数字资产护照在实践中的应用：基于BIM、物联网和智能合约的预制构件循环复用

《Buildings》：Digital Asset Passports in Operation: BIM, IoT, and Smart Contracts for Circular Reuse of Prefabricated Components

　　

摘要 预制构件适合进行循环复用，但验证和转移这些构件所需的信息分散各处，且很少保存在项目模型中。本研究开发并测试了一个数字资产护照（digital asset passport）框架，该框架在建筑信息模型（Building Information Modelling, BIM）数字孪生体中保存一个实例级别的护照，并将其在不同项目间传递。该框架通过Dynamo将两级标识符绑定到Revit共享参数上，添加模拟的物联网（Internet of Things, IoT）条件监测层，在智能合约（smart contract）中记录生命周期事件，并根据护照对构件即服务（Component as a Service）租赁进行定价。在一个包含602个实例的住宅数字孪生体上，该原型将护照写入每一个构件元素，在一次模拟监测周期中记录了101条警报条目，并将225个构件携带至第二个模型，其标识符和护照数值保持不变，生命周期状态得以更新。归因于这些转移的总碳排放量为46,296.57 kgCO2e，总成本为70,581.43英镑，且未扣除任何回收费用。该引擎生成了225份模拟租赁合同，月租金总额为6,119.40英镑；该合约在本地以太坊虚拟机（Ethereum virtual machine）上执行，返回了单个构件的六事件历史记录。28位从业者对17项陈述的回答显示，对护照原则的赞同率为92.9%，他们对账本技术持保留接受态度，并将租赁模式排在末位。这些结果证实了可行性，而非现场实际性能表现。

一、研究背景与问题

当前，预制建筑行业遵循线性生产流程：构件经制造、安装后一次性使用便废弃。全球每年产生约20至30亿吨的建筑与拆除废弃物，占全球废物总量的25%至30%。由于新材料采购往往比回收材料更便宜便捷，构件复用的动力严重不足。尽管预制构件因其受控的公差和离散单元特性，在原理上适合复用，但实际操作中，复用依赖于核实构件的身份、状况和历史，并将这些记录转移给新所有者。然而，这些信息碎片化地分布在制造商、承包商和资产所有者手中，缺乏可信的数字追踪记录，导致预制产品的复用极为罕见，且工业化建造的护照体系仍缺少支撑其运作的信息管理框架。同时，欧盟的《可持续产品生态设计法规》和修订后的《建筑产品法规》引入了数字产品护照要求，英国国内的《建筑安全法案》也提出了结构化产品信息的“金线”要求，这为建立贯穿全生命周期的构件追溯机制创造了政策驱动力。现有护照研究多停留在静态设计和单一项目阶段，仅有17%的综述研究针对真实项目开发了护照，且BIM、物联网与区块链的集成应用止步于构件安装环节，未能实现跨项目的实例级记录传递。

二、研究目的与研究内容

为解决上述碎片化和记录断裂问题，研究人员开发并测试了一套数字资产护照框架，旨在将实例级护照嵌入BIM数字孪生体内部，并使其随构件在不同项目间持续传递。该研究遵循设计科学研究方法，设定了六个设计需求：实例标识符驻留于模型元素内（R1）、注册表与模型保持同步（R2）、状况数据附加于记录（R3）、生命周期事件记录于防篡改账本（R4）、跨项目身份保持不变（R5）、依据护照进行租赁定价（R6）。研究团队在一栋包含602个预制墙板、楼板和屋面板实例的代表性住宅数字孪生体上进行了演示，并通过28位从业人员的结构化问卷评估了框架各项原则的可接受性。研究结论表明，该框架能够成功地将护照写入所有构件元素，完成一次模拟监测周期并记录警报，并将225个构件转移至第二个项目模型，其标识符和护照数值不变而生命周期状态更新。问卷结果显示，从业人员对护照原则的支持率高达92.9%，但对账本技术持保留态度，并将构件租赁模式排在末位。研究的意义在于首次实现了跨项目的实例级构件身份与记录的完整传递，填补了现有技术在构件复用信息管理方面的空白，为数字化循环建造提供了可操作的架构基础。

三、关键技术方法

为实现上述目标，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：

1. 1.
   两级标识符与BIM绑定：采用“DAP-[类别]-[型号编号]-I[实例编号]”格式的唯一标识符，区分类型护照和实例护照。通过Dynamo可视化编程工具和嵌入式Python节点，将该标识符及25个共享参数（19个静态、6个动态）绑定到Autodesk Revit模型的构件元素上，实现注册表与模型的双向同步。
2. 2.
   模拟物联网状况监测：利用Python脚本生成器，为每个实例生成温度、湿度和振动三个传感器的模拟读数，并与按类型设定的阈值进行比较，自动分配警报状态（OK、WARNING、ALERT）和实时状况等级（A、B、C）。
3. 3.
   智能合约与账本记录：编写Solidity语言编写的DAPRegistry.sol智能合约，部署于本地内存中的以太坊虚拟机（EVM）上。合约提供注册、批量注册和记录九种生命周期事件的函数，并内置防重复注册、权限控制和终止标记功能。
4. 4.
   构件即服务定价引擎：开发定价引擎，依据制造成本、类型溢价、状况等级系数和复用折扣计算资产价值，再结合碳信用额和固定费率（8%）计算月租金，并设定最低租金门槛（5英镑）以筛选可行租赁的构件。
5. 5.
   跨项目转移协议：设计八步转移协议，包括从源建筑移除、释放并设置为可用、记录账本事件、接收方查询、双方同意并记录转移、交付、导入并写入接收模型、记录重新安置并增加复用计数。演示中通过复制源模型元素并运行第二个Dynamo图形来完成转移。

