基于BIM和UE4的调蓄池数字孪生BIM管理系统

曾庆达，胡 亭，王 煌，王媛媛，秦 菁

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001)

调蓄池是在城市发生降雨时，收集污染雨水的水工建筑物，是海绵城市建设的重要内容之一。其通过将雨水径流的高峰流量暂留池内并进行物理、化学、生物等方式对污染物质进行处理，待降雨峰值过去后再将池内水体缓慢排出至河道或是污水处理厂，达到规避雨水洪峰，提高雨水利用率的作用[1]。为了适应降雨雨量和降雨水质的变化，调蓄池运行工况组合复杂，以往调蓄池运维管理主要通过人为控制，这不仅对管理人员的运维管理经验有较大的要求，也较不经济[2]。因此建成一个高度自动化、智能化的运维管理系统是非常必要的。

BIM结合物联网、大数据等先进技术实现调蓄池的自动控制和智能调度是智慧水务的必然趋势[3]。目前市面上常见的运维平台基本上是基于网页端进行开发，例如three.js、OpenGL等[4-5]，此类平台虽然可以达到稳定性和智能性的需求，但是存在开发门槛较高、BIM模型不通用、可视化水平不高等问题。

本文调蓄池BIM模型基于Autodesk平台的BIM正向协同设计，结合EPIC GAMES公司旗下行业内知名游戏引擎Unreal Engine(下文简称UE4)，利用datasmith插件将BIM模型及所有附带信息成果直接导入UE4中，实现高水平、高保真的BIM模型三维可视化。通过可视化编程语言Blueprints对运维管理系统进行前端开发，降低开发人员的编程技术门槛。后期运用C++进行二次开发，实时采集调蓄池内传感器信息，实现自动化控制，利用神经网络等算法自动生成运维管理方案，为管理者运维管理决策提供参考。

1 基本理论

BIM(Building Information Model)即建筑信息模型，其核心是将建筑工程全生命周期中所有的信息整合到模型中，形成一个与现实建筑情况一致的三维模型信息库[6]。其中信息不仅包括建筑构件的几何、专业等信息，还包含了空间、运动行为等状态信息。借助三维模型可以极大程度地提高建筑工程的信息集成水平，使建筑工程可以在设计、施工、运维等全生命周期中产生的信息都得以统筹管理[7]。

Autodesk平台的BIM软件主要包括Revit、Inventor、Navisworks、Inforworks、Civil3D、Vault等，其解决方案是分专业采用Revit、Inventor、Civil3D等进行建模，各专业通过Vault平台进行协同设计、设计完成后利用Revit、Navisworks进行模型整合，Navisworks还可以用于施工模拟、碰撞检查等[8]，见图1。

图1 Autodesk平台的BIM解决方案

游戏引擎最初是为游戏工作者打造的工具集，其目的是为游戏设计者提供各种编写游戏的各种工具，加快游戏制作速度和质量。游戏引擎主要包括渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、动画、网络引擎等[9]。而Unreal Engine作为全球先进、开放的实时3D创作平台，优秀的实时渲染技术、可视化编程和开源性给水务工程师在智慧水务领域提供了无限可能。

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程[10]。数字孪生最早由美国国防部提出，运用于航空航天飞行器的健康维护与保障[11]，目前已发展为一个普遍适应的理论技术体系，可应用在众多领域，其中就包括了水务工程建设领域。

2 调蓄池BIM解决方案介绍

随着城市的快速发展，深圳的环境承载力天生不足问题日益突出，超过80%的用水依靠外部输入，黑臭水体及城市内涝问题突出，水生态破坏严重。自2016年深圳入选海绵城市建设试点以来，全市开展海绵城市建设，推行以生态环境优先为原则的新型城市建设[12]。2019年提出在龙岗区龙岗河末端建设调蓄池，调蓄池总占地75 173 m2，调蓄范围为龙岗河干流区间及各子流域转输的初小雨，调蓄服务面积24.95 km2，调蓄池容积位于亚洲前列，是深圳市海绵城市建设的重要工程。

本工程采用基于Vault协同平台进行正向设计，项目复杂、涉及专业众多，包括建筑、水工、金结、工艺、岩土、电气等，各专业在Vault平台中高效协同，很大程度缩短了设计周期，提高了设计质量。

调蓄池BIM解决方案主要是采用Civil3D进行三维地质建模，Revit进行水工、建筑、暖通、电气、给排水建模，Inventor进行金结，工艺建模，后期在Revit、Navisworks中进行整合，实现碰撞检查，在施工阶段实现4D施工模拟。BIM整合模型见图2。

此外，在末端调蓄池设计阶段，利用参数化族对闸门、格栅、流道等进行参数化建模，利用Dynamo对锚杆、地质层等进行批量建模，极大提高了设计效率。并且在龙岗河其余6个调蓄池的设计中体现了普遍适用性，为日后类似调蓄池设计提供了参考。

