劉力耘，李東野

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

隨著設(shè)計(jì)理念的更新和發(fā)展，火力發(fā)電廠三維設(shè)計(jì)從主廠房到鍋爐、煙囪、輸煤系統(tǒng)等全面發(fā)展。這一發(fā)展趨勢(shì)也使冷卻塔的三維設(shè)計(jì)被劃到了火力發(fā)電三維設(shè)計(jì)的范疇［1］。冷卻塔由集水池、斜支柱、塔身和淋水裝置組成，其中塔身外部殼體體量龐大，外形為復(fù)雜的雙曲線形，因此繪出比較完美的空間立體圖形，需要足夠多的數(shù)據(jù)。以下通過(guò)某工程冷卻塔身三維設(shè)計(jì)應(yīng)用，對(duì)建模、數(shù)據(jù)計(jì)算方法進(jìn)行分析［2］。

1 冷卻塔三維設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與建模前數(shù)據(jù)的處理

1.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

初期的冷卻塔三維設(shè)計(jì)是應(yīng)用Plant Design Manegement System（以下簡(jiǎn)稱PDMS）對(duì)冷卻塔進(jìn)行建模的。首先由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者利用水工結(jié)構(gòu)專用的計(jì)算程序計(jì)算出冷卻塔的外形（該外形通過(guò)計(jì)算應(yīng)該符合冷卻塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定及工藝設(shè)備安裝的要求），然后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)利用AUTOCAD 程序做出二維的幾何平面圖形，最后由三維設(shè)計(jì)者根據(jù)二維圖形AUTOCAD 程序繪制出圖，用PDMS程序描繪出冷卻塔的空間立體幾何圖形。

1.2 建模前數(shù)據(jù)的處理

由于冷卻塔高度在100m 以上，建模所需要的數(shù)據(jù)必須足夠多，才能繪出比較完美的空間立體圖形。如果數(shù)據(jù)太少，則既不能保證外形曲線的準(zhǔn)確，也不能滿足實(shí)際施工的需要。而實(shí)際工程一般豎向是以1.2 m 一塊模板滑模施工的，沿豎向每間隔1.2m要給施工單位提供一個(gè)控制定位點(diǎn)。以某工程為例，塔高194.2m，豎向需要控制定位點(diǎn)為162個(gè)。由于冷卻塔有一定的厚度，塔的筒壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)需要豎向控制定位點(diǎn)324個(gè)。每個(gè)豎向控制定位點(diǎn)需要3個(gè)坐標(biāo)值（X、Y、Z），總體就需要972個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是需要逐點(diǎn)計(jì)算得到。由于冷卻塔是一個(gè)空間立體幾何實(shí)體，對(duì)其計(jì)算和確定控制定位點(diǎn)是非常困難的。首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，然后對(duì)制出的AUTOCAD 圖形所提供的冷卻塔空間豎向控制點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)計(jì)算提供的冷卻塔半徑只是筒壁中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)值，不能利用它建模，需要對(duì)其處理形成冷卻塔內(nèi)壁坐標(biāo)值和外壁坐標(biāo)值，其計(jì)算單位還要換算成mm，才能形成真正可以利用的冷卻塔建模數(shù)據(jù)。

2 冷卻塔建模方法

2.1 圓臺(tái)基本體拼接建模法

圓臺(tái)基本體建模方法是沿高度方向，將外殼分為多個(gè)中空?qǐng)A臺(tái)首尾相接而形成的冷卻塔模型。首先要確定將外殼分割成若干個(gè)基本圓臺(tái)，數(shù)量越多模型越精確，工作量也隨之變大，分割數(shù)量越少工作效率越高，但模型外觀與實(shí)際差距會(huì)加大，模型外形粗糙。在塔體資料短缺的情況下可采用此方法建立較為粗糙的占位模型，效率較高。

具體建模步驟：首先將冷卻塔分成若干段，每段用cone（圓臺(tái)基本體）生成外形，再建該段的負(fù)實(shí)體。建圓臺(tái)基本體負(fù)實(shí)體的目的是形成中空的筒狀形狀。建模操作過(guò)程：進(jìn)入PDMS 程序中主菜單design－structure－ASL Mdeller 模 塊 下，在Createprimitives下選擇基本體cone，然后點(diǎn)擊apply 按鈕，就會(huì)出現(xiàn)create cone界面。在該界面下create右側(cè)空白欄填入Solid，然后分別輸入D－top、D－bottom、Height三個(gè)基本參數(shù)后，就會(huì)在PDMS 程序界面創(chuàng)建出基本體cone。該段的負(fù)實(shí)體的建模過(guò)程與基本體大致相同，只不過(guò)是在create cone界面下的create右側(cè)空白欄填入的是Negative。重復(fù)以上步驟，作出其他基本體cone，最后由若干段基本體cone在高度方向拼接組合就形成了整個(gè)冷卻塔的空間幾何外形模型。

