基于虛擬現(xiàn)實(shí)的建筑火災(zāi)實(shí)踐教學(xué)研究

李莉+王劉兵

【摘要】鑒于火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的不可及性及其破壞性，為了使學(xué)生更直觀地了解火災(zāi)發(fā)展和蔓延過(guò)程，教學(xué)中可借助于虛擬仿真技術(shù)，將不可及的建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)形象直觀地學(xué)習(xí)和了解建筑火災(zāi)發(fā)展蔓延過(guò)程，并將其基本理論和設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到建筑工程的防火設(shè)計(jì)中，對(duì)提高學(xué)生的科研素質(zhì)和科研精神，增強(qiáng)對(duì)消防系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)變學(xué)風(fēng)，提高教學(xué)質(zhì)量有較大的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】火災(zāi) 虛擬仿真 建筑

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）38-0247-02

1.研究背景分析

在當(dāng)前新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中出現(xiàn)的日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢(shì)下，高層建筑和超高層建筑發(fā)展在向空間發(fā)展的同時(shí)，智能建筑、生態(tài)建筑及地下建筑也在不斷的發(fā)展和涌現(xiàn)，技術(shù)的密集型和復(fù)雜性使建筑火災(zāi)的安全性問(wèn)題日益突出?；馂?zāi)的復(fù)雜化和多樣化對(duì)消防安全提出更高和更緊迫的要求，也為消防科學(xué)的發(fā)展提供了動(dòng)力和空間。

為了適應(yīng)當(dāng)前建筑火災(zāi)頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)和建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，消防工程的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合人才培養(yǎng)方案、專(zhuān)業(yè)發(fā)展的形勢(shì)和課程教學(xué)大綱的要求教師進(jìn)行啟發(fā)性地教與激勵(lì)學(xué)生探索性地學(xué)，以達(dá)到普及建筑安全的相關(guān)常識(shí)，使學(xué)生了解火災(zāi)燃燒學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，理解建筑火災(zāi)的發(fā)展和燃燒過(guò)程，并能將相關(guān)理念應(yīng)用于建筑工程的防火設(shè)計(jì)中。更重要的是致力于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)火災(zāi)隱患的分析、對(duì)建筑防火安全性能評(píng)估以及對(duì)典型的建筑防火設(shè)計(jì)方案可行性分析的能力。

2.研究現(xiàn)狀

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)方法教學(xué)過(guò)程主要是任課教師根據(jù)本專(zhuān)業(yè)學(xué)科的課程設(shè)置和教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃，再結(jié)合教學(xué)大綱和課時(shí)設(shè)置的要求，把精心設(shè)計(jì)和組織好的、圖文并茂的課程內(nèi)容以清晰的邏輯和思維通過(guò)課堂講解，將教材中的重點(diǎn)、難點(diǎn)及主要內(nèi)容講授給學(xué)生。但是，傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程缺乏直觀性和生動(dòng)性。學(xué)生不能通過(guò)課堂的教與學(xué)很直觀地了解室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展階段，建筑火災(zāi)場(chǎng)景、火焰和煙氣蔓延的過(guò)程，也不能借助于火災(zāi)煙氣和火焰的蔓延來(lái)分析和解決工程設(shè)計(jì)中的防火分區(qū)及安全疏散等防火設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及理解室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和蔓延與建筑防煙、排煙設(shè)計(jì)之間的關(guān)系問(wèn)題。

其次，理論課程的教學(xué)結(jié)束后，再結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)，布置相應(yīng)的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。但這種模式需要與擔(dān)任建筑防火設(shè)計(jì)的老師之間密切的配合及縝密的教學(xué)安排，在實(shí)際操作和課程銜接中存在一定的困難。

此外，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器進(jìn)行火災(zāi)全尺寸標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法需要花費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)用于模型的建立和測(cè)試樣品的制作，而且火災(zāi)實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試樣品和模型具有很大的破壞性，既不環(huán)保也不節(jié)能，且存在一定的局限性。

通過(guò)以上的分析可知，傳統(tǒng)教學(xué)及傳統(tǒng)教學(xué)與其他教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)方法或多或少存在一定的不足之處。鑒于建筑火災(zāi)對(duì)建筑本身的破壞和財(cái)產(chǎn)的損害，可以借助于虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法進(jìn)行消防工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)。通過(guò)課堂講授再結(jié)合虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)火災(zāi)燃燒的機(jī)理和建筑火災(zāi)蔓延過(guò)程理解，從而將防火設(shè)計(jì)的基本理念應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。

