崔巍文，張弘，陳泓宇

0 引言：研究背景

信息時代的到來改變了建筑師的設計思想與技術方法，隨著虛擬空間與現(xiàn)實空間的碰撞，“信息”生產與“物質”生產的矛盾加劇，以在場活動為基礎的建造經驗也受到挑戰(zhàn)，顯現(xiàn)出建造成果與設計意圖難以契合的現(xiàn)實問題。如何在“信息—物理”二元時空場域中構建設計與建造協(xié)同關系，如何保障建筑信息的高質量傳輸是關乎建筑業(yè)信息化轉型的重要議題。

已有的建筑信息研究圍繞理論與技術兩條脈絡展開。在建筑信息理論方面，國外學者側重探究數(shù)字信息技術驅動下的新型城市肌理、建筑形態(tài)及社會關系變化趨勢。早期以美國麻省理工學院教授尼古拉斯·尼葛洛龐帝（Nicholas Negroponte）與威廉·米歇爾（William John Mitchell）為代表，強調將“比特”視為觀察世界的基本粒子[1-2]。近年南加州大學本杰明·布萊頓（Benjamin Bratton）教授提出“堆?！崩碚摚该饕詳?shù)據(jù)云及平臺為核心的技術生態(tài)結構正在重塑人類活動場所的營建秩序[3]。國內學者中，清華大學秦佑國教授團隊則于21 世紀初提出計算機集成建筑系統(tǒng)（CIBS）構想[4]，在系統(tǒng)架構上體現(xiàn)信息集成的關鍵理念。過往對建筑信息媒介、信息表達、信息應用方法的研究積累[5-7]，也共同推動了理論體系建構的起步。在建筑信息技術方面，伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）1963 年發(fā)表博士論文[8]，展示了最早的計算機圖形交互系統(tǒng)（圖1）。隨后以Autodesk、IBM 等大型軟件公司為主導研發(fā)的CAAD 技術體系占據(jù)主流市場沿用至今。此外，查爾斯·伊斯曼（Charles M.Eastman）教授在1974 年提出BDM 系統(tǒng)（Building Description System）[9]，也就是BIM 技術前身。由于BIM 技術兼顧信息理論、繪圖實操、開發(fā)擴展等特點，吸引了諸多跨學科學者關注，如軟件工程聚焦BIM 標準研究[10]、土木工程側重BIM 信息集成與管理研究[11]、建環(huán)專業(yè)專注BIM 性能模擬研究[12]。綜上，建筑行業(yè)已具備以CAAD 與BIM 技術為基礎的信息交互環(huán)境，但各研究專題之間關聯(lián)薄弱，缺乏切實指導設計與建造協(xié)同實踐的理論方法。因此，本研究以實際建造項目為例，挖掘設計與建造協(xié)同中的信息問題表征，通過引入經典信息論，探究制約設計信息與建成信息匹配的條件與要素，提出多維信息技術工具輔助下的協(xié)同路徑。

1 1963年伊凡·蘇澤蘭在TX-2屏幕中使用Sketchpad系統(tǒng)繪制虛擬信息圖形，引自參考文獻[8]

1 基于實驗案例的建筑信息失真問題辨識

研究團隊選取適宜全面測度的小型既有建筑改造項目為實例樣本，聚焦以設計方與施工方為信息傳遞主體的協(xié)同環(huán)節(jié)，提取其建筑信息的傳輸問題表征。實驗案例位于南京市高淳區(qū)高崗村（圖2），場地原址為村民住房，共1 層，磚木結構，建筑面積97.57m2。改造的總體功能定位為面向公眾提供咖啡、茶室等餐飲休憩場所。改造方案結合了對既有建筑結構狀態(tài)的勘測評估，在主體建筑內部置入新的輕型鋼結構體系，外部還原傳統(tǒng)民居風貌，凸顯“毛石—紅磚—白墻”的地域特色。西側拆除廢棄耳房，運用現(xiàn)澆結構、金屬挑檐板、大面積玻璃凸窗等現(xiàn)代工法突出空間透明性，加強東西兩側的鮮明對比，使新建體量與傳統(tǒng)老屋相映成趣。

