元宇宙技術(shù)發(fā)展綜述及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用展望

楊健,張安山,龐博,張凱,鮑朱杰,李佳潼,王斐亮

（上海交通大學(xué) 上海市城市公共建筑與基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

元宇宙（Metaverse）是以5G 通信、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生、人工智能（AI）、區(qū)塊鏈、拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]為支撐，具有沉浸感、交互性、隨時(shí)隨地、低延遲特征[2]，融合現(xiàn)實(shí)世界的經(jīng)濟(jì)、社交、娛樂活動(dòng)，允許多用戶參與創(chuàng)建的基于現(xiàn)實(shí)物理世界的虛擬環(huán)境。隨著網(wǎng)絡(luò)空間的爆炸式增長(zhǎng)與擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)設(shè)備的快速發(fā)展，尤其是新冠疫情影響下的“生活線上化”趨勢(shì)，使得物理空間與虛擬空間的界限愈顯模糊。近期，隨著Facebook、微軟、索尼、騰訊及字節(jié)跳動(dòng)等商業(yè)巨頭對(duì)元宇宙構(gòu)想的推廣，元宇宙概念在科技、游戲、教育、商業(yè)以及社交等領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿ξ吮姸嚓P(guān)注。目前，雖然人們對(duì)元宇宙的爭(zhēng)論還在進(jìn)行，但其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生一定影響。

另一方面，越來越多的信息和數(shù)字技術(shù)在建筑行業(yè)得到關(guān)注和應(yīng)用。大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、拓展現(xiàn)實(shí)、3D 掃描、機(jī)器人、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等技術(shù)為建筑行業(yè)的升級(jí)和發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐，隨之而產(chǎn)生的智能化建造技術(shù)也在業(yè)界取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[3]。元宇宙作為一種以多種信息技術(shù)為支撐的新型技術(shù)形式，其出現(xiàn)將為建筑產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展提供新的想象空間。筆者通過回顧元宇宙的發(fā)展歷程，并與建筑行業(yè)既有信息技術(shù)進(jìn)行比較，分析元宇宙的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)特征；結(jié)合目前相關(guān)信息技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)元宇宙在建筑行業(yè)的潛在應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 元宇宙發(fā)展概述

1.1 元宇宙技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

“Metaverse”一詞首先出現(xiàn)在科幻小說《雪崩》中，其被描述為平行于現(xiàn)實(shí)世界、允許用戶通過數(shù)字形象進(jìn)行互動(dòng)的虛擬環(huán)境[4]。隨后，1999 年和2018 年上映的電影《黑客帝國》和《頭號(hào)玩家》分別描繪了由AI 控制的名為“Matrix”的虛擬世界和集會(huì)議場(chǎng)所、市場(chǎng)、游戲中心等于一體的“綠洲”世界，形成對(duì)元宇宙的可視化暢想[5]。除此之外，《Roblox》《我的世界》等眾多游戲都搭建了類似元宇宙的虛擬世界。圖1 展示了將上述有代表性的事件組成元宇宙發(fā)展的軸線圖。另外，各國大型科技企業(yè)也都開始在元宇宙相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行布局，表1 展示了幾個(gè)例子。

表1 各國企業(yè)在元宇宙的相關(guān)布局Table 1 Layout of metaverse business of enterprises from various countries

圖1 元宇宙的發(fā)展軸線圖Fig.1 Development timeline diagram of metaverse

在技術(shù)層面，元宇宙技術(shù)可看作是既有信息技術(shù)的集成，包括區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、AI 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，其技術(shù)全景如圖2 所示[6]。其中，5G/6G 網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸能力，端-邊-云協(xié)同計(jì)算的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力都可以為元宇宙的海量數(shù)據(jù)傳輸和處理提供支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層和區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識(shí)機(jī)制、分布式存儲(chǔ)、智能合約等技術(shù)在元宇宙中都會(huì)有涉及。交互技術(shù)可以支持實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互，將人帶入虛擬世界同時(shí)，包括有VR、AR、MR、全息影像等。電子游戲技術(shù)中的游戲引擎、3D 建模、實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可以為虛擬世界的真實(shí)圖像呈現(xiàn)提供技術(shù)支持。機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等人工智能技術(shù)可以提高元宇宙的數(shù)據(jù)分析能力。各項(xiàng)技術(shù)從拓?fù)浯罱ā⑾到y(tǒng)管理、感知體驗(yàn)、功能實(shí)現(xiàn)等方面為元宇宙提供技術(shù)支撐。Ng 等[7]將元宇宙的架構(gòu)劃分為物理層、虛擬層和交互層，物理層由支持元宇宙運(yùn)算、通信和存儲(chǔ)功能的硬件組成；虛擬層提供了一個(gè)平行的生活世界，允許用戶的數(shù)字化身與其他對(duì)象進(jìn)行交互，能夠捕捉并反映現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；交互層則充當(dāng)連接物理層和虛擬層的橋梁，使用戶在現(xiàn)實(shí)世界中上傳的輸入轉(zhuǎn)化為虛擬世界中的具體行動(dòng)。

圖2 元宇宙技術(shù)全景圖[4]Fig.2 Overview plot of metaverse[4]

