引論：我們為您整理了13篇優化設計與優化方法范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
1.1 機械優化設計的概念
機械優化設計是指最優化技術在機械設計領域的移植和應用，是以最低成本獲得最高效益。其根據機械設計理論、方法與標準規范等建立能夠正確反映實際工程設計的數學模型，利用數學手段和計算機計算技術，在眾多的方法中快速找出最優方案。機械優化設計通過把機械問題轉化為數學問題，加以計算機輔助設計，優選設計參數，在滿足眾多設計目的和約束條件的情況下，獲得最令人滿意、經濟效益最高的方案。目前，機械優化設計已成為解決機械設計問題的有效方法。
1.2 機械優化設計研究的內容
機械優化設計主要研究的是其建模和求解兩部分內容。 如何選擇設計變量、列出約束條件、確定目標函數。其中，設計變量是指在設計過程中經過逐步調整，最后達到最優值的獨立參數。設計變量的數目確定優化設計的維數，維數越大，優化設計工作越復雜，但效益越高，所以選取適當的設計變量顯得尤為重要。約束條件即是對約束變量的限制條件，起著降低設計變量自由度的作用。目標函數即是指各個設計變量的函數表達式，工程中的優化過程即是指找出目標函數的最小值（最大值）的過程。一般而言，目標函數的確定相對容易，但約束條件的選取顯得比較困難。
2 機械優化設計的一般思路與常見方法
2.1 機械優化設計的一般思路
2.1.1 分析問題，建立優化設計數學模型
在機械優化設計的過程中，首先需要通過對實際問題的分析，選取適當的設計變量，確定優化問題的目標函數和約束條件，從而建立優化設計的數學模型。
2.1.2 選擇優化設計方法，編寫程序
在設計變量、約束條件和目標函數三大要素已經確定，構建好數學模型的情況下，編寫計算機語言程序。
2.1.3 分析結果，找到最優方案
準備必須的初始化數據，通過計算機數值計算，對比計算結果，在眾多的設計方案中選擇最完善或者最適宜的設計方案，使其期望的經濟指標達到最高。
2.2 機械優化設計中的常見方法
2.2.1 傳統優化設計理論方法
傳統機械優化設計方法的種類有很多，按求解方法的特點可分為準則優化法、線性規劃法和非線性規劃法。準則優化法是指不應用數學極值原理而是采用力學、物理中的一些手段來謀求最優解的方法。常見的準則優化法有迭代法中的滿應力準則法等，其主要特點是直接簡單效率高，缺點是只能處理簡單的工程問題。線性規劃法是指應用數學極值原理，選取適當的設計變量和約束條件，求解目標函數的一種方法。常見的有單純形法、序列線性規劃法。其優點是通過把實際工程問題轉化為數學極值問題的求解，使其直接、有效、精度系數高，缺點是工作量大。非線性規劃法同樣根據數學極值原理求最優問題，可分為無約束直接法、無約束間接法。有約束直接法和有約束間接法。其優點是應用范圍廣，可應用于大、中、小型工程問題，且都相對簡單方便、可靠性高、穩定性強、精度高。
2.2.2 現代優化設計理論方法
現代優化設計方法不同于傳統優化方法，其無需通過選取設計變量、約束條件、目標函數等因素，便可獲得全局最優解，大大地減少了傳統優化設計方法花費的人力與財力，在日今復雜的工程問題中，提出了全新的思路與方法。常見的現代優化設計方法有遺傳方法、神經網絡法、模擬退火法、粒子群算法等。
3 機械優化設計的現狀與前景
機械優化設計是最優化理論、電子計算機技術和機械工程相結合的一門學科，包括機械優化設計、機械零部件優化設計、機械結構參數和形狀優化設計等。二十世紀五十年代以前，用于解決最優問題的數學方法僅限于古典的微分法與變分法，在處理現實問題時，計算量非常大。直到四十年代前后，大型線性規劃技術的提出，數學方法首次被運用到結構最優化，使得計算過程不再復雜，有效的解決了數值最優化計算。近年來，隨著數學規劃理論與計算機技術的飛速發展及廣泛應用，許多新興優化算法，如遺傳算法、神經網絡法等相繼被提出，機械優化設計廣泛地被應用到建筑結構、化工、航天航空等諸多領域并取得飛速發展。機械優化設計具有廣闊的發展前景。
機械優化設計給機械工程界帶來的巨大經濟效益是顯而易見的，但其工程效應比起預期遠遠小得多。歸結其原因，主要有以下兩點：（1）建模難度大。（2）最優方法的選取難度大。
雖然有以上不足之處，但是機械優化設計的發現前景仍是非常廣大的，且各領域也在積極做出相關的研究探索，并已取得一定的成就。
4 結語
機械優化設計即是指從眾多設計方案中需找最優方案的過程，一般包括建立數學模型、選擇優化方法、分析計算結果選擇出最優方案三個過程。根據不同的分類方式，機械優化設計的方法有很多，從傳統角度，最常用到的有線性規則法中的序列線性規則法等等，由于現在各技術領域的發展以及工程問題對優化設計的需求，衍生了很多與傳統方法原理完全不同的新興方法，最常見到的有遺傳算法、神經網絡法等。縱觀幾十年來機械優化設計的發展歷程，其發展是非常迅速且令人可喜的，雖然仍存在建模困難、優化方法選取等等方面的一些挑戰，但是其前景仍舊是非常廣闊的。研究機械優化設計的理論與方法無論是學術領域還是實際經濟效益方面都具有研究意義。
參考文獻：
[1]劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社，1993.
[2]陳立周.機械優化設計技術的發展現狀及其新問題.2000年中國機械科學部份研究的征文，1984.
[3]秦東晨，陳江義，胡濱生等.機械結構優化設計的綜述與展望[J].中國科技信息，2005（9）.
篇2
目前，隨著社會經濟水平的不斷提高，土地價格也在不斷上漲。同時，人民對住房條件的需求也在不斷上升，因此，對開發商帶來的壓力也在不斷加大。為了實現房屋建筑經濟效益的最大化，就需要采用結構優化技術，在有限的空間內實現資源的最大利用。房屋結構優化設計是指，采取科學合理的設計理念和技術方法來設計房屋結構，以最小的工程報價來最大化整體的建筑收益，提高房屋的質量水平，使得企業也獲得較高的利潤等。
一、我國目前房屋結構設計現狀以及實施優化設計的原因
隨著我國經濟的飛速發展，人民生活水平的不斷提高，對住房建設要求也越來越高。同時，根據我國目前的基本國情，人口數量日益增長，住房面積需求量不斷加大。因此，我國現階段住房建設主要以高層為主。房屋的結構設計優化不僅能夠滿足當今大眾的需求，更能為投資者減少建筑成本。
房屋建設結構優化必須以建筑的安全性為首要原則，然后再進一步分析建筑方案，配合科學合理的設計理念，從而有效控制建筑工程造價，實現經濟效益的最大化。根據近些年的數據資料顯示，優化建筑結構設計可以為整項建筑工程節省30%-50%的費用。但是，在實際的設計過程中，方案設計受自然因素的影響很大，很難發揮出其本身的優越性。例如，工程設計階段，施工方過多的縮短建筑設計時間，從而使設計效果達不到理想的要求，在縮短工程工期的同時也降低了工程設計質量；建筑設計時，設計人員的經驗不足，專業知識不完備，對一些設計軟件掌握的不夠精通；一些設計者在設計建筑時過度的關注部分結構而忽視了整體方案等等，這些因素都會導致建筑結構設計的不夠優化。因此，房屋建筑設計者必須科學合理的分析整體建筑方案，并設計出最優的結構，才能實現經濟利益的最大化。
二、房屋結構設計優化主要體現在哪些方面
房屋結構設計優化主要是采取合適的方法以及科學的設計理念來最大化的達到房屋設計標準，如：房屋結構的合理布局、構件大小、結構框架等。鋼筋混凝土結構的優化設計的基本理念是將建筑的具體部件以及整體布局進行分析，而頂柱、體形、層高以及拉力構件等等都會影響建筑物的整體布局。建筑構件的布局、強度等級以及配筋構造都是建筑物具體構件的體現。綜合以上因素，建筑方案結構需要專業知識豐富且熟知設計規范的工程技術人員設計，而且在設計時必須充分考慮各構件直接的受力特性，從而選取最優的設計方案。
三、房屋結構優化設計技術
（一）優化技術的基本原則
在工程設計優化過程中，必須以工程設計和工程價值為基本原則。優化結構設計的最終目標是充分利用建筑材料，實現建筑構件利用的最大化。優化結構設計不僅遵守建筑設計規范，更實現了當今建筑的審美學和價值學。通過深化改善房屋結構設計，從而實現建筑功能更加協調完善，降低建筑成本，提高經濟效益。
房屋結構的優化必須從實際工程施工出發，結合房屋結構的具體情況，實現房屋建筑的結構的最優化設計。在進行結構優化時，必須依據設計意圖，采用平面設計布局，降低構件質量和剛度之間的差異，減小水平負載造成的房屋扭曲，在豎直方向上采用轉換層技術，有效地降低構件的集中用力。
（二）優化設計的基本的要點
1.依據設計規范
工程師在設計建筑結構時必須具備豐富的建筑設計經驗以及熟知設計規范。即依據科學的設計理念，將自身的優化方案融于整個工程項目設計中去。建筑結構設計規范更多是對于工程較大的項目，因而會造成某些規定過于保守。另外，在工程設計比較特殊或復雜時，依據某些規定將會造成建筑物的不安全。因此，這就要求設計師在建筑設計過程中必須具備良好的專業素質以及清醒的思路、正確的判斷力，爭取將建筑結構設計做到最優。
優化房屋結構設計過程中，應注重建筑構件的細節優化，如：建筑構件的受力鋼筋，在滿足塑性的條件下盡可能的選擇性價比較高的產品，從而實現房屋結構的經濟、安全。
2.結構師主動參與建筑設計
在工程施工前期以及施工過程中，建筑結構師的主動參與對整個房屋結構優化起到關鍵性作用。在實際的工程施工過程中，建筑設計師往往不能夠對整個結構體系進行很好的受力分析，即建筑結構師的設計理念以及其自身具備的經驗不能完全代替設計師的設計思想，同時，建筑與結構上專業知識的隔閡也無法彌補。建筑結構設計師其豐富的工程設計經驗以及專業設計理論，積極主動的為設計師出謀劃策，只有兩者的順利合作才能設計出更加優秀的方案。
目前，我國的房屋建筑設計總是先從建筑的結構布局開始，根據結構承載負荷的不同分析所需的材料、參數等，往往這種分析方法是計算機所不能計算出的，它需要建筑結構設計師充分論證整個建筑設計方案之后做出的判斷。而這些判斷需依據實際工程實踐經驗以及結構設計所遵循的一般規律進行。
3.加強設計團隊之間的合作
優化房屋結構是一項整體而系統的工作，它需要團隊之間的協調合作。現代建筑主要由結構、設備、建筑三大要素組成。因此，在工程施工過程中要明細團隊內部分工，并做好團隊合作，只有這樣才能有機的結合各個構件創造出更加完美的作品。在建筑工程設計階段，房屋的結構設計和建筑設計是不可分割的，只有協調好兩者之間的關系，才能設計出更加美觀大方的建筑方案，同時，又降低了建筑成本，簡化施工過程，達到既美觀又實用的建筑效果。通常建筑設計師在設計建筑時，只是一味的要求設計方案的新奇，而忽略了建筑學中基本的力學關系，這樣設計出的方案往往在結構設計上造成困難。因此，團隊之間的協調合作是房屋結構優化的重要保障。
4.優化房屋建筑結構，解決房屋抗震問題
房屋結構的優化不僅僅能降低建筑成本、增加建筑美觀、簡化施工過程，更能加強房屋的抗震作用。通過房屋結構優化技術，可以增加房屋抵抗外部作用的破壞，有效地降低房屋破壞程度。因此，在房屋結構優化設計過程中，抵抗外界各種不良因素的影響成為結構優化設計工作的主要內容。在日常的外界不良因素中，地震是最難以預測且對房屋建筑物破壞最強的，所以在房屋計算及構造上必須加強抗震措施。如：房屋構件剛度的對稱性以及均勻性都可以有效的緩解地震對建筑物的破壞；多道防設設計理念可以有效緩沖特大地震對房屋主構件的破壞。以上這些設計思想都是房屋結構設計的重要內容。
四、總結
工程造價對整個工程項目的經濟效益起著關鍵性作用，因此優化房屋結構設計，不僅可以降低整個工程的造價成本，更能提升整體房屋的安全級別。結構設計與建筑設計的協調配合，充分發揮其自身的優勢，設計出最優的房屋結構。在平面設計過程中，應遵循對稱、均勻的原則，縮小房屋構建質量與剛度之間的差異。在豎直布置上，保證上下承重件負載的上下貫通。建筑是藝術的表現，在保證房屋安全的前提下，結構師應敢于創新，將房屋的實用性與藝術性完美的結合在一起。
參考文獻：
[1]侯貫澤，劉樹堂.工程結構優化設計理論與方法[J].鋼結構，2009，2（8）：148-150.
