顾康杰1，李迎2
桂林理工大学博文管理学院，广西桂林 541000；2.桂林师范高等专科学校，广西桂林 541000
摘要：文章阐述了结构优化设计的基本概念和重要意义，探讨了结构优化设计在建筑结构设计中的应用现状和应用方法。根据优化技术和结构设计的特点，从理论研究层面、优化设计实现层面和实际应用层面对结构优化设计的应用要点进行了分析和研究。
关键词：结构优化设计；建筑结构设计；应用
引言
结构优化设计是在满足设计规范和工程要求等约束条件下，以实现某种功能指标(如重量最轻、成本最低、刚度最大等)为目标，在可行方案域中优选设计方案的设计方法。结构优化方法是实现优化设计的一门重要的技术科学，以数学为基础来求解各项结构设计参数的最佳组合，是帮助结构设计师主动、高效的优选方案的重要工具。大量的优化设计实践表明，结构优化设计能够在保证结构的适用性和安全性的前提下，有效提高设计效率和设计精度，实现资源的最优化利用。因此，大力推广结构优化设计在建筑结构设计中的应用，是市场经济条件和行业发展政策的迫切需求。
1结构优化设计的意义
1.1通过“主动”设计，提高设计的效率和质量
传统的结构设计流程是按照以下步骤进行的：结构设计师首先根据设计规范、功能要求和实践经验，预设合理的设计参数建立工程结构模型，完成初步方案的设计，然后通过力学方面的计算分析过程，校核初始方案的可行性。因此，传统的结构设计方法是一个通过人工主观试凑，“被动”的重复分析与校核的过程。其设计效率和质量，取决于设计师的专业技能和同类工程项目的设计经验。往往由于时间上的限制和可行方案的多样性，最后选择的设计方案是某一个有改进提高余地的可行方案，而不是最优方案。结构设计的目标，不仅仅是能满足安全和质量方面的要求，而是应该追求某些指标达到最优，如工程造价达到最省。结构优化设计能够提供一个结构安全性和经济性的衡量标准，在其约束范围内，使各项设计参数以变量的形式构成所有可行的结构方案域，再利用数学手段求解各项设计参数的最优值，从而把传统设计中“被动”重分析的过程转变为“主动”搜索各项设计参数的过程，有效的提高了结构设计的效率和质量。
1.2提高材料利用率，实现安全性与经济性的平衡
近年来，随着我国经济的快速发展，能源消耗日益增多，使得建筑节能成为了热门课题。统计资料表明，设计阶段节约投资的可能性为88%[1]，因此，严格实行设计阶段的造价管理有着重要意义，也是项目投资取得良好经济效益的重要先决条件。结构优化设计是结构初始设计阶段进行造价控制的一种科学方法和技术，以寻求最合理的设计方案为目的，以概念设计的形式服务于结构或构件的初始设计阶段，是设计师主动、高效的优选方案的重要途径。结构优化设计的主要目标就是在保证安全的前提下，用最少的材料充分发挥结构的力学性能，使有限的空间与资源的价值得到最大程度的发挥，提高材料利用率，实现安全性与经济性的平衡，进而促进建筑工程实用性、经济性发展目标的实现[2]。
2结构优化设计在建筑结构设计中的应用现状
结构优化技术起源于20世纪60年代，在运筹学、数学规划法和计算机等多学科理论方法和技术手段的推动下，在工程界得到了快速的发展[3]。现阶段，随着优化理论和优化技术研究的深入，结构优化设计的优化范围也不断扩大，首先在航空航天领域中得到了广泛的应用，后又逐步被推广到工程结构、机械设计、水利工程等领域并取得了一定的成果，优化对象从最初的结构构件深入到了一些简单的结构类型，目前，对于大型的、复杂的工程结构进行优化设计也成为了研究热点。
优化设计方法在大量的工程实践中得到了广泛的应用与认可。在国外，美国贝尔（Bell）飞机公司把优化设计理念运用到了飞机机翼的设计中，求解了涉及450个设计变量的最佳组合形式，取得了减轻机翼重量达到35%的优化成效。波音（Boeing）公司采用了优化设计方法对747机身进行了最轻拓扑构型设计，对比优化结果可以看出，优化设计方案有效的减轻了机身的重量，缩短了生产周期，降低了成本。在国内，某煤矿机械厂运用结构优化设计方法，以工程造价最省为优化目标，完成了出口成套设备的液压支架的最优拓扑构型设计，有效的降低了约25%的材料成本。我国南方某供水改造工程中，以渡槽为优化对象进行优化设计，材料成本降低了800万元人民币[4]。
结构优化设计是市场经济条件和行业发展趋势下的产物，利用科学手段和方法对设计阶段进行造价控制，有效的控制了投资成本，给工程界带来了深远的影响。在设计技术的更新和我国住宅建设可持续发展战略目标的推动下，国内外各工程领域对优化技术的需求都呈现增长的趋势。
