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自动化立体库的设计问题

文 / 北京伍强智能科技有限公司 尹军琪　　

自动化立体库（AS/RS）在经历了几十年的发展后，型式和技术都发生

了巨大变化。如在存取设备方面，除了传统的堆垛机外，还有各种型式

的存取技术，典型的如子母车、四向穿梭车等。自动化立体库主要有以

下几个大类：

一、自动化立体库的种类

自动化立体库（AS/RS）在经历了几十年的发展后，型式和技

术都发生了巨大变化。如在存取设备方面，除了传统的堆垛机外，

还有各种型式的存取技术，典型的如子母车、四向穿梭车等。自动

化立体库主要有以下几个大类：

托盘式AS/RS系统：从堆垛机的载货台型式看，有单工位和多

工位，有单深度和双深度等多种型式。此外，从轨道型式看，除直

线型轨道外，还有转轨型、弯道型、道岔型等多种形式。货叉型式

也有很多种变换。托盘式子母车系统：这一系统主要应用于高密度

存取场合。所谓子母车包括子车和母车，母车负责将子车及货物从

一个巷道移到另一

巷道，子车负责将

托盘送到货位储

存。托盘的提升采

用提升机完成。子

母车系统是一种较

高密度的储存系

统，比普通的单

深度AS/RS，其空

间利用率会提升

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15~20%左右，理论上最大会提升30%左右。托盘式四向车系统：