篇3
對于一個項目，工程結構總體的優化設計主要是針對圍護結構、屋蓋系統、結構體系、基礎形式以及結構細部等進行相應的設計方案的優化設計。在設計的時候還必須考慮到相應的布置、選型、造價以及受力等方面的問題，然后根據工程的實際情況并結合建筑物的經濟性要求，對建筑結構進行相應的優化設計。 為了適應時展的要求，建筑的結構形式必須不斷的進行創新。對于結構設計師來說，要在確保建筑結構具有一定的安全保證的基礎上設計更合理、更經濟、更能體現創新的結構形式。
1 結構設計優化技術的現實意義
對建筑結構的設計進行必要的優化，在對于房屋結構相關的設計中的應用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實用與美觀，而且還可以有效地對工程造價進行控制。對于建筑商來說，其當然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對建筑結構的科學性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對建筑結構進行優化設計。
結構設計優化和傳統房屋結構設計進行比較我們可以發現：運用設計優化的技術能夠降低整個建筑工程造價10%～40％。結構設計優化技術能夠使得建筑結構內部的每個單元都得到最佳的協調，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關規定的安全系數，還能夠實現建筑結構設計的經濟性與實用性。
2 結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟
2.1 建立結構優化的模型
在我們對房屋結構整體進行必要的優化設計時候，可以分成三步進行建筑結構的優化設計。下面將對每一步驟進行詳細的介紹：
2.1.1 要對設計變量進行合理的選擇
通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望C2 和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。
2.1.2 對目標函數進行確定
在進行結構設計優化的時候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應的失效概率的函數，使得工程造價最少。 針對目標函數進行的優化設計都有條件和相對的，即為“最滿意解”而不是最優解。
2.1.3 對約束條件進行確定
對于房屋的結構的設計優化來說，必須在確保結構整體可靠的基礎上，對優化設計相關的約束條件進行相應的確定，設計優化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束等約束條件。在進行結構設計的時候，我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，確保每個約束條件都必須滿足相應的要求，化繁為簡，抓大放小，以實現最佳的設計。
2.2 對優化設計的計算方案進行設定
根據可靠度進行的房屋結構的優化設計具有多約束且非線性的優化問題以及復雜的多變量，在進行相應的分析計算中，一般把有約束的優化問題轉換成無約束優化問題的求解。常用的優化設計的計算方法有拉格朗日乘子法、復合形法、準則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準側的計算方法。
2.3 進行程序的相關設計
針對具體的工程設計，我們可以根據不同的設計要求選擇有限元分析軟件或者設計配筋軟件，可以選擇針對具體構件進行有限元分析或者是針對整體結構實際工程計算分析。針對復雜的超高超限的工程可以進行專門的不同目標函數的優化設計，具體可選用結構優化設計系統MCADS。
2.3 結果分析
我們必須對相應的計算結果進行必要的分析比較，選擇出最佳的設計方案。在這個過程中，我們對出現的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結構滿應力設計中病態桿的出現等。這一步驟在建筑結構設計優化中尤其重要，合理的選擇設計方案，不僅能夠確保結構的美觀、安全性、合理性以及實用性，還能夠對施工中的資金的投入有著重大的影響。在結構設計優化中只強調經濟性要求，而忽略技術要求，是不正確的；同樣只考慮技術要求，忽略經濟性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現行規范的前提下，區分“應”和“宜”，對兩者進行合理的配置，才能達到相關要求。
3 結構設計優化技術的實踐應用
當下，限額設計已經成為常態，建設商經常附加各種各樣的設計條件，對于這樣的項目我們可以從前期設計、整體設計、舊房改造以及抗震設計等方面采用結構設計優化設計的方法來節約造價。下面對實踐應用中的問題進行簡單的說明：
3.1 結構設計優化應注意前期參與
前期方案直接會影響到工程的造價，然而很多建筑物的設計往往忽略了這一點。項目立項后，結構師應該及時跟進，對建筑方案提出合理的指導意見，避免出現超限、超規范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結構形式以及合理的設計方案，節約造價占50%以上。
3.2 概念設計結合細部結構設計優化
在沒有具體數值量化的情況下，我們可以使用概念設計。例如，對地震的烈度進行設防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實際相符合的計算式，所以在進行設計優化的時候我們可以使用概念設計的方法，把相應的數值作為參考與輔助相關的依據。同時在設計過程中，相關結構設計人員必須合理并靈活的使用結構設計優化的方法，從而達到最佳的效果。
在設計過程中必須對細部的結構進行相應的設計優化，物盡其材。例如，豎向柱構件采用高強度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對于水平構件來說就可以降低混凝土標號，這樣既可以達到受力要求，又可以節約成本。后期的優化設計和細部結構精細化設計能節約一定的經濟成本。此階段通過優化設計能節約造價10%以上。
3.3 下部地基基礎結構的設計優化
基礎的設計尤為重要，基礎造價能占到結構成本的30%左右，在地基基礎的結構設計優化中，我們必須選取合適的基礎方案，確定合理的持力層，盡量選擇天然地基，樁基能不用則不用，可以有效降低成本、節約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據樁端持力層的厚度選擇合理的樁長，并根據土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對于管樁，同樣直徑可以考慮選用方樁，能夠提高20%的摩擦力。通過對多種設計方案進行必要的分析比較，然后選取最佳的設計方案。
4 結語
對于住宅建筑，目前限額設計已經成為常態，傳統的結構設計理論與方法已經無法滿足建設商的要求，在目前的設計中采用優化設計已經成為無法回避的問題。通過選擇合理的結構體系以及基礎方案，充分利用材料強度，降低自重，活學活用規范做到精細化設計能夠節約可觀的工程造價，適應建設綠色可持續發展社會的要求。
參考文獻
[1]張炳華.土建結構優化設計[M].上海：同濟大學出版社，2008：34-36.
