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[摘要]全国组织干部学院E区屋面穹顶钢结构及玻璃幕墙、悬索预应力钢结构层施工，充分运用虚拟仿真施工技术，优化施工方案，进行空间张弦结构施工仿真计算，在确保工程结构施工和使用安全的同时，圆满解决了工期紧张的难题，节能环保，节约施工成本，创造了良好的经济和社会效益。
[关键词] 虚拟；仿真；穹顶；悬索预应力；玻璃幕墙
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
（一）工程概况
全国组织干部学院E区结构设计复杂，采用型钢混凝土框架-剪力墙混合结构、钢桁架结构、预应力悬索钢结构和穹顶钢结构等多种结构形式。
1屋面穹顶钢结构采用全隐框玻璃幕墙，共约3000 m2，幕墙玻璃采用8+1.52PVB+8mm和10+1.52PVB+10mm两种钢化夹胶玻璃，穹顶最顶部水平位置采用10+1.52PVB+10mm玻璃，共计32块；开启扇玻璃共3排，即第8排、第9排和最底部1排，共计144块；其它玻璃共计476块，合计穹顶夹胶玻璃为652块，每块玻璃面积约4.0m2至5.3 m2不等，玻璃自重约250㎏/块。
2 屋面穹顶高42.3m，施工中设计图纸变更，在E区钢桁架层与屋面穹顶之间增加一层悬索预应力钢结构层，即多功能厅（二层）上增加屋面花园平台（五层）。
悬索预应力钢结构平台（图4中红色虚线部分）整体形状为圆环形，由24榀钢桁架以15°角度成放射状均匀布置，圆环直径28.90m，内圆环镂空，直径7.30m，桁架高1.80m，上下弦为焊接H型钢，中间为三根无缝钢管与之焊接相连，每榀重量为6.1t，长10.7m。结构的下层由环向拉索和径向拉索组成，构成稳定的空间结构受力体系。
3、E区屋面造型独特，穹顶钢结构及玻璃幕墙、悬索预应力钢结构层施工复杂，需利用虚拟仿真施工技术，对其施工及各阶段受力情况、安装精度、构件尺寸等进行详细的分析研究，并优化设计、施工方案，以达到最好的工程效果。
3.1 为达到屋面穹顶完美的半球体效果，利用仿真技术，通过建立三维模型，确定玻璃幕墙空间分格尺寸，逐一确定每块玻璃的具体加工、安装尺寸；
3.2 施工前，为确保悬索预应力钢结构质量安全可靠，对空间张弦结构施工进行仿真计算，模拟悬索预应力张拉，确保整个钢平台的施工万无一失；
3.3 为确保原竣工日期的实现，项目部成立QC小组进行现场攻关，利用虚拟仿真施工技术，对比模拟钢桁架层、悬索预应力钢结构平台层、屋面穹顶施工工序，比选、优化施工方案，从而确保了最终竣工工期目标的实现。
（二）施工难点
1 本工程E区复杂的建筑造型和钢结构大跨度空间的设计，给穹顶玻璃幕墙的施工带来很大难度。
1.1 屋面穹顶半球体造型，采用平面幕墙玻璃达到曲面圆弧效果，确定空间分格位置、大小难度大。
1.2 玻璃规格形状多样，加工难度大。
穹顶全部为钢结构，弧形钢梁放射性设计致使幕墙玻璃成梯形规格，玻璃尺寸由上至下逐层递变。同时，考虑钢结构施工偏差，幕墙玻璃无法提前批量加工，必须在钢构件焊接完对每个位置的玻璃尺寸现场实量、定位编号，加工周期长。
1.3 幕墙玻璃吊装难度大
本工程穹顶位于建筑物的中心位置，且幕墙玻璃单片面积最大的为5.3m2，施工时既要考虑汽车吊吊臂倾斜角度，又要保证玻璃本身不被损坏。同时，汽车吊无法覆盖的区域还要由人工进行二次倒运。
1.4 穹顶打胶质量要求高
五层屋面花园平台位于穹顶以内，雨水和积雪会完全淋洒在穹顶上，所以玻璃缝隙及遮阳铝板打胶质量要求高，任何一点质量隐患都会造成穹顶漏水。
