王志偉 馬偉斌 于進(jìn)江 關(guān)根鎖

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.京張城際鐵路有限公司 精品工程辦公室，北京 100071；3.晉豫魯鐵路通道股份有限公司，太原 030045

借助于BIM 技術(shù)，通過創(chuàng)建數(shù)字信息模型對(duì)工程建造運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程進(jìn)行管理與優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)虛擬化建造、可視化管控、協(xié)同化辦公，有利于提升工效，減少失誤，縮短工期。在鐵路站房領(lǐng)域BIM 應(yīng)用逐年增多［1-3］，以京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站為代表的站房BIM 創(chuàng)新實(shí)踐［4］一定程度上代表了該領(lǐng)域的較高水平。

八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站和上海虹橋站［5］、在建北京豐臺(tái)站［6］等大型鐵路站房樞紐，出現(xiàn)緊急事件或火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，大客流、高密度、多交通方式接駁條件下人員快速疏散救援是運(yùn)營(yíng)期面臨的一個(gè)共同難題。當(dāng)前該類站房的疏散救援多為平面化管理，存在成本高、難度大、效率低等問題，由于進(jìn)出站及疏散通道結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，日常演練難以實(shí)現(xiàn)對(duì)逃生路線的快速掌握，尤其災(zāi)害條件或極端事件下短時(shí)間大量人流疏解時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)疏散難度高與成功率低下的情況。如何對(duì)該類項(xiàng)目建設(shè)期BIM 模型進(jìn)行二次開發(fā)，使之應(yīng)用于疏散救援，是一個(gè)值得研究的問題。由于BIM 與GIS（Geographic Information Systems）結(jié)合程度低，BIM中視覺精度低、渲染深度低、沉浸式體驗(yàn)效果差，這方面應(yīng)用一直未有突破性進(jìn)展。

在數(shù)據(jù)智能的基礎(chǔ)上，虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的快速融合可能成為未來三十年重大社會(huì)變革之一［7］。隨著近年來元宇宙概念的普及和VR 技術(shù)的快速發(fā)展，Kinateder、Cosma、王子甲等［8-10］國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將VR技術(shù)與疏散試驗(yàn)結(jié)合。王子甲等依托北京地鐵6 號(hào)線典型車站及隧道工程，開發(fā)了具有豐富交互功能的火災(zāi)疏散演練綜合平臺(tái)，證明了VR 技術(shù)應(yīng)用于此領(lǐng)域的可行性。但前述研究成果的實(shí)現(xiàn)均采用傳統(tǒng)VR通用建模技術(shù)，其制作流程包括了前期設(shè)計(jì)、模型制作、動(dòng)畫制作、交互設(shè)計(jì)、材質(zhì)貼圖、燈光布置等，開發(fā)復(fù)雜，造價(jià)較高。

在此背景下，將BIM 與VR 結(jié)合，利用既有BIM 可省去大量VR 建模工作，立足可視化、協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)BIM 場(chǎng)景漫游與VR 沉浸式體驗(yàn)，不失為節(jié)約造價(jià)、提升體驗(yàn)、輔助培訓(xùn)和提高演練效果的一個(gè)有效方案。

目前，國(guó)內(nèi)外尚無深度融合BIM 與VR 技術(shù)應(yīng)用于大型高速鐵路車站的案例，本文依托京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站，聚焦復(fù)雜BIM 與VR 場(chǎng)景元素的精準(zhǔn)投射與耦合匹配技術(shù)難題，提出BIM 與VR 融合關(guān)鍵技術(shù)，并總結(jié)實(shí)現(xiàn)方法，為該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站設(shè)置于長(zhǎng)12 km 的新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，位于八達(dá)嶺—十三陵風(fēng)景名勝區(qū)核心位置滾天溝停車場(chǎng)下方，車站出口距離八達(dá)嶺長(zhǎng)城索道登城口250 m，距離八達(dá)嶺步道登城口800 m。

