建筑信息模型、區(qū)塊鏈和建設(shè)項目管理研究*

■ 朱林 劉紅勇 黃蘇麗 何沙 蔣杰

1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 成都 610500

2.四川省國網(wǎng)德陽供電公司 德陽 618000

3.西南石油大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 成都 610500

0 引言

建設(shè)項目存在信息高度分散且浪費極端嚴(yán)重的問題[1-2]。在傳統(tǒng)建筑項目中，策劃、設(shè)計、施工、運營各階段相互獨立，各項目參與方利益相對獨立，管理過程中利益博弈突出，信息兼容難度大，造成了較大的信息丟失和重復(fù)工作，給施工和運營管理造成了干擾。BIM 被譽為下一代的智能計算機輔助設(shè)計（Computer Aided De‐sign,CAD），它不僅是一個完備的三維空間及多維信息模型，更是一種先進的生產(chǎn)管理方式[3]。采用以BIM 為中心的建設(shè)項目管理模式可有效加強項目過程中信息傳遞的準(zhǔn)確性和效率，但難以提供一套較公正的方法來對項目全過程中各方貢獻(xiàn)和價值問題進行度量和激勵，因而基于BIM 協(xié)同的項目應(yīng)用存在推進難度大和責(zé)任糾紛較多的不足[4]。

區(qū)塊鏈技術(shù)（BlockChain）是實現(xiàn)數(shù)字貨幣的一種底層技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是一個去中心化的數(shù)據(jù)庫，通過對網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點的充分賦能，為信任產(chǎn)生提供一種機制，實現(xiàn)更開放情景下的共贏，從而為價值的有效傳遞提供了支撐[5]。在互聯(lián)網(wǎng)3.0時代，人們追求更加自由個性的工作模式，建設(shè)項目管理模式逐步從層級式向網(wǎng)絡(luò)式轉(zhuǎn)變，以互聯(lián)網(wǎng)和信息為基礎(chǔ)的協(xié)作模式日益流行[6]，從而需要探索新的項目管理模型以滿足該需要[2,7]。

對此，提出一種BIM 與區(qū)塊鏈技術(shù)融合的建設(shè)項目管理新模式。該模式與當(dāng)前行業(yè)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢契合，不僅提升了建設(shè)項目的數(shù)字化、智能化和高效化，又構(gòu)建科學(xué)合理的各方互信和協(xié)同機制，從而增進各方合作，減少資源浪費，有助于構(gòu)建精益型項目協(xié)同體，促使項目高效完成[8]。2016年發(fā)布《2016～2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，BIM 成為“十三五”建筑業(yè)重點推廣的五大信息技術(shù)之首，因此西南大學(xué)設(shè)立了新工科思維下基于互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的BIM 系列課程教學(xué)研究與實踐項目，本文是該課題項目的部分成果，在該課題項目中起到實踐探索作用。

1 文獻(xiàn)綜述

當(dāng)今商業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，全球化專業(yè)分工持續(xù)深入，去中心化和協(xié)作成為主流。項目中信息流的高效、敏捷和高質(zhì)量成為項目卓越的關(guān)鍵[1]。建設(shè)項目不再是傳統(tǒng)的設(shè)計和施工，而是項目全過程的有效管理，這需要BIM和區(qū)塊鏈技術(shù)的有效支持[9]。

