元宇宙背景下建筑業數字化發展研究與展望

紀豪

發展元宇宙，將會引發一場新的數字工業革命。在當前元宇宙興起的大環境下，探尋出我國建筑行業數字化轉型的新契機，對于打破建筑產業發展的瓶頸、加快產業升級具有重要意義。文從理論上探討了“元宇宙”的基本概念，指出“元宇宙”是一種新型社會體系的數字生活空間。其次，從數字化進程的角度，歸納了我國建筑行業數字化發展的過程；其次，從數字技術、產業發展和商業模式三個方面分析了我國建筑產業在數字化轉型中遇到的一些問題。在此基礎上，本文還將討論我國建筑行業在元宇宙發展中的新動向及愿景。

當前建筑業面臨著資金鏈壓力大、建筑質量不佳、政策調控、市場競爭激烈、消費者需求變化等困境。同時國家陸續頒布了較多政策來促進建筑業數字化轉型。在“數字強國”和“網絡強國”等國家的戰略部署下，我國的數字經濟面臨著前所未有的機遇和挑戰。

2020 年，是人類進入虛擬時代的轉折點，人們將大量的時間花在了虛擬世界上，而這也推動了元宇宙的興起。元宇宙是一種以數字化為基礎，以多種方式融合運用為手段，以虛擬現實為基礎，建立與實體現實相平行的虛擬現實，其發展將推動一場新的數字化工業革命。為爭奪新的“數字高地”，全國20 余個省市相繼出臺了關于“底層技術研發”“孵化企業”“項目扶持”“內容應用”等多個領域的“元宇宙”政策與規劃。從整體上講，各級政府的工作重點是科技與工業。一方面，通過政策引導，推動元宇宙基礎技術的集成與創新；同時，通過建立“元宇宙”示范基地，促進“元宇宙”和“工業”的深度結合，實現“數字產業”和“數字經濟”的發展。要想完成行業的轉型升級，必須要有信息化的建設。

但在當前的信息化進程中，由于存在著成本收益不明確、商業模式分割和信息孤島等諸多問題，制約了產業的信息化發展。在當前元宇宙興起的大環境下，探尋我國建筑企業數字化轉型發展的新契機，對于打破工業發展的瓶頸、加快產業升級具有重要意義。因此，論文立足于元宇宙的視角，對我國建筑行業的數字化進程和存在的問題進行了系統的梳理，進而提出了我國建筑行業信息化的發展方向。

一、元宇宙相關概念

元宇宙（Metaverse），是人類運用數字技術構建的，由現實世界映射或超越現實世界，可與現實世界交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間。它是一個集體虛擬共享空間，由虛擬增強的物理現實和物理持久的虛擬空間融合而創造，包括所有虛擬世界、增強現實和互聯網的總和。元宇宙具備新型社會體系的數字生活空間，是未來大部分人生存的另一個平行世界，而且這個平行世界與現實世界相互交通，未來的現實世界負責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。

十九大報告首次明確了“數字中國”與“智慧社會”這兩個發展概念，其目的是以融合尖端科技的融合與運用，推動行業轉型與管理方式的革新。從根本上說，元宇宙就是一個由互聯網構成的“網絡社會”，它在經濟上，在政治上，在文化上；工業和其他各個領域都呈現出與真實社會相異的數字化、網絡化和智能化。在元宇宙設計中，涉及的領域非常廣泛，如角色設計、城市空間設計、視覺平面設計、虛擬時裝設計等。在這個多元的空間中，所有人都可以大展拳腳。

不管是元宇宙，還是數字社會，其本質都不在于科技自身，而在于由數字科技賦予的新型社會形態：沉浸式、可信式、融合式；互動性，開放性是它的基本特點。所以，我們把元宇宙總結為一個完全的數字社會。它由四個基本元素組成，即數字孿生，數字原生，虛實共生和虛擬互動。在這三個方面，數字雙生是實體世界的一種數碼影像。中國的互聯網發展經過了“信息”“消費”和“行業”三個階段。網絡是指將人們所能了解的各種文字、圖片、聲音、視頻等進行數字表達、傳播和呈現的過程。在消費網絡時期，人們通過在線購買、系統結算等方式，使人們的消費供應能力與需要發生了數字化的轉移。“虛-實”互動是指將實體與數字空間進行互動，通過基于“數據”的知識自動生成，并在此基礎上不斷迭代、推演、優化，進而指導實體世界的運行。

