BIM的神話、藝術和實踐策略

2014年1月6日19:00, 新北市建築師公會演講：BIM的神話、藝術和實踐策略

演講摘要

1. BIM的神話：

近年來BIM以一種近乎神話的姿態滲透到建築產業的每一個角落。有如傳說中的神蹟，每個人都聽過BIM的神效與見證，但無緣身受。神話可以看做是在資訊匱乏的情況下一種知識傳播媒介。在當前的產業與技術背景下，BIM的願景有許多已經具有可實踐的條件，也有許多缺漏困境只是被虛幻的理想包裝美化。

2. BIM是藝術，不是技術：

BIM不是新的技術，而是如何把既有的技術在現實世界中實踐的藝術。資訊技術光彩奪目，但仍需經建築師和其他專業人員以知所取捨的智慧在實務中淬煉，才能真正成為倚天屠龍的寶劍。

3. BIM的實踐策略：

建築設計是一種資訊作業流程。專業資訊的切割與整合一直是建築產業結構發展與演變的中心議題。資訊技術的發展帶來組織結構與作業程序扁平化的趨勢，BIM對建築師業務的衝擊與挑戰就是傳統作業中必要的專業分工與利益風險分配模式應該如何轉變，在相關資訊技術的支應下適度的整合，以因應大環境的趨勢。

桁架結構的資訊量

Fig 1. Warron truss

上圖所示桁架由11個桿件與7個節點所構成。假設上圖桁架所有桿件尺寸樣式都相同，共有11支桿件，其順序共有18!種，但因所有桿件為同一種，所以順序無關緊要，資訊源輸出資訊為0。假設7個接頭分為兩種型態，各有2個(A、D)，2個(E、G) 與3個(B、C、F)，則確定其順序的資訊量為log(7!/(2!*2!*3!))，而每一種接頭出現的機率分別為2/7, 2/7, 與 3/7，每個接頭平均資訊量為(2/7)*log(7/2) + (2/7)*log(7/2) + (3/7)*log(7/3) ，確定7個接頭類型所需資訊量加上確認其順序之資訊量共計 18.611 bits。但是實際上我們必須考慮桿件與接頭彼此間的安裝順序，例如實際上可能需要先安置好桿件才能安裝接頭。因此桿件與節點的安裝順序是相關的，桿件加節點排序的資訊量是 log(18!/(11! * 7!))，其類型資訊為 ((11/18)*log(18/11) + (2/18)*log(18/2) + /18)*log(18/2) + (3/18)*log(18/3)) * 11 = 50.922 bits。

如果在接頭的部分考慮更簡單的情形，也就是每次機器人只能處理兩根桿件的接頭，而且當角度不同時其處理方式也不同，那麼接頭總數為15個，但如果上圖桁架桿件之間的夾角都是pi/3的話，則其類型只有一種，安裝順序無關，所需資訊量也就是0。考慮桿件加上接頭的情形，其順序資訊量為 log(26!/(11!*15!))，類型資訊量為(11/26)*log(26/11) + (15/26)*log(26/15) = 48.436 bits。

如果桿件0, 1, 2, 9, 10為同一種類型x，而桿件3, 4, 5, 6, 7, 8為另外一種類型y；節點A, D, E, G為同一種類型u，節點B, C, F則為另外一種，v。根據Shannon資訊量計算模型，把這個桁架看成是一個溝通的訊息，假設有一個資訊源(information source)，送出訊息指示桁架的建造方式。訊息接收端是一個只能接收該資訊源的訊息並遵照指示行動，而沒有任何其他可以偵測外界資訊的設備的機器人。訊息的內容為標出桁架桿件的位置以及其型號。上圖桁架共有11個桿件，所有可能的排序為11!，但因為0, 1, 2, 9, 10等五支桿件相同，而3,4,5,6,7,8等六支桿件相同，所輸出訊息中相同桿件的順序無關緊要，因此機器人須能夠明確分辨組裝順序所需的訊息為11!/(5!*6!) = 462。因此該資訊源所送出的任何一組訊息，必須能夠讓接收端在462不同狀況中分辨出所需要的安裝順序與型號，因此該資訊源ys所輸出訊息有關桿件安裝順序部分的資訊量為 log462 = 8.852 bits。此外因為桿件有兩種，分別為6/11與5/11出現機率，因此每一支桿件需要-(6/11)*log(6/11) - (5/11)*log(5/11) =  0.994 bit，乘上11支桿件，等於10.934。加上桿件順序所需資訊量，總計該資訊源有關桿件部分的資訊量為19.786 bits。

