了，这样，桥梁的横向布局也就确定了。

第二层次优化；一座总长度为L、总宽度为W的桥梁，其结构体系的布局是纵向设计变量决定的。定义桥梁纵向布局的设计变量有桥跨数目(目前的研究仅考虑等跨情况)；支承条件(简支、连续或是刚构结构)。最优纵向布局的优化采取穷举法。即在部件优化和横向布局优化的基础上，在所有可能的纵向布局情况中选优。第二层次优化所获得的最优布局对应着相应目标函数的极值。

第三层次优化；桥梁结构体系种类繁多，有实心和空心板梁、T梁、箱梁(单箱或双箱)等。该层次优化也对用于该阶段目标函数的极值。该层次的优化需要在上面所提到的各种桥梁体系的前两个层次的优化已完成的基础上进行。

2.2目标函数

桥梁结构优化设计中最适用的价值标准就是桥梁结构总造价实现最小化。但是，在有些情况下，其他的一些标准，诸如上部结构高度最小，材料用量最少；或者在净空受限或必须减少墩柱数量的情况下，要求单跨长度最大等等也需要给予考虑。当多个相互之间问题有所冲突的标准均需满足时，则需要用到多目标优化技术。多目标优化问题常可通过将一系列次要目标转化为约束条件而变为单目标优化问题。

2.3约束条件

约束条件通常包括几何约束和物理约束。几何约束是指对几何尺寸的约束，主要是构造方面的一些要求；物理约束主要是指一些性能方面的约束。主要是指桥梁体系在桥梁设计规范和标准的要求下，需要满足的一些承载能力和使用性能。如极限承载力、应力、挠度、裂缝等。

2.4数学模型

基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度，各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度。这就将结构整体优化设计方法转化为一个两层次的结构优化设计问题。

3桥梁结构优化设计的要求

3、1安全性

桥梁的结构在正常施工以及使用的时候，需要承受可能出现的各种压力，这主要包括振动过程中的恢复力、荷载引起的内力以及由约束变形、外加变形所引起的内力。结构在设计规定的偶然事件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。

3、2适用性

结构在正常使用时具有良好的工作性能，不发生过大的变形或宽度过大的裂缝，不产生影响正常使用的振动。

3、3耐久性

桥梁的结构在正常的定期维护中，需要具备一定的耐久性，包括不发生混凝土的严重风化以及钢筋锈蚀等现象。所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不会导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。结构的功能要求―――安全性、适用性、耐久性。这些功能要求概括起来称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内（设计基准期），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用维护）完成预定功能（安全性、适用性和耐久性）的能力。显然，增大结构设计的余量，如加大结构构件的截面尺寸或钢筋数量，或提高对材料性能的要求，总是能够增加或改善结构的安全性、适应性和耐久性要求，但这将使结构造价提高，不符合经济的要求。因此，结构设计要根据实际情况，解决好结构可靠性与经济性之间的矛盾。既要保证结构具有适当的可靠性，又要尽可能降低造价，做到经济合理。桥梁结构设计基准期：所谓设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。

4主要材料（混凝土）优化设计

4、1混凝土结构耐久性概念

结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的抵抗能力。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策。

4、2影响混凝土结构耐久性的因素

耐久性不好往往是外部的不利因素和内部的不完善性综合作用的结果，而结构缺陷往往是施工不良、设计不妥引起的，也有因使用维修不当引起的。外部因素主要有含量、湿度、侵蚀性戒指、环境温度等；内部因素主要有混凝土的强度、保护层厚度、渗透性、水泥品种和标号以及用量，集料的活性、外加料等。混凝土结构耐久性问题主要有：侵蚀性介质腐蚀、碱集料反应、机械磨损、混凝土冻融破坏、钢筋锈蚀、混凝土碳化等。

5结语

桥梁设计的优化，这是当前结构工程设计的发展趋势。同时考虑结构的优化设计和材料的合理选择，无疑是工程设计思想、概念和方法上的突破。基于桥梁结构和材料上的优化方法的研究和工程应用的前景将十分广阔。

参考文献

［1］范立础.桥梁工程(上，下册)［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［2］叶见曙.结构设计原理［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［3］傅强，张泽鹏，严学寨等.斜拉桥结构优化设计初探［J］.湖南大学

学报(自然科学版)，2001，28(3):109-110.

［4］程耿东.工程结构优化设计基础［M］.北京：水利电力出版社，

1983.

优化设计篇5

关键词：结构优化；螺旋桨；有限元

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8156-02

结构优化设计是一门新兴的技术科学，是以现代数学、现代力学的数值方法为基础，以电子计算机系统为工具，研究结构设计自动化和优化的理论和方法。飞行器、船舶、桥梁等的结构设计，其最重要的要求就是要使所设计的结构在外力作用下既有足够的强度和刚度，又要具有尽可能轻的结构重量或低的成本，从而改善其工作性能，并节约资源和提高经济效益。

空气螺旋桨飞机与涡扇飞机相比具有省油、对机场跑道要求低和便于空投救援等优点。作为载机平台，螺旋桨是吸收发动机功率并产生飞机飞行所需拉力的部件，是螺旋桨飞机前进的动力。研制先进的螺旋桨飞机，就必须研制先进的螺旋桨。螺旋桨是安装在航空发动机上的旋转动部件，又是主要的承力构件。在设计时既受结构尺寸的限制，又有重量约束。为此，对所设计的螺旋桨的主要受力件需进行强度分析，在满足强度和刚度要求的前提下，对螺旋桨的结构进行优化，以减轻螺旋桨重量。

鉴于目前国内对螺旋桨的整体结构优化设计没有形成一套完整的理论和方法，该文通过有限元法对某型螺旋桨的主要受力件进行静强度分析，根据分析的结果，从零件材料、产品结构和产品使用的角度进行优化，并对优化后的结果进行强度校核。根据分析结果，在确保结构安全性能可靠的前提下，保证有足够的强度和刚度，减轻螺旋桨整体重量，合理优化结构。

1 有限元分析方法及软件在螺旋桨结构分析中的应用

有限元方法主要包括计算原理、计算机软件、计算机硬件三个方面的应用与实施。有限元分析法主要是运用离散概念，把连续的弹性体进行划分，划分成一个集合体，这个集合体由无数有限小单元组成，通过单元分析和组合，得到一组联立的代数方程，最终求得数值解。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，而且对于各种不同性质的材料均能求解。将计算机软件应用于一定环境下的特定结构进行有限元分析时，对结构的分析模型、边界条件及载荷的模拟需要一定的经验和技巧。在对复杂结构进行整体分析建模过程中，可供选择使用的单元有上百种。求解的精度和收敛的速度取决于单元的选用、结点的布局、网格的生成。对应于不同的分析目标同样的工程结构，建立的模型是不一样的。这就要求分析者深入地理解和正确的判断所分析的物理问题。在很大程度上，分析模型与实际结构的差异决定了计算结果的正确性和可靠性。

