古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟研究

李 皓

(沈阳理工大学建筑学院，辽宁 沈阳 110159)

1 引言

中华民族具有悠久的发展历史与博大精深的民族文化，是当前世界上唯一一个拥有未曾中断的五千年文明的国家。悠久的发展历史留下了丰厚的文化遗产。其中，古建筑群这项文化遗产更为光彩夺目[1]。对古建筑群进行全面保护，有利于我国传统文化的继承与发展，造福子孙后代[2]。随着人们生活水平与文化水平的提升，我国旅游业发展迅猛，古建筑群参观也越来越受欢迎，更多名胜古迹开始面向大众开放，供大众参观。然而，推动古建筑群参观旅游的同时，也带来很多安全隐患，特别是火灾。火灾的发生将导致古建筑群无法修复，甚至造成人员伤亡[3-4]。对古建筑群进行火灾多出口疏散场景三维模拟能够降低火灾带来的损失。为此，相关领域的研究人员进行了许多研究。

文献[5]提出基于智能体的消防火灾人群疏散模型。通过分析火灾人群疏散研究现状，获得火灾人群疏散模型存在的缺点，根据消防火灾人群的移动特征设计智能体的行为模型，模拟火灾逃生过生。该方法有效分析了火灾逃生人员行为，为火灾逃生提供了理论依据。但该方法未过多分析逃生过程中存在的干扰因素，存在疏散分析不准确等问题。文献[6]提出基于FDS的地下空间增强体验式火灾逃生VR系统研究。该方法通过PyroSim软件模拟火灾过程，并将模拟结果作为系统数据来源；通过Unity二次开发，创建增加热感单元的场景交互火灾逃生视景，以模拟火灾现场高温环境，真实展现火灾场景。该方法可以让体验人员真切感受到火灾场景，对其做出反应，合理选择逃生路线。但该方法成本较高，不利于普遍应用。

针对上述问题的存在，本文设计一种古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟方法。通过分析古建筑燃烧发展的四个阶段，获取火灾持续时间与热释放速率之间关系；利用OGRE程序开发工具构建古建筑群火灾多出口疏散三维场景。

实验结果表明：本文方法在进行古建筑群火灾多出口疏散场景的模拟工作效率高，模拟效果良好，对古建筑群的保护具有一定作用。

2 古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟

2.1 古建筑群游客特征获取

为实现古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟，需要获取古建筑群游客特征。包括疏散人数特征、人员构成特征、人员疏散速度特征。其中，疏散人数特征通过对古建筑群进行实地调查获取，各个区域的具体火灾疏散人数以其游览高峰期的最大游客数为准。在古建筑群营业期间对其进行实地调查，古建筑群的超高峰系数取1.3，即对疏散人数进行预测所获取结果的1.3倍。根据《建规》[7]，对古建筑群各个区域进行人员平均密度计算，获取其各个区域具体疏散人数。具体示例如表1所示。

表1 疏散人数具体示例

人员构成特征指总游客人数中各种类型人群的具体占据比例，参考古建筑群游客的历史构成对游客性别构成与年龄构成进行调查，获取古建筑群相应人员特征分布趋势[8]。

人员疏散速度特征的获取需要参考人员形体尺寸与行走速度[9]，如表2所示。

表2 人员形体尺寸与行走速度

当火灾发生时，其内部人员必然以最快的速度离开现场，前往安全地点。在此过程中，人员移动的速度受到个体差异、火灾现场气体浓度以及自身重量等，均影响其离开的速度，故存在

Wj=μ(G×R×P)

(1)

式中，Wj表示现场第j人员离开现场的速度，G表示自身重量，R表示人员个体差异，其中包括年龄，性别等；P表示古建筑群内火灾产生的气体浓度，μ表示各影响因素之间存在的函数关系。

在古建筑群火灾发生时，其内部游客的数量与现场人员疏散的速度存在正相关关系。当游览人数较少时，人群疏散的速度较快；当游览人数较多时，人群疏散的速度相对较慢。此时人群密度与人员移动速度存在以下关系

(2)

式中，s0表示密度较小的游览人群，smax表示密度最大的游览人群，δ表示影响因素的综合权重，χ表示影响人群移动速度的因子。

2.2 古建筑群火灾模型构建

获取古建筑群游客特征后，根据古建筑群的火灾特点获取古建筑群火灾模型系数，构建古建筑群火灾模型。古建筑群火灾十分易燃，其燃烧与发展过程包括四个阶段。第一个阶段是增长期；第二个阶段是轰燃期；第三个阶段是旺盛期；第四个阶段是衰减期[11]。古建筑群发生火灾时其热释放速率会随着时间的推移不断变化，呈现非稳态特征，其火灾持续时间与热释放速率之间关系为

Q=α(t-t0)2

(3)

式中，Q代表热释放速率；α代表火灾燃烧增长系数；t代表着火时间；t0代表到达有效燃烧所消耗的时间。

由于古建筑群的阴燃阶段较为短暂，所以认为到达有效燃烧所消耗的时间接近0，可将式(3)简化为

Q=αt2

(4)

根据火灾持续时间与热释放速率之间的关系，获取古建筑群中易燃物品火灾增长系数，如表3所示：

表3 古建筑群中各种易燃物品的火灾增长系数

当发生火灾时，燃烧的物质产生一定有害气体，暴露在此环境中的游览者吸入有害气体之后将会影响人员的撤离，故本文需对烟气分布可见性进行分析。

假设L表示气体可见的距离，N表示气体的浓度，K为古建筑群内安全标志，ξ表示安全标志在烟气中的能见度阈值，则存在

(5)

