CN114065534B - 一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法 - Google Patents

一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法 Download PDF

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Abstract

一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，属于地震工程领域。本发明解决了现有技术中没有相关动态可视化技术来示的震后状态，导致不易针对地铁车站震后状态确定修复方案的问题。包括：建立地铁车站BIM模型；对BIM模型中构件的震后状态进行定义；获取地铁车站各构件的震后初始状态，并计算收集各构件在各破坏状态下所需的修复成本和修复时间；将定义的震后初始状态以及修复成本和修复时间导入BIM模型中进行显示；根据显示的震后初始状态、修复成本和修复时间确定修复方案；将修复方案在BIM模型中进行动态展示；重复N次上述步骤，得到地铁地下车站的震后状态和修复时间的期望值，用于地铁车站的抗震韧性评估。本发明用于地铁车站的震后修复方案确定。

Description

一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法
技术领域
本发明涉及一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法。属于地震工程领域。
背景技术
随着我国城市地铁的快速发展，地铁地下车站的抗震性能成为防灾减灾研究的重点。目前的研究集中于地铁地下车站结构的地震损伤机制和抗震性能，还没有针对地震发生后地铁地下车站修复方案的系统研究。在地震发生以后，决策者需要快速全面掌控地铁地下车站的震后状态，以便有效指导抗震救灾工作的开展。
但目前与BIM、CAD等软件结合达到的仅仅是静态展示的程度，在进行沟通与交流的过程中，并无相关的动态可视化技术，这对决策者指导修复过程、确定修复方案造成很大的阻碍，目前亟需一种能够让决策者与技术人员快速沟通与信息交流的途径，因此很有必要提出这种修复方案确定及可视化展现技术。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中，没有相关动态可视化技术来示的震后状态，导致不易针对地铁地下车站震后状态确定修复方案的问题，现提出一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法。
一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，包括：
步骤一、建立地铁地下车站BIM模型，所述地铁地下车站BIM模型为根据CAD图纸及三维模型数据建立的三维地铁地下车站模型；对地铁地下车站BIM模型中构件的不同程度震后状态进行定义，并标注不同程度震后状态对应的颜色，所述构件包括结构构件和非结构构件；
步骤二、获取地铁地下车站各构件的震后初始状态，并计算收集每个结构构件和非结构构件在各破坏状态下所需的修复成本和修复时间；
步骤三、将定义的震后初始状态和对应的颜色，以及各构件对应的修复成本和修复时间导入BIM模型中进行显示；
步骤四、根据显示的震后初始状态、各构件对应的修复成本和修复时间确定修复方案；
步骤五、将修复方案在BIM模型中进行动态展示，所述修复方案包括地铁地下车站整体和每一类构件的修复进度以及修复所消耗的人力资源，其中，第i类构件的修复进度以RPi及地铁地下车站整体的修复进度RP分别表示为：
Figure BDA0003367063770000021
其中，RQi表示第i类构件总的工程量；rqi表示第i类构件已修复完成的工程量；RQ表示车站整体总的工程量；rq表示车站整体已修复完成的工程量；
步骤六、重复N次步骤二至步骤五，得到地铁地下车站的震后状态和修复时间的期望值，用于地铁地下车站的抗震韧性评估，其中，N表示有限元分析及易损性函数计算超越概率的次数。
有益效果
本发明方法可以让决策者在地铁车站发生地震之后，能够将震后修复过程以动态可视化的方式展示出来，并且能够根据动态可视化的修复过程迅速选择修复路径，指导现场救灾；为直观震后地铁车站的损伤状态，修复方案以及修复人员的分配等情况提供重要依据。
