基于UE与数字孪生的智慧建造管控平台设计与实现

王雅宁　景泽涛　孙博超

摘  要：针对基础设施项目建设过程中存在的质量检查难追溯、安全管理不到位、进度管控难度大、施工现场不可视、数据报表不直观等建筑业瓶颈问题，结合UE5强大的物理引擎及高度逼真的实时渲染和交互功能，以数字孪生技术为指导，设计并开发基于UE与数字孪生的智慧建造管控平台，并在北京城市副中心站综合交通枢纽工程中验证了应用实效。实践表明，该平台能够发挥智能化技术的应用优势，构建建设工程项目全生命周期全链路管理数字空间，在提升可视效果、保证工程质量、减少安全事故、降低建设成本、减少资源损耗、提升建设效率、提高建筑品质等方面发挥重要作用，对推动建筑行业从信息化、数字化走向智能化，促进行业创新和技术进步具有重要意义。

关键词：数字孪生；智慧建造；建筑信息模型；智慧工地；全生命周期

中图分类号：TP311.5；TP273+.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）19-0001-06

Design and Implementation of the Software for Intelligent Construction Control Platform Based on UE and Digital Twins

WANG Yaning， JING Zetao， SUN Bochao

（Huahang Environmental Development Co.， Ltd.， Beijing  100071， China）

Abstract： For addressing the bottlenecks during the construction process of infrastructure projects in the construction industry， including difficulty in the traceability of quality inspection， inadequate safety management， difficult progress control， invisible construction sites， and non intuitive data reports. Combining UE5's powerful physics engine and highly realistic real-time rendering and interaction functions， guided by digital twin technology， this paper designs and develops a intelligent construction control platform based on UE and digital twins and the application effect is verified in the comprehensive transportation hub project of Beijing Sub-Center railway station. Practice has shown that this platform can exert the application advantages of intelligent technology， building a digital space for full lifecycle and full link management of construction projects， and plays an important role in improving visual effects， ensuring engineering quality， reducing safety accidents， reducing construction costs， reducing resource loss， improving construction efficiency， and improving building quality， the platform is of great significance for promoting the construction industry from informatization and digitization to intelligence， and promoting industry innovation and technological progress.

Keywords： Digital Twin; intelligent construction; building information model; smart construction site; whole life cycle

0  引  言

建筑業是国民经济的重要支柱产业[1]，传统指导模式已难以满足行业高质量、可持续发展的需求。当前全球建筑业正在进行全方位、多层次的数字化转型[2]，数字化应用在有效推进建筑业供给侧结构性改革[3]、创新业务模式[4]、提高生产力[5]等方面发挥了重要作用，数字化转型已成为建筑行业转型升级的核心引擎[6]。当前社会已进入万物智联时代[7]，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球[8]，数字孪生技术应运而生[9-13]。数字孪生智慧建造[14]是指综合运用建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IOT）、人工智能（AI）、系统仿真等技术，以实体建筑物为载体、以BIM模型创建为核心的建筑信息物理系统[15]，是一种基于数字建构技术的智慧建筑服务，实现建筑设计、施工、运营等环节数字世界与真实世界的融合，从而提高建筑业的效率、质量和可持续性[16]。数字孪生智慧建造是建筑业数字化转型的重要手段，也是未来建筑业的发展趋势[17]。

鉴于北京城市副中心站综合交通枢纽工程体量大、工期紧、工作强度高，为有效缓解建设过程的施工压力，设计并开发一种新型的数字孪生智慧建造管控平台。平台结合UE5强大的物理引擎、动画系统及高度逼真的实时渲染和交互功能，以数字孪生技术为指导，以物联网和传感系统为基础，集成地理数据空间融合技术、GIS数据融合技术、多源海量数据高效渲染技术、3D可视化技术、云计算以及人工智能、机器学习等新兴技术，搭建统一的基础底座平台，构建建设工程项目全生命周期全链路管理数字空间，全息展示多维度空间数字孪生场景，以酷炫视觉效果、全面数据集成、场景化业务展示为支撑，实现建设工程施工现场“状态全可视、数据全融合、业务全可管、设备全可控”的全域智能建造管理。

1  系统设计

采用数字孪生技术、物联网技术、GIS数据融合技术、3D可视化技术、云计算等技术，基于UE5引擎强大的三维场景渲染能力，搭建以BIM为核心的基础数字技术平台，开发客户端数字孪生智慧建造管控平台，实现建设工程施工现场“场景可视化、业务模型化、要素数字化、数据规范化”的全域智能建造管理。平台技术架构设计如图1所示。

