施工图设计阶段的工作主要是确定全部工程的尺寸、材料、结构、构造、设备等，据此绘制指导施工的图纸、说明书、计算书和预算等。因此，施工图设计阶段的工作比较复杂和精细，材料的选择、构件尺寸的确定、结构的合理布置、构造措施的采用、设备的具体安放等工作，稍许不同就可能对整个工程的耐久性、安全性以及经济性起到相当大的影响。因此，该阶段的可持续发展问题值得进行深入研究，比如：新型材料的采用以及研究方法的革新导致现有规范落后于时代的发展，要求我们及时对现行规范进行统筹修订；研究开发优化设计软件并积极开展优化设计，以使工程结构真正达到“安全、经济”等等，均是施工图设计阶段可持续发展战略所要做的工作。下面我们就从以下几个方面对其进行详细阐述。

（一）根据最新研究成果及时更新相关规范

进入新世纪，随着国家三峡工程建设和“西部大开发”战略、小城镇建设等的建设步伐进一步加快，大量基础设施和重大工程建设项目得至～J 兴建，国家和地方政府相继在市政建设、道路交通、环境保护与整治等方面加大了投资力度。在“科学技术是第一生产力”的指导思想的引导下，国家对各高等院校以及科研机构的相关科研项目的投资逐年加大，对科研成果的应用转化也越发重视。因此，在巨大的建设规模和不断增长的科研需求下，对土木工程学科的科研领域和为国家和地方经济建设服务等综合能力提出了更高的要求。

土木工程设计过程中，规范具有举足轻重的作用。在国内，土木工程的各种规范、规程是工程设计、施工人员必须遵循的相关法律、法规；在国外，规范对工程的约束作用相对国内较小，但是一旦工程相关合同中表明要参考某规范，相应地，该规范对工程的设计、施工也具有一定的指导作用。由此可以看出，我国规范在土木工程行业中具有极为重要意义，根据最新研究成果及时更新相关规范的工作势在必行。通常来说，我国的规范大约十年修订一次，这种更新速度对于科学技术和基础设施建设飞速发展的现状来说，是非常缓慢的，不利于可持续发展战略目标的实现。因此，我们要根据最新研究成果，及时更新相关规范，以便很好地利用它对工程的设计进行准确的指导，使土木工程设计更好地做到可持续发展。

1．土木工程相关学科的近期研究方向与可能出现的研究成果

近年来，国内外在结构工程的大型化、复杂化问题，海风、山地风在大型建筑结构群体周围产生的局部风环境问题，建筑结构群体之间的气动力相互干扰问题，高耸建筑结构本身的强度与舒适性问题，地基、地质灾害、地质防治工程安全保障问题，提高城镇的综合防灾能力的问题，桥梁结构形式复杂化、轻质化带来的风振效应以及桥梁的健康监测问题，乳化沥青应用于高等级公路路面和城市主干道路面的养护、再生、以及其他等级路面的新建和机场路面养护的问题，保障城镇可持续发展对建筑节能技术提出的新要求，以及开发具有自主知识产权并且先进的水处理与水质保障等技术，开展水的健康循环理论与技术研究等问题方面投入大量的精力，近期的研究方向与可能出现的研究成果如下：

（1）岩土工程方面。

地质灾害监测与治理：引入人工神经网络方法、模糊逻辑方法及神经网络与模糊逻辑的祸合等方法，运用滑坡地质灾害的空间预测、滑坡预报判据、滑坡灾害GI5 综合信息管理系统等研究，形成理论先进、技术成熟的地质灾害监测与治理成套技术。边坡稳定与控制：应用取得的岩土力学理论研究成果，引入现代信息技术，对边坡稳定的理论模型、分析方法进行深入研究，研制边坡稳定控制的成套关键技术。复杂地基基础分析与设计：结合沿海和山区地基基础特点，引入神经网络技术，改进地基基础设计理论及方法，研制复杂基础智能分析方法的配套软件。城市地下空间开发利用：利用已取得的地基破坏机理、稳定性判据及分析方法等研究成果，完善地基稳定性智能识别系统，推广运用于重大工程项目，创造良好的经济效益与社会效益。

