进入二十一世纪以来，全球化和城市化均进入发展的快车道，尤其是城市的发展进入新阶段，城市空间结构也发生着不断的变化，信息化、知识经济、全球化、环保、可持续发展逐步成为城市发展的重要表现，城市空间的空间发展演变已经成为城市发展和城市空间优化的突出特点。本文以石家庄市为例，在分析总结大量基础理论和诸多文献的基础上，结合一定的数学方法展开对城市空间优化的研究。新时代大城市空间发展演变的动力是复杂的，包括自然条件、经济发展、交通状况、政策规划等动力。城市内部各种要素之间相互作用，共同推动着城市的空间变化和升级。通过数据对比得出，石家庄市空间结构演化经历了点状形态形成阶段、城市向外带状扩展阶段、伸展轴稳定发展阶段、突破扩展阶段、内部填充阶段。城市空间结构由“单级中心”向“一城多组团”的发展方向。现阶段，具体表现城市空间结构布局的城镇等级结构、交通干线结构、城镇功能结构等方面都体现出新的面貌。石家庄城市空间结构存在一系列问题，诸如：城市内部空间交通尚不够完善，城市所在的地区产业布局依然不够合理。作者分别通过完善交通体系、分析城市产业布局现状、和外部空间对内部空间所施加的影响等角度来找出石家庄市空间布局的合理化方案。为实现未来石家庄的可持续发展和提高城市竞争力，通过分析石家庄城市空间的交通结构，市域范围的经济结构，和城市自身的扩张力等方面来评估城市的发展潜力和方向。可以采取一定的空间结构优化对策如：找准城市定位，着力打造京津冀都市圈第三极，构筑环省会城市群；要坚持以“我”为主，努力掌握发展的主动权；抓住关键环节，注重提高城市综合竞争力和辐射带动水平；做强中心城区，参与全球化进程；发挥竞争优势，实施产业重构；扩大对外开放，改善投资环境；提高城市创新能力，积极构建信息城市；整治生态环境，建设美好家园等。