一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法及平台
阅读：1079发布：2020-06-24
专利汇可以提供一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法及平台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于BIM技术的溃坝洪 水 演示预警方法，具体为：首先建立三维实体地形模型和建筑模型；然后计算大坝溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数，并建立大坝溃决的三维仿真模型；将获得的三维实体地形模型和建筑模型、大坝溃决的三维仿真模型与粒子 流体 系统结合，实现溃坝过程和洪水演进的真实模拟；最后对模拟过程进行动画制作和 渲染 ，得到三维真实溃坝洪水演进动画。本发明还公开了基于上述方法的演示预警平台。本发明方法，能够仿真模拟大坝溃坝过程和洪水淹没范围，利用动画直观的了解面临溃坝时居民撤离、重要 建筑物 淹没状况。针对获得仿真模拟溃坝后洪水淹没过程，为水利工程建设、设计及施工单位提供 风 险分析及技术评估资料。，下面是一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法及平台专利的具体信息内容。
1.一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，建立三维数字高程地形模型；
步骤2，建立三维实体地形模型和建筑模型：
根据步骤1获得的三维数字高程地形模型建立三维实体地形模型和建筑模型；
步骤3，建立大坝溃决的三维仿真模型：
计算大坝溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数，并依此建立大坝溃决的三维仿真模型；
步骤4，获取洪水演进过程：
将步骤2获得的三维实体地形模型和建筑模型、步骤3获得的大坝溃决的三维仿真模型与Realflow粒子流体系统结合，实现洪水漫顶溃坝过程和洪水演进的真实模拟；
步骤5，渲染生成三维真实溃坝洪水演进动画：
对步骤4获得的模拟过程进行动画制作和渲染，得到三维真实溃坝洪水演进动画。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤1中三维数字高程地形模型通过对测绘获得详细的地形等高线Auto-Cad图进行处理得到；或者通过对地质雷达数据扫描获得的等高线进行解译、整合得到；或者通过采用Global mapper结合GIS的手段获取地形，进而获得Auto-Cad等高线图，对Auto-Cad等高线图进行处理得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
2.1将步骤1建立的三维数字高程地形模型导入3ds max中；
2.2采用Terrain插件建立三维实体地形：
选中导入的三维数字高程地形模型，在3ds max中利用Compound object-Terrain工具，即可生成三维实体地形；
2.3采用3ds max的各类建模功能，在生成的三维实体地形上建立真实的人工建筑。
4.根据权利要求3所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤2.2生成的三维实体地形，其网格为三角形网格，在三角形表面添加一个“密网格”平面，使其转换为四边形网格，具体为：
在3ds max中使用Compound object-Consistent工具将平面附着在已生成的地形上，平面就形成了地形表面，所得到的模型即为四边形网格。
5.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤3大坝溃坝发展过程参数和溃决洪水参数的计算过程具体为：利用坝体参数，采用DBS-IWHR程序计算得到溃坝发展过程参数；利用实际工程洪水过程线，采用DB-IWHR程序计算得到溃决洪水参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤3中大坝溃决的三维仿真模型的建立是利用在3ds max中嵌入Rayfire插件进行模拟实现，具体过程为：
