注：本文為期刊公眾號簡版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

王志偉，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所

馬偉斌，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所

于進(jìn)江，京張城際鐵路有限公司精品工程辦公室

關(guān)根鎖，晉豫魯鐵路通道股份有限公司

以京張高速鐵路八達(dá)嶺地下車站為依托，基于建設(shè)期BIM設(shè)計(jì)模型開展了BIM+VR的沉浸式地下高速鐵路車站疏散演練場景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究，給出了BIM向VR場景轉(zhuǎn)化技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法，闡明了疏散場景構(gòu)建過程中軟硬件及關(guān)鍵組件開發(fā)技術(shù)。通過場景應(yīng)用及與既有平面化疏散指示對比，證明了該技術(shù)的可行性和合理性，為BIM的二次利用與沉浸式虛擬疏散演練場景開發(fā)提供了成套解決方案，可為類似復(fù)雜立體軌道交通車站人員疏散演練等提供參考。

一、工程概況

京張高速鐵路八達(dá)嶺長城地下車站設(shè)置于長12km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下方，車站出口距離八達(dá)嶺長城索道登城口250m，距離八達(dá)嶺步道登城口800m。車站長800m，寬560m，高34m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、站場、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2482m，建筑面積1.90萬m2。八達(dá)嶺長城地下車站軌面最大埋深102m，旅客垂直提升高度達(dá)到62m，兩端過渡段隧道最大開挖跨度32.7m，最大開挖斷面面積494.4m2，是世界上最大的地下暗挖高速鐵路車站。

由于高速鐵路隧道與車站地下接駁，運(yùn)營維護(hù)期間面對多語種、大人流、多通道、高落差、長扶梯、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-管理可視化、智能化統(tǒng)一管理平臺，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)場管理部門、列車司乘人員、乘客對其熟悉程度較低，會降低災(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)。

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

1.技術(shù)路線

基于BIM構(gòu)建VR場景，通過在場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。

2.BIM模型與VR場景結(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)不同場景切換和特效加載；缺點(diǎn)是人員不能對場景中物體進(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。

3.BIM與VR場景精準(zhǔn)耦合匹配步驟

1）BIM組塊的處理。首先針對材質(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)展示平臺對外部模型的識別讀取都是以材質(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)名稱須一一對應(yīng)；其次針對模型面數(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垂直物體進(jìn)行自動優(yōu)化。

2）BIM分解與傳遞。首先規(guī)劃六種疏散場景，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、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4800余個(gè)貼圖。5）場景烘焙及測試。將制作好材質(zhì)的模型放入場景中，加入燈光和環(huán)境光，進(jìn)行場景烘焙（圖3）。

6）互動模型制作與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)識語、應(yīng)急電話等設(shè)備設(shè)施的互動模型，而后導(dǎo)出至系統(tǒng)平臺，建立與硬件設(shè)備的接口，并進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。

三、BIM與VR場景元素的精準(zhǔn)投射與耦合匹配關(guān)鍵技術(shù)

疏散演練場景由VR設(shè)備、VR場景、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景提供數(shù)據(jù)交互；VR場景為應(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)對現(xiàn)場設(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平臺、VR頭部顯示器、操作手柄、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

演練場景須具備一個(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，并在移動過程中根據(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)物理空間場景、立柱及設(shè)備設(shè)施布局信息進(jìn)行虛擬乘客的動態(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)對場景中火災(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。

四、疏散場景開發(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在虛擬場景內(nèi)規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，如圖5中紅色箭頭所示。

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景，對疏散路徑進(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)。車廂著火沉浸式疏散典型場景見圖7。

可見：與平面化疏散指示（圖4）相比，沉浸式疏散演練及人員培訓(xùn)更形象真實(shí)。所開發(fā)的沉浸式疏散演練場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。

五、總結(jié)

1）結(jié)合京張高速鐵路八達(dá)嶺長城地下車站，基于BIM與VR技術(shù)解決了沉浸式疏散演練場景構(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)制作與場景烘焙實(shí)現(xiàn)高精度場景渲染，最后進(jìn)行互動模型制作，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)營期安全管控水平。

來源：鐵路BIM聯(lián)盟