優化設計與優化方法大全11篇

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Abstract: with China's economic prosperity and development, housing construction structure design level also constantly improving, the optimization design of building structure not only can save cost cost, but also can improve the quality and safety of the house. The paper mainly introduces the present situation of the houses and the optimization design of reason, and expounds the optimized design of building the main contents and methods, finally puts forward the design optimization of building structure should be pay attention to, and puts forward some opinions of his own.

Keywords: housing, structure design, optimization technology, method, the main points

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

近年來，由于土地價格市場的變化，不斷上漲的土地價格給開發商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時，人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高，相應建筑產品的品質要求也就不斷提高，這就讓開發商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成為開發商追求的直接目標，這就需要我們利用結構設計優化設計技術方法，提高有限空間 有限資源的最大化效果發揮，實現經濟化 實用性和適用性的良好目標。

1 房屋設計的現狀及實行優化的原因

依據我國的國情以及發展形勢，我國今后主要以建設高層住房為主。與此同時，投資者們也日益關注建設成本如何最低化，使用結構設計優化技術能夠實現建筑成本的最低化。

若想實現結構優化的目的，工程設計人員首先以建筑的安全性為基礎，然后理性分析建筑方案，融合與之相適宜的設計理念以及方法實現對工程造價的有效控制，以符合投資者的經濟要求。根據統計資料顯示，建筑結構經過優化設計比未進行優化的建筑節省了50%至30%的費用。然而，在很多實際優化設計中，其因為受到較多因素的制約而難以施展、發揮出其優越性。比如，過度追求工程設計進度，就會影響工程設計人員的設計效果，一味地以滿足工程進度為目標；年輕的工程設計人員常受其專業素質限制，難以理解其設計軟件，無法實現優化技術。也有一些工程設計人員過于關注建筑部分，忽視了建筑的整體方案，能實現控制整體造價。由此可見，工程設計人員要將其技術與經濟效益進行有機結合，只有合理的設計方案才能確保實現最大經濟效益。

2 房屋優化設計的主要內容

通常房屋結構的設計主要是利用適宜的方法和設計理念來滿足房屋建筑設計的需求，比如確定合理的布置、結構形勢、構件尺寸等。尤其是優化設計基本的鋼筋混凝土房屋結構體系，往往自整體布局與具體構件兩個角度進行分析。影響整體布局的關鍵因素是建筑物的柱網尺寸、層高、體型、抗側力構件位置等。具體構件主要是指結構構件的幾面、布局、鋼筋及混凝土的配筋構造、強度等級、對于這兩大方面的因素，需要有專業的工程設計人員，熟知構件設計規范并具有豐富設計經驗，而且善于分析與把握構件受力特性及結構，進而選取最相適宜的方法展開優化設計工作。

3 房屋結構設計優化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結構設計相互協調密切配合的結果。建筑結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優美的要求，又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實際意義上的“經濟適用”房。從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在房屋工程分部結構的優化設計和房屋工程結構總體的優化設計量方面。

房屋工程分部結構優化設計實施過程中，還應該按照一切從實際出發的原則，結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。進行結構設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用 豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。

3.1結構優化設計模型

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如下：

（1）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。

（2）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 房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

3.2結構優化計算方案

結構設計優化設計多個變量、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、Powell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。

4 結構設計優化中應注意的問題

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的 結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益 在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題：

4.1 結構設計優化應注意前期準備

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

4.2 概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據 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。

在結構設計的過程中，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，從而達到既安全又經濟的目的。

4.3 下部地基基礎結構設計優化

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

5 結束語

總之，工程造價在工程項目占有很大比例，具有重要的經濟效益，所以優化設計房屋結構能夠卓有成效地減少工程造價成本。與此同時，優化設計房屋結構要保障建筑的安全級別，合理化等，協調好技術和經濟兩者之間的關系，切勿因重視節省成本，而忽視質量或技術。為了實現整體目標最優，結構設計人員與工程師要分析房屋結構設計，充分發揮其優勢，利用精細高效的工作標準及要求來實現最優化的房屋結構。

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中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

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.

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引言：

眾所周知，不論在什么行業中，追求追優化的配置和設計是每一個行業從業者追求的目標。所謂的最優化設計，就是在諸多被選擇的項目中根據自身的特點以及條件找到一種比較合理的，最節約成本以及實現利益最大化的設計方式與方法。

立足于工程結構的設計中，我們在最優化設計的過程中致力于將技術以及力學的相應概念做到最好的融合。在設計要求的基礎上形成一些可以操作的，具有可行性的方案。進而通過科學的數學計算找到客觀的，可以應用于實際的優化方案。在諸多工程結構設計的優化方案中，我們在選擇了最佳方案的同時也就同時節約了成本，使得愛同樣的時間內創造了巨大的效應，更加使得這些工程的工期變短，工程質量變的十分優良，是一種降低工程成本，提高質量的最佳選擇則途徑。

一、工程結構優化設計演變歷史概述

對于工程結構設計，最開始是將直覺的準則法，如滿應力準則法，滿應變準則法等作為優化設計的基礎性選擇，在很長的一段時間中得到了很好的應用和成本的節約。一般來說，準則法的應用是為了主要提升單步設計變量修改幅度使之變得越來越大，并且在收斂速度上也有著顯著的提升，但是這些不會改變結構的大小，也不會因為結構的復雜而改變。隨著時間的推移，我們的研究者逐漸的將拓寬了優化設計的范圍，從而數學規劃法出現了。這就使得我們要針對一些特殊的工程進行很好的研究，因為這個時候的準則法已經不適用有所有具有個性的工程優化設計中了，主要是因為沒有一些科學的，客觀的理論準繩。與其相反，數學規劃方法，站在比較科學的角度，對于結構設計有著嚴謹的研究，這樣的算法能夠有著科學性的展現。但是實際的工程結構優化設計一般都是有約束、非線性和隱式的優化問題.這兩種方式都不是用于現代工程的發展和訴求。隨之而來的就是模擬退火算法的出現.接著，到了二十一世紀，隨著計算機的普遍應用，信息化以及全球化時代的到來，我們的研究方式與方法就隨之而來了，在工程結構優化設計上有著很好的發展，諸多實用性方式出現，下面我們將做詳細的研究。

