在實踐中，一方麵既要考慮設計需要實現的功能，以及工程安全性和可靠性，另一方麵又要考慮工程造價的高低，要在這兩者之間進行權衡，即要以最低的費用來實現設計產品的必要的功能。有關結構優化如果單純從數學的角度用數值計算的方法來操作的話，意義不大，可操作性也不強。在工程實踐中結合工程結構設計的特點，一般還有直覺優化、試驗優化等的方法來優化結構。是目前常用的結構設計優化技術分類。
常用結構設計優化技術分類1）直覺優化
直覺優化是設計者根據經驗和直覺知識，不需要通過分析計算就做出判斷性選擇的一種方法，所以又稱為經驗優化。直覺優化方法是傳統的、常用的、也是簡單易行的方法，它取決於設計者直覺知識的廣泛性、經驗判斷的推理能力及豐富的設計技術。雖然隨著計算機在建築結構設計中得到廣泛應用，結構設計師們已經從傳統的公式運算中解放出來，但結構設計還有許多問題是計算機無法完全解決的。例如，對於同一建築方案，可能有許多不同的結構布置方案；確定了結構布置的建築物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法，分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是唯一的，建築物細部的處理更是不盡相同等。這些問題解決主要依靠結構設計師的主觀判斷，即在結構設計的一般規律指導下,依靠結構設計師的工程實踐經驗進行解決，這一過程稱之為概念設計。所以，直覺優化又稱為概念設計優化。
2）試驗優化
當對設計對象的機理不是很清楚、或對其製造與施工經驗不足、各個參數對設計指標的主次影響難以分清時，試驗優化是一種可行的優化設計方法。根據模型試驗所得結果，可以尋找出最優方案。
3）仿生學方法
隨著仿生學的巨大進展,近十多年來人們對生物進化現象發生濃厚興趣,因為它們在漫長演變過程中按照“適者生存”的原理逐漸從最簡單的低等生命一直進化到人類,本身就是一個絕妙的優化過程。目前，模擬自然界進化的算法有模仿自然界過程算法與模仿自然界結構算法,主要分為基因遺傳算法、模擬退火法和神經元網絡算法等。
4）係統優化技術
係統優化是更大範圍綜合的優化，是從一個建築結構工程整體角度去研究分析，以尋求綜合效果的最佳，其目標一般為使設計具有良好功能前提下，獲得整體性的近期和長遠的經濟效益。而傳統設計(包括一般優化設計)，隻考慮到非整體性(構件或分部)的初始造價。工程結構設計一般應涉及三項費用——整體造價、維護費用與自然災害帶來的損失期望值，它們所反映出的近期與遠期經濟效益應統一地納入到設計方案的計算中去，以便能定量地做出經濟上的比較。
5）自動優化
自動優化技術自上世紀70年代末開始研究而發展起來，自動優化設計技術實際是計算機輔助設計(CAD)與優化理論相結合的結果。優化理論不僅能使設計優化目標得以實現，而且也能給設計帶來某些方麵的自動化。優化的理論與技術，在當今其功能與過去相比已明顯地擴大，它與CAD自動化是相輔相成的，也是難以分離的。因為設計任務是科學地選擇參數，在滿足約束條件下，以實現某種目標的要求，故在設計過程中需要不斷地選擇最佳參數和評價方案，可以說CAD自動化在某種程度上要依靠優化來實現；另一方麵隨著圖形功能的發展，從而迅速地推動了CAD的發展，於是大量CAD軟件及工作站的出現，使計算技術的結構工程設計能力大大加強，這又對計算機提出了更高要求，即把優化方法納入到CAD係統中來，以形成集成化程度更高的CAD係統。
6）智能優化
