1 引言

虚拟现实 (VR) 技术在建筑、工程、施工和设施管理 (AEC/FM) 行业中的应用日益普及，这与建筑信息模型 (BIM) 工具和流程的实施密切相关。VR 工具（例如游戏引擎、沉浸式虚拟环境、人群模拟）可用于多种用途，例如可视化、交流、分析、设计优化设计和培训 [1] [2] [3]。例如，它们可以用来分析设计方案中最终可能出现的施工和运营问题，并从设计初期就将其模拟成虚拟原型。虚拟原型实际上是设计方案的数字化表示，可以在实际实现之前进行探索、测试和评估 [4] [5]。此外，VR 还可用于评估设计方案是否满足基于性能的要求。例如，考虑到运营结果，可以采用入住前模拟作为评估方法，以模拟最终用户在活动期间如何使用空间，同时增进客户对设计方案的理解[6]；这样，在项目建成之前就将人性化体验融入其中[1][7][8]。例如，可以通过模拟残疾人在虚拟空间中的活动来证明设计方案是否符合无障碍设施的要求[9]。对于现有建筑，可以基于与当前使用状况相关的入住后评估 (POE) 数据开发虚拟模拟，以提供有关建筑使用情况的反馈，并为可能的翻新需求设定基准。此外，文献中也有一些将沉浸式虚拟现实应用于迭代设计审查和反馈过程的案例。例如，沉浸式虚拟现实可以有效地用作以利益相关者反馈为基础的以用户为中心的设计流程中的沟通工具[10]。在沉浸式环境中开发的虚拟原型可以从设计早期阶段开始支持协同设计评审会议，从而改善利益相关者之间的沟通[11]，并能够在不同的设计场景下评估最终用户的行为和偏好[12]。

以下段落描述了一个案例研究，其中VR技术已应用于模拟现有建筑中的运行问题，并具有沟通和分析的目的。文中阐述了实施方法和获得的结果，并介绍了未来工作的进一步思考。

2 案例研究

本案例研究旨在测试两种不同类型的虚拟现实 (VR) 技术（即人群模拟和沉浸式虚拟环境）的实施效果，探讨现有医院设施当前使用场景的通道、空间和使用性能的沟通与分析。VR 辅助分析是与承包实体 (CE) 合作进行的，承包实体希望评估数字化方法在重新配置资产空间和服务方面的优势。为了缩小案例研究的范围，我们开发了一个 VR 概念，用于沟通和分析特定的关键使用情况。该概念考虑了一个同时包含医疗区（例如从救护车停车场到楼上病房的紧急入口）和餐饮区（例如医院食堂、自助餐厅）的楼宇（图 1）。在关键时段（例如午餐时间，上午 11:45 至下午 2:45），医院食堂的入口可能会出现大量排队（图 2）。这增加了工作人员的等待时间（他们午餐时间有限），并干扰了内部和外部用户（例如工作人员、患者、访客）的出入，他们往往前往电梯前往楼上的病房。这种当前使用场景的结果是最终用户流量之间的冲突。

CE 进行了传统的现场环境调查 (POE)，以收集数据来调查此类紧急情况。调查结果数据已附在一份公开征集的可行性研究中，旨在改进当前的服务响应，以满足最终用户的需求，同时考虑以低预算重新配置底层展馆内部布局的可能性以及其他解决方案。研究小组从这一具体案例出发，通过实验评估：(1) VR 如何支持 CE 有效地从最终用户的角度出发，传达其需求；(2) VR 如何支持 CE 评估设计方案。

图1 所分析医院楼底层。图中突出显示了主入口、轮式病床电梯和医院食堂

图2 关键时段电梯前排队，人们从紧急入口抵达

3 现有建筑使用场景的人群模拟

我们利用人群模拟工具，基于集成了其他数据源的POE，来表示和模拟现有建筑的使用场景。目的在于了解此类模拟是否能够支持CE回答以下问题：现有医院楼宇的通道、空间和使用场景表现如何？最终用户在使用空间和服务方面的需求是否得到满足？

