公路工程BIM 设计与游戏引擎可视化交互应用研究——以汶川至马尔康高速公路汶川枢纽互通式立交BIM 咨询服务项目为例

杨 一

（四川交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

BIM 以三维数字技术为基础，集成了工程建设项目各种相关信息的工程数据模型，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达[1]，对项目进行设计、建造和运营管理，将各种工程信息组织成一个整体，贯穿于工程全生命周期过程[2]。

可视化表现一直都是工程设计领域的重要表现形式。如今随着游戏引擎和虚拟现实技术迅速发展,更加提升工程可视化设计的体验效果[3]。本文以《汶川至马尔康高速公路汶川枢纽互通式立交BIM 咨询服务项目》为例，通过BIM 设计、场景整合、游戏模拟、VR 体验，探索公路工程项目BIM 与游戏引擎可视化交互应用流程。

1 项目概况

本项目承担在建的汶川-马尔康高速公路一期主体工程、汶川-九寨沟高速公路二期工程以及汶川-成都、成都-汶川方向两条落地匝道变更工程，根据现有设计、变更图纸，建立面向统筹管理的BIM 模型，反映所有互通、道路、桥梁、标志标牌、收费站及其他重要结构物设施的精确位置和工程基本信息，模拟按现有图纸施工后的实际结果，发现可能存在的问题。

2 BIM 与游戏引擎可视化交互应用流程

当前主流游戏引擎是Unity 和Unreal，开发包多,软件操作简单,3D 图形处理性能优秀,可扩展性强[4]。但由于BIM 建模软件与Unity 和Unreal游戏引擎之间交互过程中，需大量时间对模型、材质、动画进行反复调整和优化。作为数字制作软件领域的No.1，Autodesk 公司推出了一款新的游戏制作引擎Stingray，实现BIM 模型到游戏引擎一整套的无缝解决方案[5]。因此本项目拟运用同为Autodesk 平台下的BIM 建模软件及Stingray 引擎来探索BIM 设计与游戏引擎可视化交互应用流程。

2.1 BIM 软件创建信息模型

首先运用Autodesk Civil3D 创建互通道路模型，Revit 创建桥梁及其他重要结构物模型，导入到Infraworks 中进行模型整合，建立汶马高速主线、互通匝道、附属设施在内的BIM 模型。模型建立后，可准确检查高程、净空、路基边坡干扰、路桥及其重要附属结构物碰撞冲突、相互影响的各种问题，以快速进行方案沟通和调整。模型效果见图1。

图1 BIM 模型效果图

2.2 3Dmax 模型场景整合

创建BIM 模型后，运用3Dmax 对场景、模型、材质进行调整和优化，为导入游戏引擎做好前期准备。在Infraworks 中按地形、道路、结构物、标线、辅助设施等类别分别导出FBX 模型，导入到3Dmax 中。

2.2.1 场景整理

导入BIM 模型后，首先对场景进行整理，主要包括单位匹配、坐标设置、模型合并、材质分类、测试渲染等工作，以检查模型及优化场景资源，提升后续渲染效率。

2.2.2 模型处理

由于软件之间构建及计算方式不同，BIM 模型导入到3Dmax 中后，模型存在断点重面、法线反向、高程错位、道路断道等问题，需运用编辑多边形工具对模型的点、线、面处理，逐一修复。

2.2.3 材质调整

从Infraworks 导入的模型都保留了材质，但贴图大小及位置不准确，需运用UVW 贴图工具进行调整。另外场景的地形影像材质需运用Photoshop 进行合成和调色处理，确保协调统一。

2.2.4UV 展开

由于游戏引擎采用实时渲染方式，需进行灯光烘焙，把模型光照的明暗信息预先保存到纹理上，提升模型的光影效果及游戏的运行速度。因此在3Dmax 中须对场各模型进行UV 展开，UV 展开的好坏将决定了烘焙贴图的分辨率或细节。至此基本完成模型场景整合工作。

2.3 Stingray 创建游戏场景

Stingray 为一款支持可视化多平台研发的3D 渲染引擎，能与3Dmax几乎无缝链接，快速实时展现场景中材质、灯光、效果，并提供强大的可视化编程功能。

2.3.1 场景导入

3Dmax 模型整合完成后，在菜单栏中选择Stingray，勾选Connect，点击Send all，即可将场景中所有模型、材质完整导入到Stingray 游戏引擎中。

2.3.2 环境设置

在模型、材质导入完成后，创建游戏场景的环境、背景、灯光。本项目体现白天晴天氛围，设置背景为蓝天白云，灯光为暖色，调整好场景的全局反折射、阴影属性，保证场景整体具有较好的光影效果。