人工智能與優化理論相結合，從而構成了智能優化。計算機輔助技術的主要發展方向之一是人工智能，它的理論和技術得到應用的主要形式是專家係統。結構工程的專門知識可歸結為兩大部分：一部分為確定性內容，如公認的結論、能用計算公式所表達者等。這部分一般都已被歸納到現行的規範和手冊中，以供隨時使用；另一部分為經驗性、判斷性知識，專家係統的建立是為了把專家的知識和經驗綜合起來，結合數據進行分析和處理，並通過一定的法則，完成某些推理。在優化設計領域，可利用專家係統，即使在專家們不在場的情況下，也可以利用他們的知識和經驗，對有關問題進行評價和決策。專家係統還可以將本次設計的某些新經驗反饋給知識庫，完成係統的自學習過程。
11.6設計決策
美國電機工程發明與設計大師米登多夫（Middendorf，1986）指出：“工程設計是一個重複的決策製定活動。在這個活動中，為了滿足人們的需求，設計師們應用科技知識來設計大致與他們所知的以前做出東西不同的係統、裝置或者流程。”廣義的設計決策包括設計方案比較全過程（），狹義的設計決策則是指設計方案比較程序的最後一個環節，即對設計方案的最終抉擇。
從工程經濟學角度，可以把工程設計看作是一種產品設計，但是與批量生產的工業產品不同的是，工程設計產品之間存在著差異性，即個性；與一般藝術品的完全獨特性相比，工程設計產品應遵循共同的設計規範和設計標準等，即共性。個性是對創新性的追求，共性是對經濟性的需求。決策者從自身的需求出發，從個性與共性之間尋求滿足自身需求的平衡，選出認為最合理的方案。合理性是設計方案決策的依據。
11.6.1設計合理性的判斷準則
盡管有許多種方法支持設計方案的評選和決策，但實踐中設計決策者的判斷將最終決定方案的取舍。設計決策者對設計合理性進行判斷的首要準則就是合目的性，即必須符合所確定的目標標準。正如前文多處所論及的那樣，工程設計目標是一個多元價值係統，對設計合理性進行的決策也是基於多元目標的一個決策。
起初，人們對工程取舍更注重實用目的。以建築設計為例，它包含了功能和美學兩大範疇，盡管這並不是人們建築活動的全部目的，但可以肯定地說，人類從事建造的最初衝動純屬是實用性的，隻有在人類抽象思維的能力得到發展後，建築作為象征的重要性才得以體現。從這個意義上講，建築在其發展過程中，建築設計在其合乎實用目的性方麵顯得尤為重要。
隨著時代的發展，工程作為一種經濟產品和社會公共物品的屬性日益凸顯，這就迫使人們考慮設計合目的性與社會學（包括經濟學）的內在聯係。工程設計中開始強調使用者的需要，強調工程與其環境之間的關係，強調技術的特性。以建築設計為例，在20世紀70年代初的“能源危機”之後，國際上流行的紀念式建築風格已經讓位，而更富有人性、更關注建築使用者需要和更關心使用者生活方式的建築風格正在湧現。設計過程中，建築設計師有意識地尋求與規劃師、結構工程師和社會學家進行更大範圍的合作，把創新的工程技術和富於表現力的設計美學結合起來反映在建築的人文主義價值觀中。
但是，多元目標體係之間的衝突性是無法回避。如建築設計中，更有意義的社會實效目的與建築設計師對其作品的想法和感受可能會存在矛盾。然而，在對工程設計方案的決策中，誇大目標之間的分歧是沒有意義的，要做出有效率的決策，需要尋找目標之間的共性。事實上，對不同設計方案差異性不在於工程的形式問題，最終都可落實在工程的社會效應上，在某種意義上，對工程設計的恰當評價的準則正在於此。20世紀80年代後提出的生態設計理論及實踐的拓展，正是體現了設計合理性問題在人文價值目標上獲得的全麵定位。
因此，從設計決策的邏輯順序來看，目的是人們做出決定的重要因素，這是確定無疑的。但是一個設計方案僅是合目的性還不行，還必須符合條件，包括公共政策、市場需求以及土地資源的利用模式等人文和自然條件等。目標是否合理並不是以目的本身是理性的或非理性來劃分，也不是因為它是符合社會目標而非個人目標就更具有合理性，關鍵在於它是否合乎條件。例如，在現代建築史中，“烏托邦”設計和規劃理念的失敗，並不是它不符合目的，而是因為它不符合條件，所以隻能是一種空想。在實踐中，有些設計和規劃方案之所以被放棄、擱置和被推延，其重要原因也是不符合條件，缺乏可行性。
