工程结构优化设计概述篇（1）

中图分类号：TU198文献标识码： A

引言：

工程造价与建筑结构设计息息相关，建筑结构设计的安全与合理是工程建设进行的前提，而工程建设的造价控制及效益价评估值则是工程建设顺利进行的基本保证。另一方面，优化建筑结构能有效的降低造价成本，从这一方面来讲，优化建筑结构与工程造价控制二者又是相辅相成的。

一、结构经济优化设计的目的

结构造价优化设计的目的就是在保证结构安全的前提下，通过设计人员自身的概念、经验、悟性、判断力和创造力对结构方案进行优化，以控制工程造价，满足投资方的经济要求，或在造价基本不变的情况上，增加建筑物的使用面积、改善建筑物结构的使用功能等。确切地说，结构的经济优化设计绝不是简单的用降低结构的安全度来换取经济效益，也不仅仅是对由于设计人员的相对保守而做出的修改。真正的优化设计在节省了工程费用的同时，不仅没有降低原设计的安全度水平，反而由于结构方案趋于合理，使之更为可靠。

二、造价控制的结构优化设计概述

1、结构设计优化概述

结构优化设计理论主要由两条支脉，一是准则法设计理论，二是数学规划法设计理论。这两种理论均备有优缺点，因此在发展中，逐步通过取长补短而形成了基于逼近概念的结构化设计方法。具体到实际项目当中，一方面在设计中应结合建筑项目所要实现的功能，另一方面则应严格控制工程的造价。

2、概念优化设计概述

概念优化设计，是在信息技术的辅助下，通过设计者对项目设计的全程，对其中所有的结构问题进行方案的设定，从而得到经济适用的设计方案。下面对一些典型的概念设计进行简述。

(1)基于概念设计的工程地基设计

因为地下情况往往难以直观判定，所以地基土难以用具体的模型进行描述。在对其进行概念优化设计时，通常把地基基础视为多个互相独立的对象进行分析，同时密切测量和计算沉降变形等关键数据，最终得出地基基础的方案。该方案往往会受到地面部分建筑工程的影响，因此应引入不同的算法分析和比较，从而得出最理想的方案。

(2)基于概念设计的构件截面设计

传统的构件截面关注的是计算正截面、斜截面的配筋等。基于概念设计的构件截面设计则引入了安全的理念，包括强柱弱梁、强剪弱弯等思想。虽然这些设计流程已经有了相对成熟的公式，但是以往的人工操作仍然难以避免遗漏或者失误。在信息技术的协助下，可以通过专业的建筑设计软件详细分析和计算建筑项目的结构内力，并自动生成平面图，有利于造价控制。

(3)基于概念设计的构造措施设计

在构造措施的设计方面，大量事实说明，如果仅限于在理论上对构造措施进行计算和分析，是难以全面反映项目设计全部细节的，并且有着项目的局部在钋力作用下遭到破坏的风险。因此，必须结合实际，以抗震的构造来增强建筑物的安全性。基于概念设计的构造措施设计则引入了比传统模式更加丰富的内容，同时兼顾设计方案的安全性与经济性，并实现设计的优化，进行良好的造价控制。

三、造价控制的结构设计实施

在详细分析了工程结构优化设计理念的基础上，下面结合投资控制机制与技术经济方法，阐述具体的造价控制理念。

1、优化现有的设计管理机制

构建科学适当的设计管理机制，是对工程结构设计阶段实现造价控制的基础。其前提便是指定工程造价的具体责任人，通过引入工程项目的法人制，进行结构设计管理。项目法人责任制能够充分发挥责任人主体的监督与约束作用，从未严格控制投资风险，降低不必要的造价。项目业主在设置项目的专门管理与责任机构的基础上，也应建议项目的具体设计单位同样理顺自身的设计管理体系和造价管理体系，对自身项目经理的资质进行审核，并使其全面担负起工程质量与造价的责任。可以将一个工程的结构设计看做一个项目的子项，严格控制其缓解与流程，以项目管理的高度，优化设计管理体制，达到控制造价的目标。

2、充分引入项目招投标机制

当前的建设市场，对设计者的指定可以通过公开招标，邀请招栎和委托设计等方式来实现。以上的几种方式有着备自的特点与优势，也存在着备自的缺陷。而项目的业主在进行方式选择时，应结合项目的实际需要进行具体招标方式的确定。在选择的时候，应考虑到项目本身的安全性与造价，并督促设计者能够全面考虑工程的技术效果与经济效果，实现造价的优化。同时，在设计费用的确定方面，一方面应该考虑到工程成本，另一方面则应以合理的利润率来促进设计方的积极性和主观能动性，并鼓励其以技术经济的计算方法，在提出合格设计方案的同时，控制工程的造价。

在确定工程项目设计方时，同样应通过设计招标的方法，使设计单位公平竞争，并对其提交的具体方案综合比较，择优选择。首先，设计投标方希望在竞标中性出，则会提交造价合理并具备自身独创性优势的方案，使其设计质量得到保证。其次，招标方可以在此期间聘请经验丰富的专家对备个设计方的资质和方案进行综合的对比分析，从而择优选择最佳方案和设计单位。在设计项目的招投标过程中，应将对于造价的控制放在显著位置，防止由于对其他技术细节过于关注而忽略了造价要求。

3、以设计质量确定设计收费

当前，我国建筑市场上，为设计方确定收费额度的方式往往与工程造价密切相关，这样做法的弊瑞便是：工程造价升高会带来设计方的收益增加，因此难以激励设计方从成本的角度考虑自己的设计方案，对工程造价的控制带来了阻碍。假若能够促使工程设计单位在一个额度的限定范畴之内，通过科学客观的造价控制理论，在技术经济分析的基础上以合理的方案和先进的工艺实现设计方案，则工程业主一方应对其进行奖励，反之则应进行处罚。这种方法同样被证明能够很好地控制造价，通过经济杠杆，充分调动设计方的积极性，在推动设计方案进步的同时，也很好地实现了造价控制。

4、对专业造价人员进行责任制考核

工程项目的造价目标确定以后，就应为该项目成立完善的管理体系与组织结构，在组织中制定专门的负责人对造价控制进行规划和负责。在技术控制方面，应对备个阶段的设计方案进行监督与审核，对成本控制进行探讨。在组织方面，应引入一批激动地技术又具备管理经验的合格人员，提升其业务素质与责任心。作为项目的设计方，应结合项目的实际情况推行与造价相关的责任制，为造价控制备方面分别制定责任人，并由负责人进行周期性地检查与监督，使工程的设计限额能够落到实处。

针对工程项目的限额指标，工程设计方应详细研究，并将其分解为子指标，制定专门的部门戎者任选加以执行，如果在设计中出现了造价控制与工程设计的矛盾，应通过协调加以及时解决。由设计方备专业的技术负责人结合具体的工程项目限额指标，对所设计的方案提出基于降低造价的建议，同时积极引入具备丰富经验的人员，以技术与经验相结合的方式，实现设计方案的经济性。

5、合理编制项目概算

在工程项目的设计阶段，设计文件的概算是关键之一，在明确概算的基础上，才能进一步确定建设项目投资计划，而工程项目将被批准的概算值作为该工程的限额，因此，在设计时，严禁投资额度超越这个限额。造价的影响因素很多，包括施工因素、价格因素以及材料因素等，应通过对工程量的准确计量，在调查分析的基础上，认真比较，得出客观的造价。由此可知，在选择具体的设计方案时，应以最初批准的设计概算对方案进行权衡，此处推荐通过对比不同设计方案的方式，从技术与经济两方面进行比较，并确定最终的设计方案，并合理控制投资，实现造价的优化。

6、推行设计监理制度与咨询制度

通过项目的设计来实现对工程造价的控制，设计监理是非常必要的，引入设计监理，能够有效克服传统模式中设计单位本身与政府监控的不足。通过设计监理部门，对工程项目设计的全程进行监理，以监理方酌监督与协调来使工程项目的设计更加经济合理，并严格控制工程造价。与此同时，在监理方的督促之下，也能够有效地促使设计方通过管理来要效益。

首先应充分发挥监理功能，通过全程监督工程项目的设计，来避免失误；其次集设计单位和工程建设方，通过对图纸进行研讨，来增强其合理性与可行性；此外，还应注重工程变更的管理，对于一定会发生的变更，为控制资金支出，应提前进行变更，减少损失。最后还应坚决避免不应发生的设计变更，通过明确责任，进行追究，实现造价控制。

四、结束语

建筑结构设计应当做好其节省施工成本和控制工程项目造价的重要工作内容，设计师必须要在规范设计的基础上，对工程项目结构进行合理的分析和安排，确定施工企业能够以最小的成本、最优的结构获得最好的建筑防水性、实用性以及安全稳定性，从而能够为建筑使用者带来利益的同时，也对建筑设计行业的进步发展起到一定的推动作用。

参考文献：

[1]王志涛.建筑工程设计与工程造价有效控制分析探讨[J].黑龙江科技信息,2011(15).

[2]马文涛,王利辉,翟荣兵.民用建筑结构设计与工程造价控制研究[J].现代商贸工业,2009(15).