螺旋桨由于整体结构、零件外形、受力复杂，利用MSC公司有限元软件Patran的MSC.Patran、MSC.Nastran模块，对螺旋桨的主要受力件包括桨壳、桨套、变距套筒、桨叶、螺桩进行强度分析。利用实体建模软件Catia对螺旋桨的复杂零件和主要受力件进行实体造型，利用Catia和有限元分析软件的接口将零件的实体导入MCS.Patran，对各零件进行简化处理和有限元建模，同时给各零件施加材料属性，加载和施加约束，最后提交给其后处理器Nastran进行计算，利用计算的应力结果结合设计经验从材料、结构和使用角度进行优化，以进一步降低螺旋桨重量。

利用MSC.Patran/ MSC.Nastran进行有限元线性静力分析的过程通常是：在有限元前处理软件“MSC.Patran”中创建几何模型，如果模型较复杂最好通过CAD软件创建，然后导入MSC.Patran进行前处理：划分网格、创建材料、赋单元特性、施加约束边界条件、加载。前处理完毕，提交解算器MSC.Nastran进行线性静力分析，最后读入分析结果，应力、应变、位移等量值以云图形式显示出来。分析比较应力、应变值及其位置是否合理。

传统的结构优化一般是凭借经验或者参照已有的工程实例，通过比拟的方法进行设计。由于机械结构形式的多变性、建立的数学模型的复杂性、选用的优化方法的有效性，在机械行业选用不同的初始设计方法尤为重要。

以计算机为基础的结构优化设计就是：在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法在计算机上自动调优计算。

结构优化的基本步骤：一、以工程问题为基础，把工程问题转化为数学问题，即建立数学模型；二、根据工程问题的实际情况选择适合的优化方法。

建立数学模型包括选定设计变量和目标函数，建立约束方程等。结构优化数学模型一般由设计变量、目标函数和状态变量（约束条件）三要素构成。

按照设计变量的难易程度结构优化设计划分，可分为尺寸变量、形状变量和拓扑变量等，对这些不同的变量进行的结构优化设计分别被称为：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化：将结构的尺寸参数作为设计变量，修改结构单元的尺寸进行的优化设计；形状优化：将结构的形状参数作为设计变量，调整设计的可行域的边界和形状，最终得到最优的几何形状和可行域的边界；拓扑优化：在结构内部寻找承力最小的部位即非实体区域的部位进行优化，使结构得到最优的配置。综上所述，工程结构优化设计可以划分为三个不同的层次，这三个层次的优化代表了工程设计人员对于要设计的工程结构，从概念设计阶段到基本设计阶段，再到最后的详细设计阶段这样一个连续的过程。

3 螺旋桨结构优化程序及结论

螺旋桨的机构优化将有限元方法和设计经验相结合，对螺旋桨各主要受力零部件的强度进行有限元分析，根据分析结果，从材料选择、加工工艺和产品使用角度对螺旋桨整体结构进行改进，使螺旋桨整体重量减轻，并对改进后的强度进行校核。主要包括以下几方面：

a）主要对螺旋桨承受的载荷、受力情况、产品工作的原理、各部件连接形式和结构特点进行分析。

b）利用Catia软件建立某型螺旋桨主要受力件（包括桨壳、桨叶、桨套、变距套筒、连杆、螺桩、拨套）的实体模型。简化各零部件的受力情况和约束情况，并选择合理的单元类型和网格划分方法，然后根据分析类型合理施加载荷和约束之后得到一个有限元分析模型。

c）选择合适的解算器计算主要受力件的应力和应变，根据计算结果，发现结构的薄弱环节，并以此分析结果作为结构改进或优化设计的依据。

d）根据分析结果确定结构优化方案，对优化结构再进行强度校核，并与优化前结构进行对比分析，达到减重的目的。

参考文献：

[1] 夏人伟.张永顺.结构优化设计基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1984.

[2] 刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 柳晓黎.Y8飞机空中起动负拉力测试研究[J].飞行力学学报，1996（7）.

[4] 李恒熙.基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计[D].东南大学，2006.

优化设计篇6

【关键词】机械设计；优化设计；方法

引 言

机械优化设计，所涉及的学科众多。其中包含物理学、材料学、应用数学及化学、应用力学以及计算机程序设计等，系处理较为复杂的设计的有效工具之一。此次研究除去阐述优化设计方法，还总结出归纳出无约束优化设计法、有约束优化设计法、基因遗传算法三类优化设计手段，并对三者的特点进行论述，最后，对选取优化设计手段的几大要素进行阐述。

一、优化设计手段的论述

机械优化领域的设计灵魂即是优化设计方法，伴随计算机技术及数学科学迅速发展，解析法、数值分析法及非数值分析法为其所发展经历的三个阶段。

20世纪的50年代初，解决最优化问题的两种最主要的数学方法是，古典的变分法与微分法。此两种手段具计算精准及概念清晰的主要特征，可是，不足之处是仅限于解决一些小型或是特殊问题，于处理大型的实际问题之时，因过大的计算量，无形中增加了计算的难度。

20世纪50年代末，于优化设计中，其求优方法的理论基础即是数学规划手段。该方法是以数值分析为前提，结合已知的信息及条件，最后通过一连串的迭代过程得出问题最优解。但是其相关的理论还是比较简单的，计算的过程亦相对容易，只是计算的量极其大，可是此亦正是计算机所有工作中最为擅长的一项，当然，计算机也就归为了数值优化措施工具中最关键的那一类。

20世纪80年代末，如模拟退火、进化规划、混沌、人工神经网络、遗传算法及禁忌搜索等一些优化方法层出不穷，上述算法经模拟自然现象及规律而获得某些结论，一步步产生具有特点的优化方法，它的内容涉及到物理学、统计力学、数学、生物学、神经学、人工智能等。

