基于“BIM+VR”技术的地铁车站公共区精装修设计实践

苏立勇 ，周 轶

（1. 北京城市快轨建设管理有限公司，北京 100027；2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068）

在信息化、数字化新时代的背景下，为了提高轨道交通车站装饰装修工程的建设水平，更好地满足乘客需求，在北京地铁19号线一期工程新宫站装修建设过程中，首次尝试利用新技术与新方法，包括三维激光扫描、BIM技术、VR技术进行数字化设计和虚拟施工，真实展现了公共区精装修成果，实现了结构、建筑、设备、机电安装、导向设计、装修设计等各专业的专业协同以及各阶段数据的信息传递与数据协调，解决了多专业配合下设计质量难以控制的难题，实现了材料预加工及公共区装修虚拟施工，提高了工程进度、施工质量，确保了工程装修效果。笔者结合工程实例，从现状及技术背景、实践思路及管理流程等方面论述了 BIM+VR技术在轨道交通公共区精装修工程中的应用。

1 新技术的应用现状

1.1 技术应用现状

城市轨道交通工程是典型的复杂建筑工程，采用先进的BIM技术可提高工程全生命周期各阶段、各专业及各专业内部的协同管理，降低重复返工等成本，提高建设效率[1]。目前BIM技术已经广泛应用到轨道交通工程中，在工程的各个阶段起到了一定的作用。近年来VR技术也在地铁施工领域做了不少探索，例如VR安全教育、动态施工模拟等，但是BIM+VR 技术的一体化实践应用目前正处在起步阶段，发展较为缓慢，原因主要为应用平台不完善[2]，目前尚没有一种软件平台可以完成建模、模拟、体验等诸多功能的协同设计，由于受到应用平台的限制，平台的不同导致在设计过程中，需要对模型文件不断导入和导出；另外对硬件和专业人员的要求较高，设计的惯性思维难以转变。新设计理念的引入并不能马上改变现行的设计方法，现阶段大多数设计院和工作室仍旧采用传统的建筑设计方法(CAD+模型+效果图)，使得BIM+VR 一体化技术应用较慢。

1.2 地铁车站精装修工程新技术应用现状

1) 虽然在管理工作中对装修阶段的 BIM 模型做了比较详细的要求，但是目前的BIM工作多处于一种翻模的阶段，车站公共区的装修设计及施工涉及机电、导向、装修、监控等多个专业[3]，各专业没有统一的工作流程，联系不紧密，没有实现各专业协同，BIM起到的作用不明显。

2) 从概念到方案设计阶段，由于没有实现交互设计，设计师要不断地将三维模型向二维图纸转换，另外对于某些比较复杂的造型，BIM模型的展示效果不理想，没有应用VR技术对整个空间的装修效果进行展示。以某车站为例，如图1所示，由于方案中异形柱以及双曲面天花的造型，材料的加工和现场安装难度增加，仅靠传统的配合方式最后方案还原度无法达到令人满意的效果，且无法提前预制装修材料，影响了施工进度，从而暴露出传统二维图纸在材料加工和安装中的一些弊端。

图1 异形柱与曲面天花造型效果图与实际效果对比Figure 1 Effect picture and actual effect of special-shaped column and curved ceiling

3) 地铁中的乘客对标识的依赖程度相当高，在人流量大、狭小、密闭空间中，地铁导向标识帮助人们区分环境[4]，但是作为对后期运营影响很大的导向专业，采用传统的二维设计手段难以判断其设置位置及牌体内容的合理性，导向标识设计、安装问题较多，且比较滞后。应该使用BIM、VR等技术提前模拟客流及导向牌体的位置、内容等。

1.3 技术背景

市场上的BIM建模软件较多，目前形成了以Revit、Bentley、Civil 3D和Tekla为主导的4大主流建模软件[5]，表1将一些市场上主要的BIM应用软件进行分类总结。

表1 BIM 应用软件介绍Table 1 Application software of BIM

VR的设计过程包含了很多内容，需要交互、程序和设计专业不断地碰撞协作完成设计。目前 BIM+VR在市场已有一些软件的应用，但针对的角度有所不同，应用范围也不尽相同，表2介绍了一些常见的BIM+VR应用平台[6]。