一、 工程優化設計研究

1.為何設計---工程中結構不確定性的存在

在工程施工之前，對于其結構進行深入的分析和研究，并完成良好的設計是因為在工程設計以及進行的過程中，有著很多不確定性的存在。基于不確定性理論的工程結構優化設計主要考慮變量。但是出于安全性以及可靠性的角度考慮，先前的優化設計有些過時，我們要站在更新的角度上發展，所以之前的缺陷我們要有著很好的認識。主要分為以下幾點。

第一， 缺乏結構可靠性的設計，不能保證穩定，安全。

第二， 沒有對材料的可變性做出預算，不能真實的反映材料的參數。所以沒有科學的數學建模可以支撐，難以形成最佳的方案。

第三， 在工程中存在著一些很復雜的施工情況，之前的設計不能很好的給予判斷以及確定，這就使得我們的施工情況不能符合實際，沒有真正意義上的達到最優。

2.工程優化設計方案研究

第一，形狀優化。可以說，這種優化設計方案是當下比較流行的，主要是通過調整工程結構內外邊界形狀來改善結構性能和降低工程結構造價，其主要用來發掘工程系統構件的合理內外邊界形狀。具體上講，這種優化也是將一些離散變量以及塊體、板、殼類的連續變量包含在內。

第二，模擬退火算法。也就是通常所說的SA方式放大，也就是在施工的設計中進行固體加熱，使之到達了一定的溫度，進而在科學的作用下使之漸漸的變冷下來。因為在升溫的時候，固體的內部結構法身了很大的變化，隨著熱能的增多內能變大，其中固體中組成部分也就是內部的元素也會隨之變大。但是隨著熱脹冷縮原理的深入，當這個固體的整體變得冷卻的時候，所有的元素變回到之前的一種有序的排列狀態。也就是說，在固體中，元素因為在每一個趨近于平衡溫度的時候都有著自己的平衡狀態出現，最重要的是在常溫的時候內能處于最小化狀態，也就是我們所說的基態。這就是模擬退火算法.這種方法有著自身的好處，那就是：適用于離散型、連續型及混合型變量；魯棒性、全局收斂性、隱含并行性較強，并且可以得到很廣泛的應用。

第四， 粒子群優化算法。該種算法是近幾年來比較流行的一種應

應用廣泛，并有著實際用途的設計計算方式與方法。這個算法的研究十分奇怪，主要是來源于整個鳥群，從鳥群捕捉食物中找到靈感，這個算法是開始于隨機解，并通過迭代尋找最優解，在設計的過程中不斷的尋找一種適應度來找尋解的品質。這樣的算法是比較方便以及會計的的，沒有一些復雜的計算以及冗長的分析。是比較得到現代設計者以及施工方的喜愛的，效果也是比較明顯的。

第五， 變密度法假設優化設計。可以說，變密度法假設優化設計

的主要設計對象是那些密度可以變更的材料，這就使得我們的設計具有一定的局限性。在設計的過程中我們要假定材料物理參數與密度間存在某種數學關系，并將所設計的材料的密度作為一種變量，致力于尋找到一種目標函數，這種目標函數以材料的最優質分配為主要目標。并且，我們在這種工程優化設計中可以找到一些優勢或者是特色，具體來說，該種方式可以很好的展現出拓撲優化的本質特征，并且在實現的過程中顯得比較簡便，有利于操；同時這種程序的設計計算成功率比較高，但是精準度確實是不高，總而言之，這種方式的最大他點就是計算方法簡單易行，但是適用范圍十分受到局限，需要特定的材料以及特定的環境。

第六， 相對差商法和混沌優化相結合。該種范式是一種導出求解

離散變量桁架結構拓撲優化設計的混合算法，這種優化設計的計算方式和方法，將設計的體積最小最為最終目的。從而有力的實現了一種

拱壩的體形優化的設計和分析，在應用的過程中得到了很好的設計效果，節省了成本提升了利潤。

最后，多目標優化。一般來說，多種目標優化方案就像字面上所述，不是一種單一的目標實現方式，而是在設計中考包含了多方面的設計方式以及方法，這樣在計算的過程中，在實施的過程中保證了設計的安全性以及穩定性，更大的程度上實現了一種可靠性。在安全性的實現上，這種多元化的實施方案就要不斷的加大結構的截面面積但是要取得最少重量的目標，在設計上就要使得截面面積變小。所以我們知道，這就不可能在全局上實現一種面面俱到的設計方案，所以，我們的設計管理者以及決定人，要在多方面分析只會走找到一個比好合適的方案做一個決定，并實施。可以說，這種多目標的優化設計對于工程系統決策是很重要，并有著很好的應用。

參考文獻

1. 蔡新，郭興文，張旭明.工程結構優化設計[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

2. 張炳華，侯昶.土建結構優化設計[M].2版.上海：同濟大學出版社，1998.

