孫 曉 波
(浙江東華規(guī)劃建筑園林設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司 建筑設(shè)計(jì)院, 浙江 杭州 310014)
地標(biāo)性建筑指可體現(xiàn)地區(qū)特色的重要建筑,是城市建筑的主角與核心[1]。 地標(biāo)性建筑的外形設(shè)計(jì)具有較高創(chuàng)新性, 地標(biāo)性建筑的功能設(shè)定具有較高的導(dǎo)向性能, 是城市中具有較高代表性的建筑, 可以滿足居民活動(dòng)與生活需求, 側(cè)面促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展[2-3]。 地標(biāo)性建筑群以地標(biāo)性建筑物為核心, 由多個(gè)建筑物連接在一起組成建筑整體, 建筑結(jié)構(gòu)類型眾多,建筑物之間距離較近。 地標(biāo)性建筑群由于其地標(biāo)性價(jià)值,一旦發(fā)生火災(zāi),人身傷害以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值損失極大, 且建筑群之間容易形成火災(zāi)蔓延,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大。 近年來(lái),國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延事故[4]。 為了減少火災(zāi)事故,消防管理人員利用火災(zāi)蔓延模型制定各項(xiàng)防治隔離措施, 為消防安全提供重要依據(jù)[5],許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究。
張健等[6]基于場(chǎng)-網(wǎng)數(shù)值模型提出了考慮多火災(zāi)場(chǎng)景的蔓延危險(xiǎn)建筑識(shí)別方法;結(jié)合有向圖原理和鄰接矩陣算法,確定火災(zāi)蔓延矩陣;計(jì)算火災(zāi)蔓延評(píng)價(jià)指標(biāo),利用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法識(shí)別出火災(zāi)蔓延危險(xiǎn)建筑和防火改造優(yōu)先級(jí)。彭磊等[7]搭建了火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái),研究窗口溢出火焰沿木骨架組合外墻豎向蔓延特性,設(shè)計(jì)不同工況,以時(shí)間變化維度分析火焰蔓延情況。鄭飛揚(yáng)等[8]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)模型的村寨建筑群火災(zāi)蔓延簡(jiǎn)化分析方法,確定火災(zāi)蔓延路徑,構(gòu)建火災(zāi)蔓延網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣,利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)遍歷算法確定建筑群火災(zāi)蔓延范圍。許鎮(zhèn)等[9]考慮地面高程建立了建筑群3維火災(zāi)蔓延模型,計(jì)算熱輻射與熱羽流,建立建筑群3維火災(zāi)蔓延模型,基于云南某火災(zāi)數(shù)據(jù),進(jìn)行了考慮地面高程的火災(zāi)蔓延模擬。
以上研究初步明確了建筑的火災(zāi)蔓延分布,為火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別提供了初步的理論基礎(chǔ),但未充分考慮到火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)影響因素,如風(fēng)速、環(huán)境復(fù)雜度等,因此針對(duì)地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延的感知性能不強(qiáng)。
為了提升地標(biāo)性建筑群的安全性能,選取某具有典型地標(biāo)性建筑群的區(qū)域作為研究對(duì)象,研究地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知算法,將3維地標(biāo)性建筑群模型與火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)模型相結(jié)合,感知地標(biāo)性建筑群空間的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。
SketchUp是一款可供用于創(chuàng)建、共享和展示3D模型的軟件。該軟件建模流程簡(jiǎn)單明了,可以通過(guò)拉伸縮放、陣列復(fù)制等合并操作高效簡(jiǎn)化所建立的3維模型;另外,該軟件通過(guò)顏色、線條和文本提示指導(dǎo)系統(tǒng),自動(dòng)識(shí)別和捕捉線條,讓用戶不必鍵入坐標(biāo)就能自動(dòng)跟蹤目標(biāo)位置,有利于及時(shí)跟蹤火災(zāi)蔓延情況。因此,選取SketchUp軟件建立地標(biāo)性建筑群的3維模型,建立流程如圖1所示。
