集成BIM和区块链的设计责权追溯系统研究.pdf

2023 年 8 月 图 学 学 报 August2023第 44 卷 第4期 JOURNAL OF GRAPHICS Vol.44No.4 收稿日期：2022-11-22；定稿日期：2023-01-21 Received：22 November，2022；Finalized：21 January，2023 基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFF0501002)；2022年大学生双创项目(2022279018)Foundation items：National Key Research and Development Program of China(2021YFF0501002);2022 Undergraduate Mass Entrepreneurship and Innovation Project(2022279018)第一作者：甘子琛(2001)，男，本科生。主要研究方向为建筑市场治理。E-mail：A First author：GAN Zi-chen(2001),undergraduate students.His main research interest covers construction market governance.E-mail：A 通信作者：许镇(1986)，男，教授，博士。主要研究方向为城市综合数字防灾。E-mail： Corresponding author：XU Zhen(1986),professor,Ph.D.His main research interest covers urban integrated digital disaster prevention.E-mail： 集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统研究 甘子琛1，范晶晶1，薛芝婷2，林鼎量3，许镇1(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京科技大学经济管理学院，北京 100083；3.北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083)摘要：近年来工程事故发生后设计者往往会成为追责的对象。而随着 BIM 模型日渐成为工程图纸会审和留档的原始资料，设计责权追溯也需要提出新的解决方案来达到从源头避免工程质量事故的目的。因此提出了一种集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统。区块链是一种去中心化的数据库。其具有难篡改、可溯源的特性，已成功应用于质量追溯领域。在分散式应用程序的框架上，基于以太坊技术提出了用于存储 BIM 元数据的联盟链，并通过管理者、设计者、监管者 3 种节点提高了去中心化程度。为解决 BIM 模型体量过大的问题，采用第三方平台 BIMFACE 作为外部数据库，弥补了区块链与 BIM 集成时支持格式单一、实际场景不适用的缺陷。而基于哈希算法的完整性校验可以防范第三方篡改模型。同时系统还具有良好的拓展性，实现了在线浏览、模型描述等协同工作功能，未来可在 BIM 产品的生命周期内拓展更多应用场景。某大学雄安校区的应用案例表明，系统能对设计过程进行永久记录和精确追溯。关键词：区块链；BIM；设计责权；追溯；协同工作 中 图 分 类 号：TP 391 DOI：10.11996/JG.j.2095-302X.2023040810 文 献 标 识 码：A 文 章 编 号：2095-302X(2023)04-0810-08 Research on design responsibility and right traceability system integrating BIM and blockchain GAN Zi-chen1,FAN Jing-jing1,XUE Zhi-ting2,LIN Ding-liang3,XU Zhen1(1.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.School of Economics and Management,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:In recent years,designers have often become the target of accountability in the aftermath of engineering accidents.With the BIM model becoming the original material for engineering drawings review and archiving,novel solutions are necessary to prevent engineering quality accidents from their source.Consequently,a design responsibility and right traceability system integrating BIM and blockchain was proposed.Blockchain,a decentralized database,is tamper-proof and traceable,and has been successfully utilized