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문제 정의
- 본 연구는 건설 프로세스 전 과정에서 활용 가능한 통합시스템을 구축하기 위한 것으로 통합인터페이스를 통해 각 단계별로 구축된 시스템이 유기적으로 결합되도록 하였다. 즉, Fig.
- 본 연구는 기존의 가상현실 환경에서 구현되는 BIM 시뮬레이션의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제시하고자 증강현실 기반의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 최근 수도권에 건축이 완료된 소규모 비정형 주택건물인 해우제를 대상으로 진행되었으며 개발된 시스템은 건설 프로세스를 설계단계, 시공단계, 유지관리단계로 구분하고 각 단계별로 프로젝트참여자들의 주요 의사결정을 지원하는 것으로 계획하였다.
- 본 연구는 이러한 문제점을 보완하면서 건설프로젝트 관리자의 의사결정업무를 효과적으로 지원할 수 있는 도구개발 방향설정을 위해 건설현장의 실제정보에 바탕을 둔 증강현실(AugmentedReality, 이하 AR) 기반의 시뮬레이션 시스템 개발에 관한 기초적 연구를 수행하였다. 최근 수도권지역에 시공이 완료된 비정형 주택 건축물(건물명: 해우제)을 대상으로 AR 환경의 설계단계, 시공단계, 유지관리단계 시뮬레이션 시스템을 구현하였으며 현재 건설프로젝트 관리업무에 종사하고 있는 실무자 워크샵을 실시하여 개발된 시스템의 적절성, 한계점, 향후 연구방향 등을 도출하였다.
- 비정형 건축물의 설계, 시공, 유지관리에는 복잡하고 다양한 의사결정이 요구된다. 본 연구에서는 시스템 구축 대상이 되는 의사결정 내용을 결정하기 위해 해우제의 건축주 및 설계자, 시공감리자와 면담을 실시하여 이 프로젝트 진행 시 각 단계별로 주요하게 고려하였던 의사결정 업무를 조사하였다.
- 시공단계 시스템에서는 공정진행에 따라 건설된 기성부분을 사진을 통해 현실정보화하고 향후 건설될 공종의 BIM모델을 이 현실정보와 조합하여 4D 공정시뮬레이션과 공종 간 간섭여부 확인이 가능하도록 구현하고자 하였다. 유지관리단계 시스템은 배관 BIM 모델로 매입된 배관의 위치를 확인하고, 인테리어 및 조경모델 그룹의 변경된 모습을 확인하는 것을 주요 업무로 정의하여 구현하고자 하였다.
제안 방법
-
3.2 시스템 개발
개발되는 시스템은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 통합사용자 인터페이스를 통해 각 단계별 시스템으로 액세스가 가능하도록 구성하였다. 개발되는 시스템은 Window XP/ VISTA 운영체제에서 구동이 가능하며, “.
- 외피를 원활히 시공하기 위해서는 건물외장재를 공장제작 또는 현장시공 가능한 곡률과 형태로 나누는 패널화를 수행하게 되며 이 방식에 따라 공기 및 공사비에 차이가 발생한다. 따라서 IDEF0로 기능 정의를 분석할 때, 패널화 (Panelization)를 시작 액티비티로 모델을 구축하였다. 이 패널화 액티비티에서는 비정형 건물골조의 실제 시공사진위에 외장패널의 재질(알루미늄, 유리섬유보강 콘크리트 등)과 패널 타입(삼각형, 사각형, 평행사변형 등)을 선택(A0)하여 적용할 수 있으며 선택결과에 따른 외피 형상을 확인할 수 있다.
- 마지막으로 설계단계에서 활용되는 매스모델에 재질정보를 입력하기 위해 BIM 모델을 3ds MAX 로 불러들여 VRML 파일로 추출함으로써 재질정보 입력이 가능한 속성영역을 구성하였다. 이 속성영역에 재질의 이미지를 입력한 후 저장을 하게 되면 Fig.
