基于UE4及BIM數(shù)據(jù)的建筑模型自動(dòng)建模系統(tǒng)研究

方 瑾 謝雄耀 董道國(guó) 徐金峰 沈馳遠(yuǎn) 姜 毅

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系 上海 200092；2. 華建數(shù)創(chuàng)（上海）科技有限公司 上海 200000；3. 上海黃浦江大橋建設(shè)有限公司 上海 200090

黨的十九大報(bào)告明確提出了數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)概念，作為數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)戰(zhàn)略落地實(shí)施的重要載體，智慧建筑行業(yè)正步入迅速發(fā)展的新時(shí)代。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)領(lǐng)域的延伸，對(duì)智慧建筑行業(yè)創(chuàng)新、融合、轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求日趨強(qiáng)烈。

從行業(yè)政策上來(lái)看，我國(guó)智能建筑已經(jīng)歷二十多年發(fā)展歷程，智慧建筑的概念和實(shí)踐體系處于初步形成階段，智慧建筑市場(chǎng)未來(lái)前景巨大。國(guó)內(nèi)外針對(duì)智能建筑、智慧建筑的定義和做法不盡相同。針對(duì)我國(guó)智慧建筑行業(yè)的發(fā)展歷程進(jìn)行簡(jiǎn)單梳理，其中《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》是智慧建筑發(fā)展的里程碑，該標(biāo)準(zhǔn)分別在2000年、2006年、2015年發(fā)布最新版本[1-3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)作為工程建設(shè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要工具，全面整合了工程項(xiàng)目全生命周期的數(shù)據(jù)，主要包括幾何信息和非幾何信息，其中幾何信息主要指三維模型，非幾何信息主要指模型構(gòu)件的屬性，與構(gòu)件關(guān)聯(lián)的工程進(jìn)度信息、造價(jià)信息、管理信息等。其優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)使用二維圖紙進(jìn)行工程建設(shè)而言，主要提高了模型的可視化效果，促進(jìn)了專(zhuān)業(yè)間的溝通協(xié)作，形成一個(gè)公共數(shù)據(jù)環(huán)境，增加了信息透明度和可追溯性。

但是，其不足之處在于BIM軟件相對(duì)較“重”，對(duì)硬件要求高，模型渲染效果差，尤其是針對(duì)不規(guī)則的建筑幾何形狀，如弧形、不規(guī)則的零件結(jié)構(gòu)等。而游戲引擎的渲染效果逼真，但是建模功能又較差，如Unreal Engine 4（簡(jiǎn)稱(chēng)UE4）是由Epic Games推出的一款游戲開(kāi)發(fā)引擎[4]，擁有較高的集成度和行業(yè)領(lǐng)先的圖形技術(shù)。

綜上，采用虛幻引擎UE4結(jié)合BIM數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑模型自動(dòng)建模并渲染的方法，是值得研究的。

1 基于UE4及BIM數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模方法

1.1 自動(dòng)建模系統(tǒng)模型構(gòu)建

基于UE4及BIM數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模模型構(gòu)建主要包括4個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 模型構(gòu)建流程示意

第一步，在UE4中制作項(xiàng)目模板。

第二步，通過(guò)BIM引擎解析BIM模型，首先需要對(duì)建筑模型中常用的各種構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化，包括常用材質(zhì)庫(kù)的參數(shù)化，納入到UE4引擎中，便可在UE4引擎中對(duì)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中的各種構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)保持了與BIM模型中材質(zhì)庫(kù)的一致性。

第三步，在模型自動(dòng)生成模塊中構(gòu)建與BIM模型相同的模型，通過(guò)調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中與各個(gè)建筑構(gòu)件一一對(duì)應(yīng)的若干構(gòu)件，并且將對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)定為與BIM模型中的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何與非幾何信息一致。其中構(gòu)件的參數(shù)主要包括坐標(biāo)信息、幾何尺寸、空間位置、幾何形狀、地理位置信息、構(gòu)件材質(zhì)信息、構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括包含、嵌套、連接、剪切。