圖1 地標(biāo)性建筑物3維建模流程Fig.1 3D flow chart of the modeling of landmark buildings
構(gòu)建地標(biāo)性建筑群3維模型首先需獲取地標(biāo)性建筑群的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、建筑物地面矢量數(shù)據(jù)以及建筑物表面紋理信息。
1.1.1 數(shù)字高程數(shù)據(jù)
地標(biāo)性建筑群3維建模過(guò)程中, 高度信息的獲取極為重要, 通過(guò)數(shù)字高程數(shù)據(jù)展示地標(biāo)性建筑群的地貌起伏情況[9]。 選取Google Earth軟件下載高空間分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù), 獲取整理后所需研究區(qū)域地標(biāo)性建筑群的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。
1.1.2 建筑物地面矢量數(shù)據(jù)
利用地標(biāo)性建筑群的遙感影像數(shù)據(jù)獲取建筑物地面矢量數(shù)據(jù),選取ArcGIS軟件矢量化處理所獲取的遙感影像數(shù)據(jù)[10],完成矢量化處理的數(shù)據(jù)即為建筑物底面的矢量數(shù)據(jù)。
1.1.3 建筑表面紋理信息
通過(guò)紋理映射提升所建立3維地標(biāo)性建筑群模型的3維實(shí)景效果。選取Adobed Photo shop軟件透視裁剪所拍攝的地標(biāo)性建筑群照片紋理,獲取所需3維地標(biāo)性建筑紋理部分。對(duì)所獲取的紋理信息調(diào)節(jié)亮度,糾正圖像,壓縮所獲取的紋理數(shù)據(jù),最終獲取具有較高美觀性,且數(shù)據(jù)量較小的紋理信息。
地標(biāo)物建筑群中各建筑物多呈現(xiàn)鏈狀結(jié)構(gòu)分布,對(duì)于所建立3維模型的應(yīng)用性具有重要影響。建立地標(biāo)物建筑群3維模型時(shí),可以合并操作距離較近且屬于同一耐火等級(jí)的建筑[8],高效簡(jiǎn)化所建立的3維模型,即進(jìn)行區(qū)域分割,具體過(guò)程為:
1) 3維模型建立時(shí),需完全保留研究區(qū)域的地標(biāo)性建筑,提升模型的辨識(shí)度,對(duì)此,選擇最小生成樹算法,通過(guò)面積、高度、建筑材料和空間分布情況進(jìn)行地標(biāo)性建筑特征檢測(cè),獲取建筑的高度信息、建筑材料防火特征和面積信息;
2) 基于地標(biāo)物建筑群中的路網(wǎng)以及三角形形態(tài)特征分割3維模型[11],依據(jù)分割后結(jié)果建立3維模型的最小生成樹;
3) 分段處理所建立的最小生成樹,獲取鏈狀結(jié)構(gòu)的生成樹,通過(guò)分段操作獲取不同鏈狀結(jié)構(gòu)中的地標(biāo)性建筑,將地標(biāo)性建筑所處鏈內(nèi)的地表位置劃分為2個(gè)鏈;
4) 設(shè)置地標(biāo)性建筑群3維模型的建筑物加權(quán)系數(shù)為5,取2個(gè)建筑區(qū)平面圖中的面積,加權(quán)處理獲取完成合并后建筑物的平均高度,合并地標(biāo)性建筑群的2維平面圖;
5) 依據(jù)所劃分鏈的權(quán)重,設(shè)置區(qū)域分割閾值,針對(duì)小于5 m間距的建筑物,采集不同平面圖間2個(gè)建筑物最近距離的點(diǎn),依據(jù)2點(diǎn)所在直線,將2個(gè)建筑物移動(dòng)至一起,移動(dòng)過(guò)程中設(shè)置移動(dòng)距離與建筑物面積為反比狀態(tài),延長(zhǎng)相鄰邊長(zhǎng),獲取建筑物合并后的多邊形,該算法合并建筑物可以有效保留原建筑物面積比例,典型化以及合并化該模型。同時(shí)選取基于吸附的平面圖合并算法合并較近距離的建筑物,有效保留原始模型特征,實(shí)施合并以及簡(jiǎn)化處理,滿足所建立模型的真實(shí)性需求[12]。
通過(guò)以上區(qū)域分割過(guò)程簡(jiǎn)化不同鏈狀結(jié)構(gòu),令所建立的地標(biāo)性建筑群3維模型更加精簡(jiǎn)。
基于通過(guò)SketchUp軟件獲得的建筑群3維模型,考慮火災(zāi)蔓延數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的可視化需求,利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行火災(zāi)蔓延視景的3維模擬仿真。元胞自動(dòng)機(jī)的原理是將復(fù)雜的火災(zāi)蔓延過(guò)程分解為多個(gè)時(shí)間間隔網(wǎng)格,將3維地形看作由多個(gè)正方形網(wǎng)格組成的3維空間,每個(gè)網(wǎng)格就是一個(gè)元胞。通過(guò)判別元胞自動(dòng)機(jī)內(nèi)元胞單元由未著火轉(zhuǎn)化至著火狀態(tài)的可能性,在SketchUp軟件建造的3維建筑可視化空間中模擬火災(zāi)蔓延的時(shí)間發(fā)展視景。
