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范幸义 著

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出版社： 北京理工大学出版社

ISBN：9787568249249

商品编码：29728086108

包装：平装-胶订

出版时间：2018-01-01

基本信息

书名：建筑结构优化设计实务

定价：45.00元

作者：范幸义

出版社：北京理工大学出版社

出版日期：2018-01-01

ISBN：9787568249249

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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在保证建设工程项目各项建设指标的前提下，如何有效的控制建设工程的成本，节约工程造价一直是建设单位所追求的目标。本书利用计算机辅助设计软件，用实际建筑工程项目的实例，介绍建筑结构设计的优化理念。在优化理念下提出建筑结构优化设计的概念，优化方法及实际建筑工程项目结构优化设计实作方法。用工程实例介绍建筑结构方案优化设计﹑结构构件优化设计及整个工程项目结构优化综合方法。 本书可作为土木工程专业类相关专业的教材，也可以作为建筑结构设计人员做结构优化设计的参考书。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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建筑结构优化设计实务 内容概要 本书是一本面向建筑工程领域的专业技术指导手册，系统性地探讨了在满足安全、耐久、经济等基本要求的前提下，如何通过科学的设计方法和先进的技术手段，实现建筑结构性能的最大化、资源消耗的最小化以及综合效益的提升。全书紧密结合实际工程项目，以“实务”为导向，旨在为建筑师、结构工程师、项目经理以及相关技术研究人员提供一套系统、实用的结构优化设计理论、方法与技术。 前言 随着社会经济的飞速发展和科技的不断进步，建筑行业正经历着深刻的变革。对建筑结构的设计要求也日益提高，不再仅仅满足于基本的承载能力和安全性，更需要兼顾绿色环保、经济效益、可持续发展以及美学价值。传统的结构设计方法往往侧重于满足规范要求，而对于如何进一步挖掘结构潜力、降低材料消耗、提升整体性能的研究相对不足。《建筑结构优化设计实务》正是基于这一背景，力图 bridging the gap between theoretical advancements and practical applications. 本书的编写，汇集了多年来在结构优化领域的理论研究成果与丰富的工程实践经验，旨在为广大工程技术人员提供一本真正具有指导意义的参考书籍，助力他们在实际工作中更高效、更经济、更科学地完成建筑结构的优化设计。 第一部分：结构优化的理论基础与方法论 第一章 结构优化的内涵与目标 1.1 什么是结构优化？ 清晰界定结构优化的概念，强调其核心在于寻找在给定约束条件下，使目标函数达到最优的结构设计方案。 阐述结构优化并非单纯追求“最少”，而是实现“最合理”的平衡，涉及多重目标的权衡。 1.2 结构优化的核心目标 安全性与可靠性： 解释结构优化如何通过更精细的分析和设计，在保证安全裕度的前提下，避免过度保守，提升结构的可靠性。 经济性： 详细分析材料消耗、施工成本、维护费用等经济指标，说明优化设计如何降低全生命周期成本。 功能性与性能： 探讨如何通过优化提升结构的抗震、抗风、隔音、保温等特定功能，满足多样化的使用需求。 耐久性与可持续性： 强调优化设计在延长结构使用寿命、减少环境影响、促进资源循环利用方面的重要作用。 