基于UE4及BIM數據的建筑模型自動建模系統研究

方 瑾 謝雄耀 董道國 徐金峰 沈馳遠 姜 毅

1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系 上海 200092；2. 華建數創（上海）科技有限公司 上海 200000；3. 上海黃浦江大橋建設有限公司 上海 200090

黨的十九大報告明確提出了數字中國、智慧社會概念，作為數字中國、智慧社會戰略落地實施的重要載體，智慧建筑行業正步入迅速發展的新時代。隨著技術的不斷進步和市場領域的延伸，對智慧建筑行業創新、融合、轉型發展的需求日趨強烈。

從行業政策上來看，我國智能建筑已經歷二十多年發展歷程，智慧建筑的概念和實踐體系處于初步形成階段，智慧建筑市場未來前景巨大。國內外針對智能建筑、智慧建筑的定義和做法不盡相同。針對我國智慧建筑行業的發展歷程進行簡單梳理，其中《智能建筑設計標準》是智慧建筑發展的里程碑，該標準分別在2000年、2006年、2015年發布最新版本[1-3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術作為工程建設行業數字化轉型的重要工具，全面整合了工程項目全生命周期的數據，主要包括幾何信息和非幾何信息，其中幾何信息主要指三維模型，非幾何信息主要指模型構件的屬性，與構件關聯的工程進度信息、造價信息、管理信息等。其優點相對于傳統使用二維圖紙進行工程建設而言，主要提高了模型的可視化效果，促進了專業間的溝通協作，形成一個公共數據環境，增加了信息透明度和可追溯性。

但是，其不足之處在于BIM軟件相對較“重”，對硬件要求高，模型渲染效果差，尤其是針對不規則的建筑幾何形狀，如弧形、不規則的零件結構等。而游戲引擎的渲染效果逼真，但是建模功能又較差，如Unreal Engine 4（簡稱UE4）是由Epic Games推出的一款游戲開發引擎[4]，擁有較高的集成度和行業領先的圖形技術。

綜上，采用虛幻引擎UE4結合BIM數據來實現建筑模型自動建模并渲染的方法，是值得研究的。

1 基于UE4及BIM數據的自動建模方法

1.1 自動建模系統模型構建

基于UE4及BIM數據的自動建模模型構建主要包括4個步驟，如圖1所示。

圖1 模型構建流程示意

第一步，在UE4中制作項目模板。

第二步，通過BIM引擎解析BIM模型，首先需要對建筑模型中常用的各種構件進行參數化，包括常用材質庫的參數化，納入到UE4引擎中，便可在UE4引擎中對參數化構件庫中的各種構件參數進行修改，同時保持了與BIM模型中材質庫的一致性。

第三步，在模型自動生成模塊中構建與BIM模型相同的模型，通過調用參數化構件庫中與各個建筑構件一一對應的若干構件，并且將對應參數設定為與BIM模型中的各個建筑構件的幾何與非幾何信息一致。其中構件的參數主要包括坐標信息、幾何尺寸、空間位置、幾何形狀、地理位置信息、構件材質信息、構件間的關聯關系等。構件間的關聯關系包括包含、嵌套、連接、剪切。

第四步，運行自動渲染模塊，對模型自動生成模塊構建的模型進行渲染。包括讀取BIM模型中的各個建筑構件的構件材質信息；在參數化構件庫中檢索與BIM模型的各個建筑構件對應的若干構件，再將構件材質信息附著到若干構件上；最后，讀取BIM模型中的各個建筑構件的幾何形狀、幾何尺寸、地理位置信息、空間位置時，對需要局部光照或全局光照的BIM模型的建筑構件對應的構件，進行光照渲染。

1.2 自動建模系統的設計與實現

第一步環節，在UE4中制作一項目模板，參數化構件庫中具有建筑模型常用的各種構件，如柱、梁、板、墻、門、窗、幕墻等，UE4可以定義各個構件，并對參數化構件庫中的各種構件的參數通過接入外部數據進行修改。例如，UE4中的基本幾何體筆刷及靜態幾何體網格，將一個或多個幾何體組合轉化為一個藍圖腳本，在藍圖腳本中添加變量以控制網格的變換，包括位置坐標、旋轉角度、縮放比例、移動性和材質信息等，這些變量與BIM模型的構件屬性是一一對應的，當將BIM模型的構件屬性作為變量值輸入該藍圖腳本后，將得到一個幾何形狀與BIM模型的構件保持一致的幾何體，其中一個藍圖腳本對應一種BIM模型的構件。同時，參數化構件庫還設有常用材質庫，常用材質庫與BIM模型中的材質庫保持一致（圖2）。