3. 劉齊茂，燕柳斌，鄧朗妮.桁架形狀優化的一種改進模擬退火算法研究[J].計算機工程與應用，2007

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中圖分類號 U66 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）103-0100-02

進行船舶結構優化設計的目的就是尋求合適的結構形式和最佳的構件尺寸，既保證船體結構的強度、穩定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學性能、經濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術的發展，在計算機分析與模擬基礎上建立的船舶結構的優化設計，借鑒了相關的工程學科的基本規律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優化設計方法也取得了較大的進步；建立在人工智能原理與專家系統技術基礎上的智能型結構設計方法也取得了突破性進展。

1經典優化設計的數學規劃方法

結構優化設計數學規劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認為在進行結構設計時應當把給定條件的結構尺寸的優化設計問題轉變成目標函數求極值的數學問題。這一方法很快得到了其他專家的認可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數學規劃法應用于船舶的結構設計，翻開了船舶結構設計的新篇章。我國的船舶結構的設計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結構的優化設計方法。

由于船舶結構是非常復雜的板梁組合結構，在受力和使用的要求上也很高，所以在進行船舶結構的優化設計時，會涉及到許多設計變量與約束條件，工作內容很多，十分困難。船舶結構的分級優化設計法就是在這個基礎上產生的，其基本思路是最優配置第一級的整個材料，優選第二級的具體結構的尺寸。每一級又可以根據具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協調變量迭代，將整個優化問題回歸到原問題。分級優化方法成功地解決了進行船舶優化設計中的剖面結構、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標的模糊優化設計法

經典優化設計的數學規劃方法是在確定性條件下進行的， 也就是說目標函數與約束條件是人為的或者按某種規定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結構的優化設計過程、約束條件、評價指標等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現模糊因素優化問題， 就必須依賴于模糊數學來實現多目標的優化設計。模糊優化設計問題的主要形式是：

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

模糊優化設計方法大大的增加了設計者在選擇優化方案時的可能性， 讓設計者對設計方案的形態有了更深入的了解。目前，模糊優化設計法發展很快， 但是，還未實現完全實用化。多目標的模糊優化設計法的難點主要在于如何針對具體設計對象， 正確描述目標函數的滿意度與約束函數滿足度隸屬函數的問題。

3 基于可靠性的優化設計方法

概率論與數理統計方法首先在40 年代后期由原蘇聯引入到結構設計中， 產生了安全度理論。這種理論以材料勻質系數、超載系數、工作條件系數來分析考慮材料、載荷及環境等隨機性因素。早在50年代，人們就在船舶結構的優化設計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設計方法在船舶結構建造中的應用。

船舶結構可靠性的理論和方法根據設計目標的不同要求， 可以得出不同的結構可靠性的優化設計準則。大體分為以下3種：

1）根據結構的可靠性R·，要求結構的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現某種組合的滿意度達到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分別代表結構重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應的滿意度。

關于船舶結構的可靠性優化設計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結構優化設計中的重要方向。但是，可靠性的優化設計方法除了在大規模的隨機性非線性規劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結構可靠性的過程很復雜， 而且計算量大。

4 智能型的優化設計方法

隨著人工智能技術（Al）和計算機信息技術的發展， 給船舶結構的優化設計提供了一個新的途徑，也就是智能型優化設計法。

智能型的優化設計法的基本做法為：搜索優秀的相關產品資料，通過整理，概括成典型模式，再進行關聯分析、類比分析和敏度分析尋找設計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設計變量敏度等，按某種準則實施的樣本模式進行變換， 進而產生若干符合設計要求的新模式， 經過綜合評估與經典優化方法的調參和優選， 最終取得最優方案。

智能型的優化設計法法的優點是創造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產生的各種性能指標時，應當進行多目標的模糊評估， 必要時還應當使用經典優化方法對某些參數進行調整。

5 結論

通過本文對船舶結構優化設計方法的研究，我們得出在進行船舶結構優化設計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設計人員權衡利弊， 進行綜合考察， 不但要進行結構參數與結構型式的優選，而且還要針對具體情況對做出的方案進行評估、優選和排序。通過什么準則對不同的方案進行綜合評估，得出最優方案， 成為專家和設計人員需要繼續研究的問題。

參考文獻

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在建筑設計的工作中，通常需要進行建筑設計方案的優化，建筑設計方案優化的工作開展是在建筑設計的招標工作完成之后，中標的設計單位需要與建筑的建設單位進行接洽，對于建筑物種的一些細節進行必要的探討，對于建筑設計中的不合理的地方進行優化，這是建筑工程中非常重要的一項工作，本文就針對建筑設計方案的優化工作中的相關問題予以分析探討。

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（6）

一 建筑結構設計的優化方法與現實應用的背景分析

隨著我們國家經濟技術的不斷進步和發展，全國人民的生活也逐步的走入了相對良好和穩定的小康時代，相應的對于生活質量和環境要求也就越來越高，絕大多數的人都住進了高層建筑當中。在這樣一種實際的背景狀況下，人口持續增長，土地資源卻是極其有限，建筑的建設與規格也在持續見長，這使得土地、建筑物以及建筑物的建設成本都在不停的提升。由此，降低建筑建設成本就成為了建筑商在進行建設的過程當中最需要注意和考慮的。那在實際的建設過程的當中應當以什么樣的方式來進行建筑成本的控制呢？本文實際上也是針對于這樣一個問題展開的討論和分析。

結構優化設計目前在國外是非常有價值的一種理論系統，其核心就在于能夠通過對居住環境以及生活環境的改善來實現建筑產品質量以及品位的提高，以這樣一種定性的思維和方式來實現工程建筑質量最大化和成本最小化，因此具有適用、經濟和適用的價值，是值得在實際的工程建設中予以廣泛的應用和實施的。

二 優化結構設計方法

現代社會環境下很多建筑物的造型都相當的優美和獨特，能夠給人以很好的精神享受，這樣一種良好的建筑效果從本質上來看就正是結構設計與建筑實施技術的良好協調和配合，以這樣一種方式來實現建筑美觀效果的完成。建筑結構設計所追求的五種最為基本的目標就是：安全、經濟、適用、美觀以及施工簡便，因此我們在文中所討論的結構優化設計方案就要保證能夠切實的實現這些點，將其良好的應用于實踐，這樣不斷能夠滿足人們對于美的追求，還能夠保證整個房屋建筑的結構設計合理以及性能上的安全保障，成為名符其實的經濟實用型建筑。我們在對其進行深入的探討和分析時則往往需要通過兩個具體的方面來進行：