3.1模拟水流冲蚀引起的连续纵向下切和横向冲蚀：
3.1.1在3ds max中运用布尔运算，在坝体上制作初始冲槽；
3.1.2运用3ds max可编辑网格编辑器，将溃口加深加宽，在制作过程中添加关键帧，记录点线面几何体的形状，3ds max会自动生成动画，也就是溃口纵向下切和横向冲侵过程；
3.2模拟溃口边坡失稳坍塌引起的间歇横向大扩展：
3.2.1在3ds max软件中调出Rayfire Tool工具，将待破碎坝体添加到Rayfire主面板的Objects控制组内的Impact Objects列表中，设置坝体相应的破碎属性参数，破碎参数设置根据计算的溃坝发展过程参数进行设置，以使未来洪水漫顶溃坝过程中连续纵向下切和横向冲蚀过程吻合实际溃坝情况；参数设置完成之后，使用Fragmentation控制组内的Fragment命令完成破碎；
3.2.2坝体破碎完成后，为破碎颗粒添加重力和块体间作用力，以使小土颗粒满足动力学运动，将沿滑动面运动，进而表现出近真实滑坡坍塌的效果，从而形成以初始冲槽为引导产生真实的溃坝过程。
7.根据权利要求6所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
4.1将步骤2和3建立模型导入RealFlow软件中，根据上游水库河谷形状创建一个标准粒子发射器放置在模型的上游水库边界位置，将粒子注满上游水库并设置粒子的初始形态；
4.2在RealFlow软件中添加重力和体积删除场，并将其缩放到与模型大小相匹配，以杀死多余的溢出粒子；
4.3采用RealFlow软件进行溃坝动画的模拟，模拟完成后为粒子动画创建标准网格并对其参数进行设置，继续模拟，即获得洪水演进过程的网格动画。
8.根据权利要求7所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤4.1中在注满水库前先给粒子发射器任意设置粒子速度和密度，等粒子注满水库后，根据步骤3中溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数的计算结果调整粒子发射器的参数，主要对粒子发射器的密度，稠度，速度，流量进行调整使其与真实的上游洪水入库过程相吻合。
9.根据权利要求7所述的一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，其特征在于，所述步骤4.3中标准网格的参数为多边形细分polygon size值和包裹粒子网格的半径。
10.一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警平台，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法获得。
一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法及平台
技术领域
背景技术
[0002] BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。对于水利行业，大型水利设计院已经开始采用BIM技术取代传统的CAD制图设计方法。
[0003] 目前尚无专门用于溃坝洪水风险的预警平台，所以研发了基于BIM技术，集成3ds max建模能力，Realflow强大流体模拟能力，Rayfire强大破碎模拟能力的溃坝洪水风险预估平台。该平台可将三维地面模型、城市街道、建筑物等融合在一起，再现大坝及下游淹没范围的实地情形，为大坝溃决时提供重要技术支持，同时为水利工程建设、设计及施工单位提供溃坝洪水风险分析技术评估服务。
[0004] 本发明涉及仿真模拟，能对溃坝情形进行动画模拟，实现对大坝溃决洪水演进直观演示及淹没范围的快速估计。目前还没有研究者结合溃坝理论计算，采用三维仿真模拟技术再现溃坝过程。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，用以仿真模拟溃坝及溃坝后洪水演进及淹没过程。
