冷卻塔造型(xing)為什么(me)那么(me)設計(ji)？有(you)什么(me)優勢？

這個(ge)問題其實是很容易讓(rang)人(ren)迷(mi)惑(huo)的(de)(de)，因(yin)為各(ge)種(zhong)因(yin)素交(jiao)織在一(yi)起，其實中間(jian)隱(yin)含(han)著幾個(ge)不同的(de)(de)問題：

為(wei)什么冷卻塔的側面是曲(qu)面的？

 為什么這種(zhong)曲(qu)面(mian)是雙曲(qu)面(mian)形(xing)狀的？

為什么上面的開口(kou)小？

以下是對其中因素(su)主次程度及(ji)其他原因的分析：

1.首先最早的冷卻塔是(shi)有各(ge)種形(xing)狀，如直筒(tong)和八邊(bian)形(xing)筒(tong)。

早(zao)期各種形狀的冷卻塔

2.而在(zai)Iterson在(zai)1915年第(di)一次發明了雙曲(qu)面(mian)型塔后(hou), 這種構(gou)型在(zai)熱電(dian)站中迅速流行(xing)，那么為什么會有(you)這種轉變呢？答案是規(gui)模，隨著大型火/核(he)電(dian)站的出(chu)現而有(you)了這種自然通風式雙曲(qu)面(mian)冷卻塔。

這是一個關系鏈：

1 電站裝機(ji)增大；

2 需要建更大規模的冷卻塔；

3 冷卻(que)能力受面積和高度的(de)直接影響，因此冷卻(que)塔要更高更大(da)；

4 高(gao)大的(de)圓筒狀結構(gou)很不穩(wen)定，即使建造出來(lai)成本(ben)也(ye)很高(gao)；

5 需(xu)要用經濟的手段建造大型(xing)冷卻塔；

6 雙曲面塔最經濟(ji)。

1和(he)(he)2不(bu)用解釋，過(guo)程3中需要一個(ge)公式，即(ji)冷(leng)卻的(de)(de)能力(li)（單位面積抽力(li)）只和(he)(he)冷(leng)卻塔(ta)(ta)的(de)(de)高度和(he)(he)內外氣體密度差有(you)關(guan)，因此冷(leng)卻塔(ta)(ta)造得越來越高，現(xian)如(ru)今通常都在100米(mi)以上，而新造塔(ta)(ta)都超過(guo)了(le)160米(mi)甚至出現(xian)很多超過(guo)200米(mi)的(de)(de)塔(ta)(ta)。

這(zhe)就造成(cheng)了圖中的(de)問題，不管用(yong)混凝(ning)土(tu)還是鋼結構，200米高的(de)直(zhi)墻(qiang)都是很不穩(wen)定的(de)，要(yao)讓(rang)它承受風阻和變形就得加厚或者加大(da)量鋼筋，最終一個塔會(hui)像摩(mo)天大(da)樓一樣，成(cheng)本(ben)無法接受。

因此，在(zai)5中，我們得找一種經濟的手段讓(rang)冷卻塔成本降低，那就(jiu)(jiu)是殼狀曲面結構(gou)，也就(jiu)(jiu)是說曲率能夠產生強(qiang)度(du)。

這(zhe)是因為曲(qu)(qu)(qu)(qu)面(mian)的高(gao)斯(si)(si)曲(qu)(qu)(qu)(qu)率(lv)非0，大數學家高(gao)斯(si)(si)提(ti)出的“絕妙定理（Theorema Egregium）”中可以推論(lun)：你可以隨意彎曲(qu)(qu)(qu)(qu)一(yi)個曲(qu)(qu)(qu)(qu)面(mian)，只(zhi)要(yao)你不拉長、壓縮或者撕裂它，高(gao)斯(si)(si)曲(qu)(qu)(qu)(qu)率(lv)一(yi)定不會變。可見：你拿披薩的方式，很可能是錯的。