第一方面：主要是建筑模型的優化結構設計方案，在進行一項大型的建筑工程方案之前，首先必然是需要進行建筑模型的設計的，而在這樣一個過程當中對于建筑模型的優化設計就是非常關鍵和有必要的。在進行建筑模型的優化設計時，主要的工作就是以下幾個部分：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統的優化設計、圍護結構方案的優化設計以及結構細部的優化設計等。除此之外，還需要采取進一步的處理措施，主要就是進行必要的選型、布置以及準確的受力分析，最終實現對于造價本身的良好優化。上述一系列的優化過程都需要按照一切以實際出發的原則來進行，也就是圍繞工程的實際狀況和需要來進行，將房屋建筑的綜合經濟效益以及房屋質量的保證作為設計的最終目標和要求。在進行結構的設計和規劃時，首要的就是要把握和設計的真實意圖，這樣才能夠盡可能的保證整個布置狀況的規則，并較大程度的降低剛度以及質量中心之間的差異，以此來避免較大扭轉作用力的產生。

第二方面：主要是建筑模型的優化結構計算方案，計算方案的進行和完成實際上只需要進行相應的編制并按照相應的運算程序進行計算就能夠得到我們做需要的最終的優化結果。但是我們需要注意和認識到的就是，在進行結構優化的過程當中可能會涉及到多個方面的變量和約束條件，這也就意味著處理的是非線性的優化問題，針對于此，我們在進行計算方案的確定時就需要將一些有約束的條件轉化成為沒有約束條件的問題來進行計算。在實際的建筑工程設計中較多應用的就是Powell算法和拉式乘子法以及符合性法等，利用這樣一些方法基本上就能夠實現優化結構設計方案的良好計算。

三 優化的結構設計技術在實踐當中的應用

我們將結構設計方案處理完成以后就可以將其應用于實踐。對結構設計進行良好的優化在現今的時代背景下實際上是非常好的一個課題，在目前開展的也比較普遍，我們采用結構設計的優化方法就是希望能夠在不改變建筑結構實際使用性能的前提下來保證其工程造價的大幅降低，因此將其應用到實際的工程實踐當中去就是我們工程人員不二的追求。結構設計的優化在實際的工程環境中能夠應用和滲透到其進行的各個步驟和環節當中去，這其中就包括整體的設計階段、前期的設計階段、舊房的改造以及抗震設計當中去，并能夠在應用的過程當中發揮出巨大的效益來。我們在按照結構設計優化的理論方法對模型進行改造實踐的過程中，需要注意以下三個方面的具體問題，下文中正是針對于這樣三個問題進行了詳盡的闡述和分析。

3.1 參與結構設計優化的前期工作

這樣一個方面的強調主要是因為前期工作的進行直接影響到整個建筑工程的總造價，而現如今大多數工程在進行建設的過程當中最為普遍的問題往往也就是其前期方案結構結構設計上的問題，建筑師在進行設計的時候更多關注的是設計本身的問題，而極少關注結構自身的合理性和可行性，這就使得建筑結構在進行建設的過程當中面臨著較多方面的問題，更多的是會引起工程造價的提高，這就與我們進行優化設計本身的目的有所違背。正是因為這樣，我們有必要在進行建設之前針對于不同的建筑類別來對結構形式進行選擇，為整個工作的開展和進行提供良好的開端。

3.2 將概念設計和細部結構設計進行優化

所謂概念設計實際上也就是指一些沒有具體的數值來進行量化的指標，包括地震的防裂度以及其本身的不確定性等，因此在進行設計計算的時候難免會和現實產生較大的差別，正是在這樣一種背景下我們才需要在對這樣一種指標進行設計和確定時選擇使用概念設計的方法，將數值僅僅只是作為輔助或者是參考的依據來進行。在這樣一種設計的過程當中更為強調的就是設計人員本身的靈活性以及應用結構設計優化方法的能力，這樣良好的結合才能夠真正實現效果上的最優化。

3.3 優化下部的地基基礎結構設計

地基基礎的結構設計優化進行過程中最開始的一步就是進行方案的選擇，如果是樁基礎的話，就有必要根據現場的地質條件來選擇樁基的類型，以此來最大程度的降低造價。在建設進行的過程當中，樁端持力層對于灌注樁樁長的選擇影響也是非常大的，因此需要進行較多的對比和分析以后再來進行核實方案的確定和選擇。

結語：通過上文中詳盡的分析我們就可以看到，利用結構設計優化的技術方法是能夠切實有效的提高空間、資源等的利用率的，除此之外，還能夠最大程度的實現經濟性和實用性的最大化，這樣一種狀況實際上就是我們在進行工程設計的過程當中最希望能夠實現的。滿足了建筑產品本身品質不斷提高的基本要求，更重要的是能夠實現人們對于生活質量以及生活水平的更高要求。最后，實際上也是實現了建筑商不斷尋求新手段吸引顧客的目的，達到降低工程建設實際造價的目的。

參考文獻

[1] 李國勝.《多高層鋼筋混凝土結構設計優化與合理構造》.中國建筑工業出版社，2008.

篇（7）

Abstract:The optimized design of the building structure is the important process of building the overall structure of the optimal. In a humane architecture and the use of conceptual design methods to improve the utility of the building structure and overall effect is explored on the basis of the basic procedures of the building structure design optimization method based on practical effect.

