基于“BIM+VR”技術的地鐵車站公共區(qū)精裝修設計實踐

蘇立勇 ，周 軼

（1. 北京城市快軌建設管理有限公司，北京 100027；2. 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068）

在信息化、數(shù)字化新時代的背景下，為了提高軌道交通車站裝飾裝修工程的建設水平，更好地滿足乘客需求，在北京地鐵19號線一期工程新宮站裝修建設過程中，首次嘗試利用新技術與新方法，包括三維激光掃描、BIM技術、VR技術進行數(shù)字化設計和虛擬施工，真實展現(xiàn)了公共區(qū)精裝修成果，實現(xiàn)了結構、建筑、設備、機電安裝、導向設計、裝修設計等各專業(yè)的專業(yè)協(xié)同以及各階段數(shù)據(jù)的信息傳遞與數(shù)據(jù)協(xié)調，解決了多專業(yè)配合下設計質量難以控制的難題，實現(xiàn)了材料預加工及公共區(qū)裝修虛擬施工，提高了工程進度、施工質量，確保了工程裝修效果。筆者結合工程實例，從現(xiàn)狀及技術背景、實踐思路及管理流程等方面論述了 BIM+VR技術在軌道交通公共區(qū)精裝修工程中的應用。

1 新技術的應用現(xiàn)狀

1.1 技術應用現(xiàn)狀

城市軌道交通工程是典型的復雜建筑工程，采用先進的BIM技術可提高工程全生命周期各階段、各專業(yè)及各專業(yè)內部的協(xié)同管理，降低重復返工等成本，提高建設效率[1]。目前BIM技術已經廣泛應用到軌道交通工程中，在工程的各個階段起到了一定的作用。近年來VR技術也在地鐵施工領域做了不少探索，例如VR安全教育、動態(tài)施工模擬等，但是BIM+VR 技術的一體化實踐應用目前正處在起步階段，發(fā)展較為緩慢，原因主要為應用平臺不完善[2]，目前尚沒有一種軟件平臺可以完成建模、模擬、體驗等諸多功能的協(xié)同設計，由于受到應用平臺的限制，平臺的不同導致在設計過程中，需要對模型文件不斷導入和導出；另外對硬件和專業(yè)人員的要求較高，設計的慣性思維難以轉變。新設計理念的引入并不能馬上改變現(xiàn)行的設計方法，現(xiàn)階段大多數(shù)設計院和工作室仍舊采用傳統(tǒng)的建筑設計方法(CAD+模型+效果圖)，使得BIM+VR 一體化技術應用較慢。

1.2 地鐵車站精裝修工程新技術應用現(xiàn)狀

1) 雖然在管理工作中對裝修階段的 BIM 模型做了比較詳細的要求，但是目前的BIM工作多處于一種翻模的階段，車站公共區(qū)的裝修設計及施工涉及機電、導向、裝修、監(jiān)控等多個專業(yè)[3]，各專業(yè)沒有統(tǒng)一的工作流程，聯(lián)系不緊密，沒有實現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同，BIM起到的作用不明顯。

2) 從概念到方案設計階段，由于沒有實現(xiàn)交互設計，設計師要不斷地將三維模型向二維圖紙轉換，另外對于某些比較復雜的造型，BIM模型的展示效果不理想，沒有應用VR技術對整個空間的裝修效果進行展示。以某車站為例，如圖1所示，由于方案中異形柱以及雙曲面天花的造型，材料的加工和現(xiàn)場安裝難度增加，僅靠傳統(tǒng)的配合方式最后方案還原度無法達到令人滿意的效果，且無法提前預制裝修材料，影響了施工進度，從而暴露出傳統(tǒng)二維圖紙在材料加工和安裝中的一些弊端。

圖1 異形柱與曲面天花造型效果圖與實際效果對比Figure 1 Effect picture and actual effect of special-shaped column and curved ceiling

