CN107590853A - 一种城市建筑群震害高真实度展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城市建筑群震害高真实度展示方法，属于震害模拟预测技术领域。本发明采用多自由度结构模型对城市大规模建筑群进行地震作用下的非线性时程分析，获得建筑各个楼层的地震反应数据(包括震害等级、位移、速度等)。在此基础上，基于精细化震害数据在三维图形引擎中实现了建筑位移的动态可视化。最后，设计了一个综合物理引擎、图形引擎和时程分析的模拟算法，来表现建筑倒塌的真实感物理过程。本发明以我国一个真实的中型城市作为算例进行应用，具有真实感地展示了城市建筑群震害全过程。本发明为城市的虚拟地震应急演练提供了良好的可视化技术。

Description

一种城市建筑群震害高真实度展示方法

技术领域

本发明涉及震害模拟预测技术领域，特别是指一种城市建筑群震害高真实度展示方法。

背景技术

城市的人口密度和财产密度都非常高，尤其是特大型城市一旦发生强烈地震，必然会造成严重的人员伤亡和财产损失。为减轻地震对城市的严重影响，可以通过城市级别的虚拟应急演练提高救援能力，并提前防控。然而，虚拟应急演练需要高真实感的城市建筑群地震反应的可视化方法。

在城市建筑群震害高真实度展示方面，国内外很多研究者已经开展了基于三维城市模型的震害展示研究，如加拿大约克大学基于分布式GIS建立了温哥华的三维地形和城市模型，并对城市整体震害评估结果进行展示(R.Abdalla,V.Tao.Integrateddistributed GIS approach for earthquake disaster modeling andvisualization.Geo-Information for Disaster Management,Springer,2005,1183-1192.)；中国地震局工程力学研究所利用CAD和纹理技术建立了真实感的3D城市，通过静态方式展现地震易损性或震害效果(孙松涛,城市震害三维模拟系统的实现方法.地震工程与工程振动,2010,30(5):1-8.)。这些研究的城市震害可视化结果都是静态的，而且所采用的震害预测模型往往过于简单，不能得到建筑物破坏的细节信息，因而其震害展示效果真实感不够。而近年来得到迅速发展的城市建筑群精细预测模型，可以得到更加清晰准确的震害计算结果(例如整个结构的震害时程以及楼层的局部损伤等)，为提高震害模拟的真实感提供了关键的数据支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种城市建筑群震害高真实度展示方法，实现城市级别的建筑群地震反应过程的动态可视化。本发明方法包括3部分：(1)城市建筑群地震反应的时程分析；(2)建筑变形过程的动态可视化；(3)建筑倒塌过程的动态可视化。

具体步骤如下：

(1)城市建筑群地震反应的时程分析：

利用城市区域的地理信息系统GIS数据，获取每栋建筑的位置、建筑外轮廓的多边形，并且获得建筑结构类型、建造年代、层高、层数数据，建立每栋建筑的多层集中质量剪切模型，并通过选取区域内代表性的典型建筑来确定该区域同类建筑的滞回模型参数；通过基于集中质量剪切模型的时程分析，获得每栋建筑每一层的破坏状态、层位移、层速度，并给出建筑倒塌情况；

(2)建筑变形过程的动态可视化：

包括城市建筑群的真实感建模和基于精细化预测的震害动态演示两部分，首先，根据地理信息系统GIS数据，在开源图形引擎OSG中建立三维建筑模型，并且通过多重纹理技术给建筑进行贴图，形成具有真实感的建筑三维模型，完成城市建筑群的真实感建模；然后，利用OSG的回调机制，用震害预测数据在每一帧更新建筑模型的顶点坐标，动态地表现建筑震害过程；

(3)建筑倒塌过程的动态可视化：

首先，建立OSG与PhysX的对应关系；然后，实现震害动态演示与倒塌过程的协同模拟；最后，将震害场景加入地形、天空环境模型，并利用立体投影设备进行区域建筑震害过程的立体感展示。

其中，步骤(2)中城市建筑群的真实感建模包括三维建模和纹理映射两部分，首先进行建筑群的三维建模，再对三维模型进行纹理映射；建筑三维模型与震害预测模型保持一致，以楼层为基本单元。

步骤(2)基于精细化预测的震害动态演示的具体算法如下：

①更新器的创建与初始化：在OSG中，继承OSG的更新回调类UpdateCallback创建更新器updater；

②更新器的动态执行：在回调过程中，将震害预测中的时间步与动态演示中的帧数相对应；在动态演示的每一帧中，更新器利用对应时间步的震害数据来更新建筑的顶点坐标；重载更新器中的Update()函数实现对图形顶点的动态修改功能；通过回调，不断修改建筑模型，形成区域建筑震害的动态演示过程；