1.1 BIM技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的研究

BIM 技術(shù)研究從項目前端向后端遷移。在BIM 發(fā)展早期，主要應(yīng)用于規(guī)劃和設(shè)計階段，特別是碰撞檢測、可視化和工程算量等[10]。隨后為適應(yīng)綠色設(shè)計發(fā)展需要，BIM 衍生了能效分析、結(jié)構(gòu)分析、進度跟蹤等功能。2010年開始，BIM 技術(shù)開始從前端向后端遷移[11]，即在研究中考慮維護、修理、拆除、報廢等因素。近20年對BIM 的研究主要集中在如下4 個領(lǐng)域:一是關(guān)鍵理論的支持，即為BIM 推廣提供理論支持；二是BIM 應(yīng)用問題，即BIM 應(yīng)用在項目建設(shè)全生命周期過程中問題的解決方案；三是BIM 實踐問題，即BIM 應(yīng)用能力和相關(guān)人才的培養(yǎng)問題；四是與其他領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合的問題，如BIM與無人機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合等[12]。對此，BIM 研究可在以下3 個方面進行改進：（1）研究對象上“重新輕舊”，即研究主要關(guān)注新建建筑，而對已存建筑的關(guān)注相對較少[13]；（2）建設(shè)項目全生命周期上“重前輕后”，現(xiàn)有研究主要關(guān)注設(shè)計和施工階段，而對后期運維和終止方面的研究則相對較少，另外對數(shù)據(jù)的安全也關(guān)注較少[3,14]；（3）研究方式上“重術(shù)輕道”，對于BIM 技術(shù)的研究較多，而對于合作、溝通、法律信息等柔性因素關(guān)注較少，特別是基于信任和協(xié)作的研究相對較少[15–17]。

區(qū)塊鏈技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字貨幣（比特幣是代表）的一種用于記錄賬目交易歷史的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過比特幣，可構(gòu)建一整套完整連貫的去中心化、防篡改、去信任化數(shù)據(jù)庫技術(shù)來實現(xiàn)信息安全[18]。國內(nèi)外對區(qū)塊鏈的研究比較廣泛，主要涉及底層技術(shù)、安全技術(shù)、醫(yī)療系統(tǒng)、能源交易系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、信息傳媒、區(qū)塊鏈的挑戰(zhàn)和治理等方面[13,18]。區(qū)塊鏈?zhǔn)菂^(qū)塊的鏈接，每一區(qū)塊均由塊頭和塊身組成。塊頭包含了鏈接到上一個區(qū)塊的地址以及區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫完整性的證據(jù)[19]。塊身則包含了經(jīng)過驗證的塊創(chuàng)建過程中發(fā)生的交易詳情及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄。在一系列區(qū)塊上，區(qū)塊鏈構(gòu)建系列節(jié)點Hash值的連接，使攻擊者需掌握超過全網(wǎng)50%以上算力才有可能篡改數(shù)據(jù)，從根本上解決了點對點網(wǎng)絡(luò)中存在的非信任和支付問題[2]。

雖然區(qū)塊鏈在一些行業(yè)中得到了應(yīng)用。但從現(xiàn)有研究情況分析，對BIM 和區(qū)塊鏈進行結(jié)合的研究還比較少，特別是在建筑行業(yè)研究背景下。Turk 和Klinc 對BIM 中存在的法律問題進行了歸納，提出區(qū)塊鏈?zhǔn)菍υ搯栴}的可能解決方案[4]?？傮w而言，研究者對于BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)在建設(shè)行業(yè)中的應(yīng)用持積極的態(tài)度。

1.2 社會技術(shù)框架

1951年，Trist和Bamforth 在工程項目的關(guān)系研究中引入了社會和技術(shù)觀點。之后，該觀點廣泛應(yīng)用于其他社會科學(xué)領(lǐng)域。為應(yīng)對外部環(huán)境的快速變化，組織的技術(shù)系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)建和更新是一個關(guān)乎組織生存的問題，因此需要管理者從更全面的角度審視這一過程，而社會和技術(shù)框架是一有力的分析工具。Baxter和Sommerville提出，當(dāng)對以計算機為基礎(chǔ)的技術(shù)系統(tǒng)進行決策時，不僅需要考慮其技術(shù)因素，而且需要考慮其社會、人和組織因素，否則可能滿足了技術(shù)要求，卻忽略了社會因素的需要，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)應(yīng)用的失敗[20]。從區(qū)塊鏈與BIM 研究情況來分析，較少有研究者使用社會技術(shù)框架對其進行應(yīng)用。因此，從社會技術(shù)視角出發(fā)探索BIM 與區(qū)塊鏈結(jié)合的建設(shè)項目管理模式是一種有益探索。

