CN109635441A - 一种基于bim的建筑群震害模拟可视化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统及方法
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：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统及方法，采用BIM建筑信息模型，并结合使用多种可视化技术进行建筑群的震害模拟可视化研究。
为了实现上述目的，本发明所述基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统的主体结构包括用户管理模块、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，用户分为普通用户与管理员用户两类，普通用户使用只能对模型管理与模型展示两个模块进行操作，且仅能对自己上传的BIM建筑模型数据进行查看、修改以及删除等操作；管理员用户能对所有用户进行管理，具有上传模型、查看并管理所有模型数据等操作的权限，以维持系统的正常运行；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，模型数据上传单元具有模型解析和模型转换功能，时程数据上传单元实现时程数据的自动化绑定，为模型展示模块做好数据准备；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，BIM模型晃动展示单元使用PHPExcel库读取xls时程数据，并根据线性插值算法计算渲染各构件的位置，实现BIM建筑模型的晃动可视化；BIM模型倒塌展示单元建立图形模型与物理模型的映射关系，使用Cannonjs物理引擎计算物理模型在各响应时刻的位置，并通过图形模型进行展示，实现BIM建筑模型的倒塌可视化；BIM模型破损展示单元通过检测碰撞技术，对与地面发生碰撞的模型构件进行置换，实现BIM建筑模型的高空坠落破损可视化；区域火灾模拟展示单元通过判断分析建筑模型倒塌情况，在倒塌严重区域建立粒子系统，设定粒子的基本属性如生命周期、运动状态、新生消亡等，实现建筑区域的火灾模拟可视化。
本发明实现基于BIM的建筑群震害模拟可视化的具体过程为：
(1)用户注册登陆基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统，
(2)用户先通过模型管理模块上传基于IFC标准文件的BIM建筑模型，系统通过IfcOpenShell类库与IfcConvert工具对BIM建筑模型进行解析与转换，其中采用IfcOpenshell类库对IFC标准文件进行解析，获取包括构件实体的构件编码与所处楼层信息在内的BIM建筑信息数据，利用IfcConvert工具转换为Threejs框架能直接加载的OBJ与MTL类型文件；再下载时程数据模板，按照时程数据模板格式填写时程数据，进行上传操作后，根据BIM建筑模型各构件的标高属性，建立各构件与时程位移数据的自动化绑定关系，形成在各响应时刻下的BIM建筑模型构件位移数据，为模型展示模块做好充足的数据准备；
(3)用户选取模型上传记录，通过Threejs框架在浏览器中加载展示BIM建筑模型，经过Threejs框架加载渲染后，将BIM建筑模型的各组成构件几何信息数据以三维点坐标(x，y，z)的形式保存至vector对象中，其中vector为数组对象，k是建筑构件编号，vector[k]对象用来存储第k个构件的所有点坐标；由外部导入的时程分析数据step对象，其中step为数组对象，i表示响应时刻，j表示标高，step[i][j]表示在时间为i时下的j层位移数据，通过建筑信息数据建立与vector[k]对象的自动化绑定关系，实现BIM建筑模型的三维展示功能；
(4)在BIM模型三维展示的基础上，利用线性插值算法计算在响应时刻下各构件所有节点的新三维点坐标newly对象(对vector对象的更新)，通过Threejs对点坐标的setXYZ(newly[k])属性重新赋值与needspdates属性定义设置的操作，渲染更新各构件的点坐标，形成基于BIM建筑模型的晃动仿真可视化过程，对建筑群在发生地震时的晃动情况进行模拟可视化；
