CN111310320B - 一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法 - Google Patents

一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，包括：以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。本发明利用体素化方法实现由建筑的倾斜摄影模型得到建筑群的数值模拟建模，快速地建立建筑群的火灾数值模型，进而给出建筑群火灾蔓延的具体过程，不仅能够节省大量人工建模的工作量，并且可进一步得到区域火灾模拟更精细的结果，为更科学防灾、降低灾后损失提供依据。

Description

一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法
技术领域
本发明涉及土木工程防灾减灾技术领域，特别涉及一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法。
背景技术
近年来，国内外发生了多起严重的建筑群火灾事故，造成严重的人员伤亡与巨大的经济损失，如2014年云南独克宗古城发生严重的火灾，造成343栋木结构房屋烧毁，经济损失约8983.93万元。许多学者构建了建筑群的火灾蔓延模型(CHENG L,LI S,MAL,etal.Fire spread simulation using GIS:Aiming at urban natural gas pipeline[J].Safety Science,2015,75:23-35；赵思键,熊利亚,任爱珠,等.基于GIS的城市特大火灾蔓延模拟[J].火灾科学,2006,15(3):128-137)，可以预测火灾发展的过程与最终蔓延范围，对于火灾防控有重要意义。
不过，当前的建筑群火灾模拟无法给出更精细的结果，如火从一栋建筑蔓延到另一栋建筑的过程等。如果能对建筑群进行更精细的火灾数值模拟，给出以上结果，这将为火灾防控、灾后应急救援、降低火灾发生后损失提供依据，进而降低火灾的人员伤亡及经济损失。
基于计算流体动力学的火灾数值模拟方法可以有效再现火灾发展的状态及特性，得到火灾发生过程中各物理量的变化等信息。不过，建筑群的数值模拟建模工作繁重、效率低下。倾斜摄影技术能够高效快捷建立建筑物三维模型，如果将倾斜摄影测量模型用于火灾数值模拟，这将大大节省建模工作。然而，倾斜摄影测量得到的建筑模型是由三角网格表示的建筑外轮廓模型，只有表面，没有实体，无法直接用于数值模拟。
体素化是用体积集合表示离散的表面，可以从建筑的倾斜摄影模型得到体素模型，实现建筑群火灾数值模拟的快速建模。目前，并没有利用体素方法实现倾斜摄影模型体素化并进行建筑群火灾数值建模的先例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，实现从建筑的倾斜摄影模型得到建筑的体素模型，并快速建立火灾模拟模型，以应用于建筑群的火灾蔓延模拟，为科学的防火减灾提供决策依据。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，包括以下步骤：
S1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；
S2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；
S3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。
优选地，所述步骤S2包括：
遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，计算三角网格与三角网格包围盒中体素的距离，具体为体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离；
利用上述三个距离的大小判断体素是否与三角网格相交；
在与三角网格相交的体素的位置处生成立方体体素，实现三角网格的体素化，得到建筑群的体素模型。
优选地，当体素与三角网格相交时，则在体素所在的位置处生成一个边长为L的立方体体素。
优选地，利用体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离的大小判断体素是否与三角网格相交的步骤包括：
如果三角网格的顶点到体素中心的距离小于RC、或三角网格的边到体素中心的距离小于RC、或体素中心到三角网格所在面的距离小于t6时，表明三角网格与体素相交；利用以下公式计算RC和t6：
RC＝(L/2)cosβ
t6＝L/2
其中，L是正方体体素的边长，β为三角网格所在的面的法向量与体素三个方向的面之间所成夹角的最小值。
优选地，三角网格的顶点体素化的步骤包括：
对每个顶点，计算其半径为RC的包围球，若假定的体素中心位于此球内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格顶点的距离d计算公式为:
Figure BDA0002380933730000031
如果体素中心O到三角网格顶点的距离d小于RC，表示体素中心位于此球内，则在该体素中心的位置创建体素。
优选地，三角网格的边体素化的步骤包括：
