礦石料倉庫容數(shù)字化設(shè)計(jì)與研究

袁云剛，胡怡寧，王 田

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

1 研究背景

料倉庫容量、料堆體積的設(shè)計(jì)及工程量的計(jì)算是礦石骨料系統(tǒng)料倉設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，下料口的尺寸、距料堆邊線的距離、數(shù)量、排距等均會(huì)影響庫容量，如何設(shè)計(jì)下料口的各項(xiàng)參數(shù)，使活庫容最大化，是料倉設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文利用數(shù)字化手段，改變傳統(tǒng)采用剖斷面估算和查表估算料確定料倉大小、活庫容儲(chǔ)量、下料口位置，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化快速建立料倉模型，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案，提取料堆、活死庫容體積信息，獲取工程量，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，可快速完成場地料倉布置設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)料倉設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 料堆參數(shù)化模型

2 料倉參數(shù)化建模

2.1 料倉坡度設(shè)置

料倉由于有排水需求，往往設(shè)定了坡度，因此首先需創(chuàng)建一個(gè)坡度參數(shù)化平面，后期令料堆放置在此平面上。料倉坡度設(shè)計(jì)采用Dynamo軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，控制平面旋轉(zhuǎn)。首先利用節(jié)點(diǎn)Vector.ByCoordinates創(chuàng)建垂直于XY平面的法向量，再使用Vector.Rotate鏈接法向量，并控制旋轉(zhuǎn)向量角度i，此角度設(shè)為設(shè)計(jì)參數(shù)變量，再利用此旋轉(zhuǎn)后的法向量結(jié)合Plane.ByOriginNormal節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建平面即可得到參數(shù)化控制坡度的平面。

2.2 料堆設(shè)置

2.2.1 定點(diǎn)堆料

定點(diǎn)料堆呈現(xiàn)圓錐體，其立面是等腰三角形，選取料堆高度H作為設(shè)計(jì)參數(shù)化變量，堆積角A作為物料類型參數(shù)化變量，根據(jù)實(shí)際物料數(shù)據(jù)填寫。則料堆半徑通過公式R=H/tanA即可得到。

圓錐體模型需采用融合方式建模，由于底部是處于斜面，若使用圓錐方式創(chuàng)建，圓錐將完全垂直平面，與現(xiàn)實(shí)不符。頂圓的平面理想狀態(tài)下為平行于XY軸的平面，因此先使用Plane.XY創(chuàng)建基于XY軸的平面，再使用Plane.Offset偏移平面高度H，H為參數(shù)化變量。至此，兩個(gè)空間平面就已創(chuàng)建完成，利用Circle.ByPlaneRadius將底圓基于底部傾斜平面創(chuàng)建，頂圓基于頂平面創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后用List.Create將兩個(gè)圓組合，再采用Solid.ByLoft節(jié)點(diǎn)融合兩個(gè)圓得到料堆模型。

2.2.2 條形堆料

條形堆料的料堆兩邊為圓錐體，中間為三棱柱。首先設(shè)置料堆長度L為設(shè)計(jì)參數(shù)化變量，由L減去圓錐體直徑，便是三棱柱的長度。由于底部為傾斜面，因此首先通過三點(diǎn)創(chuàng)建三棱柱某一截面的三角形，其三點(diǎn)坐標(biāo)與料堆的半徑和高度相關(guān)聯(lián)，具體為A（0，r，0）、B（0，-r，0）、C（0，0，H），再使用Polygon.Bypoints，將三點(diǎn)連成面，以此達(dá)到三角形各參數(shù)與料堆參數(shù)關(guān)聯(lián)的目的。進(jìn)而需將三角形進(jìn)行拉伸，形成三棱柱體，前面已經(jīng)得到了傾斜的法向量，由于創(chuàng)建起點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）位置，因此拉伸需向兩個(gè)方向分別拉伸三棱柱長度的一半。首先將法向量繞y軸旋轉(zhuǎn)±90°分別得到兩個(gè)拉伸的方向向量。通過Curve.ExtrudeAsSolid節(jié)點(diǎn)，將面沿方向向量拉伸，拉伸長度均為三棱柱長度的一半，至此帶有旋轉(zhuǎn)角度的三棱柱創(chuàng)建完成。

