前言

虚拟现实（VR）正在建筑、工程与施工（AEC）及设施管理（FM）行业中日益普及，并与建筑信息模型（BIM）实施紧密相关。VR工具可用于预判运营问题，并在早期设计阶段通过虚拟原型进行模拟。本文探讨了

与现有医院设施的访问、空间及使用性能相关的此类主题。一个案例研究已针对一个集医疗与餐饮空间于一体的展馆展开，该展馆在关键时段存在终端用户流动冲突。人群模拟与沉浸式虚拟环境已被测试作为

占用评估工具。入住后评估（POE）数据已被转化为现有占用条件的动态模拟，该模拟基于展馆的BIM模型中，并考虑了不同终端用户群体。随后，BIM模型与人群模拟结果被导入游戏引擎，

通过VR头显进行可视化与体验，实现从流动分析到终端用户视角（即健全用户、轮椅使用者、视力障碍者）的切换。

虚拟现实技术的应用实现了现有条件的清晰可视化与沟通。此外，POE数据转化为建筑使用场景的动态模拟，可用于内部布局重新配置的预占用评估。最后，人群模拟与沉浸式VR的结合使用，使用户能够在占用评估中感知拥挤情况，并将其用户体验作为设计输入，这代表了一种超越传统资源（如个人经验和法规）的创新方法。

关键词

占用率评估；虚拟现实；人群模拟；沉浸式虚拟环境；建筑性能

1. 简介

虚拟现实（VR）技术在建筑、工程、施工及设施管理（AEC/FM）行业中的应用日益普及，与建筑信息模型（BIM）工具及流程的实施紧密相连。VR工具（如游戏引擎、沉浸式虚拟环境、人群模拟等）可用于不同目的，包括可视化、沟通、分析、设计优化及培训[1] [2] [3]。例如，它们可用于分析设计方案中潜在的施工和运营问题，并从早期设计阶段开始将其模拟为虚拟原型。虚拟原型实际上是设计方案的数字化表示，可在物理实现前进行探索、测试和评估[4] [5]。此外，VR可用于评估设计方案是否满足性能基准要求。例如，从运营结果角度考虑，可采用预入住模拟作为评估方法，以模拟最终用户在活动过程中如使用空间，同时提升客户对设计方案的理解[6]；通过这种方式，在项目建成前即可融入人类体验[1] [7] [8]。例如，可通过模拟残障人士在虚拟空间中的移动轨迹，证明设计方案是否符合与残障人士无障碍通行相关的要求[9]。对于现有建筑，可基于入住后评估（POE）数据开发虚拟模拟，以反映当前使用状况，提供建筑使用反馈并为可能的翻新需求建立基准。此外，文献中存在多个将沉浸式VR应用于迭代设计审查和反馈过程的案例。例如，基于利益相关者反馈，沉浸式VR可有效作为用户中心设计过程中的沟通工具[10]。在沉浸式环境中开发的虚拟原型可从设计初期阶段支持协作设计审查会议，提升利益相关者间的沟通效率[11]，并允许在不同设计场景下评估最终用户的行為和偏好 [12]。在接下来的段落中，描述了一个案例研究，其中VR被应用于现有建筑中运营问题的模拟，以实现沟通和分析目的。实施的方法和获得的结果得到了阐述。未来工作的进一步考虑也得到了介绍。

2. 案例分析

已开发一个案例研究，用于测试两种不同类型虚拟现实（VR）技术的实施效果（即人群模拟和沉浸式虚拟环境），旨在分析现有医院设施当前使用场景中的沟通、访问、空间及使用性能。该VR辅助分析在

与委托方（CE）的合作下进行，委托方希望评估数字化方法在重新配置资产内空间和服务时的优势。为缩小案例研究范围，开发了一个VR概念，用于沟通和分析特定的关键使用条件，考虑了一个展馆，其中既包括医疗空间

（即急诊入口从救护车停车场，电梯通往位于上层的病房）也包括食品空间（即医院食堂、咖啡厅）（图1）。在关键时段（即午餐时间，上午11:45至下午2:45），进入医院食堂可能导致严重排队（图2）。这

