区块链在建筑工程质量监督中的应用研究

杨英浩 黄喜兵

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

建筑工程质量对国家经济社会发展和人民生命安全至关重要，是建筑工程项目经济、社会、生态效益的重要体现。把保证建筑工程质量放在首位，把有限的资源用于加强建筑工程质量管理，不仅是建设单位和各质量责任主体的重要责任，更是政府监督部门致力于维护人民生命财产安全的集中体现。近20年以来，随着经济社会的发展，城市建设规模不断扩大，对建筑工程质量监督提出了更高的要求，建筑工程质量监督面临诸多挑战。在新时期，通过信息技术手段优化建筑工程质量监督模式，提高建筑工程质量监督效能十分必要。

区块链作为一种去中心化技术，依赖于各方之间的共识机制，具有可追溯性、实时共享性、不可篡改性和相对匿名性等优点，可以为当前建筑工程质量监督工作中存在的问题提供解决方案。目前，区块链在建筑行业的应用大多集中于建筑供应链信息共享和追溯[1]、施工管理[2]以及区块链与BIM的集成应用[3]等方面，缺乏专门针对政府主导的区块链建筑工程质量监督系统的研究。基于此，本文探讨将区块链技术应用于建筑工程质量监督的可行性和优势，构建基于区块链的建筑工程质量监督系统，以解决当前建筑工程质量监督工作中面临的难题，切实提高建筑工程质量监督效能。

1 区块链技术在建筑质量监督中的适用性

1.1 问题识别

建筑工程质量监督工作主要分为两类：需要在规定时间内完成的工作，以抽查巡检为主的日常监督工作。前者包括及时受理建设单位的质量监督申请、编制质量监督工作方案和监督工程竣工验收等有明确时间节点的事务。后者要求建筑工程质量监督机构根据企业资质和工程类型进行差异化管理和不定期抽查巡检。随着城市建设规模的不断扩张，现有建筑工程质量监督模式的不足开始显现，主要表现在以下4个方面。

1.1.1 监督力量不足

随着我国经济社会的发展，城市化进程不断加快，建筑工程项目的数量大幅增长，但建筑工程质量监督人员的数量并未大幅提高。为了提高质量安全监督人员的素质，各地提升了从业门槛，不但要求具有本科学历和工程类执业注册资格，还需要具有工程行业3年及以上从业经验，监督力量明显不足。

1.1.2 监督效率较低

差异化管理的实质是要抓住建筑工程质量监督工作的主要矛盾，将监督执法资源向工程建设过程中最容易出现质量问题的重点项目、重点部位倾斜，提高监督工作效率。然而面对工程建设各个阶段产生的海量纸质文件，缺乏有效的工具对质量数据进行分析，制订的建筑工程质量监督方案不符合差异化管理的要求，导致监督员在监督检查频率和检查内容上出现严重的主观性、盲目性，导致监督效率较低。

1.1.3 存在信息安全风险

档案管理工作是建筑工程质量监督的重要组成部分，在严格执行终身责任制的大背景下，必须保证关键部位质量信息的安全性和不可篡改性。目前常用的信息管理方法是设立档案室进行专门管理，但这种管理方式较为落后，存在被人为篡改或销毁的风险。

1.1.4 数据共享程度不足

落后的数据管理方式导致建筑工程质量信息无法与建筑工程质量监督机构共享，监督人员只能在现场抽查时了解工程的质量情况，监督工作不深入，尤其是对于已经覆盖的隐蔽工程的质量监督不到位，只能做到事后监督，难以落实全过程监督的要求。

1.2 基于区块链的建筑工程质量监督系统的优势

鉴于建筑工程质量监督与食品和医疗药品的质量安全监管有一定的相似性，本文认为区块链技术同样适用于提升建筑工程质量监督能效，其优势主要体现在以下3个方面。

1.2.1 提升事故处理效率

建筑工程质量追溯更为快速和准确，提高了工程事故的调查和处理效率。在建筑工程质量事故调查过程中，调查人员可以通过基于区块链的建筑工程质量监督平台调取与事故发生部位有关的建筑工程质量数据，快速掌握事发部位的设计信息、施工记录、材料记录、监理记录和相关负责人等关键线索，在很大程度上缩短事故调查时间，提升事故处理效率。

