元宇宙技術發展綜述及其在建筑領域的應用展望

楊健　張安山　龐博　張凱　鮑朱杰　李佳潼　王斐亮

摘要：新冠疫情的暴發使得人們的活動越來越多地向線上轉移，元宇宙概念熱潮的出現使得基于虛擬數字世界的生產生活模式越來越多地受到人們關注。目前，元宇宙概念已經在教育、商業、工業等領域有所應用。隨著建筑信息化、數字化技術的廣泛應用，建筑行業智能化水平不斷提高，虛擬數字技術在建筑行業發展中扮演著越來越重要的角色。對元宇宙概念的最新發展和應用進行介紹，重點闡述元宇宙與建筑信息化技術的關系以及元宇宙在建筑領域的潛在應用。分析結果表明，元宇宙的發展依賴于拓展現實、數字孿生、區塊鏈等既有數字化技術的集成，作為一種新技術，元宇宙將為建筑領域的生產方式帶來新的改變，也可能催生新的產業模式。

關鍵詞：元宇宙；建筑；拓展現實；數字孿生；仿真技術

中圖分類號：TU17? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：2096-6717（2024）01-0033-13

A review of metaverse development and its application prospect in building construction

YANG Jian， ZHANG Anshan， PANG Bo， ZHANG Kai， BAO Zhujie， LI Jiatong， WANG Feiliang

（Shanghai Key Laboratory for Digital Maintenance of Buildings and Infrastructure； School of Naval Architecture， Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， P. R. China）

Abstract： As a result of the COVID-19 pandemic， a growing number of activities are moving online. With the introduction of the metaverse concept， virtual digital technology has entered the day-to-day life and industrial activities. To date， the applications of metaverse can be found in the education， commercial and industrial sectors. The intelligence level of the construction industry is constantly rising due to the wide and in-depth building information technology. Virtual digital technology is playing a vital role in accelerating the development of the construction industry. This paper introduces the state-of-the-art of the metaverse concept， the interdeperndency between the metaverse and the existing building information technologies. The potential applications of the metaverse in the field of building construction have also been discussed. Findings indicate that the development of a metaverse depends on the integration of existing digital technology such as extended reality， digital twin and blockchain. Metaverse will render significant changes to the production modes in the field of architecture and construction as a new technology， and it may also create new business models.

Keywords： metaverse； building construction； extended reality； digital twin； simulation technology

元宇宙（Metaverse）是以5G通信、邊緣計算、數字孿生、人工智能（AI）、區塊鏈、拓展現實技術[1]為支撐，具有沉浸感、交互性、隨時隨地、低延遲特征[2]，融合現實世界的經濟、社交、娛樂活動，允許多用戶參與創建的基于現實物理世界的虛擬環境。隨著網絡空間的爆炸式增長與擴展現實設備的快速發展，尤其是新冠疫情影響下的“生活線上化”趨勢，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、騰訊及字節跳動等商業巨頭對元宇宙構想的推廣，元宇宙概念在科技、游戲、教育、商業以及社交等領域巨大的發展潛力吸引了眾多關注。目前，雖然人們對元宇宙的爭論還在進行，但其相關技術的發展必定會對人們的生產生活產生一定影響。

另一方面，越來越多的信息和數字技術在建筑行業得到關注和應用。大數據、人工智能、物聯網、拓展現實、3D掃描、機器人、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等技術為建筑行業的升級和發展提供了重要技術支撐，隨之而產生的智能化建造技術也在業界取得了長足的進步[3]。元宇宙作為一種以多種信息技術為支撐的新型技術形式，其出現將為建筑產業的升級和發展提供新的想象空間。筆者通過回顧元宇宙的發展歷程，并與建筑行業既有信息技術進行比較，分析元宇宙的技術基礎和技術特征；結合目前相關信息技術在建筑行業的應用現狀，對元宇宙在建筑行業的潛在應用進行展望。

