關于BIM技術由信息集成化向算法交互化轉變的構想＊

文/清華大學建筑學院 韓冬辰 張 弘 林正豪 朱 寧

韓冬辰，清華大學建筑學院博士研究生

張 弘，清華大學建筑學院黨委副書記，副教授，博士生導師

林正豪，清華大學建筑學院博士研究生

朱 寧，清華大學建筑學院講師

1 研究背景

建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）作為現階段實現建筑全生命周期各參與方之間信息無障礙流動的關鍵技術，目前雖已被廣泛應用于AEC（Architecture, Engineer and Construction）各個領域，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用。目前BIM技術研究圍繞應用層面的信息傳遞、集成、展示等問題，從軟件接口架構、技術應用方法、規范導則制定等方面展開。

對比已開啟工業革命4.0的制造業、通信業等信息技術高度發達的行業，以BIM為代表的建筑信息化技術無疑是落后的。基于信息物理系統CPS（Cyber-physical System）技術體系的工業4.0將實現以智慧化、柔性化、物聯化為目標的產品和服務生產模式，其中人工智能、云處理、大數據、物聯網等信息技術將起到重要作用（見圖1）。算法正是這一切信息技術的研究核心，如查克·伊斯特曼（Chuck Eastman）教授在BIM概念建立時，參考制造業的產品信息模型（Product Information Modeling，PIM）技術一樣，信息技術發達行業的眾多技術概念對建筑信息技術的未來設想有較大啟示。本文從信息學視角出發，以基于信息物理交互概念的算法交互模型AIM為設想可能，探討BIM技術未來發展趨勢。

圖1 以人工智能、云處理、大數據等技術為支撐的工業4.0

2 信息學視角下的建筑信息流動闡述

2.1 基于香儂信息傳遞模型闡述BIM信息傳遞架構

1949年，香儂和韋弗提出了有關信息傳遞的數學模型：即由信源發出信息（表現為某種信息，可為符號或信號，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、存儲和處理信號的媒介）傳遞給信宿（信息接受者，如人或機器），過程中經過去噪（去除信息傳遞中的干擾）和譯碼處理（對信息進行與編碼相反的變換過程）后完成信息流動（見圖2）。

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

2.2 建筑信息流動性與信息應用層級

控制論的創始人維納認為：信息是獨立于物質和能量外構成現實世界的另一要素。剝離建筑的物質和能量屬性，信息貫穿于建筑全生命周期始末，是串聯物質和能量活動的關鍵。建筑信息在建筑活動的各階段各參與方間流動，其流動的范圍、速度、復用次數等決定了建筑信息的應用強度，故可將建筑信息的流動性作為信息應用層級的評價指標之一。

手工繪圖和計算機輔助制圖CAD（Computer Aided Drawing）時代的建筑信息應用強度無疑是低下的，基于二維圖紙的較低信息流動性集中表現于建筑活動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技術為核心的建筑信息技術時代，基于三維模型的技術應用將信息流動性提升至較高高度，核心方法是首先實現建筑信息的集成化，再實現基于完整建筑信息數據庫的高層級信息應用。

圖2 香儂信息傳遞模型

表1 香儂信息傳遞模型與BIM信息傳遞架構的類比

圖3 以IIM為核心的CIBIS整體架構構想

集成信息模型（Information Integrated Model，IIM）早于建筑信息模型對建筑信息的集成化進行了理論闡述，由此建立計算機集成建筑信息系統（Computer Integrated Building Information System，CIBIS）作為建筑信息集成表達技術的系統表述（見圖3）。隨著BIM技術的深化普及應用，建筑業的技術體系乃至運作模式并未出現如制造業一樣的革命性變化。在實際操作層面，建筑信息傳遞障礙仍存在，集中表現于建筑各專業無法共同創建并維護同一建筑信息源，而是各自獨立創建BIM模型。以不同建筑活動為基礎的BIM模型無法實現基于同一建筑信息源的無障礙信息協同，建筑信息流動性未超越專業層面上升至全產業鏈層面。筆者通過在CIBIS基礎上構建建筑信息物理交互方法系統（Building Information-physics Interaction System，BIPIS），創新性地引入建筑物理實體，將其作為唯一建筑信息源的重要組成部分，解決因各參與方獨立建模造成的信息割裂，進一步提升未來BIM技術的信息應用層級。

3 基于信息物理交互的建筑信息技術方法系統架構

3.1 BIPIS概念簡介

BIPIS概念來源于制造業工業4.0核心方法論的信息物理融合系統（Cyber-Physical System，CPS）思想（見圖4），旨在通過建筑信息模型（以BIM為技術手段和實施過程建立的建筑屬性信息載體）和建筑物理實體（泛指建筑活動中出現的具有物質屬性的實體）之間的融合實現建筑正向信息流動（由信息模型指向物理實體的信息傳遞方式）和建筑逆向信息流動（由物理實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最終成果，即建筑物理實體的信息化，將其與BIM模型實現分階段乃至實時的協同交互，BIPIS將“信息”和“物理”結合為中間數據庫，是作為各參與方的BIM模型進行無障礙信息傳遞的唯一建筑信息源。

圖4 CPS的運行方式

3.2 BIPIS整體架構

BIPIS的整體架構分為基礎理論層、系統架構層和機制運行層3個系統層級：①基礎理論層由建筑信息循環機制和信息分類與關聯方法構成，兩者分別從面向建筑活動的宏觀動態角度和面向建筑構件的微觀靜態角度出發，建立針對建筑信息的描述方法；②系統架構層作為BIPIS的方法系統核心，由感知-計算-通信-決策-控制等子系統構成，用于建構適合于各階段各參與方建筑活動的完整正向及逆向信息回路；③機制運行層作為BIPIS的應用實施策略，內容主要包括基于信息物理交互的行業運作模式、具體技術實施方法和規范導則制定等，主要適用于技術實踐層面。信息物理交互將超越信息模型間的信息傳遞層級，將建筑物理實體作為核心，實現多BIM模型的信息交互協同。

