建筑元宇宙“虛實協(xié)同”，數(shù)字建造的未來形態(tài)

1. 如何理解建筑元宇宙？

建筑元宇宙是利用5G／6G、工程物聯(lián)網(wǎng)、BIM、VR、MR、及區(qū)塊鏈、云邊計算和人工智能等元宇宙相關(guān)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，將現(xiàn)實中的設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、數(shù)字施工、建筑運維及建筑垃圾回收的等環(huán)節(jié)和場景在虛擬空間實現(xiàn)全面部署，通過打通虛擬空間和現(xiàn)實空間實現(xiàn)建筑全生命周期的改進和優(yōu)化，形成全新的數(shù)字建造體系，達到降低成本、提高生產(chǎn)效率、高效協(xié)同的效果，促進建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2. 建筑元宇宙“由虛向?qū)崱睂崿F(xiàn)“虛實協(xié)同”

建筑元宇宙，與“數(shù)字孿生”概念類似，兩者區(qū)別在于，數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界向虛擬世界的1:1映射，通過在虛擬世界對建造過程、施工設(shè)備的控制來模擬現(xiàn)實世界的施工作業(yè)；而元宇宙則比數(shù)字孿生更具廣闊的想象力，元宇宙所反映的虛擬世界不止有現(xiàn)實世界的映射，還具有現(xiàn)實世界中尚未實現(xiàn)甚至無法實現(xiàn)的體驗與交互。另外，元宇宙更加重視虛擬空間和現(xiàn)實空間的協(xié)同聯(lián)動，從而實現(xiàn)虛擬操作指導(dǎo)現(xiàn)實工程施工。

建筑元宇宙貫穿建筑全生命周期

現(xiàn)階段建筑元宇宙的大部分案例更趨近于“數(shù)字孿生”技術(shù)的應(yīng)用，目前城市、交通、能源、國土、應(yīng)急管理等領(lǐng)域業(yè)是數(shù)字孿生的典型應(yīng)用領(lǐng)域，其中3D場景編輯器是不可缺少的工具。

3D場景編輯工具：進入體驗

1. 建筑元宇宙在設(shè)計及項目準(zhǔn)備階段

通過BIM+VR，都可以高效實現(xiàn)三維可視化表達，促進建筑的各參與方的有效協(xié)同，提高建筑設(shè)計的效率：

1）可視化設(shè)計和體驗。BIM技術(shù)應(yīng)用建筑初步設(shè)計階段，主要側(cè)重于建筑設(shè)計的三維可視化表達，通過各專業(yè)在BIM平臺上云集，解決傳統(tǒng)各專業(yè)建筑語言的溝通壁壘。但是相對于建筑信息表達效果上，三維模型的展示只局限于固定漫游視角的展示，簡單的視覺沖擊難以達到業(yè)主的預(yù)期效果，因此BIM模型往往會忽視真實的用戶體驗。加之工程施工過程中由于各種的不可控因素，很容易使建成的建筑物達不到使用者的最初需求。VR技術(shù)作為一種重要的可視化媒介，可以用BIM模型為載體，通過對于模型的渲染以及人機交互設(shè)計的沉浸式虛擬體驗，實現(xiàn)用戶在建筑內(nèi)空間的虛擬漫游，使用者身臨其境，彌補了BIM模型可視化效果表達不足的缺陷，便于業(yè)主對于設(shè)計單位提出的設(shè)計方案進行更加理性的選擇。通過BIM+VR等并對建筑的各構(gòu)件、設(shè)備及相關(guān)環(huán)境的作用方式做出直觀、精準(zhǔn)的模擬，能夠有效驗證建筑產(chǎn)品性能。并能夠打破地域限制，支持多方協(xié)同設(shè)計，用戶也可以在建筑元宇宙平臺上參與建筑設(shè)計并體驗其設(shè)計的產(chǎn)品。更加貼近用戶需求，并能在更大程度上增強用戶體驗。

2）工程資料管理信息化。在向業(yè)主進行初步設(shè)計方案匯報時，設(shè)計單位繪制好的BIM模型就已經(jīng)包含了所有的建筑信息。相比較傳統(tǒng)二維設(shè)計模式而言，BIM+VR技術(shù)既促進了紙質(zhì)版移交資料向信息化模型資料的轉(zhuǎn)變，使得項目后期的施工階段、竣工驗收階段、運維階段甚至以后的再次改造設(shè)計提供了真實的信息模型，提高了設(shè)提高了設(shè)計單位的信息提取效率。

3）多方有效協(xié)同。基于BIM+VR的設(shè)計平臺搭建，可以將設(shè)計主體即相關(guān)利益方、設(shè)計平臺以及設(shè)計方法之間進行關(guān)聯(lián)，業(yè)主單位在設(shè)計之初就參與到項目的方案設(shè)計中，既能使設(shè)計單位明確業(yè)主的需求，又能根據(jù)業(yè)主對于項目特點的理解提出針對性的建議，加深業(yè)主單位對于設(shè)計階段的把控，提高建設(shè)項目的設(shè)計決策效率。

2. 建筑元宇宙在在施工階段

通過BIM，都可以高效地建立工程數(shù)字模型，BIM軟件系統(tǒng)既能快速精準(zhǔn)地進行工程量造價等數(shù)據(jù)分析，也可以實現(xiàn)如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術(shù)問題解決，最后實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的項目級企業(yè)級的協(xié)同管理。