工程作為一種產品，屬於社會生產範疇。設計則作為工程建設的先導和依據，任何決策都必然受目的和條件這兩個基本要素的製約。目的決定設計的方向和主旨，條件則決定著設計的可行性和代價。
11.6.2設計決策的潛在機製
工程設計的決策者是誰？這似乎是一個難以回答的問題。在現實生活中，也許很多人不懂得工程設計本身的特性，但是他們卻不可避免地受到設計決策結果（或後果）的影響，人們的生活環境與質量隨著設計決策的合理與否以及設計水平的高低而提高或降低。所以，工程相關的利益方有許多，就設計階段而言，包括了工程項目的擁有者（業主單位）、使用者、設計者、政府及包括公眾在內的與工程相關的第三方，他們從不同的角度和途徑、以不同的方式影響著工程設計決策。
表麵上，項目業主是設計方案的直接決策者，但事實上他隻是擁有對最終方案的選擇權，並依據設計師對方案的解釋進行決策，而設計方案的細節及專業技術內容的決定權則屬於設計師，業主隻有一定的建議權。對於設計師而言，他們有權將他們對工程的構想變成可視的設計藍圖或模型，但他們對最終方案隻是沒有權力的建議者，有時他們腦力勞動成果在最終實物實現的過程中被很大程度地改動了，有時甚至被拒絕（方案競選失敗）。事實上，方案設計決策過程最具挑戰性的方麵是設計者與業主之間在某些關鍵問題上互不認同，並可能導致最終的合作失敗。
政府通過製定設計邊界規範（參見11.2.1）及其他的公共政策和標準作為業主或設計師選擇和確定設計方案的約束條件，並通過項目立項和圖紙審批程序否定或批準工程設計。公眾及相關的第三方對項目設計方案決策的影響，一方麵來自於代表他們利益的公共政策和能夠維護工程公共安全的相關政府機構；另一方麵，對於突破公共政策和公共安全監管約束的工程，公眾可采用法律途徑，甚至采取“集體行動”（這是一種不受鼓勵的行為，甚至會演變為一種非法行為）來影響項目的最終決策。使用者對工程設計決策的影響可分為三種情況：一是有些工程的使用者就是業主自身，其影響前文已述；二是有些公共建築（如學校、影劇院、體育場館等）的使用者則為公眾，興辦公共建築的政府機構則代表公眾利益，同時也行使業主的決策權力；三是有些商業建築（住宅、寫字樓等）的使用者為建築物的購買者，他們的市場消費選擇行為將影響房地產開發者對投資產品的決策。
設計決策的潛在機製使得設計方案的決策具有極大的挑戰性，這源於工程利益相關者各自追求的價值目標側重點上的差異。設計師從技術角度去思考問題，如建築設計師會考慮空間尺度、領域感、色彩等，並追求個人的審美價值和空間形態創新。但是，其他工程利益相關者可能並不了解設計的專業知識，所以可能並不像設計師那樣思考問題。政府可注重工程的政治因素，如“形象工程”；投資人注重市場因素，如消費者的需求傾向；公眾則關注環境價值。工程項目或建築物代表了一種投資對象，開發者和產權所有者有權獲得合理的回報，所以他們有理由要求工程設計能滿足他們對工程價值的預期。而從民主的或者倫理道德上的觀念來看，受工程影響的公眾同樣應該對設計具有發言權。
這一潛在的決策機製並不是要求、也不可能做到讓工程所有相關利益方都參與到工程設計決策中，事實上直接參與工程設計決策的仍隻是業主與設計師，其他相關利益者對決策的影響都是間接地通過業主和設計師將在決策過程中將其他利益相關者對工程的價值主張融入到決策判斷準則中。因此，這一種“融入”就顯得相關重要。如果設計師或業主在設計決策中忽視了或者沒有重視這種“融入”，則其他利益相關者必然會以其他的方式介入設計決策。這種“介入”必然會影響工程的實施，可能需要重新提出方案甚至否決工程。顯然，這是業主和設計師都不願意看到的事。從經濟學角度來看，工程活動是將各種不同類型的資源轉換成社會基礎設施和生產生活場所的經濟過程，而資源的稀缺性意味著在很大程度上可以將工程設計的直接用戶利益與社會總體目標相統一。
