基于BIM的建筑群震害模拟可视化平台的设计与实现

发布时间：2020-05-20 11:50

【摘要】：随着城市化进程的高速发展,城市建筑规模呈高密度与建筑高层的变化趋势。地震灾害具有突发性,最容易受到破坏的就是房屋建筑,灾害发生瞬间房屋建筑就会发生不同程度的晃动乃至倒塌,势必造成巨大的人员伤亡和财产损失。城市区域建筑密度、经济密度与人口密度较高,使得因地震灾害带来的损伤情况更加严重,而各种次生灾害现象,更是进一步将地震的危害性扩大。为了降低城市建筑群因地震灾害带来的损伤,可以对地震发生时的场景进行模拟,以可视化的形式展示区域建筑群在震中的各种变化情况,有针对性的做出震前防护规划与震中抢险救援工作,提高城市的防灾减灾能力。当前对于建筑群的震害模拟研究中,多采用三维建筑模型进行震害模拟的动态演示研究,但由于其建模技术的局限性,导致其建筑模型较为粗糙且存在误差,从而在后续的震害模拟研究中无法对建筑实体的震害细节进行准确描述,也无法体现建筑楼体之间的相互影响关系,不足以体现出建筑群震害模拟的准确性与真实感。因此,本文提出采用BIM建筑信息模型并结合多种可视化仿真技术对建筑群进行震害模拟,能够解决三维简化建筑模型的精细程度与真实感不足等问题,对建筑群在地震发生时的各种变化情况进行高真实度的模拟。本文以将BIM技术应用于震害模拟可视化方法研究中为主要目标,所做出的工作如下所示:(1)通过分析地震灾害对建筑群的各种破坏性行为,在使用者的功能性与非功能性两方面的需求分析基础上,设计并实现了建筑群震害模拟可视化平台。该平台支持用户导入自建BIM模型与对应的响应时程数据,无需过多的中间操作流程,无需安装任何插件,即可在浏览器中对该BIM建筑模型进行震害模拟可视化操作。平台核心功能模块为模型展示模块,主要通过BIM模型的三维展示、晃动展示、倒塌展示、构件破损展示以及区域火灾模拟展示五个功能部分,实现对建筑群的整个震害过程的模拟可视化。(2)重点解决BIM建筑信息模型与地震响应时程数据的绑定关系,通过对BIM模型进行解析、建立时程数据与BIM模型的自动化绑定关系、线性插值算法计算模型各构件的响应位置等操作,实现对BIM建筑模型的晃动模拟展示。(3)通过建立BIM精细化图形模型与粗精度物理模型的映射关系,利用物理引擎弥补震害计算的不足,进行BIM建筑模型的倒塌模拟,同时加入因建筑倒塌而出现的次生灾害模拟,如构件破损与区域火灾的模拟,实现对BIM建筑模型的震害模拟展示。通过实验结果分析与平台的展示效果可以看出,基于BIM建筑群震害模拟可视化研究的可行性与真实性,能够形象直观地展示震害对建筑群所产生的影响,为城市区域建筑的防震减灾设计以及抢险救援工作的开展提供科学依据和技术支持。
【图文】：

分布图,分布图,房屋建筑,人员伤亡

1.1 研究背景及意义我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处，受三大板块的挤压作用，地震活动十分频繁，近年来发生的大小地震不计其数，我国地震震中分布如图 1.1 所示。地震灾害发生时，房屋建筑会因震级大小出现不同程度的晃动，甚至会出现墙体开裂坠落或房屋建筑的倒塌，是造成经济损失和人员伤亡情况的最为直接的破坏性因素。伴随房屋建筑的倒塌，会出现多种次生灾害，如引燃易燃易爆物所造成的火灾，均持续加重了人员伤亡与财产损失情况。其中，1906 年美国旧金山发生 7.8 级地震，导致天然气管道破裂引发火灾，造成数千人死亡，直接经济损失超过 5 亿美元[1]；1976 年河北唐山发生7.8 级地震，整个唐山市顷刻间被夷为平地，，造成 24.24 万人死亡，经济损失超过 100亿人民币[2]；2008 年四川汶川发生 8.0 级地震，诱发了数以万计的地质灾害，导致约 7万人死亡，直接经济损失高达 8451 亿人民币[3]。

模拟图,震害,震害信息,砌体结构

(a) 潍坊市建筑震害模拟 (b) 希腊某城市建筑震害模拟图 1.2 基于 GIS 数据的 2D 震害模拟可视化利用多种建模软件结合震害信息与裂缝纹理，制作 3D 建筑的损伤模型，以三维可视化的形式对建筑楼体震害的损伤程度进行展示。如：杨泽以砖平房为例建立 3D 房屋模型，使用 3Ds Max 软件将震害信息与房屋纹理相融合，通过 ArcGIS 实现房屋震害受损情况的三维可视化展示[11]，如图 1.3 (a)所示；中国地震局工程力学研究所于济恺，通过分析砌体结构震害实例，提出构件裂缝等级函数，实现建筑模型震害情况与实际震害指数的联动，模拟城市级别的砌体结构震害情况[12]，如图 1.3 (b)所示。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU17;TU746;TP393.09

【参考文献】