車站長(zhǎng)800 m，寬560 m，高34 m 的地下空間布設(shè)78 個(gè)洞室，共88 種斷面、63 處交叉口（圖1）。車站按三層設(shè)計(jì)，地上部分為進(jìn)出站廳、候車廳及部分辦公、設(shè)備用房，建筑面積0.95 萬m2；地下部分總建筑面積5.88 萬m2，其中站臺(tái)、站場(chǎng)、進(jìn)出通道、地下設(shè)備用房建筑面積3.98萬m2，地下救援廊道總長(zhǎng)2 482 m，建筑面積1.90 萬m2。八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站軌面最大埋深102 m，旅客垂直提升高度達(dá)到62 m，兩端過渡段隧道最大開挖跨度32.7 m，最大開挖斷面面積494.4 m2，是世界上最大的地下暗挖高速鐵路車站。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站密集洞室群層疊交錯(cuò)

由于高速鐵路隧道與車站地下接駁，運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間面對(duì)多語種、大人流、多通道、高落差、長(zhǎng)扶梯、多系統(tǒng)等挑戰(zhàn)。

作為鐵路系統(tǒng)首個(gè)全線全專業(yè)大型BIM 技術(shù)應(yīng)用綜合性項(xiàng)目，建設(shè)期以BIM+GIS為核心，按隧道、電氣、給水、暖通、站房結(jié)構(gòu)等專業(yè)進(jìn)行了地下車站智能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了洞室群空間布局與連接優(yōu)化，形成了勘察-設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)營(yíng)-管理可視化、智能化統(tǒng)一管理平臺(tái)，解決了有限空間內(nèi)密集洞室布置的難題。

由于土建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，疏散路徑交叉，運(yùn)營(yíng)期人流量大，加之與旅游景點(diǎn)結(jié)合，奧運(yùn)期間乘客密集，且語言、行為習(xí)慣等多樣化。既有疏散路徑、救援模式和應(yīng)急預(yù)案為平面化管理，現(xiàn)場(chǎng)管理部門、列車司乘人員、乘客對(duì)其熟悉程度較低，會(huì)降低災(zāi)害條件下疏散效率和成功率。因此，提出基于BIM 與VR 場(chǎng)景元素精準(zhǔn)投射與耦合匹配技術(shù)的可視化三維疏散演練系統(tǒng)。

2 BIM 模型與VR 場(chǎng)景元素精準(zhǔn)投射與耦合匹配技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法

2.1 技術(shù)路線

基于BIM 構(gòu)建VR 場(chǎng)景，通過在場(chǎng)景中直接選擇與讀取源BIM 中尺寸、材質(zhì)、功能、WBS 劃分等構(gòu)件屬性信息，并實(shí)現(xiàn)BIM 模型的構(gòu)件顯示切換、間距的測(cè)量與分析，甚至構(gòu)件調(diào)整等操作，可獲得傳統(tǒng)BIM 瀏覽方式前所未有的體驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)路線如圖2所示。綜合對(duì)比分析Autodesk Revit 軟件與各類三維圖形繪制軟件之間數(shù)據(jù)類型的差異，建立可導(dǎo)入模型的合成組合，實(shí)現(xiàn)BIM 格式轉(zhuǎn)化、VR 引擎導(dǎo)入，并采用圖像處理軟件，增強(qiáng)模型渲染效果，實(shí)現(xiàn)模型高精度匹配融合。

圖2 技術(shù)路線

2.2 BIM模型與VR場(chǎng)景結(jié)合方案

實(shí)現(xiàn)該結(jié)合主要有三種方案：①BIM 通過三維圖形繪制軟件與VR 三維全景拍攝軟件結(jié)合。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景切換和特效加載；缺點(diǎn)是人員不能對(duì)場(chǎng)景中物體進(jìn)行操作，缺少交互。②通過虛擬引擎軟件與BIM 結(jié)合。優(yōu)點(diǎn)是BIM 導(dǎo)入工作量小、模型保留度高、展示效果好；缺點(diǎn)是難以對(duì)導(dǎo)入的模型局部范圍進(jìn)行賦值和參數(shù)修改，并且該方案對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求極高。③通過虛擬引擎軟件與三維圖形繪制軟件結(jié)合。具有第二種方案的優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編輯處理，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的切分和規(guī)劃；缺點(diǎn)是模型數(shù)量較多，模型之間的連接容易出現(xiàn)卡頓。