采用元胞自動(dòng)機(jī)感知火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間,然后設(shè)定建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間的元胞尺寸、蔓延速度、元胞狀態(tài)等影響因子,根據(jù)蔓延空間推演規(guī)則完成火災(zāi)蔓延視景的仿真模擬。
通過(guò)火災(zāi)蔓延判定指數(shù)Ei,j判斷地標(biāo)性建筑的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn),火災(zāi)蔓延判定指數(shù)表達(dá)式為[13]
(1)
式中:Zi,j為3維空間模型中建筑物類型參數(shù)(包括建筑高度、建筑材料材質(zhì)、耐火等級(jí)等);Qi,j為差異類型建筑物在元胞單元(i,j)內(nèi)面積所占比例;Wi,j為風(fēng)向、風(fēng)速等條件決定的參數(shù);α為修正不包含風(fēng)速的影響火災(zāi)蔓延因素修正系數(shù);β為建筑物合并方向系數(shù);q(tckl)為元胞單元燃燒性能參數(shù)。
其中的修正系數(shù)α與β分別用于修正由于降低空氣補(bǔ)給對(duì)火災(zāi)蔓延延遲的影響和火災(zāi)蔓延控制范圍。利用建筑室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線確定參數(shù)q(tckl)表達(dá)式為[14]
(2)
式中:t1為元胞單元從著火至造成火災(zāi)蔓延的最小時(shí)間;t2為從著火至熄滅的時(shí)間。
t1與t2表達(dá)式為:
式中:a與d分別為3維地標(biāo)性建筑群模型合并后地標(biāo)性建筑物的長(zhǎng)度和斜度;B與v分別為火災(zāi)蔓延的極限距離和風(fēng)速;w為火災(zāi)載荷;Aw為地標(biāo)性建筑開口面積;Af為建筑群模型合并后的地表面積;H為地標(biāo)性建筑物高度。
2.2.1 元胞邊長(zhǎng)
利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行火災(zāi)蔓延視景3維模擬的過(guò)程中,元胞尺寸較小時(shí),地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延的細(xì)節(jié)展示更加明顯,但此時(shí)計(jì)算過(guò)于復(fù)雜。因此本文通過(guò)合理設(shè)置元胞尺寸優(yōu)化元胞自動(dòng)機(jī),既能有效模擬火災(zāi)蔓延全過(guò)程,又能簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,提高演化模擬效果。同時(shí)在元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)行中,設(shè)定元胞單元狀態(tài)和更新元胞狀態(tài)規(guī)則,考慮模擬結(jié)果各影響因子,使優(yōu)化后的元胞自動(dòng)機(jī)的模擬結(jié)果更符合實(shí)時(shí)火災(zāi)蔓延情況。
發(fā)生火災(zāi)時(shí),煙氣在垂直方向的擴(kuò)散流動(dòng)速度較大,通常為1~5 m·s-1,取最大值為5 m·s-1,則1 s后,風(fēng)速v為0時(shí),火災(zāi)蔓延的極限距離為5 m,風(fēng)向?yàn)橄嘛L(fēng)向時(shí),模擬火災(zāi)蔓延全過(guò)程的元胞邊長(zhǎng)B表達(dá)式為[15]
B=1.14(5+0.4v)。
(5)
通過(guò)式(5)可知,元胞邊長(zhǎng)大于5.7 m時(shí),即考慮到風(fēng)速影響,可以有效模擬火災(zāi)蔓延的全過(guò)程,因此設(shè)置元胞自動(dòng)機(jī)的元胞尺寸為5 m。
2.2.2 火災(zāi)蔓延速度
發(fā)生火災(zāi)時(shí),氣候環(huán)境等因素對(duì)地標(biāo)性建筑群的火災(zāi)蔓延速度影響極為明顯,模擬火災(zāi)蔓延視景空間時(shí)應(yīng)充分考慮氣象因素與火災(zāi)蔓延速度之間的關(guān)系。設(shè)置火災(zāi)在時(shí)間柵格中的初始蔓延速度為0.49 m·s-1,則火災(zāi)蔓延速度K表達(dá)式為[16]
K=0.49n。
(6)
式中,n表示火災(zāi)蔓延加速度系數(shù)。
火災(zāi)蔓延速度系數(shù)n表達(dá)式為[17]
(7)
式中:a′與b′分別表示木結(jié)構(gòu)建筑及防火木結(jié)構(gòu)建筑在地標(biāo)性建筑群中所占比例;c′表示耐火建筑在地標(biāo)性建筑群中所占比例。
上述數(shù)據(jù)來(lái)源于上章利用ArcGIS軟件矢量化處理的遙感影像數(shù)據(jù)。
2.2.3 元胞狀態(tài)
元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)行中,需明確元胞單元狀態(tài)以及更新元胞狀態(tài)規(guī)則。時(shí)間為t時(shí),利用元胞(i,j)的熱動(dòng)力學(xué)函數(shù)表示元胞狀態(tài)表達(dá)式為[18]