③清空更新器：当动态演示达到最大的时间步时，清空更新器，建筑模型不再更新，震害过程的动态演示结束。

步骤(3)中建立OSG和PhysX对应关系的具体步骤如下：创建一个专门的类Stories，在Stories类中，同时包含楼层对应的Actor对象和Geode节点，以建立楼层物理模型与图形模型的联系；利用Callback机制，创建一个新类Move-callback，以控制Stories类的渲染主循环；Move-callback类从PhysX的Actor中获取运动信息，然后应用运动信息来更新楼层图形；通过Stories类和Move-callback类实现的渲染循环过程形成了PhysX计算支持的建筑倒塌模拟。

步骤(3)中震害动态演示与倒塌过程的协同模拟过程如下：当建筑发生垮塌后，清空动态演示的更新器，建立楼层图形Geode节点与物理角色Actor的动态联系；然后，将Geode的运动状态信息传递给Actor，并激活Actor；PhysX不断计算Actor的倒塌过程，计算数据同步传递给Geode，实时表现建筑的倒塌过程。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

与已有城市震害场景展示方法和技术相比，本发明给出的是城市建筑群地震反应的动态可视化结果，而且可视化基于多层剪切模型的时程分析，具有较高的准确性和可信度。更重要的是，本发明还通过物理引擎占了了建筑倒塌过程，大大提升了城市震害效果的真实感。本发明的研究结果可以用于震害预测、灾后应急、救援训练等，为城市防震减灾提供了重要技术支持。本发明基于多自由度结构模型时程分析结果来实现城市建筑群的地震反应可视化，保证了可视化结果的准确；同时，在三维图形引擎中，进行了建筑外观纹理贴图，并借助物理引擎，模拟了建筑倒塌的动态过程，从而实现了城市建筑群震害的高真实度展示。本发明可以应用于城市地震虚拟应急演练，也可以抗震减灾方面的宣传、教育，具有较好的视觉效果和冲击感。

附图说明

图1为本发明的城市建筑群震害高真实度展示方法流程示意图；

图2为本发明实施例中多层集中质量剪切模型示意图；

图3为本发明实施例中城市建筑群真实感建模方法示意图；

图4为本发明实施例中建筑地震变形的动态可视化方法示意图；

图5为本发明实施例中OSG与PhysX的动态联系方法示意图；

图6为本发明实施例中建筑震害高真实度模拟的完整过程示意图；

图7为本发明实施例中城市建筑群震害过程高真实度展示示意图，其中，a为正常建筑群，b为发生地震变形建筑群，c为倒塌开始时的建筑群，d为倒塌结束后的建筑群；

图8为本发明实施例中城市建筑群震害立体投影效果。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种城市建筑群震害高真实度展示方法。

选择我国一个真实的中型城市作为案例来展示本发明具体实施方式。

如图1所示，本发明方法具体展示过程主要涉及三步，包括步骤如下：

(1)城市建筑群地震反应的时程分析：

采用多层集中质量剪切模型作为震害预测模型(如图2)，以更加精细化地模拟建筑震害。该分析模型可以准确计算不同楼层的震害损伤，可以考虑结构高阶振型影响等复杂结构动力特性，且计算效率较高。但是合理的层间滞回模型对保障其计算准确度非常重要。为此，本发明采用了层剪切滞回模型，它可以模拟屈服、强化、软化等比较复杂的层间行为，具有较强的通用性。通过调整参数，本发明采用的滞回模型可以得到比较精确的模拟结果，因此，适合进行真实城市建筑群震害的模拟。

为了准确地确定在不同建筑中层剪切滞回模型的参数，本发明选取区域内代表性的典型建筑来确定该区域同类建筑的滞回模型参数。具体而言，采用纤维梁模型或者分层壳模型，建立典型建筑的精细化有限元模型，通过非线性pushover分析得到层间力与位移的滞回曲线。同样，基于本发明所采用的层剪切滞回模型也可以得到层间力与位移的滞回曲线。不断调整滞回模型的参数，当两个滞回曲线一致时，所采用的参数即为该典型结构代表区域的合理滞回模型参数。上述参数选择过程保证了本发明多层剪切模型的模拟结果与精细化模拟的一致性。

具体方法为：利用城市区域的地理信息系统GIS数据，获取每栋建筑的位置、建筑外轮廓的多边形，并且获得结构类型、建造年代、层高、层数等数据，建立每栋的多层集中质量剪切模型，并通过选取区域内代表性的典型建筑来确定该区域同类建筑的滞回模型参数。通过基于剪切模型的时程分析，获得每栋建筑每一层的破坏状态、层位移、层速度等，并给出建筑倒塌情况，以用于后续建筑变形及倒塌过程的可视化。