3.虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)，將不可及的建筑火災(zāi)場(chǎng)景虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)形象直觀地展示火災(zāi)的燃燒、發(fā)展和煙氣蔓延過(guò)程，了解和學(xué)習(xí)火災(zāi)燃燒的機(jī)理，掌握建筑防火設(shè)計(jì)的思路和設(shè)計(jì)方式。建筑火災(zāi)過(guò)程屬于不可及實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以充分利用虛擬仿真基本技術(shù)，模擬再現(xiàn)建筑室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展、火災(zāi)燃燒過(guò)程、煙氣蔓延過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬室內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)景的展示，學(xué)生可進(jìn)行自主的互動(dòng)操作。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

實(shí)現(xiàn)火災(zāi)及其撲救的仿真是消防演練應(yīng)用平臺(tái)的核心內(nèi)容，包括火災(zāi)發(fā)展仿真、人員傷害仿真、火災(zāi)撲救仿真，其中火災(zāi)發(fā)展仿真是基礎(chǔ)，是正確實(shí)現(xiàn)人員傷害數(shù)據(jù)和合理的疏散、撲救方法的保證。

能更好的為消防工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)提供必備的實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論、提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，是讓學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)及時(shí)吸收和理解的有效手段，消防虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

消防演練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括四個(gè)方面：

1）驗(yàn)證虛擬世界的正確性。驗(yàn)證由BIM通過(guò)數(shù)據(jù)和模型的轉(zhuǎn)換算法得到的虛擬世界的正確性，數(shù)據(jù)格式需滿(mǎn)足FDS火災(zāi)模擬軟件的要求。

2）驗(yàn)證核心算法的正確性和時(shí)效性。消防虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)是火災(zāi)模型，核心算法就是通過(guò)該模型實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程、人員傷害和疏散撲救的仿真，在虛擬現(xiàn)實(shí)的消防演練中，沉浸感和實(shí)時(shí)性是決定算法是否滿(mǎn)足要求的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

3）分析算法執(zhí)行的有效性。虛擬演練結(jié)果的正確性是核心算法有效性的保證，這里重點(diǎn)通過(guò)人員傷害與撲救效果的分析驗(yàn)證核心算法的有效性。

4）驗(yàn)證體系結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最終要通過(guò)頭盔顯示器、位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等實(shí)現(xiàn)高沉浸感，所以通過(guò)與這些設(shè)備的聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證體系結(jié)構(gòu)對(duì)這些設(shè)備的適應(yīng)性。

5.教學(xué)目標(biāo)

建筑火災(zāi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要滿(mǎn)足消防工程專(zhuān)業(yè)《火災(zāi)動(dòng)力學(xué)》、《火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)》、《火災(zāi)事故調(diào)查》、《建筑防火設(shè)計(jì)原理》、《建筑性能化防火設(shè)計(jì)》課程教學(xué)需要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能與效果主要包括：

（1）室內(nèi)火災(zāi)蔓延過(guò)程自動(dòng)演示。以3D動(dòng)畫(huà)的形式展示建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延過(guò)程，對(duì)其有整體的把握和了解。

（2）室內(nèi)火溫升和能見(jiàn)度變化過(guò)程示意。通過(guò)控制鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等移動(dòng)設(shè)備，對(duì)建筑室內(nèi)火災(zāi)過(guò)程中的煙氣蔓延、能見(jiàn)度、溫升變化等進(jìn)行觀看，詳細(xì)了解建筑火災(zāi)發(fā)展的各個(gè)階段室內(nèi)能見(jiàn)度和溫度場(chǎng)的變化。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟與要求。通過(guò)建筑室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展和煙氣蔓延過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和蔓延過(guò)程及火災(zāi)發(fā)展各階段火場(chǎng)溫度和能見(jiàn)度的變化。

6.結(jié)論

鑒于建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的不可及性及其破壞性，為了使學(xué)生更直觀地了解火災(zāi)發(fā)展和蔓延過(guò)程，教學(xué)中借助于虛擬仿真技術(shù)，將不可及的建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)形象直觀地學(xué)習(xí)和了解建筑火災(zāi)發(fā)展蔓延過(guò)程，并將其基本理論和設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到建筑工程的防火設(shè)計(jì)中。

（1）構(gòu)建一套與消防工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)相聯(lián)系的包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等不同能力層次，與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

（2）適應(yīng)消防工程教育培養(yǎng)人才要求，明確培養(yǎng)目標(biāo)，完善課程設(shè)置，形成消防工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。

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作者簡(jiǎn)介：

李莉（1973-），女，陜西西安人，講師，碩士，就職于西安科技大學(xué)，主要從事建筑防火方面的教學(xué)與研究。endprint