工程结构现代设计方法 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

本教材在讨论现代设计和工程设计特点的基础上，结合土木水利类工程结构设计的特点，重点介绍设计方法学、工程设计、结构优化设计、可靠度设计、有限元设计、计算机辅助设计、人工神经网络及遗传算法、智能工程等现代设计方法，并对近年发展起来的三维设计、并行设计等其他现代设计方法做了各有侧重的介绍。目的使学生在较少的学时内，了解现代设计与传统设计的区别，理解各种常用现代设计方法可以解决的实际结构工程问题及解决问题的思路，并初步掌握一些常用方法在结构工程中的应用。?
本书可作为高等工科院校土木、水利类专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关业的工程技术人员参考。

前言?
章 绪论??
1·1 现代设计??
1·1·1 现代设计的概念??
1·1·2 现代设计的分类??
1·1·3 现代设计的特征??
1·1·4 现代设计的特点??
1·1·5 现代设计和传统设计的区别??
1·2 结构工程设计??
1·2·1 结构工程设计??
1·2·2 结构设计阶段划分??
1·3 现代设计的发展趋势展望??
第二章 设计方法学??
2·1 概述??
2·1·1 设计方法学及其研究对象??
2·1·2 设计系统??
2·1·3 设计类型与设计原则??
2·2 技术系统及其确定??
2·2·1 技术系统??
2·2·2 信息集约??
2·2·3 调研预测??
2·2·4 可行性报告??
2·3 功能分析设计法??
2·3·1 功能概念??
2·3·2 确定总功能??
2·3·3 功能分析??
2·3·4 功能元求解??
2·3·5 方案综合??
2·3·6 设计工具??
2·3·7 小结??
2·4 评价决策??
2·4·1 评价目标树??
2·4·2 确定目标重要性系数（加权系数）??
2·4·3 简单评价法??
2·4·4 评分法??
2·4·5 技术?经济评价法??
2·4·6 模糊评价法??
2·5 创新思维与技法??
2·5·1 创造力开发??
2·5·2 创造性思维??
2·5·3 创新技法??
2·6 现代设计的目标??
第三章 工程设计??
3·1 工程设计概述??
3·1·1 工程设计的定义和特点??
3·1·2 工程设计阶段和进程??
3·2 工程结构系统的软设计理论??
3·2·1 工程设计理论的发展方向??
3·2·2 事物的确定性和不确定性??
第四章 结构优化设计??
4·1 概述??
4·1·1 函数的极值??
4·1·2 传统结构设计与结构优化设计??
4·1·3 结构化设计的基本概念??
4·1·4 工程结构优化设计发展??
4·1·5 优化设计方法分类??
4·2 准则法??
4·2·1 满应力准则法??
4·2·2 齿行法??
4·2·3 桁架满位移设计??
4·2·4 能量准则法??
4·3 无约束优化算法??
4·3·1 “成功?失败”法??
4·3·2 Fibonacci法??
4·3·3 “0·618”法??
4·3·4 牛顿法??
4·3·5 变尺度法??
4·3·6 共轭方向法??
4·4 线性规划问题??
4·4·1 线性规划问题的数学模型??
4·4·2 线性规划问题的解法??
4·4·3 线性规划问题的对偶问题??
4·5 非线性规划问题??
4·5·1 拉格朗日乘子法??
4·5·2 库恩?塔克条件??
4·5·3 罚函数法??
4·5·4 可行方向法??
4·5·5 复形法??
4·5·6 序列二次规划??
4·5·7 罚乘子法??
第五章 结构可靠度分析??
5·1 结构可靠度基本概念??
5·1·1 结构的功能要求??
5·1·2 结构的极限状态??
5·1·3 结构可靠度与可靠度指标??
5·2 结构可靠度常用分析方法??
5·2·1 均值一次二阶矩方法??
5·2·2 改进的一次二阶矩方法??
5·2·3 JC法??
5·2·4 蒙特卡罗法??
5·2·5 响应面法??
