一种基于BIM仿真的轻型顶模空间布局及环境优化设计方法

本发明属于建筑施工，特别涉及一种基于bim仿真的轻型顶模空间布局及环境优化设计方法。

背景技术：

1、随着建筑工业化与智能建造的快速发展，以“云端建造工厂”为代表的轻型顶升模架平台在高层及装配式建筑施工中得到了广泛的应用。这种大型施工装备集成了结构支撑系统、材料运输系统、安全防护网以及多层高空作业平台等功能，旨在为高空施工作业营造一个类似工厂化车间的封闭或半封闭环境。

2、然而，传统的轻型顶模平台在早期规划与结构设计阶段，设计重心往往过度集中于结构力学性能，如整体承载力、刚度、稳定性及抗风设计，和单纯的施工工艺集成，如桁车轨道布设、建筑机器人作业路径规划等。这种设计模式忽视了顶模平台内部半封闭空间的环境舒适度及职业健康要求，导致在实际施工应用中存在以下显著的技术缺陷：

3、热环境极端恶劣：在夏季高温季节施工时，顶模平台顶部的金属屋面吸收大量的太阳辐射，配合四周密闭的挂架防护网，在平台内部极易形成严重的“温室效应”。这导致施工作业区域和人员活动区域温度急剧攀升，日照直射强烈，不仅严重危害高空作业人员的身体健康、极易引发中暑等职业病，还会显著降低施工效率和操作精准度。

4、气流组织不畅与污染物富集：由于现有的轻型顶模平台未在前期设计阶段进行系统性的空气动力学与风环境模拟，导致平台内部形成了大面积的“静风区”或涡流区，空气流通极度缓慢。这不仅进一步加剧了高空作业环境的闷热感，更不利于焊接烟尘、混凝土浇筑释放的湿热空气及其他有害气体的扩散，存在重大的职业健康安全隐患。

5、空间布局与环境调控设施缺乏一体化协同：传统的遮阳、局部通风、降温及防雨措施大多由施工现场根据实际情况临时添加，缺乏设计阶段的系统性规划。这导致临时添加的环境设施频繁与顶模的主体结构或核心施工路线发生干涉。例如，顶部临时覆盖物会侵占桁车的运行空间；排水管路布置与主体结构立柱发生空间干涉；局部风机布设位置无法精准匹配人员的核心作业区等，无法实现空间利用与环境调控的最优协同。

6、综上所述，亟需开发一种能够在中前期设计阶段，即可将轻型顶模的宏观空间功能布局与微观作业环境调控设施进行一体化、参数化和协同优化的科学设计方法，以营造安全、舒适且高效率的“类工厂化”现代智能施工环境。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于bim仿真的轻型顶模空间布局及环境优化设计方法，旨在解决背景技术指出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于bim仿真的轻型顶模空间布局及环境优化设计方法，包括以下步骤：

4、步骤一：利用bim软件建立轻型顶模的三维数字模型，在所述三维数字模型中定义顶部覆盖构件的太阳辐射反射率、透光率和防水性能参数，并导入拟建工程所在项目的地理位置信息及周边环境模型；

5、步骤二：在所述三维数字模型中划定施工作业区域和人员活动区域，并将所述施工作业区域和人员活动区域定义为空间网格，为每个空间网格赋予人员密度及作业时间参数；

6、步骤三：将所述三维数字模型导入日照分析软件进行全天候的日照辐射动态模拟，获取所述施工作业区域和人员活动区域的逐时阴影分布图和太阳辐射累积量分布图；当任一空间网格的太阳辐射累积量超过预设的热辐射阈值时，对所述三维数字模型进行迭代优化，直至所有所述空间网格的太阳辐射累积量均低于所述热辐射阈值；

7、步骤四：将完成日照优化的三维数字模型导入计算流体力学仿真软件进行风场模拟，提取流场数据中低于预设风速阈值的区域作为静风区；在所述三维数字模型中，于所述静风区内配置通风降温系统的三维坐标位置，并根据所述三维数字模型的空间结构确定防雨排水管路的布置路径；

8、步骤五：将完成仿真优化的三维数字模型导出为施工图纸，并将带有环境模拟数据的三维数字模型作为数字孪生体上传至云端管控平台。

9、进一步的，在所述步骤一中，所述轻型顶模的三维数字模型包括主体钢桁架、支撑立柱、挂架维护系统以及顶部覆盖构件的几何形态。

10、进一步的，在所述步骤二中，所述施工作业区域和人员活动区域具体包括预制构件吊装区、钢筋绑扎区、混凝土布料区和巡检通道。

11、进一步的，在所述步骤三中，所述全天候的日照辐射动态模拟的气象边界条件设定为项目所在地的典型夏季高温日。

12、进一步的，在所述步骤三中，所述对三维数字模型进行迭代优化的策略包括以下任意一项或多项组合：

13、调整所述顶部覆盖构件的悬挑长度及倾斜角度，或增设侧向遮挡构件；

14、将人员作业时间参数超过预设时长阈值的空间网格位置，在所述三维数字模型中移动至太阳辐射累积量低于所述热辐射阈值的区域；

15、将所述顶部覆盖构件替换为太阳辐射反射率参数大于预设反射率阈值的板材。

16、进一步的，在所述步骤四中，所述计算流体力学仿真软件的风场模拟边界条件包括项目所在地的夏季主导风向和平均风速；所述静风区是通过综合分析所述人员活动区域的风速分布云图和空气龄云图识别获取的。

17、进一步的，在所述步骤四中，所述通风降温系统为包含轴流风机、高压微雾喷头和供水管路的通风降温喷淋系统；所述方法还包括依据模拟的流场分布调整所述轴流风机的朝向，以引导气流穿越所述人员活动区域。

18、进一步的，在所述步骤四中，所述防雨排水管路的布置路径确定方式包括：在所述三维数字模型中设定排水坡度、天沟和落水管；并基于模型的空间干涉检查，使布置路径避开人员通道和设备区域，沿所述轻型顶模的支撑立柱或挂架内侧向下延伸。

19、进一步的，在所述步骤五中，所述作为数字孪生体上传至云端管控平台的三维数字模型，用于在施工期间结合现场传感器数据对所述通风降温系统进行自动控制。

20、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

21、1.本发明通过前置的日照辐射调控与空气动力学风环境模拟，能够精准识别顶模平台内部的温室效应核心区和空气停滞区，通过针对性的空间重构和通风设计，能够大幅降低内部环境温度、消除焊接烟尘富集，为作业人员提供较为健康舒适作业环境。

22、2.本发明通过数字化仿真技术使得轻型顶模平台上各功能分区的划分、顶部遮阳构件的复杂几何形态参数、主动风机及喷淋点位的空间三维坐标布设等关键决策，不再依赖设计人员的主观经验或现场的临时修补，而是完全基于多物理场精确量化分析得出的最优解，确保了环境调控效果的确定性。

23、3.本发明以bim三维模型为核心，在方案设计之初即将主体钢结构、功能建筑空间、机电给排水及通风喷淋等多专业的关键要素放在同一数字平台上统筹调度，通过空间自动干涉检查，从根本上杜绝了传统设计中各系统各自为战导致的管线碰撞、空间重叠与功能矛盾问题，极大提升了设计质量与现场落地效率。

24、4.本发明通过控制顶模内部的微气候，能大幅降低高空作业环境的严酷度，这有助于维持一线工人在高空复杂作业时的思维清晰度、体能稳定度，大幅降低因疲劳、酷热和浮躁导致的操作失误与安全事故率，最终提升了装配式建筑整体的施工质量与建造速度。