1.1  场景可视化

研發面向建设工程施工场景的三维实体对象模型构建技术，融合三维自动化建模、倾斜摄影数据、GIS基础数据、BIM数据等多源时空大数据，构建集建筑、道路、水系、绿化、地下空间为一体的三维空间场景，将数字孪生产生的建设工程数字模型转化为逼真的三维场景，提供更为直观的可视化效果；开发漫游功能，用以提供固定路线漫游及自由路线漫游功能；支持联动真实天气及24小时模拟日夜交替、环境及气候变化。

1.2  业务模型化

开发数字孪生虚拟现实交互功能，实现在虚拟环境中进行真实的交互操作，满足用户与数字孪生模型及三维可视化场景进行对话的需求。平台以模型及场景为展示重心，基于交互式3D模型添加数据层，将施工现场杂乱无章的海量数据进行空间对应，借助高精度BIM模型实现质量、进度等业务数据的可视化展示，实现在数字孪生场景下获取每个构件所对应的所有设计、生产、施工信息，实现实时数据监控及可视化统计。

1.3  要素数字化

研究多源异构对象的泛在感知、工业互联技术，使用传感器、物联网应用程序收集施工现场的物联网信息，将施工现场资源转化为可操作的全息立体化模型，面向施工现场建立全域、全时段、全息物联动态感知体系，实时全面感知施工现场生产态势，并对设备运行情况进行实时监测和分析预测，实现对场景活动对象及事件的全维度认知。

1.4  数据规范化

研究多源数据整合治理规范，结合应用场景，整合表达BIM模型数据、GIS数据、物联网数据、业务数据（质量管控、进度管理、现场资源）等海量全种类数据，借助“大数据”技术在平台进行统计、处理、分析，将施工相关的数据关联融合，实现多源异构数据相互关联并在平台上予以展示；建立不同维度下的分析统计指标，为施工管控提供必要的数据支撑，进一步提高施工管控的智能性与高效性。

1.5  模型导入批量化

UE5引擎目前不支持第三方建模软件模型属性信息的批量导入，仅支持逐个手工录入，工作量大、容易出错且时效性不高。基于平台自主研发数据转换插件，实现在数据库中批量存储BIM构件模型属性信息，并支持导出至包含构件及设备编码信息的CSV文件。通过在UE编辑器中使用Datasmith接口，对从建模软件导出的*.udatasmith数据进行批量导入，保存为UE资产，并自动建立UE关卡场景。批量导入模型数据结合CSV属性文件通过数据转换插件导入，生成UE模型数据，系统根据构件编码实现构件与属性信息的一一对应，通过二次开发对整个过程进行细节控制。

2  关键技术

2.1  高精度模型搭建

针对依托工程进行模型搭建，包括方案模型、周边景观模型、倾斜摄影模型及施工模型：

1）方案模型。运用3DMax进行方案模型搭建，对工程项目建成后全貌进行多角度、全方位展示。

2）周边景观模型。对工程项目周边进行景观模型搭建，包括水系资源、交通路网、公共资源、景观资源等。

3）倾斜摄影模型。使用搭载倾斜摄影装置的无人机进行数据采集，构建可视性优良的倾斜摄影模型，完整、详尽地对建设工程现场及周围态势进行全方位复现。

4）施工模型。以模型数量多、构建总数多的工程为研究背景，运用Revit对工程项目主体进行高精度建模。

2.2  多层级场景渲染

2.2.1  模型批量导入

基于UE5引擎制作二次开发插件——数据转换插件，解决UE5引擎不支持第三方建模软件模型属性信息批量导入，仅支持模型信息逐个手工录入的问题，实现在数据库中批量存储BIM构件模型属性信息。模型批量导入技术路线设计如图2所示。

模型批量导入方案设计如下：

1）在Revit软件中对原生模型进行处理，将原生Revit模型转换为fbx模型并导出；基于UE5引擎制作二次开发插件——数据转换插件，实现在数据库中批量存储BIM构件模型属性信息，并导出至包含构件和设备编码信息的CSV文件。

2）将fbx模型导入3DMax进行处理，优化3D网格，去除Revit建模产生的不必要三角面。

3）模型优化完成后导入至UE引擎，通过在UE编辑器中使用Datasmith接口，对从建模软件导出的*.udatasmith数据进行批量导入，存为UE资产并自动建立UE关卡场景。

