Unity3D 在建筑智能化方案設計中的應用

李 剛

(安徽省城建設計研究總院股份有限公司，合肥 230051)

0 引言

現代建筑技術與網絡信息技術的融合催生了建筑智能化系統，可根據用戶不同需求為其創建一個更高效、便利、舒適、可靠和靈活的建筑環境[1]。建筑智能化系統不僅實現了智能建筑的資源共享，其強大的信息處理能力也完美契合了可持續發展的理念，彰顯了智能建筑可持續發展的特點。 建筑智能化系統必定是未來建筑發展的趨勢和熱點。

1 建筑智能化發展現狀及趨勢分析

所謂建筑智能化，是指將現代通信技術、計算機技術、傳感器技術、網絡技術、物聯網技術、云計算技術、大數據技術以及人工智能技術等與傳統建筑技術相融合，為用戶的工作生活創建舒適便利、設備平臺先進前衛、管理運維科學高效的人性化建筑環境[2]。

1.1 現狀分析

上世紀80 年代，在美國康涅狄格州的哈特福德市出現了第一座智能化建筑。 哈特福德市當時對總建筑面積達十萬多平方米的舊金融大廈進行改造，負責改造的聯合技術建筑系統公司不僅承包了這棟大樓的空調、電梯及防火防災等設備工程，還將計算機技術和通信設備互聯，向大樓里的其他用戶提供計算機和通信服務，這應該是世界上最早的智能建筑[3]。

國內最早的智能化建筑雛形是上世紀九十年代的北京發展大廈，隨著以后科學技術的發展，我國才逐漸出現了多樣化的智能化建筑，不單只有辦公建筑，還包括智慧街區、智慧住宅、智慧社區、智慧公園等[4]。

1.2 存在問題

國內的建筑智能化行業已發展多年，行業體系不斷完成，從設計到施工，都形成了一系列的規范和行業標準，業務范圍也幾乎涵蓋了建筑的所有類型。 即便如此，建筑智能化行業依然存在一些不可忽視的問題。

(1)弱電系統涉及的知識面廣，包括網絡、自控、通信、人工智能、機械等眾多領域，而現有的理論體系還不能為一些焦點問題形成定論。

(2)智能化設計在實際工程中很容易受到其他專業人員的制約，通常在工程后期設計才能全面展開，造成設計時間緊張，設計深度不夠等問題。

(3)智能化項目招投標行為不規范，系統產品依照設計執行、隨意變更，造成許多設計工作的浪費；用戶功能隨時變更，更給設計帶來很多的不便。

(4)用戶對智能化系統不夠了解，往往僅憑感覺提出需求，設計人員在方案階段無法提供對用戶有效的展示手段，導致用戶與設計人員之間溝通不暢。

無論是設計人員、用戶還是施工人員，都有責任為上訴問題的解決提出有效方案，尤其是設計人員，更應該從設計角度，為用戶提出科學合理的建設方案，為施工人員提供優質詳實的設計成果。

1.3 發展趨勢

智能化建筑作為一個現代技術的結合體，“可持續發展”是未來的發展趨勢。 現在的建筑在新建的過程之中，都要給以后的科技發展留下足夠的空間，要打造成一個“可生長”的智能化建筑。 當然，建筑智能化是一個多學科交叉的綜合學科，在加快智能化建筑發展進度的同時，更要注重培養更多的智能化建筑人才，讓智能化建筑健康、穩定、可持續發展。

中國城鎮化建設的不斷推進，給國內智能化建筑發展提供契機，據不完全統計，我國每年新建建筑超過20 億m2，這種發展狀態估計還要持續25～30 年。 近三年智能化建筑的規模增速維持在25%左右，智能化建筑在新建建筑中的比例也將越來越大。 同時，不能僅僅關注新建建筑的智能化，老舊建筑的智能化改造也是必然趨勢[5]。