（2）结构工程方面。

钢结构基本理论及大跨度空间结构体系与应用：进一步加强钢结构理论研究与工程应用研究，利用现代预应力技术和新型钢结构体系，研究新型大跨度复杂空间结构体系，加强结构分析和设计研究。混凝土结构抗震性能及设计理论：深入研究混凝土结构抗震设计的基础理论，争取有创新性突破，改善结构的抗震性能，提高结构的抗震可靠性。钢筋混凝土结构基本理论与应用：针对工程界急需解决和需要进一步完善的问题以及新型的结构体系，开展一系列具有创新意义的理论分析和工程应用工作。复杂结构体系及分析方法：城市化进程中大量涌现的大体量、多功能建筑对结构工程提出了创新要求，巨型结构等复杂结构体系的计算机分析理论与方法有待深入研究。结构寿命预测及修复加固理论与应用：建筑结构加固与改造技术目前在工程中应用较广，但相关技术还存在相当多的缺陷，在防火方面的研究几乎处于空白；结构寿命预测仍有许多理论问题需要进行深入研究。现代砌体结构：发展方向为研发高强、轻质、环保节能的新型块材和高性能砂浆；发展抗震性能好的节约型砌体结构新体系。组合结构受力性能及设计方法：组合结构的工程应用日益广泛，对该类结构的基本受力性能、抗震性能及设计方法等方面有许多研究工作需要开展。木结构设计理论及工程应用：开展对新型木材工业产品建造的新型木结构的研究及木结构成套技术的推广。

（3）桥梁与隧道工程。

大跨度桥梁动力稳定性：建立复杂地貌下的风环境模型，研究各种典型桥梁主梁断面、吊杆、缆索等在不同雷诺数下的涡脱落规律，大跨度桥梁的空气动力特征和风致振动机理，完善大跨度桥梁的抗风理论体系。复杂条件下隧道和地下空间工程基础理论与应用技术：重点研究大型城市地下立交空间工程围岩稳定、优化设计与施工，实现有效控制爆破，解决大型城市地下空间稳定、评价和可靠性问题，研究复杂条件下隧道和地下空间工程环境问题，提出有效的控制措施。路面维修、养护理论与技术：研究高等级公路的养护和维修技术、交通设施及其运营管理，在道路养护新型材料方面，开展路基路面典型结构、路用材料等方面的研究。

（4）防灾减灾工程及防护工程。

工程结构抗震：重点研究工程结构抗震性能与设计新理论，工程结构地震动输入问题，工程结构振动控制，重大工程场址地震危险性分析与抗震设防区划问题，包括场地适宜性分区和危险地段、不利地段的确定，提出用地布局要求等。工程结构抗风：重点研究特殊风环境及风特征，工程结构风效应及其分析方法，结构抗风设计理论与技术措施等。工程抗火防灾：重点研究建筑防火规划与设计方法，城镇公共建筑消防规划、烟气流控制，建筑结构抗火性能与设计，工程结构火灾监测与预警系统，工程结构灾后可靠性评价与维修加固措施，火灾抗灾救灾技术措施与策略等。

（5）市政工程。

水资源可持续利用与水环境管理研究：研究水资源供需平衡，水体各类污染源（点源、面源、内源等）对水体水质的综合影响，水体富营养化发生发展机制，水质变化的生物效应以及水质动态模拟，水资源可持续利用理论与模式，水量与水质和人工与自然二元祸合的水资源优化调控理论，现代管理理论与技术在水资源调控方面的应用研究，水资源与水环境的信息识别、采集、处理、传输、扩散、管理数据库及系统仿真；基于现代技术的监测、预警与利用管理的理论与技术等。水污染控制与水质保障、污泥处理与资源化研究：研究水污染控制理论与技术，持续性有机污染物控制的关键技术，固体废弃物的环境污染途径与迁移转化规律，区域循环经济理论与废弃物管理等。城市水系统的健康循环理论与技术研究：研究生活饮用水水质安全保障理论与技术，建筑的供水、中水、节水、节能理论与技术，地表、地下水资源的合理规划与利用等。