3) 地鐵中的乘客對標識的依賴程度相當高，在人流量大、狹小、密閉空間中，地鐵導向標識幫助人們區(qū)分環(huán)境[4]，但是作為對后期運營影響很大的導向專業(yè)，采用傳統(tǒng)的二維設計手段難以判斷其設置位置及牌體內容的合理性，導向標識設計、安裝問題較多，且比較滯后。應該使用BIM、VR等技術提前模擬客流及導向牌體的位置、內容等。

1.3 技術背景

市場上的BIM建模軟件較多，目前形成了以Revit、Bentley、Civil 3D和Tekla為主導的4大主流建模軟件[5]，表1將一些市場上主要的BIM應用軟件進行分類總結。

表1 BIM 應用軟件介紹Table 1 Application software of BIM

VR的設計過程包含了很多內容，需要交互、程序和設計專業(yè)不斷地碰撞協(xié)作完成設計。目前 BIM+VR在市場已有一些軟件的應用，但針對的角度有所不同，應用范圍也不盡相同，表2介紹了一些常見的BIM+VR應用平臺[6]。

表2 應用軟件介紹Table 2 Application software

在公共區(qū)裝修的設計階段，主要側重多專業(yè)協(xié)同配合下的效果展示以及對 BIM 模型修改和優(yōu)化的快速反饋，并且能夠讓設計師盡可能在VR場景中發(fā)現(xiàn)問題并對設計進行優(yōu)化和修改；在公共區(qū)裝修的施工階段，BIM模型中的信息提取需求更大，施工單位可以在 BIM 模型中提取數(shù)據(jù)進行虛擬施工、工廠化預制，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進，保證現(xiàn)場施工的進度與質量。BIM+VR的應用不是在統(tǒng)一 BIM+VR平臺進行的，而是區(qū)別不同階段來確定應用范圍及應用深度，從而達到更好的應用效果。

2 實踐思路

依托北京地鐵 19號線一期工程新宮站公共區(qū)裝修工程，首次在土建、設備設計階段將各專業(yè)模型(建筑、結構、設備及設備末端、導向標識系統(tǒng)等)進行整合統(tǒng)一納入BIM整體模型中，使用BIM技術進行空間管理，利用VR技術進行場景模擬，對全過程、全專業(yè)的三維立體化方式開展優(yōu)化設計；施工單位通過公共區(qū)裝修BIM整體模型進行虛擬施工，對設計文件及施工組織進行深化，提前進行工廠化預制，達到現(xiàn)場裝配式施工。在設計工作前，通過三維激光掃描技術提取現(xiàn)場土建信息，確保土建輪廓基礎數(shù)據(jù)與現(xiàn)場一致，滿足設計、施工需求；在設計過程中通過推進整體方案的可視化程度以及對 BIM 模型的快速反饋與優(yōu)化，以視頻及沉浸式可視化瀏覽的形式表達設計理念及展示設計成果，提高溝通和決策的效率；在施工階段復核BIM模型與現(xiàn)場的配成度，保證模型與現(xiàn)場一致，有效減少返工及進行合理預留預埋工程，提高設計、施工組織效率，避免施工安裝階段頗多的施工變更工作。

通過BIM及BIM+VR技術使整個設計及施工過程隨著項目的推進及技術的不斷深入而發(fā)生變化，VR技術的有效運用，將 BIM 模型及信息與真實的施工環(huán)境進行直觀交互。最后通過UE4的效果輸出，獲得裝修效果的完整展示。研究技術路線如圖2所示，選用軟件性能特點見表3。

表3 選用軟件性能特點Table 3 Selected software

圖2 研究技術路線Figure 2 Research technical procedures

本項目選用的軟件主要有兩個：

1) 選用與 BIM 建模軟件接口互通且具有實時反饋功能的VR平臺-Fuzor，使得在設計階段BIM模型中進行的修改能夠及時反饋在VR場景中，以便優(yōu)化設計及縮短設計周期。

