[发明专利]一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统及方法

说明书

本发明属于地震灾害预警分析技术领域，涉及一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统及方法，包括用户管理模块、模型管理模块和模型展示模块，其中用户管理模块包括用户查询和用户删除单元，模型管理模块包括模型查询、模型上传、模型删除和时程数据上传单元，模型展示包括BIM三维模型展示、BIM模型晃动展示、BIM模型倒塌展示、BIM破损展示和区域火灾模拟单元，能够实现对建筑实体从外观设计到内部结构的准确建模，实现地震灾害发生时建筑群的晃动、倒塌以及破损等情况的高真实度还原，有助于防震减灾系列工作的展开，有效降低城市区域地震灾害损伤。

技术领域：

本发明属于地震灾害预警分析技术领域，涉及一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统及方法。

背景技术：

随着社会经济的快速发展，城市规模急剧膨胀，呈现出城市人口密度与建筑密度的高速聚变。人口的相对集中与建筑设施的密集使得广大城市所面临地震灾害威胁的形势越来越严峻，一旦出现地震灾害，势必造成大面积的建筑损坏与人员伤亡，给城市带来毁灭性的危害。为了在最大程度上降低城市区域因地震灾害带来的损伤，通常采用规划与预案、评估与救援这两个阶段的应对措施，第一，地震发生前分析建筑的抗震性能，加固改造建筑中的抗震薄弱环节；评估区域建筑的人员疏散需求，设计应急避难场所，同时建立地震应急预案；第二，地震发生时对建筑破损情况进行快速分析，帮助决策者准确掌握受灾区域的基本情况，合理有效地展开抗震救援工作。

地震灾害发生时房屋建筑会出现晃动、开裂、倒塌、碰撞以及破损等多种复杂性行为，要想通过震前准确规划与震中有效救援相结合的手段降低城市区域的震害损伤，进行建筑群的震害模拟方法研究是十分有必要的，但是由于城市区域建筑群的高密度与建筑高层特征，仅通过单体结构模型实验进行震害模拟，需要投入大量的人财物力，且模拟实验结果不具备城市级别的意义。目前随着科学技术的不断发展，可视化仿真技术融合计算机图像处理知识与虚拟现实知识，突破时间和时空上的限制，以更准确有效的方式对事物进行仿真模拟，并对其结果进行直观地可视化展示，可视化仿真技术广泛应用于游戏制造业、旅游业、交通运输业、建筑领域以及医学领域等行业，对各行各业的发展都产生了巨大的价值。

地震灾害中的仿真可视化技术按照应用场景可以大致分为仿真分析与宏观演示，其中，仿真分析采用微分方程、离散元等精细化数学模型，用于建筑结构的仿真分析，如日本学者Motohiko Hakuno采用离散单元法进行房屋倒塌过程的模拟；宏观演示采用各种宏观模型，用于地震工程的宏观研究，如清华大学建立的砖混结构房屋倒塌后的瓦砾分布模型。日本是一个地震频发的国家，其对于地震的预测和模拟技术一直是世界的领先水平，日本防灾科学技术研究所开展的“反映大城市特征的震害高端模拟技术”研究，采用GIS与CAD数据建立实验模型，对整个东京市的建筑实体进行了震害可视化模拟；Atilla Ansa考虑场地效应的作用，将大面积区域按照地质条件划分成若干子区域，模拟震害作用下区域建筑物的破坏情况；加利福尼亚大学对洛杉矶重点建筑进行精细化建模，进行模拟城市级别的震害模拟，为震后重建工作起到了十分重要的作用。国内对于震害模拟可视化的研究大都处于探索阶段，近几年来得到了一定的进展，也不乏对于震害可视化仿真方面较为创意的探索：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；清华大学曾翔为有效识别村镇区域火灾风险，基于OSG图形引擎开发了火灾蔓延模拟可视化平台，直观展示火灾蔓延的全过程，为震后火灾防控提供了科学化的技术支持。清华大学土木工程学院对区域建筑震害模拟做了一系列的方法研究：以实现城市区域建筑震害预测为目标，提出基于三维简化模型的区域城市建筑震害模拟可视化方法，对地震中建筑的晃动倒塌过程进行模拟；分别根据三维模型与GIS数据的映射、有限元模型与应用场景映射建立基于LOD2层级与LOD3层级的区域建筑模型，进行震害模拟可视化方法研究，实现对城市区域建筑震害的真实性还原；建立具有结构地震弹塑性时程分析的“校园建筑震害预测”模拟可视化平台，应用于土木专业课程的实际教学中。但是由于三维模型的简化，不足以看出各建筑层间的震害细节，或从简化模型到精细化建模处理过程的误差，导致模型与实际建筑存在偏差，不足以体现建筑群震害的真实性。

发明内容：