BIM+虚幻引擎技术在园林景观工程可视化交互设计中的应用研究

2024-03-26黄宇俊郑慨睿温智鹏尹浩旭王小鹏张煜堃

土木建筑工程信息技术 2024年1期

黄宇俊郑慨睿温智鹏尹浩旭王小鹏张煜堃

( 同炎数智科技（重庆）有限公司，重庆 400050)

引言

BIM 技术在可视化、多专业协同、信息化集成以及模拟等方面的优势[1]，承载着项目各阶段的数据和信息，实现各参建方的协同管理，可对工程的全生命期进行全过程管控[2]。

园林景观设计不仅对绿色低碳发展很重要，而且在促进生态发展、经济增长和社会效益中也起重要的作用[3,4]。董则奉等[5]以上海迪士尼为例，阐述了BIM技术应用于可视化、可交互、协同设计、苗木迁移以及工程量核算。黄志超[6]以安置区项目为例，将BIM技术应用于对园林市政专业施工图分析、园林景观工程专业优化、施工进度模拟、园林景观工程指标及成本检验等方面。Fei Tan 等[7]在长沙废弃采石场采用激光三维扫描技术还原矿坑原始地貌BIM 模型，通过现场布置检测点的数据，及时对三维设计数据进行比较和更新，确定最终的边坡形状。Jinda Qi 等[8]以景观可视化为基础，制定出三维空间景观结构和空间特征量化标准。Ryan M. Perkl[9]通过ADM 技术不仅能够高效地展示整个项目分析、建模和三维设计，还能针对性地对场景植物进行定制化设计。从上述可以看出，国内外园林景观工程BIM 技术在场景可交互方面存在不足，园林景观工程领域更重视三维可视化方面的应用[10]，因此BIM 与虚幻引擎技术应用将是本文研究的重点。

虚幻引擎不仅在信息化集成兼容性方面明显要比其它BIM 软件好，而且在场景交互体验和渲染方面也具有天然的优势，并在建筑行业有应用成果体现[11]。引擎中带有蓝图系统，可实现无需外部第三方软件导入的自定义可视化编程开发，达到给关卡场景赋予相应的功能。本文中的应用基于蓝图系统开发，以深圳市实际园林景观工程为例，采用BIM+虚幻引擎技术，旨在为相关园林景观工程BIM 技术应用提供参考。

1 项目概况

安托山位于福田区和南山区交界处的安托山片区，北临北环大道，南临广深高速公路，东侧为侨香居住区，西侧为沙河建工村，附近有地铁2 号线安托山站深康站和地铁7 号线深云站。本项目属于园林绿化类城市建设项目，规划面积543 756.4 ㎡，如图1 所示。

图1 安托山自然艺术公园效果图

2 BIM 应用难点

园林景观利用BIM 技术三维可视化、信息化等优势，深化各阶段各专业设计的目的，规避因设计、施工中的错误操作造成的返工成本，大大地提升了各专业的设计效率。BIM 技术应用有以下难点：

（1）地形复杂。土方工程作为园林景观项目的核心内容之一，涉及到大量土方填挖问题；

（2）绿化模型批量创建是景观专业的核心内容。本项目涉及大量的存量和增量苗木作业，提高设计效率和质量，是景观设计亟待解决的问题；

（3）涉及专业多。景观专业缺乏与其他专业的设计协调，如受限于景观专业的模型信息标准；

（4）专业模型集成难度大。项目包含建筑、结构、机电、景观等专业，不仅各专业模型体量大，而且业主方对场景交互可视化方面提出更高的要求，增大了场景集成的难度。

3 BIM+虚幻引擎技术的应用成果

本文针对安托山项目设计阶段存在的BIM 技术应用难点，通过BIM+虚幻引擎技术实现了三维土方算量、景观信息模型批量创建、视域分析以及可视化交互系统的应用。

3.1 三维土方算量

常用的土方算量软件有操作流程繁琐、计算效果不明显以及场景交互性差的缺点，如南方CASS、Civil3D。基于虚幻引擎蓝图系统的射线检测功能，快速获取射线与模型的交点信息，解决了不同数据源在引擎集成后的空间算量问题。目前，主流的计算方法有方格网法、不规则三角形网格法、等高线法以及DEM 计算法[12]，其中DEM 计算法有较好的适用性，且具有计算精度高和网格大小便于调整的特点，广泛应用于土方工程算量的研究领域中[13,14]。本文采用DEM 计算法，其应用流程如图2 所示。