增加了人员用餐的等待时间，而人员用餐时间有限，同时干扰了内部和外部用户（如人员、患者、访客）的通行，这些用户正前往电梯前往大楼上层病房。当前使用场景的结果是终端用户流之间的冲突。

CE通过传统POE收集数据以调查此类关键情况。所得数据已附于公开征集可行性研究的公告中，旨在提升当前服务对终端用户需求的响应能力，同时考虑展馆一楼低成本内部布局调整等其他解决方案的可能性。研究小组从这一具体案例出发，实验性地评估(1) VR如何支持CE传达其需求，有效考虑终端用户的视角，以及(2) VR如何支持CE评估设计提案。

图 1 分析医院大楼的底层。主要入口、轮床电梯和医院食堂被标出。

图2 电梯前排队的人群在关键时段，人们从紧急入口进入时的情景

3 现有建筑使用场景的人群模拟

已使用人群模拟工具基于与其他数据源集成的POE，对现有建筑使用场景进行建模和模拟。其目的是了解此类模拟是否能支持CE回答以下问题：现有医院大楼中，

出入口、空间及使用场景的性能如何？终端用户在使用空间和服务时，其需求是否得到满足？

3.1 有关当前使用状况的数据收集

已与CE组织了焦点小组和专题讨论会，对关键问题进行了详细讨论，并探讨了采用数字化方法进行问题评估的可能性。

1. 工程顾问在初步勘察阶段收集的现有调查和建筑使用数据已完成分析

   
   