[0006] 本发明的另一目的是提供基于上述方法的演示预警平台。
[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，具体按以下步骤实施：
[0008] 步骤1，建立三维数字高程地形模型；
[0009] 步骤2，建立三维实体地形模型和建筑模型：
[0010] 根据步骤1获得的三维数字高程地形模型建立三维实体地形模型和建筑模型；
[0011] 步骤3，建立大坝溃决的三维仿真模型：
[0012] 计算大坝溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数，并依此建立大坝溃决的三维仿真模型；
[0013] 步骤4，获取洪水演进过程：
[0014] 将步骤2获得的三维实体地形模型和建筑模型、步骤3获得的大坝溃决的三维仿真模型与Realflow粒子流体系统结合，实现洪水漫顶溃坝过程和洪水演进的真实模拟；
[0015] 步骤5，渲染生成三维真实溃坝洪水演进动画：
[0016] 对步骤4获得的模拟过程进行动画制作和渲染，得到三维真实溃坝洪水演进动画。
[0017] 本发明的特点还在于，
[0018] 步骤1中三维数字高程地形模型通过对测绘获得详细的地形等高线Auto-Cad图进行处理得到；或者通过对地质雷达数据扫描获得的等高线进行解译、整合得到；或者通过采用Global mapper结合GIS的手段获取地形，进而获得Auto-Cad等高线图，对Auto-Cad等高线图进行处理得到。
[0019] 步骤2具体为：
[0020] 2.1将步骤1建立的三维数字高程地形模型导入3ds max中；
[0022] 选中导入的三维数字高程地形模型，在3ds max中利用Compound object-Terrain工具，即可生成三维实体地形；
[0023] 2.3采用3ds max的各类建模功能，在生成的三维实体地形上建立真实的人工建筑。
[0024] 步骤2.2生成的三维实体地形，其网格为三角形网格，在三角形表面添加一个“密网格”平面，使其转换为四边形网格，具体为：
[0025] 在3ds max中使用Compound object-Consistent工具将平面附着在已生成的地形上，平面就形成了地形表面，所得到的模型即为四边形网格。
[0026] 步骤3大坝溃坝发展过程参数和溃决洪水参数的计算过程具体为：利用坝体参数，采用DBS-IWHR程序计算得到溃坝发展过程参数；利用实际工程洪水过程线，采用DB-IWHR程序计算得到溃决洪水参数。
[0027] 步骤3中大坝溃决的三维仿真模型的建立是利用在3ds max中嵌入Rayfire插件进行模拟实现，具体过程为：
[0028] 3.1模拟水流冲蚀引起的连续纵向下切和横向冲蚀：
[0029] 3.1.1在3ds max中运用布尔运算，在坝体上制作初始冲槽；
[0031] 3.2模拟溃口边坡失稳坍塌引起的间歇横向大扩展：
[0032] 3.2.1在3ds max软件中调出Rayfire Tool工具，将待破碎坝体添加到Rayfire主面板的Objects控制组内的Impact Objects列表中，设置坝体相应的破碎属性参数，破碎参数设置根据计算的溃坝发展过程参数进行设置，以使未来洪水漫顶溃坝过程中连续纵向下切和横向冲蚀过程吻合实际溃坝情况；参数设置完成之后，使用Fragmentation控制组内的Fragment命令完成破碎；
[0033] 3.2.2坝体破碎完成后，为破碎颗粒添加重力和块体间作用力，以使小土颗粒满足动力学运动，将沿滑动面运动，进而表现出近真实滑坡坍塌的效果，从而形成以初始冲槽为引导产生真实的溃坝过程。
[0034] 步骤4具体为：
[0035] 4.1将步骤2和3建立模型导入RealFlow软件中，根据上游水库河谷形状创建一个标准粒子发射器放置在模型的上游水库边界位置，将粒子注满上游水库并设置粒子的初始形态；
[0036] 4.2在RealFlow软件中添加重力和体积删除场，并将其缩放到与模型大小相匹配，以杀死多余的溢出粒子；
[0037] 4.3采用RealFlow软件进行溃坝动画的模拟，模拟完成后为粒子动画创建标准网格并对其参数进行设置，继续模拟，即获得洪水演进过程的网格动画。
