水之映像——水利设施交互展示设计

当今世界水资源短缺，极大影响社会福祉，水资源的合理利用、水灾害的防治成为水利工程的首要任务。水利设施起着防洪减灾、水资源调配、保障用水、促进经济发展和生态保护等重要作用。因此水利设施的研究与展示同样关键，本项目不仅深入探究水利设施本质，有力推动水利科技进步，更生动形象地展现水利建筑独特魅力，极大增强公众对水利的认知与重视程度，唤起公众对水利资源的保护意识。顺应国家培养人才战略，本项目还可为水利专业人才培养提供直观素材，助力人才茁壮成长，促进水利产业蓬勃发展，为国家经济社会的稳健前行筑牢坚实基础。

在当前的水利领域，水利建筑的研究与展示存在以下问题：1、技术应用较为局限，多数仍依赖传统的二维图纸和静态模型，呈现复杂结构缺少生动性、直观性；2、知识传播渠道较窄，科普效果不佳，大众对水利建筑的认知程度有限；3、行业内缺乏高效整合多种技术的综合性平台，难以满足日益增长的专业分析和公众参与需求。

本项目旨在：1、运用BIM软件对水利设施进行建模及渲染，实现高度逼真的三维可视化效果。2、在虚幻引擎平台上通过编程手段实现通过个性化自主点击对水利建筑局部细节的放大及精准细化展示并演示运行过程，突出重点细节与运行原理。3、借助先进编程技术增强水利设施在虚幻引擎平台展示的交互性和体验感，促进公众对水利设施的深入理解。

本项目研究由水利设施BIM模型的构建、虚幻引擎平台的搭建与整合、运行原理动画制作、交互功能的实现及开发、系统性能测试与优化五部分组成。

1、水利设施BIM模型的构建：该部分通过团队成员前期进行现场调研及网络勘察，全面收集水利设施的各类相关数据，包括设计图纸、工程参数等，对信息进行处理后运用Revit进行主体模型的构建，细致描绘各类附属设施，如闸门、启闭设备等模型，实现附属设施模型与主体结构模型的完美融合。最后将对模型进一步检查与优化，以此实现高质量模型，确保模型后续在虚幻引擎中的正常导入与运行。

2、虚幻引擎平台的搭建与整合：熟悉并掌握虚幻引擎的各项功能和特性后，将Revit软件中的各种模型导入虚幻引擎中，将不同部分的模型进行有机整合与协调，进行初步的场景布置，为模型赋予真实的材质和纹理，并建立模型与引擎之间的数据交互通道，保障信息的顺畅传递。

3、运行原理动画制作：在运行原理的呈现上，利用虚幻引擎的动画制作功能，通过动画演示水利设施从静止状态到启动再到正常工作的整个过程。例如，动画中清晰呈现出驱动装置如何带动闸门升起，水流在不同阶段的流动形态变化，以及闸门关闭时各个部件的协同动作。同时配以文字说明或语音讲解，详细阐释每个运行流程的原理和作用，使用户能够较为全面了解模型的细节和运行原理。

4、交互功能的实现及开发：本项目中对于交互功能具备细致规划。当用户点击模型中如闸门的特定区域时，系统会迅速响应并启动放大机制，将该闸门区域清晰放大，以凸显其每一处细节。与此同时，借助先进的动画技术，生动展示闸门的工作机理，详细呈现其开启、关闭、水流通过等连续过程。通过上述功能，让用户切实感受到水利设施的实际运作状态，加深对其的理解和认知。我们将通过不断优化和调试，让用户在与模型交互时能获得极致的体验。

5、系统性能测试与优化：本阶段将对模型进行优化并进行模型最后的测试，确保模型的真实性与各部分功能的完整性。

1、BIM与虚幻引擎技术方面

从国际上看，BIM技术的应用越来越广泛，尤其是在欧美等发达国家。一些国家已经制定了相关的标准和政策，推动BIM技术的应用和发展。同时，虚幻引擎技术也在不断进步，为BIM的应用提供了更强大的支持。

英国：英国建筑研究院（BRE）开发了BIM与虚拟现实（VR）集成的平台，用于建筑设计和施工的可视化和协作。

美国：斯坦福大学的研究人员开发了一种基于 BIM 和游戏引擎的虚拟建筑环境，用于建筑性能模拟和分析。

德国：慕尼黑工业大学的研究人员开发了一种基于 BIM 和虚幻引擎的建筑信息模型可视化系统，用于建筑设计和施工的可视化和协作。

在国内，BIM技术也得到了广泛的关注和应用。政府出台了一系列政策，推动BIM技术的发展。例如，住建部在2022年1月发布的《“十四五”建筑业发展规划》中提出，预计到2025年，基本形成BIM技术框架和标准体系。同时，国内的一些企业和研究机构也在积极开展BIM与虚幻引擎结合的技术研究和应用探索。例如，唐源电气融合3D、BIM、虚幻引擎及VR技术，自主研发了变电所仿真培训系统、110kV电缆头接线VR教学系统、接触网电力安全警示系统等多项成果，并形成轨道交通数字仿真培训平台、大型3D数字模型库，还能为客户提供智能培训场馆建设系统定制开发等多项技术服务。