in the field of quality traceability.Within the framework of a distributed application,an alliance chain for BIM metadata storage was proposed based on 第 4 期 甘子琛，等：集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统研究 811 1 Ethereum technology,and the degree of decentralization was reinforced through three types of nodes:administrator,designer,and supervisor.In order to resolve the problem of excessive BIM model volume,the third-party platform BIMFACE was used as an external database,filling the gaps in supporting formats and practical applications when integrating blockchain with BIM.Hash algorithm-based integrity check can prevent third-party tampering with the model.Concurrently,the system boasted great expandability,enabling collaborative work functions such as online browsing and model description,and can accommodate additional application scenarios in the lifecycle of BIM products in the future.An application case of a universitys Xiongan campus has demonstrated the systems ability to permanently record and accurately trace the design process.Keywords:blockchain;building information modeling;design responsibility and right;traceability;collaborative work “十四五”以来，我国颁布了一系列政策措施以促进我国建筑业向信息化方向转型，其中建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术是建筑业重点推动的 5 项信息技术之首。BIM 是区别于传统以 CAD 为基础的建筑设计的新方法。从建筑图纸的设计、建造、运维直到生命周期的结束，BIM 可以对建筑的各项数据进行集成，能够将各类数据整合到一个图纸的数据库里。建筑的设计团队、建设单位、运维部门和物业的所有权人等都可以通过 BIM 开展协同工作。这种协同工作的方式不仅提高了工作效率，还能节约资源，显著降低各项成本，最终实现工程的可持续发展。2020 年 4 月，住建部印发了 住房和城乡建设部工程质量安全监管司 2020 年工作要点，对于推进建筑活动绿色化发展以及建筑业的转型这两方面问题，提出了基于BIM 进行图纸审核的模式以及将 BIM 技术应用于工程建设全过程的提案，进而促进建筑业逐步迈入信息化的时代1。近年来，多发的工程事故给居民各方面的安全带来极大威胁，影响社会发展的稳定性。而工程设计是一个项目最终实施的依据，其决定着这个工程的投资规模、功能品质和工期进度2。因此在事故发生后，工程设计师会承担很大的责任，对设计责权的追溯往往也牵扯到复杂的利益关系。但现有的建设工程质量管理条例等法规文件中，有关设计施工人员的具体责权追溯方法以及处罚措施不够明确3。此外传统工程文件、模型的归档需要大量的人力进行录入、保存等工作，智能化程度相对较低，同时使用低效率的文档进行管理在实际应用过程中也不够便利，且难以将 BIM 技术的优势发挥出来。另外，虽然工程档案数字化是未来的发展趋势，但网络安全不能保障且易出现 BIM 模型的篡改或丢失4，因此一种适用于 BIM 时代的设计责权追溯系统亟待研究。2021 年 3 月，区块链被写入“十四五”规划的数字经济篇，以及 2035 年的远景目标纲要中，其作为新工科发展中的重要一环受到了社会层面的广泛关注。区块链是指分散共识机制下加密且不可变更的分布式数据库5。本文重点关注区块链的2 个特性：数据难篡改和过程可溯源。区块链可以真实且永久地记录数字化信息资源，并通过时间戳等技术实现对全过程的追溯。因此区块链可以为BIM 设计责权追溯提供有效的解决方案。1 集成 BIM 和区块链技术的研究现状 目前，针对工程设计责权追溯的研究有限，且大多是基于区块链特性所提出的系统构想。李桃等6利用区块链的特点提出的基于区块链技术构建工程建设多参与主体、全过程质量管理及溯源系统的框架，为质量管理的溯源提供了解决方案。王翌飞7提出工程勘察设计文件管理系统在现有的信息化系统基础上，能够利用区块链技术的不可篡改及可追溯的特性，实现施工图设计文件、设计者信息上链，确保设计人员对工程设计终身负责，做到对全过程的设计责任进行溯源。