1 元宇宙發展概述

1.1 元宇宙技術的發展現狀

“Metaverse”一詞首先出現在科幻小說《雪崩》中，其被描述為平行于現實世界、允許用戶通過數字形象進行互動的虛擬環境[4]。隨后，1999年和2018年上映的電影《黑客帝國》和《頭號玩家》分別描繪了由AI控制的名為“Matrix”的虛擬世界和集會議場所、市場、游戲中心等于一體的“綠洲”世界，形成對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展的軸線圖。另外，各國大型科技企業也都開始在元宇宙相關領域進行布局，表1展示了幾個例子。

在技術層面，元宇宙技術可看作是既有信息技術的集成，包括區塊鏈技術、交互技術、電子游戲技術、AI技術、網絡及運算技術、物聯網技術等，其技術全景如圖2所示[6]。其中，5G/6G網絡的高速傳輸能力，端-邊-云協同計算的強大數據處理能力都可以為元宇宙的海量數據傳輸和處理提供支持。物聯網技術中的感知層、網絡層和應用層和區塊鏈技術中的共識機制、分布式存儲、智能合約等技術在元宇宙中都會有涉及。交互技術可以支持實現虛實交互，將人帶入虛擬世界同時，包括有VR、AR、MR、全息影像等。電子游戲技術中的游戲引擎、3D建模、實時渲染技術可以為虛擬世界的真實圖像呈現提供技術支持。機器學習、計算機視覺、自然語言處理等人工智能技術可以提高元宇宙的數據分析能力。各項技術從拓撲搭建、系統管理、感知體驗、功能實現等方面為元宇宙提供技術支撐。Ng等[7]將元宇宙的架構劃分為物理層、虛擬層和交互層，物理層由支持元宇宙運算、通信和存儲功能的硬件組成；虛擬層提供了一個平行的生活世界，允許用戶的數字化身與其他對象進行交互，能夠捕捉并反映現實世界的實時數據；交互層則充當連接物理層和虛擬層的橋梁，使用戶在現實世界中上傳的輸入轉化為虛擬世界中的具體行動。

元宇宙的形成需要經歷數字孿生、數字原生及虛實相生（即超現實）3個不同層次的階段[8]。在數字孿生階段，真實的物理空間被數字化，虛擬空間是真實世界的直接映射，數字孿生模型可以反映真實世界的各類特性[9]；在基于數字孿生技術所創造的眾多關聯或獨立的數字化世界中，用戶創造原生內容，形成數字原生，這些內容可以依賴于數字化世界所映射的現實社會生態系統，也可以脫離于實際物理世界，完全來自數字化自定義生態體系；最終，物理空間與虛擬空間趨向統一，物理空間和虛擬世界可以交互和聯動，一個自足且可持續的虛擬世界可以形成，用戶可以在多個虛擬空間中實時體驗各類異構活動[10]。

1.2 元宇宙相關文獻統計分析

為了更好地了解元宇宙的研究現狀，基于Web of Science（WOS）和中國知網數據庫，分析過去20年元宇宙研究的發展趨勢。分別將搜索關鍵詞設置為“metaverse”和“元宇宙”，搜索了2002-01-01—2022-03-31之間發表的文獻。

在WOS數據庫共搜索得到516篇文獻，從文獻所處于的不同專業可以看出，計算機科學、工程和電信是研究元宇宙最多的領域，教育、商業、藝術等領域也有相關的研究（如圖3所示）。WOS數據庫中的元宇宙相關文獻的數量統計如圖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年間出現了一次小高峰，在2021年的文獻數量迎來高速增長，2022年第一季度的文獻量已達到2021年全年的45%。

在中國知網數據庫共搜索到1 436篇文獻，主要涉及的領域有信息技術與郵政經濟、計算機軟件、計算機應用、金融、證券、投資、新聞與傳媒等（如圖5所示）。中國知網數據庫中的元宇宙相關文獻的數量統計如圖6所示?？梢钥闯鲈?020年之前，中國有關元宇宙的研究還很少，2021年出現爆發式增長，2022年第一季度發表的文獻數量已達2021年中年的94%。從文獻數量的角度來看，從2021年開始，中國對于元宇宙相關研究的熱情高漲，從研究行業來看，元宇宙的研究主要集中在經濟和計算機領域。有關元宇宙在工程與行業應用方面的研究還很少。

