截面优化 形状优化 拓扑优化 算法
结构优化设计是最近30年来才发展起来的一个新的技术，这是结构上的一次重大的飞跃，它让设计者们从被动的状态变为了主动状态。优化设计能够非常合理地使用每一种材料的性能，让结构内的每一个单元都能够很好的协调在一起，并且保证安全度是完全达标的。于此同时，它还能够帮助整体性的方案设计进行一个非常合理的决策。结构优化设计从出现到现在已经有40多年的历史了，而在过去的30年内，它在理论和算法等方面都取得了非常显著的进展。这些进展大部分是与连续变量优化设计相关的，另外少部分是与离散变量优化设计相关的。
1.结构优化设计理论
1.1 截面优化
截面优化的设计变量要么是板的厚度、杆的横截面积，要么是复合材料的方向角度或分层厚度，因此，在使用有限元对结构的位移与应力进行计算时，只需要直接地使用灵敏度分析以及适当的数学规划方法便能够完成截面优化的过程，而不需要对网格进行重新划分。对于几何状态一定的情况，有限元分析只需要在杆的横截面的性质发生改变的时候才重复地进行。对于板这类有连续性结构的东西，也只需要把各个单元的厚度作为设计的变量，得出的优化结果便是呈阶梯形分布的板的厚度。在这些优化设计的过程当中，设计变量和刚度矩阵一般情况下是简单的线性关系。所以，截面优化应该重点研究优化算法与灵敏度分析。
1.2 形状优化
形态优化的主要特征是在结构给定的前提下通过对结构的边界形状或内部的几何形状进行调整来节约材料并且对结构的特性进行改善。从对象上划分，形状优化主要可以分为块状、板状的连续体结构与桁架类的杆系结构。对于杆系结构形状进行优化的求解方法主要可以分为两类。第一类是综合法，即是将两类变量统一起来同时进行处理，运用无量纲化，然后构造近似数学模型进行求解。第二类是分步优化方法，即是将尺寸变量和几何变量分为两个设计空间，然后分别对这两类变量进行优化，也即是每一步将一个变量固定，同时优化另一个变量，两步之间通过迭代进行协调。
1.3 拓扑优化
拓扑优化已经成为了现今结构优化设计研究的一个焦点，因为它可以在工程结构设计的最初的阶段便为设计者提供一个概念性的设计，让结构在布局上运用到最好的方案，这样，拓扑优化就比截面优化和形状优化能够获得更大的经济效益，也更容易受到工程设计人员的亲睐。拓扑优化的目的是在设计空间中寻找结构的刚度最好的分布形式，从而来对结构的一些性能进行优化或者减轻结构的重量。
2.结构优化设计方法
2.1 数学规划法
数学规划方法的提出开创了现代结构优化的新时代，将优化问题转化成数学规划的形式求解也就是将问题转化为在设计的空间中，在一定的可行域内寻找最小目标等值面上的可行的点，这个点也就是问题的最优解。数学规划法有非常严格的理论基础，虽然它在一定的条件下能够收敛到最优的解，但是它要求问题能够非常明显地表达，而且大多数情况下还要求设计变量必须是连续变量，目标函数是连续的而且性态要良好。对于大型的结构优化问题，收敛性一般都不是很好，而且迭代的次数比较多，这样就加大了结构分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了规划方法的计算的效率。
2.2 最优准则法
直接地使用数学规划理论需要多次地调用函数进行计算，而且当设计变量增加时调用次数也会迅速增加，导致设计的效率太低，在这样一种背景下便出现了最优准则法，它是最先发展的一种结构优化设计方法。这种方法虽然计算效率比较高，但是在建立迭代公式的过程中受到很多假设的限制。
2.3 仿生学方法
近年来，对自然界进化进行模拟的算法有两类，即模仿自然界过程算法和模仿自然界结构算法，主要又可以分为：进化算法、神经网络算法与模拟退火。
结语
结构优化是一门综合性的学科，也是一个有很大发展潜力的研究方向，它具有一定的理论价值与应用价值。在理论上，它对结构设计提出了一个新理念，极大地促进了人类资源的合理配置。于此同时，结构优化问题的本身也带动了一些相关性学科的发展，对各个学科的发展提出了一些新要求。本文对结构优化的一些优化方法进行了简要的概括。截面优化相对来说已经比较完善，形状优化也渐渐地变得成熟，只有拓扑优化至今还处在理论探索的阶段。
参考文献
[1]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，08：30-33.
[2]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压，2010，15：114-119.
[3]李晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[J].工程建设，2007，06：21-31.
[4]钱令希，程耿东，隋允康，钟万勰，林家浩.结构优化设计理论与方法的某些进展[J].自然科学进展，1995，01：66-72.