元宇宙的形成需要經(jīng)歷數(shù)字孿生、數(shù)字原生及虛實(shí)相生（即超現(xiàn)實(shí)）3 個(gè)不同層次的階段[8]。在數(shù)字孿生階段，真實(shí)的物理空間被數(shù)字化，虛擬空間是真實(shí)世界的直接映射，數(shù)字孿生模型可以反映真實(shí)世界的各類特性[9]；在基于數(shù)字孿生技術(shù)所創(chuàng)造的眾多關(guān)聯(lián)或獨(dú)立的數(shù)字化世界中，用戶創(chuàng)造原生內(nèi)容，形成數(shù)字原生，這些內(nèi)容可以依賴于數(shù)字化世界所映射的現(xiàn)實(shí)社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)，也可以脫離于實(shí)際物理世界，完全來自數(shù)字化自定義生態(tài)體系；最終，物理空間與虛擬空間趨向統(tǒng)一，物理空間和虛擬世界可以交互和聯(lián)動(dòng)，一個(gè)自足且可持續(xù)的虛擬世界可以形成，用戶可以在多個(gè)虛擬空間中實(shí)時(shí)體驗(yàn)各類異構(gòu)活動(dòng)[10]。

1.2 元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析

為了更好地了解元宇宙的研究現(xiàn)狀，基于Web of Science（WOS）和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，分析過去20年元宇宙研究的發(fā)展趨勢(shì)。分別將搜索關(guān)鍵詞設(shè)置為“metaverse”和“元宇宙”，搜索了2002-01-01—2022-03-31 之間發(fā)表的文獻(xiàn)。

在WOS 數(shù)據(jù)庫共搜索得到516 篇文獻(xiàn)，從文獻(xiàn)所處于的不同專業(yè)可以看出，計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程和電信是研究元宇宙最多的領(lǐng)域，教育、商業(yè)、藝術(shù)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究（如圖3 所示）。WOS 數(shù)據(jù)庫中的元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖4 所示，可以看出元宇宙在2008 年以前的研究較少，在2008 年至2011 年間出現(xiàn)了一次小高峰，在2021 年的文獻(xiàn)數(shù)量迎來高速增長(zhǎng)，2022 年第一季度的文獻(xiàn)量已達(dá)到2021 年全年的45%。

圖3 WOS 中不同領(lǐng)域的元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量Fig.3 Number of publications of metaverse in different fields from WOS

圖4 WOS 中近20 年文獻(xiàn)數(shù)量整體趨勢(shì)Fig.4 Publication trend in the last 20 years from WOS

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫共搜索到1 436 篇文獻(xiàn)，主要涉及的領(lǐng)域有信息技術(shù)與郵政經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、金融、證券、投資、新聞與傳媒等（如圖5 所示）。中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖6 所示?？梢钥闯鲈?020 年之前，中國有關(guān)元宇宙的研究還很少，2021 年出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，2022 年第一季度發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量已達(dá)2021 年中年的94%。從文獻(xiàn)數(shù)量的角度來看，從2021 年開始，中國對(duì)于元宇宙相關(guān)研究的熱情高漲，從研究行業(yè)來看，元宇宙的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。有關(guān)元宇宙在工程與行業(yè)應(yīng)用方面的研究還很少。

圖5 中國知網(wǎng)中元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量排名前10 的行業(yè)及文獻(xiàn)數(shù)量Fig.5 Top 10 industries and literature published in CNKI

圖6 中國知網(wǎng)中近20 年元宇宙相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量整體趨勢(shì)Fig.6 Publication trend in the last 20 years in CNKI