第四步，運(yùn)行自動(dòng)渲染模塊，對(duì)模型自動(dòng)生成模塊構(gòu)建的模型進(jìn)行渲染。包括讀取BIM模型中的各個(gè)建筑構(gòu)件的構(gòu)件材質(zhì)信息；在參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中檢索與BIM模型的各個(gè)建筑構(gòu)件對(duì)應(yīng)的若干構(gòu)件，再將構(gòu)件材質(zhì)信息附著到若干構(gòu)件上；最后，讀取BIM模型中的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何形狀、幾何尺寸、地理位置信息、空間位置時(shí)，對(duì)需要局部光照或全局光照的BIM模型的建筑構(gòu)件對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，進(jìn)行光照渲染。

1.2 自動(dòng)建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第一步環(huán)節(jié)，在UE4中制作一項(xiàng)目模板，參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中具有建筑模型常用的各種構(gòu)件，如柱、梁、板、墻、門(mén)、窗、幕墻等，UE4可以定義各個(gè)構(gòu)件，并對(duì)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中的各種構(gòu)件的參數(shù)通過(guò)接入外部數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。例如，UE4中的基本幾何體筆刷及靜態(tài)幾何體網(wǎng)格，將一個(gè)或多個(gè)幾何體組合轉(zhuǎn)化為一個(gè)藍(lán)圖腳本，在藍(lán)圖腳本中添加變量以控制網(wǎng)格的變換，包括位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度、縮放比例、移動(dòng)性和材質(zhì)信息等，這些變量與BIM模型的構(gòu)件屬性是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)將BIM模型的構(gòu)件屬性作為變量值輸入該藍(lán)圖腳本后，將得到一個(gè)幾何形狀與BIM模型的構(gòu)件保持一致的幾何體，其中一個(gè)藍(lán)圖腳本對(duì)應(yīng)一種BIM模型的構(gòu)件。同時(shí)，參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)還設(shè)有常用材質(zhì)庫(kù)，常用材質(zhì)庫(kù)與BIM模型中的材質(zhì)庫(kù)保持一致（圖2）。

圖2 藍(lán)圖腳本編輯界面

模型自動(dòng)生成模塊用于調(diào)用外部接口以獲取BIM模型數(shù)據(jù)和實(shí)例化BIM構(gòu)件庫(kù)中的構(gòu)件，將所有藍(lán)圖腳本保存至參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中，并將常用建筑材質(zhì)保存至項(xiàng)目模板。

自動(dòng)渲染模塊用于對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)貼圖和光照渲染。

項(xiàng)目模板還具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，由于BIM模型與UE4的坐標(biāo)系不一致，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。阮志敏等[5]研究了UE4空間尺度和BIM模型中坐標(biāo)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終成功搭建了三維場(chǎng)景模型。本研究采用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理是在UE4中尋找BIM模型的原點(diǎn)，然后將其創(chuàng)建為一個(gè)參考原點(diǎn)向量，再把BIM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)向量加上參考原點(diǎn)的坐標(biāo)向量，生成BIM模型數(shù)據(jù)在UE4中對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)向量。統(tǒng)一單位后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換代碼如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換源代碼

在第二步中，BIM引擎解析BIM模型，將BIM模型的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何與非幾何信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中，若干構(gòu)件的參數(shù)包含幾何形狀、幾何尺寸、坐標(biāo)信息、構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、構(gòu)件材質(zhì)信息、地理位置信息、空間位置，及上述的旋轉(zhuǎn)角度、縮放比例、移動(dòng)性等。其中，構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系包含但不限于包含、嵌套、連接、剪切等。

此外，使用基于Revit二次開(kāi)發(fā)的BIM引擎ArcEngine對(duì)BIM模型解析，解析后可將所有構(gòu)件的幾何與非幾何信息存儲(chǔ)到MySQL和Dgraph數(shù)據(jù)庫(kù)中，編寫(xiě)API使外部程序可以根據(jù)項(xiàng)目名稱(chēng)調(diào)用BIM數(shù)據(jù)。

在第三步中，UE4讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何與非幾何信息，模型自動(dòng)生成模塊構(gòu)建與BIM模型相同的模型。模型自動(dòng)生成模塊通過(guò)接口調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中與各個(gè)建筑構(gòu)件一一對(duì)應(yīng)的若干構(gòu)件。藍(lán)圖腳本通過(guò)上述API接口調(diào)用BIM數(shù)據(jù)，并在參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中通過(guò)構(gòu)件名稱(chēng)匹配對(duì)應(yīng)的構(gòu)件。