1.3 元宇宙現有應用分析

元宇宙的雛形其實早已應用到生活之中。在教育領域，中國軟件“釘釘”在疫情期間支持了14萬所學校、300萬個班級、1.3億學生的在線上課[11]，雖然這種線上教學模式還遠未達到元宇宙教學的效果，但可以看出虛擬教學模式的巨大潛力。通過元宇宙構建虛擬圖書館[12]、云展廳[13]等已成為構建虛擬學習環境的新模式，同時它也為虛擬學習社區的構建、教學的游戲化和個性化提供了可能[14]。在游戲領域，2006年出現的美國游戲Roblox[15]在場景里添加了大量的社交活動，滿足青少年的日常生活需求，玩家在游戲中通過勞動獲得的代幣能夠在現實世界兌換成現金，初步實現了元宇宙多用戶參與、虛實世界融合的概念。社交和游戲的結合，是元宇宙的一種應用形式，也是未來的研究趨勢之一。在電商領域也出現了元宇宙雛形特征的應用，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，消費者則可以在其中體驗“云逛街”。消費者進入各個虛擬商城或者電商平臺，運用自己的虛擬形象，在虛擬世界中享有現實生活的購物體驗，并直接進行消費購物。未來，在虛擬世界里建立自己的交易平臺或者虛擬商城，形成虛擬世界里的電商平臺，是另一個全新世界的巨大的交易空間[16]。由網易公司開發的平臺“瑤臺”[17]、百度公司開發的平臺“希壤”[18]等都力圖借助信息技術為人類打造一個跨越虛擬與現實的多人互動虛擬世界。除了面向用戶（To C）端的應用，元宇宙雛形在工業互聯網面向企業（To B）領域也開始顯現[19-21]。在工業領域，寶馬與Omniverse共建虛擬工廠，在造車之前預先打造數字模型，使位于不同時區、不同地點的員工可以隨時訪問，共同規劃并優化生產流程及工藝，生產效率提升約30%。通信公司愛立信借助Omniverse平臺，對5G網絡架構進行模擬，在虛擬世界中探索獨特地理環境及其對無線網絡性能的影響。沃爾沃使用Omniverse來測試各種現實世界無法測試（或高測試成本）的項目，大幅縮短測試時間。通過元宇宙技術和理念，可以將娛樂、教育、社交、科研等所有傳統的線下社交模式在網上實現，線上交流因其高度靈活性、規模性及低成本也促進了元宇宙的發展[22]。

2 建筑業元宇宙的技術基礎

元宇宙作為數字技術的一種新型表現形式，同時需要建模與仿真技術、XR技術、物聯網等技術的支撐。因此，它與傳統數字化技術擁有類似的屬性，比如，依賴于虛擬模型構建、需借助專門設備進入、對現實世界進行映射等。而相關的基礎支撐技術已經在建筑行業有所應用，也為元宇宙在建筑業的應用提供了可能性和技術支撐。為了更加清晰地認識元宇宙的技術特征，分析元宇宙在建筑行業的應用趨勢，將元宇宙與其他具有類似特征的建筑信息技術進行了比較分析。

2.1 建模與仿真技術

針對復雜的模型，仿真往往會建立出物理和幾何特性與物理實體一致性較高的虛擬模型。并在模型當中施加作用，在虛擬空間模擬出物理實體的可能響應。隨著計算機技術的不斷發展，目前利用計算機對現實物理實體進行信息刻畫、模擬與儲存成為了工程中重要的技術手段[23]。

在建筑行業，建模與數字仿真技術的使用已經十分普遍，比如基于有限元仿真的結構性能分析[24]，基于計算流體動力學分析仿真的室內外環境模擬[25]等。BIM技術除了可以建立與實體一致的信息模型之外，也可以實現施工方案、進度、運維等方面的仿真。建模和仿真技術是實現元宇宙建筑虛擬模型建立的基礎技術，其在建筑業的普遍應用為元宇宙在建筑行業的應用奠定基礎。在元宇宙技術中虛擬模型的建立是一項十分基礎的工作，所以建模與仿真技術的成熟應用，為元宇宙技術在建筑行業中的應用提供了重要基礎。

