自由曲面引入建筑设计，获得了丰硕的设计成果，极大地推动和促进了建筑设计的发展。近十年来，自由曲面的应用更为深入。由早期几种基本曲面，发展为多种类型的自由曲面。关注点由形式本身转向形式背后的关系与制约。寻求更为合理的加工建造方式。在这一背景下，自由曲面设计技术的重要性日益凸显。建筑师对自由曲面设计技术的需求变得更为迫切。自由曲面设计技术的研究和开发，成为一项需要建筑师参与其中的工作。　　 自由曲面设计的基础是如何获得曲面数字模型，即曲面建模问题。自由曲面的复杂几何形态，仅依靠手动操作效率低甚至难以完成。曲面建模的操作方式由手动变为计算机程序描述的编程方式。本文探讨了编程方式下的不同类型曲面的建模规则，拓扑形态控制以及曲面调整问题。建模获得的自由曲面需要进一步划分以满足曲面构件的加工要求。应用逆向工程的曲面重构技术对曲面表面的点集进行连接，组成与原有曲面近似的新曲面。由于通用的曲面重构方法在重构面单元形态、尺寸、划分方式等方面并不能完全符合建筑设计的需要。因此必须开发针对建筑设计的曲面重构方法。作为曲面重构的延伸，双层曲面系统旨在解决曲面如何建造的问题。本文的研究旨在对其进行发展，提出的概念模型在加工便利性以及系统的适应性方面进行了优化和改进。　　 研究采用参数化方法描述建模与重构涉及的复杂几何形态，通过设定参数统一进行控制和调整。针对参数化方法在拓扑关系描述方面的弱点，引入拓扑判断作为参数化方法的补充。论文研究通过编写计算机程序进行实验，以实验结果对技术方法的正确性进行验证。　　 论文分为四个部分。第一章自由曲面设计技术演进为第一部分。介绍自由曲面的历史以及在建筑设计领域的应用，分析现有曲面建模与曲面重构的技术要点以及存在的不足，明确论文研究的主要内容。第二章基本几何元素形态解析为第二部分。以图解的方式分析非欧几何基本几何元素的形态特征以及控制参数对形态的作用和影响，指出几何元素类型与后续曲面建模与曲面重构操作的关系。第三部分是论文的主体，包括第三至第五章。曲面建模技术研究，分析不同类型曲面的建模方法，在基本的手动建模方式基础上，讨论如何以计算机程序为载体的参数化方式进行建模操作。对于自由曲面建模形态控制困难的问题，提出了控制曲面形态拓扑关系的程序算法。对于曲面修改困难的问题，提出了基于曲面曲率，自动调整曲面形状的修改方法。曲面重构技术研究，在通用的曲面重构方法基础上，提出了多种针对建筑设计要求的曲面重构方法，并将曲面重构技术的适用范围由单一曲面推广至复合曲面。面向建造的双层曲面系统，提出的双层曲面系统概念模型，将重构获得的曲面发展为包括表皮与支撑结构的物质系统，实现曲面的加工建造。概念模型具备了可以局部调整形态，进行自动修正的能力。第四部分，规则曲面设计实验。选择曲面的一种——规则曲面进行了设计实验。通过实际工程项目的设计应用，检验了本文提出的曲面建模与重构技术。　　 论文研究将自由曲面的知识由自然科学向建筑学科的应用领域转化。展现和分析自由曲面的特征。验证现有自由曲面设计技术。在此基础上进行优化，延伸发展出新的设计技术，回应了当前建筑实践中有关自由曲面设计的现实技术问题。