2 南京市高淳區(qū)高崗村11號樓實驗案例a-改造前建筑外觀b-改造后建筑外觀c-改造中建筑室內d-改造后建筑室內

項目從初步設計到建成運營歷時近一年，采用的研究方法有實地調查、施工日志記錄、半結構化訪談等。總體上，由于期望的協(xié)同目標是使建造現(xiàn)場的實際建成信息逐步累積至實現(xiàn)對全部虛擬設計信息的還原，因此研究關鍵在于識別歷次信息傳輸過程中輸入與輸出呈現(xiàn)差異的失真情形，進而廓清制約設計信息與建成信息達成最優(yōu)匹配的影響因素。如表1 所示，研究對實例產生的信息問題進行歸納，并依據(jù)表現(xiàn)形式的不同將信息失真分為信息錯誤、信息缺項、信息損失、信息冗余4 種類型，分別對應信息的準確性、完整性、保真性、簡潔性特征。

表1 實驗案例反映的項目各階段信息問題及類型，崔巍文 繪制

信息錯誤和信息缺項是實驗案例中發(fā)生頻率相對更高的問題表現(xiàn)。信息錯誤包含了信息不正確、偏差、誤傳與誤解等情形，集中反映在與設計圖紙有關的繪制、校核、修改環(huán)節(jié)，最終往往能通過正確的圖紙信息更新來予以解決。突出的信息錯誤之一是設計方內部建筑、結構、水暖電等子專業(yè)的設計交互，由于信息源頭離散、信息鏈條盤錯，不可避免地產生自然傳輸損耗，尤其是在判別具有豎向關聯(lián)的構件幾何信息時容易出現(xiàn)標識或對位錯誤。另一種典型的信息錯誤源于設計疏漏或某些圖形、符號自身的意義偏差，導致信息接收方的誤解。例如，照明開關圖中的插座、開關或燈具位置不當，設備說明與布置圖符號不吻合等。信息缺項問題則處于長期被忽視的狀態(tài)，其重點在于建成信息的缺位。比如，場地調研階段無法一次性全面采集既有建筑的細部信息和室外景觀信息，所以在設計過程中發(fā)生過多次遠程溝通，依靠當?shù)厝藛T的幫助完成信息補測。再如，施工方未能及時將關鍵施工條件的變化反饋至設計端，因之產生的標高問題需要系統(tǒng)梳理圖紙，檢查修改與高度相關的機電、門窗、家具信息才避免碰撞。

對于發(fā)生頻率較少的信息損失和信息冗余現(xiàn)象，前者具有一定隱蔽性，如磚磨石地面樣式的刪減、氣窗形狀的簡化等是在信息傳輸末端經由施工人員轉譯而導致的設計信息損失，假使沒有設計方的駐場介入，這些細節(jié)元素的變化就難以得到同施工質量相同程度的關注；后者指涉的冗余主要體現(xiàn)在圖紙表達層面，對于有經驗的施工人員而言，常規(guī)的建造工法已熟記于心，讀圖時更加偏重對結構、設備等難點信息的提取，而對于工作經驗尚淺或未學習過相關識圖知識的工匠，則需要對工程圖紙進行大量簡化，去除過于抽象的符號表示。

實例表明，雖然項目參與方依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范完成標準的圖紙表達和施工組織工作，但信息失真仍是無法避免且高度頻發(fā)的協(xié)同難題。失真現(xiàn)象的特性在于難以借助先驗知識提前由設計或施工人員預判，一般需在指定信息傳輸完成后或建設條件變更時才易于被主觀經驗所辨識，由此導致信息糾錯時機的滯后，更造成項目周期的延長或停滯。另外，對比設計與施工兩類信息主體對傳輸效果的影響，可以發(fā)現(xiàn)設計方作為虛擬設計信息的主要創(chuàng)建者和管理者，具備了提供更多能動策略的可能性。

