時間：2023-08-07 17:06:54
序論：在您撰寫優(yōu)化設(shè)計與優(yōu)化方法時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【關(guān)鍵詞】 機械 優(yōu)化設(shè)計 理論 方法
1 機械優(yōu)化設(shè)計理論概述
1.1 機械優(yōu)化設(shè)計的概念
機械優(yōu)化設(shè)計是指最優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，是以最低成本獲得最高效益。其根據(jù)機械設(shè)計理論、方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立能夠正確反映實際工程設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)手段和計算機計算技術(shù)，在眾多的方法中快速找出最優(yōu)方案。機械優(yōu)化設(shè)計通過把機械問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，加以計算機輔助設(shè)計，優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，在滿足眾多設(shè)計目的和約束條件的情況下，獲得最令人滿意、經(jīng)濟效益最高的方案。目前，機械優(yōu)化設(shè)計已成為解決機械設(shè)計問題的有效方法。
1.2 機械優(yōu)化設(shè)計研究的內(nèi)容
機械優(yōu)化設(shè)計主要研究的是其建模和求解兩部分內(nèi)容。 如何選擇設(shè)計變量、列出約束條件、確定目標(biāo)函數(shù)。其中，設(shè)計變量是指在設(shè)計過程中經(jīng)過逐步調(diào)整，最后達到最優(yōu)值的獨立參數(shù)。設(shè)計變量的數(shù)目確定優(yōu)化設(shè)計的維數(shù)，維數(shù)越大，優(yōu)化設(shè)計工作越復(fù)雜，但效益越高，所以選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)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(shè)計變量自由度的作用。目標(biāo)函數(shù)即是指各個設(shè)計變量的函數(shù)表達式，工程中的優(yōu)化過程即是指找出目標(biāo)函數(shù)的最小值（最大值）的過程。一般而言，目標(biāo)函數(shù)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(yōu)化設(shè)計的一般思路與常見方法
2.1 機械優(yōu)化設(shè)計的一般思路
2.1.1 分析問題，建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
在機械優(yōu)化設(shè)計的過程中，首先需要通過對實際問題的分析，選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量，確定優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，從而建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。
2.1.2 選擇優(yōu)化設(shè)計方法，編寫程序
在設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三大要素已經(jīng)確定，構(gòu)建好數(shù)學(xué)模型的情況下，編寫計算機語言程序。
2.1.3 分析結(jié)果，找到最優(yōu)方案
準(zhǔn)備必須的初始化數(shù)據(jù)，通過計算機數(shù)值計算，對比計算結(jié)果，在眾多的設(shè)計方案中選擇最完善或者最適宜的設(shè)計方案，使其期望的經(jīng)濟指標(biāo)達到最高。
2.2 機械優(yōu)化設(shè)計中的常見方法
2.2.1 傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論方法
傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法的種類有很多，按求解方法的特點可分為準(zhǔn)則優(yōu)化法、線性規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法。準(zhǔn)則優(yōu)化法是指不應(yīng)用數(shù)學(xué)極值原理而是采用力學(xué)、物理中的一些手段來謀求最優(yōu)解的方法。常見的準(zhǔn)則優(yōu)化法有迭代法中的滿應(yīng)力準(zhǔn)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(guī)劃法是指應(yīng)用數(shù)學(xué)極值原理，選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量和約束條件，求解目標(biāo)函數(shù)的一種方法。常見的有單純形法、序列線性規(guī)劃法。其優(yōu)點是通過把實際工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)極值問題的求解，使其直接、有效、精度系數(shù)高，缺點是工作量大。非線性規(guī)劃法同樣根據(jù)數(shù)學(xué)極值原理求最優(yōu)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(yōu)點是應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于大、中、小型工程問題，且都相對簡單方便、可靠性高、穩(wěn)定性強、精度高。
2.2.2 現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論方法
現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)優(yōu)化方法，其無需通過選取設(shè)計變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)等因素，便可獲得全局最優(yōu)解，大大地減少了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法花費的人力與財力，在日今復(fù)雜的工程問題中，提出了全新的思路與方法。常見的現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法有遺傳方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火法、粒子群算法等。
3 機械優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀與前景
機械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化理論、電子計算機技術(shù)和機械工程相結(jié)合的一門學(xué)科，包括機械優(yōu)化設(shè)計、機械零部件優(yōu)化設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀優(yōu)化設(shè)計等。二十世紀(jì)五十年代以前，用于解決最優(yōu)問題的數(shù)學(xué)方法僅限于古典的微分法與變分法，在處理現(xiàn)實問題時，計算量非常大。直到四十年代前后，大型線性規(guī)劃技術(shù)的提出，數(shù)學(xué)方法首次被運用到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，使得計算過程不再復(fù)雜，有效的解決了數(shù)值最優(yōu)化計算。近年來，隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，許多新興優(yōu)化算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等相繼被提出，機械優(yōu)化設(shè)計廣泛地被應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)、化工、航天航空等諸多領(lǐng)域并取得飛速發(fā)展。機械優(yōu)化設(shè)計具有廣闊的發(fā)展前景。
機械優(yōu)化設(shè)計給機械工程界帶來的巨大經(jīng)濟效益是顯而易見的，但其工程效應(yīng)比起預(yù)期遠遠小得多。歸結(jié)其原因，主要有以下兩點：（1）建模難度大。（2）最優(yōu)方法的選取難度大。
雖然有以上不足之處，但是機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)現(xiàn)前景仍是非常廣大的，且各領(lǐng)域也在積極做出相關(guān)的研究探索，并已取得一定的成就。
4 結(jié)語
機械優(yōu)化設(shè)計即是指從眾多設(shè)計方案中需找最優(yōu)方案的過程，一般包括建立數(shù)學(xué)模型、選擇優(yōu)化方法、分析計算結(jié)果選擇出最優(yōu)方案三個過程。根據(jù)不同的分類方式，機械優(yōu)化設(shè)計的方法有很多，從傳統(tǒng)角度，最常用到的有線性規(guī)則法中的序列線性規(guī)則法等等，由于現(xiàn)在各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展以及工程問題對優(yōu)化設(shè)計的需求，衍生了很多與傳統(tǒng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?？v觀幾十年來機械優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展歷程，其發(fā)展是非常迅速且令人可喜的，雖然仍存在建模困難、優(yōu)化方法選取等等方面的一些挑戰(zhàn)，但是其前景仍舊是非常廣闊的。研究機械優(yōu)化設(shè)計的理論與方法無論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是實際經(jīng)濟效益方面都具有研究意義。
參考文獻：
[1]劉惟信.機械最優(yōu)化設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.