工程结构优化设计概述篇（2）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段.概念设计从不同的角度有多种定义.一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能 结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能 结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和XML文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用XML语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3　概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的OWL语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

<owl：Classrdf：ID=“功能知识”>

<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=“#功能名称”/>

<owl：cardinality>1</owl：cardinality>

</owl：Restricton>

<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=“#产品”/>

<owl：mincardinality>1</owl：mincardinality>

</owl：Restricton>

</owl：Class>

表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。

（4）功能技术原理解类

<owl：Classrdf：ID=“功能技术原理解”>

<owl：Restriction>

<owl：onPropertyrdf：resource=“#功能知识”/></owl：Restricton>

<owl：Restriction>

<owl：onPropertyrdf：resource=“#技术原理解简图”/></owl：Restricton>

</owl：Class>

表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。

上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

工程结构优化设计概述篇（3）

中图分类号：K928.44 文献标识码： A

一、多目模糊优化背景与发展历史

1. 模糊优化设计的背景

是造价最低,或是达到某一专项目标,或是同时达到几项目标但在设计过程中,时常会遇上大量的模糊概念,如/重量不超过...0!/体积不大于...0等等由于缺乏处理手段和方法而把这些概念当成确定性量来对待,这样把设计的约束条件和目标函数人为简单化,以至于设计结果不符合要求随着设计学的发展,大量的模糊信息需要定量描述,使设计达到真正的优化目的"在普通优化的基础上引入模糊数学,建立在模糊集理论基础上的模糊优化设计方法产生了模糊优化设计为解决具有上述模糊概念的优化问题提供了可行的方法和有效的手段模糊优化设计的概念首先是别尔曼和扎德提出来的,提出的背景主要有以下几个方面:(l)事物间的差异中介过渡给事物带来模糊性;对事物研究的定量化会遇上大量模糊因素:所研究的事物涉及多方面的模糊因素;以及在计算机应用领域中会考虑对模糊信息的识别和处理等等"这些都会给优化设计带来大量的模糊因素,导致模糊优化问题的出现(2)对于一项工程设计会发现设计比分析涉及的因素更多,尤其是人文因素例如,一种新产品的设计,不仅要满足工作要求和技术性能指标,而且经济!可靠!使用条件性也是不可忽视的因素其实,优化设计的发展也是向多方面发展,已经打破了原先只在物理!几何性质上做文章的格局当今社会的发展以人为本,在理工科高等教育中加强人文知识教育也是为了使理工科研究不能脱离人文,所以人文因素已经渗透于整个设计过程"人文因素的模糊性是优化设计遇到的主要问题,必会产生模糊优化的问题显然,模糊优化设计的产生是优化设计领域的一次革命,大大地促进了优化设计的发展,为解决优化设计中出现的问题提供了理想的方法。

2模糊优化设计的产生和发展历史

随着科学与科学研究的发展,从物理发展到事理,从物态进展到事态的研究,传统的经典数学已显得苍白无力,或者说过去那些与数学毫无糊数学诞生于1965年,美国加利福尼亚大学控制论专家查德教授(LA.zdahe)发表了著名论文-下uzyzsets0(模糊集合),提出模糊集合的思想,给出模糊现象的模型!模糊问题的定量表示方法及数学处理方法"他指出,刻画一个模型集合时,不必指明哪些元素属于它,哪些元素不属于它,只需对给定范围内的各元素确定一个"到1之间的实数,用它表明这个元素以多大程度属于这个集合,这个数就叫作该元素对这个集合的隶属度"例如,30岁的人肯定不算老年,他对/老年人0这个概念的隶属度为仇50岁的人属于/老年人0的程度近于0.5;70岁的人为老年人,他对/老年人0的隶属度为1"这说明/中年0和/老年0的概念是相互粘连的,它们之间没有一条绝对分明的界限,而是有一个连续过渡的过程"查德正是用隶属度这个概念表现处于中介过渡的事物对差异一方的倾向程度,这就是他创立模糊集合论时提出的新思想"模糊集合论把原来某元素对于集合要么/属于0,要么/不属于0的确定性关系,推广到元素对于集合按/一定程度0/属于0或/不属于0的确定关系(即在一定程度上/属于0或/不属于,.)以此就标志了模糊理论的产生,模糊数学就是从数学上来刻画和研究客观世界中存在的模糊量,即从量上来描述模糊现象,并以之为突破点建立了研究模糊现象的基本理论模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学所谓模糊性,是指客观事物在中介过渡时呈现的概念划分上的不确定性,即/亦此亦彼0性客观世界中存在着大量的模糊性现象,它们很难找到明确的界限,这样的概念叫做模糊概念模糊概念不是不科学的概念,它大量地存在于物理学!化学和生物学中,在经济和人文科学中表现尤为突出,人脑的识别!判断以及概念的形成过程都具有模糊性为了描述模糊概念,满足各门学科的数学化!定量化要求,这就是模糊数学产生的思想基础"随着模糊数学的诞生,一种全新的模糊论方法学也就发展起来了"模糊论是建立在(l)事物的不确定性(随机性和模糊性);(2)广义设计中的模糊性,即定量地研究从狭义设计到广义设计中,必然要遇到大量的模糊概念:(3)复杂化和精确化之间的矛盾"模糊数学由于打破了形而上学的束缚,即认识到事物的/非此即彼0的明晰性形态,又认识到事物的/亦此亦彼0的过渡性形态,因此模糊理论的产生就在数学领域本身以及许多的实用领域里得了广泛迅速的发展和应用模糊理论是在模糊数学基础上发展起来的一门新学科,经过近些年来的发展,己经形成为一门新的应用技术学科,到20世纪90年代,己经形成了具有完整体系和鲜明特点的模糊拓扑学!框架日趋成熟的模糊随机数学!模糊分析学以及模糊逻辑理论,并渗透到各个学科领域,如:人工智能!管理信息!机械制造!自动化控制等等,应用相当广泛。

二、多目模糊优化设计优点:

(1)优化设计方法能够加速设计进度,节省工程造价优化设计与传统的结构设计相比较,一般情况下,对简单的构件可节省工程造价的3一5%,对较复杂的结构可达10%,对新型结构可望达2000/(2)结构优化设计有较大的伸缩性作为优化设计中的设计变量,可以从一两个到几十,上百个"作为优化设计的工程对象,可以是单个的构件,整个建筑物甚至建筑群设计者可以根据需要和本人的经验加以选择0的大小,为设计者进一步改进结构设计指出方向"(4)某些优化设计方法(如网格法)能够提供一系列可行设计直至优化设计,为设计者决策时提供方便(5)设计者能够利用优化设计方法进一步贯彻设计意图"例如在钢筋混凝土结构的优化设计中,若设计者在设计中想相对的少用些钢筋,多用些水泥,只要修改一下目标函数就可以了"

三、多目模糊优化设计

1.多目模糊优化设计

具体说来,就是给出该问题的数学模型"模糊优化的数学模型和普通优化的数学模型一样,也是从设计变量,目标函数和约束条件这三方面给出的模糊优化的设计变量,仍然是决定设计方案的!可由设计人员调整的!独立变化的参数它们或者是决定形状大小的几何参数,或者是决定结构性能的物理参数"这些参数,过去都视为确定性的,但严格说来,大多具有不同程度的模糊性"如结构设计中的动载系数,抗震设计中的地震烈度,动态设计中的阻尼参数等它们很难由一个确定的值来给出,都有一个从完全是到完全非的中介过渡过程,都具有不同程度的模糊性模糊优化的目标函数,仍然是衡量设计方案优劣的某一个指标(单目标函数)或某几个指标(多目标函数)/优0和/劣0本身就是个模糊概念,没有一个确定的界限和标准通常,我们说:要使某项指标达到某个值附近,或达到某一范围,或越小越好等等实际上,都说的是目标函数的模糊性另外,由于目标函数是设计变量的函数,当考虑了设计变量的模糊性时,目标函数也必然是模糊的"模糊优化的约束条件,仍然是限制设计变量取值的条件,也即是设计方案所必须满足的条件"这些约束条件.

