CN106971046B - 一种高位收水冷却塔中央竖井设计方法 - Google Patents

一种高位收水冷却塔中央竖井设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冷却塔技术领域，公开了一种高位收水冷却塔中央竖井设计方法。包括下述步骤：S1：在BIM软件创建中央竖井模型；S2：提取模型数据，形成有限元模型；S3：进行内力计算；S4：进行结构设计计算；S5：进行结构设计校验，判断是否满足混凝土结构设计规范要求，若为是，则至步骤S6，若为否，则修改中央竖井模型中配筋信息或构件截面信息后，返回至步骤S2；S6：生成三维钢筋模型；S7：生成图纸和材料统计报表。本发明简化了设计流程，各个步骤均自动完成，减少了数据的传递，更直观、高效、准确，提高位收水冷却塔中央竖井设计的效率和质量。

Description

一种高位收水冷却塔中央竖井设计方法
技术领域
本发明涉及冷却塔技术领域，特别是一种高位收水冷却塔中央竖井设计方法。
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。
高位收水冷却塔中央竖井区域是整个淋水架构中最为复杂的。竖井底部与压力沟相连，上部与配水槽（热水槽）相连，下部被集水槽（冷水槽）环绕，顶部有控制配水系统的6个闸门，同时必要时通过4个溢流井将竖井内的水引入竖井外围的集水槽。
中央竖井由梁、板、柱等构件组成的复杂结构。中央竖井外围为集水槽，沿集水槽纵向布置暗框架，暗框架顶梁上搁置单层配水槽，暗框架沿高度方向从上至下一定间距设置拉梁。暗框架与集水槽侧壁形成一个整体，共同受力。中央竖井零米以下设井座，与压力进水沟相连。竖井井筒下部与压力进水沟相连，上部沿四个方向分别设单孔和双孔配水槽，四周设环形配水槽，井筒外围设4个溢流井。井筒顶部设检修平台。
BIM((Building Information Model)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、Dassualt Systems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。
发明内容
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中央竖井设计方法。
本发明采用的技术方案如下：一种高位塔中央竖井三维设计方法，包括下述步骤：S1：在BIM软件创建中央竖井模型；S2：提取模型数据，形成有限元模型；S3：进行内力计算；S4：进行结构设计计算；S5：进行结构设计校验，判断是否满足混凝土结构设计规范要求，若为是，则至步骤S6，若为否，则修改中央竖井模型中配筋信息或构件截面信息后，返回至步骤S2；S6：生成三维钢筋模型；S7：生成图纸和材料统计报表。
进一步的，所述步骤S1中，创建中央竖井模型的具体过程包括：S11：在BIM软件中创建中央竖井模型；S12：在模型中布置埋件、埋管、孔洞等附件；S13：输入中央竖井各构件的力学参数；S14：在模型中添加荷载信息，所述荷载包括风荷载、检修荷载、设备荷载、水压力、土压力、重力作用、地震作用；S15：输入荷载组合工况信息。
进一步的，所述步骤S11中，创建中央竖井模型有2种方法：（1）在BIM软件中创建中央竖井族文件，通过修改族参数完成中央竖井模型的创建；（2）在BIM软件中以搭积木方式完成中央竖井模型的创建。
进一步的，所述步骤S2中，生成有限元模型的具体过程包括：S21：提取步骤S11所创建的中央竖井模型的几何信息，生成数据文件，所述几何信息包括构件的长、宽、高、半径等尺寸信息及位置信息；S22：提取步骤S13所述各构件的力学参数，生成数据文件；S23：提取步骤S14所述荷载信息，生成数据文件；S24：提取步骤S15所述荷载组合工况信息，生成数据文件；S25：提取边界条件，生成数据文件；S26：将上述数据文件生成有限元模型。
进一步的，所述步骤S26中，生成有限元模型有2种方法：（1）在通用有限元软件中以命令流方式加载生成；（2）生成符合通用有限元软件格式要求的数据文件。