（6）供热、供燃气、通风与空调工程。

人居环境理论与技术：进行室内环境、社区环境、空气环境质量保障技术研究；人居环境质量对人体安全和健康影响机理研究；人居活动对空气环境的影响研究；城乡发展与人居环境质量的交互影响与协调研究；生态环境演替与人居环境质量变化的差异与协调研究；人居环境可持续发展的模式与资源承载力研究。建筑节能：重点进行建筑节能与C02 减排技术；节能绿色建筑工艺与技术研究，建筑能耗统计分析平台及模型，各地区采暖空调模式研究，热泵技术研究。可再生及清洁能源理论与技术：进行清洁能源、新能源、可再生能源开发利用技术：基础设施信息资源管理与集成关键技术研究；基础设施信息资源共享与决策支持系统开发。

上述岩土工程、结构工程、桥梁与隧道工程、防灾减灾工程、市政工程、供热、供燃气、采暖及空调工程等学科的研究方向和可能取得的的研究成果表明，在将来的一段时间里，我们要做的工作还很多，如何才‘能将上述所要研究和正在研究的问题的成果转化到实践中去，是极为重要的一步工作，对土木工程的可持续发展而言，具有重大意义。

2．部分规范和标准的更新

我国的规范种类众多。现行的建筑结构设计规范有200 部以上，其中国家标准有79 部、建设部颁布的行业标准63 部、其他部颁布的行业标准17 部、中国工程建设标准化协会标准45 部、中国土木工程学会标准1 部。除此之外，还有各地方编制的大量地方标准。

因此，根据最新的研究成果对规范和标准进行更新的工作量极为庞大，需要科研部门与各有关规范的编制部门之间积极合作，做到查漏补缺，促成新规范的迅速形成，以便更好地对工程设计和施工进行指导。下面，我们仅就《建筑结构抗震规范》（GB50011 －2001）中的场地、地基、基础部分以及砌体结构抗震措施部分的新进展作以简单的介绍。

（1）场地、地基、基础部分。

现行规范GB50011 －2001 调整了建筑的抗震分类，提出了按设计基本地震加速度进行抗震设计的要求，将《建筑结构抗震规范（旧）（GBJ11 －89）设计的近震、远震改为设计特征周期分区；修改了建筑场地划分、液化判别的规定；增加了有关发震断裂、桩基等方面的评价标准和抗震设计内容。下面，我们就分别介绍与之相关的部分内容。

抗震设防分类和标准。依据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223 －2004）调整了抗震设防分类，按使用功能的重要性将建筑分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。规范规定甲类建筑为“重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑”，对其地震作用计算增加了“应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定”，这意味着，其提高的幅度应做专门研究，并应按规定的权限审批。修改了GB50223 －2004 标准按本地区设防烈度提高一度计算的规定。对于丁类建筑，现行规范对GBJl1 －89 规范按降低一度采取抗震措施的要求，修订为适当降低抗震措施即可。

地震影响。已有的地震经验和理论分析表明，考虑地震影响对于相同场地条件及同样烈度的地震，需要按震源机制、震级、震中距区别对待。对于建筑所受的影响，需要采用地震强度和反应谱的特征周期来表征。鉴此，现行规范明确引入了“设计基本地震加速度”和“设计特征周期”，并与新修订的中国地震动参数区划图相匹配。现行规范对“设计基本地震加速度”值定义为：50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。

关于土层剪切波速的测试。按勘查阶段布置工作量。场地在初勘阶段，大面积的同一地质单元，测试的钻孔数应为控制性钻孔数量的1/3 ～1/5，在详勘阶段，对于单幢建筑，测试孔数量不宜少于2 个。

