基于傾斜攝影的城市建筑群地震倒塌情境可視化

田 源，楊哲飚，許 鎮(zhèn)，陸新征

(1.土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

地震通常會(huì)引起建筑倒塌并造成大量人員傷亡與不良社會(huì)影響。為提升城市建筑群的抗震能力，降低地震災(zāi)害損失，提高應(yīng)急救援效率，城市尺度的建筑震害分析在近年來(lái)得到迅速發(fā)展[1-7]。城市建筑群震害分析不僅面向土木工程及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員，也可以為城市規(guī)劃、管理、應(yīng)急等相關(guān)部門(mén)的人員提供重要的決策參考與技術(shù)支撐，具有重要的科學(xué)價(jià)值與工程意義。但是，由于城市管理者并非都具備足夠的土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，通常難以直觀(guān)理解相對(duì)專(zhuān)業(yè)的分析結(jié)果。因此，有必要研發(fā)真實(shí)、直觀(guān)、有效的城市建筑群震害情境可視化技術(shù)，構(gòu)建高真實(shí)感的城市震害情境，為管理部門(mén)制定救援隊(duì)伍和物資的調(diào)配決策等提供支撐與依據(jù)，進(jìn)而提升震后救災(zāi)效率。

目前，已有一些學(xué)者基于成熟的軟件平臺(tái)開(kāi)展城市建筑震害三維場(chǎng)景可視化研究[8-12]。例如，楊澤等[11]基于A(yíng)rcGIS和三維建模軟件，在3ds Max等軟件中建立三維破壞模型，并結(jié)合GIS建筑位置信息，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域建筑震害三維可視化；孫柏濤等[12]在建筑GIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用3ds Max建立了各震害狀態(tài)的建筑模型，生成了城市中單棟建筑破壞場(chǎng)景。

為提高建筑震害可視化的效果并實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，一些學(xué)者自主研發(fā)了各類(lèi)城市建筑震害三維場(chǎng)景可視化方法[13-17]。例如，Yamashita等[13]將2D 建筑平面資料進(jìn)行豎向拉伸獲得三維模型，并對(duì)不同損傷程度建筑賦予不同顏色，實(shí)現(xiàn)城市建筑群的震害場(chǎng)景可視化；Xu等[17]利用無(wú)人機(jī)航拍建立了城市建筑傾斜攝影測(cè)量模型，并提出了建筑震害場(chǎng)景動(dòng)態(tài)更新方法，避免了普通3D GIS模型獲取難、建筑表面紋理缺失等問(wèn)題，為高真實(shí)感城市震害場(chǎng)景的建立提供了參考。

上述研究均在城市震害場(chǎng)景高真實(shí)感可視化中取得了顯著進(jìn)展，但是很少能夠在區(qū)域尺度上實(shí)現(xiàn)建筑地震倒塌過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示。而實(shí)際的城市區(qū)域內(nèi)，建筑眾多且功能各異，新老建筑混雜，繁榮商業(yè)區(qū)、老舊建筑區(qū)等處建筑的動(dòng)力特性各不相同，部分建筑由于設(shè)計(jì)不合理等多方面原因會(huì)在地震中發(fā)生倒塌。建筑的倒塌一方面會(huì)影響建筑最終的廢墟分布形式與道路通行能力判斷，另一方面會(huì)引起大量煙塵，進(jìn)而嚴(yán)重干擾道路的可見(jiàn)性。因此，建筑地震倒塌的可視化對(duì)震前救援演習(xí)和救援預(yù)案制定等都具有十分重要的意義，有必要開(kāi)展考慮建筑倒塌行為的城市建筑震害場(chǎng)景可視化。

Xu等[17]的研究表明，傾斜攝影模型的應(yīng)用可以顯著提升城市建筑震害場(chǎng)景的真實(shí)感。因此，本文將基于Xu等[17]提出的基于傾斜攝影模型的城市建筑群震害可視化框架，研究城市建筑群地震倒塌過(guò)程與倒塌煙塵的動(dòng)態(tài)可視化方法，并對(duì)深圳市寶安區(qū)開(kāi)展案例分析，進(jìn)而闡述所提出方法的實(shí)際效果。

