新论文：基于城市信息模型、并同时适用于城市建筑群和单体重要建筑的多灾害模拟框架 / 开普饭

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https://www.mdpi.com/2071-1050/12/12/5059/htm

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2010年上海世界博览会主题：城市，让生活更美好。

然而，多种多样的灾害可能对城市功能造成大大小小的影响。科学评估城市建筑在多种灾害下的性能响应，对制定城市防灾策略、保障城市安全和发展至关重要。此外，城市管理者在评估城市建筑防灾性能时，不仅需要关注整个城市对象，一些重要单体建筑的防灾性能也需要仔细考察。

城市灾害模拟存在三大难题：(1) 数据：城市是动态生长的有机体，城市建成环境的不断变化为灾害模拟模型的管理和更新带来了挑战；(2) 灾害模拟模型：基于历史灾害数据的经验模型可推广性差，且面对城市不断变化的建成环境，经验模型存在一定“历史局限性”；(3) 成果沟通：城市灾害模拟的产出需要以直观明了的形式传达给城市管理者等决策者。

针对上述难题，为了更好地帮助城市管理者实现城市多尺度建筑对象在多种灾害下的性能评估，本研究提出了一个基于城市信息模型（city information model, CIM）并同时适用于城市区域建筑群和单体重要建筑的多灾害模拟框架，该框架具有如下特点：

(1) 针对区域建筑群和单体建筑这两类不同尺度的分析对象，框架将灾害模拟的基础数据格式统一为CIM数据，能够满足多尺度的数据存储需求；统一的基础数据格式也为城市信息的管理和更新带来了便利。

(2) 框架基于物理模型实现了建筑在多种灾害下的响应模拟，与经验或半经验模型相比，物理模型无需依赖历史灾害数据，可推广性和科学性更好。

(3) 框架实现了模拟结果的高真实感展示，有助于城市管理者等决策人员更直观的理解灾害场景和做出相关决策。

研究背景

城市可能面临多种多样的灾害。科学评估城市建筑在多种灾害下的性能响应，对保障城市安全和发展至关重要。此外，城市管理者在评估城市建筑防灾性能时，不仅需要关注整个城市对象，一些重要单体建筑的防灾性能（如医院等建筑）也需要仔细评估。一个能够服务于城市区域建筑群和单体重要建筑的多灾害模拟工具，可以更好的帮助城市管理者进行城市灾害风险方面的决策。然而在已有文献中鲜有发现相关研究。本研究致力于提出一个同时适用于区域建筑群和单体建筑的多灾害模拟方法。城市面临的灾害多种多样，如地震、火灾、风灾、洪水、海啸等。考虑所有灾害种类超出了本文的研究范畴。本研究主要考虑地震、火灾和风灾这三类常见的灾害场景。

虽然相关研究在已有文献中鲜被提及，但可以将本研究主题依据模拟对象的尺度分为两个次主题进行文献调研：（1）单体建筑多灾害模拟；（2）区域建筑群多灾害模拟。

目前，单体建筑单一灾害下的模拟技术已经相对成熟。但涉及到多灾害模拟时，不同类别的灾害分析所需的建筑数据及格式不尽相同，这导致在多灾害模拟需求下，技术人员需要针对不同的灾害类别进行相应的建模工作，耗时耗力。况且，随着时间的推移，建筑的使用功能和内外部情况会不断变化，为不同灾种分析建立并维持对应的建筑数据模型难度很大。因此，统一单体建筑多灾害模拟所需的建筑数据格式，实现高精度、易更新的建筑模型到各个灾害模拟所需数据的快捷转化，对提升单体建筑多灾害模拟效率、服务建筑信息动态更新和推广多灾害模拟技术显得至关重要。

不同于单体建筑灾害模拟，城市区域建筑群灾害模拟的研究工作开展较晚，但在近年也逐渐得以发展。目前，最著名的城市区域多灾害模拟框架是FEMA开发的HAZUS软件。HAZUS是一个以geographic information system(GIS)为基础的多灾害模拟平台。但是，已有研究表明，HAZUS采用的建筑灾害预测模型其精度与相关领域最新发展相比有所欠缺。例如，在预测城市区域建筑群火灾蔓延结果时，HAZUS采用Hamada于1975年提出的火灾蔓延模型。该模型将火灾蔓延速率表达为风速和建筑间平均距离的函数，粗略考虑了木结构和抗火结构的性能差异。而近年来基于热力学方程的火灾蔓延物理模型已经取得了不错的发展，更能反映风环境和建筑抗火能力的差异。因此，有必要在区域建筑多灾害模拟中，引入这些新的模拟方法。除了模型不够精确，HAZUS在计算结果可视化方面也有待改进。城市区域多灾害模拟的受众中不仅包括专业技术人员，还有很多如政策制定者在内的非专业人员。改善城市区域多灾害模拟结果的可视化效果，能帮助非专业人员理解灾害对城市区域造成的种种影响，更好地发挥城市区域多灾害模拟技术在城市规划、应急管理以及灾害保险等领域的作用。