关键词：桥梁设计；优化；仿生方法
中图分类号：U442.5文献标志码：A文章编号：1672－4011(2016)01－0180－02
0前言
桥梁设计是确保我国交通事业有效发展的一项重要工作。现阶段，社会各个领域都对桥梁设计给予了高度的重视，地方政府对桥梁设计以及工程施工投入了非常多的资金，其中桥梁设计不仅需要确保桥梁安全性以及实用性，同时需要确保桥梁美观性以及科学性。传统桥梁具体设计理念只可以确保桥梁正常使用，在创新方面有很大的难度。仿生方法科学性非常强，在设计过程中采用这种方法可以有效解决传统桥梁设计中的各种问题，有效提升桥梁设计所具有的科学性。
1仿生法的具体涵义
所谓仿生法，就是模仿自然界里面的生物形式或者是运动状态，通过相似性来进行创造。现阶段，自然科学界应用仿生法的学科非常多，其中有工程学、生物学以及化学等，同时在这些领域发挥了非常重要的作用［1］。自然界的所有生物都起源于自然，自然界里面的生物组成结构一般要比科学发明更加先进。仿生法就是有效结合自然界智慧以及各学科知识，促进了科学进一步的发展。对于桥梁设计领域，设计师将自然智慧变成了能够度量的具体理性数据，并通过总结以及分析形成具有系统性的一门桥梁学科，对设计者的设计工作进行指导。
2桥梁设计及优化过程中应用仿生法的意义
桥梁设计是确保工程质量的基础，会对后期施工以及人们的安全使用产生直接的影响。设计师属于桥梁设计主体，是确保桥梁设计质量和安全的关键，设计师具体设计理念直接决定了桥梁外观以及结构。仿生法是一门比较先进的学科，在各行各业得到了广泛的应用，同时获得了比较好的反响，所以，掌握仿生法理念的设计师可以对桥梁功能以及造型进行不断的创新，从而有效促进我国桥梁事业的进一步发展。
3仿生方法的应用
对桥梁进行设计的时候，很多形式均源于生物界以及大自然，有的甚至可以找到原型［2］。仿生法可以分成两种，分别是宏观和微观。桥梁设计以及优化中，仿生法的应用也可以分成宏观以及微观，从细节角度上看，宏观和微观均要分成很多种仿效细节，该细节通过新载体能够形成新的整体。
3.1桥梁形态方面进行的仿生
西班牙某设计师在进行桥梁设计的时候，最先从形态方面进行仿生，该设计师的设计灵感主要是从植物以及骨骼形态上获得的，然后以此进行仿效，很多人对它的设计有不同的看法，有的甚至觉得非常荒诞，施工难度非常大。可是对于该设计者来说，其认为自己所进行的仿生设计技术含量不是很高，仅仅是对自然形态进行仿效，施工所需的材料也只不过是最普通的钢筋混凝土材料［3］。而仿生法的应用并不是随意的，而是需要有效结合仿效结构以及桥梁工程具体需求，尽管自然界大部分生物形态结构仿效性非常强，可在实际施工过程中很有可能产生沉降引发开裂、自重过大以及结构太复杂等问题，因此，进行桥梁设计的时候，仿生法的应用应该充分考虑其可建造性以及合理性。
3.2桥梁结构方面进行的仿生
自然界以及生物界存在的很多骨骼和组成结构均能在桥梁设计中应用，如人体骨骼结构，组成部分主要有足、脊柱、髋以及股和胫等，并通过足骨来分解人体自重量，其中必须承重的骨骼，其骨质一般都非常密实。在进行桥梁设计的时候，可以充分利用该生物结构形态。桥梁结构同样需要完整性比较高的承载力分散模式，其可以确保桥梁使用功能以及所具有的持续性，若设计结构很难分散力量，则表示该桥梁结构不可以进行实际建造，属于不合理设计。人体骨骼仿效产生的效果比较好的桥梁是以色列的卡拉特拉瓦设计出来的科兹桥，由于该桥高度为119m，所以桥塔上总共辐射有66根拉索，该桥梁在2010年真正投入使用，一直到今天，该桥梁也是耶路撒冷的美丽风景线。
3.3桥梁建筑材料方面进行的仿生
对人类来说，自然界就是一个非常大的藏宝箱，其不仅蕴藏钢铁资源、石油资源以及煤炭资源等自然物进行的显性应用，同时还有由大自然界获得的各种材料应用灵感，从而进行隐性应用。现代建筑主要强调的是绿色环保功能、工程可持续性和资源有效利用性，因此，桥梁设计人员应该充分考虑该怎样把建筑材料所具有的最大功能完全发挥出来。随着科学技术的快速发展，新型仿生材料可以对建筑材料功能进行有效的改善，有些发展非常好的仿生材料甚至能够取代现有材料，比如，和贝壳进行比较，水泥抗拉性相对较小，由于贝壳里面含有大约95%的石灰石，剩下的都是蛋白质，提示人们该化学组成方式可以有效提升工程所具有的抗拉性，并且还可以减少其他化学材料给自然环境造成的污染。此外，桥梁应该具有防水性以及防腐蚀性等功能，从而确保桥梁使用寿命，对于防水性，吉林大学进行仿生实验的时候发现蝴蝶翅膀鳞片结构可以有效防水，并且其自洁功能也非常强。再如，现阶段在路标中得到广泛应用的发光材料，在白天能够吸收同时储存太阳能，晚上其可以确保持续发光，该材料的应用既可以提升夜间交通安全性，也与节能环保理念相一致。
3.4桥梁功能机理方面进行的仿生
仿生学里面，具体研究对象是自然界里面动植物所具有的功能机理，一般主要有行为学、力学以及能量转化等。对于这一方面进行的仿生应用，很早以前就开始了，如通过效仿鸟类翅膀上的功能机理，设计了飞机机翼，然而最初机翼存在震颤问题，人们又到生物界里面去探寻解决方式，然后在研究蜻蜓翅膀翅痣的过程中，有效解决了这一问题。自然界里面的狂风、地震以及洪水等因素会直接影响到桥梁寿命，并且在现阶段桥梁建筑跨度越来越大的条件下，桥梁所承受的风险也逐渐增大，想要确保桥梁所具有的安全使用性，就应该在设计中努力寻找办法，有效规避自然界风险因素造成的危害。而自然界里面的生物在经历了大量狂风、地震以及洪水等过程后均可以自然地存在，这其中所蕴含的功能机理就是进行桥梁设计时应该借鉴的。德国一所大学经过研究发现，巨型木贼和木贼草植物里面的细胞就可以通过自我调整来有效改变植物体系所具有的刚度，从而和外界造成的压力相适应［4］。该生物功能性机理就能够在大跨度桥梁结构中的桥墩以及桥塔上得到应用，使该桥梁具备和生命体质比较接近的特征。
3.5生物神经系统方面进行的仿生
有生命的生物最大的特征为拥有神经系统，可以根据外界环境发生的变化合理进行自我调整［5］。然而桥梁工程只可以被动接受外界施加的压力，其不具备自动调节能力。想要提升桥梁工程所具有的反应能力，比如通过一些仿生方法实现实时监控。其中仿生发明，比如，阻尼器等，在现阶段桥梁设计过程中得到了创新应用，这些仿生方法以及仿生发明的应用就属于桥梁神经系统。以前仿效生物构建神经系统具有非常大的难度，然而在电子信息技术高速发展的今天，对桥梁构建神经系统是比较容易的。对神经系统进行仿生应用的桥有很多，如千禧桥，其可以在河道上提供交通服务，可以保证河道正常通行，同时，其仿生性能够显著增加该桥梁所具有的观赏价值以及生命价值，当遭遇外界风险的时候，又可以自动调节自身安全性。
4结论
自然界里面，各种事物都存在一定的联系，其中生物学以及建筑学的联系尤其明显，所以，随着创新理念的持续发展，人们已经意识到通过仿生法设计以及优化桥梁工程，可以有效提升其所具有的各种性能。在桥梁设计过程中应用仿生法的时候，主要可以从五个方面进行仿生，分别是：桥梁形态方面进行的仿生;结构方面进行的仿生;建筑材料方面进行的仿生;功能机理方面进行的仿生;生物神经系统方面进行的仿生。
参考文献：
［1］胡楠．仿生方法在桥梁设计与优化中的应用研究［D］．长沙：中南大学，2010．