美学与创新： 阐述优化设计如何突破传统束缚，实现建筑形式与结构体系的有机融合，创造更具艺术价值和创新性的空间。 1.3 结构优化设计的意义与价值 从宏观角度分析优化设计对提升建筑行业整体技术水平、推动行业可持续发展的贡献。 从微观角度阐述优化设计对工程师个人职业发展、项目成功率提升的积极影响。 第二章 结构优化设计的通用方法与流程 2.1 结构分析与建模 传统分析方法回顾： 简要介绍有限元分析（FEA）等基础分析工具的应用。 智能化分析与仿真： 探讨如何利用先进的数值模拟技术，如计算流体动力学（CFD）、多物理场耦合分析等，更精准地评估结构在复杂工况下的性能。 模型精细化与几何表达： 强调建立既能反映结构关键力学行为，又能便于优化的模型的重要性，介绍参数化建模、拓扑优化建模等方法。 2.2 优化算法的选择与应用 数学规划法： 介绍线性规划、非线性规划、整数规划等经典优化算法，并阐述其在结构设计中的应用场景。 启发式算法： 详细讲解遗传算法（GA）、模拟退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）等全局优化算法，重点阐述其在解决复杂、非线性和多模态优化问题中的优势。 代理模型（Surrogate Models）： 介绍响应面法（RSM）、径向基函数（RBF）等代理模型的构建与应用，说明其如何加速迭代过程，降低计算成本。 多目标优化（Multi-objective Optimization）： 讨论如何处理结构设计中存在的多个相互冲突的目标，介绍帕累托最优（Pareto Optimality）、权重法、ε-约束法等求解多目标优化问题的方法。 2.3 优化设计的基本流程 明确设计目标与约束条件： 强调在项目启动阶段，与业主、建筑师等相关方充分沟通，准确定义优化目标和所有限制条件，包括材料属性、几何尺寸、荷载工况、变形限制、稳定性要求、成本上限等。 建立数学模型： 将结构设计问题转化为数学模型，定义设计变量、目标函数和约束函数。 选择优化算法与求解： 根据问题的特点选择合适的优化算法，并利用相应的软件工具进行求解。 结果评估与后处理： 对优化结果进行详细分析，验证其可行性和有效性，并根据实际情况进行必要的调整和完善。 方案比选与决策： 针对优化得到的一系列最优或近似最优方案，进行综合评估，最终选择最适合项目的方案。 详细设计与施工图绘制： 将优化后的结构概念转化为详细的设计图纸和施工图。 第二部分：结构优化设计的关键技术与应用实例 第三章 材料选择与用量优化 3.1 新型建筑材料的特性分析与应用 高性能混凝土（HPC）、超高性能混凝土（UHPC）： 介绍其高强度、高耐久性等特性，以及在减轻结构自重、减小截面尺寸方面的潜力。 高强钢、复合材料： 探讨其在减轻结构自重、提高承载能力方面的优势。 绿色建材： 结合可持续发展理念，介绍再生材料、环保型材料的应用，以及如何在满足性能要求的同时，降低环境影响。 3.2 材料用量与截面尺寸优化 参数化设计与自动生成： 介绍如何通过参数化建模，快速生成不同尺寸和形状的结构构件。 基于性能的材料用量控制： 结合结构分析结果，实现“哪里需要多，哪里需要少”的精细化材料分配。 局部优化与整体优化结合： 阐述如何对构件截面参数（如梁高、柱截面尺寸、板厚等）进行优化，同时兼顾结构的整体稳定性与变形控制。 实例分析： 高层建筑混凝土结构截面尺寸优化，实现减重与成本控制。 大跨度桥梁钢结构杆件截面优化，提升承载力并减少用钢量。 幕墙结构构件的材料与尺寸优化，平衡强度、刚度和美观。 第四章 结构体系与构型优化 4.1 传统结构体系的演进与创新 框架、剪力墙、筒体结构： 分析其基本受力特点，并探讨在现代建筑需求下的优化改造。 