一種高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法與流程

本發明涉及冷卻塔技術領域，具體是一種高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法。

背景技術：

高位收水自然通風冷卻塔(以下簡稱高位塔)是火力發電廠、核電發電廠濕冷機組及化工行業冷卻系統用的大型冷卻建(構)筑物。根據國家節能減排、低碳經濟的要求，具有明顯節能、降噪優勢的高位塔具有廣闊的應用前景，尤其是對電價高及電源緊缺的地區，高位塔的優勢更加明顯。

高位收水冷卻塔填料系統區域是整個高位塔中最為復雜的。填料系統通過吊桿懸掛于次梁或塔筒牛腿下方，空間分布上，填料系統從下至上依次為填料、填料托架、填料小梁，同時還包括分區防冰隔墻和塔周防漏隔板，以及各種吊桿、吊板和固定點。填料系統在塔筒內部均勻布置，平面上被中央豎井、集水槽和配水槽分割成4個完全對稱的區域，分別位于塔內4個象限。填料系統構件種類多，連接形式多樣，布置緊湊，空間關系復雜，對設計及安裝精度要求極高，現場碰撞時有發生。

bim((buildinginformationmodel)作為一種新興的建筑模型設計方法，其具有直觀性、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等特點，這些特點使得bim技術逐漸取代傳統的二維設計技術。在國內外的建筑行業，特別是復雜單體建筑中，bim技術已經有了一定的應用，但在工業領域如火電廠、化工廠等，bim技術的應用還相對比較滯后。

就目前現狀而言，實現bim技術的軟件平臺已經有多種可供選擇，如autodesk公司的revit軟件、bentley公司的microstation平臺、dassualtsystems公司的catia軟件、graphisoft公司的archicad軟件等等，這些軟件平臺都有自身的優勢和特點。出于各種原因(如通用性、操作友好性和價格等)的考慮，目前業內普遍采用autodesk公司的revit軟件來進行bim三維建模。

傳統的二維設計技術下，無法如三維模型那樣直觀。由于無法直觀考慮各構件之間空間關系，常常需要工程師具備豐富的空間想象能力，只能通過投影、剖切方式以二維圖形式來表達；同時后期審圖、施工等環節又需要工程師通過二維圖逆向轉換形成空間三維模型。傳統二維設計技術對工程師要求高，同時容易出錯，碰撞時有發生。傳統二維技術中平面圖和立面圖屬于相對割裂的兩個部分，無法做到聯動修改，在設計過程中，若設計局部調整時，需要同時對平面圖和立面圖進行修改，工作量巨大，同時容易出錯。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供了一種高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法。

本發明采用的技術方案如下：一種高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法，具體包括以下過程：步驟s1、輸入填料系統的設計參數；步驟s2、選擇一個象限布置軸網；步驟s3、在軸網上確定內外分區邊界；步驟s4、在軸網上布置結構構件形成具有構件占位的簡化模型；步驟s5、在簡化模型的基礎上布置填料系統；步驟s6、根據象限的對稱關系建立填料系統模型；步驟s7、生成圖紙和材料統計報表；步驟s8、生成視頻動畫。

進一步的，所述步驟s1中設計參數包括以下參數并滿足以下條件：(1)填料小梁間距及吊點間距相同；(2)填料小梁間距等于次梁間距的一半；(3)填料小梁間距與配水管間距相同；(4)標準軸網間距為次梁間距的整數倍。