［2］李继军．仿生方法在桥梁设计与优化中的运用［J］．城市建筑，2015，12(24)：249－249．
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［4］曾凡林，谭德盼．瞻望仿生学在桥梁设计中的应用［J］．交通科技，2012，38(3)：44－47．
关键词: 结构设计方案问题应用
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异; 使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通; 能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象。
1 结构优化设计的模型和方案
房屋工程分部结构优化设计包括: 基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。
1．1 结构优化设计模型
结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是: 设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。
1. 2 房屋建筑结构设计的基本方法
(1) 当结构平面图在绘制结构平面布置图时，需要输入结构软件进行建模。建筑物根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度进行相应的计算和构造措施要求。注意“地震作用”、“抗震措施”与“抗震构造措施”，提高地震作用，则结构的各构件均全面增加材料; 抗震措施指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施，其中的一般规定及计算要点中的地震作用效应(内力和变形) 调整的规定均属于抗震措施，提高抗震措施，着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的抗震能力上，是经济而有效的方法; 抗震构造措施指根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。设计中需要注意受压和局部受压的一些问题。
(2) 屋顶(面) 结构图当建筑是坡屋面时，结构处理方式有梁板与及折板式两种。梁板式适用于建筑平面不规整，板跨度较大，屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面，折板式适用于相反的条件。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。板厚基于构造需要一般不宜小于120 厚。至于坡屋面板的平面画法，通常使用剖面示意图加大样详图的表示方法，这样更便于施工人员正确理解图纸。正确绘图和设计的关键是设计人员真正的心知肚明，结构设计者必须要具备一定的空间概念，正确理解建筑图纸和意图。设计的图纸方能让施工人员明白。由于屋面的起坡会造成阁楼层的部分墙体超高，要结合门窗顶设置圈梁来降低墙的计算高度。
1．3 结构优化设计方案
结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。
2 结构设计优化技术在应用中的几个问题
结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。
2．1 前期参与
因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。
2．2 细部结构设计优化
概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I 级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。
2．3 地基基础结构设计
地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。
3 结构设计优化的的功用
3．1 降低总造价
进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。
3．2 提高建筑结构经济性
建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长; 相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。
关键词：供配电设计原则；计算方法；CWSBR优化控制
Abstract : in today's world industrialized swift and violent development also caused serious pollution of the environment, governance of industrial pollution has become the world wide concern, the sewage discharge and treatment related to people's production and life safety. And control of water pollution is the most effective way is to build a sewage treatment plant. The article from the sewage treatment plant equipment performance and power requirements, simple introduction of sewage treatment system of the power equipment, supply and distribution system design, and combining with the actual CWSBR real case, the sewage treatment plant power supply and distribution of professional process design and energy saving optimization control method. This includes blower load calculation and optimization method, biochemical pool load calculation and optimization method, the lift pump optimization control method, PLC energy saving control. The effect of wastewater treatment of various factors into the case presentation and interpretation of the process, analyzes the practical problems in the process.