[2]陳立周.機械優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其新問題.2000年中國機械科學(xué)部份研究的征文，1984.
[3]秦東晨，陳江義，胡濱生等.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的綜述與展望[J].中國科技信息，2005（9）.
[4]高衛(wèi)華，謝劍英.動態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣自動化，2000.
截面優(yōu)化 形狀優(yōu)化 拓撲優(yōu)化 算法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是最近30年來才發(fā)展起來的一個新的技術(shù)，這是結(jié)構(gòu)上的一次重大的飛躍，它讓設(shè)計者們從被動的狀態(tài)變?yōu)榱酥鲃訝顟B(tài)。優(yōu)化設(shè)計能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結(jié)構(gòu)內(nèi)的每一個單元都能夠很好的協(xié)調(diào)在一起，并且保證安全度是完全達標(biāo)的。于此同時，它還能夠幫助整體性的方案設(shè)計進行一個非常合理的決策。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有40多年的歷史了，而在過去的30年內(nèi)，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進展。這些進展大部分是與連續(xù)變量優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的，另外少部分是與離散變量優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的。
1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論
1.1 截面優(yōu)化
截面優(yōu)化的設(shè)計變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復(fù)合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力進行計算時，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)規(guī)劃方法便能夠完成截面優(yōu)化的過程，而不需要對網(wǎng)格進行重新劃分。對于幾何狀態(tài)一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質(zhì)發(fā)生改變的時候才重復(fù)地進行。對于板這類有連續(xù)性結(jié)構(gòu)的東西，也只需要把各個單元的厚度作為設(shè)計的變量，得出的優(yōu)化結(jié)果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優(yōu)化設(shè)計的過程當(dāng)中，設(shè)計變量和剛度矩陣一般情況下是簡單的線性關(guān)系。所以，截面優(yōu)化應(yīng)該重點研究優(yōu)化算法與靈敏度分析。
1.2 形狀優(yōu)化
形態(tài)優(yōu)化的主要特征是在結(jié)構(gòu)給定的前提下通過對結(jié)構(gòu)的邊界形狀或內(nèi)部的幾何形狀進行調(diào)整來節(jié)約材料并且對結(jié)構(gòu)的特性進行改善。從對象上劃分，形狀優(yōu)化主要可以分為塊狀、板狀的連續(xù)體結(jié)構(gòu)與桁架類的桿系結(jié)構(gòu)。對于桿系結(jié)構(gòu)形狀進行優(yōu)化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統(tǒng)一起來同時進行處理，運用無量綱化，然后構(gòu)造近似數(shù)學(xué)模型進行求解。第二類是分步優(yōu)化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個設(shè)計空間，然后分別對這兩類變量進行優(yōu)化，也即是每一步將一個變量固定，同時優(yōu)化另一個變量，兩步之間通過迭代進行協(xié)調(diào)。
1.3 拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化已經(jīng)成為了現(xiàn)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的一個焦點，因為它可以在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的最初的階段便為設(shè)計者提供一個概念性的設(shè)計，讓結(jié)構(gòu)在布局上運用到最好的方案，這樣，拓撲優(yōu)化就比截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化能夠獲得更大的經(jīng)濟效益，也更容易受到工程設(shè)計人員的親睞。拓撲優(yōu)化的目的是在設(shè)計空間中尋找結(jié)構(gòu)的剛度最好的分布形式，從而來對結(jié)構(gòu)的一些性能進行優(yōu)化或者減輕結(jié)構(gòu)的重量。
2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃法
數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的提出開創(chuàng)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新時代，將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)規(guī)劃的形式求解也就是將問題轉(zhuǎn)化為在設(shè)計的空間中，在一定的可行域內(nèi)尋找最小目標(biāo)等值面上的可行的點，這個點也就是問題的最優(yōu)解。數(shù)學(xué)規(guī)劃法有非常嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優(yōu)的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達，而且大多數(shù)情況下還要求設(shè)計變量必須是連續(xù)變量，目標(biāo)函數(shù)是連續(xù)的而且性態(tài)要良好。對于大型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數(shù)比較多，這樣就加大了結(jié)構(gòu)分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規(guī)劃方法的計算的效率。
2.2 最優(yōu)準(zhǔn)則法
直接地使用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論需要多次地調(diào)用函數(shù)進行計算，而且當(dāng)設(shè)計變量增加時調(diào)用次數(shù)也會迅速增加，導(dǎo)致設(shè)計的效率太低，在這樣一種背景下便出現(xiàn)了最優(yōu)準(zhǔn)則法，它是最先發(fā)展的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。這種方法雖然計算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設(shè)的限制。
2.3 仿生學(xué)方法
近年來，對自然界進化進行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結(jié)構(gòu)算法，主要又可以分為：進化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與模擬退火。
結(jié)語
結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一門綜合性的學(xué)科，也是一個有很大發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?，它具有一定的理論價值與應(yīng)用價值。在理論上，它對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一個新理念，極大地促進了人類資源的合理配置。于此同時，結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的本身也帶動了一些相關(guān)性學(xué)科的發(fā)展，對各個學(xué)科的發(fā)展提出了一些新要求。本文對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些優(yōu)化方法進行了簡要的概括。截面優(yōu)化相對來說已經(jīng)比較完善，形狀優(yōu)化也漸漸地變得成熟，只有拓撲優(yōu)化至今還處在理論探索的階段。
參考文獻
[1]侯貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，08：30-33.
