公路工程BIM 設(shè)計(jì)與游戲引擎可視化交互應(yīng)用研究
——以汶川至馬爾康高速公路汶川樞紐互通式立交BIM 咨詢服務(wù)項(xiàng)目為例

楊 一

（四川交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

BIM 以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了工程建設(shè)項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)建筑工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)[1]，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)管理，將各種工程信息組織成一個(gè)整體，貫穿于工程全生命周期過(guò)程[2]。

可視化表現(xiàn)一直都是工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式。如今隨著游戲引擎和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅速發(fā)展,更加提升工程可視化設(shè)計(jì)的體驗(yàn)效果[3]。本文以《汶川至馬爾康高速公路汶川樞紐互通式立交BIM 咨詢服務(wù)項(xiàng)目》為例，通過(guò)BIM 設(shè)計(jì)、場(chǎng)景整合、游戲模擬、VR 體驗(yàn)，探索公路工程項(xiàng)目BIM 與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目承擔(dān)在建的汶川-馬爾康高速公路一期主體工程、汶川-九寨溝高速公路二期工程以及汶川-成都、成都-汶川方向兩條落地匝道變更工程，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、變更圖紙，建立面向統(tǒng)籌管理的BIM 模型，反映所有互通、道路、橋梁、標(biāo)志標(biāo)牌、收費(fèi)站及其他重要結(jié)構(gòu)物設(shè)施的精確位置和工程基本信息，模擬按現(xiàn)有圖紙施工后的實(shí)際結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題。

2 BIM 與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程

當(dāng)前主流游戲引擎是Unity 和Unreal，開(kāi)發(fā)包多,軟件操作簡(jiǎn)單,3D 圖形處理性能優(yōu)秀,可擴(kuò)展性強(qiáng)[4]。但由于BIM 建模軟件與Unity 和Unreal游戲引擎之間交互過(guò)程中，需大量時(shí)間對(duì)模型、材質(zhì)、動(dòng)畫進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化。作為數(shù)字制作軟件領(lǐng)域的No.1，Autodesk 公司推出了一款新的游戲制作引擎Stingray，實(shí)現(xiàn)BIM 模型到游戲引擎一整套的無(wú)縫解決方案[5]。因此本項(xiàng)目擬運(yùn)用同為Autodesk 平臺(tái)下的BIM 建模軟件及Stingray 引擎來(lái)探索BIM 設(shè)計(jì)與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程。

2.1 BIM 軟件創(chuàng)建信息模型

首先運(yùn)用Autodesk Civil3D 創(chuàng)建互通道路模型，Revit 創(chuàng)建橋梁及其他重要結(jié)構(gòu)物模型，導(dǎo)入到Infraworks 中進(jìn)行模型整合，建立汶馬高速主線、互通匝道、附屬設(shè)施在內(nèi)的BIM 模型。模型建立后，可準(zhǔn)確檢查高程、凈空、路基邊坡干擾、路橋及其重要附屬結(jié)構(gòu)物碰撞沖突、相互影響的各種問(wèn)題，以快速進(jìn)行方案溝通和調(diào)整。模型效果見(jiàn)圖1。

圖1 BIM 模型效果圖

2.2 3Dmax 模型場(chǎng)景整合

創(chuàng)建BIM 模型后，運(yùn)用3Dmax 對(duì)場(chǎng)景、模型、材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，為導(dǎo)入游戲引擎做好前期準(zhǔn)備。在Infraworks 中按地形、道路、結(jié)構(gòu)物、標(biāo)線、輔助設(shè)施等類別分別導(dǎo)出FBX 模型，導(dǎo)入到3Dmax 中。

2.2.1 場(chǎng)景整理

導(dǎo)入BIM 模型后，首先對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行整理，主要包括單位匹配、坐標(biāo)設(shè)置、模型合并、材質(zhì)分類、測(cè)試渲染等工作，以檢查模型及優(yōu)化場(chǎng)景資源，提升后續(xù)渲染效率。

2.2.2 模型處理

由于軟件之間構(gòu)建及計(jì)算方式不同，BIM 模型導(dǎo)入到3Dmax 中后，模型存在斷點(diǎn)重面、法線反向、高程錯(cuò)位、道路斷道等問(wèn)題，需運(yùn)用編輯多邊形工具對(duì)模型的點(diǎn)、線、面處理，逐一修復(fù)。

