BIM+虛幻引擎技術(shù)在園林景觀工程可視化交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

黃宇俊 鄭慨睿 溫智鵬 尹浩旭 王小鵬 張煜堃

( 同炎數(shù)智科技（重慶）有限公司，重慶 400050)

引言

BIM 技術(shù)在可視化、多專業(yè)協(xié)同、信息化集成以及模擬等方面的優(yōu)勢[1]，承載著項(xiàng)目各階段的數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)各參建方的協(xié)同管理，可對工程的全生命期進(jìn)行全過程管控[2]。

園林景觀設(shè)計(jì)不僅對綠色低碳發(fā)展很重要，而且在促進(jìn)生態(tài)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長和社會效益中也起重要的作用[3,4]。董則奉等[5]以上海迪士尼為例，闡述了BIM技術(shù)應(yīng)用于可視化、可交互、協(xié)同設(shè)計(jì)、苗木遷移以及工程量核算。黃志超[6]以安置區(qū)項(xiàng)目為例，將BIM技術(shù)應(yīng)用于對園林市政專業(yè)施工圖分析、園林景觀工程專業(yè)優(yōu)化、施工進(jìn)度模擬、園林景觀工程指標(biāo)及成本檢驗(yàn)等方面。Fei Tan 等[7]在長沙廢棄采石場采用激光三維掃描技術(shù)還原礦坑原始地貌BIM 模型，通過現(xiàn)場布置檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，及時(shí)對三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和更新，確定最終的邊坡形狀。Jinda Qi 等[8]以景觀可視化為基礎(chǔ)，制定出三維空間景觀結(jié)構(gòu)和空間特征量化標(biāo)準(zhǔn)。Ryan M. Perkl[9]通過ADM 技術(shù)不僅能夠高效地展示整個項(xiàng)目分析、建模和三維設(shè)計(jì)，還能針對性地對場景植物進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。從上述可以看出，國內(nèi)外園林景觀工程BIM 技術(shù)在場景可交互方面存在不足，園林景觀工程領(lǐng)域更重視三維可視化方面的應(yīng)用[10]，因此BIM 與虛幻引擎技術(shù)應(yīng)用將是本文研究的重點(diǎn)。

虛幻引擎不僅在信息化集成兼容性方面明顯要比其它BIM 軟件好，而且在場景交互體驗(yàn)和渲染方面也具有天然的優(yōu)勢，并在建筑行業(yè)有應(yīng)用成果體現(xiàn)[11]。引擎中帶有藍(lán)圖系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無需外部第三方軟件導(dǎo)入的自定義可視化編程開發(fā)，達(dá)到給關(guān)卡場景賦予相應(yīng)的功能。本文中的應(yīng)用基于藍(lán)圖系統(tǒng)開發(fā)，以深圳市實(shí)際園林景觀工程為例，采用BIM+虛幻引擎技術(shù)，旨在為相關(guān)園林景觀工程BIM 技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目概況

安托山位于福田區(qū)和南山區(qū)交界處的安托山片區(qū)，北臨北環(huán)大道，南臨廣深高速公路，東側(cè)為僑香居住區(qū)，西側(cè)為沙河建工村，附近有地鐵2 號線安托山站深康站和地鐵7 號線深云站。本項(xiàng)目屬于園林綠化類城市建設(shè)項(xiàng)目，規(guī)劃面積543 756.4 ㎡，如圖1 所示。

圖1 安托山自然藝術(shù)公園效果圖

2 BIM 應(yīng)用難點(diǎn)

園林景觀利用BIM 技術(shù)三維可視化、信息化等優(yōu)勢，深化各階段各專業(yè)設(shè)計(jì)的目的，規(guī)避因設(shè)計(jì)、施工中的錯誤操作造成的返工成本，大大地提升了各專業(yè)的設(shè)計(jì)效率。BIM 技術(shù)應(yīng)用有以下難點(diǎn)：

（1）地形復(fù)雜。土方工程作為園林景觀項(xiàng)目的核心內(nèi)容之一，涉及到大量土方填挖問題；

（2）綠化模型批量創(chuàng)建是景觀專業(yè)的核心內(nèi)容。本項(xiàng)目涉及大量的存量和增量苗木作業(yè)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，是景觀設(shè)計(jì)亟待解決的問題；

（3）涉及專業(yè)多。景觀專業(yè)缺乏與其他專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，如受限于景觀專業(yè)的模型信息標(biāo)準(zhǔn)；