空间结构、膜结构、索结构： 介绍其独特的受力机理和在实现大跨度、轻质化方面的优势，以及如何进行体系优化。 4.2 拓扑优化（Topology Optimization）的应用 基本原理： 深入浅出地解释拓扑优化如何在给定的设计空间内，去除材料，形成最优的力流路径，从而获得效率最高的结构构型。 在桁架、支撑结构中的应用： 演示如何通过拓扑优化设计出轻巧、高效的桁架杆件布置和支撑结构形式。 在复杂曲面造型结构中的应用： 探讨如何利用拓扑优化生成符合功能和美学要求的复杂结构形态。 实例分析： 某公共建筑大厅天花结构拓扑优化，实现轻质、高强的艺术造型。 桥梁主梁截面拓扑优化，找到最优的承载路径，减少材料。 汽车、航空等领域结构拓扑优化经验在建筑领域的借鉴。 4.3 构型（Shape Optimization）与参数优化（Parametric Optimization） 构型优化： 介绍如何调整结构构件的边界形状，例如曲梁、变截面梁等，以改善应力分布。 参数优化： 介绍如何通过调整结构体系中关键的几何参数（如柱网布置、层高、斜杆角度等）来优化整体性能。 实例分析： 某体育场看台结构构型优化，改善视线并优化结构受力。 高层建筑风荷载下主体结构参数优化，调整剪力墙和外框的配比。 第五章 荷载、变形与稳定性优化 5.1 复杂荷载工况的分析与模拟 风振、地震动的数值模拟： 介绍如何利用计算流体动力学（CFD）和动力时程分析，更准确地评估结构在极端风荷载和地震作用下的响应。 人群荷载、设备振动等动态荷载的考虑： 强调在设计中如何对非稳态荷载进行精确模拟和评估。 5.2 变形控制与刚度优化 挠度、沉降的限制： 详细阐述如何通过优化结构材料、截面尺寸和体系布置，有效控制结构的变形。 刚度设计原则： 结合弹性力学理论，讲解如何通过提高结构的整体刚度来满足使用功能和舒适性要求。 实例分析： 大跨度楼板变形控制优化，避免出现过大的挠度影响使用。 高层建筑侧向刚度优化，减少风致位移和加速度，提高舒适性。 5.3 结构稳定性设计与优化 屈曲失稳分析： 介绍杆件、板件、整体结构的屈曲分析方法。 稳定性裕度优化： 探讨如何通过合理的结构布置、连接设计和构件加固，提高结构的稳定性安全系数。 薄壳、筒体结构的稳定性优化： 重点分析这类结构在承受轴压、弯曲荷载时的稳定性问题，并介绍优化方法。 实例分析： 长细比较大的柱子的稳定性优化，选择合适的截面形式和支撑。 薄壁筒体的稳定性设计，抵抗外压和失稳。 第六章 节点设计与连接优化 6.1 节点的力学行为与优化原则 节点传力机制分析： 强调节点是结构中应力集中的关键部位，其受力行为直接影响整体结构的安全性与经济性。 刚接、铰接、半刚接的选用原则： 结合结构体系和设计需求，选择合适的节点类型。 优化节点设计的意义： 减少节点处的应力集中，提高连接强度和刚度，降低材料用量，简化施工。 6.2 常见结构节点优化设计 梁柱节点： 钢结构焊缝、螺栓连接的优化；混凝土框架梁柱节点配筋优化。 支撑节点： 钢桁架、斜撑的连接节点设计。 楼板与梁、墙的连接： 预制板、现浇板与主体结构的连接方式优化。 大跨度结构节点的特殊处理： 如斜拉桥、悬索桥主缆锚固节点，空间结构的球节点等。 6.3 节点优化技术与工具 精细化有限元建模： 对节点区域进行局部细化建模，精确分析应力分布。 高强度螺栓、焊接技术的应用： 探索新型连接技术如何提高连接效率和承载能力。 仿真分析与试验验证： 通过数值模拟和实体试验，验证节点设计的可靠性。 实例分析： 某钢结构厂房节点连接优化，减少焊接量，提高施工效率。 某超高层建筑梁柱节点优化，满足抗震要求并减少钢材消耗。 第七章 施工技术与建造可行性优化 7.1 优化设计与施工工艺的匹配 设计阶段的施工性评估： 强调在设计初期就应考虑施工的难易程度、工艺要求和安全措施。 