结构形态学与新形态空间结构关键问题研究

New-form space structures represent one of the important developing directions of morden space structures, and how to realize the harmonious of elegant form and reasonable performance of structures is the key problem for the design of such structures. Structural mophology which focuses on the relationship of form and force of structures, provides the theoretical basis for the development of new-form space structures. Due to the short developing history and multi-disciplinary characters, the study of structural mophology is still at the exploratory stage. This project will research on some basic theoretical problems of structural mophology firstly, such as the discription of structral configration, evaluation of structural rationality and shape-state optimization, by means of thoretical anlysis, nunerical simulation and experiments, trying to construct the theoretical frame of structral morphology. Based on the former studies, two typical new-form space structures, such as free-form structures and free-topology structures, will be studied systematically. To sovle the problems of 'how to generate a structure which can meet the requirement of beautiful shape and reasonable stress simultaneously' and 'what about the mechanical performance of new-form structures compared with the traditional space structures', several novel form generation methods will be put forward and the mechanical behaviors of new-form structures will be explored. The aim of this study is to establish the design theory of new-form structures systematically, and promote the space structures of China towards a more reasonable and creative way.

新形态空间结构是现代空间结构发展的重要方向之一，而如何实现结构优美形体与合理受力的协调统一则是新形态空间结构设计中需要解决的关键问题。结构形态学作为研究结构形状与其受力性能之间关系的科学，为新形态空间结构的发展提供了理论基础，但由于其发展时间较短且多学科交叉特点明显，目前尚处于探索阶段。本项目首先从结构形态学的若干基础性问题入手，通过对结构构形描述、形态合理性评价和形态优化等问题的探讨，力求构建较为系统的结构形态学理论框架。在此基础上，针对两类典型的新形态空间结构形式- - 自由曲面结构和自由拓扑结构，分别开展相应的结构形态创建方法和结构受力性能研究，解决"如何生成既符合建筑美学要求又兼具受力合理特点的结构"和"新形态空间结构与传统空间结构在受力性能及失效机理上有何差异"等问题。希望通过本研究能够形成较为系统的新形态空间结构设计理论，推动我国空间结构向更加合理和更富创造力的方向发展。

本项目以结构形态学为理论基础、以新形态空间结构为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，探讨了结构形态学中的若干基础性问题，主要研究成果包括以下的四部分内容：.（1）建立了空间结构力流分析与传力效率评价体系。提出了基于改进转移力法的空间薄壳结构力流分析方法和基于等效轴力概念的空间杆系结构力流分析方法，推导了结构传力效率评价指标的计算公式，对空间结构传力效率开展了定量研究，建立了一种结构合理性的系统评价方法。.（2）提出了基于逆吊试验原理的自由曲面结构形态创建方法。建立了基于向量式有限元法和动力松弛法的数值逆吊找形方法，提出了多控制点自由曲面结构形态创建的分布刚化法和动态权重优化法，实现了同时考虑建筑美学要求和结构受力合理性的自由曲面结构形态创建。.（3）建立了基于改进萤火虫算法的空间网格结构拓扑优化方法。提出了一种兼顾寻优效果和收敛速度的改进萤火虫算法，推导了离散变量改进萤火虫算法的迭代公式，提出了基于基结构法的桁架结构拓扑优化方法和基于单元编码的网壳结构拓扑优化方法，利用这两种方法获得了一系列形式新颖、受力高效合理的空间网格结构新形式。.（4）提出了弦支式互承结构这一新形态空间结构体系及其设计理论。提出了循环搭接找形法，解决了互承结构构件局部尺寸与结构整体构形相互制约、形态创建困难的问题。提出了一种基于整体优化的弦支式互承结构形态创建方法，形态创建结果可以大幅提高互承结构力学性能，有效解决了传统互承结构材料利用率不高、结构冗余度偏低的问题。.通过本项目研究推动了空间结构向更加合理和更富创造力的方向发展，结合实际工程应用取得了现象的技术经济效益，完成了既定任务，达到了预期的研究目标。.