二、數字化場景建設概要

將數字化現場建造比喻成“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絡形式，它的發展途徑是從實到虛，對實體世界進行再現和強化，也可以化虛為實，在與真實的互動中實現數字與實體的融合，這兩條途徑都要求構建一個與實體世界平行的虛擬情景，以此來提供具體的空間與載體。在游戲、電影以及工業建筑等領域已經出現了數字化的場面；在設計等方面有著廣闊的用途，伴隨著軟硬件的逐漸完善，數字孿生和全真互聯網的發展，國家鼓勵支持數字經濟建設，以及新興的VR/AR 等終端設備的出現，對數字場景的要求也會越來越高。

三、元宇宙與建筑業數字化發展

1.建筑業數字化發展歷程

（1）階段一

90 年代后期，隨著電腦的普及和CAD 系統的不斷完善，使得它被越來越多的人所采用。在進行圖紙更改、加深設計等過程中，需要不斷地對圖紙進行多次修正，與手動繪制相比，CAD 具有便于更改、保存方便的優點，而且，由于其可重用性，可以大大地提升建筑設計的效率。

（2）階段二

項目計劃管理系統的信息化。在數字化的背景下，MIS 被越來越多的企業所采用。這一時期以PMIS（工程管理信息系統）為代表的信息管理的數字化。PMIS的實質就是對工程施工中發生的數據進行實時、高效地管理，為施工單位的工作人員提供優質的信息服務。PMIS 包含了工程算量、進度管理、安全管理和費用管理四個方面的工作，目的是通過數字化技術來提升信息的儲存與存取，幫助管理者更好地掌握工程信息。

（3）階段三

以BIM 為代表的建筑產品數字化在三維圖形引擎技術的推動下，建造數據建模（BIM）技術的出現，使建造項目實現了數字化。其實質就是以3D 建模為基礎，以工程建造過程中的整個工程過程為基礎的工程產品庫。傳統的平面圖上的數據表示方式，往往因各參與主體對數據的認識存在偏差，造成工程施工過程中的數據傳輸誤差，造成重復、設計更改等問題，從而影響工程執行的效率。與之相比，BIM“看到就得到”的特性降低了施工中的數據誤差。其次，BIM 可以讓各個參與者按照自己的需要修改、完善模型，并以結果形式發布，為建設過程中的整個過程提供一體化的數據支持，實現設計、施工、運營的可視化、協作化。在此基礎上，提出了一種基于模型的工程項目管理方法，它可以有效地促進工程各方的交流和合作。

（4）階段四

以“BIM+”為代表的業務流程數字化。最近幾年，隨著人工智能、區塊鏈、物聯網、無人機、5G 技術等新興科技的飛速發展，前沿的數字化科技也在建筑業中得以深入探討與運用。標志著我國建筑行業已經開始朝著商業過程的數字化轉型，也就是以BIM 為基礎，通過各種數字化技術的結合來重構企業的經營過程，提升企業的生產力。從而達到對工程的精細管理。在建設項目中，通過物聯網、BIM 等手段，對項目實施全過程的安全隱患進行辨識與控制。通過地理信息系統，物聯網，無人機；通過BIM 等多種方法對公路、橋梁等重大工程進行健康監控，保障其正常運行。本項目將基于區塊鏈的非偽造特征來處理工程項目的信息管理、資金管理和供應鏈管理等環節中的信息安全性。

2.元宇宙背景下建筑業數字化發展趨勢

（1）技術體系融合創新，構建建筑業智能建造發展新范式

當前我國建筑行業信息化建設面臨著多種技術系統之間的隔離問題，使得基于多種技術的融合應用方式難以形成。元宇宙的發展必然會促進建筑領域的底層技術系統的整合與創新，有助于解決當前我國建筑行業面臨的“數據孤島”問題，促進智慧建筑行業的快速發展。以計算機技術、只能算法為核心的技術，將在建設領域實現"聚合計算-并行計算-智能算法"。在此基礎上，以數字化、網絡化和智能化為基本架構，融合多源異質數據，提升并行計算能力，優化智能算法，實現模型標準化、網絡化交互和可視化認知。為我國建筑產業從"勞動力密集型"轉向"科技密集型"。