2.2 拓展現實技術

拓展現實（Extended Reality，XR）技術是指人通過借助計算機技術和可穿戴眼鏡、頭盔、屏幕等設備實現虛實結合、人機交互的沉浸感。目前，主要有增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、混合現實（Mixed Reality，MR）、增強虛境（Augmented Virtuality，AV）等形式，其功能表現形式如表2所示。

基于數字化建模技術構建的模型，利用XR技術將人帶入其中進行體驗，在建筑領域的研究已有很多。在建筑施工階段，利用XR技術進行安全教育與檢查等方面有很好的應用[27]。何江等[28]將VR引入到地鐵施工安全教育當中，使施工人員可以沉浸式地體驗常見的安全事故；韓豫等[29]將BIM和VR結合，設計了施工安全知識學習系統，實現危險場景漫游體驗、安全額能力測評等功能。利用XR技術對既有建筑進行沉浸式展示的優勢在運維階段也有很多應用。萬飛等[30]將利用VR將三維建模得到的歷史建筑模型進行還原，為歷史建筑的保護提供了新思路。王宇佳等[31]和張磊等[32]利用VR進行建筑消防危險的逃生演練，Chen等[33]提出利用AR來實現對疏散路徑的引導。Alizadehsalehi等[34]全面回顧了XR技術在建筑、工程和建設（AEC）行業的應用，介紹了由BIM應用于XR的技術路線，并認為，XR將給AEC行業帶來新的機遇和工作流程。XR技術可以給人帶來沉浸于虛擬世界中的體驗，可以為元宇宙的沉浸體驗提供重要的“入口”。

2.3 數字孿生技術

數字孿生最初由Grieve在2003年美國密歇根大學產品生命周期管理課程上提出[10]。數字孿生技術通過在虛擬世界構建一個與物理實體相對應的虛擬實體實現對現實物理實體的實時映射，并通過物理實體和虛擬實體的實時交互和迭代實現對現實物理實體的性能提升和優化[35]。Grieves最初提出數字孿生概念時，提出了數字孿生三維模型，包括實體、虛體和二者之間的連接[10]；為了推進數字孿生在各行業的應用和發展，陶飛等[36]在三維模型的基礎上提出了數字孿生五維模型，包括物理實體、虛擬實體、孿生服務、孿生數據和各組成部分之間的連接，如圖7和圖8所示。

數字孿生最初被應用于航空航天領域[37]，現在越來越多地被應用于電力[38]、采礦[39]、醫療[40]、車輛[41]等民用領域，而且其也越來越受到建筑行業的關注[42-43]。目前，雄安新區、上海等都明確提出要打造數字孿生城市以實現現代化的城市管理[44-45]。劉占省等[46]、Jiang等[42]都在數字孿生五維模型的基礎上進行了建筑領域的研究。數字孿生也被認為是建筑業智能化發展的重要推動技術[47-48]。目前，數字孿生技術在建筑施工和運維階段都有應用研究。在施工階段，劉占省等[49]以輪輻式索桁架驗證了數字孿生在施工實時反饋與調控方面的價值。謝琳琳等[50]借助數字孿生實現物理施工系統和虛擬施工系統之間的交互，提高裝配式調度的自主性、預測性和智能性。謝先啟等[51]也認為數字孿生為智能建造提供了新思路和技術手段。在運維階段，劉占省等[52]提出利用物聯網和BIM技術搭建面向運維安全管理的冬奧場館建筑的數字孿生模型，并提出基于實時孿生數據的動態疏散引導方案。張興旺等[12]認為數字孿生有助于圖書館的物理信息深度融合，并提出了數字孿生圖書館的技術框架，并將其運用到雄安圖書館的建設當中。Lu等[53]通過構建BIM和物聯網結合構建既有建筑的數字孿生模型，實現對建筑資產狀態的實時監測、評估和智能化運維管理，并以離心泵為例，實現了故障的實時檢測。建筑數字孿生技術針對物理工程對象構建了虛擬模型，同時建立了虛實之間的聯系。數字孿生技術的重點是在虛擬世界中建立與現實世界相對應的虛擬實體，并借助對虛擬數字實體的分析實現對現實世界的提升。從這一點看，它是元宇宙借助虛擬世界影響提升現實世界，賦能建筑行業的技術基礎。