進一步的，所述步驟s2的具體過程為：步驟s201、選擇一個象限初步布置軸網，其中第1個軸網距起點距離為配水槽寬度+0.5倍收水槽間距+軸網間距，自第2個軸網起與上一軸網距離均為軸網間距；步驟s202、在柱頂標高處的塔筒半徑內布置淋水柱，淋水柱布置在軸網的x軸線和y軸線相交處；步驟s203、計算淋水柱個數n，遍歷每一個淋水柱，首先令n＝1，對第n淋水柱依次進行步驟s204至步驟s206；步驟s204、計算第n個淋水柱柱頂與塔筒的距離l_柱，若l_柱>l_柱_min，其中l_柱_min為淋水柱柱頂與塔筒最小安裝距離，至步驟s206，否則，至步驟s205；步驟s205、刪除第n個淋水柱；步驟s306、對第n+1個淋水柱進行遍歷，返回至步驟s204，直至n個淋水柱均完成遍歷；步驟s207、生成塔筒側淋水次梁布置，所述次梁起點位于軸網處，終點位于塔筒牛腿處，在配水外區i區，次梁方向為垂直于x軸，在配水外區ii區，次梁方向為平行于x軸；步驟s208、計算塔周次梁個數m，遍歷每一個次梁，首先令m＝1，對第m個次梁依次進行步驟s209至步驟s211；步驟s209、計算次梁長度l_次梁；步驟s308：若l_次梁>l_次梁_max，其中l_次梁_max為所有次梁中最大長度，將該次梁所跨軸網向塔內移動一個收水槽間距，跳出循環至步驟s202，否則，至步驟s211；s211、對第m+1個次梁進行遍歷，至步驟s309，直到m個次梁均完成遍歷；步驟s212、形成軸網布置；s213：是否確認軸網布置方案，若為否，手動調整軸網布置后，至s302，若為是，結束，獲取最終的軸網布置方案。

進一步的，所述步驟s3的具體過程為：步驟s301、計算配水內區等效正方形邊長a，a＝(0.6πr^2)^0.5，其中r為填料底標高處的塔筒內半徑；步驟s302、計算l1和l2，其中l1＝配水槽外寬+0.5×d+n×m,l2＝l1+m，上式中，m為軸網間距，d為收水槽間距，n為整數，n為滿足l1<a條件下的最大整數；步驟s303、分別計算p1、p2、p3，其中p1＝|(l1²-a²)|、p2＝|(l2²-a²)|、p3＝|(l1*l2-a²)|，若p1最小，在0<x<l1，且0<y<l1區域為配水內區，在l1<y<r區域，為配水外區i區，剩余為配水外區ii區；若p2最小，在0<x<l1，且0<y<l2區域為配水內區，在l2<y<r區域，為配水外區i區，剩余為配水外區ii區；若p3最小，在0<x<l2，且0<y<l2區域為配水內區，在l2<y<r區域，為配水外區i區，其他為配水外區ii區；其中x是x軸上的變量，y是y軸上的變量，r為填料底標高處對應的塔筒內半徑。

進一步的，所述步驟s4中，布置結構構件的具體過程包括：步驟s401、布置中央豎井；步驟s402、布置集水槽；步驟s403、布置配水槽及支承柱；步驟s404、布置塔筒，標高自進風口至上牛腿上一節模板，含上牛腿和下牛腿，并預留孔洞；步驟s405、布置淋水主梁和次梁。

進一步的，所述步驟s5的具體過程包括：步驟s501、布置填料小梁，在半徑為r1處布置環形小梁、布置配水內區直線型小梁、布置配水外區ⅰ去直線型小梁、布置配水外區ⅱ區直線型小梁，其中r1由吊桿半徑確定；步驟s502、布置吊點并確定吊點型號；步驟s503、對直線型填料小梁附屬吊板進行選型，以及對環形填料小梁附屬吊板進行選型；步驟s504、根據小梁類型進行吊桿選型；步驟s505、布置梁端固定點；步驟s506、在垂直于填料小梁方向依次布置填料托架，填料托架位于填料小梁上部，相鄰填料托架錯縫布置；步驟s507、在垂直于填料托架方向依次布置填料，填料位于填料托架上部，相應填料及上下層填料間錯縫布置；步驟s508、分區防冰墻設置于配水內區、配水外區i區、配水外區ii區之間交界軸線上，分區防冰墻底部置于填料托架上，分區防冰墻頂部通過支架與填料主梁相連，分區防冰墻端部通過支架與淋水柱相連，所述支架固定間距布置；步驟s509、將塔周防漏隔板設置于塔筒周圍無法設置收水槽或收水斜板的不規則區域。