根据古建筑群中易燃物品的火灾增长系数获取古建筑群火灾模型参数，如表4所示：

表4 古建筑群火灾模型的具体模型参数

基于上述基础上，构建的古建筑群火灾模型具体如图1所示。

图1 古建筑群火灾模型

2.3 古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟

在完成古建筑群火灾模型的构建后，本文利用OGRE程序开发工具构建古建筑群火灾多出口疏散三维场景，对古建筑群进行火灾多出口疏散场景三维模拟。获取古建筑群火灾场景与场景图之间关系。根据古建筑群火灾场景与场景图之间的具体关系，利用场景管理器对挂接实体进行操作，对火灾场景中的静态几何体、粒子、实体、摄影机、灯光等使用对象进行管理和创建。其创建需要利用场景管理器对MO类进行创建，从而绘制几何体[12]。利用MO类对古建筑群多出口的几何墙体线段信息进行数组结构读取，获取其数据结构。

构建古建筑群火灾多出口疏散三维场景时，需要复制各部分墙体线段对墙体矩形，进行三维重建，但不必三维重建出口线段。构建示意图如图2所示。

图2 墙体矩形构建示意图

对古建筑群火灾时背景场景与地面进行三维重建。为了便于背景场景的三维重建，将古建筑群的建筑物与整个场景放置在包围盒里，并将其挂接在场景子节点之上。地面的三维重建则与墙体相同。对三维场景实施材质渲染，利用OGRE程序开发工具中渲染通路对地面、建筑物、背景进行材质渲染，以再现其材料纹理，对每种材质的对应通道进行相符的纹理贴图设置。

对古建筑群火灾多出口疏散三维场景中人员模型进行建立，利用OGRE程序开发工具中三维模型工具，结合第三方三维模型工具包构建人员骨骼动画，并将其转换为skeleton与mesh文件。对骨骼动画的动作进行设定：将骨骼分解为Biped对象，将骨骼动画分解为关键帧，利用关键帧代表骨骼的动作瞬间，将动作瞬间Biped对象的具体位置数据储存在skeleton与mesh文件中。

通过skeleton与mesh文件中数据完成人员模型在三维场景中跑动效果。人员模型构建也需要调用skeleton与mesh文件中骨骼数据生成模型，且需要在数据结构中增加一些元素：包括动画长度、视节点以及动画状态。人员模型的具体创建过程如下：确认模型具体指针名，读取模型对应的实体类指针进行创建，利用其指针名生成实体对象名的对应mesh文件，对模型的场景子节点与视节点进行生成，并将模型在场景子节点上挂接。

3 实验分析

3.1 实验环境

本文场景模拟系统以Windows xp 操作系统为运行平台，利用OGRE程序实现三维图形的实现。利用古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟方法进行古建筑群火灾多出口疏散场景三维实验。实验中选用某地古村寨景点，其三维模拟图如图3 所示。

图3 实验环境三维模拟图

首先规划该古村寨景的火灾出口，共规划7个火灾出口。利用OGRE程序开发工具对该古村寨景点的对应火灾多出口疏散三维场景进行构建。构建场景三维模拟的仿真平台。平台功能如表5所示。

表5 实验平台功能

为保障本次实验结果具备对比性，将所提方法、消防火灾人群疏散研究方法以及基于FDS的地下空间增强体验式火灾逃生VR系统进行仿真误差以及仿真耗时分析。

3.2 实验结果分析

3.2.1 不同方法三维模拟仿真度分析

为了验证所提方法的有效性，实验对比了所提方法、消防火灾人群疏散研究方法以及基于FDS的地下空间增强体验式火灾逃生VR系统的三维模拟仿真度，三维模拟仿真误差率越低，证明三维模拟仿真性能越强。实验结果如图4 所示。

图4 不同方法三维模拟仿真误差对比

分析图4 可知，在相同仿真环境下，采用三种方法进行仿真的误差存在一定差距。其中，所提方法的仿真误差最低，始终低于2 %，而其它两种方法的误差始终高于所提方法，且始终存在一定的波动。这是由于所提方法对人员疏散特征进行提取，获取古建筑群火灾模型的模型系数，构建古建筑群火灾模型，从而提高了所提方法的仿真精度。

3.2.2 不同方法三维场景模拟时间开销分析

为了进一步验证本文方法的可行性，实验对比了三种方法古建筑群火灾多出口疏散场景模拟的时间开销，实验结果如图5所示。

图5 不同方法三维场景模拟时间开销对比

分析图5 可以看出，三种方法在进行古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟的用时存在差异。其中，所提方法的仿真用时与理想仿真用时较为吻合，而其它两种方法的模拟用时与理想值存在一定波动。从曲线总体走向来说，所提方法的仿真用时与理想值最接近，模拟效果更佳。

4 结束语

随着我国经济的不断发展，古建筑群旅游项目日益增多，对火灾的预防十分重要。提出的古建筑群火灾多出口疏散场景三维模拟方法，在传统方法的基础上，对古建筑群游客特征进行详细的分析，根据古建筑群的火灾特点，获取古建筑群火灾模型系数，构建古建筑群火灾模型，实现场景三维仿真。与传统方法对比，所提方法的模拟仿真误差仅在2 %以下，且模拟的用时较为理想。对古建筑群的保护具有一定现实意义。