Key words: power supply design principle; calculation method; optimal CWSBR control
[中图分类号] X703.3 [文献标识码]A[文章编号]
引言
工业化进程不断加快，伴随着重工业飞速发展而来的是环境污染问题的日趋严重，同时如何在环境治理的过程中节约资源能源也是需要关注的重要问题之一。目前广泛存在于世界各国的污水处理厂在缓解水污染问题上功不可没，但也普遍在技术方面存在一些不足之处，如参数设置不妥当、设备的功用达不到最优利用率造成能源尤其是电力资源的浪费。诸如此类的状况亟待改善。
供配电设计原则
首先，要考虑电力供应的可靠程度，不拘泥于一路电源供电；其次配电室的合理配置应当充分考虑功率和电压这些因素，构建电力负荷的最优组合，从而节约设备成本；再次，结合设备的特性，选择最适合的设备启动模式，形成与其他设备相呼应之势；最后，合理排除恶劣自然天气现象对设备造成的损坏，切实做好避雷措施。根据原则，下面开始详细介绍具体计算和优化方法。
鼓风机的计算和优化方法
污水处理厂的污水处理设备必须持续供电，或者仅仅允许非常短的时间内的断电。比如说水泵的使用依赖于长时间的持续进水来维持其动力，因此每一项设计都要考虑用电负荷问题，以既不多也不少的电量设计为最优，多则造成电力资源浪费，少则可能导致设备瘫痪。以CWSBR为例：假设一个生化池最大容水量为20000t/d，则6个生化池总量达120000t/d，鼓风机的功率为160千瓦，一个鼓风机对一个生化池，再假设每个生化池每次运行五小时，进水加搅拌时为最大负荷，生化池电力负荷与变压器电力负荷可做不同的考虑。根据运行周期，如果多台鼓风机在一时间段内同时运行，就会造成电流的不正常波动，不利于电力系统的安全，是造成事故的潜在隐患。引入CWSBR水处理工艺后，6台鼓风机的负荷则可优化至4台的水平。优化比率可达30%-40%。
CWSBR工艺的主要特点
3.1节约成本
水帆的构造比较灵活，能够提高容积利用率，没有二次沉淀和污泥回流处理系统，因此，所需管道和阀门等设备材料的数量大大降低，基建投资减少约15%，每吨废水的投资费用都比传统工艺降低约28%。
3.2应用于现有污水处理厂的改建
可在原有的污水处理工艺流程上改建而成，原有的污水处理设备也不会被抛弃，利用率高达90%。
3.3水质的处理效果好
因为CWSBR工艺可灵活选择生化反应过程，所以可提供多样的生态环境。根据水质与水量等具体情况自动选择净化进程、阶段、时间等，可有效去除氮磷，因此效率高，出水质量好。另外，由于水位恒定，CWSBR的滗水器恒水位操作，不像传统技术会因为水位的变动而造成不同程度的跑泥现象，相对来说，固液的相互分离技术先进。
3.4运行费用低
运行过程水位不变，水力做功得到最大效用的利用，因此提升泵能耗减少约70%，运行费用降低约9%。
3.5建设周期短
不论是新建还是改建CWSBR工艺，因其结构不复杂，容积不大，八周左右即可竣工。
3.6自动化程度高
工艺工作过程实现全自动，不需要工作人员在旁看守，采取定期对设备进行维护的工作方法即可。
3.7程序专业，模块明显
模块化构造更加清晰，调控过程中专注于相关模块的变动即可，操作简便。
4.提升泵变频运行与液位计联锁优化控制方法
为了有效减少水泵对能源的过度消耗，建议污水处理厂最好能够加强水泵与液位计的变频联锁控制，一是保障水量的持久的有效的足量的供给。二是避免提水泵在工作过程中频繁启动。再者，这种相互关联的控制能够有效弥补CWSBR生化池的弊端，即其进水周期呈现的不稳定性，进而优化整个生化池的环境，使得污水的净化程度显著提高。同时，结合全自动节能控制技术实时监控污水的总的进水量与水泵的负荷是否一致以及出水的质量，并进行分析，对于实际操作过程中出现的白天的进水量明显多于夜间进水量的情况将会有很大的帮助，使其得到控制和改善。
液位控制仪PLC控制系统变频器提升泵
图1：原理图
表1：变频水泵参数表
5.结语
电能的有效利用与节能减排、治理污染息息相关，污水处理厂可将文章中论述的技术有效的运用于实际的工作中，在保障水质的情况下降低能耗相应国家的发展政策和方向，造福人民。
参考文献：
[1]刘礼祥.城市污水处理厂全流程节能降耗优化运行策略[J].中国给水排水,2009.
