Unity3D 在建筑智能化方案设计中的应用

李 刚

(安徽省城建设计研究总院股份有限公司，合肥 230051)

0 引言

现代建筑技术与网络信息技术的融合催生了建筑智能化系统，可根据用户不同需求为其创建一个更高效、便利、舒适、可靠和灵活的建筑环境[1]。建筑智能化系统不仅实现了智能建筑的资源共享，其强大的信息处理能力也完美契合了可持续发展的理念，彰显了智能建筑可持续发展的特点。 建筑智能化系统必定是未来建筑发展的趋势和热点。

1 建筑智能化发展现状及趋势分析

所谓建筑智能化，是指将现代通信技术、计算机技术、传感器技术、网络技术、物联网技术、云计算技术、大数据技术以及人工智能技术等与传统建筑技术相融合，为用户的工作生活创建舒适便利、设备平台先进前卫、管理运维科学高效的人性化建筑环境[2]。

1.1 现状分析

上世纪80 年代，在美国康涅狄格州的哈特福德市出现了第一座智能化建筑。 哈特福德市当时对总建筑面积达十万多平方米的旧金融大厦进行改造，负责改造的联合技术建筑系统公司不仅承包了这栋大楼的空调、电梯及防火防灾等设备工程，还将计算机技术和通信设备互联，向大楼里的其他用户提供计算机和通信服务，这应该是世界上最早的智能建筑[3]。

国内最早的智能化建筑雏形是上世纪九十年代的北京发展大厦，随着以后科学技术的发展，我国才逐渐出现了多样化的智能化建筑，不单只有办公建筑，还包括智慧街区、智慧住宅、智慧社区、智慧公园等[4]。

1.2 存在问题

国内的建筑智能化行业已发展多年，行业体系不断完成，从设计到施工，都形成了一系列的规范和行业标准，业务范围也几乎涵盖了建筑的所有类型。 即便如此，建筑智能化行业依然存在一些不可忽视的问题。

(1)弱电系统涉及的知识面广，包括网络、自控、通信、人工智能、机械等众多领域，而现有的理论体系还不能为一些焦点问题形成定论。

(2)智能化设计在实际工程中很容易受到其他专业人员的制约，通常在工程后期设计才能全面展开，造成设计时间紧张，设计深度不够等问题。

(3)智能化项目招投标行为不规范，系统产品依照设计执行、随意变更，造成许多设计工作的浪费；用户功能随时变更，更给设计带来很多的不便。

(4)用户对智能化系统不够了解，往往仅凭感觉提出需求，设计人员在方案阶段无法提供对用户有效的展示手段，导致用户与设计人员之间沟通不畅。

无论是设计人员、用户还是施工人员，都有责任为上诉问题的解决提出有效方案，尤其是设计人员，更应该从设计角度，为用户提出科学合理的建设方案，为施工人员提供优质详实的设计成果。

1.3 发展趋势

智能化建筑作为一个现代技术的结合体，“可持续发展”是未来的发展趋势。 现在的建筑在新建的过程之中，都要给以后的科技发展留下足够的空间，要打造成一个“可生长”的智能化建筑。 当然，建筑智能化是一个多学科交叉的综合学科，在加快智能化建筑发展进度的同时，更要注重培养更多的智能化建筑人才，让智能化建筑健康、稳定、可持续发展。

中国城镇化建设的不断推进，给国内智能化建筑发展提供契机，据不完全统计，我国每年新建建筑超过20 亿m2，这种发展状态估计还要持续25～30 年。 近三年智能化建筑的规模增速维持在25%左右，智能化建筑在新建建筑中的比例也将越来越大。 同时，不能仅仅关注新建建筑的智能化，老旧建筑的智能化改造也是必然趋势[5]。

2 Unity3D 技术

Unity3D 是由一款可使用户轻松创建三维场景，制作三维动画、三维游戏、建筑可视化等内容的综合游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

2.1 Unity3D 技术特点

Unity3D 技术的特点主要体现以下几个方面。

(1)支持多种格式文件。 Unity3D 支持3dsMax、Maya、Lightwave、Collade 等多种格式文件的导入[6]。

(2) 3A 级图像渲染引擎。 用户可以使用ShaderLab 创建自己的Shader，具备先进的遮挡剔除技术以及细节层级显示的技术[6]。

(3)强大的地形编辑器。 用户可以快速创建不同类型的地形以及地表植被，并利用引擎自身强大的优化填充功能，能够使用户所创建的地形场景更加生动完整。

(4)非常高的集成度。 Unity3D 开发环境中集合了系统场景设计、程序设计、效果预览、系统测试到系统发布全生命周期的功能，开发者可以在Unity3D 中便捷、快速、高效地完成开发[6]。

(5)较强的通用性。 用户利用Unity3D 开发的产品能够在手机端、PC 端、网页的浏览器以及专门的游戏机端进行使用。

(6)丰富的素材资源。 Unity3D 中自带的Assert Store 中包括3D 资源、纹理图像、运动捕捉动画、音效、粒子效果以及各种操作工具等。 Unity 公司官网中的开发社区为用户提供了大量的示例源文件、视频教程和帮助文档等。

2.2 Unity3D 技术在智能化方案设计中的优势

目前，智能化方案设计阶段主要采用“文字说明+图片展示”的方式。 对用户来说，文字性的东西太过陌生，而且专业知识众多，理论性较强；而图片一般包括系统拓扑图、系统框图、案例图片以及产品图片等，展示效果极其有限。