3结构优化设计在建筑结构设计中的应用步骤
3.1建立优化设计问题的数学模型
结构优化设计是以数学为基础来求解各项结构设计参数的最佳组合，寻求最优设计方案，因此首要任务就是将设计要求转化为数学模型。对于房屋建筑工程而言，常见的优化目标有造价最省、质量最轻、刚度最大等，从数学的角度上分析，造价、质量、刚度等则称之为目标函数，对目标函数的优化即为对目标函数求最值。结构优化模型包含三大要素：
第一要素是优化变量。一个设计方案由若干设计参数构成，设计参数可以根据不同的设计要求设置，如几何量（截面尺寸、构件长度等）、物理量（惯性矩、力或矩、重量等）、材料参数（弹性模量、材料等级、材料类型等）、导出量（应力、变形、频率等）。合理的选择优化设计变量，是构建模型的基础和关键[5]。第二要素是目标函数。目标函数是在优化模型中表征用户优化意图的控制指标，是由优化设计变量组成的数学表达式，用以评价设计方案的优劣标准。可以结合实际工程情况进行设定，其表达形式多种多样。对于一般优化问题，目标函数一般是体积最小、地震影响最小、结构重量最小、造价最低或其他性能指标。第三要素是约束条件。对于工程问题，有些设计方案不能满足某些规范要求，称为不可行设计；如果一个设计符合该工程对它提出的所有要求，称为可行设计。可行设计是建立在规范中某些强制设计条件的基础上的，这些强制设计条件即优化设计模型中的约束条件。它反映了相关设计规范和施工技术等方面的要求，有的也反映了设计者的设计意图。
3.2优化软件选用或优化程序设计
通过以上步骤，结构优化问题转变成了一个数学求解问题。在优化理论的指导下，根据数学模型的特点，选择合适的优化途径。
结构优化设计这门学科涉及力学、运筹学及系统科学等领域，在优化设计过程中需要完成较大工作量的运算，这决定了结构优化设计需要依赖于计算机技术的必然性。自二十世纪中叶以来，有限元方法以其独有的计算优势，在工程分析领域中飞速发展，是目前应用最为广泛的数值计算方法。与此同时，随着数值计算方法和计算机技术的不断革新，一批非常成熟的通用和专用的有限元分析商业软件也随之发展和普及，成为了解决现代工程问题的重要工具。ANSYS就是比较有代表性的主流CAE应用软件，在结构工程中获得了广泛的应用。
以ANSYS商业软件为例，基于该软件的优化设计可分为三种实现途径：一是利用其自带的优化模块。在一些以有限元技术为核心的商业CAE软件中，通常都包含有很强大的结构优化设计功能模块，借助此模块可以便捷的解决一些一般性的优化问题；二是利用ANSYS提供的内置宏语言APDL语言进行编程，实现二次开发优化程序。该方法适用于一些涉及反复运用有限元分析计算的优化方法；三是基于ANSYS与其他高级程序语言的数据接口，二次开发优化程序。该方法相比以上两种方法具有灵活性更大的特点，可用于处理任何工程情况。
3.3优化结果分析
结构优化设计的最后一个环节就是根据优化程序输出的结果进行分析。如果计算收敛则可得到优化结果。以ANSYS软件为例，当优化进程结束后，用户可通过通用后处理器调用和查看优化结果文件，了解利用有限元方法计算和分析后的过程信息和结果信息，如迭代步数、结构变形能、变形情况等。同时，根据设计规范和工程经验进行核定分析。对于不合理的结果，查找原因重新分析，以此确定最佳设计方案。若计算不收敛，则需要重新定义数学模型，重复优化分析过程，直至收敛。
4结构优化设计在建筑结构设计中的应用要点
4.1理论研究层面
结构优化设计的前期工作是构建优化数学模型，核心问题是如何在充分反映优化意图的前提下去量化设计问题，以及如何构建便于优化计算的数学模型 [6]。很多因素都会对优化结果的准确性造成影响：首先，构建关于实际工程项目的数学模型，需要涉及到大量的设计变量，还包含一些非连续变化的离散变量，如钢筋、型钢规格型号、建筑物尺寸等，但是目前传统的优化方法对于离散变量尚难作出精确的分析，一般解决方法是先作为连续变量处理后再进一步归整，使得优化过程的工作量大，优化结果也会存在一定偏差。其次，对于实际工程而言，由于受到设计规范和施工要求的限制，约束条件通常数量繁多，其中也不乏高度非线性且为隐性表达的约束函数，准确的辨别和表征约束函数需要一定的优化设计经验。再者，目标函数不具有唯一性，材料最少、造价最省或者使得某些指标最优都是理想的优化目标，在实际工程中要综合考虑各种因素后进行取舍。以上因素都给优化分析过程带来了阻力。
