CN109918710A - 一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，属于土木工程防灾减灾技术领域。该方法首先进行模型构建与计算，包括基于建筑信息模型的结构分析建模与三维场景建模、结构地震动力响应时程分析；然后进行非结构构件破坏判定，包括独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力计算、基于易损性数据库的非结构构件的破坏状态判定；最后进行三维场景构建与可视化，包括天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落、隔墙破坏效果的纹理替换、独立非结构构件的运动状态模拟。该方法能够构建具有合理的、真实感的室内非结构构件震后三维场景，可为建筑室内应急疏散和救援相关虚拟演练提供了三维场景支持，也可直接用于地震安全相关的教学与宣传。

Description

一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法

技术领域

本发明涉及土木工程防灾减灾技术领域，特别是指一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法。

背景技术

随着建筑抗倒塌能力的提高，地震下非结构构件破坏日益突现，成为造成伤亡重要原因。2017年8月8日，四川九寨沟发生的7.0级地震中，未发现城市设防建筑倒塌的相关报道，但是因非结构构件破坏伤亡严重。以造成死伤最严重的九寨天堂洲际酒店为例，酒店主体钢筋混凝土框架结构保持完整，但是建筑的天花板、门窗及不规则石块砌筑的填充墙等非结构构件破坏严重，在地震作用下松散脱落，形成次生坠物灾害，造成5人死亡。构建考虑非结构构件破坏的建筑室内震后虚拟场景对地震时人员合理避难和疏散具有重要意义。

目前，相关研究都集中在非结构构件震害预测方面(贺思维,曲哲,周惠蒙,et al.非结构构件抗震性能试验方法综述[J].土木工程学报,2017(09):20-31.)，尚无室内考虑非结构构件震害的建筑室内三维情景构建的相关方法。因此，需要一种考虑非结构构件的室内震后虚拟三维场景构建方法，以构建真实、合理的场景，服务于虚拟震后救援与疏散演练。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，能够构建科学、合理的室内非结构构件震害场景。

该方法包括步骤如下：

S1：模型构建及计算：

首先，进行基于建筑信息模型的结构分析建模和三维场景建模，然后，建立建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应，得到楼层的加速度、速度、位移角数据；

S2：非结构构件破坏判定：

天花板吊顶和隔墙利用S1所得需求参数值，根据易损性数据库中构件损伤的条件概率的对数正态分布，确定其在给定需求参数下的破坏状态。首先，计算独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力，然后，利用结构地震动力响应时程分析得到的需求参数值，结合易损性数据库中的易损性曲线，确定出非结构构件需求参数值对应的破坏状态；

S3：三维场景构建与可视化：

首先，进行天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落场景构建，然后进行隔墙破坏效果的纹理替换，最后进行独立非结构构件的运动状态模拟。

其中，S1中基于建筑信息模型的结构分析建模和三维场景建模所建立的模型包括结构模型和建筑模型，其中，结构模型包括梁、柱等，用于对建筑进行结构地震动力响应时程分析；建筑模型包括隔墙墙体、家具及天花板吊顶等，用于地震前虚拟场景构建。

S1中对结构模型进行弹塑性时程分析。首先，输入弹塑性分析所用的地震波，确定模型参数、构件参数和计算参数，求解动力方程组，完成动力弹塑性模型数据的计算。计算结果中包括楼层时程数据(层间位移、层相对速度、层相对加速度)和节点时程数据(绝对位移、绝对速度、绝对加速度)，用于确定非结构构件的破坏状态。

S1中通过结构地震动力响应时程分析，得到楼层加速度a、楼层位移角参数值。

S2中独立非结构构件具体为家具，独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力计算具体为：利用S1中的计算得到的楼层加速度值a，并依据独立非结构构件的质量m，计算得到独立非结构构件所受的地震惯性力F＝-m×a和摩擦力f＝μ×m×g。

独立非结构构件如书柜等底部与周围构件连接强度不足并且设备自身强度不足，不能承受地震动而产生的惯性力-加速度作用，而发生倾倒、滑移和变形破坏。此类非结构构件在易损性数据库中并没有提供易损性函数，无法根据易损性函数来定量判断损伤状态。构件发生移动的原因是受到了地震力的作用，因此可以根据构件加速度a、构件的质量m计算得到独立非结构构件受到的惯性力F＝-m*a，独立非结构构件同时还具有初速度，综上即可确定独立非结构构件在地震作用下的运动状态。