表2 应用软件介绍Table 2 Application software

在公共区装修的设计阶段，主要侧重多专业协同配合下的效果展示以及对 BIM 模型修改和优化的快速反馈，并且能够让设计师尽可能在VR场景中发现问题并对设计进行优化和修改；在公共区装修的施工阶段，BIM模型中的信息提取需求更大，施工单位可以在 BIM 模型中提取数据进行虚拟施工、工厂化预制，及时发现问题并改进，保证现场施工的进度与质量。BIM+VR的应用不是在统一 BIM+VR平台进行的，而是区别不同阶段来确定应用范围及应用深度，从而达到更好的应用效果。

2 实践思路

依托北京地铁 19号线一期工程新宫站公共区装修工程，首次在土建、设备设计阶段将各专业模型(建筑、结构、设备及设备末端、导向标识系统等)进行整合统一纳入BIM整体模型中，使用BIM技术进行空间管理，利用VR技术进行场景模拟，对全过程、全专业的三维立体化方式开展优化设计；施工单位通过公共区装修BIM整体模型进行虚拟施工，对设计文件及施工组织进行深化，提前进行工厂化预制，达到现场装配式施工。在设计工作前，通过三维激光扫描技术提取现场土建信息，确保土建轮廓基础数据与现场一致，满足设计、施工需求；在设计过程中通过推进整体方案的可视化程度以及对 BIM 模型的快速反馈与优化，以视频及沉浸式可视化浏览的形式表达设计理念及展示设计成果，提高沟通和决策的效率；在施工阶段复核BIM模型与现场的配成度，保证模型与现场一致，有效减少返工及进行合理预留预埋工程，提高设计、施工组织效率，避免施工安装阶段颇多的施工变更工作。

通过BIM及BIM+VR技术使整个设计及施工过程随着项目的推进及技术的不断深入而发生变化，VR技术的有效运用，将 BIM 模型及信息与真实的施工环境进行直观交互。最后通过UE4的效果输出，获得装修效果的完整展示。研究技术路线如图2所示，选用软件性能特点见表3。

表3 选用软件性能特点Table 3 Selected software

图2 研究技术路线Figure 2 Research technical procedures

本项目选用的软件主要有两个：

1) 选用与 BIM 建模软件接口互通且具有实时反馈功能的VR平台-Fuzor，使得在设计阶段BIM模型中进行的修改能够及时反馈在VR场景中，以便优化设计及缩短设计周期。

（5）加强宣传教育和园林绿化法制建设，提高全民绿化意识和创建意识。创建园林城市需要领导重视，加强领导是园林工作的保证，特别在目前市场机制尚不完善的情况下，要开展广泛的领导任期绿化目标责任制，实行单位评比和考核一票否决制，加大投入，加快建设。同时，建立健全园林绿化的执法队伍，依据《城市园林管理条例》，加大执法检查力度，严惩侵占绿地、乱砍滥伐等破坏绿地的行为，依法维护和巩固城市绿化成果。此外，还需要加强宣传教育，提高全民的绿化意识和创建意识，争取社会各界的广泛支持，培养全社会爱护共同生存环境的自觉意识，树立不以牺牲环境为代价的可持续发展观念，形成全社会自觉爱护环境的良好氛围。

2) 后期在方案基本确定后为了更好地提高最终设计方案决策效率及展示方案效果，应用 UE4进行VR场景创建，通过头戴式设备进行沉浸式体验，提高方案交互性及体验感，为设计工作的细化提供基础。

3 工程实践

3.1 新宫站工程概况

北京地铁19号线一期工程南起新宫站，北至牡丹园站，线路全长22.4 km，均为地下线，共设置车站10座，其中暗挖站6座，明挖站4座[8]。盾构区间长度约16.56 km，矿山法区间长度约2.73 km，明挖约0.49 km，盾构区间占全线 83.7%。其中新宫站为地下三层双岛四线明挖车站，与既有大兴线新宫站呈T形换乘。

在本次装修设计方案深化过程中，BIM工作同步进行，装修与各专业的配合可以在三维空间中更加直观地体现，为装修效果还原度的提升起到了积极作用。

3.2 土建三维模型扫描复核模型

按照传统的设计流程，装修设计及机电设计是按照土建设计提供的图纸开展工作的；但由于土建施工尤其是地下工程暗挖施工精度问题，与设计图纸往往存在一定的、甚至较大的误差，因此需要在机电安装及装修施工时结合现场情况进行调整，导致出现大量的变更和洽商，施工组织较为困难，更难以实现工厂化预制、现场装配的施工方式。