二、设计方法

该设计方法被大量的应用到机械工程中，主要是因为它可以在特定的背景中确保方案最为合理，而且不需要使用太多的人力物力。该方法从最初的数值法到后来的数值分析，最后过渡到非数值分析。最近几年由于电脑技术的广泛应用，在设计的时候可以通过合理的选取设计数值进而得到最为优秀的方案，而且还能够大大的缩短用时。将该方法和电脑科技有效的融会到一起，是时展的产物，必将得到发扬。

三、类型和特征简介

1、无约束优化设计法

具体的说分成两个类型，一种是像共轭梯度法、最速下降法、牛顿法等方法，它是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法。另一种是像单形替换法、坐标轮换法等，利用目标函数值的无约束优化方法。

2、遗传算法

该方法是对随机群体不断的演变选择，进而获取最为合理的方法。它非常的类似于自然界的淘汰法则，适应社会发展的必然得到发展，而落后的必然会被遗弃。该方法有两大特点，即能够起到优化整体的作用，同时还有很好的适应能力。它被应用到很多领域中，比如问题诊断等等。最近几年它在工程方面也体现出了自身的巨大价值。接下来就具体的展开论述。第一是它能够论述可靠性问题。第二是能够辨别参数。它能够大体的分辨结论数值，明确了大体的区间之后，再通过遗传措施对设定的数值以及结论数值一起优化处理。第三，能够设计机械方案。为了和目前的编码体系保持一致，其设置了一系列的遗传方法，通过这些方法掌控它的搜索活动，而且通过复制等活动不断的迭代，进而得到最为优秀的方案。除此之外，它还可以应用到很多的其他行业中，比如节能设计以及数控加工误差等。上文讲述了很多它的优点，不过它也并非是完美的。比如目前还无法优化其自身的数值，无法通过新的设置来提升效率，目前的操作方法还不是很完善等等的一些问题。一般采用惩罚函数法求解约束优化问题时，其难点是如何选择合适的惩罚因子。该因子太大的话，会使得搜索工作变得困难，但是如果设置得太小的话，可能造成整个惩罚函数的极小解不是原目标函数的极小解。

3、约束优化设计法

根据处理约束条件的方法不同可分为间接法和直接法。间接法常见的有增广乘子法、惩罚函数法。它是将非线性优化问题转化成线性规划问题或是将约束优化问题转化成无约束优化问题来求解。直接法常见的方法有复合形法、网络法和约束坐标轮换法等。它的本质是创造一个迭代的步骤，确保所有的迭代点都能够在可行区间之中，进而不断的降低数值，一直到最为合理为止。

4、蚁群算法

是通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程来求解旅行商问题，在1991年由意大利学者M.Dorigo等人提出。蚁群算法适合非线性问题的求解，避免了导数等数学信息，对系统优化问题的数学模型没有很高的要求。主要应用在：交通建模及规划电信路由控制、集成电路布线设计、有序排列问题、二次分配、车间任务调度等问题的求解。虽然蚁群算法具有并行计算、正反馈选择和群体合作等优点，但也存在着容易出现“停滞”现象和需要较长的搜索时间两个缺陷。吴庆洪等提出了应用改进型蚁群算法解决有序排列问题，运用新的状态转移规则，讨论不同的轨迹更新规则对仿真结果的影响的一种具有变异特征的蚁群算法，并通过统计数据验证了相对于标准的蚁群优化算法中，改进型蚁群算法的优势所在。

5、模拟退火算法

模拟退火算法，最早在1953年由Metropolis提出，1983年Kirkpatrick成功地应用在组合最优化问题。模拟退火算法是一种通用的优化算法，用以求解不同的非线性问题；能够发挥出良好的收敛性特征，而且适应能力很是强大；对不可微甚至不连续的函数优化，能以较大概率求得全局优化解；能处理不同类型的优化设计变量；并且对目标函数和约束函数没有任何要求；不需要任何的辅助信息。目前已经广泛的应用于：神经网络、图像处理、控制工程、数值分析和生产调度等。这个方法虽然有很多的优点，不过它也存在一些缺点，比如它的效果不是很好，而且整个运算活动耗费的时间非常久。通过上文的分析我们得知了这几种算法本身的优点和缺陷，应该尽量的避免其缺陷，将优势结合到一起，对其进行完善。

四、合理选取方法

通过上文中对设计特征的分析，我们得知要想保证设计合理，就要正确的选取优化方法。这主要是因为即使是一个完全相同的内容它也会存在很多不一样的解决措施。然而并非是并存的这几个措施都能够将问题解决得天衣无缝。比如一些措施会使得设计的最终结果和我们当初的设置不符。要想避免这种现象，就需要我们牢牢此遵守四个基础原则。第一，要保证可靠性好，第二要保证使用的计算程序是合理的，第三要确保其稳定，最后要保证效率。除此之外，还需要工作者的工作经验丰富，只有这样才可以分析相关的函数值，结合复杂性等要素对其进行合理的选取判断。优化设计的选择取决于数学模型的特点，对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于约束函数和目标函数均为显函数且设计变量个数较少的问题，采用惩罚函数法较好；针对那些求导有难度的要使用直接解法；对于高度非线性的函数，就要选取那些较为稳定的措施。

结束语

从机械产品设计的全局来看，目前比较先进的优化设计，大多数还停留在设计方案后参数优化方面，面向产品设计，应将优化设计拓宽到机械设计产品的全生命周期过程，是适应机械产品设计。随着机械技术不断地发展，在现代科学技术支持下，现代机械先进优化设计技术将进行新一轮的发展。

参考文献

[1]李秀昌.浅谈机械制造中数控技术的应用[J].科技致富向导，2013（9）.

优化设计篇7

关键词：幕墙工程，投标；优化设计

中图分类号：TU723.2文献标识码： A 文章编号：

建筑幕墙作为一个新兴的行业，近年来逐渐被社会认可，并在建筑外装饰工程当中得到广泛的应用。

在我国现阶段，幕墙的招标方式，大都采用技术分与商务分总评的综合评标法。作为招标方，大多数对低报价感兴趣。而投标单位为了中标，必然会权衡技术竞争力与价格竞争力的因素。在日益建筑幕墙造价的压力和经济因素作为首要考虑因素下，为了提高投标的竞争力，以低价打动业主的同时也要保证项目获得较好的建筑效果。因此，要求我们设计师构思一种构造简明、性能卓越、价格合理、易于加工、方便安装的设计。从整体来考虑，设计师不但要权衡各项参数，考虑设计目标、各项构件的作用、经济因素等的影响，还要考虑施工安装的分项过程、工序分解和降低成本的各组因素。而最终与这些因素挂钩的是工程项目造价。