    2. 已与CE组织了焦点小组和专题讨论会，对关键问题进行了详细讨论，并探讨了采用数字化方法进行问题评估的可能性。

    3. 进一步的现场调查和实地考察已开展，旨在（1）了解不同类型的最终用户在展馆内移动和使用服务时的常规行走路径

    （例如技术操作员、医疗人员、行政人员、医护人员、患者及外部用户）； (2) 获取比CE通过POE提供的

    更窄时间范围内的占用数据。通过移动应用程序收集展馆内关键时间段内不同用户群体的移动人数；

    这些数据以百分比形式处理后，被用作基于BIM的群体模拟工具中当前建筑使用场景模拟的输入数据。

已审查并翻译了可用的竣工文件，将其转换为Autodesk Revit中的BIM模型。该BIM模型的定义级别是根据本案例研究中定义的模型用途确定的，

即将POE数据转换为能够支持现有占用条件沟通和分析的动态模拟。空间、流通路径、外部和内部墙体已被建模以模拟

最终用户的流动。其他元素（如天花板、窗户、家具）以及对空间照明的关注确保了沉浸式体验中更强的存在感，

这将在接下来的段落中描述。展馆现有建筑使用场景，特别是关键时间段（即活动、终端用户、

流通路径、空间），已通过BPMN图形建模方法[13]进行形式化，以组织并作为模拟的参考框架。

3.2 占用数据作为人群模拟的输入

占用数据已被用作人群模拟工具（即Oasys MassMotion）的输入，其中代理已根据分析展馆中最终用户的行为特征进行定制。

创建了多种代理以代表技术操作员、医疗人员、行政人员、医护人员、患者及外部用户（图3）。其特征参数化时考虑了几何数据（例如

活动范围）和行为数据（例如流动路径、移动速度）。每种类型的终端用户特征的代理数量根据

POE数据与现场调查和测量结果相结合设定，测量在关键时段内以15分钟为时间间隔进行。

BIModel 已导入 MassMotion，该系统能够解析行业基础类（IFC）数据格式，并自动识别

阻碍人员移动的元素（例如门、墙体）。

最后，根据BPMN中描述的场景（即关键时间段），运行了模拟，收集的数据被用作模拟参数，以及BIModel的几何约束。

图3 模拟中设置的代理

3.3 基于BIM的人群模拟作为沟通工具

人群模拟的结果已通过迭代审查流程进行优化，该流程包含额外的现场调查及与CE的焦点小组讨论。

此类优化使模拟结果能够准确反映当前实际使用条件下

终端用户访问分析医院楼宇内所提供服务时面临的关键问题。例如，

模拟结果突显了两个用户流（即医院食堂用户与进入建筑并前往电梯的用户）在楼宇大厅

关键时段（午餐时间）的冲突问题。基于此，已与CE及代表性利益相关者群体分享了：

• 对问题的清晰可视化展示，以及向通常不会经历展馆内

    关键时间段的人员传达该问题，但这些人可能需要就此做出决策

    并制定相关策略（例如确定展馆内部布局重新配置的可用预算）（图4）；

• 明确分析展馆中使用服务的终端用户的用户画像（例如：工作人员、访客、

    患者、使用轮椅的残障人士、躺在病床上的患者）（图5）；

• 展馆在关键时段的密度地图，有助于了解关键时段内最常使用的服务，

    并支持未来关于内部空间布局重新配置的设计和决策过程（图6）。

图4 群集模拟的结果已被用于支持与客户的焦点小组讨论

图5 当前状态的人群模拟

图6 展馆在关键时间段的密度图

3.4 基于BIM的人群模拟作为预占用评估工具

占用数据在POE期间收集，并由CE以传统纸质文档形式整理，现已实现数字化。在与现场调查数据整合后，这些数据被用作模拟的输入，

成为当前建筑使用场景及关键问题的动态呈现。关于使用相同的模拟数据和正式化的建筑使用场景来评估内部空间布局重新配置的设计

选项的可能性，已与CE进行了讨论。这样，模拟不仅是POE的结果和当前资产性能的写照，而是成为有效预占用评估的工具

评估设计提案的工具[14]。这一假设通过提出低成本内部布局重新配置方案进行测试。相关BIM模型已

导入MassMotion，基于与现有使用条件相同的数据，模拟再次执行（图7）。通过这种方式，可以

评估在不改变当前建筑使用场景的情况下，如何（1）根据不同设计方案创建建筑的

预入住阶段访问、空间和使用性能模拟，以及（2）最终根据该模拟结果选择其中一个方案。

图7 当前在用场景的群体模拟

应用于低成本重新配置

4 沉浸式虚拟环境

随后，BIModel 和人群模拟均被导入游戏引擎（例如 Unity3D），以便在沉浸式 VR 头显（例如 HTC Vive）中进行可视化和体验，其目的是为了实现沟通与分析。