- 먼저 설계단계에서는 대지에 적합한 매스모델 결정을 위해 재질입력 및 배치 기능을 구성하고, 시공단계에서 공정관리 및 간섭체크를 위해 패널화 및 공정계획을 기반으로 한 4D 시뮬레이션 기능을 구성하였다. 마지막으로 유지관리단계에서 건물용도 변경 혹은 조경변경계획을 지원하기 위해 배관설비, 인테리어, 조경으로 된 3가지 모델그룹을 지원하여 동영상 플레이어로 시뮬레이션할 수 있는 기능을 구현하였다.
- 매스정보를 구축하는 과정 중 서피스 분할을 위한 패널형태 및 크기는 사각형, 삼각형, 평행사변형 등으로 다양하게 구성할 수 있는데 본 연구에서는 해우제 수직구조부재 간격 크기의 정사각형 (1000×1000 mm) 형태로 분할하였다.
- 시뮬레이션 모델은 최근 수도권에 건축이 완료된 소규모 비정형 주택건물인 해우제를 대상으로 진행되었으며 개발된 시스템은 건설 프로세스를 설계단계, 시공단계, 유지관리단계로 구분하고 각 단계별로 프로젝트참여자들의 주요 의사결정을 지원하는 것으로 계획하였다. 먼저 설계단계에서는 대지에 적합한 매스모델 결정을 위해 재질입력 및 배치 기능을 구성하고, 시공단계에서 공정관리 및 간섭체크를 위해 패널화 및 공정계획을 기반으로 한 4D 시뮬레이션 기능을 구성하였다. 마지막으로 유지관리단계에서 건물용도 변경 혹은 조경변경계획을 지원하기 위해 배관설비, 인테리어, 조경으로 된 3가지 모델그룹을 지원하여 동영상 플레이어로 시뮬레이션할 수 있는 기능을 구현하였다.
- 본 연구가 지원대상으로 하는 의사결정 업무를 선정하기 위해 해우제 프로젝트의 건축주 및 설계자, 감리자와 면담을 실시하여 이 프로젝트 건설시 각 단계별로 주요하게 논의되었던 의사결정 업무를 조사하였으며 Fig. 4와 같이 시스템에서 구현할 주요업무 및 의사결정 참여주체를 정리하였다.
- 본 연구는 앞서 언급한 바와 같이 비정형 BIM 모델링 도구인 DP를 활용하여 Fig. 6과 같은 프로세스를 거쳐 3D BIM 매스정보를 구축하였다. 매스정보를 구축하는 과정 중 서피스 분할을 위한 패널형태 및 크기는 사각형, 삼각형, 평행사변형 등으로 다양하게 구성할 수 있는데 본 연구에서는 해우제 수직구조부재 간격 크기의 정사각형 (1000×1000 mm) 형태로 분할하였다.
- 본 연구에서 개발한 시스템은 비정형 건축물 건설 각 단계별로 참여하게 되는 발주자, 설계자, 시공자, 시설관리자 간의 협업적 의사결정을 지원하기 위한 의사결정지원시스템(Decision Support System, 이하 DSS)으로서의 기능을 가진다. DSS는 의사결정자의 능력을 향상시킬 수 있는 보조역할로서의 컴퓨터 기반 시스템이라고 정의되는데 DSS 개발 시 가장 중요한 요소는 의사결정문제의 정확한 정의이다(Morton 1980).
- 설계단계 시스템은 발주자와 설계자의 건물 매스모델 형태결정을 지원하기 위한 시스템으로서, 건축대지사진으로 구성된 현실정보 위에 BIM 매스모델을 불러들여 건물의 형태와 규모를 파라메트릭 기법을 활용하여 조정하면서 재질 맵핑 조정기능을 통해 재질감을 확인할 수 있도록 구현하고자 하였다.
- 설계단계시스템은 Fig. 10에서 보는 바와 같이 오른쪽 상단에 Tutorial 메뉴를 마련함으로써 시스템 사용자가 쉽게 시스템을 조작할 수 있도록 구성하였다.
- 세 가지 요소가 시스템 안에 포함됨에 따라 각 요소별로 별도의 증강현실 시물레이션이 가능하도록 모델 기능을 구성하였다. 이 외에도 추후 프로젝트 참여자 간 커뮤니케이션을 통해 다른 요소의 증강현실 시물레이션 모델이 추가로 필요할 경우, 증강현실 파일포맷(*.
