框架結(jié)構(gòu)三維模型在地震科普中應(yīng)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(xué)觀測(cè)研究站，上海 201602)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，地震科普是我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工作中一項(xiàng)重要的工作。自2008年汶川地震以來(lái)，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(guó)的科普活動(dòng)仍然以地震理論宣傳和地震儀器展示為主[1]。對(duì)地震造成建筑結(jié)構(gòu)破壞原因和不同建筑結(jié)構(gòu)的破壞模式卻缺少科普宣傳。正因?yàn)槿绱耍藗兤毡閷?duì)地震后造成的建筑破壞存在恐懼心理，對(duì)地震造成的建筑結(jié)構(gòu)破壞感到神秘。目前國(guó)內(nèi)不少學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了震害三維模擬的探索[2-4]。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外歷次大地震的資料和相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)出框架結(jié)構(gòu)的典型震害特征，并且選擇3dsMax軟件與Arcgis軟件相結(jié)合開(kāi)展了地震的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)模擬，應(yīng)用于上海市地震科普館的科普活動(dòng)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(qiáng)大的三維建模軟件。其主要優(yōu)勢(shì)在于方便易學(xué)，價(jià)格相對(duì)低廉，并且建模功能強(qiáng)大，能夠表現(xiàn)建筑復(fù)雜的破壞細(xì)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(jié)構(gòu)震害模型制作過(guò)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(jié)構(gòu)圖紙資料收集，利用CAD將圖紙矢量化，利用3dsMax建立框架結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)的震害特征。最后將提取的震害特征通過(guò)貼圖和構(gòu)件置換等方法應(yīng)用在三維模型上，從而形成震害三維模型。

2 框架結(jié)構(gòu)震害三維模型制作流程

2.1 準(zhǔn)備工作

為了合理的模擬框架結(jié)構(gòu)的破壞特征，首先需要收集框架結(jié)構(gòu)的震害資料，本文收集到了汶川地震中漩口中學(xué)一幢框架教學(xué)樓的圖紙及相關(guān)的震害照片資料如圖2，圖3所示，以此為例實(shí)施框架結(jié)構(gòu)的震害模擬過(guò)程。

2.2 三維模型的制作方法

應(yīng)用3dsMax建立框架結(jié)構(gòu)模型的方法比較簡(jiǎn)單，制作流程一般先將平面圖形進(jìn)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(yīng)用3dsMax擠出建模的方法建立模型。梁，柱，填充墻組合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，然后復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)層，建立屋蓋，完成初步建模。最后按照結(jié)構(gòu)的實(shí)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(jié)構(gòu)震害特征的表現(xiàn)形式

根據(jù)GB/T 24335—2009建(構(gòu))筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[5]的規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)的破壞可以分為5個(gè)等級(jí)即：基本完好、輕微破壞、嚴(yán)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(gè)別框架梁、柱構(gòu)件出現(xiàn)細(xì)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(guò)紋理貼圖來(lái)表現(xiàn)。中等破壞、嚴(yán)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(shí)際建立破壞的構(gòu)件模型來(lái)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(shí)際地震中的建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)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(yīng)用于貼圖來(lái)模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際的破壞。必須應(yīng)用Photoshop的圖像處理功能將震害圖片進(jìn)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(yán)重開(kāi)裂墻體的紋理提取及模擬

嚴(yán)重裂紋的墻體的模擬主要利用CAD和3dsMax結(jié)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(yùn)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(yīng)用于模型即完成了嚴(yán)重裂紋的模擬。值得注意的是描繪破壞輪廓時(shí)必須保證整個(gè)圖形閉合，否則將無(wú)法利用3dsMax完成擠出建模，直接導(dǎo)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(yán)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(dǎo)入CAD當(dāng)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(lái)，形成矢量文件，應(yīng)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(shí)體，再利用紋理映射的功能，對(duì)墻體添加相應(yīng)的材質(zhì)，形成整個(gè)墻體模型，如圖9所示。

3 框架結(jié)構(gòu)震害模型的展示

3dsMax由于其功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、效果真實(shí)以及與其他三維建模軟件配合流暢等優(yōu)點(diǎn)，其制作的三維模型可以通過(guò)多種平臺(tái)兼容展示。目前地理信息系統(tǒng)在地震應(yīng)急，震害預(yù)測(cè)等應(yīng)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(dǎo)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(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)完成地震破壞后的小區(qū)，進(jìn)行全方位多角度的展示等等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于地震科普教育和救援人員平時(shí)地震應(yīng)急演練熟悉建筑結(jié)構(gòu)破壞為目的，就框架結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)并且就建筑結(jié)構(gòu)輕微破壞紋理，倒塌構(gòu)件的建模，嚴(yán)重裂紋的模擬進(jìn)行了初步研究，利用Arcgis軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的三維展示，為人們了解建筑結(jié)構(gòu)破壞及地震科普提供了一種新的方法。