而在其他领域的质量追溯问题上，区块链技术的研究已取得了一定进展(表 1)，其解决方案对 BIM 设计责权追溯具有借鉴意义。BIM 模型体量大、文件格式多样等特性给区块链和 BIM 结合制造了技术障碍，因此分析区块链与 BIM 结合的其他应用形式有助于发现本文研究的潜在解决方案。申玉民等8采用链上与链下协同工作的存储方式，分别使用区块链和数据库对 BIM图纸信息及完整 BIM 图纸进行存储。LOMBARDI等9通过共识机制及智能合约，基于以太坊的分散式 BIM 建筑设计框架，在协作和竞争模式下解决“设计”问题，同时区块链可真实记录每个设计者 812 建筑与城市信息模型 2023 年 的贡献。TAO 等10认为区块链和星际文件系统(interplanetary file system，IPFS)的分布式数据环境可解决区块链数据库不适用于储存 BIM 这样的大型文件的问题，但 RIFI 等11认为使用公有链和公有 IPFS 进行存储的解决方案，依然具有数据的存储成本过高及数据隐私性较差等问题。表 1 区块链在多个领域的质量溯源研究 Table 1 Research on the quality traceability of blockchain in various fields 文献 研究问题 解决方案 文献12 食品质量溯源 构建完整的追溯体系，针对系统原型在广度、深度、精度等方面进行了评估 文献13 纺织品质量监控 基于区块链的纺织品质量框架实现跨链信息的共享系统，当出现质量安全问题时，可以快速定位识别文献14 双层架构的产品溯源系统 大量信息产品的具体信息存储在附加层的私有链上，并通过散列指针以及数字签名与主层联结 文献15 基于智能合约的产品溯源 通过 PRC，BAC，TUC 3 个智能合约分别实现产品的信息注册、批次更新及可追溯流程管理 因此本文研究不仅致力于解决工程设计责权追溯问题，同时将为集成 BIM 和区块链技术所面临的技术障碍提供一种新的解决方案。2 集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统构建 2.1 系统模型 实际工程设计场景中设计师数量有限，且设计项目往往具有保密性和单件性，因此完全开放和去中心化的公有链并非必需，其低效率更无法满足使用需要。而许可链可通过颁发身份证书的方式事先建立信任关系，且具备部分去中心化特点，相比于非许可链拥有更高的效率16。联盟链各节点的权限范围介于公有链和私有链之间，是由某个组织内部多个机构共同参与管理和使用的区块链，每个机构都运行着一个或多个节点，记账节点由组织内部选定且区块的添加与删除通过联盟链共识机制决定17。本系统所采用的联盟链属于许可链的范畴。同时，BIM 模型作为工程建设全生命周期数字化表达和记录的产物，具有良好的可共享性和高效性，与联盟链结合能够在用户之间实现更高效、更安全的协同工作。如图 1 所示，本文系统的联盟链主要由设计者、管理者、监管者 3 种节点构成。设计者节点由工程设计师操作，上传或下载 BIM 模型，同时需要上传模型设计的文字描述。上传 BIM 模型意味着在区块链中广播新的数据记录，通过初步检验的数据将成为新区块的组成部分。管理者节点由负责维护系统的技术人员或设计监理操作，需要对请求入链的设计师进行认证，同时将相应的设计师信息与设计者节点绑定以便日后开展责权追溯。管理者节点拥有系统的一切权限，有义务对新区块进行检验并执行共识机制。监管者节点由项目业主方的相关人员操作，其在现实中是设计师和监理的雇主。出于自身利益，监管者会自发与管理者一同基于共识机制对该区块内的数据进行审查，实现数据的去中心化维护。同时监管者拥有在线浏览 BIM模型的权限，能够在设计过程中对进度和质量进行监督。集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统建立在分散式应用程序(decentralized application，DApp)的框架之上。DApp 是一种在区块链上存储数据的应用程序，如图 2 所示，其包含：前端，即用户界面；后端，包括外部数据库和设计记录链，确保系统按照智能合约的条件运行19。图 1 区块链工作过程18 Fig.1 Blockchain working process18 第 4 期 甘子琛，等：集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统研究 813 图 2 软件体系结构图 Fig.2 Software architecture 前端由 2 部分组成：设计服务，包括登录功能、模型的上传和下载功能、模型的在线浏览功能、模型的描述功能、元数据列表的查看功能、元数据可见性的修改功能。由于许多工程项目中各部门、各专业的人员需要在 BIM 的基础上协同工作20，这通常会带来 BIM 图纸版本混乱、版权划分无准确依据的问题5,21-22。设计服务能帮助设计者获悉BIM 设计的变更，准确找到所需的版本，确保协同工作的有序。这将提升设计师对系统的用户粘性，有利于后续对设计责权的追溯；溯源服务，除了筛查和访问设计全过程的 BIM 图纸还支持用户校验模型的完整性。此外，溯源服务也为 BIM 产品的确权提供了存在性证明。后端也由 2 部分组成：外部数据库，由第三方的 BIM 应用二次开发平台 BIMFACE 充当。BIMFACE 拥有一个大型的云端分布式海量存储引擎23，能够存储原始的 BIM 模型并生成对应的模型 ID；设计记录链，是在以太坊技术基础上开发的联盟链，用以存储模型 ID、哈希值和设计师上传的模型描述。本文研究将模型 ID、哈希值、模型描述统称为元数据。