对于每一条边，计算以该边为中心轴、半径为RC的圆柱，若假定的体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到AB边的距离d为:
Figure BDA0002380933730000032
如果体素中心O到三角网格一条边的距离d小于RC，表示体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心的位置创建体素。
优选地，三角网格的面体素化的步骤包括：
对于每一个三角网格，得到与该三角网格S平行且距离为预设距离t的两侧等形状三角网格G和H，若假定的体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心的位置创建体素；
点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格S所在面的距离d为：
Figure BDA0002380933730000033
其中，S＝Ax+B y+C z+D为三角网格所在面的一般表达式，若体素在三角网格的投影在三角网格内，并且体素中心O到三角网格所在面的距离d小于t6，表示体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心创建体素。
优选地，所述步骤S3包括：
提取所述体素模型的每一个顶点坐标，利用所述顶点坐标建立火灾数值模拟模型，并对所述火灾数值模拟模型赋予燃烧属性。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明利用体素化方法实现由建筑的倾斜摄影模型得到建筑群的数值模拟建模，快速地建立建筑群的火灾数值模型，进而给出建筑群火灾蔓延的具体过程，不仅能够节省大量人工建模的工作量，并且可进一步得到区域火灾模拟更精细的结果，为更科学防灾、降低灾后损失提供依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法的流程图；
图2是建筑的倾斜摄影模型示意图；
图3a-图3c分别是三角网格顶点体素化、边体素化、面体素化的示意图；
图4a-图4b分别是体素在三角网格的投影位于三角网格内及三角网格外的示意图；
图5是体素化的流程示意图；
图6a-图6c分别是建筑Revit模型、建筑体素模型与建筑实体模型的示意图；
图7a-图7c分别是建筑实体模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况；
图7d-图7f分别是建筑体素模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况；
图8a-图8c分别是建筑实体模型与建筑体素模型在点火粒子上方2m、3m、4m处布置的温度探测器的温度变化曲线；
图9a-图9f分别是基于本发明方法的建筑群火灾蔓延模拟在0s、50s、100s、150s、200s、250s的结果示意图。
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。
本发明的实施例提供了一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，如图1所示，所述建筑群火灾模拟建模方法包括以下步骤：
S1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；
S2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；
S3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。
本发明解决了倾斜摄影模型只有表皮没有实体的问题，能够利用体素化方法实现由建筑的倾斜摄影模型得到建筑群的数值模拟建模，快速地建立建筑群的火灾数值模型，进而给出建筑群火灾蔓延的具体过程，不仅能够节省大量人工建模的工作量，并且可进一步得到区域火灾模拟更精细的结果，为更科学防灾、降低灾后损失提供依据。
具体地，本发明方法首先进行数据源的获取。倾斜摄影技术是近年来发展起来的一项新的测量技术，该技术同时从一个垂直、四个倾斜这五个不同的角度对建筑群采集影像，利用实景建模软件进行影像后处理，能够高效快捷建立三维模型，不过整个模型是一个连续的三角网格模型，对于这种整体的模型，无法针对其中某一栋建筑进行单独处理，需要对整体进行单体化操作，将模型分割为每一个建筑单体。
对于每一栋单体建筑，如图2所示，左边为未匹配纹理的数字表面模型，右边为匹配纹理后的模型，可以看出，该模型是由三角网格组成的建筑外轮廓模型。
之后，进行体素化操作。以体积集合表示离散的表面的过程称为体素化，它将三维模型表面用小立方体表示，每一个小立方即体素。
步骤S2具体包括：
遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，计算三角网格与三角网格包围盒中体素的距离，具体为体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离；
利用上述三个距离的大小判断体素是否与三角网格相交；
在与三角网格相交的体素的位置处生成立方体体素，实现三角网格的体素化，得到建筑群的体素模型。
优选地，当体素与三角网格相交时，则在体素所在的位置处生成一个边长为L的立方体体素。