有一曲面函数为z=f(x,y)，如图3 所示。公式（1）为曲面z 在区域R 上的积分，即该区域的体积。公式（2）为曲面积分，即该区域的表面积。

图3 地形曲面

地形曲面在xoy的投影面上的网格离散化，如图4 所示，区域R={(x,y)|xmin≤x≤xmax,ymin≤y≤ymax}。由于曲面函数的表达式不详，通常处理这类积分问题都是数值求解[13]。

图4 地形表面投影离散化示意图

将上述体积和表面积的求解算法以蓝图形式编写进场景中，计算流程如图5 所示。

图5 土方计算流程图

部分核心功能的蓝图开发，选择场景中一六边形区域，绝对高程为31.12m，参考平面位置为模型最高点以下15m 处（参考平面高度的选取依据主要是以挖填平衡考虑出发，实际情况不一定以这种挖填方式考虑），如图6（a）～（b）所示。

图6 引擎计算部分功能核心蓝图

虚幻引擎中三维土方挖填计算结果如图7 所示。从计算结果可以明显的看出填挖方区域，且相较于其他二维土方算量软件计算结果显得更加直观。此外，求解的范围可以根据用户自定义选择，也就是添加了用户与场景的交互功能，不局限于通过导入坐标边界求解的形式。

图7 土方填挖计算结果

不同网格尺寸大小对土方计算的影响如表1 所示。以最后一组网格尺寸计算结果为真值，从表中可以看出第三组以后的加密方式（即4.74m×2.87m），填方量和挖方量相对误差均小于1%；表面积相对误差随着网格尺寸的减小而减小。综合表中计算结果和效率，可选用第三组网格尺寸的计算结果作为该区域填挖的估算量，在实际工程使用中，实现整体计算效率最佳。

表1 不同网格大小的计算结果

3.2 植物信息模型的批量创建

随着园林项目标准不断地提升，景观绿化模型资产信息的要求也愈发受到重视。传统以模型导入Lumion 作为展示的方式，不便于用户的交互体验和景观模型信息资产的绑定，因此选用合理的集成方式和路径，就显得非常重要。通过选用虚幻引擎作为集成底座，可以很好地解决信息交互问题，因此只需要解决绿化模型批量生成和信息绑定，即可完成植物信息模型的批量创建，目前可通过以下两种方式解决：

（1）通过Dynamo 技术批量生成[15]，但是该方法可能不适用于复杂的三维场地，且模型创建后，其位置不便于局部调整；

（2）借助平台创建，如光辉城市MARS[16]等国内自主研发的产品，但这些平台可能对模型创建的位置和数量把握有较大偏差。

快速创建景观信息模型的技术流程如下：

安托山项目景观绿化平面图如图8（a）所示。通过CAD 数据提取功能，获取该平面图中植物模型的平面位置（只含有x、y 坐标）和族名称信息，将导出后的植物模型坐标与项目基点做差得到相对坐标系。

图8 批量创建技术流程

为了能直观地在三维模型中可视化上述植物平面坐标数据，可在平面数据中加上z 轴值，这里统一将平面坐标的z 值取为150m（点在地质模型上方即可），植物平面坐标的可视化效果如图8（b）所示。通过Dynamo 的topography. point 节点提取地质模型顶点坐标，并且将该顶点坐标作为后面植物真实坐标求解的依据。