2 模拟仿真受力计算多。
本工程悬索预应力钢结构造型新颖独特、受力复杂，预应力钢结构从结构的拼装，到预应力张拉完成以及最后支撑架的拆除，其间经历很多受力状态，为了保证工程质量能够符合设计要求，必须进行大量的施工模拟计算。
3 工程量大，工期紧张
3.1 本工程穹顶竖向弧梁为放射形布置，需高空拼装焊接，对接角度、位置确定困难，吊装、定位、焊接完成一榀完整的竖向弧梁需要6个小时，24榀共需15天时间；支撑体系及吊装焊接操作平台构造复杂，搭设困难，搭设架体至少需要15天时间，严重影响施工速度。
3.2 钢桁架层标高为13.05m，共有大小桁架梁112榀，从单榀重量从0.304t至9.691t不等，长度超过10m的钢桁架梁，单段重量最大达到5.017t，需分成两至三段运送至进场。桁架梁采用分段吊装，起吊次数多，严重制约施工速度。
（三）虚拟仿真技术的应用
1 空间张弦结构施工仿真计算
施工过程会使结构经历不同的初始几何态和预应力态，两个状态的分析理论和方法都不同的，加载方式、加载次序及加载量级都对结构受力具有很大影响，因此，施工仿真计算是预应力钢结构施工方案中极其重要的工作。实际施工过程必须和结构设计初衷吻合，施工中必须严格组织施工顺序，确定加载、提升方式，准确实施加载量、提升量等。施工仿真具体项目如下：
（1）验证张拉方案的可行性，确保张拉过程的安全；
（2）给出每张拉步钢索张拉力的大小，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；
（3）给出每张拉步结构的变形及应力分布，为张拉过程中变形及应力监测提供理论依据；
（4）根据计算出来的张拉力的大小，选择合适的张拉机具、设备，并设计合理的张拉工装；
（5）确定合理的张拉顺序，具体张拉步骤如下所示：
第1步：结构全部安装完成后
第2步：第1批拉索张拉到设计初张力的30％
第3步：第2批拉索张拉到设计初张力的30％
第4步：第3批拉索张拉到设计初张力的30％
第5步：第4批拉索张拉到设计初张力的30％
第6步：第4批拉索张拉到设计初张力的70％
第7步：第3批拉索張拉到设计初张力的70％
第8步：第2批拉索张拉到设计初张力的70％
第9步：第1批拉索张拉到设计初张力的70％
第10步：支撑塔架拆除后
第11步：第1批拉索张拉到设计初张力的100％
第12步：第2批拉索张拉到设计初张力的100％
第13步：第3批拉索张拉到设计初张力的100％
第14步：第4批拉索张拉到设计初张力的100％
2 虚拟仿真优化施工工序
方案经优化后，悬索预应力平台层与穹顶钢构两大施工区域间，由原来的顺序施工，改为平行立体穿插施工，大大缩短了E区钢结构施工关键线路的总用时，大大缩短了工期。
我们运用虚拟仿真技术，融合了计算机图形学、多媒体工业建筑技术、网络技术、电子技术等高新技术，对悬索平台层、屋面穹顶施工过程建立仿真模型，虚拟、对比原方案施工过程及优化方案，利用计算机硬件、软件及各种传感器创造出一个四维空间虚拟环境， 使所需解决的问题得到清晰和直观的认识。
（四）实施效益
1全国组织干部学院E区钢平台悬索预应力在实际施工过程中，通过详实的理论计算和周密的施工部署，将困难考虑充分、问题解决在施工之前，最终施工质量和装修效果得到各方一致好评。平台预应力钢索张拉检测全部符合设计要求。
2 作为北京市最大跨度的玻璃幕墙穹顶，经过施工现场精心策划，合理安排各工序穿插，并严格控制玻璃加工尺寸，严把施工过程质量，确保穹顶玻璃一次安装到位。
