區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫賬本技術(shù)，具有不可偽造、全程留痕、集體維護等優(yōu)勢。本文分析區(qū)塊鏈技術(shù)在以多用戶創(chuàng)建、分布式質(zhì)量驗證、數(shù)據(jù)來源及去向可追溯為目標的BIM構(gòu)件管理系統(tǒng)中的適用性，并探討這類應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以期為BIM知識成果管理提供新思路。

BIM構(gòu)件管理現(xiàn)狀

在BIM技術(shù)應(yīng)用工作中，非常重要的成果之一就是構(gòu)件。構(gòu)件作為組成BIM模型的基礎(chǔ)單元，描述其幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，是傳遞模型信息的基本載體。創(chuàng)建者在制作一個“好”構(gòu)件時，要充分考慮到形體參變、可視化表達、信息承載、使用性能等多個方面。如何讓花費了時間和精力的構(gòu)件創(chuàng)建者能夠了解自己的成果在項目中有多少次應(yīng)用，應(yīng)用在哪些工作場景中，甚至能否創(chuàng)造一定的經(jīng)濟價值，是BIM構(gòu)件管理的意義所在，也是促進BIM構(gòu)件“多創(chuàng)建、多分享、多受益”良性循環(huán)的關(guān)鍵。目前，很多BIM技術(shù)應(yīng)用企業(yè)及軟件開發(fā)單位也進行了相關(guān)的嘗試和探索，但是基本只能滿足構(gòu)件加密這類的需求，對于構(gòu)件應(yīng)用的場景、頻次等相關(guān)信息收集仍缺乏有效的解決方案。

筆者所在的上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司（以下簡稱“上海市政院”）建立的SMEDI-BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)，一個突出特點就是大部分管理對象均為市政行業(yè)專有的構(gòu)件，尤其是一些構(gòu)件體現(xiàn)了上海市政院在工藝、工序等方面獨有的技術(shù)方案，因此在管理系統(tǒng)建立時對構(gòu)件的知識產(chǎn)權(quán)保護進行了考慮。SMEDI-BIM管理系統(tǒng)的管理對象，主要為Revit構(gòu)件和CATIA構(gòu)件。針對Revit構(gòu)件，采用族文件加密的方式，未登錄管理系統(tǒng)的用戶無權(quán)打開或者在項目中調(diào)用構(gòu)件；CATIA構(gòu)件則通過達索3DE平臺生命周期定義中的“成熟度”屬性，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問限制及數(shù)據(jù)保護，在“設(shè)計已發(fā)布”狀態(tài)下，任何人不能對構(gòu)件進行修改。

但是，這種構(gòu)件加密的解決方案也存在很大的局限性。由于項目交付越來越多地要求提供可編輯的項目文件，而客戶不會安裝構(gòu)件庫管理系統(tǒng)插件或登錄設(shè)計單位內(nèi)部3DE平臺，因此，多數(shù)情況下需要對構(gòu)件文件及應(yīng)用構(gòu)件的項目文件進行解密或?qū)С鰹榉窃募袷?，解密后的?gòu)件又可以任意傳播和使用。由此可見，這種構(gòu)件加密方式只是縮小了構(gòu)件傳播的范圍，但不能徹底解決知識產(chǎn)權(quán)保護的問題。若要進一步收集BIM構(gòu)件應(yīng)用的數(shù)據(jù)信息，則需要通過大數(shù)據(jù)分析了解應(yīng)用場景和頻次，以便集中資源持續(xù)維護和改進應(yīng)用較多的構(gòu)件。然而，這樣的功能需求暫時沒能夠?qū)崿F(xiàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)原理及應(yīng)用

區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊用類似鏈表的方式組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證其不可篡改和不可偽造的分布式去中心化賬本，能夠安全存儲簡單的、有前后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)進行驗證的數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護等特點。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的驗證、記錄、存儲、維護和傳輸?shù)冗^程均是基于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用純數(shù)學(xué)方法而不是中心機構(gòu)來建立分布式節(jié)點間的信任關(guān)系，從而形成去中心化的可信任的分布式系統(tǒng)；區(qū)塊鏈采用帶有時間戳的鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)，從而為數(shù)據(jù)增加了時間維度，具有極強的可驗證性和可追溯性；區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用特定的經(jīng)濟激勵機制來保證分布式系統(tǒng)中所有節(jié)點均可參與數(shù)據(jù)區(qū)塊的驗證過程，并通過共識算法來選擇特定的節(jié)點將新區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈[1]-[2]。

基于上述特點，區(qū)塊鏈技術(shù)非常適用于系統(tǒng)各方需要同時查看同一目標數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)存儲在去中心化的每個節(jié)點，其來源都可以被追溯，能夠保證從未被篡改的業(yè)務(wù)場景。迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)最成功的應(yīng)用就是數(shù)字加密貨幣。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年11月，全球共有7849種加密貨幣，總市值約5772億美元。日趨完善的數(shù)字貨幣發(fā)行、流通和衍生領(lǐng)域技術(shù)、模式和機制，也為區(qū)塊鏈的發(fā)展提供了理論驗證和實踐基礎(chǔ)。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)保護[3]、供應(yīng)鏈[4]、能源交易[5]等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。