如果要求桁架的節點也必須由資訊源分別就不同節點類型送出順序和種類的話，桿件種類的數量和種類必須合併計算。該桁架桿件和節點的各種類型分別有5, 6, 2, 2, 3種，依照上述方法計算後，能夠輸出桁架桿件與節點組裝順序與類型的資訊源必須具備 70.708 bits 的資訊量。

如果假設節點的安裝也必須精簡到更簡單的操作，假設機器人每次只能處理兩根桿件的節點，並且不同的角度有不同的處理方式，那麼上圖中的桁架

Fig 2. Pratt truss

上圖為Pratt Truss。假設工程師設計時桿件分為三種，分別為編號 0, 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11等10枝為type A，4, 17, 18, 20, 19, 5等6枝為type B, 12, 13, 14, 15, 16等5枝為type C。節點的部分有四種，分別為A, G, type 2, 節點 B, F, J 為type 3, 節點C, E, H, I, K, L為type 4, 節點D為type 5 。

根據上述算法，送出該桁架之資訊源需具備之資訊量為172.479 bits。

Fig. two curved trusses

上圖左方的桁架以正三角形為單元組構，其資訊量主要發生在上方桿件長度的變化，資訊量為 301.800。上圖右方的桁架中，白色的桿件長度一樣，資訊量主要發生在上下層的長度變化，其資訊量為436.222。但如果完全沒有整合各桿件的長度，讓每一根桿件都是獨一無二的，則同樣曲線的桁架之資訊量成為625.299。

如果把上圖左方的桁架視為一連串正三角形的組合，每一個正三角形當作一個單元，那麼資訊量便從182.844降為149.786。因此在組裝的程序上如果依循同樣的原則，先組成正三角形，再連結正三角形成為桁架。如果不計入預製之三角形所需的資訊量的話，其作業流程中所需處理的資訊量則為 274.858。三角形所需資訊量為 (未完待續)

菜

水煮華絲鮮鮑魚
海天一色魚燕翅
玉芋瓊漿佛跳牆
蟠龍躍虎大拼盤
青瓜翠玉盅小品
水漬流蘇魚羊鮮
油爆櫻蝦禾日香

筊白玉美人回眸
辣醉雞癡漢留步

色傾城紫晶鑲白玉
艷群芳碧眼展朱顏

藕連絲情得正果
冰斷水羶暑全消

再談模式語言與設計教育

對模式語言最常見的錯誤解讀就是把其中的模式當作建築設計普適的準則。這可能要怪亞力山大自己，他不該花太多時間整理出厚厚一本243個模式，試圖涵蓋居住空間每個層次的問題，難怪別人誤以為他想出一本設計聖經。

模式語言應該被當作一種表達設計想法的格式，作為設計溝通之用。每一套模式的目的就是為了描述某一個設計案的的目標與設計準則，而同樣的模式在別的設計案可能完全不適用。就像你說的，每個模式背後是經過主體經驗的解讀才產生意義。與你不同的是，我認為既然是經過主體經驗的解讀，模式就不可能是構成超越個人的「共同結構」的組成單元。例如白色在西方是婚禮的主要顏色，代表喜樂，而在中國則是訃聞所用的顏色。既然牽涉到主體經驗，必然跟空間的設計者與使用者，以及基地所處環境有關。為每一個設計案所提出的模式是獨特的，雖然可能跟其他設計案的模式有許多交集，但那是因為其使用者、設計者與環境有許多共同性，而不是這些模式具備了所謂的「共同性」。所謂的「共同結構」應是指其由許多模式以網路方式連結的這種結構，以及模式本身組成的結構而言，而不包含特定模式的內容。

空間須經過人主體經驗的解讀，這是現象學的觀點，我並不清楚亞力山大在這方面的立場(他很多書我都沒讀過，而且我讀書通常不求甚解)，但是段義孚的著作讓我對這個觀點有一點體會。然後從資訊的觀點切入，讓我有機會把海德格的dwelling和段義孚的space and place和空間設計有機會統合起來，這就是我在清華試圖表達的。經由你的提醒，我想或許可以說亞歷山大的模式可以協助設計者把他試圖賦予空間的「意義」用規格化的方式表達出來，代表某種特定主體經驗下的空間解讀，而這種格式有助於設計初期的溝通之用。我覺得海德格與段義孚提供了空間設計的理論基礎，而亞歷山大提供了方法。

為什麼這種格式有助於溝通，我是從知識管理的觀點來看的，Nonaka 所提的知識創新螺旋中將內隱知識外化這個階段，我認為正是模式可用之處。因此我在規劃Kihaus設計工作室時是以知識創新螺旋為藍圖，讓學生使用模式將其設計知識外化，然後被結合。