從上述分析中可以得到這樣的結論，盡管工程相關的利益各方對工程的理解都非常廣泛，但是如果把社會公眾和生活環境這些受設計影響的因素作為廣義的“業主”的話，那麼能夠為“公眾利益”提供服務的設計決策機製就會形成，而機製的關鍵是業主和設計師在決策中將其他無法直接參與決策的利益相關者的價值訴求納入到決策判斷的準則——目的與條件中。現在的問題是，如何來實現這樣的機製？
在資源與環境問題尚未引起普遍關注的時候，工程設計的主導思想是以直接的業主為中心，滿足人的當前需求為目的，以產品是否順利在市場上實現經濟價值作為評價設計成敗的標準。然而，隨著資源與環境問題的日益嚴峻，“建設性破壞”這一極具時代色彩的詞彙出現了，這意味著宏觀領域的問題對於微觀的設計領域影響已經顯得極其重要。宏觀領域的資源與環境效益與工程全壽命周期各個階段，包括規劃、設計、投資、采購、施工、維護和運行使用等，有著不可分割的聯係，於是全壽命周期費用理論被提了出來。而工程設計及其決策是工程全壽周期轉換過程中的一個關鍵環節，它對於全壽命周期費用起著至關重要的作用。
於是，基於全壽命周期費用理論的評價方法——LCA（LifeCycleAssessment）在設計決策中得到應用。20世紀90年代以來，隨著可持續發展思想的廣泛傳播，綠色建築和低碳建築概念的產生，LCA的方法也正在建築材料、工程技術乃至整個設計領域尋找新的專業結合點，誕生了許多新穎的設計思念和術語，如“從搖籃到墳墓”分析（CradletoGraveAnalysis）、生態平衡（Ecobalance）、生態麵分析（EcoprofileAnalysis）、為環境而設計（DesignforEnvironment）、工程生態學（IndustrialEcology）、生態設計（Ecodesign）等。
可以說，實現設計決策潛在機製的有效路徑是采用壽命周期評價方法。在這個意義上，工程設計決策不僅是表明一個方案的確定，而且更能體現為微觀與宏觀相協調的一個過程，並使得工程設計決策的合目的性走向工程全壽命期過程合理性，契合了工程建設作為一種社會生產活動而存在的意義。
11.6.3設計決策方法
設計方案決策過程通常有兩種情形：一個是從整體式的，即對提出的多個設計方案進行最終效益的一次性預期評價，並做出判斷和選擇；另一個是分階段式的，從設計開始到最後的每一階段都進行評價和選擇，通過積累性的評價來獲得合目的性和條件的設計方案。無論哪種情形，顯然決策的結果總是選擇更有優勢的方案。如果一個方案在各項指標都比另一個方案有著絕對優勢，這樣決策很容易。但是，絕對優勢是有條件或者是有範圍限製的，在一定條件下或一定範圍內有絕對優勢，超越了限定的條件或範圍，優勢可能就不複存在了。特別是，工程設計多元價值指標之間的衝突和設計潛在的決策機製決定了在實踐中幾乎很難找到“絕對優勢”的設計方案，這是設計決策麵臨的困境。解決設計決策困境的方法還得從經濟學中尋找。
在經濟學中，“絕對優勢”這一術語用來衡量兩個具有相同性能產品之間的投入與產出關係，產出相同而投入生產要素較少的產品生產者在生產這類物品上具有絕對優勢。西方古典經濟學代表人物亞當?斯密在其著作《國民財富的性質和原因的研究》中提出了絕對成本說（TheoryofAbsoluteCost），又稱為絕對優勢理論（TheoryofAbsoluteAdvantage）。該理論的基本精神是各國按成本的絕對優勢或絕對利益進行分工生產產品並交換，將會使各國的資源、勞動和資本得到最有效的利用，大大提高勞動生產率和增加物質財富，並使各國從貿易中獲益。絕對成本說解決了具有不同優勢的國家之間的分工和交換的合理性。但是，這隻是國際貿易中的一種特例。如果一個國家在各方麵都處於絕對優勢，而另一個國家在各方麵則都處於絕對劣勢，那麼它們之間應該怎麼樣？斯密的理論對此無法做出回答。