2.3.3 灯光烘焙

灯光烘焙好坏直接影响游戏运行体验效果。这里不断进行现灯光烘焙测试，并反复调整UV 形态、灯光属性及材质参数，进行最终灯光烘焙。至此基本完成游戏场景的渲染设置。

2.3.4 添加物理角色

在游戏引擎中，场景中物体相互之间是存在碰撞关系的。因此对场景中的地形、道路、护栏、桥梁等结构物，添加物理角色（Physics Actor），设置物理类型为静态，形状类型为网格，确保能与汽车发生真实的碰撞效果。

2.4 Stingray 编制游戏脚本

Stingray 创建游戏场景之后，将通过编制程序脚本创建游戏世界，实现游戏模拟及用户交互。游戏行车模拟效果见图2。

2.4.1 编制游戏引导脚本

首先对游戏运行的引导脚本进行编制，主要包括引导包(Boot)、系统设置(Settings)、物理系统(Physics_Properties)、引导文件(Main)，完成脚本引导，资源加载、渲染配置、物理属性、用户界面等配置。

2.4.2 编制游戏管理脚本

然后将对游戏运行的管理脚本模块进行编制。本项目运用SimpleProject 模板的Appkit 对象提供的内置应用程序管理游戏配置。主要包括世界（World）、场景（Level）、摄像机（Camera Unit）、Player（玩家）、Config（配置），完成游戏世界中各关键对象的定义和描述，并对游戏场景进行初始化。

2.4.3 编制游戏汽车模拟脚本

完成上述工作后，在游戏世界中创建汽车，通过脚本控制，对汽车的类型、速度、受力、位置、方向、物理碰撞等属性进行初始化配置，完成汽车在场景中的加载，实现在本场景模型中进行可视化行车模拟。

2.4.4 编制游戏摄像机运动脚本

游戏世界中，摄像机镜头及运动决定整个游戏运行和体验的效果。这里对摄像机的类型、视野、朝向、位置、角度、偏移速度等进行初始化配置。然后需建立摄像机与汽车的链接关系，保证摄像机能跟随汽车运动。

2.4.5 制作UI

游戏主程序脚本编制完成之后，将对游戏运行用户界面进行整体设计。Stingray 软件中集成了Scaleform 插件，通过该插件自定义用户界面，包括主菜单和用户选项2 个部分，可选择不同的汽车和不同的初始位置进行游戏模拟体验。至此，基本完成BIM 设计与游戏引擎可视化交互应用工作。

图2 游戏行车模拟效果图

通过将BIM 信息模型完整导入到游戏引擎中进行可视化交互行车模拟，可进一步验证道路、桥梁、匝道之间存在的设计问题，而且能更清晰判断本项目的路线走向、行车视线、驾驶安全、标牌设施是否合理，并直观感受周边的地形、建筑、水域、景观、绿化等信息，为业主、设计单位、施工单位、监理单位等各项目参与方对整体建设方案提供可靠决策。

2.5 Stingray 连接VR 设备虚拟现实体验

在完成BIM 模型+游戏引擎实现行车可视化交互模拟之后，运用stingray 游戏引擎与VR 虚实现实技术相结合，实现更真实的可视化体验效果。

2.5.1 创建VR 虚拟环境

Stingray 中自带VR 模板，本项目选择HTC Vive 设备体验，创建SteamVR 模板，通过脚本初始化VR 虚拟环境，主要包括加载SteamVR 脚本和HTC Vive VR 设备的链接接口。

2.5.2 链接VR 虚拟环境与游戏场景

VR 虚拟世界初始化完成后，通过VR Flow Nodes 可视化编程节点结合SteamVR 脚本的输入、链接、设备、以及跟踪空间节点，将VR 虚实世界跟踪空间映射到已创建的游戏场景世界中。

2.5.3 调整VR 游戏世界运行效果

将游戏场景添加到VR 世界后，需配置VR 视点与摄像机的衔接以及VR 游戏画面更新速度，通过不断调整节点各项参数实现VR 游戏世界正确的用户视口及较好的实时渲染画面。至此基本完成本项目VR 可视化交互式行车模拟体验。

游戏引擎+VR 的行车模拟，无缝集成了BIM 设计成果，挖掘出BIM模型中更多的数据和更精的细节，使交通基础设施行业工程可视化应用水平更上一个台阶，大大提升了公路工程项目建设在前期及设计阶段的信息管理、信息沟通能力。

3 结束语

本文通过《汶川至马尔康高速公路汶川枢纽互通式立交BIM 咨询服务项目》，运用Autodesk 软件平台对公路工程项目BIM 设计与游戏引擎可视化交互应用流程进行了探索应用研究，实现了BIM 模型在游戏平台中的行车模拟及VR 体验，对提高项目方案沟通效率，降低项目建设风险具有一定价值。今后将在游戏运行优化、可视化交互拓展、VR 场景渲染效果等方面进一步加强应用研发工作，形成一套完整的BIM+游戏可视化交互应用流程。