空间结构理论研究 30年进展纪实

作者：               来源：                时间：2014.03.04

       近30年来我国在空间结构理论研究方面取得了巨大进展，与空间结构的总体发展基本同步。中国的空间结构技术在近30年里取得了飞速发展。这一发展过程有两个显著特点：一是结构形式的不断创新，二是理论研究的同步开展，后者为这一新颖结构领域的发展提供了及时而有力的支持。
　　30年前，我国关于空间结构的研究基本上限于平板网架结构一种形式。自20世纪80年代初期起，随着各种悬索结构和网壳结构的应用增多，理论研究也相应地逐渐拓宽范围。当时，研究者把主要精力放在这些新颖结构形式的基本受力性能及其分析方法上，以满足设计的基本需要为主要目标。形式多样的悬索结构尤其引起大家的研究兴趣，当时偏重于针对不同悬索体系的解析方法的研究；对各种悬索体系解析计算方法作了较完整的归纳，所提出的解析公式并不复杂，可进行手算，或编制小程序进行机算，用起来均无困难。对网架、网壳等空间网格结构，早期的理论工作偏重于以连续化理论为基础的各种解析方法的研究，例如平板网架的“拟板解法”，网壳结构的“拟壳解法”等。随着计算机的普及，空间结构有限元分析方法和相应的CAD软件迅速发展；80年代中期起，多数空间结构的设计依赖计算机完成。事实上，对于由成千杆件和节点组成的大型复杂空间体系，没有计算机软件的帮助是很难精确计算的。但应指出，对某些形式的悬索体系来说，简便的解析方法仍然有实用价值。
　　我国空间结构的理论研究是在大量试验工作的配合下进行的。除了专题性的试验研究外，在80年代乃至90年代中期，对建造的几乎每一个大型空间结构都进行了模型试验或现场实测。所积累的大量试验资料，与系统的理论研究成果一起，使相关人员对各种新颖空间结构的受力性能有了较深入的了解，为我国这一阶段空间结构的发展提供了必要的理论储备。
　　在上述基本研究的基础上，空间结构的一些关键理论问题逐渐吸引研究者的注意，形成一个又一个研究热点。这些问题包括：网壳结构(尤其是单层网壳结构)的静力稳定性问题，索膜等柔性体系的初始形态分析问题，网壳结构的抗震性能及动力稳定性问题，大跨度屋盖的风荷载及空间结构的风振响应和抗风设计问题等。早先，在这些问题没有很好解决以前，虽然也设计、建造了许多空间结构，但在遇到这些难度较大的理论性问题时，通常只能采取一些比较粗糙的处理方法，或通过试验方法来解决。这类试验一般很难做，而且其精确性值得探讨。所以，这些关键理论问题的深入研究和解决，会对突破常规的创造性设计活动提供有力的理论支持，为空间结构向规模更大、形式更新、技术水平更高的方向发展起到推动作用。
　　十余年来，对新颖空间结构形式的探讨空前活跃。这里面既包括对国外已有应用的新结构体系的研究和改进，也包括自己提出的创新结构形式的开发。经常见诸文献的有各种形式的张弦结构、弦支网壳结构、各种形式的自由曲面和自由拓扑结构等。在研究这些新颖空间结构的体系和构造的同时，开展了大量关于这些体系的受力性能和设计计算方法的深入研究，不断拓展空间结构理论研究领域的深度和广度。此外，一些新的理论课题也受到研究者的关注，如网壳结构的抗爆抗冲击性能、半刚性节点网壳的稳定性能等。结构形态学是一个古老的课题，近年来与数值分析方法和各种优化算法相结合，也逐渐成为一个研究热点。
　　通过30年来的努力，我国在空间结构理论研究领域里确实取得了很大成绩，可以认为其总体水平已经进入国际先进行列。在这一过程中，也锻炼培养了一支比较精练的理论研究队伍。今天我们可以有信心地说，我国空间结构下一步向更高层次的发展在理论方面是做好必要准备的。

　　网壳结构稳定性