3.1 当前使用状况数据收集

本案例研究整合了三个数据源，用于评估当前的建筑使用场景：

1. 分析了现有调查以及环境工程师在现场验收 (POE) 期间收集的建筑使用数据。

2. 与环境工程师一起组织了焦点小组和专题讨论会，详细讨论了关键问题，并探讨了引入数字化方法进行问题评估的可能性。

3. 开展了进一步的现场调查和巡查，旨在 (1) 了解各类终端用户在展馆内移动和使用服务的常见移动路径（例如，技术操作员、医护人员、行政人员、医务人员、患者和外部用户）；(2) 获取比环境工程师在现场验收 (POE) 中提供的数据更窄的时间范围内的占用率数据。我们使用移动应用程序根据用户画像收集关键时段在展馆内移动的终端用户数量；这些数据以百分比形式呈现，并作为输入，用于在基于 BIM 的人群模拟工具中模拟当前的建筑使用场景。

已审查可用的竣工文件，并将其转换为 Autodesk Revit 中的 BIModel。BIModel 的定义级别是根据本案例研究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状况沟通和分析的动态模拟。已对空间、动线路径、外墙和内墙进行了建模，以模拟最终用户的流动。其他元素（例如天花板、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临场感，这将在下文中描述。展馆现有的建筑使用场景与关键时段（即活动、最终用户、动线路径、空间）相关，已通过 BPMN 图形建模方法 [13] 形式化，以便组织流程并用作模拟的参考框架。

3.2 占用率数据作为人群模拟的输入

占用率数据已被用作人群模拟工具（即 Oasys MassMotion）的输入，其中的代理已根据所分析展馆内终端用户的概况进行定制。我们创建了各种代理，分别代表技术操作员、医护人员、行政人员、医务人员、患者和外部用户（图 3）。这些代理的概况已根据几何

数据（例如，活动范围）和行为数据（例如，流通路径、移动速度）进行参数化。每种终端用户概况的代理数量已根据现场调查数据（POE）以及在关键时段内以 15 分钟为一个时间段进行的现场调查和测量结果进行设置。

该 BIModel 已导入 MassMotion，MassMotion 能够解析工业基础类 (IFC) 数据格式，并自动识别阻碍人员流动的元素（例如门、墙）。

最后，根据 BPMN 中描述的场景（即关键时间段）运行模拟，并使用收集到的数据作为模拟参数和 BIModel 的几何约束。

图3 模拟的代理设置

3.3 基于 BIM 的人群模拟作为沟通工具

通过迭代评审流程，以及与 CE 的额外现场

调研和焦点小组讨论，人群模拟结果得到了优化。这种优化使模拟结果能够真实反映当前的使用状况以及终端用户在所分析的医院楼宇中获取服务时遇到的关键问题。例如，模拟结果突显了在关键时段（午餐时间）在楼宇大厅中，两种终端用户流（即医院食堂的用户和进入大楼并前往电梯的用户）之间的冲突问题。基于此，我们得以与 CE 和利益相关者代表分享：

