信息论视角下工程项目的信息表达空间及损失

张建设， 石世英， 吴层层

(1. 河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000； 2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院， 北京 100083)

信息化与建筑业的融合发展是建筑业发展“十三五”规划的重要内容之一，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的集成应用不仅是工程建造能力提升、建筑业信息化建设和建筑产业现代化发展的关键技术支撑，更是推动大数据与实体经济深度融合、优化建筑业现代工程技术的重要媒介。工程信息是BIM的核心，是反映建设项目中人、财、物在全寿命周期中的运动、发展和变化状态的信号、量度与表征，更是支持BIM在建设项目中运用的关键交互介质；这就意味着BIM在建设项目中的运用有赖于信息作为工程主体判断的载体，信息的有效获取、传递、加工处理、输出、反馈是BIM项目管理的关键。

现阶段的研究主要集中在建筑信息模型实践现状分析[1～3]、关键因素[4,5]、BIM项目管理(如质量、绩效、技术、交付模式等)[6～8]、投资决策与风险分析[9～11]、BIM价值管理[12,13]、BIM框架设计[14,15]、可靠性与可持续评价[16,17]以及政策研究[18]等方面，侧重BIM技术采纳、技术吸收与融合、应用管理问题，较少从信息视角讨论BIM技术本身的价值问题；与传统的建设项目信息处理方式(如图纸、会议纪要、电子邮件)相比，BIM技术能否对建设项目信息共享提供特有的支持，能否为建设项目利益相关者带来显著的额外价值，始终没有得到细致深入的研究，进而构成BIM系统理论和建设项目参与方协作共同面对的重要理论问题。因此，基于信息资源理论“信息离不开一定的物质载体而存在和传播”的观点，利用信息论剖析BIM的信息传递机制问题，不仅有助于全面认识BIM项目信息传递中存在问题的实质，而且有助于建设项目利益相关者的科学决策与有效管理。

1 建设工程项目信息传递模式

1.1 信息传递机理

信息作为一种重要的资源，组织或个人合理利用信息资源以期在市场中获得竞争力。信息传递是信息资源管理的关键内容，更是组织或个人信息共享和实现信息化管理的重要环节。信息传递是人们通过文字、声音、图像、代码等传递信息的过程，涉及信息输入、编码、加工储存、使用等活动。美国数学家Shannon[19]首次揭示通信系统的基本原理，把信息传递的过程解释为：从信息源发出信息，通过一定的信道到达接受者的过程，信息接收者根据自身的认知能力和外部因素对接收到的信息进行识别、判断、解码和提取，从而获取有效信息。

根据信息论基本原理，结合工程建设项目多主体、多阶段和复杂信息的特征，构建了建设工程项目的信息传递模型(图1)，即建设单位是项目的信息发布者，信息通过编码、通道和解码等环节，到达信息接受者(设计人员、施工单位和运营企业)，信息接收者根据自身能力和外部资源进行识别和获取，从而进行任务分解、资源配置和合同履约。工程信息是项目利益相关者认识对象特征、表达认知信息和可视化对象信息的中介，信息的认知模糊、传递方式不合理以及表达技术约束等问题均导致项目成本增加和价值损耗。据统计，在可节约的3%～5%的项目建设成本中，30%是因为采用了不准确或过期的图纸等因素直接造成[20]，这也进一步证明信息的重要性。

图1 现阶段我国建设工程项目信息传递模型

1.2 工程项目信息传递模式

现行的工程项目传递与表达方式仍以书面形式(如签证单、图纸)为主，即使某些建设单位应用信息化处理方式，但其传递方式仍然是将讨论、交流或会议的集体决议或共识以书面的形式进行主体之间表达与反馈；更重要的是，合同关系预设了建设单位、设计单位、施工单位和运营单位的信息传递方式和传递路径，如图1所示，建设单位是信息发布和接受的中心主体。

工程项目建设完整的周期一般划分为前期决策、规划设计、施工、竣工验收交付及运营等阶段，其信息的传递也依次展开。建设项目传统的展开方式是以某一专业企业利用前期积累共享信息独立开展本方的业务，其信息积累的前提是前期传来的共享信息，本阶段的信息积累即为本专业方的工作成果积累。以设计阶段为例，设计方接受的前阶段共享信息qsp1包括建设单位在前期决策阶段形成的项目论证决策信息、行政审批信息以及项目投资估算等信息；在此信息基础上，设计单位通过工程方案设计、施工图设计以及方案论证等技术工作，使得项目可视化信息增加，如图2所表达的工程积累信息曲线(图中曲线仅为示意)。工程设计方案论证通过后，设计阶段工作结束，此阶段项目积累的信息总量Qac-de即为建设单位前期共享信息qsp和设计方积累信息qac-de之和，这个信息积累总量Qac-de将作为设计单位向建设单位反馈的基础。假设建设单位在前期决策阶段的信息量为Qsp，φ表示建设单位能够或愿意传递信息的系数(φ∈[0,1])，γ表示设计单位对信息的利用系数(γ∈[0,1])，则qsp=γφQsp表示设计单位能够利用建设单位的信息量。

