一种高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法与流程

本发明涉及冷却塔技术领域，具体是一种高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法。

背景技术：

高位收水自然通风冷却塔(以下简称高位塔)是火力发电厂、核电发电厂湿冷机组及化工行业冷却系统用的大型冷却建(构)筑物。根据国家节能减排、低碳经济的要求，具有明显节能、降噪优势的高位塔具有广阔的应用前景，尤其是对电价高及电源紧缺的地区，高位塔的优势更加明显。

高位收水冷却塔填料系统区域是整个高位塔中最为复杂的。填料系统通过吊杆悬挂于次梁或塔筒牛腿下方，空间分布上，填料系统从下至上依次为填料、填料托架、填料小梁，同时还包括分区防冰隔墙和塔周防漏隔板，以及各种吊杆、吊板和固定点。填料系统在塔筒内部均匀布置，平面上被中央竖井、集水槽和配水槽分割成4个完全对称的区域，分别位于塔内4个象限。填料系统构件种类多，连接形式多样，布置紧凑，空间关系复杂，对设计及安装精度要求极高，现场碰撞时有发生。

bim((buildinginformationmodel)作为一种新兴的建筑模型设计方法，其具有直观性、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点，这些特点使得bim技术逐渐取代传统的二维设计技术。在国内外的建筑行业，特别是复杂单体建筑中，bim技术已经有了一定的应用，但在工业领域如火电厂、化工厂等，bim技术的应用还相对比较滞后。

就目前现状而言，实现bim技术的软件平台已经有多种可供选择，如autodesk公司的revit软件、bentley公司的microstation平台、dassualtsystems公司的catia软件、graphisoft公司的archicad软件等等，这些软件平台都有自身的优势和特点。出于各种原因(如通用性、操作友好性和价格等)的考虑，目前业内普遍采用autodesk公司的revit软件来进行bim三维建模。

传统的二维设计技术下，无法如三维模型那样直观。由于无法直观考虑各构件之间空间关系，常常需要工程师具备丰富的空间想象能力，只能通过投影、剖切方式以二维图形式来表达；同时后期审图、施工等环节又需要工程师通过二维图逆向转换形成空间三维模型。传统二维设计技术对工程师要求高，同时容易出错，碰撞时有发生。传统二维技术中平面图和立面图属于相对割裂的两个部分，无法做到联动修改，在设计过程中，若设计局部调整时，需要同时对平面图和立面图进行修改，工作量巨大，同时容易出错。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法。

本发明采用的技术方案如下：一种高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法，具体包括以下过程：步骤s1、输入填料系统的设计参数；步骤s2、选择一个象限布置轴网；步骤s3、在轴网上确定内外分区边界；步骤s4、在轴网上布置结构构件形成具有构件占位的简化模型；步骤s5、在简化模型的基础上布置填料系统；步骤s6、根据象限的对称关系建立填料系统模型；步骤s7、生成图纸和材料统计报表；步骤s8、生成视频动画。

进一步的，所述步骤s1中设计参数包括以下参数并满足以下条件：(1)填料小梁间距及吊点间距相同；(2)填料小梁间距等于次梁间距的一半；(3)填料小梁间距与配水管间距相同；(4)标准轴网间距为次梁间距的整数倍。

进一步的，所述步骤s2的具体过程为：步骤s201、选择一个象限初步布置轴网，其中第1个轴网距起点距离为配水槽宽度+0.5倍收水槽间距+轴网间距，自第2个轴网起与上一轴网距离均为轴网间距；步骤s202、在柱顶标高处的塔筒半径内布置淋水柱，淋水柱布置在轴网的x轴线和y轴线相交处；步骤s203、计算淋水柱个数n，遍历每一个淋水柱，首先令n＝1，对第n淋水柱依次进行步骤s204至步骤s206；步骤s204、计算第n个淋水柱柱顶与塔筒的距离l_柱，若l_柱>l_柱_min，其中l_柱_min为淋水柱柱顶与塔筒最小安装距离，至步骤s206，否则，至步骤s205；步骤s205、删除第n个淋水柱；步骤s306、对第n+1个淋水柱进行遍历，返回至步骤s204，直至n个淋水柱均完成遍历；步骤s207、生成塔筒侧淋水次梁布置，所述次梁起点位于轴网处，终点位于塔筒牛腿处，在配水外区i区，次梁方向为垂直于x轴，在配水外区ii区，次梁方向为平行于x轴；步骤s208、计算塔周次梁个数m，遍历每一个次梁，首先令m＝1，对第m个次梁依次进行步骤s209至步骤s211；步骤s209、计算次梁长度l_次梁；步骤s308：若l_次梁>l_次梁_max，其中l_次梁_max为所有次梁中最大长度，将该次梁所跨轴网向塔内移动一个收水槽间距，跳出循环至步骤s202，否则，至步骤s211；s211、对第m+1个次梁进行遍历，至步骤s309，直到m个次梁均完成遍历；步骤s212、形成轴网布置；s213：是否确认轴网布置方案，若为否，手动调整轴网布置后，至s302，若为是，结束，获取最终的轴网布置方案。

