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基于信息论视角的建筑设计与建造协同方法研究Research on Collaborative Methods of Architectural Design andConstruction Based on the Perspective of Information Theory崔巍文，张弘*，陈泓宇CUIWeiwen,ZHANG Hong*,CHEN Hongyu摘要：本文以香农经典通信模型为原点，重新考察虚拟空间介入建筑活动场域以来的建筑信息传输特点，通过高淳实例探究设计与建造协同过程中的信息失真问题表现，明析结构模式、信道、编译、噪声多重因素影响下的建筑信息传输过程机制，提出以多维数字信息技术工具为调控方法的协同路径，为适应信息物理融合环境提供参考。Abstract:Taking Claude Shannons classic communication model as the starting point,the characteristics ofarchitectural information transmission since virtual space intervened in the field of architectural activitiesare re-examined,the information distortion problem in the process of design and construction collaborationis explored through Gaochuns example,the mechanism of building information transmission process underthe influence of multiple factors of structural pattern,channel,compilation and noise is analysed,and acollaborative path with multi-dimensional digital information technology tools as the control method isproposed to provide reference for adapting to the cyber-physical fusion environment.关键词：设计与建造，建筑信息流，信息传输，信息失真，信息物理融合Keywords:design and construction,building jnformation flow,information transmission,informationdistortion,cyber-physicalfusion崔巍文B.1993，清华大学博士研究生CUIWeiwenB.1993,PHD.Candidate,TsinghuaUniversity张弘*（通讯作者）B.1977，清华大学博士清华大学副教授ZHANG Hong*(CorrespondingAuthor)B.1977,PHD.,TsinghuaUniversityAssociateProfessor,TsinghuaU陈泓宇B.1997，清华大学硕士中国建筑西南设计研究院有限公司助理工程师CHENHongyuB.1997,Master,TsinghuaUniversityAssistantEngineer,China SouthwestArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.国家自然科学基金项目批准号：52 0 7 8 2 6 5定稿日期：2 0 2 3-0 6-130引言：研究背景信息时代的到来改变了建筑师的设计思想与技术方法，随着虚拟空间与现实空间的碰撞，“信息”生产与“物质”生产的矛盾加剧，以在场活动为基础的建造经验也受到挑战，显现出建造成果与设计意图难以契合的现实问题。如何在“信息一物理”二元时空场域中构建设计与建造协同关系，如何保障建筑信息的高质量传输是关乎建筑业信息化转型的重要议题。已有的建筑信息研究围绕理论与技术两条脉络展开。在建筑信息理论方面，国外学者侧重探究数字信息技术驱动下的新型城市肌理、建筑形态及社会关系变化趋势。早期以美国麻省理工学院教授尼古拉斯尼葛洛庞帝（NicholasNegroponte）与威廉米歇尔（WilliamJohnMitchell）为代表，强调将“比特”视为观察世界的基本粒子 1-2。