1）可視化項目管理。基于BIM+VR打造“項目大腦”按照“數(shù)據(jù) + 算力 + 算法”的運作范式，“描述 - 診斷 - 預(yù)測 -決策”的服務(wù)機理，實現(xiàn)模擬推演、智能調(diào)度、風(fēng)險防控與預(yù)測性服務(wù)等功能，實現(xiàn)全過程、全要素和全參與方的高效協(xié)同和沉浸式體驗，最終實現(xiàn)優(yōu)化資源配置的目的。

在施工過程中，還可通過物聯(lián)網(wǎng)和裝配了傳感設(shè)備的“人機料法環(huán)”的全有要素連接，通過VR交互設(shè)備將整個施工的過程、行為及質(zhì)量、安全等監(jiān)測實現(xiàn)可視化、智能化管理，將施工現(xiàn)場轉(zhuǎn)換為智能的收集領(lǐng)域，智能系統(tǒng)實時對施工過程現(xiàn)場進行預(yù)測，一些不符合常規(guī)的現(xiàn)象，及時向施工人員發(fā)出警告，對設(shè)備進行控制。

通過BM+VR的項目管理艙對施工資源、建筑部品構(gòu)件、生產(chǎn)設(shè)備及物流系統(tǒng)進行出入庫、查詢、盤點、建筑構(gòu)件庫、統(tǒng)計分析等管理。在數(shù)字空間實現(xiàn)對物理空間的庫存進行精益化管理，對施工項目的流程和工序進行有效沉浸式可視化管理，避免因施工資源的浪費，實現(xiàn)高度匹配，可最大程度地減少過去的建筑項目環(huán)節(jié)太多的不透明，或生產(chǎn)資源不足帶來的生產(chǎn)延誤，也可避免因生產(chǎn)資源的積壓造成生產(chǎn)輔助成本居高不下的問題。

2）施工安全預(yù)測。基于元宇宙+AI技術(shù)，使用機器學(xué)習(xí)、語音和圖畫辨識將施工現(xiàn)場的相片和視頻進行自動標(biāo)記，以便整理數(shù)據(jù)及搜索。例如，AI可以采用深度學(xué)習(xí)模式分析影像和語音，以自動標(biāo)記施工數(shù)據(jù)并主動向客戶提供安全措施建議。這種主動化工地監(jiān)測能夠為工地現(xiàn)場添加一對“眼睛”，動態(tài)辨識潛在危險要素，有助于提高施工安全。

3）施工進度管理。使用探勘機器人和無人機，裝備攝影鏡頭和無人飛機來監(jiān)控和掃描工地現(xiàn)場。使用視覺數(shù)據(jù)選用深度學(xué)習(xí)算法處理，透過與客戶要求的方案和規(guī)劃進行匹配來衡量施工進度，將工地每天的畫面掃描與規(guī)劃模型做比較以偵測過錯。

3. 建筑元宇宙在建筑運維階段

在傳統(tǒng)建筑運維模式中，建筑施工階段的數(shù)據(jù)孤立分散、建筑管控系統(tǒng)相對離散，建筑智控不足、依靠人工運檢，導(dǎo)致建筑運維效率低下，即事前無準(zhǔn)備，事中無跟蹤，事后無追溯。根據(jù)普華永道咨詢報告研究表明，可充分應(yīng)用了BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等一系列先進技術(shù)，研發(fā)出基于BIM的居住建筑運行維護智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)：

1）實時分析判斷。一棟修建在竣工之后被運用的幾十年中，關(guān)于運用情況、修理與改建的時刻組織、能源消耗等，都能夠在采用BIM+VR+AI的協(xié)助下更有用的預(yù)測及最佳的運用。人工智能根據(jù)實時獲得的建筑物外墻及里面的傳感器的數(shù)據(jù)對空間環(huán)境狀態(tài)的整體情況和局部情況進行分析判斷，并經(jīng)計算后給出系統(tǒng)調(diào)整方案，讓建筑內(nèi)的各種設(shè)備根據(jù)設(shè)定的可行模式運行。

2）遠(yuǎn)程化維修。同時在建筑元宇宙平臺建立的虛擬空間中，運維人員將不受地域限制，在建筑設(shè)備出現(xiàn)問題時，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實時確認(rèn)設(shè)備情況，及時修復(fù)問題。對于難度大、復(fù)雜程度高的設(shè)備問題，可以通過建筑元宇宙平臺匯聚各類專家，共同商討解決方案，從而提高生產(chǎn)效率。

總之，隨著建筑元宇宙的成熟，將和建筑業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)的結(jié)合都將更加緊密，也將產(chǎn)生更多創(chuàng)新應(yīng)用，除了以上說到的設(shè)計、建造、運維三個階段的應(yīng)用外，也將在建筑業(yè)采購、物流等多方面著巨大的應(yīng)用空間，這一切對緩解我國老齡化危機、人工成本日益上升的困境都無疑是個好消息。同時對于提升建筑業(yè)的整體格調(diào)，提升建筑業(yè)的整體發(fā)展水平和質(zhì)量都有著重要的意義。