基于BIM模型的地鐵車站三維客流仿真路線研究

譚子龍

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

發展城市軌道交通是解決城市化進程中交通問題的重要手段，車站建筑作為城市軌道交通和乘客的直接紐帶，設計合理、安全、舒適性很重要，特別是大型樞紐車站和換乘站，行人動線組織和通行設施布置直接影響空間設計的適應性。

計算機行人仿真模擬技術對指導地鐵車站平面布局、優化行人流線具有重要意義［1］。經過近年發展，行人仿真軟件市場涌現出Bentley Legion、Vissim、SimWalk以及AnyLogic等適用性和交互性良好的產品［2］。在仿真軟件發展的前、中期，模擬方式主要是基于既有二維矢量圖形（如CAD、DNG），結合元胞自動機或社會力模型進行解算，通過平面二維模擬結果對設計進行指導。李慧［3］在Anylogic平臺上對地鐵車站火災工況下的行人疏散進行模擬，分析出車站通行設施及布局在火災時的瓶頸問題，通過對比分析得到優化方案；朱昌穩［4］利用Matlab編制二維行人仿真程序，分析地鐵車站行人在選擇樓扶梯時的行為特點，以及行人在各個通行設施中的行為模式，以此來指導設施布局及流線設計。

二維仿真模擬輸出結果主要為行人流線的二維簡化動畫、密度熱力圖等，其優勢是建模簡單、模擬時間較短，但由于其表達較為抽象，對人的行為進行簡化，導致仿真結果與實際情況有差別。鑒于二維仿真的劣勢，部分研究者開始利用三維模型開展三維仿真研究，曹昌衡等［5］在VISWALK中建立三維地鐵車站模型，并基于三維仿真結果對存在安全隱患的地方進行優化；崔春升［6］基于Direct3D及3ds Max開發出三維行人仿真模擬程序，提高仿真模擬的精度和表現能力。隨著近年來BIM技術的興起和廣泛應用，三維模型數字化交付成為必然趨勢［7］，如何利用既有BIM模型進行三維空間行人仿真而不需要重新手動建模，成為行人仿真技術發展的新方向。

1 BIM技術與行人仿真技術結合

BIM技術為行人仿真模擬提供客流數據信息和三維仿真模型兩方面數據。在基于二維CAD圖形模擬過程中，客流數據和模型之間需要進行綁定、關聯才能為仿真提供完整的數據模型，常用方式為人工手動輸入表格，再導入仿真軟件與模型關聯。而基于BIM模型，通過二次開發方式，在方案設計過程中把影響設計結果的客流數據、車站基本參數（有效站臺面積、列車編組、行車對數等）進行輸入，和BIM模型綁定開發一次性輸出仿真所需的數據表格（行人特性、OD矩陣等）。另外，BIM模型為行人仿真提供真實的三維空間模型，基于此模型開展三維仿真模擬，解決常規二維模擬無法直觀考量客流組織在三維空間中的變化情況，通過三維空間對行人行走路徑和行走空間作出直觀評價，對設計方案作出預測，進而優化設計方案。

BIM技術與行人仿真技術結合的優勢如下：

（1）可視化。常規行人仿真針對二維圖形，結合BIM三維模型可以使模擬過程通過三維實體化方式進行呈現。對空間特別復雜的項目，基于BIM模型三維仿真模擬可直觀進行三維空間體驗，提高決策效率。

（2）設計協調。各專業信息可直接反映在三維仿真過程中，如閘機、樓扶梯、電梯、安檢機、售票機、屏蔽門等，對行人通過時造成障礙的設施設備進行直觀檢查、更正。

（3）量化輸出。可提供2D圖表量化數據以及3D行人動態模擬過程，還可提供附加時間數據的4D模型切片分析。

（4）方案優化。BIM技術結合行人仿真技術不僅可直觀指導方案設計，更能量化評價指標，對設計更正提供數據支撐。BIM模型具有記錄信息能力，行人仿真信息也可作為信息流記錄在模型內部，為設計優化提供基礎數據庫。

對目前常用仿真軟件進行仿真性能、BIM接口、二次開發能力等方面分析，選取Bentley Legion、PTV VISSIM、SimWalk以及AnyLogic進行比較，具體性能參數對比見表1。

在三維仿真模擬方面，BentleyLegion和SimWalk沒有三維建模功能模塊，能夠兼容.3ds、.skp、.dwg等三維格式文件；VISSIM和AnyLogic具有三維建模功能，但不支持第三方模型文件輸入。在模擬速度、數據輸出、交互特性、領域針對性等方面各軟件表現不盡相同。綜合來看，Bentley Legion在城市軌道交通領域適用性更高［8］，因此選取BentleyLegion結合AutodeskRevit作為基礎軟件進行研究。