2 區(qū)塊鏈與BIM的結(jié)合點

針對建設(shè)項目中BIM 應(yīng)用研究存在的不足，提出一種將區(qū)塊鏈和BIM 結(jié)合的建設(shè)項目管理的新模型。相比其他文獻(xiàn)，本研究在以下幾點進行拓展：

圖1 基于BIM和區(qū)塊鏈技術(shù)的建設(shè)項目全過程支撐框架

多用戶、多階段、多目標(biāo)數(shù)據(jù)的整合和追溯。建設(shè)項目過程中，相關(guān)利益者（業(yè)主、設(shè)計師、工程師、承包商、第三方評估）均有不同的利益訴求，從而產(chǎn)生不同的信息流。通過使用區(qū)塊鏈將各方需求記錄在BIM 模型中，可實現(xiàn)項目全過程需求信息的追蹤與確認(rèn)。建設(shè)項目是一個全生命周期的過程，從計劃、評估到運行與終止，每個生命階段均會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈可實現(xiàn)項目全生命周期的可追溯和可追責(zé)。建設(shè)項目是一個多目標(biāo)的集合體，既涉及成本、進度、質(zhì)量，又涉及健康、安全、環(huán)保等多個方面。每一目標(biāo)的達(dá)成，均需要有一系列項目過程的動態(tài)支撐，區(qū)塊鏈和BIM 可對項目多目標(biāo)的達(dá)成過程和達(dá)成度進行動態(tài)追蹤和評估。

多方協(xié)同、利益均衡、項目無損傳遞、責(zé)任追溯、顧客滿意共識模型的構(gòu)建。項目建設(shè)的推進是各方在時空動態(tài)變化、市場不確定條件下共同協(xié)作的結(jié)果。BIM通過將物理產(chǎn)品全過程信息化，實現(xiàn)了建設(shè)項目全過程的設(shè)計、施工、運維和終止的把控，降低了建設(shè)項目全生命周期中的不確定性，降低了項目全過程成本，增進了顧客滿意度。在傳統(tǒng)的項目合作模式（如設(shè)計建造模式、設(shè)計—招標(biāo)—建造模式、設(shè)計—投資—施工總承包模式等）下，BIM 技術(shù)帶來的效益提升對于業(yè)主方比較有利，而對施工方相對不利。因為全過程全生命周期項目的精準(zhǔn)把控，使得施工過程中變更減少、效率提高，浪費減少，對現(xiàn)有流行的通過低價中標(biāo)、后期變更獲利的施工方式影響較大。而基于區(qū)塊鏈的BIM 管理模型，可以將各方在計劃和設(shè)計階段所作的貢獻(xiàn)客觀公正記錄下來，從而實現(xiàn)各階段數(shù)據(jù)無損傳遞，從而為各方實現(xiàn)基于貢獻(xiàn)的價值評估提供了應(yīng)用基礎(chǔ)，有助于傳統(tǒng)的以文檔為基礎(chǔ)的線性階段模型轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾絽f(xié)同的BIM 和區(qū)塊鏈結(jié)合的建設(shè)項目全過程共識框架。

3 區(qū)塊鏈與BIM結(jié)合的支撐框架

3.1 支撐框架

區(qū)塊鏈與BIM 結(jié)合的建設(shè)項目支撐框架是以區(qū)塊鏈為技術(shù)底層，以BIM 模型為信息中心，通過多方協(xié)同參與構(gòu)建的。該框架以區(qū)塊鏈為分布式數(shù)據(jù)底層，通過確認(rèn)項目利益相關(guān)方工作量（Proof of Work, POW），構(gòu)建公平安全可信的工作量計量機制，減少項目建設(shè)過程的工作量計算糾紛，提升建設(shè)項目過程協(xié)同信任度，推進項目相關(guān)方從建設(shè)項目全過程和多目標(biāo)角度進行深度思考和貢獻(xiàn)力量。