附图说明
图1为本发明方法流程图，图中有黄色、蓝色、橙色、红色；
图2为某次地震破坏下地铁车站状态图；
图3为构件的修复策略；
图4为消防管道的地震易损性曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，包括以下步骤：
步骤一、根据CAD图纸及其他已知三维模型数据建立地铁地下车站BIM模型，并定义构件状态的表示方法，可以直观展示地铁地下车站结构构件和非结构构件(包括填充墙、吊顶和设备等)在地震发生后和修复过程中的状态；所述模型为三维地铁地下车站模型；
步骤二：获取地铁地下车站各构件的震后初始状态，同时计算收集每个结构构件和非结构构件在各破坏状态下所需的修复成本和修复时间的数据；
步骤三、将定义的震后初始状态和对应的颜色、各构件对应的修复成本和修复时间数据导入到BIM模型中进行展示；
步骤四、根据显示的震后初始状态、各构件对应的修复成本和修复时间确定修复方案；
步骤五：修复方案的可视化：
将修复过程在BIM模型中进行动态展示，车站整体和一类构件的修复进度(以百分比表示，0％表示还未开始修复，100％表示构件修复完毕)以及修复消耗的人力资源；
以地下地铁车站中柱为例进行说明，中柱在模拟中处于重度破坏时为红色，并显示修复进度。修复完成之后，构件颜色转变为白色(正常材质)，以此来表示整个修复过程。
第i类构件修复进度RPi和车站整体修复进度RP：
Figure BDA0003367063770000031
RQi表示第i类构件总的工程量；rqi表示第i类构件已修复完成的工程量；RQ表示车站整体总的工程量；rq表示车站整体已修复完成的工程量；
步骤六：获得地铁地下车站震后破坏状态及修复时间的期望值：
在某一地震强度下，重复N次上述步骤二至步骤五(至少1000次)，得到地铁车站震后状态和修复时间的期望值，其中，N表示有限元分析及一次易损性函数计算超越概率的次数。
本实施方式中，步骤二至步骤五，仅仅只是一次有限元模拟以及一次易损性概率分析的出来的确定性状态，对其确定的修复方案进行的修复。而多次重复步骤一至步骤五，得出的所有的构件的破坏状态的平均值。以此对结构的韧性来进行评估。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中，定义BIM模型中结构和非结构构件各状态对应的颜色如图1、表1和表2所示；
图1为某次地铁车站破坏下的各个构件的破坏状态图，柱构件处于重度破坏时为红色；柱构件处于中度破坏时为橘黄色；柱构件处于轻度破坏时为黄色；柱构件处于轻微破坏时为蓝色；柱构件修复完成处于完好状态时为白色或其本来的颜色；
表1结构构件不同状态及对应颜色
Figure BDA0003367063770000032
Figure BDA0003367063770000041
表2非结构构件不同状态及对应颜色
Figure BDA0003367063770000042
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二获取地铁地下车站各构件的震后初始状态，具体过程包括：
在某一地震强度下，收集现有的实验或震害数据，作为地铁地下车站易损性函数数据，所述易损性函数数据包括中值与对数标准差，根据易损性函数数据建立易损性函数；
所述易损性函数F(edp)表示在某一工程需求参数(EDP)下，如地面峰值加速度(PGA)、楼面峰值加速度(PFA)等，结构或非结构构件的状态达到或超过某一破坏状态的概率；
根据易损性函数可以得到各结构构件和非结构构件在所述地震强度下破坏状态的超越概率(为整个结构中的所有构件分配一个随机数，根据这个随机数，对照易损性曲线(根据易损性函数确定)而得出构件的破坏情况。此即为构件在一次事件中的状态。这一事件，重复多次即为蒙特卡洛模拟)，生成服从0～1均匀分布的随机数，以确定非结构构件的状态。这样可以获得整个地铁地下车站震后初始状态；
对于结构构件，还可以对地铁地下车站结构进行有限元分析((FEA，FiniteElement Analysis)是土木工程领域最广泛使用的计算机模拟方法，用于对结构等进行受力分析，得到结构的受力状态，这里是对地铁地下车站在地震作用下的受力情况进行计算，可以得到结构的震后状态)，如表3所示，根据定义的材料损伤和构件状态的关系，即可确定各结构构件的震后状态；