(5)建立图形模型与物理模型的映射关系，先通过获取BIM图形模型数据，为模型各构件建立对应的粗精度物理模型；再利用Cannonjs物理引擎根据刚体动力学原理计算物理模型在各响应时刻下的位置状态，建立物理模型与图形模型的动态绑定关系，通过渲染图形模型实现BIM建筑模型的倒塌展示，对建筑群在发生地震时的倒塌情况实现高真实度地还原；
(6)通过射线碰撞检测技术判断在发生地震时BIM模型构件是否坠落与地面发生碰撞，对发生碰撞的构件进行模型置换，实现对建筑构件坠物破损的模拟可视化；
(7)通过倒塌分析，在建筑倒塌严重区域建立粒子系统，设定粒子的生命周期、运动状态、新生消亡等基本属性，对在发生地震时的区域火灾现象进行模拟可视化。
本发明与现有技术相比，BIM模型具有描述建筑整个生命周期的完整信息数据，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。
附图说明：
图1为本发明所述基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统的主体结构框图。
图2为本发明所述基于BIM的建筑群震害模拟可视化方法的工艺流程框图。
图3为本发明实施例1所述标准墙构件实体的构件与属性集、量集的表达关系图。
图4为本发明实施例1所述对标准墙属性集信息进行提取的流程图。
图5为本发明实施例1所述时程数据的自动化绑定流程图。
图6为本发明实施例1所述线性插值晃动模拟结果图。
图7为本发明实施例2所述倒塌实验模型的结构框架(a)和BIM仿真模型(b)图。
图8为吧本发明实施例2所述BIM模型晃动实际情况(a)和仿真模拟(b)图。
图9为本发明实施例2所述BIM模型晃动效果对比图。
图10为本发明实施例所述基于BIM建筑模型的震害场景仿真可视化流程图。
图11为本发明实施例3所述BIM建筑模型的楼板几何数据。
图12为本发明实施例3所述初始化后的物理模型，其中(a)为楼板构件物理模型，(b)为BIM建筑模型各构件物理模型。
图13为本发明实施例3图形引擎与物理引擎的动态绑定流程图。
图14为本发明实施例3所述倒塌信息传递过程示例图。
图15为本发明实施例3所述构件破损模拟流程图。
图16为本发明实施例3所述区域火灾模拟流程图。
图17为本发明实施例3所述倒塌实验模型图，其中(a)为建筑模型倒塌过程，(b)为BIM建筑模型晃动结束图。
图18为本发明实施例3所述BIM建筑模型倒塌模拟图。
图19为本发明实施例3所述区域震害模拟图。
图20为本发明实施例3所述建筑群震害模拟结果对比图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例对某建筑进行晃动仿真可视化，包括数据采集处理和建筑晃动模拟可视化两个过程，其中数据采集处理具体分为以下两个步骤：(1)通过对IFC标准文件的解析，从BIM建筑模型中获取建筑实体信息数据(标高、层高等)；以在三维坐标系中十五层BIM建筑模型的一面墙为例，通过对标准墙实体构件的文本结构梳理、实体与属性集关联机制的描述，最终获取该标准墙构件的建筑信息数据：
(1-1)标准墙文本结构：IFC标准文件每一条语句均被分配一个实例号(#数字)，通过实例号实现实体之间的引用与继承关系，如下表1所示，#254为语句编号，IFCWALLSTANDARDCASE(标准墙)为构件实体名称，’1rUxTKmib8v9IVmCu36RcI’为该构件实体的唯一标识符，与标准墙建立唯一映射关系，即#254构件实体所具有的各属性值为标准墙构件的建筑信息数据；通过#296关系实体IfcRelDefinesByProperties建立实体构件#254与属性集#291的关联关系，通过#291的IfcPropertySet容器将#263-#280的单值属性IfcPropertySingleValue分配给#254的标准墙构件实体，其中单值属性实体#263的第一个与第三个属性，分别对应属性名称与属性值，对于量集的获取也是基于上述关系层次的形式；
表1：IFC文件中标准墙示例