其中，利用体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离的大小判断体素是否与三角网格相交的步骤包括：
如果三角网格的顶点到体素中心的距离小于RC、或三角网格的边到体素中心的距离小于RC、或体素中心到三角网格所在面的距离小于t6时，表明三角网格与体素相交；利用以下公式计算RC和t6：
RC＝(L/2)cosβ
t6＝L/2
其中，L是正方体体素的边长，β为三角网格所在的面的法向量与体素三个方向的面之间所成夹角的最小值。
具体而言，三角网格的体素化包括顶点体素化、边体素化和面体素化三部分。
顶点体素化示意图如图3a所示，三角网格的顶点体素化的步骤包括：
对每个顶点，计算其半径为RC的包围球，若假定的体素中心位于此球内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格顶点的距离d计算公式为:
Figure BDA0002380933730000061
如果体素中心O到三角网格顶点的距离d小于RC，表示体素中心位于此球内，则在该体素中心的位置创建体素。
边体素化示意图如图3b所示，三角网格的边体素化的步骤包括：
对于每一条边，计算以该边为中心轴、半径为RC的圆柱，若假定的体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到AB边的距离d为:
Figure BDA0002380933730000071
如果体素中心O到三角网格一条边的距离d小于RC，表示体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心的位置创建体素。
面体素化示意图如图3c所示，三角网格的面体素化的步骤包括：
对于每一个三角网格，得到与该三角网格S平行且距离为预设距离t的两侧等形状三角网格G和H，若假定的体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心的位置创建体素；
点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格S所在面的距离d为：
Figure BDA0002380933730000072
其中，S＝Ax+B y+C z+D为三角网格所在面的一般表达式，若体素在三角网格的投影在三角网格内，并且体素中心O到三角网格所在面的距离d小于t6，表示体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心创建体素。
具体地，判断体素在三角网格的投影是否在三角网格内的步骤包括：
根据以下的海伦-秦九韶公式，利用三角形三边的长度计算三角形的面积。其中a、b、c是三角形三边的长度，p是三角形边长之和的一半。
Figure BDA0002380933730000073
如图4a和图4b所示，体素在三角网格平面投影P与三角网格ABC的关系分为投影在三角网格内(图4a)和投影在三角网格外(图4b)，采用计算面积的方法判断该关系，利用上述公式计算三角形的面积，分别计算△ABC、△PAB、△PAC、△PBC的面积，判别公式如下：
SΔABC＝SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，则P在△ABC内；
SΔABC＜SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，则P在△ABC外。
若△PAB、△PAC、△PBC的面积之和等于△ABC的面积，则表示投影在三角网格内，见图4a，若△PAB、△PAC、△PBC的面积之和大于△ABC的面积，则投影在三角网格外，见图4b。
以构成建筑模型表面的每个三角网格为基本单位，采用此体素化方法对每一个三角网格的顶点、边、面进行体素化，最终得到建筑的体素模型。体素化的流程如图5所示。
进一步地，步骤S3包括：
提取所述体素模型的每一个顶点坐标，利用所述顶点坐标建立火灾数值模拟模型，并对所述火灾数值模拟模型赋予燃烧属性。
以文本方式导出体素模型每一个体素的坐标，该坐标用体素在三个方向上最小值和最大值表示，可在FDS软件建立每一栋建筑的体素模型，并赋予相关材质。
之后，可利用所述火灾数值模拟模型进行建筑火灾数值蔓延模拟。
下面结合具体的案例对本发明进行详细的阐述。
(1)实体建筑与体素模型模拟对比
在Revit中建立了一个单层小建筑，该建筑占地为8m×8m，高5m，有10％的坡屋顶，见图6a，利用该模型生成的体素模型在FDS建模如图6b，图6c是基于Revit模型建立的以墙体为单位的实体建模。
在此做一组实体建筑与其体素模型的火灾蔓延对比，观察其燃烧情况以及温度分布的不同。在角落外部高1m的地方设置一个对流热通量为100kW/m2的点火粒子，材料设置为聚氨酯材料，两者模拟情况见图7a-图7f。
图7a-图7c分别是建筑实体模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况，图7d-图7f分别是建筑体素模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况。从上图可看出，建筑体素模型与建筑实体模型的聚氨酯材料燃尽的趋势几近相同，温度分布也基本一致。在点火粒子上方每隔1m布置一个温度探测器，共3个，图8a-图8c分别是建筑实体模型与建筑体素模型在点火粒子上方2m、3m、4m处布置的温度探测器的温度变化曲线。