[0038] 步骤4.1中在注满水库前先给粒子发射器任意设置粒子速度和密度，等粒子注满水库后，根据步骤3中溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数的计算结果调整粒子发射器的参数，主要对粒子发射器的密度，稠度，速度，流量进行调整使其与真实的上游洪水入库过程相吻合。
[0039] 步骤4.3中标准网格的参数为多边形细分polygon size值和包裹粒子网格的半径。
[0040] 本发明所采用的另一技术方案是，一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警平台，基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法获得。
[0041] 本发明的有益效果是，本发明一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，能够仿真模拟大坝溃坝过程和洪水淹没范围，利用动画直观的了解面临溃坝时哪些居民需要撤离、哪些重要建筑物将被淹没。针对获得仿真模拟溃坝后洪水淹没过程，能够为水利工程建设、设计及施工单位提供风险分析及技术评估资料，进而避免人员伤亡，减少财产损失。附图说明
[0042] 图1为本发明一种基于BIM技术的溃坝洪水风险预警方法原理图；
[0044] 图3为本发明生成的三维真实地形图；
[0045] 图4本发明实施例演示的大坝溃决过程示意图，其中a为大坝溃决前形态，b为开始溃决时大坝形态，c为溃决中期大坝形态；
[0046] 图5为本发明实施例演示的洪水演进过程示意图，其中a为洪水演进前形态，b为大坝溃决时洪水演进形态，c为大坝溃决后洪水演进形态。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0048] 本发明提供了一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，如图1所示，基于BIM技术，集成3ds max、Realflow、Rayfire、GIS等软件平台，搭建最终溃坝洪水风险预警平台。在3ds max软件结合Rayfire等插件平台完成三维真实地形模型及大坝建筑物破坏模型之后，将整个模型导入Realflow软件中针对大坝溃决和溃坝洪水演进的实际资料，生成最终洪水演进动画。后期运用NUKE、Pr等工具将动画演示过程进行美化，使得演示过程具有直观性。
具体按照以下步骤实施：
具体按照以下步骤实施：
[0049] 步骤1，建立三维数字高程地形模型：
[0050] 在建立溃坝整体模型之前最关键的问题是获取三维真实地形等高线DEM模型。
[0051] 获取的方法主要包含三个：
[0052] (一)利用某些实际工程已经通过测绘获得详细的地形等高线Auto-Cad图。通过导入命令将Auto-Cad的.dxf文件，导入GIS数据处理软件中，采用GIS自带的DEM数据处理器的等高线命令处理等高线图，通过给每条等高线赋予相应的高程信息，将等高线图拉伸成具有高程信息的等高线模型，将模型导出为数字高程地形模型。
[0053] (二)在没有等高线Auto-Cad图详细信息的情况下，也可以通过无人机地质雷达数据扫描获得等高线DEM数据。通过无人机载地质雷达对关注地形区域开展野外飞行数据采集，获得地质雷达数据包。之后采用HGO数据处理软件对数据进行解译。解译大致思路如下：首先读入数据，之后通过软件的路径命令读取雷达的基站和飞行路径信息，获取关键坐标点。路径解译完成后，基于路径的解译结果，通过点云命令基于坐标几何原理解译雷达采集的所有数据点云位置和高程信息。解译完成后通过将数据点云导出为.pos文件。进而将数据导入HD Datacombine数据处理软件中，采用结合算法对数据进行结算整合，生成完整的地形点云分布模型。在此基础上基于点云分析的去燥命令，对数据典型离散点进行删除或合并。最后采用点云模型生成工具，即可将模型导出为数字高程地形模型。