將若干構(gòu)件的參數(shù)設(shè)定為與BIM模型中的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何與非幾何信息一致。將BIM構(gòu)件屬性值自動(dòng)填充進(jìn)藍(lán)圖腳本，生成模型，若BIM模型的坐標(biāo)系與UE4的坐標(biāo)系不統(tǒng)一，則通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后在相應(yīng)場(chǎng)景中實(shí)例化構(gòu)件，模型生成后，根據(jù)BIM數(shù)據(jù)中構(gòu)件之間的嵌套、剪切、連接等關(guān)系，在UE4中重建其關(guān)聯(lián)性，使其與BIM模型中的建筑構(gòu)件保持一致。

在第四步中，運(yùn)行自動(dòng)渲染模塊，對(duì)模型自動(dòng)生成模塊構(gòu)建的模型進(jìn)行渲染。渲染過(guò)程中，UE4會(huì)自動(dòng)讀取BIM模型中的各個(gè)建筑構(gòu)件的構(gòu)件材質(zhì)信息。同時(shí)在參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)中UE4自動(dòng)檢索與BIM模型的各個(gè)建筑構(gòu)件對(duì)應(yīng)的若干構(gòu)件，將構(gòu)件材質(zhì)信息附著到若干構(gòu)件上。然后，UE4自動(dòng)讀取BIM模型的各個(gè)建筑構(gòu)件的幾何形狀、幾何尺寸、空間位置、地理位置信息，對(duì)需要局部光照（如窗戶(hù)、幕墻等透光區(qū)域構(gòu)件），或全局光照的BIM模型建筑對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，進(jìn)行光照渲染。如自動(dòng)渲染模塊會(huì)根據(jù)API從BIM模型獲取的構(gòu)件材質(zhì)信息，自動(dòng)對(duì)使用相同材質(zhì)的構(gòu)件表面分組后統(tǒng)一附著材質(zhì)，對(duì)窗戶(hù)、幕墻等透光區(qū)域，根據(jù)其空間位置和大小自動(dòng)生成lightmass門(mén)戶(hù)，提高光照質(zhì)量，進(jìn)行光照渲染。此外，自動(dòng)渲染模塊還會(huì)根據(jù)地理位置信息和天氣情況預(yù)制的光照?qǐng)鼍?，預(yù)制多個(gè)全局光照?qǐng)鼍埃詣?dòng)進(jìn)行渲染。

1.3 自動(dòng)建模系統(tǒng)應(yīng)用案例

本研究以某銀行總部辦公大廈的三維模型重構(gòu)為示例，應(yīng)用基于UE4和BIM數(shù)據(jù)的建筑模型自動(dòng)建模方法。首先導(dǎo)入原大廈BIM三維模型，然后在UE4中建立項(xiàng)目模板，利用BIM引擎解析，得到大廈內(nèi)部所有構(gòu)件的幾何和非幾何信息，儲(chǔ)存在MySQL和Dgraph數(shù)據(jù)庫(kù)中。再編寫(xiě)API使外部程序調(diào)用BIM數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，根據(jù)BIM數(shù)據(jù)中構(gòu)件之間的嵌套、剪切、連接等關(guān)系在UE4中重建其關(guān)聯(lián)性，使其與BIM模型中的建筑構(gòu)件保持一致。最后，運(yùn)行自動(dòng)渲染，結(jié)果如圖4所示。

圖4 某銀行總部辦公大廈三維模型重構(gòu)建模

2 結(jié)語(yǔ)

為解決BIM軟件運(yùn)行量大，對(duì)硬件要求高，效率低，模型渲染效果差，尤其是針對(duì)不規(guī)則的建筑幾何形狀，如弧形、不規(guī)則的零件結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，本研究采用虛幻引擎UE4結(jié)合BIM數(shù)據(jù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑模型自動(dòng)建模并渲染，充分利用了BIM模型完整的幾何及非幾何信息和UE4游戲引擎強(qiáng)勁的渲染效果，使得建模后的模型展示效果更為逼真。這種創(chuàng)新建模方式使得用戶(hù)的交互體驗(yàn)感更強(qiáng)，驗(yàn)證了建筑設(shè)計(jì)的精確度和設(shè)計(jì)效果。同時(shí)，本研究方法能夠?qū)δＰ托畔⒌闹亟ê弯秩具M(jìn)行自動(dòng)化處理，整合建筑時(shí)空數(shù)據(jù)，打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，為智慧建筑行業(yè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展提供了借鑒。