从图中可以看出，建筑实体模型与建筑体素模型相应位置的温度探测器的温度变化略有不同，但总体的分布趋于一致。建筑实体模型与建筑体素模型的燃烧过程是一致的，温度变化也是一致，这表明可以用建筑体素模型代替建筑实体模型进行火灾模拟。
(2)建筑群火灾蔓延模拟
以浙江某小区的13栋建筑为例，模拟其外层保温材料着火引起的建筑群的火灾蔓延，假定为聚氨酯保温材料。在一栋建筑下部设置一个1m×1m的面为火源，图9a所示五角星位置即为点火源，为避免点火源的功率对火灾蔓延的影响，定义火源功率随时间变化，在0s点火源功率为0，第1-60s时恒定为2500kW，从61s是热释放速率为0，添加3m/s的南风，模拟的总时长为500s。火在竖直方向上的蔓延过程如图9a-图9f所示。
图9a中标五角星位置表示火源，其位于建筑顶部最左侧，图9b中该起火源先是引起所在建筑物着火；随后在起火建筑仅部分着火后就迅速蔓延到临近建筑，如图9c；图9d中，由于两列建筑间距较小，每栋建筑自身火势不断发展的同时，火也沿着两列建筑间的“街道”蔓延，随后中间一排的建筑火势继续发展，如图9e，引燃最右一排的建筑，如图9f。在不考虑灭火措施的情况下，每一栋建筑的火势都会进一步发展，最终火灾发展到整个建筑群。
以上案例表面本发明的建模方法可以实现建筑群的火灾蔓延模拟。
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 (1)

1.一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；
S2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；
所述步骤S2包括：
遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，计算三角网格与三角网格包围盒中体素的距离，具体为体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离；
利用上述三个距离的大小判断体素是否与三角网格相交；
在与三角网格相交的体素的位置处生成立方体体素，实现三角网格的体素化，得到建筑群的体素模型；
其中，当体素与三角网格相交时，则在体素所在的位置处生成一个边长为L的立方体体素；利用体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离的大小判断体素是否与三角网格相交的步骤包括：
如果三角网格的顶点到体素中心的距离小于RC、或三角网格的边到体素中心的距离小于RC、或体素中心到三角网格所在面的距离小于t6时，表明三角网格与体素相交；利用以下公式计算RC和t6：
RC＝(L/2)cosβ
t6＝L/2
其中，L是正方体体素的边长，β为三角网格所在的面的法向量与体素三个方向的面之间所成夹角的最小值；
三角网格的顶点体素化的步骤包括：
对每个顶点，计算其半径为RC的包围球，若假定的体素中心位于此球内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格顶点的距离d计算公式为:
Figure FDA0002821055240000021
如果体素中心O到三角网格顶点的距离d小于RC，表示体素中心位于此球内，则在该体素中心的位置创建体素；
三角网格的边体素化的步骤包括：
对于每一条边，计算以该边为中心轴、半径为RC的圆柱，若假定的体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心创建体素；
点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到AB边的距离d为:
Figure FDA0002821055240000022
如果体素中心O到三角网格一条边的距离d小于RC，表示体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心的位置创建体素；
三角网格的面体素化的步骤包括：
对于每一个三角网格，得到与该三角网格S平行且距离为预设距离t的两侧等形状三角网格G和H，若假定的体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心的位置创建体素；
点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格S所在面的距离d为：
Figure FDA0002821055240000023
其中，S＝Ax+By+Cz+D为三角网格所在面的一般表达式，若体素在三角网格的投影在三角网格内，并且体素中心O到三角网格所在面的距离d小于t6，表示体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心创建体素；
S3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性；
所述步骤S3包括：
提取所述体素模型的每一个顶点坐标，利用所述顶点坐标建立火灾数值模拟模型，并对所述火灾数值模拟模型赋予燃烧属性；
其中，以文本方式导出体素模型中每一个体素的坐标，用体素在三个方向上最小值和最大值表示，在FDS软件建立每一栋建筑的体素模型，并赋予相关材质。
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