2.4 既有信息技術對建筑業元宇宙的支撐

與前面提到技術相似的是，元宇宙也涉及現實與虛擬世界。為了更加清晰地說明元宇宙中虛擬世界和現實世界之間的關系，Smart等[54]提出了元宇宙的劃分，如圖9所示。該劃分選擇了兩個可能影響元宇宙展開方式的關鍵連續體：橫線軸線為從內部（以身份為中心）到外部（以世界為中心）的技術和應用范圍，縱向軸線為從增強到模擬的技術和應用范圍。

雖然元宇宙也涉及虛擬世界或者虛擬實體，但是其實現的虛實交互效果遠高于其他單一信息技術的實現水平。表3總結了既有數字技術的功能特點和元宇宙技術的功能要求。其中，數字建模和仿真技術只構建了虛擬實體，并不涉及與物理實體的連接與互動，并且虛擬實體只存在于數字世界當中。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，人主要處于輔助地位。XR技術只構建了虛擬實體，虛擬實體更多只存在于虛擬世界，并不存在與虛擬實體對應的現實物理實體。雖然可以實現虛擬世界和現實世界在同一畫面出現，且虛擬世界可以根據現實世界的畫面產生調整，但是虛擬世界并不能夠對現實世界產生影響，所以其虛實之間的連接是單向的。XR技術的應用主要以人的體驗為中心，所以人的感受是XR技術的重點。

數字孿生構建虛擬實體的目的是借助虛擬實體以控制和提升物理實體，其虛擬實體可以隨物理實體的狀態變化而變化，但是虛擬世界和現實世界相對獨立，并不能同時出現在同一畫面當中，人也無法沉浸于虛擬世界中。數字孿生的服務主要體現在對現實實體的控制上，人也處于整個系統的輔助地位。元宇宙并不單需要虛擬世界，而是需要虛擬世界與現實世界的交流互動。它是針對人類社會構建一個平行于現實世界的虛擬世界，其主要服務對象是人。所以在元宇宙當中，人處于核心地位。

從上面的分析和比較可以看出，與數字孿生等技術只針對某些特定對象和功能不同，元宇宙的目標更加復雜和宏大，所以其需要更加強大的技術支持。而且數字建模與仿真、XR技術與數字孿生技術可以發揮其各自的技術優勢支撐元宇宙的構建。數字建模和仿真技術為元宇宙的虛擬實體建立和響應分析提供支撐，例如，建筑業中形成BIM模型，基于掃描等技術構建的三維模型都可以為元宇宙提供模型構建素材。XR技術可以提高沉浸式的體驗和虛實疊加的展示效果，人們通過XR技術進入元宇宙的空間中去，XR為人沉浸式進入元宇宙提供支持。數字孿生的技術可以發揮其對現實世界的控制優勢，可以為元宇宙達到虛擬世界與現實世界的交互提供技術支撐。它們在建筑行業內應用的不斷成熟和融合應用可以實現優勢互補，為元宇宙在建筑行業的應用提供了可能。

3 元宇宙在建筑領域的潛在應用

諸多技術發展的逐漸成熟支持了元宇宙概念的出現。同樣，隨著越來越多的信息技術在建筑領域的應用，元宇宙在建筑領域的應用前景也漸漸清晰。一方面，元宇宙作為多種既有信息技術的集成，在建筑行業其他數字技術的基礎上，元宇宙會以更先進的形態賦能現實建筑行業的發展。另一方面，元宇宙可以創造一個虛擬世界，在新的空間里創造新的需求，虛擬世界中的建筑行業也有興起的可能。