近年南加州大学本杰明布莱顿（Benjamin Braton）教授提出“堆栈”理论，指明以数据云及平台为核心的技术生态结构正在重塑人类活动场所的营建秩序 3。国内学者中，清华大学秦佑国教授团队则于2 1世纪初提出计算机集成建筑系统（CIBS）构想(4，在系统架构上体现信息集成的关键理念。过往对建筑信息媒介、信息表达、信息应用方法的研究积累5-，也共同推动了理论体系建构的起步。在建筑信息技术方面，伊凡苏泽兰（Ivan Sutherland）19 6 3 年发表博士论文 8，展示了最早的计算机图形交互系统（图1）。随后以Autodesk、IBM 等大型软件公司为主导研发的CAAD技术体系占据主流市场沿用至今。此外，查尔斯伊斯曼（CharlesM.Eastman）教授在19 7 4年提出BDM系统（BuildingDescription System）9，也就是BIM技术前身。由于BIM技术兼顾信息理论、绘图实操、开发扩展等特点，吸引了诸多跨学科学者关注，如软件工程聚焦BIM 标准研究10、土木工程侧重BIM信息集成与管理研究1、建环专业专注BIM性能模拟研究112。综上，建筑行业已具备以CAAD与BIM技术为基础的信息交互环境，但各研究专题之间关联薄弱，缺乏切实指导设计与建造协同实践的理论方法。因此，本研究以实际建造项目为例，挖掘设计与建造协同中的信息问题表征，通过引人经典信息论，探究制约设计信息与建成信息匹配的条件与要素，提出多维信息技术工具辅助下的协同路径。Theory1基于实验案例的建筑信息失真问题辨识研究团队选取适宜全面测度的小型既有建筑改造项目为实例样本，聚焦以设计方与施工方为信息传递主体的协同环节，提取其建筑信息的传输问题表征。实验案例位于南京市高淳区高岗村（图2），场地原址为村民住房，共1层，砖木结构，建筑面积9 7.57 m。改造的总体功能定位为面向公众提供咖啡、茶室等餐饮休憩场所。改造方案结合了对既有建筑结构状态的勘测评估，在主体建筑内部置人新的轻型钢结构体系，外部还原传统民居风貌，凸显“毛石一红砖一白墙”的地域特色。西侧拆除废弃耳房，运用现浇结构、金属挑檐板、大面积玻璃凸窗等现代工法突出空间透明性，加强东西两侧的鲜明对比，使新建体量与传统老屋相映成趣。项目从初步设计到建成运营历时近一年，采用的研究方法有实地调查、施工日志记录、半结构化访谈等。总体上，由于期望的协同目标是使建造现场的实际建成信息逐步累积至实现对全部虚拟设计信息的还原，因此研究关键在于识别历次信息传输过程中输人与输出呈现差异的失真情形，进而廓清制约设计信息与建成信息达成最优匹配的影响因素。如表1所示，研究对实例产生的信息问题进行归纳，并依据表现形式的不同将信息失真分为信息错误、信息缺项、信息损失、信息亢余4种类型，分别对应信息的准确性、完整性、保真性、简洁性特征。信息错误和信息缺项是实验案例中发生频率相对更高的问题表现。信息错误包含了信息不正确、偏差、误传与误解等情形，集中反映在与设计图纸有关的绘制、校核、修改环节，最终往往能通过正确的图纸信息更新来予以解决。突出的信息错误之一是设计方内部建筑、结构、水暖电等子专业的设计交互，由于信息源头离散、信息链条盘错，不可避免地产生自然传输损耗，尤其是在判别具有竖向关联的构件几何信息时容易出现标识或对位错误。另一种典型的信息错误源于设计疏漏或某些图形、符号自身的意义偏差，导致信息接收方的误解。例如，照明开关图中的插座、开关或灯具位置不当，设备说明与布置图符号不吻合等。信息缺项问题则处于长期被忽视的状态，其重点在于建成信息的缺位。比如，场地调研阶段无法一次性全面采集既有建筑的细部信息和室外景观信息，所以在设计过程中发生过多次远程沟通，依靠当地人员的帮助完成信息补测。再如，施工方未能及时将关键施工条件的变化反馈至设计端，因之产生的标高问题需要系统梳理图纸，检查修改与高度相关的机电、门窗、家具信息才避免碰撞。对于发生频率较少的信息损失和信息余现象，前者具有一定隐蔽性，如砖磨石地面样式的删减、气窗形状的简化等是在信息传输末端经由施工人员转译而导致的设计信息损失，假使没有设计方的驻场介人，这些细节元素的变化就难以得到同施工质量相同程度的关注；后者指涉的亢余主要体现在图纸表达层面，对于有经验的施工人员而言，常规的建造工法已熟记于心，读图时更加偏重对结构、设备等难点信息的提取，而对于工作经验尚浅或未学习过相关识图知识的工匠，则需要对工程图纸进行大量简化，去除过于抽象的符号表示。实例表明，虽然项目参与方依据现行规范完成标准的图纸表达和施工组织工作，但信息失真仍是无法避免且高度频发的协同难题。