2.2.3 材質(zhì)調(diào)整

從Infraworks 導(dǎo)入的模型都保留了材質(zhì)，但貼圖大小及位置不準(zhǔn)確，需運(yùn)用UVW 貼圖工具進(jìn)行調(diào)整。另外場(chǎng)景的地形影像材質(zhì)需運(yùn)用Photoshop 進(jìn)行合成和調(diào)色處理，確保協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.2.4UV 展開(kāi)

由于游戲引擎采用實(shí)時(shí)渲染方式，需進(jìn)行燈光烘焙，把模型光照的明暗信息預(yù)先保存到紋理上，提升模型的光影效果及游戲的運(yùn)行速度。因此在3Dmax 中須對(duì)場(chǎng)各模型進(jìn)行UV 展開(kāi)，UV 展開(kāi)的好壞將決定了烘焙貼圖的分辨率或細(xì)節(jié)。至此基本完成模型場(chǎng)景整合工作。

2.3 Stingray 創(chuàng)建游戲場(chǎng)景

Stingray 為一款支持可視化多平臺(tái)研發(fā)的3D 渲染引擎，能與3Dmax幾乎無(wú)縫鏈接，快速實(shí)時(shí)展現(xiàn)場(chǎng)景中材質(zhì)、燈光、效果，并提供強(qiáng)大的可視化編程功能。

2.3.1 場(chǎng)景導(dǎo)入

3Dmax 模型整合完成后，在菜單欄中選擇Stingray，勾選Connect，點(diǎn)擊Send all，即可將場(chǎng)景中所有模型、材質(zhì)完整導(dǎo)入到Stingray 游戲引擎中。

2.3.2 環(huán)境設(shè)置

在模型、材質(zhì)導(dǎo)入完成后，創(chuàng)建游戲場(chǎng)景的環(huán)境、背景、燈光。本項(xiàng)目體現(xiàn)白天晴天氛圍，設(shè)置背景為藍(lán)天白云，燈光為暖色，調(diào)整好場(chǎng)景的全局反折射、陰影屬性，保證場(chǎng)景整體具有較好的光影效果。

2.3.3 燈光烘焙

燈光烘焙好壞直接影響游戲運(yùn)行體驗(yàn)效果。這里不斷進(jìn)行現(xiàn)燈光烘焙測(cè)試，并反復(fù)調(diào)整UV 形態(tài)、燈光屬性及材質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行最終燈光烘焙。至此基本完成游戲場(chǎng)景的渲染設(shè)置。

2.3.4 添加物理角色

在游戲引擎中，場(chǎng)景中物體相互之間是存在碰撞關(guān)系的。因此對(duì)場(chǎng)景中的地形、道路、護(hù)欄、橋梁等結(jié)構(gòu)物，添加物理角色（Physics Actor），設(shè)置物理類型為靜態(tài)，形狀類型為網(wǎng)格，確保能與汽車發(fā)生真實(shí)的碰撞效果。

2.4 Stingray 編制游戲腳本

Stingray 創(chuàng)建游戲場(chǎng)景之后，將通過(guò)編制程序腳本創(chuàng)建游戲世界，實(shí)現(xiàn)游戲模擬及用戶交互。游戲行車模擬效果見(jiàn)圖2。

2.4.1 編制游戲引導(dǎo)腳本

首先對(duì)游戲運(yùn)行的引導(dǎo)腳本進(jìn)行編制，主要包括引導(dǎo)包(Boot)、系統(tǒng)設(shè)置(Settings)、物理系統(tǒng)(Physics_Properties)、引導(dǎo)文件(Main)，完成腳本引導(dǎo)，資源加載、渲染配置、物理屬性、用戶界面等配置。

2.4.2 編制游戲管理腳本

然后將對(duì)游戲運(yùn)行的管理腳本模塊進(jìn)行編制。本項(xiàng)目運(yùn)用SimpleProject 模板的Appkit 對(duì)象提供的內(nèi)置應(yīng)用程序管理游戲配置。主要包括世界（World）、場(chǎng)景（Level）、攝像機(jī)（Camera Unit）、Player（玩家）、Config（配置），完成游戲世界中各關(guān)鍵對(duì)象的定義和描述，并對(duì)游戲場(chǎng)景進(jìn)行初始化。

2.4.3 編制游戲汽車模擬腳本

完成上述工作后，在游戲世界中創(chuàng)建汽車，通過(guò)腳本控制，對(duì)汽車的類型、速度、受力、位置、方向、物理碰撞等屬性進(jìn)行初始化配置，完成汽車在場(chǎng)景中的加載，實(shí)現(xiàn)在本場(chǎng)景模型中進(jìn)行可視化行車模擬。