（4）專業(yè)模型集成難度大。項(xiàng)目包含建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、景觀等專業(yè)，不僅各專業(yè)模型體量大，而且業(yè)主方對場景交互可視化方面提出更高的要求，增大了場景集成的難度。

3 BIM+虛幻引擎技術(shù)的應(yīng)用成果

本文針對安托山項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段存在的BIM 技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)，通過BIM+虛幻引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維土方算量、景觀信息模型批量創(chuàng)建、視域分析以及可視化交互系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1 三維土方算量

常用的土方算量軟件有操作流程繁瑣、計(jì)算效果不明顯以及場景交互性差的缺點(diǎn)，如南方CASS、Civil3D。基于虛幻引擎藍(lán)圖系統(tǒng)的射線檢測功能，快速獲取射線與模型的交點(diǎn)信息，解決了不同數(shù)據(jù)源在引擎集成后的空間算量問題。目前，主流的計(jì)算方法有方格網(wǎng)法、不規(guī)則三角形網(wǎng)格法、等高線法以及DEM 計(jì)算法[12]，其中DEM 計(jì)算法有較好的適用性，且具有計(jì)算精度高和網(wǎng)格大小便于調(diào)整的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土方工程算量的研究領(lǐng)域中[13,14]。本文采用DEM 計(jì)算法，其應(yīng)用流程如圖2 所示。

有一曲面函數(shù)為z=f(x,y)，如圖3 所示。公式（1）為曲面z 在區(qū)域R 上的積分，即該區(qū)域的體積。公式（2）為曲面積分，即該區(qū)域的表面積。

圖3 地形曲面

地形曲面在xoy的投影面上的網(wǎng)格離散化，如圖4 所示，區(qū)域R={(x,y)|xmin≤x≤xmax,ymin≤y≤ymax}。由于曲面函數(shù)的表達(dá)式不詳，通常處理這類積分問題都是數(shù)值求解[13]。

圖4 地形表面投影離散化示意圖

將上述體積和表面積的求解算法以藍(lán)圖形式編寫進(jìn)場景中，計(jì)算流程如圖5 所示。

圖5 土方計(jì)算流程圖

部分核心功能的藍(lán)圖開發(fā)，選擇場景中一六邊形區(qū)域，絕對高程為31.12m，參考平面位置為模型最高點(diǎn)以下15m 處（參考平面高度的選取依據(jù)主要是以挖填平衡考慮出發(fā)，實(shí)際情況不一定以這種挖填方式考慮），如圖6（a）～（b）所示。

圖6 引擎計(jì)算部分功能核心藍(lán)圖

虛幻引擎中三維土方挖填計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。從計(jì)算結(jié)果可以明顯的看出填挖方區(qū)域，且相較于其他二維土方算量軟件計(jì)算結(jié)果顯得更加直觀。此外，求解的范圍可以根據(jù)用戶自定義選擇，也就是添加了用戶與場景的交互功能，不局限于通過導(dǎo)入坐標(biāo)邊界求解的形式。

圖7 土方填挖計(jì)算結(jié)果

不同網(wǎng)格尺寸大小對土方計(jì)算的影響如表1 所示。以最后一組網(wǎng)格尺寸計(jì)算結(jié)果為真值，從表中可以看出第三組以后的加密方式（即4.74m×2.87m），填方量和挖方量相對誤差均小于1%；表面積相對誤差隨著網(wǎng)格尺寸的減小而減小。綜合表中計(jì)算結(jié)果和效率，可選用第三組網(wǎng)格尺寸的計(jì)算結(jié)果作為該區(qū)域填挖的估算量，在實(shí)際工程使用中，實(shí)現(xiàn)整體計(jì)算效率最佳。

表1 不同網(wǎng)格大小的計(jì)算結(jié)果

3.2 植物信息模型的批量創(chuàng)建

隨著園林項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)不斷地提升，景觀綠化模型資產(chǎn)信息的要求也愈發(fā)受到重視。傳統(tǒng)以模型導(dǎo)入Lumion 作為展示的方式，不便于用戶的交互體驗(yàn)和景觀模型信息資產(chǎn)的綁定，因此選用合理的集成方式和路徑，就顯得非常重要。通過選用虛幻引擎作為集成底座，可以很好地解決信息交互問題，因此只需要解決綠化模型批量生成和信息綁定，即可完成植物信息模型的批量創(chuàng)建，目前可通過以下兩種方式解決：

（1）通過Dynamo 技術(shù)批量生成[15]，但是該方法可能不適用于復(fù)雜的三維場地，且模型創(chuàng)建后，其位置不便于局部調(diào)整；

