基于BIM+VR的沉浸式地下高速鐵路車站疏散演練場景構建關鍵技術

2022-02-07 03:57:10王志偉馬偉斌于進江關根鎖

鐵道建筑 2022年12期

王志偉馬偉斌于進江關根鎖

1.中國鐵道科學研究院集團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，通過創建數字信息模型對工程建造運營維護全過程進行管理與優化，可實現虛擬化建造、可視化管控、協同化辦公，有利于提升工效，減少失誤，縮短工期。在鐵路站房領域BIM 應用逐年增多［1-3］，以京張高速鐵路八達嶺長城地下車站為代表的站房BIM 創新實踐［4］一定程度上代表了該領域的較高水平。

八達嶺長城地下車站和上海虹橋站［5］、在建北京豐臺站［6］等大型鐵路站房樞紐，出現緊急事件或火災等災害時，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營期面臨的一個共同難題。當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，由于進出站及疏散通道結構異常復雜，日常演練難以實現對逃生路線的快速掌握，尤其災害條件或極端事件下短時間大量人流疏解時，可能會出現疏散難度高與成功率低下的情況。如何對該類項目建設期BIM 模型進行二次開發，使之應用于疏散救援，是一個值得研究的問題。由于BIM 與GIS（Geographic Information Systems）結合程度低，BIM中視覺精度低、渲染深度低、沉浸式體驗效果差，這方面應用一直未有突破性進展。

在數據智能的基礎上，虛擬世界與現實世界的快速融合可能成為未來三十年重大社會變革之一［7］。隨著近年來元宇宙概念的普及和VR 技術的快速發展，Kinateder、Cosma、王子甲等［8-10］國內外學者嘗試將VR技術與疏散試驗結合。王子甲等依托北京地鐵6 號線典型車站及隧道工程，開發了具有豐富交互功能的火災疏散演練綜合平臺，證明了VR 技術應用于此領域的可行性。但前述研究成果的實現均采用傳統VR通用建模技術，其制作流程包括了前期設計、模型制作、動畫制作、交互設計、材質貼圖、燈光布置等，開發復雜，造價較高。

在此背景下，將BIM 與VR 結合，利用既有BIM 可省去大量VR 建模工作，立足可視化、協調性，實現BIM 場景漫游與VR 沉浸式體驗，不失為節約造價、提升體驗、輔助培訓和提高演練效果的一個有效方案。

目前，國內外尚無深度融合BIM 與VR 技術應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嶺長城地下車站，聚焦復雜BIM 與VR 場景元素的精準投射與耦合匹配技術難題，提出BIM 與VR 融合關鍵技術，并總結實現方法，為該項技術的推廣應用提供參考。

1 工程概況

京張高速鐵路八達嶺長城地下車站設置于長12 km 的新八達嶺隧道內，位于八達嶺—十三陵風景名勝區核心位置滾天溝停車場下方，車站出口距離八達嶺長城索道登城口250 m，距離八達嶺步道登城口800 m。

車站長800 m，寬560 m，高34 m 的地下空間布設78 個洞室，共88 種斷面、63 處交叉口（圖1）。車站按三層設計，地上部分為進出站廳、候車廳及部分辦公、設備用房，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、站場、進出通道、地下設備用房建筑面積3.98萬m2，地下救援廊道總長2 482 m，建筑面積1.90 萬m2。八達嶺長城地下車站軌面最大埋深102 m，旅客垂直提升高度達到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 八達嶺長城地下車站密集洞室群層疊交錯

由于高速鐵路隧道與車站地下接駁，運營維護期間面對多語種、大人流、多通道、高落差、長扶梯、多系統等挑戰。

作為鐵路系統首個全線全專業大型BIM 技術應用綜合性項目，建設期以BIM+GIS為核心，按隧道、電氣、給水、暖通、站房結構等專業進行了地下車站智能設計，實現了洞室群空間布局與連接優化，形成了勘察-設計-施工-運營-管理可視化、智能化統一管理平臺，解決了有限空間內密集洞室布置的難題。

由于土建結構復雜，疏散路徑交叉，運營期人流量大，加之與旅游景點結合，奧運期間乘客密集，且語言、行為習慣等多樣化。既有疏散路徑、救援模式和應急預案為平面化管理，現場管理部門、列車司乘人員、乘客對其熟悉程度較低，會降低災害條件下疏散效率和成功率。因此，提出基于BIM 與VR 場景元素精準投射與耦合匹配技術的可視化三維疏散演練系統。