3.1 元宇宙賦能現實建筑行業

3.1.1 交互式設計模式

在設計階段，元宇宙可以提供一個在虛擬世界交流的空間，同時搭建虛擬設計方案模型，將各利益相關方集中在虛擬空間當中，面對未來的設計方案模型進行共同討論，突破溝通的空間限制[55]，同時降低溝通的專業門檻。在城市建設過程中，Kent等[56-57]通過建立虛擬現實平臺，并將該平臺帶入到設計階段，借助XR技術實現對城市設計的可視化和分析，對設計進行推演和完善，讓市民可以參與城市的設計和規劃。這種基于虛擬世界使用戶參與的建筑設計與社群搭建方式已在圖書館[58]、校園[59]、居民活動中心[60]、地下工程[61]等一些現實案例中使用，且其被證實是建筑全生命周期良好運營的有效保障。

3.1.2 施工模擬技術

在施工階段，元宇宙可以提供現實世界當中難于提供的場景幫助人沉浸式體驗和交流。這一優勢在施工模擬技術方面有較大潛力。

目前，利用虛擬模型對施工過程進行預演和模擬的研究也有很多。在施工管理方面，借助BIM技術對工程對象進行了虛擬化施工模擬，實現了施工監測可視化展示、施工進度和工藝模擬等功能的應用有很多[62-63]。同時，XR技術的應用有助于實現沉浸式的體驗形式[27，64]，尤其在沉浸式施工安全教育方面，XR技術的應用廣泛[28]。目前，借助XR技術實現的體驗一般只支持單人的體驗，但是在元宇宙中搭建的虛擬施工場景，可以實現多人協作。因此，元宇宙技術的出現除了可以在XR技術的基礎上創造更加沉浸的體驗，還在實現多方合作、異地協同等功能方面有較大潛力。為了解決目前安全培訓枯燥單調、重“演”輕“練”的問題，郭泱泱[65]對元宇宙技術在煤礦及礦山安全培訓和應急演練方面應用的可行性進行了研究，并認為雖然元宇宙在技術和設備上有很多不足，但它可以為提供新的培訓和演練途徑。

對于復雜工程施工，元宇宙技術也可以發揮其獨特優勢。比如，某項目中設計師提出了動態可變圖案幕墻方案，幕墻圖案會根據觀察者位置和風向光照變化而變化。該幕墻由大量顏色形式各異的鱗片通過特定排布構成。要完成該幕墻的安裝實現，對于每一鱗片施工定位要求極高，需要結合不同的環境狀態和人員觀感進行反復的調整和優化。項目采用元宇宙技術，在虛擬和實體幕墻龍骨組合空間中，模擬不同人員視角及光照和風向狀態，優化調整鱗片位置，確定每片鱗片最佳施工定位，從而幫助工人實現復雜幕墻結構的快速和精準安裝。

3.1.3 虛擬空間功能拓展與運營維護

在運維階段，元宇宙可以拓展現實建筑物的功能活動空間。通過構建與現實建筑一致的虛擬建筑，并開放給用戶在虛擬空間中活動，可以豐富既有建筑的體驗，為建筑的運營模式帶來新的拓展空間。

目前，圖書館的運營正在朝著此方向發展。為了豐富讀者的閱讀體驗，推進圖書館信息建設。楊新涯等[66]認為圖書館行業可以利用元宇宙構建虛擬空間的服務體系，以解決實體空間緊張，知識服務和情報服務不足等問題，并提出了相關技術的探索方向。郭亞軍等[67]基于對美國TOP100的圖書館VR/AR的應用情況的調查分析，提出了中國圖書館建設建議，其中借助虛擬仿真搭建元宇宙賦能虛擬圖書館建設是重要的內容。陳定權等[68]通過分析和討論，并認為元宇宙技術對于解決目前圖書館存在的“資源沉睡”“模式單一”等問題具有啟發意義。

再如，在歷史建筑的運營管理方面，也有這樣的趨勢。目前，主流的文化遺產虛擬模型往往被簡化為特定場景下的2D視圖，使得構筑物或文物的大量交互與三維信息丟失。這些虛擬遺產缺乏生機與背景，缺乏有效反饋機制與導航，缺乏人物、天氣、時間等動態元素，瀏覽仍屬于被動觀察者模式的有限探尋[69]。然而，VR技術已在世界范圍內應用于多項文化遺產與文物的展示宣傳（如圖10所示），在希臘Simonos Petra修道院[70]與埃及法老陵墓[71]的XR空間體驗項目中，建筑內部空間的靜態數字孿生模型和人類在物理及虛擬空間中的行走動態數據共同組成了交互式沉浸體驗（如圖11所示）。元宇宙技術支持的多人同時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的虛擬交流空間，將會使歷史建筑的運營產生更好效果。