1 整體框架

結(jié)合Xu等[17]的研究，本文采用如圖1所示的城市建筑震害可視化框架，主要包括輕量化建模、建筑單體識(shí)別以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化。以下將首先針對(duì)Xu等[17]在輕量化建模、建筑單體識(shí)別及未倒塌建筑動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化方面的已有工作進(jìn)行簡(jiǎn)單概括，以便讀者對(duì)該框架有更全面的了解。倒塌建筑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化將在第2、3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 基于傾斜攝影的城市建筑群震害場(chǎng)景可視化框架Fig.1 Framework for the visualization of seismic damage of urban building clusters based on oblique aerial photography

1.1 輕量化建模

此環(huán)節(jié)主要是利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展城市的傾斜攝影測(cè)量，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化建模。具體地，在實(shí)際的操作中，無(wú)人機(jī)采用S形飛行路線(xiàn)從不同角度獲取的城市圖片會(huì)有較多的重疊區(qū)域。為了降低后續(xù)處理的數(shù)據(jù)運(yùn)算量，需要首先對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏化，然后采用ContextCapture等軟件開(kāi)展3D城市模型的集群并行建模。建模過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際需要，選取合適的精細(xì)程度，提高場(chǎng)景渲染效率。

1.2 建筑單體識(shí)別

輕量化建模得到的是整個(gè)城市的模型，包含了建筑、道路、樹(shù)木等各類(lèi)元素，需要進(jìn)一步從中識(shí)別與提取每棟建筑的模型。具體實(shí)現(xiàn)方法為：首先將GIS數(shù)據(jù)與3D城市模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空間位置的對(duì)應(yīng)；然后，根據(jù)城市GIS數(shù)據(jù)確定建筑底部輪廓，并結(jié)合建筑高度生成建筑的外包絡(luò)面；采用布爾運(yùn)算，將位于外包絡(luò)面內(nèi)的建筑模型從3D城市模型中提取出來(lái)。

1.3 未倒塌建筑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化

區(qū)域建筑震害的分析結(jié)果可以通過(guò)多種方式獲得，但最終都需要提出建筑響應(yīng)與3D建筑模型的數(shù)據(jù)映射方法。對(duì)于當(dāng)前時(shí)刻尚未發(fā)生倒塌的建筑，可以采用Lu and Guan[2]提出的非線(xiàn)性多自由度(MDOF)模型開(kāi)展時(shí)程分析，獲取每棟建筑的樓層位移時(shí)程。對(duì)于每層樓面高度處的所有點(diǎn)，其位移可直接采用MDOF分析輸出的結(jié)果；對(duì)于兩層樓面之間的點(diǎn)，其位移可采用相鄰兩層樓面位移的插值結(jié)果。

在擁有每棟建筑的動(dòng)態(tài)模型后，利用開(kāi)源圖形引擎OpenSceneGraph(OSG)實(shí)現(xiàn)建筑群地震響應(yīng)動(dòng)態(tài)可視化。OSG提供了回調(diào)機(jī)制(callback)，可以在每一幀渲染的時(shí)候，對(duì)圖形進(jìn)行一系列操作，使場(chǎng)景根據(jù)時(shí)間或事件進(jìn)行調(diào)整。因此，根據(jù)上述建筑模型與時(shí)程分析結(jié)果的時(shí)空映射關(guān)系，采用OSG回調(diào)機(jī)制逐幀更新建筑傾斜攝影測(cè)量模型，即可實(shí)現(xiàn)城市建筑震害的動(dòng)態(tài)展示。

2 倒塌建筑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化

2.1 建筑地震倒塌類(lèi)型

建立城市尺度地震倒塌情境的主要目的是為救援隊(duì)伍和物資的調(diào)配決策提供依據(jù)。由于倒塌建筑可能埋壓大量人員，而倒塌的類(lèi)型又影響救援人員數(shù)量和設(shè)備類(lèi)型，因此在情境模擬中需要給出特定地震下發(fā)生倒塌建筑所處的位置以及倒塌類(lèi)型。結(jié)構(gòu)的倒塌模式受到地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程、結(jié)構(gòu)類(lèi)型等諸多因素影響，倒塌部位可能出現(xiàn)在樓層局部或樓層整體。但是，由于城市尺度模擬無(wú)法獲得每棟建筑的詳細(xì)信息，難以進(jìn)行構(gòu)件層次的精細(xì)化倒塌模擬。因此，本文基于MDOF模型的分析結(jié)果，結(jié)合歷史震害資料，估計(jì)每棟建筑可能發(fā)生的倒塌類(lèi)型。需要說(shuō)明的是，由于采用了MDOF模型，所以本方法只能考慮樓層整體破壞的模式，而無(wú)法考慮樓層局部破壞的形態(tài)，后者需要采用構(gòu)件級(jí)別的精細(xì)模型開(kāi)展分析與可視化。