區(qū)塊鏈技術(shù)在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域的應(yīng)用展望

基于上述背景，本文提出了一套應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件管理系統(tǒng)解決方案。相對于加密數(shù)字貨幣等場景對系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和收益分配等方面的重點關(guān)注，BIM構(gòu)件管理側(cè)重于集體驗證、集體維護、數(shù)據(jù)溯源等方面，這也使得區(qū)塊鏈技術(shù)在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域的應(yīng)用需要有其個性化裁剪。這個系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)共識層、控制層和應(yīng)用層組成，以滿足構(gòu)件管理的業(yè)務(wù)場景需求。各個層級的主要功能具體如下。

數(shù)據(jù)層：通過特定的算法，將接收到的BIM構(gòu)件相關(guān)數(shù)據(jù)封裝為一個帶有時間戳的新數(shù)據(jù)區(qū)塊，存儲在數(shù)據(jù)層。在這個過程中，通過散列算法的哈希函數(shù)將任意長度的原始構(gòu)件數(shù)據(jù)編碼為由數(shù)字和子母組成的、特定長度的字符串，以便于統(tǒng)一存儲和識別。時間戳確保了區(qū)塊數(shù)據(jù)的不可篡改和不可偽造。而區(qū)塊鏈的Merkle樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得構(gòu)件庫管理系統(tǒng)的各節(jié)點用戶能夠快速地校驗區(qū)塊數(shù)據(jù)。非對稱加密技術(shù)則是各節(jié)點用戶將隨機數(shù)生成器生成的256位隨機數(shù)作為私鑰，結(jié)合系統(tǒng)為其提供的公鑰對數(shù)據(jù)進行加密，接收到構(gòu)件數(shù)據(jù)的用戶節(jié)點先應(yīng)用對方的公鑰驗證數(shù)據(jù)來源，再用自己的私鑰解密數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全可靠。

網(wǎng)絡(luò)共識層：用以封裝系統(tǒng)Peerto-Peer（P2P）的組網(wǎng)方式、信息傳播協(xié)議以及數(shù)據(jù)驗證機制、共識算法等要素。在P2P網(wǎng)絡(luò)模式下，系統(tǒng)中的每一個節(jié)點用戶地位都是平等的，不存在任何中心化的特殊節(jié)點和層級結(jié)構(gòu)。當任一節(jié)點用戶創(chuàng)建構(gòu)件后，就由這個節(jié)點發(fā)出廣播以便全網(wǎng)的其他節(jié)點都能夠接收到構(gòu)件數(shù)據(jù)。每個節(jié)點都將收集到的構(gòu)件數(shù)據(jù)存儲到一個區(qū)塊中，并根據(jù)特定的數(shù)據(jù)驗證機制對其進行驗證，當數(shù)據(jù)通過絕大部分的節(jié)點驗證后即成為合格構(gòu)件納入到管理系統(tǒng)。

控制層：由處理模型、控制合約和執(zhí)行環(huán)境組成，通過共識協(xié)議形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)賬本后，各類應(yīng)用經(jīng)由控制層與賬本產(chǎn)生交互。系統(tǒng)在控制層將業(yè)務(wù)的邏輯轉(zhuǎn)化為區(qū)塊數(shù)據(jù)的具體操作。在節(jié)點封裝通用的執(zhí)行環(huán)境，實現(xiàn)對區(qū)塊數(shù)據(jù)、組織結(jié)構(gòu)的控制。

應(yīng)用層：用以實踐BIM構(gòu)件管理的業(yè)務(wù)場景，通過調(diào)用控制合約提供的接口進行數(shù)據(jù)交互。

面臨的實際問題

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)基本架構(gòu)

上述設(shè)想的應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)解決方案，是較理想化的工作場景。在系統(tǒng)中的各個用戶節(jié)點，都遵循統(tǒng)一流程對構(gòu)件進行審核后入庫，并在應(yīng)用構(gòu)件前驗證身份和數(shù)據(jù)的合法性。但是，當構(gòu)件被傳播到系統(tǒng)之外，非授權(quán)用戶在使用這些構(gòu)件時，并沒有安裝相關(guān)插件，就不可能通過操作觸發(fā)事件，更不會像驗證比特幣交易真實性那樣主動發(fā)起合法性驗證要求。因此，在BIM構(gòu)件本身植入相關(guān)語句以便在應(yīng)用時觸發(fā)系統(tǒng)驗證，是實現(xiàn)管理目標的關(guān)鍵技術(shù)。目前，各大主流BIM軟件的原生構(gòu)件尚未開放這一程序接口，開發(fā)實踐難度較大。

結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護等特點，使其適用于多方參與的生產(chǎn)環(huán)境中的信任建立、資源共享和產(chǎn)權(quán)保護等場景。本文對在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)過裁剪的區(qū)塊鏈技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的可追溯性共享調(diào)動系統(tǒng)中各參與方積極性并實現(xiàn)效益最大化的前景進行了展望，以期為未來落地解決方案提供啟發(fā)與借鑒。