作为图形的建筑图解——信息传达视角的研究

周忠凯

赵继龙

孙继开

一般意义上，图解（Diagram）是一种基于设计研究和实践，由各种图形、符号和文字按照一定空间秩序组成的、能够表达某种概念、逻辑或关系等抽象信息的复合图形。与康德（Immanuel Kant）提出的、在先验哲学和心理学语境下具有专门意义的“图式”（Schema）不同[1]，图解作为一种专业人员辅助思考和人际间沟通交流的直观工具，在科学技术各领域都得到持久、广泛而深入的应用，并随信息可视化技术的进步而不断发展。以形象思维和视觉判断为突出特征的建筑学领域则更加倚重图解，作为当代建筑学的核心语汇之一，对其概念内涵的界定众说纷纭，如认为其是一种概念模型，抽象图形符号，或是一种设计操作程序等[2]。经过近几十年的发展，“建筑图解”（Architectural Diagram）纵深发展成为一种以空间信息为基本依托的特有专业图形语言，其要素、结构、组织方式甚至功能目标与一般意义上的图解已有明显区别。

作为图形语言的图解，其主要目的是实现有效和高效沟通，而建筑图解的制作和使用，常依赖于建筑师的直觉经验和主观判断所驱动，某种程度上呈现出个性强烈、模糊难懂的特征，其图解信息传达是否畅通有效、准确到位，很少得到应有的关心和科学测度。通过归纳相关学科的研究成果，试图将建筑图解从主流学术话语中的设计生成工具还原为信息的图形载体，从信息传达的视角对建筑图解进行再审视，揭示其处理和传达各种具象或抽象设计信息的内在规律，及作为图形的内涵、属性和结构，期望可以为建筑图解研究探索一种理性分析方法，拓展其作为设计认知和信息传达工具的潜力。

1 建筑图解的研究现状和发展

自2 0 世纪70 年代建筑图解取代制图（Drawing）成为“建筑知识的基本技术和工序”（索莫尔，2005）后，建筑图解一直是当代建筑设计工作的基础。一方面，以亚历山大、艾森曼、维德勒及其追随者的建筑理论探讨为主流，以建筑物质形式的设计生成为主旨，并逐渐走向与数字设计技术的融合，国内学者在这一方面已经或正在进行相关研究，如探索围绕图解思维建立起来的新数字建筑的发展趋势和课题[3]；另一方面，以Simon、Do、Tversky等人的跨学科研究为基础，以图解的图形结构和设计过程认知的科学解释为目的，并以服务计算机视觉技术开发为后期重要发展指向。建筑学视角下，图解作为图形的内涵和属性很少受到创造和使用它们的建筑师的关注，却在信息可视化、认知心理学和符号学视角下得到持续和深入的研究。

2 图解的图形属性研究

图解对人类思维的作用机制主要体现在其作为图形的属性和内涵，不同科学领域的图解有着若干相似的属性，而建筑图解的空间属性是其区别于一般图解的明显特征，也是推动抽象思维和设计创新能力的重要特征[4]。具有多学科属性的建筑图解应该融入新的信息技术手段以增加有效信息量，并实现建筑空间系统的图形化组织[5]。但是，图解表达并非天然具有高效的信息处理和传达能力，这一点非常重要，作为建筑的自然语言，应该与所表达的设计思想密切整合，因此建筑图解的基本原则应该是简单有效、清晰易懂[6]。Simon在为构建计算机信息处理系统进行基础研究时，发现了图解和语言文字的有趣差别，即语言表达是按时间顺序组织和呈现信息，而图解用二维空间来组织信息，用平面位置为信息建立索引，它允许将所有信息分组并同时呈现[7]。EYL Do和Gross通过广泛对比不同类型的建筑图解，认为建筑问题本质上是空间的，而建筑图解最突出的特征在于其图形要素和空间的相互关系，与建筑实体中的物理要素和空间关系具有强烈的对应性[8]（图1）。某些条件下，建筑图解不仅要表达空间实体元素，还要表达太阳能、风能，以及人、材料和水等要素的流动关系，其中的箭头、线条等图符要素传达出大小和方向等空间特征信息，甚至最抽象的设计图解都是在努力探索和解决空间布局及组合问题。拓扑、形状、大小、位置和方向等各种图形标识在建筑图解中的使用，及其所传达的意义，要比其他领域的图解更为丰富多样（图2）。显然，拥有空间信息是建筑图解的基本特征，这在当前广泛的建筑实践中已形成明显共识。