(2)建筑变形过程的动态可视化：

包括城市建筑群的真实感建模和基于精细化预测的震害动态演示两部分。

首先，城市建筑群的真实感建模主要包括三维建模和纹理映射两个部分(如图3)。区域建筑震害预测模型将楼层简化为集中质量点，并不包含完整的三维信息。因此，需要利用城市区域的地理信息系统GIS数据，获取位置、建筑外形、楼层高度等扩充信息来建立建筑三维模型。本发明利用GIS中建筑轮廓多边形在高度方向进行拉伸在开源图形引擎OSG中建立不同的建筑三维模型。同时，为了使建筑三维模型能够反映层间的局部震害特征，建筑三维模型应与震害预测模型保持一致，同样以楼层为基本单元。

为增加建筑模型的真实感，需要对三维模型进行纹理映射。本发明采用多重纹理技术，对建筑物的不同表面分别进行贴图，以更加细致地体现建筑物的特征。根据图3所示方法，可以建立城市区域的真实感模型，如图7a，为震害动态演示奠定基础。

然后，本发明选择开源图形引擎OSG(OpenSceneGraph)作为视景模拟的主要平台。在OSG中，一般会采用回调机制(Callback)来完成每一帧渲染前需要的工作，如空间变化、顶点更新、视点变化等。利用OSG的回调机制，本发明直接用震害预测数据在每一帧更新建筑模型的顶点坐标，以动态地表现建筑震害过程，具体算法如图4所示：

①更新器的创建与初始化

为了实现对图形顶点的操作，需要创建更新器updater。它需要继承OSG中图形的更新回调类UpdateCallback，以实现对回调过程的全面控制。在updater初始化阶段，更新器需要在动画渲染前加载对应建筑震害的结点位移数据。

②更新器的动态执行

在回调过程中，需要将震害预测中的时间步与动态演示中的帧数相对应。在动态演示的每一帧中，更新器将利用对应时间步的震害数据来更新建筑的顶点坐标。重载更新器中的Update()函数可以实现对图形顶点的动态修改功能。通过回调，不断修改建筑模型，可形成区域建筑震害的动态演示过程，如图7b。

③清空更新器

当动态演示达到最大的时间步时，清空更新器，建筑模型不再更新，震害过程的动态演示结束。

(3)建筑倒塌过程的动态可视化：

首先，建立OSG与PhysX的对应关系；然后，实现震害动态演示与倒塌过程的协同模拟；最后，将震害场景加入地形、天空环境模型，并利用立体投影设备进行区域建筑震害过程的立体感展示，如图8。具体如下：

本发明选择物理引擎PhysX进行建筑倒塌过程模拟。PhysX可以采用GPU(graphicsprocessing unit)来加速计算过程，更适合大量物体的计算。

为了保证物理计算与图形显示的准确对应，需要根据震害预测数据在物理空间中建立与图形一致的建筑倒塌模型。在建筑模型场景层次中，楼层图形由OSG中的Geode节点储存和管理。在PhysX中，物理角色Actor类是基本的计算单元，代表着物理世界中所有的物体。因此，在本发明中，对应于Geode节点，在物理引擎中楼层由Actor建立。

在本发明中，物理引擎的楼层模型，需要楼层的材料属性(如弹性系数、线阻尼等)，也需要楼层倒塌时的状态参数(如位移、速度等)。材料属性需要根据不同建筑结构类型，查询相关实验结果确定，而状态参数从而通过数值分析数据获得，以保证模拟的准确性。在物理引擎中，楼层的外形参数通过对应的楼层的Geode节点获得。为减少震害模拟过程中的耗时，楼层的物理模型可以在渲染前建立，在需要物理计算时被激活。

物理引擎与图形引擎是两个独立的程序，需要构建两者的动态联系才能模拟建筑的倒塌过程。本发明基于OSG回调机制，在每一帧中，利用PhysX实时计算数据不断更新楼层的顶点坐标，以形成楼层倒塌过程的动态演示。为了建立OSG与PhysX的对应关系，创建了一个专门的类Stories。在Stories类中，同时包含楼层对应的Actor对象和Geode节点，以建立楼层物理模型与图形模型的联系。为了实现建筑倒塌的动态过程，需要控制Stories类的回调过程，因此，设计了一个新类Move-callback。由于继承了Callback机制的控制类，Move-callback类可以控制Stories类的渲染主循环。Move-callback类从PhysX的Actor中获取运动信息，然后应用运动信息来更新楼层图形。通过Stories类和Move-callback类实现的渲染循环过程形成了PhysX计算支持的建筑倒塌模拟，如图5所示。