篇4
應變天平是通過天平元件的形變來對模型受到力的大小、方向、作用點等進行測量，是基于物理原理的以一種設計天平。桿式應變天平在測量領悟發揮著十分重要的作用，對靈敏度要求較高，需要能夠在力的改變較小的情況下有明顯的輸出信號。而靈敏度提高的同時，天平的剛度和強度也需要有所保證才能保證數據的準確測量。為了解決這兩者的矛盾，本文采用序列二次規劃優化算法，重新優化設計桿式六分量應變天平。
1、 天平元件結構形式
一般來說，為了減少阻力元件受到的干擾，量程小、容易擾的阻力（X）元件置于天平的中心對稱面處，升力Y、測力Z、俯仰力矩M、偏航力矩My以及滾轉力矩Mx這五個測量模型五分量復合元件布置于阻力元件的兩側。“I”型梁的阻力元件加工方便、抗干擾能力強，五分量復合元件的結構形式有三兩式、四梁式以及矩形梁等等。
2、 優化設計方法以及數學模型
序列二次規劃法利用數學軟件進行處理，能夠對天平元件參數優化中的非線性限定條件極小化問題提供解決方便。通過MATLAB軟件，利用二次逼近算法，將非線性規劃問題轉化為標準二次規劃問題，便可以得到相關問題的解。利用序列二次規劃法的優勢在于其在構造二次規劃問題時有較好的收斂性。
下面，以桿式六分量天平的阻力元件和四梁式五分量復合元件，建立優化數學模型。
（1）桿式六分量天平阻力元件
“I”型梁和支撐梁如圖1所示。
在阻力元件加工時，圖中的l1和l2通常取相同長度，b1和b2一般也取相同值。n1（主測梁數）=2，n2（支撐梁數）=12。定義設計載荷為X、Y、Z、Mx、My、Mz，定義許用應變為、、、、、，定義許用應力為，彈性模量用E表示，剪切模量用G表示，則可得到一下表達式。
通過將本次優化結果與傳統試湊法的設計結果進行比較可以發現，在保證天平尺寸基本不變，輸出應變一致的情況下，天平元件的橫截慣性矩得到了顯著提升，約在4%～13%。
3、 結語
從以上的模型中我們可以看出，通過序列二次規劃法進行桿式應變天平的優化設計，可以有效改善各分量之間的干擾。
篇5
一、結構設計優化方法的理論基礎
在進行工程項目和結構設計的過程中，需要考慮的因素很多，最終目的是要在保證設計對象基本適用功能和安全可靠性的情況下，把設計對象設計到最好的程度。這就涉及到工程和結構最優化的問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數學方法，在所有可能的設計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案[2]。
從建筑理論上分析結構設計優化方法可以得知，結構設計優化方法主要體現在兩個方面，其一是房屋工程部分結構的優化設計，其二是房屋工程結構總體的優化設計。后者的優化設計包括：屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，在實施過程中，應遵循一定的原則，結合具體工程的實際情況，從實際出發，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益目標進行結構優化設計。
在設計安全被保證的情況下，建筑師應開拓創新，挑戰新的結構形式。在建筑結構設計的過程中，建筑師的設計意圖應能夠得到基本滿足，應設置盡量符合規則的平面布局，使其對稱；同時減少質量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產生太大的扭轉效應。在豎直方向的布置上，應確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構件；為使結構分析和設計上的難度不致于太大，減少不必要的經濟浪費，使應力分散，轉化層應盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會產生嚴重的應力集中現象，這是非常不利于結構抵抗水平動力荷載的[3]。
二、結構設計優化技術的意義所在
在房屋結構設計中運用建筑結構設計可以起到非常好的效果，這不僅可以使房屋看起來更加美觀，用起來更加實在，而且也能夠節省大量的造價，起到良好的效果。采用設計優化的方法與采用傳統房屋結構設計方法相比優點是十分明顯的，它可以使建筑工程造價得到大幅度降低，降幅可達30%左右。要實現優化方法的技術性問題，材料的性能要合理利用起來，爭取協調好建筑結構內部的各單元，達到建筑規范所規定的安全水平。同時，優化方法的技術性實現還可以合理決策建筑整體性方案設計，它可以有效實現建筑設計的經濟化、實用性和適用性的良好目標。
三、結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟
（一）結構優化模型
房屋結構整體優化設計方法分以按3 個步驟進行。首先，選擇設計變量。一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量，如目標控制參數（結構造價C1 和損失期望C2）和約束控制參數（結構的可靠度PS）；而將那些對設計要求來講，變化范圍不大或是根據結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數等作為預定參數，這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量；其次，確定目標函數。尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，從而使總費用最小；第三，確定約束條件。房屋結構基于可靠度優化設計的約束條件，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中，要使結構優化設計應用于實際房屋結構工程，則是路房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較，保證各約束條件都符合現行規范的要求，以實現最優設計。
（二）設定優化設計計算方案
房屋結構基于可靠度的優化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優化問題，一般情況下，在計算過程中，應轉化問題求解，即將有約束優化問題轉化為無約束問題。可以利用起來的優化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。
（三）進行程序設計
根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。
（四）結果分析
對計算結果進行分析，確定最優設計方案。在上述步驟的執行過程中，涉及的問題包括多個方面，所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因為建設投資這項工程的耗資非常大，涉及到的情況非常多，在設計中片面強調經濟節約是不正確的。應滿足技術上的相應要求，使項目達到相應的功能要求，與此同時，要反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。
四、結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用
（一）直覺優化（概念設計優化）技術與建筑結構設計
對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法：分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷[4]。而判斷只能在結構設計的一般規律指導下，根據工程實踐經驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。
（二）概念設計處理的實際建筑設計問題
概念設計所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或將破壞程度降至最低。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。
總而言之，建筑結構優化設計方法的研究涉及面廣泛，具有十分復雜的特點，是一項綜合決策問題。適用、經濟、安全、便于施工和美觀是建筑工程設計優化追求的五種效果，而這五個方面的側重點各不相同，相互之間又存在一些矛盾的地方，一個優秀設計的出現往往
是這五個方面的最佳結合。所以，在進行建筑設計的實踐過程中，應加強實踐探索，降低經濟成本，以達到經濟效益的最大化，從而在保證經節約經濟成本和達到美觀要求的情況下合理進行結構設計。
參考文獻
[1]王智鋒，孫之如. 建筑結構概念設計的優化[J]. 河南水利與南水北調. 2010（09）
篇6
一、開展建筑設計方案優化工作的意義
在建筑設計方案的招標的過程中，中標的設計方案會在一定程度上優于其他方案，但并不是說中標的方案是完美的，因為在建筑方案的設計過程中不允許設計單位與建設單位之間有過多的交流，這就使得設計人員在進行建筑方案的設計過程中，不能完全的與建設單位進行設計思想的交流，在這樣的情況下設計出來的方案是很難完全符合建設單位的設計要求的，另一方面，為了加快招標的進度，通常在招標的過程中都要求設計單位進行概念設計方案，對于建筑中的具體的細節在設計方案中并沒有反映，確定中標方案之后再進行設計方案優化是非常有必要的。
現代的建筑項目在建設的過程中，要考慮的影響因素非常的多，法規、景觀、環保、交通等各種內外部的制約條件都需要全面的考慮，在招標的初期，沒有設計方案的初期模型或效果圖，建設單位很難就此提出詳細的要求，對于建筑風格、功能需求等的描述往往是一個模糊的概念，在確定中標方案之后，還需要對建筑設計中的各項技術要求進行進一步的細化，確定出詳細的建筑設計方案。
在建筑設計方案的招標過程中，參與競標的設計方案是各種各樣的，招標的過程同樣是一個集思廣益的過程，在招標的過程中，能夠發現各種設計方案中的亮點，以及有使用價值的設計思路，在招標工作結束之后，中標的單位，能夠通過與其他設計單位進行比較，找出自身的設計方案中的不足，對自己的中標方案進行改進與優化，由此可見，進行建筑設計方案的優化是有重大的意義的。在一些大型的復雜的建設項目中，設計方案的優化已經成為必不可少的環節，在建筑設計方案的招標工作結束之后，建設單位不能忙于開始建設工作，要對設計方案進行深入充分的優化，對于設計中的各項工作予以明確，這樣才能為后續的工作打好基礎，有利于后續工作的順利開展。
二、建筑設計方案優化的原則及方法
建筑設計方案的優化是建筑設計工作中的重要的組成部分，開展建筑設計方案的優化是非常有必要的，但是有的建設單位在開展建筑設計方案的優化的過程中，采取了錯誤的方法，導致對招標方案的改動不僅沒有起到設計方案優化的作用，反而使原有的設計方案遭到了丑化，因此，在進行建筑設計方案的優化的過程中，要遵循一定的原則，采用正確的優化方式來開展優化工作。
1、自頂向下的開展優化工作