S3中天花板吊顶面板在地震作用下的破坏状态分为DS1、DS2和DS3三种，在DS1中有5％的天花板吊顶面板脱落，在DS2中30％的天花板吊顶面板脱落并且T型网架破坏，在DS3中天花板吊顶面板全部脱落破坏；

天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落场景构建方法如下：

随机选择天花板吊顶面板并计数，当选择数量满足天花板吊顶所处的破坏状态要求时即停止选取；然后，根据S2所得加速度和速度数据，确定天花板吊顶面板的初始状态，包括加速度、速度和重力；再利用刚体力学，计算选取的天花板吊顶面板的运动状态，即实现了在不同破坏状态及破坏概率下天花板吊顶面板不同数量的随机掉落场景构建。

S3中隔墙的破坏状态分为WDS1、WDS2、WDS3三种，在WDS1中螺栓弹出，墙面出现微小裂缝或弯曲，在WDS2中出现中等裂缝或墙体石膏板破碎，在WDS3中严重裂缝或者墙面破碎和墙体撕裂；隔墙破坏效果的纹理替换具体为：

收集三种破坏状态对应的实际隔墙破坏照片，对实际隔墙破坏照片中的破坏纹理进行搜集、提取、标准化归类，构建形成隔墙地震破坏纹理库；然后，将隔墙的破坏纹理分别存储在不同的数组中，依据计算得到的需求参数楼层位移角的值，结合易损性数据库中的易损性曲线，确定隔墙在当前楼层位移角情况下对应的破坏状态；最后，选定该破坏状态对应的破坏纹理存储数组，随机选择纹理在隔墙构件上进行贴图显示，从而完成隔墙破坏效果的纹理替换。

S3中在模拟独立非结构构件运动状态时，利用S1、S2得到的加速度和速度数据，确定独立非结构构件惯性力、摩擦力和速度，然后求解独立非结构构件在惯性力、摩擦力作用下的牛顿运动学方程，可计算出该构件在地震力作用下的运动状态。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，与其他室内震害场景构建方法相比，进行了建筑地震反应时程分析，非结构构件的震害状态的确定有了科学合理的依据，利用计算机技术进行虚拟场景构建操作简便、场景模拟成本低，并且具有很强的可重复性。本发明为建筑内人员虚拟地震避难与疏散训练提供了准确的演练场景。

附图说明

图1为本发明的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法流程图；

图2为本发明实施例中包含建筑和结构的办公楼建筑信息模型；

图3为本发明实施例中室内虚拟场景；

图4为本发明实施例中俯视图视角下吊顶面板状态；

图5为本发明实施例中俯视图视角下吊顶面板破坏状态；

图6为本发明实施例中仰视图视角下吊顶面板状态；

图7为本发明实施例中仰视图视角下吊顶面板破坏状态；

图8为本发明实施例中隔墙WDS1实际破坏状态；

图9为本发明实施例中隔墙WDS1提取的纹理；

图10为本发明实施例中隔墙WDS2实际破坏状态；

图11为本发明实施例中隔墙WDS2提取的纹理；

图12为本发明实施例中隔墙WDS3实际破坏状态；

图13为本发明实施例中隔墙WDS3提取的纹理；

图14为本发明实施例中隔墙破坏前状态；

图15为本发明实施例中处于WDS1破坏状态下的隔墙模拟状况；

图16为本发明实施例中处于WDS2破坏状态下的隔墙模拟状况；

图17为本发明实施例中处于WDS3破坏状态下的隔墙模拟状况；

图18为本发明实施例中地震前独立的非结构构件的位置状态图；

图19为本发明实施例中地震后独立的非结构构件的位置状态图；

图20为本发明实施例中考虑非结构构件的室内震害破坏场景汇总图。

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。

本发明提供一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

S1：模型构建及计算：

首先，进行基于建筑信息模型的结构分析建模和三维场景建模，然后，建立建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应，进行结构地震动力响应时程分析；

S2：非结构构件破坏判定：

首先，计算独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力，然后，利用结构地震动力响应时程分析得到的需求参数值，结合易损性数据库中的易损性曲线，确定出非结构构件需求参数值对应的破坏状态；

S3：三维场景构建与可视化：

首先，进行天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落场景构建，然后进行隔墙破坏效果的纹理替换，最后进行独立非结构构件的运动状态模拟。