关键词：优化；素描；教学方法；观念
中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2012）30-0247-01
一、教学方法与规律
近年来，我国从国外引进了科学的素描技艺训练方法，使得素描教学成效取得了巨大的成就。但同时，我们也发现，素描教学中普遍存在着过于注重对素描技艺的训练，而忽视了素描艺术本身的规律性。素描技艺训练的目的是什么，学生应具备怎样的能力？这应该是每一位素描教师应首先考虑的问题。一味地追求对学生素描技艺的强化训练，学生可能会熟练掌握方法，但很难培养出学生的艺术形象思维能力。他们一旦脱离客观实物，就不知该如何下手。
改革开放之后，我国沿用了几十年的“契氏”教学法一统的局面被打破了。西方艺术大师的经典素描作品使我们在开拓了眼界的同时，也反思了素描教学法的改革。然而，传统的教学方法常会使我们的教学停留于对方法的追求，总是新瓶装旧酒，换汤不换药。对于素描教学中艺术造型的研究却仍然没有引起足够的重视，因而，在素描教学中，我们应注重训练学生通过自己的眼睛去捕捉事物的形象，并能够通过艺术的形式表现出来。素描技艺只是学生掌握造型艺术的一种手段，并非根本目的。只有认识到这一点，才能使学生摆脱对于技艺的过分追求的现状，才能通过经典的艺术作品去把握规律性的东西。绘画的艺术流派，不论哪一派，他们的艺术规律是相同的，区别仅仅在于风格上的差异。
二、教学方法与观念
绘画艺术流派的风格究其根本是由观念的不同所形成的。例如一支客观存在的笔，经过人的观察之后，可能幻化成另外一种形态的东西，这就是由于人的大脑经过思维后所形成的反射，是一种能动的反射。因而，人脑所形成的画面是由感觉器官输入人脑后经过思后，形成的一种观念。“契氏”教学法认为，任何艺术形体都是由“块”和“面”组成的，即使是线也是由“面”所构成的。而国画则讲究“线”，认为画家可以通过线创造万物。所以，两者的差别就显而易见。因此，素描教学应研究观念，寻求事物背后的规律性的东西，而不应过分注重教学方法。
在实际教学中，教师在讲授观念的重要性之时，最多的就是整体与局部之间的关系。这本无可厚非，主次之分是素描的核心，但同时也不应忽视两者之间的相互作用。要辩证地看待整体与局部，只有这样才能避免陷入简单、片面、狭隘的误区。高强度的技艺训练可以使学生迅速的提高素描水平，这容易使学生在初步掌握了素描的技艺的基础上，形成定向思维的模式。如初学时，教师一般会强调通过把明暗交接的部分进行一定的夸张处理，可以更加明晰的区分事物之间的存在关系。学生通过高强度的训练，形成一种“习惯”，在绘画时过多地区套用这种模式。
对于素描的本质缺乏认识，是由“观念”形成的。在实际教学中，学生往往会对如何画才能达到客观事物的本质这一问题而感到不知所措。本质和表象是一对范畴，表象指的是人能通过感官感觉到的东西，而本质指的是事物的内在，两者是相互统一的。比如，我们通过观察着衣人物只能看到其本质的一部分。因为，我们不能看见其全部，只能通过人的膝部、肘部等重要的关节部位和整体的外形来把握。因而，学生如果不能把握事物的本质规律，则容易以孤立的视角看待事物，人体模特的臂膀的伸展有着明显的差异，而学生的素描，却过于僵硬，这正是由于忽视事物本质规律的反映。树立学生养成透过现象看本质，使现象服务于本质，是必须重视的观念问题。
三、优化教学方法与手段
教师应注意培养学生对于素描基础训练的目的和重要性的认识。这样能有效提高学生的学习效率。如有的学生素描功底较好，但其主观意识薄弱，容易羡慕他人的“漂亮”作品，但对自己存在的问题却仍不知所在。素描基本功的训练，其实是培养学生艺术形象创造能力的重要基础，对其一生的艺术生涯有着极为重要的影响。传统的教学方法过于注重学生技艺的训练，使得他们花费了大量的时间和精力于物体的简单摹仿之中，而对物体的形体转换成艺术表现形态方面存在明显的不足。长期如此，必会导致学生艺术创造能力培养的缺失。因而，在教学中注重将摹仿与艺术形象创造有机结合，是辩证统一的观点，必须加以结合。视觉的观察加上艺术思维的想象，是学生完成艺术升华的重要条件。一个仅能摹仿的学生是难以在素描艺术领域获得长足的进步的。在培养学生艺术形象的创造能力时，需要教师具备一定的胆识与技巧，其中有规律可循，教师只有掌握并灵活运用它，才能使得素描教学更上一层楼。
参考文献：
关键词：机械结构；优化设计；应用趋势
随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式[1]。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。
1 机械结构优化设计方法
目前，机械结构优化设计的应用已经应用到各个领域，很多的机械产品在设计中都会采用优化设计，才用优化设计能解决结构重量扩展到降低应力水平，还还能改进结构性能以及提高产品安全寿命等问题。