[0054] (三)在无法获取实际地形资料的情况下，可以采用Global mapper结合GIS的手段获取地形。具体实现过程如下：在Global mapper图源列表中选中Google Earth图源，只有此图源可实现高清卫星图像下载和高程等高线下载。通过Sketchup命令选中等高线边界绘制区域，或者设定所需要地形的经纬度范围，通过数据分析工具生成等高线，获取实际地形区域的数据包，加载所在区域数据。下载的高程和卫星图像可以选择不一样的对应级别，建议高程下载16级或者17级，卫星图像级别越高，生成的三维地形越清晰和详细。最后在Global mapper通过设置投影，使坐标和比例对齐。通过Global mapper将文件输出为.dxf格式文件。此时可以获得Auto-Cad等高线图，再按照第一种方法采用GIS软件即可导出生成数字高程地形模型。
[0055] 步骤2，建立三维地形模型及建筑模型：
[0056] 基于3ds max建筑物建模和效果渲染基础展示方法，3ds max结合GIS的数字高程地形模型，可快速完成三维地形模型和所有相关建筑模型的建立。
[0057] 具体如下：
[0058] 2.1获取数字高程地形模型之后，采用3ds max的导入命令将数字高程地形模型导入3ds max软件中，将上述模型另存为.OBJ格式文件。此时关闭3ds max中的当前的数字高程地形模型文件，然后再打开导出的.OBJ的文件，在3ds max软件中即可直观显示数字高程地形模型。
[0059] 图2为以实际工程实例获取的数字高程模型信息。图2a为简化地形图，即工程测绘获得的未导入GIS生成数字高程地形模型的等高线图；图2b为三维建模图形，即将数字高程地形模型导入3ds max后显示的直观的数字高程地形模型，模型整体河谷山峰显示均合理准确。
[0060] 2.2建立三维地形模型：
[0061] 获得数字高程模型之后需要建立三维实体地形模型。Terrain插件是3ds max的一款功能强大的地形生成插件，结合该插件可自动生成细致的地形模型。所有的参数都是可以调节和可以选择的，生成的模型完全符合地形原貌。该插件功能强大，广泛运用于3ds max的真实地形生成中。将插件安装文件复制到3ds max软件安装目录的plugin文件夹中。同时也将Terrain插件的TerrainLink.exe和EGM180.DAT文件复制到plugin文件夹，即可使用Terrain插件。
[0062] 采用Terrain插件建立三维真实地形的方法如下：选中导入的数字高程地形模型，在3ds max中利用[Compound object-Terrain]工具即可建立生成三维实体地形。此时地形网格为三角形网格，三角形网格弊端在于使整个模型的节点过多并且图形形状不规则。需将三角形网格转换为四边形网格才能将其三维地形模型导入洪水演进模拟软件中。为此，在三角形表面添加一个“密网格”平面，即在软件中使用[Compound object-Consistent]工具将平面附着在已生成的地形上，平面就形成了地形表面，所得到的模型地形即为四边形网格。此网格较为规则且节点大大减少，将能够尽可能降低计算机的运行负担。此时生成的地形图可能存在不连续凸起的部位，需要进一步使用[Compound object-Sleek]工具，使地形进一步平顺圆滑，贴近真实地形。图3为采用上述方法生成的三维真实地形模型，可以看出效果较好，较为真实地获得了地形的形态。
[0063] 2.3建立建筑模型：
[0064] 在完成三维地形模型建立之后，需要在地形上建立真实的人工建筑物，比如土石坝、厂房、工作桥、公路、下游村庄建筑等。建立这些模型的方法较为简单，直接采用3ds max的各类建模功能即可完成各类建筑物的建模。
[0065] 或者可以在已有相关建筑物模型的基础上通过可编辑多边形功能对模型进行修改，以达到实际建筑物形态。获得建筑物模型之后，将建筑物模型和地形模型进行嵌入整合即可。根据建筑物在地形图上的实际位置采用布尔操作完成整合嵌入操作。以土石坝为例，在建立土石坝模型过程中，首先可通过可编辑多边形命令编辑大坝基本剖面和内部分区，之后采用挤出命令将剖面拉伸生成土石坝基本剖面形态的三维模型。获得三维模型之后，根据土石坝在河谷中的实际位置，利用布尔操作，以河谷地形为边界将土石坝三维模型超出部分删减，完成最终三维地形和坝体的整合嵌入，实施例地形和大坝模型三维整合效果如图3所示。
