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。自由曲面是新形态空间结构的一种典型形式，因其具有良好的视觉冲击力并能体现建筑美的多样性，是当前结构形态学领域的研究热点。如何在曲面生成过程中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。自由曲面结构的形态创建方法可大致分为基于模型实验的形态创建方法和基于优化分析的形态创建方法两类。前者在结构形态学发展初期发挥了重要作用，而近年来随着计算机技术的发展，后一类方法受到了更多重视。尽管如此，由于以逆吊实验法为代表的模型实验方法具有概念清晰、形象直观的特点，因此仍不失为是一种探索结构形态学的重要手段。为了解决模型试验方法中普遍存在的实验相似律和测试精度等问题，本文提出利用数值模拟来实现逆吊实验过程的研究思路，这样做的好处是拓宽了逆吊实验法的适用范围，有利于不同方案的比较。考虑上述研究背景，本课题主要开展了如下研究工作：（1）数值逆吊实验法的提出采用非线性有限元法模拟逆吊实验过程，获得具有零弯矩或小弯矩特征的曲面结构形状，并通过引入二分法实现了逆吊形状的精确控制；在此基础上，同时进行截面调整与数值找形，实现了以应力分布均匀为目标的自由曲面结构形态创建；完成一系列逆吊模型实验，利用模型3D扫描技术将实验模型与数值创建结果进行对比，验证了本文方法的准确性。（2）基于数值逆吊实验法的结构形态多样性研究逆吊实验法的原理相对简单，但如何利用简单的原理获得较为丰富的建筑造型是数值逆吊实验法需要解决的关键问题。本文通过改变边界条件、材料属性、荷载分布等参数，探讨了结构在逆吊状态下的形态多样性问题，建立了考虑多样性的结构形态调控方法；通过模型试验和对实际工程案例的模拟，验证了形态调控方法的有效性。（3）逆吊结构力学性能与工程应用研究通过对逆吊结构与传统结构的几何形状，静、动力性能等进行对比研究，探讨了逆吊结构的受力合理性；以圆形平面薄壳结构为例，探讨了普通逆吊结构、加肋逆吊结构和开洞逆吊结构的受力特点；采用前述数值创建方法并考虑逆吊结构的力学性能，设计了某拟建速滑馆的结构方案。