(8)
式中,Gt與G0分別表示時(shí)間為t時(shí),火焰為元胞提供的全部熱量以及引燃未燃燃料所需的全部熱量。
1) 未著火元胞。元胞內(nèi)燃料無(wú)法為元胞提供燃燒所需熱量時(shí),Gt 2) 著火元胞。元胞內(nèi)包含的熱量充足時(shí),元胞內(nèi)的燃料為著火狀態(tài),Gt≥G0,設(shè)置該元胞輸出值為1。 2.2.4 元胞著火概率 時(shí)間為t+1時(shí),元胞(i,j)發(fā)生著火的概率受多種因素影響[19-21]。元胞發(fā)生火災(zāi)的概率為 (9) 式中:Ai,j與Di,j分別表示不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況下以及差異建筑類型時(shí)元胞(i,j)發(fā)生火災(zāi)的概率[22-24];Li,j與Fi,j分別表示周圍建筑物著火以及差異建筑物破壞程度[25-26]時(shí),元胞(i,j)發(fā)生火災(zāi)的概率;Wi,j表示風(fēng)向以及風(fēng)速對(duì)地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延視景空間模擬結(jié)果的影響因子。 利用SketchUp軟件建立的地標(biāo)性建筑群3維模型,采用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延視景空間模擬的步驟如下: 1) 隨機(jī)選取未著火的元胞(i,j)。 3) 返回至步驟1),將時(shí)間步長(zhǎng)加1,直至完成模擬,獲取地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延視景仿真模型。 為驗(yàn)證所研究地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知算法的有效性,選取余干縣文化四館作為研究對(duì)象。文化四館分別為文化館、圖書館、美術(shù)館、博物館,四館合一。在空間布局設(shè)計(jì)上采用中國(guó)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格庭院式布局,文化館、圖書館、博物館、美術(shù)館4個(gè)建筑雖各據(jù)一方,但通過(guò)2個(gè)天井貫通為一個(gè)整體,四館呈“回”字形連通。主建筑與拆箱間、周轉(zhuǎn)庫(kù)、各展品庫(kù)房比鄰設(shè)置??傆玫孛娣e31 690.69 m2(約47.54畝),總建筑面積34 384.09 m2,其中地上建筑面積2 5271.94 m2,地下建筑面積8 817.82 m2。主體建筑文化館為3層,其他館為4層。主建筑采用重檐坡屋頂設(shè)計(jì),4個(gè)角亭設(shè)計(jì),飛檐翹角,斗拱攢尖,將眾多的功能空間集中在參差錯(cuò)落的建筑群中。 從文化館建筑數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取地標(biāo)性建筑群的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、建筑物地面矢量數(shù)據(jù)以及建筑物表面紋理信息,利用SketchUp進(jìn)行3維建模,并利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行火災(zāi)蔓延視景的3維模擬仿真。 為了解決3維模型與仿真模型數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題,本文進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)與模型參數(shù)的分離。通過(guò)對(duì)象實(shí)例化過(guò)程,從SketchUp軟件中數(shù)據(jù)庫(kù)代入具體參數(shù)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)在3維模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中,初始化3維模型數(shù)據(jù),使模型結(jié)構(gòu)與模型參數(shù)分離,實(shí)現(xiàn)3維建模與仿真模型數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。 該研究區(qū)域?qū)儆诘湫偷牡貥?biāo)性建筑群,包含當(dāng)?shù)貥O具特色的建筑群。建筑物的建筑材料類型參數(shù)設(shè)置如下:木結(jié)構(gòu)建筑與防火木材建筑的類型參數(shù)分別為1.0和0.7,耐火材料的類型參數(shù)為0,建筑外墻上、下層開口實(shí)體墻高度為1 m,相鄰戶開口之間的墻體寬度為1 m。文化館火災(zāi)載荷密度為780 MJ·m-2。采用SketchUp軟件建立的研究區(qū)域地標(biāo)性建筑群3維可視化模型如圖2所示。 