Keywords:architectural design；structural optimization；practicality；the overall effect

中圖分類號：TU32/399

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0422（2012）08-0089-02

1 引言

在進行建筑整體結構設計的過程中，為了使得建筑結構在空間、實用性、整體效果以及造價等方面達到最優，在完成基礎設計之后都需要對建筑結構設計進行優化。尤其是在整體結構的造價控制方面，建筑結構設計優化是進行造價控制的主要途徑。傳統的建筑結構優化設計過程中一般都是以建筑的造價為根本進行控制的，而隨著人們對建筑的實用性和整體效果要求不斷增加，建筑的使用的方便性以及整體效果成為了人們關注的重點。而各種不同的設計方案對建筑材料的選用、建筑基礎類型的選擇、房屋進深的確定、建筑的層高以及總層數的確定等都是需要優化的問題和對象，因此在進行優化設計的過程中都應該予以重點考慮。

2 人性化建筑結構的特點及優化內容

建筑的人性化是體現建筑實用性的一個重要方面，尤其是隨著社會經濟的不斷發展和進步，人們對于自身居住條件提出了更高的要求。在居住環境方面，不但要求有房可居，同時還要求住得方便、住得舒適。這時，以實用性為基礎的“人性化”就成為了人們對建筑設計追求的一個重要概念。而在現代建筑結構設計優化的過程中，現代建筑設計就需要以“人性化”這個特點為基礎，采用“以人為本”的設計理念，對建筑的整體結構進行優化。

人性化建筑結構的特點具有這樣的幾個特點：① 合理的空間布局，通常而言在人少地多的地方選擇獨立的小高層以及別墅，而在人多地少的地區則盡量建設高層，而且在建筑整體結構之內具有明確的用地分工，能夠提高對土地空間的利用率；② 整體建筑結構極具藝術效果，通常在進行結構設計是在充分考慮通風以及采光等因素的基礎上，一般盡可能的將客廳和臥室布置在建筑整體結構的南面，而將廚房、餐廳以及衛生間設置在建筑的北面。陽臺直接與陽客廳相通，這樣就使得穿過陽臺時不需要穿過臥室，將私人空間和公共空間相分離，有效的保證了住宅類建筑使用過程中的私密性。

而通過采用建筑結構優化設計的方法，不但可以實現建筑的上述特點，還可以有效的降低建筑結構設計的成本。其中，在進行結構優化的過程中，主要的優化對象和優化內容包括：建筑基礎結構的優化、建筑屋蓋系統的優化、建筑圍護結構的優化以及細部結構的優化等內容。

而針對上述結構具體方面的優化還包括具體的選型、結構的布置、結構整體受力分析以及結構造價分析等，在確保達到實用要求以及建筑標準的同時，通過與具體的工程實際情況相結合，達到優化設計的目的。

圖1-建筑外部結構

圖2-建筑內部結構布局

3 概念設計方法在提高建筑結構實用性及效果中的作用

建筑結構的概念設計一直是建筑整體結構優化的一個重要方向和重要基礎。通過采用建筑結構的概念設計方法，可以保證建筑整體結構能在多種意料之外的外部作用力以及外部破壞的作用之下，將建筑的受破壞程度降到最低。所以，對建筑在使用的過程中可能會遇到的各種不穩定因素成為了建筑概念設計的重要內容，同時也成為了提高建筑實用性的一種建筑結構優化有效手段。在進行建筑可能遭受的結構破壞分析過程中，地震是一種作用力大、難以準確預測的破壞因素。因此，在進行建筑結構設計的過程中就應該預先針對建筑整體結構進行優化，從結構構造以及計算等多個方面對提高建筑結構抗震能力采取多種措施，而不利于建筑抗震能力提高的設計方案則盡可能的避免。通過對建筑結構的優化，應該確保建筑的整體剛度盡量均勻、對稱，這是有效降低建筑整體結構在減小建筑結構在地震過程中出現破壞的一個重要手段。同時，在設計的過程中還應該采用多種有效的設計方式來增加建筑抵抗地震的能力，諸如延性設計，它可以有效的控制建筑在地震的作用下出現脆性破壞的問題；多道設防的設計思路可以使得在劇烈地震的作用下，建筑的一些次要結構先發送破壞，通過消耗一部分地震能量來減小對建筑主體結構的破壞。這些建筑結構優化方法都是建筑整體結構設計過程中需要遵循和采用的有效原則。

4 基于實用與效果的建筑結構設計優化方法的應用

4.1 提高建筑結構空間利用率的策略

空間利用率是衡量建筑人性化指標的一個重要指標，下面從提高提高住宅建筑的空間利用率出發，探討提高建筑實用性的人性化建筑結構優化策略。

4.1.1基本思路

這里對于提高建筑結構空間利用率的策略是利用了整體和部分的關系，

N=1+1+1+1+1……

當N表示為整個建筑主體時，1就可以分別代表臥室、客廳、餐廳和衛生間等；

當N表示為120m2的建筑空間時，1則分別表示25m2的客廳、15m2的主臥室、5m2的衛生間以及9m2的餐廳等；同樣，當N表示為對應臥室的大小時，1則表示臥室中的床鋪、電視柜、掛衣柜以及桌子的大小；而當N表示為客廳時，1則表示電視的尺寸、沙發的大小、背景墻體的比例等。

