CN108509707A - 一种城市建筑地震次生火灾模拟方法 - Google Patents

一种城市建筑地震次生火灾模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种城市建筑地震次生火灾模拟方法，属于抗震救灾技术领域。该方法包括：基于多质点模型对区域建筑进行非线性时间历程分析，确定建筑的破坏状态；提出回归约束的建筑起火模型，在不同的建筑的震害情况的基础上，利用回归模型计算给定地震强度时的起火建筑数量N和位置。本发明方法是一种城市地震次生火灾模拟方法，提出的考虑精细震害和回归约束的建筑起火模型以及考虑围护结构破坏的次生火灾传播物理模型，能够准确模拟地震次生火灾，而基于本发明模拟结果的高真实感可视化处理，能够方便非专业人士直观地理解次生火灾模拟结果，从而为消防救援决策、城市消防规划等提供依据。

Description

一种城市建筑地震次生火灾模拟方法
技术领域
本发明涉及一种城市建筑地震次生火灾模拟方法，属于抗震救灾技术领域。
背景技术
我国是地震多发国家，地震不仅本身具有很大的破坏性，它所引发的次生灾害也十分严重。特别地，20世纪历史震害数据表明，地震次生火灾是造成人员伤亡最严重的次生灾害。地震次生火灾引起的后果甚至可能比地震直接导致的后果更严重。例如，1906旧金山地震和1923日本东京地震造成了20世纪和平时期最大的城市火灾。其中，1906旧金山地震的次生火灾造成的房屋破坏占总破坏的80％，1923日本东京地震的次生火灾造成的经济损失占总损失的77％，次生火灾带来的损失是地震直接损失的数倍。因此，次生火灾问题需要引起高度重视。
地震次生火灾模拟主要包含两部分内容，即(1)起火模型，模拟某地震强度下给定小区内起火建筑数量，与(2)火灾传播物理模型，模拟火灾在建筑室内和建筑间的蔓延发展。现有模型仍然存在一些局限性：起火回归模型通常只给出了某个地震强度下的起火数量，难以较准确的判断具体起火位置，并且也缺少确定建筑震害高效准确的方法；火灾传播模型中较少考虑房屋震害对火灾蔓延的影响。在次生火灾可视化方面，现有模型通常在二维地理信息系统(GIS)平台或其他三维平台中展示火灾蔓延效果，并未关注火光、烟气等提高火灾蔓延场景真实感的因素，城市建筑群次生火灾的高真实感展示效果不足，大大限制了这些模型被政府管理部门或消防部门等非专业人员使用。
发明内容
本发明的目的是提出一种城市建筑地震次生火灾模拟方法，利用多质点模型和非线性时间历程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应；考虑建筑精细震害和围护结构对次生火灾的影响，对地震后的建筑起火模型和次生火灾传播进行模拟，为消防救援决策、城市消防规划等提供依据。
本发明提出的城市建筑地震次生火灾模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立地震后次生火灾的建筑起火数量回归模型如下：
N＝-0.11749+1.34534PGA-0.8476PGA2
其中，N表示发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量，PGA为发生地震时峰值地面加速度；
(2)设定一个PGA的值，根据该PGA的值确定建筑发生破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)，j＝0-4，具体过程如下：
(2-1)设定一个PGA的值，设定n条地震动的加速度时间历程记录；
(2-2)根据城市中的每个建筑属性数据，建立城市建筑的多质点模型，该建筑属性数据包括：建筑在城市中的位置、建筑结构类型、建筑高度、建筑层数、建筑的建造年代和建筑的楼层面积；
(2-3)从上述步骤(2-1)的n条地震动记录中任取一条加速度时间历程记录，向结构动力学运动方程中输入该任取的加速度时间历程记录和上述步骤(2-2)的城市建筑的多质点模型，进行非线性时间历程计算，得到待模拟城市建筑的破坏状态Dj，破坏状态Dj包括：完好、轻微、中等、严重和倒塌；
(2-4)遍历城市中的所有建筑，分别重复步骤(2-3)n-1次，得到城市中的所有建筑在所有加速度时间历程记录下的破坏状态Dj的发生次数nj；