（5）加強宣傳教育和園林綠化法制建設，提高全民綠化意識和創(chuàng)建意識。創(chuàng)建園林城市需要領導重視，加強領導是園林工作的保證，特別在目前市場機制尚不完善的情況下，要開展廣泛的領導任期綠化目標責任制，實行單位評比和考核一票否決制，加大投入，加快建設。同時，建立健全園林綠化的執(zhí)法隊伍，依據(jù)《城市園林管理條例》，加大執(zhí)法檢查力度，嚴懲侵占綠地、亂砍濫伐等破壞綠地的行為，依法維護和鞏固城市綠化成果。此外，還需要加強宣傳教育，提高全民的綠化意識和創(chuàng)建意識，爭取社會各界的廣泛支持，培養(yǎng)全社會愛護共同生存環(huán)境的自覺意識，樹立不以犧牲環(huán)境為代價的可持續(xù)發(fā)展觀念，形成全社會自覺愛護環(huán)境的良好氛圍。

2) 后期在方案基本確定后為了更好地提高最終設計方案決策效率及展示方案效果，應用 UE4進行VR場景創(chuàng)建，通過頭戴式設備進行沉浸式體驗，提高方案交互性及體驗感，為設計工作的細化提供基礎。

3 工程實踐

3.1 新宮站工程概況

北京地鐵19號線一期工程南起新宮站，北至牡丹園站，線路全長22.4 km，均為地下線，共設置車站10座，其中暗挖站6座，明挖站4座[8]。盾構區(qū)間長度約16.56 km，礦山法區(qū)間長度約2.73 km，明挖約0.49 km，盾構區(qū)間占全線 83.7%。其中新宮站為地下三層雙島四線明挖車站，與既有大興線新宮站呈T形換乘。

在本次裝修設計方案深化過程中，BIM工作同步進行，裝修與各專業(yè)的配合可以在三維空間中更加直觀地體現(xiàn)，為裝修效果還原度的提升起到了積極作用。

3.2 土建三維模型掃描復核模型

按照傳統(tǒng)的設計流程，裝修設計及機電設計是按照土建設計提供的圖紙開展工作的；但由于土建施工尤其是地下工程暗挖施工精度問題，與設計圖紙往往存在一定的、甚至較大的誤差，因此需要在機電安裝及裝修施工時結合現(xiàn)場情況進行調整，導致出現(xiàn)大量的變更和洽商，施工組織較為困難，更難以實現(xiàn)工廠化預制、現(xiàn)場裝配的施工方式。

為了保證BIM模型與現(xiàn)場實體結構的一致性，借助三維激光掃描技術來復核驗證實體結構，將其成果作為裝修設計和機電設計的輸入條件。

復核的主要內容有：

1) 凈高：依據(jù)三維掃描模型分區(qū)域復核凈高，整合三維掃描模型、車站BIM模型，對三維掃描模型、管線綜合機電模型和內裝設計吊頂三者進行標高復核。

2) 平整度：施工平整度直接關系到裝飾裝修的效果和壽命。對地鐵車站墻面、柱面、頂板、地等平面的平整情況進行檢測復核。

3) 地面斜率與水平度：車站地面斜率與水平度關乎地面裝修施工的施工質量，同時對車站結構的地面排水有著重要影響。通過對點云模型地面的分析，計算地面斜率，實時掌握地面施工平整度(見圖3)。

圖3 點云模型Figure 3 Three-dimensional cloud points model

將三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)和 Revit建筑模型數(shù)據(jù)導入對比檢測軟件進行坐標匹配調整，通過軟件可以自動計算出數(shù)據(jù)對比結果，并以彩色圖像及圖標的形式將結果予以顯示，如圖4～圖5所示，從而看出土建施工的誤差，這樣可以提高設計及BIM模型的準確性，解決了工廠化預制、現(xiàn)場裝配化施工的前提條件，為實現(xiàn)裝配式施工提供了保障，也為后期運維管理提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)。

圖4 坐標對比Figure 4 Coordinate comparison

圖5 模型對比報告Figure 5 Model comparison report

3.3 整體建模優(yōu)化設計

為了實現(xiàn)公共區(qū)全專業(yè)BIM模型整合，在北京軌道交通19號線一期工程新宮站裝修工程設計中，對建筑專業(yè)、裝修專業(yè)、導向標識專業(yè)、通風空調專業(yè)、給排水專業(yè)、動力照明專業(yè)、通信、乘客信息(PIS)專業(yè)、環(huán)境設備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)專業(yè)、火災自動報警系統(tǒng)(FAS)專業(yè)、電梯、站臺門系統(tǒng)專業(yè)、安檢及管線綜合專業(yè)的BIM模型深度做了詳細的要求。

