文/清華大學(xué)建筑學(xué)院 韓冬辰 張 弘 林正豪 朱 寧

韓冬辰，清華大學(xué)建筑學(xué)院博士研究生

張 弘，清華大學(xué)建筑學(xué)院黨委副書記，副教授，博士生導(dǎo)師

林正豪，清華大學(xué)建筑學(xué)院博士研究生

朱 寧，清華大學(xué)建筑學(xué)院講師

1 研究背景

建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）作為現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期各參與方之間信息無障礙流動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，目前雖已被廣泛應(yīng)用于AEC（Architecture, Engineer and Construction）各個(gè)領(lǐng)域，但大多仍集中于模型可視化層面，無論是三維建模，還是基于模型的碰撞檢查、施工模擬等，都可歸于建筑信息集成于三維模型上的多維度應(yīng)用。目前BIM技術(shù)研究圍繞應(yīng)用層面的信息傳遞、集成、展示等問題，從軟件接口架構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用方法、規(guī)范導(dǎo)則制定等方面展開。

對(duì)比已開啟工業(yè)革命4.0的制造業(yè)、通信業(yè)等信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的行業(yè)，以BIM為代表的建筑信息化技術(shù)無疑是落后的?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)CPS（Cyber-physical System）技術(shù)體系的工業(yè)4.0將實(shí)現(xiàn)以智慧化、柔性化、物聯(lián)化為目標(biāo)的產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)模式，其中人工智能、云處理、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)將起到重要作用（見圖1）。算法正是這一切信息技術(shù)的研究核心，如查克·伊斯特曼（Chuck Eastman）教授在BIM概念建立時(shí)，參考制造業(yè)的產(chǎn)品信息模型（Product Information Modeling，PIM）技術(shù)一樣，信息技術(shù)發(fā)達(dá)行業(yè)的眾多技術(shù)概念對(duì)建筑信息技術(shù)的未來設(shè)想有較大啟示。本文從信息學(xué)視角出發(fā)，以基于信息物理交互概念的算法交互模型AIM為設(shè)想可能，探討B(tài)IM技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 以人工智能、云處理、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為支撐的工業(yè)4.0

2 信息學(xué)視角下的建筑信息流動(dòng)闡述

2.1 基于香儂信息傳遞模型闡述BIM信息傳遞架構(gòu)

1949年，香儂和韋弗提出了有關(guān)信息傳遞的數(shù)學(xué)模型：即由信源發(fā)出信息（表現(xiàn)為某種信息，可為符號(hào)或信號(hào)，如文字、語言圖像、聲音等）并生成編碼（用符碼編排信息意義的過程），通過信道（信息傳遞的通道，傳輸、存儲(chǔ)和處理信號(hào)的媒介）傳遞給信宿（信息接受者，如人或機(jī)器），過程中經(jīng)過去噪（去除信息傳遞中的干擾）和譯碼處理（對(duì)信息進(jìn)行與編碼相反的變換過程）后完成信息流動(dòng)（見圖2）。

作為方法論，香儂的信息系統(tǒng)模式適用于通信、管理和社會(huì)等多種系統(tǒng)，同樣也適用于建筑系統(tǒng)BIM技術(shù)的原理闡述（見表1），即由某一建筑活動(dòng)參與方創(chuàng)建以BIM模型為載體的相關(guān)建筑活動(dòng)內(nèi)容（信息），生成通用傳遞格式IFC（Industry Foundation Class）或其他特定格式（編碼），通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)（信道）傳遞給下游建筑活動(dòng)參與方（信宿）。過程中同樣需要經(jīng)歷無效信息去除（去噪）和將通用或特定傳遞格式轉(zhuǎn)換為下游BIM模型（譯碼）的處理。

2.2 建筑信息流動(dòng)性與信息應(yīng)用層級(jí)

控制論的創(chuàng)始人維納認(rèn)為：信息是獨(dú)立于物質(zhì)和能量外構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界的另一要素。剝離建筑的物質(zhì)和能量屬性，信息貫穿于建筑全生命周期始末，是串聯(lián)物質(zhì)和能量活動(dòng)的關(guān)鍵。建筑信息在建筑活動(dòng)的各階段各參與方間流動(dòng)，其流動(dòng)的范圍、速度、復(fù)用次數(shù)等決定了建筑信息的應(yīng)用強(qiáng)度，故可將建筑信息的流動(dòng)性作為信息應(yīng)用層級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