失真现象的特性在于难以借助先验知识提前由设计或施工人员预判，一般需在指定信息传输完成后或建设条件变更时才易于被主观经验所辨识，由此导致信息纠错时机的滞后，更造成项目周期的延长或停滞。另外，对比设计与施工两类信息主体对传输效果的影响，可以发现设计方作为虚拟设计信息的主要创建者和管理者，具备了提供更多能动策略的可能性。2影响信息协同质量的传输过程机制解析基于实验案例考察的上述信息失真问题能够推演至更为广泛的现状建设活动，究其原因是在数字信息技术的作用下建筑信息已成为不可或缺的基础生产要素。信息传输的保真度越高就越能弥合虚拟空间与物理空间的连接壁垒，反之，信息协同的低效失真也将对建设项目的建成品质起到抑制作用。为探明信息失真的原理和规律，研究引人经典通信模型理论，通过对信息要素和结构的解析构建建筑信息传输流转机制。2.1信息传输要素与流转结构模式经典通信模型由美国贝尔实验室研究员克劳德香农（C.E.Shannon）于19 48 年提出【13，模型揭示了通信的实质过程，即信息在信源与信宿之间传递，经过信道载体和多重介质的转译，构成完整信息通路（图3）。其后，香农模型不仅在通信工程学，也在计算机与电子工程、生物学、传播学等研究领域中得到应用，进一步验证信息传输的核心性能一一有效性与可靠性，取决于信源与信道特性、编码与译码方法，以及允许的失真边界。由于保障建筑信息准确、稳定、无损的传输是建设项目协同的关键，因此香农信息理论在解析建筑信息传输要素及其作用结构方面具备了适用性和可解性。基于此，建设活动也展现出更高层级的协同结构，随着项目阶段的推进，信息总量、信息复杂度及信息精度不断提升，信息交互的频率和路径节点亦呈增长态势，多端网状的建筑信息传输结构成为造成失真的第一重系统性因素。从全局来看，建筑信息流向虽然表现出由上游设计工种向下游施工工种单向度传输建设指令的显性特点，然而实质的信息交互可能发生在项目进程的任意节点，信息的发送与接收遍及项目各方角色。一旦发生信息失真，信息逆流的概11963年伊凡苏泽兰在TX-2屏幕中使用Sketchpad系统绘制虚拟信息图形，引自参考文献 8 2南京市高淳区高岗村11号楼实验案例a-改造前建筑外观b-改造后建筑外观c-改造中建筑室内d-改造后建筑室内率增大，初始作为信源的设计人员将在建造阶段服务于由施工方或业主方承担的新信息协同中枢，来自施工现场的反馈、咨询或变更信息持续、间断地逆向传输，直至完成建成信息与设计信息的匹配。这种正、逆双向信息交互下的非稳定协同中枢为保真效果带来了第二重系统性难点。此外，建筑信息传输的信道、编译与噪声结构也在不同程度上对协同结果产生影响。2.2信道：工程图纸的特性约束信道是存储和传递信息的媒介，一份文本、一张照片、一段视频承载的信息容量各有不同，有线电建筑理论3一般通信系统示意，引自参考文献 13 信源发送器信号消息噪声源表1实验案例反映的项目各阶段信息问题及类型，崔巍文绘制项目建设阶段信息问题描述接收器信宿接收的信号信息问题类型信息错误信息缺项信息损失信息几余消息场地调研阶段方案设计阶段施工图设计阶段与结构、电气、暖通、给排水、室内专业协调碰撞位置信息，平立剖面信息的一致性，以及楼板、墙身、散水等构造信息地基与基础阶段协调基础开挖条件主体结构阶段钢柱柱脚标高施工错误协调混凝土柱及楼板浇筑做法西侧一层墙体少开了一个门洞砖磨石地面打样试验反馈小包间楼板尺寸与预埋问题立面与围护阶段砌筑墙体勾缝质量问题现场标高、场地复尺的信息校核问题门窗效果图、门窗细节、门窗表信息问题增添物料表及选样信息气窗形状调整问题东侧窗户位置差异问题天窗和屋脊做法沟通室内装修阶段照明开关图重新绘制问题增添家具选样参考信息景观绿化阶段前院尺寸测量问题其他项目进度沟通问题备注：表示该问题发生的频数3 次，表示该问题发生的频数在1 3 次之间，表示该问题未发生缆与无线电波传播的距离也大相径庭，每种信道的特性决定了信号形态、传输速率、通信距离，还有传输准确度。在古代工匠营建模式中，建筑信息以声音和口语为信道介质，以建造现场为传输范围，实时开展工匠间面对面的信息交互，即使出现信息失真的问题，也能及时在现场作出处理。纸张媒介成熟应用以来，依托工程图纸为信道的建筑信息传输模式显著提高了信息容量，文字、图形、符号等多种信息形态集成存储于一套蓝图，大幅降低了传输成本。纸张的物理空间可传递性和不可更改性又为传输距离的扩大提供可能，施工方按图纸施工即可完成基本建造，建筑师也由此解放了现场工作。然而，在如今数字信息技术的冲击下，工程图纸的信道极限已开始显露。