2 實現方法

基于BIM模型的三維客流仿真技術路線見圖1，主要包含客流靜態數據分析計算、模型數據導出和模型數據關聯3個步驟。

圖1 基于BIM模型的三維客流仿真技術路線

2.1 靜態數據分析計算

2.1.1 數據輸入

靜態數據分析計算是進行三維客流仿真前的數據分析和判斷步驟，可以為三維客流仿真提供基礎客流數據，同時對設計方案的合理性作出初步評價。靜態數據輸入包括客流數據和車站基本參數。靜態數據分析計算模塊見圖2，客流數據輸入窗口見圖3。

圖2 靜態數據分析計算模塊

圖3 客流數據輸入窗口

（1）客流數據。預測客流（初/近/遠期）、分向客流（比例）、行人性別比例、攜包比例、購票比例、行人步行速度［9］。

（2）車站基本參數。樓扶梯數量、閘機數量、安檢機數量、售票設施數量、列車編組、有效站臺面積。

2.1.2 數據分析

（1）空間適應性分析。適應性指標體系包括宏觀、局部、適應性指標3部分。其中宏觀指標包括平均行走或換乘時間、人均占地面積、付費區空間占用率；局部指標包括路徑通行能力、平均行走或換乘距離、平均行走速度、站臺承載能力、人流交叉點數量、付費區人均面積；適應性指標包括站臺平均等待時間、設施利用飽和度、設施利用均衡度。車站空間適應性評價指標體系輸入計算界面見圖4。

圖4 車站空間適應性評價指標體系輸入計算界面

適應性評價指標通過讀取客流基礎、靜態評價、動態仿真數據進行綜合評價。車站基礎數據如站臺有效面積、樓扶梯數量、閘機數量、安檢機數量、售票機數量等直接從BIM模型中進行自動讀取。客流基礎數據在設計過程中錄入，靜態評價數據根據靜態評價分析得到，動態仿真數據如換乘時間、換乘距離、行人密度等根據仿真模擬輸出得到。

（2）靜態數據分析。靜態數據分析指在不進行動態仿真模擬情況下，基于數值進行快速估算，對換乘方案進行快速評價，也是進行三維仿真模擬的預判條件，即靜態數據分析不滿足需求時通過仿真模擬結果輔助優化設計方案。

靜態數據分析評價指標包括設施能力適應性、短時沖擊性、換乘便捷性、運能匹配性等方面，具體內容見表2、輸入計算界面見圖5。

2.2 模型數據導出

2.2.1 仿真模型生成

仿真通常基于既有BIM模型開展，但特殊原因沒有BIM模型或模型嚴重不滿足仿真要求時，可根據仿真要求快速建立簡單的三維模型。通過將CAD圖形導入Revit，利用仿真模型生成模塊識別圖形中的圖層信息，如墻、板、柱等，自動批量建立模擬所需的三維模型，仿真模型快速建模界面見圖6、快速生成模型見圖7。

表2 靜態數據分析評價指標

圖5 靜態數據輸入計算界面

圖6 仿真模型快速建模界面

圖7 仿真模型快速生成

2.2.2 仿真模型簡化

BIM模型因精度不同，文件體積、構件數量差距很大。對于滿足施工圖精度的BIM模型（LOD300），大量構件數據是仿真模擬軟件不能承受的，如果不進行簡化和清理，會大大降低仿真模擬效率。根據Revit建模邏輯，可利用“工作集”和“過濾器”對模型構件進行分類管理，并快速選擇仿真所需構件導出。

仿真所需模型是對行人行進造成阻礙的物體和設施，在Revit中按構件進行分類篩選，如墻、板、柱、欄桿、樓扶梯、屏蔽門、閘機、安檢機等。在Revit導出視圖中利用仿真模型簡化工具，將不需要的構件進行隱藏，然后再通過仿真模型輸出工具進行模型輸出，仿真模型簡化操作界面見圖8。

圖8 仿真模型簡化操作界面

2.2.3 仿真模型輸出

仿真模型輸出需要基于Revit和Legion共有的接口文件格式，目前Legion只能兼容.3ds和.skp共2種三維模型格式，而Revit不能直接提供這2個文件格式直接輸出，需要針對BentleyLegion所接受的文件格式進行Revit開發。

Skp格式是Sketchup軟件的原生格式文件，起銜接2款軟件的作用，但由于Revit基于ASCII編碼實體網格，Sketchup基于幾何三角網格，Revit復雜模型導入Sketchup會出現構件混亂問題，因此需要按照圖層歸類原則進行分項導出，盡可能減少模型間關聯，Revit與Sketchup連接、BIM模型輸出流程見圖9、圖10。