本案例研究第二部分的目标在于实现从流量分析到终端用户视角的切换，而终端用户正是这些流量的一部分。沉浸式VR技术被用于从多个角度评估建筑空间，模拟了四种不同场景：

• 健全用户（场景0和1）；

• 轮椅使用者（场景2）；

• 推轮椅的人（场景3）；

•  视力障碍者（场景4）。

Unity3D 用于构建沉浸式环境，包括精准的灯光效果、移动系统以及创建各种用户配置文件以进行

模拟（例如视角高度），并原生支持 VR 头显。此外，游戏引擎首次被用于在沉浸式 VR 中导入并可视化 BIM

对象的几何和非几何属性：这对于在虚拟场景中导航时选择和可视化与建筑

对象相关的信息至关重要。Unity 3D与BIM建模平台之间默认不支持互操作性数据流。BIM模型通过

*.fbx数据格式导入Unity3D，并使用C#脚本导入嵌入在BIM对象中的非几何属性，

以便在使用控制器选择对象时进行可视化。还集成了传送系统以在BIM模型中导航。

为了在与建筑的交互中添加“占用”变量，在虚拟环境中导航并体验与医院展馆当前

建筑使用场景中同样拥挤的空间，在MassMotion中开发的群集模拟也已导入

到Unity3D中。此数据流通过从MassMotion导出至Autodesk 3ds Max的

Alembic（ABC）文件进行管理，随后在3ds Max中生成*.fbx文件以供Unity3D使用（图8）。导入游戏引擎后，

人群模拟将保持在MassMotion中定义的代理数量及其移动速度，并符合POE数据规范。

图8 数据流从BIM建模平台到人群模拟和沉浸式虚拟环境

4.1 从不同终端用户的角度进行模拟

已创建四个场景，以从医院展馆和人群模拟的角度体验尽可能多的终端用户角色。虚拟现实（VR）的优势

已得到评估，突出了其作为占用评估工具的作用，以及用于培训目的和更好地理解不同终端用户角色如何感知空间。在Unity3D中修改的第一人称摄像头

支持根据不同场景更改终端用户的视角。

4.1.1 场景 0：身体健全的用户

场景0代表了健全用户的视角，即身高平均且无

残疾、能够在建筑空间内行走的个体。

该场景未启用人群模拟功能

（图9）。

图9 沉浸式虚拟环境中呈现的内部空间

4.1.2 场景1：健全用户与人群模拟

场景1与前一个场景的不同之处在于，

人群模拟已被导入到沉浸式

虚拟环境中，用户可以评估在

人群拥挤的情况下使用建筑空间的感受如何变化（图10）。

图10 健全人视角下的内部空间，包括基于POE数据的人群模拟

4.1.3 场景2：轮椅使用者

场景2展示了轮椅使用者的视角：

电动轮椅的移动已在Unity3D中编程，可通过HTC Vive 3D手柄在VR环境中控制。轮椅使用者

可能代表一名使用轮椅的员工或一名外部访客。已创建一个脚本，通过红色高亮显示

模拟的最终用户在轮椅使用者行动范围内的行走状态。根据CE反馈，医院残疾员工

因当前问题未使用食堂服务，转而选择其他餐饮服务。本场景旨在

帮助CE更好地理解轮椅使用者在建筑空间中的视角，以及其在日常情境中

必须面对的问题（图11）。

图11 基于POE数据模拟轮椅使用者在拥挤环境中的体验。内部空间的可达性

可通过测试和评估进行验证。

4.1.4 场景3：推轮椅的人

场景3旨在模拟最终用户

推动轮椅的情景，这可能适用于陪同患者

从救护车停车场

经紧急入口进入医院病房的医护人员

（图12）。在当前建筑使用场景中，这种

情况在关键时间段内会引发重大问题，因为

从急诊入口进入并前往电梯的最终用户必须

穿过等待进入医院食堂的最终用户队伍。沉浸式

模拟使通常未经历该场景的人能够感受到

这种影响带来的实际不适。

图12 模拟了从紧急入口和电梯出发的

循环路径，视角为推着轮椅的人

4.1.5 场景4：视力障碍者

场景3旨在模拟最终用户推动轮椅的情景，这可能适用于陪同患者

从救护车停车场通过急诊入口进入医院病房的医护人员

（图12）。在当前建筑使用场景中，这种情况在关键时间段内引发重大问题，因为

从急诊入口进入并前往电梯的最终用户必须穿过等待进入医院食堂的最终用户

队伍。沉浸式模拟使通常未经历该场景的人员能够切身感受到这种影响带来的

实际不适。

图12 模拟了从紧急入口和电梯出发的循环路径，视角为推着轮椅的人。

4.1.5 场景4：视力障碍者

场景4模拟了视力障碍者的视角。HTC Vive中渲染的视图已被部分遮挡，以再现视力障碍者的视角

（图13）。敏感路径已在BIM建模平台中建模。一个虚拟手杖，连接到HTC Vive控制器，使用户能够

沿着路径行走，同时在显示的建筑空间中移动。该手杖/控制器已

被编程为在虚拟现实导航过程中触碰敏感路径时产生振动。例如，此类场景可用于：（1）验证

敏感路径及内部空间的设计，包括在新设计方案中作为预入住评估工具；（2）用于培训目的；（3）

更好地理解视力障碍者如何感知空间。

图13 视力障碍用户如何使用模拟手杖沿着敏感路径行进

4.2 反馈收集

针对先前描述的VR辅助场景，我们收集了来自不同背景和VR使用经验的人士（例如计算机科学、土木工程、人文学科、建筑学、建筑无障碍环境、社区体验）的反馈。15位用户被要求在模型中进行导航，测试所提出的场景。他们被要求根据员工、访客和患者的实际动线在空间中移动，以体验在POE期间检测到并在MassMotion中模拟的相同拥挤情况。尽管用户的背景和VR技术经验各不相同，但他们都提供了类似的评论（摘录）：