（2）借助平臺創(chuàng)建，如光輝城市MARS[16]等國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品，但這些平臺可能對模型創(chuàng)建的位置和數(shù)量把握有較大偏差。

快速創(chuàng)建景觀信息模型的技術(shù)流程如下：

安托山項(xiàng)目景觀綠化平面圖如圖8（a）所示。通過CAD 數(shù)據(jù)提取功能，獲取該平面圖中植物模型的平面位置（只含有x、y 坐標(biāo)）和族名稱信息，將導(dǎo)出后的植物模型坐標(biāo)與項(xiàng)目基點(diǎn)做差得到相對坐標(biāo)系。

圖8 批量創(chuàng)建技術(shù)流程

為了能直觀地在三維模型中可視化上述植物平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可在平面數(shù)據(jù)中加上z 軸值，這里統(tǒng)一將平面坐標(biāo)的z 值取為150m（點(diǎn)在地質(zhì)模型上方即可），植物平面坐標(biāo)的可視化效果如圖8（b）所示。通過Dynamo 的topography. point 節(jié)點(diǎn)提取地質(zhì)模型頂點(diǎn)坐標(biāo)，并且將該頂點(diǎn)坐標(biāo)作為后面植物真實(shí)坐標(biāo)求解的依據(jù)。

求解植物三維坐標(biāo)（高程未知）的技術(shù)流程如下：

（1）將植物平面坐標(biāo)和地質(zhì)頂點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入ArcGIS；

（2）把地質(zhì)頂點(diǎn)先轉(zhuǎn)要素，再轉(zhuǎn)TIN 數(shù)據(jù)，最后再轉(zhuǎn)成柵格；

（3）以上一步驟的柵格為參照，待求高程選擇植物平面坐標(biāo)，通過相鄰點(diǎn)間線性插值求得待求點(diǎn)云的實(shí)際z 坐標(biāo)。

RASTERVALUE 值為植物平面坐標(biāo)投影后的高程值如圖8（c）所示。

基于虛幻引擎structure 模塊，可實(shí)現(xiàn)植物三維坐標(biāo)、植物屬性（如冠幅、腹徑和高度）等信息的導(dǎo)入。在關(guān)卡中添加藍(lán)圖腳本編輯器，并通過loop 節(jié)點(diǎn)循環(huán)下，完成外部導(dǎo)入植物定位字段與三維actor 模型（在Speedtree for unreal 完成建模工作）的匹配，即可達(dá)到快速、可控的批量創(chuàng)建（spawn actor）效果，如圖9（a）～（b）所示。同理，也可以根據(jù)植物名稱匹配相應(yīng)的屬性信息，效果如圖10 所示。

圖9 植物批量生成效果

圖10 植物屬性信息匹配

3.3 視域分析

景物、景感和條件是構(gòu)成園林景觀工程的三個基本要素[17]。傳統(tǒng)的園林景觀項(xiàng)目都靠景感把握，這就造成設(shè)計(jì)中會摻雜過多的人為因素，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中無法把科學(xué)、人文和環(huán)境進(jìn)行有效結(jié)合。因此，定量分析對園林景觀設(shè)計(jì)顯得尤為重要，通過視域分析，可使得園林景觀設(shè)計(jì)結(jié)合量化分析成為可能。

通常把平面路網(wǎng)導(dǎo)入DepthmapX 中生成可達(dá)性（指節(jié)點(diǎn)于整體系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)聯(lián)系的緊密程度）結(jié)果，即找出可達(dá)性較高的位置，通過對這些區(qū)域進(jìn)行視域可視、遮擋檢測，可確定該區(qū)域景觀敏感點(diǎn)的位置；最后綜合考慮視覺與空間關(guān)系，為景觀設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)依據(jù)。在虛幻引擎中添加藍(lán)圖文件（包含場景捕獲組件2D、網(wǎng)格體以及貼花組件），并用材質(zhì)世界坐標(biāo)減去相機(jī)坐標(biāo)，獲得該組件的相對坐標(biāo)系；通過Manual World To Screen UVs Transform節(jié)點(diǎn)控制視野錐范圍，當(dāng)材質(zhì)節(jié)點(diǎn)在視野區(qū)域內(nèi)，區(qū)域顏色變綠，反之則反，如圖11 所示。

圖11 貼花組件材質(zhì)藍(lán)圖

以項(xiàng)目中主軸廣場丘陵花園的部分區(qū)域進(jìn)行視域分析，并將上述藍(lán)圖文件放入場景可達(dá)性高的位置上?；▓@中多個可達(dá)性點(diǎn)視域遮擋結(jié)果如圖12（a）所示，可以看出該區(qū)域景觀敏感點(diǎn)在邊界，并結(jié)合景物對視覺與行為特征影響程度[17]，對景觀模型進(jìn)行量化設(shè)計(jì)，景觀模型設(shè)計(jì)后的效果如圖12（b）所示。