斯密之後的古典經濟學另一位代表人物大衛?李嘉圖在其著作《政治經濟學及賦稅原理》中提出了比較成本學說（TheoryofComparativeCost），後人稱為比較優勢理論（TheoryofComparativeAdvantage），對上述問題做了完美的解釋。比較成本學說認為，國際貿易產生的基礎並不限於生產技術的絕對差別，隻要各國之間存在著生產技術上的相對差別，就會出現生產成本和產品價格的相對差別，從而使各國在不同的產品上具有比較優勢，使國際分工和國際貿易成為可能，進而獲得比較利益。例如，假設A國投入1個勞動力，能生產衣服3件，或者電子產品6件，而B國同樣投入1個勞動力，能生產衣服2件或者電子產品3件。可見，無論製衣與電子加工B國的效率都趕不上A國，但這決不意味著在國際競爭中，B國的製衣、電子行業均會被A國同行擠掉。計算一下就可發現，在A國要多生產1件衣服，必須放棄2件電子產品，而在B國多生產1件衣服，隻需放棄3/2件電子產品。也就是說，A國生產衣服的機會成本要比B國高，生產電子產品則相反。對A國最有利的戰略不是憑技術優勢將B國的所有行業擠掉，而是集中生產自己機會成本低的產品，而將機會成本高的產品交給B國去生產，然後交換自己所需的產品，都能獲得貿易利益。可見，在經濟學中，“比較優勢”這一術語的含義就是生產機會成本較低的產品在生產中具有比較優勢。
從發展曆程看，比較優勢理論發生了較大的變化，在研究領域上由一般貿易理論發展成為產業分析和決策的工具，在方法上從靜態、單因素、一方、單對象、變動適應的比較擴展到動態、多因素、多方、多對象、主要創造的比較。比較優勢原理也成為設計決策的主要方法，被設計決策者們自覺或不自覺地應用到設計決策中。下麵通過例子來說明這一應用。
以住宅設計決策為例，考慮兩種情況：一個是北方城市中建有大麵積水景的住宅小區，另一個是在南方地區建設具有相同標準和條件的水景住宅。由於自然條件因素，北方水環境麵臨蒸發量大、降水不足、地下徑流嚴重、後期水源養護等問題，所以北方帶有超大水麵的住宅小區建設平均成本要明確高於南方。如果住宅的銷售價格一樣，那麼南方水景住宅比北方水景住宅具有絕對優勢。在上述條件下，水景住宅建在北方還是建在南方的決策顯然是相當容易的一件事。北方水景住宅的壽命周期成本明顯高於南方水景住宅，所以在南方開發水景住宅方案更為合理，既合乎目的，也合乎條件。
但是，上述分析隻是從資源使用的角度，並基於南北方住宅價格相同，這樣一種理想化的情況，未考慮它們所麵臨的市場差異。房地產經濟學研究表明，城市住宅市場是一種地區性市場，存在著明顯的區域差異化特征。假如在南方地區某個濱水城市，城市水域分布較廣，開發水景住宅的獲利程度可能並不如普通住宅；而假如在北方某個城市，由於水景住宅的稀缺性，它可能有著很好的市場預期。在這些情況下，絕對優勢原理似乎無法再給出合理的決策解釋。因此，對設計方案選擇或者對建築效益預期評價過程中，作為一個理性決策者，不僅要考慮絕對優勢，還要考慮比較優勢。
還是以住宅設計決策為例來說明這一原理。假設，某地塊開發考慮在兩種方案中選擇：一個方案是水景住宅；另一個方案是與特定資源條件無關的普通住宅。選擇其中一個就意味著必須放棄另一個，即前者的實施是以放棄後者為代價，這就是機會成本。兩個方案之間是替代關係，即它們互相作為對方的機會成本而存在。在相同的市場條件下，如果水景住宅獲利較高，那麼開發普通住宅的機會成本就高；反之，如果開發普通住宅獲利較少，那麼開發水景住宅的機會成本就低，就具有了比較優勢。很顯然，比較優勢原理較好地反映了市場狀況，並很好地解釋了為什麼在北方缺水的城市之所以開發水景住宅，在建設用地短缺的地區之所以開發花園別墅，在舊城改造中之所以采取居住與商業土地功能置換，以及出現小區開發由普通標準配置向文化體育居住複合地產項目的轉變等現象。這些現象都可以看作是由機會成本衡量而引出的考慮比較優勢所采取合理的市場行為。