对机械结构的尺寸优化设计的应用方法有：用遗传算法对空间杆桁架的杆截面进行尺寸优化，从而得到空间桁架较好的结构。对一些结构的形状优化设计方法有：用数值解法计算机械产品的形状优化，并采用数学规划的方法进行形状优化设计。下面介绍下在振动机械优化设计中的对比分析 ：
筋板在连接结构的内壁，能提高其抗弯和抗扭刚度；对开式截面的结构，作用很明显；而对闭式结构作用影响不大。筋板作为壁板加强时，刚度作用增强，能抵抗局部变形。
无论采用何种优化方法，在迭代过程中求解目标函数和约束函数的值是必不可少的，在一些方法中，需要求解目标函数和约束函数的1阶甚至2阶偏导数。这些约束函数往往是结构的性能要求，如结构的应力、位移、频率、稳定性、可靠性等，这些性能经常是设计变量的高阶非线性函数。如果采用经典的力学公式能获得满足工程要求的结果，则在优化过程中，不断调用这些公式计算当前函数值或导数值，就可以完成优化迭代。在这样的方法中，由于函数最终表达为显式，因而计算所化的时间和存储量以当前的计算机技术看来是不难做到的。但是，对于复杂的机械结构来说，采用力学公式求解往往就不能胜任了。在有限元等数值方法快速发展的今天，自然被用在机械结构优化的分析中。由于这些数值方法应用广泛，可以求解结构的各类问题，包括静力、动力、弹塑性、热传导等，因此，随着计算机的软件和硬件技术快速发展，在过去经常被视作瓶颈的计算速度和存储量，对于一般的机械结构优化已经不是太大的问题时，机械结构优化中越来越多地采用数学规划+数值计算的模式。这种模式最大的优点是适应性好，使用方便，适合各类机械结构优化问题，包括大型杆系结构、三维连续体和板壳结构以及各种载荷和约束条件下的优化设计。但是，随着优化迭代次数的增加，重分析次数也大幅度上升，尤其对于大规模的结构问题，特别是涉及动力、可靠性问题，如果单次有限元分析的时间就很长，再加上求偏导数时的重分析时间将可能使求解变得过于耗时，以致不可行。
2 机械结构优化的应用趋势
结构优化设计随着最优化方法的不断发展和改善， 已逐渐得以发展。近些年来， 在结构优化结构算法的方面，结构优化设计偏向于采用接近实际的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统， 由于设计的变量数目比较大，所以研究新的准则优化方法非常受到重视，但是如何去针对一些特殊的结构才设计相应的公式，解决在数值计算与推导实现的相关问题，同时还可以使用一些机械系统的分解与优化方法， 在机械结构优化中，可以按优化多级分解或进行子结构分解，对于一些多学科的较为复杂的系统可以采用学科分解优化的方法。分解的算法关键在于如何去建立各个子问题之间的耦合关系，比如可以通过采用线性分解和使用最优解对参数的灵敏度等方法来建立起耦合关系，让一些子问题的解相容，从而确保迭代收敛，但是问题是怎样保证一定能求解。并采用计算技术应用到结构优化设计中去。像人工神经网络， 遗传算法等方法， 在最近十余年来被机械结构优化设计的发展很快。它们对连续混合与离散变量的全局优化， 这对发展结构近似重分析的专家系统有重要的作用。现在的问题就是该如何去提高优化精度、质量、加快收敛， 增加方法的通用性[2]。形状优化、拓扑优化和材料优化的集成在机械结构优化中具有非常重要的价值，是并行结构优化的重要组成部分，也是以后的研究重点。
拓扑优化在结构优化中是重要的参考依据， 让复杂部件和结构在概念设计阶段即可理性地、灵活地优选方案，并有可能解决一些大型实际结构优化设计。拓扑优化在研究中所提出的均匀化等方法，可以将形状优化、布局优化和材料选择集成一体，为机械设计结构、工艺和材料提供科学的手段。但是如果要处理一些庞大的优化模型和有限元的计算量非常大，应力需要约束处理、对“多孔状”材料分布圆整化，单元消失有可能会引起计算模型病态等问题。
机械结构优化技术在工程机械设计中的具有非常重要的实用价值，如要解决优化设计中有限元模型的庞大性问题、多学科设计与解决结构优化问题交叉问题。对于机械设备、结构和机构的健壮性与可靠性是机械设计时非常关心的问题， 综合考虑健壮性、可靠性及成本的全性能优化设计方法、理论及其应用，则会给出更加接近实际的结果，应当应予重视[3]。在研究这类问题中，对包括随机性和模糊性的不确定因素也应当应予注意。为增强优化设计尽可能的为工程实际所服务， 进一步开展设计的实用性。所以开发和完善通用性的结构化设计软件已经变得十分迫切。
从近几年来国家自然科学基金所资助的项目来看，单就机械学科相关的优化设计的项目就有将近20项，其中包括广义优化设计，模糊优化，全性能优化设计，分解优化设计，可靠性优化，人机一体化设计与光机电一体化，有机械传动系统性能优化也有基于人工神经网络的复杂结构优化研究，复杂机电耦合设计理论与方法与系统解耦研究以及机电产品的绿色设计方法与理论等，在今年还提出的轧制件模具的现代设计方法， 面向产品的创新的概念设计等课题， 这些方面的研究充分反映出我国已经非常重视机械设计的研究工作和机械机构优化设计的发展方向[4]。
参考文献
[1] 张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑，2008（11）.