2 Unity3D 技術

Unity3D 是由一款可使用戶輕松創建三維場景，制作三維動畫、三維游戲、建筑可視化等內容的綜合游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。

2.1 Unity3D 技術特點

Unity3D 技術的特點主要體現以下幾個方面。

(1)支持多種格式文件。 Unity3D 支持3dsMax、Maya、Lightwave、Collade 等多種格式文件的導入[6]。

(2) 3A 級圖像渲染引擎。 用戶可以使用ShaderLab 創建自己的Shader，具備先進的遮擋剔除技術以及細節層級顯示的技術[6]。

(3)強大的地形編輯器。 用戶可以快速創建不同類型的地形以及地表植被，并利用引擎自身強大的優化填充功能，能夠使用戶所創建的地形場景更加生動完整。

(4)非常高的集成度。 Unity3D 開發環境中集合了系統場景設計、程序設計、效果預覽、系統測試到系統發布全生命周期的功能，開發者可以在Unity3D 中便捷、快速、高效地完成開發[6]。

(5)較強的通用性。 用戶利用Unity3D 開發的產品能夠在手機端、PC 端、網頁的瀏覽器以及專門的游戲機端進行使用。

(6)豐富的素材資源。 Unity3D 中自帶的Assert Store 中包括3D 資源、紋理圖像、運動捕捉動畫、音效、粒子效果以及各種操作工具等。 Unity 公司官網中的開發社區為用戶提供了大量的示例源文件、視頻教程和幫助文檔等。

2.2 Unity3D 技術在智能化方案設計中的優勢

目前，智能化方案設計階段主要采用“文字說明+圖片展示”的方式。 對用戶來說，文字性的東西太過陌生，而且專業知識眾多，理論性較強；而圖片一般包括系統拓撲圖、系統框圖、案例圖片以及產品圖片等，展示效果極其有限。

Unity3D 技術可以很好地解決上述問題，不僅能夠讓用戶直觀感受到智能化系統的安裝效果，還可以通過在虛擬場景中的實際操作，體驗各個子系統的功能展示。

2.3 Unity3D 技術在智能化方案設計中的應用體現

Unity3D 技術能夠在智能化方案設計中得到如下應用。

(1)創建三維的虛擬現實場景，在項目還未建成前就可以直觀感受到建成后真實景象。

(2)為用戶提供智能化系統功能體驗途徑，通過在虛擬現實中操作智能化各個子系統的運行，熟悉各個子系統在真實世界的運行情況。

(3)保留模型以及三維場景數據，為后續的施工圖設計提供設計依據，幫助施工圖設計人員理解項目需求，提高設計質量。

3 智能化方案設計

由于建筑智能化系統是一個龐大的系統集成，論文僅通過對辦公建筑中會議室、公共走道以及監控中心利用Unity3D 技術實現建模、展示的過程作詳細介紹。

3.1 項目分析

辦公建筑是智能化系統的重要載體，能夠將智能化常用的子系統得到充分應用，如綜合布線系統、計算機網絡系統、綜合安防系統、公共廣播系統、信息發布系統、多媒體會議系統、樓宇控制系統、能耗監控系統以及數據中心工程等[7]。 其中，辦公建筑的安全性是重中之重，如何通過智能化技術手段在非法闖入、入室偷盜以及消防安全等問題發生前提前預警，是智能化方案設計的重點。

論文著重對視頻監控系統的智能化設計方案進行闡述，通過Unity3D 技術設計了三個主要場景，分別是會議室、公共區域(走廊、樓梯間)以及監控室。

3.2 設計路線圖

智能化方案設計主要有三個階段，分別是準備階段、設計階段和展示階段[8]。

準備階段主要是與用戶對接，溝通建設內容，提出建設性建議；然后待需求基本提出以后，便進入到項目條件準備階段，包括設計團隊組建、相關設備籌備、制定項目進度表及人員分工表等。