进一步的，所述步骤s3的具体过程为：步骤s301、计算配水内区等效正方形边长a，a＝(0.6πr^2)^0.5，其中r为填料底标高处的塔筒内半径；步骤s302、计算l1和l2，其中l1＝配水槽外宽+0.5×d+n×m,l2＝l1+m，上式中，m为轴网间距，d为收水槽间距，n为整数，n为满足l1<a条件下的最大整数；步骤s303、分别计算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区域为配水内区，在l1<y<r区域，为配水外区i区，剩余为配水外区ii区；若p2最小，在0<x<l1，且0<y<l2区域为配水内区，在l2<y<r区域，为配水外区i区，剩余为配水外区ii区；若p3最小，在0<x<l2，且0<y<l2区域为配水内区，在l2<y<r区域，为配水外区i区，其他为配水外区ii区；其中x是x轴上的变量，y是y轴上的变量，r为填料底标高处对应的塔筒内半径。

进一步的，所述步骤s4中，布置结构构件的具体过程包括：步骤s401、布置中央竖井；步骤s402、布置集水槽；步骤s403、布置配水槽及支承柱；步骤s404、布置塔筒，标高自进风口至上牛腿上一节模板，含上牛腿和下牛腿，并预留孔洞；步骤s405、布置淋水主梁和次梁。

进一步的，所述步骤s5的具体过程包括：步骤s501、布置填料小梁，在半径为r1处布置环形小梁、布置配水内区直线型小梁、布置配水外区ⅰ去直线型小梁、布置配水外区ⅱ区直线型小梁，其中r1由吊杆半径确定；步骤s502、布置吊点并确定吊点型号；步骤s503、对直线型填料小梁附属吊板进行选型，以及对环形填料小梁附属吊板进行选型；步骤s504、根据小梁类型进行吊杆选型；步骤s505、布置梁端固定点；步骤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，相邻填料托架错缝布置；步骤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，相应填料及上下层填料间错缝布置；步骤s508、分区防冰墙设置于配水内区、配水外区i区、配水外区ii区之间交界轴线上，分区防冰墙底部置于填料托架上，分区防冰墙顶部通过支架与填料主梁相连，分区防冰墙端部通过支架与淋水柱相连，所述支架固定间距布置；步骤s509、将塔周防漏隔板设置于塔筒周围无法设置收水槽或收水斜板的不规则区域。

进一步的，所述步骤502的具体过程包括：步骤s50201、吊点位于半径r1内以及填料小梁轴线上，并对称分布在次梁轴线两侧，间距为标准填料小梁间距d；步骤s50202、在配水内区与配水外区ii区以及配水外区i区与配水外区ii区交界轴线上小梁交点处设吊点；步骤s50203、遍历每一个与环形小梁相交的直线型填料小梁，依次计算最后一个吊点与交点的距离l2，若l2>d/2，在交点处设吊点，否则不设。

进一步的，所述步骤s6的具体过程包括：步骤s601、对步骤s5在一个象限创布置的填料系统进行碰撞检查，若有误，返回至步骤s5中调整相应设备的布置和模型尺寸，若无误，至步骤s602；步骤s602、根据对称关系生成四个象限的全塔填料系统模型。

进一步的，所述步骤s8的具体过程包括：步骤s801、在revit软件将步骤s6所创建的全塔填料系统模型导出，生成navisworks软件可识别的nwc格式文件；步骤s802：在navisworks软件打开上述文件，制作动画视频。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：(1)设计输入数据少，设计所需中间数据程序自动计算并在内部共享传递，减少工程师手工读取、输入工作量，保证准确性，避免出错；(2)模型与数据相系关联，通过交互式界面修改模型，数据自动更新，可简化设计程序；(3)自动确定内外分区边界，自动形成填料系统布置；(4)交互式界面，可视化显示，可实时查看填料系统布置方案，及时发现碰撞问题及安装问题，三维实时显示，直观、一目了然；(5)自动生成三维模型、材料报表和施工图纸，提高工作效率；(6)自动施工进度模拟，施工安装工序模拟，漫游动画等，直观、高效。

