基于Revit和Unity3D的三维车间可视化研究_刘宗.pdf

SOFTWARE2023软 件第 44 卷 第 1 期2023 年Vol.44,No.1作者简介：刘宗（1992）,男,湖北老河口人,硕士,助理工程师,研究方向：BIM 技术研究与应用；尤长虹（1965）,男,山东莒南人,硕士,高级工程师,研究方向：烟草工艺研究；王红兵（1966）,男,湖北大悟人,本科,工程师,研究方向：可视化技术研究；叶茂（1985）,男,湖北十堰人,硕士,研究方向：高质量实时渲染；张友松（1992）,男,湖北武汉人,硕士,助理工程师,研究方向：数字车间建模优化；戴桦椋（1992）,男,湖北黄石人,本科,助理工程师,研究方向：工厂土建建模研究。基于 Revit 和 Unity3D 的三维车间可视化研究刘宗 尤长虹 王红兵 叶茂 张友松 戴桦椋（湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉 430048）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；可视化中图分类号：TP391;TB49 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.01.032本文著录格式：刘宗,尤长虹,王红兵,等.基于Revit和Unity3D的三维车间可视化研究J.软件,2023,44(01):119-122Research on 3D Workshop Visualization Based on Revit and Unity3DLIU 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 of the entire 3D workshop is improved,and the visualization and roaming of the 3D workshop are realized.【Key words】：building information modeling;Revit;Unity3D;digital workshop;visualization设计研究与应用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120软 件第 44 卷 第 1 期SOFTWARE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。图 1 膨胀烟丝工房建筑 BIM 模型Fig.1 BIM model of expanded tobacco workshop building 图 2 室内工艺设备、公辅配套 BIM 模型Fig.2 BIM model of indoor process equipment and public and auxiliary facilities2 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：121刘宗尤长虹王红兵等：基于 Revit 和 Unity3D 的三维车间可视化研究（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