CN108564867A - 城市地震次生火灾模拟方法及系统 - Google Patents

城市地震次生火灾模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市地震次生火灾模拟方法及系统，其中，方法包括：根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态；根据每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置；通过次生火灾传播物理模型，并根据每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态；通过火灾场景渲染和大涡模拟对建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。该方法可以有效提高地震次生火灾模拟的精度，实现城市地震次生火灾高真实感展示。

Description

城市地震次生火灾模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及数值模拟土木工程技术领域，特别涉及一种城市地震次生火灾模拟方法及系统。
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GIS(Geographic Information System，地理信息系统)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
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种城市地震次生火灾模拟方法，该方法可以有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
本发明的另一个目的在于提出一种城市地震次生火灾模拟系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种城市地震次生火灾模拟方法，包括以下步骤：根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对所述区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态；根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置；通过次生火灾传播物理模型并根据所述每栋建筑的破坏状态，模拟所述起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态；通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和所述建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。
本发明实施例的城市地震次生火灾模拟方法，利用多质点模型和非线性时程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应，考虑建筑震害对次生火灾的影响，。而且具有极高的计算效率和展示度，从而有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
另外，根据本发明上述实施例的城市地震次生火灾模拟方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置，进一步包括：根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量；根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过次生火灾传播物理模型，并根据所述每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，进一步包括：根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，进一步包括：根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对所述燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染；通过所述大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种城市地震次生火灾模拟系统，包括：建筑破坏状态模拟模块，用于根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对所述区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态；建筑起火模型模块，用于根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置；火灾传播状态模拟模块，用于通过次生火灾传播物理模型并根据所述每栋建筑的破坏状态，模拟所述起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态；处理模块，用于通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和所述建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。
本发明实施例的城市地震次生火灾模拟系统，利用多质点模型和非线性时程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应，考虑建筑震害对次生火灾的影响，。而且具有极高的计算效率和展示度，从而有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
