空间结构形态学基础理论与方法研究

结构形态学是从整体上研究建筑形状与结构受力之间的关系，目的在于寻求二者的协同统一。结构的形态问题一直是建筑师和结构工程师最为关心的问题之一，尤其是对空间结构来说。随着社会的不断进步，结构形态的多元化与复杂化已成为现代空间结构的特征之一。本项目针对当前空间结构形态学研究中的两大核心问题- - 复杂空间形态的构建与设计及可变结构形态的分析与控制问题，展开相关基础理论与共性技术研究。综合运用计算机辅助几何设计、逆向工程、能量原理、优化控制等理论方法与技术手段，建立空间自由曲面形态及空间复杂多面体形态的数字化造型与分析设计技术，完善基于弹性变形与机构位移耦合分析的可变结构形态统一分析理论，提出了基于长度可变单元及随机搜索算法的空间结构形态优化控制方法。这些问题的解决将在理论上填补传统理论与方法的空白，在实践中促进自由形态结构与可变形态结构在相关领域的应用。

本项目针对复杂空间形态的构建与设计及可变结构形态的分析与控制问题，综合运用计算机辅助几何设计、逆向工程、应用数学、优化控制等理论方法与技术手段展开研究，主要取得了四个方面的成果：（1）系统建立了的空间自由曲面形态及空间复杂多面体形态的数字化造型与分析设计方法，提出了基于3D扫描的空间网格结构逆向建模方法，实现空间网格自由曲面从实物到数字模型的转化。提出了一种适用于空间自由曲面网格生成的等参线分割法，通过在曲面上提取等参线并以杆件长度相等为条件分割等参线，进而确定每行网格的参数域节点，生成网格。（2）基于随机搜索算法的找形、找力、索力优化控制方法，将张力空间结构的形态分析问题和形态控制问题转化为数学上的组合优化问题，建立相应的约束优化模型，针对该组合优化问题搜索空间大，目标函数有变量之间无显式函数关系的特点，构建改进的随机搜索方法求解，解决了大型复杂张力空间结构的形态分析及形态非线性控制的难题。（3）基于向量式结构力学的空间结构复杂行为分析方法，以向量式结构力学为理论基础，以有限质点法为分析手段，分别从结构的几何破坏、材料破坏、构件断裂，以及接触碰撞四个方面，研究空间结构形态分析中的强非线性和不连续行为。（4）发展与完善了基于双链形连杆机构的空间可展结构分析与设计的基本理论与方法，发展了机构加法这种构造方法，得到了一类新类型机构，系统研究了双链形连杆机构模块组合问题，给出了两类基于DC组合模块的旋转开合结构，提出了一种新颖的带定点运动的圆形及类椭圆形旋转开合结构的设计方法。