基于Unreal Engine的建筑数字孪生平台解决方案及应用

文｜华东建筑设计研究院有限公司 顾于珏 陆磊 吴源昊

0 引言

数字孪生是某个物理实体（如一幢建筑或城市）的物理实体的3D 模型，而且该3D 模型的动画是由真实实体的实时数据驱动的，并不间断地输入实时数据，以更新其功能和进度，以便于分析和优化。当来自实体系统的实时数据被输入数字复制品后，它会像真实世界里一样运转起来，立即针对你的进度给出视觉反馈。

一套数字孪生的系统包括：一个物理实体，生成关于其运作的实时数据，或使用传感器收集关于其周边活动的实时数据；一个该物理实体的3D 模型；从物理实体到3D 模型的实时数据流送；一个基于软件的机制，根据收到的实时数据，使3D 模型的视觉表现与物理实体保持一致。

数字孪生作为一种可视化工具，也经常用于可视化表示智慧建筑和智慧城市的物联网（IoT）系统，通过建筑模型建立数字孪生平台，提高物联网系统的使用直观性和便捷性。

1 基于虚幻引擎Unreal Engine 的数字孪生

虚幻引擎原先为EPIC 公司开发的次时代游戏引擎，是全球顶尖的实时渲染工具，而目前也发展成为许多数字孪生应用程序的工具。随着近年来数字孪生对视觉效果的逼真度，运行流畅度都有了更高的要求，这对于传统的CIM、GIS 渲染引擎提出了更高要求；而另一方面虚幻引擎从2015年开始开源，改变了授权模式，进入了各行各业，使得各行各业的用户都能使用到statof-the-art 的实时渲染技术，虚幻引擎也不再单纯的是一个游戏引擎，而成为了一个实时渲染引擎平台。

虚幻引擎具有可视化脚本系统使非技术性用户，建筑师可以不编写代码也能程控3D 模型的过程。此外，虚幻引擎还有内置工具，可接受用于处理的实时物联网数据。相比其他传统的CIM 平台的3D 引擎，虚幻引擎具有下列区别和优势，见表1。

表1 不同3D 渲染引擎的特点

2 数字孪生的平台建设

数字孪生平台可分为数字孪生模型综合展示系统和智慧楼宇3D 可视化管理系统。

数字孪生模型综合展示系统可在设计阶段完成后，利用设计模型，在施工阶段同步完成并投入。智慧楼宇3D 可视化管理系统需在设备安装、智能化工程完成，楼宇内各系统开通后，再对物联网系统对接。数字孪生模型展示系统着重于三维渲染效果和沉浸式体验；智慧楼宇3D 可视化管理系统着重于建筑设备管理和大数据整合。

2.1 建筑的数字孪生模型综合展示

数字孪生综合展示包括楼盘展示、楼宇展示、园区展示等。一般可在售楼处或展厅设置多媒体交互系统，利用大屏、触摸式沙盘、VR 沉浸式体验等展示，给楼盘选房、产业招商的客户带来最直观的视觉体验。

利用基于UE 引擎的Tiwnmotion 平台，可以对sketchup、revit、Rhino、3Dmax 等设计模型进行格式统一，整合土建、机电、装饰、幕墙、景观等各专业的设计模型，并对整合模型进行处理，选择三维效果动画或三维实时渲染实现模型展示。以此为基础，可以建设多源异构数据融合建筑数字底板，建设可创建诸如三维视频、实时三维动画等类型的互动内容，支持交互的图形化层级式开发环境，支持可视化编辑。使用户可根据实际需要对各建筑、楼层、专业的模型进行显示、隐藏状态的切换，三维场景支持视角的自由操作。对涉及的各个建筑、主要设施、道路干线、绿化景观、园区外近场的道路、河流、绿化等及整体大场景进行数字孪生建模。图1、图2、图3是部分项目工程的展示实时渲染模型。

图1 珠海中交横琴广场的建筑展示模型

图2 珠海中交横琴广场的结构展示模型

图3 上海宛轻大楼楼层局部展示模型

2.2 建筑设备的数字孪生可视化管理

建筑设备的数字孪生，包括了暖通、给排水、电力、智能化等专业的可视化集成。其作用是使数据体系化、系统智能化、管控精准化、施工可视化和物管线上化。基于UE 引擎建筑设备可视化系统有更直观，更立体的效果。如图4。

图4 上海中垠广场机电设备可视化管理系统

2.3 物联网系统的接入

数字孪生系统可对接建议集成视频监控系统、能源管理系统、楼宇自动控制系统等。该些系统可视化性和平台实用性较强，系统的物联网化程度较高，易于实现。如果在建设中消防设施采用物联网设备，交互平台也可对接物联网消防系统。

虚幻引擎属于标准的CS 架构(Client/Service RPC)，内置状态同步功能，其同步频率与游戏的帧率相同，属于变长步更新。由于帧率完全受CPU、GPU 性能的影响，所以网络同步的频率与整个平台硬件的性能息息相关。通过虚幻引擎的CS 架构，与建筑物联网的IBMS 集成系统的总机通信，在通过Java 调用IBMS 系统中的数据，实现交互的楼宇监控和大数据可视化展示。

系统对建筑内多源异构的数据进行整合，进行统一的管理和存储，结合主要业务场景形成相应的仪表盘，实时、全面、直观地展示相关的数据版图。建立本地的子数据库和文件数据库，实现统一的数据预处理和数据挖掘，构建数据与用户的直接交互的窗口，并在控制中心内进行智慧城市和大数据展示。

3 展望

2021年5月26 日，EPIC 公司发布了虚幻引擎5（Unreal Engine 5），加入了Chaos 物理系统、Niagara VFX、卷积混响和环境立体声渲染等功能。基于UE5 的建筑数字孪生模型，不仅可以用于展示和交互，还能够精确的日照分析、光反射分析、结构分析和声学分析，其动态计算结果对实际工程的仿真计算有更大的帮助。