另外，根据本发明上述实施例的城市地震次生火灾模拟系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建筑起火模型模块进一步用于根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量，并根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述火灾传播状态模拟模块进一步包用于根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理模块进一步用于根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对所述燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染，并通过所述大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的城市地震次生火灾模拟方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的城市地震次生火灾模拟方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的建筑间火灾蔓延方式的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的分析区域太原市中心城区示意图；
图5为根据本发明一个实施例的各建筑平均起火指数及起火建筑位置图；
图6为根据本发明一个实施例的总燃烧面积与时间关系曲线图；
图7为根据本发明一个实施例的同的φ取值下总燃烧面积与时间关系曲线图；
图8为根据本发明一个实施例的不同风速下总燃烧面积与时间关系曲线图；
图9为根据本发明一个实施例的火灾蔓延效果图；
图10为根据本发明一个实施例的次生火灾场景烟气效果图；
图11为根据本发明一个实施例的城市地震次生火灾模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的城市地震次生火灾模拟方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的城市地震次生火灾模拟方法。
图1是本发明一个实施例的城市地震次生火灾模拟方法的流程图。
如图1所示，该城市地震次生火灾模拟方法包括以下步骤：
在步骤S101中，根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态。
可以理解的是，本发明实施例基于多质点模型对区域建筑进行非线性时程分析，确定城市区域内每栋建筑的详细破坏状态。如图2所示，本发明实施例首先进行区域建筑的地震响应模拟。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
具体而言，本发明实施例根据建筑属性数据(结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积等)建立区域建筑的多质点模型；采用结构动力学中的运动方程，对建筑模型进行非线性时程分析，得到每栋建筑的详细破坏情况。其中，详细的破坏状态包括完好、轻微、中等、严重、倒塌。
在步骤S102中，根据每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置。
可以理解的是，如图2所示，本发明实施例提出考虑精细震害和回归约束的建筑起火模型，计算建筑起火概率，确定起火建筑数量和位置
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置，进一步包括：根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量；根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
可以理解的是，本发明实施例提出考虑精细震害和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；根据单体建筑起火概率模型，计算各建筑发生地震次生火灾的概率；对目标区域中的所有建筑，按照发生火灾的概率，从大到小排序，起火概率最高的N个建筑即为初始起火建筑。
具体而言，基于如图所示的S1计算得到的建筑精细震害，提出新型起火回归模型和概率模型；计算给定地震强度下起火建筑的数量，基于单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率；确定目标区域内的初始起火建筑。
如图2所示，S2：提出考虑精细震害和回归约束的建筑起火模型，计算建筑起火概率，确定起火建筑数量和位置。
基于历史数据的统计，震后火灾的回归模型如式(1)所示，
N＝-0.11749+1.34534PGA-0.8476PGA2 (1)
式中，N表示每100,000平方米建筑面积内起火建筑数量，PGA单位为g。
设给定PGA下，单体建筑发生地震次生火灾的概率为P(R|PGA)。则P(R|PGA)可利用式(2)和式(3)进行计算：
P(R|PGA)＝P(M)×P(FK|M)×P(D|PGA)×P(G) (2)
式中，P(D|PGA)反映给定PGA下单体建筑震害对起火概率的影响；P(M)为建筑物有无可燃物质的概率；P(Fk|M)特定可燃物影响建筑发生起火的概率；P(G)天气等其它因素对建筑起火的影响概率；P(Cj|Dj)破坏状态Dj下建筑易燃物泄漏概率；P(Sj|Dj)破坏状态Dj下建筑室内起火源引发火灾的概率；P(Dj|PGA)给定PGA下建筑发生破坏状态Dj的概率。
P(D|PGA)是不同建筑相对起火风险的衡量指标，即P(D|PGA)越大，表明建筑发生地震次生火灾的风险越大。每栋建筑的起火指数r为：
式中，P(R)max＝0.867为使用式(2)和式(3)计算可能得到的最大起火概率，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。
为了考虑建筑震害情况对起火的影响，采用如图2中所示的S1中区域建筑的地震响应模拟方法，计算得到建筑发生不同破坏状态的概率，确定起火建筑的具体步骤如下：
(1)给定PGA，选择n条地震动记录，地震动记录的选择方法可以参考FEMA的报告。特别地，如需考虑某个特定地震事件导致的次生火灾，则n＝1，即直接根据地震情境来生成相应的地震动。
(2)对任一建筑，进行n次非线性时程分析，每次分析给出该建筑的一个确定的破坏状态(即完好、轻微、中等、严重、倒塌)，从而得到各破坏状态Dj的发生次数nj。
(3)采用式(5)计算P(Dj|PGA)：