四、研究结果

4.1 项目A实例化

在包含602个预制构件实例（来自46种类型，分布于75个Revit元素）的项目A数字孪生体上，组件库定义了66种类型。注册表记录了总计147,097.66公斤重量、107,418.55 kgCO₂e隐含碳和125,951.07英镑制造成本。Dynamo同步图形成功读取注册表，将共享参数写入每个匹配的构件元素，并在运行报告中列出了匹配、跳过和写入的参数数量。

4.2 状况监测周期

一次模拟监测周期生成了1,806个读数（每实例三个传感器）。共记录了101条警报条目，其中97条为警告（单参数越界），4条为警报（双参数越界）。据此分配的状况等级为：501个A级、97个B级和4个C级。监测结果表明，警报逻辑按预期工作，且实时等级与设计时的解构等级相互独立。

4.3 项目B的释放、转移与恢复

从项目A的47个宿主元素中选择了225个构件转移至项目B。转移记录显示，这些构件避免了46,296.57 kgCO₂e碳排放和70,581.43英镑成本（毛值，未扣除回收费用）。在项目B中，同步图形成功写入护照参数，转移图形则将生命周期状态更新为RELOCATED，复用计数设为1。所有标识符和静态护照数值均保持不变。

4.4 定价与租赁输出

定价引擎为全部602个实例计算了资产价值（142,938.31英镑）、月租金（10,304.04英镑）、碳信用额和残值。其中508个实例被标记为可行租赁（月租超过5英镑）。为225个转移实例生成了租赁协议，月租金总额为6,119.40英镑，24个月期总租金达146,865.60英镑，约为所租构件制造成本的2.1倍。

4.5 账本上的生命周期历史

DAPRegistry.sol合约在本地EVM上成功执行，为示例构件DAP-EXT-0005-I023注册并记录了创建、安装、检查、可用、转移和重新安置六个事件。合约正确返回了完整历史记录，并成功拒绝了重复注册、非授权调用和未注册标识符的事件记录尝试。

4.6 从业人员反馈

28位从业人员对17项陈述的回应显示：对护照原则的支持率达92.9%；对区块链与智能合约的益处认同率为60.7%；对BIM信息维度作为构件租赁基础的认同率为53.6%；对数字孪生体长期准确性的信任度为75.0%。在强制排序题块中，“构件即服务作为可行且盈利的商业模式”被排在最末位。

五、讨论与结论

讨论部分指出，研究提供的两类证据（原型演示与问卷感知）在脊柱节点（护照原则、验证复用、账本记录）上趋于一致，但在租赁模型上出现分歧：尽管定价引擎成功生成了租赁条款，但从业人员将其商业可行性排在末位，这与现有文献中建筑构件服务化尚处于早期阶段、法律归属问题未解决的现状相符。研究的核心贡献在于实现了护照驻留在信息模型内部而非其外部，并随构件跨越项目边界存活，这是与平台式和数据库式方法的实质性区别。三个关键设计原则——基于标识符而非模型元素ID的同步、设计时解构等级与运行时状况等级的分离、以及注册表-模型-账本的三重存储——构成了可供其他实施借鉴的基础。然而，研究也识别出若干局限：注册表与账本之间的权威冲突未完全解决；宿主元素限制导致仅75个实例的护照在模型中直接可见；转移测试在理想条件下进行（同一团队、同一软件、通过复制元素传递护照）；定价引擎的参数设置未经市场校准。此外，论文将框架定位在ISO 19650和RIBA工作计划语境下，指出护照跨越了传统项目阶段的界限，使构件从一个项目的终点进入另一个项目的起点成为可能。

研究结论如下：本研究开发并测试了一个数字资产护照框架，该框架将实例级护照嵌入BIM数字孪生体内部，并通过注册表、模型参数和智能合约三重记录，使其在构件跨项目转移时保持完整。在602个实例的住宅数字孪生体上进行的演示证明，该框架能够实现护照的全元素写入、模拟状况监测与警报、以及225个构件在两个项目间的成功转移，其标识符和护照数值保持不变而生命周期状态更新。28位从业人员的问卷调查显示，对护照原则的支持率极高，但对账本技术和租赁模式的接受度较低。研究确认了框架的可行性，但其现场性能、跨平台互操作性、净环境效益计算以及商业模式的现实性仍需进一步研究和验证。