1 区块链概况

　　1.1 发展背景

　　区块链概念始于2008年，由化名为中本聪(Satoshi Nakamoto)的学者在《比特币:一种点对点的电子现金系统》^[1]中第一次提出，作为比特币的核心支撑技术，发源之初是为支持比特币交易的独特需求。

　　随着比特币在世界范围内获得越来越多的关注，逐渐开展区块链技术在其他领域的探索。由于在货币交易上的优势，最先向金融领域扩散，促使大量钱包支付和汇款公司诞生，大大降低经济活动的成本。

　　区块链价值逐渐得到全球广泛关注，多个国家开启国家层面上关于区块链的技术研究，在各行业应用中的探索也如火如荼地开展。我国同样重视区块链核心技术的研究发展与自主创新。2011年6月，我国第一家交易所比特币中国(BTC China)成立，意味着我国与世界同步开启区块链的时代，到目前已形成以北京、上海、深圳为中心的3大区块链联盟。

　　当前，国家高度重视发展区块链技术，明确区块链技术对各领域集成应用在技术革新和产业变革中的战略性意义。

　　2016年10月18日，召开中国区块链技术和产业发展论坛成立大会暨首届开发者大会，会上颁布由工业和信息化部指导编写的《中国区块链技术和应用发展白皮书》，提出我国区块链技术发展路线图和标准化路线图等建议，鼓励营造良好的发展环境，推动我国区块链技术和产业发展。

　　2016年12月，国务院发布《“十三五”国家信息化规划》(国发[2016]73号)，鼓励企业开展区块链、大数据、人工智能等战略性前沿技术创新研究，强化前沿布局。

　　2018年5月，工业和信息化部发布《工业互联网发展行动计划(2018—2020年)》(工信部信管函[2018]188号)，积极推动区块链等新兴前沿技术在工业互联网中的应用研究与探索。同年，为推动区块链技术和产业发展，加快区块链标准化建设，由中国电子技术标准化研究院联合中国区块链技术和产业发展论坛理事会成员单位发布《区块链隐私保护规范》《区块链智能合约实施规范》《区块链存证应用指南》和《区块链技术安全通用规范》4项团体标准。

　　2019年10月24日，习近平总书记在中共中央政治局就区块链技术发展现状和趋势第十八次集体学习中强调，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展。

　　1.2 建筑工程领域面临的问题与挑战

　　区块链技术具有可追溯数据信息、不可篡改、不可伪造等特性，而建筑工程行业虽历史悠久，市场规模庞大，在巨大的体量下却掩藏了经年累积的问题，存在大量黑箱流程。本节初步分析建筑工程领域几个关键环节面临的问题，以便进一步探索区块链技术在建筑工程领域的应用方式与积极融合后带来的机遇和变革。

　　1)建筑工程招投标阶段招投标作为市场经济条件下衍生的规范化交易方式，在实际工程领域中却成为腐败滋生的主要地带。招投标信息渠道不畅、交易过程不透明、盲目追求低报价而不考虑技术质量，对招投标活动进行人为干预等，均造成招投标过程乱象丛生的现状。初期加大对企业及人员资质审核管理的时间与人力成本，导致流程冗长、进展缓慢。

　　2)建筑工程设计阶段随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对建筑结构、功能和美观的要求越来越高，给建筑设计带来更大的挑战。建筑工程设计阶段涉及建筑、结构、机电等各专业协同合作，实际工程设计中，各小组往往缺少及时有效的信息互通和协调配合，常常返工和改图，提升人力成本，也直接造成材料资源的大量浪费。

　　3)建筑工程施工阶段施工过程中，由于各施工部门或分包单位交流不畅，反馈机制不完善，彼此间缺少协调配合，导致建筑工程施工进度缓慢、效率低下。管理人员无法完全掌控施工现场，增加安全管控难度，不能有效控制建筑材料使用数量;且逐一查验进场物料，浪费大量人力资源。

　　4)建筑工程运营阶段在建筑工程运营使用过程中，存在一系列复杂问题，给建筑设备设施和使用安全带来极大干扰。目前投入建筑运营的技术人员大多缺乏专业的学习培训机制和规范化管理制度，不了解建筑设备性能，对设施运行状况监督不足，易导致维护不当或管理缺失，提高设备更换率，大幅缩短建筑有效使用寿命。