進一步的，所述步驟502的具體過程包括：步驟s50201、吊點位于半徑r1內以及填料小梁軸線上，并對稱分布在次梁軸線兩側，間距為標準填料小梁間距d；步驟s50202、在配水內區與配水外區ii區以及配水外區i區與配水外區ii區交界軸線上小梁交點處設吊點；步驟s50203、遍歷每一個與環形小梁相交的直線型填料小梁，依次計算最后一個吊點與交點的距離l2，若l2>d/2，在交點處設吊點，否則不設。

進一步的，所述步驟s6的具體過程包括：步驟s601、對步驟s5在一個象限創布置的填料系統進行碰撞檢查，若有誤，返回至步驟s5中調整相應設備的布置和模型尺寸，若無誤，至步驟s602；步驟s602、根據對稱關系生成四個象限的全塔填料系統模型。

進一步的，所述步驟s8的具體過程包括：步驟s801、在revit軟件將步驟s6所創建的全塔填料系統模型導出，生成navisworks軟件可識別的nwc格式文件；步驟s802：在navisworks軟件打開上述文件，制作動畫視頻。

與現有技術相比，采用上述技術方案的有益效果為：(1)設計輸入數據少，設計所需中間數據程序自動計算并在內部共享傳遞，減少工程師手工讀取、輸入工作量，保證準確性，避免出錯；(2)模型與數據相系關聯，通過交互式界面修改模型，數據自動更新，可簡化設計程序；(3)自動確定內外分區邊界，自動形成填料系統布置；(4)交互式界面，可視化顯示，可實時查看填料系統布置方案，及時發現碰撞問題及安裝問題，三維實時顯示，直觀、一目了然；(5)自動生成三維模型、材料報表和施工圖紙，提高工作效率；(6)自動施工進度模擬，施工安裝工序模擬，漫游動畫等，直觀、高效。

附圖說明

圖1是本發明高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法流程示意圖。

圖2是本發明布置軸網的設計流程示意圖。

圖3是本發明布置填料系統的設計流程示意圖。

圖4是本發明a型吊桿結構示意圖。

圖5是本發明b型吊桿結構示意圖。

圖6是本發明c型吊桿結構示意圖。

圖7是本發明a型吊板結構示意圖。

圖8是本發明b型吊板結構示意圖。

圖9是本發明ca型吊板結構示意圖。

圖10是本發明cb型吊板結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。

一種高位收水冷卻塔填料系統的三維設計方法，具體包括以下過程：步驟s1、輸入填料系統的設計參數；步驟s2、選擇一個象限布置軸網；步驟s3、在軸網上確定內外分區邊界；步驟s4、在軸網上布置結構構件形成具有構件占位的簡化模型；步驟s5、在簡化模型的基礎上布置填料系統；步驟s6、根據象限的對稱關系建立填料系統模型；步驟s7、生成圖紙和材料統計報表；步驟s8、生成視頻動畫。該實施例中可以采用revit作為bim三維設計軟件，采用c#作為二次開發的工具，通過該實施方案，僅需要輸入必要的基本參數，便可以實現填料系統各設備尺寸及位置的自動計算，自動生成布置方案的三維視頻動畫，設計全過程大量節省了冷卻塔設計所需要的時間，提高工作效率。

所述步驟1中設計參數包括以下參數并滿足以下條件：(1)填料小梁間距及吊點間距相同；(2)填料小梁間距等于次梁間距的一半；(3)填料小梁間距與配水管間距相同；(4)標準軸網間距為次梁間距的整數倍。設計參數還包括填料小梁長度、填料托架標準尺寸、填料標準尺寸、分區防冰隔墻厚度、填料底標高、次梁底標高等。

