立井井筒装备三维协同设计系统研究

张海清

(淮浙煤电有限公司顾北煤矿，安徽 淮南 232000)

0 引言

立井井筒装备施工图具有设计难度大、设计周期长、出图量大(几十张到一百多张自然图纸)、工程量统计易出错、构件精细化程度高、力学计算复杂等诸多难点，是采矿施工图设计中最复杂、工作量最大的单位施工图。

目前我国大多数煤矿设计院的设计理念、设计工具比较落后，大都是用AutoCAD之类的二维绘图软件进行绘图，而后通过手工计算，再通过Office软件编辑设计计算文档，设计工作无法协同，设计结果也不能自动可视化，更不能进行分析模拟和仿真，设计效率低，设计不能满足未来智慧矿山建设的需要[1-6]。因此急需立井井筒装备三维协同设计软件的开发。

1 传统立井井筒装备设计

传统立井井筒装备主要设计流程图如图1所示，各相关专业给采矿专业所提资料示意图如图2所示。

图1 传统立井井筒装备设计流程Fig.1 Design process of traditional shaft equipment

图2 各相关专业为采矿专业提供资料示意Fig.2 Data provided by relevant majors for mining majors

采矿专业根据初步设计断面布置图给机械、机制、给排水、暖通及电气专业提井筒断面布置图资料。各专业根据初步设计提各专业施工图资料给采矿，采矿专业收到相关专业资料后，重新校核初步设计的井筒断面布置图，如需要应在基础上重新布置容器、管路、线缆、梯子间等井筒装备内容，优化断面布置[7-9]。

根据井筒检查孔报告的水质酸碱情况，确定整个井筒装备的防腐方式，再分别对罐道、罐道梁、管路梁、托架等进行受力计算，确定相关几何尺寸。断面布置确定后给各专业再提井筒断面布置图。根据井筒及相关硐室及开口位置，对井筒装备进行空间的布置，确定井筒装备各构件的安装标高，形成井筒装备一览表。接着进行非标断面布置图的制图设计及剖面图绘制。然后再进行各构件的加工图及安装关系图。最后统计相关构件的工程数量及安装件的数量形成材料消耗量表[10-13]。

制图完成编制目录及顺序号送三级检查进行检查。三级检查意见修改完后正式发图并给各专业提供相关施工图资料，如图1、2所示。

2 立井井筒装备三维协同设计理念及思路

该项目以地理信息系统和三维建模与可视化平台作为基础，实现各专业的快速协同和全数字化设计，实现煤矿立井井筒装备设计的规范化、流程化、自动化和智能化。

2.1 设计理念

通过立井井筒装备三维可视化设计软件系统的建立，实现立井井筒装备设计的自动化、智能化、规范化和可视化，彻底改变传统的立井井筒装备设计方法，系统在统一的界面下，输入相关参数即可自动生成二维施工图、三维效果图、工程量材料表以及设计文档，通过建立立井井筒装备三维模型，给设计人员提供了直观而精确的决策依据，全面提升矿井立井井筒装备的设计效率，缩短设计周期，使得设计人员能够快速高效地为客户提供服务，提高企业的核心竞争力，引领采矿设计行业的创新发展，同时为矿井项目的后续建设施工、生产管理的数字化提供先决条件和基础保证。

