建筑信息模型、区块链和建设项目管理研究*

2021-01-28朱林刘红勇黄苏丽何沙蒋杰

科技促进发展 2020年10期

关键词：生命周期全过程建设项目

■ 朱林刘红勇黄苏丽何沙蒋杰

1.西南石油大学土木工程与建筑学院成都 610500

2.四川省国网德阳供电公司德阳 618000

3.西南石油大学经济管理学院成都 610500

0 引言

建设项目存在信息高度分散且浪费极端严重的问题[1-2]。在传统建筑项目中，策划、设计、施工、运营各阶段相互独立，各项目参与方利益相对独立，管理过程中利益博弈突出，信息兼容难度大，造成了较大的信息丢失和重复工作，给施工和运营管理造成了干扰。BIM 被誉为下一代的智能计算机辅助设计（Computer Aided De‐sign,CAD），它不仅是一个完备的三维空间及多维信息模型，更是一种先进的生产管理方式[3]。采用以BIM 为中心的建设项目管理模式可有效加强项目过程中信息传递的准确性和效率，但难以提供一套较公正的方法来对项目全过程中各方贡献和价值问题进行度量和激励，因而基于BIM 协同的项目应用存在推进难度大和责任纠纷较多的不足[4]。

区块链技术（BlockChain）是实现数字货币的一种底层技术。区块链技术的本质是一个去中心化的数据库，通过对网络中每一个节点的充分赋能，为信任产生提供一种机制，实现更开放情景下的共赢，从而为价值的有效传递提供了支撑[5]。在互联网3.0时代，人们追求更加自由个性的工作模式，建设项目管理模式逐步从层级式向网络式转变，以互联网和信息为基础的协作模式日益流行[6]，从而需要探索新的项目管理模型以满足该需要[2,7]。

对此，提出一种BIM 与区块链技术融合的建设项目管理新模式。该模式与当前行业网络化发展趋势契合，不仅提升了建设项目的数字化、智能化和高效化，又构建科学合理的各方互信和协同机制，从而增进各方合作，减少资源浪费，有助于构建精益型项目协同体，促使项目高效完成[8]。2016年发布《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》，BIM 成为“十三五”建筑业重点推广的五大信息技术之首，因此西南大学设立了新工科思维下基于互联网+云技术的BIM 系列课程教学研究与实践项目，本文是该课题项目的部分成果，在该课题项目中起到实践探索作用。

1 文献综述

当今商业环境复杂多变，全球化专业分工持续深入，去中心化和协作成为主流。项目中信息流的高效、敏捷和高质量成为项目卓越的关键[1]。建设项目不再是传统的设计和施工，而是项目全过程的有效管理，这需要BIM和区块链技术的有效支持[9]。

1.1 BIM技术和区块链技术的研究

BIM 技术研究从项目前端向后端迁移。在BIM 发展早期，主要应用于规划和设计阶段，特别是碰撞检测、可视化和工程算量等[10]。随后为适应绿色设计发展需要，BIM 衍生了能效分析、结构分析、进度跟踪等功能。2010年开始，BIM 技术开始从前端向后端迁移[11]，即在研究中考虑维护、修理、拆除、报废等因素。近20年对BIM 的研究主要集中在如下4 个领域:一是关键理论的支持，即为BIM 推广提供理论支持；二是BIM 应用问题，即BIM 应用在项目建设全生命周期过程中问题的解决方案；三是BIM 实践问题，即BIM 应用能力和相关人才的培养问题；四是与其他领域技术结合的问题，如BIM与无人机和虚拟现实技术的结合等[12]。对此，BIM 研究可在以下3 个方面进行改进：（1）研究对象上“重新轻旧”，即研究主要关注新建建筑，而对已存建筑的关注相对较少[13]；（2）建设项目全生命周期上“重前轻后”，现有研究主要关注设计和施工阶段，而对后期运维和终止方面的研究则相对较少，另外对数据的安全也关注较少[3,14]；（3）研究方式上“重术轻道”，对于BIM 技术的研究较多，而对于合作、沟通、法律信息等柔性因素关注较少，特别是基于信任和协作的研究相对较少[15–17]。

区块链技术是实现数字货币（比特币是代表）的一种用于记录账目交易历史的底层数据结构。通过比特币，可构建一整套完整连贯的去中心化、防篡改、去信任化数据库技术来实现信息安全[18]。国内外对区块链的研究比较广泛，主要涉及底层技术、安全技术、医疗系统、能源交易系统、物联网、信息传媒、区块链的挑战和治理等方面[13,18]。区块链是区块的链接，每一区块均由块头和块身组成。块头包含了链接到上一个区块的地址以及区块链数据库完整性的证据[19]。块身则包含了经过验证的块创建过程中发生的交易详情及相关数据记录。在一系列区块上，区块链构建系列节点Hash值的连接，使攻击者需掌握超过全网50%以上算力才有可能篡改数据，从根本上解决了点对点网络中存在的非信任和支付问题[2]。

