雙曲線冷卻塔風(fēng)筒施工技術(shù)圖表編制新方法

韋憲輝，張明勤

(1.河北省電力建設(shè)第二工程公司，石家莊 050041;2.河北省電力研究院,石家莊 050021)

雙曲線冷卻塔是火電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的一個(gè)重要構(gòu)成部分。鋼筋混凝土雙曲線冷卻塔風(fēng)筒施工技術(shù)指標(biāo)圖表是風(fēng)筒施工的重要依據(jù)，它標(biāo)明每一節(jié)施工模板的標(biāo)高、半徑等參數(shù)信息。施工之前，能夠快捷、準(zhǔn)確、多信息地編制一幅技術(shù)指標(biāo)控制圖表，可以提高雙曲線冷卻塔風(fēng)筒的施工質(zhì)量和效率。

1 圖表編制傳統(tǒng)方法

1.1 實(shí)地放樣法

實(shí)地放樣法是將風(fēng)筒以實(shí)體大小按1∶1的比例在場(chǎng)地上進(jìn)行實(shí)地放樣，再按模板長(zhǎng)度截取放樣的曲線，然后進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，記錄下標(biāo)高、半徑和厚度3組數(shù)字序列，然后再計(jì)算出每一節(jié)模板所對(duì)應(yīng)的套管數(shù)量、混凝土量、表面積等的方法。該方法計(jì)算工作繁瑣，出錯(cuò)率高，計(jì)算精度差。

1.2 CAD編制法

CAD編制法是在CAD的模擬空間中進(jìn)行放樣，按照設(shè)計(jì)圖紙給定的標(biāo)高、半徑、厚度3組數(shù)字序列，在模擬空間中打點(diǎn)，再利用樣條曲線分別將中面和內(nèi)外表面點(diǎn)鏈接成曲線；在此基礎(chǔ)上，再以施工鋼模板的長(zhǎng)度為半徑，從中面曲線的低端或頂端開始沿曲線畫出系列圓，圓心距即為模板長(zhǎng)，完成曲線分割；在每一分割點(diǎn)處做曲線切線的垂直線，分別與內(nèi)外面曲線相交，其交點(diǎn)即為內(nèi)外模板的控制點(diǎn)；最后再利用CAD的距離查詢功能，對(duì)控制點(diǎn)的標(biāo)高、半徑以及該點(diǎn)處的厚度進(jìn)行測(cè)量，人工記錄下測(cè)量結(jié)果，將記錄下的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理制表，再進(jìn)行大量而繁瑣的人工計(jì)算，計(jì)算出每節(jié)模板的混凝土量、內(nèi)外表面積、套管數(shù)量以及這些量的累積。該方法計(jì)算過程繁瑣，易出差錯(cuò)，但不用再按照風(fēng)筒實(shí)體大小尋找場(chǎng)地。

2 圖表編制新方法

2.1 EXCEL工作表編制法介紹

EXCEL工作表編制法是利用電腦EXCEL工作表具備的邏輯函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)來完成全部過程的計(jì)算，首先針對(duì)施工作業(yè)和施工組織所需的控制參數(shù)，利用EXCEL的函數(shù)功能，快速、準(zhǔn)確地測(cè)定水塔風(fēng)筒的曲線函數(shù)，并依此建立其它函數(shù)關(guān)系以獲得施工所需的全部控制參數(shù)指標(biāo)；再針對(duì)水塔風(fēng)筒曲線個(gè)體設(shè)計(jì)間的差異，利用EXCEL邏輯函數(shù)建立不同的計(jì)算模式，使得本編制模板具有普遍性；為防止操作人員輸入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，還利用邏輯函數(shù)建立了檢錯(cuò)程序。該方法準(zhǔn)確、快捷，可大大提高工作效率。

2.2 EXCEL工作表編制法原理

2.2.1 風(fēng)筒中面曲線函數(shù)的確定

雙曲線型冷卻塔中面曲線，有的設(shè)計(jì)是嚴(yán)格符合某一雙曲線函數(shù)，而有的是在一定高度以下為直線，其上是曲線，將后者暫且稱為類雙曲線形。因此，運(yùn)算的基本模式也分為雙曲線形和類雙曲線形2種。對(duì)于有些設(shè)計(jì)圖紙給出的內(nèi)(或外)表面的幾何參數(shù)(大多數(shù)個(gè)體設(shè)計(jì)給出的是中面幾何參數(shù))，需要建立相互的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把內(nèi)(或外)表面的設(shè)計(jì)參數(shù)換算成中面參數(shù)，然后再選擇按哪一類線形模式計(jì)算。