工程项目造价的控制应贯穿于项目建设的全过程，它是建筑产品的总造价，是反映建筑产品的经济效益、社会效益非常重要的综合指标。而在初步设计阶段影响的可能性约50％-80％，由此可知，项目投资的关键在于施工前的决策和设计阶段，而项目决策后控制项目投资就在于设计控制。

通常情况下我们把设计阶段为两个阶段，即初步设计（包括技术设计）阶段和施工图设计阶段。初步设计阶段是控制基本建设投资规模和工程造价的最主要环节之一。现在就建筑幕墙工程设计阶段的优化设计以及成本控制方面谈谈自己的一些心得与见解。

现阶段，大部分的大型幕墙工程项目业主方都会请顾问公司来进行招标图设计。作为投标方，主要的任务是对招标文件和招标图的理解、响应应及报价，最终能否报出一个具有竞争力的报价，其中优化设计尤为重要。所以优化设计是技术设计阶段成本控制的有效办法，也是投标过程中重要的环节。

优化设计，牵涉到的环节很多，其中主要体现在以下几方面：

一、对项目的理解和定位，

二、与业主及设计院的密切沟通，

三、系统构造优化以及优化细节的把握，

四、对相关材料的认识与应用等等……，

个人认为，只要做好以上几个方面工作，作为投标方，是能做出一个价廉物美、富有竞争力的报价。

一、对项目的理解和定位

对投标的建设项目定位要准确。在制定优化设计方案前我们应当充分与业主沟通，在业主允许的条件下，根据该建设项目的功能、建筑档次及业主的经济实力策划出一套行之有效的优化设计方案。它主要包括幕墙工程的种类、结构形式、不同材料组合及材料品牌档次。

我们知道，建筑幕墙工程结构形式和材料种类较多，如单元式、框架式，全隐框幕墙、半隐框幕墙、明框幕墙、全玻璃幕墙、点支式玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙等，这些因素直接影响工程的外装饰形象和工程总造价。在对工程定位时，我们应避免一味追求高档次结构和材料，致使工程造价超出业主工程概算，无法做出一套合理的报价。同时又要避免采用落后结构降低工程档次，从而影响工程形象，因此应该因工程而宜准确地将其定位在适当合理的档次上。通过对项目的理解和定位，投标方的投标成果业主可能更易于接受，从而提高投标的中标率。

二、与业主及设计院密切沟通

在方案设计中我们应当科学合理的尊重建筑师的设计。但在方案优化设计过程中，我们经常发现原建筑设计要求与现行建筑幕墙行业规范不符，又或者原建筑设计存在很多不合理和严重浪费的情况。这时，我们应当以幕墙专业设计的角度及时准确地与业主和设计院沟通，使他们更深刻地了解我们的技术能力和水平，也让业主感觉到我们是站在他们的立场为他们解决问题，降低成本。同时，对于一些可改可不改但又影响成本的设计，我们应该及时与业主和设计院沟通，说明其利害关系，一来取得了业主的信任，二来可以有效减低投标造价，为方案优化设计和中标打下良好的基础。

三、系统构造优化以及优化细节的把握

在对项目有准确的理解和定位，与业主及设计院有良好沟通的前提基础上，接下来就是很关键的一个环节----系统构造优化以及优化细节的把握。首先，在优化工作进行之前，我们先要明确可优化的范围和项目。这个要求我们的设计师要熟读招标文件、技术文件以及相关的答疑文件。一般来说，完善成熟的招标项目都会有统一的优化框架和平台。因此，项目投标能否报出富有竞争力的报价，就要求我们设计师对系统构造优化以及优化细节有很好的把握。

系统构造优化，以国外一些大型幕墙顾问公司出的招标图纸为例，他们的要求基本都是在不改变原有设计方案的前提下进行深化设计报价的。对于类似的幕墙设计顾问，我们在优化设计的时候就要做到胆大心细。首先，无可否认，他们的设计方案经过多年的沉淀和实例工程验证是成熟的。根据多年来和顾问打交道的经验，设计师如果在投标的过程中改变了他们的设计方案，接下来一般会遇到不少麻烦，最后基本还得改回他们的设计方案。

因此，我们在投标优化设计的时候，精力尽量不要放在修改他们的设计方案上面。当然，如果顾问要求提供备选设计方案及报价的情况除外。其次，他们可视部位的外观尺寸基本也不能改变，因为建筑师是非常痛恨别人修改它的外观尺寸。在这样的情况下，我们能做的是想办法在基本设计方案不变、外观尺寸不变的前提下完成优化设计。虽然也有不少顾问也要求不能改变构件的壁厚，避免发生安全事故。其实不然，在众多投标项目看来，系统构件的壁厚大部分都是可以优化的，譬如横梁、立柱等受力构件，在保证外观尺寸、满足结构受力安全的前提下，设计师可以根据规范的要求合理进行优化。特别在一些装饰性的构件上面，顾问公司常常做的异常的笨重繁琐和耗料，这是我们设计师优化设计的方向，但前提是保证外观尺寸。同时，在系统细部构造方面，特别是系统的内部构造，由于外观尺寸已经是不可以改变的，那简化内部的构造以及壁厚的优化尤为重要。但前提是保证系统的物理性能、使用性能不受破坏的前提下进行。最后，对一些在不可视区域的构件，大胆考虑，包括截面、壁厚、做法等都是进行优化设计的，毕竟在不可视区域，顾问不会非常敏感，前提是我们的做法合理、安全、先进，顾问都基本能接受。

优化设计细节，这个是设计师综合能力的体现，要求我们对设计以及优化的每个细节做到细处，在满足建筑师以及结构安全的前提下，把系统做得更加简洁、合理，体现出更高的性价比，而最终体现在更富有竞争力的报价上面来。

我们知道，幕墙的成本主要构成部分为材料成本，而材料成本一般主要是铝合金型材成本。铝合金型材的成本取决于幕墙的设计，不同的幕墙形式，其造价会不同。而相同的幕墙形式，不同的设计方案，工程造价也是不一样。如何合理的去设计和优化幕墙的铝型材，降低材料使用是我们每个设计师都要面临的问题。

首先从大方面来说，对不限制型材截面和做法的工程项目。以一栋高层建筑，单一的幕墙系统做来例子，常规的做法是至上而下都是用同一个幕墙系统，立柱及横料都是用同一截面。但从经济成本的角度来说，这样的做法是不够合理的，因为，在不同建筑标高对应着不同的风压，风压不一样意味着幕墙系统承受着不同的荷载。所以，我们可以考虑在不同建筑标高段采用不同的型材截面，这样做虽然增加了开模的费用，但对应高层建筑项目来说，铝型材的用量巨大，通过这种方式反而使铝型材的用量大大减少了，降低工程造价成本。