表3结构构件状态和材料损伤的关系
Figure BDA0003367063770000051
表3中，εp/εy表示钢材的塑性应变与屈服应变的比值，dc为混凝土受压损伤系数，dt为混凝土受拉损伤系数；
表4所示为变压器的地震易损性信息，若楼面峰值加速度PFA为0.6g时，变压器的超越概率为
Figure BDA0003367063770000052
在确定该次地震情况下变压器的状态时，随机生成服从0～1均匀分布的随机数，若生成的随机数大于9.88％，则变压器完好，否则变压器破坏。
表4变压器的地震易损性信息
Figure BDA0003367063770000053
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三将定义的震后初始状态和对应的颜色、各构件对应的修复成本和修复时间数据导入到BIM模型中进行展示；具体过程包括：
对步骤二确定的构件状态进行统计，将震后初始状态导入到数据库中，根据表1和表2定义的构件状态和颜色的对应关系，快速将地铁地下车站震后初始状态在BIM模型中展示出来，根据易损性函数绘制易损性曲线，并将各构件易损性曲线、修复成本和相应状态下的修复时间导入到BIM模型当中进行展示。
在BIM软件中可以按照每一个构件的工程量，按照计量计价的原则得到构件的修复成本、同时根据构件的易损性曲线所对应的修复状态，能够得出构件的修复成本。
其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤四中确定的修复方案，具体过程包括：
提取步骤三中BIM模型中地铁地下车站各构件的震后初始状态，调用自编python程序，对地铁地下车站的破坏情况，按照先结构构件后非结构构件的修复顺序，按构件类别依次进行修复，具体修复过程如图3所示，并考虑修复人力资源的限制，生成修复方案和对应的甘特图；其中，python程序主要包括构件的状态识别模块；构件的展示模块和构件的修复模块。
其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述易损性函数表示为：
Figure BDA0003367063770000061
其中，edp表示工程需求参数；F(edp)表示在某一工程需求参数下，构件的状态达到或超过某一破坏状态的概率；Φ(·)表示标准正态高斯累计分布；m表示中值；β表示对数标准差，其中，m和β为易损性函数数据。
其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤二计算各破坏构件的修复时间，具体过程包括：
对第i类构件，根据该类构件中各个构件的破坏情况，确定修复工程量，按照下式来计算这一类构件(包括结构构件和非结构构件)所需要的修复时间以及整个地铁地下车站的总修复时间，对于不满一天的，按照一天来进行计算：
RTi,j＝RQi,j/RNi,j
Figure BDA0003367063770000062
RTi,j表示第i类构件中第j个构件的修复时间(天)；RQi,j表示第i类构件中第j个构件的修复工程量(工日)；RNi,j表示第i类构件中第j个构件的每天修复人数；RTi表示第i类构件的修复时间(天)；RT表示地铁地下车站总修复时间；Ni表示第i类构件的总数；M表示总的构件类数。
其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤二中，修复数的上限根据《建筑抗震韧性评价标准》(GBT 38591-2020)中确定每层能够容纳的工人最大容量的方法确定：
RNk,max＝0.026Ak
其中，k表示第k层；RNk,max表示第k层能够容纳的最多的人数；Ak表示第k层建筑面积(m2)。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，一天中总的修复的人数应满足：
Figure BDA0003367063770000071
RNA表示当天所有构件类别的总修复人数；RNa表示当天可用的修复人数；n表示地铁地下车站总层数。
其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