综上，设计变量多、约束条件复杂、目标函数不唯一以及技术手段的限制都有可能影响优化结果的准确性，使得优化设计数学模型的求解结果是相对最优解。因此，当优化对象是实际工程结构或者构件时，应去繁从简，抓住问题的主要方面和主要矛盾，采取缩减设计变量的数量、简化约束条件、优选目标函数等方式，尽量降低结构设计与优化设计编程的难度，提高结构分析和优化的效率[7]。另外，在过去人们常常使用“最优设计”来形容结构优化设计的最终结果，显然这一名词是不恰当的，因为优化的意义始终是相对的，而不是绝对的，目前为止没有一个权威的优化结果评价指标。因此，针对具体的结构优化问题，可以尝试多种优化设计方案，从而通过比较找出一个相对靠近全局优化这一概念的优化结果。
4.2优化设计实现层面
迄今为止，应用于结构优化方面较为成熟的商业软件在国内外还比较鲜有。比如目前应用最为广泛的ANSYS商业软件，利用其自带的优化模块进行工程优化设计，其局限性在于它的优化约束条件不能很好地与结构现行规范进行接轨。另外，现有优化软件的优化目标还不能完全符合实际工程的需要，比如面向高层建筑的优化分析仍属于现有优化软件的盲区，仅仅能采用简化条件的试算法来进行优化[8]。
对设计者而言，希望优化方法的概念易懂，优化思路清晰，程序实现的方式既可靠又方便，并且具有很强的实用性和适应性。因此，要进一步扩大优化设计的优化领域，使其更好的与现行规范和工程实际接轨，有待继续开发可靠性高、用户界面好、求解能力强的软件系统，有待进一步完善现有优化设计软件的功能，以及开发更为实用的新型优化设计程序。
4.3实际应用层面
现阶段，我国尚未出现有关优化设计的规范体系和评价标准，在无可靠的优化分析软件和相关行业规范的情况下，在优化设计的实践中对设计师的专业技能和优化设计经验要求较高。另外，纵观近年来结构优化方面的书籍和文章，其编写的受众群体多以研究工作者为主，而疏于对工程设计者的指导。如何将优化理论和方法与实际工程更紧密的结合，并且从真正意义上帮助工程师优选设计方案，使科学理论的发展与其在实际工程中的应用相辅相成，是值得工程人进一步实践和研究的课题。
因此，要进一步推进结构优化设计在建筑行业中的应用，首先是离不开行业政策的大力支持和倡导，大量的结构优化实践表明，在概念设计阶段大力推广应用结构优化设计，改变国内现有的设计理念与模式，把传统设计中被动重分析的过程转变为主动搜索各项设计参数的过程，能有效提高结构设计的效率和质量。其次，应从根源上简化结构优化设计的流程，弱化设计师在优化过程中的主导性，总结和收集在各种荷载作用下的各类结构或构件的优化结果，制成通用程序库及计算图表，以便于设计师根据不同的工程情况查用。
5结语
综上所述，推动优化技术在建筑结构设计中的应用，有待进一步扩大现有优化软件的优化深度和广度，使其更好的与现行规范和工程实际接轨；转变国内现有的结构设计理念与模式，从行业政策方面鼓励结构优化设计的推广和应用；在工程优化实践中，不断的总结经验以及完善结构优化设计的评价体系。随着优化理论和技术的愈发成熟，优化设计在结构设计领域中有着广阔的发展前景，相信有一天将成为设计师们高效、可靠的优选方案的有力工具。
参考文献：
[1]徐传亮，光军.建筑结构设计优化及实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]王乾玺.结构设计优化在房屋建筑结构设计中的应用[J].四川水泥,2020(11):275-276.
[3]王丹.结构优化设计原理及发展趋势[J].科技风,2016(01):206.
[4]白新理,马文亮.结构优化设计方法与工程应用[M].北京：中国电力出版社,2015.12.
[5]王永胜.结构设计优化在房屋建筑结构设计中的应用[J].建筑技术开发,2020,47(03):41-42.
[6]齐延丽.浅谈结构优化设计发展的影响因素[J].四川建筑,2007(02):174-175.
[7]徐峰.房屋建筑结构设计中建筑结构优化设计方法的应用探讨[J].门窗,2015(03):117-118.
[8]李方,孙春平,徐娇.浅谈结构优化设计的方法[J].四川建筑,2019,39(01):33-35.
项目基金：2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目，项目编号：2019KY1055