基于UE4及BIM数据的建筑模型自动建模系统研究

方 瑾 谢雄耀 董道国 徐金峰 沈驰远 姜 毅

1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系 上海 200092；2. 华建数创（上海）科技有限公司 上海 200000；3. 上海黄浦江大桥建设有限公司 上海 200090

党的十九大报告明确提出了数字中国、智慧社会概念，作为数字中国、智慧社会战略落地实施的重要载体，智慧建筑行业正步入迅速发展的新时代。随着技术的不断进步和市场领域的延伸，对智慧建筑行业创新、融合、转型发展的需求日趋强烈。

从行业政策上来看，我国智能建筑已经历二十多年发展历程，智慧建筑的概念和实践体系处于初步形成阶段，智慧建筑市场未来前景巨大。国内外针对智能建筑、智慧建筑的定义和做法不尽相同。针对我国智慧建筑行业的发展历程进行简单梳理，其中《智能建筑设计标准》是智慧建筑发展的里程碑，该标准分别在2000年、2006年、2015年发布最新版本[1-3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为工程建设行业数字化转型的重要工具，全面整合了工程项目全生命周期的数据，主要包括几何信息和非几何信息，其中几何信息主要指三维模型，非几何信息主要指模型构件的属性，与构件关联的工程进度信息、造价信息、管理信息等。其优点相对于传统使用二维图纸进行工程建设而言，主要提高了模型的可视化效果，促进了专业间的沟通协作，形成一个公共数据环境，增加了信息透明度和可追溯性。

但是，其不足之处在于BIM软件相对较“重”，对硬件要求高，模型渲染效果差，尤其是针对不规则的建筑几何形状，如弧形、不规则的零件结构等。而游戏引擎的渲染效果逼真，但是建模功能又较差，如Unreal Engine 4（简称UE4）是由Epic Games推出的一款游戏开发引擎[4]，拥有较高的集成度和行业领先的图形技术。

综上，采用虚幻引擎UE4结合BIM数据来实现建筑模型自动建模并渲染的方法，是值得研究的。

1 基于UE4及BIM数据的自动建模方法

1.1 自动建模系统模型构建

基于UE4及BIM数据的自动建模模型构建主要包括4个步骤，如图1所示。

图1 模型构建流程示意

第一步，在UE4中制作项目模板。

第二步，通过BIM引擎解析BIM模型，首先需要对建筑模型中常用的各种构件进行参数化，包括常用材质库的参数化，纳入到UE4引擎中，便可在UE4引擎中对参数化构件库中的各种构件参数进行修改，同时保持了与BIM模型中材质库的一致性。

第三步，在模型自动生成模块中构建与BIM模型相同的模型，通过调用参数化构件库中与各个建筑构件一一对应的若干构件，并且将对应参数设定为与BIM模型中的各个建筑构件的几何与非几何信息一致。其中构件的参数主要包括坐标信息、几何尺寸、空间位置、几何形状、地理位置信息、构件材质信息、构件间的关联关系等。构件间的关联关系包括包含、嵌套、连接、剪切。

第四步，运行自动渲染模块，对模型自动生成模块构建的模型进行渲染。包括读取BIM模型中的各个建筑构件的构件材质信息；在参数化构件库中检索与BIM模型的各个建筑构件对应的若干构件，再将构件材质信息附着到若干构件上；最后，读取BIM模型中的各个建筑构件的几何形状、几何尺寸、地理位置信息、空间位置时，对需要局部光照或全局光照的BIM模型的建筑构件对应的构件，进行光照渲染。

1.2 自动建模系统的设计与实现

第一步环节，在UE4中制作一项目模板，参数化构件库中具有建筑模型常用的各种构件，如柱、梁、板、墙、门、窗、幕墙等，UE4可以定义各个构件，并对参数化构件库中的各种构件的参数通过接入外部数据进行修改。例如，UE4中的基本几何体笔刷及静态几何体网格，将一个或多个几何体组合转化为一个蓝图脚本，在蓝图脚本中添加变量以控制网格的变换，包括位置坐标、旋转角度、缩放比例、移动性和材质信息等，这些变量与BIM模型的构件属性是一一对应的，当将BIM模型的构件属性作为变量值输入该蓝图脚本后，将得到一个几何形状与BIM模型的构件保持一致的几何体，其中一个蓝图脚本对应一种BIM模型的构件。同时，参数化构件库还设有常用材质库，常用材质库与BIM模型中的材质库保持一致（图2）。