- 본 연구는 기존의 가상현실 환경에서 구현되는 BIM 시뮬레이션의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제시하고자 증강현실 기반의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 최근 수도권에 건축이 완료된 소규모 비정형 주택건물인 해우제를 대상으로 진행되었으며 개발된 시스템은 건설 프로세스를 설계단계, 시공단계, 유지관리단계로 구분하고 각 단계별로 프로젝트참여자들의 주요 의사결정을 지원하는 것으로 계획하였다. 먼저 설계단계에서는 대지에 적합한 매스모델 결정을 위해 재질입력 및 배치 기능을 구성하고, 시공단계에서 공정관리 및 간섭체크를 위해 패널화 및 공정계획을 기반으로 한 4D 시뮬레이션 기능을 구성하였다.
- 워크샵 진행은 참여자에게 AR 시스템을 설명한 후 시스템을 사용하는 체험시간을 부여하였으며 시스템의 효과성을 판단하기 위해 Table 2와 같이 시스템 개발목표와 관련된 2개의 질문을 제시하였다. 워크샵 참가자들은 체험시간 경과 후 시스템의 개발목표 대비 효과성에 대한 인식정도를 1에서 10까지의 10점 척도로 평가하였다.
- 본 연구에서 개발된 AR 시스템은 설계단계, 시공단계, 유지관리단계에서 건설관리자가 필요로 하는 의사결정을 지원하기 위한 시스템으로, 잠재적 시스템 사용자를 워크샵 대상으로 설정한 것이며 참여자 전원 모두 10년 이상의 건설산업 경력을 보유하고 있었다. 워크샵 참여자는 증강현실, BIM, 의사결정지원시스템의 기본적인 지식체계를 모두 학습하였다.
- 건축주, 설계자와 면담을 통해 시설유지관리단계 요구기능을 분석한 결과, 설비시스템 확인, 용도변경 시 변경 후 예상모습 확인, 건물 사용연수 경과에 따른 건물 내·외부 노후화 정도 측정 등의 기능이 필요한 것으로 분석되었다. 이 결과를 바탕으로 본 연구는 시설유지관리 시스템 범위 안에 ① 실내인테리어 변경, ② 외부 조경 변경, ③배관설비 확인의 세 가지 요소를 포함하였다. Fig.
- 본 연구는 건설 프로세스 전 과정에서 활용 가능한 통합시스템을 구축하기 위한 것으로 통합인터페이스를 통해 각 단계별로 구축된 시스템이 유기적으로 결합되도록 하였다. 즉, Fig. 16에서 보는 바와 같이 통합인터페이스의 텝(Tab)을 통해 각 단계별 시스템으로 전환이 가능하고, 건설 프로세스에 순차적 접근 및 독립적 접근이 모두 가능하도록 하였다.
- 본 연구는 이러한 문제점을 보완하면서 건설프로젝트 관리자의 의사결정업무를 효과적으로 지원할 수 있는 도구개발 방향설정을 위해 건설현장의 실제정보에 바탕을 둔 증강현실(AugmentedReality, 이하 AR) 기반의 시뮬레이션 시스템 개발에 관한 기초적 연구를 수행하였다. 최근 수도권지역에 시공이 완료된 비정형 주택 건축물(건물명: 해우제)을 대상으로 AR 환경의 설계단계, 시공단계, 유지관리단계 시뮬레이션 시스템을 구현하였으며 현재 건설프로젝트 관리업무에 종사하고 있는 실무자 워크샵을 실시하여 개발된 시스템의 적절성, 한계점, 향후 연구방향 등을 도출하였다.
- 해우제는 설계 당시 마야(Maya)프로그램을 이용하여 3D 형상모델을 구축하고, 2D 기반의 오토캐드로 설계하였던 관계로 3차원의 파라메트릭한 BIM 엔지니어링 정보를 제공하지 못하기 때문에 본 연구는 비정형 BIM 도구인 DP(Digital Project)2) 를 활용하여 3차원 속성정보 및 형상정보가 입력된 BIM 매스 모델을 구축하여 AR 시스템을 개발하였다.