图1路易斯·康在Goldberg House设计中，设计图解包含的抽象图形元素反映了建筑实体的空间特征

图2 包含箭头图形元素的剖面图解表达基于空间实体要素的水体分配及流动状况

图3 图解的图形元素及其语义要素举例

图4 “线状”元素图解表达时空转换状态下人行为 的动态信息

图6 城乡断面图Rural-to-Urban Transects表达城乡空间过渡变化关系

图5 桑基图Sankey Diagram表达社区物质代谢的流向和流量

图8 David Craib测量视觉传达设计效果的视觉实验方法

3 建筑图解的要素、结构和类型研究

建筑设计研究和实践运用多种形式的图形符号，这是建筑图解信息的基本构成要素，符号又以图形为主要特征，不同图形符号在建筑设计信息表达中有不同的内涵和认知意义，如“线条”表达变化趋势、连接或离散关系，“箭头”表明系统的运动路径和次序，“圆圈”标示范围和位置。对图解中图形符号要素进行提取分析，论证不同类型要素的适用范围，并辨明图形符号作为基本图解构成元素的结构及其语义学意义，是理解设计信息传递和交流、有效提高设计过程及成果可读性的关键。

3.1 图解要素

符号学对图解的图形要素进行了深入研究，鉴于图解与一般制图有着类似的构成要素，一些学者也把图解纳入制图的统一概念下进行研究。Dreyfuss系统梳理了不同领域的图形符号，总结了包括圆形、线条、箭头、十字交叉等具有概括和包容性的基本图形符号，并将它们称之为“有意义的图形形式”，为后续图解研究奠定了基础。而后，基于Dreyfuss的研究，Tversky将图解定义为由图形元素组成、带有语义学权重、用于传达某种语境和特定概念的示意图，她借助心理学试验，阐释并强调了图解中包含的线条、箭头、十字交叉线、圆圈和图块等不同特征的基础图形要素在不同语境下的语义信息（图3），认为整个图解的意义受图形要素自身传递信息的能力制约，只有了解不同图形符号及其组合方式的形式意义，才能准确再现和传递视觉信息[9]，并以“线”状图形为例，比较分析了其在记录和传达人在时空转换状态下行为活动动态信息的价值及优势[10]（图4）。Borisova从符号学角度剖析建筑图解的发展演化历史，认为在现有的建筑信息传递方式下，“建筑图形”作为建筑设计的主要信息表达载体，应作为一种符号系统进行审视，通过当代建筑设计沟通过程特点的分析和建筑元素的比对，为符号学视角的建筑图解研究提供了比较参考[11]。

3.2 图解的结构和类型

图7 DPG图解解析法对图解进行要素识别和关系推断

与图解的图形要素深入研究相比，对于建筑图解结构和类型的认识水平仍相当粗略。建筑学视角下，埃森曼从设计认知和过程操作的角度出发，将建筑图解区分为解析设计成果和表达设计思想的“分析性图解”，以及参与设计过程且启发设计思维的“生成性图解”，并强调了“生成性图解”对隐藏在建筑设计背后的社会、美学、文化思想等内容表达的能动性[12]。Purcell等把包含抽象理念并与创造性思维相关的图解称为非结构化图解，而把平、立、剖等规范性制图视为结构化图解，试图揭示设计图解作用于设计过程的规律性[13]（表1）。Clayton以乐谱为比照，将建筑图形视为一个用于编排事物和思想的符号系统，把图解分为模拟建筑图解和数字建筑图解两大类[14]。Dulić仔细比较了图解和草图两个建筑设计最常提及且容易混乱的概念，认为图解是由符号组成的概念化图形，以不确定的刻意抽象的图形来近似地表示空间关系，而草图则包含反复描画的线，通常在确定位置、尺寸和形状方面，比图解包含更详细的信息。即使是侧重于信息整理和逻辑建构的图解，传统上并不认为属于建筑图解，但是随着建筑设计需要考虑的因素增多，这类图解开始越发频繁地出现在设计表达中。周忠凯等关注了这一现象，并对桑基图和城乡断面图两个典型的结构化建筑图解类型进行了图形结构分析（图5～6），更多的图解类型也得到了初步梳理[15-16]。