4）通过数据转换插件批量导入*.udatasmith文件及CSV文件（即模型数据及属性数据）后，生成UE模型数据，系统根据构件编码实现构件与属性信息的一一对应。

5）在具体的业务使用场景中，进度接口获取每个构件编码的进度状态，匹配编码属性后进行状态渲染；质量接口获取每个构件编码的质量状态，匹配编码属性后进行状态渲染。

2.2.2  多层级场景渲染

通过UE5引擎提高场景渲染品质，通过自然光影交错、光线追踪、实时全局照明实现场景的高清晰度、高光效、高动态范围渲染，创建出色的照片实感可视化成果还原建筑工程及周边环境复杂的实体结构及建设状态。

多层级场景渲染方案设计及实现途经如下：

1）场景制作。依据工程类型确定场景类型和风格，对场景中的所有元素进行处理及布局规划；根据场景类型和设计风格选择合适的照明及材质，并添加物理效果及特殊场景效果；对场景进行全面测试，确保场景中的效果和元素都能够正常运行。

2）场景渲染。在UE5中以Deferred Rendering的方式对场景中的物体进行渲染，渲染流程包括新建场景、Plugins管理器、Project Settings设置、新建关卡、导入素材、材质与贴图、HDR、景深、Post Process Volume、灯光设置、锐化和指数高度雾设置等。

3）环境底板搭建。支持与真实世界同步，实现周边环境可视、天气状况感知及真实时间联动，高拟真复现物理环境效果，提供超凡的渲染效果。

2.2.3  沉浸式漫游体验

以三维场景为数字底座，开发场景漫游功能，全场景展示工程全貌及工程相关信息；支持小地图定位，提供固定路线漫游及自由路线漫游功能。支持路径、步行、飞行等多种漫游方式；支持根据特定标志场景进行定向查看；支持快速定位至固定点位。多种方式结合使用使用户获得身临其境的沉浸体验。

2.3  业务模型化——数据挂接及场景互动

2.3.1  BIM构件管理

BIM构件管理首先是对不同数据格式的BIM模型构件进行数据化，存入数据库中进行整理，为了能够高效地存储及读取模型，平台搭建了高效的分布式存储数据库架构作为存储BIM模型的数据库，并通过编号、类型、施工区域等条件对构件进行分类。通过不同的分类进行构件统计，方便平台用户随时查询。

2.3.2  模型数据展示

以模型为展示重心，将工程项目建设过程中各类基础工程数据与实际过程数据通过BIM模型进行可视化展示，基于BIM模型对一系列质量、进度、设备数据进行联动呈现及模拟分析，在模型上显示实时数据状态、状态预测及数据定位，实现通过BIM模型得到精确的工程基础数据。平台支持将工程基础数据分解到构件级，形成支撑服务工程智慧建造的大数据应用，实现现场资源的全过程管控。

2.3.3  场景仿真互动

施工过程仿真模拟及互动包括施工计划模拟、施工进度模拟等，具体功能设计如下：

1）施工计划模拟。通过接入施工记录数据实现施工过程的三维模拟反演、复杂节点施工模拟，可视化展示施工工艺的全生命过程。

2）施工进度模拟。将BIM模型的构件与进度表关联，形成4D模型以直观展示施工进程，包括施工计划模拟、施工进度模拟等，实现施工过程的历史回溯，使场景从三维静态展示转变为四维时序性动态模拟，借助数字孪生场景对施工BIM赋能，进一步提升施工信息的三维表达能力。

2.4  要素数字化——物联感知及生产管控

研究多源异构对象的泛在感知、工业互联技术，使用传感器、物联网应用程序收集施工现场的物联网信息，将施工现场资源转化为可操作的全息立体化模型，面向施工现场建立物联动态感知体系，实时全面感知施工现场生产态势，并对设备运行情况进行实时监测和分析预测，实现对场景活动对象与事件的全维度认知。

通过虚拟数字孪生可视化实时监控施工现场资源生产状态，包括现场人员、机械设备、环境监控、视频监控、车辆等施工现场资源的定位、运行状态及运行参数监控，实现工程项目建设态势的多维度、多层次精准监测。

