随着BIM技术的快速发展,其在建筑领域设计、建造、运营等方面的信息化应用越来越多。然而,目前BIM技术仍多为局部应用,其在不同阶段不同部门之间的有效信息传递和共享方面,仍存在所有者不明确、信息数据滥用及信息修改权限等问题,从而无法完全适应工程多方协作、统筹管理的需要。为了解决BIM模型应用时数据管理问题,F.H.Abanda等对BIM软件和插件进行系统分析,提出采用软件间数据交互的标准格式,为BIM数据交互和协同工作提供了研究方向;周洪波等通过建立BIM构件库解决数据传递和共享问题;刘强通过BIM+云计算技术,构建BIM综合管理平台实现多方协作管理。随着信息技术的发展,区块链技术以其具有的信息可追溯、透明、安全、不可更改等特点,被成功用于数据管理,为建筑工程项目BIM模型的信息管理提供了可能。本文以YZ医院项目BIM三维模型中的信息管理为例,通过梳理项目参与方组成结构及需求,建立区块链信息处理模型,并分析其功能,为BIM模型信息管理优化提供技术基础和参考依据。

某医院拟建床位1000张,日门诊量约4000人次。按照医院相关建设标准、规范设计,该项目主要建设内容包括门诊、急诊、住院、医技科室、行政办公、教学科研、后勤保障、员工活动中心、地下车库等。建设用地面积55,868平方米,总建筑面积167075.36平方米,工程分为1#医疗主楼、2#住院楼、3#行政宿舍楼、4#液氧站、5#高压氧舱、6#开关房六个子项,均为新建工程。

在医院项目BIM模型中,需要考虑人、物、财等多方面协调问题,且其有动态变化的特征。具体而言,建设单位、施工单位及设计单位等项目各参与方信息流具有双向传递性,不仅要将信息传递给其他主体,还要从其他主体处获取信息。相关参与方在建造过程中所产生的主要信息流详见表1。该类大型医院项目建设过程中,信息具有复杂性、流动性、交互性、多样性。信息管理的难度也随之增加,具体包括:

(1)信息复杂。本项目建设涉及建筑、结构、给排水、电气、暖通等多个专业,各专业之间的沟通协调需建立在一定的专业知识基础上;并且,在本文的医院建设项目中,还涉及新技术、新工艺、新材料、新设备等,使得信息专业性强且较为复杂,给信息管理带来挑战。

(2)信息流动量大。项目建设过程中,在工程进度计划控制中,多个单元工程是同时设计、施工,每天产生的信息量庞大且动态变化显著。每天都会出现各单位工程、工种工程和全工地性工程的施工衔接信息、施工立体和平面的流水作业信息、施工进度检查记录信息等;人力、物力、材料、设备及资金等的供应信息也是根据工程进展情况时刻在流动变化。信息流动量大,可能会出现信息更新不及时、信息缺失等管理问题。

(3)信息交互频繁。建设项目是一个有机融合且不可分的整体,各专业的设计通过信息交互实现协调完善。比如建筑楼层的梁板设计,就需要与暖通、管网、水电安装等进行相关设计信息的交互协调;桩基的设计需要与上部建筑结构、土方、降排水等设计进行信息交互协调;施工中钢筋混凝土的使用,需要与仓库存量、运输条件、采购量等信息进行交互确认。可见在各信息交互协调的过程中,存在专业知识沟通难、设计人员对接频繁、信息交互冲突多、修改信息更正分享不及时等问题,使得管理难度大幅提高。

(4)信息多样性。主体建设工程可根据专业重难点,主要分为桩基工程、土方工程、主体建筑工程、水电安装工程、室内外装修工程、室外雨污水、管网、道路、路灯等工程。其中仅主体建筑工程中灌注桩就包括桩头破除、垫层、承台、底板、地下室、钢筋混凝土工程及为完成项目所需的措施项目工程。相应存储的信息型式有图纸、照片、视频、音频、文件等各式各样,由于信息存储介质及管理单位不同,使得信息调取及审阅需要到多个管理单位收集。比如业主想要了解工程中用到水泥的相关情况,需找施工单位了解现场使用信息,找设计单位了解设计信息,找监理单位了解施工用量及质量控制信息,找采购方了解水泥品牌及厂家信息等。各方所提供的信息各式各样,也会造成一定管理困难。

为此,鉴于区块链技术在区块信息可追溯、区块信息透明性、区块信息安全性等方面的优势,本文将采用区块链技术进行信息管理,完善该模型数据流的存储、检索、安全等。

经对比分析可知,区块链类型中的联盟链型式,能在保证参与方的信息共享同时,也保留业主或总承包的主导权限,较适合本项目多专业协作的需求。通过表1医院项目相关参与方信息流的分析,确定参与方主要为业主节点、施工节点、勘察设计节点、供应商节点和其他节点,各节点由联盟链相互关联。各节点可通过联盟链进行不同权限的数据上传、查阅操作,以此形成联盟组织。

联盟组织主要以业主节点为中心,该节点可行使信息上传验证权利;供应商节点根据资源需求的不同可将购置、产品、运输等信息分类,通过联盟链上传至联盟组织;施工节点可为总承包形式或分包形式,将人员、技术、质量等信息完整上传;勘察设计节点可根据勘察、设计等任务的进展情况,通过上传设计图纸、地质资料、工程变更等信息,保证各专业之间顺利对接;其他节点多为项目建成后负责运营管理、维修等单位,可实时上传运行管理、维修、监控等信息。各节点上传信息的操作是相互独立的,信息通过不同的联盟链路径进行编码识别后,分类存放在相应哈希地址处。模型根据用户要求,建立数据存储、共享、访问等区块,实现对信息的管理及使用。各个区块的功能实现是相互独立的,但作用对象均为各节点所上传的所有信息。功能区块又可形成统一联盟组织以便管理,以上节点、区块、联盟组织的复杂结合即为区块链信息处理模型,具体构建技术路线见图1。