进一步的，所述步骤S3中，内力计算的具体过程包括：S31：采用有限元软件进行内力分析，计算出中央竖井各构件不同荷载工况组合下的内力，所述内力包括轴力、剪力和弯矩；S32：提取上述内力信息，写入BIM软件，添加至各构件属性信息中。
进一步的，所述步骤S4中，所述结构设计计算指在BIM软件中提取步骤S3中的内力并根据混凝土结构设计规范承载力极限状态计算，得出中央竖井各构件的钢筋布置信息。
进一步的，所述步骤S5中，结构设计校验的具体过程包括：S51：在BIM软件中提取步骤S4的钢筋布置信息并按混凝土结构设计规范要求进行正常使用极限状态验算，包括中央竖井各构件裂缝和挠度；S52：若满足混凝土结构设计规范要求，则至步骤S55；S53：若不满足混凝土结构设计规范要求，修改钢筋布置信息，并返回至步骤S51；S54：若仍不满足混凝土结构设计规范要求，在BIM软件修改相应构件截面信息，并返回至步骤S3；S55：按混凝土结构设计规范构造要求计算各构件的拉结筋、分布筋，至步骤S6。
进一步的，所述步骤S6中，生成三维实体钢筋模型的具体过程包括：S61：根据钢筋布置信息，所述钢筋布置信息包括钢筋的等级、直径、形状、间距、长度、数量，调用BIM软件钢筋族生成三维实体钢筋模型，所述三维实体钢筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉结筋；S62：对钢筋进行归并、统计，生成钢筋表；
进一步的，所述步骤S7中，生成图纸和报表的子步骤包括：S71：在指定位置自动添加剖面，形成剖面图；S72：在剖面图中自动添加标注、文字说明信息；S73：自动生成钢筋图，添加钢筋表；S74：统计混凝土、钢筋、埋管、埋件数量，形成材料报表；S75：对图中数字、文字等信息进行校核、确认，完成设计。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：（1）可在交互式界面完成BIM模型的创建，亦可通过参数化形式自动完成BIM模型的创建；（2）自动完成有限元模型的创建和内力的计算，并可将内力计算结果返回至BIM平台；（2）自动完成结构设计，并按规范要求进行验算；（3）自动完成钢筋模型的创建，自动进行钢筋归并、编号，自动生成钢筋统计表；（4）自动完成施工图的绘制和材料统计表的生成，，避免大量重复的工作，可以极大的提高结构计算和设计的效率；（5）相比于传统的二维设计技术，本发明简化了设计流程，减少了数据的传递，更直观、高效、准确，提高冷高位塔中央竖井设计的效率和质量。
附图说明
图1是本发明高位塔中央竖井三维设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
由于目前所存在的不足，本发明提供一种高位塔中央竖井三维设计方法，该方法结合BIM技术特点，在BIM平台完成模型创建后，可自动提取数据生成通用有限元模型用于内力计算，也可将内力计算结果返回至BIM平台，自动完成结构设计、图纸绘制和材料报表的统计等工作，整个过程实现数据传递无缝传递，设计全过程可视化，可提高设计成果的质量，减少冷却塔的设计的时间和成本。本发明提出针对高位塔中央竖井的设计方法，该方法同样适用于冷却塔中集水槽、配水槽、压力进水沟等复杂构件物的设计。
如图1所示提供了一种冷却塔中央竖井三维设计方法流程图，在本实施例中采用Revit作为BIM设计软件，采用C#作为二次开发的工具，采用ANSYS作为通用有限元软件。一种高位塔中央竖井三维设计方法，包括下述步骤：S1：在Revit软件创建中央竖井模型；S2：提取模型数据，形成有限元模型；S3：进行内力计算；S4：进行结构设计计算；S5：进行结构设计校验，判断是否满足混凝土结构设计规范要求，若为是，则至步骤S6，若为否，则修改中央竖井模型中配筋信息或构件截面信息后，返回至步骤S2；S6：生成三维钢筋模型；S7：生成图纸和材料统计报表。
所述步骤S1是创建中央竖井模型的过程，其具体过程包括：S11：在Revit软件中创建中央竖井模型；S12：在模型中布置埋件、埋管、孔洞等附件；其中，埋件、埋管、孔洞均以族文件形式加载；S13：输入中央竖井各构件的力学参数；其中，力学参数包括各构件的容重、弹性模量、泊松比等；S14：在模型中添加荷载信息，所述荷载包括风荷载、检修荷载、设备荷载、水压力、土压力、重力作用、地震作用；S15：输入荷载组合工况信息。所述步骤S13-S15中，程序自动设定各参数，各参数均设置初始值，可结合具体工程对上述参数进行增加、修改和删除操作。