換言之，對于高斯(si)曲率非0的結構，只有(you)它被撕裂或超(chao)出材料承(cheng)受能力時高斯(si)曲率才(cai)會發(fa)生變化，因此曲面的結構強(qiang)度和抗變形(xing)能力是非常強(qiang)的。

因此我們要(yao)(yao)將冷卻(que)塔建造為曲(qu)面的形(xing)(xing)狀(zhuang)。這(zhe)里要(yao)(yao)注(zhu)意的是(shi)，圓(yuan)柱形(xing)(xing)和錐(zhui)形(xing)(xing)的結構其高斯曲(qu)率是(shi)0，也就是(shi)說可以(yi)用一個平面卷成(cheng)圓(yuan)柱或圓(yuan)錐(zhui)，因此其強度(du)是(shi)不如其它曲(qu)面的。

由左(zuo)至(zhi)右：負高斯(si)曲(qu)(qu)(qu)率曲(qu)(qu)(qu)面（雙曲(qu)(qu)(qu)面），零(ling)高斯(si)曲(qu)(qu)(qu)率曲(qu)(qu)(qu)面（圓柱面），和(he)正高斯(si)曲(qu)(qu)(qu)率曲(qu)(qu)(qu)面（球(qiu)面）。

所有(you)的(de)(de)薄殼(ke)曲面(mian)結構(gou)都具有(you)高(gao)強(qiang)度和節省(sheng)材(cai)料的(de)(de)特點，也有(you)其他(ta)形狀和材(cai)料的(de)(de)冷卻塔，對于結構(gou)的(de)(de)探(tan)索(suo)是永無(wu)止(zhi)境的(de)(de)。

華電的土默特(te)右旗火電廠，其銀光閃閃的鋼結(jie)構冷卻塔非常顯眼

目前典型(xing)的大型(xing)冷卻(que)塔(ta)大約高 150m , 底部(bu)直徑大約是(shi) 150m , 就是(shi)說, 它的底部(bu)可以容納一個(ge)足球場(chang). 然而它的厚(hou)度卻(que)很薄(bo),最薄(bo)處只有(you) 20cm. 如果(guo)將冷卻(que)塔(ta)成比例地縮小(xiao)到雞蛋(dan)(dan)殼直徑 大小(xiao), 則它比雞蛋(dan)(dan)殼還要薄(bo), 僅(jin)及雞蛋(dan)(dan)殼厚(hou)度的1/5。

3.那么為什么雙曲面的結構(gou)最經(jing)濟(ji)呢？

首先，根據冷卻塔的(de)結(jie)構可以看到，中間(jian)收窄的(de)設計使(shi)得在同樣的(de)淋水面(mian)(mian)積(ji)下，進(jin)風(feng)口面(mian)(mian)積(ji)可以更大，有助于增加風(feng)量。因此這個(ge)曲(qu)面(mian)(mian)應(ying)該是內(nei)彎的(de)（負(fu)高斯(si)曲(qu)率）。

很多答(da)案中提(ti)到雙曲(qu)面最省材料(liao)， 有個答(da)案中說(shuo)： 

圖中冷卻塔(ta)的(de)造型是(shi)(shi)一個(ge)雙(shuang)曲(qu)面(mian)(mian)。 在已知底面(mian)(mian)和頂面(mian)(mian)是(shi)(shi)圓形(xing)的(de)情況(kuang)下算(suan)連續連接(jie)面(mian)(mian)的(de)最(zui)小表面(mian)(mian)積，解方程會(hui)發(fa)現(xian)連接(jie)面(mian)(mian)是(shi)(shi)雙(shuang)曲(qu)函數旋轉(zhuan)面(mian)(mian)。因(yin)此冷卻塔(ta)設計為雙(shuang)曲(qu)面(mian)(mian)形(xing)狀帶來的(de)最(zui)大好處是(shi)(shi)：

同等冷卻(que)能力下（同樣(yang)大小的(de)底面(mian)和頂面(mian)，同樣(yang)高度，同樣(yang)的(de)冷卻(que)介(jie)質(zhi)共同決(jue)定(ding)了同等的(de)最大冷卻(que)能力）建塔時(shi)用的(de)材(cai)料最少。（可以近似(si)認為壁厚一定(ding)的(de)情況(kuang)下材(cai)料用量正(zheng)比于表面(mian)積）

