古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬研究

李 皓

(沈陽理工大學建筑學院，遼寧 沈陽 110159)

1 引言

中華民族具有悠久的發(fā)展歷史與博大精深的民族文化，是當前世界上唯一一個擁有未曾中斷的五千年文明的國家。悠久的發(fā)展歷史留下了豐厚的文化遺產(chǎn)。其中，古建筑群這項文化遺產(chǎn)更為光彩奪目[1]。對古建筑群進行全面保護，有利于我國傳統(tǒng)文化的繼承與發(fā)展，造福子孫后代[2]。隨著人們生活水平與文化水平的提升，我國旅游業(yè)發(fā)展迅猛，古建筑群參觀也越來越受歡迎，更多名勝古跡開始面向大眾開放，供大眾參觀。然而，推動古建筑群參觀旅游的同時，也帶來很多安全隱患，特別是火災?；馂牡陌l(fā)生將導致古建筑群無法修復，甚至造成人員傷亡[3-4]。對古建筑群進行火災多出口疏散場景三維模擬能夠降低火災帶來的損失。為此，相關領域的研究人員進行了許多研究。

文獻[5]提出基于智能體的消防火災人群疏散模型。通過分析火災人群疏散研究現(xiàn)狀，獲得火災人群疏散模型存在的缺點，根據(jù)消防火災人群的移動特征設計智能體的行為模型，模擬火災逃生過生。該方法有效分析了火災逃生人員行為，為火災逃生提供了理論依據(jù)。但該方法未過多分析逃生過程中存在的干擾因素，存在疏散分析不準確等問題。文獻[6]提出基于FDS的地下空間增強體驗式火災逃生VR系統(tǒng)研究。該方法通過PyroSim軟件模擬火災過程，并將模擬結果作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源；通過Unity二次開發(fā)，創(chuàng)建增加熱感單元的場景交互火災逃生視景，以模擬火災現(xiàn)場高溫環(huán)境，真實展現(xiàn)火災場景。該方法可以讓體驗人員真切感受到火災場景，對其做出反應，合理選擇逃生路線。但該方法成本較高，不利于普遍應用。

針對上述問題的存在，本文設計一種古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬方法。通過分析古建筑燃燒發(fā)展的四個階段，獲取火災持續(xù)時間與熱釋放速率之間關系；利用OGRE程序開發(fā)工具構建古建筑群火災多出口疏散三維場景。

實驗結果表明：本文方法在進行古建筑群火災多出口疏散場景的模擬工作效率高，模擬效果良好，對古建筑群的保護具有一定作用。

2 古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬

2.1 古建筑群游客特征獲取

為實現(xiàn)古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬，需要獲取古建筑群游客特征。包括疏散人數(shù)特征、人員構成特征、人員疏散速度特征。其中，疏散人數(shù)特征通過對古建筑群進行實地調(diào)查獲取，各個區(qū)域的具體火災疏散人數(shù)以其游覽高峰期的最大游客數(shù)為準。在古建筑群營業(yè)期間對其進行實地調(diào)查，古建筑群的超高峰系數(shù)取1.3，即對疏散人數(shù)進行預測所獲取結果的1.3倍。根據(jù)《建規(guī)》[7]，對古建筑群各個區(qū)域進行人員平均密度計算，獲取其各個區(qū)域具體疏散人數(shù)。具體示例如表1所示。

表1 疏散人數(shù)具體示例

人員構成特征指總游客人數(shù)中各種類型人群的具體占據(jù)比例，參考古建筑群游客的歷史構成對游客性別構成與年齡構成進行調(diào)查，獲取古建筑群相應人員特征分布趨勢[8]。

人員疏散速度特征的獲取需要參考人員形體尺寸與行走速度[9]，如表2所示。

表2 人員形體尺寸與行走速度

當火災發(fā)生時，其內(nèi)部人員必然以最快的速度離開現(xiàn)場，前往安全地點。在此過程中，人員移動的速度受到個體差異、火災現(xiàn)場氣體濃度以及自身重量等，均影響其離開的速度，故存在

Wj=μ(G×R×P)

(1)