中標的設計方案大多采用的是概念設計，在設計方案的優化階段要開展具體的、深入的方案設計，這時要首先進行宏觀上的優化設計，對于本階段需要完成的重要事項予以重點的關注，對于具體的局部的細節可以在工程的設計階段進行詳細的設計，在后續的設計工作中有可能會對一些早早確定的設計細節進行廢棄，以達到優化的目的。
2、堅持中標設計方案中的核心內容，杜絕顛覆性的方案修改
大型的項目建設中的中標方案是受到建設單位的高層的領導的認可的，并且在法律中是具有明確的規定的，在建筑設計方案的優化工作中，不能對設計方案進行顛覆性的修改，只能充分的挖掘原有方案中的亮點。
3、方案優化的過程中應該選用專業的設計人員
在建筑設計方案的優化工作中，很容易出現對中標方案的丑化現象，造成這樣現象的因素有很多，但是其中的主要的影響因素是非專業因素的影響，很多建設單位的領導強行的將自己的主觀意識應用于建筑設計的方案優化中，對建筑設計師的設計空間有了一定的抑制作用，建筑設計方案的優化工作要能夠保證優化之后的方案具有合理性與科學性，這是一項具有很強的專業性的工作，建筑師在方案的優化工作中要能夠運用專業的技術手段與方法，在優化工作中起到主導的作用，建設單位要給予建筑設計師充分的優化權力，促進優化工作的順利進行。
三、建筑設計方案優化工作中應該注意的要素
1、建筑設計方案優化工作中的成本要素
在建筑的設計中對成本指標必須嚴加控制，在建筑方案的設計階段，設計單位關注的是建筑成本的估算，但在建筑設計方案的優化階段，需要結合中標方案中的各項設計內容，對成本要素進行分析，并開展基于成本的各項技術指標的協調工作。
2、建筑設計方案優化工作中的功能要素
在方案的優化階段，建筑設計方案的初步形態已經顯現，這時需要對中標方案中的功能要素進行分析，并對相應的功能要素進行驗證，在對功能的梳理、分析的過程中，往往會激發出新的創意及想法，使得建筑設計方案中的功能要素更加的完善。
3、建筑設計方案優化工作中的文化要素
建筑設計中的文化要素通常難以用具體的語言來進行描述，但是其涉及的范圍十分的廣泛，涉及到建筑單位的組織文化、風格定位、地域風情、民族、文脈、歷史等各方面的內容，建筑設計中的難點之一就是對建筑物的文化要素進行正確的把握、合理的表達，要想在招標工作中，設計方案得到認可，對文化要素進行獨特的詮釋是非常重要的，在設計方案的優化階段，同樣需要對建筑設計中的文化要素進行反復的推敲、論證，對建筑物進行準確的文化定位。
結束語
為了保證建筑工程設計的質量，很多大型的建筑項目在進行設計方案的選擇的過程中，都會以招標的形式來進行，而建筑設計方案的優化逐漸成為建筑項目的設計過程中必不可少的程序，對建筑設計方案進行科學合理的優化，能夠有效的提升建筑項目中的設計方案的質量，這就需要建設單位重視建筑設計方案的優化工作，在優化工作中遵循優化原則，選擇正確的方法進行設計方案的優化。
篇7
【 key words 】 architectural design; Scheme optimization; Strategies; methods
中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A文章編號：
引言
建筑設計的理念是著眼于持久的長期價值，它通過良好的功能與適用性的產品，在很長一段時間里，能夠給消費者帶來很高的價值。因此在目標要求、市場要求、銷售要求、材料要求、結構及其要素的合理選用與商品生命周期間的配合下。形成了最佳配比和系統優化的組合，避免了資源的浪費及增加無效的投入。
一、建筑設計方案優化的必要性
建筑設計方案優化是在建筑設計招標工作結束后 建設單位 與中標設計單位需要立刻展開的一項重要工作，其必要性在于：
1、中標設計方案有待成熟與完善
方案中標并不意味著方案的完善。通常情況下，自招標文件公布至提交方案．留給設計單位的有效設計周期不會超過40天。同時，依據招投標法規，招標期間建設單位與設計單位之間，除“答疑 之外不能進行其他方式的溝通，因此，在有限時間與有限交流的前提下，要求設計單位拿出能夠充分領悟建設單位意 圖、完全滿足建設需求的方案是不現實的。此外為了加快進度，目前建設單位一般都采用”概念設計方案 招標。在功能布局及 技術標準等方面，中標設計方案的深度難以直接銜接后續的相關設計活動，需要在設計方案優化階段加以深化與細化。
2、建設單位的技術要求有待明確與落實
目前的建設項目 尤其是大型復雜建設項目，面臨功能、交 通、環保、景觀、法規等越來越復雜的內外部環境條件和設計約 束，在缺乏建筑設計方案雛形的情況下，建設單位很難提出明確 詳細的設計要求，其在設計招標文件中對功能需求建筑風格的描述往往是模糊的或是框架的。因此，在明確中標方案后，應該 基于中標方案的建筑布局，對各項技術要求、功能需求及設計約 束進行逐一細化、優化和協調 并最終落實和確認。
3、集思廣益，博采眾長
中標方案僅為一家單位的設計成果，其設計思路的局限性在所 難免。而設計招標過程中，少則三家，多則十幾家單位參與設計，各投標方案的設計手法、設計亮點對開拓建設單位和中標設計單位的思路是有價值的，可以在設計方案優化階段集思廣益、博采眾長，充分借鑒其他投標方案的優點，對中標方案進行優化完善。
鑒于這些情況 對于工程建設項目，尤其是大型復雜建設項目，方案優化工作已成為工程建設過程中不可或缺的工作程序和環節。建設單位要摒棄建筑設計方案優化可有可無的思想誤區，在設計招標結束后不要急于展開后續設計，而要發揮各方優勢，對中 標方案進行充分的優化和深化，使各項功能指標及技術措施更為合理，建筑風格定位更為準確，造價與運營成本更為經濟，并為后續工程設計、工程施工等環節提供科學、系統的工作依據。
二、建筑設計方案優化的風險與原則
建筑設計方案優化的初衷往往都是好的，但是否所有的優化工作都能夠實現目標呢？一些建設單位和設計單位雖然投入了大量精力、時間進行方案優化，但由于工作方法不當，往往出現調改了一個地方，卻引發更多相關問題的現象。 因此，為了實現優化目標，達到理想的優化效果，在建筑設 計方案優化過程中，如下幾條原則是應該嚴格遵循的：
1、堅持并充分發揮專業人員的主導作用
優化不成反遭劣化的原因可能來自多方面，但非專業因素過多地干預甚至主導優化過程是其中一項主要原因，一方面是建設單位的參與熱情或領導的主觀意愿不知不覺中影響或壓制了建筑師的創作空間：另一方面，中標單位也常常存在任務完成式的被動工作心態“既然已經中標了 業主單位說怎么改就怎么改吧! ”結果是系統思考不足引發更多的問題，造成方案的劣化。雖然建筑設計方案優化是一項需要多方參與、博采眾長的 活動，但同時也是一項專業性極強的工作。為確保優化方案的科學性與合理性，來自各方面的的意見與建議必須要經過建筑師 的整理、甄別與過濾后，通過專業的設計手段與技術舉措加以落實。建筑師要摒棄任務完成式的消極態度。積極承擔起方案優化的主導責任。同時，建設單位要給予建筑師以充分的信任與授權，并在工作程序、機制上給予保證。
2、識別并堅持中標設計方案的精髓，避免顛覆性的修改
設計招投標制度對中標方案的法律地位是有明確規定的，且大型重要項目的中標方案一般都經過了建設單位高層領導的認可，所以不能敞開來優化，而是應該充分挖掘、識別、提煉出原有中標方案的亮點，在保持原有方案精髓的基礎上開展設計優化。
三、建筑工程設計方案優化的途徑。
1、主管部門應加強對優化設計工作的監控
作為《建設工程質量管理條例》配套文件之一的《建筑工程施工圖設計文件審查暫行辦法》已由建設部頒布施行，它的實施將對控制設計質量提供重要保證，但《辦法》中規定的審查主要針對設計單位的資質、設計收費、建設手續、規范的執行情況、新材料新工藝的推廣應用等方面的內容，缺乏對方案的經濟性及功能的合理性內容的審查要求。因此，為保證設計方案優化工作的順利開展，建設主管部門在執行《辦法》的同時，還要制定設計方案優化的評定標準和具體實施細則，并增加專業技術人員配備和審查力度，對各階段設計成果進行全面審查。既要審查技術可行性，又要審查經濟合理性。
2、推廣標準化設計
標準化設計又稱定型設計、通用設計，是工程建設標準化的組成部分。各類工程建設的構件、配件、零部件、通用的建筑物、構筑物、公用設施等，只要有條件的，都應該實施標準化設計。采用標準化設計的優點有：設計質量比一般工程設計質量高；可以提高勞動生產率，加快工程建設進度；可以節約建筑材料，降低工程造價。
3、建立必要的設計競爭機制
為保證設計市場的公平競爭，設計經營也應采用招標投標。
（1）作為業主，應明確設計招標雖需多支付設計費和增加前期準備時間，但設計方案優化可節省更多的投資。為此，各地首先應成立合法的設計招標機構。
篇8
隨著我國房地產行業的快速發展，房屋建筑的結構設計也在不斷響應時代的要求。在房屋緊缺的年代，房屋的實用性是房屋結構設計考慮的最主要因素。如今，時代在變化，對房屋建筑的結構設計的要求從實用性轉變成為了實用性與美觀性并存。同時對房屋建筑的結構設計還要考慮到房屋施工的時間與材料等一系列因素。房屋建筑的設計理念是房屋施工建設的重要內容，因此房屋建筑的結構設計優化，對我國房屋建筑行業具有重大的現實意義。
1.房屋的結構優化設計模型和設計方案
房屋結構優化設計主要在：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。除此之外，在優化的過程中還要考慮到布置、受力分析、造價分析等方面，對于整體結構優化，最終達到預想的優化目的。在設計的過程中，一定要嚴格的遵照設計的理念，對于平面的設計一定要規則對稱是剛性度有質量中心最大限度的重合，這樣對于整體的質量框架能夠更加的堅固。結構的優化，可以使工程更加的有保證，對于整體設計理念更加的符合工程的要求。
1.1結構優化設計的函數模型
結構設計優化就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟是：設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。
1.2房屋建筑結構設計的方法
（1）當結構平面圖在繪制結構平面布置圖時，需要輸入結構軟件進行建模。建筑物根據設防類別、烈度、結構類型和房屋高度進行相應的計算和構造措施要求。
（2）屋頂（面）結構圖當建筑是坡屋面時，結構處理方式有梁板與及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面，折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。
1.3房屋建筑的結構優化設計方案
結構優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。
2.結構設計優化在應用中注意事項
結構設計優化主要應用在對于房屋建設的整體規劃、地基建設、抗震設計、水電管道設計中都發揮著重要的作用。房屋結構優化可以使房屋的實用性與美觀性達到完美的融合，還可以降低工程的運行成本，提高建設效率。但是結構設計優化在應用中還需要注意一下幾個方面：
2.1前期方案