然而目前关于BIM的应用主要集中在设计及施工阶段，项目建成后运维管理阶段BIM应用领域较为空白，因此为实现将BIM技术应用于项目的全生命周期，急需一种运维BIM解决方案。

3 基于BIM和UE4的数字孪生BIM平台搭建

UE4的实时渲染可视化是区别于其他平台最明显的功能，传统优秀的三维可视化一般需要应用3Dmax、Maya、Sketch up进行建模后渲染，但是此类静态渲染方式效率低，且方案修改困难[13]。虽然Autodesk BIM建筑工作集本身具有渲染功能，如Revit、Navisworks等，理论上可以省去建模部分，提高效率，但实际上受限于渲染器技术水平，可视化水平较差。随着技术进步，基于GPU的实时渲染软件进入市场，例如Lumion、Twinmotion等，这些软件具有优秀的可视化水平[14-15]，但不支持二次开发，仅仅能输出像素级的效果图和动画，无法与智慧水务进行结合。

本文的解决方法是基于UE4进行数字孪生BIM平台的开发，其优势有以下几点：①BIM信息完整性，BIM模型通过Datasmith导入UE4中，可保留模型集成的所有信息，保证数据完整性；②优秀的实时渲染技术，UE4内置实时渲染引擎与建筑行业内常用的Twinmotion渲染引擎一致，模型导入后可以通过调整材质、光照等实现高水平、高保真的渲染水平；③可视化编程，UE4内部采用Blueprints蓝图可视化编程技术，降低了软件开发门槛，普通水务工程人员在经过短暂培训后便可达到编写平台大部分功能的水平；④二次开发，UE4是完全开源的，代码是开放的，且内置了C++、Python等语言开发接口，为后期实时数据采集和自动化控制等功能开发提供了极大的便捷性；⑤丰富的资源库，UE4中内置了Quixel，模型导入后可以在资源库中选取水、混凝土等高保真材质，以及道路、草木、路灯等模型，方便场地布置。

数字孪生调控系统搭建解决方案主要是采用Datasmith插件将BIM模型导入UE4中，不仅保留模型信息并且对模型进行高保真实时渲染。采用Cesium for UE4插件将项目GIS信息与BIM模型结合，实现平台BIM+GIS系统的搭建，利用可视化编程Blueprint对系统前端功能设计，系统界面见图3，关卡蓝图逻辑见图4。

图3 调蓄池数字孪生BIM管理系统界面

图4 系统前端功能设计蓝图

由于UE4中不能直接制作可视化图表，因此利用UE4强大的扩展功能，利用C++语言将Echarts可视化图表联动到UE4中，可以在平台中实时读取图表数据，见图5。

图5 UE4联动Echarts代码

而现场传感器信号传输至云服务器端，利用代码读取云服务器中的数据，从而实现在UE4中实时采集现场数据，将现实环境情况与三维模型联动起来，可以将故障传感器在平台中显示并预警，见图6。

图6 设备运行管理界面

后期结合神经网络等算法，可以对降雨量进行预测，自动提供调蓄池运行管理方案，辅助管理人员对调蓄池运行工况进行调整，运行工况管理界面见图7。

图7 运行工况管理界面

项目制作完成后，可以将项目进行发布到市面上大部分主流硬件设备，包括PC端、移动端、网页端等，例如Android、Desktop(win+linux+mac)、HTML5、IOS等多个平台，为管理人员随时随地进行调蓄池智慧运维提供了可能。并且UE4还支持VRAR功能开发，未来可以进一步提高三维模型可视化水平。

以上解决方案通过UE4软件及各类插件、C++二次开发、物联网和人工智能、VR/AR等技术，成功开发了调蓄池数字孪生BIM管理系统。未来还将引入新技术和新算法，对调蓄池数字孪生管理系统不断完善，将远程控制、实时采集数据、智能分析、虚拟现实等技术更好地集成在平台内，实现调蓄池智慧水务运维管理，从而推动BIM技术在运维管理阶段的应用，使BIM应用在全生命周期形成闭环。

4 结语

采用BIM和UE4技术对调蓄池数字孪生管理系统进行搭建，通过结合物联网和二次开发将现实数据传递到数字孪生BIM管理系统中，从而在管理系统中反映现实情况。并通过神经网络等算法对采集的数据信息进行处理、预测，自动提供调蓄池运维管理方案，为管理者提供决策参考。通过以上技术，管理者可以在管理系统中远程控制现实设备运行情况，实现智慧水务运维管理。本文将BIM技术与UE4游戏引擎进行结合，成功地将BIM应用高水平地扩展至水务工程运维管理阶段，实现了BIM技术在龙岗河末端调蓄池全生命周期的运用。但仍有不足之处，例如网页端平台依靠像素流技术进行发布，无法实现超过5人的协同运维管理，系统开发难度大，对每个工程都需要客制化开发，开发设备昂贵等。但随着BIM技术和UE4游戏引擎的不断发展，这套BIM运维管理方案一定能为其余工程BIM应用提供参考，使之发挥更大价值。