[2]董立立，趙益萍，梁林泉，朱煜，段廣洪.機械優(yōu)化設(shè)計理論方法研究綜述[J].機床與液壓，2010，15：114-119.
[3]李晶，鹿曉陽，陳世英.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法研究進展[J].工程建設(shè)，2007，06：21-31.
[4]錢令希，程耿東，隋允康，鐘萬勰，林家浩.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法的某些進展[J].自然科學(xué)進展，1995，01：66-72.
關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值分析；優(yōu)化設(shè)計；文丘里自吸系統(tǒng)
引言
隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國各行各業(yè)對大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應(yīng)用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業(yè)循環(huán)水等方面發(fā)揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設(shè)計方法、完善大型自吸離心泵的設(shè)計理論，能夠有效提高泵的工作效率，對提高自吸離心泵的性能有重要的現(xiàn)實意義。
1 大型自吸離心泵存在的問題
從上世紀(jì)60年代開始我國就開始了對大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應(yīng)用彈性橡膠閥來實現(xiàn)回流孔自動關(guān)閉的理論，在此基礎(chǔ)上研制出了外混式結(jié)構(gòu)的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時代的發(fā)展，對大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及成本等方面對其進行了廣泛的調(diào)查，總結(jié)出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有待完善。在國內(nèi)離心泵生產(chǎn)企業(yè)中，大多數(shù)還是生產(chǎn)內(nèi)混式和外混式自吸離心泵，缺乏創(chuàng)新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數(shù)自吸離心泵采用的是上世紀(jì)90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動關(guān)閉從而實現(xiàn)自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著科學(xué)技術(shù)的進步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國生產(chǎn)大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會導(dǎo)致大型自吸離心泵比較重，也會一定程度上增大工作人員的工作強度。
2 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計
2.1 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計
大型自吸離心泵通過自吸系統(tǒng)將泵的進口管內(nèi)空氣排凈并實現(xiàn)快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結(jié)構(gòu)由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統(tǒng)等組成，泵與自吸系統(tǒng)采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 大型自吸離心泵三維結(jié)構(gòu)圖
2.2 大型自吸離心泵的設(shè)計參數(shù)
設(shè)計流量為Q=500m3/h，揚程H=45m，泵的轉(zhuǎn)速n=2200r/min，柴油機的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。
2.3 葉輪水利設(shè)計
大型自吸離心泵內(nèi)部水的流動非常復(fù)雜，在自吸系統(tǒng)工作時涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設(shè)計關(guān)系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結(jié)構(gòu)采用閉式結(jié)構(gòu)，葉輪的設(shè)計首先需要確定泵的比轉(zhuǎn)速，比轉(zhuǎn)速可以采用以下公式來計算：
n■=■=188
其次，需要確定泵的進出口直徑，泵的進口直徑是指進口管法蘭處內(nèi)徑，常用泵的進口直徑、流速以及流量之間的關(guān)系表1所示。
表1
根據(jù)圖表再加上實際情況選擇泵的進口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計算可得，葉輪進口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數(shù)為6片。
3 大型自吸離心泵自吸系統(tǒng)工作原理
本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統(tǒng)，文丘里自吸系統(tǒng)是一種以壓縮空氣作為動力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網(wǎng)以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統(tǒng)的排氣裝置和進口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網(wǎng)，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統(tǒng)內(nèi)部沒有運動部件，所以不需要設(shè)置裝置，而且密封性能良好，結(jié)構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統(tǒng)通過壓縮空氣產(chǎn)生射流，這時逆止閥會被打開，射流會不斷地卷吸泵體內(nèi)的空氣，然后排出。與此同時，逆止閥會組織外部的氣體進入泵體內(nèi)部，經(jīng)過這樣的反復(fù)排氣會使泵體產(chǎn)生真空，這時水流進入葉輪，水流的作用力會將逆止閥關(guān)閉，這時離心泵開始了正常工作，實現(xiàn)了大型離心泵的自吸功能。
4 大型自吸離心泵試驗研究
按照上述設(shè)計，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測水泵試驗臺上進行檢測，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216-2005《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》進行實驗。預(yù)測性能曲線與實驗性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計算方法等都會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以實驗結(jié)果產(chǎn)生的誤差在可以接受的范圍之內(nèi)。同時對大型自吸離心泵自吸性能進行實驗，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)自吸離心泵自吸高度達到5米時，自吸時間應(yīng)小于120s，本裝置進行自吸實驗時，自吸高度達到5米時自吸時間為75s，遠遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)，通過實驗可以得出，大型自吸離心泵的性能參數(shù)滿足設(shè)計要求。
5 結(jié)束語
綜上所述，文章對離心泵優(yōu)化設(shè)計理論與方法進行了分析，介紹了泵的結(jié)構(gòu)、自吸系統(tǒng)以及葉輪等的設(shè)計，通過對大型自吸離心泵試驗研究可以得出其性能參數(shù)滿足設(shè)計要求，甚至一些參數(shù)遠遠超過了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對大型自吸離心泵進行研究，提高了泵的工作效率和性能，對促進我國社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
參考文獻
[1]任靜，吳玉林，楊建明，等.水力機械轉(zhuǎn)輪內(nèi)的CFD分析及優(yōu)化設(shè)計[J].工程熱物理學(xué)報，2000，21（3）：31-32.