2.2.2 雙曲線型函數(shù)的確定

以設(shè)計(jì)圖紙采用的坐標(biāo)為函數(shù)的計(jì)算坐標(biāo)，水塔風(fēng)筒坐標(biāo)定位示意見圖1。

圖1 水塔風(fēng)筒坐標(biāo)定位示意

雙曲線函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程為：

(1)

式中：r為中面某點(diǎn)半徑；h為中面某點(diǎn)標(biāo)高；h0為中面曲線喉部標(biāo)高；a為中面曲線實(shí)半軸；b為中面曲線虛半軸。

從式中可看出，只要確定a、b、h0這3個(gè)常量，整個(gè)曲線的函數(shù)關(guān)系便可以確定。為確定出這3個(gè)常量，可在設(shè)計(jì)的幾何尺寸中任選3點(diǎn)A1(r1,h1)，A2(r2,h2) ，A3(r3,h3) ；代入方程聯(lián)立求解，

(2)

(3)

(4)

用消元法分別求出h0、a和b，

在EXCEL中確定3個(gè)單元格，將關(guān)于h0、a、b的函數(shù)方程分別輸入單元格，再確定6個(gè)單元格，將任選3點(diǎn)的函數(shù)值輸入單元格，利用EXCEL的函數(shù)計(jì)算功能，求出h0、a、b的值。風(fēng)筒中面曲線的計(jì)算參數(shù)是所有控制指標(biāo)的起算點(diǎn)，對(duì)以下計(jì)算起著主導(dǎo)和引領(lǐng)作用。

2.2.3 雙曲線型中面曲線控制點(diǎn)及混凝土模板標(biāo)高、半徑的確定

在施工方案中，風(fēng)筒施工配置鋼模板方案一般有從上向下和從下向上2種計(jì)算方式。從上向下計(jì)算的，稱為上控型；從下向上計(jì)算的稱為下控型。在測(cè)定出雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程后，經(jīng)過變形、求導(dǎo)，確定曲線任意標(biāo)高處的切線斜率，因鋼模板的長(zhǎng)度是固定的，從而便可確定某一標(biāo)高處的模板高差，曲線斜率隨著高度的變化而變化，因此對(duì)應(yīng)模板的高差也隨之變化。但只要確定第一節(jié)模板的起算標(biāo)高，起算點(diǎn)斜率隨之確定，第一節(jié)模板的高差也就確定。起算標(biāo)高加上第一節(jié)模板高差即為第二節(jié)模板的計(jì)算標(biāo)高。以此類推，直到將整個(gè)曲線推算到距控制點(diǎn)標(biāo)高正負(fù)不大于鋼模板的一半為止。推算過程如下：

標(biāo)準(zhǔn)方程為：

(5)

式中：z=h-h0。

將方程變形得，

(6)

(7)

對(duì)式(7)兩邊求導(dǎo)，根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)與切線斜率的關(guān)系，則該式可變?yōu)椋?/p>

假設(shè)模板長(zhǎng)度為l，模板節(jié)高差為Δh，則有，

Δh=lcosa

假定設(shè)置一個(gè)初始的縱坐標(biāo)zi，就有Δhi與之對(duì)應(yīng)，從而有

zi+1=zi+Δhi(下控型)，或者zi-1=zi-Δhi(上控型)。

這樣可求出一系列中面縱坐標(biāo)，分別代入式(7)，可求出對(duì)應(yīng)的中面半徑。有了標(biāo)高與半徑的關(guān)系以及標(biāo)高與模板節(jié)高差的關(guān)系后，中面曲線各節(jié)模板對(duì)應(yīng)的點(diǎn)便可確定下來。在EXCEL中，對(duì)應(yīng)于中面標(biāo)高的一組參數(shù)，設(shè)置tanα、cosα、sinα等必要系列數(shù)組，數(shù)組中已編輯其計(jì)算公式，每一行公式中的參數(shù)都用對(duì)應(yīng)輸入數(shù)據(jù)的單元格編號(hào)表示，制成用以計(jì)算控制參數(shù)的數(shù)據(jù)源。模板參數(shù)計(jì)算示意見圖2。

圖2 模板參數(shù)計(jì)算示意

由圖2可知，利用三角函數(shù)關(guān)系便可分別計(jì)算出內(nèi)外模板的上下沿標(biāo)高和半徑。內(nèi)外模板各參數(shù)確定后，混凝土體積、控制厚度的套管長(zhǎng)度及數(shù)量、內(nèi)外表面積等施工參數(shù)便可隨之確定下來，然后在EXCEL工作表中設(shè)置一系列單元格作為施工控制參數(shù)的單元格，在這些單元格中設(shè)置有計(jì)算公式，公式中的參數(shù)來源取自上述過程制作的數(shù)據(jù)源。

