礦石料倉庫容數字化設計與研究

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、料堆體積的設計及工程量的計算是礦石骨料系統料倉設計的難點，下料口的尺寸、距料堆邊線的距離、數量、排距等均會影響庫容量，如何設計下料口的各項參數，使活庫容最大化，是料倉設計的重點。本文利用數字化手段，改變傳統采用剖斷面估算和查表估算料確定料倉大小、活庫容儲量、下料口位置，實現參數化快速建立料倉模型，根據不同的設計方案，提取料堆、活死庫容體積信息，獲取工程量，進而對設計方案進行比選，可快速完成場地料倉布置設計，得到最優料倉設計結果。

圖1 料堆參數化模型

2 料倉參數化建模

2.1 料倉坡度設置

料倉由于有排水需求，往往設定了坡度，因此首先需創建一個坡度參數化平面，后期令料堆放置在此平面上。料倉坡度設計采用Dynamo軟件進行參數化設計，控制平面旋轉。首先利用節點Vector.ByCoordinates創建垂直于XY平面的法向量，再使用Vector.Rotate鏈接法向量，并控制旋轉向量角度i，此角度設為設計參數變量，再利用此旋轉后的法向量結合Plane.ByOriginNormal節點創建平面即可得到參數化控制坡度的平面。

2.2 料堆設置

2.2.1 定點堆料

定點料堆呈現圓錐體，其立面是等腰三角形，選取料堆高度H作為設計參數化變量，堆積角A作為物料類型參數化變量，根據實際物料數據填寫。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，若使用圓錐方式創建，圓錐將完全垂直平面，與現實不符。頂圓的平面理想狀態下為平行于XY軸的平面，因此先使用Plane.XY創建基于XY軸的平面，再使用Plane.Offset偏移平面高度H，H為參數化變量。至此，兩個空間平面就已創建完成，利用Circle.ByPlaneRadius將底圓基于底部傾斜平面創建，頂圓基于頂平面創建，創建完成后用List.Create將兩個圓組合，再采用Solid.ByLoft節點融合兩個圓得到料堆模型。

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。首先設置料堆長度L為設計參數化變量，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，因此首先通過三點創建三棱柱某一截面的三角形，其三點坐標與料堆的半徑和高度相關聯，具體為A（0，r，0）、B（0，-r，0）、C（0，0，H），再使用Polygon.Bypoints，將三點連成面，以此達到三角形各參數與料堆參數關聯的目的。進而需將三角形進行拉伸，形成三棱柱體，前面已經得到了傾斜的法向量，由于創建起點位于坐標原點（0，0，0）位置，因此拉伸需向兩個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±90°分別得到兩個拉伸的方向向量。通過Curve.ExtrudeAsSolid節點，將面沿方向向量拉伸，拉伸長度均為三棱柱長度的一半，至此帶有旋轉角度的三棱柱創建完成。

圖2 條形料堆參數化模型

3 天圓地方及陣列參數化建模

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，因此也是料倉設計中的常見參數。設定下料口的邊長B為設計參數化變量。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。以下料口對角線方向剖開，將底部看作正方形的外切圓計算頂部圓半徑，頂部圓半徑計算見公式(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、圓形基于頂平面創建，將兩者融合，得到由下料口大小自動參變的天圓地方模型。

圖3 天圓地方參數化模型

下料口的數量和間距及距邊界距離同樣影響活庫容量，因此兩者也設為設計參數化變量。此處使用Range節點，此節點需設定起點和終點模型位置，然后設置距離，以令其等分。首先創建確定下料口距離邊界的位置，設置距邊界距離參數L1，移動復制距離則為條形料堆的長度L減L1，即可得到兩個位于兩端的下料口位置。設置下料口個數，用個數及長度對間距進行反推，間距計算見公式（2）。

式中：L為條形料堆長度，mm；L1為距邊界距離，mm。

將起點、終點及間距連入Range節點，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節點將數個下料口及天圓地方模型進行計算，刪去其重疊部分，避免體積重復計算。至此，便得到由距邊界長度、下料口數量控制的單排等距參數化天圓地方模型。