BIPIS所追求的“信息”與“物理”交互融合將會對現有BIM技術條件下的硬件設備和軟件平臺帶來不小的考驗，也會對建筑從業人員的信息技術應用水平和信息化理解能力提出更高要求。BIPIS對信息流動的需求超過BIM技術的信息應用層級，現行BIM技術已無法滿足BIPIS的系統架構，故筆者提出基于信息物理交互實現BIM技術由信息集成化向算法交互化的轉變構想，以期為未來信息物理融合的建筑業運作模式變革奠定基礎。

4 由信息集成化向算法交互化轉變的構想

4.1 建筑活動算法化

算法概念來源于數學和計算機學科，指對解題方案準確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，代表著用系統方法描述解決問題的策略機制。算法包括有窮性、確切性、輸入項、輸出項、可行性等特征，其核心思想是建構解決目標問題的邏輯。邏輯的基本表現形式是命題與推理，命題即目標問題，推理即依據分析和判斷推導得出命題的結論過程。

與建筑活動相關的算法研究由來已久。無論是面向建筑形態和空間創造的生成式設計算法還是面向建筑工程應用的有限元分析計算，均已以獨立軟件或第三方插件API（Application Program Interface）的形式融入建筑從業人員的信息化技術工具體系中。與此同時，在設計、交付、管理等相關建筑活動中，許多表現為體力勞動或低強度腦力勞動的重復性工作仍采用人工方式處理，如車庫設計的車位排布、設計方案的規范排查、不同軟件間的報表轉換等活動內容，輸入端信息變化意味著此建筑活動的重復進行，耗時且易錯。非算法化的重復性信息處理活動往往是低效的，這嚴重阻礙了建筑從業人員的業務能力發揮。

建筑活動算法化思想的實質是從建筑全產業鏈各階段各參與方的建筑活動中抽象出其內在的邏輯關系，利用算法實現由前端信息輸入控制末端信息生成的全程自動化建筑信息流。隨著可視化編程技術的發展，算法開發的門檻正不斷降低。建筑活動從業人員針對相關業務的算法開發將成為今后建筑活動的主體，而針對項目的實際應用以及重復性修改等將由建筑活動算法完成。

4.2 建筑算法交互模型設想

算法活動貫穿于整個建筑工程始末，帶來的不僅是建筑信息量幾何級數的增加，還有更復雜的信息交換模式架構。設想未來建筑從業人員由目前通過BIM技術應用轉變為通過建筑活動算法開發來實現相關業務工作，意味著建筑信息化技術工具和方法流程的變革，同時也是信息應用層級的突破。為應對以建筑活動算法開發為主的全新工作模式帶來的信息處理問題，筆者基于BIPIS構建設想了建筑算法交互模型的概念。

算法交互模型（Algorithm Interact Model，AIM）的實質是建筑活動算法進行協同工作的框架模式，以建筑活動算法為驅動單元，以交互為核心關鍵動作，將BIPIS系統打造為一個建筑活動邏輯的架構集成。實現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，如計算機系統學中的熱插拔（Hot Swapping）概念，AIM將通過特定的接口方式進行各建筑活動間的算法交互組合，如建筑信息按結構化類型集成于BIM模型，建筑算法按一定的結構化層級進行架構。確立建筑算法交互體系框架后，逐步開發各子模塊算法內容，將建筑活動相關的過程、方法、經驗等算法化。最終實現由集成信息模型IIM向算法交互模型AIM的轉化，由建筑算法模型（Building Algorithmmodeling，BAM）代替BIM成為更高層級的信息模型形態。

4.3 基于BAM的工作模式變革

面對信息物理交互產生的海量信息，基于建筑信息人工創建與加工的信息技術體系無疑將成為BIM技術升級的瓶頸。參考制造業“機械化-自動化-智慧化”的發展歷程，推動“人-信息模型-物理實體”相交互的算法化將實現建筑技術體系的深化變革，最終形成適用于建筑工業4.0的形態。建筑信息由信息集成化向算法交互化轉變將進一步減少建筑活動中的人為干預，但并不意味著降低人的作用。建筑從業人員的主要工作將由直接的信息創建轉化為間接的邏輯創建，將其對建筑活動相關的流程、方法、經驗等技術能力的理解通過算法形式固定下來，形成如BIM族庫一樣的資源庫形態。初期的算法化過程更多依賴人工編寫算法邏輯，但隨著AI和云處理技術自身發展及其在建筑領域的應用普及，基于機器學習和深度理解的智能化算法技術將逐步減少人工算法開發的工作量，未來建筑活動中人的工作更多的是參與決策判斷和規則制定。

5 結語

BIM技術由信息集成化向算法交互化的轉變不僅是建筑信息技術的迭代，更是建筑行業運作模式的深刻變革。向其他行業的先進技術和理念學習將有助于建筑信息技術的未來發展，基于信息物理交互的BIPIS踐行了這一理念。以AIM為核心實現的算法交互架構將為下一代信息技術奠定基礎，以數字化三維形態推進BIM技術發展成為基于自動智慧化算法的新一代信息技術，最終將實現信息化背景下包括技術體系、行業組織和運營機制在內的建筑行業整體轉型。