Tools for Sustainable Design Strategies: Optimization of Integrated BIM-Blockchain Technologies and Protocols for Applying Green Public Procurement (GPP) Requirements to the Intervention on the Existing Built Environment

Abstract

Today, ensuring an effective, efficient and sustainable management of the built environment throughout the asset’s life cycle represents an increasingly complex challenge, in the context of an increasingly digitalised Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry. On the one hand, the digitalisation of physical assets by means of foundational technologies such as Building Information Modelling (BIM) and Digital Twin (DT) discloses tremendous opportunities to boost efficiency and sustainability of existing physical assets. On the other hand, the adoption of these new technologies and tools results in the generation of large volumes of often complex and heterogeneous data, namely Big Data. Against this backdrop, several are the pitfalls of big data architecture for industry practitioners, including but not limited to data security, privacy, ownership and management. Despite the vast potential of these technologies for the construction domain, this remains often untapped due to fragmented data management practices with inevitable implications for data transparency at various stages of the construction process. Additional disadvantages accrue from traditional centralised data management architecture, entailing risks of data manipulation and theft. This underlines the need for more secure and decentralised data management strategies. To address the issues, the study presents a Proof of Concept (PoC) application through the development of a Decentralized Application (dApp) integrated with Blockchain (BC), DT and Non-Fungible Token (NFT) technologies for the construction sector. The principal aim is to showcase the potential of the proposed framework in enabling the transition towards more decentralised data management practices, thus improving transparency, security and traceability along with mutual collaboration. Moreover, the platform discloses three sets of indirect benefits: i) it paves the way for the creation of a secondary, DT-based data market that may benefit industry agents transversally (i.e., strengthened knowledge flows); ii) showcase the potential of DT as a toolkit for enhanced data collection, processing and use; iii) the profits generated by the DT-based data market may be steered towards project financing. The proposed PoC, integrating BC, DT and NFT technologies, aims to address two of the most pressing challenges faced by an increasingly digitalised and automatised AEC industry, i.e., marked data fragmentation and a structural lack of transparency throughout the construction life cycle. Thanks to its immutability and decentralisation features, BC is selected as the most suitable technology to improve data management practices, reducing the risks of manipulation and theft, and providing a securer and more transparent environment. A specific BC platform, namely Solana BC, was initially selected as a basis for the PoC application as, in addition to other widespread BC, it assured higher speed, lower transaction fees, and highest transactions volume processing rate, making it suitable for more complex applications, i.e., integrated with DT and NFT. Subsequently, Polygon BC was identified and integrated for its high degree of compatibility with EVM (Ethereum Virtual Machine), which eases code development and the adoption of already established standards such as ERC-721 for NFT. The PoC consists of dApp, purposedly re-labelled as dDT (decentralized Digital Twin), implemented employing a specific BC, i.e., Polygon, to tokenize data streams generated by physical assets in the form of NFT. The platform allows the management and traceability of data in real time and enables export, sale of specific data sets. Tokenized data can be used by other professionals in the sector to accelerate technological progress, improve knowledge of DT, and finance further developments of the project through the sale of NFT linked to the data themselves.Oggi, garantire una gestione efficace, efficiente e sostenibile dell’ambiente costruito lungo l’intero ciclo di vita dell’opera rappresenta una sfida sempre più complessa, nel contesto di un settore delle costruzioni sempre più digitalizzato. Da un lato, la digitalizzazione degli asset fisici attraverso tecnologie fondamentali come il BIM e il Digital Twin apre enormi opportunità per incrementare l’efficienza e la sostenibilità degli asset esistenti. Dall’altro, l’adozione di queste nuove tecnologie e strumenti comporta la generazione di grandi volumi di dati, spesso complessi ed eterogenei, noti come Big Data. In questo contesto, numerose sono le criticità legate alle architetture big data per i professionisti del settore, incluse – ma non limitate a – sicurezza, privacy, proprietà e gestione dei dati. Nonostante il vasto potenziale di queste tecnologie per il comparto delle costruzioni, tale potenziale resta spesso inespresso a causa di pratiche di gestione dei dati frammentate, con inevitabili ricadute sulla trasparenza informativa nelle varie fasi del processo edilizio. Ulteriori svantaggi derivano dall’adozione di architetture centralizzate, che comportano rischi di manipolazione e furto dei dati. Ciò evidenzia la necessità di strategie di gestione dei dati più sicure e decentralizzate. Per affrontare tali problematiche, lo studio presenta un’applicazione PoC sviluppata sotto forma di Decentralized Application (dApp) integrata con tecnologie Blockchain (BC), DT e Non-Fungible Token (NFT) per il settore delle costruzioni. L’obiettivo principale è dimostrare il potenziale del framework proposto nel facilitare la transizione verso pratiche di gestione dei dati più decentralizzate, migliorando trasparenza, sicurezza, tracciabilità e collaborazione reciproca. Inoltre, la piattaforma offre tre benefici indiretti: i) apre la strada alla creazione di un mercato secondario dei dati basato su DT, con ricadute trasversali per gli attori del settore (es. rafforzamento dei flussi informativi); ii) mostra il potenziale del DT come strumento per il miglioramento della raccolta, elaborazione e utilizzo dei dati; iii) i profitti generati da tale mercato possono essere reinvestiti nel finanziamento dei progetti. Il PoC, che integra le tecnologie BC, DT e NFT, mira a rispondere a due tra le sfide più urgenti per un settore AEC sempre più digitalizzato e automatizzato: la forte frammentazione dei dati e la strutturale mancanza di trasparenza lungo il ciclo di vita delle costruzioni. Grazie alle sue caratteristiche di immutabilità e decentralizzazione, la blockchain è selezionata come tecnologia più idonea a migliorare le pratiche di gestione dei dati, riducendo i rischi di manipolazione e furto e garantendo un ambiente più sicuro e trasparente. Una specifica piattaforma BC, Solana, è stata inizialmente scelta come base per l’applicazione PoC poiché, rispetto ad altre blockchain diffuse, offre maggiore velocità, minori costi di transazione e la più alta capacità di elaborazione, rendendola adatta ad applicazioni complesse, come quelle integrate con DT e NFT. Successivamente, è stata identificata e integrata la blockchain Polygon, apprezzata per l’elevata compatibilità con l’Ethereum Virtual Machine (EVM), che semplifica lo sviluppo del codice e l’adozione di standard già consolidati come l’ERC-721 per gli NFT. Il PoC consiste in una dApp, rinominata dDT (decentralized Digital Twin), sviluppata sulla blockchain Polygon per tokenizzare i flussi di dati generati dagli asset fisici sotto forma di NFT. La piattaforma consente la gestione e tracciabilità dei dati in tempo reale e permette l’esportazione e la vendita di dataset specifici. I dati tokenizzati possono essere utilizzati da altri professionisti del settore per accelerare il progresso tecnologico, approfondire la conoscenza del DT e finanziare ulteriori sviluppi del progetto tramite la vendita degli NFT collegati ai dati stessi