四向车与子母车的差异主要在于，穿梭小车可以完成巷道内存取，

也可以自动变换巷道。既可以应用于密集存储系统，也可以更加灵

活变化。四向穿梭车系统的最大优势并不在于高密度的存储，而是

对环境的适应性，不同高度，不同形状的空间均可以采用四向穿梭

车，这是其他技术所无法比拟的。

Miniload系统：载荷单位一般为箱子。miniload的载货台也分

为多种形式，如单工位和多工位，单深度和多深度等。相比托盘式

AS/RS系统，miniload型式更加灵活多变，如货叉的型式就有货叉

式、夹包式、皮带式等多种形式，此外，除固定式货叉外，还有可

变宽度货叉等。箱式穿梭车系统：载荷单位一般为箱子。采用双向

穿梭车或四向穿梭车进行货物的存取作业。与miniload一样，其货

叉型式也变化多样。多用于货到人自动拣选系统。自动叉车立体库

系统：采用自动叉车进行作业的立体库系统。原则上也可以作为自

动化立体库的一个类别。由于叉车的种类不同，可以再细分为多个

子类。KIVA系统：载荷单元为箱子。有两种主要类型：移动货架型

和固定货架型。这是近年比较火热的立体库型式。除此之外，还有

一些其他型式的立体库系统，如采用桥式或门式起重机作为存取机

构的立体库，可移动式货架立体库，重力式货架立体库等，不一而

足，限于篇幅，本文不再展开。

二、消防规范的理解与应用

消防规范是影响自动化立体库设计的非常关键的因素之一。新

版消防规范对此有明确的规定。目前最权威的规范主要有3个：

建筑设计防火规范，GB50016-2014

物流建筑设计规范，GB51157-2016

冷库设计规范，GB50072-2010

简单来说，对自动化立体库的面积和防火分区（丙2类，有自动

喷淋），有如下规定：

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通常情况下，这是库房部分的要求，但没有规定拣选区域的

要求。因此，总面积可以在此基础上再增加一部分作业区（分拣

区），但也有不能通过消防审查的案例。需要注意的是，常温库的

规定也适合于冷库，只是在没有自动喷淋设施情况下，采用常温规

范GB50017-2014，会导致分区更小，设计限制更多罢了。

除此之外，建筑防火规范还规定自动喷淋的间距，即3m一层的

消防喷淋装置，这个对设计是有一定难度的。尤其对于一些特殊型

式的立体库，存在很大的困难，如四向穿梭车立体库。在设计中要

特别注意。

在实际情况中，立体库的消防分区宽度设计要符合巷道倍数的

模数关系，这是很多设计者开始不明白的地方。比如对于1200*1000

的标准托盘而言，如果设计4个巷道单深度立体库，一般建筑的宽度

约为20m，此时，立体库的长度最大为3000/20=150m，这就是为什

么设计中巷道不能特别长的原因之一。

总面积，m² 防火分区，m² 备注

单层(常温)库 12000 3000 GB50017-2014

多层(常温)库 9600 2400 同上

高层(常温)库 8000 2000 同上

单层冷库 7000 3500 GB50072-2010

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三、月台及停车广场设计

立体库的月台和库前广场设计特别重要，却常常被忽视，这里

再做简要论述。

月台有内置和外置两种主要型式，高度一般为1200mm，这是

为了满足40英尺箱式货车而设计的。实际设计中，要考虑车的型

式。有些市内发货月台需要停放的车都是20英尺以内的车，就没有

必要设计1200mm高，而是设计为900mm更合适。而对三方物流而

言，1200mm的高度更能适应多变的情况。

对内置月台而言，门封是必要的。因此，仓库门的宽度就不宜

太大和太高，一般是

2400*3000mm比较合

适，太大了，车尾就

不能全部被挡住，从

而发生冷气泄露。月

台上的雨棚设计也很

有讲究，宽度一般要

超出月台边缘约4~5m

比较合适，高度一般

距地面5500mm比较合适，太高或太低都是不好的。

停车位的需求对月台设计来说是非常重要的，除了尽可能多的

设计停车位外，还应通过改变装卸货方式来适应业务的需求，如采

用伸缩皮带机，或自动装卸货技术来提升效率，进而减少对月台数

量的需求。广场设计也要考虑车辆的情况。对于40英尺以上的货车

来说，加上车头大概达到16m米以上，这时，理论上停车场宽度要

达到35m以上才合格，即两倍车长再加3m的距离。而对于仅停放20

英尺货车的月台，21m宽度已经是一个可用的宽度了。对设计者来

说，了解这些数据要求是重要的，有的仓库留得少了，在使用时非

常困难。有的留得太多，又造成土地的浪费。越是大型的立体库，

停车广场越要设计合理充分，但即使对于小型立体库，也要了解其

使用情况，切忌不管不顾，胡乱设计，则会非常被动。

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四、库前区设计

关于自动化立体库库前区的设计问题，包括几个方面，如输送

系统、分拣区、收货区、发货区等，对于库前输送机系统已有专门

文献[2]论述，这里仅择其要点进行分析。

库前输送系统的设计，无论采用什么型式和技术，其要点是要

满足货物的入库和出库流量要求。一般来说，输送系统的理论能

力，要求比实际能力大15%~25%为宜，很多设计过于紧凑，其实对

实际作业是不利的。

分拣区：这是一个比较广泛的概念。既包括末端分拣，也包括

拆托盘和拆箱拣选，尤其是后者，其需求随着业务的不同，差异甚

大。就末端分拣而言，有各种形式的分拣技术可以使用，如交叉带

分拣机、滑块式分拣机、跃起轮分拣机、矩阵式分拣机等最为常

见。分拣机的设计主要要根据产品的型式和流量来进行选择，价格

差异很大。分拣能力一般从几千件到几万件不等，这对于设计者有

一定的挑战。很多初始设计者不能充分了解分拣机的原理，从而做

出错误的选择，这种情况也是常见的。

收货区：收货区的大小，不仅与业务量有关，而且与业务流程

有关。比如是否可以直接入库？有的业务要求到货货物要进行QC，

有的要更换托盘重新码垛，有的还要做一些别的处理等，这样，收

货区的大小将受到很大影响。对QC来说，有的很简单，只需要对外

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观进行检查，有的只要进行抽查，有的可能需要注意检查，有的还