此 外，应 用 程 序 接 口(application program interface，API)允许应用程序前端以标准化的方式与后端通信，克服了开发区块链应用时由于编程语言差异产生的障碍。2.2 系统架构 如图 3 所示，系统整体架构分为 5 层，即数据存储层、技术服务层、节点层、应用层和用户层。图 3 系统架构图 Fig.3 System architecture (1)用户层。主要分为 2 类用户群体。其中设计单位、建设单位等用户主要通过系统进行协同工作和上传模型留档。而政府部门、监理单位等主要对设计全过程进行监督管理及后续的追责工作。(2)应用层。形成以责权追溯为核心的功能群。814 建筑与城市信息模型 2023 年 用户操作功能，可供用户进行身份注册、模型上传及相关增删改查；责权追溯功能，作为本系统核心功能，主要通过查询、筛选、下载及在线浏览来实现溯源；附加功能，主要包含协同工作和知识产权保护 2 个方面。在知识产权保护方面，完整性校验能够通过哈希算法将 BIM 信息加密得到唯一对应的字符串，即哈希值。由于哈希值具有唯一性与单向性，因此无法通过哈希值对 BIM 信息解密。完整性校验原理如图 4 所示。在上传 BIM 模型时，系统通过哈希算法中的 SHA512 算法在区块链中备份模型的哈希值。在责权追溯时，系统再次计算 BIMFACE 上现存模型的哈希值并与备份比对，即可验证模型的完整性，从而在第三方平台上延续了区块链的作用24。在协同工作方面，本系统主要解决了 BIM 图纸版本混乱的问题，同时BIMFACE 提供了系统在全生命周期协同工作的基础；权限管理功能，通过添加或删除节点管理用户入链的权限，同时对新节点进行身份验证和信息绑定，提高系统安全性。图 4 完整性校验示意图25 Fig.4 Integrity verification diagram25 (3)节点层。3 种节点的设计实现了区块链在工程设计场景中的技术落地。其中监管者节点创新性地将项目业主纳入区块链，这将增大区块链节点的规模，避免由于节点数量过少而产生较大的 51%算力攻击的风险，进而确保设计记录链不可篡改，实现在源头避免工程质量事故。(4)技术服务层。分为账户管理、分布式账本、智能合约、共识机制及 SHA512 算法等 5 大部分。数字签名验证首先通过数字摘要技术将交易信息缩短成固定长度的字符串，然后基于非对称加密技术对摘要进行加密与验证26；分布式账本指可以在多个站点、不同地理位置或多个机构组成的网络中实现共同治理及分享到资产数据库27，而区块链则可以视为一个不断增长的分布式账本；智能合约指一种运行在区块链技术之上的特殊程序，其借助区块链的共识机制，使得所有参与者在不借助第三方信任的情况下自动达成协议28；共识机制是区块链技术的基础与核心，决定了参与节点以何种方式对特定数据达成一致29；SHA512 算法可输出长度为512位由8个初始值经过不断演变得到的哈希值。(5)数 据 存 储 层。包 括 存 储 原 始 模 型 的BIMFACE 和存储元数据的设计记录链。这在不占用本地空间的条件下解决了 BIM 数据上链问题，同时实现了文件格式解析和模型图纸在线浏览。3 应用案例及性能分析 3.1 应用案例 本文提出的集成BIM和区块链的设计责权追溯系统在某大学雄安新校区项目中进行了测试，图 5 为该校区部分建筑的 BIM 模型，模型大小为256 MB。该校区位于雄安新区起步区第五组团北部，占地面积约 1 633 300 m2。其中工程设计包含建筑、结构、暖通、电气、景观等多个专业，其工程背景适于本文系统进行应用测试。图 5 某大学雄安新校区部分 BIM 模型图 Fig.5 Part of the BIM model of the new campus of a university in Xiongan 前期应用测试的过程如图 6 所示。某大学作为监管者节点聘请了具有相关技术背景的设计监理单位操作管理者节点。管理者向若干工程设计师授权了设计者节点。当建筑设计师 A 将所负责的 BIM图纸上传系统后，建筑设计师 B 或其他专业设计师可查询并下载图纸，继续完成后续的设计工作。若出现操作失误，设计师可修改图纸元数据在前端的可见性。设计过程中，该大学作为业主方可通过系统对设计进度和质量进行监督，并向设计师反馈意见。在后期应用测试中，测试者模拟了施工阶段或交付使用后出现质量问题或事故的情况，系统实现责权追溯的过程如图 7 所示。政府相关部门组织该大学对设计师进行追责。系统首先对 BIM 模型进行了完整性校验，从而验证 BIMFACE 平台是否遵 第 4 期 甘子琛，等：集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统研究 815 守相关用户协定。系统校验结果为 True，说明第三方平台未篡改或丢失 BIM 模型。随后相关调查人员可浏览或下载设计过程中的所有 BIM 模型，并结合现有的事故调查和模型描述进行筛选，发现存在设计错误或疏忽的模型，进而锁定相应的设计者节点并获取所绑定的设计师信息，最终实现精确的责权追溯。图 6 案例应用测试 Fig.6 Case application test 图 7 责权追溯流程 Fig.7 Responsibility and right tracing process 3.2 性能分析 本文研究构建了一种集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统，将 BIMFACE 平台和联盟链作为存储基础，应用 Java，HTML，JavaScript 和 Solidity等多种编程语言实现，并将本系统布置于一台Intel(R)Core(TM)i5-9300H CPU 2.40 GHz处理器的计算机中。