基于BIM的虚拟现实在灾难中的应用

基于BIM的虚拟现实在灾难中的应用

刘石邱奎宁曾涛

中国建筑股份有限公司技术中心北京101300

摘要：本文探讨了基于BIM的灾难模拟，加入虚拟现实技术带来的恐惧感，从而分析人们在危险时的不可控行为。参考虚拟现实技术在军事方面的应用，分别针对灾难发生前、救援时、事故后三个方面进行具体探讨。

关键词：BIM；VR；灾难救援

一、研究背景

基于BIM的虚拟现实已在建筑模型漫游、交互式装修虚拟装饰等领域推广应用。在虚拟现实技术逼真的沉浸感体验中，让体验者忘记真实的环境，融入到BIM虚拟环境中，最大化的模拟真实建筑环境漫游体验，这为设计方、施工方、业主提供了最接近“所见即所得”的良好的沟通方式。

更深入的基于BIM的虚拟现实技术应用，可以利用超真实的沉浸感视觉体验，欺骗大脑，带来危机感和恐惧感，从而表现出人们在恐惧时发生的行为变化。例如，如果在虚拟现实场景中体验走钢丝，那么，体验者就会站在一大片空地中间不敢动，或是走的颤颤巍巍。这在旁观者看来也许很滑稽，但是这种欺骗大脑的方式，可以提前了解或者事后分析人们在恐惧时发生的不可预知的动作。

在BIM中，加入不同形式的危机情况，通过虚拟现实体验中可以真实漫游在灾难之中及时找到漏洞或是突破点。例如，火灾的烟雾弥漫遮挡视线，地震时的楼宇晃动无法站稳，在这样危机的情况下，人们无法完整思考。这一切改变了人们的行为能力，把这些因素考虑进去之后，将对培训、决策和救援有很大的帮助。

二、虚拟现实在军事的应用

基于BIM的虚拟现实在灾难中的应用应参考虚拟现实在军事的应用，因为都是处在危机之中。然而，虚拟现实在军事上的研发早于半个世纪以前，当时的虚拟现实成本是现在的数倍，但成本仍小于传统的实兵演习。因为，虚拟军事演习可以任意增加联合演习的次数，并完成较短时间内大规模战区、战略级演习，可通过多次演习或一次演习多种方案，发现、解决实战中可能出现的问题。进行指挥员训练利用虚拟现实技术，根据侦察情况资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确决心。

虚拟现实技术在军事领域的应用主要有以下两个方面：

模拟真实战场环境（图一）。通过背景生成与图像合成创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境，使受训士兵“真正”进入形象逼真的战场，从而增强受训者的临场反应，大大提高训练质量。

模拟诸军种联合演习（图二）。建立一个“虚拟战场”，使参战双方同处其中，根据虚拟环境中的各种情况及其变化，实施“真实的”对抗演习。在这样的虚拟作战环境中，可以使众多军事单位参与到作战模拟中来，而不受地域的限制，可大大提高战役训练的效益；还可以评估武器系统的总体性能，启发新的作战思想。

上世纪80年代末，英国模拟技术公司Plextek为英国军方开发了一套虚拟现实训练系统，旨在培训医护人员应对紧急状况。该系统使用了一套头戴显示器，用于显示类似游戏中的战争场景，培训人员要在该环境下处理伤员伤口等。随着虚拟现实的发展，越来越多国家开始将此种新型技术应用到军事培训领域。比如，2013年加拿大军队进行了虚拟现实的模拟训练演习，韩国军队使用虚拟现实设备进行室内金属训练等等。VR技术的仿真模拟场景能够很好地让军事训练达到这个效果，而且尽可能让士兵避免死亡的威胁或是严重的伤害。它们可以设置特定的情景，让士兵感受到是在身临其境地战斗，但是却没有真实战斗中的危险。这种训练方法已被证明比传统的训练方法成本更低，但是训练的效率效果会高得多。

三、灾难发生前基于BIM的虚拟现实应急准备

在灾难发生前，依靠BIM完整的、与现实统一的建筑及环境3D场景，验证应急资源是否完善，建立合理疏散地图，完成模拟应急演习及培训。

1.验证疏散地图是否合理

目前的疏散地图，只是标注最近的逃生出口，或是通过疏散模拟软件，模拟人群分布，进而得到疏散路线图，这些方式都是死板和生硬的。基于BIM的虚拟现实，可以模拟灾难形式，带入危机时人们的行为和想法，进而分析出更科学、更完善的疏散地图及标识位置。通过虚拟现实头盔把体验者完全置身于BIM场景之中，利用虚拟现实跑步机，使人们行走在BIM空间当中，这与现实是非常接近的。让多人体验同一场景，记录行走路径，分析出哪些地方容易阻碍人们疏散。并验证例如火灾发生时，人们是否能在有效时间内找到逃生口罩。在火灾发生时，人们也许不会直立行走，那么找出将会遮挡视线或是视觉误导的误区，设置更明确的标识引导人员按照逃生地图。在高楼层窗户处设置障碍和标识避免发生走窗户的方式。