2.2.4 類雙曲線型中面控制點(diǎn)的確定

當(dāng)重復(fù)用任選3點(diǎn)的方法仍不能找到與施工圖設(shè)計(jì)相符的雙曲函數(shù)時(shí)，就必須采用類雙曲線的方法來確定中面曲線的控制參數(shù)。類雙曲線型實(shí)際上是在一定標(biāo)高以下為直線函數(shù)，而該標(biāo)高以上是雙曲函數(shù)，確定方法就是插入法。因個(gè)體設(shè)計(jì)不同，必須將圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的中面幾何尺寸(標(biāo)高、半徑)系列轉(zhuǎn)換成按鋼模板的長(zhǎng)度確定的中面幾何尺寸系列。插入法進(jìn)行模板參數(shù)計(jì)算示意見圖3。

圖3 插入法進(jìn)行模板參數(shù)計(jì)算示意

當(dāng)模板的起算標(biāo)高確定后，隨著設(shè)計(jì)點(diǎn)標(biāo)高、半徑的輸入，鋼模板標(biāo)高會(huì)沿曲線的傾斜角度逐節(jié)標(biāo)高進(jìn)行累加，用插入法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的半徑。為輸入供插入法計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，需要在圖表中開列三列分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)的標(biāo)高、半徑和厚度的單元格序列，用來填充設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)。為確保模板計(jì)算點(diǎn)的標(biāo)高位于用來計(jì)算的2個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)之間，規(guī)定的輸入規(guī)則是：輸入的設(shè)計(jì)標(biāo)高必須是小于(上控型)或大于(下控型)、且最接近于同行中面標(biāo)高的設(shè)計(jì)標(biāo)高。不同算法之間的轉(zhuǎn)換是利用EXCEL的邏輯函數(shù)進(jìn)行的，邏輯函數(shù)的基本形式是IF(數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù))，它的含義是(如果，則，否則)。例如A1=是，則按雙曲線函數(shù)計(jì)算，否則按插入法計(jì)算。下述其它項(xiàng)不同類別間的轉(zhuǎn)換也用此方法。

2.2.5 筒壁厚度的確定

筒壁厚度的確定也分2種方法，厚度隨高度變化符合羅比錫計(jì)算公式的，可采用自動(dòng)填充模式；不符合羅比錫計(jì)算公式的，采用插入法進(jìn)行填充。

式中：m=b1/b0；b1為風(fēng)口處(最大)筒壁厚度；b0為最小筒壁厚度；z1為風(fēng)口標(biāo)高；z為計(jì)算點(diǎn)標(biāo)高；θ為用以確定壁厚變化的筒壁長(zhǎng)度系數(shù)；r0為喉部半徑。

由羅比錫計(jì)算公式可知，厚度是高度的函數(shù)，一但高度確定了，厚度也隨之確定。先選擇自動(dòng)填充模式，將結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行比對(duì)，如不吻合，就得采取非自動(dòng)填充模式(插入法)，插入法是隨著設(shè)計(jì)標(biāo)高的填充相應(yīng)填充設(shè)計(jì)厚度，該編制模板就會(huì)按插入法計(jì)算鋼模板節(jié)點(diǎn)處的厚度。

2.2.6 填充錯(cuò)誤提示的設(shè)置

錯(cuò)誤提示只適用于非自動(dòng)填充模式。利用EXCEL邏輯函數(shù)，可以根據(jù)已填充數(shù)字的規(guī)律預(yù)測(cè)一個(gè)數(shù)值，再以此數(shù)值為基點(diǎn)限制一個(gè)誤差范圍，當(dāng)填充的數(shù)值超出了這一范圍時(shí)，相關(guān)的單元格就顯示出錯(cuò)的提示，并停止運(yùn)算。數(shù)值預(yù)測(cè)及出錯(cuò)檢測(cè)示意見圖4。

圖4 數(shù)值預(yù)測(cè)及出錯(cuò)檢測(cè)示意

圖中1、2、3、4點(diǎn)是設(shè)計(jì)點(diǎn)，3′點(diǎn)是根據(jù)1、2點(diǎn)用插入法預(yù)測(cè)出的點(diǎn)，以3′為圓心的圓是EXCEL的預(yù)測(cè)范圍(4′點(diǎn)和4″點(diǎn)雷同)，利用EXCEL的邏輯函數(shù)，只要輸入的點(diǎn)超出了電腦預(yù)測(cè)范圍，就會(huì)被電腦識(shí)別出，給出錯(cuò)誤提示，并停止計(jì)算。該編制模板將此范圍設(shè)置為-5～25 mm。正常情況下，人工出錯(cuò)都是隨機(jī)的，即便輸入了范圍圓內(nèi)電腦無法識(shí)別的錯(cuò)誤數(shù)字，其對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)誤差在1/1 000以內(nèi)。