所述步骤S11中，创建中央竖井模型有2种方法：（1）在Revit软件中创建中央竖井族文件，通过修改族参数完成中央竖井模型的创建；（2）在Revit软件中以搭积木方式完成中央竖井模型的创建。
所述步骤S2中，生成有限元模型的具体过程包括：S21：提取步骤S11所创建的中央竖井模型的几何信息，生成数据文件，所述几何信息包括构件的长、宽、高、半径等尺寸信息及位置信息；S22：提取步骤S13所述各构件的力学参数，生成数据文件；S23：提取步骤S14所述荷载信息，生成数据文件；S24：提取步骤S15所述荷载组合工况信息，生成数据文件；S25：提取边界条件，生成数据文件；其中，所述数据文件指参数化设计语言(APDL)命令流文件，APDL是ANSYS命令程序语言，遵循FORTRAN语言语法规则，所述命令流文件以宏(MAC)方式融于一个文本文件中；所述命令流文件内容包括以下几步：a、创建单元类型，定义参数；b、定义材料参数并赋值；c、创建模型；d、划分单元；e、施加荷载；f、设置荷载组合工况；g、设置边界条件；S26：将上述数据文件生成有限元模型。所述步骤S2的具体过程是通过Revit软件平台二次开发后程序自动实现的，基于上述步骤S21-S26，Revit软件平台二次开发过程为本技术领域的现有技术。所述步骤2中有限元模型已完成有限元网格的划分，同时包括边界条件、荷载以及荷载组合工况信息；所述有限元模型单元可以采用实体单元（Solid 65）组成，亦可采用梁单元（Beam188）和壳单元（Shell 181）组成。
所述步骤S26中，生成有限元模型有2种方法：（1）在通用有限元软件中以命令流方式加载生成；（2）生成符合通用有限元软件格式要求的数据文件。
所述步骤S3中，内力计算的具体过程包括：S31：采用有限元软件进行内力分析，计算出中央竖井各构件不同荷载工况组合下的内力，所述内力包括轴力、剪力和弯矩；S32：提取上述内力信息，写入Revit软件，添加至各构件属性信息中。所述步骤S3的具体过程均通过在Revit平台进行二次开发，基于上述步骤S31-S32，所述二次开发过程为本领域现有技术，生成APDL命令流文件后自动调用ANSYS程序，通过/input命令读入上述文件并执行来实现。
所述步骤S4中，所述结构设计计算指在Revit软件中提取步骤S3中的内力并根据混凝土结构设计规范（GB50010-2010）承载力极限状态计算，得出中央竖井各构件的钢筋布置信息。
所述步骤S5中，结构设计校验的具体过程包括：S51：在Revit软件中提取步骤S4的钢筋布置信息并按混凝土结构设计规范要求进行正常使用极限状态验算，包括中央竖井各构件的裂缝和挠度；S52：若满足混凝土结构设计规范要求，则至步骤S55；S53：若不满足混凝土结构设计规范要求，修改钢筋布置信息，并返回至步骤S51；S54：若仍不满足混凝土结构设计规范要求，在Revit软件修改相应构件截面信息，并返回至步骤S3；S55：按混凝土结构设计规范构造要求计算各构件的拉结筋、分布筋，至步骤S6。
所述步骤S6中，生成三维实体钢筋模型的具体过程包括：S61：根据钢筋布置信息，所述钢筋布置信息包括钢筋的等级、直径、形状、间距、长度、数量，调用Revit钢筋系统族生成三维实体钢筋模型，所述三维实体钢筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉结筋；S62：对钢筋进行归并、统计，生成钢筋表。
所述步骤S7中，生成图纸和报表的子步骤包括：S71：在指定位置自动添加剖面，形成剖面图；S72：在剖面图中自动添加标注、文字说明信息；S73：自动生成钢筋图，添加钢筋表；S74：统计混凝土、钢筋、埋管、埋件数量，形成材料报表；S75：对图中数字、文字等信息进行校核、确认，完成设计。
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。