2. 拓扑优化方法

拓扑优化设计是现代创新设计领域中的重要核心技术与定量设计方法,是传统的尺寸设计和形状设计的扩展与延伸它的基本原理是在给定材料重量的条件下,通过优化设计与数值求解过程获得具有最大刚度的结构布局形式及构件尺寸自1988年丹麦学者Bnedsoe与美国学者Kikuhci提出结构拓扑优化设计基本理论以来可以说近二十年间结构设计领域发生了革命性的变化"基于结构设计要求的刚度一重量一振动多准则优化,研究使用保凸近似与凸规划建立快速有效极大极小值优化算法以及通用非线性广义加权法队将凸规划对偶求解算法与结构多目标优化设计相结合并应用于拓扑优化设计该研究方向目前已成为国际工程结构与产品创新设计领域的研究热点"目前拓扑优化设计方法作为一项关键技术已应用于卫星!飞机!汽车的关键承力结构,薄壁件结构的加强筋,布局设计以及微机械系统(MEMs}!柔性机构布局设计等多个领域因此从军事应用及国防需求前景上讲,拓扑优化设计方法具有直接而广泛的应用价值

3.多目标协调优化

1994年,Kroo与Balling!sobieski等人提出了协调优化(eo),1997年,工甲peta和Rneuad将该方法修正后用于解决多目标优化问题并对该方法的三种不同的版木做了比较"这种方法的中心思想是:把多目标问题划分成一个个的次问题,然后逐步优化,直到最终得到优化解"

4.模糊优化方法

1992年,Allne探讨了一种能够非常有效地求解分层设计问题的模糊优化方法,显示了该方法解决综合优化设计问题的优点该方法就是利用模糊集理论,构造目标函数!约束函数和设计变量的隶属函数,进而转化为单目标函数进行优化考虑模糊因素的设计问题有以下好处:1使用模糊关系描述某此问题比确定性描述更准确;o考虑问题的模糊性能有效地拓展求解空间;

工程结构优化设计概述篇（4）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和XML文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用XML语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的OWL语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。

上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

工程结构优化设计概述篇（5）

中图分类号：U463.82 文献标志码：A

Fast Calculation for Stiffness Chain of Vehicle-body

Structure Based on Parameters of Main Section

LIU Zijian，RAO Junwei，LIU Yu，QIN Huan

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：The fast calculation of stiffness chain model by directly using the parameters of real main section is the key problem which should be solved in the design of vehicle-body stiffness chain. Taking the control and engineering on the parameters of stiffness chain nodes as the target， this paper evaluated the relationship between the parameters of stiffness chain nodes and the parameters of main section property. Furthermore， the parameterized method of controlling the real shape of the main section was studied by using the polar coordinate method and computing method of complex section properties that considers single variable control theory based on an established and improved computing model for static stiffness chain of vehicle body. It achieves the targets of parameterized calculation for the stiffness chain nodes and the engineering for the parameters in stiffness chain model， which provides a foundation for the investigation on the optimal distribution of static stiffness based on real main section structure and shape. Finally， the proposed method was verified by a numerical example of a light-weight of vehicle body.

Key words：static stiffness chain of vehicle-body structure； main section； parameterization； stiffness optimum distribution

汽车正向开发流程的车身工程设计阶段分为概念设计和详细设计.概念设计是车身结构设计的前期阶段，任务是为详细设计提供结构可行的方案.车身的整体结构及性能都取决于概念设计的结果，一旦留下设计缺陷，在后续流程中将难以弥补.现代轿车的车身一般采用承载式结构，车身需抵御汽车行驶的复杂载荷，因此，车身的刚度性能尤为重要.车身主断面是分布在车身各个重要位置，用以描述车身结构细节的横截面，它既是控制车身结构和性能的关键点，也是描述车身结构概念设计方案的重要工具.车身主断面的形状及尺寸是影响车身刚度性能的重要因素，因此，主断面设计是车身结构概念设计的重要内容.国内外学术界和工业界对汽车车身结构概念设计方法和车身刚度性能的研究高度重视.如本田汽车公司的Fujii等人[1]研究了基于拓扑优化技术的车身概念设计方法；福特汽车公司的工程师研究了一种基于重要零部件刚度性能的车身框架结构，建立了车身概念模型，并详细与有限元模型的静刚度和动刚度进行了分析对比，评估了概念设计模型的可靠性[2-3]；常伟波等人[4]提出了正面碰撞性能主导的轿车车身正向概念O计流程和方法；侯文彬等人[5]针对客车车身概念设计的特点，开发了客车车身结构概念设计与优化系统，等等.上述研究针对车身结构概念设计的某些具体问题提出了解决方法，然而，关于主断面优化与性能主导的正向概念设计方法关系的讨论还不多见.

本文在建立和完善轿车车身刚度链计算模型的基础上，以刚度链节点参数可控和工程化为目标，建立了节点参数与主断面截面属性参数的对应关系，研究了截面形状控制的参数化方法和对应的截面属性计算方法，提出了基于真实主断面结构形状的白车身刚度优化分配方法.论文最后以一个车身轻量化优化计算的实例，验证了以静刚度性能为主导的车身结构正向概念设计刚度链方法的可行性.

1 车身刚度链建模

由车身的结构形式、材料特性、动静载荷所决定的车身整体刚度及其各部分刚度的作用关系，称为车身结构刚度链[6].车身刚度链以主断面、接头等为节点沿载荷传递路径分布，准确描述结构与材料、载荷与变形，以及节点之间的相互关系.依据刚度链概念，可以将车身结构分解成为多个子系统，每个子系统对应于一个子刚度链，形成树状层次结构的完整车身刚度链，如图1所示.如轿车车身总体上可分为横梁系统、左侧围系统、右侧围系统和底板系统等.依据构成关系和设计要求，以两前车轮轴中心点为原点，X轴水平向后，Z轴垂直向上建立整车设计坐标系S0.进一步建立梁单元表示的车身结构简化几何模型，确定主断面的数量和位置，按照构成关系对节点编号，获得某车型1/2车身的具有18个主断面的车身刚度链几何模型如图2所示.利用对称性，不难得到整个车身的刚度链几何模型.

以如图3所示的车身弯曲工况[7]为例，讨论图2所示刚度链的静刚度分析模型.按照车身刚度测试规范，在车身后悬架位置处约束X，Y，Z方向的平动自由度，前悬架位置处约束Y，Z方向的平动自由度，在座椅安装点左右对称施加垂直向下的力F=1 000 N，车身整体的弯曲刚度由车身底架处最大垂直挠度来评价.

首先讨论车身侧围刚度链分析模型.左侧围的受力及单元划分情况如图4所示，其中0，1，2，…，15为多个梁单元相交的节点；①，②，…，B17为主断面所在处的梁单元；共有16个节点和17个单元，添加约束和外载荷如图4所示.

侧围刚度链的组成单元及其所对应的主断面编号如表1所示.依据表1中主断面与单元的对应关系，设与某一主断面对应的组成单元具有相同的截面属性，可以将17个单元的横截面特性用9个截面属性集合来描述，即主断面属性，记为C（i）={A Iy Iz}（i），其中i为主断面编号，取值分别为1，4，5，8，9，10，12，13和15，与图2中主断面编号一致；A为主断面面积；Iy，Iz为主断面惯性矩.

以图5（a）所示的子刚度链1为例讨论刚度链计算模型.子刚度链1主要是由前纵梁、门槛梁以及后地板纵梁组合而成，为了真实地模拟刚度链1的受力情况，在节点0和节点7处添加铰链约束，将整体视为一个简支连续梁结构，且各个组成单元可以具有不同的截面属性.在节点2处添加竖直向下的集中载荷F，在耦合点1，3，6处添加未知状态向量，故可以推导出节点0和节点7的状态向量，以及节点1-6的载荷向量.

对连续梁结构求解状态向量时，可以利用传递矩阵法[8-9]建立数学模型.子刚度链1所对应的连续梁结构，可以离散成7个单元，单元编号依次为①，②，…，⑦，其中单元①的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（1），EI（1） ，GA（1）/μ（下标为单元对应的主断面编号，下同）；单元②，③，④的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（10），EI（10） ，GA（10）/μ；单元⑤，⑥，⑦的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（12），EI（12） ，GA（12）/μ；单元长度依次为l（1），l（2），…，l（7）.如图6所示.

根据传递矩阵法可求出最右端状态向量Sr（7）和最左端状态向量Sl（1）的递推关系如下：

Sr7=T7Sl7

Sl7=F6Sr6

Sr6=T6Sl6

Sl6=F5Sr5

Sr2=T2Sl2

Sl2=F1Sr1

Sr1=T1Sl1 （1）

式中：T（i）为单元i的场矩阵；F（i）为节点i的载荷向量.如：节点0处为铰接约束，只有径向约束剪力Ql以及平面内的转角φl，节点0的状态向量为Sl（1）={0，Ql，0，0，0，φl}T（1） ；在节点2处只承受有垂直向下集中载荷F，节点2处的载荷向量为F2={0，F，0，0，0，0}T（2），等等.

将方程组（1）从下往上迭代，可确定最右端节点状态向量Sr（7）和最左端节点状态向量Sl（1）的关系式，即传递方程：

Sr7=[∏6i=1（T8-i×F7-i）]×

T1×Sl1（2）

除单元⑤和单元⑥之外，其他单元的局部坐标系均与整车设计坐标系S0平行，它们的场矩阵T（i）表达式为：

Ti=

1000000100000li1000-liEAi001000-l3i6EIi-μliGAil2i2EIi01li0-l2i2EIi-liEIi001 i≠5，6 （3）

卧⑤和⑥的局部坐标系与整车设计坐标系S0之间存在一个夹角，通过坐标变换有：

Tk=λ-1kkλk（4）

式中：T（k）为单元k在S0坐标系中的场矩阵；（k）为单元k在局部坐标系Sk中的场矩阵.

对图5中的子刚度链2和子刚度链3也可以进行类似的讨论.

设节点2处在集中载荷F作用下竖直向下变形量Δz为基本未知量，利用静平衡条件和传递方程（2）可以求得子刚度链1的弯曲变形量Δz与各主断面截面属性集合C（i）的关系表达式：

f1C1，C10，C12，Δz=0（5）

子刚度链1与子刚度链2在节点1和节点6处耦合，建立两者的耦合方程：

Sl（2）-Sl（8）=0

Sl（7）-Sl（15）=0 （6）

同理，可得出子刚度链2和子刚度链3的数学模型及子刚度链间的耦合方程.将上述3个子刚度链数学模型简单记为f1，f2和f3，耦合方程分别记为Q1（2），Q1（3）和Q2（3）.