(2-5)根据上述步骤(2-4)计算得到的破坏状态Dj的发生次数nj，计算得到破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)如下：
(3)对城市中每个建筑，计算地震次生火灾起火指数，包括以下步骤：
(3-1)利用下式分别计算城市中每个建筑地震次生火灾起火的概率P(R|PGA)：
P(R|PGA)＝P(M)×P(FK|M)×P(D|PGA)×P(G)
其中，P表示概率，P(M)为城市建筑有可燃物质的概率，设定无可燃物质时取值为0，有可燃物质时取值为1，P(Fk|M)为可燃物引起城市建筑起火的概率，取值为0.5-0.97，P(D|PGA)为在上述步骤(2)设定的PGA地震对每个城市建筑起火的影响概率，P(G)为发生设定的PGA下地震时天气对城市建筑起火的影响概率，取值为0.5-0.95，P(Dj|PGA)为上述步骤(2)计算得到的破坏状态Dj的发生概率，P(Cj|Dj)为破坏状态Dj下建筑易燃物泄漏概率，取值为0.5-0.97，P(Sj|Dj)为破坏状态Dj下建筑室内起火源引发火灾的概率，取值为0.5-0.97；
(3-2)利用下式，分别计算城市中每个建筑的单体建筑起火指数r：
其中，P(R)max为可能最大起火概率，P(R)max＝0.867；
(4)将上述步骤(3-2)计算得到的所有城市建筑的单体建筑起火指数r进行由大到小排序，确定单体建筑起火指数r值最大的前N个值，将与该前N个值相对应的单体建筑作为起火建筑，N为上述步骤(1)中发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量；
(5)建立一个考虑城市建筑外墙破坏的次生火灾传播物理模型如下：
其中，为建筑外墙损伤因子，定义为外墙损坏面积与外墙总面积之比，取值为0-0.38，分别为和时的极限热通量，的取值为10-18，的取值计算如下：
其中，α为建筑外墙完全破坏时的极限热通量折减系数，取值为0-1。
本发明提出的城市建筑地震次生火灾模拟方法，其优点是：
1、本发明的城市建筑地震次生火灾模拟方法，采用区域建筑地震响应时间历程分析得到建筑震害，可以考虑不同地震动记录和不同建筑抗震能力差别对起火位置的影响。
2、本发明方法能够考虑不同地震动和建筑震害对蔓延结果的影响，从而把握地震动的特异性和离散性。此外，模型还能合理地反映风速对火灾蔓延的加剧作用。
3、在火灾蔓延的初始阶段，不同地震动的蔓延结果比较接近；但一定时间后，不同地震动下火灾蔓延情况逐渐出现差异。建筑围护结构的震害会增大火灾蔓延面积。
综上所述，本发明提供的方法是一种城市地震次生火灾模拟方法，提出的考虑精细震害和回归约束的建筑起火模型以及考虑围护结构破坏的次生火灾传播物理模型，能够准确模拟地震次生火灾，而基于本发明模拟结果的高真实感可视化处理，能够方便非专业人士直观地理解次生火灾模拟结果，从而为消防救援决策、城市消防规划等提供依据。
具体实施方式
本发明方法提出的城市建筑地震次生火灾模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立地震后次生火灾的建筑起火数量回归模型(该模型可参见Ren A Z,Xie XY.2004.The simulation of post-earthquake fire-prone area based on GIS.Journalof Fire Sciences,22(5):421-439.)如下：
N＝-0.11749+1.34534PGA-0.8476PGA2
其中，N表示发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量，PGA为发生地震时峰值地面加速度，该加速度的单位为重力加速度；
(2)设定一个PGA的值，根据该PGA的值确定建筑发生破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)，j＝0-4，具体过程如下：
(2-1)设定一个PGA的值，设定n条地震动的加速度时间历程记录；若该地震为特定地震事件，则设定加速度时间历程记录数量n为1，若该地震为不确定地震事件，则设定加速度时间历程记录数量为n；