這(zhe)其實是錯誤(wu)的，連續連接面(mian)的最小(xiao)(xiao)表(biao)面(mian)積(ji)是一種"最小(xiao)(xiao)曲(qu)(qu)面(mian)"問題，德國數(shu)學家(jia)歐拉(la)在1744年的論文中作了解答，"懸鏈(lian)曲(qu)(qu)面(mian)"才是那種有最小(xiao)(xiao)表(biao)面(mian)積(ji)的旋(xuan)轉曲(qu)(qu)面(mian)，懸鏈(lian)曲(qu)(qu)面(mian)是懸鏈(lian)線繞其(qi)準線旋(xuan)轉所(suo)得。

而雙曲(qu)面(mian)(mian)是(shi)雙曲(qu)線繞(rao)準線生成的（還(huan)可以是(shi)直線繞(rao)不(bu)共面(mian)(mian)的一條準線生成），因此(ci)兩種(zhong)曲(qu)面(mian)(mian)看(kan)上去形(xing)狀相(xiang)近，但卻是(shi)完全不(bu)同的。

紫色為(wei)雙曲(qu)線(xian)(xian)，橙色為(wei)懸鏈線(xian)(xian)

雙曲面經濟性的原因不是(shi)因為(wei)最節省材料(liao)，而是(shi)因為(wei)其建造方式(shi)，雙曲面是(shi)一(yi)(yi)種直紋曲面，是(shi)由一(yi)(yi)條直線通過連續運(yun)動構成，這是(shi)它最重要的幾何性質(zhi)。

可(ke)以看到，直線繞軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)形成了雙曲面。

因(yin)此鋼筋在布置時不需要(yao)彎曲,即(ji)將其(qi)平行于空間斜向直線即(ji)可(ke)。

廣州塔，又稱“小蠻(man)腰”，每一根主鋼(gang)梁都(dou)是直的

因此在1915年荷蘭工程師Iterson實施了(le)這種方案后，雙(shuang)曲面(mian)形式的冷卻(que)(que)塔(ta)流行了(le)起來。當然現如今(jin)隨(sui)著尺寸(cun)的增(zeng)大，雙(shuang)曲冷卻(que)(que)塔(ta)的施工方式都是分段混凝(ning)土現澆的。

世界上最早的雙曲面冷(leng)卻(que)塔的建造(zao)過程

經歷了多(duo)年(nian)的工(gong)程(cheng)實踐，這(zhe)種結構的力(li)學(xue)性能和防(fang)風(feng)性能得(de)到了很好的檢驗，成(cheng)為了最普(pu)遍的冷卻塔形式，因(yin)此沿用雙曲面也是一種歷史(shi)的慣性。

實際上，工(gong)(gong)程(cheng)實踐中不(bu)是完全按照曲面(mian)的(de)幾何(he)形(xing)狀去施(shi)(shi)工(gong)(gong)，實際的(de)施(shi)(shi)工(gong)(gong)中曲面(mian)大多是采用分節施(shi)(shi)工(gong)(gong)的(de)辦法(fa)，給定筒(tong)壁母線半徑和壁厚然(ran)后用多段(duan)平面(mian)鋼模板(ban)去逼近(jin)。

因此嚴格(ge)來說，其(qi)最終形狀和雙(shuang)曲線(xian)(xian)型的母線(xian)(xian)是有(you)所差異的，現如今的塔形是優化設計(ji)、工(gong)程(cheng)實踐和施工(gong)習(xi)慣相(xiang)互(hu)影響的結果，和幾何(he)上的雙(shuang)曲面會有(you)差異。

上面提(ti)到的(de)波蘭Kozienice 電站(zhan)的(de)冷(leng)卻(que)塔(ta)，它(ta)的(de)初始幾何形狀(zhuang)和(he)施工設計圖(tu)是(shi)有細微差異的(de)。