2.2 輸入坐標(biāo)建模法

輸入坐標(biāo)建模方法是在可獲得冷卻塔圖紙的情況下，采用旋轉(zhuǎn)體模擬冷卻塔外殼，旋轉(zhuǎn)體各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)從圖紙文件中量取。每個(gè)點(diǎn)選取的原則為殼體內(nèi)外邊界形成閉合回路，點(diǎn)的數(shù)量選取越多，殼體外形就越逼真，但花費(fèi)時(shí)間也就越多。

建模步驟：首先在PDMS程序中任意建立一條豎向的中心線，接著在空間建立一個(gè)冷卻塔筒壁內(nèi)半徑控制點(diǎn)（這個(gè)控制點(diǎn)包括冷卻塔的標(biāo)高、內(nèi)半徑數(shù)據(jù)），然后利用此控制點(diǎn)繞豎向的中心線旋轉(zhuǎn)，形成一條冷卻塔的內(nèi)半徑外形線。利用剛才處理形成的建模數(shù)據(jù)，制造出所有內(nèi)半徑的外形線，由若干條內(nèi)半徑的外形線構(gòu)成冷卻塔內(nèi)半徑的曲面。接著在空間建立其中一個(gè)冷卻塔筒壁外半徑控制點(diǎn)，然后利用此控制點(diǎn)繞已建成的豎向中心線旋轉(zhuǎn)，形成一條冷卻塔的筒壁外半徑外形線。利用給定的建模數(shù)據(jù)，制造出所有冷卻塔的筒壁外半徑的外形線，由若干條冷卻塔的筒壁外半徑的外形線構(gòu)成冷卻塔外半徑的曲面。最后，由冷卻塔的筒壁內(nèi)半徑曲面和外半徑的曲面形成整個(gè)冷卻塔的空間幾何模型。

具體建模步驟：首先進(jìn)入PDMS程序中主菜單design－equipment模 塊，再 進(jìn) 入Create－equipment層次后，在PDMS程序右側(cè)primitives菜單中點(diǎn)擊solid of revolution后就會(huì)彈出Revolution菜單，點(diǎn)擊Revolution 菜單中Revolution line按鈕，然后點(diǎn)擊PDMS程序界面中所選擇的豎向中心線，就會(huì)形成冷卻塔豎向中心線。點(diǎn)擊point on plane 按鈕，然后點(diǎn)擊PDMS程序界面中空間點(diǎn)（符合冷卻塔半徑要求的點(diǎn)），再回到Revolution 菜單，在angle項(xiàng)中填入數(shù)值360，最后點(diǎn)擊ok按鈕，形成一條冷卻塔的內(nèi)半徑線，重復(fù)上述操作，沿高度方向匯集所有冷卻塔的內(nèi)半徑線就會(huì)生成整個(gè)冷卻塔內(nèi)半徑的曲面。同樣操作方法，生成冷卻塔外半徑的曲面。由冷卻塔筒壁內(nèi)半徑的曲面和外半徑曲面形成的閉合回路構(gòu)成了整個(gè)冷卻塔體的模型。

2.3 導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法

冷卻塔塔體外殼一般采用滑模施工，沿高度方向分段進(jìn)行，設(shè)計(jì)時(shí)已考慮此問(wèn)題，一般會(huì)形成數(shù)據(jù)內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)文件（該文件包含冷卻塔不同標(biāo)高的半徑、壁厚等）。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法是當(dāng)只有外殼雙曲母線數(shù)據(jù)信息時(shí)，需要按照加上或減去相應(yīng)標(biāo)高處0.5倍壁厚來(lái)計(jì)算出各標(biāo)高內(nèi)外壁的半徑。導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法基本建模過(guò)程與初期輸入坐標(biāo)建模法相同，唯一不同是在對(duì)建模數(shù)據(jù)處理上做了極大的簡(jiǎn)化，不需要逐個(gè)輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)處理采用EXCEL 表格，就是利用EXCEL表格強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力，對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將這些數(shù)據(jù)的格式按照生成旋轉(zhuǎn)體的需求修改。