图2 设计单位信息传递及共享过程释义

由于设计单位和建设单位之间存在合同关系，这就意味着设计单位应将设计方案(包含设计图纸等成果)信息全部传递给建设单位，再由建设单位通过设计方案/图纸交流会将其信息传递给施工单位。从严格意义来讲，施工单位接收到的信息应是截止到设计阶段结束时项目的累积信息，但是设计单位、建设单位因自利行为、认知能力和外部环境约束等因素不能将当前所有信息完全传递给下一阶段的主体。因此，施工单位接收到的项目信息只能是建设单位能够或愿意传递和表达的信息，施工单位接收到的信息量是qcon1=φ(ρQac-de+Qsp)(为设计单位向建设单位传递信息的意愿系数，∈[0,1]；ρ为建设单位接收信息的能力系数，ρ∈[0,1])。

1.3 现阶段项目信息表达

施工单位开展工作的基础是建设单位传递的信息qcon1，但是由于施工单位技术水平不足、认知能力约束以及外部环境限制等因素，导致其不能完全利用接收到的信息qcon1，也就意味着施工单位能够利用的信息qcon=βqcon1=βφ(ρQac-de+Qsp)(β为施工单位获取信息的能力系数，β∈[0,1])。基于上述信息传递机制，施工单位将在自己可利用共享信息的基础上继续开展自身的业务。以此类推，总结出建设工程项目全过程信息传递路线和信息累积曲线，如图3所示。

图3 现阶段建设项目信息传递过程

项目竣工时，qac-con表示施工单位的积累信息量，Qac-con表示施工单位从施工到竣工的信息累积总量，即为施工单位利用建设单位前期共享的信息qcon和此阶段施工单位自己累积的信息量qac-con之和，这个信息积累总量Qac-con将作为施工单位向建设单位反馈的基础。

项目竣工交付后进入运营阶段，假设建设单位委托专业运营公司，则运营公司从建设单位获取的共享信息qop=φ(ρθQac-con+Qsp),其中θ∈[0,1]为施工单位能够或愿意传递信息的系数；运营阶段结束时此阶段的信息累积总量为Qac-op=μqop+qac-op=μφ(ρθQac-con+Qsp)+qac-op，其中μ∈[0,1]为运营单位对信息的利用系数。则传统模式下，建设工程项目信息损失为：

(1)在项目主体之间传递过程产生的信息损失量为：

ΔQ+=3(1-φ)Qsp+(1-)Qac-de+(1-θ)Qac-con+(1-ω)Qac-op

(1)

式中：ω为运营单位传递信息的意愿系数，ω∈[0,1]。

(2)因项目主体利用信息能力不同而产生的信息损失量为：

ΔQ-=φ(3-γ-β-μ)Qsp+(1-βρ)Qac-de+θ(1-ρμ)Qac-con

(2)

总之，传统模式下，工程信息损失总量ΔQ是ΔQ+和ΔQ-之和。

项目竣工时，任何一个项目参与方所能够拥有的项目建设信息不足65%[20]，这也说明一个特定项目所蕴含的客观信息总量很难被100%可视化或规范化表达；假设某个特定的建设工程项目客观总信息量为TQ(图3中曲线TQ)，在特定的情境中应该被可视化或规范化表达的信息总量为QT(图3中曲线QT)，则TQ曲线与QT曲线之间存在一部分区域，将其称为未被规范表达的信息区域(图3中D区域)。对于未被规范化表达的信息，究其原因可分为两大类：(1)因信息表达工具的限制而不能被规范表达的工程信息，如工程实体内部空间结构精确描述，将这一部分信息称之为不可表达信息，这一部分信息的表达是未来工程信息表达技术进步的目标和方向；(2)不必表达信息是指常规工程建设不言自明、常识性或隐含的无需表达的工程客观信息，如工程用钢材的颜色等属于这一类信息。

2 基于BIM的信息传递优化

2.1 BIM平台下工程信息传递

建筑信息模型(BIM)是在计算机辅助设计等技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达[21]。通过BIM一体化信息平台，建设单位、设计单位、施工单位和运营单位根据BIM信息编码标准和表达规则共享信息，使得建设项目利益相关者在同一标准、语言环境规范、多维建筑信息的背景下识别、获取、利用和表达工程信息，减少了因标准差异、表达能力缺陷、认识能力不同等因素引起的信息损失，增强项目利益主体在工程环境、能耗、经济、质量、安全等方面的深度认识，提高建设项目各专业的协同工作效率，为项目方案优化、工程管理精细化和信息传递有效提供支撑。

