立井井筒装备关键构件参数建模及自动装配技术的研究与实现

邹元春，卢新明，李金龙，张善兵

(1.山东科技大学 计算机科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.山东蓝光软件有限公司，山东 泰安 271000；3.宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，甘肃 银川 750000)

1 概 述

随着计算机应用的深入开展，诸如AutoCAD、Easy Map、Map Info和Map GIS等软件在采矿设计领域得到了广泛的应用，使广大工程设计人员摆脱了简单工具的束缚，实现了快速、高效、精确、美观地绘制工程图的愿景。文献[1-3]介绍了AutoCAD在采矿设计中的应用。但是随着设计理念和设计工具的不断进步，用AutoCAD之类的二维绘图软件进行绘图，而后通过人工统计计算，再通过Office软件编辑设计文档，已无法满足目前设计人员的设计要求。老的设计方法结果不能自动可视化，更不能进行分析模拟和仿真，很难检验其正确性和科学性，设计效率低，设计结果不能满足未来智慧矿山建设的需要。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、构件精细化程度高等诸多难点，是煤矿施工图设计中最复杂、工作量最大的施工图。

近年来，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)在建筑行业实现了快速迅猛的发展。文献[4]介绍了BIM技术在实际工程应用中的价值。BIM技术实现了设计的信息化和三维可视化，使用户可以定期进行碰撞检测，及时修改设计错误，实时的检查综合设计成果。BIM技术同时也已在其他行业得到推广，例如文献[5]介绍了BIM技术在水利工程三维设计中的设计应用。借鉴学者研究成果，本文尝试将BIM的理念带入到井筒装备三维设计中，并取得了良好的效果。井筒装备三维设计实现起来要比传统的BIM理念更加复杂，需要融合参数化设计、采矿设计及三维可视化装配技术。文献[6]对矿山井巷工程数据的特征进行了分析，抽象出井巷工程二三维数据结构及建模方法，从巷道测量数据建立三维巷道模型，提供了井筒参数化建模的思路。参数化还必须能体现三维模型的空间拓扑关系，文献[7]对三维地学空间模型建模问题进行了探讨。煤层三维地质建模一直是计算机地质图形学研究的热点，体现了地质建模的前沿技术，对井筒三维建模具有相当大的指导意义。文献[8]详细介绍了煤层建模技术。建模完毕后，还需要考虑三维模型的可视化。文献[9-11]通过理论结合实际应用介绍了如何有效地将三维可视化技术应用在矿山开采的辅助设计中，提出了在矿山行业构建矿山三维参数化辅助设计支持系统的构想。

综上所述，井筒装备设计需要综合利用数字化技术，建设数字化对象，同时这个对象必须是包含工程属性的，系统也需要满足一定的开放性，并且能够实现装备模型等的及时更新。本文主要介绍了立井井筒装备中关键构件建模算法及构件之间的自动装配算法。

2 井筒装备建模的数据组织及建模流程

2.1 井筒装备建模的数据结构

2.1.1 井筒整体设计构架

井筒设计是由多个不同深度的设计断面组成。不同断面上的有许多相同的装备，例如容器和罐道。因此，根据井筒装备特点，可将井筒设计分为三级构件构架，即第一级为井筒断面，第二级为容器、横梁、罐道、梯子间、管路，将二级构件再细化为第三级构件。在进行参数化设计时只需要设计好标准段井筒断面的装备参数化，其他延伸的断面自动把相同装备的参数带入，避免了参数的多次重复输入。

2.1.2 单个装备部件的数据结构设计

本文数据结构模型主要研究几何对象的数据存储、组织管理、处理方法等内容，主要包括井筒、容器、横梁、罐道、梯子间、管路。

1)井筒：名称、断面直径、支护厚度、层间距、出车方位角、井口经纬度、井口标高、断面深度。

2)容器：名称、类型、型号、尺寸参数、排放方式、中心距离。

3)横梁：名称、类型、型号、尺寸参数、材料参数、焊接板参数、密封板参数。

4)罐道：名称、类型、型号、尺寸参数、材料参数、罐道安装间隙、焊接板参数、密封板参数。

5)梯子间：名称、类型、布置形式、起始深度、梯子架参数、梯子平台参数、栅栏参数、梯子小梁参数、连接通用标准件参数、卡板卡子参数、托挂钩参数、大小梁连接件参数。

6)管路：名称、类型、型号、外径、厚度、起始点、重量、卡间距以及管梁间距。

2.1.3 构件关联关系设计

井筒中装备之间存在复杂的关联关系，如罐道与罐道梁、罐道与托架、罐道梁与托架等。通过分析，建立连接关系数据结构模型，主要包括梁与井壁、梁与梁、罐道与井壁、罐道与梁、梯子间与梯子大梁、梁与管路、梁与电缆、电缆与井壁等的连接关系。