　　2 区块链技术的定义及核心特点

　　2.1 定义

　　区块链是由多方参与维护，使用密码学方法相关联，可信任的分布式数据库，即创造信任的机器。狭义而言，区块链是基于时间，将写入数据的区块依次链接而成的链式数据结构;广义而言，区块链技术是通过链式区块结构验证和存储数据，通过共识机制生成与更新数据，通过密码学原理保障数据安全，通过基于自动化脚本代码的智能合约规范数据操作的分布式基础架构和计算范式^[2]。与传统需借助第三方中介的中心化集中式交易模式不同，区块链技术通过密码学方法建立信任机制，采用直接点对点的方式实现去中心化交易。多方通过统一认同的算法规则，共同参与数据记录、存储及维护，各方均享有同等地位，不需彼此建立信任关系。

　　区块链由按时间顺序链接而成的各区块组成，通过验证的信息被记录在区块中，以时间间隔为节点增加新区块，并以链状相连原区块。

　　2.2 核心特点

　　区块链是依托于多项现有技术，如5G、物联网、人工智能等，加以独特性组合及创新而成的集成型综合技术，在10多年的发展过程中不断更新和完善。技术体系有3大不可缺少的关键机制:密码学原理、共识机制和数据存储结构^[3]。

　　1)密码学原理基于哈希(Hash)算法和非对称加密技术^[4]。哈希算法是信息领域里非常基础的数据摘要算法，可将任意长度的明文字符串输出为固定长度的哈希值，而这种哈希值具有一定隐秘性，用户不能根据哈希值倒推出原始明文内容。非对称加密是指加密密钥和解密密钥不相关的数据加密算法，明文数据通过公钥加密为密文，但解密过程需通过非公开的个人持有的私钥进行解密，从而加强数据保密性。

　　2)共识机制是基于信任网络基础，参与多方在一定规则和算法下，达成对数据存储及交互的一致认可。不同于传统交易参与多方需彼此建立信任关系的模式，区块链通过共识机制建立信任度和公信力，多方共同参与并互相监督，保证数据库的可信赖度。

　　目前常见的共识机制有PoW,PoS,PBFT等^[5]。PoW即工作量证明机制，是比特币区块链网络所用的共识机制，参与节点通过大量计算找到合理的随机数后生成区块信息。PoS即权益证明机制，根据节点权益加快寻找随机数的速度，在工作量证明机制基础上缩短达成共识的时间。

　　3)数据存储结构区块链技术采用默克尔树(Merkle tree)结构分布式存储数据。默克尔树是树状的数据存储结构，由1组叶节点、1组中间节点和1个根节点(root)构成，存储数据是经过密码学原理加密后的哈希值。

　　基于上述关键机制，区块链技术呈现以下核心性质:分布式、不可纂改^[4]。传统中心化存储结构管理和维护成本高，难以实现向外扩展，数据互通性较差^[6]。区块链是去中心化的技术，完整的数据链被分散存储在网络中的每个节点上，意味着所有信息都实现用户共享，保障数据信息的透明性。因此，很难篡改在区块链中通过验证并记录的信息，每个区块记录的数据都可溯源。

　　2.3 应用场景特征

　　第46届世界经济论坛达沃斯年会将区块链与人工智能、自动驾驶等列入第四次工业革命，显示出区块链技术的重大意义和极为广阔的发展空间。IBM公司CEO罗睿兰认为区块链对于可信交易的意义正如互联网对于通讯的意义，充分认可区块链技术的重要地位。

　　正如互联网思维给产业变革带来的生机和创造的机会，区块链思维在各行业中将是可预见的第2轮产业升级。区块链在生产世界中的价值体现在可优化各行业业务流程，降低运营成本，减少信息不对称，提高协同效率。杭州AI&Block Center创始人薛靖表示，AI是生产力，区块链是生产关系，而机器是生产工具;未来，AI+区块链+机器将构成生产世界的主体^[2]。

　　区块链技术并非适应所有场景，基于区块链技术特性，可分析适应场景的特征。区块链去中心化的特性可应用于需跨主体传递信息和涉及多主体协作的场景中;分布式数据库系统意味着公开透明;不易篡改和极难伪造的性质意味着数据高度可信赖性，基于数学原理和代码技术建立信任机制，表示区块链技术适用于一切需要诚信可靠的交易环境。

　　建筑工程是数据量庞大且信任度需求极高的领域，往往需要多个参与单位和部门协调合作，相互沟通需基于极高的信任基础，工作流程也需大量资源监督和管控，区块链技术具有的特性及应用场景特征与建筑工程领域当前需求高度契合，目前我国很多企业和科研团队也开启建筑工程领域区块链技术的应用研究。

　　曹洋等^[7]开展基于区块链的建筑供应链信息共享系统架构研究，为建筑供应链内的信息共享提供新模式，构建包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层6个层次的区块链系统，以促进供应链内参与多方信息共享。李蒙等^[8]也认为区块链技术可使建筑材料供求双方及政府监管部门间搭建连接桥梁，促使三方协同合作，实现共赢。