(4)对区域中每栋建筑执行上述步骤(1)到(3)，利用式(2)至(5)，就能得到该区域建筑起火指数r的分布。指定r值最大的前N个建筑，将其作为起火建筑，至此就完成了起火建筑数量和位置的模拟。
在步骤S103中，通过次生火灾传播物理模型，并根据每栋建筑的破坏状态，对起火建筑导致的火灾蔓延情况进行模拟，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态。
可以理解的是，如图2所示，本发明实施例提出考虑围护结构破坏的次生火灾传播物理模型，模拟建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的过程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过次生火灾传播物理模型，并根据每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，进一步包括：根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
可以理解的是，本发明实施例提出考虑围护结构破坏的次生火灾传播物理模型，通过定义着火建筑的温度和热释放率随时间变化的函数来模拟建筑室内的起火、轰然、火灾充分发展、熄灭的过程；通过热辐射和热羽流来模拟建筑间的火灾蔓延过程，同时也考虑了建筑外墙破坏的影响
如图2中步骤S3中次生火灾传播物理模型具体包括：建筑室内的火势发展和建筑间的火灾蔓延过程。在计算建筑内的火势发展时考虑建筑起火、轰然、火灾充分发展、熄灭的过程；基于建筑围护结构的损伤情况，计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
具体而言，火灾的蔓延包括建筑室内的火势发展和建筑间的火灾蔓延。对于建筑室内的火势发展，模型通过定义着火建筑的温度和热释放率随时间变化的函数，来简化模拟建筑起火、轰然、火灾充分发展、熄灭的过程。对于建筑间的火灾蔓延，模型考虑了两个主要因素，如图3所示，即热辐射和热羽流，着火建筑不仅通过门窗洞口的火焰直接辐射和外墙的热辐射影响临近的建筑，还通过高温烟气羽流影响下风方向的建筑。对于未起火建筑，在周围起火建筑共同影响下，如果某时刻接收到的热通量超过其临界热通量，则认为该建筑将在该时刻被引燃。模型同时考虑了环境温度、湿度、是否下雨等气象条件对蔓延的影响。
震害将削弱房屋的抗火能力，加剧火灾的蔓延。地震导致的建筑外围护材料的破坏将降低引发建筑着火的极限热通量，如式(6)所示，
式中，φ是围护材料损伤因子，定义为外墙损坏面积与外墙总面积之比；分别是φ＝1和φ＝0时的极限热通量。建筑外围护材料损伤因子φ与结构的地震破坏状态有关。
α为外墙完全破坏时的极限热通量折减系数，如式(7)所示。
地震引起的建筑外围护结构破坏由图2中的步骤S1中的方法计算得到。
在步骤S104中，通过火灾场景渲染和大涡模拟对建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。
可以理解的是，如图2所示，本发明实施例完成基于计算流体场的城市区域次生火灾火场高真实感可视化。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过火灾场景渲染和大涡模拟对建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，进一步包括：根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染；通过大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
可以理解的是，本发明实施例实现了基于计算流体场的城市区域次生火灾火场高真实感可视化，利用OpenSceneGraph(OSG)开源三维图形引擎建立区域建筑地震次生火灾的三维场景，采用不同颜色表征燃烧状态，展示着火建筑的状态变化及火情的发展；通过流体场大涡模拟计算烟气粒子的运动，展示火灾场景的烟气效果。
具体而言，如图2所示，步骤S4中地震次生火灾火场高真实感可视化具体包括：根据建筑层数、高度和平面形状等在OSG开源图形引擎中创建三维模型；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，完成火灾场景渲染；基于大涡模拟计算烟气粒子的运动，完成次生火灾烟气效果的展示。
地震次生火灾的高真实感显示主要是火情发展过程。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。
在本发明的一个具体实施例中，通过本发明实施例的方法可以而方便快捷地实现本发明地震次生火灾模拟，以太原市中心城区作为案例进行分析。
该区域东西宽约8.3km，南北宽约3.1km，整个案例分析区域面积约26km2，包含44152栋建筑，如图4所示。根据中国建筑抗震设计规范，太原中心城区案例区域为八度设防。选择规范规定的场地反应谱作为目标谱，选择并缩放了30条地震动记录作为输入，这些地震动的反应谱与场地反应谱吻合较好。
选用30条地震动对算例区域建筑进行非线性时程分析，得到建筑的破坏状态。利用式(2)至(5)即可得到各建筑在不同地震动作用下的起火指数r以及平均起火指数rm。利用式(1)可计算得到PGA＝0.2g时算例区域起火建筑数量N＝32。各建筑平均起火指数如图5所示，指定平均起火指数rm最高的前32栋建筑为起火建筑，可得到起火建筑位置。将起火指数由高到低排序，图中圆圈数字表示排序次序(数字越小表示起火指数越高，排序越靠前)。
设定天气条件为西风(风速v＝6m/s)，最低气温Tlow＝10℃，最高气温Thigh＝25℃，外墙完全破坏时的极限热通量折减系数φ取0.4。在得到起火建筑位置后进行火灾蔓延模拟，不同地震动输入下，总燃烧建筑占地面积的平均结果与加减一倍标准差的结果如图6所示。火灾在初期有加速蔓延趋势，18h后变缓慢，但部分地震动作用下在20h～35h时仍有加速蔓延现象。第45h后，火灾完全熄灭。在不考虑消防扑救的情况下，最终平均燃烧占地面积约为0.45km2，是总建筑占地面积的5.5％。约6h后，不同地震动下火灾蔓延情况的差异开始增大。在第45h时，不同地震动导致的燃烧占地面积变异系数(标准差与平均值之比)约为5％。