Claims (9)

1.一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立地铁地下车站BIM模型，所述地铁地下车站BIM模型为根据CAD图纸及三维模型数据建立的三维地铁地下车站模型；对地铁地下车站BIM模型中构件的不同程度震后状态进行定义，并标注不同程度震后状态对应的颜色，所述构件包括结构构件和非结构构件；
步骤二、获取地铁地下车站各构件的震后初始状态，具体过程包括：
在某一地震强度下，收集现有的实验或震害数据，作为地铁地下车站易损性函数数据，所述易损性函数数据包括中值和对数标准差，将易损性函数数据输入易损性函数中；基于易损性函数计算得到各结构构件和非结构构件在所述地震强度下破坏状态的超越概率，并生成服从0~1均匀分布的随机数，根据随机数与超越概率大小对比，即能够确定各构件的震后初始状态；
所述易损性函数表示在某一工程需求参数下，结构构件和非结构构件的震后状态达到或超过某一破坏状态的概率；
对于结构构件，还能够基于有限元分析法，得到各结构构件的震后初始状态；
并计算收集每个结构构件和非结构构件在各破坏状态下所需的修复成本和修复时间；
步骤三、将定义的震后初始状态和对应的颜色，以及各构件对应的修复成本和修复时间导入BIM模型中进行显示；
步骤四、根据显示的震后初始状态、各构件对应的修复成本和修复时间确定修复方案；
步骤五、将修复方案在BIM模型中进行动态展示，所述修复方案包括地铁地下车站整体和每一类构件的修复进度以及修复所消耗的人力资源，其中，第i类构件的修复进度以RP i 及地铁地下车站整体的修复进度RP分别表示为：
Figure 997769DEST_PATH_IMAGE001
其中，RQ i 表示第i类构件总的工程量；rq i 表示第i类构件已修复完成的工程量；RQ表示车站整体总的工程量；rq表示车站整体已修复完成的工程量；
步骤六、重复N次步骤二至步骤五，得到地铁地下车站的震后状态和修复时间的期望值，用于地铁地下车站的抗震韧性评估，其中，N表示有限元分析及易损性函数计算超越概率的次数。
2.根据权利要求1所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，若生成的随机数大于超越概率，则为完好状态，若生成的随机数不超过超越概率，则为破坏状态，并根据先验数据具体确定破坏状态的程度。
3.根据权利要求1所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，所述步骤四中确定修复方案，具体过程包括：
提取BIM模型中地铁地下车站各构件的震后初始状态，根据构件的震后初始状态，按照先结构构件后非结构构件的顺序对构件进行修复，同时生成修复方案对应的甘特图。
4.根据权利要求3所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，所述步骤四中，基于python程序来确定修复方案。
5.根据权利要求1所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，所述易损性函数表示为：
Figure 977226DEST_PATH_IMAGE002
其中，edp表示工程需求参数；F(edp)表示在某一工程需求参数下，构件的状态达到或超过某一破坏状态的概率；φ(·)表示标准正态高斯累计分布；m表示中值；β表示对数标准差，其中，m和β为易损性函数数据。
6.根据权利要求1所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，步骤二中计算各破坏构件的修复时间，具体过程包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure 756963DEST_PATH_IMAGE004
其中，RT i，j 表示第i类构件中第j个构件的修复时间；RQ i，j 表示第i类构件中第j个构件的修复工程量；RN i，j 表示第i类构件中第j个构件的每天修复人数；RT i 表示第i类构件的修复时间；RT表示地铁地下车站总修复时间；N i 表示第i类构件的总数；M表示总构件类数。
7.根据权利要求6所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，所述修复时间不满一天的，按一天计算。
8.根据权利要求6所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，步骤二中，地铁地下车站每层的修复人数最大容量，通过如下公式计算：
RN k,max=0.026A k
其中，k表示第k层；RN k,max表示第k层的最大容纳人数；A k 表示第k层的建筑面积。
9.根据权利要求8所述一种地铁地下车站的震后修复方案确定方法，其特征在于，每天的修复总人数需满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，RN A 表示当天所有构件类别的总修复人数；RN a 表示当天可用的修复人数；n表示地铁地下车站总层数。
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