1.3 元宇宙現(xiàn)有應(yīng)用分析

元宇宙的雛形其實(shí)早已應(yīng)用到生活之中。在教育領(lǐng)域，中國軟件“釘釘”在疫情期間支持了14 萬所學(xué)校、300 萬個(gè)班級(jí)、1.3 億學(xué)生的在線上課[11]，雖然這種線上教學(xué)模式還遠(yuǎn)未達(dá)到元宇宙教學(xué)的效果，但可以看出虛擬教學(xué)模式的巨大潛力。通過元宇宙構(gòu)建虛擬圖書館[12]、云展廳[13]等已成為構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的新模式，同時(shí)它也為虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)的構(gòu)建、教學(xué)的游戲化和個(gè)性化提供了可能[14]。在游戲領(lǐng)域，2006 年出現(xiàn)的美國游戲Roblox[15]在場(chǎng)景里添加了大量的社交活動(dòng)，滿足青少年的日常生活需求，玩家在游戲中通過勞動(dòng)獲得的代幣能夠在現(xiàn)實(shí)世界兌換成現(xiàn)金，初步實(shí)現(xiàn)了元宇宙多用戶參與、虛實(shí)世界融合的概念。社交和游戲的結(jié)合，是元宇宙的一種應(yīng)用形式，也是未來的研究趨勢(shì)之一。在電商領(lǐng)域也出現(xiàn)了元宇宙雛形特征的應(yīng)用，2021 年4 月，3D 版天貓家裝城上線。商家可以在其中搭建屬于自己的3D 購物空間，消費(fèi)者則可以在其中體驗(yàn)“云逛街”。消費(fèi)者進(jìn)入各個(gè)虛擬商城或者電商平臺(tái)，運(yùn)用自己的虛擬形象，在虛擬世界中享有現(xiàn)實(shí)生活的購物體驗(yàn)，并直接進(jìn)行消費(fèi)購物。未來，在虛擬世界里建立自己的交易平臺(tái)或者虛擬商城，形成虛擬世界里的電商平臺(tái)，是另一個(gè)全新世界的巨大的交易空間[16]。由網(wǎng)易公司開發(fā)的平臺(tái)“瑤臺(tái)”[17]、百度公司開發(fā)的平臺(tái)“希壤”[18]等都力圖借助信息技術(shù)為人類打造一個(gè)跨越虛擬與現(xiàn)實(shí)的多人互動(dòng)虛擬世界。除了面向用戶（To C）端的應(yīng)用，元宇宙雛形在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面向企業(yè)（To B）領(lǐng)域也開始顯現(xiàn)[19-21]。在工業(yè)領(lǐng)域，寶馬與Omniverse 共建虛擬工廠，在造車之前預(yù)先打造數(shù)字模型，使位于不同時(shí)區(qū)、不同地點(diǎn)的員工可以隨時(shí)訪問，共同規(guī)劃并優(yōu)化生產(chǎn)流程及工藝，生產(chǎn)效率提升約30%。通信公司愛立信借助Omniverse 平臺(tái)，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行模擬，在虛擬世界中探索獨(dú)特地理環(huán)境及其對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。沃爾沃使用Omniverse 來測(cè)試各種現(xiàn)實(shí)世界無法測(cè)試（或高測(cè)試成本）的項(xiàng)目，大幅縮短測(cè)試時(shí)間。通過元宇宙技術(shù)和理念，可以將娛樂、教育、社交、科研等所有傳統(tǒng)的線下社交模式在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，線上交流因其高度靈活性、規(guī)模性及低成本也促進(jìn)了元宇宙的發(fā)展[22]。

2 建筑業(yè)元宇宙的技術(shù)基礎(chǔ)

元宇宙作為數(shù)字技術(shù)的一種新型表現(xiàn)形式，同時(shí)需要建模與仿真技術(shù)、XR 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支撐。因此，它與傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)擁有類似的屬性，比如，依賴于虛擬模型構(gòu)建、需借助專門設(shè)備進(jìn)入、對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行映射等。而相關(guān)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)已經(jīng)在建筑行業(yè)有所應(yīng)用，也為元宇宙在建筑業(yè)的應(yīng)用提供了可能性和技術(shù)支撐。為了更加清晰地認(rèn)識(shí)元宇宙的技術(shù)特征，分析元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用趨勢(shì)，將元宇宙與其他具有類似特征的建筑信息技術(shù)進(jìn)行了比較分析。

2.1 建模與仿真技術(shù)

針對(duì)復(fù)雜的模型，仿真往往會(huì)建立出物理和幾何特性與物理實(shí)體一致性較高的虛擬模型。并在模型當(dāng)中施加作用，在虛擬空間模擬出物理實(shí)體的可能響應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前利用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體進(jìn)行信息刻畫、模擬與儲(chǔ)存成為了工程中重要的技術(shù)手段[23]。

在建筑行業(yè)，建模與數(shù)字仿真技術(shù)的使用已經(jīng)十分普遍，比如基于有限元仿真的結(jié)構(gòu)性能分析[24]，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析仿真的室內(nèi)外環(huán)境模擬[25]等。BIM 技術(shù)除了可以建立與實(shí)體一致的信息模型之外，也可以實(shí)現(xiàn)施工方案、進(jìn)度、運(yùn)維等方面的仿真。建模和仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)元宇宙建筑虛擬模型建立的基礎(chǔ)技術(shù)，其在建筑業(yè)的普遍應(yīng)用為元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在元宇宙技術(shù)中虛擬模型的建立是一項(xiàng)十分基礎(chǔ)的工作，所以建模與仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用，為元宇宙技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

2.2 拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)

拓展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，XR）技術(shù)是指人通過借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和可穿戴眼鏡、頭盔、屏幕等設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互的沉浸感。目前，主要有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）、增強(qiáng)虛境（Augmented Virtuality，AV）等形式，其功能表現(xiàn)形式如表2 所示。

表2 不同形式拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能表現(xiàn)形式Table 2 Different forms of XR and their functionality