由于外墙完全破坏时的极限热通量折减系数φ的取值缺少很好的依据，因此本文将讨论φ的取值对火灾蔓延的影响。保持天气条件和起火位置不变，不同的φ取值下，总燃烧建筑占地面积(30条地震动输入下的平均值)随时间的变化如图7所示，第45h左右火灾完全熄灭。图中总燃烧面积指采用30条地震动分别模拟得到的平均值。注意到φ＝0即表示不考虑震害对火灾蔓延的影响，由图7可见，相同震害下，当φ越小，即外墙完全破坏时极限热通量越低时，总燃烧面积越大，即震害对蔓延的加剧作用越大。φ＝0.4时，考虑震害对蔓延的影响比不考虑震害影响总燃烧面积增大了约10％(第45h)。
风是影响火灾蔓延的重要因素，保持其他条件不变(取φ＝0.4)，仅改变风速v，得到总燃烧建筑占地面积随时间的变化曲线如图8所示。图中总燃烧建筑占地面积指采用30条地震动分别模拟得到的平均值。当v＝2m/s时，火势蔓延速度和最终总燃烧面积与无风(v＝0m/s)时几乎相同。当风速进一步增大时，不仅会加大火灾蔓延速度，也会导致最终总燃烧面积增加。当v＝6m/s时，最终总燃烧面积比无风时增加了42％。可见风对火灾蔓延有很大的加剧作用。根据太原年鉴，太原市年平均风速为1.4～2.2m/s。在这一风速水平下，总燃烧建筑占地面积约为0.31km2，占建筑总占地面积的3.8％。此外，地震次生火灾燃烧持时约为22h。然而，需要指出的是，如果风速达到6m/s，火灾蔓延面积将会显著增加(图8)。因此，如果发生地震次生火灾时，风速远远大于年平均风速(1.4～2.2m/s)，则可能造成比上述预测值更为严重的后果。
火灾蔓延可视化效果如图9所示，图9(a)至图9(c)三张图片分别显示了第4h,6h,10h时火灾情况，不同颜色直观地表达了火情发展的动态过程。烟气效果展示如图10所示，从图10中可见，烟气粒子的运动清晰地展现了城市区域里次生火灾的起火位置和严重程度，增强了火灾蔓延场景的真实感。
从结果中可以看出：
(1)本发明采用区域建筑地震响应时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)本发明提出的次生火灾物理传播模型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。
(4)本发明提出的基于OSG引擎的高真实感显示方法可以使用不同颜色表征建筑燃烧状态，利用大涡模拟可以得到真实的烟气效果，从而实现地震次生火灾高真实感可视化。
综上，本发明实施例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，而基于计算流体场的城市区域次生火灾火场高真实感可视化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。
根据本发明实施例提出的城市地震次生火灾模拟方法，利用多质点模型和非线性时程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应，考虑建筑震害对次生火灾的影响，。而且具有极高的计算效率和展示度，从而有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的城市地震次生火灾模拟系统。
图10是本发明一个实施例的城市地震次生火灾模拟系统的结构示意图。
如图10所示，该城市地震次生火灾模拟系统10包括：建筑破坏状态模拟模块100、建筑起火模型模块200、火灾传播状态模拟模块300和处理模块400。
其中，建筑破坏状态模拟模块100用于根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态。建筑起火模型模块200用于根据每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置。火灾传播状态模拟模块300用于通过次生火灾传播物理模型以及每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态。处理模块400用于通过火灾场景渲染和大涡模拟对建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。本发明实施例的系统10利用多质点模型和非线性时程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应，从而有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建筑起火模型模块200进一步用于根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量，并根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，火灾传播状态模拟模块300进一步包用于根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，处理模块400进一步用于根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染，并通过大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
需要说明的是，前述对城市地震次生火灾模拟方法实施例的解释说明也适用于该实施例的城市地震次生火灾模拟系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的城市地震次生火灾模拟系统，利用多质点模型和非线性时程分析，计算区域建筑在地震动作用下的动力响应，考虑建筑震害对次生火灾的影响，而且具有极高的计算效率和展示度，从而有效提高地震次生火灾模拟的精度，且能够实现城市地震次生火灾高真实感展示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对所述区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态；
根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置；
通过次生火灾传播物理模型，并根据所述每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态；