尽管建筑图解的系统化构建和结构模式尚未得到充分研究，但为了将设计理念和意图传达给信息接受者，建筑师必须通过图形语言有效描述设计的结构类型，并在可解释的形式中表达抽象的设计逻辑，以提升图解的视觉性能和信息传达效能。

4 建筑图解的信息传达研究

以当前科学研究领域的热点问题“信息可视化”来看，图解借助视觉图形这一重要载体和表现形式，实现对视觉信息的加工处理和有效传达，其过程通常包括信息输入、信息加工、信息输出和效果评估等环节。然而在建筑学界作为研究热点的图解，设计内容的可视化过程往往伴随着一定的艺术化再创作，带有较强的主观色彩，很多颇具美学价值且令人印象深刻的图解，却缺少必要的信息交流传达属性。成功的设计不应等同于审美直觉，图解应是一种对抗浪漫美学的方法，通过构建有效的图解工具系统，实现设计思维和信息传达规范化的理念[17]。建筑设计的过程操作及成果表达要从信息可视化及视觉沟通的角度出发，与信息图形设计充分关联[18]。然而，应用于建筑设计输入、推理、加工、输出和评估过程的可视化工具及科学化方法仍然较为有限，而计算机图形学、符号学等具备系统性图形理论构架及信息可视化操作模式的学科，进行了有益尝试并取得了一定成果（表2）。

4.1 图解信息的推理和加工

相较于建筑设计过程的其他阶段，设计前期分析包含大量的客观信息，如环境类型、对象关系、空间距离等，需要借助理性图解加以整理和直观呈现，对于这一部分，惯常视野中的建筑图解并不能提供足够的养分，其他学科领域进行了有益的探索和尝试。与信息可视化紧密关联的计算机图形学领域，近年来出现了基于信息可视化原理用于解决和优化图解推理、信息传递和要素分析的研究。例如有学者运用几何学思维解析图解的方法，识别图解中的视觉元素、提升文本信息和视觉数据的对应度及一致性[19]。Kembhavi运用计算机语言研究图解解析和推理问题，引入图解解析图DPG分析法（Diagram Parse Graphs），建立包含5000余幅图解的数据库，对图解的组成要素及要素关系进行编码和句法分析，研究图解的语义内涵和信息推理过程（图7）[20]。

4.2 图解信息的认知和读取

需要注意的是，图形信息传达的有效性取决于信息认知和读取两个方面，在强调图解创造者提升信息制作水准的同时，也要关注接受者对于信息的认知理解能力。Suwa和Tversky通过心理学分组对比实验，进一步揭示了认知水平差异如何影响图解信息的理解，相比于设计初学者，专家在读取包含感性和抽象信息的设计草图时，可以更有效地从图解中提取重点内容和功能信息[21]。由于阅读和解释图解受到人们的阅读习惯和思维偏见影响，因此能否充分发挥图解的信息传达优点，更多依赖具备专业知识的信息接收者对图解的成功阅读和解释[22]。项目设计理念的推动和传播（即信息的传达和交流），是由图形信息的清晰程度所驱动的，并由图形阅读的效率所确定[23]。在实践层面，Craib通过整合与视觉传播有关的学科知识，研究旨在提高设计研究效果的视觉传达设计标准和工具，然后将这些标准和工具应用于基于网络和印刷制品的可视化演示实验，以测量视觉传达的设计效果及它们作为研究工具的可行性，强调了良好的认知设计对于图形信息传达效率和有效性的重要影响[24]。