由于填料系統是嚴格對稱的，為了避免過大的計算量，步驟s2至s5，僅對其一個象限(四分之一區域)的填料系統布置和設計。所述步驟2的具體過程為：步驟s201、選擇一個象限初步布置軸網，其中第1個軸網距起點距離為配水槽寬度+0.5倍收水槽間距+軸網間距，自第2個軸網起與上一軸網距離均為軸網間距；步驟s202、在柱頂標高處的塔筒半徑內布置淋水柱，淋水柱布置在軸網的x軸線和y軸線相交處；步驟s203、計算淋水柱個數n，遍歷每一個淋水柱，首先令n＝1，對第n淋水柱依次進行步驟s204至步驟s206；步驟s204、計算淋水柱n柱頂與塔筒的距離l_柱，若l_柱>l_柱_min，其中l_柱_min為所有淋水柱柱頂與塔筒安裝最小距離，至步驟s206，否則，至步驟s205；步驟s205、刪除第n個淋水柱；步驟s306、對第n+1個淋水柱進行遍歷，返回至步驟s204，直至n個淋水柱均完成遍歷；步驟s207、生成塔周淋水次梁布置，所述次梁起點位于軸網處，終點位于塔筒牛腿處，在配水外區i區，次梁方向為垂直于x軸，在配水外區ii區，次梁方向為平行于x軸；步驟s208、計算塔周次梁個數m，遍歷每一個次梁，首先令m＝1，對第1個次梁依次進行步驟s209至步驟s211；步驟s209、計算次梁長度l_次梁；步驟s308：若l_次梁>l_次梁_max，其中l_次梁_max為所有次梁中最大長度，將該次梁所跨軸網向塔內移動一個收水槽間距，跳出循環至步驟s202，否則，至步驟s211；s211、對第m+1個次梁進行遍歷，至步驟s309，直到m個次梁均完成遍歷；步驟s212、形成軸網布置；s213：是否確認軸網布置方案，若為否，手動調整軸網布置后，至s302，若為是，結束，獲取最終的軸網布置方案。

所述步驟3在步驟2的基礎上進行，在選擇的象限中進行內外分區。所述步驟3的具體過程包括：步驟s301、計算配水內區等效正方形邊長a，a＝(0.6πr^2)^0.5，其中r為填料低標高處的塔筒內半徑；步驟s302、計算l1和l2，其中l1＝配水槽外寬+0.5×d+n×m,l2＝l1+m，上式中，m為軸網間距，d為收水槽間距，n為整數，n為滿足l1<a的最大整數；步驟s303、分別計算p1、p2、p3，其中p1＝|(l1²-a²)|、p2＝|(l2²-a²)|、p3＝|(l1*l2-a2)，若p1最小，在0<x<l1，且0<y<l1區域為配水內區，在l1<y<r區域，為配水外區i區，剩余為配水外區ii區；若p2最小，在0<x<l1，且0<y<l2區域為配水內區，在l2<y<r區域，為配水外區i區，剩余為配水外區ii區；若p3最小，在0<x<l2，且0<y<l2區域為配水內區，在l2<y<r區域，為配水外區i區，其他為配水外區ii區；其中x是x軸上的變量，y是y軸上的變量，r為填料低標高處的塔筒內半徑。

所述步驟s4中，布置結構構件的具體過程包括：步驟s401、布置中央豎井；步驟s402、布置集水槽；步驟s403、布置配水槽及支承柱；步驟s404、布置塔筒，標高自進風口至上牛腿上一節模板，含上牛腿和下牛腿，并預留孔洞；步驟s405、布置淋水主梁和次梁。上述布置結構構件為簡化模型，僅用于占位，滿足填料系統設計即可。