建立OSG与PhysX的动态联系后，可以通过物理引擎模拟建筑倒塌过程。但是，为表现完整的建筑震害过程，震害动态演示与倒塌过程必须形成协同模拟的整体。根据震害预测给出的倒塌判断，本发明将整个建筑震害过程分为两个阶段：倒塌前和倒塌后。首先，建立区域建筑群的真实感模型。在倒塌前，利用位移时程数据来动态地演示建筑的位移和变形。发生垮塌后，清空动态演示的更新器，根据前述方法建立楼层图形Geode节点与物理角色Actor的动态联系。然后，将Geode的运动状态信息传递给Actor，并激活Actor。物理引擎将不断计算Actor的倒塌过程，计算数据也会同步传递给Geode，以实时表现建筑的倒塌过程，如图7c、图7d。上述过程(如图6所示)实现了完整的城市区域建筑震害高真实度模拟。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种城市建筑群震害高真实度展示方法，其特征在于：具体过程如下：

(1)城市建筑群地震反应的时程分析：

利用城市区域的地理信息系统GIS数据，获取每栋建筑的位置、建筑外轮廓的多边形，并且获得建筑结构类型、建造年代、层高、层数数据，建立每栋建筑的多层集中质量剪切模型，并通过选取区域内代表性的典型建筑来确定该区域同类建筑的滞回模型参数；通过基于集中质量剪切模型的时程分析，获得每栋建筑每一层的破坏状态、层位移、层速度，并给出建筑倒塌情况；

(2)建筑变形过程的动态可视化：

包括城市建筑群的真实感建模和基于精细化预测的震害动态演示两部分，首先，根据地理信息系统GIS数据，在开源图形引擎OSG中建立三维建筑模型，并且通过多重纹理技术给建筑进行贴图，形成具有真实感的建筑三维模型，完成城市建筑群的真实感建模；然后，利用OSG的回调机制，用震害预测数据在每一帧更新建筑模型的顶点坐标，动态地表现建筑震害过程；

(3)建筑倒塌过程的动态可视化：

首先，建立OSG与PhysX的对应关系；然后，实现震害动态演示与倒塌过程的协同模拟；最后，将震害场景加入地形、天空环境模型，并利用立体投影设备进行区域建筑震害过程的立体感展示。

2.根据权利要求1所述的城市建筑群震害高真实度展示方法，其特征在于：所述步骤(2)中城市建筑群的真实感建模包括三维建模和纹理映射两部分，首先进行建筑群的三维建模，再对三维模型进行纹理映射；建筑三维模型与震害预测模型保持一致，以楼层为基本单元。

3.根据权利要求1所述的城市建筑群震害高真实度展示方法，其特征在于：所述步骤(2)基于精细化预测的震害动态演示的具体算法如下：

①更新器的创建与初始化：在OSG中，继承OSG的更新回调类UpdateCallback创建更新器updater；

②更新器的动态执行：在回调过程中，将震害预测中的时间步与动态演示中的帧数相对应；在动态演示的每一帧中，更新器利用对应时间步的震害数据来更新建筑的顶点坐标；重载更新器中的Update()函数实现对图形顶点的动态修改功能；通过回调，不断修改建筑模型，形成区域建筑震害的动态演示过程；

③清空更新器：当动态演示达到最大的时间步时，清空更新器，建筑模型不再更新，震害过程的动态演示结束。

4.根据权利要求1所述的城市建筑群震害高真实度展示方法，其特征在于：所述步骤(3)中建立OSG和PhysX对应关系的具体步骤如下：创建一个专门的类Stories，在Stories类中，同时包含楼层对应的Actor对象和Geode节点，以建立楼层物理模型与图形模型的联系；利用Callback机制，创建一个新类Move-callback，以控制Stories类的渲染主循环；Move-callback类从PhysX的Actor中获取运动信息，然后应用运动信息来更新楼层图形；通过Stories类和Move-callback类实现的渲染循环过程形成了PhysX计算支持的建筑倒塌模拟。

5.根据权利要求1所述的城市建筑群震害高真实度展示方法，其特征在于：所述步骤(3)中震害动态演示与倒塌过程的协同模拟过程如下：当建筑发生垮塌后，清空动态演示的更新器，建立楼层图形Geode节点与物理角色Actor的动态联系；然后，将Geode的运动状态信息传递给Actor，并激活Actor；PhysX不断计算Actor的倒塌过程，计算数据同步传递给Geode，实时表现建筑的倒塌过程。