体育馆安全评估中火灾模拟与结构分析的结合——以2008奥运会体育馆为例外文翻译资料

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体育馆安全评估中火灾模拟与结构分析的结合——以2008奥运会体育馆为例

【摘要】为了安全地应用于2008奥运会，必须对现有的体育场馆进行安全使用评估。由于先前的工作中结构分析和火灾模拟在独立发展，正常的负载和消防行动没有能够一起考虑。本文提出了一种新开发的集成系统——SFSAS，用于结构分析和火灾模拟。系统中体育馆计算机模型可用于结构分析和火灾模拟。基于根据风险分析所设计的火灾造成的温度荷载下的结构分析，结构构件的防火保护程度是可以的定量的。在本文中，详细介绍并讨论了解决方案以及案例研究。

【关键词】综合系统；消防安全；数据交换；面向对象模型；奥运会

【正文】

1. 介绍

为了安全地应用于2008奥运会，必须对现有的体育场馆进行安全使用评估。耐火性是考虑其安全性评估的重要问题之一。了解易损坏的微型结构是非常重要的，这些微型结构可能很高并可能由于潜在的火灾导致体育馆的结构倒塌，所以耐火系统或消防设备，能够预先准备和提出。

由于准备耗时、高支出、实验难操作，研究一个真正的体育馆的火灾发展过程是困难并且昂贵的。随着计算机科学的发展，特别是与仿真技术，计算机仿真技术现在可以在某些方面代替实验研究,或者可以减少实验工作量。可能的解决方案是应用一些先进的计算机仿真软件，例如FDS(火灾动力学模拟器),CFAST,以及为了体育馆的安全性评估的FLUENT。而那些可能导致体育馆结构崩溃的易损坏的结构组件无法被这些提到的软件工具所预测到。一些结构分析软件有助于判断,如ANSYS和ABQUS等等。

FDS(火灾动力学模拟器),通常用来模拟计算机流体动力学(CFD)火驱动模型的流体流动,其中的数值解决适合于低速、热驱动流动，重点在于火灾烟雾和热传输的纳维－斯托克斯方程的一种形式。该软件旨在提供针对火灾可能造成的后果的一个定量的估计。模拟模型将受到一系列评估计算的准确性的验证测试。

CFAST(火灾增长和烟雾运输的合并模型)是防火区模型的核心，受到建筑和火灾研究实验室(BFRL)的支持，来提供建筑设计师、密码职员、消防工程师和消防安全相关的从业人员所使用的火灾现象的计算。作为一个区域模型，CFAST通常用于计算火灾中构造消防设施的烟发展分布、火灾气体和热量。在CFAST中，采用区域模拟的原则，换句话说,是指空间分工，上下两层,从火灾区域,以及一个详细的区域相互作用。上层是模拟一个充满了烟火的区域模型,新鲜的空气都是在较低的层。通常用于CFAST的建模方程是常微分方程组(ODE)中最初的数学形式值问题和从守恒方程质量、能量守恒、理想气体定律和关系密度和内能得来的。这些方程估计函数的时间量如压力、层高度和温度给定质量和焓的积累两层。CFAST模型解决一组常微分方程,集合的算法,分别计算每个车厢的环境和计算质量和焓源项。此外,模型是进化物种的化学元素的集成,比如碳一氧化碳,显著关联和影响个体在火灾环境中的安全。

ANSYS是一个用于解决各种各样的机械方案数值问题的总体计划的有限元素模型。这些问题包括静态/动态结构分析(线性和非线性)、传热和流体问题,以及声学和电磁问题。此外,ANSYS使用有限元素法来解决基本控制方程和相关的具体的不确定的范围条件。

类似于其他计算机计算,计算结果的质量上面提到的软件的质量直接关系到用户提供的输入质量。缺乏准确的预测模型将导致关于消防安全错误的结论。所有结果都必须由通知的相应用户来评估。

然而，这些现有的分析工具或软件仅由外地相关专家或专业人员使用（即消防安全或结构分析），只有补充合格的用户的知情判断，因此他们不支持集成设计环境。另外，该可用的工具或软件没有提供足够的信息和现成可用的知识，以帮助一些可能没有受过详细消防安全知识训练的研究人员或设计师。此外，这些程序采用多变环境下对不同各种建筑物的物理特征建模算法，因此，它可能导致的数据交流和信息共享在很大程度上难以实现。因此，由这些系统或软件提供的数据和信息只能支持单一学科或分析过程的任务。由于目前缺乏任何将算法和数据结合到一起的造成这种个别分离特点的集成系统，很难在复杂的分析中有效地使用一组不同的工具。从业者通常被迫重新输入数据信息或建立模型作为他们的分析工具。因此，这些软件工具缺乏一个简单和友好的机制来输入数据和复查输出。对于很多使用者来说，他们的使用通常需要陡峭和长时间的学习曲线。此外，编制的建筑模型和“输入文件”是也相当耗时。