關(guān)鍵詞：房屋， 結(jié)構(gòu)設(shè)計， 優(yōu)化技術(shù) ， 方法，要點
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(biāo)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(fā)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(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開發(fā)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(fā)商追求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方法，提高有限空間 有限資源的最大化效果發(fā)揮，實現(xiàn)經(jīng)濟化 實用性和適用性的良好目標(biāo)。
1 房屋設(shè)計的現(xiàn)狀及實行優(yōu)化的原因
依據(jù)我國的國情以及發(fā)展形勢，我國今后主要以建設(shè)高層住房為主。與此同時，投資者們也日益關(guān)注建設(shè)成本如何最低化，使用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑成本的最低化。
若想實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，工程設(shè)計人員首先以建筑的安全性為基礎(chǔ)，然后理性分析建筑方案，融合與之相適宜的設(shè)計理念以及方法實現(xiàn)對工程造價的有效控制，以符合投資者的經(jīng)濟要求。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計比未進行優(yōu)化的建筑節(jié)省了50%至30%的費用。然而，在很多實際優(yōu)化設(shè)計中，其因為受到較多因素的制約而難以施展、發(fā)揮出其優(yōu)越性。比如，過度追求工程設(shè)計進度，就會影響工程設(shè)計人員的設(shè)計效果，一味地以滿足工程進度為目標(biāo)；年輕的工程設(shè)計人員常受其專業(yè)素質(zhì)限制，難以理解其設(shè)計軟件，無法實現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)。也有一些工程設(shè)計人員過于關(guān)注建筑部分，忽視了建筑的整體方案，能實現(xiàn)控制整體造價。由此可見，工程設(shè)計人員要將其技術(shù)與經(jīng)濟效益進行有機結(jié)合，只有合理的設(shè)計方案才能確保實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益。
2 房屋優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容
通常房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是利用適宜的方法和設(shè)計理念來滿足房屋建筑設(shè)計的需求，比如確定合理的布置、結(jié)構(gòu)形勢、構(gòu)件尺寸等。尤其是優(yōu)化設(shè)計基本的鋼筋混凝土房屋結(jié)構(gòu)體系，往往自整體布局與具體構(gòu)件兩個角度進行分析。影響整體布局的關(guān)鍵因素是建筑物的柱網(wǎng)尺寸、層高、體型、抗側(cè)力構(gòu)件位置等。具體構(gòu)件主要是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾面、布局、鋼筋及混凝土的配筋構(gòu)造、強度等級、對于這兩大方面的因素，需要有專業(yè)的工程設(shè)計人員，熟知構(gòu)件設(shè)計規(guī)范并具有豐富設(shè)計經(jīng)驗，而且善于分析與把握構(gòu)件受力特性及結(jié)構(gòu)，進而選取最相適宜的方法展開優(yōu)化設(shè)計工作。
3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法
賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計相互協(xié)調(diào)密切配合的結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方法的應(yīng)用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求，又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理，成為實際意義上的“經(jīng)濟適用”房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計量方面。
房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實施過程中，還應(yīng)該按照一切從實際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益的目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在滿足設(shè)計意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)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(zhuǎn)作用 豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。
3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型
結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：
（1）設(shè)計變量的合理選擇。通常的設(shè)計變量選擇對設(shè)計要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。
（2）目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解最后，約束條件的確定 房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。設(shè)計中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。
3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案
結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計算方案時，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o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(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)注意的問題
結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于項目的整體設(shè)計、前期設(shè)計，舊房改造，抗震設(shè)計等設(shè)計的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益 在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)注意前期準(zhǔn)備
因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計并不進行參與，建筑師進行建筑設(shè)計時大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成影響，某些方案可能會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計方案，獲得一個良好的開端。
4.2 概念設(shè)計結(jié)合細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
概念設(shè)計應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現(xiàn)實有較大的差異，在進行設(shè)計的時候就要采用概念設(shè)計的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù) 設(shè)計過程中需要設(shè)計人員靈活的運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，達到最佳的效果。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要注意對于細部的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)濟的目的。
4.3 下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應(yīng)多進行比較以確定最合適的方案。
5 結(jié)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(jīng)濟效益，所以優(yōu)化設(shè)計房屋結(jié)構(gòu)能夠卓有成效地減少工程造價成本。與此同時，優(yōu)化設(shè)計房屋結(jié)構(gòu)要保障建筑的安全級別，合理化等，協(xié)調(diào)好技術(shù)和經(jīng)濟兩者之間的關(guān)系，切勿因重視節(jié)省成本，而忽視質(zhì)量或技術(shù)。為了實現(xiàn)整體目標(biāo)最優(yōu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與工程師要分析房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，利用精細高效的工作標(biāo)準(zhǔn)及要求來實現(xiàn)最優(yōu)化的房屋結(jié)構(gòu)。
參考文獻
關(guān)鍵字：房屋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化技術(shù)
引言
目前，隨著社會經(jīng)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(fā)商帶來的壓力也在不斷加大。為了實現(xiàn)房屋建筑經(jīng)濟效益的最大化，就需要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)資源的最大利用。房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是指，采取科學(xué)合理的設(shè)計理念和技術(shù)方法來設(shè)計房屋結(jié)構(gòu)，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(zhì)量水平，使得企業(yè)也獲得較高的利潤等。
一、我國目前房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀以及實施優(yōu)化設(shè)計的原因
隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對住房建設(shè)要求也越來越高。同時，根據(jù)我國目前的基本國情，人口數(shù)量日益增長，住房面積需求量不斷加大。因此，我國現(xiàn)階段住房建設(shè)主要以高層為主。房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化不僅能夠滿足當(dāng)今大眾的需求，更能為投資者減少建筑成本。
房屋建設(shè)結(jié)構(gòu)優(yōu)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(xué)合理的設(shè)計理念，從而有效控制建筑工程造價，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。根據(jù)近些年的數(shù)據(jù)資料顯示，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可以為整項建筑工程節(jié)省30%-50%的費用。但是，在實際的設(shè)計過程中，方案設(shè)計受自然因素的影響很大，很難發(fā)揮出其本身的優(yōu)越性。例如，工程設(shè)計階段，施工方過多的縮短建筑設(shè)計時間，從而使設(shè)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(shè)計質(zhì)量；建筑設(shè)計時，設(shè)計人員的經(jīng)驗不足，專業(yè)知識不完備，對一些設(shè)計軟件掌握的不夠精通；一些設(shè)計者在設(shè)計建筑時過度的關(guān)注部分結(jié)構(gòu)而忽視了整體方案等等，這些因素都會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的不夠優(yōu)化。因此，房屋建筑設(shè)計者必須科學(xué)合理的分析整體建筑方案，并設(shè)計出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)經(jīng)濟利益的最大化。
二、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要體現(xiàn)在哪些方面
房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要是采取合適的方法以及科學(xué)的設(shè)計理念來最大化的達到房屋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如：房屋結(jié)構(gòu)的合理布局、構(gòu)件大小、結(jié)構(gòu)框架等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(gòu)件等等都會影響建筑物的整體布局。建筑構(gòu)件的布局、強度等級以及配筋構(gòu)造都是建筑物具體構(gòu)件的體現(xiàn)。綜合以上因素，建筑方案結(jié)構(gòu)需要專業(yè)知識豐富且熟知設(shè)計規(guī)范的工程技術(shù)人員設(shè)計，而且在設(shè)計時必須充分考慮各構(gòu)件直接的受力特性，從而選取最優(yōu)的設(shè)計方案。
三、房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)
（一）優(yōu)化技術(shù)的基本原則
在工程設(shè)計優(yōu)化過程中，必須以工程設(shè)計和工程價值為基本原則。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終目標(biāo)是充分利用建筑材料，實現(xiàn)建筑構(gòu)件利用的最大化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅遵守建筑設(shè)計規(guī)范，更實現(xiàn)了當(dāng)今建筑的審美學(xué)和價值學(xué)。通過深化改善房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)建筑功能更加協(xié)調(diào)完善，降低建筑成本，提高經(jīng)濟效益。
房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化必須從實際工程施工出發(fā)，結(jié)合房屋結(jié)構(gòu)的具體情況，實現(xiàn)房屋建筑的結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，必須依據(jù)設(shè)計意圖，采用平面設(shè)計布局，降低構(gòu)件質(zhì)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(zhuǎn)換層技術(shù)，有效地降低構(gòu)件的集中用力。
（二）優(yōu)化設(shè)計的基本的要點
1.依據(jù)設(shè)計規(guī)范
工程師在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時必須具備豐富的建筑設(shè)計經(jīng)驗以及熟知設(shè)計規(guī)范。即依據(jù)科學(xué)的設(shè)計理念，將自身的優(yōu)化方案融于整個工程項目設(shè)計中去。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范更多是對于工程較大的項目，因而會造成某些規(guī)定過于保守。另外，在工程設(shè)計比較特殊或復(fù)雜時，依據(jù)某些規(guī)定將會造成建筑物的不安全。因此，這就要求設(shè)計師在建筑設(shè)計過程中必須具備良好的專業(yè)素質(zhì)以及清醒的思路、正確的判斷力，爭取將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計做到最優(yōu)。
優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)注重建筑構(gòu)件的細節(jié)優(yōu)化，如：建筑構(gòu)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(chǎn)品，從而實現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟、安全。
2.結(jié)構(gòu)師主動參與建筑設(shè)計
在工程施工前期以及施工過程中，建筑結(jié)構(gòu)師的主動參與對整個房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到關(guān)鍵性作用。在實際的工程施工過程中，建筑設(shè)計師往往不能夠?qū)φ麄€結(jié)構(gòu)體系進行很好的受力分析，即建筑結(jié)構(gòu)師的設(shè)計理念以及其自身具備的經(jīng)驗不能完全代替設(shè)計師的設(shè)計思想，同時，建筑與結(jié)構(gòu)上專業(yè)知識的隔閡也無法彌補。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師其豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗以及專業(yè)設(shè)計理論，積極主動的為設(shè)計師出謀劃策，只有兩者的順利合作才能設(shè)計出更加優(yōu)秀的方案。
目前，我國的房屋建筑設(shè)計總是先從建筑的結(jié)構(gòu)布局開始，根據(jù)結(jié)構(gòu)承載負荷的不同分析所需的材料、參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計師充分論證整個建筑設(shè)計方案之后做出的判斷。而這些判斷需依據(jù)實際工程實踐經(jīng)驗以及結(jié)構(gòu)設(shè)計所遵循的一般規(guī)律進行。
3.加強設(shè)計團隊之間的合作
優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)是一項整體而系統(tǒng)的工作，它需要團隊之間的協(xié)調(diào)合作?，F(xiàn)代建筑主要由結(jié)構(gòu)、設(shè)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(nèi)部分工，并做好團隊合作，只有這樣才能有機的結(jié)合各個構(gòu)件創(chuàng)造出更加完美的作品。在建筑工程設(shè)計階段，房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑設(shè)計是不可分割的，只有協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，才能設(shè)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(shè)計師在設(shè)計建筑時，只是一味的要求設(shè)計方案的新奇，而忽略了建筑學(xué)中基本的力學(xué)關(guān)系，這樣設(shè)計出的方案往往在結(jié)構(gòu)設(shè)計上造成困難。因此，團隊之間的協(xié)調(diào)合作是房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要保障。
4.優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，解決房屋抗震問題
房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，抵抗外界各種不良因素的影響成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作的主要內(nèi)容。在日常的外界不良因素中，地震是最難以預(yù)測且對房屋建筑物破壞最強的，所以在房屋計算及構(gòu)造上必須加強抗震措施。如：房屋構(gòu)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(shè)設(shè)計理念可以有效緩沖特大地震對房屋主構(gòu)件的破壞。以上這些設(shè)計思想都是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。
四、總結(jié)
工程造價對整個工程項目的經(jīng)濟效益起著關(guān)鍵性作用，因此優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑設(shè)計的協(xié)調(diào)配合，充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，設(shè)計出最優(yōu)的房屋結(jié)構(gòu)。在平面設(shè)計過程中，應(yīng)遵循對稱、均勻的原則，縮小房屋構(gòu)建質(zhì)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(shù)的表現(xiàn)，在保證房屋安全的前提下，結(jié)構(gòu)師應(yīng)敢于創(chuàng)新，將房屋的實用性與藝術(shù)性完美的結(jié)合在一起。
參考文獻：
[1]侯貫澤，劉樹堂.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，2（8）：148-150.