(1-2)标准墙及其属性集、量集关联机制：对于标准墙构件实体，其构件与属性集、量集的表达关系如图3所示，属性集包含分类编号、是否外部构件、导热系数、是否承重等属性；量集包含长度、面积、体积等属性；通过反属性名称IsDefinedBy的反向查找，通过关系实体IfcRelDefinesByProperties建立属性集IfcPropertySet或量集IfcElementQuantity与标准墙构件实体IfcWallStandardCase的关联，属性集IfcPropertySet的第五个属性HasProperites为属性集合，指向IfcPropertySingleValue单值属性，其Name与NominalValue代表属性名称与属性值；量集IfcElementQuantity的第六个属性Quantities量集集合，指向IfcQuantityArea面积值，其Name与AreaValue代表定量名称与定量值；
(1-3)标准墙建筑信息数据的获取：以标准墙为例对其属性集信息进行提取，流程图如图4所示，由于单个构件实体通过多个关联实体IfcRelDefinesByProperties与多个属性集建立关联关系，因此在获取属性集时需要不断对IFC标准文件进行遍历，首先根据该标准墙构件实体判断是否存在关联实体，如果存在关联实体，通过关联实体找到对应的属性集；继而通过属性集的编号指向IfcPropertySingleValue单值属性，获取单值属性的属性名称与属性值；通过循环的方式，直到获取该实体构件的完整属性值，该流程同样适用于量集或其他实体构件的解析过程；按照上述属性集与量集的信息提取流程，对IFC标准文件的#254标准墙实体构件进行解析，获取建筑信息数据的属性集与量集如下表所示，为标准墙构件所应该具备的建筑实体信息数据，其中，底部限制条件为该模型构件所处的楼层位置，即标高信息；
(2)通过解析得到的建筑实体信息数据，将外部导入的时程位移数据与BIM模型建立自动绑定关系，通过楼板的编码建立起建筑实体与BIM建筑模型的联系，使该BIM建筑模型的楼板获取所在楼层位置的信息，即该模型构件位于BIM建筑模型的第一层；在导入各楼层响应时程数据时，由于BIM建筑模型各构件具有标高属性，即可根据标高属性，建立各构件与位移数据的自动化绑定关系，形成在各响应时刻下的BIM建筑模型构件位移数据，用户导入通过ANSYS等有限元分析软件或实验台实测得出的各楼层在震中的晃动响应时程数据，如图5c的时程数据示例，响应时间间隔为1s，响应时程数据各楼层在t＝2s时与t＝1s时的位移变化，即各楼层在响应时刻下的时程位移数据；
采用线性插值算法计算BIM建筑模型各构件点的晃动响应结果，在每个响应时间间隔内各构件点在x轴上的坐标变化表达式如下所示：
Xn,new＝Xn,old+δ0,x+(δ1,x-δ0,x)hi/Hn
其中虚线Xn,old与实线Xn,new上的点分别表示更新前后第n层构件节点的x坐标，n表示楼层的标高信息，通过标高信息自动化匹配相应时程数据；δ0,x和δ1,x分别代表构件节点在x轴上，对应下层和本层的时程位移数据；hi表示当前节点i在本层中的相对高度；Hn代表建筑第n层的高度。采用线性插值算法计算更新各构件的点坐标，其晃动可视化结果如图6所示。
实施例2：
本实施例对某倒塌实验模型--四层建筑的结构框架按照设计图纸进行还原，建立BIM建筑信息模型，如图7(a)实验台倒塌实验所搭建的四层建筑结构框架，如图7(b)b为经过处理并在浏览器中加载展示的BIM仿真模型,采用实验台倒塌模拟实验所反馈的建筑晃动时程数据，根据线性插值计算方法，在浏览器中对BIM仿真模型进行渲染，对建筑框架结构的晃动情况进行模拟还原,在响应时刻为t＝5.37s时，图8(a)为四层建筑框架结构在实验台上的实际晃动情况，图8(b)为BIM建筑仿真模型在响应时程数据下的晃动模拟情况展示，通过两者实验结果的对比，可以看出在相同时刻下，建筑模型发生晃动形变最严重的区域为底层的承重住，在很大程度上发生了倾斜形变，模型晃动情况基本一致，证实了BIM建筑模型晃动模拟可视化实验的真实性，能够代替倒塌实验完成对建筑的晃动模拟，可以提高实验的效率与降低试验成本。
