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

王志伟 马伟斌 于进江 关根锁

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；
2.京张城际铁路有限公司 精品工程办公室，北京 100071；
3.晋豫鲁铁路通道股份有限公司，太原 030045

借助于BIM 技术，通过创建数字信息模型对工程建造运营维护全过程进行管理与优化，可实现虚拟化建造、可视化管控、协同化办公，有利于提升工效，减少失误，缩短工期。在铁路站房领域BIM 应用逐年增多［1-3］，以京张高速铁路八达岭长城地下车站为代表的站房BIM 创新实践［4］一定程度上代表了该领域的较高水平。

八达岭长城地下车站和上海虹桥站［5］、在建北京丰台站［6］等大型铁路站房枢纽，出现紧急事件或火灾等灾害时，大客流、高密度、多交通方式接驳条件下人员快速疏散救援是运营期面临的一个共同难题。当前该类站房的疏散救援多为平面化管理，存在成本高、难度大、效率低等问题，由于进出站及疏散通道结构异常复杂，日常演练难以实现对逃生路线的快速掌握，尤其灾害条件或极端事件下短时间大量人流疏解时，可能会出现疏散难度高与成功率低下的情况。如何对该类项目建设期BIM 模型进行二次开发，使之应用于疏散救援，是一个值得研究的问题。由于BIM 与GIS（Geographic Information Systems）结合程度低，BIM中视觉精度低、渲染深度低、沉浸式体验效果差，这方面应用一直未有突破性进展。

在数据智能的基础上，虚拟世界与现实世界的快速融合可能成为未来三十年重大社会变革之一［7］。随着近年来元宇宙概念的普及和VR 技术的快速发展，Kinateder、Cosma、王子甲等［8-10］国内外学者尝试将VR技术与疏散试验结合。王子甲等依托北京地铁6 号线典型车站及隧道工程，开发了具有丰富交互功能的火灾疏散演练综合平台，证明了VR 技术应用于此领域的可行性。但前述研究成果的实现均采用传统VR通用建模技术，其制作流程包括了前期设计、模型制作、动画制作、交互设计、材质贴图、灯光布置等，开发复杂，造价较高。

在此背景下，将BIM 与VR 结合，利用既有BIM 可省去大量VR 建模工作，立足可视化、协调性，实现BIM 场景漫游与VR 沉浸式体验，不失为节约造价、提升体验、辅助培训和提高演练效果的一个有效方案。

目前，国内外尚无深度融合BIM 与VR 技术应用于大型高速铁路车站的案例，本文依托京张高速铁路八达岭长城地下车站，聚焦复杂BIM 与VR 场景元素的精准投射与耦合匹配技术难题，提出BIM 与VR 融合关键技术，并总结实现方法，为该项技术的推广应用提供参考。

京张高速铁路八达岭长城地下车站设置于长12 km 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250 m，距离八达岭步道登城口800 m。

车站长800 m，宽560 m，高34 m 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2 482 m，建筑面积1.90 万m2。八达岭长城地下车站轨面最大埋深102 m，旅客垂直提升高度达到62 m，两端过渡段隧道最大开挖跨度32.7 m，最大开挖断面面积494.4 m2，是世界上最大的地下暗挖高速铁路车站。

图1 八达岭长城地下车站密集洞室群层叠交错

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。

2.1 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。

图2 技术路线

2.2 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。

2.3 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4 800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）。

图3 典型站台场景烘焙效果

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。

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。

表1 软件组成

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。

表2 相关组件及功能

以列车在站内发生火灾为例进行虚拟场景开发及应用。既有平面化疏散指示见图4。其中白色箭头为乘客疏散方向，仅标示了下车后短距离如何疏散，对于后续立体复杂通道的选择及疏散路径并未标明。根据图4 在虚拟场景内规划最优疏散路径，如图5 中红色箭头所示。

图4 平面化疏散指示

图5 最优疏散路径

采用基于精准投射与耦合匹配关键技术所开发的沉浸式疏散演练场景，对疏散路径进一步优化，撰写脚本并录入（图6），区分不同阶段，画面与字幕或配音同步跟进。

图6 列车车厢着火疏散场景脚本

车厢着火沉浸式疏散典型场景见图7。可见：与平面化疏散指示（图4）相比，沉浸式疏散演练及人员培训更形象真实。

图7 车厢着火沉浸式疏散典型场景

所开发的沉浸式疏散演练场景除了直接辅助疏散救援演练和日常工作培训外，还增加了路径再现与人员实时定位记录功能，如图8 所示。试验人员可根据场景视野里面指引，寻求最优路线，在最短时间内疏散至安全地带。

图8 路径再现

1）结合京张高速铁路八达岭长城地下车站，基于BIM 与VR 技术解决了沉浸式疏散演练场景构建关键技术难题，实现了乘客视角高精度虚拟现实救援疏散演练。

2）阐述了BIM 与VR 场景元素精准投射与耦合匹配的实现方法。将虚拟引擎软件与三维图形绘制软件相结合，通过BIM 分组整理实现模型分割匹配，通过UV 展开和法线方向统一实现元素匹配，在虚拟引擎软件中通过材质制作与场景烘焙实现高精度场景渲染，最后进行互动模型制作，实现三维沉浸式疏散演练与培训。

3）疏散场景的开发加入了路径规划和人员实时定位纪录功能，可用于测试最优路径能否满足安全疏散时间要求，为实际疏散路径的规划选择提供参考。

4）利用工程建设期开发的BIM，深度开发BIM +VR 疏散演练系统，不仅可以借支降耗，提质增效，而且有利于提高运营期安全管控水平。