對(duì)于小范圍的錯(cuò)誤識(shí)別，電腦不能給出提示，需要人為進(jìn)行錯(cuò)誤識(shí)別。該編制模板采用了三級(jí)半徑差監(jiān)測(cè)方法，權(quán)且叫作“曲線波動(dòng)值”。曲線波動(dòng)值的原理就是三級(jí)半徑差取整的絕對(duì)值，曲線波動(dòng)值見表1。

表1 曲線波動(dòng)值

對(duì)于曲率變化均勻的曲線，三級(jí)半徑差便可趨于0，或者等于0，根據(jù)以往工程實(shí)踐，趨于0的，一般不大于3。因此波動(dòng)值大于等于4的，其對(duì)應(yīng)的填充數(shù)或其周圍的數(shù)有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這里說的“有可能”是基于有時(shí)設(shè)計(jì)的數(shù)字原本如此，需要人工核對(duì)輸入的數(shù)字是否真的有錯(cuò)。用此辦法監(jiān)測(cè)數(shù)值的精度能夠達(dá)到半徑在1～3 mm，標(biāo)高在2～80 mm(處于喉部標(biāo)高附近的偏差除外)。只要偏差不超過上限，就不影響計(jì)算結(jié)果。監(jiān)測(cè)厚度填充的小范圍的偏差也采用了這種方法。

3 EXCEL工作表編制法的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況介紹

EXCEL工作表編制法先后在石家莊熱電廠七期擴(kuò)建工程、宣化熱電一期300 MW供熱機(jī)組、河北華電石家莊裕華熱電一期300 MW供熱機(jī)組、任丘熱電廠350 MW超臨界供熱機(jī)組水塔設(shè)計(jì)工程中進(jìn)行了應(yīng)用。通過在石家莊熱電廠七期擴(kuò)建工程水塔設(shè)計(jì)中應(yīng)用該方法得知，它嚴(yán)格符合某一雙曲函數(shù)，厚度符合羅比錫公式，全部采用自動(dòng)填充模式，圖表編制用時(shí)不到30 min；宣化熱電一期300 MW供熱機(jī)組工程水塔設(shè)計(jì)參數(shù)采用了非自動(dòng)填充模式，由于設(shè)計(jì)給定的是中面曲線的數(shù)據(jù)，圖表編制用時(shí)不到2 h；河北華電石家莊裕華熱電一期300 MW供熱機(jī)組工程、水塔設(shè)計(jì)給定的參數(shù)是內(nèi)表面的幾何參數(shù)，利用EXCEL將其換算成中面參數(shù)，然后再采用非自動(dòng)填充模式進(jìn)行編制，編制用時(shí)不超過3 h；目前在建的任丘熱電廠350 MW超臨界供熱機(jī)組工程，其水塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)與宣化的一樣，給定的是中面參數(shù)，采用非自動(dòng)填充模式，1.5 h編制完成。

3.2 應(yīng)用效果

a.工作效率高。按編制一個(gè)圖表用3 h計(jì)算，相對(duì)于CAD法的用時(shí)4天，提高功效10倍。

b.數(shù)字精度高、準(zhǔn)確度高。在所編制的圖表中，經(jīng)得起檢驗(yàn)，任意抽取一組標(biāo)高、半徑和厚度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)學(xué)驗(yàn)算，都十分準(zhǔn)確地落在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的曲線上，從而證明，這組數(shù)據(jù)就等同于設(shè)計(jì)參數(shù)。長(zhǎng)度精度達(dá)到mm，面積精度達(dá)到1/100 m2，體積精度達(dá)到1/1 000 m3。

c.模板無限次重復(fù)利用。由于該編制模板已制作成相對(duì)固定的格式，單元格中公式的編輯已固定并進(jìn)行了保護(hù)。因此利用EXCEL復(fù)制粘貼功能可將編制結(jié)果粘貼到新建的EXCEL表中，編制模板就可重復(fù)利用。

4 結(jié)束語

EXCEL工作表編制法是一種全新的編制方法，與傳統(tǒng)的編制方法相比較具有快捷、精確、完整、先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，該方法的應(yīng)用提高了工作人員的工作效率，在工程施工中具有很好的實(shí)用價(jià)值。

本文責(zé)任編輯：楊秀敏