大家知道，规范对铝合金立柱和横梁的壁厚是有规定的。对铝合金立柱，截面开口部位的厚度不应小于3.0mm，闭口部位的厚度不应小于2.5mm。在设计的时候要充分考虑由此带来的型材用量的变化。而对铝合金横梁，当横梁跨度大于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.5mm，当横梁跨度小于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.0mm。这个很关键，譬如我们在设计一个幕墙分格的时候，横向分格尽量尺寸不要大过1.2m，以接近1.2m为宜，这样可以达到更好的性价比，铝型材用量更少。

铝合金装饰构件，分小装饰构件和大装饰构件。它们一般只有装饰或遮阳的功能，基本是不参与结构受力的。小构件譬如扣盖、装饰封边等，在自身强度足够、平面平整度有保证、使用功能不受影响、挤压条件满足的前提下越薄越好。而大装饰构件，要充分考虑由于挤压工艺要求所带来的影响。装饰构件越大，壁厚要求就越厚，可以考拆分成几个小的模具进行挤压，最后通过拼装的方式形成大装饰构件，可以达到省钱的目的。当然，这些优化设计上的改变，都是要在业主和设计院认同的前提下行进。还有一种思路，根据情况合理的把这些装饰构件和主受力构件综合设计，使其参与结构的受力也是节约成本的一种办法。

铝合金型材牌号和处理状态的选用，合理的选用材料牌号和处理状态可以有效减少型材的用量。大家知道，铝合金不同的材料牌号，不同的处理状态，材料的受力性能也不同，其市场价格也有差异。因此，我们在设计的时候要根据情况，综合考虑材料价格以及用量，来确定使用什么牌号和处理状态的材料。以铝合金型材为例，采用高牌号的铝合金型材可能价格相对会高点，但由于该材料的强度大，其用量可能大大减少了，成本反而降低。譬如在一些大风压的地区，立柱一般是由强度控制的，如果选用T5的铝合金型材（价格相对较低），当计算强度不够的时候，很多设计师都习惯性的通过加大截面来满足强度的要求，缺忽略了铝合金型材可以通过选择材料的不同牌号和处理状态来提高材料的强度这个细节。其实，如果合理的选用T6的铝合金型材，强度就可能已经满足，无需通过加大型材截面来弥补强度的不够，从而降低型材的用量。

在相同的条件下，幕墙的铝型材成本，取决于单位面积所用的铝型材用量，也就是取决于型材的截面积。所以，在满足荷载要求的前提下，如何减小型材的截面积，是优化设计的一个重点细节。在截面积不变的情况下，可以通过不同的截面设计，采用合理的截面形状、壁厚及内腔构造，来提高型材的受力性能，从而降低单位面积所用的铝型材用量。所以说，设计师在细部优化设计的时候，如何设计截面使该构件达到最大的受力性能也是节约成本的一种有效办法。

当然，有效降低成本的办法还可以从面板材料、硅酮胶、五金件、辅材等方面进行控制和优化。在这里就不一一做详细的介绍。

四、对相关材料的认识和应用

要成为一名优秀的幕墙装饰设计人员，既要掌握建筑幕墙的各种结构设计，构造设计，细节设计，又要掌握各种外装饰材料的规格、性能、和施工工艺，并大胆的运用各种新材料，这样才能设计出完美的作品，才做出经济实惠的优化设计。

譬如，在某个工程中，原建筑设计的铝板分格为2500×4000mm，这种现象就是建筑师可能没有全面掌握外装饰原材料的生产工艺造成的。如果我们的设计师也没有掌握铝板的生产工艺和规格，就很容易照搬建筑师的分格去设计。而目前的铝板原材料的常用规格为1220X2440，短边的宽度可以适当增加，但厂家会根据客户的要求按照增加不同的尺寸加收超宽的费用，而且2500mm的铝板宽度基本还是做不出来的。这样一来，如果中标了，不但方案实施不了，还造成了不必要的成本增加，更谈不上成本的优化了。

大胆的运用各种新材料同样可以做到节约成本，在某个工程当中，原设计在层间梁不透光部位用的是单片钢化玻璃+50mm厚保温棉+2mm厚的铝单板。这个配置是比较常规的设计，但设计师如果对新的材料比较了解，可能就会有其他新的优化设计方案。为何不尝试一下改用一些新兴材料来代替2mm厚铝单板？在业主和设计院同意的情况下，采用单片玻璃+50mm厚保温棉+硅酸钙板（FC板）的做法，硅酸钙板（FC板）比铝单板背衬板的价格也低得多。对于大面积的公共建筑，这里面优化下来的成本不是个小数目。

优化设计篇8

关键词：GPSGPS网优化设计优化处理

Abstract: GPS network optimization design of the main boils down to benchmark optimization design and graphic design optimization of structure strength, including graphic strength design including control of precision, nets of net of gross error ability and nets found the system error the strength of the ability. This article through the analysis of the example to control the nets precision optimized, prove GPS network precision in the mainly by the nets start at baseline and arrays of the right number of influence, and observation and related rights is very small.

Keywords: GPS GPS network optimization design optimization

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引 言

GPS定位技术具有高效率，高精度，全天候作业，无距离限制，自动化程度高等诸多优点，使得GPS定位技术在测绘，导航，通讯等各个领域得到广泛使用，逐渐取代了传统的大地测量定位方法。最优化方法是近代应用数学的一个分支，是一门研究从所有方案中选择一种最合理方案以达到最优目标的学科。GPS控制网的优化设计是指在限定效率、精度、可靠性和费用等质量标准下，寻求网设计的最佳极值，对整个施工过程的影响十分关键。

GPS控制网优化设计，网型的布设通过实验表明布网时尽量采用正三角形布网，这样既可以保证布网的精度，又可以保证边的密度和强度，最终达到效率最优化和费用最优化。GPS网的优化设计主要归结为基准优化设计和图形结构强度的优化设计，其中图形强度设计的内容包括控制网的精度、网的抗粗差能力以及网发现系统误差能力的强度。并通过算例分析对控制网精度进行优化处理，证明GPS网精度主要受网中各点出发基线的数目及其权阵的影响，并与观测值权相关甚小。