前期方案是整個工程運作開始的階段，也是非常重要的階段，因為它直接決定了工程建筑的成本預算。如果房屋結構的設計沒有與前期方案的制定進行協調，就會造成各司其職，不能完成最后的和諧統一。因此未來的房屋結構設計應該參與到建筑師對房屋建筑的設計中去，互相聽取雙方的意見，達到利益的最大化。良好的開始是成功的一半，因此前期方案要充分考慮到對結構設計中可能產生的問題，雙方深入的討論，直至達成一致的意見，互惠互利，降低建筑投資總成本。
2.2細節結構設計優化
概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。
3.結構設計優化的意義
3.1節約建筑成本
對于企業來說，獲得利益是最終的目標。獲得收益是企業發展的目的，尤其是建筑行業。隨著人們對房屋結構要求的提高，以前的工程設計圖與施工方案很難滿足人們的要求，而且舊的結構設計方式，也會增加企業的成本，使企業獲得的收益降低。因此各個建筑行業都要尋求一個兩全其美的辦法，既能夠節約建筑成本，又可以提高企業的經濟效益，同時還可以滿足人們的需求。這就需要對房屋結構設計進行優化改革。
3.2提高房屋建筑結構實用性
如今土地資源緊缺，經過政府的合理的城市規劃，提出了改善房屋結構設計的辦法。近年來我國高層建筑鱗次櫛比，已經逐漸形成了建筑設計的特色。為了應對高層樓房的現實因素，也需要對房屋建設的總體進行優化設計，提高建筑結構的實用性。房屋的設計要考慮到安全的因素，房屋的層級不同，對施工的要求也會不斷增加，相關材料的使用標準也是不同的。房屋結構設計的優化要考慮到流水管道的排列問題，電線在墻體的走向問題、媒體管道的安置問題、還有地熱供暖管道的排列問題等等。同時房屋結構設計者還要考慮不同樓層的采光條件，還有室內格局。好的格局也是人們選擇房屋的關鍵。各種實際問題都構成了房屋建筑的實用性問題。因此對房屋結構設計的優化，可以很好的解決上述問題帶給人們的困擾，提供給人們一個安心、舒心的住宅環境。近年來，人們對住宅的美觀性也在不斷提升，這跟房屋的格局，和整棟樓房的整體形態有關，為了不斷適應市場經濟的發展要求，滿足人們的各種需求，要求我們要對房屋建筑結構進行優化與應用。
4.結語
對于房屋建設來說，房屋的結構設計尤為重要，優化結構設計可以節約房屋建設的成本，提高房屋建設的效率，不僅可以提高專業技術的指標，而且還能符合廣大受眾的需求。本文通過對房屋結構設計優化的模型和設計方案，提出了一些好的措施，針對現行的房屋結構設計在實際應用中存在的問題，提出相應的解決方案。房屋結構設計優化可以設計出更合理的房屋建造模式。滿足人們對房屋結構的要求，設計出高質量、安全、舒適、健康的生存環境。推進我國建筑行業向更廣闊的方向發展。 [科]
篇9
1.1、安全性
在房屋建筑結構優化的過程中的過程中首先要考慮的就是穩定性與房屋建筑結構的安全性，并且在優化時要盡量節約房屋建筑結構的優化成本，在進行優化方案設計的過程中要緊跟當今社會所倡導的綠色健康無公害的步伐，積極將健康綠色的理念引入到房屋建筑設計的方案中。另一方面房屋建筑優化結構設計也應積極響應國家所倡導的節能理念，要充分利用自然能，設計時應充分考慮怎么設計才能讓自然能發揮其最佳的效果。
1.2、環保性
房屋基礎結構直接關系到房屋結構的整體功能和穩定，因此在基礎結構設計環節中要全面應用建筑結構設計優化方法，對地基地質、樁基類型、基礎結構等方面的設計進行全面地控制，合理確定樁基工程的形式，把握樁身長度和直徑，優化基礎結構的方案，確定基礎結構、施工技術和資金投入的平衡點，在全面進行建筑結構設計優化的基礎上，提升和保證房屋整體結構強度、結構穩定性。
1.3、經濟性
考慮開發商的經濟效益設計師們在優化結構時，也要考慮建筑項目資源分配的最優化，盡力的為開發商節約資源和成本。
1.4、創新性
實驗一些新的結構和思路建筑設計師在對建筑結構設計進行綜合考慮時，需要充分結合之前的經驗和教訓，大膽的進行創新，實驗一些新的結構和思路，不斷引進新的技術。總之，要注重使得其設計的建筑作品在優化的同時也要具有實用價值。
2、房屋建筑的結構設計優化方法
2.1、建立結構優化模型
結構優化設計通常情況下分為兩部分，一部分是結構優化設計模型，另一部分就是結構優化計算方案。所謂的結構設計優化就是變量中選擇出主要的參數，然后根據數據分析建立起函數模型，運用函數模型借助較為科學的方法計算出最優解。建立模型的步驟一般有以下幾步：一、選擇合理的設計變量。設計變量的選擇對于模型的構建具有重要的意義，設計變量的選擇將會影響到對設計要求影響較大的參數的選擇，進一步涉及到參數重要性的區分問題。選擇出了合理的設計變量在很大的程度上能夠減少計算編程的工作量；二、確定目標函數。首先找出滿足函數條件的最優解，然后確定約束條件。在房屋的優化設計中存在著很多的約束條件，其中有：應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從彈塑性約束等，在進行優化設計時要確保所有的約束條件都在規定的范圍內，能夠滿足設計規范，即在規范條件內滿足約束條件。
2.2、設計計算方案和程序
在進行結構優化中，設計人員應保證計算方案合理優化。在這個過程中，涉及很多約束條件和變量，所以在設計人員在進行計算中，要了解這些約束條件，然后進行合理的分析，最后考慮工程的變量，運用數學計算方式，進行優化設計。在模型建立和設計方案確定后，設計人員要根據設計方案制定相應的程序，然后將這些變量錄入到計算機中，然后有設計變動，就要在基礎結構上進行改寫，將新的程序錄入到計算機中。計算機在計算中只需要相關編程數據，然后計算出對應的結果。
2.3、認真分析統計結論
設計師在進行大量復雜的計算之后，要認真對統計結果進行分析，并找出各個設計方案所得結果的異同，綜合考慮設計情況與進展確定最優設計方案。在進行結論分析時，設計師還有對一些細節問題多加留意。房屋的建設是一個漫長的過程，需要消耗大量的人力、物力，建設成本對于建設單位的利益和房屋使用者的利益都有很大的影響。因此，設計師需要在把握細節的基礎上，從宏觀上把握當事人的利用，有效節約建設成本，進一步優化建設方案。在進行建筑結構優化設計時，設計師要杜絕脫離建筑實際，盲目追求創新的現象。同時，設計師應當具有全局意識，一切從企業、人民的利益出發。
2.4、靈活運用建筑結構設計規范
設計人員需要全面理解規范條文，正確靈活的運用建筑結構設計規范。例如在規范中對剪力墻設計的要求是剪力墻需要上下貫通，剪力墻的布置位置最好是在結構的，因為這樣可以增強結構的抗扭作用，從而讓建筑結構的剛度有連貫性且變化情況穩定，但是作為一個優秀的工程結構設計師，應該靈活運用這個要求，不僅要考慮規范的要求，還需要考慮溫度對樓層的影響，從而控制剪力墻的間距，防止剪力墻裂縫增大而增加建筑結構的不安因素。
2.5、具體設計要點把控
2.5.1、主體優化
房屋建筑的上部結構設計應當建立相應的模型并進行系統的優化。整個過程最先一步就應當合理地設置剪力墻，保證剪力墻整體的質量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點重合于樓層整體的結構重心，從而減少地震或者風力等對其的破壞性。在房屋建設時，如果條件允許，要盡可能地對剪力墻進行大開間的構造，加長剪力墻的墻肢長度，這樣就能減少墻肢的數量，還能在符合標準的基礎上減少混凝土的使用。
2.5.2、結構細部優化
對于房屋建筑結構來說，一定要重視房屋建筑的分部結構優化工作。首先，在建筑物進行前期設計時，就應該深入考慮方案的合理性，為后期結構設計做好鋪墊，才能完成合理完整的建筑物。與此同時，中國有句老話叫“千里之堤毀于蟻穴”，說的就是重視細節的道理，主體結構構建好了，但是如果局部位置出現問題，將危及整座建筑物，結構細部的優化工作包括了結構細部的設計工作，如平時我們工作中給常見的矩形現澆板做設計時，需要對其先做分析，避免在拐角處有裂縫，這都是細節，但如果不注意，引起的后果將不堪設想。
2.6、注重利用計算機技術
通過建筑結構優化設計和計算機技術的結合，設計師利用計算機仿真的設計優化方法對建筑結構優化設計帶來了很多新的思路。建筑設計師能夠利用計算機軟件建立各種便于分析的模型并通過計算機的優化計算為設計師提供精確的數據最后達到建筑設計的優化。計算機技術的運用可以說把建筑結構優化設計這樣一個工程的問題轉變成一個數學的問題。特別對于大型的復雜的建筑結構設計中，計算其技術擁有人腦不可替代的優勢。對于一些超高建筑的抗震、抗風等等設計問題計算機技術的合理運用能夠分析得到很多精確的數據為建筑設計師在具體的設計中提供可靠的參考數據，可以大大提高建筑設計師的工作效率。
總言之，現今隨著我國建筑工程項目的逐漸展開，有關建筑結構優化設計的問題將更加的突出，為了有效的適應城市的整體美觀規劃，相關人員要不斷強化對建筑結構的優化設計在房屋結構設計中的應用，在保證建筑基礎功能的基礎上進行設計，提高建筑主體的質量，已最終滿足人們對房屋建筑的現實需求。
參考文獻
[1]何冬霞.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的實際應用[J].中華民居（下旬刊），2013，10：18-19.
篇10
0 引 言
蒸發冷卻器是一種將水冷與空冷、傳熱與傳質過程融為一體且兼有兩者之長的高效節能冷卻設備，具有結構緊湊、傳熱效率高、投資省、操作費用低，以及安裝和維護方便等優點，被廣泛應用于化工、冶金、建筑等領域.該設備的工作原理是向不飽和氣體噴灑液態水，通過水與氣體的接觸換熱以及水的蒸發吸熱迅速降低氣體溫度.
蒸發冷卻理論的形成可上溯到18世紀道爾頓提出的蒸發理論.1952年，CHUKLIN提出一種關于蒸發式冷卻器管內制冷劑冷凝設計的普遍化方法，并將蒸發冷卻技術應用于工業制冷，蒸發冷卻器從此正式走向工藝化應用階段.此后，眾多專家學者通過多種組合實驗總結出一系列傳熱膜系數的經驗公式，初步完善蒸發冷卻器的工程應用參考.[1-2]20世紀80年代以來，對蒸發冷卻器的強烈需求和計算機應用技術的飛速發展，使得蒸發冷卻理論和模擬研究達到新的高度.WEBB[3]較早推出統一的蒸發冷卻理論模型，采用不同的相關系數區分水膜的傳熱系數和通過水膜傳遞給空氣流的傳質系數.隨后，包括PASCAL等[4]很多人都提出自己理論模型，但到目前為止，尚沒有一種獲得公認的蒸發冷卻換熱機理的準確模型.除運用傳熱傳質理論來分析蒸發冷卻過程外，BORIS[5]和QURESHI等[6]從熱力學角度研究蒸發換熱模型，在系統性能評價上獲得良好的效果，但并沒有從根本上改變目前理論模型難以準確表述傳熱傳質過程的窘境.
盡管蒸發換熱的精確模型還有待更進一步研究，但采用現有模型的相關模擬已被大量應用，如FOUDA等[7]、QURESHI等[8]和WU等[9]都對蒸發冷卻器進行數值仿真研究.然而，目前的研究大部分都集中在空調制冷方向，對于大型的工業高溫氣體冷卻研究較少.本文針對目前鋼鐵冶金領域廣泛應用的轉爐煤氣干法除塵系統中的蒸發冷卻器進行仿真分析，并對該系統特有的流場結構下的噴淋布置方案進行優化.
