①新型多面体空间刚架结构几何构成数学模型及嵌模式建模技术。结合水立方实际工程，建立新型多面体空间刚架结构几何构成数学模型，在此基础上提出数学解析的嵌填式建模技术，编制专门计算程序，实现水立方多面体空间刚架结构快速建模。采用Microstation作图软件，熟练人员建模需时7天，且存在累积误差。现微机8分钟即可完成水立方多面体刚架整体结构的整体建模，无累积误差，精度达16位有效数字，为水立方结构设计深化和施工提供重要技术支持。

②多面体刚架结构延性设计方法。提出采用“强墙弱盖”不同应力水平设计理念，改进多面体空间刚架结构构成：屋盖下弦贯通内墙、130米大跨屋盖支座高应力区局部“杂交”构成汇交力系，提高结构抗震、抗倒塌性能。

③水立方上部多面体空间钢结构与下部钢筋混凝土结构整体总装分析技术。建立上部大跨度钢结构与下部混凝土结构总装分析方法，提出包络下部混凝土结构刚度退化、模拟上部钢结构连接节点刚度及考虑两种材料阻尼比差异影响的计算分析方法，有利于较好揭示结构在重力、风、地震、温度变化作用下的效应，保证结构安全可靠经济合理，被国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）所采纳，克服了以往上下部结构单独分析的重大缺陷。上下部结构单独分析不能反映实际地震作用对上部结构放大效应及上部结构对整体结构刚度贡献，不能揭示各种荷载作用下上下部结构共同工作的本质。

④弯矩轴力作用下焊接空心球节点设计方法。针对水立方多面体空间刚架杆件受弯为主的特点，通过理论分析及试验研究，揭示圆钢管、方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的受力性能和破坏机理，建立焊接空心球节点弯矩轴力作用下承载力设计方法，填补了已有国内外空间结构设计规程只适用于钢管汇交节点新型贴板加强技术。提出“适度加强”理念，改进美国FEMA355D贴板加强技术：贴板减薄减小，并将贴板与节点的连接由熔透焊改为角焊，提出以被加强钢管熔透焊缝应力为控制标准，确定贴板厚度及尺寸的设计方法。18个贴板加强节点的低周反复加载试验和子结构模型往复水平加载试验表明，该方法不仅可同样提高节点延性5倍~6倍，同时可有效减缓熔透焊过多过密的应力集中，减小对钢管母材的不利影响，还可节省贴板钢材和焊接工作量50%以上，具有明显的经济性。