5·2·6 结构失效概率的优化模型（优化法/几何法）??
5·3 结构系统可靠度??
5·3·1 串联体系及其可靠度计算方法??
5·3·2 并联体系及其可靠度计算方法??
5·3·3 概率网络估算技术??
5·3·4 Ditlevsen窄界限法??
5·4 系统可靠度方法在土木水利工程中的应用??
5·4·1 静定桁架承载力可靠度分析??
5·4·2 重力坝层间抗滑稳定体系的动力可靠度分析??
第六章 有限元设计??
6·1 概述??
6·1·1 有限元法的基本思想??
6·1·2 有限元法的应用??
6·2 有限元法的基本步骤??
6·2·1 引例??
6·2·2 有限元法的基本步骤??
6·3 弹性力学平面问题的有限元法??
6·4 其他常用单元的刚度矩阵??
6·4·1 矩形单元??
6·4·2 等参数单元??
6·5 有限元软件的应用??
6·5·1 有限元软件技术??
6·5·2 有限元法及工程设计中的CAE分析??
6·5·3 水利与土木工程常用有限元分析软件??
第七章 计算机辅助设计??
7·1 概述??
7·1·1 计算机辅助设计的系统构成??
7·1·2 计算机辅助设计系统的开发原理??
7·1·3 计算机辅助设计的工作过程??
7·2 三维设计方法技术及其主流软件环境评测??
7·2·1 工程设计中的三维设计方法??
7·2·2 三维设计技术在土木水利行业的运用现状??
7·2·3 通用三维设计软件环境技术指标评测??
7·3 现代化土木水利行业三维设计工程运用??
7·3·1 复杂建筑群施工过程三维仿真??
7·3·2 复杂地质三维实体构形??
7·3·3 三维开挖设计关键技术??
7·3·4 建筑物三维实体建模??
7·3·5 厂房机电设备三维装配设计??
7·3·6 工程三维布置理论及可视化效果展示??
7·4 复杂结构三维设计应用实例??
7·4·1 基于CATIA的复杂工程三维实体建模与结构分析??
7·4·2 辅助功能模块的实现??
7·4·3 结论??
第八章 人工神经网络及遗传算法??
8·1 人工神经网络优化设计方法??
8·1·1 人工神经网络简述??
8·1·2 人工神经元模型??
8·1·3 人工神经网络模型的拓扑结构??
8·1·4 人工神经网络的运行过程??
8·1·5 BP网络的改进算法及优化设计??
8·2 遗传算法与工程设计??
8·2·1 概述??
8·2·2 遗传算法的基本流程??
8·2·3 遗传算法的定理与假设??
8·2·4 遗传算法的应用设计??
8·3 人工神经网络和遗传算法应用实例??
8·3·1 人工神经网络在洪水预报中的应用??
8·3·2 遗传算法在渡槽结构优化设计中的应用??
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??
8·3·4 人工神经网络在结构损伤识别中的应用??
第九章 智能工程??
9·1 概述??
9·1·1 智能工程的基本概念和原则??
9·1·2 智能工程的研究内容与方法??
9·1·3 智能工程与人工智能及智能设计的区别与联系??
9·2 知识的获取及表达??
9·2·1 知识的概念??
9·2·2 知识获取??
9·2·3 知识表述??
9·3 知识的运用??
9·3·1 知识的推理??
9·3·2 推理中的搜索策略??
9·3·3 推理控制策略??
9·3·4 元推理机的设计??
9·4 专家系统??
9·4·1 专家系统概述??
9·4·2 专家系统的结构??
9·4·3 专家系统开发工具??
9·5 应用实例——数据挖掘技术的应用??
9·5·1 数据挖掘技术??
9·5·2 数据挖掘技术在大坝安全决策支持系统中的应用??
第十章 现代设计方法的其他知识??
10·1 并行设计??
10·1·1 并行设计过程??
10·1·2 并行设计的关键技术??
10·2 虚拟设计??
10·2·1 虚拟现实与虚拟设计??