图2 蓝图脚本编辑界面

模型自动生成模块用于调用外部接口以获取BIM模型数据和实例化BIM构件库中的构件，将所有蓝图脚本保存至参数化构件库中，并将常用建筑材质保存至项目模板。

自动渲染模块用于对模型进行自动贴图和光照渲染。

项目模板还具有坐标转换模块，由于BIM模型与UE4的坐标系不一致，通过坐标转换模块进行坐标转换。阮志敏等[5]研究了UE4空间尺度和BIM模型中坐标系统的对应关系，最终成功搭建了三维场景模型。本研究采用的坐标转换原理是在UE4中寻找BIM模型的原点，然后将其创建为一个参考原点向量，再把BIM数据的坐标向量加上参考原点的坐标向量，生成BIM模型数据在UE4中对应的世界坐标向量。统一单位后的坐标转换代码如图3所示。

图3 坐标转换源代码

在第二步中，BIM引擎解析BIM模型，将BIM模型的各个建筑构件的几何与非几何信息存储至数据库中。其中，若干构件的参数包含几何形状、几何尺寸、坐标信息、构件间的关联关系、构件材质信息、地理位置信息、空间位置，及上述的旋转角度、缩放比例、移动性等。其中，构件间的关联关系包含但不限于包含、嵌套、连接、剪切等。

此外，使用基于Revit二次开发的BIM引擎ArcEngine对BIM模型解析，解析后可将所有构件的几何与非几何信息存储到MySQL和Dgraph数据库中，编写API使外部程序可以根据项目名称调用BIM数据。

在第三步中，UE4读取数据库中的各个建筑构件的几何与非几何信息，模型自动生成模块构建与BIM模型相同的模型。模型自动生成模块通过接口调用参数化构件库中与各个建筑构件一一对应的若干构件。蓝图脚本通过上述API接口调用BIM数据，并在参数化构件库中通过构件名称匹配对应的构件。

将若干构件的参数设定为与BIM模型中的各个建筑构件的几何与非几何信息一致。将BIM构件属性值自动填充进蓝图脚本，生成模型，若BIM模型的坐标系与UE4的坐标系不统一，则通过坐标转换模块转换坐标，坐标转换后在相应场景中实例化构件，模型生成后，根据BIM数据中构件之间的嵌套、剪切、连接等关系，在UE4中重建其关联性，使其与BIM模型中的建筑构件保持一致。

在第四步中，运行自动渲染模块，对模型自动生成模块构建的模型进行渲染。渲染过程中，UE4会自动读取BIM模型中的各个建筑构件的构件材质信息。同时在参数化构件库中UE4自动检索与BIM模型的各个建筑构件对应的若干构件，将构件材质信息附着到若干构件上。然后，UE4自动读取BIM模型的各个建筑构件的几何形状、几何尺寸、空间位置、地理位置信息，对需要局部光照（如窗户、幕墙等透光区域构件），或全局光照的BIM模型建筑对应的构件，进行光照渲染。如自动渲染模块会根据API从BIM模型获取的构件材质信息，自动对使用相同材质的构件表面分组后统一附着材质，对窗户、幕墙等透光区域，根据其空间位置和大小自动生成lightmass门户，提高光照质量，进行光照渲染。此外，自动渲染模块还会根据地理位置信息和天气情况预制的光照场景，预制多个全局光照场景，自动进行渲染。

1.3 自动建模系统应用案例

本研究以某银行总部办公大厦的三维模型重构为示例，应用基于UE4和BIM数据的建筑模型自动建模方法。首先导入原大厦BIM三维模型，然后在UE4中建立项目模板，利用BIM引擎解析，得到大厦内部所有构件的几何和非几何信息，储存在MySQL和Dgraph数据库中。再编写API使外部程序调用BIM数据，同时通过坐标转换模块进行转换坐标，根据BIM数据中构件之间的嵌套、剪切、连接等关系在UE4中重建其关联性，使其与BIM模型中的建筑构件保持一致。最后，运行自动渲染，结果如图4所示。

图4 某银行总部办公大厦三维模型重构建模

2 结语

为解决BIM软件运行量大，对硬件要求高，效率低，模型渲染效果差，尤其是针对不规则的建筑几何形状，如弧形、不规则的零件结构等问题，本研究采用虚幻引擎UE4结合BIM数据的方法来实现建筑模型自动建模并渲染，充分利用了BIM模型完整的几何及非几何信息和UE4游戏引擎强劲的渲染效果，使得建模后的模型展示效果更为逼真。这种创新建模方式使得用户的交互体验感更强，验证了建筑设计的精确度和设计效果。同时，本研究方法能够对模型信息的重建和渲染进行自动化处理，整合建筑时空数据，打通信息孤岛，实现场景联动，为智慧建筑行业数据驱动的发展提供了借鉴。