設計階段主要是設計團隊完成初步方案設計，然后根據方案開始通過Unity3D 軟件進行相關場景的模型創建。

展示階段是將創建好的場景模型與交互狀態反饋給用戶，向用戶展示智能化各系統的應用效果，給用戶一個直觀的體驗，并根據實際需求做部分修改，最終形成智能化系統的最終設計方案，為后續施工圖設計打下堅實基礎。 此階段要注重各種成果資料及相關信息的整備、備份、變更登記等管理工作。

設計路線如圖1 所示。

圖1 設計路線圖

3.3 模型創建

(1)建筑模型

整個場景的創建首先要基于建筑模型。 現代建筑模型的基本單元主要有墻體、門窗、地板、屋頂、梁柱等，通過這些基本元素可以搭建成不同類型的功能區域和房間。 墻體、門洞以及樓梯的三維模型，如圖2 所示。

圖2 墻體、門洞和樓梯三維模型的創建

(2)家具模型

像會議室、監控室這樣類型的房間，家具是不可或缺的，因此在創建完建筑模型后需要創建必備的家具三維模型，家具主要包括桌椅、柜子、書架等，還需要根據項目需求，創建相應家具模型，以達到虛擬現實的目的。 圖3 是桌椅三維模型的創建。

(3)設備模型

建筑智能化系統的核心就是設備，因此設備模型的創建是必不可少的，還是向用戶展示的重要部分[9]。 論文以監控系統為例，將計算機、監控顯示屏作為主要創建對象，使用戶可以通過這些模型清晰地了解系統功能。 計算機及監控顯示屏的三維模型如圖3 所示。

圖3 計算機與監控顯示屏三維模型的創建

要得到近似真實的三維虛擬場景，模型創建是一項非常耗時而重要的過程，不僅要能夠保證真實世界存在的東西應有盡有，而且還需要每個模型效果盡可能地貼近真實物品，只有這樣，最終形成的場景才能被渲染地更加真實。

3.4 場景展示

完成模型創建工作之后就可以通過各個模型部件搭建完整的建筑模型，這個過程需要合理確定模型色調及尺寸，根據需求調整環境燈光、陰影等效果，以求達到三維場景環境的和諧美觀，盡可能地貼近真實環境。

同樣，由于篇幅的限制，這里只對會議室、部分公共區域以及監控室的場景進行展示，通過場景展示可以非常直觀的了解整個監控系統的功能及應用場景。 會議室、部分公共區域以及監控室的三維場景如圖4 所示。

圖4 會議室、部分公共區域以及監控室的三維場景展示

3.5 分析總結

通過完成整個智能化方案設計流程，可以得到如下幾點啟示。

(1)通過將Unity3D 技術應用到建筑智能化方案設計中，雖然在前期加大了設計的工作量，但是使用戶能夠真真切切地感受到自己將要得到的智能化系統具體是什么樣子，能完成哪些功能，得到用戶極大的肯定。

(2)雖然在方案或者初步設計階段投入更大的精力，但是以這種直觀的方式與用戶溝通后，將會事半功倍，而且為后面的施工圖設計與施工階段的后期服務提供了便利。

(3)在模型創建中，要充分利用以往創建的模型，做到模型創建后可以重復利用，盡可能縮短設計時間。

4 結論與展望

建筑智能化行業只能算是剛剛起步，行業發展空間非常大，未來也必將有更多新技術、新理念融入進來。 任何行業的發展都需要創新，論文通過將Unity3D 虛擬現實技術與傳統的建筑智能化設計行業相結合，提供了一個嶄新的方案展現形式，充分詮釋了設計創新理念，為建筑智能化行業的發展貢獻了微薄之力。

傳統的勘察設計行業要不斷創新發展，才能自我更新，健康發展。 在這個科技發展日新月異的時代，要敢于將其他行業的先進技術拿來為本行業所用，充分發掘勘察設計行業發展的新思路。 同時，勘察設計行業作為一個服務性行業，要始終為用戶著想，為社會需要著想，才能真正設計出經得起考驗的精品工程。