手工繪圖和計(jì)算機(jī)輔助制圖CAD（Computer Aided Drawing）時(shí)代的建筑信息應(yīng)用強(qiáng)度無疑是低下的，基于二維圖紙的較低信息流動(dòng)性集中表現(xiàn)于建筑活動(dòng)各參與方間的信息割裂、障礙、延遲和孤島等問題。在如今以BIM技術(shù)為核心的建筑信息技術(shù)時(shí)代，基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用將信息流動(dòng)性提升至較高高度，核心方法是首先實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成化，再實(shí)現(xiàn)基于完整建筑信息數(shù)據(jù)庫(kù)的高層級(jí)信息應(yīng)用。

圖2 香儂信息傳遞模型

表1 香儂信息傳遞模型與BIM信息傳遞架構(gòu)的類比

圖3 以IIM為核心的CIBIS整體架構(gòu)構(gòu)想

集成信息模型（Information Integrated Model，IIM）早于建筑信息模型對(duì)建筑信息的集成化進(jìn)行了理論闡述，由此建立計(jì)算機(jī)集成建筑信息系統(tǒng)（Computer Integrated Building Information System，CIBIS）作為建筑信息集成表達(dá)技術(shù)的系統(tǒng)表述（見圖3）。隨著BIM技術(shù)的深化普及應(yīng)用，建筑業(yè)的技術(shù)體系乃至運(yùn)作模式并未出現(xiàn)如制造業(yè)一樣的革命性變化。在實(shí)際操作層面，建筑信息傳遞障礙仍存在，集中表現(xiàn)于建筑各專業(yè)無法共同創(chuàng)建并維護(hù)同一建筑信息源，而是各自獨(dú)立創(chuàng)建BIM模型。以不同建筑活動(dòng)為基礎(chǔ)的BIM模型無法實(shí)現(xiàn)基于同一建筑信息源的無障礙信息協(xié)同，建筑信息流動(dòng)性未超越專業(yè)層面上升至全產(chǎn)業(yè)鏈層面。筆者通過在CIBIS基礎(chǔ)上構(gòu)建建筑信息物理交互方法系統(tǒng)（Building Information-physics Interaction System，BIPIS），創(chuàng)新性地引入建筑物理實(shí)體，將其作為唯一建筑信息源的重要組成部分，解決因各參與方獨(dú)立建模造成的信息割裂，進(jìn)一步提升未來BIM技術(shù)的信息應(yīng)用層級(jí)。

3 基于信息物理交互的建筑信息技術(shù)方法系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 BIPIS概念簡(jiǎn)介

BIPIS概念來源于制造業(yè)工業(yè)4.0核心方法論的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）思想（見圖4），旨在通過建筑信息模型（以BIM為技術(shù)手段和實(shí)施過程建立的建筑屬性信息載體）和建筑物理實(shí)體（泛指建筑活動(dòng)中出現(xiàn)的具有物質(zhì)屬性的實(shí)體）之間的融合實(shí)現(xiàn)建筑正向信息流動(dòng)（由信息模型指向物理實(shí)體的信息傳遞方式）和建筑逆向信息流動(dòng)（由物理實(shí)體指向信息模型的信息傳遞方式）的雙向通暢。通過各參與方的建筑活動(dòng)最終成果，即建筑物理實(shí)體的信息化，將其與BIM模型實(shí)現(xiàn)分階段乃至實(shí)時(shí)的協(xié)同交互，BIPIS將“信息”和“物理”結(jié)合為中間數(shù)據(jù)庫(kù)，是作為各參與方的BIM模型進(jìn)行無障礙信息傳遞的唯一建筑信息源。