[2]陽維.房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法與問題分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，2（12）：72-74.
給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的研究包括管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型和優(yōu)化算法兩個方面，優(yōu)化設(shè)計模型需要相應(yīng)的優(yōu)化算法進行求解。隨著計算機的出現(xiàn)及其應(yīng)用軟件的開發(fā)，兩者在理論和工程實際的應(yīng)用中都逐漸成熟，應(yīng)用比較廣泛。
1.1給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型研究
給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型是進行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，其優(yōu)劣程度決定優(yōu)化設(shè)計是否成功。因此，所建的模型必須真實地反映管網(wǎng)運行特征及管理要求。其模型的發(fā)展經(jīng)歷單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)兩個階段。20世紀(jì)50年代后，國內(nèi)的研究者開始對管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型研究，取得一定成果的有同濟大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。國內(nèi)研究者一般都以管網(wǎng)年費用折算值最小為目標(biāo)函數(shù)建立管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。此模型沒有考慮管網(wǎng)的可靠性約束。隨著研究的深入和實踐證明，人們逐漸認識到若僅以經(jīng)濟性作為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)與工程實際相比存在某種欠缺和不足，還需要考慮系統(tǒng)可靠性這一因素。
1.2給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型求解算法研究
給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型求解方法主要經(jīng)歷了以下三個階段。
（1）拉格朗日函數(shù)優(yōu)化法。該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標(biāo)單工況優(yōu)化設(shè)計模型。應(yīng)用拉格朗日未定系數(shù)法，將目標(biāo)函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，然后用計算機進行求解。但是由于管徑為離散變量，應(yīng)用此法求得的管徑需要進行圓整，化為市售管徑，這在某種程度上破壞了解的最優(yōu)性。該算法目前應(yīng)用較少。
（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃法。
①線性規(guī)劃。線性規(guī)劃法是在一組線性約束條件下，求某個線性目標(biāo)函數(shù)的最小值(最大值)。該方法只能解決樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，因此該算法應(yīng)用較少。
②動態(tài)規(guī)劃法。動態(tài)規(guī)劃法是一種求解多階段決策過程最優(yōu)化方法。該法對模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的形式要求不高，以標(biāo)準(zhǔn)管徑為變量計算結(jié)果不需要調(diào)整。該方法對小型樹狀管網(wǎng)能得到最優(yōu)解;對于簡單的環(huán)狀管網(wǎng)，需預(yù)先假設(shè)一組管徑并進行初始流量分配，將環(huán)狀網(wǎng)化為樹狀網(wǎng);對于復(fù)雜管網(wǎng)應(yīng)用該法不能得到最優(yōu)解。
③非線性規(guī)劃法。非線性規(guī)劃法是在一組非線性約束條件下，尋求非線性目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值。在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中，目前所建的模型基本都是非線性模型，因為此種模型能更好地反映管網(wǎng)系統(tǒng)各因素之間的關(guān)系，因此該方法能提高計算精度。非線性規(guī)劃法能較好的反映管網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)。
(3)隨機搜索優(yōu)化方法。
①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是將優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動力系統(tǒng)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力系統(tǒng)演化機制，搜索到局部最優(yōu)解，將最優(yōu)解映射為動力系統(tǒng)平衡點。目前將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于環(huán)狀管網(wǎng)方面的研究較少。
②蟻群算法。蟻群算法(ACOAs)是由意大利學(xué)者Dorigo于1996年提出的一種模擬螞蟻尋食行為的算法。該算法能夠智能搜索、全局優(yōu)化，且易與其它算法結(jié)合。但有以下缺點：a:當(dāng)規(guī)模較大時，算法效率下降得很快，需要較長的搜索時間；b:容易出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，即搜索到一定程度后，所有個體所發(fā)現(xiàn)的解完全一致，不能對解空間進一步進行搜索，不利于發(fā)現(xiàn)更好的解，從而容易陷入局部最優(yōu)。
③遺傳算法。遺傳算法(GA)近年來被認為是管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的飛躍，它通過模擬自然界生物種群的遺傳和自然選擇機制，隨機搜索最優(yōu)解。遺傳算法是以標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量的，對其采用一定的編碼方式，通過選擇、交叉和變異等操作，求得最優(yōu)解。它的優(yōu)勢主要在于:a:該算法不受可微、可導(dǎo)、連續(xù)等數(shù)學(xué)處理方式的限制；b:以離散的標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量避免了非線性規(guī)劃法需對連續(xù)管徑進行“圓整”帶來的偏差；c:該算法是一種隨機搜索過程，不會形成局部最優(yōu)解；該算法也存在一些缺陷，如遺傳算法的早熟現(xiàn)象、適應(yīng)度值難以標(biāo)定、接近最優(yōu)解時收斂很慢等。
