随着计算机辅助设计技术尤其是计算机图形学以及建筑建造工艺的快速发展,自由曲面空间网格结构已然成为当今空间结构发展的主要趋势。但自由曲面空间网格结构由于其形式的自由多变,如何合理的确定其建筑形态和曲面网格仍是当前空间结构领域研究的热点与难点之一。本文以自由曲面单层空间网格结构为研究对象,对此展开了系统的研究。首先,从曲面形态入手,提出了考虑结构缺陷敏感性和节点刚度影响的形态优化方法;其次,针对自由曲面的网格生成问题,考虑网格的均匀性、规则性、流畅性、网格走向以及结构性能等因素,研究并提出了一系列适用于自由曲面空间结构的网格生成及调控方法,以期为工程设计和建造提供有益参考。主要内容如下:（1）针对单层空间网格结构整体稳定对初始几何缺陷较为敏感的特点,提出了考虑缺陷敏感性的自由曲面单层空间网格结构形态优化方法。该方法以结构弯曲应变能比例为约束条件,通过调节结构内部弯曲应变能和总应变能的比例关系,降低优化后结构对初始几何缺陷的敏感性,从而得到在考虑初始几何缺陷后仍具有较高承载力的结构形态。此外,还对优化后结构进行了冗余特性评价。（2）在自由曲面单层空间网格结构的形态优化中考虑节点半刚性,探讨了节点刚度对自由曲面单层空间网格结构形态优化的影响。对优化后的刚性节点网格结构和半刚性节点的网格结构的力学性能进行了对比分析,并对其进行了缺陷敏感性评价。（3）为提高三角形网格的均匀性,以结构杆件为运动基本单元,提出了杆件自适应法。该方法可克服映射畸变误差,得到均匀程度较高的曲面三角形网格。基于杆件自适应法,考虑网格生成过程中固定点、固定边、网格尺寸、曲面曲率以及奇异点数量和位置等因素影响,完成了网格生成的多目标调控,丰富了网格形式,为建筑师提供了更多选择。（4）为更好地适应复杂曲面,基于物理学中库仑定律,开发了一种具有普适性的自由曲面网格划分算法——粒子自动配置算法。该方法将网格中节点比作电场中的带电粒子,利用电荷间的相互作用实现粒子的自我组织,完成曲面网格划分,可有效避免映射误差,得到高品质的网格拓扑,适用于任意曲面的网格划分。（5）为更好地表达建筑意蕴,综合考虑线条流畅性、网格规则性和网格走向提出了一种适用于自由曲面的基于初始点和导线的渐进网格生成方法,实现了对网格大小与走向的调控,可得到具有较高网格品质且线条流畅的建筑网格。（6）为得到在既定建筑曲面约束下具有较优力学性能的网格拓扑,提出了三种解决方案。首先,以应变能为目标,不改变网格拓扑,仅改变节点位置进行网格优化,并进行光顺性处理。其次,改进粒子自动配置法,根据杆件轴力大小调节粒子所带电量,保持网格拓扑不变对网格密度进行调整,得到疏密有致受力合理的网格布置。最后,基于结构主应力轨迹线,结合曲面映射原理和拟弹簧法提出了一种适用于自由曲面的网格生成方法,可得到样式丰富且具有较优力学性能的网格拓扑。（7）此外,为确定自由曲面单层空间网格结构中矩形截面型材的合理强轴方向,对其进行了几何绕率优化,并开发了由几何线模型转换成结构有限元模型的程序接口,为自由曲面单层空间网格结构参数化设计提供了技术支持。