另外本文通过反例验证了完整性校验功能的有效性。通过修改程序，系统将原存储到 BIMFACE的 BIM 文件存储在本地文件夹。随后开发人员对本地的 BIM 文件进行了替换和篡改，即对 BIM 模型数据本身进行修改。最终完整性校验结果为False，说明校验未通过，即可认为该功能有效。此外，美国建筑师协会(American Institute of Architects，AIA)将 BIM 模型精度从 LOD100 到 LOD500 分为5 个等级30。基于 SHA512 算法，该功能可以校验精度为 LOD500 的模型，即可对非几何信息的篡改进行追溯。案例测试显示系统的图纸查询功能(图 8)平均耗时 0.57 s，元数据上传耗时 0.50 s，系统内存占用为 131.1 MB。借助 BIMFACE 的技术支持，系统可兼容 IFC 和 RVT 等 50 多种二维及三维格式的模型和图纸。模型转换后的大小是原来的 5%10%，单个模型上传最大允许 10 GB，相应的建筑面积超过 40 万平方米。图 8 系统查询功能界面 Fig.8 Interface of the systems query function 4 集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统的优势 目前 BIM 模型传统的管理与保护方式仍具有不足。在信息共享方面，将 BIM 作为中央数据库具有一定优势，但这无法针对信息安全树立良好的保障壁垒31；在项目管理方面，传统方式更多针对部分具体程序进行管理，鲜有关注全生命周期及多目标的集成管理；在软件应用方面，如何实现统筹管理，实现 BIM 在各阶段和各专业间的协同应用，是未来研究的关键32。本文利用 BIM 和区块链技术，解决工程设计责权追溯问题主要优势见表 2。表 2 设计责权追溯方法对比6 Table 2 Comparison of design responsibility and right traceability methods6 对比角度 集成 BIM 和区块链的设计责权追溯系统 其他传统追责方法 追责效果 分布式存储使数据具有不可篡改性；非对称加密和时间 戳使系统能精准追溯设计过程 中心数据库存储的数据易篡改或丢失；难以进行责权划分 并找到责任源头 附加功能 系统可基于 BIMFACE 对 BIM 进行二次开发；协同工作 功能提高了设计师使用意愿 扩展性较差，功能单一 追责模式 多节点、多阶段 信息孤岛，信息片面 追责手段 信息化、智能化 人力占用多，工作效率低 816 建筑与城市信息模型 2023 年 通过某大学雄安校区的应用案例，集成 BIM和区块链的设计责权追溯系统能够对设计全过程进行记录和追溯，并对 BIM 数字产权的认定提供了可靠依据。同时第三方平台存储原始模型结合区块链存储元数据的方式，为 BIM 模型上链的技术障碍提供了创新性的解决方案，也为系统功能拓展和 BIM 二次开发创造了基础。5 结束语 当前区块链与 BIM 的集成技术应用较少，但在新工科建设和建筑业现代化的大背景下，未来信息化技术将会有更广阔的前景。本文通过区块链的可溯源和难篡改的特性研究，为精确追溯工程质量事故发生后的 BIM 设计责权提供了解决方案。本文研究取得的创新成果如下：(1)本系统可永久记录大型项目 BIM 设计的元数据，能完整地追溯设计过程，精确地锁定相关的设计者节点，提供相应的设计师信息、BIM 模型和模型描述。同时系统运行具有较高的稳定性和鲁棒性；(2)第三方平台 BIMFACE 提高了系统的拓展性，目前已开发出部分协同工作功能；(3)加入监管者节点提高了联盟链去中心化程度，降低了 51%算力攻击的风险，同时也为项目业主等提供了监管设计过程的平台。本文研究还将进一步探索相关政府部门入链的可行性。由于第三方平台 BIMFACE 定期更新模型 ID可能会导致区块链中的元数据失效，本系统还需要进一步开发设计记录链的补充功能。此外，如图 9所示，本文研究将继续探索在 BIM 产品的生命周期内区块链技术的应用场景。在设计完成后，BIM产品将进入应用阶段。这包括施工和运维阶段的 图 9 系统功能逻辑图6 Fig.9 System function logic diagram6 二次开发以及 BIM 数字产品的流通。而区块链是已被验证的数字产权保护的工具，可以在应用阶段保护设计师产权。因此当区块链节点规模满足条件时，本系统未来或将针对 BIM 产品实现初期设计的协同工作、中期应用的产权保护和末期事故的责权追溯。参考文献(References)1 宗边.住房和城乡建设部工程质量安全监管司 2020 年工作要点J.建筑监督检测与造价,2020,13(3):9.ZONG B.Main points of 2020 work of the Department of Engineering Quality and Safety Supervision of the Ministry of Housing and Urban-Rural DevelopmentJ.Supervision Test and Cost of Construction,2020,13(3):9(in Chinese).2 陈峰,林锐.浅谈工程项目管理企业的设计管理J.建设监理,2015(12):35-37.CHEN F,LIN R.Discussion on design management of engineering project management enterprisesJ.Project 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