대상 데이터
- 개발된 시뮬레이션 시스템이 개발 목표에 얼마나 부합하는 지, 개선이 필요한 사항은 무엇인지를 판단하기 위해 현재 건설프로젝트의 설계, 감리, 건설관리 분야에 종사하는 실무자 17인이 참여한 워크샵을 실시하였다.
- 본 연구는 위 3가지 평가분야 중 시스템의 효과성과 사용성을 평가하기 위하여 수도권 소재 S 대학교 건설관리공학 프로그램에 소속하여 석·박사과정을 이수중에 있는 설계사무소, 감리회사, 건설사업관리회사 임직원 17인(설계회사 8인, 감리회사 5인, 건설사업관리회사 4인)을 대상으로 워크샵 실시하였다.
- 본 연구의 모델링 대상 건축물인 해우제는 비정형 건축외장요소를 많이 포함하고 있는 연면적 418 m2, 철골조 2층의 비정형 건물1)로, 2007년 수도권에 완공되었으나 최근 박물관으로 리모델링된 건물이다(Fig. 1 참조).
- 설계단계 시스템을 구현하기 위해 Fig. 9와 같이 설계단계 IDEF0 모델을 구성하였다. 세부적인 액티비티를 살펴보면 건축가가 스케치, 축소모형 등의 형태로 표현한 비정형 형상 매스모델을 디지털화하여(A0), 현장의 실제사진 위에 불러들여 확인함으로써 방향, 스케일, 재질감 등의 매스모델 의사결정을 하고(A1), 최종적으로 결정된 사안을 문서화함(A2)으로써 의사결정이 완료된다.
- 완성된 AR모델은 실제정보 속의 마커 좌표에 정확히 중첩되어야 하기 때문에 시스템 개발에 앞서 마커를 생성하고 좌표값을 추출하여야 하는데 본 연구에서 개발하는 시스템에 사용하는 마커의 개수는 10개로 설정하였다. 마커는 현실정보 안에 포함되어 고유의 좌표값을 지정받게 되는데 이 좌표를 추출하는 방법을 트래킹이라고 하며 Fig.
- , AR 소프트웨어로 구성되는데 본 연구는 독일의 증강현실 전문개발회사인 메타 이오 (Metaio) 사에서 개발한 Unifeye 시스템을 활용하였다. 이 시스템의 디스플레이는 HMD(Head Mounted Display)이며 현실정보는 카메라로 획득 하였다.
이론/모형
- 각 단계별 시스템의 요구기능은 프로세스 흐름을 활동(Activity) 단위로 모델링하는 IDEF0 방법을 활용하여 분석하였다. IDEF0는 정보시스템 구축을 위해 프로세스, 요구정보 등을 논리적, 물리적으로 분석·설계하는 IDEF 기법 중 하나로 기능분석에 중점을 둔 방법이다.
- 임(2006)은 건축환경 분석·관리가 가능한 AR 프로토타입 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 위치추적 모듈, AR 시각화 모듈, 4D CAD모듈, 일조 분석 모듈, 조망 분석 모듈, 3D 유틸리티 모듈로 구성되었으며, 현실정보의 위치와 방향추적을 위해 GIS(Geographical Information System)를 활용하였다.
- 일반적으로 AR 구축을 위한 도구는 디스플레이3), 카메라, 마커4), AR 소프트웨어로 구성되는데 본 연구는 독일의 증강현실 전문개발회사인 메타 이오 (Metaio) 사에서 개발한 Unifeye 시스템을 활용하였다. 이 시스템의 디스플레이는 HMD(Head Mounted Display)이며 현실정보는 카메라로 획득 하였다.
성능/효과
- (1) 효과성 측면에서는 워크샵 참여자 17명 중 1번 질문에 대해 170점 만점을 기준으로 총점 121점, 평균 7.1점으로 프로젝트 참여자 간에 원활한 정보공유가 개선될 수 있는 것으로 인식하는 것으로 조사되었다. 2번 질문에 대해서는 총점 115점을 얻어 평균 6.