在本文中，提出了一个刚刚提出、研制的集成分析系统——SFSAS（结构安全分析系统）。在SFSAS的协助下，几个潜在的火灾可以指定和特定的火灾演变过程可以模拟。根据火灾时的变温演变过程，相对来说容易损坏，因此，很可能导致相应的体育馆结构的倒塌可以预测并获得。仿真过程与分析输出可以以图形方式显示。因此，作为一个案例研究，SFSAS系统已被选定作为一个案例研究应用于北航体育馆的消防安全评估。

在下面的章节中，对系统架构，数据模型，中央控制器和案例研究进行了细节的描述和讨论。

2、SFSAS的体系结构

SFSAS被设计为由一个内核数据库，两个数值分析子系统，和其他几个辅助模块支持的一个集成分析系统。Auto CAD已采用该系统的平台，其中两个数值分析子系统与其他辅助功能模块已开发用于建筑结构安全性的平滑分析计算。此外，核心数据库已开发支持数据存储和交换综合SFSAS系统和连接不同的模块。

数值分析部分由FDS和ANSYS组成。FDS是用来模拟一个人工设计的火灾引起的温度场，而ANSYS软件是负责分析设计的燃烧温度和负载情况下不同结构的影响和损坏水平。

系统的其他组件，如用户界面，一个用户模型构造器，两个模型变压器，一个中心控制器和数据管理器已经开发了两个当前和未来集成不同的软件和专业专家系统。这些辅助模块的设计建设和改造建筑模型，管理和处理数据，控制程序的过程，解决冲突不同分析工具之间等。

根据SFSAS操作流程图形如图1所示，该系统由以下三大部分组成，具体工作流程及职责如下：

1. 预处理：用户预处理模型构造器，变压器1，变压器2和消防设计师。它的目的是构建一个有效的用户友好的计算机模型，用于指定的结构健身房，这主要部分是独立于应用程序。用户的转换过程之一模型到FDS模型操作和完成变压器1，而其他改造过程从用户模型到ANSYS模型是由变压器2。用于指定一个基于火灾隐患分析的火灾隐患消防设计。

（2）分析器:分析器的主要功能包括温度场分析的基础上设计了火灾和基于温度载荷的结构分析。它控制正在运行的进程并协调与CFD的工作顺序和有限元分析程序相关的集成系统;因此,转换过程是需要由变压器3为了变换从火温度负荷采用ANSYS模拟结果。

（3）视觉:视觉是由两种可视化、动态和静态可视化,可视化的显示分析的结果,如图2所示。SFSAS系统,视觉模块开发了基于OpenGL编程。视觉可以从Auto CAD静态CAD模型导入,以及阅读的输出数据作为动态可视化FDS和ANSYS,以便用户能够查看和观察分析的结果。

由于FDS和ANSYS是两个完全不同的专业领域开发的软件工具，集成的解决方案是确定的基础上分析现有的集成方法。

集成有三种方法：系统集成、软件集成和工具集成。系统集成是将不同功能的子系统结合在一起，作为一个单一的，独特的软件或硬件系统，即使系统包含软件和硬件，以满足特定需求的组织。软件集成是将一组软件组件/子系统组装成一个统一的、支持组织某些需求的统一软件系统的实践。工具集成是结合一套软件开发工具的实践，产生单一、统一的软件开发环境。

为了总结上述三个集成的关系，工具集成可以算作是一种形式的软件集成或系统集成的一种形式。集成解决方案应该集中在四个方面：表示集成、数据共享、控制机制和过程管理，而SFSAS，集成的解决方案，列举如下：

1. Auto CAD作为基本集成平台的应用。一个预处理过程，包括建模、模型处理、消防设计，以及统一的图形用户界面（GUI），是基于AutoCAD平台开发ObjectARX。
2. 采用API函数和动态链接库（DLL）技术的控制器的开发如图4所示。通过控制器，可以对仿真分析过程进行控制和管理，数据管理和其他辅助操作模块可以相互协调工作。

对SFSAS系统中央控制器程序不执行任何计算，也不进行建模的目标提供任何手段。它只是作为一个数据和文件管理器，以及一个过程控制器的多个程序，如数据库，图形查看器，分析程序，以及其他。由于输入和输出的数据参数不仅在内容上不同，而且在格式上，还需要通过数据集中的数据存储和数据存储等多种形式存储格式。

中央控制器模块还可以通过查询语言访问映射关系数据库。所有的数据访问和过程控制是通过一个单一的通用图形用户界面和数据映射和传输可以由控制器执行。如果单个应用程序提供自己的用户界面（如ANSYS图形用户界面），使用Windows和API函数的程序管理机制，中央控制器模块支持他们的并发使用通过自己的适用编程接口。