圖9 Revit與Sketchup連接流程

2.3 模型數據關聯

2.3.1 二維數據關聯

Bentley Legion包含二維、三維仿真模塊2個部分，二維仿真模塊可為三維仿真模塊提供行人流線的映射關系，進行二維數據關聯是三維仿真的前置條件。通過Revit二維視圖導出.dwg格式圖形，在圖紙集中設置好圖層關系，將輔助線、參考線以及需要參與模擬的線分為不同圖層。

Bentley Legion二維模塊中沒有樓層概念，其識別樓層是根據封閉區域以及樓扶梯的方向自動確定；由于所有CAD軟件均有誤差設置，因此圖形應盡量靠近坐標原點，對于Revit需將項目基點和測量點都放置在原點位置，否則會出現視覺上不必要的錯誤。在Bent?ley Legion中導入二維圖形，將客流數據模板文件與二維圖形進行關聯，即二維數據關聯（見圖11），并設置行人流線數據。

圖10 BIM模型輸出流程

2.3.2 三維數據關聯

經簡化后的三維模型無需包含自動扶梯，在Bentley Legion中提供自動扶梯模型，可依據Bentley Legion中二維模型自動布置，在Bentley Legion中建立二維仿真模型（見圖12）。二維模型的作用是建立初始客流、確定客流起點和終點、列車發車頻次以及設定通行設施參數（閘機、樓扶梯等）。二維模型中客流行進路線拓撲關系可以直接映射到三維模型中，因此建立正確的二維模型是利用BIM模型進行三維仿真模擬的重要環節。

圖12 某交通樞紐二維仿真模型

三維、二維模型關聯步驟見圖13，首先使用Import Scene（導入場景模型）將.skp模型文件導入Bentley Legion，然后使用Import Data Source（導入數據源）將二維模塊Legion導出的.ora格式文件載入Legion，從而完成三維、二維模型數據綁定。

圖13 三維、二維模型關聯步驟

2.3.3 三維仿真結果輸出

完成三維、二維模型數據綁定后，需在Legion中對模型進行相應設置，包括以下內容：

（1）圖層屬性設置。Legion 3D完全兼容Sketchup圖層，Legion 3D中圖層管理設置見圖14，圖層管理器包括Visible（可見性）、Floor Detection（樓層檢測）、Colour（圖層顏色）3個選項設置，將樓板之外圖層取消后選樓層檢測，根據需要控制模型構件的可見性。

圖14 Legion 3D圖層管理設置

（2）樓層管理設置。Legion樓層管理（見圖15）包括樓層標高設置和樓扶梯頂端、底端設置。如果場景包含2個或多個樓層，則需要手動將這些樓層添加到項目中并分配相關的空間對象。例如，如果有1個入口“En01”，需要將其與當前入口所在樓層進行關聯。此外，任何連接樓層的垂直通行設施（自動扶梯或樓梯）都需要與所在樓層關聯，方法是在樓層管理窗口中將左邊對話框中的對象（樓扶梯）添加到當前所選樓層中（右側對話框）。對于樓扶梯頂端、底端設置需要注意：如果有1部扶梯名為“Escalator01”，Legion 3D會自動將其拆分為“Escalator01（Top）”和“Escalator01（Bottom）”，分別代表扶梯頂端和底端，然后將扶梯頂端和底端分別添加到其所屬樓層。

圖15 Legion樓層管理

（3）乘客類型設置。在乘客類型對話框中可選擇三維展示乘客外觀和類型，若希望乘客顏色能反映不同起點和目的地，可在二維模型中設置乘客外觀顏色后映射到三維模擬中。

（4）相機設置。對同一仿真模型，可在時間軸上設置不同相機用于不同區域模擬過程展示。Legion 3D中相機分靜態、追蹤相機，靜態相機對靜態場景展示，相機方向和位置不會改變，追蹤相機以某個行人或乘客為主體進行路徑追蹤，其相機視野以目標對象為中心，可以調整視距和視高。

數據關聯完畢后進行三維仿真結果輸出，對站點平面布局、設施能力、動線安排、緊急疏散等進行評價與優化。將整個車站作為完整動態系統進行分析和考量，尋找其中可能的短板和瓶頸并提出改善意見，并對未來運行狀況進行定性、定量判斷。

3 案例研究

根據上述路線和方法，對某軌道交通樞紐進行基于BIM模型的三維客流仿真模擬研究：樞紐為3線換乘車站，同時兼有過街客流和商業客流，高峰時段軌道交通客流達88 000人/h，過街和商業客流達23 000人/h，其中1條線路（2號線）客流情況見表3。