2.4.4 編制游戲攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)腳本

游戲世界中，攝像機(jī)鏡頭及運(yùn)動(dòng)決定整個(gè)游戲運(yùn)行和體驗(yàn)的效果。這里對(duì)攝像機(jī)的類型、視野、朝向、位置、角度、偏移速度等進(jìn)行初始化配置。然后需建立攝像機(jī)與汽車的鏈接關(guān)系，保證攝像機(jī)能跟隨汽車運(yùn)動(dòng)。

2.4.5 制作UI

游戲主程序腳本編制完成之后，將對(duì)游戲運(yùn)行用戶界面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。Stingray 軟件中集成了Scaleform 插件，通過(guò)該插件自定義用戶界面，包括主菜單和用戶選項(xiàng)2 個(gè)部分，可選擇不同的汽車和不同的初始位置進(jìn)行游戲模擬體驗(yàn)。至此，基本完成BIM 設(shè)計(jì)與游戲引擎可視化交互應(yīng)用工作。

圖2 游戲行車模擬效果圖

通過(guò)將BIM 信息模型完整導(dǎo)入到游戲引擎中進(jìn)行可視化交互行車模擬，可進(jìn)一步驗(yàn)證道路、橋梁、匝道之間存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且能更清晰判斷本項(xiàng)目的路線走向、行車視線、駕駛安全、標(biāo)牌設(shè)施是否合理，并直觀感受周邊的地形、建筑、水域、景觀、綠化等信息，為業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位等各項(xiàng)目參與方對(duì)整體建設(shè)方案提供可靠決策。

2.5 Stingray 連接VR 設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

在完成BIM 模型+游戲引擎實(shí)現(xiàn)行車可視化交互模擬之后，運(yùn)用stingray 游戲引擎與VR 虛實(shí)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的可視化體驗(yàn)效果。

2.5.1 創(chuàng)建VR 虛擬環(huán)境

Stingray 中自帶VR 模板，本項(xiàng)目選擇HTC Vive 設(shè)備體驗(yàn)，創(chuàng)建SteamVR 模板，通過(guò)腳本初始化VR 虛擬環(huán)境，主要包括加載SteamVR 腳本和HTC Vive VR 設(shè)備的鏈接接口。

2.5.2 鏈接VR 虛擬環(huán)境與游戲場(chǎng)景

VR 虛擬世界初始化完成后，通過(guò)VR Flow Nodes 可視化編程節(jié)點(diǎn)結(jié)合SteamVR 腳本的輸入、鏈接、設(shè)備、以及跟蹤空間節(jié)點(diǎn)，將VR 虛實(shí)世界跟蹤空間映射到已創(chuàng)建的游戲場(chǎng)景世界中。

2.5.3 調(diào)整VR 游戲世界運(yùn)行效果

將游戲場(chǎng)景添加到VR 世界后，需配置VR 視點(diǎn)與攝像機(jī)的銜接以及VR 游戲畫面更新速度，通過(guò)不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)VR 游戲世界正確的用戶視口及較好的實(shí)時(shí)渲染畫面。至此基本完成本項(xiàng)目VR 可視化交互式行車模擬體驗(yàn)。

游戲引擎+VR 的行車模擬，無(wú)縫集成了BIM 設(shè)計(jì)成果，挖掘出BIM模型中更多的數(shù)據(jù)和更精的細(xì)節(jié)，使交通基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)工程可視化應(yīng)用水平更上一個(gè)臺(tái)階，大大提升了公路工程項(xiàng)目建設(shè)在前期及設(shè)計(jì)階段的信息管理、信息溝通能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)《汶川至馬爾康高速公路汶川樞紐互通式立交BIM 咨詢服務(wù)項(xiàng)目》，運(yùn)用Autodesk 軟件平臺(tái)對(duì)公路工程項(xiàng)目BIM 設(shè)計(jì)與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程進(jìn)行了探索應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了BIM 模型在游戲平臺(tái)中的行車模擬及VR 體驗(yàn)，對(duì)提高項(xiàng)目方案溝通效率，降低項(xiàng)目建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)具有一定價(jià)值。今后將在游戲運(yùn)行優(yōu)化、可視化交互拓展、VR 場(chǎng)景渲染效果等方面進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)用研發(fā)工作，形成一套完整的BIM+游戲可視化交互應(yīng)用流程。