BIM技术工具推动了传统工程信息表达、存储和传递方式的变革，以统一的表达规则和标准的工程语言表达各个利益主体对项目的认知信息，这也能激发建设单位的学习能力和BIM应用能力。此外，基于BIM一体化平台，工程信息不仅仅是建设单位-设计/施工/运营单位之间的单向传递，而且拓展了设计—施工—运营之间的信息传递渠道，如图4所示。与传统模式(图1)相比，由于BIM一体化信息平台的建立，工程项目参建各方可以充分利用BIM平台进行全方位的信息沟通和共享。

图4 基于BIM平台的建设项目信息传递模型

2.2 BIM信息传递优化表达

基于BIM技术的信息表达、加工和储存功能，建设项目信息累积发生较大变化。便于对比分析，仍以设计单位信息传递为例阐述其受BIM技术的影响，如图5所示(Tr-qd曲线表示传统模式下设计方积累信息，BIM-qd曲线表示BIM技术下设计方积累信息)。由于BIM技术可视化、动态化、多维化的信息表达功能，设计单位可以表达的工作成果信息大幅增加，比如，传统建设模式分专业(建筑、结构、水、暖、电、通讯等)提交的电子CAD、纸质成果，现在可以集成三维动态提交。图5中BIM-qd表示设计单位采用BIM技术情境下的信息累积曲线，与传统模式(Tr-qd曲线)相比，BIM技术增加了设计单位的信息空间。

图5 设计单位信息传递对比

对于设计单位的信息传递，基于图4的传递路径可知，设计单位采用BIM语言和标准对其愿意分享的信息进行编码，通过BIM一体化信息平台进行信息发布；假设BIM技术对建设/设计/施工/运营单位信息表达的影响系数是δ(δ∈[0,1])，则设计阶段结束时设计单位积累的信息是(1+δ)qac-de，设计单位愿意分享的信息量是α(1+δ)(γφQsp+qac-de)，作为施工单位信息获取的起点；假设BIM技术对设计/施工/运营单位获取利用信息能力的影响系数是η(η∈[0,1])，则施工单位在应用BIM技术的情况下，施工单位对设计单位分享信息的利用情况是[β(γφQsp+qac-de)(1+δ)α-1+η(1-β)α-1(γφQsp+qac-de)(1+δ)]。

由于BIM技术对施工单位信息利用能力的影响不确定，施工单位对设计单位愿意共享的信息的利用情况可以分为三种情形：(1)η=0，传统模式下无法利用的信息仍然不能利用(图5中的a曲线)；(2)η=1，传统模式下无法利用的信息全部可以利用(图5中的c曲线线)；(3)0<η<1，在最高点和最低点之间表示一部分可被利用(图5中的b曲线)。η的取值不仅取决于施工单位是否应用BIM技术，更重要的是施工单位的BIM技术学习能力、BIM平台的一体化水平以及BIM技术与其他技术的融合度。

其他阶段的信息传递机理类似于设计单位与施工单位之间的信息传递，基于此得到BIM技术应用情境下的信息累积曲线，如图6所示(虚线表示传统模式下积累信息，实线表示BIM技术下积累信息)。则BIM情境下，项目信息损失量如下：

(1)在项目主体之间传递过程产生的信息损失量为：

ΔQ+/+=(1+δ)[(1-φ-1)Qsp+(1--1)Qac-de+(1-θ-1)Qac-con+(1-ω-1)Qac-op]

(3)

(2)因项目主体利用信息能力不同而产生的信息损失量为：

ΔQ-/-=(1+δ)(1-η)[φ-1(1-γ)Qsp+α-1(2-ρ-β)Qac-de+(2-ρ-μ)θ-1Qac-con+(1-ρ)ω-1Qac-op]

(4)

式中：φ-1，-1，ω-1，θ-1分别表示BIM情境下建设单位、设计单位、施工单位和运营单位愿意分享信息的系数，φ-1∈[0,1]，-1∈[0,1]，ω-1∈[0,1]，θ-1∈[0,1]。

图6 传统及BIM技术下各阶段的信息积累、 传递及共享过程对比

鉴于BIM技术的优势，建设工程项目信息理论上能够表达的信息量从曲线Tr-QT外延到曲线BIM-QT，理论信息总量在BIM技术支撑下有所增加(如图6中C区域)。此外，项目各主体利用BIM技术平台扩大自己的信息表达范围，增强信息利用能力，减少因工具或语言标准等因素产生的信息损失。