4.3 图解信息的评估及验证

视觉图形信息传达是否有效，以及如何才能有效的问题，需要进行科学评价，其评价方法从早期基于经验和感知的实验验证，发展到后期基于信息可视化理论和计算机图形分析技术进行评价。一方面，设计行为主要与以图形分析为代表的视觉抽象能力有关，图形分析反映了人的视觉思维能力，而口头分析则代表了观察者的语言思维能力，Ulusoy在一项调查实验中，要求参与者用图解表达设计思路，并对设计进行口头评价，通过比较图解和口头评价等内容，找出这些变量之间的相互作用关系[25]。华盛顿大学建筑学院的人工智能辅助设计团队，针对图解的图形特征及其与建筑设计认知过程的互动规律，安排62个建筑学学生进行了依据故事绘制图解、依据图解讲述故事的任务，研究结论表明在同一个专业人群中，口头表述和图解表达在意义传达上具有高度的一致性，较少发生歧义[26]。另一方面，对于图解和图形的评价方法逐渐从早期基于经验和感知的实验验证，发展到后期基于信息可视化理论和计算机图形分析技术，形成了科学评价指标和量化评价体系。David Craib运用视觉实验方法，采用 Floch及Greimas的符号学矩阵来评价参与心理实验者对设计图形的理解速度和深度，并引入信息可视化理论奠基人Tufte的10个设计原则，衡量图形数据在可视化表达介质中的最佳呈现方式，同时结合Ware提出了“前注意线索”理论（Pre-attentive Cues）和即刻感知视觉信息的适当技术，构建了前注意指标标准，用以测量人们对于可视化信息的“即刻感知变化”[27]（图8）。计算机图形学和信息可视化技术对建筑图解表现方式的发展和信息传达效率的提升产生了重要影响。

图形信息可视化及其传达和评价机制在以建筑学为代表的设计学科中虽然还未得到规范性的科学验证和系统总结，但计算机图形学及符号学等相关学科已进行了大量的理论研究和科学实验，积累了较多成果。通过适当的分析手段与建筑图解的运行机制相融合，可以有效推动建筑图解的信息加工、传达的效果和效率。

表1 Purcell的图解类型研究

表2 基于信息传达过程的图解分析方法举例

结语

综合相关学科对图解研究的丰富成果，尤其以认知心理学的图形属性研究、符号学的图形要素研究、信息可视化对信息传达有效性的评价研究为代表，从信息传达角度对图解的图形化研究所形成的基本共识和科学化分析方法，揭示了建筑图解美学表现背后的科学规律，对建筑学视角下建筑图解的研究、认知和运用有重要启示意义。

传统模式下作为建筑师沟通交流主要媒介的平面媒体和二维数字媒介，正面临数字交互技术的全面介入，可以预计建筑图解的未来发展将会呈现多元复合化和信息智能化的趋势特征。因此建筑图解研究将更加注重多学科间的交叉融合和相互借鉴，借助符号学、认知心理学和信息可视化等学科的系统性分析方法和科学性研究手段，辨析建筑图解作为图形的几何特征、符号学结构及语义学意义在信息构建和传达中的互动作用机理，以明确建筑图解的认知规律和应用特点，这也是对建筑图解作为信息图形的本源回归。此外，建筑图解的研究工作在注重其实践性和应用化的同时，应形成一种理性分析方法，进一步拓展并与数字化研究和可视化技术相整合，以便为建筑设计概念构思、过程推动及成果表达的发展提供全新的技术视角。这也是当今全球化和数字化的时代背景下，利于建筑图解自身进化，并关乎建筑图形语言系统的完善、建筑学专业核心表达技术的发展及设计工作的成效。

资料来源：

图1：引自参考文献[8]；

图3：引自参考文献[9]；

图4：引自KESSELL, Angela M.; TVERSKY, Barbara.Cognitive methods for visualizing space, time, and agents.In: International Conference on Theory and Application of Diagrams.Springer, Berlin, Heidelberg, 2008.p.382-384, 由作者改绘；

图5：引自https://www.cyclifier.org/project/flintenbreite-neighborhood，由作者改绘；

图6: 引自SmartCode精明准则，https://www.dpz.com/Initiatives/SmartCode，由作者改绘；

文中其余图表为作者自绘。