1. 模型构造器和数据共享的实现。

对SFSAS软件技术是基于现有的独立模型，用户模型，FDS模型和有限元模型。其中，用户模型是由用户构建的CAD模型，设计了一个图形对话框，以方便快捷的方式与用户进行交互。用户模型构造的目的是构建一个有效的和用户友好的用户模型，包括一组对象，其中每一个是由数据来描述它的存在，字母数字属性和图形表示，在AutoCAD的建筑物的结构。在这项研究中，该模型是一个现有的体育馆计算机模型。

FDS模型和ANSYS模型构造的计算算法。用户不必自行构建这两个模型，因为它们是自动从用户模型中得到的，与变压器1或变压器2。在一个数据映射机制的内核数据库创建的FDS模型或ANSYS模型的数据的一致性和完整性停靠。因此，当用户修改的结构，通过修改用户模型，其相关的FDS模型和ANSYS模型，然后自动修改用户的结构分析的要求。

消防安全分析的计算机系统的效率是显着依赖于本身的数据库结构。对SFSAS系统的重要组成部分，是核心数据库，在大数据量处理和管理。不同的子系统也通过内核数据库互相交换。火灾模拟和结构分析所需的所有数据都是根据时间绩效类存储在核心数据库，这与他们的所有型号的规格有关，但他们可以随时每当用户请求一个火灾模拟和结构分析。

1. 变压器的发展

如图1所示，为变压器模型和ANSYS模型的创建开发了变压器1和变压器2。变压器3负责从FDS传输到ANSYS的结果数据。由于火灾模拟软件FDS采用直线网格模拟控制方程的建立和模拟装配一组立方体对象作为障碍物模型，根据规则，即立体的物体或障碍物必须符合底层网格建模的过程中，而ANSYS软件的主要功能是用来研究分析几何特征点，从一个建筑模型的几何线条、区域和固体，和线框模型常被使用在大多数情况下。在AutoCAD图形格式中创建面向对象的建筑模型时，系统会自动将CAD模型转化为分析工具所要求的特定模型，从而避免任何复杂的建模问题。这个函数在模型翻译中被安装和实现。

变压器映射一个通用的面向对象的原型，通过层次模型协议，如图6所示的分析程序使用的特定表示。CAD模型和具体表示之间的映射关系，可以建立由图形句柄用于识别的CAD模型的目标。在三维格式的建筑模型可以映射到ANSYS的几何实体模型或曲面模型，根据用户的需求。对于FDS模型，每个CAD三维实体对应于CFD模型中描述的一个或几个障碍物。图形处理和关键点的坐标就成为共同点以及识别不同的建模表示法之间的映射关系，而映射关系的相关信息存储到数据库中的几个关系表。此外，还建立了一个新类来管理模型映射、数据库以及数据文件。

作为一个例子，四种不同的结果模型，目前的案例研究表明，映射和翻译过程的模型显示在图。7–10，其中建模对象实际上是一个与电网结构屋顶的体育馆，位于北京的中国，它已被选定进行结构安全分析。要建立这些模型的过程是首先建立一个线框模型，而不需要解释其建设过程中，由于造型容易。接下来的步骤是将刚建成的线框模型转换成有限元模型直接通过变压器2的工具，简化模型的要求。通过快速建模，建立了以线框为母线骨架的三维实体模型。这些三维实体模型转换成由“1”变工具许多长方体组成的数值输入模型。模型翻译的整个过程只需要用户输入几个参数即可自动完成。

1. 案例研究

一个选定的体育馆为2008北京奥运会的比赛场馆已被作为SFSAS系统案例研究。研究建筑是一个大跨度覆盖33times;33米，从顶部的总高度为11微米的区域地面钢网架结构，在屋顶的中心是一个以钢网架结构的左、右两侧空间钢桁架结构，由混凝土柱的周围建设支持。

4.1、假设

在体育馆内进行了火灾发生的假设，从而模拟火灾的发展过程，可以得到体育馆内的温度场。由于钢结构的抗火性能不如混凝土结构，因此本研究主要集中在钢结构的受力性能方面。

由于钢结构的行为在一个火，很多因素的复杂性，如由热变形引起的几何非线性、材料的软化温度不均匀分布情况下导致复合材料的非线性，和内力重分布，由于塑性区的形成和热膨胀，有被认为在本实验考虑。

对于火灾模拟的假设如下：（1）火源地点，火灾规模和火灾曲线是由作者在火灾危险性分析的基础上，对可燃物的分布以及建筑布局；（2）设计火灾对其他辅助房间无影响；（3）特殊天气条件的影响，不考虑。

4.2、火灾场景设计

一个场地模型已被用于火灾场景的设计，并描述如下：

1. 火力定位。根据结构分析和设施的体育馆，可能火的位置是最危险的钢部件的网格结构由于大多数位移发生在网格结构的中心，在位置和演艺台的位置在火灾发生概率非常高。垂直距离为11.2米，从火灾位置的低弦的网格结构。
2. 火灾荷载。通过对可燃材料的分析，设计了8 MW的火灾荷载。
3. 火灾发展曲线。的热释放速率被指定为一个T2曲线，并可以

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