关于BIM技术由信息集成化向算法交互化转变的构想＊

文/清华大学建筑学院 韩冬辰 张 弘 林正豪 朱 宁

韩冬辰，清华大学建筑学院博士研究生

张 弘，清华大学建筑学院党委副书记，副教授，博士生导师

林正豪，清华大学建筑学院博士研究生

朱 宁，清华大学建筑学院讲师

1 研究背景

建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）作为现阶段实现建筑全生命周期各参与方之间信息无障碍流动的关键技术，目前虽已被广泛应用于AEC（Architecture, Engineer and Construction）各个领域，但大多仍集中于模型可视化层面，无论是三维建模，还是基于模型的碰撞检查、施工模拟等，都可归于建筑信息集成于三维模型上的多维度应用。目前BIM技术研究围绕应用层面的信息传递、集成、展示等问题，从软件接口架构、技术应用方法、规范导则制定等方面展开。

对比已开启工业革命4.0的制造业、通信业等信息技术高度发达的行业，以BIM为代表的建筑信息化技术无疑是落后的。基于信息物理系统CPS（Cyber-physical System）技术体系的工业4.0将实现以智慧化、柔性化、物联化为目标的产品和服务生产模式，其中人工智能、云处理、大数据、物联网等信息技术将起到重要作用（见图1）。算法正是这一切信息技术的研究核心，如查克·伊斯特曼（Chuck Eastman）教授在BIM概念建立时，参考制造业的产品信息模型（Product Information Modeling，PIM）技术一样，信息技术发达行业的众多技术概念对建筑信息技术的未来设想有较大启示。本文从信息学视角出发，以基于信息物理交互概念的算法交互模型AIM为设想可能，探讨BIM技术未来发展趋势。

图1 以人工智能、云处理、大数据等技术为支撑的工业4.0

2 信息学视角下的建筑信息流动阐述

2.1 基于香侬信息传递模型阐述BIM信息传递架构

1949年，香侬和韦弗提出了有关信息传递的数学模型：即由信源发出信息（表现为某种信息，可为符号或信号，如文字、语言图像、声音等）并生成编码（用符码编排信息意义的过程），通过信道（信息传递的通道，传输、存储和处理信号的媒介）传递给信宿（信息接受者，如人或机器），过程中经过去噪（去除信息传递中的干扰）和译码处理（对信息进行与编码相反的变换过程）后完成信息流动（见图2）。

作为方法论，香侬的信息系统模式适用于通信、管理和社会等多种系统，同样也适用于建筑系统BIM技术的原理阐述（见表1），即由某一建筑活动参与方创建以BIM模型为载体的相关建筑活动内容（信息），生成通用传递格式IFC（Industry Foundation Class）或其他特定格式（编码），通过局域网或互联网（信道）传递给下游建筑活动参与方（信宿）。过程中同样需要经历无效信息去除（去噪）和将通用或特定传递格式转换为下游BIM模型（译码）的处理。

2.2 建筑信息流动性与信息应用层级

控制论的创始人维纳认为：信息是独立于物质和能量外构成现实世界的另一要素。剥离建筑的物质和能量属性，信息贯穿于建筑全生命周期始末，是串联物质和能量活动的关键。建筑信息在建筑活动的各阶段各参与方间流动，其流动的范围、速度、复用次数等决定了建筑信息的应用强度，故可将建筑信息的流动性作为信息应用层级的评价指标之一。

手工绘图和计算机辅助制图CAD（Computer Aided Drawing）时代的建筑信息应用强度无疑是低下的，基于二维图纸的较低信息流动性集中表现于建筑活动各参与方间的信息割裂、障碍、延迟和孤岛等问题。在如今以BIM技术为核心的建筑信息技术时代，基于三维模型的技术应用将信息流动性提升至较高高度，核心方法是首先实现建筑信息的集成化，再实现基于完整建筑信息数据库的高层级信息应用。