现行规范补充地面5m 以下存在某一下卧土层的剪切波速大于或等于400m/5 且不小于相邻的上层土的剪切波速的2．5 倍时，覆盖层厚度可按地面至该下卧层顶面的距离取值。这一规定对于土层较厚的平原地区或盆地地区是很有意义的。

在确定活动断裂的时间下限上，现行规范规定，对一般建筑工程只考虑1．0 万年（全新世）以来活动过的断裂，在此以前地质时期的活动断裂可不予考虑；对于核电、水电等工程应考虑10 万年以来活动过的断裂，此前地质时期的活动断裂可不予考虑。由于建筑工程的使用寿命与上述年限相比，只不过是短暂一瞬，因此上述规定是可取的。隐伏断裂上覆土层安全厚度的界限值，别大于抗震设防烈度8、9 度地区，第四纪之前基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度，分60m 和90m 时，地区、断裂，全新世活动断裂、可以忽略发震断裂错动对地面建筑的影响。对于8 度、9 度上覆土层厚度小于安全厚度界限值的第四纪之前基岩隐伏要求避开其主断裂，并给出了避让距离。砂土液化判别液化判别深度。随着高层建筑的发展，建筑基础的埋深越来越大，采用桩基及深基础的工程也越来越多，对液化判别也要求越深。

抗液化危害评定和处理原则。反映场地土液化危害程度，主要反映水平场地地面破坏的情况。场地可液化土越松、越厚、层位越浅、液化指数值越大，液化造成的破坏就越大。增加了判别深度为20m 的液化等级，如0 ＜ILE≤6 液化等级为轻微，6 ＜ILE ＜18 为中等，ILE ＞18 为严重，这就满足了实际工程的需要。根据已有资料和试验分析，地基土液化危害主要来自基础外侧，位于基础下方部位的持力层土是很难液化的。因此，若处理控制住基础外侧液化土，并经过严密论证，将轻、中液化土层作为持力层是有可能的。鉴此，现行规范对第4．3．6 条修订为“不宜将未经处理的液化土层作为天然地基持力层”。除此，液化危害主要取决于震陷，特别是不均匀震陷，震陷量主要取决于土层液化程度和上部结构荷载，而液化指数又不能反映结构荷载影响，引入震陷量的评价方法，并以此结果适当调整抗液化措施，这就增加了调整抗液化措施的新途径。

（2）砌体结构抗震措施部分

砌体结构的抗震设计应该包括两部分内容：一是抗震验算；二是抗震措施。两者不可偏废；在某种程度上，抗震措施的重要性甚至更应突出。

砌体结构的抗震措施可分为两部分，一部分是共性的规律，如抗震设计的基本要求中列举的条款。如不应采用严重不规则的方案；应使平面布置规则、对称；立面和竖向设计应规则，结构的侧向刚度应均匀变化，避免有突变；尽量选择有多道设防的结构体系；保证结构有良好的整体性，以及在结构材料、场地地基方面的选择等诸如此类与概念设计有关的原则，仍将继续遵守和沿用。此外，在砌体结构抗震构造措施方面，新规范提出了若干新的改进措施，列举如下：

新规范针对各类砖砌体的应用范围作了扩大。根据各地资源情况，不但对传统的黏土类砖的抗震提出了措施要求，考虑到全国各地资源分布不同，还列入了蒸压类砖砌体、非黏土类砖砌体以及多孔砖砌体等。这就使砖砌体适应的范围更大，基本包含了全国六度以上地震区的城镇建筑。