2.2 井筒装备建模流程

在立井井筒装备建模过程中，单元构件建模完毕后，需要首先利用自动集成装配技术组成标准段的井筒断面，然后根据其他井筒断面的特殊需求建立各自井筒断面的模型，最终根据各井筒断面分布范围进行井筒的系统整体装配。具体井筒装备三维建模流程如图1所示。

图1 井筒装备三维建模流程

3 井筒装备关键构件参数驱动建模

井筒装备建模中横梁、罐道、梯子间为关键构件，设计参数较为复杂。下面分别介绍三种关键构件的参数驱动建模算法。

3.1 罐道

罐道是提升容器运行的导轨，是现行立井井筒的基础必备组成构件，其截面参数及空间位置主要由对应容器决定。一条罐道是由多段不同罐道段组成。罐道不分井筒断面，所以配置一次就可以。参数建模算法如下：

1)确定罐道的纵向安装位置。为了保证容器的平稳运行，同一容器的不同罐道连接段安装位置分布是不能在同一层位的，需要错开布置。罐道安装位置参数包括起始深度、终止深度及首层深度。

2)配置罐道的截面属性参数。属性参数包括罐道的截面类型(一般为矩形)、钢材尺寸型号及材料属性。

3)配置罐道焊接板参数。罐道的两端及中部都会有焊接板用来形成罐道与罐道梁的连接。其主要包括钢板材质、宽度、孔边距及孔半径参数。

4)配置罐道端头参数。整体罐道的两头罐道段头需要进行特殊收缩设计方便容器的过度。其主要包括钢板宽度、高度、斜长、边距及水平长度参数。

5)配置罐道安装参数。罐道安装时之间一般留有一定间隙。罐道也会超出端头焊接板一定距离。

6)生成罐道部件表。根据井筒断面层间距及配置好的罐道材质参数及安装参数，生成罐道的部件一览表。自动计算出整条罐道各段的长度及安装层位。

7)生成罐道整体三维模型。模型是由各段罐道模型组成。

3.2 横梁

井筒中的横梁可分为罐道梁和大梁。罐道梁为立井作业过程中，为固定刚性罐道，沿立井井筒纵向每隔一定距离安设的横梁。大梁有梯子大梁和管路大梁。建模算法如下：

1)配置横梁的距中安装距离。横梁与罐道不同，位置较为灵活，罐道位置由容器位置决定，所以不用单独设置。

2)配置横梁的截面属性参数。属性参数包括横梁的截面类型(一般为矩形、工字钢)、钢材尺寸型号及材料属性。

3)配置横梁焊接板参数。横梁的焊接板用来与罐道连接。其主要包括钢板材质、宽度、孔边距及孔半径参数。

4)如果横梁截面为矩形钢，则为了防腐有时候需要在两端焊接一个密板，保证横梁内部的密封性。密板主要包括厚度、宽度、高度及四角角度参数。如果是工字钢，则不需要此步设置。

5)配置横梁的安装层位。梁的安装位置参数主要由初始深度、终止深度及层间距决定。

6)自动配置横梁螺栓安装孔位置。根据罐道、梯子间、管路的安装位置，自动计算螺栓孔的安装位置。

7)生成横梁三维模型。根据配置好的横梁截面参数、焊接板参数、密板参数、螺栓孔参数生成单根横梁的三维模型。

3.3 梯子间

梯子间的参数结构最为复杂，作为二级构件其下属的三级构件还包括梯子架、梯子平台、栅栏、梯子小梁、连接通用标准件、卡板卡子、托挂钩、大小梁连接件等，总计280多个参数。参数建模算法如下：

1)配置梯子间空间位置参数。梯子间依附于梯子大梁。所以，需要选择梯子间连接大梁对象。然后，配置梯子间距离井筒中心线的距离(如果梯子大梁垂直放置，梯子间距离井筒竖向中心线距离；如果梯子大梁是水平放置，则为水平中心线距离)、平台长度和宽度。

2)配置梯子间类型(玻璃钢、金属)及布置形式(顺向、交错)。

3)配置梯子间类型安装位置。梯子间一般分为三种类型，即首层、标准段层及底端末层。位置不同构件的参数也有所区别。

4)配置梯子间三级构件(梯子架、梯子平台、栅栏、梯子小梁、通用标准件、卡板卡子、托挂钩及大小梁连接件)参数。

5)根据每种梯子间类型参数，生成单层的梯子间模型。

6)根据各种梯子间模型，叠加生成组合梯子间模型。用来测试不同类型梯子间连接是否匹配。

3.4 管路

常用的管路形式有供排水管、消防洒水管以及压供风管等。管路一般是通过卡缆固定在卡管梁上，也有固定在井壁上的情况。参数建模算法如下：

1)配置管路空间位置参数。选择管路的依附连接对象。如果管路依附在卡管梁上则在选择连接对象后再配置管路的中心线距离。如果管路依附在井壁，则配置管路相对于井筒水平中心线的逆时针安装角度。

