建筑与结构密切地联系在一起形成供人类活动的人造空间，两者相对独立，同时又相互制约、相互影响。在复杂的大跨空间结构设计中，结构的力学性能决定整个设计的成败，故选择合理的结构形态至关重要。结构的力学性能合理性主要体现在荷载传递方式，工程师希望结构主要以轴力或薄膜力的方式传递荷载。本文根据机构在荷载作用下自行演变至势能最低而且其内力仅为轴力或薄膜力的特点，通过结构与机构相互转换，采用一系列形状控制措施，建立了寻求合理结构的结构形态创构方法。该方法可以最大限度地抑制弯矩，创构出以轴力或薄膜力为主要方式传递荷载的高效结构。这对建筑与结构方案的确定有着重要理论意义和工程应用价值。本文具体研究内容如下：
　　1.根据机构在形状变化过程中的几何特性，建立了描述机构运动的移形方程并利用广义逆矩阵原理确定了机构的可动方向；基于B样条曲线/曲面的性质描述了结构形状，实现了光滑的网状与曲面结构几何形状的表达。
　　2.对机构形状控制策略展开研究，分析了影响机构形状的因素，探讨了杆系机构中杆件和杆件组长度的约束效应，并将其拓展到索长度和膜面积的控制。探讨机构特性的基础上，研究了机构演变过程中的势能的变化规律以及稳定状态下的机构受力特性。机构会在荷载的作用下向着势能下降的方向移动。当机构势能达到最低状态，其形状将不再变化并且内力也仅为轴力或薄膜力。此外，将临时单元(杆、索、膜)和临时力引入到结构形态创构过程中，将方法的应用范围拓宽到张拉形式的结构形态确定，同时临时单元以及临时力的设置也是该方法的一种有效的形状控制手段。
　　3.根据机构会最终停留在稳定状态的特性，建立了结构形态创构问题的数学模型。依据机构形状控制策略并结合机构移形方程，建立了寻求对应于最小势能机构形状的方法。方法在建立移形方程时，通过引入分组方式、临时力与临时单元来实现机构形状控制策略。至此，建立了基于机构特性的结构形态创构方法。
　　4.根据所提出的基于机构特性的结构形态创构方法，将该方法分别应用于杆系结构、网状结构和曲面结构的形态创构。通过对组成机构的单元进行分组以及设置临时单元与临时力，该方法能够控制结构单个构件长度/面积和多个构件的总长度/总面积，同时也为结构形态创构提供更多的结构形状控制措施。通过算例考查了方法的性能与可靠性，总结了该方法所得到的结构的形状特点与受力性能特点，进一步探讨将该方法应用于各种不同结构体系的可能性。
　　5.对不同类型结构进行模拟工程设计，模拟设计涵盖了单层网壳、树状支承结构、自由曲面结构等多种结构类型。分别根据建筑意图、工程的特点和需求选取相应的机构类型，并结合不同机构类型的特点确定了适合的形状控制措施。在结构形态创构过程中，合理地使用形状控制策略可以获得既满足建筑意图又符合受力合理性的结构形态。对结构形态创构的最终设计方案进行了受力性能分析。分析结果表明：相对于初始结构，该方法所得结构的弯矩、应变能以及最大Mises应力均明显下降，结构是以轴向力或薄膜力为主要方式来承受给定荷载，其受力性能得到了明显改善。通过对多种类型结构的工程模拟设计，进一步说明了形状控制策略的使用方法并证明了该形态创构方法的有效性与普适性。
　　本文系统研究了机构特性并提出了基于机构特性的结构形态创构方法，该方法可以通过寻找势能最低状态时的机构形状来实现多种类型结构的形态创构。方法中的多种形状控制措施能够满足建筑结构设计中的多种工程需求。该方法可以创构出既符合建筑美学又符合受力合理性的结构形状方案。