圖2 地標(biāo)性建筑群3維可視化模型Fig.2 3D visualization model of landmark buildings 通過(guò)圖2可知,本文算法可以有效建立地標(biāo)性建筑群的3維模型,直觀展示地標(biāo)性建筑間的距離,且圖像細(xì)節(jié)信息完整、紋理清晰,為火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知提供有效基礎(chǔ)。 充分考慮風(fēng)速以及風(fēng)向變化,仿真設(shè)置火源點(diǎn)坐標(biāo)為(75,126)。風(fēng)速為6 m·s-1時(shí),風(fēng)向分別為西風(fēng)、西北風(fēng)以及東南風(fēng);時(shí)間步長(zhǎng)為20 min時(shí),采用本文算法感知地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間的感知結(jié)果。本文算法感知結(jié)果與火災(zāi)蔓延極限距離(建筑邊界)的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。 (a) 西風(fēng)(b) 西北風(fēng)(c) 東南風(fēng) 由圖3可知,考慮風(fēng)速以及風(fēng)向變化時(shí),本文算法獲取的地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知結(jié)果未超過(guò)建筑群邊界,說(shuō)明本文算法的感知結(jié)果具有有效性,計(jì)算性能優(yōu)越,可為消防工作提供有意義的指導(dǎo)性工作。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法對(duì)地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)的感知性能,采用本文算法和文獻(xiàn)[7]方法建立地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)感知模型。選取均方誤差作為地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間的測(cè)繪精度評(píng)價(jià)指標(biāo),2種方法的均方誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。 (a) 本文算法(b) 文獻(xiàn)[7]方法 由圖4可知,本文算法不僅可以有效感知地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間,并且在不同風(fēng)向下建立的地標(biāo)性建筑群內(nèi)不同建筑的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間模型測(cè)繪均方誤差均低于0.16,明顯低于文獻(xiàn)[7]方法。說(shuō)明本文算法具有較高的模型測(cè)繪精度,將本文算法應(yīng)用于地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知中,可有效獲取精準(zhǔn)的感知結(jié)果,為地標(biāo)性建筑群火災(zāi)預(yù)防以及及時(shí)治理提供有效依據(jù)。這是因?yàn)楸疚墨@取地標(biāo)性建筑群的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、建筑物地面矢量數(shù)據(jù)以及建筑物表面紋理信息,保證了建模測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)合理設(shè)置元胞尺寸優(yōu)化元胞自動(dòng)機(jī),既能有效模擬火災(zāi)蔓延全過(guò)程,又能提高演化模擬效果,使優(yōu)化后的元胞自動(dòng)機(jī)的模擬結(jié)果更符合建筑實(shí)際情況。 本文研究了地標(biāo)性建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間感知算法,本算法充分考慮了風(fēng)速等影響因素對(duì)火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)的影響,所感知的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)空間范圍與實(shí)際火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)范圍較為接近,可以獲取與實(shí)際更加相符的火災(zāi)蔓延空間感知結(jié)果,提升地標(biāo)性建筑群的消防安全。但由于條件有限,本文中主要的研究手段為數(shù)值模擬及數(shù)學(xué)方法,未進(jìn)行真實(shí)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)分析。在未來(lái)的研究中,將尋找有效條件進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究,完善研究結(jié)果。3 數(shù)值模擬分析
4 結(jié) 語(yǔ)