4.1.2提高空間利用率的主要目的

增加對空間的利用程度，減少空間的浪費，在保證空間使用的實用性基礎上增加空間利用的人性化。

4.1.3具體的實施策略

確定建筑空間的面積確保建筑的容積效率之后確定結構的最佳進深計算面寬確定房間的具體進深房間家具的尺寸以及實用性

目標空間結構合理的交通面積

增加面積

房間+客廳+起居室+運動室……

4.2 結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

4.2.1結構優化模型的建立

建筑結構的整體優化方法包括這樣三個基本的步驟：首先，確定設計變量。以影響建筑整體效果和實用性的相關參數作為設計變量，諸如對應的目標控制函數(整體結構造價C1、損失期望C2)、約束控制參數(整體建筑結構的可靠度SP)。在進行選取的過程中，盡量忽略那些對結構整體效果以及實用性影響不大的相關參數，這樣可以大大減少模型的計算以及編程工作量；其次，建立目標函數，以建筑的整體效果和實用性最佳為目標，尋找一組既能夠滿足建筑使用功能又能夠滿足預設的結構截面尺寸、鋼筋截面積等要素的參量，使得目標函數值最優；再次，定義約束條件，建筑結構的約束條件包括建筑的可靠度、強度約束、應力變形約束以及裂縫寬度約束等。設計的過程中就是要使得實際的結構設計在和約束條件相比較之后，符合當前的設計規范，達到最優的設計標準。

4.2.2優化設計方案的選擇

建筑結構優化設計的方案很多，一般采用基于可靠度的優化設計方案。這些方案在計算的過程中需要考慮到多變量的復雜變化，同時約束條件較多，且都屬于非線性問題，在進行設計計算的過程中一般要轉化成為無約束以及線性問題來加以求解。這個過程中，可以采用的優化計算方法包括：拉普拉斯算子法、復合形法等。在進行算法的選取時可以對算法的精度以及算法的計算速率予以綜合考慮，選定一個最適合的算法。

4.2.3 具體的程序設計

以上述選擇和確定的優化設計方案為基礎，編制一個功能齊全而運算速度較快的綜合計算程序進行計算。程序設計的內容涉及到具體的工程指標選取以及建筑的功能需要，且編程內容較為繁復，這里不詳細論述。

4.2.4結果分析

在對計算結果進行分析的過程中，應該從多個方面和多個角度予以考慮，諸如建筑結構的成本、實用性和整體空間效果等。這主要是因為建筑結構屬于一項耗資較大的工程，涉及到的方面比較多，需要從全盤予以考慮，不能夠僅僅為了節省資金、或者是僅僅為了增加建筑的實用性來進行優化。總的來講就是要爭取的處理好技術與經濟之間的問題，在兩者之間找到一個平衡點來進行優化。

5 結語

建筑結構的優化設計是一個復雜的過程，屬于綜合決策的問題。在優化的過程中需要綜合考慮實用、安全、經濟和整體效果等因素。本文對人性化建筑以及采用概念設計方法對建筑結構實用程度及整體效果進行改進的方式進行了探討，并針對建筑部分結構的空間利用率的優化部分進行了具體分析，提供了一個建筑結構優化的新理念。

圖3-某大底盤高層建筑結構設計

圖4-某住宅內部空間布局

圖5-建筑結構的有限元分析

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（8）

1、房屋建筑結構設計優化原則

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.

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中圖分類號： U461文獻標志碼： B

引言

現代產品更新換代速度快，且功能極大豐富，導致系統設計的復雜程度提高.復雜的產品及工程，如汽車、飛機和宇航等，通常由眾多的系統、子系統及其零部件組成.同時，這些復雜的產品及工程設計問題又大多涉及多個學科領域，并且各個學科之間可能存在著很強的相互耦合關系.這些復雜因素都給產品開發與工程設計帶來非常大的挑戰.[1]

為滿足現代社會對產品開發及工程設計的要求，并行性、一致性和高效率已經成為設計流程設置及其開發環節中極為重要的考核指標.

所謂的并行性，指系統的各個設計任務在彼此相互獨立的情況下同時實施.并行進行的設計任務之間，可能會存在著大量的關聯與耦合關系.這就要求各個設計任務之間必須保持與系統設計目標高度一致，從而使得最終生產制造出的產品可以實現預定的設計目標要求.各個設計任務需要與產品的設計目標之間進行不斷地交互，而且這種交互工作越早發生，越有利于整個產品開發的高效進行，避免在產品設計后期發生系統整體的性能未能滿足產品設計目標要求的情況，從而不得不重新設計，導致極為嚴重的資源和時間浪費.

傳統的優化設計方法，采用串行設計模式和單層次優化方法（AllatOnce）.整個產品開發與工程設計過程按照單個子系統或零部件依次進行設計與優化工作.這樣的設計模式嚴重制約產品的開發效率，也導致最終集成的系統無法實現最優方案.隨著產品開發與工程設計問題越來越復雜，自20世紀80年代后期以來，一種解決復雜產品開發與工程設計優化問題的多學科設計優化（Multidiscipline Design Optimization，MDO）方法，在國內外獲得廣泛關注.MDO方法是一種通過充分探索和利用系統間的協同機制來設計復雜系統的方法，即MDO方法是在復雜系統的設計過程中結合系統的多學科本質，充分利用各種不同學科的設計與分析工具，最終達到最優設計的方法.基于MDO理念，將各學科的高精度分析模型與優化技術有機結合起來，尋找到最佳的總體設計方案.MDO方法最初應用在航空、航天領域，目前已經廣泛應用于船舶、汽車和建筑等各個領域.[2]

目前，主要的MDO方法包括：協同優化（Collaborative Optimization，CO），并行子空間優化（Concurrent Subspace Optimization，CSSO），二級系統一體化合成優化（BiLevel Integrated System Synthesis，BLISS）和解析目標分解 （Analytical Target Cascading，ATC）法等.[3]不同于CO和BLISS等傳統的MDO優化方法，ATC方法起源于汽車產品設計，其目標主要是通過不斷地進行子系統與零部件的迭代優化，實現系統級的產品開發與工程設計問題的既定目標.通過層次化的多學科設計優化方法，在系統的優化設計過程中，結合系統設計目標考慮構成系統的各個子系統的優化設計，并在優化各個子系統的基礎上達成整個系統的優化.該方法最早由美國密西根大學KIM博士和PAPALAMBROS教授所在的Optimal Design實驗室提出.[45]

1目標分解方法及其數學表達

1.1優化設計問題的層次化構架設計

通常，一個復雜的產品開發與工程設計問題，可以通過分解構建成一個層次化的結構形式.典型的層次化結構設計案例見圖1.產品開發與工程設計問題被分解為3層結構，包含由A到G的所有元素.對于層級1而言，只擁有元素A.元素A又可通過分解，得到下一個層級（即層級2）的2個元素，分別為B和C.依次，又可分解得到層級3及其對應的元素D，E，F和G.這樣，就可以將一個極為復雜的系統逐層分解成多個簡單問題的集合.