基于數(shù)字化建模技術(shù)構(gòu)建的模型，利用XR 技術(shù)將人帶入其中進(jìn)行體驗(yàn)，在建筑領(lǐng)域的研究已有很多。在建筑施工階段，利用XR 技術(shù)進(jìn)行安全教育與檢查等方面有很好的應(yīng)用[27]。何江等[28]將VR引入到地鐵施工安全教育當(dāng)中，使施工人員可以沉浸式地體驗(yàn)常見的安全事故；韓豫等[29]將BIM 和VR 結(jié)合，設(shè)計(jì)了施工安全知識(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)景漫游體驗(yàn)、安全額能力測(cè)評(píng)等功能。利用XR技術(shù)對(duì)既有建筑進(jìn)行沉浸式展示的優(yōu)勢(shì)在運(yùn)維階段也有很多應(yīng)用。萬飛等[30]將利用VR 將三維建模得到的歷史建筑模型進(jìn)行還原，為歷史建筑的保護(hù)提供了新思路。王宇佳等[31]和張磊等[32]利用VR 進(jìn)行建筑消防危險(xiǎn)的逃生演練，Chen 等[33]提出利用AR 來實(shí)現(xiàn)對(duì)疏散路徑的引導(dǎo)。Alizadehsalehi 等[34]全面回顧了XR 技術(shù)在建筑、工程和建設(shè)（AEC）行業(yè)的應(yīng)用，介紹了由BIM 應(yīng)用于XR 的技術(shù)路線，并認(rèn)為，XR 將給AEC 行業(yè)帶來新的機(jī)遇和工作流程。XR 技術(shù)可以給人帶來沉浸于虛擬世界中的體驗(yàn)，可以為元宇宙的沉浸體驗(yàn)提供重要的“入口”。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生最初由Grieve 在2003 年美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課程上提出[10]。數(shù)字孿生技術(shù)通過在虛擬世界構(gòu)建一個(gè)與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)映射，并通過物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的實(shí)時(shí)交互和迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的性能提升和優(yōu)化[35]。Grieves 最初提出數(shù)字孿生概念時(shí)，提出了數(shù)字孿生三維模型，包括實(shí)體、虛體和二者之間的連接[10]；為了推進(jìn)數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，陶飛等[36]在三維模型的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生五維模型，包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和各組成部分之間的連接，如圖7 和圖8 所示。

圖7 數(shù)字孿生三維概念模型[10]Fig.7 Three-dimension digital twin model[10]

圖8 數(shù)字孿生五維概念模型[36]Fig.8 Five-dimension digital twin model[36]

數(shù)字孿生最初被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[37]，現(xiàn)在越來越多地被應(yīng)用于電力[38]、采礦[39]、醫(yī)療[40]、車輛[41]等民用領(lǐng)域，而且其也越來越受到建筑行業(yè)的關(guān)注[42-43]。目前，雄安新區(qū)、上海等都明確提出要打造數(shù)字孿生城市以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的城市管理[44-45]。劉占省等[46]、Jiang 等[42]都在數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了建筑領(lǐng)域的研究。數(shù)字孿生也被認(rèn)為是建筑業(yè)智能化發(fā)展的重要推動(dòng)技術(shù)[47-48]。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在建筑施工和運(yùn)維階段都有應(yīng)用研究。在施工階段，劉占省等[49]以輪輻式索桁架驗(yàn)證了數(shù)字孿生在施工實(shí)時(shí)反饋與調(diào)控方面的價(jià)值。謝琳琳等[50]借助數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)物理施工系統(tǒng)和虛擬施工系統(tǒng)之間的交互，提高裝配式調(diào)度的自主性、預(yù)測(cè)性和智能性。謝先啟等[51]也認(rèn)為數(shù)字孿生為智能建造提供了新思路和技術(shù)手段。在運(yùn)維階段，劉占省等[52]提出利用物聯(lián)網(wǎng)和BIM 技術(shù)搭建面向運(yùn)維安全管理的冬奧場(chǎng)館建筑的數(shù)字孿生模型，并提出基于實(shí)時(shí)孿生數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)疏散引導(dǎo)方案。張興旺等[12]認(rèn)為數(shù)字孿生有助于圖書館的物理信息深度融合，并提出了數(shù)字孿生圖書館的技術(shù)框架，并將其運(yùn)用到雄安圖書館的建設(shè)當(dāng)中。Lu 等[53]通過構(gòu)建BIM和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合構(gòu)建既有建筑的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑資產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和智能化運(yùn)維管理，并以離心泵為例，實(shí)現(xiàn)了故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)。建筑數(shù)字孿生技術(shù)針對(duì)物理工程對(duì)象構(gòu)建了虛擬模型，同時(shí)建立了虛實(shí)之間的聯(lián)系。數(shù)字孿生技術(shù)的重點(diǎn)是在虛擬世界中建立與現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體，并借助對(duì)虛擬數(shù)字實(shí)體的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的提升。從這一點(diǎn)看，它是元宇宙借助虛擬世界影響提升現(xiàn)實(shí)世界，賦能建筑行業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 既有信息技術(shù)對(duì)建筑業(yè)元宇宙的支撐

與前面提到技術(shù)相似的是，元宇宙也涉及現(xiàn)實(shí)與虛擬世界。為了更加清晰地說明元宇宙中虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的關(guān)系，Smart 等[54]提出了元宇宙的劃分，如圖9 所示。該劃分選擇了兩個(gè)可能影響元宇宙展開方式的關(guān)鍵連續(xù)體：橫線軸線為從內(nèi)部（以身份為中心）到外部（以世界為中心）的技術(shù)和應(yīng)用范圍，縱向軸線為從增強(qiáng)到模擬的技術(shù)和應(yīng)用范圍。

圖9 元宇宙的劃分[54]Fig.9 The division of metaverse[54]