圖2 條形料堆參數(shù)化模型

3 天圓地方及陣列參數(shù)化建模

下料口于工程中常為正方形，常見尺寸有0.8m＊0.8m、1m＊1m、1.4m＊1.4m等，下料口的邊長影響活庫容的多少，因此也是料倉設(shè)計(jì)中的常見參數(shù)。設(shè)定下料口的邊長B為設(shè)計(jì)參數(shù)化變量。卸料后活庫存的體積形似天圓地方，即頂部為圓形，底部為方形。這里使用融合命令建模。頂部圓形半徑r與正方形的尺寸大小、料堆高度、堆積角有關(guān)。以下料口對(duì)角線方向剖開，將底部看作正方形的外切圓計(jì)算頂部圓半徑，頂部圓半徑計(jì)算見公式(1)。

式中：r為頂部圓形半徑，mm；H為料堆高度，mm；α為卸料堆積角，°；B為下料口邊長，mm。

即可得出。將正方形基于傾斜底平面、圓形基于頂平面創(chuàng)建，將兩者融合，得到由下料口大小自動(dòng)參變的天圓地方模型。

圖3 天圓地方參數(shù)化模型

下料口的數(shù)量和間距及距邊界距離同樣影響活庫容量，因此兩者也設(shè)為設(shè)計(jì)參數(shù)化變量。此處使用Range節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)需設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)模型位置，然后設(shè)置距離，以令其等分。首先創(chuàng)建確定下料口距離邊界的位置，設(shè)置距邊界距離參數(shù)L1，移動(dòng)復(fù)制距離則為條形料堆的長度L減L1，即可得到兩個(gè)位于兩端的下料口位置。設(shè)置下料口個(gè)數(shù)，用個(gè)數(shù)及長度對(duì)間距進(jìn)行反推，間距計(jì)算見公式（2）。

式中：L為條形料堆長度，mm；L1為距邊界距離，mm。

將起點(diǎn)、終點(diǎn)及間距連入Range節(jié)點(diǎn)，即可得到等分陣列的模型。Range陣列出的模型同樣存在大量重疊部分，采用ByUnion節(jié)點(diǎn)將數(shù)個(gè)下料口及天圓地方模型進(jìn)行計(jì)算，刪去其重疊部分，避免體積重復(fù)計(jì)算。至此，便得到由距邊界長度、下料口數(shù)量控制的單排等距參數(shù)化天圓地方模型。

圖4 天圓地方陣列參數(shù)化模型

料倉常見單排及雙排下料口，上方已經(jīng)敘述了單排下料口及天圓地方的建模流程。而兩排天圓地方采用Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制和移動(dòng)，以原點(diǎn)為中心，創(chuàng)建方向?yàn)椤繷的方向向量，中心距設(shè)置為參數(shù)化，使兩排模型可等距沿±Y軸方向平移控制。使用Solid.Union節(jié)點(diǎn)將兩排天圓地方模型的重疊體積進(jìn)行去除，便于體積統(tǒng)計(jì)。

圖5 天圓地方雙排陣列參數(shù)化模型

4 模型布爾及工程量計(jì)算

最終需將料堆及天圓地方模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，相減得到死庫容料堆模型。使用Solid DifferenceAll節(jié)點(diǎn)快速得出料堆與天圓地方并集的差集模型，便得到料倉的死庫容模型。通過Solid.Volume提取料堆及死庫容的工程量，再利用減法公式料堆體積減去死庫容體積，取得活庫容工程量，則料倉的參數(shù)化模型便設(shè)計(jì)完成，后期可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，修改平面坡度、料堆高度、堆積角、料口數(shù)量、邊長、間距來參數(shù)化修改模型即可，無需重復(fù)進(jìn)行建模，快速得到工程量，便于設(shè)計(jì)方案比選。

圖6 定點(diǎn)堆料，單廊道下料參數(shù)化模型

圖7 定點(diǎn)堆料，雙廊道下料參數(shù)化模型

圖8 條形堆料，單廊道下料參數(shù)化模型

圖9 條形堆料，雙廊道下料參數(shù)化模型

5 模型使用

對(duì)各設(shè)計(jì)方案比選結(jié)束后，Dynamo創(chuàng)建的參數(shù)化料倉同時(shí)可導(dǎo)入Revit中進(jìn)行場地布置設(shè)計(jì)，減少了技術(shù)人員的建模工作量。