由上述讨论可得如下方程：

f1=0

f2=0

f3=0

Q1（2）=0

Q1（3）=0

Q2（3）=0（7）

方程组（7）即为车身左侧围的静态刚度链数学模型，记为F1，同理可得车身右侧围和9个横梁的刚度链模型，分别记为F2，F3，F4，…，F11.子系统刚度链i与子系统刚度链j的耦合方程记为Gi（j），则车身整体刚度链模型为：

F1，F2，…，F11T=0

G1（3），G1（4），…，G1（11），G2（3），

G2（4），…，G2（11）T=0 （8）

根据方程组（8）可以求得节点2竖直向下的变形量Δz与各主断面属性C（i）之间的函数关系式：

Δz=f（C1，C2，…，C18）（9）

式中：变形量Δz由18个主断面的截面属性集合（即54个变量）表示，如果直接对这些参数进行优化，将会遇到优化变量太多且优化出来的数据无法对主断面具体形状进行描述等问题.因此，有必要对主断面形状参数化和截面属性计算方法进行研究.

2 主断面属性计算及形状参数化方法

车身主断面是由若干钣金件焊接而成的形状复杂的封闭截面，图7（a）所示为某车门槛梁主断面实物图.由于主断面的形状、面积、惯性矩等截面属性是决定车身刚度、强度、加工工艺性等的关键因素，因此，准确求取各种形状主断面的截面属性，并根据车身性能设计要求优化匹配多个主断面的属性参数，是实现车身优化设计必须解决的关键问题.现有的处理方法是将主断面简化成为矩形或圆形等简单形状进行计算[10]，求解结果与实际情况差距较大.由式（8）所示刚度链计算模型和车身弯曲变形计算公式（9）可知，只要建立车身实际主断面形状属性参数的计算方法，就可以利用刚度链方法对实际车身结构进行分析优化，大幅提高设计质量，具有重要意义.

2.1 主断面属性参数计算

基于真实主断面形状的截面参数计算仍需要进行少量简化，简化原则如下：

1） 忽略加工工艺要求的小结构，如小圆角、小倒角等，将其简化为一个点；

2） 曲率不大的曲线段，在尊重原断面形状的前提下，用直线代替.

如图7（b）所示为简化后的门槛梁主断面形状，它是由多条直线段经结点连接而成的封闭图形.

设主断面由n条直线连接构成，将其分成n个区段.设第i个区段的长度为Li，板厚为ti，如图8所示（图中数字表示结点编号），则由弗拉索夫薄壁杆件理论[11]可推导出用分段法求取主断面实体部分面积和惯性矩的计算公式如式（10），（11）和（12）所示.

2.2 主断面形状参数化方法

车身主断面由外板、内板和加强板组成.主断面形状不仅取决于刚度、强度、工艺、碰撞安全等车身性能的需求，而且与整车外观造型、总布置和内饰设计密切相关，在车身结构设计中经常变化.针对2.1节讨论的主断面属性参数计算公式，进一步研究一种简单有效的主断面形状参数化生成方法，是利用刚度链模型进行车身刚度优化设计必不可少的重要环节.

文献[12]提出了一种基于极坐标的截面形状计算公式如式（13）所示.

r′i=（π-dv-δik×π+1）ri （13）

式中：（ri，δi）（δi的单位为弧度）为截面实体部分上点的极坐标；k为形状变化程度控制系数，通常可取k=2；dv（dv∈（0，2π））为极坐标控制参数.下面讨论利用式（13）实现主断面形状控制的方法.设已知图8所示主断面，以截面参考坐标系原点o为极点，z轴正方向为极轴，建立极坐标系，如图9所示，则可计算出该主断面所有结点的极坐标值（ri，δi）.在此基础上，对应于一个给定的dv值，由式（13）计算出一组新结点的极坐标值（r′i，δi），依次连接这些新结点，即可获得与原截面形状类似的新截面.当dv-δi>π时，计算点的极径ri将减小，反之将增大，从而对截面形状进行连续的控制，极径ri的变化程度取决于dv和k的取值.

利用式（13）控制图8所示主断面形状时须特别注意外板的处理.图8中结点1至结点8表示的车身外板部分的形状是车身设计流程已经冻结的A级面确定的，不允许进行修改，故形状参数化设计的主要对象是内板和加强板.另外，在确定参数化结点和参数变化区间时还需考虑冲压工艺和装配要求等因素，如防止出现冲压负角等.图9为针对结点9，10，14，15，16，17应用式（13）控制门槛梁主断面形状变化的情况，此时dv的取值为1.5，k的取值为2.

2.3 dv控制的主断面属性计算

下面继续以门槛梁为例介绍基于形状控制参数dv的主断面属性计算步骤.

第一步是⒚偶髁涸始主断面的结点坐标转换为极坐标.其二是确定k值，并给定一个dv值，代入式（13），逐个计算出变形后新主断面各结点的极坐标值.其三是将新结点的极坐标值换算成为oxyz坐标系下的直角坐标值.最后利用式（10），式（11）和式（12）计算新主断面属性值.表2为设计变量dv分别取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5时计算所得门槛梁主断面属性值.

上述直接利用式（10）至式（12）计算截面属性的方法不仅步骤较多，需频繁地进行坐标换算，而且是逐点求解，计算效率难以提高.为了适应主断面优化设计中高效迭代求精计算的需求，依据表2数据拟合只有一个变量dv的门槛梁主断面属性近似计算公式：

A=106.4×dv+289.7 （14）

Iyy=62 640×dv2+ 87 800×dv+82 140 （15）

Izz=11 900×dv2-7 236×dv+13 680 （16）

同理，利用上述方法可以拟合出其他主断面属性关于形状控制参数dv的函数关系，在此不再一一赘述.

可以通过对比分析验证所拟合公式的准确性.如将公式（11）计算出来的Iyy精确值与公式（15）计算出来的Iyy拟合值进行对比，分析结果如表3所示.

结果表明拟合计算的最大的误差为3%.同样可以对A和Izz进行类似的计算误差分析，可以认为拟合公式具有较好的计算精度.调整和优化dv的取值方式还可以进一步减少计算误差.

上述方法可将车身的某一主断面形状由一个参数dv来控制，并且主断面的所有截面属性均是关于dv的函数，因此在进行主断面属性参数优化匹配时，每个主断面只需对一个参数进行优化，在大大减少优化计算难度，提高优化效率的同时，可以直接获得与工程设计要求吻合度很高的主断面，从而为车身设计精度提供保障.

3 主断面驱动的车身刚度优化分配

下面将主断面形状和截面属性的参数化设计方法与车身刚度链计算模型相结合，进一步研究基于刚度链方法的车身结构优化设计问题，目的是实现主断面属性驱动的车身刚度优化分配.讨论弯曲工况下车身主断面的优化问题.选取的设计变量为18个主断面属性参数：

X=[X1，X2，…，X18]T（17）

式中：

Xi={dv（i），t（i）}T （18）

式中：dv（i）（dv（i）∈（0，2π））和t（i）为第i个主断面的截面属性参数，dv（i）的初值设为1.为了减少计算量，取相同板厚t（i）=0.8 mm，所以需要进行优化的设计变量共有18个.

考虑车身的弯曲工况和设计要求，在节点2处添加竖直向下的载荷F=1 000 N，约束条件为加载处竖直向下位移Δz≤1 mm，由式（9）有：

Δz=f（C1，C2，…，C18）≤1 mm （19）

车身的整体刚度表达式为：

k弯=2F/Δz （20）

在满足车身弯曲刚度的条件下须使车身的质量最小，因此建立车身轻量化设计的目标函数为：

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i）） （21）

式中：A（i）为第i根梁的截面面积，其值是关于dv（i）的函数；ρ为已知的材料密度；l（i）为第i根梁的结构长度，其值可以通过车身简化几何模型（图2）得到.

由上述设计变量、目标函数和约束条件决定的优化计算模型得：

X=[X1，X2，…，X18]T

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i））

s.t. 0≤Δz≤1 mm （22）

求解式（22）时，首先根据产品研发要求和设计经验确定一组原始主断面，编写刚度链计算和各主断面属性拟合的MATLAB程序，并调用适当的优化计算模块完成优化计算.表4是采用遗传算法[13]，经过160步迭代使目标函数收敛后求得的车身侧围主断面形状控制参数dv的优化结果（其他主断面的优化结果不再一一列出），此时，在满足弯曲刚度约束条件下，白车身的最轻质量为0.212 5 T，弯曲刚度为3 260 N/mm.

根据得到的dv优化值进一步计算各主断面的结点坐标，利用拟合公式计算优化后截面属性，如表5所示.图10为门槛梁主断面形状优化前后的对比图，其中实线为优化前的主断面形状，虚线为优化后形状的变化部分.