[2] 秦东晨，陈江义等.机械结构优化设计的综述与展望[J].工程论坛，2005，（9）：
1 传统优化方法的应用与发展分析
1.1 传统机械优化设计方法的应用
传统机械优化设计方法大多应用于机械结构和零件功能的优化设计，针对机械结构的性能和形态进行优化。在机械结构上，内点罚函数优化法，能够对刚度和压弯组合强度结构进行良好的优化，既能够满足尺寸要求又能良好的控制结构自重。在形态方面，典型的是轴对称锻造部件的毛坯形状的优化。在性能方面，采用坐标转换法和黄金分割法对部分两岸结构进行优化设计，使得机械结构更加准确保持运动平衡性，提高了传力性能。这样看来，传统机械优化设计方法依然能够取得良好的效果，所以在机械设计发展中不能忽略传统优化方法的作用。
1.2 传统优化设计方法的一些改进
在新的设计方法出现后，传统机械优化设计进行了一些改进：设计中普遍采用最优设计方案和设计策略，帮助达到最优组合性能;建立能够反映设计问题的数学模型，提高机械设计的准确性;利用计算机选择最优方案，通过计算机程序解决更加复杂的计算;计算机辅助设计，降低人工设计的误差。
2 现代机械优化设计方法的应用和发展
随着机械设计要求不断提高，设计工作需要考虑的问题也越来越多，整体需要解决的问题规模和复杂度都有所增强，传统优化方法的问题暴露出来，局部优化和最优解不再适用于大规模问题的设计，这使得机械设计工作者广泛吸取其他学科的理论知识，产生全新的机械设计思路，通过算法来解决一些复杂的设计问题。
2.1 反馈神经网络在机械优化设计中的使用
反馈神经网络模型的基本内容是一些双向相连的神经元系统，每个神经元之间的连接都具有特别的权值，这个神经网络对于输出和反馈能够统一应用，这样将整个网络的能量函数和机械设计的目标函数映射起来，神经网络的进化过程则与机械优化设计的最优过程对应起来，在实际应用中，寻找神经网络模型与问题的解的过程十分关键。
2.2 多层向前神经网络在机械优化设计中的使用
多层向前神经网络也是目前神经网络模型中应用较广的一种，通过输入层、隐层和输出层，将模型输入信息进行单项的传播输出，整个模型中不论是层内还是层间，均不存在反馈链接。多层向前神经网络具有很高的运算速度，非线性的映射能力也更突出，在机械优化设计中，能够利用这种模型的特点，对机械结构的多目标优化进行映射。
除了神经网络模型的应用外，很多专业的数学软件也应用于机械设计工作中，比如MATLAB，作为功能强大的工程数据计算软件，能够很好的将计算问题与实际问题结合起来，其中配置了大量的工程函数，在解决大部分工程问题时能够节约大量的时间，而且计算结构也非常精确，所以在自动化控制和机械设计领域都有很好的应用。
3 遗传算法的应用与发展
遗传算法简称GA，是一种全新的概率优化算法。遗传算法作为一种非确定性的拟合自然算法，模仿了自然界生物进化的特点和规律，对于随机对象进行自然选择，按照自然界的适者生存法则来循环处理数据，最终产生的随机群体会收敛于整体的最优解。遗传算法有很强的自适应性，借助自然界遗产的规律，能够对全局都进行优化处理，同时遗传算法是潜在的并行计算算法，所以拥有很高的计算效率。遗传算法以其全局优化的优越性，主要应用于机器学习和控制领域，最近几年也得到发展被应用于机械优化设计中。
3.1 遗传算法与机械结构优化设计
简单的遗传算法线性适应度非常理想，通过非线性适度与自适应的变异概率来优化一般的遗传算法，以此来解决机械结构的优化问题，多峰值函数极值等都具有实际的参考意义。
3.2 遗传性算法与可靠性分析
框架结构系统结合遗传算法，能够对系统结构的可靠性进行优化分析。
3.3 遗传算法与故障诊断
遗传算法网络模型中，各个神经元之间的权值可以作为染色体向量，模拟基因多点交叉变异能够对随机对象进行优化选择，这种遗传算法能够应用于变压器故障的诊断。
4 机械优化设计软件的应用与发展
4.1 专用软件的应用与发展
目前国内机械优化设计专用软件开发和使用的都比较少，机械优化设计软件的开发还需要积累足够的经验，根据工作经验转换成计算机功能组成专用软件。计算机辅助设计软件的使用，能够帮助解决很多机械设计中的工程问题，结合人工神经网络和遗传算法，开发计算与图形化功能，专业软件的发展速度也是越来越快。
4.2 网络在线机械优化设计软件
优化算法的研究已经有所成绩，利用网络平台逐渐开发一些工业化在线优化软件，便于工业设计使用。对于在线机械优化设计软件来说，亟待解决的问题就是模型问题，对于非常复杂的系统来说，结构、流程、物料和系统参数等，都非常复杂，如果计算对象比较模糊，运算效率会受到严重的影响，这就给在线优化软件带来了巨大的困难。为了解决这种情况，通过合适的算法解决辨别模型，结合神经网络和学习特点进行数据的识别，让在线优化软件也能够良好的应用于各种模型，比如国内比较成熟的NEUMAX软件包，基于神经遗传算法的在线优化软件包，都能够良好的实现各种模型的遗传算法，这些软件已经成功应用于甲醇合成机械设计的优化工作中。
关键词：建筑结构设计 优化方法 房屋结构设计
中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：
建筑是一项关于凝固的艺术，一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。为实现在有限的空间、有限的资源的情况下，发挥出最大效果，最终达到经济化、实用性和适用性的良好目标，在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。而在房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用，从而真正成为“经济适用”房。
一、结构设计优化方法的理论基础
在进行工程项目和结构设计的过程中，需要考虑的因素很多，最终目的是要在保证设计对象基本适用功能和安全可靠性的情况下，把设计对象设计到最好的程度。这就涉及到工程和结构最优化的问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案。
