中国科学院教材建设专家委员会立项项目土木工程科学研究暨研究生教学丛书 工程结构现代设计方法

第一章 绪论 1

1.1 现代设计 1

1.1.1 现代设计的概念 1

1.1.2 现代设计的分类 1

1.1.3 现代设计的特征 1

1.1.4 现代设计的特点 3

1.1.5 现代设计和传统设计的区别 4

1.2 结构工程设计 4

1.2.1 结构工程设计 4

1.2.2 结构设计阶段划分 5

1.3 现代设计的发展趋势展望 6

第二章 设计方法学 8

2.1 概述 8

2.1.1 设计方法学及其研究对象 8

2.1.2 设计系统 8

2.1.3 设计类型与设计原则 9

2.2 技术系统及其确定 10

2.2.1 技术系统 10

2.2.2 信息集约 10

2.2.3 调研预测 11

2.2.4 可行性报告 12

2.3 功能分析设计法 12

2.3.1 功能概念 12

2.3.2 确定总功能 12

2.3.3 功能分析 13

2.3.4 功能元求解 13

2.3.5 方案综合 13

2.3.6 设计工具 14

2.3.7 小结 14

2.4 评价决策 15

2.4.1 评价目标树 15

2.4.2 确定目标重要性系数（加权系数） 15

2.4.3 简单评价法 15

2.4.4 评分法 16

2.4.5 技术-经济评价法 17

2.4.6 模糊评价法 17

2.5 创新思维与技法 18

2.5.1 创造力开发 18

2.5.2 创造性思维 19

2.5.3 创新技法 19

2.6 现代设计的目标 21

第三章 工程设计 22

3.1 工程设计概述 22

3.1.1 工程设计的定义和特点 22

3.1.2 工程设计阶段和进程 23

3.2 工程结构系统的软设计理论 25

3.2.1 工程设计理论的发展方向 25

3.2.2 事物的确定性和不确定性 27

第四章 结构优化设计 29

4.1 概述 29

4.1.1 函数的极值 29

4.1.2 传统结构设计与结构优化设计 30

4.1.3 结构最优化设计的基本概念 31

4.1.4 工程结构优化设计发展 33

4.1.5 优化设计方法分类 34

4.2 最优准则法 35

4.2.1 满应力准则法 35

4.2.2 齿行法 37

4.2.3 桁架满位移设计 38

4.2.4 能量准则法 38

4.3 无约束优化算法 40

4.3.1 “成功-失败”法 40

4.3.2 Fibonacci法 41

4.3.3 “0.618”法 44

4.3.4 牛顿法 44

4.3.5 变尺度法 45

4.3.6 共轭方向法 47

4.4 线性规划问题 49

4.4.1 线性规划问题的数学模型 50

4.4.2 线性规划问题的解法 51

4.4.3 线性规划问题的对偶问题 59

4.5 非线性规划问题 63

4.5.1 拉格朗日乘子法 63

4.5.2 库恩-塔克条件 66

4.5.3 罚函数法 68

4.5.4 可行方向法 72

4.5.5 复形法 74

4.5.6 序列二次规划 76

4.5.7 罚乘子法 78

第五章 结构可靠度分析 85

5.1 结构可靠度基本概念 85

5.1.1 结构的功能要求 85

5.1.2 结构的极限状态 85

5.1.3 结构可靠度与可靠度指标 86

5.2 结构可靠度常用分析方法 88

5.2.1 均值一次二阶矩方法 88

5.2.2 改进的一次二阶矩方法 91

5.2.3 JC法 92

5.2.4 蒙特卡罗法 93

5.2.5 响应面法 94

5.2.6 结构失效概率的优化模型（优化法／几何法） 95

5.3 结构系统可靠度 98

5.3.1 串联体系及其可靠度计算方法 98

5.3.2 并联体系及其可靠度计算方法 98

5.3.3 概率网络估算技术 99

5.3.4 Ditlevsen窄界限法 99

5.4 系统可靠度方法在土木水利工程中的应用 100

5.4.1 静定桁架承载力可靠度分析 100

5.4.2 重力坝层间抗滑稳定体系的动力可靠度分析 101

第六章 有限元设计 108

6.1 概述 108

6.1.1 有限元法的基本思想 108

6.1.2 有限元法的应用 108

6.2 有限元法的基本步骤 108

6.2.1 引例 108