Unity3D 技术可以很好地解决上述问题，不仅能够让用户直观感受到智能化系统的安装效果，还可以通过在虚拟场景中的实际操作，体验各个子系统的功能展示。

2.3 Unity3D 技术在智能化方案设计中的应用体现

Unity3D 技术能够在智能化方案设计中得到如下应用。

(1)创建三维的虚拟现实场景，在项目还未建成前就可以直观感受到建成后真实景象。

(2)为用户提供智能化系统功能体验途径，通过在虚拟现实中操作智能化各个子系统的运行，熟悉各个子系统在真实世界的运行情况。

(3)保留模型以及三维场景数据，为后续的施工图设计提供设计依据，帮助施工图设计人员理解项目需求，提高设计质量。

3 智能化方案设计

由于建筑智能化系统是一个庞大的系统集成，论文仅通过对办公建筑中会议室、公共走道以及监控中心利用Unity3D 技术实现建模、展示的过程作详细介绍。

3.1 项目分析

办公建筑是智能化系统的重要载体，能够将智能化常用的子系统得到充分应用，如综合布线系统、计算机网络系统、综合安防系统、公共广播系统、信息发布系统、多媒体会议系统、楼宇控制系统、能耗监控系统以及数据中心工程等[7]。 其中，办公建筑的安全性是重中之重，如何通过智能化技术手段在非法闯入、入室偷盗以及消防安全等问题发生前提前预警，是智能化方案设计的重点。

论文着重对视频监控系统的智能化设计方案进行阐述，通过Unity3D 技术设计了三个主要场景，分别是会议室、公共区域(走廊、楼梯间)以及监控室。

3.2 设计路线图

智能化方案设计主要有三个阶段，分别是准备阶段、设计阶段和展示阶段[8]。

准备阶段主要是与用户对接，沟通建设内容，提出建设性建议；然后待需求基本提出以后，便进入到项目条件准备阶段，包括设计团队组建、相关设备筹备、制定项目进度表及人员分工表等。

设计阶段主要是设计团队完成初步方案设计，然后根据方案开始通过Unity3D 软件进行相关场景的模型创建。

展示阶段是将创建好的场景模型与交互状态反馈给用户，向用户展示智能化各系统的应用效果，给用户一个直观的体验，并根据实际需求做部分修改，最终形成智能化系统的最终设计方案，为后续施工图设计打下坚实基础。 此阶段要注重各种成果资料及相关信息的整备、备份、变更登记等管理工作。

设计路线如图1 所示。

图1 设计路线图

3.3 模型创建

(1)建筑模型

整个场景的创建首先要基于建筑模型。 现代建筑模型的基本单元主要有墙体、门窗、地板、屋顶、梁柱等，通过这些基本元素可以搭建成不同类型的功能区域和房间。 墙体、门洞以及楼梯的三维模型，如图2 所示。

图2 墙体、门洞和楼梯三维模型的创建

(2)家具模型

像会议室、监控室这样类型的房间，家具是不可或缺的，因此在创建完建筑模型后需要创建必备的家具三维模型，家具主要包括桌椅、柜子、书架等，还需要根据项目需求，创建相应家具模型，以达到虚拟现实的目的。 图3 是桌椅三维模型的创建。

(3)设备模型

建筑智能化系统的核心就是设备，因此设备模型的创建是必不可少的，还是向用户展示的重要部分[9]。 论文以监控系统为例，将计算机、监控显示屏作为主要创建对象，使用户可以通过这些模型清晰地了解系统功能。 计算机及监控显示屏的三维模型如图3 所示。

图3 计算机与监控显示屏三维模型的创建

要得到近似真实的三维虚拟场景，模型创建是一项非常耗时而重要的过程，不仅要能够保证真实世界存在的东西应有尽有，而且还需要每个模型效果尽可能地贴近真实物品，只有这样，最终形成的场景才能被渲染地更加真实。

3.4 场景展示

完成模型创建工作之后就可以通过各个模型部件搭建完整的建筑模型，这个过程需要合理确定模型色调及尺寸，根据需求调整环境灯光、阴影等效果，以求达到三维场景环境的和谐美观，尽可能地贴近真实环境。

同样，由于篇幅的限制，这里只对会议室、部分公共区域以及监控室的场景进行展示，通过场景展示可以非常直观的了解整个监控系统的功能及应用场景。 会议室、部分公共区域以及监控室的三维场景如图4 所示。

图4 会议室、部分公共区域以及监控室的三维场景展示

3.5 分析总结

通过完成整个智能化方案设计流程，可以得到如下几点启示。

(1)通过将Unity3D 技术应用到建筑智能化方案设计中，虽然在前期加大了设计的工作量，但是使用户能够真真切切地感受到自己将要得到的智能化系统具体是什么样子，能完成哪些功能，得到用户极大的肯定。

(2)虽然在方案或者初步设计阶段投入更大的精力，但是以这种直观的方式与用户沟通后，将会事半功倍，而且为后面的施工图设计与施工阶段的后期服务提供了便利。

(3)在模型创建中，要充分利用以往创建的模型，做到模型创建后可以重复利用，尽可能缩短设计时间。

4 结论与展望

建筑智能化行业只能算是刚刚起步，行业发展空间非常大，未来也必将有更多新技术、新理念融入进来。 任何行业的发展都需要创新，论文通过将Unity3D 虚拟现实技术与传统的建筑智能化设计行业相结合，提供了一个崭新的方案展现形式，充分诠释了设计创新理念，为建筑智能化行业的发展贡献了微薄之力。

传统的勘察设计行业要不断创新发展，才能自我更新，健康发展。 在这个科技发展日新月异的时代，要敢于将其他行业的先进技术拿来为本行业所用，充分发掘勘察设计行业发展的新思路。 同时，勘察设计行业作为一个服务性行业，要始终为用户着想，为社会需要着想，才能真正设计出经得起考验的精品工程。