 清晰地展现问题，并将问题传达给那些通常不会在展馆关键时段体验到，但可能需要做出决策并制定相关策略的人员（例如，确定内部布局重新配置的可用预算）（图4）；

 明确使用所分析展馆所提供服务的终端用户的画像（例如，工作人员、访客、患者、使用轮椅的残疾人、使用病床的病人）（图5）；

 绘制展馆在关键时段的密度图，有助于了解哪些服务在关键时段使用率最高，并支持未来关于内部空间布局配置的设计和决策过程（图6）。

图 4 人群模拟的结果已用于支持与客户的焦点小组

图5 当前人群状况模拟

图6 关键时段展馆密度图

3.4 基于BIM的人群模拟作为入住前评估工具

在项目验收 (POE) 期间收集并由 CE 整理成传统纸质文档的占用数据已数字化。这些数据与现场勘测数据相结合后，被用作模拟的输入，成为当前建筑使用场景和关键问题的动态表示。我们已与 CE 讨论了使用相同的模拟数据和正式的建筑使用场景来评估内部空间布局重新配置的设计方案的可能性。这样，模拟将不仅仅是入住后评估的结果和当前资产性能的图景，而且将成为对设计方案进行有效的入住前评估的工具 [14]。我们已通过提出低预算的内部布局重新配置方案来验证这一假设。相关的 BI 模型已导入 MassMotion，并基于与现有使用状态相同的数据再次执行了模拟（图 7）。通过这种方式，可以评估如何在不改变当前建筑使用场景的情况下，（1）根据各种设计方案，对建筑的通道、空间和使用性能进行入住前模拟，以及（2）最终根据模拟结果选择其中一种方案。

4 沉浸式虚拟环境

随后，BIModel 和人群模拟都被导入游戏引擎（例如 Unity3D），并在沉浸式 VR 头戴设备（例如 HTC Vive）中进行可视化和体验，同时兼顾沟通和分析的目的。本案例研究的第二部分旨在探索从人流分析切换到终端用户视角

的可能性，终端用户也是人流的一部分。

沉浸式 VR 已用于从不同视角评估建筑空间，模拟了四种不同的场景：

 健全用户（场景 0 和 1）；

 坐轮椅的人（场景 2）；

 拉轮椅的人（场景 3）；

 视障人士（场景 4）。

Unity3D 用于构建沉浸式环境，该环境具有精确的光照、运动系统，并创建了各种待模拟的终端用户配置文件（例如视点高度），原生支持 VR 头显。此外，游戏引擎首先用于在沉浸式 VR 中导入和可视化 BIM 对象的几何和

非几何属性：这对于在虚拟场景导航时选择和可视化与建筑对象相关的信息至关重要。默认情况下，Unity3D 和 BIM 创作平台之间无法实现互操作的数据流。BIModel 已通过 *.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，以便在使用其中一个控制器选择它们时进行可视化。此外，还集成了一个传送系统来导航 BIModel。为了在与建筑的交互中添加“占用”变量，以便在虚拟环境中导航并体验与医院楼当前建筑使

用场景一样拥挤的空间，MassMotion 中开发的人群模拟也被导入 Unity3D。此数据流由从 MassMotion 导出到 Autodesk 3ds Max 的 Alembic (ABC) 文件管理，然后在其中创建了一个 *.fbx 文件以供在 Unity3D 中使用（图 8）。

导入游戏引擎后，人群模拟将保持 MassMotion 中定义的代理数量及其移动速度，并符合 POE 数据。

图 8 从 BIM 创作平台到人群模拟和沉浸式虚拟环境的数据流

4.1 从不同终端用户的角度进行模拟

我们创建了四个场景，以便从尽可能多的终端用户视角体验医院展馆和人群模拟。我们评估了VR的优势，重点强调了其作为占用率评估工具的作用、其在培训中的应用，以及更好地理解不同终端用户如何感知空间。

Unity3D中改进的第一人称摄像机支持根据不同场景改变终端用户的视角。

4.1.1 场景 0：健全用户

场景 0 代表健全用户的视角，即身高平均、无残疾且能够在建筑空间内行走的人。

此场景未启用人群模拟（图 9）。

图 9 沉浸式虚拟环境中可视化的内部空间

4.1.2 场景 1：健全用户与人群模拟

场景 1 与前一个场景不同，因为沉浸式虚拟环境中已导入人群模拟，用户可以评估在拥挤情况下使用建筑空间的感受如何变化（图 10）。

图 10 健全人所看到的室内空间，包括基于 POE 数据的人群模拟

4.1.3 场景2：坐轮椅的人

场景 2 代表轮椅使用者的视角：电动轮椅的移动已在 Unity3D 中编程，可在 VR 中使用 HTC Vive 3D 摇杆进行控制。轮椅使用者可以代表坐在轮椅上的员工，也可以代表外部访客。我们创建了一个脚本，用于在轮椅使用者活动范围内，通过红色高亮显示正在行走的（模拟）终端用户。