[0066] 步骤3，计算大坝溃坝发展过程参数和溃坝洪水参数：
[0067] 基于土石坝溃坝模型试验，土石坝溃坝过程大致可以总结为：(1)漫坝水流首先对下游坝坡进行冲蚀，形成初始冲槽；(2)初始冲槽底部在水流的冲蚀作用下变深，冲槽的侧壁在螺旋流的作用下变宽；(3)随着水流流速增快流量增大，发生溯源冲刷现象，冲槽向上推进，冲槽两侧土体因失稳而坍塌，溃口横向扩展。
[0068] 基于上述机理可知，大坝溃决及洪水演进动画模拟过程中最关键的技术是溃决溃口发展及冲槽的三维运动演进过程和溃决流量。为了获得真实的溃坝动画，必须预先获得并设置溃口横向扩展和下切速率等溃坝发展过程参数及溃坝洪峰流量和溃坝洪水过程线等溃坝洪水参数。
[0069] 为了获得溃坝发展过程参数，首先采用中国水利水电科学研究院开发的免费开源溃口发展程序DBS-IWHR计算获得溃口横向扩展和下切的理论结果。根据实际工程，输入坝高、土料内摩擦角、土料凝聚力、土料冲蚀参数、边坡坡比等计算参数，采用DBS-IWHR程序计算溃口横向扩展速率、溃口深度，溃口坡度等重要溃坝发展过程参数，为后续洪水漫顶溃坝的模拟提供基本参数。
[0070] 溃坝洪水参数是溃坝洪水演进的另一个核心参数，它直接决定洪水下游的溃坝演进过程。为了实现溃坝洪水演进的准确模拟，采用中国水利水电科学研究院开发的免费开源溃坝洪水演进程序DB-IWHR获得溃坝洪水参数。根据实际工程洪水过程线，基于流体力学原理，即可计算获得溃坝洪峰流量和溃坝洪水过程线等溃坝洪水参数，为后续溃坝洪水演进的模拟提供设置参数。
[0071] 步骤4，建立大坝溃决的三维仿真模型：
[0072] 为了获得真实的溃坝模拟动画，必须预先设置大坝的溃坝属性。将Rayfire等插件平台嵌入进3ds max软件平台中，在3ds max软件中建立的三维模型的基础上，借助Rayfire插件可以实现大坝溃决过程、滑坡、下游房屋破坏的真实模拟动画。
[0073] Rayfire是一个强大的动力学/破碎动画计算插件，能够制作很多高质量的特效，如物体碎裂、毁灭、拆毁大型建筑、毁坏、分解、大破坏、炸毁、爆破、爆炸、引爆等以及其他相似方面工程项目工作。Rayfire插件可以基于3ds max的Reactor动力学刚体模块以及PhysX动力模块，同时整合3ds max的专业布尔操作、专业切割、空间扭曲以及粒子系统来进行视窗实时交互的物体动力学计算。Rayfire模拟计算后的结果可以是静态的，也可以通过烘焙动画转换成关键帧动画。该插件计算结果精确而且操作简单。
[0074] Rayfire插件平台嵌入进3ds max之前，需要在3ds max中嵌入PhysX引擎，它是Rayfire插件引擎运行的基础。正常安装完成Rayfire插件之后，复制RayFireTool.mse替换3ds max安装目录的plugins文件夹中即完成Rayfire插件平台在3ds max中的嵌入。在3ds max软件Create面板下的Geometry几何分类体命令下即可调用Rayfire插件。
[0075] 使用Rayfire插件制作大坝溃决三维仿真模型的基本方法如下：
[0076] 4.1模拟水流冲蚀引起的连续纵向下切和横向冲蚀：
[0077] 土石坝溃决过程初始冲槽如何形成目前并没有很好的数值计算方法来计算模拟其三维的运动状态，本发明运用3ds max强大的建模功能，直观地模拟冲沟由水流冲蚀引起的连续纵向下切和横向冲蚀。
[0078] 首先，在3ds max中运用布尔运算，在坝体上制作初始冲槽。为了避免初始冲槽形状过于整齐，不符合真实世界中溃口形状的随机性和不规则性，运用3ds max的可编辑网格编辑器来改变溃口边缘点线面的位置，使形状真实。然后，运用3ds max可编辑网格编辑器可将溃口加深加宽，在制作过程中添加关键帧，记录点线面几何体的形状，3ds max会自动生成动画，也就是溃口纵向下切和横向冲侵过程。
[0079] 4.2模拟溃口边坡失稳坍塌引起的间歇横向大扩展：
[0080] 水流冲蚀溃口以中下部的淘刷为主，这将导致溃口边坡坡脚不断增大，当增大到一定程度时，便会造成溃口两侧的土体失稳坍塌。溃口边坡失稳坍塌是复杂的水力学和土力学耦合问题，破碎块体运动是由块体的受力情况决定的，具有明确的物理意义，如果仅仅通过人为设置关键帧的方式制作动画，必然无法制作出逼真的溃口边坡失稳坍塌现象。