清华大学：清华大学建筑学院的研究人员开发了一种基于BIM和虚幻引擎的建筑信息模型可视化系统，用于建筑设计和施工的可视化和协作。

同济大学：同济大学建筑与城市规划学院的研究人员开发了一种基于BIM和虚幻引擎的建筑信息模型可视化系统，用于建筑设计和施工的可视化和协作。

中国建筑科学研究院：中国建筑科学研究院的研究人员开发了一种基于BIM和虚幻引擎的建筑信息模型可视化系统，用于建筑设计和施工的可视化和协作。

应用前景：BIM与虚幻引擎的结合将进一步渗透到水利、电力、机械仪表系统等其他领域，帮助企业解决规模化的管理难题，推动国家技术水平的提高。

总的来说，BIM与虚幻引擎结合的技术在国际和国内都处于不断发展的阶段。在水利建筑领域，这一技术的研究和应用还处于起步阶段，但具有广阔的发展前景。例如，中国水利水电科学研究院等单位在水利工程BIM技术应用方面开展了大量的研究工作，已取得了一些研究成果。

2、水利设施数字化方面

中国：宜昌市水利水电勘察设计院在环百里荒乡村振兴试验区供水保障及水生态综合治理2023年度项目中，首次采用BIM技术进行三维可视化设计技术交底。与传统模式相比，本次设计交底增加了视频、动画、三维模型展示等多种表现手段，利用精确的BIM模型，对项目施工重难点区域和重要结构等进行了全方位、多角度的展示。借助BIM技术，设计人员更加精准地传达设计意图，有效避免了传统模式下可能出现的误解和误差。

荷兰：Deltares 研究机构开发了一套名为“Deltares3D”的三维可视化平台，该平台整合了荷兰各地的水利设施信息，包括堤坝、水闸、泵站等。通过该平台，用户可以直观地了解荷兰水利设施的分布情况和运行状态，为水利设施的管理和维护提供了有力支持。

美国：美国垦务局在其大坝安全计划中采用了三维激光扫描技术，对大坝进行了高精度的三维建模和可视化，以便更好地监测大坝的变形和渗漏情况。此外，美国陆军工程兵团也开发了一套名为“国家水利基础设施数据库”的系统，该系统整合了全美各地的水利设施信息，并通过三维可视化技术将这些信息呈现给用户，以便更好地进行水利设施的规划、设计和管理。

总的来说，BIM、虚幻引擎及交互式技术在水利设施可视化中的应用，帮助水利工程师和管理人员甚至非专业人士更好地理解和管理水利设施，提高水利设施的安全性和可靠性，已成为世界水利、建筑等方面可视化运用的热门技术，国内现有的展示技术发展较晚，还未成系统集成性展示，是项目的创新突破点之一。

创新点：

1、打破传统的依赖传统二维图纸和静态模型展示水利设施方式，将水利设施数字化，利用虚幻引擎实现了动态化、立体式呈现，极大地增强了视觉冲击力和信息传达效果。

2、通过将水利设施数字化，创造了新的交互体验模式，体验者可多角度、全方位地探索和了解水利设施的运行原理，提高体验者参与度，增强学习效果。

3、引入点击放大模式，在保证模型整体呈现完整性的同时，能让用户深入聚焦细节，实现整体与细节的完美兼顾。

项目特色：

1、创新性：项目打破依赖二维图纸和静态模型展示的传统方式，利用虚幻引擎软件将水利设施数字化，实现动态化、立体式呈现，为水利工程领域带来了全新的展示和体验模式。

2、交互性：通过点击放大的模式，用户既可以宏观了解水利设施的整体布局，又可以深入观察细节，实现了整体与细节的完美兼顾。这种交互性能够使用户更加深入地了解水利设施，提高了用户的参与度和学习效果。

3、可视化效果：该项目能够精确地构建水利工程三维模型，真实地展现水利工程形态，直观显示水利工程建筑物，同时展示水利工程工作原理。

4、应用价值：在水利工程设计期间，该项目可以对水利工程效果进行虚拟展示，为优化水利工程设计提供参考。此外，该项目还可以用于水利工程的教学和培训，帮助学生和从业者更好地理解水利工程的原理和技术。

拟解决的关键问题：

1、数据获取问题：通过何种途径有效获取全面、真实准确的水利设施数据。

2、模型精准构建问题：如何确保水利建筑模型在数字化过程中能准确无误地还原真实结构和尺寸，以体现其运行原理的真实性。

3、复杂原理可视化呈现问题：怎样将水利设施中复杂的运行原理通过动画清晰、易懂地展示出来，让各界非专业人士便捷理解。

预期成果：

1、打造出一套逼真的、精细的、具有交互性、代表性的水利建筑模型，能精准且生动地展现核心内容，如水利设施的运行机制，且成果的呈现方式清晰、明确。

2、形成一套可复制、可推广的水利设施数字化展示方案与标准，对行业内其他类似项目具有指导意义和应用价值，推动整个水利工程领域在展示方面的进步与发展。

3、通过本项目研发的技术和成果，有效促进水利工程领域在设计、研究、教学等方面的创新与提升，为解决相关领域的核心问题提供有力支持。

4、通过虚幻引擎在建筑可视化中的应用，帮助学生更好地理解复杂的学术概念，通过创建动态的、沉浸式的学习体验，加深对数字设备和水利知识的兴趣和认识。