于亞東YU Ya-dong

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州 310002）

0 引言

近年來隨著BIM 技術(shù)的推廣，國內(nèi)在建的很多工程初步實現(xiàn)了設(shè)計、施工和運維的全過程應(yīng)用。但BIM 技術(shù)在國內(nèi)水利工程領(lǐng)域的研究和探索目前主要還是側(cè)重于模型的前期構(gòu)建、正向設(shè)計以及簡單的三維可視化等方面，這些應(yīng)用面對水利數(shù)字化改革的浪潮，已經(jīng)遠遠不能滿足需求方的高標(biāo)準(zhǔn)要求。除了無法最大化的挖掘BIM模型信息在數(shù)據(jù)承載方面的優(yōu)勢外，一旦項目結(jié)構(gòu)物眾多，體量增大，現(xiàn)有的集成展示將會出現(xiàn)分層加載、緩存速度慢、效果不真實等諸多問題，嚴重影響使用效果。無論是運用傳統(tǒng)模型瀏覽方式還是GIS 平臺都無法解決這一問題，因此，迫切需要引入具有實時渲染、場景精美的三維仿真展示平臺。

Unity3D 是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎，因其具有三維場景渲染效果酷炫、跨平臺移植能力強大等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、3D 影視制作、工程BIM 模型整合展示等領(lǐng)域。

線性水利工程場景主要展示結(jié)構(gòu)物、周邊建筑、周圍環(huán)境，具有條帶長、模型多、體量大等特點，難以在具有較好展示效果的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輕量化。研究BIM 與Unity3D 的結(jié)合及三維仿真場景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，符合水利BIM 技術(shù)發(fā)展應(yīng)用要求。

本文以在建的臺州市循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)海塘提升工程為實例構(gòu)建了三維仿真場景，驗證此技術(shù)方案的可行性和實用性，在此基礎(chǔ)上打造的智慧建設(shè)管理平臺為BIM模型增值、水利數(shù)字賦能提供了依托。

1 工程概況

臺州市循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)海塘提升工程位于臺州灣西側(cè)，是響應(yīng)臺州市委“主攻沿海、創(chuàng)新轉(zhuǎn)型”戰(zhàn)略，推進海洋經(jīng)濟發(fā)展，提升城市品位，保障循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的可持續(xù)發(fā)展的浙江省百項千億重點水利建設(shè)項目。項目主要由海塘提標(biāo)加固工程、新開護塘河工程、新建閘站工程和沿塘生態(tài)修復(fù)工程共四部分組成，堤線長度約16.3km，工程等別為Ⅰ等，估算總投資30.48 億元。工程建成后，防洪擋潮標(biāo)準(zhǔn)可達100 年一遇，能夠滿足集聚區(qū)經(jīng)濟建設(shè)需要，提升區(qū)域水安全，為城市發(fā)展提供保障。

2 工作流程

海塘工程三維場景的構(gòu)建主要包括三維模型的建模和導(dǎo)入、場景元素的渲染、交互指令的添加、系統(tǒng)操作界面的設(shè)計和系統(tǒng)發(fā)布五個流程，如圖1 所示。

圖1 海塘仿真場景工作流程

3 BIM 模型構(gòu)建

本項目采用以Revit 為核心的系列軟件進行全專業(yè)協(xié)同設(shè)計。建模前期規(guī)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用一致的項目基點，不同專業(yè)根據(jù)分配好的項目工作集，構(gòu)建完整的LOD400BIM 模型。（圖2）

圖2 BIM 模型

采用參數(shù)化設(shè)計對BIM 模型分區(qū)分塊，并應(yīng)用研發(fā)的BIM 模型分類編碼系統(tǒng)，自動生成項目結(jié)構(gòu)樹，編碼樹與實體模型實時聯(lián)動，全程可視化操作，通過點擊模型樹中任一層級，能夠快速聚焦、定位，實現(xiàn)模型的統(tǒng)一管理和便捷查找。編碼后的三維模型承載包括名稱、位置、體積、材質(zhì)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，將其導(dǎo)入建設(shè)管理平臺，真正實現(xiàn)模型信息化，打造有數(shù)據(jù)有信息的孿生模型，BIM 設(shè)計成果指導(dǎo)施工，實現(xiàn)三維設(shè)計成果落地應(yīng)用。（圖3）

圖3 編碼后的模型

4 三維仿真場景搭建

4.1 Unity 地形構(gòu)建 Unity3D 有一套功能強大的地形編輯器，支持以筆刷方式繪制山脈、峽谷、平原、盆地等虛擬地形，針對工程領(lǐng)域比較通用的地形構(gòu)建方法是通過GIS 軟件獲取Tiff 高程數(shù)據(jù)，將高程數(shù)據(jù)處理生成Raw 灰度圖后賦給Unity3D 中的Terrion，最后將相應(yīng)的衛(wèi)片加載到Terrion 上。（圖4）

圖4 Unity3D 通用地形生成處理流程

通過此方法構(gòu)建的地形在高度上相對準(zhǔn)確，但精度不高，無法與BIM 模型鑲嵌良好。為了構(gòu)建真實準(zhǔn)確的地形，本工程創(chuàng)新性的利用施工圖階段測量的Dwg 高程圖，先生成三角網(wǎng)格曲面再轉(zhuǎn)換為Raw 格式貼圖，進而生成工程范圍內(nèi)的地形，工程范圍外影響不大的區(qū)域采用通用方法。（圖5）