而Revit和Dynamo的互通也有幾種節(jié)點(diǎn)方式可進(jìn)行選擇，本文推薦采用FamilyType.ByGeometry節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)需使用Revit中的參數(shù)賦予Dynamo參數(shù)化模型名稱、類別、族模板路徑、材質(zhì)，利于各參數(shù)化模型的工程量統(tǒng)計(jì)。族類別一般選擇“常規(guī)模型”，而材質(zhì)需要先在Revit中進(jìn)行創(chuàng)建，然后在Dynamo中填寫與Revit材質(zhì)名稱一致的文字。全部操作完成后，運(yùn)行即可。

圖10 Revit族模型

6 應(yīng)用實(shí)例

以某礦石骨料系統(tǒng)為例，料倉為定點(diǎn)落料，設(shè)計(jì)高度18m，物料堆積角36°，料堆半徑約24.8m，下料口尺寸1.1m＊1.1m。

6.1 下料口偏心距與活庫容關(guān)系

下料口與落料點(diǎn)投影的偏心距離會(huì)影響活庫容的大小，在遠(yuǎn)離落料點(diǎn)外側(cè)增設(shè)一個(gè)下料口，增設(shè)下料口后總累計(jì)活庫容增加。為簡化問題，同等情況下，僅分析增設(shè)在最外側(cè)的下料口獨(dú)立工作時(shí)，從落料點(diǎn)到料堆邊線偏心距離增加的情況下活庫容變化，經(jīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)建模后，輸入下料口偏心距離，活庫容量也會(huì)隨之變化，為增加總活庫容量需盡可能向料堆邊線方向增設(shè)下料口，但最外側(cè)增設(shè)的下料口利用效率會(huì)減小。通過數(shù)據(jù)分析，增設(shè)下料口偏心距離在0m～24.8m之間變化時(shí)，偏心距12.8m～16.8m間的曲線斜率較大，下料口利用率從65.7%降到44.0%，此區(qū)間設(shè)置最外側(cè)下料口較為理想。

6.2 下料口數(shù)量與活庫容關(guān)系

下料口的數(shù)量直接影響投入成本，如何兼顧投入和有效庫容利用達(dá)到理想的效果，是本節(jié)的研究重點(diǎn)。通過上一節(jié)分析可知，下料口距落料點(diǎn)投影距離12.8m～16.8m之間時(shí)，下料口的利用率和活庫容量均較理想，因此設(shè)定最邊緣的兩個(gè)下料口位置固定，距離落料點(diǎn)投影距離16.8，經(jīng)分析，下料口數(shù)量為4～5個(gè)時(shí)，活庫容量及單位下料口利用率較為理想，此時(shí)設(shè)備投入少，活庫容大，是較優(yōu)的配置選擇。

6.3 下料口排距與活庫容關(guān)系

當(dāng)下料口距料堆邊線距離、下料口數(shù)量按照前兩節(jié)的分析設(shè)計(jì)完成后，若采用雙廊道下料，廊道排距對(duì)活庫容的影響也是設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的因素。設(shè)定最邊緣的兩個(gè)下料口位置距離落料點(diǎn)投影距離16.8m，單排廊道下料口數(shù)量設(shè)為4個(gè)，通過參數(shù)化建模分析，分析廊道排距與活庫容的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)分析，若采用雙廊道下料，廊道排距為14m時(shí)，活庫容達(dá)到最大。

7 結(jié)論

本文利用Dynamo二次開發(fā)，對(duì)料倉進(jìn)行參數(shù)化建模及庫容快速計(jì)算，真正解決了天圓地方重疊部分計(jì)算的技術(shù)難題，取代了經(jīng)驗(yàn)取值和剖斷面估算的做法，大大降低了誤差，使設(shè)計(jì)依據(jù)更加充分，便于方案比選；通過此二次開發(fā)，大大降低了計(jì)算軟件使用難度，使工作人員僅需輸入部分參數(shù)，無需掌握BIM軟件；參數(shù)化建模計(jì)算結(jié)果可視化，隨計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)更新，更加直觀；計(jì)算完成后，可將Dynamo編程的模型導(dǎo)入常見BIM軟件Revit中，減少了設(shè)計(jì)人員的建模工作量，大幅度提高工作效率。綜上，通過本文研發(fā)，可以高效完成礦石堆料倉設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和優(yōu)化。