一方面，建筑信息的本体范畴不再局限于与设计方案相关的几何、材质、颜色或位置信息，而是包含了策划、设计、生产、建造、运维的全生命期各项数据信息。使用静态且有限的图纸媒介承载部分建筑物理环境信息已是挑战，更无法对全部建筑信息进行有效传递；另一方面，现行工程图纸难以应对建成信息的缺位挑战。借助手机与电脑通信设备的普及，越来越频繁的施工现场逆向反馈成为设计方与施工方需要投人精力处理的常态工作，繁复的信息比对、校核、修改进程导致项目时间的延长与成本的升高。2.3编译：建筑信息的离散关联信息的编码和译码是通讯的必要环节，其实质是按照一定规则对初始消息进行变换和还原，以便在特定信道中压缩亢余信息，获取最大化可靠传输。常见的如字母表、词典、二进制编码等，都是信息映射规则。设计与施工的信息交互则以建筑制图标准为通用密码本，依照设计专业的类别对建筑信息进行第一层分类编码，各专业内部又依据不同的信息维度构建子层级信息结构。例如，建筑专业在方案阶段以3 维空间作为信息编码对象，在施工图阶段以平、立、剖三视图的方式绘制2.5维信息成果；设备专业在传统上基本以2 维信息为主导，始终以平面视图为对象完成信息处理工作，各专业的信息维度和信息表达差异不仅容易导致信息丢失，还对施工方的译图工作造成困难。例如，当施工人员想要查阅一个带有预埋筒灯的混凝土楼面施工工法时，他将需要翻找建筑图、结构图、电气图、物料表等多张图纸，才能拼凑出该做法的完整信息图景。可见，现行建筑信息的编码规则采用离散、静态的信息关联结构，既不同于营造法式对建造工法的表达偏向，也还未展露出对时下机械臂打印等新兴智能设计与建造的信息协同潜能。2.4噪声：人为中介的主观干扰实际建设项目在人为噪声的影响下很难达到理想的信息无损传输期望值，人不仅是信息发送与接收的对象，还是将自身化作编译机器影响信息处理进程的内在媒介，其主观意识经验容易对传输的清晰度和还原度产生噪声干扰。以调研与方案阶段为例，设计方的工作一旦开始，建筑信息就即将面临衰减或过滤的可能。一次信息衰减显见于既有建筑的数字化建模活动，设计人员在工业化经验主导下，自然而然地简化天然材质的不规则形态、忽视手工营建的非模数化尺寸，造成设计方案的信息偏差。二次信息衰减发生在多专业配合时出现的施工图纸信息错误、缺项等情形，虽然通过内部图纸质量审查的方法能够提早排查问题，但偏差、遗漏等小的粗糙问题仍会偶发，并在建造过程中累积放大。施工方的读图、补测檐口、台阶、水沟等细节尺寸，梁、柱、屋顶的高度信息，柱开间的尺寸信息补测室外绿植的定位信息协调既有结构条件及改造结构的可行性OOOOOOOOOOTheory表2 建筑逆向信息精度等级，引自参考文献 16 精度等级特征点间距中误差（mm）中误差（mm）一等3二等15个M0820l4施工员将门洞口错误看成窗洞口5基于现行表达规范增补辅助图纸信息a-按照施工时序逻辑表达的楼梯设计方案b-增补三维轴测视图的室内空间设计方案4.5引自参考文献 14点位相对于临近控制点530三等50四等2005a应用场景场地测绘100250建筑测绘VV5b构件检测V变形监测VV译图能力也容易导致信息失真，图4所示为实验案例中施工人员错把图纸的门洞口看成窗洞口，直至设计驻场人员发现这一信息误读情况才得以纠正。因此，无论是设计方还是施工方都需要具备专业的知识储备和丰富的实践经验，才能尽可能地降低对信息传输的主观干扰。3依托多维数字信息技术工具的协同方法借助信息论方法的研究分析表明，信息失真是设计与建造协同过程中固有的通信属性，但现行的工程图纸信道、弱关联的建筑信息组织结构，以及以人为媒介的转译干扰，进一步降低了建筑信息传输效率，造成遍布建设项目各阶段的信息错误、缺项、损失、亢余种种问题。在如今万物互联的爆炸式信息交互需求下，工业技术催生的建筑信息传输系统已接近响应极限，研究拟结合近年涌现的多维数字信息技术，提出媒介工具、表达范式、技术流程3 个方面的优化协同策略以供讨论。参考文献1尼葛洛庞帝.数字化生存 M.胡泳，范海燕，译.海口：海南出版社，19 9 7.2米切尔.比特之城：空间场所信息高速公路 M.范海燕，胡泳，译.北京：生活读书新知三联书店，19 9 9.3BRATTONBH.Thestack:On SoftwareandSovereigntyM.Cambridge:TheMIT Press,2016.4秦佑国，韩慧卿，俞传飞.计算机集成建筑系统（CIBS）的构想 J.建筑学报,2 0 0 3(0 8)：41-43.5周正楠关于建筑传媒手段的思考 J.建筑学报，2000(09):45-47.6戴明.信息化进程中建筑设计的历史变迁 D.上海：同济大学,2 0 0 6.7韩冬辰.