由于京張高速鐵路BIM 是按照設(shè)計(jì)專業(yè)劃分的，如土建結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備屬于不同的模型包，而在VR場(chǎng)景中需要多類型物體交互，涉及結(jié)構(gòu)、設(shè)備等模型的組合展示和操作，因此選用第三種方案。

2.3 BIM與VR場(chǎng)景精準(zhǔn)耦合匹配步驟

1）BIM 組塊的處理。首先針對(duì)材質(zhì)進(jìn)行處理，每個(gè)構(gòu)件以及構(gòu)件的分解單元都含有與現(xiàn)實(shí)相符的材質(zhì)屬性，而幾乎所有的三維效果或?qū)崟r(shí)展示平臺(tái)對(duì)外部模型的識(shí)別讀取都是以材質(zhì)名稱為基礎(chǔ)，因此編輯名稱時(shí)源BIM 中每個(gè)構(gòu)件名稱與現(xiàn)實(shí)材質(zhì)名稱須一一對(duì)應(yīng)；其次針對(duì)模型面數(shù)量進(jìn)行處理，在滿足項(xiàng)目需求的前提下盡量減少曲面構(gòu)件的數(shù)量，模型導(dǎo)出時(shí)在不影響外觀效果和屬性的前提下盡量選擇對(duì)垂直物體進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。

2）BIM 分解與傳遞。首先規(guī)劃六種疏散場(chǎng)景，將BIM 模型分解，進(jìn)行分組和輕量化處理后，由Revit 軟件導(dǎo)出FBX 模型，再將FBX 模型導(dǎo)入三維圖形繪制軟件中，拆分為五大區(qū)域：車廂、站臺(tái)、出站通道、出站大廳和應(yīng)急通道。在BIM 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行重建，重建后的模型分別歸類到五大區(qū)域中，再將這五大區(qū)域的模型拆分成373個(gè)組塊。

3）縱向和橫向（UV）展開與法線方向統(tǒng)一。373個(gè)組塊中，每個(gè)組塊大約由10～30 個(gè)模型單體組成，每個(gè)模型單體再進(jìn)行UV展開和法線方向統(tǒng)一。

4）材質(zhì)制作。將UV展開和分配好材質(zhì)ID的模型導(dǎo)入到虛擬引擎軟件中進(jìn)行材質(zhì)貼圖制作，共制作4 800余個(gè)貼圖。

5）場(chǎng)景烘焙及測(cè)試。將制作好材質(zhì)的模型放入場(chǎng)景中，加入燈光和環(huán)境光，進(jìn)行場(chǎng)景烘焙（圖3）。

圖3 典型站臺(tái)場(chǎng)景烘焙效果

6）互動(dòng)模型制作與VR 體驗(yàn)系統(tǒng)選擇。添加車門、各類開關(guān)、報(bào)警按鈕、滅火器、噴淋裝置、標(biāo)識(shí)語、應(yīng)急電話等設(shè)備設(shè)施的互動(dòng)模型，而后導(dǎo)出至系統(tǒng)平臺(tái)，建立與硬件設(shè)備的接口，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。

3 BIM 與VR 場(chǎng)景元素的精準(zhǔn)投射與耦合匹配關(guān)鍵技術(shù)

疏散演練場(chǎng)景由VR 設(shè)備、VR 場(chǎng)景、VR 交互和通訊接口四部分組成。VR 設(shè)備為應(yīng)急演練人員和虛擬場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)交互；VR 場(chǎng)景為應(yīng)急演練提供可視化、可交互的演練環(huán)境；VR 交互用于實(shí)現(xiàn)角色交互、場(chǎng)景交互和數(shù)據(jù)交互；通訊接口用于與硬件設(shè)備及其他系統(tǒng)（BIM等）進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及呈現(xiàn)。

功能實(shí)現(xiàn)需要軟件與硬件的支撐。軟件組成見表1。硬件主要包括萬向行動(dòng)平臺(tái)、VR 頭部顯示器、操作手柄、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