2、結(jié)語
關(guān)鍵詞：素描教學(xué)；教學(xué)方法；創(chuàng)造能力；想象能力
中圖分類號：G42 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2013）05-0239-01
設(shè)計素描與傳統(tǒng)素描不同，其涵蓋內(nèi)容十分廣泛，如表現(xiàn)設(shè)計素描、結(jié)構(gòu)設(shè)計素描、具象設(shè)計素描、意象設(shè)計素描、抽象設(shè)計素描等。設(shè)計素描是設(shè)計類課程的基礎(chǔ)，強調(diào)對學(xué)生構(gòu)思能力、表現(xiàn)能力、創(chuàng)造能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)剖析、透視訓(xùn)練和理性推理，使學(xué)生創(chuàng)作出兼具審美性和功用性的設(shè)計素描作品。由于設(shè)計素描的教學(xué)質(zhì)量與設(shè)計類學(xué)科學(xué)生的專業(yè)能力培養(yǎng)息息相關(guān)，所以探討其教學(xué)方法和教學(xué)手段的優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。
一、設(shè)計素描含義
設(shè)計素描是以設(shè)計概念為先導(dǎo)的素描造型形式，是以設(shè)計為教學(xué)目的而進行的各種素描實踐活動。它以比例尺、透視規(guī)律、事物形體的內(nèi)部構(gòu)造剖析、三維空間觀念及手法等方面的技巧，來表現(xiàn)新的視覺傳達與造型手法。設(shè)計素描充分結(jié)合了現(xiàn)代設(shè)計學(xué)科的特點，強調(diào)造型能力的培養(yǎng)、觀察能力的訓(xùn)練以及設(shè)計意圖的表達，適用于所有設(shè)計專業(yè)，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。設(shè)計素描在追求完美圖形效果的同時，更側(cè)重于追求設(shè)計的適用性和實用功能，表達設(shè)計者的獨特設(shè)計意圖。
設(shè)計素描不同于繪畫素描，兩者在本質(zhì)上有著極大的區(qū)別。繪畫素描強調(diào)繪畫創(chuàng)作中的寫實能力和表現(xiàn)能力，力求使藝術(shù)造型生動、富有感染力，體現(xiàn)造型的審美作用，成為陶冶情操的精神產(chǎn)品；設(shè)計素描是在基本造型的基礎(chǔ)上，成為表達設(shè)計創(chuàng)意、交流設(shè)計方法的語言和手段，強調(diào)繪畫中創(chuàng)造性思維和設(shè)計意識的體現(xiàn)，使設(shè)計素描為設(shè)計服務(wù)，關(guān)注功能性價值的實現(xiàn)，而不是單純的藝術(shù)信息傳達。所以，設(shè)計素描以實用性為主，精神內(nèi)涵為輔。
二、當(dāng)前設(shè)計素描教學(xué)存在的問題
（一）教學(xué)改革滯后
在設(shè)計素描教學(xué)中，許多教師對素描的寫實主義風(fēng)格盲目崇拜，久而久之形成了單一的教學(xué)模式。現(xiàn)階段，國內(nèi)許多知名院校對設(shè)計專業(yè)的素描基礎(chǔ)課均進行了改革與創(chuàng)新，取得了良好的教學(xué)成效。然而，我國大部分院校的設(shè)計素描課程仍然延續(xù)傳統(tǒng)的素描理念，以傳授繪畫經(jīng)驗、技法、指導(dǎo)與訓(xùn)練為主，強調(diào)對客觀事物的模仿和再現(xiàn)，嚴(yán)重制約了學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的提高，致使設(shè)計素描的教學(xué)改革嚴(yán)重滯后于設(shè)計學(xué)科類專業(yè)的發(fā)展。
（二）教學(xué)模式單一
大部分院校的設(shè)計素描教學(xué)以結(jié)構(gòu)訓(xùn)練為主要教學(xué)模式，甚至有些院校直接將設(shè)計素描視為結(jié)構(gòu)素描，沒有考慮到不同類型設(shè)計專業(yè)的實際教學(xué)需要。在服裝設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、動畫設(shè)計、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計等設(shè)計專業(yè)中，設(shè)計素描將結(jié)構(gòu)訓(xùn)練模式貫穿于始終，忽視了設(shè)計學(xué)科不同專業(yè)的指向性。同時，單一的教學(xué)模式僅僅關(guān)注于學(xué)生描繪能力、塑造能力、結(jié)構(gòu)分析能力的培養(yǎng)，而不重視學(xué)生設(shè)計意念、邏輯思維、想象能力、表現(xiàn)手法的提高，使得設(shè)計素描的基礎(chǔ)訓(xùn)練與設(shè)計專業(yè)需求相背離。
（三）教學(xué)方法和手段守舊
部分院校的設(shè)計素描教學(xué)理念落后，在教學(xué)內(nèi)容上仍以靜物寫生、人像寫生、石膏幾何形體寫生、圓雕寫生為主。課堂實踐中，教師的教學(xué)活動過于僵硬、死板，一般為教師先講解相關(guān)基礎(chǔ)知識，再以國外作業(yè)為范例，最后進入訓(xùn)練階段，這種守舊的教學(xué)方法和手段容易使學(xué)生形成思維定式，影響學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮。
三、優(yōu)化設(shè)計素描教學(xué)方法與手段
（一）改進傳統(tǒng)常規(guī)的教學(xué)方法