下面结合具体实施例予以说明。

下面选取了一栋框架结构办公楼作为实施例来具体介绍上述方法与流程。该办公楼为框架混凝土结构，分为6层，层高3.3米，楼高19.8米。每层有4个房间和1个走廊。本发明实例选取5层一个典型房间进行虚拟场景构建，包括以下步骤如图1所示：

(1)在S1模型构建及计算中，构建建筑和结构的建筑信息模型并进行结构地震时程响应分析得到时程数据并确定需求参数值。

建筑信息模型包括建筑模型和结构模型。利用建筑信息模型进行建模，办公楼整体模型如图2所示，并在房间内布置了沙发、书柜、书桌等非结构构件，室内模型细节如图3所示。

将建筑信息模型转入到结构分析程序中，选取El-Centro地震波进行时程分析，地震峰值加速度PGA为400gal，场地类型为Ⅱ类场地，地震分组为一组，并计算得出楼层位移时程曲线、最大加速度、最大速度和最大层位移角，表1是得到的结构地震响应分析结果。

表1动力时程响应结果

(2)在S2非结构构件破坏判定中，根据需求参数值并结合易损性数据库获得非结构构件地震作用下的破坏状态和破坏概率，计算独立非结构构件所受的地震惯性力和摩擦力。

在本发明实施例中，需要进行破坏状态和破坏概率判定非结构构件包括隔墙、吊顶顶棚。最大层加速度和层位移角作为需求参数，在易损性数据库中得到吊顶顶棚及隔墙的破坏状态及概率。由易损性数据库的易损性函数的到的非结构构件处于不同破坏状态下的破坏概率如下表2所示：

表2隔墙及吊顶破坏概率

独立非结构构件通过脚本将其所受的地震力惯性力、速度及摩擦系数输入到刚体动力学计算程序中，并完成地震作用下破坏状态的判定。独立非结构构件的地震惯性力值如下表3所示。

表3独立非结构构件所受地震惯性力值

(3)在S3三维场景构建与可视化中，通过脚本程序将非结构构件破坏状态及破坏概率输入到刚体动力学计算程序中进行破坏状态模拟，在本发明实施例中，隔墙破坏状态通过纹理贴图实现，吊顶顶棚及独立非结构构件通过Unity 3D的脚本程序实现破坏状态输入并完成虚拟场景的模拟和渲染。

1)吊顶顶棚破坏状态实现：

由结构地震响应时程分析所得的楼层加速度如表1所示，根据易损性函数读取出的吊顶顶棚的破坏状态概率如表2所示，DS3的破坏概率为99.308％，即几乎所有的天花板吊顶面板均脱落天花板吊顶面板的随机掉落碰撞的实现，在控制脚本程序将所有天花板面板存储在一个List<>中，通过Random.Range函数来调用随机数，按照破坏概率99.308％选取一定数量的面板，使用Rigidbody rb＝T.GetComponent<Rigidbody>()和isKinematic＝false激活所选取的吊顶面板的Rigidbody组件，使所选取的吊顶面板具有刚体碰撞属性，使用useGravity＝true激活重力作用，使用定义的newVector3()变量来添加加速度和初速度数值，最后通过AddForce(Force,ForceMode.Impulse)添加地震作用力标准值，最后由刚体动力学计算程序完成模拟。吊顶破坏状态如图4、图5、图6、图7所示。

2)隔墙破坏状态实现：

隔墙的破坏效果通过在贴图纹理实现，首先搜集不同破坏状态下的隔墙图片，破坏状态纹理库通过图像处理工具进行提取，按照WDS1、WDS2、WDS3破坏状态分类，分类如表4所示，其中WDS1实际破坏状态如图8所示，DS1纹理提取如图9所示，WDS2实际破坏状态如图10所示，WDS2纹理提取如图11所示，WDS3实际破坏状态如图12所示，WDS3纹理提取如图13所示。

墙体的破坏前状态和破坏状态WDS1、WDS2、WDS3实现模拟情况如图14、图15、图16、图17所示。

表4易损性数据库隔墙破坏状态与实际破坏状态

3)独立非结构构件破坏状态实现：

书柜等相对独立非结构构件的倾倒、滑移和变形破坏，在控制脚本程序添加Vector3()变量m_Force和AddForceAtPosition函数控制作用在构件上的地震惯性力和力的作用位置，地震惯性力可由公式计算得到，在地震作用下，构件具有初速度可通过对构件添加velocity函数来控制，通过useGravity＝true激活重力，并在Material组件中输入摩擦系数，最后通过刚体动力学计算程序完成模拟。实现的破坏状态如图18、图19，独立非结构构件在地震动的作用下办公桌椅发生了滑移，电视机发生了掉落，书柜及花瓶发生了倾覆。室内整体破坏状态如图20所示，隔墙墙体在地震作用下产生了裂缝破坏，天花板吊顶面板发生坠落，书桌、书柜等独立非结构构件发生了移动和倾覆。