2.3 结果与讨论

通过对比分析两种情景(即传统模式和BIM应用)的工程项目信息传递与表达变化，厘清工程信息在项目参与主体之间传递机理，以设计单位为例刻画了信息共享、表达和传递的路径和效果。此外，通过比较建设项目传统信息传递模式，揭示了BIM技术对项目信息的影响，也间接反映BIM技术平台的优势与价值潜力。

(1)BIM技术平台拓展了项目信息的可表达空间

传统的建设工程项目主要采用书面形式，如图纸、工程签证及证明材料等，责任人提供这些材料的正式纸质件进行相关业务办理和信息沟通；这虽然便于责任划分与程序规范、符合项目管理规范要求，但是增加了信息传递壁垒和延长了信息传递路径。BIM技术平台以统一标准、通用语言进行信息编码，集成建筑、设备、环保等专业，满足使用者仿真模拟与分析需求，增强使用者信息表达潜力，如三维空间表达、关联性表达、复杂环境动态模拟等，从而扩大建设工程项目信息的可表达空间，如图6中C区域就反映了BIM技术的信息表达效果。

(2)信息分享意愿诱发项目主体逆向选择

BIM技术的引入尽管增加了信息表达能力，但是项目主体通过BIM技术积累的信息是否愿意共享仍是制约信息传递效率的重要因素。基于式(1)～(4)，BIM情景与传统模式的信息传递损失差值是(ΔQ+/+-ΔQ+)、信息利用损失差值是(ΔQ-/--ΔQ-)，这两个结果均与项目主体的信息共享意愿系数(φ,,ω,θ,φ-1,-1,ω-1,θ-1)有关系。在其他参数固定不变的情况下，只有当BIM情境下项目主体信息共享意愿比传统模式增加时，(ΔQ+/+-ΔQ+)和(ΔQ-/--ΔQ-)可能小于零，这就证明BIM技术比传统模式存在优势；否则，(ΔQ+/+-ΔQ+)和(ΔQ-/--ΔQ-)的值可能大于或等于零，这反映BIM技术不仅没有突显正面效应，而且增加了项目信息损失。因此，项目信息传递效率的提升不仅需要项目主体具备较强的信息表达能力，更重要的是依赖于项目主体的信息共享意愿；较低的信息分享意愿诱发项目主体进行逆向选择，即选择传统模式而拒绝BIM新技术。

(3)BIM是项目信息完全表达的必要条件之一

某个特定项目的信息是客观存在的，它不因技术变革而发生增加，但它会因技术创新、能力提升和共享意愿等因素而增强可表达性。BIM技术没有增加或改变特定建设工程项目的客观信息(见图6)，采用BIM技术仅仅使工程项目信息理论上能够表达的信息量从曲线Tr-QT外延到曲线BIM-QT，会无限接近但不会重合或超过TQ曲线，其效果表现为项目客观信息的可表达程度。这就说明BIM并不能实现对工程信息的完全表达，仍需要借助文档、语言、会议、讨论等其他形式进行信息表达和传递。因此，信息完全表达不仅要充分挖掘BIM技术优势，而且也应该集成常规信息表达方式的优势。

3 结论与建议

工程信息是项目管理效率提升和绩效改善的关键内容，增强工程信息的可表达性是项目信息管理的重要任务。文章以建设工程项目为载体，以项目信息传递为研究对象，对比分析了建设工程项目传统信息传递模式与BIM情境；利用信息论的基本原理，剖析了BIM的信息传递机制(图4)，即建设单位基于BIM平台释放工程项目初始信息，设计/施工/运营单位根据自身能力和外部环境情况利用与发布信息于BIM平台上，利益相关者进行信息识别与交换，缓解建设项目主体之间信息不对称水平，提高项目信息的识别与表达效率。

此外，在厘清两种信息传递模式机理的基础上，文章采用逻辑推演和数学推导阐释了两种模式的信息传递损失和信息利用损失。分析表明，(1) BIM作为一种信息的增强表达、加工工具，应用BIM技术拓展了项目信息的可表达空间、降低了传统的单向信息传递效率损失，但其正面效应受到项目主体信息分享意愿的影响，提升项目主体信息分享意愿是当务之急；(2)项目信息完全表达并不等价于BIM的应用，仍需要借助文档、语言、会议、讨论等其他形式进行信息表达和传递。(3)基于BIM平台的建设项目信息传递问题实质上是BIM技术的信息表达能力(空间)和项目主体信息分享意愿，这既是建设项目利益相关者进行BIM技术选择决策的重点考察对象，又是项目信息管理效率提升策略的优化途径。然而，鉴于成本控制是建设工程项目管理的重要内容，后续研究需要从经济性角度考察两种信息传递模式。