- (2) 사용성 측면에서는 워크샵 참여자 17명 중 1번과 2번 질문의 득점이 평균 7.3점, 7.8점으로 시스템 인터페이스의 사용성이 높은 편으로 분석되었다. 각 시스템별 요구기능에 따른 사용성 질문 (3, 4, 5번)에는 설계단계 평점 6.
- 1점으로 프로젝트 참여자 간에 원활한 정보공유가 개선될 수 있는 것으로 인식하는 것으로 조사되었다. 2번 질문에 대해서는 총점 115점을 얻어 평균 6.7점으로, 변하는 현장여건을 반영한 관리 및 계획수립이 대체로 개선될 수 있을 것으로 인식하고 있었다.
- 개발된 의사결정지원 시뮬레이션 시스템의 효과성과 사용성을 평가하기 위해 시스템의 잠재적 사용자인 설계사무소, 감리회사, 건설사업관리회사 임직원 17인을 대상으로 워크샵 실시하였으며 기존 가상현실 기반의 시뮬레이션 시스템이 가지고 있던 실시간 정보공유 곤란 및 신속한 의사결정지연 등의 문제가 개선될 수 있는 것으로 인식함을 확인할 수 있었다.
- 건축주, 설계자와 면담을 통해 시설유지관리단계 요구기능을 분석한 결과, 설비시스템 확인, 용도변경 시 변경 후 예상모습 확인, 건물 사용연수 경과에 따른 건물 내·외부 노후화 정도 측정 등의 기능이 필요한 것으로 분석되었다.
- 본 연구는 위 3가지 평가분야 중 시스템의 효과성과 사용성을 평가하기 위하여 수도권 소재 S 대학교 건설관리공학 프로그램에 소속하여 석·박사과정을 이수중에 있는 설계사무소, 감리회사, 건설사업관리회사 임직원 17인(설계회사 8인, 감리회사 5인, 건설사업관리회사 4인)을 대상으로 워크샵 실시하였다. 본 연구에서 개발된 AR 시스템은 설계단계, 시공단계, 유지관리단계에서 건설관리자가 필요로 하는 의사결정을 지원하기 위한 시스템으로, 잠재적 시스템 사용자를 워크샵 대상으로 설정한 것이며 참여자 전원 모두 10년 이상의 건설산업 경력을 보유하고 있었다. 워크샵 참여자는 증강현실, BIM, 의사결정지원시스템의 기본적인 지식체계를 모두 학습하였다.
- 최근 건설프로젝트 관리를 위해 다양한 BIM 기술 기반의 시뮬레이션 도구들이 개발되고 있지만, 이 도구들은 일반적으로 다음과 같은 한계를 보이고 있다. 첫째, 시뮬레이션 환경에 관한 사항으로서, 현행 시뮬레이션 시스템들은 가상공간에 한정되어 구현된다는 점이다. 건설 프로젝트 현장 여건은 수시로 변하기 때문에 건설프로젝트 관계자 간 많은 정보교환을 필요로 하지만 현실정보와 가상정보를 철저히 분리하는 현행 시뮬레이션 시스템은 의사결정 커뮤니케이션을 지연시킨다.
후속연구
- 이와 같은 시스템을 통해 설계자는 실제현장에 가지 않고도 설계초기 비정형 매스를 현실대지에 모의 시험함으로써 사실감 있는 설계를 할 수 있으며 대지 사진을 바로 적용하기 때문에 인접 대지상황을 따로 모델링하는 가상현실의 한계를 극복할 수 있다. 또한 비정형 매스에 재질의 매핑을 지정/확인할 수 있으며 매스 모델의 세부 위치조정에 따른 스케일 감을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 연구에서는 시공단계 시스템의 공정관리 프로그램과의 연계방안 또는 시스템 내의 개선된 공정관리 기능이 추가되어야 할 것이며, 정확한 간섭검토 부위의 추적이 가능하도록 개선하여야 할 것이다. 또한 각 단계별 요구기능의 추가와 다양한 프로젝트에 적용할 수 있는 고차원적인 통합시뮬레이션으로의 발전이 요구된다.
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