6.2.2 有限元法的基本步骤 111

6.3 弹性力学平面问题的有限元法 113

6.4 其他常用单元的刚度矩阵 121

6.4.1 矩形单元 121

6.4.2 等参数单元 123

6.5 有限元软件的应用 126

6.5.1 有限元软件技术 126

6.5.2 有限元法及工程设计中的CAE分析 132

6.5.3 水利与土木工程常用有限元分析软件 133

第七章 计算机辅助设计 141

7.1 概述 141

7.1.1 计算机辅助设计的系统构成 141

7.1.2 计算机辅助设计系统的开发原理 144

7.1.3 计算机辅助设计的工作过程 145

7.2 三维设计方法技术及其主流软件环境评测 146

7.2.1 工程设计中的三维设计方法 146

7.2.2 三维设计技术在土木水利行业的运用现状 147

7.2.3 通用三维设计软件环境技术指标评测 149

7.3 现代化土木水利行业三维设计工程运用 157

7.3.1 复杂建筑群施工过程三维仿真 158

7.3.2 复杂地质三维实体构形 158

7.3.3 三维开挖设计关键技术 160

7.3.4 建筑物三维实体建模 162

7.3.5 厂房机电设备三维装配设计 162

7.3.6 工程三维布置理论及可视化效果展示 164

7.4 复杂结构三维设计应用实例 166

7.4.1 基于CATIA的复杂工程三维实体建模与结构分析 166

7.4.2 辅助功能模块的实现 168

7.4.3 结论 173

第八章 人工神经网络及遗传算法 174

8.1 人工神经网络优化设计方法 174

8.1.1 人工神经网络简述 174

8.1.2 人工神经元模型 175

8.1.3 人工神经网络模型的拓扑结构 176

8.1.4 人工神经网络的运行过程 179

8.1.5 BP网络的改进算法及优化设计 181

8.2 遗传算法与工程设计 185

8.2.1 概述 185

8.2.2 遗传算法的基本流程 185

8.2.3 遗传算法的定理与假设 187

8.2.4 遗传算法的应用设计 190

8.3 人工神经网络和遗传算法应用实例 195

8.3.1 人工神经网络在洪水预报中的应用 195

8.3.2 遗传算法在渡槽结构优化设计中的应用 197

8.3.3 基于人工神经网络和遗传算法的土石坝位移反演分析 201

8.3.4 人工神经网络在结构损伤识别中的应用 203

第九章 智能工程 206

9.1 概述 206

9.1.1 智能工程的基本概念和原则 206

9.1.2 智能工程的研究内容与方法 207

9.1.3 智能工程与人工智能及智能设计的区别与联系 208

9.2 知识的获取及表达 208

9.2.1 知识的概念 208

9.2.2 知识获取 209

9.2.3 知识表述 211

9.3 知识的运用 212

9.3.1 知识的推理 212

9.3.2 推理中的搜索策略 213

9.3.3 推理控制策略 214

9.3.4 元推理机的设计 215

9.4 专家系统 215

9.4.1 专家系统概述 215

9.4.2 专家系统的结构 216

9.4.3 专家系统开发工具 217

9.5 应用实例——数据挖掘技术的应用 218

9.5.1 数据挖掘技术 218

9.5.2 数据挖掘技术在大坝安全决策支持系统中的应用 220

第十章 现代设计方法的其他知识 222

10.1 并行设计 222

10.1.1 并行设计过程 222

10.1.2 并行设计的关键技术 223

10.2 虚拟设计 227

10.2.1 虚拟现实与虚拟设计 227

10.2.2 虚拟设计的关键技术 230

10.3 反求工程设计 236

10.3.1 反求工程的一般概念 236

10.3.2 反求工程技术的相关内容 238

10.4 绿色设计 242

10.4.1 绿色设计基本概念与发展趋势 243

10.4.2 绿色设计的内容与方法 244

10.5 模块化设计 248

10.5.1 模块化设计基本概念与特点 248

10.5.2 模块的创建与再设计 249

10.6 现代设计的其他方法 251

10.6.1 价值工程 251

10.6.2 人机工程 251

10.6.3 相似性设计 252

10.6.4 三次设计 252

主要参考文献 253