结合近十余年来大量工程实践的震害经验，在结构抗震构造措施方面的改进主要有：对钢筋混凝土构造柱和圈梁的要求提出了更为严格的设置和连接规定，取消了可以隔层设圈梁的要求。对楼、屋盖与墙体连接的要求，规定为了加强楼、屋盖的边缘构件，即使在现浇钢筋混凝土楼板中，亦应沿周边加强配筋构造，以保证楼板边沿与墙的可靠连接；对于大开间、少横墙的砌体建筑，提出应降低层数和高度的要求，或者采取一系列补强措施，以弥补由此带来的不足；对于教学楼一类横墙很少的建筑，近年的震害再次证明破坏很严重，因此要求严格控制建造层数和高度，即比一般砌体结构降低2 层或6m，同时，还须从抗震构造措施上加强，来保证此类结构的整体安全。

多层砌块的规格与国外一致，采用390X190X190 带单排孔的块型，孔洞率为50%左右，用砂浆砌筑。此类结构由于取材较易，加工生产也并不复杂，特别是有良好的环境效益，日后将成为我国替代黏土类制品的最佳选择。

目前，多层砌块允许建造高度与一般砌体相同，造价亦相当接近。其抗震性能经过近十余年的研究，只要采取适当措施，抗震性能有可能超过一般砌体结构。多层砌块砌体结构有二种构造做法：一种是从国外引进的传统的芯柱做法，即利用砌块的孔洞，在部分孔洞中插入钢筋并灌实混凝土，形成芯柱体系；另一种做法是我国近年来研究成功的芯柱加构造柱体系，即在墙体连接部位采用现浇钢筋混凝土构造柱，在门窗洞口或墙段中段做芯柱。后者更具有吸引力和发展前途。

多层砌块砌体结构仍属刚性结构，其抗震特性与一般砌体结构十分相似。因此，除结合材料本身的特点外，其他各项抗震措施均适用。

这是我国砌体结构的一种特有形式，上部为多层砌体，下部为钢筋混凝土框架—抗震墙。这一结构形式的出现，主要是因为在住宅区中沿街需要开设商店，因而对空间有较大较高的要求。但是，应当认为此类结构形式对结构抗震是不利的，结构沿高度方向不但刚度变化，连材料都不相同。地震震害也表明此类结构倒塌破坏较多。但是，考虑到目前的经济发展水平，全部沿街住宅采用框架或框架—抗震墙结构从经济上是不合理的，造价会有相当的增加。因此，从经济效益考虑，暂时还须采用此类结构形式。但同时必须提出更严格、可靠的抗震构造措施，以防不测。

底部框架—抗震墙结构首先要对沿高度方向的刚度变化严格控制在允许范围之内。同时，保证底部一层或两层框架—抗震墙结构不会首先被破坏。

规范还特别重视对此类结构的过渡层的抗震构造措施。过渡层是不同材料和不同刚度变化的转折点，因此，加强该层的构造要求是设计的关键。过渡层设计是新规范的重点。(www.daowen.com)

底部框架—抗震墙结构中的托墙梁是整个结构中的重要构件。托墙梁承托上部各层承重墙的荷载，其设计计算更值得重视。作为托墙梁能否按照一般墙梁的原理进行计算，目前意见尚不一致。因为当地震作用时，上层墙体有可能开裂损坏，墙梁作用有所损失，但如何估算此类损失却是比较困难的。因此，设计上的简化处理以满荷载居多。对托墙梁在构造上提出了一系列比较严格的要求，这是十分必要的。比如对梁高及腰筋，钢筋锚入柱或墙的要求，上下墙和梁的对齐要求等等，都是为了保证托墙梁的可靠工作。

上述内容，仅仅是通过对土木工程相关学科的近期的研究方向与可能出现的研究成果的新进展和《建筑结构抗震规范》CGB50011 －2001）中的场地、地基、基础部分以及砌体结构抗震措施部分的更新等内容进行了简单的介绍，与上述内容相关的问题还有很多没有涉及，这是因为土木工程学科是一个涵盖面很广的学科，我们无法用简单的笔墨对其进行完整的说明，很多工作需要进行深入的后续研究。但是，在文中对主要的纲领性内容稍作提及，为的是强调根据已有研究成果及时更新土木工程相关规范的重要性，这一点对与土木工程行业的可持续发展具有极为重要的意义。