为了保证BIM模型与现场实体结构的一致性，借助三维激光扫描技术来复核验证实体结构，将其成果作为装修设计和机电设计的输入条件。

复核的主要内容有：

1) 净高：依据三维扫描模型分区域复核净高，整合三维扫描模型、车站BIM模型，对三维扫描模型、管线综合机电模型和内装设计吊顶三者进行标高复核。

2) 平整度：施工平整度直接关系到装饰装修的效果和寿命。对地铁车站墙面、柱面、顶板、地等平面的平整情况进行检测复核。

3) 地面斜率与水平度：车站地面斜率与水平度关乎地面装修施工的施工质量，同时对车站结构的地面排水有着重要影响。通过对点云模型地面的分析，计算地面斜率，实时掌握地面施工平整度(见图3)。

图3 点云模型Figure 3 Three-dimensional cloud points model

将三维激光扫描的点云数据和 Revit建筑模型数据导入对比检测软件进行坐标匹配调整，通过软件可以自动计算出数据对比结果，并以彩色图像及图标的形式将结果予以显示，如图4～图5所示，从而看出土建施工的误差，这样可以提高设计及BIM模型的准确性，解决了工厂化预制、现场装配化施工的前提条件，为实现装配式施工提供了保障，也为后期运维管理提供了可靠的基础数据。

图4 坐标对比Figure 4 Coordinate comparison

图5 模型对比报告Figure 5 Model comparison report

3.3 整体建模优化设计

为了实现公共区全专业BIM模型整合，在北京轨道交通19号线一期工程新宫站装修工程设计中，对建筑专业、装修专业、导向标识专业、通风空调专业、给排水专业、动力照明专业、通信、乘客信息(PIS)专业、环境设备监控系统(BAS)专业、火灾自动报警系统(FAS)专业、电梯、站台门系统专业、安检及管线综合专业的BIM模型深度做了详细的要求。

在本工程的建模过程中，采用链接的方式对各专业模型进行统一管理，如图 6所示。Revit 软件提供了模型链接的方式，即各个专业设计人员分别创建本专业的模型文件，相互之间通过模型链接的方式进行专业协调，其中链接的文件不可编辑，按照深化工作流程将各专业模型传递至下一个专业人员，最后完成施工封模模型。采用此模式，需要由专业的设计人员提前对项目的基点、建模规则、标高轴网的设置进行整体把控，以确保各专业模型能在后期精确合并。各单位依据统一的模型样板创建本专业BIM模型，实现统一命名、统一着色、统一标注、统一构件选用等，最终形成涵盖所有专业的公共区整体BIM模型。公共区整体模型的建立，打破了各专业各自为战的局面，以更为真实的整体效果体现，为各专业优化设计、保证公共区的整体效果提供了有效的技术手段。

图6 设备各专业模型深化工作流程Figure 6 Model deepening work process

通过多专业的整合，重点解决了长期困扰影响装修效果的视频监控设施、导向牌体、广告牌及消火栓等细节对装修的影响问题。传统的设计中采用效果图展示装修成果，无法真实整合全部专业，尤其是大量的视频设施、导向牌体等对装修效果产生了较大的影响，通过整体化的BIM模型，整合了公共区所有专业，对于影响装修效果的设备设施在保证功能的前提下进行了优化调整，展示给乘客最好的空间效果和乘车感受。如图7所示，通过装修柱子悬挑的安装固定方式将导向牌体和摄像头整合在一起，减少吊杆的数量，避免了地铁车站“吊杆森林”现象，使装修设计的意图更加真实地体现。

图7 摄像头、导向牌体整合前后对比Figure 7 The effect before and after the camera and the guiding card body are integrated

通过在FUZOR软件中对全专业设备系统BIM模型进行合模、碰撞检测，对设备系统管线进行管综深化设计，过程中重点关注了二次结构梁、柱与管线预留孔洞位置关系，装饰装修专业的空间标高与机电专业的冲突等问题，解决了大量的碰撞问题，优化了设计。