有时间存放要求等，差异很大，这在设计中是要引起注意的。

发货区：发货区设计在很多场合并未引起注意和重视，从而导

致很多问题发生。其实，发货区在整个立体库设计中占据非常重要

的位置。发货区的大小固然与物流量密切相关，还与波次设计有很

大关系，近年来，立体化和自动化的集货与发货，越来越受到重

视，发货区的设计进入到一个新的阶段。

五、其他细节问题

1）消防喷淋

消防喷淋在立体库设计中经常是一个令人头疼的问题。有些立

体库根本无法解决这一问题。如四向穿梭车库。这不仅限制了设计

的选择空间，而且也会导致很大的空间浪费。而从另一个角度看，

我国现行的消防规范，或许到了需要认真关注自动化立体库需求的

时候了。如何做到既合理科学，又安全有效，是我们制定消防规范

时应考虑的一个关键问题。

顺便提一下我国关于物流尤其是立体库的消防规范，由于缺乏

科学依据，所有的条文基本上还是凭借一些老的经验，基于传统仓

库的概念而制定的。与立体库本身的需求差距甚远。如何科学制定

规范，是摆在我们面前的一个艰巨的任务，可谓任重而道远。

2）货架、货叉与托盘

有一些细节的问题将影响总体设计。

首先看托盘设计。托盘是立体库设计最基础的条件或最基础的工

作。尽管标准托盘（即1000X1200规格的托盘）是优先考虑的选项，

但对于实际使用而言，非标的情况也是非常多的，特别是制造业物

流。货物单元（即托盘+单元货物）尺寸的设计要特别重视，通常情

况下，立体库并不要包含所有物料，只要符合大多数货物储存即可。

对堆垛机而言，托盘的设计还包括一些细节需求，如托盘型式，承载

能力，叉孔高度等。以川字底托盘为例，叉孔高度往往不是由托盘载

重决定的，而是由货叉高度和挠度决定的。再看货叉设计和选择。目

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前货叉的设计基本上只是一项选型的工作。采用像米亚斯、长臂猿等

专业公司的货叉是一种经济而稳妥的做法。这些企业的产品手册会提

供实际使用中多种规格型号的各种参数，包括伸叉长度，载荷，以及

满载下的挠度等。即使这样，货叉的选择仍然是一项比较专业的工

作，对工期和成本的影响还是不小的。值得注意的是，货叉的选择会

影响托盘的设计，因此，只有选择好了货叉，托盘才能确定。

图1 双伸货叉示意图（来源于米亚斯）最后看看货架的设计，

以最简单的AS/RS为例，首先，对一些非标的重型货架的设计，进

行有限元分析是非常必要的，这是很多货架厂并不具备的能力。

其次，货架的设计与单元货物有直接关系。一般情况下，载货单元

（托盘+货物）的尺寸（长宽高）决定了货架的尺寸。需要注意的

是，在确定层高（底层高度，中间层层高，顶层高度）的时候，各

种尺寸设计要符合设计规范的规定。此外，由于采用组合式货架，

层高一般要按照75或100的倍数设计，当然，如果货架采用定制孔的

话，就没有这个限制，但这种情况很少，目前只有少数几个货架厂

才能提供这种定制货架。

3）基础荷载

立体库的基础荷载计算是一个专门的话题，也是困扰大家的一

个问题。有两个参数：其一是集中荷载，其二是平均荷载。

集中荷载一般是指一个柱脚或一个特殊的点（如提升机基座）

 图 1 双伸货叉示意图（来源于米亚斯）

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所承受的最大荷

载。这一荷载直

接影响建筑物梁

的设计。一般情

形下，计算集中

荷载时，要计算

一个区域内受载

荷最大的点或几

个点（柱脚）。

在所有货位均取

最大值的工况

下，计算集中荷载。当然，一般还要有一个安全系数作为保障。安

全系数的选择要根据实际工况和重要程度进行选择，取值在1.2~1.4

之间为宜。

平均荷载计算公式是整个立体库区域（有的理解为货架区域）

的总荷载除以其面积。总荷载包括货物及设备（货架、堆垛机、输

送机等）的荷载。然而，在实际设计中，单纯的说平均荷载是容易

出问题的。因为计算公式中两个参数需要明确定义。所以，在提出

平均载荷的同时，还要提出计算区域的总荷载，以便建筑设计考

虑。对建筑设计而言，平均荷载主要关乎桩基的设计，桩基需要承

受的总荷载才是计算的所关注的。需要指出的是，由于立体库不可

能做到满载（每个货位放满货物，且达到设计载荷），因此，在

计算平均荷载时，安全系数应该是一个小于1的系数。具体取值在

0.7~0.9之间，要根据实际情况予以确定。关于这一点，目前还存在

不同的认知。

4）其它

立体库设计需要注意的细节事项还有很多，如巷道宽度的设

计，安全距离问题（多种情形下），有关托盘、输送机、载货台、

货架之间的尺寸链问题，基础设计问题等，限于篇幅，本文不再

一一例举，读者在设计中需要自己去体会。