圖4 CPS的運(yùn)行方式

3.2 BIPIS整體架構(gòu)

BIPIS的整體架構(gòu)分為基礎(chǔ)理論層、系統(tǒng)架構(gòu)層和機(jī)制運(yùn)行層3個(gè)系統(tǒng)層級(jí)：①基礎(chǔ)理論層由建筑信息循環(huán)機(jī)制和信息分類與關(guān)聯(lián)方法構(gòu)成，兩者分別從面向建筑活動(dòng)的宏觀動(dòng)態(tài)角度和面向建筑構(gòu)件的微觀靜態(tài)角度出發(fā)，建立針對(duì)建筑信息的描述方法；②系統(tǒng)架構(gòu)層作為BIPIS的方法系統(tǒng)核心，由感知-計(jì)算-通信-決策-控制等子系統(tǒng)構(gòu)成，用于建構(gòu)適合于各階段各參與方建筑活動(dòng)的完整正向及逆向信息回路；③機(jī)制運(yùn)行層作為BIPIS的應(yīng)用實(shí)施策略，內(nèi)容主要包括基于信息物理交互的行業(yè)運(yùn)作模式、具體技術(shù)實(shí)施方法和規(guī)范導(dǎo)則制定等，主要適用于技術(shù)實(shí)踐層面。信息物理交互將超越信息模型間的信息傳遞層級(jí)，將建筑物理實(shí)體作為核心，實(shí)現(xiàn)多BIM模型的信息交互協(xié)同。

BIPIS所追求的“信息”與“物理”交互融合將會(huì)對(duì)現(xiàn)有BIM技術(shù)條件下的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)帶來不小的考驗(yàn)，也會(huì)對(duì)建筑從業(yè)人員的信息技術(shù)應(yīng)用水平和信息化理解能力提出更高要求。BIPIS對(duì)信息流動(dòng)的需求超過BIM技術(shù)的信息應(yīng)用層級(jí)，現(xiàn)行BIM技術(shù)已無法滿足BIPIS的系統(tǒng)架構(gòu)，故筆者提出基于信息物理交互實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)由信息集成化向算法交互化的轉(zhuǎn)變構(gòu)想，以期為未來信息物理融合的建筑業(yè)運(yùn)作模式變革奠定基礎(chǔ)。

4 由信息集成化向算法交互化轉(zhuǎn)變的構(gòu)想

4.1 建筑活動(dòng)算法化

算法概念來源于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科，指對(duì)解題方案準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，代表著用系統(tǒng)方法描述解決問題的策略機(jī)制。算法包括有窮性、確切性、輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)、可行性等特征，其核心思想是建構(gòu)解決目標(biāo)問題的邏輯。邏輯的基本表現(xiàn)形式是命題與推理，命題即目標(biāo)問題，推理即依據(jù)分析和判斷推導(dǎo)得出命題的結(jié)論過程。

與建筑活動(dòng)相關(guān)的算法研究由來已久。無論是面向建筑形態(tài)和空間創(chuàng)造的生成式設(shè)計(jì)算法還是面向建筑工程應(yīng)用的有限元分析計(jì)算，均已以獨(dú)立軟件或第三方插件API（Application Program Interface）的形式融入建筑從業(yè)人員的信息化技術(shù)工具體系中。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)、交付、管理等相關(guān)建筑活動(dòng)中，許多表現(xiàn)為體力勞動(dòng)或低強(qiáng)度腦力勞動(dòng)的重復(fù)性工作仍采用人工方式處理，如車庫(kù)設(shè)計(jì)的車位排布、設(shè)計(jì)方案的規(guī)范排查、不同軟件間的報(bào)表轉(zhuǎn)換等活動(dòng)內(nèi)容，輸入端信息變化意味著此建筑活動(dòng)的重復(fù)進(jìn)行，耗時(shí)且易錯(cuò)。非算法化的重復(fù)性信息處理活動(dòng)往往是低效的，這嚴(yán)重阻礙了建筑從業(yè)人員的業(yè)務(wù)能力發(fā)揮。

建筑活動(dòng)算法化思想的實(shí)質(zhì)是從建筑全產(chǎn)業(yè)鏈各階段各參與方的建筑活動(dòng)中抽象出其內(nèi)在的邏輯關(guān)系，利用算法實(shí)現(xiàn)由前端信息輸入控制末端信息生成的全程自動(dòng)化建筑信息流。隨著可視化編程技術(shù)的發(fā)展，算法開發(fā)的門檻正不斷降低。建筑活動(dòng)從業(yè)人員針對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)的算法開發(fā)將成為今后建筑活動(dòng)的主體，而針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用以及重復(fù)性修改等將由建筑活動(dòng)算法完成。