3.1.4 基于虛擬空間的建筑業交易

在文獻[72]展示的案例中，構建了一個虛擬房產平臺，其去中心化框架支持用戶通過代幣購買虛擬房產與土地并通過開發、租賃、拍賣等交易手段獲取利潤。虛擬世界的用戶也擁有現實世界資產，元宇宙為虛擬經濟和現實經濟的相互交織提供了可能，AI和區塊鏈技術正在加速這種關系的發展[22]。此外，在元宇宙中與現實世界高度相似的虛擬世界亦可以作為一個城市規劃與房產開發市場的評估沙箱，在現實世界中的經濟政策實施之前對其進行測試，從而指導城市規劃與相關產業布局。

3.2 元宇宙催生的虛擬建筑業態

隨著元宇宙概念的提出，人的活動空間得到了拓展，為虛擬空間中的活動搭建虛擬建筑或將成為建筑行業的一項新任務。目前來看，虛擬活動空間中的建筑主要包含有與現實建筑映射對應的虛擬建筑和僅存在于虛擬空間中的完全虛擬建筑。

構建虛擬活動空間中與現實世界相對應的虛擬建筑是搭建元宇宙的重要工作之一。隨著數字孿生概念的興起，越來越多的研究開始關注于對既有建筑進行逆向建模，為了快速獲取現實世界中的三維數據，便于快速精準建模，激光掃描、傾斜攝影等方法也被應用于建筑行業中[73-74]。這些研究和實踐無疑可以為在元宇宙當中搭建數與現實世界對應的虛擬建筑的基礎工作?；诖?，何文景等[75]提出利用深度學習處理既有建筑的3D點云模型，實現自動化的BIM模型建立的方法。Lee等[76]進行了基于聚類的平面分割神經網絡和3D點云進行了城市場景建模。魯力立等[13]在線上還原了現實世界中的展廳，以實現基于元宇宙視角下的線上與線下混合式教學模式，打破“虛擬”與“現實”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重要工作。為了提高虛擬建筑的真實體驗感，建筑設計的合理性是重要的研究內容。Hassouneh等[77]通過研究調查第二人生（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框架。Ayiter[78]在元宇宙中重新創造了建筑師El Lissitzkv設計的名為“Proun #5A”的建筑，并提出通過想象或者非物質的棲息地設計來探索新的空間。

另外，除了依賴于人的設計，元宇宙中虛擬空間的批量化創造與處理更多地依賴于深度學習與元學習的發展與應用。在通用自主深度學習數字孿生框架下，元宇宙及物理世界中的歷史數據在訓練階段被融合以供深度學習訓練和測試，并在結果滿足要求條件下自主獲取知識。同時，元宇宙及物理世界中的實時數據在實現階段被融合用于模型的實時推斷。目前，深度學習在自動化建筑設計領域已取得了一定突破[79-81]，虛擬世界中基于大數據與用戶群個性化需求的居住空間智能設計已成可能?？偠灾?，在元宇宙中，數字內容的創造將讓位于用戶群體并進一步延伸至智能算法協作領域，而不是少數的專業設計師[82]，即實現人類用戶和AI在元宇宙中的共建。

除此之外，虛擬世界當中的活動空間也會同現實世界當中的地產一樣，有被當作一種數字資產的形式進行交易的可能[83]，形成元宇宙中的“房地產”產業。

4 元宇宙帶來的潛在問題和挑戰

作為一種新的技術形式，元宇宙也可能帶來一些潛在的問題和新的挑戰。由于其在虛擬世界中的深度沉浸式及超越物理規律限制的體驗感，可能導致人的過度沉迷和超越約束，甚至對人的精神健康和社會正常交往造成危害。另外，元宇宙使虛擬化空間體驗極大豐富，也會在建筑業中催生新的虛擬產業模式，但在未來的發展過程中，應注意避免“脫實向虛”的發展[68]。虛擬空間的“房地產”炒作也可能帶來新的金融泡沫風險[84]。未來，在元宇宙構建的虛擬世界中，人和人、人和機、人和物之間會形成新的關系模式，例如虛擬婚姻、虛假身份信息等都會為道德法律及倫理帶來新的挑戰[85]。

