清华大学工学硕士学位论文

题目：基于GPU-CPU协同计算的城市区域建筑震害预测

姓名：韩博
指导教师：陆新征
2014年

摘要：进入21世纪以来，世界范围内地震频发，我国地震灾害也非常严重。为了减少地震灾害带来的人员伤亡和财产损失，除了提升建筑的抗震设防要求以外，对城市区域现有建筑的震害预测也非常重要。传统城市区域震害预测方法基于单自由度模型和静力分析，无法考虑高阶振型和地震动的全属性。近年来，越来越多的研究开始采用基于精细模型和非线性时程分析的区域震害预测方法，但其计算能力需求巨大，难以推广。
本研究基于GPU/CPU协同计算技术，提出了基于不同精细程度模型和非线性时程分析的城市区域震害模拟方法。针对城市区域中的一般建筑和重要建筑，本研究分别提出了模型建立、高效震害计算和后处理展示三方面的解决方案，成果如下：
(1) 针对城市区域中大量一般建筑，提出了适用于区域震害模拟的剪切层模型。实例分析中证明了该模型可以考虑高阶振型和地震动速度脉冲的影响，并且可以确定结构破坏的具体楼层位置。
(2) 提出了基于HAZUS数据库的剪切层模型参数确定方法，能够根据建筑的宏观参数（层数、结构类型、建造年代等）快速确定其模型参数，实现从GIS数据库快速提取计算模型参数，为震害模拟提供数据保障。
(3) 提出了基于GPU/CPU协同并行技术的城市区域一般建筑震害预测方法和程序架构，并据此编写了计算程序，在同等价位的测试平台上，其计算效率可以达到传统CPU方法的39倍；采用单精度计算，并设置计算块大小为32，可以在满足区域震害计算精度的前提下，获得最高的计算效率。
(4) 针对城市中个别重要建筑，提出采用OpenSees开源有限元软件进行震害模拟，并编写了SAP2000到OpenSees模型转换程序，和OpenSees的GPU加速求解器，实现OpenSees快速建模，并使得OpenSees计算大型模型效率提升9~15倍。
(5) 基于OSG开源图形引擎，分别为区域一般建筑和重要建筑的震害模拟编写了后处理展示程序，实现了地震响应时程动画、位移云图、人机交互等功能，大幅提高了区域震害结果的可读性。

关键词：城市区域震害预测；GPU；高性能计算；OpenSees；虚拟现实技术