節(jié)點(diǎn)是連接桿件、傳遞荷載的重要組件，是大跨空間結(jié)構(gòu)成形的關(guān)鍵，其性能關(guān)乎著結(jié)構(gòu)整體的安全與穩(wěn)定。由于空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能和成本取決于結(jié)構(gòu)材料的有效使用及構(gòu)型的合理設(shè)計(jì)，因此其設(shè)計(jì)工作一直都是大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的重點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究可將空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)發(fā)展歷程概括為三個(gè)階段：基于經(jīng)驗(yàn)的簡單構(gòu)造設(shè)計(jì)、基于經(jīng)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及借助優(yōu)化算法的找形設(shè)計(jì)。早期工程中應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)往往僅依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單的構(gòu)造設(shè)計(jì)，由于結(jié)構(gòu)未經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算分析，出于安全考慮工程師通常會(huì)賦給節(jié)點(diǎn)過量的材料，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成形的節(jié)點(diǎn)構(gòu)型不合理、造價(jià)較高等問題，如板式節(jié)點(diǎn)、焊接實(shí)心球節(jié)點(diǎn)。
隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和力學(xué)理論的完善，通過借助仿真工具計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力性能可在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的材料利用率，從而控制設(shè)計(jì)成形節(jié)點(diǎn)的剛度和經(jīng)濟(jì)成本。數(shù)值模擬計(jì)算為空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式帶來了革命性轉(zhuǎn)變，其與工程師經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合構(gòu)成了現(xiàn)階段節(jié)點(diǎn)普遍采用的基于經(jīng)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，即首先根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始模型，其次利用有限元技術(shù)詳細(xì)計(jì)算初始模型的力學(xué)性能，然后基于數(shù)值模擬分析的計(jì)算結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)初始模型的材料分配和結(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次計(jì)算和調(diào)整的循環(huán)過程才能夠確定節(jié)點(diǎn)的最終設(shè)計(jì)形態(tài)，有必要的還需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)。雖然基于經(jīng)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法在空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作中取得了不錯(cuò)效果，但是其周期長、能耗大，而且設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)模型在工程實(shí)踐中常反映出自重大、幾何形狀優(yōu)化不足以及應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯等問題，如深圳大運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)在網(wǎng)架的肩谷處所采用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)重量達(dá)到了98.6t；青島2014世園會(huì)主題館樹狀柱的兩個(gè)支管連接處和主分管交界處局部應(yīng)力均超過300MPa。因此在保證空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力性能的條件下，具有合理經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)變得愈發(fā)重要。
近些年，國內(nèi)外學(xué)者借助優(yōu)化算法對(duì)空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了先進(jìn)設(shè)計(jì)研究，以尋求受力形式合理及輕質(zhì)的節(jié)點(diǎn)形態(tài)，其中發(fā)展較完善和應(yīng)用較多的當(dāng)屬拓?fù)鋬?yōu)化算法。拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，對(duì)所給設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的材料進(jìn)行合理布置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用 BESO 對(duì)某大跨度頂棚結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的探索。