區(qū)塊鏈為數(shù)據(jù)縱向維度的可追溯性提供了鏈?zhǔn)街С?，而BIM 為數(shù)據(jù)橫向維度的各方信息整合和建模提供了解決方案。兩者結(jié)合的支撐框架為項目過程中信息“縱橫”的管理提供了參考方案。該框架的建立和實施，需要項目各方協(xié)力參與，需要從社會技術(shù)和全生命周期視角對其進行系統(tǒng)建構(gòu)，見圖1。具體而言，首先是技術(shù)維度視角，該支撐框架需要有軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)設(shè)施的支持。其次是政策視角，BIM 和區(qū)塊鏈在建設(shè)項目中的應(yīng)用需要政策、法律、規(guī)章制度和發(fā)展戰(zhàn)略等的大力支持。接著是過程視角，BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)在建設(shè)項目中的應(yīng)用需要組織和個人的大力支持，這要求組織和個人理解BIM 和區(qū)塊鏈在建設(shè)項目全過程中扮演的角色和對它們產(chǎn)生的影響進行評估。最后是社會視角，在建設(shè)項目中運用BIM 和區(qū)塊鏈會對現(xiàn)有的社會系統(tǒng)造成什么影響，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、儲存和利用是否安全，其應(yīng)用是否有助于建設(shè)項目更綠色環(huán)保的執(zhí)行。除此之外，還需基于建設(shè)項目全生命周期思想，對該支撐框架的整體運行過程進行全面考慮和評估，從橫向和縱向維度，從項目策劃到項目終止，利用BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)為建設(shè)項目各方需求進行精準(zhǔn)服務(wù)。

3.2 實施流程

在建設(shè)項目中，將區(qū)塊鏈與BIM 技術(shù)結(jié)合起來需要對回答進行第一個問題：是否需要使用區(qū)塊鏈和BIM技術(shù)。

對建設(shè)項目中決定是否采用區(qū)塊鏈技術(shù)需思考如下決策樹：1）是否需要數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)；2）是否需要分享項目的寫入權(quán)限；3）各方是否可信且需求一致；4）是否需要第三方機構(gòu)；5）是否需要項目的控制權(quán)；6）交易的過程是否公開；7）交易在組織內(nèi)部還是組織之間；8）如何對工作量進行共識測度。如果前4個問題任有一個為否，則說明該項目并不需要區(qū)塊鏈；反之，則該建設(shè)項目需要區(qū)塊鏈技術(shù)；而后5～8 點則確定了使用何種區(qū)塊鏈的問題，如項目中涉及利益多方且存在項目業(yè)主，則需要使用混合型區(qū)塊鏈（部分為公開，部分私有）[2,21]。

對建設(shè)項目過程中決定是否使用BIM 技術(shù)需思考如下決策樹：1）項目各方和成員是否愿意學(xué)習(xí)新的管理思想和技術(shù)；2）建設(shè)項目是否存在BIM 預(yù)算；3）建設(shè)項目是否復(fù)雜；4）建設(shè)項目建設(shè)和運維周期是否長期[22]。如果上述4 個問題均為否，則該項目中可能不需要使用BIM 技術(shù)。反之，應(yīng)用BIM 技術(shù)是一種比較經(jīng)濟的選擇。通過對建設(shè)項目的BIM 應(yīng)用，可實現(xiàn)如下目標(biāo)：建設(shè)項目三維的理解，工期的把控（4D），成本的控制（5D），質(zhì)量和績效的分析（6D），可搜索、可訪問的準(zhǔn)確的設(shè)計、建筑電子模型（7D），結(jié)合其他（如物聯(lián)網(wǎng)）等信息的完整建筑信息模型（8D）等[23]的把控，最終減少項目過程中的不確定性，提高管理效率，減少浪費。

