BIM+Unity3D 引擎在构建海塘工程三维场景中的应用

于亚东YU Ya-dong

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002）

0 引言

近年来随着BIM 技术的推广，国内在建的很多工程初步实现了设计、施工和运维的全过程应用。但BIM 技术在国内水利工程领域的研究和探索目前主要还是侧重于模型的前期构建、正向设计以及简单的三维可视化等方面，这些应用面对水利数字化改革的浪潮，已经远远不能满足需求方的高标准要求。除了无法最大化的挖掘BIM模型信息在数据承载方面的优势外，一旦项目结构物众多，体量增大，现有的集成展示将会出现分层加载、缓存速度慢、效果不真实等诸多问题，严重影响使用效果。无论是运用传统模型浏览方式还是GIS 平台都无法解决这一问题，因此，迫切需要引入具有实时渲染、场景精美的三维仿真展示平台。

Unity3D 是一个全面整合的专业游戏引擎，因其具有三维场景渲染效果酷炫、跨平台移植能力强大等优势被广泛应用于游戏开发、3D 影视制作、工程BIM 模型整合展示等领域。

线性水利工程场景主要展示结构物、周边建筑、周围环境，具有条带长、模型多、体量大等特点，难以在具有较好展示效果的同时实现数据的轻量化。研究BIM 与Unity3D 的结合及三维仿真场景构建关键技术，符合水利BIM 技术发展应用要求。

本文以在建的台州市循环经济产业集聚区海塘提升工程为实例构建了三维仿真场景，验证此技术方案的可行性和实用性，在此基础上打造的智慧建设管理平台为BIM模型增值、水利数字赋能提供了依托。

1 工程概况

台州市循环经济产业集聚区海塘提升工程位于台州湾西侧，是响应台州市委“主攻沿海、创新转型”战略，推进海洋经济发展，提升城市品位，保障循环经济产业集聚区的可持续发展的浙江省百项千亿重点水利建设项目。项目主要由海塘提标加固工程、新开护塘河工程、新建闸站工程和沿塘生态修复工程共四部分组成，堤线长度约16.3km，工程等别为Ⅰ等，估算总投资30.48 亿元。工程建成后，防洪挡潮标准可达100 年一遇，能够满足集聚区经济建设需要，提升区域水安全，为城市发展提供保障。

2 工作流程

海塘工程三维场景的构建主要包括三维模型的建模和导入、场景元素的渲染、交互指令的添加、系统操作界面的设计和系统发布五个流程，如图1 所示。

图1 海塘仿真场景工作流程

3 BIM 模型构建

本项目采用以Revit 为核心的系列软件进行全专业协同设计。建模前期规定统一标准，采用一致的项目基点，不同专业根据分配好的项目工作集，构建完整的LOD400BIM 模型。（图2）

图2 BIM 模型

采用参数化设计对BIM 模型分区分块，并应用研发的BIM 模型分类编码系统，自动生成项目结构树，编码树与实体模型实时联动，全程可视化操作，通过点击模型树中任一层级，能够快速聚焦、定位，实现模型的统一管理和便捷查找。编码后的三维模型承载包括名称、位置、体积、材质等关键数据信息，将其导入建设管理平台，真正实现模型信息化，打造有数据有信息的孪生模型，BIM 设计成果指导施工，实现三维设计成果落地应用。（图3）

图3 编码后的模型

4 三维仿真场景搭建

4.1 Unity 地形构建 Unity3D 有一套功能强大的地形编辑器，支持以笔刷方式绘制山脉、峡谷、平原、盆地等虚拟地形，针对工程领域比较通用的地形构建方法是通过GIS 软件获取Tiff 高程数据，将高程数据处理生成Raw 灰度图后赋给Unity3D 中的Terrion，最后将相应的卫片加载到Terrion 上。（图4）

图4 Unity3D 通用地形生成处理流程

通过此方法构建的地形在高度上相对准确，但精度不高，无法与BIM 模型镶嵌良好。为了构建真实准确的地形，本工程创新性的利用施工图阶段测量的Dwg 高程图，先生成三角网格曲面再转换为Raw 格式贴图，进而生成工程范围内的地形，工程范围外影响不大的区域采用通用方法。（图5）