10·2·2 虚拟设计的关键技术??
10·3 反求工程设计??
10·3·1 反求工程的一般概念??
10·3·2 反求工程技术的相关内容??
10·4 绿色设计??
10·4·1 绿色设计基本概念与发展趋势??
10·4·2 绿色设计的内容与方法??
10·5 模块化设计??
10·5·1 模块化设计基本概念与特点??
10·5·2 模块的创建与再设计??
10·6 现代设计的其他方法??
10·6·1 价值工程??
10·6·2 人机工程??
10·6·3 相似性设计??
10·6·4 三次设计??
主要参考文献?

随着计算机技术的快速进步，各种现代设计方法不断涌现和发展，在不同的领域内解决大量科研和生产问题，强有力地推动了社会生产力的发展。但我国的产品设计工作与国际设计水平相比，仍存在较大差距。为尽快改变这种状况，更新设计观念，学习并逐步采用国际先进的设计方法，是我国设计工作当前面临的重要问题。对主要培养科技人员和工程技术人员的高等院校来说，要求学生掌握现代设计方法，也是研究生教育阶段的一项重要任务。?
相比机械、电器、航天等领域的设计工作，土木、水利类等领域则偏重于工程结构的设计，且具有较为鲜明的特色：一是涉及介质庞杂，钢材、混凝土、塑料、土、水等都是设计产品的组成部分，各介质之间的关系纵横交错，没有明显的规律，同时产品外延也更难以明确界定；二是边界条件更为复杂，存在更多的不确定性，有些边界条件并没有成熟的约束方程来加以描述；三是产品设计、制造和运用周期更长，设计过程必须考虑材料性能、作用方式等随时间的变化状况。以上这些特点的存在，使得土木、水利类结构设计中应用现代设计方法存在一定的挑战。?
掌握现代设计方法对研究生阶段的学习有非常重要的作用。据不完全统计，我国工学类90%以上的硕士和博士论文的研究中至少运用了一种现代设计方法，对学生的专业素养训练具有不可替代的作用。基于此种认识，“工程结构现代设计方法”课程已作为天津大学土木、水利类研究生（工学硕士和工程硕士）选修课和必修课讲授10年，效果良好，为学生了解现代科技发展、工程设计理念、开拓思路、培养创新精神提供了重要途径。通过全国高校水利教学指导委员会、水利工程硕士研究生教学协调组宣传介绍，有多个学校土木、水利学科开设“现代设计方法”课程，为培养学生解决问题能力，引导创新思维发挥了重要作用。
目前高等院校缺乏针对土木、水利学科的有关现代设计方面的专门教材，教学效果不可避免地存在一定缺憾。本教材是在现代设计和工程设计的基础上，结合土木、水利类工程结构设计的特点，重点介绍设计方法学、工程设计、可靠性设计、有限元法、计算机辅助设计、人工神经元计算方法、工程遗传算法、智能工程等现代设计方法，并对近年发展起来的三维设计、并行工程等其他现代设计方法做了各有侧重的介绍。通过本教材的学习，力求使学生了解现代设计与传统设计的区别，理解各种常用现代设计方法可以解决的实际结构工程问题及解决问题的思路，并初步掌握一些常用方法在结构工程中的应用。通过本教材的学习，使科技人员的后备军在未来可以熟练的运用现代设计方法，使结构设计工作朝着更新的境界、更独创的构思、更高的效率和更完美的满足社会需求前进。?
参加本书编写的有：张社荣（第二、三、五章）、崔溦（、六、八、九、十章）、王超（第四、七章）。?
本书参考了许多国内外文献资料，在此向原作者表示感谢！由于本书体系是新的尝试，限于编者水平，疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。?
后衷心感谢严磊博士在本书编写过程中给予的支持，感谢高蕊、胡安奎、王浏刘、吕杨、潘飞、陈王在文字与图形处理中给予的大力帮助。特别感谢天津大学研究生院“创新人才培养项目”对本书的出版资助。

编 者?
2013年5月于天津