2 BIM 模型與VR 場景元素精準投射與耦合匹配技術路線和實現方法

2.1 技術路線

基于BIM 構建VR 場景，通過在場景中直接選擇與讀取源BIM 中尺寸、材質、功能、WBS 劃分等構件屬性信息，并實現BIM 模型的構件顯示切換、間距的測量與分析，甚至構件調整等操作，可獲得傳統BIM 瀏覽方式前所未有的體驗。

實現上述目標的技術路線如圖2所示。綜合對比分析Autodesk Revit 軟件與各類三維圖形繪制軟件之間數據類型的差異，建立可導入模型的合成組合，實現BIM 格式轉化、VR 引擎導入，并采用圖像處理軟件，增強模型渲染效果，實現模型高精度匹配融合。

圖2 技術路線

2.2 BIM模型與VR場景結合方案

實現該結合主要有三種方案：①BIM 通過三維圖形繪制軟件與VR 三維全景拍攝軟件結合。該方案的優點是可實現不同場景切換和特效加載；缺點是人員不能對場景中物體進行操作，缺少交互。②通過虛擬引擎軟件與BIM 結合。優點是BIM 導入工作量小、模型保留度高、展示效果好；缺點是難以對導入的模型局部范圍進行賦值和參數修改，并且該方案對計算機配置要求極高。③通過虛擬引擎軟件與三維圖形繪制軟件結合。具有第二種方案的優點，并可實現參數化編輯處理，同時可實現多場景的切分和規劃；缺點是模型數量較多，模型之間的連接容易出現卡頓。

由于京張高速鐵路BIM 是按照設計專業劃分的，如土建結構和電氣設備屬于不同的模型包，而在VR場景中需要多類型物體交互，涉及結構、設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場景精準耦合匹配步驟

1）BIM 組塊的處理。首先針對材質進行處理，每個構件以及構件的分解單元都含有與現實相符的材質屬性，而幾乎所有的三維效果或實時展示平臺對外部模型的識別讀取都是以材質名稱為基礎，因此編輯名稱時源BIM 中每個構件名稱與現實材質名稱須一一對應；其次針對模型面數量進行處理，在滿足項目需求的前提下盡量減少曲面構件的數量，模型導出時在不影響外觀效果和屬性的前提下盡量選擇對垂直物體進行自動優化。

2）BIM 分解與傳遞。首先規劃六種疏散場景，將BIM 模型分解，進行分組和輕量化處理后，由Revit 軟件導出FBX 模型，再將FBX 模型導入三維圖形繪制軟件中，拆分為五大區域：車廂、站臺、出站通道、出站大廳和應急通道。在BIM 模型基礎上進行重建，重建后的模型分別歸類到五大區域中，再將這五大區域的模型拆分成373個組塊。

3）縱向和橫向（UV）展開與法線方向統一。373個組塊中，每個組塊大約由10～30 個模型單體組成，每個模型單體再進行UV展開和法線方向統一。

4）材質制作。將UV展開和分配好材質ID的模型導入到虛擬引擎軟件中進行材質貼圖制作，共制作4 800余個貼圖。

5）場景烘焙及測試。將制作好材質的模型放入場景中，加入燈光和環境光，進行場景烘焙（圖3）。

圖3 典型站臺場景烘焙效果

6）互動模型制作與VR 體驗系統選擇。添加車門、各類開關、報警按鈕、滅火器、噴淋裝置、標識語、應急電話等設備設施的互動模型，而后導出至系統平臺，建立與硬件設備的接口，并進行動態調試。

3 BIM 與VR 場景元素的精準投射與耦合匹配關鍵技術

疏散演練場景由VR 設備、VR 場景、VR 交互和通訊接口四部分組成。VR 設備為應急演練人員和虛擬場景提供數據交互；VR 場景為應急演練提供可視化、可交互的演練環境；VR 交互用于實現角色交互、場景交互和數據交互；通訊接口用于與硬件設備及其他系統（BIM等）進行通訊，實現對現場設備的控制、數據導出及呈現。

功能實現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平臺、VR 頭部顯示器、操作手柄、網絡交換機等。

表1 軟件組成

演練場景須具備一個成套操作系統的所有要素，包括行人仿真模塊、路徑規劃模塊、火災數據模塊和可視化模塊。行人仿真模塊主要負責按照路徑規劃進行全局移動，并在移動過程中根據行人仿真模型調整自身行為；路徑規劃模塊主要負責根據物理空間場景、立柱及設備設施布局信息進行虛擬乘客的動態實時路徑規劃；火災數據模塊主要負責對場景中火災數據進行可視化呈現；可視化模塊主要負責仿真數據的統計與可視化展示。

設計行人仿真模塊時，除利用虛擬引擎軟件系統組件之外，還需開發其他相關組件。相關組件及功能見表2。