预制构件与装配式建筑： 介绍如何通过优化设计，充分发挥预制构件和装配式建筑的优势，提高施工效率和质量。 流水线作业与标准化设计： 阐述如何通过标准化设计，简化施工步骤，降低成本。 7.2 施工顺序与支模、起重方案的优化 施工模拟与仿真： 利用BIM技术进行施工过程模拟，优化施工顺序，避免碰撞。 模板体系的选择与优化： 选择适合结构特点的模板体系，简化安装与拆卸。 起重设备的选型与吊装方案优化： 确保构件吊装过程的安全与高效。 7.3 质量控制与安全保障的优化 关键部位的质量控制要点： 突出优化设计对质量控制的指导作用。 施工过程中的安全风险评估与对策： 结合优化设计方案，制定针对性的安全施工措施。 实例分析： 某复杂结构外形施工顺序优化，避免对已完结构造成影响。 大体积混凝土施工的温度控制与裂缝预防优化。 大跨度钢结构网架的整体提升施工技术优化。 第八章 绿色建筑与可持续发展中的结构优化 8.1 建筑全生命周期评估（LCA）中的结构优化 环境影响评估： 介绍如何通过优化设计，减少结构生命周期内的碳排放、能源消耗和废弃物产生。 资源效率优化： 强调在设计中最大限度地利用现有资源，减少不必要的浪费。 8.2 节能减排的结构设计策略 轻质化结构设计： 降低结构自重，减少基础荷载，节约材料。 被动式设计理念的融合： 结构设计如何支持建筑的自然通风、采光等被动式节能措施。 可再生能源利用与结构结合： 如屋顶太阳能光伏板的承重与安装结构优化。 8.3 结构的可拆卸性与可回收性设计 模块化与标准化设计： 促进结构的易于拆卸和重复利用。 连接方式的优化： 倾向于使用螺栓连接而非焊接，便于拆卸。 材料的回收利用： 考虑结构材料的未来回收价值。 实例分析： 某绿色建筑示范项目结构优化，从材料、构件、体系全方位体现可持续性。 可拆卸式临时建筑结构的设计与优化。 旧建筑改造中的结构优化，最大程度利用原有结构，减少新建。 第九章 结构优化设计的软件工具与发展趋势 9.1 常用结构优化设计软件介绍 通用有限元分析软件： ANSYS, ABAQUS, MIDAS GEN, ETABS, SAP2000 等（及其在优化模块的应用）。 专业优化设计软件： OptiStruct, Tosca, nTopology 等（及其在拓扑优化、形状优化中的应用）。 参数化建模与脚本开发工具： Grasshopper, Dynamo, Python 等（及其与优化算法的结合）。 BIM软件与优化流程的集成： Revit, ArchiCAD 等在参数化建模和数据交换中的作用。 9.2 人工智能（AI）与机器学习（ML）在结构优化中的应用 AI驱动的材料发现与性能预测。 ML模型辅助的快速结构响应预测与评估。 AI算法在复杂构型生成与优化中的潜力。 智能设计平台的构建与发展。 9.3 未来发展趋势展望 集成化、智能化设计平台： 强调设计、分析、优化、建造全流程的无缝集成。 面向性能的法规与标准： 优化设计如何推动建筑法规的更新。 数字化孪生（Digital Twin）在结构全生命周期管理中的应用。 人机协作的创新设计模式。 结论 《建筑结构优化设计实务》系统地阐述了在现代建筑工程实践中，如何通过科学的理论指导、先进的技术手段和创新的设计思维，实现建筑结构性能的最大化和资源消耗的最小化。本书从理论基础到具体技术，从材料选择到施工建造，从绿色可持续到未来发展，进行了全面而深入的探讨。书中提供的多种优化方法、算法应用以及丰富的实例分析，旨在为广大工程技术人员提供一套行之有效的工具箱和方法论，帮助他们在复杂多变的项目需求下，做出最经济、最合理、最安全、最环保的设计决策。我们坚信，通过对结构优化设计理念的深入理解和实践应用，必将有力地推动中国建筑行业向着更高质量、更可持续的方向迈进。 附录 （可包含常用术语解释、参考文献、软件列表等）