1 數值方法
轉爐煤氣干法除塵系統是指在轉爐鋼水吹煉過程中，煙氣由活動煙罩捕集并經余熱鍋爐冷卻至1 273 K左右的轉爐煤氣，首先進入蒸發冷卻器降溫、調質和粗除塵，溫度降至473 K左右后，進入靜電除塵器進行精除塵；經過精除塵后的煤氣，根據其品質及生產狀況回收或放散.[10]在該系統的蒸發冷卻器中，高壓液態水經設備入口附近的噴槍噴灑到高溫氣體中，高壓作用下的液態水在噴口形成霧化液滴.此過程中液態水滴所占體積很小，故可僅考慮氣相對液滴的作用，忽略由于液滴體積和運動對氣相造成的能量和動量影響.因此，本文采用離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）模擬氣-液兩相流動，并在分散相液滴上應用蒸發換熱模型，在DPM中選擇霧化器模型.
1.1 連續相控制方程
1.2 離散相控制方程
1.2.1 離散相運動方程
1.2.2 離散相的傳熱和傳質模型
當液滴溫度低于蒸發溫度時，采用熱平衡方程關聯液滴溫度Tp與其表面的對流傳熱[11]，即
1.2.3 兩相間的耦合
在計算液滴運動軌跡的同時，跟蹤計算液滴沿軌道運動的熱量、質量和動量的得失，并將這些量作用于隨后的連續相計算中.交替求解離散相與連續相的控制方程，直到二者均收斂為止，實現雙向耦合計算.
2 應用算例
2.1 計算模型
以某鋼廠200 t級轉爐蒸發冷卻器為研究對象，其入口直徑為3.825 m；U型段在水平方向上投影長度為7 m，直徑與入口直徑相同；噴槍位于U型段末端，本體直筒高為21 m，直徑為5.224 m.蒸發冷卻器三維模型及網格劃分示意見圖1.
按照傳統設計方法，18個噴槍在圓周方向上均勻布置，噴槍之間的角度間隔θ=20°，見圖2，其中：1，2，17和18號噴槍的插入深度為945 mm， 其他噴槍插入深度為600 mm.
噴槍噴管直徑為315 mm，噴嘴直徑為420 mm.噴管工作壓力為0.3 MPa.假設噴嘴在0.3 MPa壓力條件下冷卻水完全霧化且液滴呈30°實心圓錐體狀噴出，以此作為DPM模型的入口邊界條件.
計算網格采用完全結構化網格，對噴嘴附近區域局部加密，網格數約為120萬個，最小網格尺寸約10 mm，遠小于噴嘴直徑.
由于系統龐大，蒸發冷卻器被布置在一個180°的管道彎頭后，進入蒸發冷卻器的氣流受此彎頭影響會明顯向彎管外側偏斜，傳統噴槍均勻布置方案必然無法達到理想的冷卻效果，因此必須優化設計蒸發冷卻器上18個噴槍的霧化噴口方案，保證蒸發冷卻器出口溫度均衡為473±20 K，否則會影響下一步靜電除塵器工作；另外，還要盡量減少蒸發冷卻器上端壁面的高溫（>573 K）區域，以減少該區域耐高溫材料的使用量，降低成本.
2.2 計算工況及邊界條件
入口條件：煤氣流量為105 N?m3/h，溫度為1 273 K，密度為1.362 kg/m3，定壓比熱容為1.518 kJ/（m3?K），導熱系數為0.022 2 W/（m?K），動力黏度為1.61×10-5 Pa?s.出口為壓力出口邊界條件，表壓為-150 Pa.壁面為無滑移邊界條件.
DPM噴射條件為：（1）水流質量入口12.795 18 kg/s，18個噴槍均分該水量；（2）根據設備廠家提供的參數，蒸發冷卻器中的噴槍噴灑出的平均噴射粒徑為60 μm；（3）液滴溫度為306 K.
2.3 計算結果及分析
對不噴灑液滴情況下的蒸發冷卻器流場進行仿真，結果見圖3.由此可知：蒸發冷卻器入口前的U型彎管對煤氣的速度分布產生很大影響，導致煤氣流量在蒸發冷卻器入口截面上分布不均勻，流動在彎管外側明顯較強而在內側很弱，這就要求在流動較強一側設置更大的噴淋量.
通過反復調整噴槍布置并對比仿真結果，得到一種優化方案，見圖4.圖中編號對應的線條代表噴槍的位置和插入深度（具體數值見表1）.該優化方案的模擬結果見圖5，噴槍在蒸發冷卻器右側密集，使得右側高溫得到一定緩解，入口下方7 m處壁面最高溫度為562 K，入口下方6 m處壁面最高溫度為595 K，高溫區域集中在蒸發冷卻器入口下方7 m的范圍內.
優化前后截面y=-9 m和出口的溫度場比較見圖6和7.優化前后截面的溫度及偏差范圍（定義為（（最高溫-最低溫）/最低溫）×100%）見表2.
由圖6和7及表2可以看出：通過仿真優化，截面溫度不均勻性得到明顯改善，出口處溫度由優化前的473±40 K，縮小至473±9 K范圍以內，滿足473±20 K的設計要求；出口截面左側溫度高于右側，說明如果進一步增強右側的噴淋強度，雖然可以減少蒸發冷卻器壁面高溫區域，但出口右側的溫度可能會過低，甚至有可能導致機械水的產生，不滿足設計要求.優化后其他截面的溫度分布見圖8和9，各截面的最低溫度均超過373 K，因此可以判斷流場不存在機械水.
蒸發冷卻器中按照溫度渲染的噴淋液滴的流動跡線見圖10.由此可知，噴淋液滴全部蒸發，沒有碰到內壁，不易引起濕壁和積灰結垢.
3 結 論
采用DPM對轉爐干法除塵系統中蒸發冷卻器的工作過程進行模擬，成功將蒸發換熱模型施加在離散液滴上.通過該數值方法對某干法除塵系統中蒸發冷卻器的噴淋布置方案進行優化，蒸發冷卻器出口溫度偏差范圍由原設計方案的18.6%降低至3.4%，滿足473±20 K設計要求；同時，蒸發冷卻器壁面的高溫區域減小，從而降低制造成本，提高系統的運行性能.
需要指出的是，由于工程尚未投產，缺乏實際生產運行數據，本文采用的數值計算方法有待進一步確認.待條件成熟，可結合測試數據對該方法進行驗證與優化，為未來蒸發冷卻器的持續改進與方案創新提供支撐.
參考文獻：
[1] 朱冬生， 涂愛民， 蔣翔， 等. 蒸發式冷凝冷卻設備的研究狀況及其應用前景分析[J]. 化工進展， 2007， 26（10）： 1404-1409. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6613.2007.10.008.
ZHU D S， TU A M， JIANG X， et al. Research progress and application prospect analysis of evaporative condensing/cooling equipment[J]. Chemical Industry and Engineering Progress， 2007， 26（10）： 1404-1409. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6613.2007.10.008.[2] 尾花英郎. 熱交換器設計手冊[M]. 3 版. 徐中全，譯.北京： 化學工業出版社， 1973： 300-355.
[3] WEBB R L. A unified theoretical treatment of thermal analysis of cooling towers， evaporative condensers， and fluid coolers[J]. ASHRAE Transactions， 1984（90）： 398-415.
[4] PASCAL S， DOMINIQUE M. Simplified model for indirect contact evaporative cooling-tower behavior[J]. Applied Energy， 2004， 78（4）： 433-451. DOI： 10.1016/j.apenergy.2003.09.004.
[5] BORIS H. A general mathematical model of evaporative cooling devices[J]. Revue Generale de Thermique， 1998， 37（4）： 245-255. DOI： 10.1016/S0035-3159（98）80092-5.
[6] QURESHI B A， ZUBAIR S M. Second-law-based performance evaluation of cooling towers and evaporative heat exchangers[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2007， 46（2）： 188-198. DOI： 10.1016/j.ijthermalsci.2006.04.014.
[7] FOUDA A， MELIKYAN Z. A simplified model for analysis of heat and mass transfer in a direct evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering， 2011， 30（5）： 932-936. DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2010.11.016.
[8] QURESHI B A， ZUBAIR S M. Prediction of evaporation loss in evaporative fluid coolers[J]. Applied Thermal Engineering， 2007， 27（2）： 520-527. DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2006.06.008.
[9] WU J M， HUANG X， ZHANG H. Numerical investigation on the heat and mass transfer in a direct evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering， 2009， 29（1）： 195-201. DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2008.02.018.
[10] 張斌， 王北南. 轉爐煤氣干法除塵在國內的應用[J]. 中國科技信息， 2011（22）： 114-114. DOI： 10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.067.