本实施例为了对实验结果做进一步的观察，将响应时程数据放大10倍后，基于BIM建筑仿真模型进行晃动模拟展示，选取BIM建筑模型发生形变最严重的形态(如图9a)，由晃动模拟结果可以看出，楼板与承重柱等模型构件会随响应时程数据在不同程度上发生位移形变，能够充分还原建筑实体的层间晃动情况，对比LOD2层级模型的晃动模拟结果(如图,9b)，虽然建筑模型为单体高层建筑，但是可以清晰的看出LOD2层级的3D-GIS模型，将整栋建筑抽象为一个整体，不具备对建筑层间细节的描述；如果三维模型仅在外观上具有楼层的样式，不具备模型内部框架结构或建筑层间细节的描述，忽略其建模过程中可能存在的误差，仅从晃动模拟结果上看，仿真可视化的真实性在一定程度上有所降低，不利于对建筑群的震害晃动模拟的微观上的展示，同样不利于基于晃动模拟基础上的逃生演练等后续工作的展开。
本实施例所述晃动可视化研究方法同样适用于墙面、梁等描述建筑震害细节的其他模型构件，通过图8a与图8b的比较，证明了BIM建筑模型晃动模拟的真实性；通过图9a与图9b的比较，证明了BIM建筑模型能够提高晃动模拟的准确性，如采用更加精细化的BIM模型或高层建筑群BIM模型，再加入对区域场景的建模，晃动模拟可视化的效果会更加真实。
实施例3：
本实施例在实施例2晃动仿真可视化基础上进行建筑震害仿真可视化，主要包括两个部分：一是建立图形模型与物理模型的相互映射关系；二是建筑震害结果可视化，整个方法的流程如图10所示，具体为：
(一)建立图形模型与物理模型的映射
(1)通过获取BIM图形模型数据，为模型各构件建立对应的粗精度物理模型：
将BIM建筑模型的各构件作为基本单位，在物理世界中建立与之对应的物理模型，不仅需要共享各构件的位置、形状属性信息，要需要包括质量、初始速度以及运动方向等属性信息，在共享图形模型数据建立物理模型之前，需要对二种引擎的差异性进行说明：Threejs图形引擎是以点面数据为基准建立的网格对象，而Cannonjs物理引擎的基本结构是向量对象；物理模型的基本单位是图形模型的一半；以下通过对顶层楼板构件建立物理模型，介绍基于BIM建筑模型的物理模型初始化过程，以BIM建筑模型晃动模拟停止时的状态作为倒塌模拟研究的初始状态，获取楼板构件的几何信息数据，其几何信息以三维点坐标的形式进行存储(如图11)，position对象存储了该楼板构件的所有点，其中每三个点代表三维空间下的一组点坐标，72个点代表了该楼板构件有24组点坐标；由于物理模型的基本结构为向量的形式，而本模块建立的粗精度物理模型将采用立方体结构，因此需要将楼板构件的三维点坐标转换为立方体的尺寸向量，才能建立起与之对应的物理模型，根据上述楼板构件的三维点坐标数据，分别获取三维坐标系X轴、Y轴与Z轴上的极值，通过几何学计算方法得出两两极值点的距离与中心点，分别作为物理模型的长宽高尺寸与中心点坐标；由于物理模型的不可见性，本实施例通过图形引擎按照物理模型的尺寸绘制立方形图形模型，如图12a所示，即为该构件的粗精度物理模型的图形体现，最后将时程数据时刻的加速度、受力方向以及各构件建筑实体数据的质量赋予给物理模型，完成物理模型的初始化过程，BIM建筑模型各构件的物理模型图形化如图12b所示。
(2)利用物理引擎实时计算物理模型的位置信息，建立物理模型与图形模型的动态绑定关系：在各响应时刻下，物理引擎根据初始化物理模型信息，实时计算更新各物理模型的动态变化数据，由于物理引擎的不可见性，无法通过物理引擎的展示模拟建筑模型的倒塌状态，只能将物理模型响应数据实时传递给对应的图形模型，通过渲染图形模型达到对BIM建筑模型的倒塌模拟可视化，加之物理引擎与图形引擎是两个相对独立的框架，要想保证物理计算与图形展示的一致性，就要建立图形模型与物理模型的动态绑定关系，图形模型与物理模型的动态绑定流程如图13所示，在当前响应时刻下，物理引擎根据刚体动力学原理计算各物理模型的位置、旋转角度等，将变化数据传递给各物理模型，继而传递给与物理模型相对应的图形模型，通过图形引擎更新图形模型的位置形态变化，继而进行下个响应时刻下物理引擎的计算；
根据上述倒塌过程中图形引擎与物理引擎的动态绑定关系，通过如下倒塌信息传递示例图(如图14)，更加直观的介绍某响应时刻下图形模型与物理模型的动态变化情况，其中，Part[k]表示图形模型各组成构件，Body[k]表示与图形模型Part[k]相对应的物理模型。以编号为3的模型变化为例，如图14a物理模型Body[3]在t＝10s时发生位移与旋转，将变化信息传递给还处于t＝9.5s时的图形模型Part[3]如图14b，图形模型Part[3]接收到新的变化数据，通过图形模型进行坐标更新如图14c。
