近年来,建筑设计以自由复杂的曲面形态为主,给结构设计带来许多挑战。特别是在建筑表皮形态设计中,不同造型和边界形式的曲面表皮越来越多地呈现在世人面前。在此背景下,人们对建筑表皮在建筑职能及智能化方面做了大量考察;而在结构方面,尚且需要一种创构方案,一方面可以方便地表达各种复杂的曲面表皮形态,满足造型要求;另一方面需要考虑结构上的合理化,并能够很好地融合建筑职能上对于表皮形态的要求。基于以上原因,本文按照形态表达、数学建模、力学优化和结果分析的顺序,研究了自由曲面表皮结构在力学上的创构及优化方法。建筑表皮一般具有复杂的几何形态,在曲面的数学描述方面,常体现出多值函数和多种次数的特点。为了方便表示,本文利用了参数B样条理论构造了不同次数的单一自由曲面建筑表皮形态。在此基础上,构造了多种类型B样条曲面间的连续拼接条件,包括边界条件处理、参数域重合处理、孔洞处理和变次数处理等手段,进一步创建了以曲面拼接为载体的初始自由曲面表皮形态的生成方法,能够满足建筑实践中可能存在的多种表皮形态需求。将表皮形态赋予一定的力学模型信息后,本文建立了以表皮结构上关键点坐标为设计变量,表皮结构的应变能为目标函数的数学模型,计算了初始表皮结构的应变能及应变能敏感度。针对节点调整一阶方法存在的收敛速度慢的特点,本文利用了节点调整二阶方法对表皮结构进行形态优化;与此同时,本文提出了黄金分割法和步长定比例缩减相结合的步长选择方案,弥补了以往以经验确定步长的缺陷,提高了优化效率。并通过多个算例检验了方法的可靠性,总结了方法的特点与利用该方法所得到的结构的力学特性。另外,本文研究了方法在使用上的策略。给出了连续拼接的曲面在建筑表皮描述中的选择策略、节点变量选择策略和力学优化与建筑功能协调的策略,以便方法在实际工程中更好地应用。此外,本文还对优化前后的表皮结构进行了极限承载力分析,并通过分析非线性条件下结构的荷载——位移曲线,进一步探讨了初始缺陷对结构极限承载力的影响。结果表明,优化过程中,表结构的极限承载力逐步提高,且最终得到的结构对初始缺陷不敏感,使结构获得良好的稳定性。