附图说明

图1是本发明高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法流程示意图。

图2是本发明布置轴网的设计流程示意图。

图3是本发明布置填料系统的设计流程示意图。

图4是本发明a型吊杆结构示意图。

图5是本发明b型吊杆结构示意图。

图6是本发明c型吊杆结构示意图。

图7是本发明a型吊板结构示意图。

图8是本发明b型吊板结构示意图。

图9是本发明ca型吊板结构示意图。

图10是本发明cb型吊板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种高位收水冷却塔填料系统的三维设计方法，具体包括以下过程：步骤s1、输入填料系统的设计参数；步骤s2、选择一个象限布置轴网；步骤s3、在轴网上确定内外分区边界；步骤s4、在轴网上布置结构构件形成具有构件占位的简化模型；步骤s5、在简化模型的基础上布置填料系统；步骤s6、根据象限的对称关系建立填料系统模型；步骤s7、生成图纸和材料统计报表；步骤s8、生成视频动画。该实施例中可以采用revit作为bim三维设计软件，采用c#作为二次开发的工具，通过该实施方案，仅需要输入必要的基本参数，便可以实现填料系统各设备尺寸及位置的自动计算，自动生成布置方案的三维视频动画，设计全过程大量节省了冷却塔设计所需要的时间，提高工作效率。

所述步骤1中设计参数包括以下参数并满足以下条件：(1)填料小梁间距及吊点间距相同；(2)填料小梁间距等于次梁间距的一半；(3)填料小梁间距与配水管间距相同；(4)标准轴网间距为次梁间距的整数倍。设计参数还包括填料小梁长度、填料托架标准尺寸、填料标准尺寸、分区防冰隔墙厚度、填料底标高、次梁底标高等。

由于填料系统是严格对称的，为了避免过大的计算量，步骤s2至s5，仅对其一个象限(四分之一区域)的填料系统布置和设计。所述步骤2的具体过程为：步骤s201、选择一个象限初步布置轴网，其中第1个轴网距起点距离为配水槽宽度+0.5倍收水槽间距+轴网间距，自第2个轴网起与上一轴网距离均为轴网间距；步骤s202、在柱顶标高处的塔筒半径内布置淋水柱，淋水柱布置在轴网的x轴线和y轴线相交处；步骤s203、计算淋水柱个数n，遍历每一个淋水柱，首先令n＝1，对第n淋水柱依次进行步骤s204至步骤s206；步骤s204、计算淋水柱n柱顶与塔筒的距离l_柱，若l_柱>l_柱_min，其中l_柱_min为所有淋水柱柱顶与塔筒安装最小距离，至步骤s206，否则，至步骤s205；步骤s205、删除第n个淋水柱；步骤s306、对第n+1个淋水柱进行遍历，返回至步骤s204，直至n个淋水柱均完成遍历；步骤s207、生成塔周淋水次梁布置，所述次梁起点位于轴网处，终点位于塔筒牛腿处，在配水外区i区，次梁方向为垂直于x轴，在配水外区ii区，次梁方向为平行于x轴；步骤s208、计算塔周次梁个数m，遍历每一个次梁，首先令m＝1，对第1个次梁依次进行步骤s209至步骤s211；步骤s209、计算次梁长度l_次梁；步骤s308：若l_次梁>l_次梁_max，其中l_次梁_max为所有次梁中最大长度，将该次梁所跨轴网向塔内移动一个收水槽间距，跳出循环至步骤s202，否则，至步骤s211；s211、对第m+1个次梁进行遍历，至步骤s309，直到m个次梁均完成遍历；步骤s212、形成轴网布置；s213：是否确认轴网布置方案，若为否，手动调整轴网布置后，至s302，若为是，结束，获取最终的轴网布置方案。

