元宇宙背景下建筑業(yè)數(shù)字化發(fā)展研究與展望

紀(jì)豪

發(fā)展元宇宙，將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)新的數(shù)字工業(yè)革命。在當(dāng)前元宇宙興起的大環(huán)境下，探尋出我國(guó)建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新契機(jī)，對(duì)于打破建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸、加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。文從理論上探討了“元宇宙”的基本概念，指出“元宇宙”是一種新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。其次，從數(shù)字化進(jìn)程的角度，歸納了我國(guó)建筑行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的過(guò)程；其次，從數(shù)字技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商業(yè)模式三個(gè)方面分析了我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中遇到的一些問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，本文還將討論我國(guó)建筑行業(yè)在元宇宙發(fā)展中的新動(dòng)向及愿景。

當(dāng)前建筑業(yè)面臨著資金鏈壓力大、建筑質(zhì)量不佳、政策調(diào)控、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、消費(fèi)者需求變化等困境。同時(shí)國(guó)家陸續(xù)頒布了較多政策來(lái)促進(jìn)建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在“數(shù)字強(qiáng)國(guó)”和“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家的戰(zhàn)略部署下，我國(guó)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2020 年，是人類進(jìn)入虛擬時(shí)代的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，人們將大量的時(shí)間花在了虛擬世界上，而這也推動(dòng)了元宇宙的興起。元宇宙是一種以數(shù)字化為基礎(chǔ)，以多種方式融合運(yùn)用為手段，以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，建立與實(shí)體現(xiàn)實(shí)相平行的虛擬現(xiàn)實(shí)，其發(fā)展將推動(dòng)一場(chǎng)新的數(shù)字化工業(yè)革命。為爭(zhēng)奪新的“數(shù)字高地”，全國(guó)20 余個(gè)省市相繼出臺(tái)了關(guān)于“底層技術(shù)研發(fā)”“孵化企業(yè)”“項(xiàng)目扶持”“內(nèi)容應(yīng)用”等多個(gè)領(lǐng)域的“元宇宙”政策與規(guī)劃。從整體上講，各級(jí)政府的工作重點(diǎn)是科技與工業(yè)。一方面，通過(guò)政策引導(dǎo)，推動(dòng)元宇宙基礎(chǔ)技術(shù)的集成與創(chuàng)新；同時(shí)，通過(guò)建立“元宇宙”示范基地，促進(jìn)“元宇宙”和“工業(yè)”的深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字產(chǎn)業(yè)”和“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展。要想完成行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，必須要有信息化的建設(shè)。

但在當(dāng)前的信息化進(jìn)程中，由于存在著成本收益不明確、商業(yè)模式分割和信息孤島等諸多問(wèn)題，制約了產(chǎn)業(yè)的信息化發(fā)展。在當(dāng)前元宇宙興起的大環(huán)境下，探尋我國(guó)建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的新契機(jī)，對(duì)于打破工業(yè)發(fā)展的瓶頸、加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。因此，論文立足于元宇宙的視角，對(duì)我國(guó)建筑行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程和存在的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，進(jìn)而提出了我國(guó)建筑行業(yè)信息化的發(fā)展方向。

一、元宇宙相關(guān)概念

元宇宙（Metaverse），是人類運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的，由現(xiàn)實(shí)世界映射或超越現(xiàn)實(shí)世界，可與現(xiàn)實(shí)世界交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。它是一個(gè)集體虛擬共享空間，由虛擬增強(qiáng)的物理現(xiàn)實(shí)和物理持久的虛擬空間融合而創(chuàng)造，包括所有虛擬世界、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)的總和。元宇宙具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間，是未來(lái)大部分人生存的另一個(gè)平行世界，而且這個(gè)平行世界與現(xiàn)實(shí)世界相互交通，未來(lái)的現(xiàn)實(shí)世界負(fù)責(zé)滿足人類的日常基本需求，而平行世界則滿足大家的精神需求。

十九大報(bào)告首次明確了“數(shù)字中國(guó)”與“智慧社會(huì)”這兩個(gè)發(fā)展概念，其目的是以融合尖端科技的融合與運(yùn)用，推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型與管理方式的革新。從根本上說(shuō)，元宇宙就是一個(gè)由互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的“網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”，它在經(jīng)濟(jì)上，在政治上，在文化上；工業(yè)和其他各個(gè)領(lǐng)域都呈現(xiàn)出與真實(shí)社會(huì)相異的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。在元宇宙設(shè)計(jì)中，涉及的領(lǐng)域非常廣泛，如角色設(shè)計(jì)、城市空間設(shè)計(jì)、視覺(jué)平面設(shè)計(jì)、虛擬時(shí)裝設(shè)計(jì)等。在這個(gè)多元的空間中，所有人都可以大展拳腳。

