传统沿用的工程结构设计方法，是先根据概念设计与工程经验通过判断给出或假定一个结构设计方案，然后进行结构分析，再按设计规范要求进行截面强度设计、结构变形与稳定验算等工作，如符合要求的即为可用方案，或者经过对少数几个方案进行比较而得出可用方案。而结构优化是在多个可用方案中找出最优的方案，亦即材料用量最省、工程造价最低，或某些指标最佳的方案。这对提高工程结构的使用功能、经济效益等方面具有较大的实际意义。

在设计结构时自然地会产生优化的愿望，所以从20世纪初就有人对结构优化设计做过一些努力，但由于受到数学和力学发展水平的限制而收效不大。最主要的原因是没有快速的计算工具来满足庞大计算工作量的需要。直到20世纪60年代，在电子计算机得到较广泛应用以后，结构优化设计才迅速发展起来，并在结构设计实践中得到应用。

中国从20世纪70年代开始研究结构优化设计。在结构优化的力学准则法、数学规划法和拓扑优化等方面取得了一定成果。并在工程应用方面，对屋架、排架、网架、桥梁和高压输电塔等结构进行了优化设计。

按设计变量的空间性质分为集中参数结构优化设计和分布参数结构优化设计。前者的设计变量是有限维的向量，后者的设计变量是一个描述空间分布的函数，二者都归结为求函数的极小值问题。

按设计变量的层次分为截面尺寸优化设计、结构几何形状优化设计、结构的拓扑优化设计（如给定一个杆系结构的节点布置，要求确定哪些节点之间应有杆件连接）、结构类型优化设计（如屋盖结构可以由梁、桁架和拱等不同类型结构进行优选）。随着设计变量层次的升高，所得的优化结构的效果也随之提高，但优化设计的难度增大、工作量增多。

任何一个结构的设计方案，都可以用若干给定参数和一些设计变量（结构几何参数与构件截面参数）（=1,2，…）来表示，而设计变量随方案的改变而变。这些设计变量所组成的n维向量x可用n维空间的一个点表示，称为设计点。设计规范规定必须满足的条件或其他特定条件为优化设计的约束条件。满足所有约束条件的设计点称为可用方案。代表所有可用方案的那些设计点形成n维空间的一个子域，称为可用域（又称可行域）。评比可用方案优劣的标准（如结构重量、工程造价等）是设计变量的函数，称为目标函数。结构优化设计就是用一些力学和数学的方法，在可用域搜索目标函数最小（或最大）的最优点，也就是最优设计方案。

常用的结构优化设计方法有数学规划法和力学准则法。将二者结合起来，可以发展更为有效的优化设计方法。在理论研究中也有采用遗传算法（GA）与神经网络算法。

分为直接搜索法、解析规划法、序列逼近法和特种规划法等。

①直接搜索法，直接比较按一定规则选择的若干设计点的目标和数值、约束函数值，以搜索最优点的方法，特别适用于目标函数取导有困难的那些问题。如解非线性规划的网格法、随机试验法、复形法，都是直接搜索法。常用的齿行法实际是利用力学准则法和优化理论确定搜索方向和步长的一种直接搜索法。

②解析规划法，利用目标函数和约束函数的导数来指导搜索方向和决定步长的数学规划法，如各种可行方向法、梯度投影法等。其优点是减少迭代次数，但增加了计算函数梯度的工作。

③序列逼近法。在每次迭代中把复杂的非线性约束规划问题用较简单的规划来趋近的一类方法。如用线性规划逐次逼近非线性规划法，用无约束规划逼近约束规划的序列无约束规划法（SUMT）和序列二次规划法（SQP）等。

④特种规划法，指利用某些特殊规划的方法。如几何规划法可用于目标函数和约束函数都是正定多项式（指数为任意实数、系数全为正数的由变量幂的乘积函数组成的多项式）的优化问题。动态规划适用于某些弱连接的可分段处理的问题。

基本原则是充分发挥材料的强度潜力和贮能（应变能）能力，实现等应力或应变能密度状态，以达到材料用料最省和结构最轻的目标。这符合传统的设计思路，满应力迭代程序比较简单，收敛较快，是一种比较方便的方法，在网架、输电塔架等结构设计中应用较广泛。

是人工智能领域中用于解决最优化的一种搜索启发式算法，借鉴了生物进化学中包括遗传、突变、自然选择以及杂交等手段，依据遗传特征生成与优化候选解，采用概率化的寻优方法，以平行方法自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，最终逐步逼近最优解。

在桁架结构、网架结构、框架结构、高耸结构、桥梁、水坝工程设计中，已开始采用优化设计的方法，收到较好的效果，但总体应用还不够广泛。对结构优化设计的应用研究将逐步深入，有关设计思想及优化技术将得到普及，符合设计实际需要的优化设计软件将进入市场。另一方面，结构优化设计的理论研究工作将继续深入开展，如对多目标优化、结构动力设计优化、离散值设计变量优化、基于结构可靠度的设计优化、遗传算法等研究成果将逐步进入到实用阶段。