(二)建筑震害结果可视化
(1)通过碰撞检测与构件替换的方式进行BIM建筑模型的构件破损模拟，可以应用于震时破损构件对交通道路的影响或震后进行灾害损失评估等场景中，帮助防震减灾工作的有效性开展，模拟流程图如图15所示，在BIM建筑模型发生倒塌的过程中，将BIM图形模型所在的水平面中心点设置为中心向平面各顶点发射射线，在图形模型动态变化的每个响应时刻，通过碰撞检测技术判断各构件是否与射线相交，如果产生了交点，则表示该模型构件与平面产生碰撞行为，在与该模型构件同样的位置加载已提前做好破损处理效果的新BIM模型构件，同时移除发生碰撞的构件与其物理模型，默认该构件已经掉落在平面上发生了破损行为；
(2)通过建筑区域倒塌分析，获取震害严重区域建立粒子系统实现火灾模拟，粒子的生命周期大致分为：产生-更新-消亡三个阶段，粒子产生阶段主要设定粒子的大小、颜色、形状、位置、数量等基本属性，粒子更新阶段主要按照设定的运动轨迹运行，粒子消亡阶段会在场景中进行移除，同时该粒子系统会产生相同数量的新粒子，区域火灾模拟流程图如图16所示，在BIM建筑模型发生倒塌的过程中，通过BIM模型信息库获取各构件的标高、层高，计算得到各构件原始中心点的位置，对比BIM图形模型各构件的中心点坐标，找出最先发生倒塌或出现倒塌行为最严重的区域，在选定区域内规定形状、材质、数量创建粒子系统(如图16a)，通过指定粒子运动轨迹与生命周期实现粒子的动态展示(如图16b)，其中图16c为区域火灾模拟效果展示，后续考虑采用粒子系统对基于BIM建筑模型的火灾蔓延情况进行仿真模拟。
本实施例选用经过晃动模拟后的BIM建筑模型进行震害模拟可视化展示，由于模型倒塌实验(如图17a)在建筑模型倒塌之前撤走了用于测量响应时程数据的传感器，因此在建筑模型发生较大位移偏差的晃动时刻，无法获取其时程位移数据。我们将BIM建筑模型的时程位移数据放大10倍，基于放大倍数的晃动效果后(如图17b)的BIM建筑模型进行倒塌模拟实验，BIM建筑模型因晃动模拟发生位移形变(如图17b)，通过使用物理引擎，对BIM建筑模型的倒塌现象进行展示；图18a为BIM建筑模型部分构件掉落时的场景，图18b为因部分构件掉落，导致BIM建筑模型完全倒塌时的场景，从部分倒塌与完全倒塌两个阶段可以看出建筑楼层的震害细节展示，承重柱与楼板在相互接触范围内对整体建筑起到支撑作用，部分构件的掉落会导致建筑模型的整体不稳定发生倒塌现象，符合现实物理规律，且图18b与18a的倒塌结果基本一致，能够证明采用BIM建筑信息模型并建立粗精度物理模型，进行倒塌模拟研究的可行性。
伴随建筑模型的倒塌过程，通过判断指定构件是否掉落到地面上，对掉落的模型构件进行破损处理，图19a为模型构件掉落的破损模拟展示，为了便于观察，对破损的柱进行标红处理；通过倒塌分析选取倒塌现象严重区域，建立粒子系统，如图19b的区域火灾模拟展示，通过对构件破损模拟与区域火灾模拟，还原发生地震时整个场景下建筑的变化情况，有助于灾前的防护工作与灾后的救援工作的实施；
通过将建筑区域放大至城市级别的范围，进行震害模拟可视化展示，图20a表示基于简化三维建筑模型的震害结果展示，图20b表示基于BIM建筑模型的震害结果展示。由最终的震害模拟展示结果可知，图20a简化模型各刚体之间存在重叠现象，如图中1、2和3所示，可以推测出物理模型的建立过程存在问题，图20b通过添加建筑材质与建立实际场景增加震害真实感，在震害模拟过程中前后建筑实体会因倒塌碰撞，影响周围建筑的形态变化，同时加入各种次生灾害模拟，如建筑楼体在高空坠落，楼体构件的破损势必会对街道进行堵塞，而区域火灾则会影响人员逃生与救援路线的改变，通过震害模拟结果的对比，证明了基于BIM建筑群进行震害模拟的可行性，可以看出本模块基于BIM建筑模型的震害模拟可视化研究具有较高的震害真实程度。

Claims (2)