式中，Wj表示現(xiàn)場第j人員離開現(xiàn)場的速度，G表示自身重量，R表示人員個體差異，其中包括年齡，性別等；P表示古建筑群內(nèi)火災產(chǎn)生的氣體濃度，μ表示各影響因素之間存在的函數(shù)關系。

在古建筑群火災發(fā)生時，其內(nèi)部游客的數(shù)量與現(xiàn)場人員疏散的速度存在正相關關系。當游覽人數(shù)較少時，人群疏散的速度較快；當游覽人數(shù)較多時，人群疏散的速度相對較慢。此時人群密度與人員移動速度存在以下關系

(2)

式中，s0表示密度較小的游覽人群，smax表示密度最大的游覽人群，δ表示影響因素的綜合權重，χ表示影響人群移動速度的因子。

2.2 古建筑群火災模型構建

獲取古建筑群游客特征后，根據(jù)古建筑群的火災特點獲取古建筑群火災模型系數(shù)，構建古建筑群火災模型。古建筑群火災十分易燃，其燃燒與發(fā)展過程包括四個階段。第一個階段是增長期；第二個階段是轟燃期；第三個階段是旺盛期；第四個階段是衰減期[11]。古建筑群發(fā)生火災時其熱釋放速率會隨著時間的推移不斷變化，呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征，其火災持續(xù)時間與熱釋放速率之間關系為

Q=α(t-t0)2

(3)

式中，Q代表熱釋放速率；α代表火災燃燒增長系數(shù)；t代表著火時間；t0代表到達有效燃燒所消耗的時間。

由于古建筑群的陰燃階段較為短暫，所以認為到達有效燃燒所消耗的時間接近0，可將式(3)簡化為

Q=αt2

(4)

根據(jù)火災持續(xù)時間與熱釋放速率之間的關系，獲取古建筑群中易燃物品火災增長系數(shù)，如表3所示：

表3 古建筑群中各種易燃物品的火災增長系數(shù)

當發(fā)生火災時，燃燒的物質(zhì)產(chǎn)生一定有害氣體，暴露在此環(huán)境中的游覽者吸入有害氣體之后將會影響人員的撤離，故本文需對煙氣分布可見性進行分析。

假設L表示氣體可見的距離，N表示氣體的濃度，K為古建筑群內(nèi)安全標志，ξ表示安全標志在煙氣中的能見度閾值，則存在

(5)

根據(jù)古建筑群中易燃物品的火災增長系數(shù)獲取古建筑群火災模型參數(shù)，如表4所示：

表4 古建筑群火災模型的具體模型參數(shù)

基于上述基礎上，構建的古建筑群火災模型具體如圖1所示。

圖1 古建筑群火災模型

2.3 古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬

在完成古建筑群火災模型的構建后，本文利用OGRE程序開發(fā)工具構建古建筑群火災多出口疏散三維場景，對古建筑群進行火災多出口疏散場景三維模擬。獲取古建筑群火災場景與場景圖之間關系。根據(jù)古建筑群火災場景與場景圖之間的具體關系，利用場景管理器對掛接實體進行操作，對火災場景中的靜態(tài)幾何體、粒子、實體、攝影機、燈光等使用對象進行管理和創(chuàng)建。其創(chuàng)建需要利用場景管理器對MO類進行創(chuàng)建，從而繪制幾何體[12]。利用MO類對古建筑群多出口的幾何墻體線段信息進行數(shù)組結構讀取，獲取其數(shù)據(jù)結構。

構建古建筑群火災多出口疏散三維場景時，需要復制各部分墻體線段對墻體矩形，進行三維重建，但不必三維重建出口線段。構建示意圖如圖2所示。

圖2 墻體矩形構建示意圖

對古建筑群火災時背景場景與地面進行三維重建。為了便于背景場景的三維重建，將古建筑群的建筑物與整個場景放置在包圍盒里，并將其掛接在場景子節(jié)點之上。地面的三維重建則與墻體相同。對三維場景實施材質(zhì)渲染，利用OGRE程序開發(fā)工具中渲染通路對地面、建筑物、背景進行材質(zhì)渲染，以再現(xiàn)其材料紋理，對每種材質(zhì)的對應通道進行相符的紋理貼圖設置。