雖然元宇宙也涉及虛擬世界或者虛擬實(shí)體，但是其實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)交互效果遠(yuǎn)高于其他單一信息技術(shù)的實(shí)現(xiàn)水平。表3 總結(jié)了既有數(shù)字技術(shù)的功能特點(diǎn)和元宇宙技術(shù)的功能要求。其中，數(shù)字建模和仿真技術(shù)只構(gòu)建了虛擬實(shí)體，并不涉及與物理實(shí)體的連接與互動(dòng)，并且虛擬實(shí)體只存在于數(shù)字世界當(dāng)中。人主要在建模過程中扮演主要角色，但是在仿真過程中不需要人的干預(yù)，人主要處于輔助地位。XR 技術(shù)只構(gòu)建了虛擬實(shí)體，虛擬實(shí)體更多只存在于虛擬世界，并不存在與虛擬實(shí)體對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體。雖然可以實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界在同一畫面出現(xiàn)，且虛擬世界可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界的畫面產(chǎn)生調(diào)整，但是虛擬世界并不能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生影響，所以其虛實(shí)之間的連接是單向的。XR 技術(shù)的應(yīng)用主要以人的體驗(yàn)為中心，所以人的感受是XR技術(shù)的重點(diǎn)。

表3 元宇宙技術(shù)的目標(biāo)要求與其他數(shù)字技術(shù)的功能特點(diǎn)Table 3 Functionality of metaverse and other existing digital technology

數(shù)字孿生構(gòu)建虛擬實(shí)體的目的是借助虛擬實(shí)體以控制和提升物理實(shí)體，其虛擬實(shí)體可以隨物理實(shí)體的狀態(tài)變化而變化，但是虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)獨(dú)立，并不能同時(shí)出現(xiàn)在同一畫面當(dāng)中，人也無法沉浸于虛擬世界中。數(shù)字孿生的服務(wù)主要體現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)體的控制上，人也處于整個(gè)系統(tǒng)的輔助地位。元宇宙并不單需要虛擬世界，而是需要虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的交流互動(dòng)。它是針對(duì)人類社會(huì)構(gòu)建一個(gè)平行于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬世界，其主要服務(wù)對(duì)象是人。所以在元宇宙當(dāng)中，人處于核心地位。

從上面的分析和比較可以看出，與數(shù)字孿生等技術(shù)只針對(duì)某些特定對(duì)象和功能不同，元宇宙的目標(biāo)更加復(fù)雜和宏大，所以其需要更加強(qiáng)大的技術(shù)支持。而且數(shù)字建模與仿真、XR 技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)可以發(fā)揮其各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)支撐元宇宙的構(gòu)建。數(shù)字建模和仿真技術(shù)為元宇宙的虛擬實(shí)體建立和響應(yīng)分析提供支撐，例如，建筑業(yè)中形成BIM 模型，基于掃描等技術(shù)構(gòu)建的三維模型都可以為元宇宙提供模型構(gòu)建素材。XR 技術(shù)可以提高沉浸式的體驗(yàn)和虛實(shí)疊加的展示效果，人們通過XR 技術(shù)進(jìn)入元宇宙的空間中去，XR 為人沉浸式進(jìn)入元宇宙提供支持。數(shù)字孿生的技術(shù)可以發(fā)揮其對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的控制優(yōu)勢(shì)，可以為元宇宙達(dá)到虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的交互提供技術(shù)支撐。它們?cè)诮ㄖ袠I(yè)內(nèi)應(yīng)用的不斷成熟和融合應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了可能。

3 元宇宙在建筑領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

諸多技術(shù)發(fā)展的逐漸成熟支持了元宇宙概念的出現(xiàn)。同樣，隨著越來越多的信息技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，元宇宙在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景也漸漸清晰。一方面，元宇宙作為多種既有信息技術(shù)的集成，在建筑行業(yè)其他數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，元宇宙會(huì)以更先進(jìn)的形態(tài)賦能現(xiàn)實(shí)建筑行業(yè)的發(fā)展。另一方面，元宇宙可以創(chuàng)造一個(gè)虛擬世界，在新的空間里創(chuàng)造新的需求，虛擬世界中的建筑行業(yè)也有興起的可能。

3.1 元宇宙賦能現(xiàn)實(shí)建筑行業(yè)

3.1.1 交互式設(shè)計(jì)模式

在設(shè)計(jì)階段，元宇宙可以提供一個(gè)在虛擬世界交流的空間，同時(shí)搭建虛擬設(shè)計(jì)方案模型，將各利益相關(guān)方集中在虛擬空間當(dāng)中，面對(duì)未來的設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行共同討論，突破溝通的空間限制[55]，同時(shí)降低溝通的專業(yè)門檻。在城市建設(shè)過程中，Kent等[56-57]通過建立虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，并將該平臺(tái)帶入到設(shè)計(jì)階段，借助XR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市設(shè)計(jì)的可視化和分析，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行推演和完善，讓市民可以參與城市的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。這種基于虛擬世界使用戶參與的建筑設(shè)計(jì)與社群搭建方式已在圖書館[58]、校園[59]、居民活動(dòng)中心[60]、地下工程[61]等一些現(xiàn)實(shí)案例中使用，且其被證實(shí)是建筑全生命周期良好運(yùn)營的有效保障。