（2）數字引領，行業邁入增量發展空間

元宇宙的發展，將會引領建筑業由目前的存量發展到增量的發展，以虛擬與現實相結合催生新的商業生態，使產業的經營領域得到更大的拓展。①以用戶為核心的虛擬工業經濟新形式在傳統商業模式下，BIM模型僅能在企業范圍內進行流通與利用。而在元宇宙系統中，BIM 是實體建筑的準確表示，可以應用于旅游、旅游、醫療和教育等領域；在不需要反復建立模型的情況下，為使用者提供更加真實和沉浸式的視覺感受。對于BIM從業人員來說，他們的工作領域將會更加廣泛，他們的工作內容將會更加精確的表示材料的細節，從而獲得更加真實和沉浸式的視覺感受，以及能夠與各種應用環境相匹配的模型提取方法。BIM 從業人員也將超越自己的職業范圍，以設計者或服務商的身份，向更廣大的使用者提供量身定做、量身定做的虛擬服務，從而發展出以使用者為核心的虛擬工業經濟。②推動用戶導向價值生成的元宇宙同時包括了數碼雙生和數字原生兩個要素。對于建筑師來說，所謂的“數位原生”，就是要從物質空間的約束與約束中，去進行大膽的創造，創造出屬于自己的獨特景觀；擴展了使用者的感性經驗，并且可以以數碼收藏的形式銷售。元宇宙具有開放的特性，即讓使用者可以一起參與、一起創作，進而推動以顧客為核心的價值創造。建筑設計者既能為現實生活提供便利，又能為虛擬環境提供獨特的建筑產物或空間形式，從而達到最大程度的個性化需要與體驗。

（3）數字驅動業務融合，構建面向建筑業的沉浸式互聯網體系

以MR 混合現實為先導的元宇宙，經過各種不同技術系統的結合與發展，將會成為新一代沉浸網絡。不同于以往的網絡，元宇宙更注重人員的參與以及分散的信息，其開放、共享的特性使得建設行業將在未來形成由內向外的數字轉型為平臺驅動的產業鏈協同。元宇宙技術的發展，將改變目前的工作流程和經營管理方式，使行業由分割到一體化，提高設計、生產和協作的整個過程的效率。在設計過程中，可以對整個空間進行完整的虛擬場景，借助AR/VR 等互動方式獲得完全身臨其境的視覺感受，從而對其進行最優的設計；通過射線跟蹤與實物模擬平臺，對建筑進行實際照明與建筑整體的全尺度仿真。通過使用者的互動，可以為使用者提供個性化的、個性化的設計經驗，并為其提供更多的服務。同時，在工程執行過程中，營造人員還可以采用身臨其境的互動模式，在此基礎上開展建筑仿真與安全演習，并運用人工智能算法對其進行最優的設計；以精確可靠的數據為基礎，實現實體資源向數據資產的轉化。基于區塊鏈的一致性機制，可以有效地克服由于業務主體不明導致的不同參與方之間的協作困難、信息不能共享等問題，從而建立起"虛實互動、多時空協作、多方協作"的新型商業管理模式。

四、結論與展望

綜上所述，通過科技的革新與合作，實現了工作模式的重組，進而提升了整個社會的生產力，推動了傳統產業的轉型；從而形成了一種新型的、以虛為實、虛與實并存的新型社會生產模式。而元宇宙是一種新興的產業形態，它的出現，將極大地促進我國建筑產業的發展。具體體現為：（1）從技術層面來看，開放、交互、共融的特性是新一代網絡的根本形式，元宇宙將促進已有的技術系統的相互結合和創新發展，從而有效地應對當前建設領域中存在的諸如“信息斷層”等技術難題。(2)在社會層面上，元宇宙的發展是一種新的社會關系與生產因素的重新組合。數字化發展關于建筑的研究成果將幫助我國建筑行業重構傳統建設模式中孤立的建設模式和協作機制，并以大數據為基礎，促進我國建筑行業與工業互聯網系統建設相交融。