(1)框架結(jié)構(gòu)

一般而言，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，地震中主體結(jié)構(gòu)的破壞一般較為輕微，而填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞較為嚴(yán)重[18]。部分框架由于地震強(qiáng)度過(guò)大或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)發(fā)生底部一層倒塌、底部數(shù)層倒塌或者中間層倒塌等(如圖2)。

圖2 框架結(jié)構(gòu)典型地震倒塌模式Fig.2 Typical seismic collapse modes of frame structures

(2)砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)通常在發(fā)震區(qū)域內(nèi)數(shù)量最多，震害也較為嚴(yán)重[18]。在地震中發(fā)生倒塌的砌體結(jié)構(gòu)大多抗震體系單薄，部分砌體結(jié)構(gòu)未設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱，或者未拉結(jié)預(yù)制樓板[21]。砌體結(jié)構(gòu)倒塌一般有2種情況(如圖3)：1)豎向完全垮塌形成松散型廢墟；2)底部樓層倒塌。

圖3 砌體結(jié)構(gòu)典型地震倒塌模式Fig.3 Typical seismic collapse modes of masonry structures

(3)剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力較大，在地震中表現(xiàn)出了良好的抗震性能。部分剪力墻結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)不合理，在較大的地震作用下會(huì)發(fā)生整體傾斜倒塌。圖4所示分別是2010年智利地震和2018年花蓮地震中出現(xiàn)整體傾斜倒塌的剪力墻結(jié)構(gòu)[23]。

圖4 剪力墻結(jié)構(gòu)整體傾斜倒塌Fig.4 The overturning collapse mode of shear wall structures

通過(guò)總結(jié)歷史震害情況，文中主要考慮地震中建筑可能發(fā)生的5種倒塌類(lèi)型，分別是底部一層倒塌、底部數(shù)層倒塌、中間層倒塌、豎向垮塌以及整體傾斜倒塌。其中，中間層倒塌一般發(fā)生于框架結(jié)構(gòu)，豎向垮塌一般發(fā)生于砌體結(jié)構(gòu)，整體傾斜倒塌一般發(fā)生于剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)均可能發(fā)生底部一層或數(shù)層倒塌。

2.2 數(shù)據(jù)映射方法

本節(jié)將針對(duì)上述5種典型倒塌類(lèi)型，提供一種用于可視化的建筑倒塌過(guò)程的坐標(biāo)變化計(jì)算方法。需要說(shuō)明的是，在本研究中，具體倒塌樓層根據(jù)MDOF模型計(jì)算結(jié)果來(lái)確定；建筑的倒塌方向則根據(jù)位移響應(yīng)和倒塌時(shí)刻來(lái)確定。

以下假設(shè)建筑底部z坐標(biāo)為0，初始倒塌時(shí)刻為0。設(shè)一棟建筑物共有n層，第i層層高為hi，第i層頂部標(biāo)高為Hi，并取H0= 0。設(shè)建筑倒塌過(guò)程共涵蓋m個(gè)時(shí)間步，單位時(shí)間間隔(即每幀動(dòng)畫(huà)的時(shí)間間隔)為Δt。以下將給出從建筑倒塌開(kāi)始第j個(gè)時(shí)間步的模型坐標(biāo)。

對(duì)建筑中任一點(diǎn)P，設(shè)其初始位置坐標(biāo)為(xP,yP,zP)，在任意時(shí)刻t的位置坐標(biāo)為(xP(t),yP(t),zP(t))，速度為vP(t) = (vP,x(t),vP,y(t),vP,z(t))。則點(diǎn)P在第j個(gè)時(shí)間步的位置坐標(biāo)可表示為：

(1)

基于式(1)及1.3中的數(shù)據(jù)映射方法和OSG回調(diào)機(jī)制，即可逐幀更新建筑傾斜攝影測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)城市建筑震害的動(dòng)態(tài)展示。以下將基于一定的假設(shè)，提供若干可用于實(shí)際可視化操作的位置坐標(biāo)計(jì)算方法。在將來(lái)，若對(duì)于建筑的倒塌過(guò)程具有更為精準(zhǔn)、簡(jiǎn)單的表達(dá)形式，也可直接替換式(1)中的vP進(jìn)行每幀位置坐標(biāo)求解。