在本工程的建模過程中，采用鏈接的方式對各專業(yè)模型進行統(tǒng)一管理，如圖 6所示。Revit 軟件提供了模型鏈接的方式，即各個專業(yè)設計人員分別創(chuàng)建本專業(yè)的模型文件，相互之間通過模型鏈接的方式進行專業(yè)協(xié)調，其中鏈接的文件不可編輯，按照深化工作流程將各專業(yè)模型傳遞至下一個專業(yè)人員，最后完成施工封模模型。采用此模式，需要由專業(yè)的設計人員提前對項目的基點、建模規(guī)則、標高軸網的設置進行整體把控，以確保各專業(yè)模型能在后期精確合并。各單位依據(jù)統(tǒng)一的模型樣板創(chuàng)建本專業(yè)BIM模型，實現(xiàn)統(tǒng)一命名、統(tǒng)一著色、統(tǒng)一標注、統(tǒng)一構件選用等，最終形成涵蓋所有專業(yè)的公共區(qū)整體BIM模型。公共區(qū)整體模型的建立，打破了各專業(yè)各自為戰(zhàn)的局面，以更為真實的整體效果體現(xiàn)，為各專業(yè)優(yōu)化設計、保證公共區(qū)的整體效果提供了有效的技術手段。

圖6 設備各專業(yè)模型深化工作流程Figure 6 Model deepening work process

通過多專業(yè)的整合，重點解決了長期困擾影響裝修效果的視頻監(jiān)控設施、導向牌體、廣告牌及消火栓等細節(jié)對裝修的影響問題。傳統(tǒng)的設計中采用效果圖展示裝修成果，無法真實整合全部專業(yè)，尤其是大量的視頻設施、導向牌體等對裝修效果產生了較大的影響，通過整體化的BIM模型，整合了公共區(qū)所有專業(yè)，對于影響裝修效果的設備設施在保證功能的前提下進行了優(yōu)化調整，展示給乘客最好的空間效果和乘車感受。如圖7所示，通過裝修柱子懸挑的安裝固定方式將導向牌體和攝像頭整合在一起，減少吊桿的數(shù)量，避免了地鐵車站“吊桿森林”現(xiàn)象，使裝修設計的意圖更加真實地體現(xiàn)。

圖7 攝像頭、導向牌體整合前后對比Figure 7 The effect before and after the camera and the guiding card body are integrated

通過在FUZOR軟件中對全專業(yè)設備系統(tǒng)BIM模型進行合模、碰撞檢測，對設備系統(tǒng)管線進行管綜深化設計，過程中重點關注了二次結構梁、柱與管線預留孔洞位置關系，裝飾裝修專業(yè)的空間標高與機電專業(yè)的沖突等問題，解決了大量的碰撞問題，優(yōu)化了設計。

經統(tǒng)計，在設計階段通過對全專業(yè)設備系統(tǒng)BIM模型進行合模、碰撞檢測，基于管綜碰撞報告，共解決硬碰撞問題 1 536處，主要集中在走廊交匯處及管道分支處，均屬于設計管綜斷面不便于剖切的位置，通過局部翻彎，即可解決此類問題。在施工深化階段BIM實施過程中，解決典型問題59處。碰撞檢測發(fā)現(xiàn)的問題如圖8所示。

圖8 碰撞檢測發(fā)現(xiàn)的問題Figure 8 Problems found by collision detection

通過在FUZOR軟件中進行VR漫游，解決了一些效果圖無法展示的細節(jié)問題。例如，公共區(qū)的側墻設置有導向牌、消火栓等設備設施，由于裝修方案的側墻采用弧形板，為設計配合、材料加工及現(xiàn)場施工都帶來了挑戰(zhàn)。通過BIM技術的應用，對這些問題也進行了優(yōu)化設計，及時進行了解決。如圖9所示，通過BIM模型的搭建，更加直觀地看到消火栓偽裝門實施后的效果。通過模擬消火栓偽裝門的開啟，驗證方案的可實施性，避免現(xiàn)場施工時裝修與設備碰撞導致偽裝門無法開啟的尷尬情況。