为了验证刚度链设计方法的可行性，本文利用身详细有限元模型，加载弯曲工况后模型如图11所示，该模型包括461 942个单元、465 722个节点、17 925个焊点.将上述模型用刚度链方法优化所得主断面形状赋予有限元模型的相应部位，进行计算，并对两个模型计算所得的弯曲刚度和车身质量大小进行对比分析，结果如表6所示.

根据表6数据可得到刚度链设计方法计算出的弯曲刚度与修改后有限元模型计算出的弯曲刚度误差仅为1.3%，表明刚度链方法与传统有限元方法的误差在合理的范围内，将刚度链方法优化出来的主断面形状赋予有限元模型，修改后的有限元模型的弯曲刚度（3 218 N/mm）明显高于初始有限元模型（3 112 N/mm）且质量越轻（减少了1.4%）.

4 结 论

本文依据车身结构刚度链构成关系，在分别建立各子刚度链和耦合方程的基础上，采用传递矩阵法建立了车身静刚度链计算模型，并明确了刚度链节点参数与主断面截面属性参数的对应关系；以真实主断面形状为对象，利用极坐标法建立了形状参数化控制方法，以及由单一变量dv控制的截面属性计算方法，并验证了计算方法的准确性；本文的研究实现了刚度链节点属性的参数化计算和刚度链模型计算对象的工程化，为基于真实主断面结构形状的车身刚度优化分配研究打下了基础.最后以一个车身轻量化优化计算实例验证了研究方法的可行性和优越性.

本文仅对弯曲工况下主断面进行了优化.如何结合刚度链方法综合考虑车身NVH、安全、工艺等多学科因素，完成车身所有主断面的优化设计，是值得深入研究的问题.

参考文献

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工程结构优化设计概述篇（6）

桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法,目的是追求一个满足设计规范条件下的最低水平设计,其既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素,也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标,更无法科学地协调它们之间的矛盾,使它们达到合理的平衡。且由于一直以来我国在桥梁设计过程中,存在着考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态而不重视使用极限状态;重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护,使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来,国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏(如结构开裂、变形过大等)所导致,从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。因此,为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性,减少早期桥梁病害,从而节约后期桥梁的维修费用,加强对桥梁结构可靠性研究及可靠性在公路桥梁结构设计中的应用已迫在眉睫。

1结构可靠度的定义

结构的可靠性是指结构的安全性、适用性和耐久性的统称。一般情况下,总是将影响结构可靠性的因素归纳为结构构建的荷载效应的R和抗力S。荷载在设计基准期内有不同的组合和效应,抗力在材料性能、几何参数和计算模式下均具有不定性,因此在现实情况下,我们只能从概率学上用失效概率度量结构的可靠性,通过将抗力和作用效应相互独立。

根据当前国际上的一致看法,结构可靠度是指工程结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。“规定时间”是指结构进行可靠度分析时,结合结构使用期,考虑各种基本变量与时间的关系所取用的基准时间;“规定的条件”是指结构在正常设计、施工和使用的条件下,即不考虑人为过失的影响;“预定功能”是指正常施工和使用时,结构能承受可能出现的各种作用,同时具有良好的工作性能,有足够的耐久性能,以及在设计规定的偶然事件发生时和发生后,结构能够保持必需的整体稳定性。

可靠度概念中的“规定时间”是指结构设计基准期,一般大多数国家是50年,且有一个关系就是:“规定的时间越长,结构可靠度就越低”。目前,根据我国《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60-2004)中规定,公路桥梁结构的设计基准期为100年。

2可靠度理论下公路桥梁结构设计要求

可靠度理论下公路桥梁结构设计的总要求是:结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应S,即RS。

在公路桥梁结构可靠性设计中,即规定的条件就是在正常情况下的施工,则将截面承载力的安全指标β作为结构的可靠指标;将结构在失效状态时的概率称为失效概率。但由于实际中抗力和荷载效应均为随机量,因此上式并不能绝对满足,而只能在一定概率意义下满足。即P{RS}=Pr。

其中,Pr为结构的概率可靠度。因此,结构设计更明确的要求是:在一定的可靠度Pr或失效概率Pj条件下,进行结构设计,使得结构的抗力大于或等于结构的综合荷载效应。

而在公路桥梁结构设计中,一般需要确定结构的失效标准和失效模型;确定结构的目标可靠指标;推求设计表达式。

3公路桥梁结构目标可靠度

目标可靠指标是结构设计的依据,是结构设计所要预期达到的安全水平指标。而度量结构可靠性的指标就是可靠度。其优点是目标可靠指标与失效概率或目标可靠度(可靠概率)有一一对应关系。因此,要将概率极限状态设计法用于公路桥梁结构设计,首先需要设计者确定以多大的失效概率作为设计目标,即目标可靠指标应选多大(其以结构的重要性、失效后果、破坏性质、经济指标等因素分析确定)。当所设计的结构构件失效概率小,即可靠指标大,结构的可靠程度提高,相应的工程造价高,而维护费用降低,投资风险及给社会带来的后果就小;反之,失效概率大,即可靠指标小,结构的可靠程度低,工程造价低,维护费用高,投资风险及给社会带来的后果等问题就多。

目前,根据我国现行公路桥梁设计规范条件下桥梁结构构件可靠度校准的结果,经综合分析,并参考国内外各种结构构件目标可靠指标的建议值,《公路工程结构可靠度设计统一标准》(CB/T 50283-1999)建议我国公路桥梁二级结构构件在设计基准期内的目标可靠指标为:

主要组合(汽车、人群、结构自重和土引起的或其中部分引起的效应组合):

延性破坏构件βT=4.2

脆性破坏构件βT=4.7

附加组合(在主要组合的基础上再加上其他作用效应的组合):

延性破坏构件βT=3.7

脆性破坏构件βT=4.2

上述建议值分别相应于现行公路桥梁结构设计规范延性破坏构件和脆性破坏构件可靠指标的下限值。

对于一级和三级公路桥梁结构构件,相应的目标可靠指标可根据我国《工程结构可靠度设计统一标准》(CB 50253-1999)的要求,在已确定的二级结构构件目标可靠指标的基础上各分别增减0.5,这个要求依然是工程经验性的要求。

4基于可靠度的公路桥梁结构优化设计

4.1结构优化模型

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分成以下三个方面:

4.1.1选择设计变量

一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量,如目标控制参数(结构造价C1和损失期望C2)和约束控制参数(结构的可靠度PS);而将那些对设计要求来讲,变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数,这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量。

4.1.2确定目标函数

一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先,假设所设计的梁在使用期内失效概率为PF,其失效以达到或超过极限状态为标志,一旦结构损坏必须考虑重建。因此,桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率PF,从而使总费用C最小。

minC=C1+ C2PF

式中,C:目标函数;

C1:结构造价;

工程结构优化设计概述篇（7）

中图分类号：S611文献标识码： A

0.引言

众所周知，建筑物的设计是设计人员对建筑进行相关的美观设计与结构设计共同作用下的产物，而建筑结构的造价在整个建筑工程设计中所占据的地位是相当大的，因此，在住宅建筑设计中有效运用结构设计优化技术，选择科学、合理的住宅建筑结构设计方案，能够最大限度的利用有限的空间来创造出无限的价值，实现经济化、最大实用性与适用化的目标，并能够通过有效降低工程的造价来为获取最大化的经济效益。

1.住宅建筑结构设计的相关优化方法与意义

在一般情况下，住宅建筑的结构设计普遍追求适用、经济、安全、美观以及便于施工这五种效果，因此，建筑的结构设计优化技术方法在具体设计中的有效运用就需在满足整个建筑造型美观、优美的要求基础上实现建筑结构设计的经济、合理与安全，最终使其能够成为现实意义上的经济适用房。而从建筑设计上去分析其建筑结构设计的优化方法，就主要表现在对建筑工程的总体结构的优化设计与对建筑工程结构局部的优化设计两个方面，其中关于建筑结构的局部优化设计就包括了屋盖系统方案优化设计、结构细部结构设计的优化设计、基础结构方案优化设计以及围护结构设计的优化设计[1]。同时，在以上几个结构设计优化中还包括了布置、造价、造型分析等各方面的内容，且在实际的施工工程中，还需遵循“一切从实际出发”的原则，在结合整个建筑工程实际的基础上，围绕真个住宅建筑工程的综合经济效益目标来展开相关的结构优化设计。

此外，结构优化设计技术在实际的建筑工程施工设计中的有效运用还能带来巨大的经济效益。同传统的设计相比，在建筑设计施工中采用设计优化技术后，不仅可减少大量材料的投入与建筑内外表面的专修，并达到抗震与提高受力性能的作用，而且还可提高整个建筑的经济性能，使该建筑工程的成本造价减少25%左右，最终实现建筑工程设计安全、经济与适用的功效。

2.结构设计优化技术在住宅建筑设计中的相关应用措施

2.1直觉优化设计技术

直觉优化技术，又可被称为“概念设计优化技术”。在实际的建筑结构设计中，即使是同一个建筑方案都有可能出现不同的结构布置设计，而在确定了建筑物的结构布置后，即使是在相同的负载情况下也可能出现的各种不同的分析方法，在分析的过程中，其相关设计参数、负载以及材料的取值也是不尽相同的。同时，关于建筑物众多细部设计与处理更是存在着很大的不同。对于上述种种问题，人们又是无法用计算机来完全解决的，往往都需要设计人员在实际的结构设计自主的做出正确且合理的判断。而这些判断工作也只能在基于结构设计的一般性规律的指导下，相关的设计人员根据自身长期的实践经验而展开，即直觉设计或概念设计。因此，可以认为概念设计贯穿于设计人员对各种备选方案的合理选择过程中。