　　稳定性是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题。自20世纪80年代起乃至90年代中期，网壳稳定性的研究曾成为理论研究的热点。开始时仍然偏重于以连续化理论为基础的“拟壳”解法，通过某些近似的非线性解析方法来求出壳体结构的稳定性承载力。但这种方法有其局限性，事实上仅对少数特定形式的壳体(例如球面壳)才能得出较实用的公式；此外，所讨论的壳体一般是等厚度和各向同性的，无法反映实际网壳的不均匀构造和各向异性的特点。因此，在许多重要场合，还必须依靠细致的模型试验来测定稳定性承载力，并与可能的计算结果来相互印证。
　　随着计算机的广泛应用，非线性有限元分析方法逐渐成为结构稳定性分析的有力工具。我国自20世纪80年代后期开始也积极开展这方面的研究，以跟踪网壳结构的荷载-位移全过程的方法来研究其稳定性。早期，由于缺乏适用的非线性有限元通用软件，我国的研究者都自行编制分析程序；有理论研究成果均通过经典算例如有关试验得到了验证。当时，作者及其团队还对实际尺寸网壳结构的弹性稳定性能进行了大规模的参数分析，即针对不同类型的网壳结构，考虑不同的几何参数和支承条件，不同的荷载分布方式和不同大小的初始几何缺陷(节点位置偏差)，在所有这些参数的常用变化范围内，共对2800余例各种形式的实际尺寸网壳进行了弹性全过程分析，对各式网壳结构的弹性失稳过程及各种因素的影响有了规律性的了解，并在此基础上通过回归分析提出了各式网壳结构弹性稳定性承载力的实用计算公式。由于有了这一研究基础，我国于20世纪90年代后期着手编制的JGJ61-2003《网壳结构技术规程》列入了建议按弹性全过程分析进行稳定性验算的条文，也给出了如上所述各种形式网壳结构稳定性承载力的实用公式供参考。
　　对于由全过程分析求得的稳定性极限承载力(临界荷载)，还应除以一个“安全系数”，以求得网壳按稳定性确定的容许承载力(或容许荷载)。关于这一系数的取值，网壳规程JGJ61-2003仍沿用有关文献提出的经验值K=5，主要原因就是当时还没有条件进行大规模的关于网壳弹塑性稳定性能的系统分析，因而对考虑材料非线性以后网壳结构的极限承载力可能折减多少缺乏足够的定量数据。
　　近十余年来，随着计算机硬件和大型通用分析软件的进一步完备，具备了对实际尺寸网壳结构进行系统的弹塑性全过程分析的条件。作者及其团队利用ANSYS通用软件对各种形式单层网壳的弹塑性稳定性又进行了大规模的参数分析，共计完成5000余例弹塑性全过程分析；同时，还进行了同样多的弹性全过程分析作为对比。同时，还进行了同样多的弹性全过程分析作为对比。虽然计算工作量十分浩大，但确实对网壳结构复杂的全过程受力性能、其失稳的实际过程和各种因此的相互影响，有了较全面的了解。在这一研究工作基础上，2010年颁发的新的JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》中列入直接采用弹塑性全过程分析方法来确定网壳极限承载力的条文。
　　应该说，迄今关于网壳稳定性的研究是相当全面和深入的，也对实际设计起到了很好的指导作用。在此基础上，少数研究者还继续进行了一些更为深入细致的理论探索。例如，有文献系统研究了杆件初弯曲对网壳稳定性的影响，共计进行了近3000例不同参数网壳的全过程分析；在此基础上深入探讨了杆件屈曲与网壳整体失稳的耦合机理，对网壳失稳过程的不同特点(即荷载-位移全过程曲线的不同形态)做出了合理解释，使我们对网壳失稳的实际物理过程有了更透彻的理解。在定量方面，与节点位置偏差(即网壳形状偏差)这种基本的初始几何缺陷相比，杆件初弯曲对网壳极限承载力的影响相对较小。在实际设计中，如果把这一因素也纳入到全过程分析，计算量很大，不一定必要；JGJ7-2010建议的安全系数中所包含的调整系数足以涵盖这一影响。 

　　网壳结构动力性能及其在强震下的失效机理
　　国内外关于结构抗震的研究大多针对多层、高层和高耸结构，有关抗震设计方法和规定也基本反映了这方面的研究成果。但网壳结构的动力性能与上述结构相比具有明显不同特点，例如其频谱分布密集，各振型间耦合作用明显，常用的以振型分解为基础的分析方法受到局限；竖向地震作用与水平地震作用处在同一个量级，多维地震响应分析不可回避；对于超大跨度的网壳结构，还必须考虑地震的空间相关性、即多点输入问题；强震作用下，这类大跨空间结构不仅会发生强度破坏，还可能存在动力失稳问题等。这些特点都要求我们对网壳结构的抗震性能开展更具针对性的研究，系统掌握其响应特征及失效规律，在此基础上为这类结构建立起合理的抗震设计方法。