圖4 天圓地方陣列參數化模型

料倉常見單排及雙排下料口，上方已經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節點進行復制和移動，以原點為中心，創建方向為±Y的方向向量，中心距設置為參數化，使兩排模型可等距沿±Y軸方向平移控制。使用Solid.Union節點將兩排天圓地方模型的重疊體積進行去除，便于體積統計。

圖5 天圓地方雙排陣列參數化模型

4 模型布爾及工程量計算

最終需將料堆及天圓地方模型進行布爾運算，相減得到死庫容料堆模型。使用Solid DifferenceAll節點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，則料倉的參數化模型便設計完成，后期可根據項目實際情況，修改平面坡度、料堆高度、堆積角、料口數量、邊長、間距來參數化修改模型即可，無需重復進行建模，快速得到工程量，便于設計方案比選。

圖6 定點堆料，單廊道下料參數化模型

圖7 定點堆料，雙廊道下料參數化模型

圖8 條形堆料，單廊道下料參數化模型

圖9 條形堆料，雙廊道下料參數化模型

5 模型使用

對各設計方案比選結束后，Dynamo創建的參數化料倉同時可導入Revit中進行場地布置設計，減少了技術人員的建模工作量。

而Revit和Dynamo的互通也有幾種節點方式可進行選擇，本文推薦采用FamilyType.ByGeometry節點，此節點需使用Revit中的參數賦予Dynamo參數化模型名稱、類別、族模板路徑、材質，利于各參數化模型的工程量統計。族類別一般選擇“常規模型”，而材質需要先在Revit中進行創建，然后在Dynamo中填寫與Revit材質名稱一致的文字。全部操作完成后，運行即可。

圖10 Revit族模型

6 應用實例

以某礦石骨料系統為例，料倉為定點落料，設計高度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系

下料口與落料點投影的偏心距離會影響活庫容的大小，在遠離落料點外側增設一個下料口，增設下料口后總累計活庫容增加。為簡化問題，同等情況下，僅分析增設在最外側的下料口獨立工作時，從落料點到料堆邊線偏心距離增加的情況下活庫容變化，經參數化設計建模后，輸入下料口偏心距離，活庫容量也會隨之變化，為增加總活庫容量需盡可能向料堆邊線方向增設下料口，但最外側增設的下料口利用效率會減小。通過數據分析，增設下料口偏心距離在0m～24.8m之間變化時，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%，此區間設置最外側下料口較為理想。

6.2 下料口數量與活庫容關系

下料口的數量直接影響投入成本，如何兼顧投入和有效庫容利用達到理想的效果，是本節的研究重點。通過上一節分析可知，下料口距落料點投影距離12.8m～16.8m之間時，下料口的利用率和活庫容量均較理想，因此設定最邊緣的兩個下料口位置固定，距離落料點投影距離16.8，經分析，下料口數量為4～5個時，活庫容量及單位下料口利用率較為理想，此時設備投入少，活庫容大，是較優的配置選擇。

6.3 下料口排距與活庫容關系

當下料口距料堆邊線距離、下料口數量按照前兩節的分析設計完成后，若采用雙廊道下料，廊道排距對活庫容的影響也是設計應該考慮的因素。設定最邊緣的兩個下料口位置距離落料點投影距離16.8m，單排廊道下料口數量設為4個，通過參數化建模分析，分析廊道排距與活庫容的對應關系，經分析，若采用雙廊道下料，廊道排距為14m時，活庫容達到最大。

7 結論

本文利用Dynamo二次開發，對料倉進行參數化建模及庫容快速計算，真正解決了天圓地方重疊部分計算的技術難題，取代了經驗取值和剖斷面估算的做法，大大降低了誤差，使設計依據更加充分，便于方案比選；通過此二次開發，大大降低了計算軟件使用難度，使工作人員僅需輸入部分參數，無需掌握BIM軟件；參數化建模計算結果可視化，隨計算結果動態更新，更加直觀；計算完成后，可將Dynamo編程的模型導入常見BIM軟件Revit中，減少了設計人員的建模工作量，大幅度提高工作效率。綜上，通過本文研發，可以高效完成礦石堆料倉設計方案的對比和優化。