图5 本工程地形生成处理流程

4.2 BIM 模型与地形装配 BIM 主体模型包括海堤、闸泵建筑物及按施工进度计划切块后的海堤。主体模型通过Revit 平台中的Reflect 插件同步加载到Unity。通过此方法导出的主体模型BIM 信息完整保留，后续只需在Unity 中编写程序代码，便可查看、调用模型属性。

辅助模型主要包括场地道路、周边建筑物、景观装饰构件。根据设计要求，在Civli3d、3D Max 软件中建模后，导出为Fbx 格式文件，Unity3D 可以直接导入。

待主次要模型建完后，按照工程平面布置图，在Unity3D 软件里选中分段导入的主体模型输入模型的正确位置坐标，高程信息，将主体模型与地形进行位置匹配。主体模型配准后，利用移动、旋转命令将辅助模型摆到正确位置。如果地形与模型存在穿插、重叠问题，调用地形修正功能修复缺陷。（图6）

图6 地形与模型装配流程图

4.3 仿真场景美化 为了逼真模拟海塘建造后的场景和反映实际施工现场的情况，依据前边搭建的粗略场景，添加天空、光照、水体、植物等多种场景元素，对仿真效果进行修饰。美化好的场景见图7。

图7 美化后的场景效果展示

4.4 系统功能开发和发布 为了打造有数据有信息的孪生模型，针对需要在美化好的场景基础上，编写C#脚本增加交互功能，交互功能主要包括界面信息一屏全览、漫游浏览、属性查询和施工控制等，功能开发后通过软件发布成可运行的桌面程序。

通过BIM 三维协同设计，实现虚拟建造，有效减少设计错漏碰缺和变更，优化设计方案，精准控制投资，同时为项目全生命周期智慧化管理提供统一的基准和平台。（图8）

图8 建设管理平台大屏展示

4.5 智慧建造，指导施工 以三维设计为龙头，将建立的海塘BIM 数字模型，结合现场实际管控与建设管理深度融合，挖掘施工进度、技术管理等方面的应用价值，全面提升工程建设管理精细化。

Unity3D 可以根据BIM 中的信息进行施工模拟，通过施工模拟仿真，推演施工过程，可以提前发现问题，优化施工方案，减少返工，保证施工方案安全可靠。在施工时，施工人员可以通过Unity3D打造的施工进度管理系统与设计人员在同一模型中交互，在解决施工时出现的问题的同时可以减少沟通成本和二次出错的机率，实现三维设计成果落地应用。基于可视化场景，可提前优化施工布置，保障安全生产，利用模型模拟施工过程，进行进度管理，确保工程如期完成。此外，还可应用虚拟现实技术，创建虚拟工作学习场景，将BIM 三维设计与施工管理融合，逼真形象地描述复杂施工过程，为仿真信息的可视化提供了更好的途径，为长距离复杂线性工程探索了一条高效可行的技术线路。（图9）

图9 施工控制界面下的计划进度展示

5 工程应用验证

本文举例的台州市循环经济产业集聚区海塘提升工程以物理实体对象化BIM 模型为场景，实现数字世界与物理空间的融合。可以深度沉浸式体验海塘、护塘河、闸站等建筑，全方位的展示海塘建成后的工程全貌，实现建造前置。能够让使用者与决策者具备代入感，提升时事件处理的效率，缩短问题反应时间，可有效解决当前工地现场时空信息问题；能够使参建各方直观浏览三维设计成果，在线查询模型信息，精确把握建造意图；能够借助施工进度管理功能，实现工程计划进度动态模拟、实际进度实时反馈，让施工进度超前滞后一目了然，指导施工方案优化，提高施工效率。有助于实现数字世界物质化，物质世界智能化，实现数字赋能，使工程建造可视、精准、高效。

6 总结展望

基于BIM 和Unity3D 构建的仿真场景将BIM 技术与计算机软件Unity3D 相结合，在完整保留BIM 模型信息数据的基础上，采用可视化引擎对场景进行渲染，做到真实美观且细化流畅，呈现了绝佳视觉效果。将BIM 信息切合到Unity3D 中，可以将数据实时体现在UI 界面上，提高用户体验感；可以将项目各阶段产生的数据、信息在模型中储存及传递，保证项目信息的连续性和完整性，更好的服务于水利工程建设。BIM 技术推动以全面数字化为特征的数字建造，其应用成果作为水利建设的重要基础数据，为智慧水利建设奠定基础。