该发明实施例展示了在地震动作用下室内的天花板吊顶面板、隔墙、独立非结构构件的三维虚拟震害场景的构建过程及最终模拟效果。本发明非结构构件的震害状态描述具有科学合理的依据，并且操作便捷、模拟成本低并且具有很强的可重复性，为建筑内人员虚拟地震避难与疏散训练提供了准确的演练场景，具有重要意义。

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 (7)

1.一种考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：模型构建及计算：

首先，进行基于建筑信息模型的结构分析建模和三维场景建模，然后，建立建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应，得到楼层的加速度、速度、位移角数据；

S2：非结构构件破坏判定：

首先，计算独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力，然后，利用结构地震动力响应时程分析得到的需求参数值，结合易损性数据库中的易损性曲线，确定出非结构构件需求参数值对应的破坏状态；

S3：三维场景构建与可视化：

首先，进行天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落场景构建，然后进行隔墙破坏效果的纹理替换，最后进行独立非结构构件的运动状态模拟。

2.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S1中基于建筑信息模型的结构分析建模和三维场景建模所建立的模型包括结构模型和建筑模型，其中，结构模型包括梁、柱，用于对建筑进行结构地震动力响应时程分析；建筑模型包括隔墙墙体、家具及天花板吊顶，用于地震前虚拟场景构建。

3.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S1中通过结构地震动力响应时程分析，得到楼层加速度a、楼层位移角、楼层速度参数值。

4.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S2中独立非结构构件具体为家具，独立非结构构件的地震惯性力和摩擦力计算具体为：利用S1中的计算得到的楼层加速度值a，并依据独立非结构构件的质量m，计算得到独立非结构构件所受的地震惯性力F＝-m×a和摩擦力f＝μ×m×g。

5.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S3中天花板吊顶面板在地震作用下的破坏状态分为DS1、DS2和DS3三种，在DS1中有5％的天花板吊顶面板脱落，在DS2中30％的天花板吊顶面板脱落并且T型网架破坏，在DS3中天花板吊顶面板全部脱落破坏；

天花板吊顶面板在地震力作用下随机掉落场景构建方法如下：

随机选择天花板吊顶面板并计数，当选择数量满足天花板吊顶所处的破坏状态要求时即停止选取；然后，根据S2所得结构层加速度和速度数据，确定天花板吊顶面板的初始状态，包括加速度、速度和重力；再利用刚体力学，计算选取的天花板吊顶面板的运动状态，即实现了在不同破坏状态及破坏概率下天花板吊顶面板不同数量的随机掉落场景构建。

6.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S3中隔墙的破坏状态分为WDS1、WDS2、WDS3三种，在WDS1中螺栓弹出，墙面出现微小裂缝或弯曲，在WDS2中出现中等裂缝或墙体石膏板破碎，在WDS3中严重裂缝或者墙面破碎和墙体撕裂；隔墙破坏效果的纹理替换具体为：

收集三种破坏状态对应的实际隔墙破坏照片，对实际隔墙破坏照片中的破坏纹理进行搜集、提取、标准化归类，构建形成隔墙地震破坏纹理库；然后，将隔墙的破坏纹理分别存储在不同的数组中，依据计算得到的需求参数楼层位移角的值，结合易损性数据库中的易损性曲线，确定隔墙在当前楼层位移角情况下对应的破坏状态；最后，选定该破坏状态对应的破坏纹理存储数组，随机选择纹理在隔墙构件上进行贴图显示，从而完成隔墙破坏效果的纹理替换。

7.根据权利要求1所述的考虑非结构构件的室内震后三维虚拟场景构建方法，其特征在于：所述S3中在模拟独立非结构构件运动状态时，利用S1、S2得到的加速度和速度数据，确定独立非结构构件惯性力、摩擦力和速度，然后求解独立非结构构件在惯性力、摩擦力作用下的牛顿运动学方程，计算出该构件在地震力作用下的运动状态。