图2 香侬信息传递模型

表1 香侬信息传递模型与BIM信息传递架构的类比

图3 以IIM为核心的CIBIS整体架构构想

集成信息模型（Information Integrated Model，IIM）早于建筑信息模型对建筑信息的集成化进行了理论阐述，由此建立计算机集成建筑信息系统（Computer Integrated Building Information System，CIBIS）作为建筑信息集成表达技术的系统表述（见图3）。随着BIM技术的深化普及应用，建筑业的技术体系乃至运作模式并未出现如制造业一样的革命性变化。在实际操作层面，建筑信息传递障碍仍存在，集中表现于建筑各专业无法共同创建并维护同一建筑信息源，而是各自独立创建BIM模型。以不同建筑活动为基础的BIM模型无法实现基于同一建筑信息源的无障碍信息协同，建筑信息流动性未超越专业层面上升至全产业链层面。笔者通过在CIBIS基础上构建建筑信息物理交互方法系统（Building Information-physics Interaction System，BIPIS），创新性地引入建筑物理实体，将其作为唯一建筑信息源的重要组成部分，解决因各参与方独立建模造成的信息割裂，进一步提升未来BIM技术的信息应用层级。

3 基于信息物理交互的建筑信息技术方法系统架构

3.1 BIPIS概念简介

BIPIS概念来源于制造业工业4.0核心方法论的信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）思想（见图4），旨在通过建筑信息模型（以BIM为技术手段和实施过程建立的建筑属性信息载体）和建筑物理实体（泛指建筑活动中出现的具有物质属性的实体）之间的融合实现建筑正向信息流动（由信息模型指向物理实体的信息传递方式）和建筑逆向信息流动（由物理实体指向信息模型的信息传递方式）的双向通畅。通过各参与方的建筑活动最终成果，即建筑物理实体的信息化，将其与BIM模型实现分阶段乃至实时的协同交互，BIPIS将“信息”和“物理”结合为中间数据库，是作为各参与方的BIM模型进行无障碍信息传递的唯一建筑信息源。

图4 CPS的运行方式

3.2 BIPIS整体架构

BIPIS的整体架构分为基础理论层、系统架构层和机制运行层3个系统层级：①基础理论层由建筑信息循环机制和信息分类与关联方法构成，两者分别从面向建筑活动的宏观动态角度和面向建筑构件的微观静态角度出发，建立针对建筑信息的描述方法；②系统架构层作为BIPIS的方法系统核心，由感知-计算-通信-决策-控制等子系统构成，用于建构适合于各阶段各参与方建筑活动的完整正向及逆向信息回路；③机制运行层作为BIPIS的应用实施策略，内容主要包括基于信息物理交互的行业运作模式、具体技术实施方法和规范导则制定等，主要适用于技术实践层面。信息物理交互将超越信息模型间的信息传递层级，将建筑物理实体作为核心，实现多BIM模型的信息交互协同。

BIPIS所追求的“信息”与“物理”交互融合将会对现有BIM技术条件下的硬件设备和软件平台带来不小的考验，也会对建筑从业人员的信息技术应用水平和信息化理解能力提出更高要求。BIPIS对信息流动的需求超过BIM技术的信息应用层级，现行BIM技术已无法满足BIPIS的系统架构，故笔者提出基于信息物理交互实现BIM技术由信息集成化向算法交互化的转变构想，以期为未来信息物理融合的建筑业运作模式变革奠定基础。

4 由信息集成化向算法交互化转变的构想

4.1 建筑活动算法化

算法概念来源于数学和计算机学科，指对解题方案准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，代表着用系统方法描述解决问题的策略机制。算法包括有穷性、确切性、输入项、输出项、可行性等特征，其核心思想是建构解决目标问题的逻辑。逻辑的基本表现形式是命题与推理，命题即目标问题，推理即依据分析和判断推导得出命题的结论过程。