圖9 消火栓位置調整前后對比Figure 9 The effect before and after the locations of fire hydrants are adjusted

3.4 虛擬引擎交互設計

雖然 BIM 模型可以做到可視化，但其體驗感較差，難以達到逼真的效果，也難以滿足虛擬化設計施工對細部修改調整的需要。為使裝修方案更加逼真，本項目中將 UE4虛擬引擎系統(tǒng)應用到裝修方案的設計表達中，從而增加結構表達的直觀性與真實性。如圖10所示，通過BIM軟件建立三維模型，利用藍圖程序，使用紋理、相機、UI 等節(jié)點，使裝修設計方案以三維虛擬模式在場景中顯現(xiàn)出來，并實現(xiàn)模型的交互設計，最終實現(xiàn)一個能看、能聽、能互動的裝修設計方案的可視化交互。

圖10 可視化交互流程圖Figure 10 Procedures of visualized interactions

通過虛擬引擎系統(tǒng)形成的裝修效果更加逼真，滿足了交互式的體驗效果，更容易發(fā)現(xiàn)設計中存在的細節(jié)問題。尤其是導向設計工作，很難完全靠想象去合理設置牌體的位置及內容，虛擬引擎系統(tǒng)的應用為我們打開一個新的思路。設計人員可以在非常真實的環(huán)境中體驗乘客的感受，驗證導向標識設計的合理性，從而找出導向標識最為合理的設置。通過后期VR建模，輔助設計師提前驗證設計的合理性和準確性，通過漫游發(fā)現(xiàn)導向牌體問題共7處，主要出現(xiàn)的問題是導向牌體位置不合理和標識錯誤，如圖11所示。北京地鐵19號線新宮站VR效果展示如圖12所示。

圖11 出口標識錯誤Figure 11 Signage errors at the exits

圖12 VR效果展示Figure 12 VR effect display

4 結論

本文依托北京軌道交通 19號線一期工程新宮站公共區(qū)精裝修實踐，全階段、多方位地進行了三維激光掃描、BIM、VR技術應用，以BIM模型為載體，分別嘗試從應用型VR應用到展示型VR應用，首次實現(xiàn)了BIM、VR技術在工程領域的跨界應用。

1) 在設計階段、施工階段通過三維激光掃描、BIM的應用，解決了傳統(tǒng)設計手段難以實現(xiàn)真正的全專業(yè)整合的難題，找到了提高設計質量和實現(xiàn)工程化預制、現(xiàn)場裝配式施工的技術手段，實現(xiàn)了精細化設計、精細化施工，為乘客提供了最佳的乘車環(huán)境。

2) 通過VR技術在裝修設計中的應用，實現(xiàn)真實的乘客場景，運用可視化交互設計的方法，解決了導向設計中的技術難題，有效解決了設計與運營階段的銜接問題，為乘客提供了良好的乘車流線，此外，基于 BIM+VR技術形成的一整套的完整成果可以開展對消防疏散、客流模擬、應急設備使用等的場景模擬與培訓，輔助地鐵運營管理。

3) 未來隨著科技的發(fā)展，可以探索將BIM、行人仿真技術、VR、AR、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術進行更加緊密的結合，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。

目前BIM、VR相關技術的發(fā)展相對分散，還未形成完整的理論及技術應用體系，在工程實踐中大多是點狀應用，如果想要實現(xiàn)兩者統(tǒng)一的發(fā)展，還應該從數(shù)據(jù)標準、平臺建立等方面進一步探索。希望隨著BIM 技術的發(fā)展以及在軌道交通行業(yè)的大力推廣應用，形成一套規(guī)范、完整的管理流程體系，使得BIM+VR技術能夠在后續(xù)項目中落地推廣實施，推動軌道交通行業(yè)朝著數(shù)字化、精細化的方向發(fā)展。