2.2概念设计对实际建筑设计问题的处理

在实际建设结构设计中，概念设计所需要处理的问题虽具有多种形式，但其最终目的都是企图在通过概念设计后，住宅建筑能够在各种不期而遇的环境或外力作用下不受到任何的损坏，或是实现损害程度的最低化。因此，全面分析如何积极面对建筑物在实际运用中可能遭受到的各种不确定性因素也就成为概念设计中的主要内容。而在种种不确定影响因素中，地震作用又是其中最难以琢磨且破坏性最大的一个。故在建筑结构的实际设计中，设计人员就要做到未雨绸缪，在计算与构造等多个方面都积极采取各种有利于有效提高建筑结构抗震性能的措施，并最大限度的减少那些不能发挥抗震作用的设计施工。同时，在建筑施工与结构设计中，由于刚度均与与对称是有效减小地震作用下诱发的各种不利影响的一个重要手段，因此设计人员需全面的考虑到刚度均与与对称的重要性；而延性设计原则则可有效的防止建筑结构在地震作用影响下出现脆性的破坏，且多道设防思想又能使建筑结构在特大的地震作用影响下通过首先破坏建筑的次要构件而消耗一部分的地震能够，从而相对的降低建筑结构主体部分的破坏，因此，对于上述抗震的设防思想，设计人员需将其全面的贯彻并落实带具体的建筑结构设计中，从而实现优化结构设计技术的目的[2]。

2.3结构设计的实用性和技术性的有机结合

从本质上来说，建筑结构的具体设计过程其实就是建筑设计人员充分表现自身设计才华并展示自身的设计意图的过程，因此，设计人员必须加大对这一环节工作的重视度。在实际的建筑结构设计中，设计人员就需在保证其所涉及的住宅建筑结构的安全性原则基础上，对建设物的结构形式进行相应的改善，从而全面实现设计人员的美学意图。同时，在建筑结构设计的过程中，其基本的设计准则就是满足设计设计人员的设计意图，从而在平面的布局上做到精确的对称与规则布局，以最大限度的缩短质量中心和刚度中心两者间的距离[3]；而在竖向的设计环节中，就需保证整个结构的渐变过程，以避免因结构突变而造成整个建筑结构的应力集中，进而影响到整个建筑的稳定性能。

3.结束语

综上所述，在整个建筑工程项目中，质量是其中心，而设计就是其灵魂，要想建造出一个优质且美观的建筑工程，就少不了优质设计方案的实施。而在实际的建筑结构设计过程中，一个有效的设计人员首先要做的就是建立一个整个工程设计的优化过程，并通过这个过程有效运用各种计算方法对整个建筑工程的结构展开必要的构思，进而通过对各种构思方案的对比与研究，在结合建筑具体的使用要求基础上设计出科学、合理的建筑外部形象与内部空间布局，最终在满足业务需求的基础上同建筑方共同探讨该建筑的总体结构设计及其可行性分析，从而制定出一套经济适用且质量达标的结构设计优化方案。

【参考文献】

工程结构优化设计概述篇（8）

一、引言

针对建筑进行评价的指标比较多，同样的，针对建筑性能评价的指标也多种多样。一般的来讲合格的、高质量的建筑，外观应当是美观且大气，同时整个房屋建筑的基本结构完整、质量上乘，所使用的材料也相当考究。针对房屋结构设计的质量好坏、水平高低进行评价，对于整个建筑功能性的发挥以及整个建筑的后期使用均有着巨大的意义。所以，有必要针对房屋建筑的结构设计理念进行分析，对传统的设计理论进行优化和改良，以现代化的审美标准来提高房屋结构设计的水准，促进我国建筑事业和相关设计行业的不断发展。

二、建筑结构设计优化的基本理论

房屋结构设计，是一项技术含量很高的专业性活动。设计人员在进行具体房屋结构的设计时，应当兼顾建筑物的各种性能指标，包括使用价值指标、美学价值指标等。建筑物的功能价值，指的是建筑物作为人们的日常住所必须具有的遮挡风雨、抗温度变化等基本功能；建筑物的审美价值，指的是建筑物的外形要美观、结构搭配要协调，从而给人以美的享受。设计者不仅要考虑到房屋的基本性能，还要考虑到房屋的结构搭配以及美学价值的大小。在这样的设计理念指引下，设计者就要从拟定的多种方案中选择一种最佳方案，以实现房屋结构设计的综合目标。我们可以将这个方案筛选过程用科学化方式加以表达，运用建筑学和相关的数学知识，在许多种设计方案中，选择一种与设计目标最相符的、最能体现居住着需要的设计方案。

建筑结构设计优化，指的是在设计建筑结构时，要改革设计理念，应用科学、先进的设计方案筛选方式，选择出在各方面都能达到最佳效果的设计方法。建筑物内部的结构十分复杂，要将建筑物的各个部分完美组合在一起，使建筑物发挥最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑结构设计优化，具体包括建筑区中各个部分结构设计的优化，以及建筑物整体设计结构的优化。在这两个部分中，建筑区整体结构的优化显得更为重要，因为整体是各个部分的综合，在完善房屋高性能方面发挥着更大的作用。具体来说，建筑物整体结构的优化包括房屋顶部设计的优化、房屋设计的优化，以及房屋细节结构设计的优化。在这三个大部分中，还可以细分出型号选择、布局设置、受力研究、价格衡量等较小的设计项目。在实际的结构设计中，设计者还要紧密结合建筑工程的实际情况，努力实现房屋建造的经济效益、社会效益和环境效益。

在确保房屋结构性能稳定的前提下，设计者要大胆创新，敢于探索新型的结构优化方案。在进行建筑结构设计的过程中，设计者要平衡房屋使用者和建造者的利益，充分考虑房屋建筑工作者的意见；在满足建筑物建造者需求的基础上，寻求新式的房屋结构布局方法。

具体而言，房屋的平面结构应当凭证，体现出建筑物的对称美，并尽量减小平面建造质量与房屋刚性结构要求之间的差异，使得房屋在承受较大的水平方向作用力时，不至于发生结构性的扭曲；在满足居住着使用要求的基础上，设计者应将房屋的承重结构设计成竖直贯通的形式，以便增强房屋对竖直方向压力的承受能力；尽量不更换房屋原有的转换结构。因为一旦更换这些结构，就会消耗大量的建筑原料，不符合房屋建设的经济性的要求，还不比较容易造成外来压力集中于某一个承受点上的现象；竖直方向的刚性程度设计要遵循渐变规律，避免刚性结构角度的突然改变。否则，角度突变的部位在受到强烈的水平压力时，不容易转移压力，这对于房屋整体抗压性能的提升是很不利的。

三、房屋结构设计优化方法概述

在建筑结构设计工作中，造价是极为关键的一个环节，也是整个工程中比例极为重大的问题。结构设计优化技术的选用对于造价控制极为关键，可以产生客观的经济效益。为此，建筑设计部门和有关工作人员在工作中必须要遵守经济、适用、合理、科学的设计原则，精心设计，采取科学的现代化技术手段制定出能够满足建设设计、工作要求的设计方案，从而实现降低工程造价、取得工程最大经济效益的目的。

1.结构设计优化技术分析

在刚从事建筑工程项目结构设计的时候，除了考虑到设计对象的基本使用功能以及安全可靠性之外，还应当在工作中考虑到将它作为设计对象来进行分析，使得其尽可能的达到完美。这就是工程和结构的最优化问题，是一个用科学的语言来描述的问题。对于利用确定的数学方法，在所能的设计方案的集合中搜索出可以让人满足、达到预计标准的方案。

结构设计优化方法从建筑理论上进行分析，主要是体现房屋工程分布结构的优化设计和整体结构优化设计两个不同的方面。其中房屋结构整体优化设计则是一个涵盖了房屋系统的设计、房屋围护结构设计、房屋选型设计、房屋布置、房屋受力分析以及地面工程等多个环节的复杂工作。而局部设计主要是指对房屋某一部位和分项工程进行优化和改进的结果。

2.房屋结构优化设计的意义

就一个建筑工程项目而言，结构设计优化技术的应用不仅可以达到降低工程造价、提高工程效率的效果，而且对于实现房屋的美观性、实用性以及室内空间的个性化布置有着重要的意义。在建筑市场上，每一个单位和企业都希望工程在满足建筑结构长远效益的基础上，最大限度的减少和降低建筑结构的近期投资，同时保证建筑物的节后可靠性、科学性，也只有这样，才能够在工作中实现持续发展、可持续发展以及更多的市场经济效益。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

结构设计优化方法和技术使用于实践之中的一个广泛课题，是建筑工程项目的整体设计、前期设计、抗震设计等多个部分环节组成，利用结构优化的方法不改变使用性能的前提降低工程造价，已取得巨大的经济效益。

1.结构设计优化前注重事项

结构设计过程中，前提方案时明确设计方案目标的前提，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机构设计并不进行参与，设计者进行建筑设计时大多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.直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

直觉设计用于没有具体数量的情况下，由于不确定性和计算难度大等差异，在对于统一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一半规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题是不确定的，多种多样的，例如一些抗震能力。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或是破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的做法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。

五、结束语

综上所述，只有合理地选择建筑结构设计方案，不但可以满足相应的技术要求，还能节约工程成本，因此在建筑结构优化设计时，合理的设计方案极其重要。但是建筑的结构优化设计非常复杂，且具有很强的综合性，因此必须深入研究对建筑结构设计的优化方法。

参考文献：

工程结构优化设计概述篇（9）

(2)对学生的知识面,掌握知识的深度,运用理论结合实际去处理问题的能力,实验能力,外语水平,计算机运用水平,书面及口头表达能力进行考核.