据 CE 称，由于目前存在的问题，医院的残疾员工不会使用食堂服务，而是选择其他餐饮服务。此场景旨在帮助 CE 更好地理解轮椅使用者使用建筑空间的视角，以及他们在日常情况下必须面对的问题（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以进行测试和评估

4.1.4 场景 3：推轮椅的人

场景 3 旨在模拟最终用户推轮椅的情况，例如医护人员陪同患者从救护车停车场经急诊入口进入医院病房的情况（图 12）。在当前的建筑使用场景中，这种情况会在关键时段造成重大问题，因为从急诊入口进入电梯的最终用户必须穿过排队等候进入医院食堂

的最终用户队伍。沉浸式模拟让通常不会经历这种情况的人也能感受到这种暗示带来的实际不适。

图 12 从推轮椅的人的角度模拟从紧急入口到电梯的交通路径

4.1.5 场景 4：视障人士

场景 4 模拟了视障人士的视角。HTC Vive 中的渲染视图已被部分遮挡，以重现视障人士的视角（图 13）。敏感路径已在 BIM 创作平台中建模。连接到 HTC Vive 控制器的虚拟手杖使用户能够在显示的建筑空间中行走时沿着

路径行走。手杖/控制器已被编程为在 VR 导航过程中触碰敏感路径时会振动。例如，此类场景可用于 (1) 验证敏感路径和内部空间的设计，也可在新的设计方案中用作入住前评估工具；(2) 用于培训目的；(3) 更好地了解视障

人士如何感知空间。

图 13 视障人士如何借助模拟手杖沿着敏感路径行走

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、社区参与）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

本文描述了人群模拟和沉浸式虚拟现实技术在现有建筑的通行、空间和使用性能的交流和分析中的应用。我们开发了一个案例研究，测试了虚拟现实技术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量发生冲突。人群模拟已用于整合大量纸质的POE数据，并将其转化为关键使用状态的动态表示；该案例研究使研究团队和CE能够了解需要哪些类型的POE数据来创建可靠的使用状态模拟。这种模拟能够清晰地将当前问题可视化，并传达给那些通常不会经历这些问题但参与其中的人们。

5 结果

本文描述了人群模拟和沉浸式虚拟现实 (VR) 技术在现有建筑的通行、空间和使用性能的沟通与分析中的应用。本文已开发了一个案例研究，测试了虚拟现实技术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量发生冲突。

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 了解了需要哪些类型的 POE 数据来创建可靠的使用状态模拟。这种模拟能够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，数字化模拟的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况下的视角。事实上，人群模拟与沉浸式VR技术的结合，使用户能够在入住评估中感知拥挤程度，并将用户体验作为设计输入，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（例如视频）的输出附加到传统纸质文档中的可能性，以便更好地向供应商传达需求和要求。

6 结论

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。具体而言：

1. 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）考虑各种虚拟现实技术的适用性[11]

2. 在实施虚拟现实技术之前，应深入评估流程阶段、需要参与的用户、相关责任和需要分析的需求

3. 应调查在 AEC/FM 流程中实施虚拟现实辅助模拟相关的合同方面（例如，如果模拟结果与实际性能出现差距，将会产生哪些后果）

此外，还应考虑虚拟现实技术在 AEC/FM 行业中的创新效应：本文所述的案例研究持续了五个月，在此期间，工程师 (CE) 反复参与，以验证模拟效果并评估这种方法的潜在益处。工程师花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颖性效应的影响，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。