通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和所述建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。
2.根据权利要求1所述的城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，所述建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，所述根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置，进一步包括：
根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量；
根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
4.根据权利要求1所述的城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，所述通过次生火灾传播物理模型，并根据所述每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，进一步包括：
根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
5.根据权利要求1所述的城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，所述通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，进一步包括：
根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对所述燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染；
通过所述大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
6.一种城市地震次生火灾模拟系统，其特征在于，包括：
建筑破坏状态模拟模块，用于根据建筑属性数据建立区域建筑的多质点模型，并对所述区域建筑的多质点模型进行非线性时程分析，以得到每栋建筑的破坏状态；
建筑起火模型模块，用于根据所述每栋建筑的破坏状态和回归约束的建筑起火模型计算建筑的起火概率，以得到起火建筑数量和位置；
火灾传播状态模拟模块，用于通过次生火灾传播物理模型以及所述每栋建筑的破坏状态，模拟起火建筑导致的火灾蔓延情况，得到建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态；
处理模块，用于通过火灾场景渲染和大涡模拟对所述建筑室内火势发展和所述建筑间火灾蔓延的状态进行渲染和烟气处理，并通过预设的三维模型模拟城市地震次生火灾。
7.根据权利要求6所述的城市地震次生火灾模拟系统，其特征在于，所述建筑属性数据包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的城市地震次生火灾模拟系统，其特征在于，所述建筑起火模型模块进一步用于根据回归模型计算预设地震强度下起火建筑的数量，并根据单体建筑起火概率模型计算各建筑发生地震次生火灾的概率，以得到起火建筑的位置。
9.根据权利要求6所述的城市地震次生火灾模拟装置，其特征在于，所述火灾传播状态模拟模块进一步包用于根据建筑起火、轰然、火灾发展、熄灭的过程，并基于建筑围护结构的损伤情况，以计算由热辐射和热羽流引起建筑间的火灾蔓延过程。
10.根据权利要求6所述的城市地震次生火灾模拟方法，其特征在于，所述处理模块进一步用于根据建筑室内火势发展和建筑间火灾蔓延的状态，得到建筑各时刻的燃烧状态，并通过不同颜色对所述燃烧状态进行渲染，以实现火灾场景渲染，并通过所述大涡模拟计算烟气粒子的运动，以实现次生火灾烟气效果的模拟。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109543254A (zh) * 2018-11-07 2019-03-29 北京科技大学 一种建筑群火灾三维蔓延模拟方法
CN109711081A (zh) * 2019-01-07 2019-05-03 广西科技大学 木质房屋控制火灾蔓延虚拟仿真实验方法
CN109858122A (zh) * 2019-01-21 2019-06-07 北京科技大学 考虑地震次生抛落物和火灾的道路通行性评价方法
CN111337135A (zh) * 2020-03-09 2020-06-26 华侨大学 模拟地震环境下的板材火蔓延特性测试装置
CN113240993A (zh) * 2021-05-11 2021-08-10 中国地震局工程力学研究所 一种地震加速度反应谱展示模型及操作方法
CN113409642A (zh) * 2021-06-28 2021-09-17 山东科技大学 一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统
CN113888950A (zh) * 2021-11-08 2022-01-04 中国科学技术大学 一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置
CN114372397A (zh) * 2022-01-12 2022-04-19 中国建筑科学研究院有限公司 一种森林火灾应急扑救的仿真训练方法及训练装置
CN114783265A (zh) * 2022-03-03 2022-07-22 温州大学 一种基于振动台模拟地震荷载下地下结构次生火灾模拟试验装置
CN115601520A (zh) * 2022-11-30 2023-01-13 北京科技大学（Cn） 一种基于二维预估和多尺度网格的火灾模拟方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2610201A1 (fr) * 1987-02-04 1988-08-05 Dosne Rene Procede et dispositif pour la prevention et l'intervention lors des sinistres dans des immeubles