所述步驟s5的具體過程包括：步驟s501、布置填料小梁，在半徑為r1處布置環形小梁，其中r1是c型吊桿半徑；布置配水內區直線型小梁，填料小梁與x軸平行布置，起點為配水槽側壁(或中央豎井)，終點為配水內區與配水外區ii區分界軸線處，第1根填料小梁距配水槽外壁間距為d，其他填料小梁與上一根填料小梁距離為d，其中d為標準填料小梁間距；布置配水外區ⅰ去直線型小梁，填料小梁與x軸平行布置，起點為配水槽側壁，終點為半徑r1處，第1根位于配水內區與配水外區i區分界軸線處，其他填料小梁與上一根填料小梁距離為d；布置配水外區ⅱ區直線型小梁，填料小梁與x軸垂直布置，起點為配水槽側壁，終點為半徑r1處或配水外區i區與配水外區ii區分界軸線處，第1根位于配水內區與配水外區ii區分界軸線處，其他填料小梁與上一根填料小梁距離為d；步驟s502、布置吊點并確定型號；步驟s503、對直線型填料小梁附屬吊板進行選型，以及對環形填料小梁附屬吊板進行選型；步驟s504、將位于主梁軸線上的直線型填料小梁附屬吊點設為b型，將環形填料小梁附屬吊點設為c型，除此之外的吊點類型設為a型；步驟s505、布置梁端固定點，具體過程包括：步驟s50501、填料小料起點為配水槽側壁牛腿，起點處布置填料小料壓板；步驟s50502、填料小料起點為配水槽側壁框架，起點處布置填料小料支架；步驟s50503、淋水柱間填料小梁起端和終端布置填料小料支架；步驟s50504、在淋水柱與填料小料平行的側面設置填料托架支架；步驟s506、在垂直于填料小梁方向依次布置填料托架，填料托架位于填料小梁上部，相鄰填料托架錯縫布置,距離為l/2，，此處，填料托架的標準尺寸為b×l′，b為寬度，取d，其中d為標準填料小梁間距，l′為長度，由廠家確定；步驟s507、在垂直于填料托架方向依次布置填料，填料位于填料托架上部，相應填料及上下層填料間錯縫布置，距離為l/2，填料的標準尺寸為b×l，b取d，其中d為標準填料小梁間距，l＝2b；步驟s508、分區防冰墻設置于配水內區、配水外區i區、配水外區ii區之間交界軸線上，分區防冰墻底部置于填料托架上，分區防冰墻頂部通過支架與填料主梁相連，分區防冰墻端部通過支架與淋水柱相連，所述支架固定間距布置；步驟s509、將塔周防漏隔板設置于塔筒周圍無法設置收水槽或收水斜板的不規則區域，用于收集該區域的冷卻水并將其導向收水槽的裝置，該裝置由5塊防漏隔板組成，依次為防漏底板、防漏隔板左下板、防漏隔板右下板、防漏隔板左上板和防漏隔板右上板。

所述步驟s502中吊點指填料小梁的懸吊裝置，該裝置由固定裝置、吊桿及吊板架組成。填料小梁通過吊板與吊桿下端相連，吊桿通過連接于其上端的固定裝置固定于次梁、主梁或塔筒牛腿側。根據安裝位置的不同，該懸吊裝置的固定裝置及吊桿分為不同的型號：如圖4所示，其中次梁5下為a型吊桿；如圖5主梁6下為b型吊桿；如圖6所示，塔筒牛腿7側處為c型吊桿。吊板為填料小梁的固定懸吊點，如圖7所示，其中填料小梁1中間的固定懸吊點為a型吊板；如圖8所示，填料小梁4連接處的固定懸吊點為b型吊板；如圖9所示，填料小填3丁字型交點處為ca型吊板；如圖10所示，填料小填4丁字型交點處為cb型吊板。

所述步驟s502中吊點型號分為a型和b型，該型號僅用于吊點的布置設計，其中a型吊點可以刪除或修改位置，b型吊點不可刪除，亦不可修改位置。

所述步驟502的具體過程包括：步驟s50201、吊點位于半徑r1內以及填料小梁軸線上，并對稱分布在次梁軸線兩側，吊點型號為a，間距為標準填料小梁間距d；步驟s50202、在配水內區與配水外區ii區以及配水外區i區與配水外區ii區交界軸線上小梁交點處設吊點，型號為a；步驟s50203、遍歷每一個與環形小梁相交的直線型填料小梁，依次計算最后一個吊點與交點的距離l2，若l2>d/2，在交點處設吊點，型號為b，否則不設。所述吊點指填料小梁的懸掛位置，小梁通過吊桿懸掛于主(次)梁或牛腿處，吊桿通過安裝在小梁上的吊板與吊桿相連。填料小梁端部通過安裝于配水槽側壁或柱側的填料小料支架固定。所述吊點族文件包除位置信息外，還包括吊桿的型號和吊板的型號。

