建筑逐步向大跨、高层方向发展,同时人们追求的建筑已不仅仅是功能空间,更是具有良好视觉效果的自由、灵活,多样的功能与精神感受、美的享受有机统一的人性化的空间。合理且具有良好视觉效果的建筑实践,需要科技的支撑,意味着结构的力学性能在构思建筑方案中的重要性,结构形态的合理性占越来越重要的的地位。现代建筑的实践需要建筑与结构的深层次理解,需要重新认识结构形态的内涵,现代建筑构思中结构不再是单纯的承重骨架,而是构思新型建筑的一种工具。合理且良好建筑效果的结构形态创构方法的建立,不仅是每个结构工程师所关心的问题,而且也是建筑师实现自己建筑理念和意图中必须解决的重要问题。本文以应变能最小化作为结构形态创构问题的设计目标,利用B样条曲面的性质与结构应变能敏感度的特性提出了高效、实用的自由曲面形态创构方法。为解决非线性和更一般意义的形态创构问题,本文还提出了敏感度差分算法的形态创构方法。以所提方法得到的结果为对象进行了试验研究,提出了利用有限元法模拟试验的方法,并考察了进化过程中的自由曲面结构的力学性能,总结了自由曲面结构的特点。本文主要开展以下几方面的工作:1.任意边界的自由曲面薄壳结构初始模型研究在实际工程中,建筑边界条件复杂多样,为很好适应实际工程,拓展了B样条曲线函数的功能,研究了可生成多种复杂建筑边界条件的方法。常用的B样条曲线函数只能形成一条固定阶次的自由曲线,不能简单利用。本文研究了可以生成多条、多种阶次封闭曲线的B样条曲线函数。外部边界节点按顺时针方向、内部边界节点按逆时针方向排列识别内外边界。边界内部为设计域,并利用Delaunay三角剖分技术对平面设计域进行了三角划分。引入包含设计域的矩形参考平面,根据建筑形状要求与节点移动的操作需求,形成关键点网格,利用B样条曲面函数生成曲面。最后把设计域平面上的所有节点投影到B样条曲面上,同时记录支座条件信息,获得满足任意边界条件的自由曲面初始结构。2.基于B样条函数的自由曲面薄壳结构形态创构方法自由曲面结构的力学性能,与曲面形状密切相关,而应变能是衡量结构力学性能的综合性指标之一。根据B样条曲面关键点坐标的变化与自由曲面薄壳结构应变能的关系,建立一种高效的自由曲面薄壳形态创构方法。该方法是考虑计算效率、曲面的连续性与自由曲面的凹凸特性,以初始结构形成过程中的有限个网格点作为关键点并把其作为设计变量,分析有限个关键点与曲面上的所有有限元三角划分节点的关系,推导了应变能对此关键点的敏感度,通过迭代逐步调整关键点,最终生成合理且光滑的自由曲面结构。通过算例考察了进化过程中的形状与力学性能的变化特点与最终结构的力学性能,总结了方法的特点。该方法具有较高的计算效率且生成的曲面光滑连续,可以创构出满足建筑要求且力学合理的各种自由曲面结构,可在方案设计阶段提供参考。3.基于敏感度差分算法的形态创构方法通过敏感度差分算法,将形态创构思想与有限元软件的强大计算能力结合起来,提出了基于敏感度差分算法的形态创构方法,并以有限元软件ansys为例,验证了该方法的正确性。虽然此方法计算效率较低,结构的初始形状确定较繁琐且不光滑,但可以解决在实际工程中所要求的复杂的非线性问题。此方法不仅可以解决应变能最小化的结构形态创构问题,也可以以其它目标量作为目标函数创构出满足建筑要求的结构形态,应用范围较广,特别是在方案探讨阶段有着良好的参考价值。并通过算例验证了此方法的可行性。4.自由曲面薄壳结构试验和有限元模拟研究自由曲面试验由于制作复杂且加载困难,一直被认为是研究自由曲面力学性能的难点,目前很少见到此方面的研究。基于b样条理论的形态创构方法是基于弹性小变形理论,为了研究结构在非线性情况下的力学性能和为进一步研究自由曲面特有的力学性能提供依据,本文以所提方法得到的结果作为对象进行了试验研究。试验考察了裂缝开展特性、应力分布特性和极限承载力。并研究了能够代替繁琐试验的基于有限元的试验模拟方法,通过试验数据的对比验证了该方法的可靠性与实用性。这些试验结果和试验模拟研究对自由曲面薄壳结构力学性能的进一步认识和自由曲面结构在工程应用与理论发展方面有参考价值。5.研究并总结所得自由曲面结构的力学性能自由曲面结构作为一种新型的结构形式,研究较少。本文通过大量算例,理论与试验相结合的方法,考察了进化过程中的结构形状变化与力学性能变化的特性,总结了合理自由曲面结构的受力特点。进化过程中,随着结构应变能的降低,结构的平均位移和最大位移均有不同程度的降低,弯矩比轴力下降的更为明显,结构最终演变成以受轴力为主的、应力分布均匀的结构形式。优化后结构不仅承载力有了提高,而且对缺陷的敏感程度降低。并考察了结构的薄膜应力分布、上下表面第一主应力的特点、弯曲内力与薄膜内力比的分布特性等。自由曲面基于b样条的形态创构方法采用fortran语言编程实现,研究结构进化过程中荷载-位移曲线和对缺陷的影响时,采用有限元软件ansys来分析并考虑结构的非线性性质;基于敏感度差分算法的形态创构方法则把有限元软件ansys作为fortran的一个子程序。本文获得了两套自由曲面形态创构的程序。