圖 1典型的層次化結構

1.2ATC方法的實施步驟

ATC方法一般可以按照以下4個步驟實施.

（1）首先確定產品開發與工程設計問題系統級的設計目標；

（2）將這個系統級的設計目標逐層分解到各個子系統或者零部件上，確定它們為滿足這個總目標的要求各自所必須實現的子目標；

（3）通過設計優化，使得各個子系統或零部件分別實現其滿足系統總目標要求的各自的子目標；

（4）通過各個子系統和零部件設計結果的組合，驗證最終產品開發與工程設計是否可實現既定的總目標要求.

ATC方法在建立層次化結構時，需要建立2種類型的模型，分別為優化模型P和分析模型r.優化模型P的主要功能是建立優化算法，并通過調用分析模型r得到系統、子系統及其零部件的設計響應；分析模型r為仿真計算模型，其主要功能是根據優化模型P產生的輸入參數（即設計變量）和下一層的響應，通過仿真計算得到相應的計算結果輸出，返回給優化模型P.ATC方法中不同層級之間數據流向及每一層中分析模型P與分析模型r之間的調用關系見圖2.

圖 2ATC方法的數據流向

圖2中，作為中間層的子系統層，它的設計目標RUs1和共享變量yUs1由系統層傳遞下來.經過一系列的子系統層及零部件層優化設計求解之后，將生成相應的設計目標響應RLs1和共享設計變量yLs1，并返回給系統層.同理，對于最底層的零部件層ss1，RUss1和yUss1被作為設計目標和共享設計變量由子系統層傳遞下來，而后通過優化與仿真，再將相對應的RLss1和yLss1返回給子系統層.對于子系統層調用的分析模型rs1，來自零部件層的ss1響應Rss1和ss2的響應Rss2，子系統層本地設計變量x-s1和子系統層的共享設計變量ys一同作為其輸入參數，由Ps1調用.

1.3ATC方法的數學表達

2數值案例及Isight軟件求解

2.1數值案例的分解解析

2.2基于Isight優化軟件的ATC實現

隨著計算機仿真技術的深入，采用單一學科軟件的設計、分析與優化方法，已經難以適應復雜系統設計和工程開發的需要.以航空航天領域設計為例，其涉及機械、電子、控制和熱工等多個學科.隨著各個學科的深入發展，在每個單獨的學科領域內，都已經形成大量專業的仿真方法與工具.因此，如何在設計中將各個學科有效鏈接起來，使其形成一個統一各學科的綜合設計的平臺，已經成為工程和學術界所關注的重點.

作為多學科聯合仿真與優化技術的先驅者，Isight軟件為解決復雜系統的產品設計與工程開發提供多學科集成的優秀平臺.Isight軟件將數字技術、推理技術和設計搜索技術進行有效融合，將多學科專業軟件進行協同以驅動產品設計與優化，并且把原來需要大量人工完成的工作改由軟件自動進行處理.Isight軟件的使用可以大大縮短產品的開發與設計周期，顯著提高產品的質量與可靠性.

本文將Isight軟件作為實現ATC方法的優化仿真平臺.Isight軟件下為實現上述數值案例所構建的2層的ATC架構見圖3，包括系統層與子系統層，其中，子系統層由2個元素組成.

2.3優化結果分析

利用Isight優化軟件所構建的ATC仿真模型見圖4.系統級優化和子系統級優化均采用序列二次規劃優化算法（Sequential quadratic programming，SQP）.最后設計變量（x1，x2，…，x14）收斂，目標函數f=17.02，與該數值算例的最優值f=17.00非常接近.

圖 3Isight軟件下的ATC架構

圖 4ATC方法的Isight軟件實現

3工程案例分析

3.1問題定義

以純電動汽車動力總成優化設計為例，進一步說明ATC方法.純電動汽車動力總成的詳細結構見圖5，其動力總成類似傳統汽車的動力總成結構.

圖 5純電動汽車動力總成結構

車輛的基本參數與性能指標見表1.優化目標為在純電動汽車動力總成的制造成本與其使用成本之間取得設計平衡.基于ATC方法的2層電動汽車動力總成目標分解與架構設計方案見圖6.系統層以能耗仿真模型、動力總成成本模型和車輛性能仿真模型作為這一層級的分析模型.通過調用能耗仿真模型和動力總成成本模型可以分別得到使用成本和制造成本，將車輛性能仿真模型作為性能約束條件.[6]

3.2優化結果分析

優化前、后結果的對比見表2，可知，制造成本在整個成本構成中占據較大份額.通過對設計變量優化，使得使用成本和制造成本都有所下降，從而最終優化目標（總成本）也相應地有所下降，說明所提出的基于ATC優化設計方法得到預期效果.

表 2優化設計結果的對比名稱原始值優化值傳動比ig67.983 2電機轉子直徑d/m0.120.051 2電機轉子長度L/m0.128 70.138 1使用成本/元897.71893.73制造成本/元5 013.894 984.88總成本/元5 911.605 878.61

4結束語

目標分解方法是一種處理復雜系統產品設計與工程開發層次化架構的系統化方法，結合Isight優化軟件，對ATC方法進行充分的說明.