所述步骤3在步骤2的基础上进行，在选择的象限中进行内外分区。所述步骤3的具体过程包括：步骤s301、计算配水内区等效正方形边长a，a＝(0.6πr^2)^0.5，其中r为填料低标高处的塔筒内半径；步骤s302、计算l1和l2，其中l1＝配水槽外宽+0.5×d+n×m,l2＝l1+m，上式中，m为轴网间距，d为收水槽间距，n为整数，n为满足l1<a的最大整数；步骤s303、分别计算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区域为配水内区，在l1<y<r区域，为配水外区i区，剩余为配水外区ii区；若p2最小，在0<x<l1，且0<y<l2区域为配水内区，在l2<y<r区域，为配水外区i区，剩余为配水外区ii区；若p3最小，在0<x<l2，且0<y<l2区域为配水内区，在l2<y<r区域，为配水外区i区，其他为配水外区ii区；其中x是x轴上的变量，y是y轴上的变量，r为填料低标高处的塔筒内半径。

所述步骤s4中，布置结构构件的具体过程包括：步骤s401、布置中央竖井；步骤s402、布置集水槽；步骤s403、布置配水槽及支承柱；步骤s404、布置塔筒，标高自进风口至上牛腿上一节模板，含上牛腿和下牛腿，并预留孔洞；步骤s405、布置淋水主梁和次梁。上述布置结构构件为简化模型，仅用于占位，满足填料系统设计即可。

所述步骤s5的具体过程包括：步骤s501、布置填料小梁，在半径为r1处布置环形小梁，其中r1是c型吊杆半径；布置配水内区直线型小梁，填料小梁与x轴平行布置，起点为配水槽侧壁(或中央竖井)，终点为配水内区与配水外区ii区分界轴线处，第1根填料小梁距配水槽外壁间距为d，其他填料小梁与上一根填料小梁距离为d，其中d为标准填料小梁间距；布置配水外区ⅰ去直线型小梁，填料小梁与x轴平行布置，起点为配水槽侧壁，终点为半径r1处，第1根位于配水内区与配水外区i区分界轴线处，其他填料小梁与上一根填料小梁距离为d；布置配水外区ⅱ区直线型小梁，填料小梁与x轴垂直布置，起点为配水槽侧壁，终点为半径r1处或配水外区i区与配水外区ii区分界轴线处，第1根位于配水内区与配水外区ii区分界轴线处，其他填料小梁与上一根填料小梁距离为d；步骤s502、布置吊点并确定型号；步骤s503、对直线型填料小梁附属吊板进行选型，以及对环形填料小梁附属吊板进行选型；步骤s504、将位于主梁轴线上的直线型填料小梁附属吊点设为b型，将环形填料小梁附属吊点设为c型，除此之外的吊点类型设为a型；步骤s505、布置梁端固定点，具体过程包括：步骤s50501、填料小料起点为配水槽侧壁牛腿，起点处布置填料小料压板；步骤s50502、填料小料起点为配水槽侧壁框架，起点处布置填料小料支架；步骤s50503、淋水柱间填料小梁起端和终端布置填料小料支架；步骤s50504、在淋水柱与填料小料平行的侧面设置填料托架支架；步骤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，相邻填料托架错缝布置,距离为l/2，，此处，填料托架的标准尺寸为b×l′，b为宽度，取d，其中d为标准填料小梁间距，l′为长度，由厂家确定；步骤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，相应填料及上下层填料间错缝布置，距离为l/2，填料的标准尺寸为b×l，b取d，其中d为标准填料小梁间距，l＝2b；步骤s508、分区防冰墙设置于配水内区、配水外区i区、配水外区ii区之间交界轴线上，分区防冰墙底部置于填料托架上，分区防冰墙顶部通过支架与填料主梁相连，分区防冰墙端部通过支架与淋水柱相连，所述支架固定间距布置；步骤s509、将塔周防漏隔板设置于塔筒周围无法设置收水槽或收水斜板的不规则区域，用于收集该区域的冷却水并将其导向收水槽的装置，该装置由5块防漏隔板组成，依次为防漏底板、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。

所述步骤s502中吊点指填料小梁的悬吊装置，该装置由固定装置、吊杆及吊板架组成。填料小梁通过吊板与吊杆下端相连，吊杆通过连接于其上端的固定装置固定于次梁、主梁或塔筒牛腿侧。根据安装位置的不同，该悬吊装置的固定装置及吊杆分为不同的型号：如图4所示，其中次梁5下为a型吊杆；如图5主梁6下为b型吊杆；如图6所示，塔筒牛腿7侧处为c型吊杆。吊板为填料小梁的固定悬吊点，如图7所示，其中填料小梁1中间的固定悬吊点为a型吊板；如图8所示，填料小梁4连接处的固定悬吊点为b型吊板；如图9所示，填料小填3丁字型交点处为ca型吊板；如图10所示，填料小填4丁字型交点处为cb型吊板。