　　杨德钦等^[9]构建基于智慧建造的工程项目信息集成管理平台，结合区块链技术整合项目供应链信息、管理职能信息及信息收集系统，为实现建设项目信息全覆盖、可追溯、解决信息传递效率低下等问题提供新思路。但同时也认为不可忽视区块链技术自身存在的缺陷，在应用过程中不可盲目乐观，要保持理性态度稳步探索。

　　张向东等^[10]提出区块链技术在工程项目管理中的应用前景，研究区块链在合同管理、供应链管理、风险管理场景中的应用，提出区块链技术在工程管理项目中仍存在障碍，如技术挑战、缺乏可规模化推广的工程项目管理区块链创新应用等，认为还需深入研究工程项目与区块链结合的创新应用。

　　3 区块链技术在建筑工程领域中的应用场景

　　3.1 招投标活动

　　在传统招投标活动前期准备工作中，投标人需编制详实的资格预审文件，而招标人也需付出大量时间和精力审核资质文件。区块链技术因基于数字技术的信任机制及数据不可篡改等特点，可很好地融入招投标活动资格预审环节^[11]，关于企业/从业人员的资信情况依时间顺序记载在区块链平台上，一旦开启招投标程序，该平台可为资质审核提供可信赖的依据，有效节约人力、物力和财力成本，简化流程，提高效率。当前征信系统存在严重的信息孤岛，单靠征信机构不能全面展现客户征信，如工程企业的征信数据分散在人力资源和社会保障部门、住房和城乡建设部门、银行等多个机构，这种征信系统模式导致片面的决策和风险，企业资质可看作企业的征信，引入区块链技术可实现系统多节点的数据同步共享，为企业资质提供更全面系统的数据^[4]。

　　解决前期资质预审问题后，进入正式投标竞争环节。区块链技术的引入可让参与多方共同监管该流程，每个阶段的每一环节都在监管范围内，如在招投标场景中，每个投标人的产品、投标及违法记录都可被追踪^[12]，保证过程公开透明，防止恶性竞争和人为干预。

　　通过区块链技术的可溯源性和不可篡改性，建筑材料的数据信息一目了然且值得信赖^[8]。材料厂家、供应链及工程管理方都能同时同步建筑材料的数量、质量、规格、型号等数据，全透明过程控制，从源头杜绝假货次品的出现。而此时的竞标过程不再是价格战，投标方更关注于合理优化方案、加强成本管理和细节控制，净化整个建筑工程招投标环境。

　　3.2 工程总承包管理

　　工程总承包是目前国家大力推行的工程管理模式，建设单位接受业主委托，承担工程项目决策、设计、采购、施工到试运行的全过程工作，并全面负责工程施工质量、施工周期、安全及总造价等。但工程总承包模式在实际运行过程中仍存在亟待解决的问题，由于总承包工程体量大、流程复杂、涉及主体众多(见图1)，各部门、各分包单位间做不到及时有效的信息互通，设计和施工间信息反馈机制不完善，往往导致工程效率低下，项目推进缓慢，工期延长^[13]。

　　图1 工程总承包涉及主体众多^[14] 

　　工程总承包管理存在履约率低的问题，许多合同中无法细节化的过程，如工程款发放时间、施工图纸及相关材料的移交等，并未受到合约有力约束，每个环节微小的拖延将导致整个工程巨大的延迟。

　　目前，区块链技术已计划引入工程总承包管理应用场景中。中国雄安官网于2019年6月发布《雄安新区孝义河河口湿地水质净化工程总承包招标公告》^[15]，公告中表示“项目建设内容应按照雄安新区关于智能城市建设的相关要求，需充分考虑数字化、智能化。要以大数据和区块链为基础，全过程产生的建筑信息模型(BIM)数据需统一接入新区城市信息模型(CIM)管理平台;通过区块链资金管理平台对本项目的全过程资金进行管理，落实雄安新区关于建设者工资保障金等相关规定”。

　　区块链技术按一定时间步长更新并链接新区块信息，及时收集并录入建筑工程总承包项目各环节数据，各参与者在统一的平台上实现数据共享，去中心化的特性使任意2个参与节点可基于共识机制直接达成一致，完成点对点间的信息互通，有效促进工程管理协调配合与完善信息反馈机制。

　　智能合约是区块链技术的重要特性，是根据if/then逻辑原则编写的程序^[16]，将智能合约基于密码学原理，以数字化的形式写入区块链中，保障存储、读取和运行。区块链智能合约拥有3个重要技术特性:数据透明，不可篡改和永久运行^[17]。因数据透明和不可篡改的特性，区块链参与多方不必担心其他节点恶意修改合约内容。而永久运行的性质保证智能合约长久有效，智能合约可在所有if/then场景中得到应用，如果(if)满足条件并进行验证，那么(then)触发自动执行，如安装门窗后及时监测性能，工程通过验收后及时支付工程款等。