（1）對ATC方法的層次化架構進行詳細描述，并引出實施ATC方法的一般步驟.

（2）詳細論述ATC方法每層之間的信息傳遞，并給出ATC方法的一般數學表達式.

（3）基于Isight優化軟件，分別進行數值案例和工程案例的分析，充分說明ATC方法對解決復雜系統優化設計問題的有效性.參考文獻：

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中圖分類號：S611文獻標識碼： A

1 簡單闡述

由于體育場的設計具有很強的功能性，除了滿足比賽場地的工藝設計要求，保證比賽的正常進行外，對于使用人數最多的看臺部分進行合理和優化設計，是體育場設計的重點，看臺設計中的視線設計則是其重中之重，視線設計決定了看臺各層的高度和距離，決定了看臺坡度的形狀和大小，從而直接影響著體育場的規模大小，使用功能和空間形式。

2 視線設計主要內容及主要數值變量的定義分析

影響視線設計的因素主要包括: 視點的選擇，排深，視距，各排視線升高值，首排距視點的水平距離以及首排距視點的眼高值( 如圖 1) 。

①視點的選擇: 視點是指為保證觀眾的觀看質量，在視線設計時，根據不同競賽項目和不同標準，保證觀眾看到比賽場地的全部或絕大部分時所確定的場地設計平面位置。

②排深( d) : 排深是指觀眾席位排與排之間的距離。

③視距: 視距是指，由觀眾眼睛到比賽場地中被觀察物體的距離。視距的長短，決定著觀看者的舒適程度。視距越近越清晰，但在體育場的設計中，由于比賽多以足球和田徑為主，場地較大，過近的視距反而會使觀看者頭部來回擺動，不利于觀看，所以視距的選擇還應根據具體比賽項目而定。

④視線升高差值( C) : 這個值是指前后排觀眾眼睛至視點視線間的垂直距離。

⑤首排距視點的水平距離( X1) : 是指看臺前沿至剖面視點的水平距離，一般作為運動緩沖帶和休息地。

⑥首排距視點的眼高值( Y1) : 是指首排觀眾保持坐立姿勢時眼睛距視點的垂直高度，首排高度主要保證觀眾不受在緩沖帶上行走的運動員的遮擋，大型體育場還應考慮下部活動座椅的高度。

3 各變量數值的變化規律及對看臺剖面的影響，由于現代體育場趨于多功能復合型，體育場中并不只舉辦單一賽事，各個賽事對場地大小高低的要求不同，視點的選擇也不同。

4 看臺視線設計方法及優化分析

4. 1 變量的確定

從上可見，各個變量在設計中得取值都不是一成不變的，根據實際場地，實際涉及的比賽項目以及各個體育場的規模要求，這些變量總是在一個范圍內變化，它們相互制約，共同影響整個通視曲線的變化。在優秀的體育場設計中，首要問題就是正確合理的解決好四個變量的取值，不斷調整，反復斟酌，視情況而定。四個變量中由于 d 和 C 的變化范圍較小，往往取定值，因此變化最靈活的是 X1 和 Y1，從視點出發，根據比賽緩沖區尺寸要求合理選取首排的水平距離，留出場地周圍的緩沖區域，一般 3 －5m 為宜，Y1 的確定則需考慮看臺下部空間的利用，和替補運動員的視線遮擋，一般根據下部用房層高需要而定。

4. 2 看臺剖面分段設計和優化

好多場地看臺采用直線升起形式，不僅使后排觀眾的視線遮擋嚴重，而且升起過高，行走和站立很不方便。現代體育場設計通過作圖法和計算法兩種科學方法，確定出需要的通視曲線，在此基礎上逐一確定每排看臺的高度。

4. 2. 1 依次排列設計法:

現代體育場設計中除了規模很小的小型看臺以外，大型體育場的看臺縱向連續排數不超過 20 排，因此需要設置橫向過道，這樣，我們在剖面設計中，利用橫向過道將通視曲線打斷，將完整的看臺分為若干層，再通過每層的單獨出入口進出看臺，上層看臺的觀眾也可通過縱向過道到達下層看臺，以保證每個座位的可達性和疏散安全( 如圖 2) 。

4. 2. 2 疊層排列設計法

在大型體育場中，由于看臺數較多，依次排列法會使整個體育場規模巨大，導致最后幾排看臺的視距過遠，觀眾無法看清比賽。因此針對大型體育場設計需要對看臺剖面進行優化。

如圖 3，將分段后的上層看臺同下層看臺重疊一小部分，形成懸挑結構，這樣不僅拉近了上部看臺與視點的距離，縮小了體育場的規模，同時也使看臺更加緊湊，觀看氛圍更好。需要說明的是，這樣做會使上部看臺的 X1 值變小，后排升起變陡，因此需要對第一段看臺的 X1 值和 Y1 值進行合理調整。

4. 3 通視曲線的設計和優化

折線優化: 通視曲線在精確計算結果下，由于 C 值為定值，因此每排的升高高度不同，且多為零數，在實際施工中很難實現。因此實際工程中的通常做法是將通視曲線以折線代替，以 4 ～6 排為一組，這樣會使 C 值有所變化，但由于變化不大，通常被忽略，這樣的好處是方便施工，且更易計算和繪制( 如圖 5，以下均以兩層看臺為例) 。在此，我們在圖中的曲線上選取 2 個點 a 和 b，作直線，直線滿足的條件是: 既與虛線 AB，BC平行，也與曲線相切，如圖 6。可以看出，曲線 aA 段和 bB 段比優化虛線 AB 和 BC 陡，也就是說經過優化的折線并不是每排座位都能滿足固定的 C 值，因此為滿足視線的通暢，我們需要再次進行優化。

篇（11）

DOIDOI：10.11907/rjdk.161913

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。

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