不管是元宇宙，還是數(shù)字社會(huì)，其本質(zhì)都不在于科技自身，而在于由數(shù)字科技賦予的新型社會(huì)形態(tài)：沉浸式、可信式、融合式；互動(dòng)性，開(kāi)放性是它的基本特點(diǎn)。所以，我們把元宇宙總結(jié)為一個(gè)完全的數(shù)字社會(huì)。它由四個(gè)基本元素組成，即數(shù)字孿生，數(shù)字原生，虛實(shí)共生和虛擬互動(dòng)。在這三個(gè)方面，數(shù)字雙生是實(shí)體世界的一種數(shù)碼影像。中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展經(jīng)過(guò)了“信息”“消費(fèi)”和“行業(yè)”三個(gè)階段。網(wǎng)絡(luò)是指將人們所能了解的各種文字、圖片、聲音、視頻等進(jìn)行數(shù)字表達(dá)、傳播和呈現(xiàn)的過(guò)程。在消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)期，人們通過(guò)在線購(gòu)買、系統(tǒng)結(jié)算等方式，使人們的消費(fèi)供應(yīng)能力與需要發(fā)生了數(shù)字化的轉(zhuǎn)移?！疤?實(shí)”互動(dòng)是指將實(shí)體與數(shù)字空間進(jìn)行互動(dòng)，通過(guò)基于“數(shù)據(jù)”的知識(shí)自動(dòng)生成，并在此基礎(chǔ)上不斷迭代、推演、優(yōu)化，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)體世界的運(yùn)行。

二、數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)概要

將數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)建造比喻成“基建施工”，是一種類似于“元宇宙”的方式。而元宇宙則是下一種網(wǎng)絡(luò)形式，它的發(fā)展途徑是從實(shí)到虛，對(duì)實(shí)體世界進(jìn)行再現(xiàn)和強(qiáng)化，也可以化虛為實(shí)，在與真實(shí)的互動(dòng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字與實(shí)體的融合，這兩條途徑都要求構(gòu)建一個(gè)與實(shí)體世界平行的虛擬情景，以此來(lái)提供具體的空間與載體。在游戲、電影以及工業(yè)建筑等領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)字化的場(chǎng)面；在設(shè)計(jì)等方面有著廣闊的用途，伴隨著軟硬件的逐漸完善，數(shù)字孿生和全真互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，國(guó)家鼓勵(lì)支持?jǐn)?shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及新興的VR/AR 等終端設(shè)備的出現(xiàn)，對(duì)數(shù)字場(chǎng)景的要求也會(huì)越來(lái)越高。

三、元宇宙與建筑業(yè)數(shù)字化發(fā)展

1.建筑業(yè)數(shù)字化發(fā)展歷程

（1）階段一

90 年代后期，隨著電腦的普及和CAD 系統(tǒng)的不斷完善，使得它被越來(lái)越多的人所采用。在進(jìn)行圖紙更改、加深設(shè)計(jì)等過(guò)程中，需要不斷地對(duì)圖紙進(jìn)行多次修正，與手動(dòng)繪制相比，CAD 具有便于更改、保存方便的優(yōu)點(diǎn)，而且，由于其可重用性，可以大大地提升建筑設(shè)計(jì)的效率。

（2）階段二

項(xiàng)目計(jì)劃管理系統(tǒng)的信息化。在數(shù)字化的背景下，MIS 被越來(lái)越多的企業(yè)所采用。這一時(shí)期以PMIS（工程管理信息系統(tǒng)）為代表的信息管理的數(shù)字化。PMIS的實(shí)質(zhì)就是對(duì)工程施工中發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效地管理，為施工單位的工作人員提供優(yōu)質(zhì)的信息服務(wù)。PMIS 包含了工程算量、進(jìn)度管理、安全管理和費(fèi)用管理四個(gè)方面的工作，目的是通過(guò)數(shù)字化技術(shù)來(lái)提升信息的儲(chǔ)存與存取，幫助管理者更好地掌握工程信息。