（二）积极开展优化设计工作

优化设计是设计概念与方法的一种革命，它用系统的、目的定向的和有良好标准的过程与方法来替代传统的试验纠错的手工方法。优化设计是寻求最好或最合理的设计方案，而优化方法便是达到这一目的的手段。虽然对大多数现实问题而言，由于耗费资源（时间、费用）过于巨大，“最好”的不一定能实现，但它提供了一种指导思想与标准，形成了概念框架（问题识别、定义、模型化，求解与评价）和运作手段。

结构优化设计从马克斯威尔理论和米歇尔析架出现起已有百年，从史密特用数学规划来解决结构优化设计算起亦有40年历史，特别是过去30年内，在理论、算法和应用方面都取得了长足的发展。但是，实事求是地说，目前优化应用的方面与实际成效远落后于优化理论的进展，与其他相关学科（如有限元分析）的应用对比亦是相形见茁，显得较为薄弱与局限。应用与理论差距较大的原因是多方面的，诸如优化本身的性质、理论研究存在的不足，实际应用中的问题等。

1．结果优化设计现状

实际结构问题，往往十分复杂，涉及各种因素（环境、荷载、几何特征、材料、施工、费用等），受多方面的制约，因此必须抓住问题的主要方面和主要矛盾，删繁就简、进行抽象，形成数学模型，才能实施优化。因此优化设计的价值与有效性取决于所用的数学模型和相应的寻优算法，特别与所选用的设计变量、所考虑的约束条件和规定的目标或评价函数有密切关系。优化提供的最优解或最优设计只是一个相对的最优结构，它仅仅是在所选用的约束与评价函数下才是最优的。

如何从实际问题中提取出合适的模型，这是工程设计者的任务。由于实际问题的多样性，且各具特色，还缺乏具体的系统的方法与规则，以及简化的尺度。因此只有加深对优化原理与方法的理解，通过实践逐步积累经验，才一能掌握有关辨识问题、模型抽象、选择合适算法与求解的技能，当然这需要发展的时间。

随着计算机硬软件的飞速进展，优化技术得到了极大的发展。优化技术提高与完善了计算机辅助设计/辅助制造（CAD/CAM）的水平与性能，而CAD/CAM 的发展与普及反过来又促使优化设计的深化与实用。在工程设计中人们对优化方法的应用正逐渐深入普及。仅以水工结构中拱坝设计为例，目前我国的大中型拱坝（坝高从几百米到几十米）的体型大多数是通过优化设计确定的，它的确在改善工作性态（降低应力水平，控制裂缝开展和提高安全度等）和降低坝体体积、节省造价上取得显著的效果。下面就结构优化中几个主要问题作一简单的介绍，以加深我们对结构优化设计的理解，有利于结构优化设计工作的开展。

（1）离散变量优化的问题。

实际工程问题中待优化的变量往往不一定是连续变化的，更多的是离散的，例如建筑物尺寸要符合模数要求，钢筋与型钢都是有一定的规格和型号，并不是连续变化的等等。因此，就要涉及到离散变量优化的问题。离散变量的优化方法有：分枝界定法、动态规划、园整法与拟离散法、离散变量搜索优化方法、0 －1 变量技术、其他（模型变换与启发式搜索）等。

举个例子，例如析架结构截面优化。如果杆件截面只能为离散值时，可将一根杆件看作为多节单元，单元数目等于杆截面的许用离散集的元素数目，各单元的面积取为离散集元素所对应的己知面积，将各单元长度作为设计变量，从而使离散变量的截面优化问题变换成关于节单元长度的连续变量的线性规划问题。当然，多节单元长度之和应等于该杆长度，且要求各个节单元长度要么为0 要么为该杆长度，称为单节性条件，以保证与原问题等价。这样一来，新模型实际上成为杆长变量的0 －1 线性规划。

