矿石料仓库容数字化设计与研究

袁云刚，胡怡宁，王 田

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

1 研究背景

料仓库容量、料堆体积的设计及工程量的计算是矿石骨料系统料仓设计的难点，下料口的尺寸、距料堆边线的距离、数量、排距等均会影响库容量，如何设计下料口的各项参数，使活库容最大化，是料仓设计的重点。本文利用数字化手段，改变传统采用剖断面估算和查表估算料确定料仓大小、活库容储量、下料口位置，实现参数化快速建立料仓模型，根据不同的设计方案，提取料堆、活死库容体积信息，获取工程量，进而对设计方案进行比选，可快速完成场地料仓布置设计，得到最优料仓设计结果。

图1 料堆参数化模型

2 料仓参数化建模

2.1 料仓坡度设置

料仓由于有排水需求，往往设定了坡度，因此首先需创建一个坡度参数化平面，后期令料堆放置在此平面上。料仓坡度设计采用Dynamo软件进行参数化设计，控制平面旋转。首先利用节点Vector.ByCoordinates创建垂直于XY平面的法向量，再使用Vector.Rotate链接法向量，并控制旋转向量角度i，此角度设为设计参数变量，再利用此旋转后的法向量结合Plane.ByOriginNormal节点创建平面即可得到参数化控制坡度的平面。

2.2 料堆设置

2.2.1 定点堆料

定点料堆呈现圆锥体，其立面是等腰三角形，选取料堆高度H作为设计参数化变量，堆积角A作为物料类型参数化变量，根据实际物料数据填写。则料堆半径通过公式R=H/tanA即可得到。

圆锥体模型需采用融合方式建模，由于底部是处于斜面，若使用圆锥方式创建，圆锥将完全垂直平面，与现实不符。顶圆的平面理想状态下为平行于XY轴的平面，因此先使用Plane.XY创建基于XY轴的平面，再使用Plane.Offset偏移平面高度H，H为参数化变量。至此，两个空间平面就已创建完成，利用Circle.ByPlaneRadius将底圆基于底部倾斜平面创建，顶圆基于顶平面创建，创建完成后用List.Create将两个圆组合，再采用Solid.ByLoft节点融合两个圆得到料堆模型。

2.2.2 条形堆料

条形堆料的料堆两边为圆锥体，中间为三棱柱。首先设置料堆长度L为设计参数化变量，由L减去圆锥体直径，便是三棱柱的长度。由于底部为倾斜面，因此首先通过三点创建三棱柱某一截面的三角形，其三点坐标与料堆的半径和高度相关联，具体为A（0，r，0）、B（0，-r，0）、C（0，0，H），再使用Polygon.Bypoints，将三点连成面，以此达到三角形各参数与料堆参数关联的目的。进而需将三角形进行拉伸，形成三棱柱体，前面已经得到了倾斜的法向量，由于创建起点位于坐标原点（0，0，0）位置，因此拉伸需向两个方向分别拉伸三棱柱长度的一半。首先将法向量绕y轴旋转±90°分别得到两个拉伸的方向向量。通过Curve.ExtrudeAsSolid节点，将面沿方向向量拉伸，拉伸长度均为三棱柱长度的一半，至此带有旋转角度的三棱柱创建完成。

图2 条形料堆参数化模型

3 天圆地方及阵列参数化建模

下料口于工程中常为正方形，常见尺寸有0.8m＊0.8m、1m＊1m、1.4m＊1.4m等，下料口的边长影响活库容的多少，因此也是料仓设计中的常见参数。设定下料口的边长B为设计参数化变量。卸料后活库存的体积形似天圆地方，即顶部为圆形，底部为方形。这里使用融合命令建模。顶部圆形半径r与正方形的尺寸大小、料堆高度、堆积角有关。以下料口对角线方向剖开，将底部看作正方形的外切圆计算顶部圆半径，顶部圆半径计算见公式(1)。

式中：r为顶部圆形半径，mm；H为料堆高度，mm；α为卸料堆积角，°；B为下料口边长，mm。

即可得出。将正方形基于倾斜底平面、圆形基于顶平面创建，将两者融合，得到由下料口大小自动参变的天圆地方模型。

图3 天圆地方参数化模型

下料口的数量和间距及距边界距离同样影响活库容量，因此两者也设为设计参数化变量。此处使用Range节点，此节点需设定起点和终点模型位置，然后设置距离，以令其等分。首先创建确定下料口距离边界的位置，设置距边界距离参数L1，移动复制距离则为条形料堆的长度L减L1，即可得到两个位于两端的下料口位置。设置下料口个数，用个数及长度对间距进行反推，间距计算见公式（2）。