(2-2)根据城市中的每个建筑属性数据，建立城市建筑的多质点模型(该多质点模型为本技术领域中的公知的建筑简化数值模型)，该建筑属性数据包括：建筑在城市中的位置、建筑结构类型、建筑高度、建筑层数、建筑的建造年代和建筑的楼层面积；
(2-3)从上述步骤(2-1)的n条地震动记录中任取一条加速度时间历程记录，向结构动力学运动方程中输入该任取的加速度时间历程记录和上述步骤(2-2)的城市建筑的多质点模型，进行非线性时间历程计算(该计算方法为本技术领域的公知技术)，得到待模拟城市建筑的破坏状态Dj，破坏状态Dj包括：完好、轻微、中等、严重和倒塌；
(2-4)遍历城市中的所有建筑，分别重复步骤(2-3)n-1次，得到城市中的所有建筑在所有加速度时间历程记录下的破坏状态Dj的发生次数nj；
(2-5)根据上述步骤(2-4)计算得到的破坏状态Dj的发生次数nj，计算得到破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)如下：
(3)对城市中每个建筑，计算地震次生火灾起火指数，包括以下步骤：
(3-1)利用下式分别计算城市中每个建筑地震次生火灾起火的概率P(R|PGA)：
P(R|PGA)＝P(M)×P(FK|M)×P(D|PGA)×P(G)
其中，P表示概率，P(M)为城市建筑有可燃物质的概率，设定无可燃物质时取值为0，有可燃物质时取值为1，P(Fk|M)为可燃物引起城市建筑起火的概率，取值为0.5-0.97，(该取值与城市建筑功能有关，本发明的一个实施例中，取值为0.675)，P(D|PGA)为在上述步骤(2)设定的PGA地震对每个城市建筑起火的影响概率，P(G)为发生设定的PGA下地震时天气对城市建筑起火的影响概率，取值为0.5-0.95(该取值与城市天气状况有关，本发明的一个实施例中，取值为0.5)，P(Dj|PGA)为上述步骤(2)计算得到的破坏状态Dj的发生概率，P(Cj|Dj)为破坏状态Dj下建筑易燃物泄漏概率，取值为0.5-0.97(该取值与城市建筑地震下破坏状态有关，本发明的一个实施例中，取值为0.97)，P(Sj|Dj)为破坏状态Dj下建筑室内起火源引发火灾的概率，取值为0.5-0.97(该取值与城市建筑地震下破坏状态有关，本发明的一个实施例中，取值为0.675)；
(3-2)利用下式，分别计算城市中每个建筑的单体建筑起火指数r：
其中，P(R)max＝0.867；P(R)max为可能最大起火概率，对应情况为建筑在地震作用下发生倒塌，建筑内含易燃易爆化学品，且天气条件十分不利。
(4)将上述步骤(3-2)计算得到的所有城市建筑的单体建筑起火指数r进行由大到小排序，确定单体建筑起火指数r值最大的前N个值，将与该前N个值相对应的单体建筑作为起火建筑，N为上述步骤(1)中发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量；
(5)建立一个考虑城市建筑外墙破坏的次生火灾传播物理模型如下：
其中，为建筑外墙损伤因子，定义为外墙损坏面积与外墙总面积之比，取值为0-0.38(该取值与城市建筑地震下的破坏状态有关，本发明的一个实施例中，取值为0.244)，分别为和时的极限热通量，的取值为10-18(该取值与空气湿度和城市建筑结构类型有关，本发明的一个实施例中，取值为12)，的取值计算如下：
其中，α为建筑外墙完全破坏时的极限热通量折减系数，取值为0-1，(该取值为经验系数，本发明的一个实施例中，取值为0.4)。