定制专业的设计流程：满足千变万化的井筒断面设计；针对种类繁多的井筒断面，结合设计行业的各类标准，对设计流程进行归纳、总结，实现标准化和规范化的流程设计。

建立立井井筒装备的二维和三维标准件库：针对主立井、副立井和回风立井3种不同类型的立井井筒装备进行有效的分析，建立完备的二维和三维装备标准件库，并且易于扩展。

设计科学的主体操作界面：根据专业的设计流程和不同类型立井井筒装备的设计内容，设计一个适合各类立井井筒装备设计、便于用户操作的友好界面。

井筒装备参数化：对于井筒装备的设计完全采用参数化，设计人员只需简单的修改一下参数就能方便快捷地实现不同装备的设计。

实现立井井筒装备的三维可视化：以三维建模与可视化平台为基础，实现各类立井井筒装备的三维可视化，为设计人员提供直观精确的决策方案。

实现井筒装备自动化：实现立井井筒装备计算的自动化、自动输出工程计算书；实现立井井筒装备的自动化、规范化、智能化和可视化；设计人员在主界面上进行一系列的操作，根据不同立井井筒装备类型，选择相应的装备，即可自动生成井筒装备设计所需要的二维施工图、三维效果图、工程量表和材料消耗表及设计文档。同时，对参数做出相应的修改后，即可实现二维图形、三维图形和相关表格的自动联动。

2.2 设计思路

2.2.1 井筒断面布置

读取数据管理中心的相关数据(井筒位置、直径、深度和支护参数)，选择出合适的容器，确定井筒所用的提升容器。

选择提升设备型号后，在数据管理中心标准库中读取设备的详细参数；分析罐道梁、罐道、管路、梯子间、电缆的组成构件，将其参数化；在数据管理中心调取相关部件的具体参数。

在确定基本的井筒装备布置之后，根据容器的尺寸、装备摆放位置以及各装备间的相关的安全间隙标准，对井筒断面直径进行3点优化，最终计算出满足要求的最优的井筒直径，在完成井筒断面形式的布置之后，设计人员还可以在根据需要在操作界面添加其他装备，进一步完善断面布置。

2.2.2 立井梯子与梯子间布置设计部分

数据中心获取井筒装备各位置参数，根据井筒断面设计部分罐道梁的装备确定梯子间具体位置；对梯子间构件参数进行分析，设计合理科学的梯子间界面。

对新添加的梯子间进行简单参数配置，以确定新添加的梯子间的名称、连接对象、位置和梯子间平台基本参数(长度和宽度)。

对梯子间进行详细参数设置，首先选定梯子间的类型(玻璃钢梯子间、金属梯子间)和布置形式(顺向、交错)，对于梯子间的构件(梯子架、梯子阶、梯子平台、金属壁网、标准件、梯子梁)进行详细参数配置。对于梯子架、梯子阶、壁网和标准件可以直接从基础数据库里面选择相应的类型，也可以自己添加类型；对于梯子平台可以输入更改其具体参数；对于梯子梁在界面显示一号梯子小梁、二号梯子小梁、三号梯子小梁的长度，不可更改，因为这是在选定梯子间位置的同时计算出各个梯子梁长，在相应界面显示梯子梁长度；在设计的过程中，要判断梯子间参数合理性，对于不合理参数及时干预。

2.2.3 立井井筒装备载荷力学计算

建立立井井筒装备的力学计算模型，实现与立井井筒及其装备有关的荷载计算、钢结构受力计算、构件的可靠性计算、施工和运动过程的动态计算。

具体思路为,分别针对罐道连接罐道梁和罐道直接连接井壁2种情况建立了立井井筒装备的力学计算模型。

利用钢结构有限元分析手段，计算井筒在施工和动态运动过程中，立井井筒装备的位移变化和应力情况。结合材料力学知识，判断装备构件的运行可靠性。

计算并在设计窗体上显示罐道梁各种最值位置，包括最大力、最大挠度、最大垂直弯矩、最大水平弯矩、最大扭矩、最大垂直力矩以及最大水平力矩的值及位置。

当构件可靠性不达标时，可以自动推荐合适的构件。当现有可用构件都无法达标时，则需要改变井筒布局，包括构件的摆放位置、层间距等。

根据罐道梁受力分析情况，生成MQ图。

根据立井井筒装备受力分析情况，生成罐道梁、罐道变形图及参数表格。

立井井筒装备协同设计流程如图3所示。

图3 立井井筒装备协同设计流程Fig.3 Flow chart of shaft equipment collaborative design

3 结论

立井井筒装备三维协同设计软件系统的开发使用，提高了立井井筒装备的设计效率、投资决策速度，缩短了项目的设计周期，彻底改变传统的立井井筒装备设计程式。