虽然区块链在一些行业中得到了应用。但从现有研究情况分析，对BIM 和区块链进行结合的研究还比较少，特别是在建筑行业研究背景下。Turk 和Klinc 对BIM 中存在的法律问题进行了归纳，提出区块链是对该问题的可能解决方案[4]。总体而言，研究者对于BIM 和区块链技术在建设行业中的应用持积极的态度。

1.2 社会技术框架

1951年，Trist和Bamforth 在工程项目的关系研究中引入了社会和技术观点。之后，该观点广泛应用于其他社会科学领域。为应对外部环境的快速变化，组织的技术系统变得日益复杂。技术系统的创建和更新是一个关乎组织生存的问题，因此需要管理者从更全面的角度审视这一过程，而社会和技术框架是一有力的分析工具。Baxter和Sommerville提出，当对以计算机为基础的技术系统进行决策时，不仅需要考虑其技术因素，而且需要考虑其社会、人和组织因素，否则可能满足了技术要求，却忽略了社会因素的需要，从而导致该系统应用的失败[20]。从区块链与BIM 研究情况来分析，较少有研究者使用社会技术框架对其进行应用。因此，从社会技术视角出发探索BIM 与区块链结合的建设项目管理模式是一种有益探索。

2 区块链与BIM的结合点

针对建设项目中BIM 应用研究存在的不足，提出一种将区块链和BIM 结合的建设项目管理的新模型。相比其他文献，本研究在以下几点进行拓展：

图1 基于BIM和区块链技术的建设项目全过程支撑框架

多用户、多阶段、多目标数据的整合和追溯。建设项目过程中，相关利益者（业主、设计师、工程师、承包商、第三方评估）均有不同的利益诉求，从而产生不同的信息流。通过使用区块链将各方需求记录在BIM 模型中，可实现项目全过程需求信息的追踪与确认。建设项目是一个全生命周期的过程，从计划、评估到运行与终止，每个生命阶段均会产生大量数据，通过区块链可实现项目全生命周期的可追溯和可追责。建设项目是一个多目标的集合体，既涉及成本、进度、质量，又涉及健康、安全、环保等多个方面。每一目标的达成，均需要有一系列项目过程的动态支撑，区块链和BIM 可对项目多目标的达成过程和达成度进行动态追踪和评估。

多方协同、利益均衡、项目无损传递、责任追溯、顾客满意共识模型的构建。项目建设的推进是各方在时空动态变化、市场不确定条件下共同协作的结果。BIM通过将物理产品全过程信息化，实现了建设项目全过程的设计、施工、运维和终止的把控，降低了建设项目全生命周期中的不确定性，降低了项目全过程成本，增进了顾客满意度。在传统的项目合作模式（如设计建造模式、设计—招标—建造模式、设计—投资—施工总承包模式等）下，BIM 技术带来的效益提升对于业主方比较有利，而对施工方相对不利。因为全过程全生命周期项目的精准把控，使得施工过程中变更减少、效率提高，浪费减少，对现有流行的通过低价中标、后期变更获利的施工方式影响较大。而基于区块链的BIM 管理模型，可以将各方在计划和设计阶段所作的贡献客观公正记录下来，从而实现各阶段数据无损传递，从而为各方实现基于贡献的价值评估提供了应用基础，有助于传统的以文档为基础的线性阶段模型转变为多方协同的BIM 和区块链结合的建设项目全过程共识框架。

3 区块链与BIM结合的支撑框架

3.1 支撑框架

区块链与BIM 结合的建设项目支撑框架是以区块链为技术底层，以BIM 模型为信息中心，通过多方协同参与构建的。该框架以区块链为分布式数据底层，通过确认项目利益相关方工作量（Proof of Work, POW），构建公平安全可信的工作量计量机制，减少项目建设过程的工作量计算纠纷，提升建设项目过程协同信任度，推进项目相关方从建设项目全过程和多目标角度进行深度思考和贡献力量。