(1)底部一層倒塌

對(duì)于底部一層發(fā)生倒塌的建筑，假設(shè)建筑模型各幾何點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)不發(fā)生變化，只有z坐標(biāo)發(fā)生變化，即vP,x(t) = 0,vP,y(t) = 0。

若認(rèn)為不同高度處墜落速度相等且不隨時(shí)間變化，則

(2)

若認(rèn)為不同高度處墜落速度相等且隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，則

(3)

該種倒塌類(lèi)別在倒塌初始和結(jié)束時(shí)刻的可視化效果如圖5所示。

圖5 建筑底部一層倒塌可視化Fig.5 Visualization of the collapse of the first story

(2)底部數(shù)層倒塌或豎向垮塌

對(duì)于底部數(shù)層倒塌或豎向垮塌，仍假設(shè)建筑模型各幾何點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)不發(fā)生變化，只有z坐標(biāo)發(fā)生變化。將倒塌樓層數(shù)記作r(2 ≤r≤n)。

若認(rèn)為每層相繼倒塌、墜落速度相等且不隨時(shí)間變化，則

(4)

若認(rèn)為每層相繼倒塌、不同高度處墜落速度相等且隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，則

(5)

以建筑底部數(shù)層倒塌為例，該種倒塌類(lèi)別在倒塌初始和結(jié)束時(shí)刻的可視化效果如圖6所示。

圖6 建筑底部數(shù)層倒塌可視化Fig.6 Visualization of the collapse of multiple stories at the bottom

(3)中間層倒塌

中間層倒塌一般發(fā)生于框架結(jié)構(gòu)，假設(shè)建筑中間第k層發(fā)生倒塌 (1

若認(rèn)為倒塌樓層及以上部位的墜落速度相同且不隨時(shí)間變化，則

(6)

若認(rèn)為不同高度處墜落速度相等且隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，則

(7)

該種倒塌類(lèi)別在倒塌初始和結(jié)束時(shí)刻的可視化效果如圖7所示。

圖7 建筑中間層倒塌可視化Fig.7 Visualization of the collapse of the story at the middle of the building

(4)整體傾斜倒塌

整體傾斜倒塌一般發(fā)生于剪力墻結(jié)構(gòu)，該類(lèi)型倒塌發(fā)生時(shí)，建筑模型圍繞旋轉(zhuǎn)軸傾斜，模型所有幾何點(diǎn)的坐標(biāo)均會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)建筑繞軸Q的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度大小為ω(t)(繞軸Q沿右手螺旋方向?yàn)檎?，在第j個(gè)時(shí)間步時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θj，倒塌結(jié)束時(shí)傾斜角度為θm(可取為π/2)。若軸Q的單位方向向量為q(qx,qy,qz)，并任取軸上一點(diǎn)T(tx,ty,tz)。則有如下關(guān)系：

(8)

(xP(jΔt),yP(jΔt),zP(jΔt), 1)=(xP,yP,zP,1)A[M(q,θj)]TA-1.

(9)

其中，

(10)

(11)

特別地，若軸Q的方向與x軸平行且方向一致，即q= (1, 0, 0)，則

(12)

(13)

若認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω(t)為常數(shù)，則

(14)

若認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，則

(15)

該種倒塌類(lèi)別在倒塌初始和結(jié)束時(shí)刻的可視化效果如圖8所示。

圖8 建筑整體傾斜倒塌可視化Fig.8 Visualization of the overturning of the building

3 倒塌建筑的煙塵效果

建筑在地震倒塌過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙塵，OSG提供的粒子系統(tǒng)可以用于模擬倒塌煙塵效果[26]，在以往橋梁倒塌研究中實(shí)現(xiàn)了良好的可視化效果[27]。本研究的煙塵建模分為2個(gè)步驟，分別是粒子系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置以及粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更新。

3.1 粒子系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置

粒子系統(tǒng)提供了自定義的狀態(tài)設(shè)置函數(shù)，主要包括3個(gè)部分：(1)粒子模板(osgParticle∷Particle)，用于控制場(chǎng)景中每個(gè)粒子的特性，如粒子大小、顏色、生命周期等；(2)粒子系統(tǒng)放射器(osgParticle∷ModularEmitter)，用于控制場(chǎng)景中粒子的狀態(tài)，包括粒子放射器的位置、形狀、方向等；(3)粒子系統(tǒng)編程器(osgParticle∷Program)，用于控制粒子在生命周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，包括osgParticle∷AccelOperator模擬重力加速度以及osgParticle∷FluidFrictionOperator模擬空氣阻力等。