JPH10116023A (ja) * 1996-10-11 1998-05-06 Kawasaki Heavy Ind Ltd 災害対策評価装置
JP2001325686A (ja) * 2000-05-18 2001-11-22 Ntt Data Corp 防災情報処理方法及びシステム
JP2005215998A (ja) * 2004-01-29 2005-08-11 Hitachi East Japan Solutions Ltd 建物の振動に関する危険対策の支援システム及び建物の振動に関する危険対策の支援のためのコンピュータプログラム
CN103970920A (zh) * 2013-02-05 2014-08-06 周柏贾 地震应急演练虚拟仿真系统
JP2015041110A (ja) * 2013-08-20 2015-03-02 国立大学法人愛媛大学 防災対策システム
JP2015176154A (ja) * 2014-03-12 2015-10-05 能美防災株式会社 火災報知設備
CN107577855A (zh) * 2017-08-25 2018-01-12 北京科技大学 一种基于bim的建筑喷淋灭火系统震害评价方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2610201A1 (fr) * 1987-02-04 1988-08-05 Dosne Rene Procede et dispositif pour la prevention et l'intervention lors des sinistres dans des immeubles
JPH10116023A (ja) * 1996-10-11 1998-05-06 Kawasaki Heavy Ind Ltd 災害対策評価装置
JP2001325686A (ja) * 2000-05-18 2001-11-22 Ntt Data Corp 防災情報処理方法及びシステム
JP2005215998A (ja) * 2004-01-29 2005-08-11 Hitachi East Japan Solutions Ltd 建物の振動に関する危険対策の支援システム及び建物の振動に関する危険対策の支援のためのコンピュータプログラム
CN103970920A (zh) * 2013-02-05 2014-08-06 周柏贾 地震应急演练虚拟仿真系统
JP2015041110A (ja) * 2013-08-20 2015-03-02 国立大学法人愛媛大学 防災対策システム
JP2015176154A (ja) * 2014-03-12 2015-10-05 能美防災株式会社 火災報知設備
CN107577855A (zh) * 2017-08-25 2018-01-12 北京科技大学 一种基于bim的建筑喷淋灭火系统震害评价方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XINZHENG LU: "Physics-based simulation and high-fidelity visualization of fire following earthquake considering building seismic damage" *
钟江荣;张令心;赵振东;范开洪;: "基于GIS的城市地震建筑物次生火灾蔓延模型" *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109543254A (zh) * 2018-11-07 2019-03-29 北京科技大学 一种建筑群火灾三维蔓延模拟方法
CN109543254B (zh) * 2018-11-07 2023-05-30 北京科技大学 一种建筑群火灾三维蔓延模拟方法
CN109711081A (zh) * 2019-01-07 2019-05-03 广西科技大学 木质房屋控制火灾蔓延虚拟仿真实验方法
CN109858122A (zh) * 2019-01-21 2019-06-07 北京科技大学 考虑地震次生抛落物和火灾的道路通行性评价方法
CN111337135A (zh) * 2020-03-09 2020-06-26 华侨大学 模拟地震环境下的板材火蔓延特性测试装置
CN113240993B (zh) * 2021-05-11 2022-08-02 中国地震局工程力学研究所 一种地震加速度反应谱展示模型及操作方法
CN113240993A (zh) * 2021-05-11 2021-08-10 中国地震局工程力学研究所 一种地震加速度反应谱展示模型及操作方法
CN113409642A (zh) * 2021-06-28 2021-09-17 山东科技大学 一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统
CN113409642B (zh) * 2021-06-28 2023-02-24 山东科技大学 一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统
CN113888950A (zh) * 2021-11-08 2022-01-04 中国科学技术大学 一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置
CN114372397A (zh) * 2022-01-12 2022-04-19 中国建筑科学研究院有限公司 一种森林火灾应急扑救的仿真训练方法及训练装置
CN114372397B (zh) * 2022-01-12 2024-06-04 中国建筑科学研究院有限公司 一种森林火灾应急扑救的仿真训练方法及训练装置
CN114783265A (zh) * 2022-03-03 2022-07-22 温州大学 一种基于振动台模拟地震荷载下地下结构次生火灾模拟试验装置
CN115601520A (zh) * 2022-11-30 2023-01-13 北京科技大学（Cn） 一种基于二维预估和多尺度网格的火灾模拟方法及装置

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