在技術上，目前的技術還難以完全支持理想中的元宇宙世界。在建筑行業中，逆向和自動化建模技術還有待成熟，實現現實世界中建筑物的實時虛擬化復刻還需要付出大量努力以及實質性技術提升。另外，XR設備還不夠便攜，使用不便，長時間的沉浸體驗也會引起身體上的不適。虛擬世界的穩定性也對元宇宙的每一種支持技術提出了更高的要求。因此，雖然目前的信息技術有向元宇宙延展的趨勢，但是理想元宇宙在建筑業中的實現還面臨著很大的技術挑戰，還有很長的路要走。

5 結論與展望

元宇宙概念在2021年迎來一次爆發期，元宇宙與多種產業形態聯系起來，不同行業基于各自角度對元宇宙的呈現方式提出了各自的解讀。但是，由于諸多底層技術缺乏成熟研究基礎，距離元宇宙的成熟應用還有很大的探索空間。

1）元宇宙的出現，會同其他信息技術一樣，賦能建筑行業，為建筑行業帶來生產模式轉變和全新的發展機會。另一方面，與其他技術不同的是，元宇宙搭建的虛擬空間還有催生出與現實建筑業相對應的新產業潛力。

2）從技術上看，元宇宙在建筑業的發展依賴于建模與仿真、XR、數字孿生等信息技術在建筑業的發展應用，同時也集成和發展了其他數字化技術的優勢。目前這些信息技術在建筑業內的出現和應用常常以單體形式呈現。元宇宙的出現為未來各種技術在建筑業內的融合發展應用提供了方向，以支撐和推動建筑業元宇宙技術實現為趨勢，形成一個更交互、更耦合、更整體的系統。

3）從建筑行業的應用上看，元宇宙會以更加先進的技術形態賦能建筑業，在建筑業的設計、建造、運維和地產交易等多方面都有應用潛力。同時，它也可以催生如虛擬建筑構建、虛擬地產交易等新的建筑業形態，創造新的需求。

4）元宇宙作為一種新技術，為建筑業帶來發展機遇的同時，也存在如由虛擬地產帶來的金融風險、過度沉迷帶來的健康問題，以及“脫實向虛”的不良趨勢等多方面的隱患和問題，其發展帶來的風險同樣需要人們的關注，有必要正確引導這一新技術的發展。

致謝：感謝西南交通大學潘毅教授提出的寶貴建議，感謝中節能（湖州）科技城投資建設發展有限公司的資助。

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（編輯? 胡玲）

收稿日期：2021?12?31

基金項目：上海市科技創新項目（20DZ1201301、21DZ1204704）

作者簡介：楊?。?974- ），男，教授，博士生導師，主要從事綠色建筑材料、智能建造與運維研究，E-mai： j.yang.1@ sjtu.edu.cn。

通信作者：張安山（通信作者），男，博士生，E-mai： zhanganshan@sjtu.edu.cn。

通信作者：王斐亮（通信作者），男，博士，E-mai： wongfayeleung@sjtu.edu.cn。

Received： 2021?12?31

Foundation items： Scientific Research Project of Shanghai Science and Technology Commission （No.20DZ1201301， 21DZ1204704）

Author brief： YANG Jian （1974- ）， professor， doctorial supervisor， main research interests： sustainable construction materials， intelligent construction and operation & maintenance， E-mail： j.yang.1@sjtu.edu.cn.

corresponding author：HANG Anshan （corresponding author）， PhD candidate， E-mail： zhanganshan@sjtu.edu.cn.

corresponding author：WANG Feiliang （corresponding author）， PhD， E-mai： wongfayeleung@sjtu.edu.cn.