圖12 視域分析

3.4 可視化交互系統(tǒng)

由于項(xiàng)目地形復(fù)雜，對多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)顯得非常重要。根據(jù)業(yè)主方對三維可視化技術(shù)在移動端應(yīng)用的需求，最終使用虛幻引擎進(jìn)行三維交互可視化系統(tǒng)的開發(fā)。

BIM 模型通過引擎Datasmith 的插件導(dǎo)入場景中，場景模型不僅包含幾何信息、材質(zhì)紋理，而且還包括屬性信息，這可減輕后期進(jìn)行信息交互的工作量。為進(jìn)一步提升場景的渲染速率，可采用數(shù)模分離技術(shù)，其原理是將模型幾何信息和屬性信息分離，實(shí)現(xiàn)流程為：

（1）通過Revit 與Twinmotion 協(xié)同工作，有效過濾掉模型除構(gòu)件ID 以外的屬性字段，且該字段值是作為后期匹配屬性信息的依據(jù)；

（2）利用Dynamo 中element.parameters 節(jié)點(diǎn)對構(gòu)件的屬性信息進(jìn)行提??；

（3）將上述步驟的模型和屬性信息導(dǎo)入場景中，并做相應(yīng)的信息匹配工作。通常各專業(yè)模型體量大，需對場景進(jìn)行一定的輕量化處理，如導(dǎo)入前預(yù)先對模型修面處理，或者導(dǎo)入后設(shè)置多套LOD（Level Of Detail）參數(shù)，多專業(yè)模型集成后的效果如圖13 所示。

圖13 全專業(yè)模型場景圖

在場景中添加碰撞檢測、屬性查看、可視化顯示、空間計(jì)算以及漫游等可交互的藍(lán)圖模塊，如圖14 所示，增大了用戶交互體驗(yàn)。碰撞分析結(jié)果如圖15 所示，其原理是在景觀模型上添加碰撞檢測盒，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就觸發(fā)事件來獲取碰撞對象（非地質(zhì)模型）的名稱以及位置等信息，并以報(bào)告形式生成，可配合漫游模塊的功能，實(shí)現(xiàn)第三人稱或者默認(rèn)視角的查看。

圖14 交互可視化系統(tǒng)界面

圖15 模型碰撞檢測

4 結(jié)論

本文通過結(jié)合虛幻引擎可視化和BIM 信息化的優(yōu)勢，能夠有效地解決園林景觀設(shè)計(jì)階段三維模型可視化效果差、景觀設(shè)計(jì)效率低以及場景交互體驗(yàn)感差等應(yīng)用難題。以安托山自然藝術(shù)公園為例，得到以下應(yīng)用成效：

（1）提高土方算量問題的效率?；谔摶靡嬷锌山换サ奶攸c(diǎn)，借助藍(lán)圖系統(tǒng)（可視化編程）導(dǎo)入體積和表面積算法求解三維土方量，并通過調(diào)整區(qū)域網(wǎng)格尺寸大小，獲取計(jì)算效益高的土方估算量，該應(yīng)用最大的特點(diǎn)是增加用戶交互操作，優(yōu)化了傳統(tǒng)計(jì)算流程；

（2）提升景觀模型設(shè)計(jì)效率。采用Dynamo+ Arc-GIS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平面景觀模型空間定位信息的提取，并結(jié)合虛幻引擎，可快速創(chuàng)建三維景觀信息模型，從而提升景觀設(shè)計(jì)效率；

（3）提高設(shè)計(jì)分析效率。通過視域分析，量化設(shè)計(jì)選型，為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，進(jìn)一步提升景觀設(shè)計(jì)質(zhì)量和深度；

（4）深化模型設(shè)計(jì)效率。通過可視化交互系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)景觀設(shè)計(jì)模型與各專業(yè)設(shè)計(jì)模型的碰撞檢查，有效地降低了景觀與其他專業(yè)低效協(xié)調(diào)產(chǎn)生的返工問題，深化了模型的設(shè)計(jì)效率，減少不必要浪費(fèi)的工程成本。

作為目前為數(shù)不多的BIM+虛幻引擎技術(shù)在園林景觀工程的應(yīng)用研究，旨在挖掘該技術(shù)在可視化交互的作用，對其他園林類項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。