相對機會成本所體現的比較優勢為設計決策提供了可靠的方法，這也意味著對設計方案機會成本識別和合理估量的重要意義。例如，在北方缺水城市建設水景住宅，在水資源緊缺、水價逐年上調等條件下，水景因素對項目的長期綜合效益的影響是非常大的，所以在對其環境效益、社會效益和經濟效益評價中，可以把人工水景作為一個重要因素加以考慮，分析其投入與收益關係，在可能的限度內選定最高美化目的方案。一些創新的設計與技術也由此而誕生，如利用中水處理技術，建立中水回用設施，用於北方地區缺水城市的人工水景係統和綠化澆灌。實際上，隨著對水資源問題的重視、用水配額製的推行、水價的提升，南方一些城市的人工水景也開始應用中水係統。
另外一個應該注意的問題是，許多情況下人們應從更大的範圍來考慮機會成本，並重新估量原先可能已經定論的比較優勢。實踐中出現的一些問題，很值得深思。例如，為居住者的方便，原有的小區綠地就得改建為商鋪或停車位嗎？經濟適用房難道隻能建在交通不便、公共設施不全的偏遠地塊嗎？為降低建設成本，政府廉租房的設計就不需要節能構造了嗎？在舊城改造中，原來居住的貧困居民就應該被大量遷出，西方社會學家所稱的“過濾”（filtering）現象是無法避免的嗎？等等。諸如此類的問題，人們也許可以從不同的角度進行研究，但顯然設計決策起到了決定性的作用。
實踐證明，經濟、社會及環境效益以及單項與整體效益之間，往往會發生矛盾或衝突，需要綜合協調。設計決策中，為避免這些衝突，有必要確立一些優先次序，基本原則如下：
（1）所有的工程設計都必須達到國家規定的質量與環境指標。
（2）一般情況下，工程效益要服從社會整體效益。對於大型建設項目，這一點尤其顯得必要。
（3）其他的各種效益衝突，應由設計師或者在設計師的建議下由業主根據項目的性質、規模以及衝突的具體內容和程度，在保證環境與社會效益的基礎上，通過對機會成本的衡量和對邊際效用的比較來綜合考慮工程的整體效益，避免或最大程度地減少衝突。
習題
1．列舉工程設計中除土地資源邊界條件之外的其他一些設計可能性邊界條件，並進行討論。
2．分析工程設計各類價值要素或目標之間的關係。
3．以工程設計實例說明各類工程設計價值要素之間的相關關係。
4．我國的建築設計方針是“適用、經濟、安全、美觀”，也有專家建議，現在還應加上“環境質量”、“生態性”等作為共同的目標群。試論述它們之間存在的交替和相互競爭關係所形成的代價與機會成本。
5．某開發商開發的別墅區，在設計時設計師考慮選擇家用中央空調係統。該別墅區每幢各三層，建築麵積大約都在230m2，每座別墅需要配備空調的房間有8間，安裝水係統家用中央空調係統，需要配置9台室內風盤。現有兩種品牌的家用中央空調係統供選擇：①A型初始購置費（包括安裝費用）為7.6萬元，年平均運行費用4260元（按現行電價計算）；②B型初始購置費（包括安裝費用）為6.0萬元，年平均運行費用6300元（按現行電價計算）。空調平均使用壽命為20年，均沒有殘值。基準收益率為6%。
（1）用單指標評價方法選擇最優型號。
（2）假設空調的使用壽命不確定，如何選擇？
（3）與B型相比，A型為一知名品牌，具有低故障率、穩定性好、運行可靠、智能化程度高、售後服務體係完善等優勢，綜合考慮以上因素，又如何進行選擇？
6．選擇某一類優化技術，搜集相關文獻資料，撰寫一篇3000字以上的讀書報告。
7．討論建設性破壞的觀念對於構建設計決策機製的意義。
8．選擇一種新的設計理念，並論述它們對設計決策的影響。
9．中國有句古語：兩害相權取其輕，兩利相權取其重。可以說，它體現了比較優勢原理的基本精神。舉例闡述這一理念在設計決策中的應用。