式中：L为条形料堆长度，mm；L1为距边界距离，mm。

将起点、终点及间距连入Range节点，即可得到等分阵列的模型。Range阵列出的模型同样存在大量重叠部分，采用ByUnion节点将数个下料口及天圆地方模型进行计算，删去其重叠部分，避免体积重复计算。至此，便得到由距边界长度、下料口数量控制的单排等距参数化天圆地方模型。

图4 天圆地方阵列参数化模型

料仓常见单排及双排下料口，上方已经叙述了单排下料口及天圆地方的建模流程。而两排天圆地方采用Geometry.Translate节点进行复制和移动，以原点为中心，创建方向为±Y的方向向量，中心距设置为参数化，使两排模型可等距沿±Y轴方向平移控制。使用Solid.Union节点将两排天圆地方模型的重叠体积进行去除，便于体积统计。

图5 天圆地方双排阵列参数化模型

4 模型布尔及工程量计算

最终需将料堆及天圆地方模型进行布尔运算，相减得到死库容料堆模型。使用Solid DifferenceAll节点快速得出料堆与天圆地方并集的差集模型，便得到料仓的死库容模型。通过Solid.Volume提取料堆及死库容的工程量，再利用减法公式料堆体积减去死库容体积，取得活库容工程量，则料仓的参数化模型便设计完成，后期可根据项目实际情况，修改平面坡度、料堆高度、堆积角、料口数量、边长、间距来参数化修改模型即可，无需重复进行建模，快速得到工程量，便于设计方案比选。

图6 定点堆料，单廊道下料参数化模型

图7 定点堆料，双廊道下料参数化模型

图8 条形堆料，单廊道下料参数化模型

图9 条形堆料，双廊道下料参数化模型

5 模型使用

对各设计方案比选结束后，Dynamo创建的参数化料仓同时可导入Revit中进行场地布置设计，减少了技术人员的建模工作量。

而Revit和Dynamo的互通也有几种节点方式可进行选择，本文推荐采用FamilyType.ByGeometry节点，此节点需使用Revit中的参数赋予Dynamo参数化模型名称、类别、族模板路径、材质，利于各参数化模型的工程量统计。族类别一般选择“常规模型”，而材质需要先在Revit中进行创建，然后在Dynamo中填写与Revit材质名称一致的文字。全部操作完成后，运行即可。

图10 Revit族模型

6 应用实例

以某矿石骨料系统为例，料仓为定点落料，设计高度18m，物料堆积角36°，料堆半径约24.8m，下料口尺寸1.1m＊1.1m。

6.1 下料口偏心距与活库容关系

下料口与落料点投影的偏心距离会影响活库容的大小，在远离落料点外侧增设一个下料口，增设下料口后总累计活库容增加。为简化问题，同等情况下，仅分析增设在最外侧的下料口独立工作时，从落料点到料堆边线偏心距离增加的情况下活库容变化，经参数化设计建模后，输入下料口偏心距离，活库容量也会随之变化，为增加总活库容量需尽可能向料堆边线方向增设下料口，但最外侧增设的下料口利用效率会减小。通过数据分析，增设下料口偏心距离在0m～24.8m之间变化时，偏心距12.8m～16.8m间的曲线斜率较大，下料口利用率从65.7%降到44.0%，此区间设置最外侧下料口较为理想。

6.2 下料口数量与活库容关系

下料口的数量直接影响投入成本，如何兼顾投入和有效库容利用达到理想的效果，是本节的研究重点。通过上一节分析可知，下料口距落料点投影距离12.8m～16.8m之间时，下料口的利用率和活库容量均较理想，因此设定最边缘的两个下料口位置固定，距离落料点投影距离16.8，经分析，下料口数量为4～5个时，活库容量及单位下料口利用率较为理想，此时设备投入少，活库容大，是较优的配置选择。

6.3 下料口排距与活库容关系

当下料口距料堆边线距离、下料口数量按照前两节的分析设计完成后，若采用双廊道下料，廊道排距对活库容的影响也是设计应该考虑的因素。设定最边缘的两个下料口位置距离落料点投影距离16.8m，单排廊道下料口数量设为4个，通过参数化建模分析，分析廊道排距与活库容的对应关系，经分析，若采用双廊道下料，廊道排距为14m时，活库容达到最大。

7 结论

本文利用Dynamo二次开发，对料仓进行参数化建模及库容快速计算，真正解决了天圆地方重叠部分计算的技术难题，取代了经验取值和剖断面估算的做法，大大降低了误差，使设计依据更加充分，便于方案比选；通过此二次开发，大大降低了计算软件使用难度，使工作人员仅需输入部分参数，无需掌握BIM软件；参数化建模计算结果可视化，随计算结果动态更新，更加直观；计算完成后，可将Dynamo编程的模型导入常见BIM软件Revit中，减少了设计人员的建模工作量，大幅度提高工作效率。综上，通过本文研发，可以高效完成矿石堆料仓设计方案的对比和优化。