经统计，在设计阶段通过对全专业设备系统BIM模型进行合模、碰撞检测，基于管综碰撞报告，共解决硬碰撞问题 1 536处，主要集中在走廊交汇处及管道分支处，均属于设计管综断面不便于剖切的位置，通过局部翻弯，即可解决此类问题。在施工深化阶段BIM实施过程中，解决典型问题59处。碰撞检测发现的问题如图8所示。

图8 碰撞检测发现的问题Figure 8 Problems found by collision detection

通过在FUZOR软件中进行VR漫游，解决了一些效果图无法展示的细节问题。例如，公共区的侧墙设置有导向牌、消火栓等设备设施，由于装修方案的侧墙采用弧形板，为设计配合、材料加工及现场施工都带来了挑战。通过BIM技术的应用，对这些问题也进行了优化设计，及时进行了解决。如图9所示，通过BIM模型的搭建，更加直观地看到消火栓伪装门实施后的效果。通过模拟消火栓伪装门的开启，验证方案的可实施性，避免现场施工时装修与设备碰撞导致伪装门无法开启的尴尬情况。

图9 消火栓位置调整前后对比Figure 9 The effect before and after the locations of fire hydrants are adjusted

3.4 虚拟引擎交互设计

虽然 BIM 模型可以做到可视化，但其体验感较差，难以达到逼真的效果，也难以满足虚拟化设计施工对细部修改调整的需要。为使装修方案更加逼真，本项目中将 UE4虚拟引擎系统应用到装修方案的设计表达中，从而增加结构表达的直观性与真实性。如图10所示，通过BIM软件建立三维模型，利用蓝图程序，使用纹理、相机、UI 等节点，使装修设计方案以三维虚拟模式在场景中显现出来，并实现模型的交互设计，最终实现一个能看、能听、能互动的装修设计方案的可视化交互。

图10 可视化交互流程图Figure 10 Procedures of visualized interactions

通过虚拟引擎系统形成的装修效果更加逼真，满足了交互式的体验效果，更容易发现设计中存在的细节问题。尤其是导向设计工作，很难完全靠想象去合理设置牌体的位置及内容，虚拟引擎系统的应用为我们打开一个新的思路。设计人员可以在非常真实的环境中体验乘客的感受，验证导向标识设计的合理性，从而找出导向标识最为合理的设置。通过后期VR建模，辅助设计师提前验证设计的合理性和准确性，通过漫游发现导向牌体问题共7处，主要出现的问题是导向牌体位置不合理和标识错误，如图11所示。北京地铁19号线新宫站VR效果展示如图12所示。

图11 出口标识错误Figure 11 Signage errors at the exits

图12 VR效果展示Figure 12 VR effect display

4 结论

本文依托北京轨道交通 19号线一期工程新宫站公共区精装修实践，全阶段、多方位地进行了三维激光扫描、BIM、VR技术应用，以BIM模型为载体，分别尝试从应用型VR应用到展示型VR应用，首次实现了BIM、VR技术在工程领域的跨界应用。

1) 在设计阶段、施工阶段通过三维激光扫描、BIM的应用，解决了传统设计手段难以实现真正的全专业整合的难题，找到了提高设计质量和实现工程化预制、现场装配式施工的技术手段，实现了精细化设计、精细化施工，为乘客提供了最佳的乘车环境。

2) 通过VR技术在装修设计中的应用，实现真实的乘客场景，运用可视化交互设计的方法，解决了导向设计中的技术难题，有效解决了设计与运营阶段的衔接问题，为乘客提供了良好的乘车流线，此外，基于 BIM+VR技术形成的一整套的完整成果可以开展对消防疏散、客流模拟、应急设备使用等的场景模拟与培训，辅助地铁运营管理。

3) 未来随着科技的发展，可以探索将BIM、行人仿真技术、VR、AR、大数据、人工智能等技术进行更加紧密的结合，为城市轨道交通行人流线设计、乘客服务水平提供更直观、精准的分析。

目前BIM、VR相关技术的发展相对分散，还未形成完整的理论及技术应用体系，在工程实践中大多是点状应用，如果想要实现两者统一的发展，还应该从数据标准、平台建立等方面进一步探索。希望随着BIM 技术的发展以及在轨道交通行业的大力推广应用，形成一套规范、完整的管理流程体系，使得BIM+VR技术能够在后续项目中落地推广实施，推动轨道交通行业朝着数字化、精细化的方向发展。