　　30年来，研究人员在网壳结构抗震研究领域已经取得了许多重要成果。早期的研究多集中在揭示网壳结构的动力特性和分析方法上。例如，对不同类型网壳结构的动力特性进行分析，揭示了各种形式网壳的振型特点、频谱特征以及弹性动力响应规律。在分析方法方面，提出了一种新的随机响应分析方法——虚拟激励法，自动包含了所有参振振型间以及激励间的相关性，相当于一种精确、快速的CQC方法。进一步发展了这一方法，推导出结构在多维、多点、非平稳地震激励下虚拟激励法的计算公式，并对多种网壳结构进行了随机地震响应分析。
　　随机振动方法虽然比振型分解反应谱法更精确，但同样不能考虑材料非线性的影响，更不能揭示结构在强震作用下的损伤过程；于是一些学者更倾向于采用时程分析法进行地震响分析。从理论研究的角度，时程分析法直接给出网壳结构在地震作用下的各种响应，并能充分考虑塑性变形及内力重分布等效应。早期研究人员还需自行编写时程分析程序，煞费心力。进入21世纪后，一些大型通用有限元软件进一步完备，通过针对性的二次开发，国内学者利用这些软件对各种形式网壳的抗振性能开展了较为系统的研究，基本掌握了这类在多遇地震下的响应特性，并提出了可行的抗震设计方法，成果已纳入我国《网壳结构技术规程》，可为实际设计提供指导。
　　与此同时，研究者也开始关注某些更具基础性质的理论问题，例如网壳结构的动力稳定性及其在强震下的失效机理问题、地震动及地震响应方面的某些复杂效应等；这些基本问题的解决对于建立起更完整、更合理的空间结构抗震设计理论和方法具有重要意义。结构的动力失稳从普遍意义上讲是系统的运动稳定性问题，这是一个经典的力学命题。早期的研究大多是从俄国数学家李亚普诺夫(Lyapunov)关于运动稳定性的一般定义及其判别准则出发，提出不同的判别结构动力失稳的理论方法。例如通过对李亚普诺夫函数进行推导，提出了通过结构刚度矩阵的性质来判别网壳是否失稳的方法，具有重要的理论意义；但由于实际网壳结构动力响应的复杂性，刚度矩阵的性质并非判别动力失稳的充分条件，这种方法还不能很好地解决实际问题。有文献显示采用全荷载域的动力时程分析方法，明确提出了基于位移响应的网壳结构动力稳定性判别准则；利用该方法对网壳结构在地震作用、简谐荷载以及突加阶跃荷载下的动力稳定性进行了系统考察。
　　动力稳定性研究的是结构在动力作用下的宏观表现，具体地说，它重点考察结构位移响应随动力荷载幅值增大而发展变化的情况。在这一理论框架中，网壳结构在动力荷载作用下达到某种宏观极限状态，例如产生异常大的振稳、过大的整体偏移、甚或倒塌，均称之为动力失稳。然而，如果从更精细的层面来考察，网壳结构发生这种动力失稳现象是由多种因素综合促成的，包括体系的几何非线性性质、材料塑性的发展、可能的共振效应等；而在针对不同研究对象的不同算例中，哪种因素起主导作用各不相同。鉴于此，从深入研究结构失效机理的角度，有文献明确提出考察多种响应的全荷载域动力时程分析方法，并借助通用有限元软件强大的分析能力，详细研究了单层网壳在强震作用下的实际失效过程；指出在一些算例中，网壳结构在倒塌前塑性发展已经相当深入，有些构件的损伤已很严重，材料非线性对结构刚度的影响十分显著；这些算例中网壳结构的失效模式实质上更应归结为动力强度破坏。在此基础上，对各种形式网壳的失效机理进行了更为系统、深入的研究；明确区分了动力失稳和动力强度破坏两种不同的失效模式；为了建立动力强度破坏的判别准则，提出了结构损伤模型的概念(它是多种宏观、微观响应的函数，用以综合评价结构的损伤程度)，并根据大规模算例的分析结果为不同形式的网壳建立了各自的结构损伤模型，据此可判定强度破坏这一失效模式，并给出相应的极限荷载。以上成果构成了较为完整的研究网壳结构强震失效机理的理论框架。