當(dāng)項目上已經(jīng)決定使用BIM 和區(qū)塊鏈后，接著需要從社會技術(shù)視角思考推進BIM 和區(qū)塊鏈融入到建設(shè)項目全過程周期中。（1）在技術(shù)上，可根據(jù)各參與方技術(shù)基礎(chǔ)、項目需求的不同，將其轉(zhuǎn)化為云端或本地服務(wù)，將該支撐框架實例化。（2）政策上，項目各方需要緊跟國家政策，為BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)在建設(shè)項目中的標(biāo)準(zhǔn)制定和治理方案建言獻(xiàn)策。（3）過程上，需協(xié)調(diào)各方，達(dá)成共識，加強人員培訓(xùn)，將各項規(guī)劃管理工作前置，通過BIM 和區(qū)塊鏈系統(tǒng)賦能，推進BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)在建設(shè)項目中的深度融合。（4）社會上，加強建設(shè)項目中BIM 與區(qū)塊鏈的科普宣傳工作，通過實例和數(shù)據(jù)證明該技術(shù)在項目各階段和全過程中的貢獻(xiàn)；在人才培養(yǎng)上，加強與教育和培訓(xùn)機構(gòu)的合作，推進后續(xù)人才隊伍的不斷壯大。

另外，還可從全生命周期的角度對BIM 和區(qū)塊鏈的集成過程進行思考。一個建設(shè)項目的實施流程可分為9個階段：可研、概念設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、實施文件設(shè)計、施工、交付、運行維護、終止。在該流程中，項目的主要參與方在項目初期已確定，通過協(xié)商，可共同構(gòu)建區(qū)塊鏈和BIM 運行的信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺，探討和確認(rèn)各方工作量共識測算機制，組建技術(shù)支持團隊并對相關(guān)方進行培訓(xùn)工作。在設(shè)計和施工階段，各方共同協(xié)作運用所掌握的知識和經(jīng)驗完善項目設(shè)計方案。通過區(qū)塊鏈的工作量共識算法對各方成果及報酬進行核算，保證各方貢獻(xiàn)均得到可靠的記錄和計量。在工作量準(zhǔn)確計量基礎(chǔ)上再建立合理的報酬激勵機制，可有效激發(fā)各方活力，增進項目各方貢獻(xiàn)值，減少施工階段設(shè)計變更和實施變更的概率，加快施工進度，降低后期運維成本，實現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期的經(jīng)濟運行。在項目全生命周期中，通過區(qū)塊鏈加BIM 模型的整體傳遞，實現(xiàn)項目信息的整體和全過程交付，避免單一BIM 模型造成的信息損失，為各階段管理和責(zé)任追溯提供了數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論及展望

針對建筑行業(yè)存在的浪費嚴(yán)重問題和行業(yè)中傳統(tǒng)協(xié)作模式難以滿足現(xiàn)實發(fā)展的問題，我們提出一種基于BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)融合的建設(shè)項目管理新模式，該模型的關(guān)鍵主要有兩點：

（1）多用戶、多階段、多目標(biāo)數(shù)據(jù)的整合和追溯，多方協(xié)同、利益均衡、項目無損傳遞、責(zé)任追溯、顧客滿意共識模型。該模型有助于解決當(dāng)前建筑信息丟失和重復(fù)問題，而且有助于推進以顧客滿意為中心的網(wǎng)絡(luò)化項目管理，減少信息不平衡所產(chǎn)生的內(nèi)耗。

（2）在模式構(gòu)建上，從社會技術(shù)和全生命周期視角出發(fā)探討基于區(qū)塊鏈與BIM 技術(shù)的建設(shè)項目支撐框架。該模型構(gòu)建中，其信息其邊界不僅僅是施工，還需要延續(xù)到項目決策期和終止期，實現(xiàn)各期信息的兼容和追溯。該模式需要平衡各方利益，因此需要從社會、政治、過程和技術(shù)因素進行推動，從而實現(xiàn)其落地。

該模式有助于平衡建設(shè)項目中各方利益、促進各方協(xié)同參與，減少項目全生命周期中資源浪費和不確定，構(gòu)建精益型項目協(xié)同體，提升行業(yè)信息化和精細(xì)化管理水平。

另外，在后續(xù)研究中本研究需在兩個方面進行完善：（1）進一步分析BIM 和區(qū)塊鏈結(jié)合共識模型的權(quán)限控制問題，雖然BIM 和混合區(qū)塊鏈結(jié)合模型是面向多方和全過程的，但各方權(quán)限的邊界需進一步界定；（2）進一步收集數(shù)據(jù)，分析該模型實施過程中的影響因素，從而為社會技術(shù)框架的進一步細(xì)化提供支持。