2.要求

(1)要求一定要有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并要求技术含量较高.

(2)设计或论文应该在教学计划所规定的时限内完成.

(3)书面材料:框架及字数应符合规定

3.成绩评定

(1)一般采用优秀,良好,及格和不及格四级计分的方法.

(2)评阅人和答辩委员会成员对学生的毕业设计或毕业论文的成绩给予评定.

4.评分标准

优秀:按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识; 有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有较高技术含量.

立论正确,计算,分析,实验正确,严谨,结论合理,独立工作能力较强,科学作风严谨;毕业设计(论文)有一些独到之处,水平较高.

文字材料条理清楚,通顺,论述充分,符合技术用语要求,符号统一,编号齐全,书写工整.图纸完备,整洁,正确.

答辩时,思路清晰,论点正确,回答问题基本概念清楚,对主要问题回答正确,深入.

(2)良好:按期圆满完成任务书中规定的项目;能较好地运用所学理论和专业知识; 有一定的结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有一定的技术含量.立论正确,计算,分析,实验正确,结论合理;有一定的独立工作能为,科学作风好;设计〈论文〉有一定的水平.

文字材料条理清楚,通顺,论述正确,符合技术用语要求,书写工整.设计图纸完备,整洁,正确.

答辩时,思路清晰,论点基本正确,能正确地回答主要问题.

(3)及格:在指导教师的具体帮助下,能按期完成任务,独立工作能力较差且有一些小的疏忽和遗漏;能结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,但技术含量不高.在运用理论和专业知识中,没有大的原则性错误;论点,论据基本成立,计算,分析,实验基本正确.毕业设计(论文)基本符合要求.

文字材料通顺,但叙述不够恰当和清晰;词句,符号方面的问题较少i图纸质量不高,工作不够认真,个别错误明显.

答辩时,主要问题能答出,或经启发后能答出,回答问题较肤浅.

(5)不及格:任务书规定的项目未按期完成;或基本概念和基本技能未掌握.没有本人结合实际的具体设计内容或独立见解的论证,只是一些文件,资料内容的摘抄.毕业设计(论文)未达到最低要求.

文字材料不通顺,书写潦草,质量很差.图纸不全,或有原则性错误.

答辩时,对毕业设计(论文)的主要内容阐述不清,基本概念糊涂,对主要问题回答有错误,或回答不出.

对毕业设计(论文)质量要求

----论文内容符合任务书要求

1.对管理类论文要求:

·对毕业论文的要求是一定要有结合实际的本人独立论证的内容.

·要求论点明确,立论正确,论证准确,结论确切

·论证内容要求有调查研究,有统计数据,对统计数据要有分析,归纳,总结,

·根据总结得出结论.

·最后有例证说明

管理类论文毕业论文行文的逻辑要领

增强毕业论文行文的逻辑力量,达到概念明确,论证充分,条理分明,思路畅通,是写好毕业论文的关键.提高毕业论文行文的逻辑性,需把握以下几点:

(1)要思路畅通

写毕业论文时,思维必须具有清晰性,连贯性,周密性,条理性和规律性,才能构建起严谨,和谐的逻辑结构.

(2)要层次清晰,有条有理写毕业论文,先说什么,后说什么,一层一层如何衔接,这一点和论文行文的逻辑性很有关系.

(3)要论证充分,以理服人,写毕业论文,最常用的方法是归纳论证,即用对事实的科学分析和叙述来证明观点,或用基本的史实,科学的调查,精确的数字来证明观点.

(4)毕业论文行文要注意思维和论述首尾一贯,明白确切.

(5)文字书写规范,语言准确,简洁.

2.对工程设计性论文要求:

·有设计地域的自然状况说明和介绍

·有原有通信网概况介绍及运行参数的说明

·有设计需求,业务预测

·有具体的设计方案

·有相应性能及参数设计和计算

·有完整的设计图纸

例如: A市本地SDH传输网设计方案

一,A市概况简介

二, A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1, A市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量

2, 存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三, A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1, 网络拓扑结构设计

2,设备简介

3, 局间中继电路的计算与分配

4, 局间中继距离的计算

四, SDH网络保护方式

1, SDH网络保护的基本原理

2, A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五, SDH网同步

1, 同步网概念与结构

2, 定时信号的传送方式

3, A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六, 方案论证,评估

3.计算机类型题目论文要求:

管理信息系统

·需求分析(含设计目标)

·总体方案设计(总体功能框图,软件平台的选择,运行模式等)

·数据库设计(需求分析,概念库设计,逻辑库设计,物理库设计,E-R图,数据流图,数据字典,数据库表结构及关系),

·模块软件设计(各模块的设计流程),

·系统运行与调试.

·附主要程序清单(与学生设计相关的部分,目的是检测是否是学生自己作的).

校园网,企业网等局域网设计

·功能需求

·对通信量的分析

·网络系统拓扑设计

·设备选型,配置

·软件配置

·子网及VLAN的划分

·IP地址规划

·接入Internet

·网络安全

例如:××人事劳资管理信息系统的开发与设计

1,开发人事劳资管理信息系统的设想

(1)人事劳资管理信息系统简介

(2)人事劳资管理信息系统的用户需求

2,人事劳资管理信息系统的分析设计

(1)系统功能模块设计

(2)数据库设计

—数据库概念结构设计

—数据库逻辑结构设计

(3)系统开发环境简介

3,人事劳资管理信息系统的具体实现

(1)数据库结构的实现

(2)应用程序对象的创建

(3)应用程序的主窗口

(4)菜单结构

(5)数据窗口对象的创建

(6)登录程序设计

(7)输入程序设计

(8)查询程序设计

(9)报表程序设计

4,总结

设计报告格式与书写要求

·设计报告应按统一格式装订成册,其顺序为:封面,任务书,指导教师评语,内容摘要(200～400字),目录,报告正文,图纸,测试数据及计算机程序清单.

·报告构思,书写要求是:逻辑性强,条理清楚;语言通顺简练,文字打印清楚;插图清晰准确;文字字数要求1万字以上例如:(1) A市本地SDH传输网设计方案

一,A市概况简介

二, A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1, A市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量

2, 存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三, A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1, 网络拓扑结构设计

2,设备简介

3, 局间中继电路的计算与分配

4, 局间中继距离的计算

四, SDH网络保护方式

1, SDH网络保护的基本原理

2, A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五, SDH网同步

1, 同步网概念与结构

2, 定时信号的传送方式

3, A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六, 方案论证,评估

(2 ) A 地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

一,A 地区GSM数字蜂窝移动通信现状

1,A地区概况;人口,地形,发展情况

2,系统现状;现有基站,话务状况

3,现行网络运行中存在的问题及分析

①接通率数据采集与分析

②掉话率数据采集与分析

③拥塞率数据采集与分析

4,话务预测分析计算

二,A 地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

1,优化网络拓扑图设计

2,硬件配置及参数的优化

3,基站勘测设计及安装

4,交换局容量及基站数量

5,传输线路的设计

三,网络性能及分析对比

1,优化前网络运行情况

2,数据采集与分析

3,拨打测试

四,网络优化方案评价

(3 ) A 市无线市话系统无线侧网络规划设计

一,无线市话网络概述

1,A 市通信网络发展情况

2,IPAS网络特点

二,A 市本地电活网络现状

1,现有传输网络结构

2,传统无线网络规划

三,无线网络规划设计方案

1,A 市自然概况介绍

2,总体话务预测计算

3,IPAS网络结构设计及说明

4,覆盖区域划分,基站数量预测计算

(l〉每个覆盖区话务预测计算

(2)基站容量频道设计

5,基站选址,计算覆盖区域内信号覆盖情况

6,寻呼区的划分

(1〉各个网关寻呼区的划分

(2〉各个基站控制器寻呼区的划分

7,网关及CSC的规划

(1)网关到CSC侧 2M 链路设计

(2)CSC到CS线路设计

四,基站同步规划

(4 )A 市 GSM无线网络优化

一,GSM网络概述

二,A市GSM网络情况介绍

2.1 网络结构

2.2 网元配置

2.3 现网突出问题表现

三,GSM网络优化工作分类及流程

3. 1 GSM网络优化工作分类

3.2 交换网络优化流程

3.3 无线网络优化流程

3.3.1 无线网络优化流程

3.3.2 无线网络优化流程的实际应用

四,网络优化的相关技术指标

4.1接通率

4.2掉话率

4.3话务量

4.4长途来话接通率

4.5拥塞率

4.6 其它

五,无线网络优化设计及调整

5.1 网络运行质量数据收集

工程结构优化设计概述篇（10）

(2)对学生的知识面，掌握知识的深度，运用理论结合实际去处理问题的能力，实验能力，外语水平，计算机运用水平，书面及口头表达能力进行考核.