利用本发明方法模拟得到的城市建筑地震次生火灾，可以通过可视化处理，真实地显示地震次生火灾的发展过程。通过建筑颜色的变化，展现着火建筑的状态变化和整个区域的火情发展。采用OSG开源三维图形引擎实现，根据建筑的层数、高度和平面形状等信息，拉伸并创建OSG三维模型叶节点，并添加到火灾场景根节点中。根据火灾起火与蔓延模拟结果，确定建筑各时刻的燃烧状态(定义为建筑已燃烧时间与建筑燃烧持时的比值)，并用从亮到暗的不同颜色表示不同燃烧状态。定义节点回调类(node callback)，在OSG火灾场景渲染时，每帧都会调用该节点回调类，从而更新当前帧建筑颜色。为了向场景中添加真实的烟气效果，采用大涡模拟，对大规模开放区域的火灾发展进行流体力学计算，得到遵循物理规律的烟气粒子的运动。具体地，首先利用OSG提供的函数osgDB:writeNodeFile()导出建筑三维模型文件，得到火灾动力学模拟模型的几何信息部分。之后，根据起火与蔓延模拟结果，得到各建筑的起火时刻与燃烧持时信息，补充至火灾动力学模拟的模型文件中(分别用“&DEVC”和“&SURF”关键词定义)。再根据风、模拟时间等其他设置，在火灾动力学模拟的模型文件中补充其他信息。最后进行大涡模拟计算，得到烟气粒子的运动过程，实现高真实感烟气蔓延场景。

Claims (1)

1.一种城市建筑地震次生火灾模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)建立地震后次生火灾的建筑起火数量回归模型如下：
N＝-0.11749+1.34534PGA-0.8476PGA2
其中，N表示发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量，PGA为发生地震时峰值地面加速度；
(2)设定一个PGA的值，根据该PGA的值确定建筑发生破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)，j＝0-4，具体过程如下：
(2-1)设定一个PGA的值，设定n条地震动的加速度时间历程记录；
(2-2)根据城市中的每个建筑属性数据，建立城市建筑的多质点模型，该建筑属性数据包括：建筑在城市中的位置、建筑结构类型、建筑高度、建筑层数、建筑的建造年代和建筑的楼层面积；
(2-3)从上述步骤(2-1)的n条地震动记录中任取一条加速度时间历程记录，向结构动力学运动方程中输入该任取的加速度时间历程记录和上述步骤(2-2)的城市建筑的多质点模型，进行非线性时间历程计算，得到待模拟城市建筑的破坏状态Dj，破坏状态Dj包括：完好、轻微、中等、严重和倒塌；
(2-4)遍历城市中的所有建筑，分别重复步骤(2-3)n-1次，得到城市中的所有建筑在所有加速度时间历程记录下的破坏状态Dj的发生次数nj；
(2-5)根据上述步骤(2-4)计算得到的破坏状态Dj的发生次数nj，计算得到破坏状态Dj的发生概率P(Dj|PGA)如下：
(3)对城市中每个建筑，计算地震次生火灾起火指数，包括以下步骤：
(3-1)利用下式分别计算城市中每个建筑地震次生火灾起火的概率P(R|PGA)：
P(R|PGA)＝P(M)×P(FK|M)×P(D|PGA)×P(G)
其中，P表示概率，P(M)为城市建筑有可燃物质的概率，设定无可燃物质时取值为0，有可燃物质时取值为1，P(Fk|M)为可燃物引起城市建筑起火的概率，取值为0.5-0.97，P(D|PGA)为在上述步骤(2)设定的PGA地震对每个城市建筑起火的影响概率，P(G)为发生设定的PGA下地震时天气对城市建筑起火的影响概率，取值为0.5-0.95，P(Dj|PGA)为上述步骤(2)计算得到的破坏状态Dj的发生概率，P(Cj|Dj)为破坏状态Dj下建筑易燃物泄漏概率，取值为0.5-0.97，P(Sj|Dj)为破坏状态Dj下建筑室内起火源引发火灾的概率，取值为0.5-0.97；
(3-2)利用下式，分别计算城市中每个建筑的单体建筑起火指数r：
其中，P(R)max为可能最大起火概率，P(R)max＝0.867；
(4)将上述步骤(3-2)计算得到的所有城市建筑的单体建筑起火指数r进行由大到小排序，确定单体建筑起火指数r值最大的前N个值，将与该前N个值相对应的单体建筑作为起火建筑，N为上述步骤(1)中发生地震后每100,000平方米建筑面积内起火建筑的数量；
(5)建立一个考虑城市建筑外墙破坏的次生火灾传播物理模型如下：
其中，为建筑外墙损伤因子，定义为外墙损坏面积与外墙总面积之比，取值为0-0.38，分别为和时的极限热通量，的取值为10-18，的取值计算如下：
其中，α为建筑外墙完全破坏时的极限热通量折减系数，取值为0-1。
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