1.2.2 增强信息的安全性

去中心化数字账本使篡改数据的成本更高，有利于增强信息的安全性。区块链驱动下建筑工程质量信息记录由多个网络节点共同参与，通过共识机制对信息的有效性进行相互验证和背书，实现信息防伪。另外，区块链上各区块的交易信息按时间顺序串联起来形成完整的建筑工程质量记录清单，能够确保建设过程清晰透明，有效破解数据确权问题。

1.2.3 实现差异化监督和实时监督

在完整的区块链生态环境下，基于区块链的系统可通过对过往项目的合格率进行统计分析，辅助监督员制订科学的监督方案，将监督重点放在更容易出现质量问题的项目上，真正实现差异化监督。同时，建设过程产生的各种质量信息会实时上传到区块中，监督员可以随时通过区块链应用对链上质量信息进行检查，实现对建设过程的实时监督。

2 系统总体设计和技术架构设计

2.1 功能模块设计

本文设计的基于区块链的建筑工程质量监督系统共包括4个功能模块：系统管理模块、合约管理模块、质量监督模块和质量追溯模块，每个功能模块又包括若干个子模块。

2.1.1 系统管理模块

系统管理模块包括区块链系统设置、用户管理、个人设置和通知消息4个子模块。

(1)区块链系统设置主要由政府部门引入的区块链服务提供商使用，负责对区块链网络的性能、证书管理等进行维护和优化，保证区块链系统稳定运行。

(2)用户管理主要由监督机构和各建设单位使用。监督机构负责邀请和管理建设单位节点，建设单位负责邀请和管理参建企业节点。

(3)个人设置提供账户信息修改、秘钥管理和实名制管理等功能。

(4)通知消息承担各个节点之间的信息传递，政府监督机构可以在全系统进行新闻推送，模范工程、优秀团体和企业信誉榜单等宣传资料的传播均可通过该功能实现。

2.1.2 合约管理模块

合约管理模块又包括智能合约部署、智能合约升级两个子模块。

(1)智能合约部署模块中的各节点将自己的需求和合约内容提交给区块链服务提供商，由区块链服务提供商将客户需求和合同条款代码化并部署在区块链上，各节点也可自行聘请专业人才进行智能合约的部署工作。

(2)智能合约升级模块中需要注意的是，智能合约一旦上链就不可修改，但当建设项目发生变更时，如设计图变更、建筑材料更换等导致智能合约的部署条件发生变化时，原有智能合约的确定性被破坏，此时可以通过该模块对智能合约进行升级处理。这样的设置不仅保证了操作留痕，还能使智能合约不断适应现实情况的变化。

2.1.3 质量监督模块

质量监督模块是系统中最重要的功能模块，包括规范标准库、项目库、事件审批、监督计划、日程管理、监督文件6个子模块。

(1)规范标准库模块主要负责收录国家和地方建设标准、质量标准和监督规范，为建筑工程质量监督提供审批和判定标准，库中的数据会跟随最新的规则变化进行实时更新。

(2)项目库模块负责保管建设项目的全部质量信息，包括已完成的项目和在建项目。

(3)事件审批模块主要聚焦从项目规划设计阶段到工程竣工验收的各类审批事项，通过区块链数字签名实现在线审批，有效压缩审批时间，帮助各单位完成与建筑工程质量有关的各项业务的快速办理。

(4)监督计划模块负责协助监督人员制订和管理在建项目的监督计划。在制订监督计划时，区块链智能合约算法会自动结合五方单位的信誉为每个项目设定初始的差异化考核等级，并据此安排项目的监督检查频率和力度。

(5)日程管理模块负责根据监督员所参与的监督计划生成日程表，监督员也可以自己添加或变更日程，系统会根据监督计划和用户添加的日程动态调整后续的日程安排。

(6)监督文件模块支持建筑工程质量整改单、停工通知书和复工通知书等各类监督文件的在线生成和管理。监督机构发出和收到的各类监督文件都会在系统中自动上链备份，不仅能避免纸质文件流转过程中易丢失损毁的问题，还有助于实现建筑工程质量监督工作留痕和无纸化办公。

2.1.4 质量追溯模块

该模块的使用场景主要有两个：一是便于政府监督机构在调查工程事故时回溯项目建设过程，尽快查出事故发生原因，定位主体责任；二是当建筑物使用者发现质量问题需要维权时，可以通过该模块获取质量数据。质量追溯模块主要包括质量信息查询、质量信息下载和事故责任认定三个子模块。

