李莉+王劉兵

【摘要】鑒于火災(zāi)實驗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)實驗虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過該系統(tǒng)形象直觀地學(xué)習(xí)和了解建筑火災(zāi)發(fā)展蔓延過程，并將其基本理論和設(shè)計理念應(yīng)用到建筑工程的防火設(shè)計中，對提高學(xué)生的科研素質(zhì)和科研精神，增強對消防系統(tǒng)的直觀認(rèn)識，對轉(zhuǎn)變學(xué)風(fēng)，提高教學(xué)質(zhì)量有較大的促進作用。

【關(guān)鍵詞】火災(zāi) 虛擬仿真 建筑

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】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)形勢下，高層建筑和超高層建筑發(fā)展在向空間發(fā)展的同時，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)的安全性問題日益突出?；馂?zāi)的復(fù)雜化和多樣化對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)峻形勢和建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，消防工程的教學(xué)過程中應(yīng)結(jié)合人才培養(yǎng)方案、專業(yè)發(fā)展的形勢和課程教學(xué)大綱的要求教師進行啟發(fā)性地教與激勵學(xué)生探索性地學(xué)，以達(dá)到普及建筑安全的相關(guān)常識，使學(xué)生了解火災(zāi)燃燒學(xué)的基礎(chǔ)知識，理解建筑火災(zāi)的發(fā)展和燃燒過程，并能將相關(guān)理念應(yīng)用于建筑工程的防火設(shè)計中。更重要的是致力于培養(yǎng)學(xué)生對火災(zāi)隱患的分析、對建筑防火安全性能評估以及對典型的建筑防火設(shè)計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)過程主要是任課教師根據(jù)本專業(yè)學(xué)科的課程設(shè)置和教學(xué)培養(yǎng)計劃，再結(jié)合教學(xué)大綱和課時設(shè)置的要求，把精心設(shè)計和組織好的、圖文并茂的課程內(nèi)容以清晰的邏輯和思維通過課堂講解，將教材中的重點、難點及主要內(nèi)容講授給學(xué)生。但是，傳統(tǒng)教學(xué)過程缺乏直觀性和生動性。學(xué)生不能通過課堂的教與學(xué)很直觀地了解室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展階段，建筑火災(zāi)場景、火焰和煙氣蔓延的過程，也不能借助于火災(zāi)煙氣和火焰的蔓延來分析和解決工程設(shè)計中的防火分區(qū)及安全疏散等防火設(shè)計問題，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)計之間的關(guān)系問題。

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，布置相應(yīng)的項目進行實踐教學(xué)。但這種模式需要與擔(dān)任建筑防火設(shè)計的老師之間密切的配合及縝密的教學(xué)安排，在實際操作和課程銜接中存在一定的困難。

此外，利用現(xiàn)有實驗設(shè)備和儀器進行火災(zāi)全尺寸標(biāo)準(zhǔn)試驗的火災(zāi)模擬實驗教學(xué)，由于標(biāo)準(zhǔn)測試方法需要花費大量的時間和經(jīng)費用于模型的建立和測試樣品的制作，而且火災(zāi)實驗對測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)對建筑本身的破壞和財產(chǎn)的損害，可以借助于虛擬仿真技術(shù)實驗的教學(xué)方法進行消防工程專業(yè)的教學(xué)。通過課堂講授再結(jié)合虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)的過程，提高學(xué)生對火災(zāi)燃燒的機理和建筑火災(zāi)蔓延過程理解，從而將防火設(shè)計的基本理念應(yīng)用于工程設(shè)計中。

3.虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)方法

通過先進的信息技術(shù)，將不可及的建筑火災(zāi)場景虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過該系統(tǒng)形象直觀地展示火災(zāi)的燃燒、發(fā)展和煙氣蔓延過程，了解和學(xué)習(xí)火災(zāi)燃燒的機理，掌握建筑防火設(shè)計的思路和設(shè)計方式。建筑火災(zāi)過程屬于不可及實驗，本實驗教學(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)燃燒過程、煙氣蔓延過程。同時，通過虛擬仿真技術(shù)模擬室內(nèi)火災(zāi)場景的展示，學(xué)生可進行自主的互動操作。

4.虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容

實現(xiàn)火災(zāi)及其撲救的仿真是消防演練應(yīng)用平臺的核心內(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業(yè)教學(xué)提供必備的實驗設(shè)施設(shè)備，讓學(xué)生掌握實驗基礎(chǔ)理論、提高學(xué)生的實驗操作能力、將理論與實踐結(jié)合起來，是讓學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識及時吸收和理解的有效手段，消防虛擬仿真實驗室給學(xué)生提供了一個很好的平臺。

消防演練虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)主要包括四個方面：

1）驗證虛擬世界的正確性。驗證由BIM通過數(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)格式需滿足FDS火災(zāi)模擬軟件的要求。

2）驗證核心算法的正確性和時效性。消防虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)是火災(zāi)模型，核心算法就是通過該模型實現(xiàn)火災(zāi)發(fā)展過程、人員傷害和疏散撲救的仿真，在虛擬現(xiàn)實的消防演練中，沉浸感和實時性是決定算法是否滿足要求的關(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，這里重點通過人員傷害與撲救效果的分析驗證核心算法的有效性。

4）驗證體系結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最終要通過頭盔顯示器、位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等實現(xiàn)高沉浸感，所以通過與這些設(shè)備的聯(lián)機實驗，驗證體系結(jié)構(gòu)對這些設(shè)備的適應(yīng)性。

5.教學(xué)目標(biāo)

建筑火災(zāi)虛擬仿真實驗室主要滿足消防工程專業(yè)《火災(zāi)動力學(xué)》、《火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)》、《火災(zāi)事故調(diào)查》、《建筑防火設(shè)計原理》、《建筑性能化防火設(shè)計》課程教學(xué)需要。實驗教學(xué)系統(tǒng)功能與效果主要包括：

（1）室內(nèi)火災(zāi)蔓延過程自動演示。以3D動畫的形式展示建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延過程，對其有整體的把握和了解。

（2）室內(nèi)火溫升和能見度變化過程示意。通過控制鼠標(biāo)、鍵盤等移動設(shè)備，對建筑室內(nèi)火災(zāi)過程中的煙氣蔓延、能見度、溫升變化等進行觀看，詳細(xì)了解建筑火災(zāi)發(fā)展的各個階段室內(nèi)能見度和溫度場的變化。

（3）實驗步驟與要求。通過建筑室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展和煙氣蔓延過程虛擬仿真實驗，使學(xué)生了解建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和蔓延過程及火災(zāi)發(fā)展各階段火場溫度和能見度的變化。

6.結(jié)論

鑒于建筑火災(zāi)實驗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)實驗虛擬再現(xiàn)，學(xué)生通過該系統(tǒng)形象直觀地學(xué)習(xí)和了解建筑火災(zāi)發(fā)展蔓延過程，并將其基本理論和設(shè)計理念應(yīng)用到建筑工程的防火設(shè)計中。

（1）構(gòu)建一套與消防工程專業(yè)特點相聯(lián)系的包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、設(shè)計實驗等不同能力層次，與理論教學(xué)有機結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(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，形成消防工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。

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作者簡介：

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