求解植物三维坐标（高程未知）的技术流程如下：

（1）将植物平面坐标和地质顶点坐标导入ArcGIS；

（2）把地质顶点先转要素，再转TIN 数据，最后再转成栅格；

（3）以上一步骤的栅格为参照，待求高程选择植物平面坐标，通过相邻点间线性插值求得待求点云的实际z 坐标。

RASTERVALUE 值为植物平面坐标投影后的高程值如图8（c）所示。

基于虚幻引擎structure 模块，可实现植物三维坐标、植物属性（如冠幅、腹径和高度）等信息的导入。在关卡中添加蓝图脚本编辑器，并通过loop 节点循环下，完成外部导入植物定位字段与三维actor 模型（在Speedtree for unreal 完成建模工作）的匹配，即可达到快速、可控的批量创建（spawn actor）效果，如图9（a）～（b）所示。同理，也可以根据植物名称匹配相应的属性信息，效果如图10 所示。

图9 植物批量生成效果

图10 植物属性信息匹配

3.3 视域分析

景物、景感和条件是构成园林景观工程的三个基本要素[17]。传统的园林景观项目都靠景感把握，这就造成设计中会掺杂过多的人为因素，导致在设计中无法把科学、人文和环境进行有效结合。因此，定量分析对园林景观设计显得尤为重要，通过视域分析，可使得园林景观设计结合量化分析成为可能。

通常把平面路网导入DepthmapX 中生成可达性（指节点于整体系统内所有节点联系的紧密程度）结果，即找出可达性较高的位置，通过对这些区域进行视域可视、遮挡检测，可确定该区域景观敏感点的位置；最后综合考虑视觉与空间关系，为景观设计师提供设计依据。在虚幻引擎中添加蓝图文件（包含场景捕获组件2D、网格体以及贴花组件），并用材质世界坐标减去相机坐标，获得该组件的相对坐标系；通过Manual World To Screen UVs Transform节点控制视野锥范围，当材质节点在视野区域内，区域颜色变绿，反之则反，如图11 所示。

图11 贴花组件材质蓝图

以项目中主轴广场丘陵花园的部分区域进行视域分析，并将上述蓝图文件放入场景可达性高的位置上。花园中多个可达性点视域遮挡结果如图12（a）所示，可以看出该区域景观敏感点在边界，并结合景物对视觉与行为特征影响程度[17]，对景观模型进行量化设计，景观模型设计后的效果如图12（b）所示。

图12 视域分析

3.4 可视化交互系统

由于项目地形复杂，对多专业协同设计显得非常重要。根据业主方对三维可视化技术在移动端应用的需求，最终使用虚幻引擎进行三维交互可视化系统的开发。

BIM 模型通过引擎Datasmith 的插件导入场景中，场景模型不仅包含几何信息、材质纹理，而且还包括属性信息，这可减轻后期进行信息交互的工作量。为进一步提升场景的渲染速率，可采用数模分离技术，其原理是将模型几何信息和属性信息分离，实现流程为：

（1）通过Revit 与Twinmotion 协同工作，有效过滤掉模型除构件ID 以外的属性字段，且该字段值是作为后期匹配属性信息的依据；

（2）利用Dynamo 中element.parameters 节点对构件的属性信息进行提取；

（3）将上述步骤的模型和属性信息导入场景中，并做相应的信息匹配工作。通常各专业模型体量大，需对场景进行一定的轻量化处理，如导入前预先对模型修面处理，或者导入后设置多套LOD（Level Of Detail）参数，多专业模型集成后的效果如图13 所示。

图13 全专业模型场景图

在场景中添加碰撞检测、属性查看、可视化显示、空间计算以及漫游等可交互的蓝图模块，如图14 所示，增大了用户交互体验。碰撞分析结果如图15 所示，其原理是在景观模型上添加碰撞检测盒，当系统运行时就触发事件来获取碰撞对象（非地质模型）的名称以及位置等信息，并以报告形式生成，可配合漫游模块的功能，实现第三人称或者默认视角的查看。