圖2 藍圖腳本編輯界面

模型自動生成模塊用于調用外部接口以獲取BIM模型數據和實例化BIM構件庫中的構件，將所有藍圖腳本保存至參數化構件庫中，并將常用建筑材質保存至項目模板。

自動渲染模塊用于對模型進行自動貼圖和光照渲染。

項目模板還具有坐標轉換模塊，由于BIM模型與UE4的坐標系不一致，通過坐標轉換模塊進行坐標轉換。阮志敏等[5]研究了UE4空間尺度和BIM模型中坐標系統的對應關系，最終成功搭建了三維場景模型。本研究采用的坐標轉換原理是在UE4中尋找BIM模型的原點，然后將其創建為一個參考原點向量，再把BIM數據的坐標向量加上參考原點的坐標向量，生成BIM模型數據在UE4中對應的世界坐標向量。統一單位后的坐標轉換代碼如圖3所示。

圖3 坐標轉換源代碼

在第二步中，BIM引擎解析BIM模型，將BIM模型的各個建筑構件的幾何與非幾何信息存儲至數據庫中。其中，若干構件的參數包含幾何形狀、幾何尺寸、坐標信息、構件間的關聯關系、構件材質信息、地理位置信息、空間位置，及上述的旋轉角度、縮放比例、移動性等。其中，構件間的關聯關系包含但不限于包含、嵌套、連接、剪切等。

此外，使用基于Revit二次開發的BIM引擎ArcEngine對BIM模型解析，解析后可將所有構件的幾何與非幾何信息存儲到MySQL和Dgraph數據庫中，編寫API使外部程序可以根據項目名稱調用BIM數據。

在第三步中，UE4讀取數據庫中的各個建筑構件的幾何與非幾何信息，模型自動生成模塊構建與BIM模型相同的模型。模型自動生成模塊通過接口調用參數化構件庫中與各個建筑構件一一對應的若干構件。藍圖腳本通過上述API接口調用BIM數據，并在參數化構件庫中通過構件名稱匹配對應的構件。

將若干構件的參數設定為與BIM模型中的各個建筑構件的幾何與非幾何信息一致。將BIM構件屬性值自動填充進藍圖腳本，生成模型，若BIM模型的坐標系與UE4的坐標系不統一，則通過坐標轉換模塊轉換坐標，坐標轉換后在相應場景中實例化構件，模型生成后，根據BIM數據中構件之間的嵌套、剪切、連接等關系，在UE4中重建其關聯性，使其與BIM模型中的建筑構件保持一致。

在第四步中，運行自動渲染模塊，對模型自動生成模塊構建的模型進行渲染。渲染過程中，UE4會自動讀取BIM模型中的各個建筑構件的構件材質信息。同時在參數化構件庫中UE4自動檢索與BIM模型的各個建筑構件對應的若干構件，將構件材質信息附著到若干構件上。然后，UE4自動讀取BIM模型的各個建筑構件的幾何形狀、幾何尺寸、空間位置、地理位置信息，對需要局部光照（如窗戶、幕墻等透光區域構件），或全局光照的BIM模型建筑對應的構件，進行光照渲染。如自動渲染模塊會根據API從BIM模型獲取的構件材質信息，自動對使用相同材質的構件表面分組后統一附著材質，對窗戶、幕墻等透光區域，根據其空間位置和大小自動生成lightmass門戶，提高光照質量，進行光照渲染。此外，自動渲染模塊還會根據地理位置信息和天氣情況預制的光照場景，預制多個全局光照場景，自動進行渲染。

1.3 自動建模系統應用案例

本研究以某銀行總部辦公大廈的三維模型重構為示例，應用基于UE4和BIM數據的建筑模型自動建模方法。首先導入原大廈BIM三維模型，然后在UE4中建立項目模板，利用BIM引擎解析，得到大廈內部所有構件的幾何和非幾何信息，儲存在MySQL和Dgraph數據庫中。再編寫API使外部程序調用BIM數據，同時通過坐標轉換模塊進行轉換坐標，根據BIM數據中構件之間的嵌套、剪切、連接等關系在UE4中重建其關聯性，使其與BIM模型中的建筑構件保持一致。最后，運行自動渲染，結果如圖4所示。

圖4 某銀行總部辦公大廈三維模型重構建模

2 結語

為解決BIM軟件運行量大，對硬件要求高，效率低，模型渲染效果差，尤其是針對不規則的建筑幾何形狀，如弧形、不規則的零件結構等問題，本研究采用虛幻引擎UE4結合BIM數據的方法來實現建筑模型自動建模并渲染，充分利用了BIM模型完整的幾何及非幾何信息和UE4游戲引擎強勁的渲染效果，使得建模后的模型展示效果更為逼真。這種創新建模方式使得用戶的交互體驗感更強，驗證了建筑設計的精確度和設計效果。同時，本研究方法能夠對模型信息的重建和渲染進行自動化處理，整合建筑時空數據，打通信息孤島，實現場景聯動，為智慧建筑行業數據驅動的發展提供了借鑒。