• 从场景 0 切换到场景 1 时，我们注意到，即使符合建筑规范，空间维度在拥挤的情况下也可能不够用，因为经验表明

• 由于占用模拟而产生的实际不适感是真实的

• 符合 POE 数据的人群模拟为沉浸式虚拟环境作为评估工具的实施提供了附加价值

• CE 强调了从最终用户的角度体验建筑空间的可能性，并将其作为决策过程中的积极输入

• 已经考虑了通过沉浸式技术支持以用户为中心的设计流程和利益相关者参与的可能性

• 沉浸式虚拟现实可以成为分析建筑空间无障碍性的有效工具，超越规范、法规和可计算参数，并实现建筑物当前/未来使用方式的动态模拟

• 沉浸式虚拟现实可以用作培训工具，了解残疾人在空间内的移动和行为方式

5. 结果

模拟和沉浸式虚拟现实 (VR) 在现有建筑的通道、空间和使用性能的沟通和分析中的应用。我们开发了一个案例研究，测试了虚拟现实在医院楼宇中的应用。该楼宇同时设有医疗和餐饮空间，导致关键时段的终端用户流发生冲突。

人群模拟已用于整合大量纸质的 POE 数据，并将其转换为关键使用状态的动态表示；该案例研究使研究团队和 CE 了解需要哪些类型的 POE 数据来创建可靠的使用状态模拟。这种模拟可以清晰地将当前问题可视化，并传达给那些通常不会遇到这些问题但参与资产管理相关决策的人员。

此外，数字模拟的 POE 数据也已应用于低预算内部布局重新配置设计方案的入住前评估。沉浸式VR技术展现了从流量分析转向终端用户视角评估的可能性，能够模拟他们在日常情境中的视角。事实上，人群模拟与沉浸式VR技术的结合，能够让用户在空间占用评估中感知拥挤程度，并将用户体验作为设计输入，这代表了一种超越个人经验和法规等传统资源的创新方法。该应用可以支持设计方案的验证、当前使用场景的评估，以及更好地理解终端用户如何感知空间及其在满足其需求方面的表现。

我们已提出并测试了一种数据流，用于连接BIM创作平台、人群模拟工具和沉浸式虚拟环境。此外，CE已开始考虑将类似模拟的输出（例如视频）附加到传统纸质文档中，以便更好地向供应商传达需求和要求。

6 Conclusion

本文所述的案例研究旨在评估如何利用虚拟现实技术来传达和分析现有建筑在通道、空间和使用性能方面的当前使用状况。该案例研究在概念上将迭代评审和反馈流程（例如，入住后评估）与简报流程（例如，重申行动需求、评估经验教训、需求和期望）联系起来。

在工程建设/设施管理 (AEC/FM) 流程中实施虚拟现实技术，应进一步考虑和研究以下方面：技术、程序和合同方面应整合到一个单一的实施框架中。特别是：

•  应根据不同的流程（例如协同设计评审、用户参与、建筑规范检查）考虑各种 VR 技术的适用性 [11]

• 在实施 VR 之前，应深入评估流程阶段、需要参与的用户、需要分析的相关责任和要求

• 应调查在 AEC/FM 流程中实施 VR 辅助模拟相关的合同方面（例如，如果模拟性能与实际性能之间出现差距，可能产生的后果）

此外，VR技术在AEC/FM行业中的“新奇效应”值得关注：本文所述的案例研究持续了五个月，在此期间，CE反复参与，验证模拟效果并评估该方法的潜在优势。

CE花费了相当长的时间，才从将模拟视为一个花哨的视频，转变为更深入地理解其沟通和分析优势。作为首次尝试，本案例研究受到了“新奇效应”的影响，但最终结果表明，在未来的行动中，VR技术以及BIM方法论可能会得到有效实施。

致谢

本案例研究由 Marco Storchi 及其在意大利博洛尼亚圣奥索拉-马尔皮吉综合医院的团队合作开展，旨在进行实验研究。作者谨此感谢 Markus König 教授对本项目的贡献。

研究活动由意大利国家研究委员会建筑技术研究所和 MIUR-DAAD 联合移动项目赞助，该项目已于 2015 年授予布雷西亚大学和波鸿鲁尔大学。