2.明确公共场所工作人员职责，完善应急逃生培训

对于火车站、图书馆、幼儿园这类特殊性公共场所，明确现场工作人员的职责是及其重要的。同时，训练应变能力方面，单靠手册或是视频片讲述远远不够。需要进入场景，了解细节并交互式体验，熟悉程序和要领，完成科学的、标准化的演习。

基于BIM的虚拟现实疏散培训，与常规的训练方式相比较，具有“身临其境”感强、场景多变、训练针对性强、安全经济、可控制性强等特点。在培训标准化，成本低的同时，工作人员可以熟悉各类应急处理和整个应急行动的程序，明确自身的职责，提高协同工作的能力。同时，应对培训的结果进行评估，分析应急预案存在的不足，并予以改进和完善。

3.多方协同救援演习

基于BIM的虚拟现实可以让多方救援人员，切实的了解彼此的工作内容，在灾难真正发生时，做好协同工作。场所管理人员、消防救援、医务工作者，或是空中救援，彼此熟悉对方的工作流程，也可以切换到对方的工作视角，演习良好的组织指挥能力和应变能力。普通民众，也可以通过救援人员视角，了解救援工作的流程，如果灾难发生，尽快借助帮助，逃离现场。

四、在灾难救援时基于BIM的虚拟现实应用

基于BIM的虚拟现实救援，将不局限于灾难现场救援，在不进入灾难现场的情况下，仍可从以下多方面分析现场情况，并提出救援方案，协助决策：

1.危险分析

在BIM中模拟灾难发生，划出重灾区及其它危险区。例如利用BIM计算危险物品存放的地方是否会引起二次爆炸，以及分析影响范围。通过墙的厚度、材质，煤气的位置，电线的走向等多方面，详细考量，分析出安全区域，协助指导现场救援，避免救援人员陷入危险之中。

2.资源分析

针对危险分析所确定的主要危险，剖析BIM，结合建筑结构、体量、地理位置等具体特征，明确应急救援所需的资源，列出可用的应急力量和资源，包括：各类应急力量的组成及分布情况；各种重要应急设备、物资的准备情况；上级救援机构或周边可用的应急资源。

3.救援路线分析

基于BIM的救援路线分析将具体考虑建筑的复杂结构，进行提前模拟，可以做到在救援队伍到达现场之前，利用虚拟现实技术以真人视角在BIM中提前浏览，了解现场的同时在安全区域找到最佳救援路线，同时把影像资料分享给赴现场救援队伍，路线分析结果将辅助现场决策。

4.逃生死角分析

灾难突然发生时，人们受到惊吓慌忙逃离，很容易出现迷失、摔倒坠落等意外情况。尤其是儿童、老人居多的场所，例如火车站、图书馆、幼儿园等。他们在灾难发生后的行为是不可控的，并不按照我们设想的有序的、按照逃生地图疏散。利用虚拟现实技术，可以改变我们的视角，以孩子的高度逃离现场，具体分析在疏散过程中，有哪些位置容易迷失，或是在危险周围，容易选择躲藏在哪些位置。这些逃生死角分析发给就近的救援队伍，对这些逃生死角多加注意，避免遗漏。

五、灾难后基于BIM的虚拟现实应用

1.事故重建

BIM导入Unity交互设计平台，加入具体灾难形式，反推现场人员分布，利用虚拟现实技术完整还原事故现场。分析灾难发生的原因，总结建筑结构的问题、疏散指引的问题、救援决策的问题，从而对今后的灾难、事故发生，做好更充分的预防。

2.灾难后的心理治疗

例如火灾、地震等大型灾难，在灾难中受伤的人们，尤其孩子或是失去亲人的人们，会遗留一些心理问题。例如，长时间不能忘记灾难现场，容易精神紧张。我们可以利用基于BIM的虚拟现实技术帮助他们走出心理阴影，从心理治疗的角度逐渐帮助他们以健康的心理状态面对事故结果。

六、结束语

BIM有无限大的可能性，可以支持任何基于数字信息开发的技术，为新技术与建筑业的结合提供了巨大的平台。BIM包含完整的建筑信息，结合VR逼真的视觉体验，在救援方面，将提供更充分的准备资源、更细致入微的救援方案。

很多人预测虚拟现实将在未来改变人们的生活方式，游戏行业已经结合的很好，预测未来在电影、广告也将融入更多虚拟现实技术。在建筑业，也是越来越多的与虚拟现实结合。基于BIM的虚拟现实技术，将更切合实际的，利用BIM中详细的模型信息，结合更多的计算平台，充分完成灾难应急方面更科学、更全面的应用方案。

作者简介：刘石（1988-），女，北京人，中国建筑股份有限公司技术中心

邱奎宁（1973-），男，黑龙江人，博士，副研究员，中国建筑股份有限公司技术中心

曾涛（1972-），男，四川人，硕士，研究室主任，中国建筑股份有限公司技术中心