設(shè)計素描的傳統(tǒng)常規(guī)教學(xué)方法在一定程度上限制了學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展，使課堂教學(xué)因循守舊，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，所以必須對傳統(tǒng)常規(guī)的教學(xué)方法進行改進和創(chuàng)新。首先，打破傳統(tǒng)靜物組合方式和選擇方式。傳統(tǒng)物體組合方式包括高差異體量組合、體量類似物組合、關(guān)聯(lián)性事物組合、質(zhì)感差異組合等，教師應(yīng)轉(zhuǎn)變這些固定的物體組合方式，通過倒掛、包扎、懸掛、壘積等方式對物體進行隨機性擺放，也可以讓學(xué)生參與物體的選擇，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，活躍學(xué)生的思維；其次，讓學(xué)生嘗試多種素描手法和素描工具。教師可讓學(xué)生掌握設(shè)計素描的不同表現(xiàn)手法，如擦、抹、涂、貼、印等，讓學(xué)生體會不同表現(xiàn)手法所產(chǎn)生的視覺美感。教師也可讓學(xué)生嘗試使用多種繪畫工具和各種有色紙張進行設(shè)計素描，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生的審美能力和創(chuàng)新意識；再次，突破透視法則和常規(guī)構(gòu)圖的限制，讓學(xué)生明確透視不是衡量畫面美的唯一標(biāo)準(zhǔn)。教師可讓學(xué)生對畫面物體進行夸張化、平面化、扭曲的形象處理，在構(gòu)圖上采取求偏、求險、求滿、求局部、求空等形式格局，拓展學(xué)生的想象思維和創(chuàng)造思維，提高審美標(biāo)準(zhǔn)。
（二）強化創(chuàng)造能力訓(xùn)練
在設(shè)計素描教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)計學(xué)科的專業(yè)特點，運用循序漸進的教學(xué)方法，在準(zhǔn)確性訓(xùn)練、結(jié)構(gòu)理解性訓(xùn)練以及質(zhì)感和材料寫真訓(xùn)練等素描技巧訓(xùn)練之后，強化學(xué)生創(chuàng)造能力訓(xùn)練。教師要在學(xué)生全面了解空間、形體、結(jié)構(gòu)、材料等基本特征的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從視覺效果、視覺特征、視覺傳達的感受認知中探尋自己的造型思路，讓學(xué)生捕捉新穎的意象。在創(chuàng)造能力訓(xùn)練中，教師要強調(diào)學(xué)生自主捕捉物象的審美點和特征點，并融入自己的感受，運用多種表現(xiàn)形式和手法進行創(chuàng)作設(shè)計，展現(xiàn)具有個人特質(zhì)的審美追求。教師應(yīng)讓學(xué)生明確設(shè)計素描并不僅限于物象的模擬，而是一種更深層次的觀察和發(fā)現(xiàn)，從而更準(zhǔn)確的把握自然物象形體的本質(zhì)特征，探尋更新穎和豐富的意象，潛移默化地提高學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造能力。
（三）將現(xiàn)代元素融入教學(xué)
設(shè)計素描教學(xué)要重視教學(xué)方法的創(chuàng)新，使教學(xué)方法能夠滿足現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計和設(shè)計學(xué)科專業(yè)的需求，積極探尋將現(xiàn)代元素融入教學(xué)中的途徑。首先，教師可利用多媒體教學(xué)手段實施情景教學(xué)，運用先進的多媒體設(shè)備展示經(jīng)典設(shè)計，對其進行細致講解，使學(xué)生能夠全方位地研究和剖析作品，主動發(fā)掘作品的思路，進而拓展學(xué)生的設(shè)計思維，增強學(xué)生的創(chuàng)作意識；其次，學(xué)?？山M織設(shè)計素描作品大賽、學(xué)術(shù)交流活動等，為學(xué)生提供相互交流、相互學(xué)習(xí)的平臺，在實踐中不斷提高學(xué)生創(chuàng)作的綜合素質(zhì)。通過多樣化的實踐活動，使學(xué)生明確設(shè)計素描是一種創(chuàng)造性的思維活動，需要積累豐富的基礎(chǔ)知識和審美素養(yǎng)，而不是簡單的模仿性活動，必須發(fā)揮思維能動性力求創(chuàng)新和突破；再次，運用理論與實踐的專題訓(xùn)練方式，使學(xué)生勇于嘗試新的創(chuàng)作手法，如可讓學(xué)生借鑒傳統(tǒng)繪畫的手法設(shè)計作品，也可讓學(xué)生嘗試不同地質(zhì)紋理在設(shè)計中的運用效果，以拓寬學(xué)生的設(shè)計思路。
（四）開展針對性的創(chuàng)作訓(xùn)練
在傳統(tǒng)的設(shè)計素描教學(xué)中，教師沿襲繪畫性素描的教學(xué)方法，通過觀察訓(xùn)練和寫生練習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的造型能力，限制了學(xué)生創(chuàng)作思維的拓展，使學(xué)生陷入了設(shè)計素描就是物體臨摹的誤區(qū)。所以，教師必須根據(jù)設(shè)計素描的教學(xué)目的，開展針對性的創(chuàng)作訓(xùn)練，使學(xué)生從物象的內(nèi)外構(gòu)造關(guān)系入手認知事物本質(zhì)，進而在物象中抽象出有價值的意象元素。在基本功教學(xué)方面，可劃分為結(jié)構(gòu)形態(tài)、明暗形態(tài)、質(zhì)感形態(tài)等幾個專題進行教學(xué)。在學(xué)生具備一定的造型能力之后，再開展主題素描教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。如，以某種常見物品為主題，向?qū)W生提出特定的設(shè)計訴求，讓學(xué)生根據(jù)訴求充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，創(chuàng)作出不同的設(shè)計方案。這種教學(xué)方法能夠讓學(xué)生將掌握的基本造型技能，通過想象和設(shè)計思維，運用到實踐中去，通過設(shè)計手法和藝術(shù)語言闡釋自己的意圖。此外，設(shè)計方案完成后，讓其他學(xué)生和專業(yè)教師評價學(xué)生的作品，在學(xué)生虛心接受別人建議的過程中，進一步思考作品在實用和審美方面存在的不足，進而使學(xué)生在創(chuàng)作實踐中不斷提高自己的設(shè)計能力。
四、結(jié)論
總而言之，教師要在設(shè)計素描教學(xué)中堅持以設(shè)計觀念為指導(dǎo)，對傳統(tǒng)的素描教學(xué)模式進行改革和創(chuàng)新，使設(shè)計素描教學(xué)模式與設(shè)計學(xué)科專業(yè)發(fā)展相適應(yīng)，為學(xué)生不斷提高設(shè)計專業(yè)能力奠定基礎(chǔ)。設(shè)計素描要強調(diào)為設(shè)計服務(wù)，教師在教學(xué)過程中要使學(xué)生明確設(shè)計素描是兼具實用和審美功能的表現(xiàn)形式，充分發(fā)揮學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、審美素養(yǎng)和造型能力，實現(xiàn)設(shè)計素描的教學(xué)目標(biāo)。
參考文獻：
[1]楊成品.李穎婷.藝術(shù)設(shè)計專業(yè)設(shè)計素描教學(xué)的模式與方法研究[J].新課程研究（中旬刊）.2012（7）.