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种深沉的蓝与简洁的几何线条组合，透露出一种严谨而又不失现代感的专业气息。那种触感，略带磨砂的质地，握在手里感觉非常扎实，让人忍不住相信里面的内容也同样是经过精心打磨的。内页纸张的选取也颇为考究，米白色的纸张有效减轻了长时间阅读带来的视觉疲劳，即便是对着电脑屏幕进行对比参考时，这种低反光的特性也让人感到舒适。尤其是那些结构示意图和复杂节点大样图的印刷质量，线条清晰、层次分明，即便是小字体的注释也能一目了然，这对于我们这种需要频繁在理论与实践之间来回切换的工程师来说，简直是福音。相比市面上那些封面花哨内容却乏善可陈的“应景之作”，这本书从外到内散发出的那种“内功深厚”的气质，确实让人对即将展开的阅读之旅充满了期待，仿佛拿到了一件精密仪器的说明书，而不是一本简单的行业参考资料。这种对细节的坚持，往往预示着作者对核心内容的把控也达到了极高的水准。

评分☆☆☆☆☆

从实操层面来看，这本书最大的亮点或许在于它对“软件应用”与“工程判断”之间关系的探讨。现如今，参数化建模和拓扑优化软件已成为主流，但如何将软件给出的“理想化”结果，转化为能被施工方理解、被甲方接受的落地方案，一直是行业中的痛点。这本书在这方面给出了非常接地气的指导。我注意到其中有一个章节专门讨论了如何处理优化后的细小、不规则构件的施工图表达问题，这简直是直击痛点。作者并没有盲目推崇新工具，而是强调了在计算结果之上，必须叠加工程师的经验判断力，比如对施工难易度的修正、对长期维护成本的预估等“非量化因素”的权重考量。这种亦步亦趋的实战经验分享，比纯理论推导更具指导价值，让人感觉像是得到了一个经验丰富的导师在手把手地传授行业“潜规则”和“艺术”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，可以说是专业又不失人文关怀。它没有使用那种过度学术化、生僻晦涩的术语去故作高深，而是采用了非常清晰、直接的叙事方式。即便是在讲解一些涉及高等数学或有限元分析的概念时，作者也善于使用贴近实际工程场景的比喻来进行阐释。比如，在讨论结构刚度分配时，作者巧妙地引入了水流阻力的概念，瞬间就让原本抽象的力学概念变得直观易懂。这种“翻译”能力，使得这本书的适用范围大大拓宽，不仅仅对资深工程师有启发，对于高年级学生或是刚入行的年轻设计人员来说，也能快速搭建起对复杂结构性能的直观认识。阅读过程中，你会发现作者在力求精确的同时，始终保持着一种引导读者思考的节奏，而不是简单地抛洒知识点，让人读起来非常流畅和愉悦。

评分☆☆☆☆☆

我一直觉得，一本优秀的专业书籍，其价值不仅在于传授知识，更在于构建一套清晰的思考框架。翻开这本书的目录时，那种逻辑的严密性立刻抓住了我的注意力。它没有像许多教材那样堆砌晦涩的理论公式，而是将“优化设计”这个宏大的主题，通过一系列循序渐进的案例和方法论，进行了解构和重组。尤其让我印象深刻的是关于“迭代优化”流程的描述，作者似乎把一个原本复杂、充满试错的工程决策过程，梳理成了一套可操作的SOP（标准操作程序）。这套程序中，对于各种约束条件——比如材料性能的边界、经济成本的敏感度分析，以及抗震规范的红线——是如何被系统地纳入考量的，讲述得极为透彻。它不仅仅告诉你“应该怎么做”，更深入地探讨了“为什么选择这种优化路径”，这种对设计哲学层面的剖析，极大地拓宽了我的设计视野，让我开始跳出单纯满足“规范要求”的思维定式，转向追求更高层次的结构效率与经济性平衡。

评分☆☆☆☆☆

最让我感到惊喜的是，这本书在案例选择上展现了极高的前瞻性和地域适应性。它所引用的结构案例，并非都是教科书上千篇一律的经典结构，而是涵盖了诸如大跨度空间结构、复杂高层剪力墙体系在特殊荷载组合下的应对策略，甚至还触及了新型复合材料在优化设计中的应用潜力。更难能可贵的是，这些案例的分析不仅仅停留在“计算结果”层面，更深入到了设计背景和目标设定的层面。例如，某个案例中是如何平衡业主对建筑美学表现的极致追求与结构安全裕度的最低要求之间的矛盾，这个过程的权衡取舍，远比最终的受力分析来得更有价值。它让我意识到，真正的结构优化，本质上是一场多维度目标下的动态平衡艺术，这本书恰恰很好地捕捉到了这种艺术的精髓，并将其系统化地呈现在读者面前，极具启发性。