篇11
1．導學案問題設計習題化。有些教師將導學案“知識問題化”誤解為“知識習題化”，于是導學案被異化為習題的堆砌，完全喪失了導學案的價值和功能。例如，高三年級政治導學案摘錄。問題1：財政和貨幣政策的運用(C)2013．山東卷2012年，我國綜合運用各種手段對國民經濟進行調控，實現了預期調控目標。下列調控目標、調控政策、具體措施三者對應最恰當的是()A．控物價——穩健的貨幣政策——嚴控對高能耗、高污染行業的貸款。B．穩增長——積極的財政政策——減輕服務業和小微型企業稅收負擔。C．調結構——積極的財政政策——下調金融機構一年期存貸款基準利率。D．惠民生——穩健的貨幣政策——加大對戰略性新興產業的財政支持力度。
導學案不排斥習題，但導學案絕不是習題的堆砌。所以設計學案要有提煉問題的意識和能力。
2．導學案問題設計簡單化。導學案問題設計簡單化主要表現在：問題設計思維含量低，例如，宏觀調控的手段有哪些？市場調節缺陷有哪些？這樣的問題，純碎為了知識記憶而設計，學生只需要在書本上找找答案，就能回答，問題設計思維含量低，不能引導學生去自主思考和探究，體現不出學生的思維。如果改為：“材料中政府運用了哪些宏觀調控的手段？材料中體現了市場調節的哪些缺陷？”這樣把問題融入到材料中，結合材料考察學生運用知識的能力，學生只憑死記硬背無法完成，必須要進行思考才能解決。
3．導學案問題設計模糊化。導學案上的問題設計形式古板單一，缺少導學應有的層次化，學生的思維受到導學案問題的影響，被束縛在十分狹小的空間，思維水平的提升受到制約。教師在設置探究問題時要圍繞學習目標，設計出能激發學生主動思考的問題，使問題具有層次性。如在學習政治生活《政府的責任：對人民負責》一課時，政府對人民負責的原則是本課的重點問題。設計問題時應從是什么、為什么、怎么做這三個層面進行。這樣的設問，層次清楚，步步深入，容易激發學生探究的欲望。這樣的安排雖然打破框題限制，但適合學生的知識基礎，并與已有的知識技能相聯系，既符合學生的認知規律，也符合知識的內在邏輯聯系。
二、高中政治學案優化設計的方法
1．問題設計要層次化。自主學習的問題是導學案的主要內容。探究問題要分層設置。問題的層次性，是指學案的學習內容安排要符合學生的認知規律，知識的生成規律，做到先易后難，循序漸進。課堂探究的問題要有思維的梯度，體現由易到難，能引導學生由淺入深、層層深入地認識知識、理解知識，掌握知識。如“我國的政黨制度如何？”很明顯，這個問題范圍過大、太籠統，學生遇到這樣的問題很難完成。這時，教師可將這個問題在學案上盡一步細化為：問題一、我國政黨制度的內容有哪些？問題二、我國政黨制度的優越性如何？問題3：公有制的主體地位如何體現？問題4：國有經濟的主導作用如何體現？
2．問題設計要情境化。好的情境材料不僅有利于激發學生的學習興趣，更有利于學生去積極思維，快速地提取相關信息，從而得出正確的結論。如在講授價值判斷和價值選擇的主體性時，教師可提供詩句：“桑條無葉土生煙，簫管迎龍水廟前。朱門幾處看歌舞，猶恐春陰咽管弦。”讓學生去自主學習。生思考：在同時同地農民和地主的價值選擇為什么會不同？學生很自然想到他們的階級不同，需要不同，所以會做出不同的價值選擇。在學案設計中，如果我們只是直接地去向學生提供探究的問題，學生會感到茫然而無從下手。
篇12
中圖分類號：TP393
文獻標識碼：A文章編號：16727800（2016）010017604
0引言
由于社會發展的需要，傳統有線網絡無法滿足用戶更多類型的應用需求，公眾對無線通信領域的應用標準不斷提高，面向無線通信網絡的應用加劇了提升通信效率方面的開發幅度和性能要求，受限的無線媒介與實際應用的需求矛盾逐漸凸顯[12]。路由協議是運行于網絡層的信息轉發策略，性能優越的路由協議能夠使消息的傳遞過程更加順暢，使通信客戶端可以通過最優的路徑將信息傳遞給其它客戶端，有效提升了網絡的整體性能。無線通信協議的路徑選擇示意如圖1所示，目前針對路由協議的開發僅僅局限在網絡層本身，并沒有將其與實際的數據應用相結合，通過信息手段將當前網絡狀況與實際協議開發相結合是目前行業發展的新趨勢[34]。
目前，很多專家學者針對無線環境下的路由協議進行了研究。為了解決分布式編碼感知路由協議中可能出現的吞吐量降低的問題，王春雨等[5]設計了一個能夠進行網絡編碼的無線通信路由協議，達到了提升系統吞吐量的目的。IP數據包廣泛應用于分布式通信網絡，迫切需要網絡具有自組織能力。由于單通道單一接口模型不滿足復雜系統的需求，Jin等[6]建立了一個面向軍事應用的分布式網絡拓撲結構，并實現了基于ZRP 的多渠道M-ZRP路由協議。仿真結果表明，M-ZRP具有更好的性能。
蟻群算法（Ant Colony Optimization，ACO）是根據螞蟻群落采集食物的原理被提出和模擬而來，已被應用于諸多領域。與基于梯度的性能優化算法原理不同，蟻群算法通過概率搜索算法來完成[78]。雖然概率搜索算法一般需要采用價函數，但是與傳統的梯度演化算法相比，其有諸多比較顯著的性能，集中表現在以下方面[911]：①無集中控制約束，不會因個別個體的故障影響整個系統問題的求解，確保了系統更強更穩定的魯棒性；②以非直接通信形式保證系統的可擴展性；③采用并行分布算法模型和多處理器運行模式；④定義問題的連續性沒有限制；⑤算法實現相對比較簡單。
OPNET Modeler中的WLAN 、MANET等無線通信節點模型提供了多種成熟的路由協議，包括按需距離向量路由（Ad hoc On Demand Distance Vector，AODV）、動態源路由（Dynamic Source Routing，DSR）、地理路由（Geographic Routing Protocol，GRP）等[1213]。
針對無線網絡中存在的問題，本文提出了基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議優化設計方法，此優化設計將TSP基本蟻群算法的基本原理和通信路由選擇相結合，通過建立系統模型，依靠螞蟻信息素含量及距離競爭機制為節點選擇最優通信路徑。同時，本文通過在OPNET Modeler通信仿真軟件中建立仿真場景及完成模型構建，對基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議進行測試驗證，并與其它典型無線路由協議進行對比分析，主要分析指標是傳輸延時及吞吐量。
1基于TSP蟻群算法的路由協議優化設計
1.1TSP蟻群算法模型
式中，Q為常數，表示螞蟻尋找路徑過程中所釋放信息素總量，它在一定程度上影響算法的收斂速度，本文中的Q值通過仿真獲得。本文采用的AntCycle模型，其利用的是系統全局信息，此信息更新策略能夠使較短路徑上對應的信息素逐步增大，保證了算法中整體范圍下較短路徑的生存能力，提升了信息正反饋性能，加快了系統搜索路徑的效率。同時，AntCycle模型的更新規則能夠保證殘留信息不造成無限積累，如果某條路徑沒有被選中，則對應節點的信息素含量會隨著時間的推移漸漸消失，使節點具備逐步淘汰劣質路徑的能力，即使某條路徑經常被訪問也不至于因為τij（t）的積累，而出現τij≥ηij的情況，使得期望值的作用無法體現。因而，本文的蟻群算法采用AntCycle模型。
1.4路由協議設計與實現
針對求解TSP問題的蟻群算法模型，對此模型進行修改，同時結合無線自組織網絡信息傳輸的特點，完成基于蟻群算法的路由協議設計，簡稱ACAB（ Ant Colony Algorithm Based）路由協議，具體實現步驟如下：Step1：初始化各通信節點間的距離。此操作通過節點廣播信息完成，每個節點被分配不同的ID，作為其在此過程中的唯一標識，廣播的數據幀格式如圖2所示，包括節點ID屬性，當前位置坐標（x，y），是否為源節點或目的節點，如果有數據發送需求，源節點屬性值賦值為1，同時將目的節點的ID進行賦值，并對發送序列進行編號，如果沒有數據發送需求，則置為0。
Step2：將若干螞蟻放在不同的通信節點中，每個通信節點維護自身的信息素列表，表中描述了當前節點的信息素含量和此刻與其它節點間的距離。信息列表的具體信息如圖4所示。當節點位置移動后，此表中的數據也進行更新。Step3：每只螞蟻根據各節點至目的節點的距離d和信息素水平τij（t），選擇下一通信節點，同時修改禁忌表。Step4：所有螞蟻完成周游后，更新信息列表中的信息素水平和節點位置信息。Step5：返回Step2，迭代次數d=d+1，直至尋找到源節點與目的節點間的最優路徑或者滿足結束條件，最優路徑的判定標準是路程最短min（Road），摒棄不必要的路徑信息。
2仿真實現及分析
通過在OPNET Modeler中建立仿真對比場景，對提出的基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議與典型的AODV、DSR路由協議進行對比驗證，分析其在傳輸延時及吞吐量方面的性能表現。
2.1仿真場景建立及模型實現
OPNET Modeler采用離散事件驅動的模擬機理，通過事件驅動器以先進先出的機制對事件列表和事件時間列表進行維護管理[15]。本文設計的仿真場景中包含的通信節點由WLAN節點組成，可以通過設置其屬性對其進行控制。仿真范圍為1 000m2，仿真時間為30min。仿真過程中通信節點可以隨機移動，物理層與數據鏈路層均采用基本IEEE 802.11協議，通信節點總數初步設為100，數據發送間隔為100ms，基本數據幀大小為100字節，仿真場景如圖3所示。
同時，WLAN節點包含完整的OSI協議模型，本文的路由協議設計在IP層自定義完成。通信信息從WLAN收信機進入，依次經過MAC層、數據鏈路層、IP層、UDP層、路由層、應用層，完成整個消息的通信流程[16]。對消息的處理過程由traf_src進程模型完成，負責應用層相關事務。
2.2基于TSP蟻群算法的路由協議測試驗證
為了驗證優化后路由協議的通信性能，本文將基于TSP蟻群算法的路由協議優化設計方法與傳統的AODV及DSR路由協議進行了對比仿真。在仿真的20分鐘內，節點的信息素逐步累積，不同的數據請求序列針對不同的信息素標識，完成數據傳輸后，對應此路徑的信息素被清除，以節省系統容量。由于節點均為隨機移動，各節點的平均信息素水平基本相同，體現了本協議優化方法的公平性。
為了更直觀地體現通信性能的變化，本文通過傳輸延時和吞吐量對網絡性能進行描述分析。
為了體現系統整體性能，本文統計平均傳輸延時，假設成功發送N組數據，則計算如下：
=1N?∑Ni=1D（i）（10）
式（10）中，D（i）表示第i個分組的傳輸延時。網絡的吞吐量TH是指在正常情況下系統在單位時間內所有節點正確接收的信息量，單位是bit/s或是M/s。吞吐量描述了網絡可以完成通信任務的程度，是衡量自組織網絡通信質量的重要指標。
Th（i）m=ΔRp（i，m）ΔT（i，m） （11）
ΔRp（i，m）是指數據分組i到數據分組m被目的節點接收時系統已傳輸的信息總量，ΔT（i，m）是數據分組i到數據分組m被接收時兩者的時間差。若i>m，表示計算從第m個分組到第i個分組的吞吐量，若m=1，則結果是平均吞吐量。
圖4的仿真結果表明，在傳輸延時方面，提出的優化路由協議較AODV協議、DSR協議分別減少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的優化路由協議較AODV協議、DSR協議分別提高了8.4%和7.8%。信息素含量如圖5所示，仿真過程中信息素含量基本維持在110單位左右，較穩定。這表明本文設計的基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議較經典的協議效果有所改進。優化協議性能突出的原因是通過螞蟻信息素對路徑進行規劃和最優化選擇，使得劣質路徑在選擇的過程中被淘汰，但是需要指出的是，前期為了螞蟻尋找路徑而廣播的信息也加大了系統負擔，隱含在一部分吞吐量數據中，對仿真結果也產生了一定的影響。但總體而言，本文設計的ACAB路由協議效果較為突出。
3結語
通過分析無線網絡傳輸的基本原理及蟻群算法的運算過程，本文提出了基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議優化設計方法。此優化設計將TSP基本蟻群算法的基本原理和通信路由選擇相結合，通過建立系統模型，依靠螞蟻信息素含量及距離競爭機制為通信節點選擇最優的通信路徑。同時，本文在OPNET Modeler通信仿真軟件中建立仿真場景并完成模型構建，對基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議進行測試驗證，并與其它典型無線路由協議進行對比分析。仿真結果表明，在傳輸延時方面，提出的優化路由協議較AODV協議、DSR協議分別減少了7.5%和9.8%；在吞吐量方面，提出的優化路由協議較AODV協議、DSR協議分別提高了8.4%和7.8%。總之，本文設計的基于TSP蟻群算法的無線通信路由協議優化設計方法效果突出。
同時，本文也存在一定的弊端，例如，蟻群算法必然會增加諸如信息素之類信息維護的額外成本，并且關于模型實現會影響底層協議的運行。筆者將在今后的工作中著重對以上不足之處進行研究改進。
參考文獻參考文獻：
[1]LOVE D J，HEATH R W，LAU V K N，et al.An overview of limited feedback in wireless communication systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2008，26（8）：13411365.