具體建模步驟是根據(jù)已有的外殼雙曲母線數(shù)據(jù)信息的設(shè)計(jì)文件（包括冷卻塔不同標(biāo)高的半徑、壁厚等數(shù)據(jù)），首先對(duì)已經(jīng)給定的冷卻塔雙曲母線半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即把原有的半徑數(shù)據(jù)存放到EXCEL表格中，加上或減去相應(yīng)標(biāo)高處0.5倍壁厚計(jì)算出冷卻塔不同標(biāo)高內(nèi)外壁的半徑，對(duì)其進(jìn)行加減運(yùn)算得出需要的筒壁內(nèi)、外半徑數(shù)據(jù)，計(jì)算后，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。對(duì)筒壁內(nèi)半徑數(shù)據(jù)排序不變，對(duì)筒壁外半徑數(shù)據(jù)由正序排成逆序，以使筒壁外半徑數(shù)據(jù)與內(nèi)半徑數(shù)據(jù)連續(xù)銜接，形成一個(gè)完整的冷卻塔應(yīng)用數(shù)據(jù)表。冷卻塔應(yīng)用數(shù)據(jù)表還要轉(zhuǎn)化為PDMS程序可接受的數(shù)據(jù)格式，把這個(gè)PDMS程序可接受的冷卻塔應(yīng)用數(shù)據(jù)表放到PDMS程序中生成冷卻塔模型。此方法建立的冷卻塔外形非常貼近施工后的冷卻塔外殼的外形，建模效率高，免去了冷卻塔空間坐標(biāo)值計(jì)算的大量繁瑣工作，大幅提高建模效率和準(zhǔn)確性，使用導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法建立的冷卻塔三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 使用導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法建立的冷卻塔三維模型

3 三種建模方法的比較

圓臺(tái)基本體拼接建模法、輸入坐標(biāo)建模法、導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法3種建模方法各有優(yōu)勢(shì)。

a.圓臺(tái)基本體拼接建模法：優(yōu)點(diǎn)是在塔體資料缺乏時(shí)可以建模，建模速度快、效率高；缺點(diǎn)是塔外形的精度不高，外形曲線呈鋸齒狀，不光滑。適用于投標(biāo)階段、可研階段及初步設(shè)計(jì)階段，建模時(shí)間以某工程冷卻塔塔高194.2m 為例，耗時(shí)0.3h。

b.輸入坐標(biāo)建模法：優(yōu)點(diǎn)是模型外形精度較高，外形曲線光滑。缺點(diǎn)是建模速度慢，效率低。在塔體資料缺乏時(shí)，不能建模。僅適用于施工圖設(shè)計(jì)階段，建模時(shí)間以某工程冷卻塔塔高194.2 m 為例，耗時(shí)4h。

c.導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法：優(yōu)點(diǎn)是在塔體資料缺乏時(shí)可以根據(jù)初步設(shè)計(jì)原則建模。模型外形精度較高，外形曲線光滑。建模速度快，效率高。適用于投標(biāo)階段、可研階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段，建模時(shí)間以某工程冷卻塔塔高194.2m為例，耗時(shí)0.15h。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建模方法比較，可以看出冷卻塔建模方法應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)計(jì)階段，采取不同的建模方法才能有效地提高冷卻塔建模效率。

對(duì)初步設(shè)計(jì)階段，由于對(duì)冷卻塔建模的精確度要求不高，而且沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)圖紙，可以采取圓臺(tái)基本體拼接建模法，建模速度快、效率高。

而對(duì)施工圖設(shè)計(jì)階段，由于已經(jīng)有了詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙，就應(yīng)該采取輸入坐標(biāo)建模法或?qū)霐?shù)據(jù)建模法，但是二者比較來(lái)看，最佳建模方法還是應(yīng)該采取導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法。導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法建模速度快，節(jié)省時(shí)間，精確度高，冷卻塔模型的外形曲線光滑。而輸入坐標(biāo)建模法建模速度慢，建模效率也很低。

各個(gè)建模方法在不同的項(xiàng)目進(jìn)行階段均有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和存在的意義。圓臺(tái)基本體拼接建模法雖然其準(zhǔn)確性存在較大問(wèn)題，但足以滿足項(xiàng)目初始階段空間占位需求，隨工程項(xiàng)目逐步推進(jìn)而逐步細(xì)化便可，直到具備完整數(shù)據(jù)可采用旋轉(zhuǎn)體建立準(zhǔn)確模型為止。對(duì)于施工圖設(shè)計(jì)階段，還是盡量選取導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模法，采用數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式建立旋轉(zhuǎn)體的方法高效、準(zhǔn)確，發(fā)揮了大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)傳遞的優(yōu)勢(shì)，是一種可推廣、簡(jiǎn)單、易于掌握的有效方法。

［1］ 李松，田質(zhì)一，劉學(xué)新.通過(guò)接口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)快速建模［J］.吉林電力，2012，40（4）：41－43.

［2］ 李松.應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件計(jì)算土建異形構(gòu)件體積［J］.吉林電力，2012，40（1）：23－24.