基于Unreal Engine的建筑數(shù)字孿生平臺解決方案及應(yīng)用

文｜華東建筑設(shè)計研究院有限公司 顧于玨 陸磊 吳源昊

0 引言

數(shù)字孿生是某個物理實體（如一幢建筑或城市）的物理實體的3D 模型，而且該3D 模型的動畫是由真實實體的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的，并不間斷地輸入實時數(shù)據(jù)，以更新其功能和進度，以便于分析和優(yōu)化。當來自實體系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)被輸入數(shù)字復(fù)制品后，它會像真實世界里一樣運轉(zhuǎn)起來，立即針對你的進度給出視覺反饋。

一套數(shù)字孿生的系統(tǒng)包括：一個物理實體，生成關(guān)于其運作的實時數(shù)據(jù)，或使用傳感器收集關(guān)于其周邊活動的實時數(shù)據(jù)；一個該物理實體的3D 模型；從物理實體到3D 模型的實時數(shù)據(jù)流送；一個基于軟件的機制，根據(jù)收到的實時數(shù)據(jù)，使3D 模型的視覺表現(xiàn)與物理實體保持一致。

數(shù)字孿生作為一種可視化工具，也經(jīng)常用于可視化表示智慧建筑和智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)，通過建筑模型建立數(shù)字孿生平臺，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用直觀性和便捷性。

1 基于虛幻引擎Unreal Engine 的數(shù)字孿生

虛幻引擎原先為EPIC 公司開發(fā)的次時代游戲引擎，是全球頂尖的實時渲染工具，而目前也發(fā)展成為許多數(shù)字孿生應(yīng)用程序的工具。隨著近年來數(shù)字孿生對視覺效果的逼真度，運行流暢度都有了更高的要求，這對于傳統(tǒng)的CIM、GIS 渲染引擎提出了更高要求；而另一方面虛幻引擎從2015年開始開源，改變了授權(quán)模式，進入了各行各業(yè)，使得各行各業(yè)的用戶都能使用到statof-the-art 的實時渲染技術(shù)，虛幻引擎也不再單純的是一個游戲引擎，而成為了一個實時渲染引擎平臺。

虛幻引擎具有可視化腳本系統(tǒng)使非技術(shù)性用戶，建筑師可以不編寫代碼也能程控3D 模型的過程。此外，虛幻引擎還有內(nèi)置工具，可接受用于處理的實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。相比其他傳統(tǒng)的CIM 平臺的3D 引擎，虛幻引擎具有下列區(qū)別和優(yōu)勢，見表1。

表1 不同3D 渲染引擎的特點

2 數(shù)字孿生的平臺建設(shè)

數(shù)字孿生平臺可分為數(shù)字孿生模型綜合展示系統(tǒng)和智慧樓宇3D 可視化管理系統(tǒng)。

數(shù)字孿生模型綜合展示系統(tǒng)可在設(shè)計階段完成后，利用設(shè)計模型，在施工階段同步完成并投入。智慧樓宇3D 可視化管理系統(tǒng)需在設(shè)備安裝、智能化工程完成，樓宇內(nèi)各系統(tǒng)開通后，再對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對接。數(shù)字孿生模型展示系統(tǒng)著重于三維渲染效果和沉浸式體驗；智慧樓宇3D 可視化管理系統(tǒng)著重于建筑設(shè)備管理和大數(shù)據(jù)整合。

2.1 建筑的數(shù)字孿生模型綜合展示

數(shù)字孿生綜合展示包括樓盤展示、樓宇展示、園區(qū)展示等。一般可在售樓處或展廳設(shè)置多媒體交互系統(tǒng)，利用大屏、觸摸式沙盤、VR 沉浸式體驗等展示，給樓盤選房、產(chǎn)業(yè)招商的客戶帶來最直觀的視覺體驗。

利用基于UE 引擎的Tiwnmotion 平臺，可以對sketchup、revit、Rhino、3Dmax 等設(shè)計模型進行格式統(tǒng)一，整合土建、機電、裝飾、幕墻、景觀等各專業(yè)的設(shè)計模型，并對整合模型進行處理，選擇三維效果動畫或三維實時渲染實現(xiàn)模型展示。以此為基礎(chǔ)，可以建設(shè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合建筑數(shù)字底板，建設(shè)可創(chuàng)建諸如三維視頻、實時三維動畫等類型的互動內(nèi)容，支持交互的圖形化層級式開發(fā)環(huán)境，支持可視化編輯。使用戶可根據(jù)實際需要對各建筑、樓層、專業(yè)的模型進行顯示、隱藏狀態(tài)的切換，三維場景支持視角的自由操作。對涉及的各個建筑、主要設(shè)施、道路干線、綠化景觀、園區(qū)外近場的道路、河流、綠化等及整體大場景進行數(shù)字孿生建模。圖1、圖2、圖3是部分項目工程的展示實時渲染模型。

圖1 珠海中交橫琴廣場的建筑展示模型

圖2 珠海中交橫琴廣場的結(jié)構(gòu)展示模型

圖3 上海宛輕大樓樓層局部展示模型

2.2 建筑設(shè)備的數(shù)字孿生可視化管理

建筑設(shè)備的數(shù)字孿生，包括了暖通、給排水、電力、智能化等專業(yè)的可視化集成。其作用是使數(shù)據(jù)體系化、系統(tǒng)智能化、管控精準化、施工可視化和物管線上化。基于UE 引擎建筑設(shè)備可視化系統(tǒng)有更直觀，更立體的效果。如圖4。

圖4 上海中垠廣場機電設(shè)備可視化管理系統(tǒng)

2.3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接入

數(shù)字孿生系統(tǒng)可對接建議集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、樓宇自動控制系統(tǒng)等。該些系統(tǒng)可視化性和平臺實用性較強，系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化程度較高，易于實現(xiàn)。如果在建設(shè)中消防設(shè)施采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，交互平臺也可對接物聯(lián)網(wǎng)消防系統(tǒng)。

虛幻引擎屬于標準的CS 架構(gòu)(Client/Service RPC)，內(nèi)置狀態(tài)同步功能，其同步頻率與游戲的幀率相同，屬于變長步更新。由于幀率完全受CPU、GPU 性能的影響，所以網(wǎng)絡(luò)同步的頻率與整個平臺硬件的性能息息相關(guān)。通過虛幻引擎的CS 架構(gòu)，與建筑物聯(lián)網(wǎng)的IBMS 集成系統(tǒng)的總機通信，在通過Java 調(diào)用IBMS 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)交互的樓宇監(jiān)控和大數(shù)據(jù)可視化展示。

系統(tǒng)對建筑內(nèi)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進行整合，進行統(tǒng)一的管理和存儲，結(jié)合主要業(yè)務(wù)場景形成相應(yīng)的儀表盤，實時、全面、直觀地展示相關(guān)的數(shù)據(jù)版圖。建立本地的子數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建數(shù)據(jù)與用戶的直接交互的窗口，并在控制中心內(nèi)進行智慧城市和大數(shù)據(jù)展示。

3 展望

2021年5月26 日，EPIC 公司發(fā)布了虛幻引擎5（Unreal Engine 5），加入了Chaos 物理系統(tǒng)、Niagara VFX、卷積混響和環(huán)境立體聲渲染等功能?；赨E5 的建筑數(shù)字孿生模型，不僅可以用于展示和交互，還能夠精確的日照分析、光反射分析、結(jié)構(gòu)分析和聲學分析，其動態(tài)計算結(jié)果對實際工程的仿真計算有更大的幫助。