Claims (9)

1.一种高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：包括下述步骤：S1：在BIM软件创建中央竖井模型；S2：提取模型数据，形成有限元模型；S3：进行内力计算，内力计算的具体过程包括：S31：采用有限元软件进行内力分析，计算出中央竖井各构件不同荷载工况组合下的内力，所述内力包括轴力、剪力和弯矩；S32：提取上述内力信息，写入BIM软件，添加至各构件属性信息中；S4：进行结构设计计算；S5：进行结构设计校验，判断是否满足混凝土结构设计规范要求，若为是，则至步骤S6，若为否，则修改中央竖井模型中配筋信息或构件截面信息后，返回至步骤S2；S6：生成三维钢筋模型；S7：生成图纸和材料统计报表。
2.如权利要求1所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，创建中央竖井模型的具体过程包括：S11：在BIM软件中创建中央竖井模型；S12：在模型中布置埋件、埋管、孔洞附件；S13：输入中央竖井各构件的力学参数；S14：在模型中添加荷载信息，所述荷载包括风荷载、检修荷载、设备荷载、水压力、土压力、重力作用、地震作用；S15：输入荷载组合工况信息。
3.如权利要求2所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S11中，创建中央竖井模型有2种方法：(1)在BIM软件中创建中央竖井族文件，通过修改族参数完成中央竖井模型的创建；(2)在BIM软件中以搭积木方式完成中央竖井模型的创建。
4.如权利要求3所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，生成有限元模型的具体过程包括：S21：提取步骤S11所创建的中央竖井模型的几何信息，生成数据文件，所述几何信息包括构件的长、宽、高、半径尺寸信息及位置信息；S22：提取步骤S13所述各构件的力学参数，生成数据文件；S23：提取步骤S14所述荷载信息，生成数据文件；S24：提取步骤S15所述荷载组合工况信息，生成数据文件；S25：提取边界条件，生成数据文件；S26：将上述数据文件生成有限元模型。
5.如权利要求4所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S26中，生成有限元模型有2种方法：(1)在通用有限元软件中以命令流方式加载生成；(2)生成符合通用有限元软件格式要求的数据文件。
6.如权利要求5所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述结构设计计算指在BIM软件中提取步骤S3中的内力并根据混凝土结构设计规范承载力极限状态计算，得出中央竖井各构件的钢筋布置信息。
7.如权利要求6所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，结构设计校验的具体过程包括：S51：在BIM软件中提取步骤S4的钢筋布置信息并按混凝土结构设计规范要求进行正常使用极限状态验算，包括中央竖井各构件裂缝和挠度；S52：若满足混凝土结构设计规范要求，则至步骤S55；S53：若不满足混凝土结构设计规范要求，修改钢筋布置信息，并返回至步骤S51；S54：若仍不满足混凝土结构设计规范要求，在BIM软件修改相应构件截面信息，并返回至步骤S3；S55：按混凝土结构设计规范构造要求计算各构件的拉结筋、分布筋，至步骤S6。
8.如权利要求7所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，生成三维实体钢筋模型的具体过程包括：S61：根据钢筋布置信息，所述钢筋布置信息包括钢筋的等级、直径、形状、间距、长度、数量，调用BIM钢筋族生成三维实体钢筋模型，所述三维实体钢筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉结筋；S62：对钢筋进行归并、统计，生成钢筋表。
9.如权利要求8所述的高位塔中央竖井三维设计方法，其特征在于：所述步骤S7中，生成图纸和报表的子步骤包括：S71：在指定位置自动添加剖面，形成剖面图；S72：在剖面图中自动添加标注、文字说明信息；S73：自动生成钢筋图，添加钢筋表；S74：统计混凝土、钢筋、埋管、埋件的数量，形成材料报表；S75：对图中数字、文字信息进行校核、确认，完成设计。
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Inventor after: Zhou Kai

Inventor after: Peng Degang

Inventor after: Zhang Jinbin

Inventor after: Xue Jiang

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