与建筑活动相关的算法研究由来已久。无论是面向建筑形态和空间创造的生成式设计算法还是面向建筑工程应用的有限元分析计算，均已以独立软件或第三方插件API（Application Program Interface）的形式融入建筑从业人员的信息化技术工具体系中。与此同时，在设计、交付、管理等相关建筑活动中，许多表现为体力劳动或低强度脑力劳动的重复性工作仍采用人工方式处理，如车库设计的车位排布、设计方案的规范排查、不同软件间的报表转换等活动内容，输入端信息变化意味着此建筑活动的重复进行，耗时且易错。非算法化的重复性信息处理活动往往是低效的，这严重阻碍了建筑从业人员的业务能力发挥。

建筑活动算法化思想的实质是从建筑全产业链各阶段各参与方的建筑活动中抽象出其内在的逻辑关系，利用算法实现由前端信息输入控制末端信息生成的全程自动化建筑信息流。随着可视化编程技术的发展，算法开发的门槛正不断降低。建筑活动从业人员针对相关业务的算法开发将成为今后建筑活动的主体，而针对项目的实际应用以及重复性修改等将由建筑活动算法完成。

4.2 建筑算法交互模型设想

算法活动贯穿于整个建筑工程始末，带来的不仅是建筑信息量几何级数的增加，还有更复杂的信息交换模式架构。设想未来建筑从业人员由目前通过BIM技术应用转变为通过建筑活动算法开发来实现相关业务工作，意味着建筑信息化技术工具和方法流程的变革，同时也是信息应用层级的突破。为应对以建筑活动算法开发为主的全新工作模式带来的信息处理问题，笔者基于BIPIS构建设想了建筑算法交互模型的概念。

算法交互模型（Algorithm Interact Model，AIM）的实质是建筑活动算法进行协同工作的框架模式，以建筑活动算法为驱动单元，以交互为核心关键动作，将BIPIS系统打造为一个建筑活动逻辑的架构集成。实现基于信息物理交互的AIM，首先需建立建筑算法交互体系框架，如计算机系统学中的热插拔（Hot Swapping）概念，AIM将通过特定的接口方式进行各建筑活动间的算法交互组合，如建筑信息按结构化类型集成于BIM模型，建筑算法按一定的结构化层级进行架构。确立建筑算法交互体系框架后，逐步开发各子模块算法内容，将建筑活动相关的过程、方法、经验等算法化。最终实现由集成信息模型IIM向算法交互模型AIM的转化，由建筑算法模型（Building Algorithmmodeling，BAM）代替BIM成为更高层级的信息模型形态。

4.3 基于BAM的工作模式变革

面对信息物理交互产生的海量信息，基于建筑信息人工创建与加工的信息技术体系无疑将成为BIM技术升级的瓶颈。参考制造业“机械化-自动化-智慧化”的发展历程，推动“人-信息模型-物理实体”相交互的算法化将实现建筑技术体系的深化变革，最终形成适用于建筑工业4.0的形态。建筑信息由信息集成化向算法交互化转变将进一步减少建筑活动中的人为干预，但并不意味着降低人的作用。建筑从业人员的主要工作将由直接的信息创建转化为间接的逻辑创建，将其对建筑活动相关的流程、方法、经验等技术能力的理解通过算法形式固定下来，形成如BIM族库一样的资源库形态。初期的算法化过程更多依赖人工编写算法逻辑，但随着AI和云处理技术自身发展及其在建筑领域的应用普及，基于机器学习和深度理解的智能化算法技术将逐步减少人工算法开发的工作量，未来建筑活动中人的工作更多的是参与决策判断和规则制定。

5 结语

BIM技术由信息集成化向算法交互化的转变不仅是建筑信息技术的迭代，更是建筑行业运作模式的深刻变革。向其他行业的先进技术和理念学习将有助于建筑信息技术的未来发展，基于信息物理交互的BIPIS践行了这一理念。以AIM为核心实现的算法交互架构将为下一代信息技术奠定基础，以数字化三维形态推进BIM技术发展成为基于自动智慧化算法的新一代信息技术，最终将实现信息化背景下包括技术体系、行业组织和运营机制在内的建筑行业整体转型。