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摘 要：大型规模车间建设过程中为保障按时投产达产,对车间公辅配套建设和工艺设备安装调试周期提出了更高的要 求。为解决项目建设中存在的管理协调、施工碰撞以及后期运维等问题,传统的 CAD 图纸二维平面图纸设计已经不能满足实 际的需求。依托 Revit 和 Unity3D 平台进行车间 BIM 模型的设计和可视化研究,从 BIM 建模、BIM 模型导入、BIM 数据导 入等关键技术的研究,解决 BIM 模型兼容性问题和 BIM 数据导入丢失的问题。从渲染场景优化、模型的动态合并批处理、实 时光照和阴影效果优化等关键技术的研究,提高了整个三维车间的渲染效率,实现了三维车间的可视化和漫游。
关键词：建筑信息模型,Revit,Unity3D,数字化车间,可视化
Research on 3D Workshop Visualization Based on Revit and Unity3D
LIU Zong, YOU Changhong, WANG Hongbing, YE Mao, ZHANG Yousong, DAI Hualiang
(Hubei China Tobacco Industry Co., Ltd., Wuhan Hubei 430048)
【Abstract】： During the construction of large-scale workshops, in order to ensure the on-time production, higher requirements are put forward for the construction of public auxiliary facilities in the workshop and the installation and commissioning cycle of process equipment. In order to solve the problems of management coordination, construction collision, and later operation and maintenance in project construction, the traditional two-dimensional plane drawing design of CAD drawings can no longer meet the actual needs. Relies on the Revit and Unity3D platforms to realize the design and visualization of the workshop BIM model, from the research on key technologies such as BIM modeling, BIM model import, and BIM data import, to solve the problem of BIM model compatibility and loss of BIM data import. From the research of key technologies such as rendering scene optimization, dynamic merging and batch processing of models, real-time lighting and shadow effect optimization, the rendering efficiency ofthe entire 3D workshop is improved, and the visualization and roaming ofthe 3D workshop are realized.
【Key words】： building information modeling;Revit;Unity3D;digital workshop;visualization
0 引言
BIM(Building Information Modeling) 技 术 是 继计算机辅助技术(CAD)之后具有革命性意义的重要 计算机应用技术,运用 BIM 技术可以对建设项目所有的 构件信息进行复核,能够保障各参建方信息共享。虽然 BIM 技术在建筑行业已经得到良好应用,但 BIM 的三维 可视化设计相对于传统的设计方法优势更为突出,不少专家学者也都在相关领域做了大量研究。王戈 [1] 等人研 究了 BIM 的三维仿真系统,试图从研究虚拟仿真技术来 解决建筑物设计和毁伤评估问题,探讨了这一新技术可 能对建筑整体设计产生的影响。郝孜奇 [2] 等人以实训系 统研发为目的,基于 Revit 建筑建模软件和 Unity3D 引 擎,采用级联控制技术实现了铁路现场调度与交互界面 的同步映射。刘富乾 [3] 等人针对建筑模型在现实三维世界中的真实表现,提出一种基于 Unity3D 和 GIS 建筑 物数据实现快速可视化算法,实现三维建筑逼真显示。
本文以湖北中烟武汉卷烟厂易地技改膨胀烟丝工房建 设项目为例,利用 Unity3D 设计平台,将 BIM 理念和技 术运用于项目建设的全生命周期管理,实现 BIM 模型的 可视化,进而解决项目建设过程中产生各专业衔接不畅、 协同管理难的问题,同时为数字化车间建设奠定基础。
1 基于 Revit 的 BIM 信息建模
本文采用 Revit 2018 版实现工房及设备信息建模, 包含建筑单体、工艺设备、公辅管线等。基于 Revit 软件 建立的 BIM 信息模型能够很好的展现项目施工概况,主 要受益于 BIM 技术的两大优势 ：可视化设计和碰撞检测。
本项目膨胀烟丝工房 BIM 模型如图 1 和图 2 所示, 通过 BIM 模型设计将厂房外貌结构与厂房内工艺设备、 公辅配套管路清晰的表现。
2 基于 Unity3D 的模型三维可视化实现
BIM 模型建立以后往往只能看到建筑单体和设备设 施整体结构框架,为更好地分辨设备设施及建筑结构详 情,需对 BIM 模型进行更好的渲染,使各部分呈现出 不同的色彩和光饱和度,达到 BIM 模型可视化的目的,进而给项目建设和运维提供便利条件,更为数字化车间 奠定基础。
2.1 BIM 模型导入 Unity3D 平台