[2]XIE L L，KUMAR P R.A network information theory for wireless communication： scaling laws and optimal operation[J].IEEE Transactions on Information Theory，2004， 50（5）：748767.
[3]SURHONE L M，TENNOE M T，HENSSONOW S F，et al. Wireless routing protocol[M].Betascript Publishing，2010.
[4]王磊，施榮華.無線傳感器路由算法中的仿真研究[J].計算機仿真，2011，28（3）：170173.
[5]王春雨，張曦煌.Ad Hoc網絡中基于網絡編碼的無線路由協議研究[J].計算機工程與設計，2013，34（5）：15631567.
[6]JIN H，REN L，DING Y.A hierarchical wireless routing protocol for multichannel multiinterface ad hoc networks[C].2011 7th International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing （WiCOM），2011：14.
[7]SBESTER A，FORRESTER A I J.Ant colony optimization[J].Alpha script Publishing， 2010，28（3）：11551173.
[8]MARTENS D，BACKER M D，HAESEN R，et al.Classification with ant colony optimization[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2007，11（5）：651665.
[9]ASIM M，DUNYUE L，MICHAEL C.Analysis and synthesis of an ant colony optimization technique for image edge detection[C].2012 International Conference on Computing Sciences，2012：127131.
[10]BLUM C，DORIGO M.The hypercube framework for ant colony optimization[J].IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics Part B Cybernetics a Publication of the IEEE Systems Man & Cybernetics Society，2004，34（2）：11611172.
[11]YI W，KUMAR A.Ant colony optimization for disaster relief operations[J].Transportation Research Part E Logistics & Transportation Review，2007，43（6）：660672.
[12]任敬安，涂亞慶.基于蟻群優化的AdHoc網絡路由協議實現[J].計算機工程，2012，38（21）：114118.
[13]ZAPATA M G，ASOKAN N.Securing ad hoc routing protocols[C].Proceedings of the 1st ACM workshop on Wireless security. ACM，2002：110.
篇13
本世紀以來，我國社會面臨著新的發展挑戰，建筑工程行業也遇到了新發展難題，為了解決這些難題，人們必須考慮出以最少資源建造出較好建筑工程的方法，橋梁設計中的仿生法便由此而誕生。自然界中的生物能夠在發展過程當中逐漸形成一個自我發展的系統，這就是所謂的生態系統。在這么一個系統當中的各部分都有著自我存在、自我發展的方式和規律。這些規律和方式所具有的穩定性和協調性，就是人類在發展過程當中應當予以借鑒的內容。
因此，仿生學的理念可以被橋梁設計所借鑒，成為后者的指導思想和原則。生物學告訴我們，生物圈在具備著各種需求的同時，也滿足著各種需求。但是，人類只是生物圈當中的一個很小的子集，自然界的競爭觀念和競爭緩解規則都能夠被我們借鑒起來。生物圈里有著許多合理系統和存在結構，具有小巧性、靈活性和高效性等特點，將它們仿生法運用到橋梁設計、橋梁優化當中，將會對建筑業有莫大好處。仿生法的基礎應用理念是仿生理念，它能夠使橋梁設計師的思維得以拓寬。仿生概念應當從以下方面來理解，一是宏觀仿生，它以生物或物體的外部構造、紋理、造型、運動規律、材料性能作為模仿的對象；二是微觀仿生，其模仿對象是生物體的內部，比如神經、循環和免疫等系統功能，通過模仿上述系統，確保橋梁設計的合理性。
二、橋梁設計和優化過程中對仿生法的應用
橋梁設計當中不少形式是受啟發于生物界或者大自然，不少能夠找到其原型。由于仿生法有宏觀與微觀之分，橋梁優化設計的應用中也有宏觀與微觀之分。然而，在細節上，宏觀與微觀兩者都會有各種的效仿細節，這些效仿細節能夠于新載體上形成全新整體。
1橋梁形態上的仿生
一個西班牙籍的設計師卡拉特拉瓦在對橋梁進行設計時，最初會現在形態上開始仿生，這種靈感來源始于效仿骨骼形態和植物形態，富含自然主義。他的設計也會對另一位西班牙籍的設計師高迪的思想進行借鑒，效仿牛頭結構和人體脊柱的骨骼結構等等。人們對其評價各異，有的人給予怪異、荒誕和施工難的評價。然而設計師自己則認為自身的仿生缺少較高的技術含量，只是單純地效仿自然系統，所需建筑材料就是鋼筋混凝土，這是最常見的材料之一。
然而應用仿生法可不能隨意進行，它必須結合橋梁的需求，對需要仿效的結構進行合理仿效。許多生物結構形態的仿效性較強，然而施工過程中可能會出現一系列問題，比如結構太復雜、自重過大或者沉降以致開裂等等。因此，設計過程中要做好合理性和可建造性的研究和規劃才能夠對仿生法進行運用。
2橋梁建筑材料的仿生
自然界是一個寶藏庫，不僅有各種礦石資源和自然資源，供人們生活和發展使用，人們還可以從自然界里獲取靈感和啟發。現代建筑行業也從大自然當中獲取了不少的啟發和靈感，日益強調綠色建筑，以及建筑資源的充分利用和可持續利用。因此，橋梁設計師應當把橋梁建筑材料的利用發揮到最大化。當今科技發展飛快，國內橋梁建筑業也獲得了較多的技術支持，出現不少新型的仿生材料，對當前現有的建筑材料有所改善和提高。比如水泥與貝殼相比其抗拉性要更弱，這是因為貝殼有高達九成以上的石灰石，啟發著人們要仿造貝殼的化學組成，以提高建筑物抗拉性。此外，橋梁還需要有防腐蝕性和防水性，吉林大學的一個仿生實驗對蝴蝶翅膀鱗片的防水性和自潔性有所發現，這也是可以被運用到橋梁的設計當中的。
3橋梁結構上的仿生
橋梁設計可以大量借鑒和應用生物界當中的骨骼組成結構形態，比如人類的骨骼結構，主要由髖、足、脛、股等組成，人體自重量是由足骨來分解的，需要承受體重的骨骼，其骨質都因此而比較密實，這樣的生物形態可以被運用到橋梁設計當中，對于設計師思考橋梁承載力分散方式的問題有很大的啟示，也是能夠保證橋梁持續性和使用功能的一個重要原因。卡拉特拉瓦的設計作品科茲橋，就是對人體骨骼進行效仿較為成功的一個橋梁工程作品，該橋建造于耶路撒冷，在2010年開始投入使用。
4橋梁功能機理的仿生
仿生學的研究對象主要為自然界動植物的機理和功能，比如行為、能力轉化以及力學等等。這些方面人類已很早開展了仿生應用，例如飛機模仿了鳥類翅膀原理和技能。然而，最初的機翼在運用過程中又出現的新的問題，比如震顫問題，于是人們由從大自然和生物界當中去尋找新的解決方案和啟發，最終從蜻蜓身上找到了啟發--模仿了蜻蜓翅膀的翅痣，以獲得平衡性，很好地使震顫問題得以解決。橋梁壽命會受到自然氣象與災害的影響，比如地址、狂風和洪水等。橋梁的跨度也越建越大，其自身的重量越來越大，橋梁的結構必須要達到合理性才能夠保障自身的平衡性和穩定性。為了保障橋梁的穩定性和安全性，需要對自然界中的動植物保持穩定性原理進行借鑒。德國某大學研究室長期研究稻目類和楔葉類的植物，最終發現巴西一種巨型的木賊草和木賊的細胞能夠自行調節剛度，使得自身能夠對外界壓力有所適應。這種結構和機理可以被借鑒于跨橋的橋塔和橋墩的設計當中，使得該種橋梁能夠具備與生命體質相似的特征，以保持自身的穩定性與安全性。
5對生物神經系統的仿生
生物所生活的環境是千變萬化的，各生物為了保持自身對環境的較強適用性，都有各自神奇的辦法，有生命的生物具備神經系統，因此可以依據外部環境變化對自身進行調整，以適應變化和發展。然而橋梁并沒有生命，不能夠運用神經系統來自我調節，對于外界的壓力也只能被動地接受。因此，為了減少建筑資源浪費的現象，提高橋梁對環境的適應能力，阻尼器等等的仿生發明也開始運用到橋梁建筑工程當中，為橋梁建造出"神經系統"。電子信息時代使得效仿動植物建造神經系統的難度大大降低了，信息技術能夠使人們更輕易地為橋梁建造出自己的神經系統。工作人員能夠利用計算機，感知、記錄橋梁所受的外部環境，并分析數據，得出調整的方案和計劃。這不僅能夠確保河道能夠正常通行，還能提升橋梁的壽命和安全性，使其在遭受自然災害、外部風險時也能像生物那樣自我調節、適應環境。
三、結束語