優選地，直線型填料小梁附屬吊板選型的具體過程包括：步驟s50311、遍歷每一個直線型填料小梁，計算其吊點個數p；步驟s50312、若p<＝p_標準，吊板型號設為a，否則自直線型填料小梁起點開始，依次將第p×p_標準的吊板型號設為b，其他設為a，其中p_標準為標準填料小梁設置的懸掛吊點個數，p取1、2、3……；步驟s50313、將配水內區與配水外區ii區以及配水外區i區與配水外區ii區交界軸線上小梁交點處的吊板設為ca或cb型。

優選地，環形填料小梁附屬吊板選型的具體過程包括：步驟s50321、布置配水管軸線：配水管軸線與填料小梁平行，位于相鄰填料小料中心；步驟s50322、自環形填料小梁起點開始，遍歷每一個環形小梁附屬吊點，計算其與配水管軸線的垂直距離l3；步驟s50323、若l3<b1，將該吊點沿環形填料小梁移動，使其與配水管軸線的垂直距離l3滿足l3>＝b1，其中b1為填料小梁吊桿與配水管中心最小安裝距離；步驟s50324、自環形填料小梁起點開始，遍歷每一個環形小梁附屬吊點，計算相鄰吊點間距離l4；步驟s50325、如果l4<l_min，l_min為相鄰吊點的最小距離，若兩個吊點均為a型，刪除第1個吊點，若兩個吊點分別為a型和b型，將a型吊點刪除；步驟s50326、自環形填料小梁起點開始，依次將第p×p_標準的吊板型號設為b型，其它設為a型，其中p_標準為標準填料小梁設置的懸掛吊點個數，p取1、2、3……；步驟s50327、自環形填料小梁起點開始，遍歷每一個環形小梁附屬吊點，若吊點型號為b型，將相應吊板型號設為ca或cb型。

因為所述步驟s2-s5是在一個象限進行的，要獲取整個填料系統，需要根據其他象限與該象限的對稱關系，生成其他象限的布置情況，減少工作量。所述步驟s6的具體過程包括：步驟s601、對步驟s5在一個象限創布置的填料系統進行碰撞檢查，若有誤，返回至步驟s5中調整相應設備的布置和模型尺寸，若無誤，至步驟s602；步驟s602、根據對稱關系生成四個象限的全塔填料系統模型。

優選地，步驟s7中，所述圖紙主要包括高位收水冷卻塔淋水填料小梁平面布置圖、高位收水冷卻塔淋水填料小梁典型剖面圖、塔筒邊緣小梁吊點平面布置圖、高位收水冷卻塔淋水填料托架平面布置圖、典型填料托架安裝平(剖)面圖、淋水填料布置圖(每層)、分區防冰隔墻安裝圖、塔周防漏隔板安裝圖等；所述材料報表主要包括收水槽型號及數量統計，填料小梁及數量統計，填料小梁吊架型號及數量統計，填梁小梁吊桿型號及數量統計，填料小梁固定點型號及數量統計，填料托架型號及數量統計，填料型號及數量統計，分區防冰隔墻型號及數量統計，塔周防漏隔板型號及數量統計等。

所述步驟s8的具體過程包括：步驟s801、在revit軟件將步驟s6所創建的全塔收水裝置模型導出，生成navisworks軟件可識別的nwc格式文件；步驟s802：在navisworks軟件打開上述文件，制作動畫視頻。動畫視頻包括工進度模擬，施工安裝工序模擬，漫游動畫等。直觀、高效地輸出設計結果。

本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。如果本領域技術人員，在不脫離本發明的精神所做的非實質性改變或改進，都應該屬于本發明權利要求保護的范圍。