（2）多目标优化。

在结构优化问题中，人们寻求的不仅仅是工程造价或成本小（包括材料、制造与安装等），还希望结构工作性态（包括结构变形、应力水平、整体与局部稳定性、动力特性）良好，要求结构物有较高的安全度与可靠性。此外，从环境与生态角度看，希望与此有关的能源消耗率低，污染要少等等，也就是说优化的目标不是一个而是多个。

多目标优化问题，由于有二个以上的目标函数，且各个目标往往具有矛盾性，目标在未经处理之前常具有不可公度性，因此通常不存在或者不能求得问题的“绝对最优解”，只能求得“满意解”—弱有效解与有效解。

求解多目标优化问题的方法很多，较为常用的有如下几种：约束法、评价函数法、功效系数法、目的规划法、多属性效用函数法、替代价值权衡法、方案排队法、基于分析者与决策者交互对话、评估结果的步骤法等。

（3）优化建模。

建立优化数学模型是开展优化工作的关键一步，对实际应用的工程技术人员而言，如何从复杂的现实问题中抓住主要矛盾和本质内容，抽象出合理和性态良好的模型，是优化成功应用的关键。

应该指出，优化模型建立，并不是一劳永逸，而应是一个不断完善的过程。首先应进行模型正确性检验，诸如输入格式检查，变量和参数个数的说明与实际输入的一致性，变量上下限和约束函数情况是否合理（可行域是否为空）。其次是模型全局特征的识别，主要是优化问题的规模、类型属性等，特征的获取可以通过交互询问方式，亦可直接由模型软件提供。再次是在迭代搜索过程中获取局部特征，主要是可行域的形态，目标函数的相对变化趋势，作用约束与冗余约束，以及通过灵敏度分析揭示设计变量，目标与约束函数之间及同类内部的相互影响及其影响程度，以指导优化搜索和分析方案的稳定性与健壮性。除了在迭代过程中积累这些局部特征信息，亦可分阶段地通过正交采样法和随机抽样法来获得局部特征。在对模型进行正确性检验和特征识别后，就可及时开展模型调整，诸如压缩模型维数、删除冗余约束、冻结非作用约束、设计变量和设计函数的尺度变换等，以简化模型和改善性态，提高优化效率和成功率。

（4）寻优算法。

搜索最优解的方法，据不完全统计目前已超过300 多种，大致可以归纳为三类：数学规划法、最优准则法和仿生学方法。前面在讨论离散变量优化和多目标问题中介绍的方法，不少属于求解思路与策略，它们最后往往要调用上述三类方法中的算法或者与它们相结合。

数学规划法是将优化问题抽象成数学规划形式来求解，即把问题归结为在设计空间中，由等式约束超曲面和不等式约束半空间所构成的可行域内，寻求位于最小目标等值面上的可行点，它便是问题的最优解点。

最优准则法是根据工程经验、力学概念以及数学规划的最优性条件，预先建立．某种准则，通过相应的迭代方法，获得满足这一准则的设计方案（解），作为问题的最优解或近似最优解。

仿生学方法是随着仿生学的巨大进展而产生的。近十多年来人们对生物进化现象发生浓厚兴趣，因为它们在漫长演变过程中按照“适者生存”的原理逐渐从最简单的低等生命一直进化到人类，本身就是一个绝妙的优化过程。目前的仿生学方法主要有：基因遗传算法、模拟退火法、神经元网络算法等等。

（5）形状优化与拓扑优化。

结构优化按照不同要求与求解难度，通常可划分为四个不同层次：截面尺寸优化、形状优化、拓扑与布局优化、结构类型与材料的优化。目前结构构件截面优化己比较成熟，不论用力学准则法、数学规划法或两者结合，一般能成功地解决，这里不再详述。

