虚拟现实技术的发展使得观察者能够借助计算机模拟增强对危险场景的理解与认识。本文针对火灾场景下的人员疏散，结合虚拟现实与数值模拟开发了原型系统AutoEscape。系统采用FDS对火场的发生发展进行模拟，基于GIS技术设计并实现了疏散计算引擎。在此基础上，构建了虚拟现实表现模块，结合数值模拟结果对场景各要素的分布状况及行为特征进行综合描述。应用实例表明，系统有助于观察者对火场人员疏散形成深入全面的认识，从而为应急疏散演习、消防救援指挥等提供虚拟训练环境。

随着城市建设的发展，工程项目规模的增大也带来管理难度上升的问题。本文综合Revit、ArcGIS、CityGML、数据库及Web等技术，将BIM与GIS数据融合形成城市地理标记语言(City Geography Markup Language，CityGML)数据，完成工程多源数据的数据库设计，设计并开发了结合BIM与GIS的城市工程项目智慧管理系统。该系统实现了工程进度管理、质量管理、工程计量、安全管理，大大简化管理流程，有效提高管理效率和质量，节约管理成本，可解决工程项目在使用传统管理方式时存在的信息沟通不畅、耗时长、效率低下等问题。

近年来我国大型结构抗震弹塑性分析得到了广泛应用, 其中OpenSees作为一款开源有限元程序已逐渐成为最具国际影响力的计算平台之一。但是由于该软件的矩阵求解器效率较低, 难以满足大型结构的计算需求。因此本文以GPU高性能求解为技术手段, 在OpenSees中集成了两个基于迭代法的并行线性求解器, 并通过两个大规模模型验证了基于GPU进行大型结构弹塑性分析的可靠性和高效性(加速比9~15), 为进一步开展基于OpenSees的大型结构地震灾变行为研究提供了高效的计算方法。

建筑火场模拟方面的软件和结构火灾反应模拟方面的软件均可在各自领域实现很好的模拟, 但是在建筑火场和结构火灾反应同步模拟上开发尚不到位。基于Ve g a的建筑火场与结构火灾反应同步模拟在本文开发的虚拟现实系统中得到实现。该系统是基于火场模拟软件F DS和有限元软件的后处理虚拟现实平台, 一方面这两种软件的结果保证了模拟的科学性, 另一方面这两种软件的结果又可以同步的在虚拟现实平台上得以展示。同步模拟的相关控制技术将被介绍, 一个同步模拟的例子也将被展示。该系统提供了建筑火场与结构火灾反应之间的直观联系, 相关技术可用作考虑结构危险程度的建筑火场逃生、扑救等虚拟训练。

CIM是智慧城市和数字孪生城市的重要模型基础，在“新基建”背景下，其重要性愈发突出。本文以国内外研究文献为基础，梳理了CIM的发展过程，总结了CIM的主要研究方向和技术实现平台，并介绍了其典型应用，为开展CIM相关研究提供了重要参考。

数字孪生技术可建立现实对象与数字模型的精确对应关系, 进而开展基于真实数据的仿真, 以指导现实对象改进。以北京科技大学土木楼为例, 开展了基于数字孪生架构的建筑火灾安全评估与改造的研究。首先, 利用建筑信息建模(BIM)、物联网（IoT）和云技术(cloud technology), 并集成了风速、人数等实时感知数据, 建立了土木楼的数字孪生模型; 其次, 利用数字孪生模型, 开展基于实测数据的火灾蔓延与人员疏散模拟, 并与基于传统估计数据的模拟结果进行了比较; 最后, 根据模拟结果, 提出了建筑火灾安全的改进方案, 并评测了改进方案的效果, 为建筑消防安全改造提供了准确依据。结果表明: 数字孪生架构下的火灾安全评估结果更接近实际, 可以指导建筑火灾安全改造。

如今我国BIM行业发展迅速，与人工智能结合应用已成为热门趋势。针对建筑巡检时仪器携带不便，且人工误差难以避免等问题，设计了基于BIM与机器学习的建筑智能巡检眼镜，实现了巡检设备的便携化与自动化。首先基于机器学习对建筑构件图片进行训练，实现构件识别功能；其次通过Dynamo可视化编程快速提取建筑构件信息；最后以树莓派为硬件载体设计建筑智能巡检眼镜，可准确识别建筑构件类型。本文方法可以大幅提升巡检效率，实现BIM技术与人工智能等领域的进一步融合。

当前建筑震害调查以手工作业为主，效率低下。为此，论文开发了一个基于智能手机与Web技术的建筑震害调查系统。该系统由服务器端、手机端和Web端构成：在服务器端，一个面向建筑的数据库被建立，使得建筑成为信息采集和管理基本单元; 在手机端，一个信息采集程序被开发，建立了多媒体数据与建筑的关联; 在Web端，数据被进行智能解析和存储，并在GIS云平台实现可视化。系统在2015年尼泊尔地震我国西藏地区的建筑震害调查中得到了成功应用。

为了科学而逼真地还原桥梁垮塌过程，辅助桥梁垮塌事故鉴定，本文在虚拟现实平台上对基于有限元数据的桥梁垮塌过程场景模拟进行了研究。基于桥梁垮塌过程的有限元模拟数据，本文在三维图形引擎OSG上实现了桥梁场景建模和垮塌动画模拟，并基于桥梁垮塌模型构建了具有一定真实感的场景漫游系统。通过场景模拟与有限元模拟的结果对比，证明了本文基于有限元的桥梁场景建模和垮塌动画控制方法的有效性。本文将有限元技术与虚拟现实技术相结合，为桥梁垮塌事故鉴定提供了科学而真实的虚拟场景。