框架结构三维模型在地震科普中应用初探★

赵 鹏 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学观测研究站，上海 201602)

0 引言

我国是一个地震多发国家，地震科普是我国防灾减灾工作中一项重要的工作。自2008年汶川地震以来，由于地震造成的房屋倒塌造成了大量人员伤亡。但是，目前我国的科普活动仍然以地震理论宣传和地震仪器展示为主[1]。对地震造成建筑结构破坏原因和不同建筑结构的破坏模式却缺少科普宣传。正因为如此，人们普遍对地震后造成的建筑破坏存在恐惧心理，对地震造成的建筑结构破坏感到神秘。目前国内不少学者已经开展了震害三维模拟的探索[2-4]。本文通过查阅国内外历次大地震的资料和相关文献总结出框架结构的典型震害特征，并且选择3dsMax软件与Arcgis软件相结合开展了地震的灾害现场模拟，应用于上海市地震科普馆的科普活动中。

1 震害三维模型制作方法

震害三维模型制作首先要选择一款合适的三维建模软件。3dsMax是Kinetix公司推出的一套强大的三维建模软件。其主要优势在于方便易学，价格相对低廉，并且建模功能强大，能够表现建筑复杂的破坏细节并且3dsMax与Arcgis等多款软件具有良好的接口，方便后期的展示，所以成为首选的建模工具[4]。

框架结构震害模型制作过程总体流程如图1所示，第一步主要是完成三维模型的创建。主要内容包括建筑结构图纸资料收集，利用CAD将图纸矢量化，利用3dsMax建立框架结构模型。第二步主要完成震害特征的提取工作。主要内容包括典型的震害图片选取，应用图形图像处理软件将建筑震害图片转换为矢量图形，提取相应的震害特征。最后将提取的震害特征通过贴图和构件置换等方法应用在三维模型上，从而形成震害三维模型。

2 框架结构震害三维模型制作流程

2.1 准备工作

为了合理的模拟框架结构的破坏特征，首先需要收集框架结构的震害资料，本文收集到了汶川地震中漩口中学一幢框架教学楼的图纸及相关的震害照片资料如图2，图3所示，以此为例实施框架结构的震害模拟过程。

2.2 三维模型的制作方法

应用3dsMax建立框架结构模型的方法比较简单，制作流程一般先将平面图形进行矢量化，然后按照底层框架柱，框架框架柱，填充墙的顺序应用3dsMax挤出建模的方法建立模型。梁，柱，填充墙组合成一个标准层，然后复制标准层，建立屋盖，完成初步建模。最后按照结构的实际材质，赋予模型，形成完好的三维建筑模型如图3所示。

2.3 框架结构震害特征的表现形式

根据GB/T 24335—2009建(构)筑地震破坏等级划分标准[5]的规定，框架结构的破坏可以分为5个等级即：基本完好、轻微破坏、严重破坏、倒塌。从震害模拟的角度分析：轻微破坏主要表现为个别框架梁、柱构件出现细微裂缝，充墙内部或与框架交接处有明显裂缝等破坏形态。这些破坏可以通过纹理贴图来表现。中等破坏、严重破坏主要表现为大量填充墙倒塌或者大量框架柱柱头出现塑性铰，或者框架柱出现倾斜等等。此类破坏形态的模拟则需要实际建立破坏的构件模型来表现。

2.4 轻微震害纹理的提取及模拟

震害模拟的原则是基于实际地震中的建筑结构的破坏特点的，轻微破坏震害纹理提取以地震中经常出现的窗肚墙轻微破坏为例(如图4所示)。由于收集的照片拍摄的角度和本身的亮度等原因的限制，图片不能直接应用于贴图来模拟结构实际的破坏。必须应用Photoshop的图像处理功能将震害图片进行矫正，变形，裁剪，并且调整图像的颜色，亮度，才能形成大小合适，图案清晰的破坏纹理，再将破坏纹理粘贴于适合底图上，完成轻微破坏的震害特征提取(如图5所示)。

2.5 严重开裂墙体的纹理提取及模拟

严重裂纹的墙体的模拟主要利用CAD和3dsMax结合完成。首先选出具有典型的裂纹的震害图片(如图6所示)，利用CAD将破坏的纹理轮廓描绘清楚，形成矢量图形。接着利用3dsMax的挤出建模，形成三维模型。然后利用3dsMax的布尔运算功能，将破坏纹理形成的模型与完好模型叠加在一起，在完好墙体之上减去破坏纹理，从而将破坏纹理像印章一样施加到完好的墙体上(如图7所示)，再将合适的墙体材质应用于模型即完成了严重裂纹的模拟。值得注意的是描绘破坏轮廓时必须保证整个图形闭合，否则将无法利用3dsMax完成挤出建模，直接导致后续工作的失败。

2.6 倒塌墙体的纹理提取及模拟

倒塌墙体的建模与严重裂纹的模拟比较接近。倒塌墙体模拟也需要先将震害图片导入CAD当中，如图8所示，同样将震害照片中倒塌墙体的轮廓描绘出来，形成矢量文件，应用三维建模软件的挤出建模功能，将破坏的墙体轮廓挤出为三维实体，再利用纹理映射的功能，对墙体添加相应的材质，形成整个墙体模型，如图9所示。

3 框架结构震害模型的展示

3dsMax由于其功能强大、操作简便、效果真实以及与其他三维建模软件配合流畅等优点，其制作的三维模型可以通过多种平台兼容展示。目前地理信息系统在地震应急，震害预测等应用广泛，本文利用3dsMax模型与地理信息系统的兼容性，将建立的震害模型导入Arcgis软件中完成模型的浏览(如图10,图11所示)。由于Arcgis软件支持查询，漫游等功能，可以震害模型的基础上进一步开发完成地震破坏后的小区，进行全方位多角度的展示等等。

4 结语

本文基于地震科普教育和救援人员平时地震应急演练熟悉建筑结构破坏为目的，就框架结构的破坏特点进行总结并且就建筑结构轻微破坏纹理，倒塌构件的建模，严重裂纹的模拟进行了初步研究，利用Arcgis软件进行了简单的三维展示，为人们了解建筑结构破坏及地震科普提供了一种新的方法。