以桂林市二次土地调查GPS控制网为例，依据“四基线”定点模型，通过Matlab编程，开发出相应软件对基于网形强度的GPS控制网进行抗差优化设计。通过对最优网形和次优网形在精度、效率、可靠性方面的比较，证明“四基线”定点模型能成功地对控制网进行优化处理。

1、 概 述

桂林市二次土地调查GPS控制网为例，对基于网形强度的GPS控制网进行抗差优化设计。其中控制网中共有23个点，其中已知点三个，待定点20个。按B级网的要求进行测设，参加作业的接收机为4台。

2、 测区概况

桂林市地处南岭山系的西南部，平均海拔约150 米，属于型岩溶地貌。桂林是世界著名的风景旅游城市和历史文化名城，地处南岭山系西南部，广西壮族自治区东北部，地处东经110°12′～110°30′,北纬25°00′～25°22′之间，东邻灵川县，南邻阳朔县葡萄镇，西与临桂县交界，除南面小部分与阳朔县葡萄镇接壤外，其余部分与灵川、临桂两县城所围成的狭长区域地带相接。

测区地物主要对象为村庄、水系、植被、电力及通讯设备、供、排灌网络，沟坎等。城郊地物则以房舍、水系、植被、电力及通讯设备、供、排灌网络，沟坎等。

测区地貌条件不算复杂，地形平缓，即使局部有斜坡，但一般都短而缓。

3、主要技术指标

B级GPS控制网的精度指标要求(表1)及测量基本参数(表2)分别如下：

表1B级GPS网精度指标要求

等级 平均距离（km） 最弱边相对中误差 闭合环或附合路线边数（条） 固定误差a（mm） 比例误差b（ppm）

二等 9 1：120000 ≤6 ≤10 ≤2

表2 GPS测量基本参数

项目 卫星高度角 有效观测卫星 平均重复设站数 时段长度 数据采集间隔 接收机类型 观测量 同步观测仪器数 几何图形强度因子

二等 ≥15 ≥4 ≥2 ≥120 15 双频 载波相位 ≥3 ＜6

4、优化设计实例

根据GPS控制网优化设计的模型，开发了相应的优化软件。软件界面如图1所示。由于控制点数量为23点，只有4台接收机，不能同期观测完毕，设计观测周期为11期，实际观测16期，每个同步环的构成如表3所示，由抗差优化软件等到各同步环组成的网形精度如表4所示，由此得到初始网形如图2。

表3初始网形每期观测站点分布图

5、 优化结果

由表4可以看出，第13期观测量构成的同步环的图形精度因子比其它各期明显过大，依此判断此期观测中部分基线存在粗差，不符合图形精度要求，予以删除。然后以“四基线”理论抗差优化为依据，通过运行由Matlab编程设计出的优化软件，共设计出14个方案，各方案精度及效率情况如表5所示，各方案基线平均RMS如图3所示。由此得到GPS控制网最优化设计方案(图4)与次优化方案(图5)。

图3 各方案基线平均RMS分布图

表5 原方案与各设计方案效率、精度比较

图4 最优化设计网形

图5 次优化设计网形

可见两种方案都能满足GPS控制网的要求，但是在精度、可靠性和费用等方面存在一定的差距。最优化方案的基线最大RMS和基线平均RMS分别为0.205和0.009，同步观测环仅11个。次优化方案的基线最大RMS和基线平均RMS分别为0.670和0.012，同步观测环为12个。最优化方案的精度和效率指标明显由于次优化方案，有效地节省了经费。

最大基线RMS值和平均基线RMS值都是依据GPS接收机随机软件解算得到的，它是用来验证本文中提出的依据基于网形精度抗差优化设计准则的可靠性。从图3，表5可以看出同步环网形精度 值和基线平均RMS值呈单调函数关系， 值越小，基线平均RMS值越小，基线质量越好。

6、结 论

从上面的结果不难看出，基于图形强度的抗差优化准则可以明显减小粗差和多余较低精度基线对定位精度的影响。优化后的平均基线误差可小于0.005。对控制网基线选取十分有效。在控制网优化时，由于基线误差对整个网型的定位影响都不能精确估计，因此导致基线误差较大，对高精度定位影响很明显。而采用加权网形精度因子选取基线的方法只是尽量剔除那些基线误差相对较大的基线。用基线精度或网形精度指标剔除最大误差基线或者最大误差网形，比依靠选则观测卫星来确定观测时段从而选择基线更加有效。其次，本文这种根据抗差优化准则进行加权控制网选取的思想是一种简单的数据诊断和剔除方法，但是同样可用于对所有基线或者网型进行先诊断剔除后定位解算的情况。

7、参考文献

[l] 彭先进，《测量控制网的优化设计》，武汉测绘科技大学出版社，1991年10月.

[2] 刘大杰，施一民，过静裙.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社，1996.

[3] GB/T 18314-2001.全球定位系统(GPS)测量规范[S].北京:测绘出版社，2001.

[4] 张小红等:GPS定位技术在不同领域的应用，武汉:测绘信息与工程，2001年第3期.

[5] 许其凤.《GPS卫星导航与精密定位》，出版社.

[6] 杨润书.GPS基线解算的优化技术[J].测绘通报，2005，(5):36一39

优化设计篇9

关键词：建筑结构；优化设计；要点

1前言

随着我国建筑行业的不断进步随着我国建筑行业的不断进步，城市建设力度的加大，一批批建设项目拔地而起批批建设项目拔地而起，城市建设投入大量的资金，土地和建材等资源材等资源，也成为社会环境污染，资源紧张的原因之一。同时各行各业对建筑结构认识的也在提高各行各业对建筑结构认识的也在提高，都对建筑结构提出更高的要求高的要求，建筑结构部分花费的时间和资金成本在整个建筑工程中所占比例不容小觑工程中所占比例不容小觑，而建筑结构的优化在保证结构安全的前提下全的前提下，综合考虑建筑性能的各个因素，充分利用建筑材料的性能料的性能，降低建筑材料及人工成本，提高建筑的长远经济效益效益。

