基于虚拟现实的建筑火灾实践教学研究

2017-10-25李莉王刘兵

课程教育研究 2017年38期

李莉+王刘兵

【摘要】鉴于火灾实验的不可及性及其破坏性，为了使学生更直观地了解火灾发展和蔓延过程，教学中可借助于虚拟仿真技术，将不可及的建筑火灾实验虚拟再现，学生通过该系统形象直观地学习和了解建筑火灾发展蔓延过程，并将其基本理论和设计理念应用到建筑工程的防火设计中，对提高学生的科研素质和科研精神，增强对消防系统的直观认识，对转变学风，提高教學质量有较大的促进作用。

【关键词】火灾虚拟仿真建筑

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）38-0247-02

1.研究背景分析

在当前新型城镇化建设中出现的日益复杂和严峻的火灾形势下，高层建筑和超高层建筑发展在向空间发展的同时，智能建筑、生态建筑及地下建筑也在不断的发展和涌现，技术的密集型和复杂性使建筑火灾的安全性问题日益突出。火灾的复杂化和多样化对消防安全提出更高和更紧迫的要求，也为消防科学的发展提供了动力和空间。

为了适应当前建筑火灾频发的严峻形势和建筑业的可持续发展，消防工程的教学过程中应结合人才培养方案、专业发展的形势和课程教学大纲的要求教师进行启发性地教与激励学生探索性地学，以达到普及建筑安全的相关常识，使学生了解火灾燃烧学的基础知识，理解建筑火灾的发展和燃烧过程，并能将相关理念应用于建筑工程的防火设计中。更重要的是致力于培养学生对火灾隐患的分析、对建筑防火安全性能评估以及对典型的建筑防火设计方案可行性分析的能力。

2.研究现状

首先，传统的教学方法教学过程主要是任课教师根据本专业学科的课程设置和教学培养计划，再结合教学大纲和课时设置的要求，把精心设计和组织好的、图文并茂的课程内容以清晰的逻辑和思维通过课堂讲解，将教材中的重点、难点及主要内容讲授给学生。但是，传统教学过程缺乏直观性和生动性。学生不能通过课堂的教与学很直观地了解室内火灾的发展阶段，建筑火灾场景、火焰和烟气蔓延的过程，也不能借助于火灾烟气和火焰的蔓延来分析和解决工程设计中的防火分区及安全疏散等防火设计问题，以及理解室内火灾发展和蔓延与建筑防烟、排烟设计之间的关系问题。

其次，理论课程的教学结束后，再结合教学内容和课程设计，布置相应的项目进行实践教学。但这种模式需要与担任建筑防火设计的老师之间密切的配合及缜密的教学安排，在实际操作和课程衔接中存在一定的困难。

此外，利用现有实验设备和仪器进行火灾全尺寸标准试验的火灾模拟实验教学，由于标准测试方法需要花费大量的时间和经费用于模型的建立和测试样品的制作，而且火灾实验对测试样品和模型具有很大的破坏性，既不环保也不节能，且存在一定的局限性。

通过以上的分析可知，传统教学及传统教学与其他教学手段相结合的教学方法或多或少存在一定的不足之处。鉴于建筑火灾对建筑本身的破坏和财产的损害，可以借助于虚拟仿真技术实验的教学方法进行消防工程专业的教学。通过课堂讲授再结合虚拟仿真技术实验教学的过程，提高学生对火灾燃烧的机理和建筑火灾蔓延过程理解，从而将防火设计的基本理念应用于工程设计中。

3.虚拟仿真技术实验教学方法

通过先进的信息技术，将不可及的建筑火灾场景虚拟再现，学生通过该系统形象直观地展示火灾的燃烧、发展和烟气蔓延过程，了解和学习火灾燃烧的机理，掌握建筑防火设计的思路和设计方式。建筑火灾过程属于不可及实验，本实验教学系统可以充分利用虚拟仿真基本技术，模拟再现建筑室内火灾的发展、火灾燃烧过程、烟气蔓延过程。同时，通过虚拟仿真技术模拟室内火灾场景的展示，学生可进行自主的互动操作。

4.虚拟仿真实验建设内容

实现火灾及其扑救的仿真是消防演练应用平台的核心内容，包括火灾发展仿真、人员伤害仿真、火灾扑救仿真，其中火灾发展仿真是基础，是正确实现人员伤害数据和合理的疏散、扑救方法的保证。

能更好的为消防工程专业教学提供必备的实验设施设备，让学生掌握实验基础理论、提高学生的实验操作能力、将理论与实践结合起来，是让学生对所学专业知识及时吸收和理解的有效手段，消防虚拟仿真实验室给学生提供了一个很好的平台。

消防演练虚拟现实系统设计目标主要包括四个方面：

1）验证虚拟世界的正确性。验证由BIM通过数据和模型的转换算法得到的虚拟世界的正确性，数据格式需满足FDS火灾模拟软件的要求。

2）验证核心算法的正确性和时效性。消防虚拟现实的基础是火灾模型，核心算法就是通过该模型实现火灾发展过程、人员伤害和疏散扑救的仿真，在虚拟现实的消防演练中，沉浸感和实时性是决定算法是否满足要求的关键技术指标。

3）分析算法执行的有效性。虚拟演练结果的正确性是核心算法有效性的保证，这里重点通过人员伤害与扑救效果的分析验证核心算法的有效性。

4）验证体系结构的适应性。虚拟现实系统最终要通过头盔显示器、位置跟踪器和数据手套等实现高沉浸感，所以通过与这些设备的联机实验，验证体系结构对这些设备的适应性。

5.教学目标

建筑火灾虚拟仿真实验室主要满足消防工程专业《火灾动力学》、《火灾监控技术》、《火灾事故调查》、《建筑防火设计原理》、《建筑性能化防火设计》课程教学需要。实验教学系统功能与效果主要包括：

（1）室内火灾蔓延过程自动演示。以3D动画的形式展示建筑室内火灾发展和烟气蔓延过程，对其有整体的把握和了解。

（2）室内火温升和能见度变化过程示意。通过控制鼠标、键盘等移动设备，对建筑室内火灾过程中的烟气蔓延、能见度、温升变化等进行观看，详细了解建筑火灾发展的各个阶段室内能见度和温度场的变化。