所述步骤s502中吊点型号分为a型和b型，该型号仅用于吊点的布置设计，其中a型吊点可以删除或修改位置，b型吊点不可删除，亦不可修改位置。

所述步骤502的具体过程包括：步骤s50201、吊点位于半径r1内以及填料小梁轴线上，并对称分布在次梁轴线两侧，吊点型号为a，间距为标准填料小梁间距d；步骤s50202、在配水内区与配水外区ii区以及配水外区i区与配水外区ii区交界轴线上小梁交点处设吊点，型号为a；步骤s50203、遍历每一个与环形小梁相交的直线型填料小梁，依次计算最后一个吊点与交点的距离l2，若l2>d/2，在交点处设吊点，型号为b，否则不设。所述吊点指填料小梁的悬挂位置，小梁通过吊杆悬挂于主(次)梁或牛腿处，吊杆通过安装在小梁上的吊板与吊杆相连。填料小梁端部通过安装于配水槽侧壁或柱侧的填料小料支架固定。所述吊点族文件包除位置信息外，还包括吊杆的型号和吊板的型号。

优选地，直线型填料小梁附属吊板选型的具体过程包括：步骤s50311、遍历每一个直线型填料小梁，计算其吊点个数p；步骤s50312、若p<＝p_标准，吊板型号设为a，否则自直线型填料小梁起点开始，依次将第p×p_标准的吊板型号设为b，其他设为a，其中p_标准为标准填料小梁设置的悬挂吊点个数，p取1、2、3……；步骤s50313、将配水内区与配水外区ii区以及配水外区i区与配水外区ii区交界轴线上小梁交点处的吊板设为ca或cb型。

优选地，环形填料小梁附属吊板选型的具体过程包括：步骤s50321、布置配水管轴线：配水管轴线与填料小梁平行，位于相邻填料小料中心；步骤s50322、自环形填料小梁起点开始，遍历每一个环形小梁附属吊点，计算其与配水管轴线的垂直距离l3；步骤s50323、若l3<b1，将该吊点沿环形填料小梁移动，使其与配水管轴线的垂直距离l3满足l3>＝b1，其中b1为填料小梁吊杆与配水管中心最小安装距离；步骤s50324、自环形填料小梁起点开始，遍历每一个环形小梁附属吊点，计算相邻吊点间距离l4；步骤s50325、如果l4<l_min，l_min为相邻吊点的最小距离，若两个吊点均为a型，删除第1个吊点，若两个吊点分别为a型和b型，将a型吊点删除；步骤s50326、自环形填料小梁起点开始，依次将第p×p_标准的吊板型号设为b型，其它设为a型，其中p_标准为标准填料小梁设置的悬挂吊点个数，p取1、2、3……；步骤s50327、自环形填料小梁起点开始，遍历每一个环形小梁附属吊点，若吊点型号为b型，将相应吊板型号设为ca或cb型。

因为所述步骤s2-s5是在一个象限进行的，要获取整个填料系统，需要根据其他象限与该象限的对称关系，生成其他象限的布置情况，减少工作量。所述步骤s6的具体过程包括：步骤s601、对步骤s5在一个象限创布置的填料系统进行碰撞检查，若有误，返回至步骤s5中调整相应设备的布置和模型尺寸，若无误，至步骤s602；步骤s602、根据对称关系生成四个象限的全塔填料系统模型。

优选地，步骤s7中，所述图纸主要包括高位收水冷却塔淋水填料小梁平面布置图、高位收水冷却塔淋水填料小梁典型剖面图、塔筒边缘小梁吊点平面布置图、高位收水冷却塔淋水填料托架平面布置图、典型填料托架安装平(剖)面图、淋水填料布置图(每层)、分区防冰隔墙安装图、塔周防漏隔板安装图等；所述材料报表主要包括收水槽型号及数量统计，填料小梁及数量统计，填料小梁吊架型号及数量统计，填梁小梁吊杆型号及数量统计，填料小梁固定点型号及数量统计，填料托架型号及数量统计，填料型号及数量统计，分区防冰隔墙型号及数量统计，塔周防漏隔板型号及数量统计等。

所述步骤s8的具体过程包括：步骤s801、在revit软件将步骤s6所创建的全塔收水装置模型导出，生成navisworks软件可识别的nwc格式文件；步骤s802：在navisworks软件打开上述文件，制作动画视频。动画视频包括工进度模拟，施工安装工序模拟，漫游动画等。直观、高效地输出设计结果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。