[0081] 本发明采用基于PhysX物理引擎的Rayfire插件，模拟溃口崩塌过程。为了模拟溃口崩塌，首先需要将崩塌部分破碎成小块体，以便模拟崩塌效果。使用泰森多边形破碎法将溃决部分坝体破碎分为小颗粒土体。运用泰森多边形原理，可以将大的块体破碎成不规则的破碎碎块，这种破碎较为真实，并且计算过程的运算量也较小。具体方法如下：
[0082] 在3ds max软件中调出Rayfire Tool工具。将待破碎坝体添加到Rayfire主面板的Objects控制组内的Impact Objects列表中。在同界面的Fragmentation设置相应的破碎属性参数，包括破碎范围、颗粒属性、颗粒尺度、材质、质量、摩擦力及弹性等。破碎参数设置根据步骤3计算的溃坝发展过程参数进行设置，以使未来洪水漫顶溃坝过程中连续纵向下切和横向冲蚀过程吻合实际溃坝情况。
[0083] 参数设置完成之后，使用Fragmentation控制组内的Fragment命令完成破碎。特别注意，为了使破碎后的坝体颗粒与实际土料吻合，破碎过程中需要基于泰森多边形破碎方法使用二次破碎命令将坝体破碎为足够小的土颗粒材料。
[0084] 坝体破碎完成后需要为颗粒添加重力和块体间作用力，以使小土颗粒满足动力学运动，将沿滑动面运动，进而表现出较为真实的滑坡坍塌效果。在整个破碎仿真过程中必须首先为Rayfire指定破碎对象，然后设置破碎参数才能完成破碎操作。大坝破碎溃决设置完成之后，在上游水压力和自身重力的作用下，以初始冲槽为引导将产生真实的溃坝过程。
[0085] 图4a为实例坝体施加完成破碎之后的效果，即大坝溃决前形态。坝体完成破碎后，在上游施加等效水压力获得的坝体溃决过程如图4b和4c所示。可以看出，坝体破碎完成后，在上游水库作用下，大坝呈现较为真实的坝体溃决过程和形态。
[0086] 步骤5，获取洪水演进过程：
[0087] 通过Realflow粒子流体系统，结合溃坝洪水演进程序DB-IWHR计算的溃坝洪水参数理论计算结果，将3ds max中制作完成的三维真实溃坝模型导入Realflow粒子流体系统中，即可形成对应溃坝理论计算结果的洪水演进过程。
[0088] 土石坝溃坝后，下游溃坝洪水的演进是评价下游风险的另一个主要指标。在形态上，水具有不规则性和动态变化性，如何模拟水流的运动特性是溃坝洪水演进模拟的关键问题。
[0089] RealFlow是一种建立在流体动态计算技术上的物理粒子系统，可以将几何体或场景导入RealFlow来设置流体模拟。Realflow基于光滑粒子动力学方法，通过求解纳维斯托克斯方程组模拟三维液体运动。在模拟和调节完成后，将粒子或网格物体从RealFlow导出到其他主流3D软件中进行照明和渲染。它常用于表现动态、自然波动的水面，如湖泊、水池、海洋等，还能产生海水拍岸溅起海浪水花的效果。
[0090] RealFlow制作思路是通过粒子模拟液体(气体等)的流动与碰撞，运算出正确的运动轨迹，再以质点与质点间产生平滑的多边形网格。Realflow是一个单独的流体模拟软件，为了结合3ds max和Realflow完成溃坝洪水演进的模拟需要首先单独安装Realflow软件。为了使3ds max和Realflow结合起来需要另外安装两者的接口程序Realflow-max，该程序是已有开发的程序，直接使用即可。在安装接口程序过程中需要选择与Realflow对应的3ds max的版本号，否则两个软件无法对接。安装完接口程序之后，在3ds max中会出现RealFlow的工具条，直接可以完成文件的导入和导出操作。
[0091] 在3ds max软件中结合Rayfire等插件平台完成三维真实地形模型及大坝溃决破碎模型之后，将整个模型导入Realflow软件中，使用Realflow粒子流体系统即可完成洪水漫顶溃坝过程和洪水演进的真实模拟。将3ds max的模型导入RealFlow的方法如下：首先将3ds max导入RealFlow中时首先将两个软件的单位统一。3ds max的默认单位为英寸，而RealFlow的默认单位为米。因此首先需要将3ds max的系统单位调整为米。在3ds max完成建模之后，通过3ds max中RealFlow工具栏下的SD file export settings选择要导出的建模对象及导出文件的存储位置，点击export即可完成几何模型的导出。在RealFlow软件中使用import命令，选择3ds max导出的.SD文件即可完成模型的导入。