从建筑理论上分析结构设计优化方法可以得知，结构设计优化方法主要体现在两个方面，其一是房屋工程部分结构的优化设计，其二是房屋工程结构总体的优化设计。后者的优化设计包括 ：屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。穿插其中的 ，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目 ，在实施过程中 ，应遵循一定的原则，结合具体工程的实际情况，从实际出发，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。
在设计安全被保证的情况下，建筑师应开拓创新，挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，建筑师的设计意图应能够得到基本满足，应设置尽量符合规则的平面布局，使其对称；同时缩小质量中心和刚度中心的差异，使建筑物在水平荷载作用下不致于产生太大的扭转效应。在竖直方向的布置上，应确保在满足功能要求的情况下，尽最大可能贯通竖向的承重构件；为使结构分析和设计上的难度不致于太大，减少不必要的经济浪费，使应力分散，转化层应尽可能少地使用；竖直方向的刚度要渐变，而不要突变，如若不然，在水平荷载作用下，突变处会产生严重的应力集中现象，这是非常不利于结构抵抗水平动力荷载的。
二、结构设计优化技术的意义所在
在房屋结构设计中运用建筑结构设计可以起到非常好的效果，这不仅可以使房屋看起来更加美观，用起来更加实在，而且也能够节省大量的造价，起到良好的效果。几乎每一个建筑商都希望，在建筑结构的长远效益得到满足的情况下，应尽可能地降低建筑结构的近期投资，与此同时，保障建筑物结构的可靠性和科学性。只有这样，才能顺利实现可持续发展，得到更多、更大的经济效益。
采用设计优化的方法与采用传统房屋结构设计方法相比优点是十分明显的，它可以使建筑工程造价得到大幅度降低，降幅达到35%。要实现优化方法的技术性问题，材料的性能要合理利用起来，争取协调好建筑结构内部的各单元，达到建筑规范所规定的安全水平。同时，优化方法的技术性实现还可以合理决策建筑整体性方案设计，它可以有效实现建筑设计的经济化、实用性和适用性的良好目标。
三、结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤
（一）结构优化模型
房屋结构整体优化设计方法分以按 3 个步骤进行。首先 ，选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量 ，如目标控制参数（结构造价 C1 和损失期望 C2）和约束控制参数（结构的可靠度 PS）；而将那些对设计要求来讲 ，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数 ，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量 ；其次 ，确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率 ，从而使总费用最小 ；第三 ，确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件 ，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中 ，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程 ，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较 ，保证各约束条件都符合现行规范的要求 ，以实现最优设计。
（二）设定优化设计计算方案
房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，一般情况下，在计算过程中，应转化问题求解，即将有约束优化问题转化为无约束问题。可以利用起来的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。
（三）进行程序设计
根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。
（四）结果分析
对计算结果进行分析 ，确定最优设计方案。
在上述步骤的执行过程中，涉及的问题包括多个方面，所以要全方位、多角度地考虑。这主要是因为建设投资这项工程的耗资非常大，涉及到的情况非常多，所以，总法则和考虑必须综合进行，不能片面地追求资金的节约而不顾设计的优化作用。技术与经济之间存在一对矛盾，要能够正确处理，因为它是控制投资中至关重要的环节。因此，在设计中片面强调经济节约是不正确的，应满足技术上的相应要求，使项目达到相应的功能倾向，与此同时，要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。
总而言之，建筑结构优化设计方法的研究涉及面广泛，具有十分复杂的特点，是一项综合决策问题。适用、经济、安全、便于施工和美观是建筑工程设计优化追求的五种效果，而这五个方面的侧重点各不相同，相互之间又存在一些矛盾的地方，一个优秀设计的出现往往是这五个方面的最佳结合。所以，在进行建筑设计的实践过程中，应加强实践探索，降低经济成本，以达到经济效益的最大化，从而在保证经节约经济成本和达到美观要求的情况下合理进行结构设计。
参考文献：
[1] 王智锋,孙之如. 建筑结构概念设计的优化[J]. 河南水利与南水北调. 2010(09)
[2] 李锋. 浅谈现代建筑结构优化设计[J]. 科技资讯. 2010(26)
[3] 江泽韦. 结构设计中值得注意的问题[J]. 工程建设与档案. 2002(04)
[4] 黄海涛,黄慎江. 结构设计中概念设计方法应用的探讨[J]. 工程与建设. 2010(04)
[5] 王燕锋,朱娜. 浅议结构设计中概念设计的运用[J]. 科技创新导报. 2009(34)