2)配置管路的截面属性参数。

3)配置管路连接件参数。

4)生成管路三维模型。

3.5 线缆

通过分析设计了一套线缆井壁常用安装建模方法，具体方法如下：

1)配置电缆型号、半径及根数。

2)设置电缆钩参数。电缆钩主要由木夹、角钢、钢板、垫圈、方垫圈、螺母及螺栓组成。每一部分都需要配置对应的参数。

3)生成线缆三维模型。线缆独立模型生成后，在后面的自动装配时，就可以根据线缆尺寸及位置拓扑关系自动装配在井壁上。

4 井筒自动装配技术

在BIM建模过程中，如果模型构件尺寸发生变化常常引起周围构件的重叠或是相离，需要人工干预。文献[13]在分析装配设计和层次化单元任务模型的基础上，建立了支持装配设计的面向对象的层次化单元装配模型。文献[14]介绍了装配图和零件尺寸其中任何一方修改另一方都会自动改变，实现了零部件参数化和装配设计参数化的统一自动设计。文献[15，16]各自对装配尺寸链进行了研究，提出了不同的三维装配尺寸链自动生成方法。本文研究了井筒装备模型装配设计中的功能结构的表示以及装配单元的自适应策略，设计了一套井筒自动装配技术，大大提高了井筒装配的效率及准确度。

4.1 井筒断面多参数综合优化

根据初步布置的井筒装备，依据相关安全间隙设计规范对装备进行合理摆放，然后进行凸包计算和最小包围圆计算，最终得到最优的井筒直径及装备断面位置参数。当手动调整装备空间位置后，系统能自动分析调整井筒直径参数。

4.2 井筒装备自适应装配设计模式

以计算出的最优布置方式为基础，根据实际需要可以手动添加调整管路、电缆、大梁、梯子间等装备尺寸，设置装备基本参数，系统可以初步自动计算相应的托架等的连接部件型号及安装参数。用一套参数，生成施工图和三维模型的过程中，避免了装备构件缺失风险。按照对象特征以及对象的关联关系和驱动(几何和约束驱动)关系，也有效地避免了干涉及碰撞检测，从而保证了井筒装备的安全运行。

参数修改时，根据关联关系及约束可自动求解；生成设计说明，可减轻人工工作量，也避免了二次算量、翻模。

4.3 二维图纸及三维模型的数据存储格式

在对井筒断面进行设计自动装配的同时，可以随时查看当前设计情况的二维施工图和三维设计效果是否合理，对断面布置做出及时调整，也可以在最后进行整体的效果展示图，最后输出设计文档。

二维图纸是以山东蓝光软件有限公司开发的NET图形格式进行存储，关键图形包括点，直线，圆，矩形，圆弧，椭圆弧，多段线，多重线，多义线，填充区域(剖面)，标注，标高点，设备，线路等。NET图形格式可以与dwg、dxf、dwt等文件格式进行有效转换。

三维模型是以山东蓝光软件有限公司开发的3DT图形格式进行存储，关键图形包括点，面，文本，线，纹理，层，体等。3DT图形格式是文本结构文件，方便打开及编辑，可以实现与3DS、OBJ等主流3D模型格式的互通，具有很强的数据通用性。

5 应用实例

陕西山阳矿井主立井设计生产能力为15.0Mt/a，设计矿井年工作日为330d，日净提升时间18h。矿井采用立井开拓。主立井井口标高+1277.3m，井底标高+585.0m，井筒垂深692.3m，净直径9.6m。装备两对名义载重50t箕斗，配套装备直径∅5m，6绳摩擦提升机2台，用于矿井主提升，兼矿井进风任务。

首先根据基本设计方案配置设计前提数据，选取箕斗数量为4，计算得到符合条件的一次提升量等参数。然后通过一系列详细设计得到立井井筒布置效果图。在详细设计过程中以及确定最终设计后，可以生成井筒断面(如图2所示)及井筒设备部件(以梯子间为代表，如图3所示)的三维施工图。

图2 主立井井筒装备三维模型展示图

图3 梯子间三维施工图

6 结 语

通过对煤矿立井井筒装备三维设计的关键技术研究，综合利用数字化技术，建设数字化对象，定制了满足立井井筒装备三维建模需求设计流程，建立了井筒整体架构模型、井筒装备数据结构。参数配置完毕后自动装配并通过三维基础平台进行三维展示，快捷方便地自动生成设计文档、二维施工图、三维模型效果图，设计成果更加直观，设计效率更加高效，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。不仅能大幅度提高设计效率和设计质量，间接减少设计错误及设计变更，还能改进设计单位的工作方式，是一次很有意义的尝试。

在下一步的工作中，将继续总结井筒装备设计方法，扩展现有构件建模及自动装配方法，进一步提高方法的通用性。同时，也针对其他部位装备(地面稳罐以及井底水窝、马头门、清理硐室、装载硐室等井底下部装备)的装配技术方案及应用进行更加全面深入的研究与实现。