论文|基于BIM+VR的沉浸式地下高速铁路车站疏散演练场景构建关键技术

2023-07-22 09:08 作者:符-号-说 0人读过 | 我要投稿

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

王志伟，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所

马伟斌，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所

于进江，京张城际铁路有限公司精品工程办公室

关根锁，晋豫鲁铁路通道股份有限公司

以京张高速铁路八达岭地下车站为依托，基于建设期BIM设计模型开展了BIM+VR的沉浸式地下高速铁路车站疏散演练场景构建关键技术研究，给出了BIM向VR场景转化技术路线和实现方法，阐明了疏散场景构建过程中软硬件及关键组件开发技术。通过场景应用及与既有平面化疏散指示对比，证明了该技术的可行性和合理性，为BIM的二次利用与沉浸式虚拟疏散演练场景开发提供了成套解决方案，可为类似复杂立体轨道交通车站人员疏散演练等提供参考。

一、工程概况

京张高速铁路八达岭长城地下车站设置于长12km的新八达岭隧道内，位于八达岭—十三陵风景名胜区核心位置滚天沟停车场下方，车站出口距离八达岭长城索道登城口250m，距离八达岭步道登城口800m。车站长800m，宽560m，高34m的地下空间布设78个洞室，共88 种断面、63处交叉口（图1）。车站按三层设计，地上部分为进出站厅、候车厅及部分办公、设备用房，建筑面积 0.95万m2；地下部分总建筑面积5.88万m2，其中站台、站场、进出通道、地下设备用房建筑面积3.98万m2，地下救援廊道总长2482m，建筑面积1.90万m2。八达岭长城地下车站轨面最大埋深102m，旅客垂直提升高度达到62m，两端过渡段隧道最大开挖跨度32.7m，最大开挖断面面积494.4m2，是世界上最大的地下暗挖高速铁路车站。

由于高速铁路隧道与车站地下接驳，运营维护期间面对多语种、大人流、多通道、高落差、长扶梯、多系统等挑战。作为铁路系统首个全线全专业大型BIM技术应用综合性项目，建设期以BIM+GIS为核心，按隧道、电气、给水、暖通、站房结构等专业进行了地下车站智能设计，实现了洞室群空间布局与连接优化，形成了勘察-设计-施工-运营-管理可视化、智能化统一管理平台，解决了有限空间内密集洞室布置的难题。由于土建结构复杂，疏散路径交叉，运营期人流量大，加之与旅游景点结合，奥运期间乘客密集，且语言、行为习惯等多样化。既有疏散路径、救援模式和应急预案为平面化管理，现场管理部门、列车司乘人员、乘客对其熟悉程度较低，会降低灾害条件下疏散效率和成功率。因此，提出基于BIM与VR场景元素精准投射与耦合匹配技术的可视化三维疏散演练系统。

二、BIM模型与VR场景元素精准投射与耦合匹配技术路线和实现方法

1.技术路线

基于BIM构建VR场景，通过在场景中直接选择与读取源BIM中尺寸、材质、功能、WBS划分等构件属性信息，并实现BIM模型的构件显示切换、间距的测量与分析，甚至构件调整等操作，可获得传统BIM浏览方式前所未有的体验。实现上述目标的技术路线如图2所示。综合对比分析Autodesk Revit软件与各类三维图形绘制软件之间数据类型的差异，建立可导入模型的合成组合，实现BIM格式转化、VR引擎导入，并采用图像处理软件，增强模型渲染效果，实现模型高精度匹配融合。

2.BIM模型与VR场景结合方案

实现该结合主要有三种方案：①BIM通过三维图形绘制软件与VR三维全景拍摄软件结合。该方案的优点是可实现不同场景切换和特效加载；缺点是人员不能对场景中物体进行操作，缺少交互。②通过虚拟引擎软件与BIM结合。优点是BIM导入工作量小、模型保留度高、展示效果好；缺点是难以对导入的模型局部范围进行赋值和参数修改，并且该方案对计算机配置要求极高。③通过虚拟引擎软件与三维图形绘制软件结合。具有第二种方案的优点，并可实现参数化编辑处理，同时可实现多场景的切分和规划；缺点是模型数量较多，模型之间的连接容易出现卡顿。由于京张高速铁路BIM是按照设计专业划分的，如土建结构和电气设备属于不同的模型包，而在VR场景中需要多类型物体交互，涉及结构、设备等模型的组合展示和操作，因此选用第三种方案。

3.BIM与VR场景精准耦合匹配步骤

1）BIM组块的处理。首先针对材质进行处理，每个构件以及构件的分解单元都含有与现实相符的材质属性，而几乎所有的三维效果或实时展示平台对外部模型的识别读取都是以材质名称为基础，因此编辑名称时源BIM中每个构件名称与现实材质名称须一一对应；其次针对模型面数量进行处理，在满足项目需求的前提下尽量减少曲面构件的数量，模型导出时在不影响外观效果和属性的前提下尽量选择对垂直物体进行自动优化。

2）BIM分解与传递。首先规划六种疏散场景，将BIM模型分解，进行分组和轻量化处理后，由Revit软件导出FBX模型，再将FBX模型导入三维图形绘制软件中，拆分为五大区域：车厢、站台、出站通道、出站大厅和应急通道。在BIM模型基础上进行重建，重建后的模型分别归类到五大区域中，再将这五大区域的模型拆分成373个组块。

3）纵向和横向（UV）展开与法线方向统一。373个组块中，每个组块大约由10~30个模型单体组成，每个模型单体再进行UV展开和法线方向统一。

4）材质制作。将UV展开和分配好材质ID的模型导入到虚拟引擎软件中进行材质贴图制作，共制作4800余个贴图。5）场景烘焙及测试。将制作好材质的模型放入场景中，加入灯光和环境光，进行场景烘焙（图3）。

6）互动模型制作与VR体验系统选择。添加车门、各类开关、报警按钮、灭火器、喷淋装置、标识语、应急电话等设备设施的互动模型，而后导出至系统平台，建立与硬件设备的接口，并进行动态调试。

三、BIM与VR场景元素的精准投射与耦合匹配关键技术

疏散演练场景由VR设备、VR场景、VR交互和通讯接口四部分组成。VR设备为应急演练人员和虚拟场景提供数据交互；VR场景为应急演练提供可视化、可交互的演练环境；VR交互用于实现角色交互、场景交互和数据交互；通讯接口用于与硬件设备及其他系统（BIM等）进行通讯，实现对现场设备的控制、数据导出及呈现。

功能实现需要软件与硬件的支撑。软件组成见表1。硬件主要包括万向行动平台、VR头部显示器、操作手柄、网络交换机等。

演练场景须具备一个成套操作系统的所有要素，包括行人仿真模块、路径规划模块、火灾数据模块和可视化模块。行人仿真模块主要负责按照路径规划进行全局移动，并在移动过程中根据行人仿真模型调整自身行为；路径规划模块主要负责根据物理空间场景、立柱及设备设施布局信息进行虚拟乘客的动态实时路径规划；火灾数据模块主要负责对场景中火灾数据进行可视化呈现；可视化模块主要负责仿真数据的统计与可视化展示。

设计行人仿真模块时，除利用虚拟引擎软件系统组件之外，还需开发其他相关组件。相关组件及功能见表2。