在上述背景下，本研究以城市信息模型（city information model, CIM）为多灾害模拟的基础数据格式，采用物理模型实现多种灾害对建筑群及单体建筑的影响模拟，并实现灾害场景的高真实感可视化。本研究的目标如图1所示。

图1 本文的研究目标

多灾害模拟框架

下面将介绍本研究提出的多灾害模拟框架的数据基础，框架流程，以及模拟技术细节。

2.1

城市信息模型

为了实现本文的研究目标，首先需要统一城市区域建筑群和单体建筑多灾害模拟的基础数据格式。GIS和建筑信息模型（building information model, BIM）是两种常用的建筑信息存储方式。GIS是存储城市数据的高效平台，用户可以在城市区域的GIS数据中添加和存储城市建筑群的信息，比如建筑位置、功能、几何形状等。然而，当基于GIS数据进行单体建筑多灾害模拟时，GIS在语义层面所能表达的建筑属性不够丰富，无法表征单体建筑每个构件、每个设备的详细信息。BIM技术是解决单体建筑精细化表达的一个不错选择。技术人员可以利用BIM软件中丰富的构件库轻松建立高精度的单体建筑模型。但在区域建筑群的多灾害模拟中，建立区域内每栋建筑的BIM工作量和时间成本太大。因此，单独使用GIS或者BIM作为本研究多灾害模拟的基础数据格式，效果都不理想。

近年来，在BIM和GIS的基础上，一种新的建筑数据管理方式CIM得到提出并发展。CIM可以看作是BIM和GIS的结合，其通过BIM来存储重要单体建筑的详细构件信息，并通过GIS实现每栋建筑的定位和宏观属性补充（如图2），兼具了GIS在表征城市空间数据上的便捷性和BIM在表达单体建筑时语义层面的丰富性，不仅可以服务于城市区域建筑群防灾性能的宏观把控，而且可以服务于单体建筑的精细化灾害分析。

图2 CIM的概念

在BIM和GIS集成方法方面，目前国际上已有部分研究成果发表。根据现有文献资料，BIM与GIS的集成方法主要有两种：(1)基于软件平台的集成和(2)基于IFC (Industry Foundation Classes) 与CityGML (City Geography Markup Language) 标准的集成。前者主要是利用BIM技术建模，并在GIS平台上形成三维可视化系统，在此基础上实现信息查询、漫游、分析、管理以及开发等应用功能。后者是在IFC和CityGML标准的基础上，设计BIM和GIS模型的统一表达格式。本研究采用第一种方式进行CIM的建模。

2.2

基于CIM的多灾害模拟方法

本研究提出的基于CIM的多灾害模拟框架如图3所示。框架以CIM为基础数据格式，共包含三个模块：(1)数据转化模块；(2)物理模型分析计算模块；(3)高真实感可视化展示模块。

图3 基于CIM的多灾害模拟框架

针对单体建筑：

模块1提取CIM中的BIM数据进行多灾害模拟。在单体建筑地震模拟部分，模块1将BIM数据存储的结构信息转化为有限元结构分析模型(finite element model, FEM)；模块2对FEM进行时程分析；模块3对模块2得到的结构响应数据进行可视化展示。

在单体建筑火灾模拟部分，考虑建筑中的结构构件和非结构构件均能对火灾中烟气蔓延和热量传输造成影响，因此模块1整合BIM数据存储的结构信息和建筑信息，将其转化为可用于火灾烟气模拟的计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模型；模块2对CFD模型进行计算；模块3对模块2得到的烟气蔓延和温度结果等进行高真实感的可视化展示。

在单体建筑风灾模拟部分，由于建筑信息中只有建筑最外层表面会对建筑外风场产生影响，且建筑内部构件的存在会对模型网格划分带来较大压力，复杂的内部结构往往使得划分的网格质量太差而无法用于CFD计算。因此模块1将从BIM数据存储的建筑信息中提取建筑最外层表面，将其转化为可用于风场分析的CFD模型；模块2对CFD模型进行计算；模块3对模块2得到的风速数据和风压数据进行可视化展示。

针对区域建筑群：

模块1提取CIM中的GIS数据进行多灾害模拟。GIS数据主要存储了两类信息：一类是建筑信息，如建筑几何外形、层数、高度、结构类型、建设年代、建筑功能等；另一类是模拟设置，如地震动输入、天气条件（温度、湿度、风速、风向、降水等）等。

在城市区域建筑群地震模拟部分，模块1将城市区域的建筑信息转化为非线性多自由度模型（多自由度剪切层模型和多自由度弯剪耦合模型）；模块2对非线性多自由度模型输入GIS数据中存储的地震动记录，进行时程分析；模块3对模块2得到的城市区域建筑群地震响应数据进行高真实感的可视化展示。