2建筑结构设计优化的意义

建筑艺术是我国的传统文化建筑艺术是我国的传统文化，论具有悠久的历史。随着时代的变迁时代的变迁，在建筑的设计方面，有了较大的变化，在注重建筑实用价值的基础之上筑实用价值的基础之上，对艺术设计也有了一定的要求。不管是传统的建筑还是现代的建筑管是传统的建筑还是现代的建筑，建筑结构设计，都是围绕着几个核心部分来进行的几个核心部分来进行的，包括安全性、建筑过程的便利性、经济性以及美观性济性以及美观性。这些因素在房屋结构设计中是要考虑的几个因素个因素。人们对居住环境的要求越来越高，基本要求就是让建筑结构有足够的安全性和功能性建筑结构有足够的安全性和功能性。建筑结构在建筑施工成本中占据较大的比例本中占据较大的比例，只有在保障工程施工质量的前提下优化建筑结构设计化建筑结构设计，才能最大限度的降低建筑施工成本。实现生态和经济效益的完美组合生态和经济效益的完美组合。

3结构设计优化的要点

在遵循设计规范在遵循设计规范，满足建设方的使用要求的前提下，降低工程成本工程成本，使工程达适用，安全，经济，美观和便于施工这五方面的最佳结合面的最佳结合，这就是优化设计。优化设计首先是建筑方案优化优化，在建筑前期的方案设计中，结构设计人员应充分融入其中中，建筑设计往往追求外观的新奇，不计成本，不考虑抗震，越是复杂的不规则的建筑抗震性能越差是复杂的不规则的建筑抗震性能越差，建筑成本越高。应该追求简约而美的设计理念追求简约而美的设计理念，选择规则的平面和立面，避免过大的外挑和内收的外挑和内收，避免薄弱层，尽量不设转换层，尤其是高位转换换，保持受力的均衡。优化设计其次是结构方案的优化优化设计其次是结构方案的优化，首先就是结构形式的选择选择，通过对建筑的高度、功能、结构的破坏形式、整体性、刚度度、结构与地基的关系等多方面综合考虑，选择恰当的结构形式式。使建筑形体，结构体系和刚度分布达到平衡，根据抗震结构中薄弱环节或关键控制点进行针对性的优化构中薄弱环节或关键控制点进行针对性的优化。由于地震的预测难度较大预测难度较大，地震发生对人类的生命和财产造成巨大损失，因此建筑设计对结构设计人员提出了更高的要求因此建筑设计对结构设计人员提出了更高的要求。在对房屋结构进行优化设计时应侧重抗震方案的设计结构进行优化设计时应侧重抗震方案的设计，采用多道设防方法方法，当地震来袭时，房屋的次要构件可以消耗一部分地震能量量。尽量避免抗震性能不好含钢量还相对较高的结构形式，如异形柱结构和短肢剪力墙结构如异形柱结构和短肢剪力墙结构。总之在提升房屋结构抗震能力的同时能力的同时，让设计成本也有所下降。其次就是结构布置其次就是结构布置，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置，在早期迅速速、有效地进行构思、比较与选择，所得结构方案往往易于手算算、传力路径简捷明确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算运算，同时要有多道防止破坏的防线，例如结构构件布置要均匀匀，有利于缩小建筑的刚度中心和质量重心的距离，减小结构扭转效应扭转效应，最大程度保持抗侧力构件的原始形态。结构布置也应尽可能的连续也应尽可能的连续，均匀，避免刚度，承载力和传力途径的突变变，如不能避免应将突变限制在某一楼层或几个楼层出现敏感的薄弱部位感的薄弱部位，从而减少这些部位在水平作用下产生过大的应力集中或过大的变形应力集中或过大的变形，导致结构破坏。结构布置以超静定为主为主，不设计或少设计成静定结构。在整个建筑工程中在整个建筑工程中，基础的造价占有相当大的比重，结构设计人员一般注重结构的安全可靠度设计人员一般注重结构的安全可靠度，而对基础的经济分析比较缺乏足够的重视比较缺乏足够的重视。基础优化能节省总造价的55%~15%。当然基础方案的选择是最重要的当然基础方案的选择是最重要的，根据土层特征、分析上部结构和地下结构结合周围建筑情况构和地下结构结合周围建筑情况，从各个基础形式的特点，材料用量料用量，施工难易程度，施工的工期进行综合分析比较。基础能浅埋时尽量浅埋能浅埋时尽量浅埋，节省了土方开挖量。基础截面的选择以满足冲切及抗剪的前提下满足冲切及抗剪的前提下，配筋大部分为构造配筋。例如某工程基础原设计使用的是筏板基础工程基础原设计使用的是筏板基础，由于成本的问题对该结构进行优化设计构进行优化设计，将筏板基础改为独立基础加防水板，独立基础厚度较原先筏板基础的厚度加大础厚度较原先筏板基础的厚度加大，但防水板厚度较筏板减小小，同时构造配筋大幅度降低，整体降低了工程造价，同时防水板也增加了基础的整体刚度水板也增加了基础的整体刚度，对不均匀沉降起到一定的作用用，也满足了承载力的要求，使建筑材料减少，施工周期缩短短。桩基础的优化也很重要，根据地基状况和现场施工情况选择桩的类型及基础形式选择桩的类型及基础形式，最大程度降低工程成本，再通过地基持力层的状况分析所需要的桩长基持力层的状况分析所需要的桩长，多个方案进行比较推敲，从而筛选出最优的设计方案从而筛选出最优的设计方案。优化设计的思想落实到各个环节优化设计的思想落实到各个环节，细部优化也很重要。（1）结构计算首先输入合理的计算参数结构计算首先输入合理的计算参数，（2）按精细化的要求准确的输入荷载准确的输入荷载，然后布置梁板柱，例如梁宽度尽量控制在350350mm以下以下，否则需要四肢箍，梁高的增加比梁宽增加更有效效，尽量把梁布置成连续梁，对挠度控制有利。次梁间距要控制好制好。（3）层间位移角和位移比尽量接近规范限值层间位移角和位移比尽量接近规范限值。（4）墙柱轴压比接近规范限值且大部分为构造配筋压比接近规范限值且大部分为构造配筋。（5）梁板配筋率在经济配筋率范围内等济配筋率范围内等。((6)设计图纸便于施工设计图纸便于施工。

4结束语

优化方法的技术性性实现优化方法的技术性性实现，需要设计人员有丰富的经验积累积累，在处理问题时可以更灵活的选择方案，更充分的判断可行性行性，最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。适用，安全，经济经济，美观和便于施工是进行建筑工程设计的一般原则而这五个方面各有所重五个方面各有所重，又互为矛盾，一个优秀的设计往往是这五个方面的最佳结合个方面的最佳结合。

