基于BIM的建筑群震害模拟可视化平台的设计与实现

摘要

随着城市化进程的高速发展，城市建筑规模呈高密度与建筑高层的变化趋势。地震灾害具有突发性，最容易受到破坏的就是房屋建筑，灾害发生瞬间房屋建筑就会发生不同程度的晃动乃至倒塌，势必造成巨大的人员伤亡和财产损失。城市区域建筑密度、经济密度与人口密度较高，使得因地震灾害带来的损伤情况更加严重，而各种次生灾害现象，更是进一步将地震的危害性扩大。为了降低城市建筑群因地震灾害带来的损伤，可以对地震发生时的场景进行模拟，以可视化的形式展示区域建筑群在震中的各种变化情况，有针对性的做出震前防护规划与震中抢险救援工作，提高城市的防灾减灾能力。 当前对于建筑群的震害模拟研究中，多采用三维建筑模型进行震害模拟的动态演示研究，但由于其建模技术的局限性，导致其建筑模型较为粗糙且存在误差，从而在后续的震害模拟研究中无法对建筑实体的震害细节进行准确描述，也无法体现建筑楼体之间的相互影响关系，不足以体现出建筑群震害模拟的准确性与真实感。因此，本文提出采用BIM建筑信息模型并结合多种可视化仿真技术对建筑群进行震害模拟，能够解决三维简化建筑模型的精细程度与真实感不足等问题，对建筑群在地震发生时的各种变化情况进行高真实度的模拟。 本文以将BIM技术应用于震害模拟可视化方法研究中为主要目标，所做出的工作如下所示： （1）通过分析地震灾害对建筑群的各种破坏性行为，在使用者的功能性与非功能性两方面的需求分析基础上，设计并实现了建筑群震害模拟可视化平台。该平台支持用户导入自建BIM模型与对应的响应时程数据，无需过多的中间操作流程，无需安装任何插件，即可在浏览器中对该BIM建筑模型进行震害模拟可视化操作。平台核心功能模块为模型展示模块，主要通过BIM模型的三维展示、晃动展示、倒塌展示、构件破损展示以及区域火灾模拟展示五个功能部分，实现对建筑群的整个震害过程的模拟可视化。 （2）重点解决BIM建筑信息模型与地震响应时程数据的绑定关系，通过对BIM模型进行解析、建立时程数据与BIM模型的自动化绑定关系、线性插值算法计算模型各构件的响应位置等操作，实现对BIM建筑模型的晃动模拟展示。 （3）通过建立BIM精细化图形模型与粗精度物理模型的映射关系，利用物理引擎弥补震害计算的不足，进行BIM建筑模型的倒塌模拟，同时加入因建筑倒塌而出现的次生灾害模拟，如构件破损与区域火灾的模拟，实现对BIM建筑模型的震害模拟展示。 通过实验结果分析与平台的展示效果可以看出，基于BIM建筑群震害模拟可视化研究的可行性与真实性，能够形象直观地展示震害对建筑群所产生的影响，为城市区域建筑的防震减灾设计以及抢险救援工作的开展提供科学依据和技术支持。

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摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 震害仿真可视化

1.2.2 存在的问题

1.3 主要研究内容

1.4 论文结构

第2章 相关技术理论介绍

2.1 可视化仿真技术

2.1.1 概念

2.1.2 研究现状

2.2 BIM相关技术

2.2.1 BIM技术的概念与特点

2.2.2 IFC标准文件

2.2.3 IfcConvert工具

2.2.4 OBJ文件

2.3 相关引擎技术

2.3.1 Threejs框架

2.3.2 Cannonjs框架

2.4 时程分析法

2.5 本章小结

第3章 可视化平台设计方案

3.1 平台需求分析

3.1.1 需求概述

3.1.2 功能性需求分析

3.1.3 非功能性需求分析

3.2 平台总体设计

3.3 功能模块设计

3.4 数据库设计

3.5 本章小结

第4章 晃动仿真可视化

4.1 概述

4.2 整体技术框架

4.3 数据采集处理

4.3.1 IFC标准文件的解析

4.3.2 时程数据的自动化绑定

4.4 晃动模拟可视化

4.4.1 线性插值位移

4.4.2 数据流程

4.5 实验结果分析

4.6 本章小结

第5章 震害仿真可视化

5.1 概述

5.2 整体技术架构

5.3 图形模型与物理模型的映射

5.3.1 物理模型的建立

5.3.2 两种模型的绑定

5.4 震害模拟可视化

5.4.1 破损模拟

5.4.2 火灾模拟

5.4.3 数据流程

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

第6章 平台展示

6.1 平台运行环境

6.2 平台功能展示

6.2.1 用户管理

6.2.2 模型管理

6.2.3 模型展示

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致 谢