[0092] RealFlow中溃坝洪水演进模拟方法如下：
[0093] 5.1将3ds max模型导入RealFlow后，根据上游水库河谷形状创建一个标准粒子发射器放置在模型的上游水库边界位置。制作溃坝洪水演进动画之前需要将粒子注满上游水库并设置粒子的初始形态。
[0094] 注满水库前先给粒子发射器任意设置粒子速度和密度，等粒子注满水库后，根据步骤3中溃坝洪峰流量和溃坝洪水过程线的计算结果调整粒子发射器的参数。主要对粒子发射器的密度，稠度，速度，流量进行调整使其与真实的上游洪水入库过程相吻合。此处需要迭代重复调试直到粒子发射器发射的粒子满足实际洪水演进的过程。完成参数设置后在initial state卷展览下，把使用初始形态改为yes，并激活创建初始形态make initial state，以得到粒子的初始形态。
[0095] 5.2完成上述边界条件和初始条件的设置之后，需要给整个粒子场添加一个重力gravity，和一个体积删除场k vomule并将其缩放到与模型大小相匹配，以杀死多余的溢出粒子。
[0096] 5.3基于纳维斯托克斯方程组和动力学原理，采用RealFlow软件进行溃坝动画的正式模拟。模拟完成后即可查看粒子动画效果，在粒子动画效果准确和满足一般规律的情况下，为粒子动画创建标准网格particle meshes(standard)，并对其参数进行设置，其中最关键参数为多边形细分polygon size值，该值越小结算出来的网格越精细。最后进入网格下一层级的粒子系统里面对包裹粒子网格的半径radius进行设置，并对噪波noise设置，让网格看起来不要太平滑。设置的具体参数调试获取，直到达到满意的效果。设置完后点击模拟，即可获得最终溃坝洪水演进网格动画。
[0097] 图5为基于上述方法获得溃坝洪水演进过程示意图，由模拟结果可看出，所得结果较为真实地模拟坝体溃决和水流三维运动形态。
[0098] 完成溃坝洪水演进网格动画之后，通过菜单栏下面的导出菜单export，即可坝整个溃坝洪水演进动画的模型导出为.bin文件，为动画渲染做好准备。
[0099] 步骤6，渲染生成三维真实溃坝洪水演进动画：
[0100] 在RealFlow中完成溃坝洪水演进网格动画制作之后，最终还需要将网格动画和几何模型重新导入3ds max完成最终的溃坝过程和溃坝洪水演进过程渲染和动画制作。具体导入的方法如下：通过3ds max中的RealFlow工具栏下的Create Bin Mesh Object命令，选中RealFlow软件计算结果动画保存文件中Mesh文件夹中的第一帧的.bin文件。通过此方法将在3ds max全部导入RealFlow软件生成的所有关键帧动画。上述操作只完成RealFlow溃坝洪水演进网格动画的导入，还需要将坝体及下游建筑物的几何模型导入。导入基本方法为在3ds max的Import命令中选中RealFlow软件保存文件中Object文件夹中的.SD文件，选择导入即可。完成上述操作后即将溃坝洪水演进网格动画和几何模型全部导入到3ds max软件中。
[0101] 模型导入3ds max之后分别给溃坝洪水、山体模型、大坝模型以及下游各类建筑物模型设置合理的材质，并在整个模型中调整灯光场景，设置摄像头位置和拍摄路径，最终渲染输出结果即可完成溃坝过程和溃坝洪水演进的真实动画。可直接展示溃坝后果，指导溃坝的风险评估和灾害分析。
[0102] 本发明一种基于BIM技术的溃坝洪水演示预警方法，能够仿真模拟大坝溃坝过程和洪水淹没范围，利用动画直观的了解面临溃坝时哪些居民需要撤离、哪些重要建筑物将被淹没。针对获得仿真模拟溃坝后洪水淹没过程，能够为水利工程建设、设计及施工单位提供风险分析及技术评估资料，进而避免人员伤亡，减少财产损失。
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