在区块链信息处理模型中,根据不同的功能需求,可建立多个不同的区块,以便进行数据分类及快速识别。对于本文所述YZ大型医院项目而言,该模型中主要区块为数据存储区块、数据共享和访问区块。

在数据存储区块中,医院工程建设单位可对设计图纸、人员、技术、质量、产品、材料、监测等工程数据进行哈希,并用发行方私钥签名,然后上传到网络中,用对称秘钥对上述信息进行加密,并分别用设计单位、施工单位、监理单位、设备供应方、材料供应方、分包方等的公钥加密对称密钥,之后将加密的密文分别发送给上述单位,用户接收到相关建设数据后先验证签名,并且用私钥进行解密,在得到工程数据和签名后接着进行加密,然后将其存放到区块数据库中。

数据共享、访问区块中存储了各个数据的公钥及秘钥信息,并通过访问协议进行使用管理。为了避免未经授权用户获取到隐私信息,通过制定合适的控制访问协议,可以实现数据共享,当建设单位想要获得设备或者材料供应方或者其他工程方资料时,需要其他方授予相应的权限。访问者提供身份属性的签名作为唯一标识,系统通过相应签名对各个区块进行全局搜索,通过比对签名确认访问者对所搜索的区块是否具有访问权限。系统遍历所有的区块,通过对区块链上的签名进行比较,找到正确的区块。访问者能否看到加密的内容取决于上述比较的结果。如果访问者是被授权的,则其能够查看隐私信息,并且可以采用其他方的秘钥对数据进行解密。

本模型对各工程参与方的设计图纸、人员、技术、质量、产品、材料、监测等信息建立一个索引目录,根据不同的工程部门对用户以前的加密摘要分类并记录其具体存储位置,建设单位分类记录各方相关区块的哈希值,可实时同步区块链中存储数据。由于工程存储数据是实时更新的,因此各参与方也可以最快速度获知并检索最新数据,避免各参与方之间消息传递滞后及误传问题。模型检索由建筑楼层开始,选定后下一级可详细到专业、结构类型,整体搜索过程均不超过0.1秒,并且检索成果以三维视图及检索报告的形式呈现,方便用户直观了解检索对象位置及具体情况。例如,检查地下1层土建与相关局部构件的设计协调性,在模型检索模块中,可以直接搜索关键字进行排查检索,也可以从检索条件中逐一选择土建专业,进一步选择梁、板、墙、柱、楼梯等局部构件,模型会快速调出相关检查结果,满足检索要求的2858个构件均以红色区域突出标出,便于快速了解所检查结果。

将区块链技术与BIM三维模型有机联合在一起,使得原模型适用性更强,应用更广。首先区块联盟链形成、完善、发展的过程中,源源不断的有大量关于工程建设的信息存储至相应区块中。某一数据可能由多方节点在不同时间、以不同形式进行存储,通过不同的路径终会存至相同且唯一的哈希值地址,若出现存储数据冲突,区块链模型随即发出提醒并终止存储,待存储人员核对后可继续完成存储。其次在设计阶段,所有的平面设计图纸均以三维BIM模型形式呈现,区块链中存储的设计资料会实时更新、存储、传输,在BIM模型形成中,可能会出现建模失败或结构畸形不合理两种情况,通过电脑报错反馈给区块链模型进行校核。可见,该模型在项目建设初期设计阶段发挥了重要的数据校核作用,具体校核结果如下。

(1)机电设计方面通过三维视图模型快速检查出12处设计缺陷,如梁下净高应为2.30m,而风管尺寸为1600×400,管综后的净高不足1.85m。建筑设计方面小到截水沟,均可在模型生成中检查出平剖面图纸是否相吻合。本模型在前期可视化查错中,共发现15处高程设计缺陷、11处机电风管轴线设计缺陷、5处截水沟贯通设计缺陷、负一层与负二层西侧坡道处喷淋设置等问题,有效提高设计质量,为工程后期顺利实施提供保障。

(2)据不完全统计,各参与方通过基于区块链技术的BIM协同模型可随时关注工程建设进程,本工程在实施进度方面较其他类似工程提早了约20%的工期。通过模型前期校核的功能,所检查出约20处设计矛盾,相应避免了后期施工中可能出现的设计变更。尤其在各方协调会议中,工程概况及进展汇报明显减少篇幅,可直接进入问题讨论,大大提高了协调效率。

本文采用区块链技术进行工程数据存储,解决了数据信息所有者不明确、监管溯源困难以及参与主体信任不足导致信息传递效率低下等问题。区块链技术与BIM技术的联合应用,体现了每一种分析方法都有自己独有的优点及缺点,不可能出现某一种方法就能完全取代其他某种方法的现象。因此,多学科交叉研究解决某一复杂问题是研究分析方法的重要发展方向。本文中区块链与BIM技术的结合,解决了项目建设过程中信息难共享、监管难全面等问题,具有较大发展潜力。但是由于区块链技术目前依然存在依赖各种算法高度密集的密码学技术,实现上容易出错、信息存储和信息采集成本过高等诸多问题,其与BIM技术的结合仍需进一步发展和完善。