3 通过虚拟仿真施工过程，优化施工方案，本工程穹顶所有钢构件的安装任务于2011年1月10日全部完成，共压缩工期47天，施工过程中未出现一起质量及安全事故，工期目标圆满实现。
[关键词] 虚拟；仿真；穹顶；悬索预应力；玻璃幕墙
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
（一）工程概况
全国组织干部学院E区结构设计复杂，采用型钢混凝土框架-剪力墙混合结构、钢桁架结构、预应力悬索钢结构和穹顶钢结构等多种结构形式。
1屋面穹顶钢结构采用全隐框玻璃幕墙，共约3000 m2，幕墙玻璃采用8+1.52PVB+8mm和10+1.52PVB+10mm两种钢化夹胶玻璃，穹顶最顶部水平位置采用10+1.52PVB+10mm玻璃，共计32块；开启扇玻璃共3排，即第8排、第9排和最底部1排，共计144块；其它玻璃共计476块，合计穹顶夹胶玻璃为652块，每块玻璃面积约4.0m2至5.3 m2不等，玻璃自重约250㎏/块。
2 屋面穹顶高42.3m，施工中设计图纸变更，在E区钢桁架层与屋面穹顶之间增加一层悬索预应力钢结构层，即多功能厅（二层）上增加屋面花园平台（五层）。
悬索预应力钢结构平台（图4中红色虚线部分）整体形状为圆环形，由24榀钢桁架以15°角度成放射状均匀布置，圆环直径28.90m，内圆环镂空，直径7.30m，桁架高1.80m，上下弦为焊接H型钢，中间为三根无缝钢管与之焊接相连，每榀重量为6.1t，长10.7m。结构的下层由环向拉索和径向拉索组成，构成稳定的空间结构受力体系。
3、E区屋面造型独特，穹顶钢结构及玻璃幕墙、悬索预应力钢结构层施工复杂，需利用虚拟仿真施工技术，对其施工及各阶段受力情况、安装精度、构件尺寸等进行详细的分析研究，并优化设计、施工方案，以达到最好的工程效果。
3.1 为达到屋面穹顶完美的半球体效果，利用仿真技术，通过建立三维模型，确定玻璃幕墙空间分格尺寸，逐一确定每块玻璃的具体加工、安装尺寸；
3.2 施工前，为确保悬索预应力钢结构质量安全可靠，对空间张弦结构施工进行仿真计算，模拟悬索预应力张拉，确保整个钢平台的施工万无一失；
3.3 为确保原竣工日期的实现，项目部成立QC小组进行现场攻关，利用虚拟仿真施工技术，对比模拟钢桁架层、悬索预应力钢结构平台层、屋面穹顶施工工序，比选、优化施工方案，从而确保了最终竣工工期目标的实现。
（二）施工难点
1 本工程E区复杂的建筑造型和钢结构大跨度空间的设计，给穹顶玻璃幕墙的施工带来很大难度。
1.1 屋面穹顶半球体造型，采用平面幕墙玻璃达到曲面圆弧效果，确定空间分格位置、大小难度大。
1.2 玻璃规格形状多样，加工难度大。
穹顶全部为钢结构，弧形钢梁放射性设计致使幕墙玻璃成梯形规格，玻璃尺寸由上至下逐层递变。同时，考虑钢结构施工偏差，幕墙玻璃无法提前批量加工，必须在钢构件焊接完对每个位置的玻璃尺寸现场实量、定位编号，加工周期长。
1.3 幕墙玻璃吊装难度大
本工程穹顶位于建筑物的中心位置，且幕墙玻璃单片面积最大的为5.3m2，施工时既要考虑汽车吊吊臂倾斜角度，又要保证玻璃本身不被损坏。同时，汽车吊无法覆盖的区域还要由人工进行二次倒运。
1.4 穹顶打胶质量要求高
五层屋面花园平台位于穹顶以内，雨水和积雪会完全淋洒在穹顶上，所以玻璃缝隙及遮阳铝板打胶质量要求高，任何一点质量隐患都会造成穹顶漏水。
2 模拟仿真受力计算多。
本工程悬索预应力钢结构造型新颖独特、受力复杂，预应力钢结构从结构的拼装，到预应力张拉完成以及最后支撑架的拆除，其间经历很多受力状态，为了保证工程质量能够符合设计要求，必须进行大量的施工模拟计算。