作者:陈天静 单位:大连奥世建筑设计有限公司

参考文献：

优化设计篇10

【关键词】门式刚架；轻钢结构；优化设计；截面形式

1.概述

钢结构因其自重轻、施工周期短、抗震能力强、可回收等优势和特点被人们广泛应用。改革开放以来，我国已建成了大量的轻钢结构建筑，诸如车间、库房、展厅等都普遍采用了门式刚架轻型钢结构，　成长了一大批钢结构建设企业和设计人员，因此也应运而生了许多钢结构设计软件，设计人员可以利用设计软件方便快捷地做出各种钢结构设计。然而，不同的设计人员面对同一个工程并且使用同一款软件，计算后会得出各自不一样的结果。究其原因，主要与设计人员对钢结构工程的理解认识，工作实践经验的积累，基本知识的掌握，见识的多寡等因素都有着密切的关系。设计人员做出的设计图纸至关重要，　因为设计结果，决定了该项工程的含钢量，也就基本上确定了这项工程的造价，所以其设计不仅要符合设计规范等条文的规定，保证建筑结构体系的安全，同时也应在满足规范要求的基础上做好恰当的优化，合理的降低含钢量，做到安全适用，经济合理，确保质量。因此钢结构设计中的一项重要内容就是对设计项目进行逐步优化。现结合多年施工现场的工作经历和设计感受，把门式刚架轻型钢结构优化设计方面的一些经验和体会总结出来，与大家共同切磋、分享。

2.优化设计

2.1选择截面

首先确定构件的截面形式。门式刚架轻型钢结构多采用H型钢断面的构件，而H型钢又分为热轧国标H型钢和钢板组焊的H型钢。根据建筑功能的要求，结构的跨度、高度和荷载不同，门式刚架梁、柱的截面形式可分别选用腹板不等高的变截面H型钢或等截面H型钢。以下几项是工程设计人员在选择构件截面时必须考虑的条件：

1）腹板不等高的变截面H型钢可使用在一般的厂房、超市等结构的门式刚架柱中，即通过改变H型钢柱腹板的高度，将柱子做成下端小上端大的楔形，以满足适应门式刚架柱肩弯矩大的受力特性，达到节约钢材，降低造价的目的。若厂房内设有桥式吊车时，按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的要求，则必须设计成柱脚为刚性连接的等截面H型钢柱，这项要求是针对不大于20t吊车规定的。对于在厂房内布置了超过20t吊车的厂房结构，软件允许将门式刚架柱按普通钢结构设计，刚架梁按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程设计。

2）H型钢构件选用有两种，一种是热轧国标H型钢，另一种是钢板组焊H型钢，选用时要综合平衡。热轧国标H型钢成型美观，质量均匀有保证，一般的甲方都比较认可。而使用钢板组焊H型钢，不仅可以组成变截面构件，并且可根据计算应力选择最合适的构件截面尺寸，从而降低刚架含钢量，但从市场上购回的钢板是固定的规格尺寸，制作时又有可能会产生材料损耗大的问题。因此H型钢热轧或是组焊，两项要做全面比较，优化选择，使建筑结构，施工工艺等方面都更为科学合理。

3）当门式刚架采用等截面H型钢柱时，为满足刚架在平面外的稳定应力和长细比要求，可选择热轧中，宽翼缘的H型钢，翼缘的宽度能够满足长细比要求。但中、宽翼缘的H型钢的翼缘厚度往往较大，又不利于节约钢材，因此H型钢柱最好采用钢板组焊的H型钢。

2.2选择材质

现行国家标准GB/T700《碳素结构钢》中规定的Q235B钢和GB　/T　1591《低合金高强度结构钢》中规定的Q345B钢是门式刚架轻型钢结构中经常使用的材料。两种钢材的强度设计值是不同的，Q345钢与Q235钢相比，前者的强度要高于后者。具体到某项工程应选择哪种材料合适，与以下几个方面有关：

1）视钢材市场的供货情况而定，因为在某一阶段市场上销售的钢材的规格、品种并非都是齐全的，如果选用的材料在周边市场不好采购，而需要到较远的地区进货，则会增加材料费用，加大施工成本，造成额外的经济支出。因此首先要了解市场上销售的钢材有什么规格、材质的，供设计人员设计时选择容易采购到的材料，避免后期的材料代换。

2）由于Q345B钢与Q235B钢相比，前者的强度要高于后者，若将两者结构的含钢量做比较，前者要低于后者，即同样的工程，材质为Q345B钢的结构比Q235B钢的结构较轻，但每吨Q345B钢材的价格要比Q235B钢材的价格略高。因此选用材料时要比较两种钢材的含钢量和市场价格，通过全面综合的分析核算，优选出材料总价格低的钢材。

3）设计时构件材质的选用，还应视工程结构的具体情况而定。设计人员在选择材质时，采用Q235B钢一般可用于构件断面小、结构造型低的工程，以充分利用H型钢构件腹板高厚比、翼缘宽厚比较大的特点，将构件的断面设计到更大、更薄，让材料的强度发挥到最佳状态；采用Q345B钢可用于高、重、大型的结构，以充分发挥钢材强度高、最终结构轻的优势。这样，采用Q345B钢结构的总体造价将会低于Q235B钢的结构，可降低工程的总体造价。

2.3综合优化

设计软件会显示一个结果信息，在确定了门式刚架的截面形式和材质以后，依据计算信息对结构进行分析，综合调整梁，柱的截面尺寸，进行整体优化。

1）根据柱、梁构件的强度抗弯承载力比值，需要调整构件的整个截面尺寸，即应在调整柱、梁腹板尺寸的同时，调整翼缘的尺寸，以达到合适的应力比值。

2）针对柱、梁平面内的稳定应力比及柱、梁对应的长细比，应着重对柱、梁腹板规格、尺寸的调整，辅助调整翼缘板的尺寸，以使应力比和长细比的数值合适。

3）依据柱、梁平面外的稳定应力比及柱、梁所对应的长细比，应着重调整柱、梁翼缘板的规格、尺寸，辅助调整腹板的高、厚尺寸，以达到合适的应力比及长细比。

在进行门式刚架的综合优化时都不能单独考虑、孤立调整，而应当全面顾及各个方面的因素，优化时要配合所有数据的协调变化进行调整，以达到最优的计算结果。

3.结语

门式刚架轻钢结构的优化设计需要不断总结，可根据自己所积累的设计经验按顺序逐步进行计算结果的优化。优化设计是一个系统工程，它综合体现了设计人员的个人素质、对计算软件的熟练掌握程度以及钢材市场的供货信息变化等的因素，只有将这些因素全部有机结合起来进行综合的优化设计，才能达到满意的效果，将截面优化做到更适宜的范围。

参考文献