基于UNTIY 的交互式BIM 展示系統(tǒng)開發(fā)

文｜ 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 胡震 張引玉

近年來，隨著BIM 應(yīng)用的不斷普及和深入，逐步改變了傳統(tǒng)工程項(xiàng)目信息的組織和表達(dá)方式。BIM 技術(shù)開始成為工程項(xiàng)目管理的技術(shù)支持，各種項(xiàng)目信息通過編碼、參數(shù)化的方式與BIM 模型關(guān)聯(lián)起來，BIM 模型成為成果交付、方案匯報(bào)等工作的基礎(chǔ)。因而，BIM 模型可視化技術(shù)是基于BIM 的工程項(xiàng)目管理應(yīng)用的核心技術(shù)支撐。

1 BIM 展示技術(shù)現(xiàn)狀

BIM 模型是集成了建筑幾何信息和非幾何信息的多維度信息模型，與二維CAD圖紙相比，信息量大得多；同時三維模型得表現(xiàn)力更強(qiáng)，在打開和運(yùn)行時占用的計(jì)算機(jī)資源也大得多。

BIM 軟件眾多且操作復(fù)雜，在大型市政項(xiàng)目中，為了滿足不同的應(yīng)用方向，需要使用不同的軟件。而在整合多源異構(gòu)的BIM 模型過程中經(jīng)常遇到BIM 數(shù)據(jù)整合困難的問題，主要可以分為如下三種情況：

（1）模型材質(zhì)或紋理丟失，導(dǎo)致展示效果不佳。由于不同軟件建模方式不同，造成整合及展示過程中材質(zhì)貼圖易丟失，最終展示效果失真。

（2）多源異構(gòu)模型的文件格式繁多，幾何數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致模型整合難度高而且瀏覽體驗(yàn)差。不同BIM建模軟件之間標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不能做到信息的無損傳遞，難以整合全部專業(yè)的BIM 模型進(jìn)行展示。市政工程中BIM模型包含的構(gòu)件較為精細(xì)，整合形成的模型體量大，瀏覽和操作時不流暢。

（3）無法進(jìn)行客戶定制化展示，以滿足不同場景應(yīng)用需要。多數(shù)廠家提供的BIM 模型展示軟件都是獨(dú)立的商業(yè)軟件產(chǎn)品，基本以實(shí)現(xiàn)自由漫游、第三人稱和第一人稱漫游等功能為主，缺乏二次開發(fā)接口，無法按照項(xiàng)目需求進(jìn)行定制化開發(fā)，以滿足各種匯報(bào)場合和展示場景的應(yīng)用。

2 交互式BIM 展示系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

交互式BIM 展示系統(tǒng)基于Unity 圖形引擎進(jìn)行二次開發(fā)，利用3D 模型存儲BIM模型的幾何數(shù)據(jù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲BIM模型的屬性數(shù)據(jù)，信息解析模塊將3D 模型庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息輸出到交互式同步模塊，輸入模塊獲取外部操作指令，以控制虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動，交互式同步模塊根據(jù)輸入模塊的外部操作指令，對3D 模型庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行邏輯處理，顯示模塊實(shí)時顯示交互式同步模塊的邏輯處理結(jié)果。系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線如圖1 所示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)模分離技術(shù)

本系統(tǒng)將模型的幾何信息和屬性信息進(jìn)行了分離，幾何信息在建模軟件中完成，而屬性信息在信息管理系統(tǒng)中完成，這樣當(dāng)模型修改時，不影響屬性信息，當(dāng)屬性信息修改時，不影響模型，可以分別進(jìn)行維護(hù)；在進(jìn)行三維場景漫游的同時能即時的訪問場景中的模型的詳細(xì)信息，而這些信息可以來源于數(shù)據(jù)庫或者是其他的信息管理系統(tǒng)，比如企業(yè)信息管理系統(tǒng)，施工管理系統(tǒng)等等，甚至能接受某些預(yù)警系統(tǒng)推送的報(bào)警數(shù)據(jù)。

3.2 兼容各種主流BIM 模型格式

大型市政項(xiàng)目需要配合的專業(yè)多，每個專業(yè)基于自身的應(yīng)用特色所使用的BIM軟件也不盡相同，本系統(tǒng)可加載多個模型，單個模型最大可達(dá)900MB，整體模型大小沒有限制。同時，系統(tǒng)支持當(dāng)前所有主流三維模型格式導(dǎo)入，支持不同格式的模型文件在此整合，并且提供開放的數(shù)據(jù)接口方式。目前已支持的文件格式主要有rvt、nwd、skp、3ds、fbx、stp 等常見文件格式。

3.3 瀏覽操作方式人性化

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維信息即使傳遞，模型查看無卡頓。系統(tǒng)采用LOD 加載方式，完美協(xié)調(diào)了整體細(xì)節(jié)的把握和大場景構(gòu)建的豐富程度。系統(tǒng)提供游戲式操作，符合絕大多數(shù)人的操作習(xí)慣，能通過自由模式、第一人稱模式、第三人稱模式進(jìn)行瀏覽，并支持行車、行人等漫游方式，同時在任意畫面下都可以切換為模型信息查詢操做，為用戶提供全新式交互體驗(yàn)。漫游場景如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖

圖2 第一人稱視角漫游

圖3 模型樹

3.4 緊貼市政工程項(xiàng)目特定需求

市政工程中的路橋隧項(xiàng)目大多數(shù)為大型線性工程，大型水務(wù)工程項(xiàng)目單體結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)備系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜，傳統(tǒng)的圖形引擎很難支持。本系統(tǒng)針對不同大型工程項(xiàng)目的展示特點(diǎn)，基于游戲引擎進(jìn)行開發(fā)，整合了BIM 模型資源，并根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行C#自主開發(fā)。同時，系統(tǒng)提供二次開發(fā)接口，可按照市政工程的行業(yè)需求進(jìn)行定制化開發(fā)。

4 主要功能介紹

4.1 模型整合

（1）模型樹

市政工程的模型構(gòu)件數(shù)量龐大，利用模型樹可以通過名稱、ID 等進(jìn)行層級管理，同時能夠進(jìn)行批量操作。

模型批量導(dǎo)入后會產(chǎn)生模型樹，模型樹顯示場景中模型的樹結(jié)構(gòu)，樹節(jié)點(diǎn)上的勾選框能控制該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)構(gòu)件的顯隱，雙擊節(jié)點(diǎn)可以在場景中快速定位到該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的構(gòu)件。當(dāng)選擇到模型樹的根節(jié)點(diǎn)和二級節(jié)點(diǎn)時，可以調(diào)整其坐標(biāo)屬性。

（2）材質(zhì)調(diào)整

由于不同軟件建模方式不同，造成整合及展示過程中材質(zhì)貼圖易丟失。不同軟件渲染時的環(huán)境光效不同，整合時難免出現(xiàn)模型失真的情況。在展示系統(tǒng)中可以通過材質(zhì)面板進(jìn)行材質(zhì)調(diào)整，材質(zhì)面板中會列出當(dāng)前場景中所有可以修改的材質(zhì)，通過屬性面板來修改其參數(shù)。

4.2 模型展示

（1）場景剖切

大型市政工程項(xiàng)目的場景大，常常需要透過外表看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而構(gòu)件數(shù)量龐大，逐個隱藏工作量大。展示系統(tǒng)提供場景剖切功能，可以從不同平面對整體模型進(jìn)行剖切，方便查看模型內(nèi)部細(xì)節(jié)，幫助各專業(yè)協(xié)同管理。打開“剖面”開關(guān)，在場景中選擇剖面放置點(diǎn)，場景以剖面模式顯示，放置的剖面可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放調(diào)整。

（2）模型展示設(shè)置

通過場景設(shè)置可以調(diào)節(jié)抗鋸齒程度，8x效果最好，也最消耗硬件性能。當(dāng)場景渲染幀數(shù)比較低時，影響正常操作，可以將LOD調(diào)低提高渲染效率。通過控制“顯示FPS”開關(guān)可以在場景左上角顯示當(dāng)前場景的渲染幀數(shù)?！按翱陲@示”用來顯示浮動窗口面板，若無意關(guān)閉后，可通過此菜單顯示。

4.3 場景漫游

（1）漫游模式

系統(tǒng)提供行人模式及行車模式兩種漫游方式，可針對不同需求進(jìn)行設(shè)置和操作。漫游的過程中可以通過鍵盤或外接游戲手柄等方式操控人物方向。

（2）視頻錄制

按下“錄制”按鈕，可以將漫游場景中攝影機(jī)的畫面生成視頻文件，存放在場景文件目錄的“視頻輸出”目錄下。錄制時，場景會根據(jù)設(shè)置的分辨率和幀數(shù)變快，但并不影響生產(chǎn)的視頻文件，錄制關(guān)閉后恢復(fù)正常。

5 實(shí)際項(xiàng)目場景應(yīng)用

5.1 城市高架快速路工程

基于Unity 的交互式BIM 展示系統(tǒng)給用戶提供更順暢、更便捷的操作體驗(yàn)，提供用戶身臨其境的全景沉浸感和交互感，在大型線性市政工程的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、宣傳展示等各方面都發(fā)揮著重要作用。

展示系統(tǒng)也可通過VR 設(shè)備進(jìn)行查看，給用戶帶來更直觀的沉浸式漫游體驗(yàn)，加強(qiáng)了具象性及交互功能，提升BIM 應(yīng)用效果，解決了工程行業(yè)“所見非所得”、“工程控制難”等常見問題，有助于規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險，減少事故率，加強(qiáng)建設(shè)過程中的項(xiàng)目管理能力。

5.2 地下式污水處理廠工程

基于Unity 的交互式BIM 展示系統(tǒng)在成果交付、多方協(xié)調(diào)、例會匯報(bào)以及宣傳展示等各方面都發(fā)揮著作用，給參建各方帶來便利，開創(chuàng)以模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化工作模式。

展示系統(tǒng)也為智慧水務(wù)工程項(xiàng)目的運(yùn)維過程提供技術(shù)支撐，通過大屏展示等可視化管理方式使竣工數(shù)據(jù)得以沿用。

圖4 材質(zhì)面板

圖5 場景漫游

圖6 VR 端展示

圖7 設(shè)計(jì)人員BIM 成果交付

圖8 施工現(xiàn)場項(xiàng)目可視化交底

圖9 智慧大屏展示