公路工程BIM 設(shè)計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)項目為例

楊 一

（四川交通勘察設(shè)計研究院有限公司， 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)項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對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[1]，對項目進行設(shè)計、建造和運營管理，將各種工程信息組織成一個整體，貫穿于工程全生命周期過程[2]。

可視化表現(xiàn)一直都是工程設(shè)計領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式。如今隨著游戲引擎和虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅速發(fā)展,更加提升工程可視化設(shè)計的體驗效果[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)項目》為例，通過BIM 設(shè)計、場景整合、游戲模擬、VR 體驗，探索公路工程項目BIM 與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程。

1 項目概況

本項目承擔(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、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)有圖紙施工后的實際結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。

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，開發(fā)包多,軟件操作簡單,3D 圖形處理性能優(yōu)秀,可擴展性強[4]。但由于BIM 建模軟件與Unity 和Unreal游戲引擎之間交互過程中，需大量時間對模型、材質(zhì)、動畫進行反復(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，實現(xiàn)BIM 模型到游戲引擎一整套的無縫解決方案[5]。因此本項目擬運用同為Autodesk 平臺下的BIM 建模軟件及Stingray 引擎來探索BIM 設(shè)計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、相互影響的各種問題，以快速進行方案溝通和調(diào)整。模型效果見圖1。

圖1 BIM 模型效果圖

2.2 3Dmax 模型場景整合

創(chuàng)建BIM 模型后，運用3Dmax 對場景、模型、材質(zhì)進行調(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 場景整理

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

2.2.2 模型處理

由于軟件之間構(gòu)建及計算方式不同，BIM 模型導(dǎo)入到3Dmax 中后，模型存在斷點重面、法線反向、高程錯位、道路斷道等問題，需運用編輯多邊形工具對模型的點、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，需運用UVW 貼圖工具進行調(diào)整。另外場景的地形影像材質(zhì)需運用Photoshop 進行合成和調(diào)色處理，確保協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.2.4UV 展開

由于游戲引擎采用實時渲染方式，需進行燈光烘焙，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行速度。因此在3Dmax 中須對場各模型進行UV 展開，UV 展開的好壞將決定了烘焙貼圖的分辨率或細節(jié)。至此基本完成模型場景整合工作。

2.3 Stingray 創(chuàng)建游戲場景

Stingray 為一款支持可視化多平臺研發(fā)的3D 渲染引擎，能與3Dmax幾乎無縫鏈接，快速實時展現(xiàn)場景中材質(zhì)、燈光、效果，并提供強大的可視化編程功能。

2.3.1 場景導(dǎo)入

3Dmax 模型整合完成后，在菜單欄中選擇Stingray，勾選Connect，點擊Send all，即可將場景中所有模型、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)建游戲場景的環(huán)境、背景、燈光。本項目體現(xiàn)白天晴天氛圍，設(shè)置背景為藍天白云，燈光為暖色，調(diào)整好場景的全局反折射、陰影屬性，保證場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行體驗效果。這里不斷進行現(xiàn)燈光烘焙測試，并反復(fù)調(diào)整UV 形態(tài)、燈光屬性及材質(zhì)參數(shù)，進行最終燈光烘焙。至此基本完成游戲場景的渲染設(shè)置。

2.3.4 添加物理角色

在游戲引擎中，場景中物體相互之間是存在碰撞關(guān)系的。因此對場景中的地形、道路、護欄、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)生真實的碰撞效果。

2.4 Stingray 編制游戲腳本

Stingray 創(chuàng)建游戲場景之后，將通過編制程序腳本創(chuàng)建游戲世界，實現(xiàn)游戲模擬及用戶交互。游戲行車模擬效果見圖2。

2.4.1 編制游戲引導(dǎo)腳本

首先對游戲運行的引導(dǎo)腳本進行編制，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

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

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，通過腳本控制，對汽車的類型、速度、受力、位置、方向、物理碰撞等屬性進行初始化配置，完成汽車在場景中的加載，實現(xiàn)在本場景模型中進行可視化行車模擬。

2.4.4 編制游戲攝像機運動腳本

游戲世界中，攝像機鏡頭及運動決定整個游戲運行和體驗的效果。這里對攝像機的類型、視野、朝向、位置、角度、偏移速度等進行初始化配置。然后需建立攝像機與汽車的鏈接關(guān)系，保證攝像機能跟隨汽車運動。

2.4.5 制作UI

游戲主程序腳本編制完成之后，將對游戲運行用戶界面進行整體設(shè)計。Stingray 軟件中集成了Scaleform 插件，通過該插件自定義用戶界面，包括主菜單和用戶選項2 個部分，可選擇不同的汽車和不同的初始位置進行游戲模擬體驗。至此，基本完成BIM 設(shè)計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

通過將BIM 信息模型完整導(dǎo)入到游戲引擎中進行可視化交互行車模擬，可進一步驗證道路、橋梁、匝道之間存在的設(shè)計問題，而且能更清晰判斷本項目的路線走向、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)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等各項目參與方對整體建設(shè)方案提供可靠決策。

2.5 Stingray 連接VR 設(shè)備虛擬現(xiàn)實體驗

在完成BIM 模型+游戲引擎實現(xiàn)行車可視化交互模擬之后，運用stingray 游戲引擎與VR 虛實現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更真實的可視化體驗效果。

2.5.1 創(chuàng)建VR 虛擬環(huán)境

Stingray 中自帶VR 模板，本項目選擇HTC Vive 設(shè)備體驗，創(chuàng)建SteamVR 模板，通過腳本初始化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)境與游戲場景

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

2.5.3 調(diào)整VR 游戲世界運行效果

將游戲場景添加到VR 世界后，需配置VR 視點與攝像機的銜接以及VR 游戲畫面更新速度，通過不斷調(diào)整節(jié)點各項參數(shù)實現(xiàn)VR 游戲世界正確的用戶視口及較好的實時渲染畫面。至此基本完成本項目VR 可視化交互式行車模擬體驗。

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

3 結(jié)束語

本文通過《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)項目》，運用Autodesk 軟件平臺對公路工程項目BIM 設(shè)計與游戲引擎可視化交互應(yīng)用流程進行了探索應(yīng)用研究，實現(xiàn)了BIM 模型在游戲平臺中的行車模擬及VR 體驗，對提高項目方案溝通效率，降低項目建設(shè)風(fēng)險具有一定價值。今后將在游戲運行優(yōu)化、可視化交互拓展、VR 場景渲染效果等方面進一步加強應(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。