（3）階段三

以BIM 為代表的建筑產(chǎn)品數(shù)字化在三維圖形引擎技術(shù)的推動(dòng)下，建造數(shù)據(jù)建模（BIM）技術(shù)的出現(xiàn)，使建造項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。其實(shí)質(zhì)就是以3D 建模為基礎(chǔ)，以工程建造過(guò)程中的整個(gè)工程過(guò)程為基礎(chǔ)的工程產(chǎn)品庫(kù)。傳統(tǒng)的平面圖上的數(shù)據(jù)表示方式，往往因各參與主體對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)存在偏差，造成工程施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸誤差，造成重復(fù)、設(shè)計(jì)更改等問(wèn)題，從而影響工程執(zhí)行的效率。與之相比，BIM“看到就得到”的特性降低了施工中的數(shù)據(jù)誤差。其次，BIM 可以讓各個(gè)參與者按照自己的需要修改、完善模型，并以結(jié)果形式發(fā)布，為建設(shè)過(guò)程中的整個(gè)過(guò)程提供一體化的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的可視化、協(xié)作化。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于模型的工程項(xiàng)目管理方法，它可以有效地促進(jìn)工程各方的交流和合作。

（4）階段四

以“BIM+”為代表的業(yè)務(wù)流程數(shù)字化。最近幾年，隨著人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)、5G 技術(shù)等新興科技的飛速發(fā)展，前沿的數(shù)字化科技也在建筑業(yè)中得以深入探討與運(yùn)用。標(biāo)志著我國(guó)建筑行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始朝著商業(yè)過(guò)程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也就是以BIM 為基礎(chǔ)，通過(guò)各種數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合來(lái)重構(gòu)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)過(guò)程，提升企業(yè)的生產(chǎn)力。從而達(dá)到對(duì)工程的精細(xì)管理。在建設(shè)項(xiàng)目中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、BIM 等手段，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施全過(guò)程的安全隱患進(jìn)行辨識(shí)與控制。通過(guò)地理信息系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)人機(jī)；通過(guò)BIM 等多種方法對(duì)公路、橋梁等重大工程進(jìn)行健康監(jiān)控，保障其正常運(yùn)行。本項(xiàng)目將基于區(qū)塊鏈的非偽造特征來(lái)處理工程項(xiàng)目的信息管理、資金管理和供應(yīng)鏈管理等環(huán)節(jié)中的信息安全性。

2.元宇宙背景下建筑業(yè)數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)

（1）技術(shù)體系融合創(chuàng)新，構(gòu)建建筑業(yè)智能建造發(fā)展新范式

當(dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)信息化建設(shè)面臨著多種技術(shù)系統(tǒng)之間的隔離問(wèn)題，使得基于多種技術(shù)的融合應(yīng)用方式難以形成。元宇宙的發(fā)展必然會(huì)促進(jìn)建筑領(lǐng)域的底層技術(shù)系統(tǒng)的整合與創(chuàng)新，有助于解決當(dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)面臨的“數(shù)據(jù)孤島”問(wèn)題，促進(jìn)智慧建筑行業(yè)的快速發(fā)展。以計(jì)算機(jī)技術(shù)、只能算法為核心的技術(shù)，將在建設(shè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)"聚合計(jì)算-并行計(jì)算-智能算法"。在此基礎(chǔ)上，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為基本架構(gòu)，融合多源異質(zhì)數(shù)據(jù)，提升并行計(jì)算能力，優(yōu)化智能算法，實(shí)現(xiàn)模型標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化交互和可視化認(rèn)知。為我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)從"勞動(dòng)力密集型"轉(zhuǎn)向"科技密集型"。

（2）數(shù)字引領(lǐng)，行業(yè)邁入增量發(fā)展空間

元宇宙的發(fā)展，將會(huì)引領(lǐng)建筑業(yè)由目前的存量發(fā)展到增量的發(fā)展，以虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合催生新的商業(yè)生態(tài)，使產(chǎn)業(yè)的經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域得到更大的拓展。①以用戶為核心的虛擬工業(yè)經(jīng)濟(jì)新形式在傳統(tǒng)商業(yè)模式下，BIM模型僅能在企業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行流通與利用。而在元宇宙系統(tǒng)中，BIM 是實(shí)體建筑的準(zhǔn)確表示，可以應(yīng)用于旅游、旅游、醫(yī)療和教育等領(lǐng)域；在不需要反復(fù)建立模型的情況下，為使用者提供更加真實(shí)和沉浸式的視覺(jué)感受。對(duì)于BIM從業(yè)人員來(lái)說(shuō)，他們的工作領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣泛，他們的工作內(nèi)容將會(huì)更加精確的表示材料的細(xì)節(jié)，從而獲得更加真實(shí)和沉浸式的視覺(jué)感受，以及能夠與各種應(yīng)用環(huán)境相匹配的模型提取方法。BIM 從業(yè)人員也將超越自己的職業(yè)范圍，以設(shè)計(jì)者或服務(wù)商的身份，向更廣大的使用者提供量身定做、量身定做的虛擬服務(wù)，從而發(fā)展出以使用者為核心的虛擬工業(yè)經(jīng)濟(jì)。②推動(dòng)用戶導(dǎo)向價(jià)值生成的元宇宙同時(shí)包括了數(shù)碼雙生和數(shù)字原生兩個(gè)要素。對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)，所謂的“數(shù)位原生”，就是要從物質(zhì)空間的約束與約束中，去進(jìn)行大膽的創(chuàng)造，創(chuàng)造出屬于自己的獨(dú)特景觀；擴(kuò)展了使用者的感性經(jīng)驗(yàn)，并且可以以數(shù)碼收藏的形式銷售。元宇宙具有開(kāi)放的特性，即讓使用者可以一起參與、一起創(chuàng)作，進(jìn)而推動(dòng)以顧客為核心的價(jià)值創(chuàng)造。建筑設(shè)計(jì)者既能為現(xiàn)實(shí)生活提供便利，又能為虛擬環(huán)境提供獨(dú)特的建筑產(chǎn)物或空間形式，從而達(dá)到最大程度的個(gè)性化需要與體驗(yàn)。