中(zhong)間(jian)內彎的結構還(huan)有一(yi)種額外的特(te)性，文丘里效應，氣流通道變窄可以(yi)提高氣體的速(su)度(du)，有助于提高在(zai)蒸發器(qi)附近的氣體速(su)度(du)，但這部(bu)分是存疑的，根(gen)據一(yi)些(xie)資料(liao)這一(yi)部(bu)分的貢獻很小，還(huan)得請流體力學方面(mian)的專(zhuan)業答主釋疑。

廣州(zhou)塔塔身設(she)計的(de)最(zui)終方(fang)案(an)為(wei)橢圓(yuan)(yuan)形的(de)漸變網格結(jie)構(gou)(gou)，其造(zao)型、空間(jian)和結(jie)構(gou)(gou)由兩(liang)個向上旋(xuan)轉的(de)橢圓(yuan)(yuan)形鋼外殼變化(hua)生成，一個在基礎平(ping)面，一個在假(jia)想的(de)450米高的(de)平(ping)面上，兩(liang)個橢圓(yuan)(yuan)彼此扭轉135度，兩(liang)個橢圓(yuan)(yuan)扭轉在腰部收縮變細(xi)。

塔(ta)(ta)身整體網狀的漏(lou)風(feng)空洞，可有(you)效(xiao)減少塔(ta)(ta)身的笨重感和風(feng)荷載。塔(ta)(ta)身采用特一級的抗震設(she)計，可抵御(yu)烈度7.8級的地震和12級臺風(feng)，設(she)計使用年(nian)限超過(guo)100年(nian)。

廣(guang)州塔(ta)的塔(ta)身由下(xia)而上富有(you)大小(xiao)變(bian)化。其中，底部(bu)橢圓(yuan)直徑尺寸(cun)約(yue)為60米(mi)×80米(mi)，高寬(kuan)比為7.5；中部(bu)最細處(chu)橢圓(yuan)直徑約(yue)為30米(mi)，高寬(kuan)比為7.3。上部(bu)橢圓(yuan)直徑尺寸(cun)約(yue)為40.5米(mi)×54米(mi)。24根(gen)立柱(zhu)的間(jian)隔距離相(xiang)當，協(xie)調統(tong)一。

廣州塔外部鋼結構體(ti)系(xi)由24根立柱、斜撐和(he)圓環交叉構成，各立柱間隔(ge)相當，環形排(pai)列。

廣州塔塔身整體(ti)采用(yong)大量的(de)網狀的(de)漏風空洞并設置(zhi)特質透明玻璃漏出窗(chuang)景由上小(xiao)下大的(de)兩(liang)個橢圓體(ti)扭轉而成(cheng)，外(wai)部鋼結構體(ti)系由24根立(li)柱、斜(xie)撐和(he)圓環交叉(cha)構成(cheng)。

廣州塔(ta)塔(ta)身上下通過不同比(bi)例尺度(du)的(de)對比(bi)，烘托整體(ti)立面形象。細(xi)部(bu)(bu)處(chu)理必須(xu)從整體(ti)出發，由于塔(ta)中部(bu)(bu)較高(gao)，不便肉眼細(xi)部(bu)(bu)觀(guan)察，但外觀(guan)中間最細(xi)部(bu)(bu)給(gei)人突出的(de)感覺。

另(ling)外，由于(yu)(yu)廣州(zhou)新(xin)電視塔處于(yu)(yu)飛機(ji)轉向區(qu)，按(an)照規定(ding)，該處飛機(ji)在航線所處位置周圍(wei)300米內不(bu)能出現(xian)(xian)障礙物，新(xin)電視塔上方飛機(ji)飛行高(gao)度為海拔900米，因此，為確保(bao)飛機(ji)飛行安全，也對塔頂(ding)天(tian)線做了細部處理，現(xian)(xian)已從塔頂(ding)天(tian)線撤(che)出10米，最終(zhong)高(gao)度為600米。