3  系统主要功能实现

基于UE与数字孪生的智慧建造管控平台功能实现如图3、图4、图5、图6所示。

平台以BIM为数字底座，以模型为展示重心，通过BIM模型对工程项目建设过程中产生的各类基础工程数据与实际过程数据进行可视化展示，基于BIM模型对一系列质量、进度、设备数据进行联动呈现及模拟分析，并在模型上显示实时数据状态、狀态预测及数据定位，实现通过BIM模型得到精确的工程基础数据。平台支持将工程基础数据分解到构件级，形成支撑服务工程智慧建造的大数据应用和现场资源的全过程管控。

3.1  BIM模型管理

可以按照工程名称、模型名称、设计阶段（方案模型阶段、设计模型阶段、施工图模型、竣工模型）、模型分类（整体、场地、建筑、结构、给排水、电器、钢结构等）、模型文件实现BIM模型的上传管理。

3.2  BIM融合场景

将BIM模型与场景模型进行融合，通过TIN地形和倾斜摄影模型的裁剪、挖洞、镶嵌等功能可轻松实现BIM嵌入地形、倾斜摄影模型嵌入地形等效果。

3.3  BIM质量数据展示

将项目的质量信息与BIM模型进行关联，将工程质量缺陷、质量验收与验收进度与BIM模型的相应位置进行展现，并将有问题的构件在模型中进行标记显示，在BIM模型中留存质量问题整改过程中留存的图片信息、整改时间、整改结果等信息，以及质量验收过程中产生的各种报表文件，便于质量管理相关各方快速了解工程情况，有效解决工程从立项到竣工交付使用的全过程质量问题。通过BIM模型，工程项目的决策者与管理者在关注到本部位质量情况的同时，还可以关注到与本部位相关联的其他部位的质量情况，做到从全局部署与把握工程的质量。

3.4  BIM进度数据展示

通过BIM模型对项目的进度信息进行可视化展示，根据进度的实际进展情况，采用不同颜色的方式在BIM模型中进行直观的展示，包括施工完成、施工进行、施工预警、施工报警等，可以清楚了解项目的哪个工程段或部位的超前滞后情况。BIM进度关联功能包括工程进度查看、工程进度分析、工程计划管理等。

3.5  流程审批数据展示

平台支持项目管理流程展示（如质量管理、安全管理、现场巡检等），可以进行流程节点查询和跟踪，并与BIM对应构件绑定进行可视化展示；支持点击流程表单中的反查或绑定，以查看该条流程涉及的工作范围，支持通过点击模型构件查看该构件以往的工作流程及资料，通过BIM模型管理流程工作。

3.6  资料管理数据展示

资料管理与BIM模型相互关联，支持对任意构件进行数据信息查阅（包括文档、图纸、资料、流程等内容），实现以BIM模型为核心的工程资料管理。

4  结  论

本文针对基础设施项目建设过程中存在的质量检查难追溯、安全管理不到位、进度管控难度大、施工现场不可视、数据报表不直观等建筑业瓶颈问题，介绍了基于UE与数字孪生的智慧建造管控平台的设计与实现思路。平台的核心技术是基于UE引擎的数字孪生技术，其核心价值在于通过建立基于高度集成的数据闭环赋能新体系，生成工程建设项目数字虚拟映像空间，开辟智慧建造管理新模式。

平台已在北京城市副中心站综合交通枢纽工程中试运行将近一年的时间，实践表明平台在提升可视效果、保证工程质量、减少安全事故、降低建设成本、减少资源损耗、提升建设效率、提高建筑品质等方面能够发挥重要作用。为进一步助力数字孪生技术在建筑行业的应用，提升建筑的效率和质量，未来平台将从以下两个方面进行完善：

1）进一步优化平台功能设计，例如接入气象数据后，除了实现可视化展现，提供身临其境的沉浸式体验外，还可以提供预警天气对工程进度产生的影响并智能化提供解决方案等智能预警及指导决策功能。

2）基于国资央企信创建设背景，从网络环境、数据库环境等方面进行国产化改造与适配。

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作者简介：王雅宁（1993—），女，汉族，河北石家庄人，中级工程师，硕士，研究方向：智慧建造、智慧工地、智慧高速；景泽涛（1984—），男，汉族，北京人，高級工程师，硕士，研究方向：智慧建造、智慧水务；孙博超（1993—），男，汉族，天津人，中级工程师，学士学位，研究方向：智慧建造、智慧工地。

收稿日期：2023-07-03