　　以该理论框架为基础，进一步开展了一些复杂效应的研究。由于网壳结构材料在临倒塌时可能已经历严重的塑性发展与累积过程，着重对圆钢管钢材的损伤累积模型进行研究，通过试验拟合提出了材料考虑损伤累积效应的本构方程，并据此对网壳结构进行了系统的精细化动力分析，研究其失效机理；结果表明，在动力分析中若考虑材料损伤累积效应，网壳结构的极限承载力最多可能降低20%。关于地震动的空间相关性问题，从研究失效机理的角度出发，首先拟合了一个适用于三维输入、小支座距离的地震动相干函数模型；并对单层球面网壳进行了考虑地震空间相关性的全荷载域动力时程分析；结果表明该效应对结构承载能力的影响也相当明显。还有研究网壳结构与下部支承结构的耦合作用，详细研究了不同材料、不同刚度的下部支承结构对网壳结构强震失效机理的影响。

　　大跨空间结构抗风设计理论研究
　　现代结构抗风设计理论是在20世纪六七十年代由Davenport、Simiu、Scanlan等一批结构的作用(即风荷载特性)，结构在风荷载作用下的响应和等效静风荷载理论。经过各国学者近半个世纪的努力，目前已较好解决高层、高耸结构和桥梁结构的抗风设计问题。相比之下，大跨空间结构的抗风研究起步较晚，所面临的问题也更为复杂。
　　大跨屋盖风荷载特性研究——高层结构表面的风压基本上是由来流特性控制的，即满足拟定常假设，因此根据风速谱并通过气动导纳修正，即可直接得到建筑表面各点的压力谱。大跨屋盖结构形体多样，绕流特性复杂，风荷载的非定常与非高斯特性明显，屋盖表面大多处于气流的分离和再附区域，由结构自身引起的特征湍流对风荷载起主要控制作用。近年来国内学者结合特征湍流的作用机理对大跨屋盖风荷载性进行了系统的研究，针对典型屋盖形式(球面、柱面、平屋盖、悬挑屋盖和鞍形屋盖等)进行了共计110余种工况的风洞试验。研究者或对湍流的结构(如柱状涡或锥状涡)及流动特性展开研究，或通过风压时程的统计信息来反映其特性，从多角度、采用多种研究手段来探寻特征湍流的内在机理，在此基础上建立普适的风荷载模型。这样建立起来的模型既具有数理统计基础，又具有一定的物理概念。
　　大跨屋盖形体多样，荷载规范不可能提供全面且可靠的风荷载体型系数信息，建立风荷载数据库系统为解决该问题提供了一个很好的思路。当所设计结构与数据库内已存储建筑几何相似时，即可调出相应的风荷载信息进行抗风设计；随着数据库内信息量的增加并结合人工智能技术，还可以实现对几何相近结构的风压预测。在这方面，国内外都进行了一些探索。国外建筑风荷载数据库主要针对低矮房屋与高层建筑，我国在这方面的研究相对滞后，仅开发了一些针对高层建筑的专家系统。孙瑛等近年来针对大跨屋盖建立了风荷载数据库系统，根据风洞试验获得的信息，结合特征湍流机理，提供了相地普适的风荷载模型，包括7种典型屋盖、30余项工程风荷载数据，供结构设计得参考。目前已经以网页的形式向国内外用户开放(http：//wlds.hit.edu.cn)。从长远来看，将风荷载数据库技术与网络技术相结合，不失为一种实现资源共享和成果高度集成的有效途径。这方面的工作还在持续进行中。
　　大跨空间结构风振响应研究——结构风振响应一般认为是平稳激励下的随机振动过程，可以采用基于随机振动理论的时域或频域方法求解。大跨空间结构根据其动力特性可分为以网架、网壳为代表的刚性结构和以索、膜结构为代表的柔性结构。结合这两类结构的风振响应特点，学者们提出了一系列有针对性的风振响应分析方法。
　　刚性结构的风振响应一般是线弹性的，可以采用基于振型叠加原理的随机振动方法求解；但由于空间结构振型分布密集，常有多阶振型参与振动，且存在高阶振型主导的可能，因而如何考虑高阶振型的影响以及如何估算各振型间的耦合效应，是风振分析中的关键问题。针对高阶振型问题，有文献提出通过“模态补偿”来修正高阶振型载断引起的误差；另有文献则提出通过某种判定准则，筛选出对风振响应贡献较大的主导振型，从而实现仅利用少量振型进行组合计算并保证计算精度的目标。针对振型耦合问题，在风振响应分析中引入了更为精确的CQC法或“虚拟激励法”；则通过对结构风振响应机理的深入分析，结构大量算例，给出了振型耦合相关系数的计算方法。