在城市区域火灾模拟部分，模块1将建筑信息转化为两个模型，一是用于火灾蔓延模拟的基于热力学方程的物理模型，二是用于烟气模拟的CFD模型；模块2先对火灾蔓延模拟模型进行计算，计算考虑了环境温度、湿度、是否下雨等气象条件对蔓延的影响，得到城市区域的火灾蔓延情景，之后依据火灾蔓延结果设定CFD模型中各个起火建筑的起火时刻和燃烧持时，进行烟气模拟；模块3对模块2得到的火灾蔓延情景和烟气效果进行高真实感的可视化展示。

在城市区域风灾模拟部分，模块1提取建筑信息中的建筑外表面数据，并将其转化为可用于风环境分析的CFD模型；模块2对CFD模型进行计算；模块3对模块2得到的风速数据和风压数据进行可视化展示。

具体的数据转换方法、建筑模拟方法以及可视化方法可参见论文。

清华校园案例

为了说明本文多灾害模拟框架的实用性，选择了清华校园作为研究对象进行案例分析。建立整个校园建筑的CIM数据库，其中包括619栋建筑的GIS数据和若干栋建筑的BIM数据（图4）。其中一栋4层钢筋混凝土(RC)办公楼作为本案例单体建筑的演示实例。该4层钢筋混凝土办公楼位于校园中部，长40.9m，宽29.8m，高17.5m。结构类型为钢筋混凝土框架结构，建于1995年。其在校园中的具体位置如图4所示。

图4 清华校园建筑群及一栋4层办公楼建筑BIM

沿清华校园的南北方向输入常用的El-Centro地震波，PGA取0.40g。采用多自由度剪切层模型和弯剪耦合模型进行非线性时程分析。对结构位移响应数据进行高真实感展示，如图5所示。校园内建筑的损伤状态如图6所示。可以看出，非设防砌体结构地震损伤最为严重。

图5 清华校园建筑群地震响应可视化

图6 清华校园建筑群地震损伤状态

火灾模拟首先需要设定起火建筑。选择6栋功能不同的建筑作为初始起火建筑（图7）。设定西风12m/s，晴天，最低气温6℃，最高气温16℃。模拟时长为10h。火灾蔓延场景可视化如图8所示，火灾烟气效果如图9所示。起火4h后整个校园火势基本稳定；主要火灾蔓延区域发生在东南角的写字楼区域。

图7 初始起火建筑

图8 火灾蔓延场景

图9 火灾烟气效果

采用RANS对清华校园进行CFD风场模拟。设定清华校园遭遇北京市50年一遇的强风，风向为北风。建筑所受平均风压如图10所示。根据HAZUS中非结构构件的易损性数据，校园内建筑的非结构构件在此风灾情景下基本完好。此外，计算得到的风速数据可以用来评价校园内行人高度风环境舒适度，如图11所示。在此风灾情境下，校园核心区（1200m ×1200m）存在三块区域较为危险，分别是东操、新民路中段、二校门附近的草坪区域。

图10 清华校园建筑外表面风压值

图11 校园内行人高度风环境舒适度

（红色表示室外活动受到非常严重影响的区域，黄色表示严重影响的区域，浅蓝色表示轻微影响的区域，深蓝色表示不受影响的区域）

对4层办公楼建筑输入与区域分析相同的El-Centro地震波，结构的塑性铰主要出现在首层柱的底部（图12），最大层间位移角1.17%。

图12 4层办公楼建筑震后塑性铰分布

假设此栋办公楼发生火灾，火灾起源于3层的一间办公室，着火的可燃物假设为一个1.5m×0.5m×0.5m的由海绵和针织物组成的沙发垫（图13）。火灾发生后10s，烟气弥漫整个起火房间；10s~100s，烟气从起火房间扩散至相邻的过道；300s后，过道内烟气开始缓慢消散，少许烟气弥散至该层其他房间。火灾发生后建筑第3层的烟气分布如图14所示。根据烟气浓度模拟结果，楼道A比楼道B更加有利于逃生。

图13 起火房间

图14 起火后第三层烟气蔓延效果

对此栋建筑周围的风场进行CFD模拟，输入与模拟设置与区域模拟一致。非结构构件基本无损失，与区域风灾模拟结果一致。

结论

本文提出了一套适用于单体建筑和城市区域的多灾害模拟框架，并通过清华校园案例说明了此框架的实用性。主要结论如下：

(1) 框架的初始数据格式为CIM：城市区域建筑群信息以GIS数据存储，而重要单体建筑以精细BIM数据存储。不同精度的模型存储方式能满足业主多样性的分析需求，且统一的数据存储平台为城市动态发展中的数据更新提供了便利；

(2) 框架分析计算模块均基于物理模型。与经验模型相比，物理模型无需依赖历史统计数据，且为计算精度的提升提供了更大空间；

(3) 框架实现了多灾害模拟结果的高真实感展示，能够帮助非专业人员理解灾害影响，更好地发挥多灾害模拟技术的作用。

顾栋炼

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