1 BIM技术的发展

　　回顾国外对BIM(building information modeling)技术研究的历史，经历了2006—2009年的研究探索期，2010—2012年的初步成长期，从2013年开始进入深入发展期^[1]。2014年开始，国内建筑行业对BIM技术的应用展现空前热情，到2019年底，从业者们从最初的理论学习和研究，到投入项目试点应用，再到上海中心、上海迪士尼、北京新机场等一系列项目普遍采用BIM技术，各省市和行业主管部门均出台推进BIM技术的政策文件，GB/T 51235—2017《建筑信息模型施工应用标准》、GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》、JGJ/T 448—2018《建筑工程设计信息模型制图标准》等一系列国家标准相继出台，BIM技术已在全行业普及。

　　近几年的BIM技术应用体现如下新特点:(1)BIM模型的建立从二维CAD出图后翻模建立模型，逐步转为从设计开始直接使用BIM建模软件正向设计;(2)部分应用点体现较强价值，项目实施方从最初的尝试心态转为价值驱动，如地下室管线综合、复杂外立面专业工程设计，复杂项目的BIM综合管控逐步成为常规动作;(3)以BIM技术为核心的管理系统逐步出现，如部分系统在施工阶段将建设、设计、监理、施工单位的变更管理、质量管理、进度管理、安全管理等工作都结合到统一的可视化BIM线上平台，逐步改变原有的项目实施方法和模式;(4)BIM与各种新技术结合方面的研究非常活跃，如BIM+大数据(big data)、BIM+人工智能(artificial intelligence)、BIM+地理信息系统(geographic information system)、BIM+虚拟现实(virtual reality)、BIM+增强现实(augmented reality)技术，此外CIM(city information modeling)、智慧城市的提出将BIM技术纳入更宏大的版图^[2]。

　　随着BIM技术的推广和发展，出现众多亟待解决的难点:(1)正向设计的项目相对较少，因采用翻模方式建立模型在后续使用中往往无法及时维护更新，限制后续一系列应用;(2)BIM模型在施工过程中没有延续性，为实现各自应用点，项目经常反复多次建模，由于模型间难以保持关联，每次建模均从头开始，如设计方建立的模型往往仅在设计阶段使用，施工单位建模用于材料人员调度、施工交底和经济核算，在后续运维阶段，由于前期模型完整性、有效性等问题，运维单位更倾向于重新建模用于数字管理系统，一方面产生巨大浪费，增大BIM技术应用成本，降低项目实施方使用BIM技术的意愿，另一方面降低实际项目的使用效果;(3)数字化模型比纸面资料在有效性上存在不足，常规文档无法具备足够法律效力，导致很多以BIM为核心的管理系统完成线上流程后，还需单独完成线下流程，降低使用效果和效率;(4)在同一平台的使用过程中，由于各角色代表不同经济利益，且由于信息不对称，无法形成有效的信任机制。区块链技术为解决传统BIM技术的难点提供新方向。

　　2 区块链技术的发展

　　2.1 概述

　　2008年11月，中本聪发表《比特币:一种点对点式的电子现金系统》^[3]，区块链概念被正式提出，虽然该文没有直接给出区块链的定义，但关于区块链的表述十分清晰，区块链本质上是点对点的分布式共享账本或分布式数据库，网络中所有节点都有完整的账本信息，节点间以某种共识算法保障节点间数据的一致性，由于数据是链式结构且有时间戳，新区块形成后旧区块被锁定，因此区块链及存储数据一旦形成将无法进行修改，并以加密算法保证数据安全性，具有去中心化、不可篡改、公开透明可验证、高度自治等特点。比特币网络从2009年上线以来，区块总量>61万个，承载的比特币最新总市值>1 700亿美元。

　　区块链技术诞生后先后经历1.0,2.0和3.0三个阶段^[4]:(1)2009年，区块链1.0阶段主要在数字货币方面，实现虚拟货币的去中心化支付和流通功能，区块链1.0最典型的应用是比特币;(2)2013年，区块链2.0加入智能合约概念，使数字货币和智能合约相结合，区块链从单一数字代币交易扩大到涉及合约功能的其他领域，如股票、证券、清算和产权登记、转让等，区块链2.0代表性应用场景是以太坊;(3)2015年，区块链3.0是可编程的社会，区块链去中心化和数据防伪功能，使各领域开始关心并探索区块链的应用价值，在这一阶段，区块链技术被应用到物联网、公共服务、公证服务、审计、物流、医疗和身份认证等行业。