区块链为数据纵向维度的可追溯性提供了链式支持，而BIM 为数据横向维度的各方信息整合和建模提供了解决方案。两者结合的支撑框架为项目过程中信息“纵横”的管理提供了参考方案。该框架的建立和实施，需要项目各方协力参与，需要从社会技术和全生命周期视角对其进行系统建构，见图1。具体而言，首先是技术维度视角，该支撑框架需要有软件、硬件、网络和其他基础设施的支持。其次是政策视角，BIM 和区块链在建设项目中的应用需要政策、法律、规章制度和发展战略等的大力支持。接着是过程视角，BIM 和区块链技术在建设项目中的应用需要组织和个人的大力支持，这要求组织和个人理解BIM 和区块链在建设项目全过程中扮演的角色和对它们产生的影响进行评估。最后是社会视角，在建设项目中运用BIM 和区块链会对现有的社会系统造成什么影响，数据的生产、储存和利用是否安全，其应用是否有助于建设项目更绿色环保的执行。除此之外，还需基于建设项目全生命周期思想，对该支撑框架的整体运行过程进行全面考虑和评估，从横向和纵向维度，从项目策划到项目终止，利用BIM 和区块链技术为建设项目各方需求进行精准服务。

3.2 实施流程

在建设项目中，将区块链与BIM 技术结合起来需要对回答进行第一个问题：是否需要使用区块链和BIM技术。

对建设项目中决定是否采用区块链技术需思考如下决策树：1）是否需要数据库来管理数据；2）是否需要分享项目的写入权限；3）各方是否可信且需求一致；4）是否需要第三方机构；5）是否需要项目的控制权；6）交易的过程是否公开；7）交易在组织内部还是组织之间；8）如何对工作量进行共识测度。如果前4个问题任有一个为否，则说明该项目并不需要区块链；反之，则该建设项目需要区块链技术；而后5～8 点则确定了使用何种区块链的问题，如项目中涉及利益多方且存在项目业主，则需要使用混合型区块链（部分为公开，部分私有）[2,21]。

对建设项目过程中决定是否使用BIM 技术需思考如下决策树：1）项目各方和成员是否愿意学习新的管理思想和技术；2）建设项目是否存在BIM 预算；3）建设项目是否复杂；4）建设项目建设和运维周期是否长期[22]。如果上述4 个问题均为否，则该项目中可能不需要使用BIM 技术。反之，应用BIM 技术是一种比较经济的选择。通过对建设项目的BIM 应用，可实现如下目标：建设项目三维的理解，工期的把控（4D），成本的控制（5D），质量和绩效的分析（6D），可搜索、可访问的准确的设计、建筑电子模型（7D），结合其他（如物联网）等信息的完整建筑信息模型（8D）等[23]的把控，最终减少项目过程中的不确定性，提高管理效率，减少浪费。

当项目上已经决定使用BIM 和区块链后，接着需要从社会技术视角思考推进BIM 和区块链融入到建设项目全过程周期中。（1）在技术上，可根据各参与方技术基础、项目需求的不同，将其转化为云端或本地服务，将该支撑框架实例化。（2）政策上，项目各方需要紧跟国家政策，为BIM 和区块链技术在建设项目中的标准制定和治理方案建言献策。（3）过程上，需协调各方，达成共识，加强人员培训，将各项规划管理工作前置，通过BIM 和区块链系统赋能，推进BIM 和区块链技术在建设项目中的深度融合。（4）社会上，加强建设项目中BIM 与区块链的科普宣传工作，通过实例和数据证明该技术在项目各阶段和全过程中的贡献；在人才培养上，加强与教育和培训机构的合作，推进后续人才队伍的不断壮大。

另外，还可从全生命周期的角度对BIM 和区块链的集成过程进行思考。一个建设项目的实施流程可分为9个阶段：可研、概念设计、标准设计、详细设计、实施文件设计、施工、交付、运行维护、终止。在该流程中，项目的主要参与方在项目初期已确定，通过协商，可共同构建区块链和BIM 运行的信息基础设施平台，探讨和确认各方工作量共识测算机制，组建技术支持团队并对相关方进行培训工作。在设计和施工阶段，各方共同协作运用所掌握的知识和经验完善项目设计方案。通过区块链的工作量共识算法对各方成果及报酬进行核算，保证各方贡献均得到可靠的记录和计量。在工作量准确计量基础上再建立合理的报酬激励机制，可有效激发各方活力，增进项目各方贡献值，减少施工阶段设计变更和实施变更的概率，加快施工进度，降低后期运维成本，实现建设项目全生命周期的经济运行。在项目全生命周期中，通过区块链加BIM 模型的整体传递，实现项目信息的整体和全过程交付，避免单一BIM 模型造成的信息损失，为各阶段管理和责任追溯提供了数据支持。