表1 軟件組成

演練場(chǎng)景須具備一個(gè)成套操作系統(tǒng)的所有要素，包括行人仿真模塊、路徑規(guī)劃模塊、火災(zāi)數(shù)據(jù)模塊和可視化模塊。行人仿真模塊主要負(fù)責(zé)按照路徑規(guī)劃進(jìn)行全局移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中根據(jù)行人仿真模型調(diào)整自身行為；路徑規(guī)劃模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)物理空間場(chǎng)景、立柱及設(shè)備設(shè)施布局信息進(jìn)行虛擬乘客的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃；火災(zāi)數(shù)據(jù)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)場(chǎng)景中火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)；可視化模塊主要負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與可視化展示。

設(shè)計(jì)行人仿真模塊時(shí)，除利用虛擬引擎軟件系統(tǒng)組件之外，還需開發(fā)其他相關(guān)組件。相關(guān)組件及功能見表2。

表2 相關(guān)組件及功能

4 疏散場(chǎng)景開發(fā)及應(yīng)用

以列車在站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)為例進(jìn)行虛擬場(chǎng)景開發(fā)及應(yīng)用。既有平面化疏散指示見圖4。其中白色箭頭為乘客疏散方向，僅標(biāo)示了下車后短距離如何疏散，對(duì)于后續(xù)立體復(fù)雜通道的選擇及疏散路徑并未標(biāo)明。根據(jù)圖4 在虛擬場(chǎng)景內(nèi)規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，如圖5 中紅色箭頭所示。

圖4 平面化疏散指示

圖5 最優(yōu)疏散路徑

采用基于精準(zhǔn)投射與耦合匹配關(guān)鍵技術(shù)所開發(fā)的沉浸式疏散演練場(chǎng)景，對(duì)疏散路徑進(jìn)一步優(yōu)化，撰寫腳本并錄入（圖6），區(qū)分不同階段，畫面與字幕或配音同步跟進(jìn)。

圖6 列車車廂著火疏散場(chǎng)景腳本

車廂著火沉浸式疏散典型場(chǎng)景見圖7?？梢姡号c平面化疏散指示（圖4）相比，沉浸式疏散演練及人員培訓(xùn)更形象真實(shí)。

圖7 車廂著火沉浸式疏散典型場(chǎng)景

所開發(fā)的沉浸式疏散演練場(chǎng)景除了直接輔助疏散救援演練和日常工作培訓(xùn)外，還增加了路徑再現(xiàn)與人員實(shí)時(shí)定位記錄功能，如圖8 所示。試驗(yàn)人員可根據(jù)場(chǎng)景視野里面指引，尋求最優(yōu)路線，在最短時(shí)間內(nèi)疏散至安全地帶。

圖8 路徑再現(xiàn)

5 結(jié)論

1）結(jié)合京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下車站，基于BIM 與VR 技術(shù)解決了沉浸式疏散演練場(chǎng)景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了乘客視角高精度虛擬現(xiàn)實(shí)救援疏散演練。

2）闡述了BIM 與VR 場(chǎng)景元素精準(zhǔn)投射與耦合匹配的實(shí)現(xiàn)方法。將虛擬引擎軟件與三維圖形繪制軟件相結(jié)合，通過BIM 分組整理實(shí)現(xiàn)模型分割匹配，通過UV 展開和法線方向統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)元素匹配，在虛擬引擎軟件中通過材質(zhì)制作與場(chǎng)景烘焙實(shí)現(xiàn)高精度場(chǎng)景渲染，最后進(jìn)行互動(dòng)模型制作，實(shí)現(xiàn)三維沉浸式疏散演練與培訓(xùn)。

3）疏散場(chǎng)景的開發(fā)加入了路徑規(guī)劃和人員實(shí)時(shí)定位紀(jì)錄功能，可用于測(cè)試最優(yōu)路徑能否滿足安全疏散時(shí)間要求，為實(shí)際疏散路徑的規(guī)劃選擇提供參考。

4）利用工程建設(shè)期開發(fā)的BIM，深度開發(fā)BIM +VR 疏散演練系統(tǒng)，不僅可以借支降耗，提質(zhì)增效，而且有利于提高運(yùn)營(yíng)期安全管控水平。