3.1.2 施工模擬技術(shù)

在施工階段，元宇宙可以提供現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中難于提供的場(chǎng)景幫助人沉浸式體驗(yàn)和交流。這一優(yōu)勢(shì)在施工模擬技術(shù)方面有較大潛力。

目前，利用虛擬模型對(duì)施工過程進(jìn)行預(yù)演和模擬的研究也有很多。在施工管理方面，借助BIM 技術(shù)對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行了虛擬化施工模擬，實(shí)現(xiàn)了施工監(jiān)測(cè)可視化展示、施工進(jìn)度和工藝模擬等功能的應(yīng)用有很多[62-63]。同時(shí)，XR 技術(shù)的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)沉浸式的體驗(yàn)形式[27,64]，尤其在沉浸式施工安全教育方面，XR 技術(shù)的應(yīng)用廣泛[28]。目前，借助XR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)一般只支持單人的體驗(yàn)，但是在元宇宙中搭建的虛擬施工場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)作。因此，元宇宙技術(shù)的出現(xiàn)除了可以在XR 技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造更加沉浸的體驗(yàn)，還在實(shí)現(xiàn)多方合作、異地協(xié)同等功能方面有較大潛力。為了解決目前安全培訓(xùn)枯燥單調(diào)、重“演”輕“練”的問題，郭泱泱[65]對(duì)元宇宙技術(shù)在煤礦及礦山安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練方面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究，并認(rèn)為雖然元宇宙在技術(shù)和設(shè)備上有很多不足，但它可以為提供新的培訓(xùn)和演練途徑。

對(duì)于復(fù)雜工程施工，元宇宙技術(shù)也可以發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。比如，某項(xiàng)目中設(shè)計(jì)師提出了動(dòng)態(tài)可變圖案幕墻方案，幕墻圖案會(huì)根據(jù)觀察者位置和風(fēng)向光照變化而變化。該幕墻由大量顏色形式各異的鱗片通過特定排布構(gòu)成。要完成該幕墻的安裝實(shí)現(xiàn)，對(duì)于每一鱗片施工定位要求極高，需要結(jié)合不同的環(huán)境狀態(tài)和人員觀感進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和優(yōu)化。項(xiàng)目采用元宇宙技術(shù)，在虛擬和實(shí)體幕墻龍骨組合空間中，模擬不同人員視角及光照和風(fēng)向狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整鱗片位置，確定每片鱗片最佳施工定位，從而幫助工人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幕墻結(jié)構(gòu)的快速和精準(zhǔn)安裝。

3.1.3 虛擬空間功能拓展與運(yùn)營維護(hù)

在運(yùn)維階段，元宇宙可以拓展現(xiàn)實(shí)建筑物的功能活動(dòng)空間。通過構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)建筑一致的虛擬建筑，并開放給用戶在虛擬空間中活動(dòng)，可以豐富既有建筑的體驗(yàn)，為建筑的運(yùn)營模式帶來新的拓展空間。

目前，圖書館的運(yùn)營正在朝著此方向發(fā)展。為了豐富讀者的閱讀體驗(yàn)，推進(jìn)圖書館信息建設(shè)。楊新涯等[66]認(rèn)為圖書館行業(yè)可以利用元宇宙構(gòu)建虛擬空間的服務(wù)體系，以解決實(shí)體空間緊張，知識(shí)服務(wù)和情報(bào)服務(wù)不足等問題，并提出了相關(guān)技術(shù)的探索方向。郭亞軍等[67]基于對(duì)美國TOP100 的圖書館VR/AR 的應(yīng)用情況的調(diào)查分析，提出了中國圖書館建設(shè)建議，其中借助虛擬仿真搭建元宇宙賦能虛擬圖書館建設(shè)是重要的內(nèi)容。陳定權(quán)等[68]通過分析和討論，并認(rèn)為元宇宙技術(shù)對(duì)于解決目前圖書館存在的“資源沉睡”“模式單一”等問題具有啟發(fā)意義。

再如，在歷史建筑的運(yùn)營管理方面，也有這樣的趨勢(shì)。目前，主流的文化遺產(chǎn)虛擬模型往往被簡(jiǎn)化為特定場(chǎng)景下的2D 視圖，使得構(gòu)筑物或文物的大量交互與三維信息丟失。這些虛擬遺產(chǎn)缺乏生機(jī)與背景，缺乏有效反饋機(jī)制與導(dǎo)航，缺乏人物、天氣、時(shí)間等動(dòng)態(tài)元素，瀏覽仍屬于被動(dòng)觀察者模式的有限探尋[69]。然而，VR 技術(shù)已在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于多項(xiàng)文化遺產(chǎn)與文物的展示宣傳（如圖10 所示），在希臘Simonos Petra 修道院[70]與埃及法老陵墓[71]的XR 空間體驗(yàn)項(xiàng)目中，建筑內(nèi)部空間的靜態(tài)數(shù)字孿生模型和人類在物理及虛擬空間中的行走動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共同組成了交互式沉浸體驗(yàn)（如圖11 所示）。元宇宙技術(shù)支持的多人同時(shí)沉浸的社交模式可以使虛擬的歷史建筑空間成為多人互動(dòng)的虛擬交流空間，將會(huì)使歷史建筑的運(yùn)營產(chǎn)生更好效果。