2.2 基于区块链的建筑工程质量监督系统的技术架构

为了实现上述功能，本研究构建了基于区块链的建筑工程质量监督系统的技术架构，分为基础网络、系统核心和顶层应用三个部分，如图1所示。

图1 基于区块链的建筑工程质量监督系统的技术架构

2.2.1 基础网络

基础网络由数据层和网络层组成，负责为系统运行提供数据支持和组网方式。

(1)数据层负责充当区块链数据结构和物理存储。本系统中，数据层存储了大量的建筑工程质量信息，可为2.1.3中所述的质量监督模块提供数据支持。

(2)网络层设置区块链系统的组网方式，保证各个节点之间的信息交互。区别于集中化的“客户端—服务器”模式，基于区块链的系统采用点对点网络，不仅提高了质量信息的共享程度，还能确保链上数据的不可篡改性。

2.2.2 系统核心

系统核心由共识层及合约层组成，是联通基础网络与顶层应用的桥梁。

(1)共识层设置了区块链系统数据的上链共识机制。本系统选用的是联盟链常用的PBFT共识机制，将所有节点分为两类：记账节点，备份节点。记账节点通常只有一个，由系统随机抽选的建设单位节点担任，在其任期内承担打包质量信息区块的任务，其余节点作为备份节点承担共识和账本备份任务。任期结束后系统会重新抽选记账节点。

(2)合约层包括虚拟机和智能合约两部分。本系统的智能合约可将工程建设相关的法律规范、质量标准、激励机制等条款转化为自执行代码，调用智能合约辅助监督可有效减少监督人员工作量，提高监督效率。

2.2.3 顶层应用

应用层是区块链系统的最顶层，负责掩盖区块链网络通信通道的基本技术细节，并为系统的四大功能模块提供面向前端用户的操作界面。

3 基于区块链的建筑工程质量监督系统的原型设计和功能演示

本章利用原型设计软件Axure RP 9对前文构建的基于区块链的建筑工程质量监督系统进行原型设计。考虑到本系统的应用场景主要是工地现场，对手机App的使用频率较高，因此以手机App为例演示设计成果。

3.1 系统登录流程设计

图2展示了基于区块链的系统的用户登录流程。由于不同用户的系统界面不同，在登录时系统需要先确定用户的身份。以监督机构为例，用户单击“监督机构”按钮，即可跳转到监督机构的账号登录界面。若用户绑定了手机号，还可以通过手机号登录，更加方便快捷。

图2 系统登录流程

3.2 系统功能演示

以制订监督计划功能为例，具体操作流程如图3所示。

图3 新建监督计划流程

第一步：在工作台页面中点击“监督计划”功能，进入监督计划列表；再点击页面右下角的“+”号，进入新建监督计划的操作页面。

第二步：按照页面要求补充生成监督计划所需信息。由于大部分项目信息都收录在系统项目库中，直接调用即可，无须用户另外填写。信息补充完成后，点击页面底部的“生成计划”按钮，进行数字签名。

第三步：由于64位字符的私钥难以记忆，为保证易用性，系统会提前要求用户绑定指纹或面容ID，在数字签名时直接用指纹或面容ID调用私钥即可，无须用户记忆。

第四步：用户进行数字签名后，可在线查看生成的监督计划文档。如需对内容进行调整，可以通过电机“修改计划”按钮返回新建计划页面。

第五步：确认监督计划无误后，选择主送和抄送对象，点击“提交审批”按钮即可提交监督计划，审批结果通过系统通知的方式传达。

4 结语

作为一项基础性技术，区块链的去中心化特性可以使建设过程变得更加透明，重塑建筑行业的发展模式。虽然区块链具有多项优势，但在复杂程度较高的建筑行业中推广仍有一定阻碍。为了确保区块链技术在建筑工程质量监督中发挥实效，本文从政府和企业两个层面提出建议：

(1)政府层面。在法律方面，应完善与区块链质量信息确权和场景安全等内容相关的法律法规和国家标准，在法制层面对区块链技术进行定位、定性；在实践方面，可首先在大型政府投资项目中使用区块链进行建筑工程质量监督，然后通过大型公共项目带动其他建设项目接入区块链平台。

(2)企业层面。从建筑企业的长远利益来看，区块链技术有助于保证建筑工程质量，提升建设过程的信息化水平，进而节约建设成本。但就短期收益来看，搭建基于区块链的质量管理平台会带来额外的成本支出，因此需要建筑企业着眼企业未来，持续推动区块链应用。