2 影響信息協(xié)同質量的傳輸過程機制解析

基于實驗案例考察的上述信息失真問題能夠推演至更為廣泛的現(xiàn)狀建設活動，究其原因是在數(shù)字信息技術的作用下建筑信息已成為不可或缺的基礎生產要素。信息傳輸?shù)谋Ｕ娑仍礁呔驮侥軓浐咸摂M空間與物理空間的連接壁壘，反之，信息協(xié)同的低效失真也將對建設項目的建成品質起到抑制作用。為探明信息失真的原理和規(guī)律，研究引入經典通信模型理論，通過對信息要素和結構的解析構建建筑信息傳輸流轉機制。

2.1 信息傳輸要素與流轉結構模式

經典通信模型由美國貝爾實驗室研究員克勞德·香農（C.E.Shannon）于1948 年提出[13]，模型揭示了通信的實質過程，即信息在信源與信宿之間傳遞，經過信道載體和多重介質的轉譯，構成完整信息通路（圖3）。其后，香農模型不僅在通信工程學，也在計算機與電子工程、生物學、傳播學等研究領域中得到應用，進一步驗證信息傳輸?shù)暮诵男阅堋行耘c可靠性，取決于信源與信道特性、編碼與譯碼方法，以及允許的失真邊界。

3 一般通信系統(tǒng)示意，引自參考文獻[13]

由于保障建筑信息準確、穩(wěn)定、無損的傳輸是建設項目協(xié)同的關鍵，因此香農信息理論在解析建筑信息傳輸要素及其作用結構方面具備了適用性和可解性。基于此，建設活動也展現(xiàn)出更高層級的協(xié)同結構，隨著項目階段的推進，信息總量、信息復雜度及信息精度不斷提升，信息交互的頻率和路徑節(jié)點亦呈增長態(tài)勢，多端網狀的建筑信息傳輸結構成為造成失真的第一重系統(tǒng)性因素。從全局來看，建筑信息流向雖然表現(xiàn)出由上游設計工種向下游施工工種單向度傳輸建設指令的顯性特點，然而實質的信息交互可能發(fā)生在項目進程的任意節(jié)點，信息的發(fā)送與接收遍及項目各方角色。一旦發(fā)生信息失真，信息逆流的概率增大，初始作為信源的設計人員將在建造階段服務于由施工方或業(yè)主方承擔的新信息協(xié)同中樞，來自施工現(xiàn)場的反饋、咨詢或變更信息持續(xù)、間斷地逆向傳輸，直至完成建成信息與設計信息的匹配。這種正、逆雙向信息交互下的非穩(wěn)定協(xié)同中樞為保真效果帶來了第二重系統(tǒng)性難點。此外，建筑信息傳輸?shù)男诺?、編譯與噪聲結構也在不同程度上對協(xié)同結果產生影響。

2.2 信道：工程圖紙的特性約束

信道是存儲和傳遞信息的媒介，一份文本、一張照片、一段視頻承載的信息容量各有不同，有線電纜與無線電波傳播的距離也大相徑庭，每種信道的特性決定了信號形態(tài)、傳輸速率、通信距離，還有傳輸準確度。在古代工匠營建模式中，建筑信息以聲音和口語為信道介質，以建造現(xiàn)場為傳輸范圍，實時開展工匠間面對面的信息交互，即使出現(xiàn)信息失真的問題，也能及時在現(xiàn)場作出處理。紙張媒介成熟應用以來，依托工程圖紙為信道的建筑信息傳輸模式顯著提高了信息容量，文字、圖形、符號等多種信息形態(tài)集成存儲于一套藍圖，大幅降低了傳輸成本。紙張的物理空間可傳遞性和不可更改性又為傳輸距離的擴大提供可能，施工方按圖紙施工即可完成基本建造，建筑師也由此解放了現(xiàn)場工作。然而，在如今數(shù)字信息技術的沖擊下，工程圖紙的信道極限已開始顯露。一方面，建筑信息的本體范疇不再局限于與設計方案相關的幾何、材質、顏色或位置信息，而是包含了策劃、設計、生產、建造、運維的全生命期各項數(shù)據(jù)信息。使用靜態(tài)且有限的圖紙媒介承載部分建筑物理環(huán)境信息已是挑戰(zhàn)，更無法對全部建筑信息進行有效傳遞；另一方面，現(xiàn)行工程圖紙難以應對建成信息的缺位挑戰(zhàn)。借助手機與電腦通信設備的普及，越來越頻繁的施工現(xiàn)場逆向反饋成為設計方與施工方需要投入精力處理的常態(tài)工作，繁復的信息比對、校核、修改進程導致項目時間的延長與成本的升高。