面向数字李生建筑的“信息-物理”交互策略研究 D.北京：清华大学，2 0 2 08SUTHERLANDIE.Sketchpad,aMan-MachineGraphical Communication SystemJ.Simulation(SanDiego,Calif.),1964,2(5):R-3-R-20.9EASTMAN C,FISHERD,LAFUEG,etal.An Outlineofthe Building Description SystemR.Research ReportNo.50,Instituteof Physical Planning,Carnegie-MellonUniversity,1974.10清华大学软件学院BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究 J.土木建筑工程信息技术，2 0 10,2（0 2：1-511马智亮，张东东，马健坤基于BIM的IPD协同工作模型与信息利用框架 J.同济大学学报（自然科学版）,2 0 14,42(09):1325-1332.12孙澄，韩昀松.基于计算性思维的建筑绿色性能智能优化设计探索 J.建筑学报，2 0 2 0（10)：8 8-9 4.13SHANNONCE.AMathematical Theoryof CommunicationJ.Bell System Technical Journal,1948,27(4):623-656.14陈泓宇，张弘.基于南京高岗村民居改造的建筑信息表达与传递问题探究 D.北京：清华大学2 0 2 1:8 6.15麦克卢汉.理解媒介：论人的延伸 M.何道宽，译.55周年增订本.南京：译林出版社，2 0 1116建筑逆向技术应用标准：T/CECS1258-2023S.北京：中国工程建设标准化协会标准，2 0 2 3:3.3.1拓宽信息媒介种类用于采集、处理、交换建筑信息的媒介工具能够彻底改变对建设项目的观测范围与观测精度，正如马歇尔麦克卢汉（MarshallMcLuhan）在理解媒介（UnderstandingMedia：T h e Ex t e n s i o n s o f M a n）一书所述，媒介的差异重塑了人类对事物结构的认知视角 15。新兴技术工具如便携式摄影设备、高清晰度监控摄像设备、三维激光扫描设备、倾斜摄影测量设备等，具有全局信息采集视野和高清晰度、高颗粒度的采集能力，可以将现实空间信息准确映射至虚拟空间，大幅降低以往人工测绘带来的信息失真干扰。来自增强现实技术的发展也为信息校核提供帮助，通过在建造现场直观比对设计模型与真实空间差异，有望节约信息交互成本。在总结数字化设备工具类型和特点的基础上，研究团队与行业单位联合编制建筑逆向技术应用标准（T/CECS1258-2023，表2），制定了针对场地测绘、建筑测绘、构件检测、变形监测4类典型应用场景的信息精度等级要求，以期在工程技术标准的纽带下衔接信息理论与媒介技术。3.2优化信息表达范式以计算机为核心介质的信道模式在信息容量和信息传输速率上均体现出远超纸质媒介的传输优势，相应的建筑信息组织结构与表达形式也就具备了升级转型条件。首先，信息增补策略的介入将有助于弥补因媒介转换带来的信息损耗。如图5所示，研究团队在实验中尝试增补三维空间轴测信息与图形色彩信息，有效帮助施工人员快速理解设计意图。类似的表达范式实际上已是建筑师在计算机视窗中熟悉并擅长的，但由于工程蓝图的信息转换导致虚拟空间的多重信息维度骤然塌，降低了信息的可读性。其次，建立具有空间维度和时间维度关联的顶层编译规则也将织补分离的图纸信息。依托对重难点施工工法的信息重构，如添加构件单元信息、组装时序信息、物料属性信息等，有利于提高设计图纸与现场施工的时空契合度，减少信息的失真衰减。3.3搭建信息交互框架研究考察的建筑信息失真现象表明实际项目距离实现真正的信息物理融合环境仍有差距，但信息过载的负担已渗透至建筑师工作界面，笔者团队在高淳案例中时而疲于应对每日的现场协调需求，时而又因未接收到某些局部进展的反馈，导致纠错时机的延误。应对当下更高的质量管理和沟通时效要求，优化设计与施工的信息交互框架已成题中之义。一方面，通过逐步积累建立建筑信息协同数据库，掌握失真问题的发生环节、产生动因、问题程度和应对方法，将为信息交互节点、信息内容和信息深度的制定提供事实依据；另一方面，借助外业扫描设备与内业建模软件等数字信息技术工具的联动，建立自动反馈与纠错机制，减少以人为媒介的作业成本与传输误差，也将切实推动设计信息与建成信息的双向高保真度流动。口建筑理论