表3 2號線客流數據 人

將車站基本數據錄入后輸入模塊，利用靜態數據分析模塊對車站性能進行初步評價，靜態評價結果見圖16，根據評價結果顯示11號線站臺上行扶梯飽和度大于0.8，預計上行扶梯口部將會出現持續排隊現象，利用動態仿真分析擁堵情況并提出改進建議。

圖16 靜態評價結果

3.1 仿真參數設置

仿真基礎參數設置包括各通行設施通過能力（安檢機、閘機、自動扶梯）、列車發車間隔、乘客步行速度等［10］，具體取值見表4、表5。

表4 仿真基礎參數取值 人/h

在預測客流資料基礎上梳理出各條線路進出站客流、換乘客流以及各出入口之間的過街客流，再按照分向客流比例分配給各個出入口，形成完整的模擬用客流需求矩陣（見圖17）。

表5 乘客步行速度

圖17 客流需求矩陣

3.2 客流模擬

將BIM模型通過仿真模型簡化模塊進行清理，清理后由仿真模型輸出模塊進行輸出，輸出格式為.skp，得到的仿真簡化模型見圖18。將.skp文件導入Legion中進行數據綁定和關聯，結合二維數據模型進行三維動態仿真，仿真過程見圖19。

圖18 仿真簡化模型

圖19 三維動態仿真過程

地下1層及其夾層的換乘大廳三維客流分布仿真過程見圖20，與之對應的客流密度熱力圖見圖21。熱力圖采用顏色標識區分不同區域的行人密度，密度等級分A—F 6個級別，分別對應藍、青、綠、黃、橙、紅，服務水平由A—F依次遞減。通過熱力圖和三維客流分布仿真過程對照判斷，地下1層及其夾層內行人密度均處于舒適范圍，各設施通行能力良好，沒有出現異常擁堵現象。

圖20 換乘大廳三維客流分布仿真過程

圖21 換乘大廳客流密度熱力圖

地下3層11號線站臺層客流模擬見圖22。利用三維仿真動態觀察及客流密度熱力圖可知，在地下3層站臺層中部2組扶梯前出現持續排隊現象，且排隊客流在發車間隔內不能完全疏散，將會導致部分乘客滯留站臺造成擁堵，如圖22中紅圈所示。

3.3 疏散模擬

疏散仿真模擬在客流仿真基礎模型上進行［11］，依照GB 50157—2013《地鐵設計規范》、GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》及GB 51298—2018《地鐵設計防火標準》相關規定，制定如下規范：

圖22 11號線站臺層客流模擬

（1）緊急工況下乘客從站臺全部撤離時間小于4 min，全部疏散至站廳公共區時間小于6 min（其中假設1 min為反應時間）；

（2）供人員疏散使用的樓梯及自動扶梯，其疏散能力均按正常情況下的90%計算；

（3）上行自動扶梯通行能力：120×0.9=108人/min；下行自動扶梯通行能力：全部停用，且不當樓梯使用；樓梯通行能力（單向上行）：62×0.9≈56人/min/m；

（4）考慮1部扶梯壞掉的情況，參與疏散的扶梯臺數為N-1；

（5）模型假設：緊急疏散發生時間為站臺密度最大時刻（根據基本模型輸出得到）。

疏散仿真模擬過程見圖23，與客流模擬相似，基于Revit模型導出.skp文件，導入Legion中進行數據關聯和綁定。根據客流模擬得出的各層瞬時客流來設定緊急情況下換乘樞紐內的瞬時客流。結合疏散時間熱力圖和三維仿真過程可以看出，客流從2線站臺到達下一個疏散層的時間均在1.6 min以內（發車間隔為2 min），結合地下1層疏散模擬結果可知，乘客從站臺疏散至各個出入口的總時長不超過6 min，滿足規范要求。

圖23 疏散仿真模擬過程

4 結束語

BIM技術全面推廣應用是行業發展必然趨勢，二維圖形行人仿真必將轉換到三維空間進行。探討利用BIM模型進行三維行人仿真的技術路線和實現方法；根據技術路線實現過程中的需求開發相應的功能插件；對設計方案進行輔助評價、對仿真模型進行快速簡化；實現Revit導出Legion文件的接口功能；為城市軌道交通地下區間設計提供技術支撐。

行人仿真技術應用前景廣闊，初步探索基于BIM模型的行人三維仿真技術，結合模擬過程、數據能夠為項目設計與實施提供較大的參考價值。隨著科技發展，BIM、行人仿真技術將會與VR、AR、大數據、人工智能等技術進行更緊密地結合，為城市軌道交通行人流線設計、乘客服務水平提供更直觀、精準的分析。