2.3 編譯：建筑信息的離散關聯(lián)

信息的編碼和譯碼是通訊的必要環(huán)節(jié)，其實質是按照一定規(guī)則對初始消息進行變換和還原，以便在特定信道中壓縮冗余信息，獲取最大化可靠傳輸。常見的如字母表、詞典、二進制編碼等，都是信息映射規(guī)則。設計與施工的信息交互則以建筑制圖標準為通用密碼本，依照設計專業(yè)的類別對建筑信息進行第一層分類編碼，各專業(yè)內部又依據(jù)不同的信息維度構建子層級信息結構。例如，建筑專業(yè)在方案階段以3 維空間作為信息編碼對象，在施工圖階段以平、立、剖三視圖的方式繪制2.5 維信息成果；設備專業(yè)在傳統(tǒng)上基本以2 維信息為主導，始終以平面視圖為對象完成信息處理工作，各專業(yè)的信息維度和信息表達差異不僅容易導致信息丟失，還對施工方的譯圖工作造成困難。例如，當施工人員想要查閱一個帶有預埋筒燈的混凝土樓面施工工法時，他將需要翻找建筑圖、結構圖、電氣圖、物料表等多張圖紙，才能拼湊出該做法的完整信息圖景?？梢?，現(xiàn)行建筑信息的編碼規(guī)則采用離散、靜態(tài)的信息關聯(lián)結構，既不同于《營造法式》對建造工法的表達偏向，也還未展露出對時下機械臂打印等新興智能設計與建造的信息協(xié)同潛能。

2.4 噪聲：人為中介的主觀干擾

實際建設項目在人為噪聲的影響下很難達到理想的信息無損傳輸期望值，人不僅是信息發(fā)送與接收的對象，還是將自身化作編譯機器影響信息處理進程的內在媒介，其主觀意識經驗容易對傳輸?shù)那逦群瓦€原度產生噪聲干擾。以調研與方案階段為例，設計方的工作一旦開始，建筑信息就即將面臨衰減或過濾的可能。一次信息衰減顯見于既有建筑的數(shù)字化建?；顒樱O計人員在工業(yè)化經驗主導下，自然而然地簡化天然材質的不規(guī)則形態(tài)、忽視手工營建的非模數(shù)化尺寸，造成設計方案的信息偏差。二次信息衰減發(fā)生在多專業(yè)配合時出現(xiàn)的施工圖紙信息錯誤、缺項等情形，雖然通過內部圖紙質量審查的方法能夠提早排查問題，但偏差、遺漏等小的粗糙問題仍會偶發(fā)，并在建造過程中累積放大。施工方的讀圖、譯圖能力也容易導致信息失真，圖4 所示為實驗案例中施工人員錯把圖紙的門洞口看成窗洞口，直至設計駐場人員發(fā)現(xiàn)這一信息誤讀情況才得以糾正。因此，無論是設計方還是施工方都需要具備專業(yè)的知識儲備和豐富的實踐經驗，才能盡可能地降低對信息傳輸?shù)闹饔^干擾。

4 施工員將門洞口錯誤看成窗洞口

3 依托多維數(shù)字信息技術工具的協(xié)同方法

借助信息論方法的研究分析表明，信息失真是設計與建造協(xié)同過程中固有的通信屬性，但現(xiàn)行的工程圖紙信道、弱關聯(lián)的建筑信息組織結構，以及以人為媒介的轉譯干擾，進一步降低了建筑信息傳輸效率，造成遍布建設項目各階段的信息錯誤、缺項、損失、冗余種種問題。在如今萬物互聯(lián)的爆炸式信息交互需求下，工業(yè)技術催生的建筑信息傳輸系統(tǒng)已接近響應極限，研究擬結合近年涌現(xiàn)的多維數(shù)字信息技術，提出媒介工具、表達范式、技術流程3 個方面的優(yōu)化協(xié)同策略以供討論。