结构形状优化是通过调整结构内外边界形状来改善结构性能和达到节省材料的目的。从对象上区分，主要有析架框架类的杆系结构和块体、板、壳类的连续体结构。杆系结构的形状优化，一般选择结点坐标（位置）作为设计变量，但通常要同时考虑截面尺寸与结构形状优化，此时出现构件尺寸与结构几何形状二类设计变量，因此杆系结构优化方法与策略总体上亦分为线性近似法和分步优化方法两类。对于连续体结构，结构物的边界形状常采用适当的曲线/曲面方程或一组基函数再附加可以自由变化的参数来描述，此时形状优化就可以选择这些自由参数作设计变量，水利工程中的拱坝就属于这种情况。连续体结构形状优化方法大体可归纳为解析法和数值法两类。

与形状优化和截面尺寸优化相比较，拓扑优化的难度最大，亦最具挑战性。它探讨结构构件的相互连接方式，结构内有无空洞、孔洞的数量、位置等拓扑形式，使结构能在满足有关平衡、应力、位移等约束条件下，将外荷载传递到支座，同时使结构的某种性态指标达到最优。拓扑优化的主要困难在于满足一定功能要求的结构拓扑具有很多种甚至无穷多的形式，而且结构的这种拓扑形式难以定量描述或参数化，同时由于需要设计的区域预先是未知的，更增添了问题求解难度。现在常用的离散体拓扑优化主要有：从基于结构出发的拓扑优化方法、基于全局搜索算法的拓扑优化方法、基于面积的拓扑优化方法。现在常用的连续体拓扑优化主要有：均匀化方法、变厚度法、变密度法。

2．结构优化设计的发展趋势

从上述优化设计方法可以看出，优化设计是一项比较复杂但意义重大的工作。此外，随着全球资源日益短缺，环境污染日趋严重，以及人们对生活质量要求的提高，人们在社会经济活动、工程建设、企业生产等方面，既要求安全可靠、效益显著，又要求降低能源材料等消耗和保护环境，优化设计与技术成为人们改进工作、提高效率的必不可少的手段，必将会得到更多关注与广泛的应用。未来的一段时间里，开展结构优化设计工作的方向主要有：

（1）当前工作的重点首先应放在推广与应用上。

要鼓励工程技术人员在各自的专业问题上开展优化设计与优化技术的应用，最好能有奖励基金等激励机制。为使土木工程从业人员便于了解与熟悉，有关的学术团体、刊物应协调努力，编辑出每年中有代表性的书刊、论文目录、优化软件清单以及成功的实际应用例子或报告。要进一步普及这方面的知识，使他们能了解优化的基本概念和方法。

（2）设计变量与建模方式的选取。

实际问题应用优化的成败，很大程度上取决于模型塑造是否合适，是否能反映问题的本质特征而又适当简化，根据现有的技术与计算能力，应该可以考虑离散型设计变量或混合型设计变量，并从单目标优化向多目标或多准则过渡，当然这要根据问题的性质与要求来定。此外为了有更大的适应性与灵活性，应该考虑柔性建模方式等。

（3）寻优方法的转换。

在寻优方法上，不强调寻求严格意义的最优解，而应偏重获取满意解，研制启发式算法和近优化技术。随着计算机运算速度的提高和存贮空间的扩大，目前趋向于发展比较通用、简单的算法，而迭代次数与运行机时可允许多一些长一些。对于大规模、大系统的实际问题，应考虑进行分解与平行算法的研究。

（4）拓扑优化的推广应用。

结构优化方面，目前构件截面（尺寸）优化的理论己较成熟，应用亦很广泛；形状优化有很大进展，在有些领域内应用亦较普遍并取得显著成绩；拓扑优化己成为当前结构优化的研究热点，理论上较多进展，不论在离散结构和连续结构方面都有一些较好的方法，但实际应用还不多，而这一优化层次是很有吸引力的，不仅能提供新的结构形式，还对新材料的研制有作用。

（5）积极开发结构优化软件。

应研制开发一批面向实际问题的专用的结构优化软件。软件应具有友好的用户界面，合宜的图象处理模块，实现优化过程与成果的可视化，且能与有关专业的CAD软件连接或在它的框架内成为它的一个子系统。