　　柔性结构的风振响应不仅几何非线性特征明显，而且由于结构位移较大，甚至会反过来影响到周围流场的分布，产生所谓的“流固耦合效应”。针对几何非线性问题，目前主要彩适用性更强的时程分析方法来解决。针对风与结构的动力耦合问题，学者们提出了3种研究思路：1)基于传统势流理论的解析方法，即将壳体的无矩理论和流体力学的势流理论相结合，建立结构与流场的耦合作用方程，进而解得关于某些特征参数的解析表达式；由于这种方法引入大量假定，其结果仅具有定性参考价值；2)气弹模型风洞试验法，探究在不同来流条件和结构特性下的结构响应规律；这种方法可以更加真实地反映风与结构的动力耦合特性，但由于对试验技术要求较高，目前开展还较为有限；3)基于CFD技术的数值模拟方法，通过对流体计算模块和结构分析模块进行同步交替求解，可以得到较为完整的流场变化及结构响应信息；但由于其计算量极大，且涉及到复杂的湍流模拟问题，这一方法目前尚在不断探索改进中。还提出了一种简化数值模拟方法，即将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分，针对相应的三种耦合过程的不同性质彩用不同的求解方法，从而使计算过程得到简化；应用这一简化数值模拟方法对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行分析，给出了流固耦合效应系数的建议取值。
　　大跨空间结构的等效静风荷载研究——等效静风荷载是脉动风极值动力效应的一种静力等效表达形式，供实际设计使用。与高层、高耸结构相比，大跨屋盖结构具有多振型参与的特点，结构各部位的极值响应并不同时出现，即针对不同响应(也称为等效目标)存在不同的等效静风荷载形式，给工程设计带来不便。如何以尽可能少的等效静风荷载形式实现尽可能多的目标等效(即多目标等效问题)，成为大跨空间结构等效静风荷载形式中的重要问题。
　　近年来，国内学者对这一问题开展了一系列研究。基本思路有两种：一种是通过对特定结构风振响应的大规模参数分析，经统计处理后提出响应风振系数的建议；此种方法操作简便，易于为工程设计人员接受；缺点是没有反映大跨空间结构风振响应的特理本质，也无法满足多目标等效的要求。第二种研究思路是从机理上探讨大跨空间结构等效静风荷载的合理表达形式。例如，有文献提出结合背景响应和共振响应的特点分别以不同的、更有针对性的等效方法这样一种精细化求解思路；通过在多目标等效方程组的基础上，构造附加约束方程或结合最小二乘法，获得用少量风荷载模式表达的多目标等效风荷载。
　　综上所述，近30年来，我国学者在大跨空间结构搞风设计理论研究方面开展了卓有成效的工作，获得国际同行的认可，并且为众多的体育场馆、会展中心和交通枢纽建设提供了有力支持。今后还应以不同研究手段(包括现场实测、风洞实验、理论分析、数值模拟等)的相互校验，强/台风等极端天气作用下的结构风臻动力灾变过程及机理(包括围护结构的连续性破坏等)，以及基于可告度的结构抗风设计理论等方面，继续开展深入研究。

　　理论研究若干新方向
　　空间结构抗爆抗冲击研究——在国际恐怖主义威胁背景下，建筑结构尤其是用于大型公共建筑的大跨空间结构的抗爆抗冲击研究逐渐引起国内外学者的关注。
　　近年来，随着有限元技术的发展，诸如ANSYS/LS-DYNA、AUTODYN等数值分析软件的分析能力和可信度越来越高，国内学者大多采数值分析的方法并辅以少量试验进行这类研究。对一单层球面网壳在顶点竖向低速冲击荷载下的动力响应进行了数值分析和试验研究。根据不同冲击物质量及速度的作用，定义了网壳结构的多种冲击破坏模式，并分别讲述冲击能量在系统内部的传递规律，揭示了网壳结构的冲击失效机理。在爆炸荷载方面，研究了内爆(室内爆炸)冲击波在各种曲面结构中的传播规律，并将屋盖上遭受的爆炸冲击作用简化为三角脉冲荷载。据此提出实用的超压场数学模型，可为大跨屋盖的爆炸荷载取值提供参考。此外采用精细的流固耦合分析方法，研究了网壳结构在内、外爆炸距离等荷载参数对结构的影响规律。国内学者还对网壳结构在爆炸/冲击荷载作用下的风险评估和防御措施进行探讨。但总体来看，大跨空间结构的抗爆/抗冲击研究还处于起步阶段，在新型吸能材料/构件、结构响应及换效机理、抗瀑防御理论等方向的研究还在持续深入。