1.一种基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统，其特征在于主体结构包括用户管理模块、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，用户分为普通用户与管理员用户两类，普通用户使用只能对模型管理与模型展示两个模块进行操作，且仅能对自己上传的BIM建筑模型数据进行查看、修改以及删除操作；管理员用户能对所有用户进行管理，具有上传模型、查看并管理所有模型数据操作的权限，以维持系统的正常运行；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，模型数据上传单元具有模型解析和模型转换功能，时程数据上传单元实现时程数据的自动化绑定，为模型展示模块做好数据准备；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，BIM模型晃动展示单元使用PHPExcel库读取xls时程数据，并根据线性插值算法计算渲染各构件的位置，实现BIM建筑模型的晃动可视化；BIM模型倒塌展示单元建立图形模型与物理模型的映射关系，使用Cannonjs物理引擎计算物理模型在各响应时刻的位置，并通过图形模型进行展示，实现BIM建筑模型的倒塌可视化；BIM模型破损展示单元通过检测碰撞技术，对与地面发生碰撞的模型构件进行置换，实现BIM建筑模型的高空坠落破损可视化；区域火灾模拟展示单元通过判断分析建筑模型倒塌情况，在倒塌严重区域建立粒子系统，设定粒子的生命周期、运动状态、新生消亡基本属性，实现建筑区域的火灾模拟可视化。
2.一种采用如权利要求1所述系统实现基于BIM的建筑群震害模拟可视化的方法，其特征在于具体过程为：
(1)用户注册登陆基于BIM的建筑群震害模拟可视化系统，
(2)用户先通过模型管理模块上传基于IFC标准文件的BIM建筑模型，系统通过IfcOpenShell类库与IfcConvert工具对BIM建筑模型进行解析与转换，其中采用IfcOpenshell类库对IFC标准文件进行解析，获取包括构件实体的构件编码与所处楼层信息在内的BIM建筑信息数据，利用IfcConvert工具转换为Threejs框架能直接加载的OBJ与MTL类型文件；再下载时程数据模板，按照时程数据模板格式填写时程数据，进行上传操作后，根据BIM建筑模型各构件的标高属性，建立各构件与时程位移数据的自动化绑定关系，形成在各响应时刻下的BIM建筑模型构件位移数据，为模型展示模块做好充足的数据准备；
(3)用户选取模型上传记录，通过Threejs框架在浏览器中加载展示BIM建筑模型，经过Threejs框架加载渲染后，将BIM建筑模型的各组成构件几何信息数据以三维点坐标(x，y，z)的形式保存至vector对象中，其中vector为数组对象，k是建筑构件编号，vector[k]对象用来存储第k个构件的所有点坐标；由外部导入的时程分析数据step对象，其中step为数组对象，i表示响应时刻，j表示标高，step[i][j]表示在时间为i时下的j层位移数据，通过建筑信息数据建立与vector[k]对象的自动化绑定关系，实现BIM建筑模型的三维展示功能；
(4)在BIM模型三维展示的基础上，利用线性插值算法计算在响应时刻下各构件所有节点的新三维点坐标newly对象，通过Threejs对点坐标的setXYZ属性重新赋值与needspdates属性定义设置的操作，渲染更新各构件的点坐标，形成基于BIM建筑模型的晃动仿真可视化过程，对建筑群在发生地震时的晃动情况进行模拟可视化；
(5)建立图形模型与物理模型的映射关系，先通过获取BIM图形模型数据，为模型各构件建立对应的粗精度物理模型；再利用Cannonjs物理引擎根据刚体动力学原理计算物理模型在各响应时刻下的位置状态，建立物理模型与图形模型的动态绑定关系，通过渲染图形模型实现BIM建筑模型的倒塌展示，对建筑群在发生地震时的倒塌情况实现高真实度地还原；
(6)通过射线碰撞检测技术判断在发生地震时BIM模型构件是否坠落与地面发生碰撞，对发生碰撞的构件进行模型置换，实现对建筑构件坠物破损的模拟可视化；
(7)通过倒塌分析，在建筑倒塌严重区域建立粒子系统，设定粒子的生命周期、运动状态、新生消亡基本属性，对在发生地震时的区域火灾现象进行模拟可视化。
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