我不認為模式是用來演算的，那是以為電腦全能的人的想法。我的理想是用模式來營造設計知識的市場經濟。資本主義的產業供應鏈是創新發明的絕佳範例。一個人或者一家公司不必是全知全能的創造者，只要有能力製作一個小組件，即便是小如螺絲帽，也可以在市場上取得立身之處。只要市場經濟運作順利，各種創新產品會源源不絕，而真正符合市場需求的會被肯定，其價值也會在市場上被反映出來。如果把產業供應鏈這幾個字替換為設計供應鏈，我們知道一個好的設計就像市場上好的產品，是真正符合需求並且可以有效率生產的。生產過程需要各種資訊的投入，從對設計問題的解讀、設計目標與構想、基地環境調查、對結構機能外觀的知識與方案等等。一個好的設計者或許可以全部包辦，但一群普通的設計者是否可能透過一個有效的知識經濟市場運作而源源不絕地提出好的設計？從這個觀點來看，電腦與網路扮演的角色是提供做為資訊交換平台，而不是進行設計演算，因此設計演算可以說是戰略錯誤，而不是戰術的錯誤。

模式語言與設計及設計教育

從演算、認知或者人工智慧的角度切入談設計是一條死路，遠離它是對的。事實上大約八零年代以來無數學者的投入並沒有帶來有價值的成果。

我文章裡談的pattern並不是演算或者認知領域中所謂的模式。其實是源自於建築領域一個長久被誤解並逐漸被忽視的基本理論，就是亞歷山大的模式語言。事實上亞歷山大可能是半世紀以來最懂得演算理論的建築學者，其論述貼近建築，卻具有堅實的演算基礎。這可以從其博士論文Note on the synthesis of form看出來，這本論文甚至一度成為電腦科學領域的教科書。其從建築設計出發的模式語言的理論事實上推動了軟體工程的革命。

我大約在2000年的時候切進去知識管理的領域，體認到亞氏的模式語言是一種知識交換的格式，這個格式是針對設計問題的剖析而設計的，這在其博士論文、Timeless way of buildigns和Oregon experiment說明得很清楚。模式語言被絕大多數的建築學者或教育者誤解的非常嚴重。我認為模式語言可以和nonaka的知識創新螺旋結合，運用在設計教育上，尤其是針對合作學習。這篇論文可以說是過程中的一個筆記。

從知識管理的角度來看，溝通才是設計與設計教育最重要的關鍵，而不是如人工智慧或認知心理學者所鍾愛的形式分析、搜尋或者演算。設計溝通需要有效的語言。建築設計專業圖面或許適合設計後期的溝通，但設計前期階段，甚至與建築計畫銜接的階段，例如校園規劃，傳統的圖面就不是很恰當(Oregon Experiment)，因此他提倡以模式語言作為設計溝通語言，而這種語言的格式是根據其對設計問題深入剖析(Note on the synthesis of form)後的心得而得出的。亞歷山大同時也是個數學家，其論述背後可以看到堅實的運算理論基礎，我認為其後無人出其右。

從設計到製造的溝通模型

From design to fabrication: A model of communication

上圖把Claude Shannon 的溝通數學模型基本架構改寫成設計到製造的流程。設計到製造是一個溝通流程，尤其在工業時代之後，許多設計師脫離工匠的身分，而工匠也必須深入各種工程科學知識而成為工程師。設計師精於將其設計構思以圖面或其他方式表達，而工程師則專注於將設計圖面所描述的物品或建築物以有效的製程製造出來。從設計到製造就是一個如假包換的溝通流程。

上圖把設計師當作transmitter, 負責將設計構思編碼成為設計圖說。設計圖說是一種可以透過某些channel傳輸的signal。製造者接收到設計圖說之後，扮演transmitter的角色，進行解碼將圖說轉換成為物品或建築物。與Shannon的一項基本差異是shannon的模型中，message經過編碼，傳輸後解碼，應該還原為原來的message。此時我們做了一點延伸，也就是還原之後的message並非原來的message，而是原來message的某種轉換，可以是空間的平移轉換，這就是shannon討論的case。也可以是時間的轉換，或者語言的轉換，甚至是設計構思與成品之間的轉換，反正只要是某種轉換就可以，而絲毫不影響到shannon模型的適用性。