對古建筑群火災多出口疏散三維場景中人員模型進行建立，利用OGRE程序開發(fā)工具中三維模型工具，結合第三方三維模型工具包構建人員骨骼動畫，并將其轉換為skeleton與mesh文件。對骨骼動畫的動作進行設定：將骨骼分解為Biped對象，將骨骼動畫分解為關鍵幀，利用關鍵幀代表骨骼的動作瞬間，將動作瞬間Biped對象的具體位置數(shù)據(jù)儲存在skeleton與mesh文件中。

通過skeleton與mesh文件中數(shù)據(jù)完成人員模型在三維場景中跑動效果。人員模型構建也需要調(diào)用skeleton與mesh文件中骨骼數(shù)據(jù)生成模型，且需要在數(shù)據(jù)結構中增加一些元素：包括動畫長度、視節(jié)點以及動畫狀態(tài)。人員模型的具體創(chuàng)建過程如下：確認模型具體指針名，讀取模型對應的實體類指針進行創(chuàng)建，利用其指針名生成實體對象名的對應mesh文件，對模型的場景子節(jié)點與視節(jié)點進行生成，并將模型在場景子節(jié)點上掛接。

3 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

本文場景模擬系統(tǒng)以Windows xp 操作系統(tǒng)為運行平臺，利用OGRE程序實現(xiàn)三維圖形的實現(xiàn)。利用古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬方法進行古建筑群火災多出口疏散場景三維實驗。實驗中選用某地古村寨景點，其三維模擬圖如圖3 所示。

圖3 實驗環(huán)境三維模擬圖

首先規(guī)劃該古村寨景的火災出口，共規(guī)劃7個火災出口。利用OGRE程序開發(fā)工具對該古村寨景點的對應火災多出口疏散三維場景進行構建。構建場景三維模擬的仿真平臺。平臺功能如表5所示。

表5 實驗平臺功能

為保障本次實驗結果具備對比性，將所提方法、消防火災人群疏散研究方法以及基于FDS的地下空間增強體驗式火災逃生VR系統(tǒng)進行仿真誤差以及仿真耗時分析。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 不同方法三維模擬仿真度分析

為了驗證所提方法的有效性，實驗對比了所提方法、消防火災人群疏散研究方法以及基于FDS的地下空間增強體驗式火災逃生VR系統(tǒng)的三維模擬仿真度，三維模擬仿真誤差率越低，證明三維模擬仿真性能越強。實驗結果如圖4 所示。

圖4 不同方法三維模擬仿真誤差對比

分析圖4 可知，在相同仿真環(huán)境下，采用三種方法進行仿真的誤差存在一定差距。其中，所提方法的仿真誤差最低，始終低于2 %，而其它兩種方法的誤差始終高于所提方法，且始終存在一定的波動。這是由于所提方法對人員疏散特征進行提取，獲取古建筑群火災模型的模型系數(shù)，構建古建筑群火災模型，從而提高了所提方法的仿真精度。

3.2.2 不同方法三維場景模擬時間開銷分析

為了進一步驗證本文方法的可行性，實驗對比了三種方法古建筑群火災多出口疏散場景模擬的時間開銷，實驗結果如圖5所示。

圖5 不同方法三維場景模擬時間開銷對比

分析圖5 可以看出，三種方法在進行古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬的用時存在差異。其中，所提方法的仿真用時與理想仿真用時較為吻合，而其它兩種方法的模擬用時與理想值存在一定波動。從曲線總體走向來說，所提方法的仿真用時與理想值最接近，模擬效果更佳。

4 結束語

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，古建筑群旅游項目日益增多，對火災的預防十分重要。提出的古建筑群火災多出口疏散場景三維模擬方法，在傳統(tǒng)方法的基礎上，對古建筑群游客特征進行詳細的分析，根據(jù)古建筑群的火災特點，獲取古建筑群火災模型系數(shù)，構建古建筑群火災模型，實現(xiàn)場景三維仿真。與傳統(tǒng)方法對比，所提方法的模擬仿真誤差僅在2 %以下，且模擬的用時較為理想。對古建筑群的保護具有一定現(xiàn)實意義。