结构形态学是研究结构形式的科学,通过对结构外在表现与内部工作机制的探究,力求创建更加丰富多样的结构形体,并实现一种以合理、自然、高效为目标的结构美学。结构形态学研究为空间结构的体系创新和性能优化提供了思想源泉和理论基础,对于促进我国由空间结构大国迈向空间结构强国具有重要意义。形态创建是结构形态学研究的核心内容之一,也是将结构形态学理论进行应用的主要途径,其目的是利用形态学方法生成兼具几何多样性与受力合理性的结构形态。本文首先对结构形态创建研究的关键理论问题进行了探讨,建立了形态创建的基本理论框架,并针对框架中的形态解析与形态优化部分提出了两种新方法,完善了结构创建的基础理论;然后针对四种新型空间结构进行了形态创建研究,不仅拓展了空间结构形式,而且结合具体工程实现了工程创新。本文主要工作内容包括以下几个方面:1)建立了形态创建基本理论框架,提出了多种形态解析和形态优化方法。提出了形态创建基本理论框架包含三个关键步骤:概念建模、形态解析和形态优化。概念建模是指通过学科交叉、学习自然规律、借鉴传统文化等方式将新的理论引入空间结构,建立结构形态雏形;形态解析研究包括结构构形的几何规律和参数化建模,以及结构传力规律和合理性评价;形态优化研究包括优化策略、优化模型和优化算法等。在形态创建研究中,应首先提出概念模型,然后针对概念模型进行形态解析,最后基于解析结果开展形态优化。本文还对上述基本理论框架进行了补充和完善:提出了基于传力路径的受力合理性评价方法,更加直观地揭示了结构内部的传力过程,丰富了形态解析方法;结合直接构形法与渐进优化法的优点,提出了分阶段形态优化法,解决了复杂形态要求下的形态优化问题。2)开展了Voronoi网格结构的形态创建研究。对于来源为几何构形的结构形态,往往具备构形新颖性与多样性,但是其受力方面相对薄弱。对于这类结构,本文选取了Voronoi网格结构开展了形态创建研究。首先,解析了Voronoi网格结构的构形及受力特点,提出了在将Voronoi网格转化为结构网格时的单元平面化修正方法,使其更符合结构受力要求;其次,针对Voronoi网格结构的特点,提出了一种以基点作为优化变量,同时考虑结构受力和网格质量的形态优化方法;最后,对形态优化方法的有效性和适用性进行了研究。这些工作为进一步实现Voronoi网格结构的工程推广提供了技术支撑。3)开展了逆吊型自由曲面结构的形态创建研究与工程应用。逆吊是一种古老的,同时又是非常高效的结构形态创建方法,但是由于逆吊曲面的固有特点,其结构几何构形相对单一。本文首先对逆吊型自由曲面结构进行形态解析,提出了可以通过少量控制点实现对整体曲面形状的描述;然后基于分阶段优化,提出了针对多控制点逆吊曲面形态优化的分步刚化法和模量调整法,解决了复杂造型要求的逆吊结构的形态创建问题;最后,将本文方法应用于2020年哈尔滨斯大林公园丁香花冰酒吧的设计,获得了良好的建筑结构效果。4)开展了互承结构的形态创建研究与工程应用。互承来源于传统文化,将其应用于空间网格结构可以更好地体现建筑美与结构美的交融。本文首先解析了互承结构的构形规律与传力特点,并基于其独特的搭接关系,提出了一种高效的几何构形参数化描述方法;之后,基于分阶段的形态优化,提出了一种可以同时考虑几何搭接和受力性能的形态优化方法;之后,为了进一步改善互承结构受力性能的不足,提出了一种弦支式互承结构新体系,并开展了相应的试验研究,验证了新体系传力的高效性;最后,将本文方法应用于2019年北京世园会黑龙江园互承结构网廊的设计,获得了行业学会奖励。5)开展了全张力体系的形态创建研究与体系创新。全张力体系由连续的受拉构件与不连续的受压构件组成,这种特殊的组成形式使得其结构形态与一般空间结构明显不同,一直是空间结构领域的研究热点。目前的全张力单元扩展方法只适用于单向扩展,使得全张力体系形式受到限制。本文首先深入研究了全张力体系的构形特点,发现全张力体系和互承结构在几何上具有相似性,进而提出利用这一特点实现全张力体系快速建模与双向扩展,丰富了全张力体系的形式;然后,基于分阶段优化,提出了可实现形状和拓扑联合优化的双向扩展全张力体系形态优化方法;最后,对所提形态创建方法的有效性和适用性进行了研究。