設計溝通時noise比較可能是在encode和decode過程中發生，不過我認為並不影響到模型的適用性，因此我期待shannon所有推論仍舊可以用來分析設計溝通。因為noise不管是在transmitter或者是channel中發生，都是讓signal產生變異，讓接收端對signal產生錯譯的機率提高。

另一個可能需要討論的是shannon的message是可以用非常明確的格式表達的，而設計溝通模型中的message代表設計構思，卻沒有人知道如何表示設計構思。從weaver的文章中我得到啟發，或許這可以歸到semantic的層級，而根據weaver的看法，shannon的模型被延伸到semantic的層級，甚至effectness的層級都不損及其適用性。我們只要再加一個transmitter把設計圖說轉換成shannon模型中的signal，然後把前後兩個transmitter看成是單一的transmitter就可以了。當然這時在現實世界中，這樣的transmitter就是設計師加上他所用的電腦。

在Shannon的模型中，所有的information都來自information source，不管是encode或者decode都不會加入資訊，只會流失資訊。在設計/製造的溝通模型中，設計師在encode的過程中加入information，而工程師在decode設計師的圖面時會加入information以釐清該設計如何建造。

學科能力分校就是菁英教育?

社會上持續不斷討論教育的問題，許多人把問題歸咎於升學制度，到底要考試或者不要考試，要多元或者不要多元，似乎永遠也找不到答案。在諸多爭論的議題當中，唯一不受挑戰就是這個社會需要菁英，因此我們必須找到方法挑選出最可能成為菁英的孩子，給他們菁英該有的教育。真的是如此嗎?

多年前一些報導給我許多啟示，內容是教育當局考慮把體育成績列如入學評量項目，贊成與反對的聲浪迎身而起。其中最讓我印象深刻的是一則家長的回應，說這麼一來，連體育也要補習了。癥結不在於是否將體育納入入學評量，而是我們面對這個問題的態度。到底為甚麼我們相信我們能夠分辨出菁英，然後把菁英和非菁英區隔開來分別受教才是最好的? 人們似乎不斷在重蹈覆轍，大家都忘了當年在國中實施學科能力分班所造成的問題，現在反而把在高中實施學科能力分校視為不可挑戰的價值，即使是實施十二年國教都不能放棄用各式各樣的評量來挑選菁英，讓他們可以被集中起來受教。

先說到底甚麼是菁英這件事。大家直覺上認為數學奧林匹克金牌得主是菁英，將來可能是了不起的科學家；跟他同年齡另一位數學沒這麼厲害的同學後來成為一位培育英才的小學老師，請問哪一位對這個社會有更大的貢獻? 那麼一位救人無數的打火英雄，或者一位技藝高超的髮型設計師呢?甚至一位愛打架鬧事的小孩將來都可能成為亂世中濟弱扶傾的英雄。這個社會需要各式各樣的人才，最可貴的教育是讓這些人才都有機會成長茁壯，並能在社會中找到能發揮所長的機會。因材施教是一項普適的原則卻也造成迷思，我們的作法就是把相同才能的孩子集中訓練，透過高強度的學習把這項才能發揮到極致；體育班訓練運動選手，音樂班訓練音樂家，學科資優班訓練諾貝爾獎得主。

我想要說的是把相同的菁英集中起來受教不但不能為這個社會培育人才，而其所造成的壞處是很可怕的，說明如下：

1. 任何一種專長的人，終究要融入社會之中面對各種與他不同特質的人並彼此合作，才可能對這個社會有所貢獻，也才能找到自己的價值。先假設菁英教育真的可以培育菁英，一位有音樂天分的小孩，從小到大都在音樂資優班受教，最後成為一位超凡入聖的鋼琴家，其身邊的人都是和她一樣具有音樂天分與修養的人，程度越高圈子就越小。縱然其表演的藝術超越社會超越時代，最後可能落得沒有任何觀眾與舞台。
2. 如果我們認為公平的社會是值得追求的，用國家資源去營造菁英學校就是加深社會層級的差距。國家資源最應該投入的反而是那些學習狀況最差的小孩，幫助他們將來在社會上不至於無立足之地。把國家寶貴的教育資源投入在菁英教育上則是加大社會階層的差距，讓處境好的人享有更多的資源，處境差的人則無翻身之地。
3. 把相同特質的小孩集中受教會讓社會被割裂成許多價值觀彼此不相容的團體。每一個團體都追求同儕的認同，同質性的團體會形成一種強調自身特質的價值觀，並歧視不符合其特質的圈外人。這樣的社會不可能是一個和諧的社會。讓小孩在受教育期間能夠有機會和與其具備不同特質的小孩相處才是幫助他們將來能融入社會的方法。