新论文：基于BIM与虚拟现实的建筑震后火灾救援场景模拟
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2020.102792
引言
不久前西昌19位消防队员救火过程中不幸牺牲，大家都非常悲痛。消防队员在救火过程中会面临着巨大的危险，我们一方面要感谢消防队员逆火而行的勇气，另一方面也希望通过科技手段改善消防队员训练条件，尽量减少消防过程中的风险和伤亡。地震后发生次生火灾的案例屡见不鲜，特别是如果医院建筑在地震后发生次生火灾，内部病人等人员不能自行逃离，必须依赖消防救援。而由于地震的偶发性，消防队员可能很少经历过地震次生火灾的场景。因此，本文希望通过建筑震后火灾救援场景模拟，为此类消防训练提供技术支持。
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本研究提出了一套建筑震后虚拟现实火灾场景建模方法，可考虑火灾、非结构构件震害、次生坠物等多种灾害耦合的影响。结合体渲染和粒子系统方法实现了烟气可视化，能够兼顾真实感和计算效率。以一栋医院建筑为例，说明了震后火灾救援场景建模时考虑非结构构件震害及其对人员行动影响的必要性。
研究背景
地震中建筑各类非结构构件破坏严重，由于室内设备复杂，可燃物众多，次生火灾发生概率增加。此外，人员也可能因为伤情、行动不便而被困室内，在医院、中小学等特殊类别的建筑中尤其明显。吊顶、隔墙等非结构构件发生破坏，会在走廊通道上形成障碍物，由于建筑内部空间复杂，烟气弥漫导致视野受限，救援人员可能面临严重危险。而现有的应急演练无法为救援人员提供贴近实际的震后火场救援环境。因此，本研究的目的是建立震后火灾虚拟现实场景，为火场救援提供必要可靠的训练系统。
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模拟框架
在研究中，有两个重要问题需要解决：1）火灾、非结构构件震害以及次生坠物等多种灾害耦合的影响。2）虚拟现实场景搭建及烟气可视化。针对上述问题，本研究提出了一套震后建筑火灾救援场景模拟方法。
图1 模拟框架
模块一：利用建筑BIM模型，建立几何模型、结构分析模型以及FDS火灾分析模型，这三个模型是后续模块分析和模拟的基础。
模块二：Unity建筑模型是搭建地震次生火灾虚拟现实场景的基础，利用3ds Max和Unity软件，在几何模型中添加纹理、光照等效果，并添加吊顶坠物，建立完善的建筑模型，供VR场景搭建使用。
模块三：基于结构模型对建筑进行非线性时程分析，计算得到建筑各层的时程结果，结合易损性曲线确定吊顶和喷淋系统这两类非结构构件的震害，分别为模块二Unity建模和模块四次生火灾模拟提供基础数据。
模块四：根据模块三计算得到的喷淋系统震害确定喷淋管道和喷淋头的工作性能，并调整建筑次生火灾计算模型，在此基础上利用FDS程序模拟火灾蔓延过程，计算烟气粒子运动。通过建筑内部设置的监测点输出室内烟气浓度，供火情分析与可视化使用。
模块五：结合体渲染和粒子系统实现火灾烟气可视化，即在火灾起始阶段采用体渲染的方法，在烟气充分蔓延阶段采用粒子系统的方法，充分发挥两种可视化方法的长处，保证可视化效果和救援训练交互性。在虚拟现实场景中根据障碍物的密度设置人员的行进速度，由此完成震后火灾救援训练VR场景的搭建。
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案例分析
选择一栋19层的医院作为算例分析对象，如图2所示。通过非线性时程分析得到建筑的地震响应结果并计算吊顶和喷淋系统震害（参考前期研究：新论文：BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟），最大峰值加速度出现在第10层，假定该层某房间内起火（图3）。
图2 BIM模型
图3 起火房间示意图
图4是利用本研究提出的方法建立的建筑虚拟现实场景，分别是无烟气和有烟气的情形。从图中可以看到，震后建筑内烟气弥漫时，人员视野受到严重影响。
（a）无烟气情形
（b）有烟气情形
图4 建筑虚拟现实场景
为了考察喷淋系统震害以及次生坠物对人员救援的影响，研究假设在房间内有人员被困，消防人员前往救援，救援路线如图5所示，分别建立三种虚拟现实救援情境：
1）无火灾，不考虑喷淋系统震害及次生坠物；
2）有火灾，不考虑喷淋系统震害及次生坠物；
3）有火灾，考虑喷淋系统震害及次生坠物。
图5 救援路线示意图
三种情境下的救援时间和综合危险系数如图6所示，由于情境2喷淋系统完好，因此救援时间和正常情境相近。而情境3由于喷淋系统破坏和次生坠物的影响，救援时间比情境2增加8倍，综合危险系数增加32倍。由对比可知，非结构构件震害对人员救援时间和危险性起到决定性影响。
（a）救援时间
（b）综合危险系数
图6 不同救援情境对比
为了说明烟气和次生坠物的耦合影响，我们设定了只存在坠物的情境4，以及只存在烟气的情境5，三种救援情境的具体情况如表1所示。
表1 考虑烟气和坠物影响的救援情境对比
从表中可以看到，相比正常速度，情境4和5的速度减小量分别是1.69 m/s和4.18 m/s，两者之和并不等于情境3的4.22 m/s。这也说明了烟气和次生坠物具有耦合影响，有必要建立震后火灾情境加以综合考虑。
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结论
1）本研究提出的震后虚拟现实火灾场景建模方法高效便捷，可实现多种灾害模拟并考虑多灾害耦合的影响，并且烟气可视化时兼顾了真实感和系统性能。
2）喷淋系统和次生坠物震害会恶化人员救援环境，相比不考虑喷淋系统震害的情境，喷淋系统发生震害时人员救援所需时间将增加8倍，危险系数增加32倍，因此在震后火灾救援场景建模时必须考虑非结构构件的震害及其对人员行动的影响。
3）本研究提出的方法为震后高真实感建筑火场环境的建立提供了科学依据，能够实现具有沉浸感的交互式虚拟现实火场训练环境，为消防救援训练提供技术支持。
杨哲飚
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