具體地，1)在粒子模板方面，根據(jù)已有研究，將粒子半徑設(shè)置為0.05 m[26]，將粒子生命周期設(shè)置為70 s[27]，能夠較好地模擬煙塵效果。由于煙塵是灰色的，因此粒子顏色應(yīng)采用灰度值，通過(guò)在OSG中的調(diào)試，灰度值取0.3～0.4較合適。

2)在粒子系統(tǒng)放射器方面，放射器需要沿建筑發(fā)生倒塌的樓層附近布置，因此需要設(shè)置osgParticle∷MultiSegmentPlacer，間隔布置粒子放射器。由于場(chǎng)景中重力的存在，粒子在發(fā)射后會(huì)逐漸向下(z軸負(fù)向)運(yùn)動(dòng)，因此將粒子發(fā)射方向設(shè)置為z軸正向，利用重力實(shí)現(xiàn)煙塵彌漫的效果。

3)在粒子系統(tǒng)編程器方面，首先創(chuàng)建重力模擬對(duì)象，粒子系統(tǒng)默認(rèn)取值9.8 m/s2的重力加速度。此外，參考肖鵬等[26]提出的方法模擬空氣阻力，其中空氣黏度(Fluid Viscosity)設(shè)置為1.8×10-5Pa·s，空氣密度(FluidDensity)設(shè)置為1.29 kg/m3。為降低計(jì)算資源消耗，本文未考慮不同粒子之間的碰撞與相互影響，所生成的情境是不同粒子直接疊加的效果。

需要說(shuō)明的是，為更加真實(shí)的反映實(shí)際煙塵情況，對(duì)于不同的建筑倒塌形式，其粒子系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)有所不同。由于倒塌方式的不同，所產(chǎn)生的煙塵大小和形式會(huì)在設(shè)定的參數(shù)中得到反映。但是目前由于缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐，本文對(duì)各類(lèi)倒塌形式均采用了相同的粒子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定(煙氣出現(xiàn)的時(shí)間除外，該參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的倒塌時(shí)刻判定)。但文中提出的框架與實(shí)現(xiàn)方法仍然適用，在有相關(guān)的深入研究和支撐后，僅需做出相應(yīng)更改即可。

3.2 粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更新

煙塵伴隨建筑倒塌出現(xiàn)和消失，本研究采用粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更新方法模擬該過(guò)程。與建筑傾斜攝影測(cè)量模型動(dòng)態(tài)更新的方式不同，粒子系統(tǒng)是直接設(shè)置參數(shù)建模并添加到osg∷Node中。粒子系統(tǒng)的更新是在建筑倒塌渲染過(guò)程中執(zhí)行的，因此必須采用OSG提供的節(jié)點(diǎn)回調(diào)機(jī)制(NodeCallback)。本研究基于計(jì)算得到的建筑倒塌起止時(shí)刻，在回調(diào)函數(shù)中對(duì)場(chǎng)景的幀進(jìn)行計(jì)數(shù)，在對(duì)應(yīng)時(shí)刻顯示和隱藏粒子系統(tǒng)。

具體地，在倒塌發(fā)生時(shí)所在的幀顯示粒子系統(tǒng)，在倒塌結(jié)束時(shí)所在的幀隱藏粒子系統(tǒng)。需要注意的是，由于建筑范圍較大，單個(gè)粒子系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)良好的可視化效果，因此需要將多個(gè)粒子系統(tǒng)組成一個(gè)OSG節(jié)點(diǎn)。由于城市中建筑數(shù)量眾多，倒塌可視化時(shí)也會(huì)使用大量的粒子系統(tǒng)，這會(huì)消耗大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。因此本研究采用setAllChildrenOff()和setAllChildrenOn()函數(shù)完成粒子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的隱藏和顯示[26]，這兩個(gè)函數(shù)屬于osg∷Switch管理類(lèi)，類(lèi)似于控制節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)。在倒塌開(kāi)始前以及結(jié)束后，粒子系統(tǒng)需要被隱藏，采用osg∷Switch來(lái)管理節(jié)點(diǎn)，隱藏時(shí)不耗費(fèi)內(nèi)存，相比于節(jié)點(diǎn)(osg∷Node)自帶的SetNodeMask()函數(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。原因在于，SetNodeMask()函數(shù)只是隱藏了節(jié)點(diǎn)，粒子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)在場(chǎng)景中繪制，隱藏時(shí)會(huì)繼續(xù)消耗計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

