群智能优化算法已被证实可以用于解决实际工程的优化问题。在传统的优化设计方法中,缺少一种处理工程约束问题的法则。然而,随着信息技术的高速发展,如今存在大量的致力于研究处理及控制工程中约束问题技术方面的算法。水循环算法可对约束问题进行求解。本文针对水循环算法,首先进行了对连续变量、离散变量的结构最优化设计问题的研究；并针对单目标优化的水循环优化算法(WCA)改进成多目标水循环优化算法(MWCA)。为了使算法能得到分布均匀的Pareto最优解集,在迭代过程中引入了精英集的概念,同时运用拥挤距离计算机制处理精英集。本文简单介绍了结构优化设计及其算法的历史发展过程,详细阐述了水循环算法的基本理论,计算步骤及流程,并将其应用在结构优化设计中。本文的研究内容分为两个部分：第一,本文将运用WCA针对实际工程进行单目标优化设计,实现桁架结构的截面优化,形状优化及刚架结构优化。第三章以刚框架结构重量最轻为目标函数,对三个不同刚架结构进行截面尺寸优化。论文第四章以桁架的重量最轻为目标函数,对17杆平面桁架结构,以及25杆、72杆空间桁架结构进行了尺寸优化。第五章以桁架的重量最轻、使用空间最优化为目标函数对6个不同桁架结构进行了形状优化。第二,本文运用MWCA针对实际工程进行多目标优化设计,实现对桁架结构的总重量、节点最大位移及形状进行相应优化,对框架结构的总重量、最大层间位移及总动应变能进行了优化。论文第六章,分别将两个桁架结构与两个框架结构进行了多目标优化。研究结果表明,水循环优化算法能够快速有效处理实际工程中的单目标及多目标问题。相对于其他智能优化算法能够提供更好的收敛速度,收敛结果也更好。