圖5 本工程地形生成處理流程

4.2 BIM 模型與地形裝配 BIM 主體模型包括海堤、閘泵建筑物及按施工進度計劃切塊后的海堤。主體模型通過Revit 平臺中的Reflect 插件同步加載到Unity。通過此方法導(dǎo)出的主體模型BIM 信息完整保留，后續(xù)只需在Unity 中編寫程序代碼，便可查看、調(diào)用模型屬性。

輔助模型主要包括場地道路、周邊建筑物、景觀裝飾構(gòu)件。根據(jù)設(shè)計要求，在Civli3d、3D Max 軟件中建模后，導(dǎo)出為Fbx 格式文件，Unity3D 可以直接導(dǎo)入。

待主次要模型建完后，按照工程平面布置圖，在Unity3D 軟件里選中分段導(dǎo)入的主體模型輸入模型的正確位置坐標(biāo)，高程信息，將主體模型與地形進行位置匹配。主體模型配準(zhǔn)后，利用移動、旋轉(zhuǎn)命令將輔助模型擺到正確位置。如果地形與模型存在穿插、重疊問題，調(diào)用地形修正功能修復(fù)缺陷。（圖6）

圖6 地形與模型裝配流程圖

4.3 仿真場景美化 為了逼真模擬海塘建造后的場景和反映實際施工現(xiàn)場的情況，依據(jù)前邊搭建的粗略場景，添加天空、光照、水體、植物等多種場景元素，對仿真效果進行修飾。美化好的場景見圖7。

圖7 美化后的場景效果展示

4.4 系統(tǒng)功能開發(fā)和發(fā)布 為了打造有數(shù)據(jù)有信息的孿生模型，針對需要在美化好的場景基礎(chǔ)上，編寫C#腳本增加交互功能，交互功能主要包括界面信息一屏全覽、漫游瀏覽、屬性查詢和施工控制等，功能開發(fā)后通過軟件發(fā)布成可運行的桌面程序。

通過BIM 三維協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)虛擬建造，有效減少設(shè)計錯漏碰缺和變更，優(yōu)化設(shè)計方案，精準(zhǔn)控制投資，同時為項目全生命周期智慧化管理提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)和平臺。（圖8）

圖8 建設(shè)管理平臺大屏展示

4.5 智慧建造，指導(dǎo)施工 以三維設(shè)計為龍頭，將建立的海塘BIM 數(shù)字模型，結(jié)合現(xiàn)場實際管控與建設(shè)管理深度融合，挖掘施工進度、技術(shù)管理等方面的應(yīng)用價值，全面提升工程建設(shè)管理精細化。

Unity3D 可以根據(jù)BIM 中的信息進行施工模擬，通過施工模擬仿真，推演施工過程，可以提前發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化施工方案，減少返工，保證施工方案安全可靠。在施工時，施工人員可以通過Unity3D打造的施工進度管理系統(tǒng)與設(shè)計人員在同一模型中交互，在解決施工時出現(xiàn)的問題的同時可以減少溝通成本和二次出錯的機率，實現(xiàn)三維設(shè)計成果落地應(yīng)用?；诳梢暬瘓鼍?，可提前優(yōu)化施工布置，保障安全生產(chǎn)，利用模型模擬施工過程，進行進度管理，確保工程如期完成。此外，還可應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建虛擬工作學(xué)習(xí)場景，將BIM 三維設(shè)計與施工管理融合，逼真形象地描述復(fù)雜施工過程，為仿真信息的可視化提供了更好的途徑，為長距離復(fù)雜線性工程探索了一條高效可行的技術(shù)線路。（圖9）

圖9 施工控制界面下的計劃進度展示

5 工程應(yīng)用驗證

本文舉例的臺州市循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)海塘提升工程以物理實體對象化BIM 模型為場景，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理空間的融合?？梢陨疃瘸两襟w驗海塘、護塘河、閘站等建筑，全方位的展示海塘建成后的工程全貌，實現(xiàn)建造前置。能夠讓使用者與決策者具備代入感，提升時事件處理的效率，縮短問題反應(yīng)時間，可有效解決當(dāng)前工地現(xiàn)場時空信息問題；能夠使參建各方直觀瀏覽三維設(shè)計成果，在線查詢模型信息，精確把握建造意圖；能夠借助施工進度管理功能，實現(xiàn)工程計劃進度動態(tài)模擬、實際進度實時反饋，讓施工進度超前滯后一目了然，指導(dǎo)施工方案優(yōu)化，提高施工效率。有助于實現(xiàn)數(shù)字世界物質(zhì)化，物質(zhì)世界智能化，實現(xiàn)數(shù)字賦能，使工程建造可視、精準(zhǔn)、高效。

6 總結(jié)展望

基于BIM 和Unity3D 構(gòu)建的仿真場景將BIM 技術(shù)與計算機軟件Unity3D 相結(jié)合，在完整保留BIM 模型信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用可視化引擎對場景進行渲染，做到真實美觀且細化流暢，呈現(xiàn)了絕佳視覺效果。將BIM 信息切合到Unity3D 中，可以將數(shù)據(jù)實時體現(xiàn)在UI 界面上，提高用戶體驗感；可以將項目各階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息在模型中儲存及傳遞，保證項目信息的連續(xù)性和完整性，更好的服務(wù)于水利工程建設(shè)。BIM 技術(shù)推動以全面數(shù)字化為特征的數(shù)字建造，其應(yīng)用成果作為水利建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為智慧水利建設(shè)奠定基礎(chǔ)。