3.1 拓寬信息媒介種類

用于采集、處理、交換建筑信息的媒介工具能夠徹底改變對建設項目的觀測范圍與觀測精度，正如馬歇爾·麥克盧漢（Marshall McLuhan）在《理解媒介》（Understanding Media: The Extensions of Man）一書所述，媒介的差異重塑了人類對事物結構的認知視角[15]。新興技術工具如便攜式攝影設備、高清晰度監(jiān)控攝像設備、三維激光掃描設備、傾斜攝影測量設備等，具有全局信息采集視野和高清晰度、高顆粒度的采集能力，可以將現(xiàn)實空間信息準確映射至虛擬空間，大幅降低以往人工測繪帶來的信息失真干擾。來自增強現(xiàn)實技術的發(fā)展也為信息校核提供幫助，通過在建造現(xiàn)場直觀比對設計模型與真實空間差異，有望節(jié)約信息交互成本。在總結數(shù)字化設備工具類型和特點的基礎上，研究團隊與行業(yè)單位聯(lián)合編制《建筑逆向技術應用標準》（T/CECS 1258-2023，表2），制定了針對場地測繪、建筑測繪、構件檢測、變形監(jiān)測4 類典型應用場景的信息精度等級要求，以期在工程技術標準的紐帶下銜接信息理論與媒介技術。

表2 建筑逆向信息精度等級，引自參考文獻[16]

3.2 優(yōu)化信息表達范式

以計算機為核心介質的信道模式在信息容量和信息傳輸速率上均體現(xiàn)出遠超紙質媒介的傳輸優(yōu)勢，相應的建筑信息組織結構與表達形式也就具備了升級轉型條件。首先，信息增補策略的介入將有助于彌補因媒介轉換帶來的信息損耗。如圖5 所示，研究團隊在實驗中嘗試增補三維空間軸測信息與圖形色彩信息，有效幫助施工人員快速理解設計意圖。類似的表達范式實際上已是建筑師在計算機視窗中熟悉并擅長的，但由于工程藍圖的信息轉換導致虛擬空間的多重信息維度驟然坍塌，降低了信息的可讀性。其次，建立具有空間維度和時間維度關聯(lián)的頂層編譯規(guī)則也將織補分離的圖紙信息。依托對重難點施工工法的信息重構，如添加構件單元信息、組裝時序信息、物料屬性信息等，有利于提高設計圖紙與現(xiàn)場施工的時空契合度，減少信息的失真衰減。

5 基于現(xiàn)行表達規(guī)范增補輔助圖紙信息a-按照施工時序邏輯表達的樓梯設計方案b-增補三維軸測視圖的室內空間設計方案4.5引自參考文獻[14]

3.3 搭建信息交互框架

研究考察的建筑信息失真現(xiàn)象表明實際項目距離實現(xiàn)真正的信息物理融合環(huán)境仍有差距，但信息過載的負擔已滲透至建筑師工作界面，筆者團隊在高淳案例中時而疲于應對每日的現(xiàn)場協(xié)調需求，時而又因未接收到某些局部進展的反饋，導致糾錯時機的延誤。應對當下更高的質量管理和溝通時效要求，優(yōu)化設計與施工的信息交互框架已成題中之義。一方面，通過逐步積累建立建筑信息協(xié)同數(shù)據(jù)庫，掌握失真問題的發(fā)生環(huán)節(jié)、產生動因、問題程度和應對方法，將為信息交互節(jié)點、信息內容和信息深度的制定提供事實依據(jù)；另一方面，借助外業(yè)掃描設備與內業(yè)建模軟件等數(shù)字信息技術工具的聯(lián)動，建立自動反饋與糾錯機制，減少以人為媒介的作業(yè)成本與傳輸誤差，也將切實推動設計信息與建成信息的雙向高保真度流動。