2.要求

(1)要求一定要有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，并要求技术含量较高.

(2)设计或论文应该在教学计划所规定的时限内完成.

(3)书面材料:框架及字数应符合规定

3.成绩评定

(1)一般采用优秀，良好，及格和不及格四级计分的方法.

(2)评阅人和答辩委员会成员对学生的毕业设计或毕业论文的成绩给予评定.

4.评分标准

优秀:按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识; 有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，并有较高技术含量.

立论正确，计算，分析，实验正确，严谨，结论合理，独立工作能力较强，科学作风严谨;毕业设计(论文)有一些独到之处，水平较高.

文字材料条理清楚，通顺，论述充分，符合技术用语要求，符号统一，编号齐全，书写工整.图纸完备，整洁，正确.

答辩时，思路清晰，论点正确，回答问题基本概念清楚，对主要问题回答正确，深入.

(2)良好:按期圆满完成任务书中规定的项目;能较好地运用所学理论和专业知识; 有一定的结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，并有一定的技术含量.立论正确，计算，分析，实验正确，结论合理;有一定的独立工作能为，科学作风好;设计〈论文〉有一定的水平.

文字材料条理清楚，通顺，论述正确，符合技术用语要求，书写工整.设计图纸完备，整洁，正确.

答辩时，思路清晰，论点基本正确，能正确地回答主要问题.

(3)及格:在指导教师的具体帮助下，能按期完成任务，独立工作能力较差且有一些小的疏忽和遗漏;能结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，但技术含量不高.在运用理论和专业知识中，没有大的原则性错误;论点，论据基本成立，计算，分析，实验基本正确.毕业设计(论文)基本符合要求.

文字材料通顺，但叙述不够恰当和清晰;词句，符号方面的问题较少i图纸质量不高，工作不够认真，个别错误明显.

答辩时，主要问题能答出，或经启发后能答出，回答问题较肤浅.

(5)不及格:任务书规定的项目未按期完成;或基本概念和基本技能未掌握.没有本人结合实际的具体设计内容或独立见解的论证，只是一些文件，资料内容的摘抄.毕业设计(论文)未达到最低要求.

文字材料不通顺，书写潦草，质量很差.图纸不全，或有原则性错误.

答辩时，对毕业设计(论文)的主要内容阐述不清，基本概念糊涂，对主要问题回答有错误，或回答不出.

对毕业设计(论文)质量要求

----论文内容符合任务书要求

1.对管理类论文要求:

·对毕业论文的要求是一定要有结合实际的本人独立论证的内容.

·要求论点明确，立论正确，论证准确，结论确切

·论证内容要求有调查研究，有统计数据，对统计数据要有分析，归纳，总结，

·根据总结得出结论.

·最后有例证说明

管理类论文毕业论文行文的逻辑要领

增强毕业论文行文的逻辑力量，达到概念明确，论证充分，条理分明，思路畅通，是写好毕业论文的关键.提高毕业论文行文的逻辑性，需把握以下几点:

(1)要思路畅通

写毕业论文时，思维必须具有清晰性，连贯性，周密性，条理性和规律性，才能构建起严谨，和谐的逻辑结构.

(2)要层次清晰，有条有理写毕业论文，先说什么，后说什么，一层一层如何衔接，这一点和论文行文的逻辑性很有关系.

(3)要论证充分，以理服人，写毕业论文，最常用的方法是归纳论证，即用对事实的科学分析和叙述来证明观点，或用基本的史实，科学的调查，精确的数字来证明观点.

(4)毕业论文行文要注意思维和论述首尾一贯，明白确切.

(5)文字书写规范，语言准确，简洁.

2.对工程设计性论文要求:

·有设计地域的自然状况说明和介绍

·有原有通信网概况介绍及运行参数的说明

·有设计需求，业务预测

·有具体的设计方案

·有相应性能及参数设计和计算

·有完整的设计图纸

例如: A市本地SDH传输网设计方案

一，A市概况简介

二， A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1， A市本地网网络结构，交换局数量及位置，传输设备类型及容量

2， 存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三， A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1， 网络拓扑结构设计

2，设备简介

3， 局间中继电路的计算与分配

4， 局间中继距离的计算

四， SDH网络保护方式

1， SDH网络保护的基本原理

2， A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五， SDH网同步

1， 同步网概念与结构

2， 定时信号的传送方式

3， A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六， 方案论证，评估

3.计算机类型题目论文要求:

管理信息系统

·需求分析(含设计目标)

·总体方案设计(总体功能框图，软件平台的选择，运行模式等)

·数据库设计(需求分析，概念库设计，逻辑库设计，物理库设计，E-R图，数据流图，数据字典，数据库表结构及关系)，

·模块软件设计(各模块的设计流程)，

·系统运行与调试.

·附主要程序清单(与学生设计相关的部分，目的是检测是否是学生自己作的).

校园网，企业网等局域网设计

·功能需求

·对通信量的分析

·网络系统拓扑设计

·设备选型，配置

·软件配置

·子网及VLAN的划分

·IP地址规划

·接入Internet

·网络安全

例如:××人事劳资管理信息系统的开发与设计

1，开发人事劳资管理信息系统的设想

(1)人事劳资管理信息系统简介

(2)人事劳资管理信息系统的用户需求

2，人事劳资管理信息系统的分析设计

(1)系统功能模块设计

(2)数据库设计

—数据库概念结构设计

—数据库逻辑结构设计

(3)系统开发环境简介

3，人事劳资管理信息系统的具体实现

(1)数据库结构的实现

(2)应用程序对象的创建

(3)应用程序的主窗口

(4)菜单结构

(5)数据窗口对象的创建

(6)登录程序设计

(7)输入程序设计

(8)查询程序设计

(9)报表程序设计

4，总结

设计报告格式与书写要求

·设计报告应按统一格式装订成册，其顺序为:封面，任务书，指导教师评语，内容摘要(200～400字)，目录，报告正文，图纸，测试数据及计算机程序清单.

·报告构思，书写要求是:逻辑性强，条理清楚;语言通顺简练，文字打印清楚;插图清晰准确;文字字数要求1万字以上例如:(1) A市本地SDH传输网设计方案

一，A市概况简介

二， A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1， A市本地网网络结构，交换局数量及位置，传输设备类型及容量

2， 存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三， A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1， 网络拓扑结构设计

2，设备简介

3， 局间中继电路的计算与分配

4， 局间中继距离的计算

四， SDH网络保护方式

1， SDH网络保护的基本原理

2， A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五， SDH网同步

1， 同步网概念与结构

2， 定时信号的传送方式

3， A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六， 方案论证，评估

(2 ) A 地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

一，A 地区GSM数字蜂窝移动通信现状

1，A地区概况;人口，地形，发展情况

2，系统现状;现有基站，话务状况

3，现行网络运行中存在的问题及分析

①接通率数据采集与分析

②掉话率数据采集与分析

③拥塞率数据采集与分析

4，话务预测分析计算

二，A 地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

1，优化网络拓扑图设计

2，硬件配置及参数的优化

3，基站勘测设计及安装

4，交换局容量及基站数量

5，传输线路的设计

三，网络性能及分析对比

1，优化前网络运行情况

2，数据采集与分析

3，拨打测试

四，网络优化方案评价

(3 ) A 市无线市话系统无线侧网络规划设计

一，无线市话网络概述

1，A 市通信网络发展情况

2，IPAS网络特点

二，A 市本地电活网络现状

1，现有传输网络结构

2，传统无线网络规划

三，无线网络规划设计方案

1，A 市自然概况介绍

2，总体话务预测计算

3，IPAS网络结构设计及说明

4，覆盖区域划分，基站数量预测计算

(l〉每个覆盖区话务预测计算

(2)基站容量频道设计

5，基站选址，计算覆盖区域内信号覆盖情况

6，寻呼区的划分

(1〉各个网关寻呼区的划分

(2〉各个基站控制器寻呼区的划分

7，网关及CSC的规划

(1)网关到CSC侧 2M 链路设计

(2)CSC到CS线路设计

四，基站同步规划

(4 )A 市 GSM无线网络优化

一，GSM网络概述

二，A市GSM网络情况介绍

2.1 网络结构

2.2 网元配置

2.3 现网突出问题表现

三，GSM网络优化工作分类及流程

3. 1 GSM网络优化工作分类

3.2 交换网络优化流程

3.3 无线网络优化流程

3.3.1 无线网络优化流程

3.3.2 无线网络优化流程的实际应用

四，网络优化的相关技术指标

4.1接通率

4.2掉话率

4.3话务量

4.4长途来话接通率

4.5拥塞率

4.6 其它

五，无线网络优化设计及调整

5.1 网络运行质量数据收集