（3）數(shù)字驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)融合，構(gòu)建面向建筑業(yè)的沉浸式互聯(lián)網(wǎng)體系

以MR 混合現(xiàn)實(shí)為先導(dǎo)的元宇宙，經(jīng)過(guò)各種不同技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)合與發(fā)展，將會(huì)成為新一代沉浸網(wǎng)絡(luò)。不同于以往的網(wǎng)絡(luò)，元宇宙更注重人員的參與以及分散的信息，其開(kāi)放、共享的特性使得建設(shè)行業(yè)將在未來(lái)形成由內(nèi)向外的數(shù)字轉(zhuǎn)型為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。元宇宙技術(shù)的發(fā)展，將改變目前的工作流程和經(jīng)營(yíng)管理方式，使行業(yè)由分割到一體化，提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和協(xié)作的整個(gè)過(guò)程的效率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行完整的虛擬場(chǎng)景，借助AR/VR 等互動(dòng)方式獲得完全身臨其境的視覺(jué)感受，從而對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)的設(shè)計(jì)；通過(guò)射線跟蹤與實(shí)物模擬平臺(tái)，對(duì)建筑進(jìn)行實(shí)際照明與建筑整體的全尺度仿真。通過(guò)使用者的互動(dòng)，可以為使用者提供個(gè)性化的、個(gè)性化的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并為其提供更多的服務(wù)。同時(shí)，在工程執(zhí)行過(guò)程中，營(yíng)造人員還可以采用身臨其境的互動(dòng)模式，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展建筑仿真與安全演習(xí)，并運(yùn)用人工智能算法對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)的設(shè)計(jì)；以精確可靠的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體資源向數(shù)據(jù)資產(chǎn)的轉(zhuǎn)化?；趨^(qū)塊鏈的一致性機(jī)制，可以有效地克服由于業(yè)務(wù)主體不明導(dǎo)致的不同參與方之間的協(xié)作困難、信息不能共享等問(wèn)題，從而建立起"虛實(shí)互動(dòng)、多時(shí)空協(xié)作、多方協(xié)作"的新型商業(yè)管理模式。

四、結(jié)論與展望

綜上所述，通過(guò)科技的革新與合作，實(shí)現(xiàn)了工作模式的重組，進(jìn)而提升了整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)力，推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型；從而形成了一種新型的、以虛為實(shí)、虛與實(shí)并存的新型社會(huì)生產(chǎn)模式。而元宇宙是一種新興的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，它的出現(xiàn)，將極大地促進(jìn)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。具體體現(xiàn)為：（1）從技術(shù)層面來(lái)看，開(kāi)放、交互、共融的特性是新一代網(wǎng)絡(luò)的根本形式，元宇宙將促進(jìn)已有的技術(shù)系統(tǒng)的相互結(jié)合和創(chuàng)新發(fā)展，從而有效地應(yīng)對(duì)當(dāng)前建設(shè)領(lǐng)域中存在的諸如“信息斷層”等技術(shù)難題。(2)在社會(huì)層面上，元宇宙的發(fā)展是一種新的社會(huì)關(guān)系與生產(chǎn)因素的重新組合。數(shù)字化發(fā)展關(guān)于建筑的研究成果將幫助我國(guó)建筑行業(yè)重構(gòu)傳統(tǒng)建設(shè)模式中孤立的建設(shè)模式和協(xié)作機(jī)制，并以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)相交融。