基于Unreal Engine的建筑數字孿生平臺解決方案及應用

文｜華東建筑設計研究院有限公司 顧于玨 陸磊 吳源昊

0 引言

數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據驅動的，并不間斷地輸入實時數據，以更新其功能和進度，以便于分析和優化。當來自實體系統的實時數據被輸入數字復制品后，它會像真實世界里一樣運轉起來，立即針對你的進度給出視覺反饋。

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

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

1 基于虛幻引擎Unreal Engine 的數字孿生

虛幻引擎原先為EPIC 公司開發的次時代游戲引擎，是全球頂尖的實時渲染工具，而目前也發展成為許多數字孿生應用程序的工具。隨著近年來數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，改變了授權模式，進入了各行各業，使得各行各業的用戶都能使用到statof-the-art 的實時渲染技術，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使非技術性用戶，建筑師可以不編寫代碼也能程控3D 模型的過程。此外，虛幻引擎還有內置工具，可接受用于處理的實時物聯網數據。相比其他傳統的CIM 平臺的3D 引擎，虛幻引擎具有下列區別和優勢，見表1。

表1 不同3D 渲染引擎的特點

2 數字孿生的平臺建設

數字孿生平臺可分為數字孿生模型綜合展示系統和智慧樓宇3D 可視化管理系統。

數字孿生模型綜合展示系統可在設計階段完成后，利用設計模型，在施工階段同步完成并投入。智慧樓宇3D 可視化管理系統需在設備安裝、智能化工程完成，樓宇內各系統開通后，再對物聯網系統對接。數字孿生模型展示系統著重于三維渲染效果和沉浸式體驗；智慧樓宇3D 可視化管理系統著重于建筑設備管理和大數據整合。

2.1 建筑的數字孿生模型綜合展示

數字孿生綜合展示包括樓盤展示、樓宇展示、園區展示等。一般可在售樓處或展廳設置多媒體交互系統，利用大屏、觸摸式沙盤、VR 沉浸式體驗等展示，給樓盤選房、產業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 等設計模型進行格式統一，整合土建、機電、裝飾、幕墻、景觀等各專業的設計模型，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模型展示。以此為基礎，可以建設多源異構數據融合建筑數字底板，建設可創建諸如三維視頻、實時三維動畫等類型的互動內容，支持交互的圖形化層級式開發環境，支持可視化編輯。使用戶可根據實際需要對各建筑、樓層、專業的模型進行顯示、隱藏狀態的切換，三維場景支持視角的自由操作。對涉及的各個建筑、主要設施、道路干線、綠化景觀、園區外近場的道路、河流、綠化等及整體大場景進行數字孿生建模。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構展示模型

圖3 上海宛輕大樓樓層局部展示模型

2.2 建筑設備的數字孿生可視化管理

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

圖4 上海中垠廣場機電設備可視化管理系統

2.3 物聯網系統的接入

數字孿生系統可對接建議集成視頻監控系統、能源管理系統、樓宇自動控制系統等。該些系統可視化性和平臺實用性較強，系統的物聯網化程度較高，易于實現。如果在建設中消防設施采用物聯網設備，交互平臺也可對接物聯網消防系統。

虛幻引擎屬于標準的CS 架構(Client/Service RPC)，內置狀態同步功能，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，所以網絡同步的頻率與整個平臺硬件的性能息息相關。通過虛幻引擎的CS 架構，與建筑物聯網的IBMS 集成系統的總機通信，在通過Java 調用IBMS 系統中的數據，實現交互的樓宇監控和大數據可視化展示。

系統對建筑內多源異構的數據進行整合，進行統一的管理和存儲，結合主要業務場景形成相應的儀表盤，實時、全面、直觀地展示相關的數據版圖。建立本地的子數據庫和文件數據庫，實現統一的數據預處理和數據挖掘，構建數據與用戶的直接交互的窗口，并在控制中心內進行智慧城市和大數據展示。

3 展望

2021年5月26 日，EPIC 公司發布了虛幻引擎5（Unreal Engine 5），加入了Chaos 物理系統、Niagara VFX、卷積混響和環境立體聲渲染等功能。基于UE5 的建筑數字孿生模型，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、結構分析和聲學分析，其動態計算結果對實際工程的仿真計算有更大的幫助。