圖10 故宮VR 模型（來源：故宮博物院官網(wǎng)）Fig.10 VR model of Forbidden City (Source: Website of the Palace Museum)

圖11 XR 中靜動(dòng)態(tài)3D 數(shù)據(jù)融合[70]Fig.11 Combination of static and dynamic 3D data in XR[70]

3.1.4 基于虛擬空間的建筑業(yè)交易

在文獻(xiàn)[72]展示的案例中，構(gòu)建了一個(gè)虛擬房產(chǎn)平臺(tái)，其去中心化框架支持用戶通過代幣購買虛擬房產(chǎn)與土地并通過開發(fā)、租賃、拍賣等交易手段獲取利潤。虛擬世界的用戶也擁有現(xiàn)實(shí)世界資產(chǎn)，元宇宙為虛擬經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)的相互交織提供了可能，AI 和區(qū)塊鏈技術(shù)正在加速這種關(guān)系的發(fā)展[22]。此外，在元宇宙中與現(xiàn)實(shí)世界高度相似的虛擬世界亦可以作為一個(gè)城市規(guī)劃與房產(chǎn)開發(fā)市場(chǎng)的評(píng)估沙箱，在現(xiàn)實(shí)世界中的經(jīng)濟(jì)政策實(shí)施之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，從而指導(dǎo)城市規(guī)劃與相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局。

3.2 元宇宙催生的虛擬建筑業(yè)態(tài)

隨著元宇宙概念的提出，人的活動(dòng)空間得到了拓展，為虛擬空間中的活動(dòng)搭建虛擬建筑或?qū)⒊蔀榻ㄖ袠I(yè)的一項(xiàng)新任務(wù)。目前來看，虛擬活動(dòng)空間中的建筑主要包含有與現(xiàn)實(shí)建筑映射對(duì)應(yīng)的虛擬建筑和僅存在于虛擬空間中的完全虛擬建筑。

構(gòu)建虛擬活動(dòng)空間中與現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)應(yīng)的虛擬建筑是搭建元宇宙的重要工作之一。隨著數(shù)字孿生概念的興起，越來越多的研究開始關(guān)注于對(duì)既有建筑進(jìn)行逆向建模，為了快速獲取現(xiàn)實(shí)世界中的三維數(shù)據(jù)，便于快速精準(zhǔn)建模，激光掃描、傾斜攝影等方法也被應(yīng)用于建筑行業(yè)中[73-74]。這些研究和實(shí)踐無疑可以為在元宇宙當(dāng)中搭建數(shù)與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)的虛擬建筑的基礎(chǔ)工作。基于此，何文景等[75]提出利用深度學(xué)習(xí)處理既有建筑的3D 點(diǎn)云模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的BIM 模型建立的方法。Lee 等[76]進(jìn)行了基于聚類的平面分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和3D 點(diǎn)云進(jìn)行了城市場(chǎng)景建模。魯力立等[13]在線上還原了現(xiàn)實(shí)世界中的展廳，以實(shí)現(xiàn)基于元宇宙視角下的線上與線下混合式教學(xué)模式，打破“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”之間的壁壘。

另一方面，在虛擬世界建立完全虛擬的建筑也是元宇宙中的一項(xiàng)重要工作。為了提高虛擬建筑的真實(shí)體驗(yàn)感，建筑設(shè)計(jì)的合理性是重要的研究?jī)?nèi)容。Hassouneh 等[77]通過研究調(diào)查第二人生（second life）中不同虛擬商店的氛圍，提出虛擬商店的分類和構(gòu)成虛擬商店的氣氛組成要素，為未來元宇宙零售的研究提供指導(dǎo)框架。Ayiter[78]在元宇宙中重新創(chuàng)造了建筑師El Lissitzkv 設(shè)計(jì)的名為“Proun #5A”的建筑，并提出通過想象或者非物質(zhì)的棲息地設(shè)計(jì)來探索新的空間。

另外，除了依賴于人的設(shè)計(jì)，元宇宙中虛擬空間的批量化創(chuàng)造與處理更多地依賴于深度學(xué)習(xí)與元學(xué)習(xí)的發(fā)展與應(yīng)用。在通用自主深度學(xué)習(xí)數(shù)字孿生框架下，元宇宙及物理世界中的歷史數(shù)據(jù)在訓(xùn)練階段被融合以供深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和測(cè)試，并在結(jié)果滿足要求條件下自主獲取知識(shí)。同時(shí)，元宇宙及物理世界中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在實(shí)現(xiàn)階段被融合用于模型的實(shí)時(shí)推斷。目前，深度學(xué)習(xí)在自動(dòng)化建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域已取得了一定突破[79-81]，虛擬世界中基于大數(shù)據(jù)與用戶群個(gè)性化需求的居住空間智能設(shè)計(jì)已成可能。總而言之，在元宇宙中，數(shù)字內(nèi)容的創(chuàng)造將讓位于用戶群體并進(jìn)一步延伸至智能算法協(xié)作領(lǐng)域，而不是少數(shù)的專業(yè)設(shè)計(jì)師[82]，即實(shí)現(xiàn)人類用戶和AI在元宇宙中的共建。

