近年来由于城市商业和工业化的快速发展，城市化进程的不断加快，城市建设用地日趋紧张。但在改革开放以前我国修建的建筑多以低层或多层为主,这些建筑大多保留至今。这些原有建筑已经不能满足社会发展的需要和人们对住房需求的不断提高。相对于传统的钢筋混凝土结构，钢结构具有自重轻、抗震性能好，施工安装速度快等优点。但是关于加层钢结构的设计方法还不科学，不完善，大多停留在以经验为设计依据的条件下。结构优化设计，是近年来逐渐引起国内外学者共同关注的话题，它为结构设计朝着更安全、更合理方向的发展提供了一种新的方法。本文对原四层钢筋混凝土结构上的钢结构加层进行优化设计。本文以北京某医院四层钢筋混凝土办公楼为案例，从钢结构加层框架的构件截面尺寸入手研究钢结构加层的优化设计。本文首先介绍钢框架结构设计理论，包括设计规范上所采用的二阶弹性分析方法。其次，考虑加层钢框架构件截面的尺寸，以用钢量为目标对截面尺寸进行优化设计计算。最后建立模型，利用PKPM结构计算软件对原结构、加层后混合结构以及优化后混合结构进行对比分析；以结构受力最合理，用钢量最少为目标函数，以构建尺寸为设计变量，以规范要求的强度、刚度、构造要求等为状态变量，对文中工程实例进行了优化设计。