　　在我国，区块链技术的集成应用在新技术革新和产业变革中起重要作用，对应技术的研究和发展已上升到国家战略层面，要求提高运用和管理区块链技术能力，使区块链技术在建设网络强国、发展数字经济、助力经济社会发展等方面发挥更大作用^[5]。截至2019年3月，我国区块链企业数量达499家，仅次于美国的553家;截至2019年5月，全国已成立区块链产业园共22家，其中20家为政府主导或参与推进，同时全国超过30个省市地区发布政策指导文件，开展区域性的区块链产业链布局^[6]。

　　2.2 在建筑工程领域的应用

　　区块链技术在建筑工程领域中的应用得到越来越多的关注^[7]。区块链技术具有去中心化实现数据不可篡改的特征，从而解决信任和共识问题，甚至有学者提出，如果用一个词描述区块链技术，那么这个词就是信任^[8]，建筑行业基于该特性已提出很多应用点。通过结合物联网技术，将各种工程数据直接采集上链，利用区块链解决建设项目中双方甚至多方间的数据分享、保真和共识问题，具体应用涉及工程数据采集和存储、工程资料存证、工程现场计量、供应链管理、执业人员管理等多方面^[9]。

　　2.3 在建筑工程领域实际应用方面待解决的问题

　　现阶段区块链技术在工程领域实际落地的项目相对较少，分析主要原因，除常规区块链底层技术难题外，最主要的是目前区块链应用点相对较分散，如利用物联网技术完成现场资料和管理数据的上链，虽解决数据有效性问题，但如果缺乏统一的数据分析和展示平台，数据分头上链，数据间无法打通，此外在传统工作模式中各类数据已对应管理平台，原有平台虽有缺陷，但由于已形成原有工作习惯，孤立的数据即便解决了存证、保真问题，也无法形成足够的价值驱动。

　　通过以上分析可以得出，传统BIM系统电子文档有效性问题，因信息无法传递和延续导致的重复建模问题，参与人员因各为其主导致的相互信任问题等难点^[10]，通过引入区块链技术可得到很好的解决，且区块链技术缺乏统一平台和展示手段的缺陷，当结合BIM平台后，也可得到解决。

　　3 BIM链的构架设计

　　3.1 整体构架

　　通过结合BIM技术与区块链技术，可建立BIM链。为保证BIM链整体运行效率，同时满足对数据信息存储和传递要求，BIM链应采用联盟链外接公链的方式，定期将联盟链特征信息挂接到公链上，保证联盟链的公信力。建设项目中所有相关单位，包括主管部门、建设单位、设计、造价咨询、监理、总包、各专业分包等，以单位为节点，接入联盟链，BIM链网络节点保存全账本，如图1所示。各单位移动终端和各类物联网设备终端接入本单位的BIM链网络节点，并分别采用专用移动APP和API接口与BIM链节点间进行数据交换，终端中的部分数据，如照片、音频、视频、数据文件可独立完成公链上链，保证数据自诞生起全生命周期验证，同时减轻BIM链的工作负担，而轻量化的BIM模型可通过移动终端进行展示，并可支撑模型在其他物联网设备上的应用，如图2所示。

　　图1 整体构架  

　　图2 BIM链节点  

　　在各单位服务器上运行BIM链程序，担任BIM链节点角色，存储全链信息，承担本单位各类数据与BIM链数据间的交换工作，同时扮演BIM链矿工角色，为BIM链提供算力支持。BIM链的网络节点可随时扩充或缩减，新节点上线后运行BIM链程序即可完成数据的初始同步，随着新单位加入，数据交互量增加，算力相应增加，保证BIM链的稳定运行，整个方式和过程与其他区块链相同。

　　3.2 BIM链数据构成与验证

　　BIM模型是BIM应用的核心，通常包含海量数据，直接将协作的BIM模型数据设计在单区块中，导致区块尺寸变得非常庞大，显然不现实。任意大小的文件可通过Hash算法得到唯一标识文件身份且长度固定的字符串，称为Hash值，如果区块仅存储BIM模型的Hash值，虽然数据信息大大减少，但模型随时间变化，前后数据间的关联被割裂，其他节点也无法对模型变化过程进行溯源和验证，有悖于区块链技术信息透明的初衷。

　　为解决该矛盾，BIM链应采用链上链下协同的数据模式，完整的模型数据包含族库文件，可采用链下分享模式，使用文件服务器在相关节点间的传输，链上记录数据文件的Hash值，保证文件的有效性和唯一性，而非完整的模型数据。当数据文件被修改时，一段时间区间的修改指令会在BIM链中进行公告，修改指令应简单可辨识，链节点根据修改指令，使用本地已存储的模型文件计算得到修改后的模型，并获得新模型Hash，最先计算出结果的节点获得记账权，其他节点对计算结果进行验证，完成交易确认，通过验证的文件信息即唯一的更新模型文件。采用这种方式，所有节点均可使用匹配的原始数据文件配合区块中的修改指令清单获得最新数据文件，每过一段时间，节点将满足验证(比对区块中的Hash值)的数据文件重新上传至文件服务器，方便链下使用。