　　3.3 智慧建造

　　区块链因公开透明、不可篡改、可追溯性、数据可靠性高等特点，能以构件为最小信息单元，记录建造过程各环节数据，利用区块链技术实现装配式建筑全生命周期数据积累和传递，结合构件追溯体系实现BIM数字孪生建筑，助力智慧建造升级。

　　BIM技术是数据采集、处理和展示的信息技术手段，主要应用于施工管理、协同设计、设备管理等方面，适用于智慧建造工程项目全生命周期信息集成管理。BIM技术以单个构件为核心特征，为信息结构化带来方便，统一编码的构件分类体系使工程项目实现大规模信息化成为可能。

　　借助区块链技术对建筑工程项目进行全生命周期的信息管理(见图2)，用唯一识别编码记录建筑构件的设计、生产、库存、运输、进场、安装、验收及一户一型的全生命周期信息，利用互联网远程管理各地工厂，包括集中采购、统一配送、在线排产管理等，在区块链中比对设计、施工、生产三方信息，确保建筑构件需求、生产、采购数据的一致性;将BIM模型信息转化为工厂智能装备(如机器人、数控设备等)能读懂的信息，打破建筑业和制造业的信息壁垒，实现钢筋加工、物料转运等制造过程的智能化;采用二维码、射频识别(RFID)、轻量化模型等技术，减少信息流量和传递环节，实现信息传输的轻量化，为物资追踪、制造过程可视化、可追溯管理提供条件。

　　图2 全生命周期信息管理 

　　通过制定统一数据标准，自动抓取BIM设计产生的具有唯一性预制构件和部品部件的二维码信息，突破BIM技术数据读取方法和应用瓶颈，实现构件数据身份认证和物理三维定性，并将可追溯数据向后续各环节传递。

　　依托区块链技术集成的建筑数据与BIM模型相挂接，可视化数据信息的综合型数据库能将多个信息源集成到整个信息库中，在整个建筑生命周期中，基于构件基本信息、构件附属信息、构件状态将信息汇总成进度数据，集成质量、安全数据，为决策者提供基础分析，数据实时联动的模式可实现信息追溯，为工程建设提供参考数据。

　　3.4 建筑运营管理

　　建筑全生命周期可划分为4个阶段:规划、设计、施工和运营，其中建筑运营阶段在全生命周期内使用时长占比最高。运营阶段管理包括建筑工程验收后的设备设施维护、修理、保养等工作，保证建筑运行服务的基本使用需求，延续建筑的有效使用寿命。

　　随着数字化技术与建筑运营管理的高度融合发展，通过区块链技术的密码学原理加密算法帮助建筑运行能耗数据的积累与分析，搭建可信赖的数字化能耗监控平台，通过分项计量将建筑各区域耗电量、耗水量、耗气量等数据直观展示给用户或专业运营管理人员，实现建筑运营阶段对能耗的全面监控和管理，基于不可篡改、真实可信的能耗数据提出节能运营方案，控制运营成本。

　　基于区块链技术全面掌控建筑设备设施，方便维护人员定期监督查验运行状态，及时处理故障和低能效工况，延长设备的有效运行寿命，降低设备设施更新频率，缩短建筑工程项目的投资回报周期。

　　4 结语

　　建筑工程领域与人们的安居生活、健康工作环境息息相关，是关系人民福祉的重要领域。然而传统建筑工程行业存在较多问题，如监管不到位、信息互通不及时、管理方法老旧，这些问题可能导致多个流程存在黑箱操作，施工流程管理混乱且低效，从而极大增加工程成本，浪费大量资源，与我国可持续发展和建设可持续社会的理念相悖。

　　区块链技术因透明性、不可篡改、去中心化、可追溯性及数字技术支撑信任机制等特性，被广泛应用于金融、医疗保险、供应链等领域。区块链与建筑工程领域的融合还在持续探索中，通过研究分析发现，区块链技术在该领域中有多处应用场景，如招投标活动、工程总承包管理、智慧建造及建筑运营管理等。在信息化时代，体量庞大的传统建筑工程领域亟需数字化转型，加快创新与变革。

　　区块链技术在建筑工程领域的应用是大势所趋，积极促进两者碰撞融合，对推动建筑工程领域借力现代化信息技术发展东风，实现本领域的产业转型有重要意义。我国建筑工程领域正迎来工业化的时代浪潮，区块链技术的成熟恰逢其时，有望借此一举实现建筑业的转型升级。