4.2 建筑算法交互模型設(shè)想

算法活動(dòng)貫穿于整個(gè)建筑工程始末，帶來的不僅是建筑信息量幾何級(jí)數(shù)的增加，還有更復(fù)雜的信息交換模式架構(gòu)。設(shè)想未來建筑從業(yè)人員由目前通過BIM技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^建筑活動(dòng)算法開發(fā)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)工作，意味著建筑信息化技術(shù)工具和方法流程的變革，同時(shí)也是信息應(yīng)用層級(jí)的突破。為應(yīng)對(duì)以建筑活動(dòng)算法開發(fā)為主的全新工作模式帶來的信息處理問題，筆者基于BIPIS構(gòu)建設(shè)想了建筑算法交互模型的概念。

算法交互模型（Algorithm Interact Model，AIM）的實(shí)質(zhì)是建筑活動(dòng)算法進(jìn)行協(xié)同工作的框架模式，以建筑活動(dòng)算法為驅(qū)動(dòng)單元，以交互為核心關(guān)鍵動(dòng)作，將BIPIS系統(tǒng)打造為一個(gè)建筑活動(dòng)邏輯的架構(gòu)集成。實(shí)現(xiàn)基于信息物理交互的AIM，首先需建立建筑算法交互體系框架，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)學(xué)中的熱插拔（Hot Swapping）概念，AIM將通過特定的接口方式進(jìn)行各建筑活動(dòng)間的算法交互組合，如建筑信息按結(jié)構(gòu)化類型集成于BIM模型，建筑算法按一定的結(jié)構(gòu)化層級(jí)進(jìn)行架構(gòu)。確立建筑算法交互體系框架后，逐步開發(fā)各子模塊算法內(nèi)容，將建筑活動(dòng)相關(guān)的過程、方法、經(jīng)驗(yàn)等算法化。最終實(shí)現(xiàn)由集成信息模型IIM向算法交互模型AIM的轉(zhuǎn)化，由建筑算法模型（Building Algorithmmodeling，BAM）代替BIM成為更高層級(jí)的信息模型形態(tài)。

4.3 基于BAM的工作模式變革

面對(duì)信息物理交互產(chǎn)生的海量信息，基于建筑信息人工創(chuàng)建與加工的信息技術(shù)體系無疑將成為BIM技術(shù)升級(jí)的瓶頸。參考制造業(yè)“機(jī)械化-自動(dòng)化-智慧化”的發(fā)展歷程，推動(dòng)“人-信息模型-物理實(shí)體”相交互的算法化將實(shí)現(xiàn)建筑技術(shù)體系的深化變革，最終形成適用于建筑工業(yè)4.0的形態(tài)。建筑信息由信息集成化向算法交互化轉(zhuǎn)變將進(jìn)一步減少建筑活動(dòng)中的人為干預(yù)，但并不意味著降低人的作用。建筑從業(yè)人員的主要工作將由直接的信息創(chuàng)建轉(zhuǎn)化為間接的邏輯創(chuàng)建，將其對(duì)建筑活動(dòng)相關(guān)的流程、方法、經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)能力的理解通過算法形式固定下來，形成如BIM族庫(kù)一樣的資源庫(kù)形態(tài)。初期的算法化過程更多依賴人工編寫算法邏輯，但隨著AI和云處理技術(shù)自身發(fā)展及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用普及，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度理解的智能化算法技術(shù)將逐步減少人工算法開發(fā)的工作量，未來建筑活動(dòng)中人的工作更多的是參與決策判斷和規(guī)則制定。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)由信息集成化向算法交互化的轉(zhuǎn)變不僅是建筑信息技術(shù)的迭代，更是建筑行業(yè)運(yùn)作模式的深刻變革。向其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和理念學(xué)習(xí)將有助于建筑信息技術(shù)的未來發(fā)展，基于信息物理交互的BIPIS踐行了這一理念。以AIM為核心實(shí)現(xiàn)的算法交互架構(gòu)將為下一代信息技術(shù)奠定基礎(chǔ)，以數(shù)字化三維形態(tài)推進(jìn)BIM技術(shù)發(fā)展成為基于自動(dòng)智慧化算法的新一代信息技術(shù)，最終將實(shí)現(xiàn)信息化背景下包括技術(shù)體系、行業(yè)組織和運(yùn)營(yíng)機(jī)制在內(nèi)的建筑行業(yè)整體轉(zhuǎn)型。