为实现对 BIM 模型的有效渲染,在 Unity3D 平台 导入 BIM 模型是前提。鉴于膨胀烟丝工房项目数据模 型错综复杂,工艺设备管线、公辅配套设备设施较多, 不论丢失材质球信息还是三维模型信息,后期想要再次 增补都是难以实现的。为解决这一问题,本文设计一种 基于 Unity3D 平台大规模数字车间三维模型跨平台一 致性方法,保障模型在导入导出过程中模型数据的完整 性。具体实现步骤为 ：
(1)在 Revit 平台导出 .nwc 格式的文件 ;
(2) Naviswork 平台打开导出的 .nwc 格式文件,导 出 .fbx 格式的文件 ;
(3) 将 .fbx 文件导入到Unity 平台,建立 Revit 模型 与材质球映射关系表和 Revit 模型结构信息映射关系表 ：
(4) 在 Revit 平台导出 .fbx 文件,同时通过 ODBC 导出数据到数据库 ;
(5) 将 .fbx 文件导入到 Unity 平台, 建立 Revit 模型 数据映射关系表 ;
(6)根据 Revit 模型结构信息映射关系表,进行 Revit 模型替换 ;
(7)根据 Revit 模型与材质球映射关系表,进行材 质球替换 ;
(8)根据 Revit 模型数据映射关系表,优化模型的 层级结构,划分模型到所属的标高,族和类型,根据模型 唯一 ID 和导出的数据库,建立模型与数据的对应关系。
该方法结合了上述两种导入方式的优点,自动建立 模型与数据的映射关系,既能解决大规模 BIM 模型数 据导入的完整性,又能解决三维 BIM 模型在 Revit 和 Unity 平台之间模型数据一致性。
2.2 大规模模型渲染优化方法
膨胀烟丝工房车间 BIM 模型数据规模大,包含上 万个高精度的模型,为保障渲染效果的实时性和高效 性,本文主要从渲染场景优化、模型的动态合并批处理 和实时光照和阴影三个方面,设计了一种基于 Unity3D 平台大规模数字车间 BIM 模型渲染方法。
2.2.1 渲染场景优化
在数字车间场景中,模型都是高精度且需实时渲染。 为了提高系统流畅度和渲染效率需要通过场景划分, 视 锥裁减、遮挡裁减等方式剔除不需要渲染的模型,同时 配置一套低精度模型在数字车间整体展示中替换高精度 模型,提高渲染效率。具体优化流程如下 ：
(1)将数字车间按照功能划分不同子区域,计算子 区域中心点全局坐标 ;
(2)设置场景剔除、视锥剪裁的 LOD 值,完成场 景管理优化的初始化工作 ;
(3)判断当前系统运行场景,如果是整个数字车间 展示状态,渲染选取低精度工艺设备模型,如果是漫游 和设备运维状态,渲染高精度工艺设备模型 ;
(4)实时计算相机与子区域中心点的距离。如果距 离大于场景剔除 LOD 值,整个子区域模型不渲染。如 果距离小于场景剔除 LOD 值,子区域内模型按照规则 进行渲染 ;
(5) 所以通过计算相机与子区域内的模型距离,在规 定范围内的模型采用实时光源渲染,区域范围外的模型采 用固定光源渲染的方式,提高系统的流畅性和渲染效率。
2.2.2 动态合并批处理
烟草行业加工的材料外观通常具有高度相似性,为 使 Unity3D 引擎具有较好的动态批处理能力,根据数 字车间场景的渲染需求,本文在 Unity3D 引擎基础上 开发两种批优化处理方式 ：一是基于模型网格顶点数量 和个数的动态合并批处理 ;二是基于同一类型模型纹理 图集的动态合并批处理。
(1) 数字车间场景中,有很多相同的模型属于同 族、同类型。这些模型的材质球一样,但是网格不一样。 Unity3D 动态合批的功能应用在这类模型上, GPU 调 用次数(DrawCall)降低不明显。所以本系统组件实 现,在满足 Unity 引擎单个模型顶点最大数量 64K 的 条件下,按照同族、同类型、同材质球的规则自动合并 模型网格,渲染效率有明显的提升。
(2) 基于同一类型模型纹理图集进行动态合并批处 理,系统会动态计算出需要批处理模型纹理的像素大小, 根据系统设定纹理图集大小,将不同纹理动态合并成一 个大的纹理图集,减少 GPU 调用次数(DrawCall), 提 高数字车间的渲染和运行效率。
2.2.3 实时光照和阴影效果优化
Unity 支持 3 种渲染路径 ：顶点照明渲染路径、延 迟渲染路径、正向渲染路径。
正向渲染路径根据影响物体的光源的不同,用单个 或多个通道来渲染物体。
结合大规模数字车间特点,本系统渲染组件采用正 向渲染路径来实现实时光照和阴影效果的优化,渲染流 程优化如下 ：
(1)定义场景中多光源。如果一个物体在多个逐像 素光源的影响区域内,那么该物体需要执行多个 Pass(渲染通道),每个 Pass 计算一个逐像素光源的光照结 果,然后在帧缓冲区中把这些光照结果混合起来得到最 终的颜色值。
(2) 根据场景中光源,定义多个实时渲染通道。正 向渲染路径会定义一个 Base Pass(基础渲染通道)和 Additional Pass(附加子渲染通道)。
(3)定义阴影 Shadow Pass(阴影渲染通道)渲 染通道。在正向渲染路径中,如果场景中平行光开启了 阴影,Unity 会为该光源计算它的阴影映射纹理。
(4) 根据场景管理优化算法,实时光源的模型渲染 分 3 种类型。第一种主光源实时渲染的模型设置 Base Shader ;第二种多光源实时渲染的模型设置 Base Shader 和 Additonal Shader ;第三种阴影效果实时渲染的模型 设置 ShaderCaster。
3 结语
本文设计的基于 Revit 和 Unity3D 的三维车间可视 化研究是以膨胀烟丝工房项目建设为研究对象,先后介 绍了基于 Revit 平台的 BIM 模型建模、基于 Unity3D平台的三维车间模型渲染。考虑到实际的技术要求,本 文着重介绍了相关的关键技术,从仿真效果可知,本 文设计的三维车间可视化设计是有效的,同时为大规 模车间模型可视化研究提供了理论依据。如图 3、图 4、图 5 所示,从中可以看出本文设计的基于 Revit 和 Unity3D 的三维车间可视化研究取得了一定的成果,达 到了可视化的目的。
参考文献
[1] 刘富乾,王芬,廖芳芳,等.基于Unity3D的三维建筑快速可视 化算法研究[J].电子世界,2021(18):77-82.
[2] 郝孜奇,张文胜.基于Unity3D的铁路实训虚拟仿真系统开 发[J].计算机仿真,2020.37(6):99-103+241.
[3] 王戈,周朝阳,杨晓栋.基于BIM的三维仿真系统设计与实现 [J].甘肃科技,2019.35(4):19-22.
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