BIM+Unity3D 引擎在構建海塘工程三維場景中的應用

于亞東YU Ya-dong

（浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002）

0 引言

近年來隨著BIM 技術的推廣，國內在建的很多工程初步實現了設計、施工和運維的全過程應用。但BIM 技術在國內水利工程領域的研究和探索目前主要還是側重于模型的前期構建、正向設計以及簡單的三維可視化等方面，這些應用面對水利數字化改革的浪潮，已經遠遠不能滿足需求方的高標準要求。除了無法最大化的挖掘BIM模型信息在數據承載方面的優勢外，一旦項目結構物眾多，體量增大，現有的集成展示將會出現分層加載、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勢被廣泛應用于游戲開發、3D 影視制作、工程BIM 模型整合展示等領域。

線性水利工程場景主要展示結構物、周邊建筑、周圍環境，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數據的輕量化。研究BIM 與Unity3D 的結合及三維仿真場景構建關鍵技術，符合水利BIM 技術發展應用要求。

本文以在建的臺州市循環經濟產業集聚區海塘提升工程為實例構建了三維仿真場景，驗證此技術方案的可行性和實用性，在此基礎上打造的智慧建設管理平臺為BIM模型增值、水利數字賦能提供了依托。

1 工程概況

臺州市循環經濟產業集聚區海塘提升工程位于臺州灣西側，是響應臺州市委“主攻沿海、創新轉型”戰略，推進海洋經濟發展，提升城市品位，保障循環經濟產業集聚區的可持續發展的浙江省百項千億重點水利建設項目。項目主要由海塘提標加固工程、新開護塘河工程、新建閘站工程和沿塘生態修復工程共四部分組成，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，防洪擋潮標準可達100 年一遇，能夠滿足集聚區經濟建設需要，提升區域水安全，為城市發展提供保障。

2 工作流程

海塘工程三維場景的構建主要包括三維模型的建模和導入、場景元素的渲染、交互指令的添加、系統操作界面的設計和系統發布五個流程，如圖1 所示。

圖1 海塘仿真場景工作流程

3 BIM 模型構建

本項目采用以Revit 為核心的系列軟件進行全專業協同設計。建模前期規定統一標準，采用一致的項目基點，不同專業根據分配好的項目工作集，構建完整的LOD400BIM 模型。（圖2）

圖2 BIM 模型

采用參數化設計對BIM 模型分區分塊，并應用研發的BIM 模型分類編碼系統，自動生成項目結構樹，編碼樹與實體模型實時聯動，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，實現模型的統一管理和便捷查找。編碼后的三維模型承載包括名稱、位置、體積、材質等關鍵數據信息，將其導入建設管理平臺，真正實現模型信息化，打造有數據有信息的孿生模型，BIM 設計成果指導施工，實現三維設計成果落地應用。（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，針對工程領域比較通用的地形構建方法是通過GIS 軟件獲取Tiff 高程數據，將高程數據處理生成Raw 灰度圖后賦給Unity3D 中的Terrion，最后將相應的衛片加載到Terrion 上。（圖4）

圖4 Unity3D 通用地形生成處理流程

通過此方法構建的地形在高度上相對準確，但精度不高，無法與BIM 模型鑲嵌良好。為了構建真實準確的地形，本工程創新性的利用施工圖階段測量的Dwg 高程圖，先生成三角網格曲面再轉換為Raw 格式貼圖，進而生成工程范圍內的地形，工程范圍外影響不大的區域采用通用方法。（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。通過此方法導出的主體模型BIM 信息完整保留，后續只需在Unity 中編寫程序代碼，便可查看、調用模型屬性。

輔助模型主要包括場地道路、周邊建筑物、景觀裝飾構件。根據設計要求，在Civli3d、3D Max 軟件中建模后，導出為Fbx 格式文件，Unity3D 可以直接導入。

待主次要模型建完后，按照工程平面布置圖，在Unity3D 軟件里選中分段導入的主體模型輸入模型的正確位置坐標，高程信息，將主體模型與地形進行位置匹配。主體模型配準后，利用移動、旋轉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，調用地形修正功能修復缺陷。（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場的情況，依據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 系統功能開發和發布 為了打造有數據有信息的孿生模型，針對需要在美化好的場景基礎上，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，功能開發后通過軟件發布成可運行的桌面程序。

通過BIM 三維協同設計，實現虛擬建造，有效減少設計錯漏碰缺和變更，優化設計方案，精準控制投資，同時為項目全生命周期智慧化管理提供統一的基準和平臺。（圖8）

圖8 建設管理平臺大屏展示

4.5 智慧建造，指導施工 以三維設計為龍頭，將建立的海塘BIM 數字模型，結合現場實際管控與建設管理深度融合，挖掘施工進度、技術管理等方面的應用價值，全面提升工程建設管理精細化。

Unity3D 可以根據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，可以提前發現問題，優化施工方案，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與設計人員在同一模型中交互，在解決施工時出現的問題的同時可以減少溝通成本和二次出錯的機率，實現三維設計成果落地應用。基于可視化場景，可提前優化施工布置，保障安全生產，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，還可應用虛擬現實技術，創建虛擬工作學習場景，將BIM 三維設計與施工管理融合，逼真形象地描述復雜施工過程，為仿真信息的可視化提供了更好的途徑，為長距離復雜線性工程探索了一條高效可行的技術線路。（圖9）

圖9 施工控制界面下的計劃進度展示

5 工程應用驗證

本文舉例的臺州市循環經濟產業集聚區海塘提升工程以物理實體對象化BIM 模型為場景，實現數字世界與物理空間的融合。可以深度沉浸式體驗海塘、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，縮短問題反應時間，可有效解決當前工地現場時空信息問題；能夠使參建各方直觀瀏覽三維設計成果，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，實現工程計劃進度動態模擬、實際進度實時反饋，讓施工進度超前滯后一目了然，指導施工方案優化，提高施工效率。有助于實現數字世界物質化，物質世界智能化，實現數字賦能，使工程建造可視、精準、高效。

6 總結展望

基于BIM 和Unity3D 構建的仿真場景將BIM 技術與計算機軟件Unity3D 相結合，在完整保留BIM 模型信息數據的基礎上，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，呈現了絕佳視覺效果。將BIM 信息切合到Unity3D 中，可以將數據實時體現在UI 界面上，提高用戶體驗感；可以將項目各階段產生的數據、信息在模型中儲存及傳遞，保證項目信息的連續性和完整性，更好的服務于水利工程建設。BIM 技術推動以全面數字化為特征的數字建造，其應用成果作為水利建設的重要基礎數據，為智慧水利建設奠定基礎。