单层网壳结构是一种由杆件构成的曲面网格结构,其实质是将薄壳结构进行格构化,不但拥有薄壳结构受力合理和轻盈美观的优点,而且实现了工业化生产和装配化施工的目标。单层网壳结构是广泛应用到大跨度建筑的空间结构形式,在建筑外形、结构受力性能和生产施工等方面具有突出的优越性。目前,学者们提出和设计单层网壳结构的几何形态是在人为设定的数学曲线基础上构建而成,而不是基于最优的受力性能形成其几何形态。拓扑优化理论以最优的力学性能作为优化目标,并根据约束条件和优化目标自动的形成受力合理的几何形态,突破传统设计必须先提出结构选型再进行受力分析和改进的过程。通过对壳体结构进行拓扑优化来寻求最佳的传力路径,从而显著降低体系的自重,构建受力更加合理的结构体系。由于单层网壳结构厚度很薄,普遍具有竖向刚度和稳定性相对较差的受力特征。针对单层球面网壳结构竖向刚度和稳定性较差的问题,采用拓扑优化的方法对其最优形态进行了研究。首先,应用OptStruct对球面薄壳结构进行了拓扑优化,得到了一种新型的折壳结构形态;然后,基于球面薄壳结构拓扑优化的结果构建了一种单层球面折网壳结构;进而,利用ANSYS的参数化语言对单层球面折网壳结构进行了参数化建模。本文从三个方面对新型的单层球面折网壳结构的力学性能和传统的单层球面网壳结构的力学性能进行了对比分析。(1)对比了四种单层球面折网壳结构在三种荷载单独作用下和三种荷载共同作用下的柔度差异,并选取3种荷载共同作用下柔度较小的两种结构形式作为结构的分析模型,进而对比分析了单层球面折网壳结构和单层球面网壳结构的刚度差异,并对新型的单层球面折网壳结构进行了两个主要几何参数的优化分析。(2)对比分析了单层球面折网壳结构和单层球面网壳结构两种荷载条件下稳定性能的差异,详细考虑了单杆失稳和初始缺陷对单层球面折网壳结构和单层球面网壳结构稳定性的影响。(3)对比分析了单层球面折网壳结构和单层球面网壳结构前五十阶自振频率和前八阶振型的差异,以及在考虑重力影响的单维地震作用下和多维地震作用下弹塑性时程动力响应的差异。研究结果表明,本文基于薄壳结构拓扑优化结果构建的新型单层球面折网壳结构和传统的单层球面网壳结构相比,不仅竖向刚度明显提高,而且对几何初始缺陷及不对称荷载的敏感性也显著降低。新型单层球面折网壳结构是一种性能优良的新型大跨空间结构形式。