　　半刚性节点网壳的研究——半刚性借点指的就是装配式节点，通常采用单根或多跟螺栓与构建连接。装配式网壳施工速度快、定位精度高，符合建筑工业化的要求。但由于对这类节点的刚度研究不够，使其应用受到了限制。例如，国内常用的装配式节点是螺栓节点，但我国空间网格结构规程不容许将这种节点用于单壳网壳。因而，对各种装配式节点的刚度进行研究，挖掘其潜力，拓宽装配式网壳的应用范围，并进而开发具有更加性能的装配式节点，近年来引起了研究者的关注。针对国内常用的螺栓球节点在纯弯和压弯作用下的弯矩-转角曲线，并揭示了轴压力对节点初始转动刚度及极限弯矩的影响规律。在此基础上对具有不同几何参数的单层球面网壳和椭圆抛物面网壳展开了系统的稳定性能。以上述理论成果为依据，为沈阳市某市民健身中心设计建造了一个80米跨度的螺栓球节点短程线型单层球面网壳，效果很好。
　　目前装配式网壳结构多采用圆钢管杆件和螺栓球节点，然而对于单层网壳结构而言，采用矩形钢管或工字钢构件是一种更好的选择。这类结构国内外虽有少量应用，但没有标准化的节点设计。上述研究者配合矩形是通过上下两跟螺栓将杆件与节点相连，分析证明它们的刚度和极限弯矩明显优于传统螺栓球节点，对推广应用高效的装配式单层网壳具有重要意义。这一研发工作还在继续进行中。
　　空间结构形态学研究——空间结构形式丰富多彩，往往凭借合理形体来实现结构的高效率，因而结构形态学的研究对空间结构体系创新具有重要意义，尤其是各种张力结构需要通过施加预应力获得稳定形状。因此通过调整边界条件和预张力，寻求符合建筑功能及美学要求且受力合理的初始形状，是张力结构设计中首先解决的问题。近年来，由于计算技术的进步，张力结构的初始形态分析方法日趋成熟，各种形状的索-膜结构、张弦结构、弦支网壳结构等新颖结构形式得到广泛应用。结构体系创新与结构形态学的研究相互促进，形成很好的发展势头。 空间结构的传统造型多为球面、柱面、鞍面等规则曲面及其组合。近年来，随着计算技术的发展，自由曲面结构以其丰富的建筑表现力，日益受到建筑师的青睐。结构如何实现曲面多样性与受力合理性的有机结合，即所谓的“形态创建”问题，是自由曲面结构设计中的首要问题。学者们提出了一些基于优化思想的形态创建方法，它们的基本思路是将自由曲面的几何建模技术与结构优化算法结合，以曲面形状参数作为优化变量，以结构的合理受力{如应变能最小等}作为优化目标，采用适当的优化算法，可获得一系列符合要求的、可供建筑师选择的自由曲面形态。
　　近年来，与自由曲面结构类似，自由拓扑结构也日益受到建筑师们的关注。拓扑（topology）可以描述物体内部各组成部分之间的相对关系。对于杆系结构，拓扑可以理解为网络的构成方式；对于开洞连续体，则指各部分之间的连通关系。自由拓扑结构是指其构件布置或开洞情况明显不同于传统的规则方式。提出了一种连续型自由拓扑结构的形态创建方法，根据结构相关力学特性(如应变能、von Mises应力等)的计算结果，通过等值线分析来评价各结构单元承受荷载的效率，并据此进行单元“保留、淘汰、补充”等操作，使结构是一种特殊的拓扑形式，对这种结构提出了针对性的拓扑优化算法。
　　结构形态学涉及的领域比较广泛，迄今未形成明确的理论体系。作者在相关文献中试图为结构形态学拟定一个较为明确的定义，大致定结构形态的研究目标和内涵，以此为出发点可以有针对性地开展较为系统的研究，并逐步形成其理论体系。总体来看，我国对结构形态学的研究方兴未艾，前景辉煌。创新驱动发展，结构体系的创新是空间结构持续发展的源泉。结构形态学为结构体系创新提供思想和理论基础，同时在结构创新实践中不断丰富，二者相互促进、相辅相成。