框架結構三維模型在地震科普中應用初探★

趙 鵬 胡 峻 毛慧慧 周伯昌

(1.上海市地震局，上海 200062； 2.上海佘山地球物理野外科學觀測研究站，上海 201602)

0 引言

我國是一個地震多發(fā)國家，地震科普是我國防災減災工作中一項重要的工作。自2008年汶川地震以來，由于地震造成的房屋倒塌造成了大量人員傷亡。但是，目前我國的科普活動仍然以地震理論宣傳和地震儀器展示為主[1]。對地震造成建筑結構破壞原因和不同建筑結構的破壞模式卻缺少科普宣傳。正因為如此，人們普遍對地震后造成的建筑破壞存在恐懼心理，對地震造成的建筑結構破壞感到神秘。目前國內(nèi)不少學者已經(jīng)開展了震害三維模擬的探索[2-4]。本文通過查閱國內(nèi)外歷次大地震的資料和相關文獻總結出框架結構的典型震害特征，并且選擇3dsMax軟件與Arcgis軟件相結合開展了地震的災害現(xiàn)場模擬，應用于上海市地震科普館的科普活動中。

1 震害三維模型制作方法

震害三維模型制作首先要選擇一款合適的三維建模軟件。3dsMax是Kinetix公司推出的一套強大的三維建模軟件。其主要優(yōu)勢在于方便易學，價格相對低廉，并且建模功能強大，能夠表現(xiàn)建筑復雜的破壞細節(jié)并且3dsMax與Arcgis等多款軟件具有良好的接口，方便后期的展示，所以成為首選的建模工具[4]。

框架結構震害模型制作過程總體流程如圖1所示，第一步主要是完成三維模型的創(chuàng)建。主要內(nèi)容包括建筑結構圖紙資料收集，利用CAD將圖紙矢量化，利用3dsMax建立框架結構模型。第二步主要完成震害特征的提取工作。主要內(nèi)容包括典型的震害圖片選取，應用圖形圖像處理軟件將建筑震害圖片轉(zhuǎn)換為矢量圖形，提取相應的震害特征。最后將提取的震害特征通過貼圖和構件置換等方法應用在三維模型上，從而形成震害三維模型。

2 框架結構震害三維模型制作流程

2.1 準備工作

為了合理的模擬框架結構的破壞特征，首先需要收集框架結構的震害資料，本文收集到了汶川地震中漩口中學一幢框架教學樓的圖紙及相關的震害照片資料如圖2，圖3所示，以此為例實施框架結構的震害模擬過程。

2.2 三維模型的制作方法

應用3dsMax建立框架結構模型的方法比較簡單，制作流程一般先將平面圖形進行矢量化，然后按照底層框架柱，框架框架柱，填充墻的順序應用3dsMax擠出建模的方法建立模型。梁，柱，填充墻組合成一個標準層，然后復制標準層，建立屋蓋，完成初步建模。最后按照結構的實際材質(zhì)，賦予模型，形成完好的三維建筑模型如圖3所示。

2.3 框架結構震害特征的表現(xiàn)形式

根據(jù)GB/T 24335—2009建(構)筑地震破壞等級劃分標準[5]的規(guī)定，框架結構的破壞可以分為5個等級即：基本完好、輕微破壞、嚴重破壞、倒塌。從震害模擬的角度分析：輕微破壞主要表現(xiàn)為個別框架梁、柱構件出現(xiàn)細微裂縫，充墻內(nèi)部或與框架交接處有明顯裂縫等破壞形態(tài)。這些破壞可以通過紋理貼圖來表現(xiàn)。中等破壞、嚴重破壞主要表現(xiàn)為大量填充墻倒塌或者大量框架柱柱頭出現(xiàn)塑性鉸，或者框架柱出現(xiàn)傾斜等等。此類破壞形態(tài)的模擬則需要實際建立破壞的構件模型來表現(xiàn)。

2.4 輕微震害紋理的提取及模擬

震害模擬的原則是基于實際地震中的建筑結構的破壞特點的，輕微破壞震害紋理提取以地震中經(jīng)常出現(xiàn)的窗肚墻輕微破壞為例(如圖4所示)。由于收集的照片拍攝的角度和本身的亮度等原因的限制，圖片不能直接應用于貼圖來模擬結構實際的破壞。必須應用Photoshop的圖像處理功能將震害圖片進行矯正，變形，裁剪，并且調(diào)整圖像的顏色，亮度，才能形成大小合適，圖案清晰的破壞紋理，再將破壞紋理粘貼于適合底圖上，完成輕微破壞的震害特征提取(如圖5所示)。

2.5 嚴重開裂墻體的紋理提取及模擬

嚴重裂紋的墻體的模擬主要利用CAD和3dsMax結合完成。首先選出具有典型的裂紋的震害圖片(如圖6所示)，利用CAD將破壞的紋理輪廓描繪清楚，形成矢量圖形。接著利用3dsMax的擠出建模，形成三維模型。然后利用3dsMax的布爾運算功能，將破壞紋理形成的模型與完好模型疊加在一起，在完好墻體之上減去破壞紋理，從而將破壞紋理像印章一樣施加到完好的墻體上(如圖7所示)，再將合適的墻體材質(zhì)應用于模型即完成了嚴重裂紋的模擬。值得注意的是描繪破壞輪廓時必須保證整個圖形閉合，否則將無法利用3dsMax完成擠出建模，直接導致后續(xù)工作的失敗。

2.6 倒塌墻體的紋理提取及模擬

倒塌墻體的建模與嚴重裂紋的模擬比較接近。倒塌墻體模擬也需要先將震害圖片導入CAD當中，如圖8所示，同樣將震害照片中倒塌墻體的輪廓描繪出來，形成矢量文件，應用三維建模軟件的擠出建模功能，將破壞的墻體輪廓擠出為三維實體，再利用紋理映射的功能，對墻體添加相應的材質(zhì)，形成整個墻體模型，如圖9所示。

3 框架結構震害模型的展示

3dsMax由于其功能強大、操作簡便、效果真實以及與其他三維建模軟件配合流暢等優(yōu)點，其制作的三維模型可以通過多種平臺兼容展示。目前地理信息系統(tǒng)在地震應急，震害預測等應用廣泛，本文利用3dsMax模型與地理信息系統(tǒng)的兼容性，將建立的震害模型導入Arcgis軟件中完成模型的瀏覽(如圖10,圖11所示)。由于Arcgis軟件支持查詢，漫游等功能，可以震害模型的基礎上進一步開發(fā)完成地震破壞后的小區(qū)，進行全方位多角度的展示等等。

4 結語

本文基于地震科普教育和救援人員平時地震應急演練熟悉建筑結構破壞為目的，就框架結構的破壞特點進行總結并且就建筑結構輕微破壞紋理，倒塌構件的建模，嚴重裂紋的模擬進行了初步研究，利用Arcgis軟件進行了簡單的三維展示，為人們了解建筑結構破壞及地震科普提供了一種新的方法。