除此之外，虛擬世界當(dāng)中的活動(dòng)空間也會(huì)同現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中的地產(chǎn)一樣，有被當(dāng)作一種數(shù)字資產(chǎn)的形式進(jìn)行交易的可能[83]，形成元宇宙中的“房地產(chǎn)”產(chǎn)業(yè)。

4 元宇宙帶來的潛在問題和挑戰(zhàn)

作為一種新的技術(shù)形式，元宇宙也可能帶來一些潛在的問題和新的挑戰(zhàn)。由于其在虛擬世界中的深度沉浸式及超越物理規(guī)律限制的體驗(yàn)感，可能導(dǎo)致人的過度沉迷和超越約束，甚至對(duì)人的精神健康和社會(huì)正常交往造成危害。另外，元宇宙使虛擬化空間體驗(yàn)極大豐富，也會(huì)在建筑業(yè)中催生新的虛擬產(chǎn)業(yè)模式，但在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)注意避免“脫實(shí)向虛”的發(fā)展[68]。虛擬空間的“房地產(chǎn)”炒作也可能帶來新的金融泡沫風(fēng)險(xiǎn)[84]。未來，在元宇宙構(gòu)建的虛擬世界中，人和人、人和機(jī)、人和物之間會(huì)形成新的關(guān)系模式，例如虛擬婚姻、虛假身份信息等都會(huì)為道德法律及倫理帶來新的挑戰(zhàn)[85]。

在技術(shù)上，目前的技術(shù)還難以完全支持理想中的元宇宙世界。在建筑行業(yè)中，逆向和自動(dòng)化建模技術(shù)還有待成熟，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中建筑物的實(shí)時(shí)虛擬化復(fù)刻還需要付出大量努力以及實(shí)質(zhì)性技術(shù)提升。另外，XR 設(shè)備還不夠便攜，使用不便，長(zhǎng)時(shí)間的沉浸體驗(yàn)也會(huì)引起身體上的不適。虛擬世界的穩(wěn)定性也對(duì)元宇宙的每一種支持技術(shù)提出了更高的要求。因此，雖然目前的信息技術(shù)有向元宇宙延展的趨勢(shì)，但是理想元宇宙在建筑業(yè)中的實(shí)現(xiàn)還面臨著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，還有很長(zhǎng)的路要走。

5 結(jié)論與展望

元宇宙概念在2021 年迎來一次爆發(fā)期，元宇宙與多種產(chǎn)業(yè)形態(tài)聯(lián)系起來，不同行業(yè)基于各自角度對(duì)元宇宙的呈現(xiàn)方式提出了各自的解讀。但是，由于諸多底層技術(shù)缺乏成熟研究基礎(chǔ)，距離元宇宙的成熟應(yīng)用還有很大的探索空間。

1）元宇宙的出現(xiàn)，會(huì)同其他信息技術(shù)一樣，賦能建筑行業(yè)，為建筑行業(yè)帶來生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變和全新的發(fā)展機(jī)會(huì)。另一方面，與其他技術(shù)不同的是，元宇宙搭建的虛擬空間還有催生出與現(xiàn)實(shí)建筑業(yè)相對(duì)應(yīng)的新產(chǎn)業(yè)潛力。

2）從技術(shù)上看，元宇宙在建筑業(yè)的發(fā)展依賴于建模與仿真、XR、數(shù)字孿生等信息技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展應(yīng)用，同時(shí)也集成和發(fā)展了其他數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。目前這些信息技術(shù)在建筑業(yè)內(nèi)的出現(xiàn)和應(yīng)用常常以單體形式呈現(xiàn)。元宇宙的出現(xiàn)為未來各種技術(shù)在建筑業(yè)內(nèi)的融合發(fā)展應(yīng)用提供了方向，以支撐和推動(dòng)建筑業(yè)元宇宙技術(shù)實(shí)現(xiàn)為趨勢(shì)，形成一個(gè)更交互、更耦合、更整體的系統(tǒng)。

3）從建筑行業(yè)的應(yīng)用上看，元宇宙會(huì)以更加先進(jìn)的技術(shù)形態(tài)賦能建筑業(yè)，在建筑業(yè)的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維和地產(chǎn)交易等多方面都有應(yīng)用潛力。同時(shí)，它也可以催生如虛擬建筑構(gòu)建、虛擬地產(chǎn)交易等新的建筑業(yè)形態(tài)，創(chuàng)造新的需求。

4）元宇宙作為一種新技術(shù)，為建筑業(yè)帶來發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也存在如由虛擬地產(chǎn)帶來的金融風(fēng)險(xiǎn)、過度沉迷帶來的健康問題，以及“脫實(shí)向虛”的不良趨勢(shì)等多方面的隱患和問題，其發(fā)展帶來的風(fēng)險(xiǎn)同樣需要人們的關(guān)注，有必要正確引導(dǎo)這一新技術(shù)的發(fā)展。

致謝：感謝西南交通大學(xué)潘毅教授提出的寶貴建議，感謝中節(jié)能（湖州）科技城投資建設(shè)發(fā)展有限公司的資助。