　　除修改清单和基本区块信息外，BIM链区块中还可包括各类工程相关的数据信息，如产值、现场人员、工程现场数据、进度款等变化数据，还可包括匹配的智能合约，如在确认的产值或约定时间相符的情况下，通过BIM链确认工程款的支付^[11]。

　　使用BIM链进行协同的项目，所有操作均使用统一且唯一的模型，且该模型随项目实施不断变化，随着项目推进，一方面历史数据可追溯，另一方面模型和数据便于向后续环节传递。

　　3.3 加密与身份机制

　　BIM链中的节点各自具有身份和权限，节点与链中其他节点可使用非对称加密等方式完成身份验证，各取所需。当BIM链中同时有多个模型时，节点(矿工)需运算和验证所有模型，展示层按权限进行展示。节点与各自的终端间主要使用链下数据交换方式，仅对部分信息进行链上存证，保证完整性和有效性，节点独立完成对各自终端的权限管理，终端按权限与BIM链间进行数据交互，跨节点间数据通过BIM链进行转发。

　　每个项目的BIM数据应通过唯一(或分时唯一)的模型维护人进行维护，保证模型数据的一致性，与现在的BIM协同平台管理模式相一致，在BIM链中，因为模型无法实时同步，大多数修改指令需按顺序生效，而所有的修改清单仅在特定版本模型发生后才有效，因此确定唯一的模型维护人可有效避免模型不同步，从而防止数据验证失败。此外，应使用身份机制对项目中所有不同的角色进行权限定义。

　　终端设备可通过数据独立上链从原始数据端保证数据采集的真实性，BIM链可保证节点间数据传递过程可追溯、可验证，从而有效解决传统BIM系统中角色间的信任问题^[12,13]。

　　区块链技术通过将电子文件上链，解决BIM协作系统中电子文档的法律效力问题，此外BIM模型本身是数字资产，通过BIM链有效解决BIM数字资产管理问题，大大降低BIM分享过程中知识产权侵权的风险。

　　3.4 BIM链技术落地需面对的问题

　　BIM链从现有基础技术层面来讲，已完全可行，但新技术的落地仍需面临如下问题。

　　1)区块链底层技术存在的问题(1)51%攻击问题联盟链因节点较少，风险相对更高，在具体组链时可考虑配套一定比例的独立中立矿工或引入云计算(云矿工)，以避免联盟链中出现角色失衡致使数据被恶意篡改现象;(2)区块链性能瓶颈问题

　　区块过小无法存储足够数据，区块过大可能大大提高对硬件的需求，甚至导致算力不足，因此需在功能和性能中寻求平衡;(3)密码破解风险建设工程往往涉及巨大金额且关系公共安全，一旦加密系统被破解，可能带来巨大损失。

　　2)BIM链与BIM平台对接问题BIM链需与BIM数据间进行交互，特别是修改指令清单需足够透明，需在BIM平台基础上进行二次研发，现有BIM平台种类繁多，可能难以形成统一的接口标准，增加开发难度。

　　3)BIM链内部数据加密问题因为所有节点需参与所有模型进化过程的计算和验证，因此需考虑模型信息保密。

　　4 结语

　　将BIM技术与区块链技术进行有机结合，构建BIM链，以统一的BIM技术平台为基础，利用BIM技术在数据归集、数据统筹、数据展示方面的优势，使用轻量化BIM模型为支持，对接各类数据采集设备，为使用者提供良好的用户界面，带来优秀的使用体验，在数据后台完成模型数据上链，自动完成链上、链下的数据验证和交互，以BIM平台作为中介，将区块链与工程建设行业互联互通。

　　本文提出基于BIM和区块链技术的BIM链构架。该构架特征如下:采用联盟链挂接公链的组链方式，链中节点按角色身份接入BIM链并提供算力支持，移动和物联网终端通过节点接入主链，并对BIM链区块中包含的数据内容进行说明。通过构建BIM链，可实现建筑数据信息+数据管理+数据展示方式，去中心化、分布式数据、可追溯可信任、数据监管高度透明，将改变工程实施人员、管理人员和监管部门的工作方式，区块链还可服务BIM数据储存、BIM数据运算统计、BIM应用延伸、BIM数字资产，同时大大促进BIM分享、BIM大数据的推进。