3 工程量大，工期紧张
3.1 本工程穹顶竖向弧梁为放射形布置，需高空拼装焊接，对接角度、位置确定困难，吊装、定位、焊接完成一榀完整的竖向弧梁需要6个小时，24榀共需15天时间；支撑体系及吊装焊接操作平台构造复杂，搭设困难，搭设架体至少需要15天时间，严重影响施工速度。
3.2 钢桁架层标高为13.05m，共有大小桁架梁112榀，从单榀重量从0.304t至9.691t不等，长度超过10m的钢桁架梁，单段重量最大达到5.017t，需分成两至三段运送至进场。桁架梁采用分段吊装，起吊次数多，严重制约施工速度。
（三）虚拟仿真技术的应用
1 空间张弦结构施工仿真计算
施工过程会使结构经历不同的初始几何态和预应力态，两个状态的分析理论和方法都不同的，加载方式、加载次序及加载量级都对结构受力具有很大影响，因此，施工仿真计算是预应力钢结构施工方案中极其重要的工作。实际施工过程必须和结构设计初衷吻合，施工中必须严格组织施工顺序，确定加载、提升方式，准确实施加载量、提升量等。施工仿真具体项目如下：
（1）验证张拉方案的可行性，确保张拉过程的安全；
（2）给出每张拉步钢索张拉力的大小，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；
（3）给出每张拉步结构的变形及应力分布，为张拉过程中变形及应力监测提供理论依据；
（4）根据计算出来的张拉力的大小，选择合适的张拉机具、设备，并设计合理的张拉工装；
（5）确定合理的张拉顺序，具体张拉步骤如下所示：
第1步：结构全部安装完成后
第2步：第1批拉索张拉到设计初张力的30％
第3步：第2批拉索张拉到设计初张力的30％
第4步：第3批拉索张拉到设计初张力的30％
第5步：第4批拉索张拉到设计初张力的30％
第6步：第4批拉索张拉到设计初张力的70％
第7步：第3批拉索張拉到设计初张力的70％
第8步：第2批拉索张拉到设计初张力的70％
第9步：第1批拉索张拉到设计初张力的70％
第10步：支撑塔架拆除后
第11步：第1批拉索张拉到设计初张力的100％
第12步：第2批拉索张拉到设计初张力的100％
第13步：第3批拉索张拉到设计初张力的100％
第14步：第4批拉索张拉到设计初张力的100％
2 虚拟仿真优化施工工序
方案经优化后，悬索预应力平台层与穹顶钢构两大施工区域间，由原来的顺序施工，改为平行立体穿插施工，大大缩短了E区钢结构施工关键线路的总用时，大大缩短了工期。
我们运用虚拟仿真技术，融合了计算机图形学、多媒体工业建筑技术、网络技术、电子技术等高新技术，对悬索平台层、屋面穹顶施工过程建立仿真模型，虚拟、对比原方案施工过程及优化方案，利用计算机硬件、软件及各种传感器创造出一个四维空间虚拟环境， 使所需解决的问题得到清晰和直观的认识。
（四）实施效益
1全国组织干部学院E区钢平台悬索预应力在实际施工过程中，通过详实的理论计算和周密的施工部署，将困难考虑充分、问题解决在施工之前，最终施工质量和装修效果得到各方一致好评。平台预应力钢索张拉检测全部符合设计要求。
2 作为北京市最大跨度的玻璃幕墙穹顶，经过施工现场精心策划，合理安排各工序穿插，并严格控制玻璃加工尺寸，严把施工过程质量，确保穹顶玻璃一次安装到位。
3 通过虚拟仿真施工过程，优化施工方案，本工程穹顶所有钢构件的安装任务于2011年1月10日全部完成，共压缩工期47天，施工过程中未出现一起质量及安全事故，工期目标圆满实现。