圖9是結(jié)合煙塵效果的建筑底部數(shù)層倒塌過(guò)程展示。在建筑未發(fā)生倒塌時(shí)，無(wú)煙塵存在(圖9(a))；建筑開(kāi)始發(fā)生倒塌時(shí)，煙塵逐漸出現(xiàn)(圖9(b))；建筑倒塌過(guò)程中，底部樓層煙塵彌漫(圖9(c))；建筑底部數(shù)層倒塌結(jié)束后，煙塵逐漸消失(圖9(d))。

圖9 建筑倒塌煙塵可視化Fig.9 Visualization of the collapse-induced smoke

4 案例研究

本節(jié)以深圳市寶安區(qū)為例，具體展示本文提出的城市地震災(zāi)害情境模擬方法。該區(qū)域內(nèi)建筑的抗震設(shè)防烈度為7度[28]，區(qū)內(nèi)人員密集，住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、老舊建筑區(qū)等各類(lèi)建筑群混雜，存在嚴(yán)重的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。本研究選取寶安區(qū)廣深公路沿線(xiàn)的建筑和環(huán)境傾斜攝影測(cè)量模型(總面積約2 km2)，開(kāi)展城市區(qū)域地震災(zāi)害場(chǎng)景的可視化。

首先，根據(jù)城市GIS數(shù)據(jù)建立建筑非線(xiàn)性MDOF模型。然后，選用被廣泛采用的El Centro波作為地面運(yùn)動(dòng)輸入。為展示城市建筑群地震倒塌場(chǎng)景，本節(jié)將地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度調(diào)幅至800 cm/s2?；谏鲜鼋ㄖＰ团c地面運(yùn)動(dòng)輸入，采用非線(xiàn)性時(shí)程分析可以獲得城市建筑群的地震響應(yīng)時(shí)程結(jié)果，并確定發(fā)生倒塌的建筑及其對(duì)應(yīng)的倒塌時(shí)刻。最后，采用本文提出的方法開(kāi)展了該區(qū)域所有建筑的地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)可視化。

圖10為該區(qū)域在某一時(shí)刻的城市震害場(chǎng)景，圖11給出了局部視角的建筑群震害情況及倒塌過(guò)程(建筑水平位移放大200倍)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該可視化結(jié)果可以很好地展示城市建筑群在地震作用下的變形行為，例如圖中的建筑A，可以很明顯的展示其動(dòng)力響應(yīng)。另外，該方法還可以對(duì)倒塌建筑所伴隨的煙塵效果進(jìn)行高真實(shí)感展示。該案例研究表明了本研究方法的實(shí)用性，可以在城市防災(zāi)方面為城市管理者提供良好的參考依據(jù)和技術(shù)支撐。本方法計(jì)算結(jié)果的精度仍需進(jìn)一步探索有效手段開(kāi)展深入研究。

圖10 地震災(zāi)害場(chǎng)景(全局視角)Fig.10 Sesimic damage scenario (global view)

圖11 地震災(zāi)害場(chǎng)景(局部視角)Fig.11 Seismic damage scenario (local view)

5 結(jié)論

本研究基于傾斜攝影的城市建筑群震害可視化框架，重點(diǎn)針對(duì)城市建筑群地震倒塌的情境構(gòu)建開(kāi)展了研究，主要包括：

(1)基于歷史震害資料，歸納總結(jié)了5種典型的城市建筑倒塌類(lèi)型，進(jìn)而提出了其倒塌運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)映射方法；

(2)基于OSG提供的粒子系統(tǒng)提出了倒塌建筑的煙塵效果可視化方法；

(3)以深圳寶安區(qū)為例開(kāi)展了案例分析，結(jié)果表明，本研究提出的可視化方法可以實(shí)現(xiàn)城市建筑群地震倒塌情境的高真實(shí)感可視化，能夠?yàn)槌鞘蟹罏?zāi)管理提供重要參考與技術(shù)支撐。