시공 및 유지관리 단계에서 활용 가능한 단센서 기반의 BIM 구축을 위한 기초연구 Advanced Sensor-based Building Information Modeling (BIM) for Construction, Operation, and Maintenance Phases of the Project Lifecycle원문보기
건설 프로젝트의 정보를 프로젝트 참여자들이 공유하고 활용하는 것은 건설 프로젝트의 성공적인 수행 을 위한 중요한 요소로 작용한다. 최근 프로젝트 참여자들의 효과적인 정보의 공유 및 활용을 위한 도구로써 BIM에 관심이 집중되고 있다. BIM은 건설 프로젝트의 초기 계획 설계에서 유지관리 단계까지 프로젝트 참여자들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 프로젝트의 전체 생애주기 동안 활용 가능하다. 그러나 잦은 설계변경, 기존 도면의 분실 등으로 인하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 정확한 정보를 포함한 BIM의 획득이 어려워 시공 및 운영 단계에서 BIM 활용이 이루어지지 못하는 실정이다. 따라서 해외에서는 BIM 활용의 한계를 극복하고 건설프로젝트 전반에서 BIM을 활용하기 위하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 현장정보를 포함하는 BIM 구축을 위한 연구가 활발하게 진행되나 국내에서는 관련 연구가 매우 부족한 실정이다. 이에 본 연구의 목적은 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 활용이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성 제시에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 국내 BIM 활용에 대한 문헌 연구를 통해 국내 BIM 활용의 문제점을 도출하였다. 문제점을 해결하기 위한 방법으로 첨단센서 기반의 BIM 구축을 제안하였으며, 관련 연구 고찰을 통해 향후 연구 방향을 제시하였다.
건설 프로젝트의 정보를 프로젝트 참여자들이 공유하고 활용하는 것은 건설 프로젝트의 성공적인 수행 을 위한 중요한 요소로 작용한다. 최근 프로젝트 참여자들의 효과적인 정보의 공유 및 활용을 위한 도구로써 BIM에 관심이 집중되고 있다. BIM은 건설 프로젝트의 초기 계획 설계에서 유지관리 단계까지 프로젝트 참여자들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 프로젝트의 전체 생애주기 동안 활용 가능하다. 그러나 잦은 설계변경, 기존 도면의 분실 등으로 인하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 정확한 정보를 포함한 BIM의 획득이 어려워 시공 및 운영 단계에서 BIM 활용이 이루어지지 못하는 실정이다. 따라서 해외에서는 BIM 활용의 한계를 극복하고 건설프로젝트 전반에서 BIM을 활용하기 위하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 현장정보를 포함하는 BIM 구축을 위한 연구가 활발하게 진행되나 국내에서는 관련 연구가 매우 부족한 실정이다. 이에 본 연구의 목적은 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 활용이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성 제시에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 국내 BIM 활용에 대한 문헌 연구를 통해 국내 BIM 활용의 문제점을 도출하였다. 문제점을 해결하기 위한 방법으로 첨단센서 기반의 BIM 구축을 제안하였으며, 관련 연구 고찰을 통해 향후 연구 방향을 제시하였다.
In recent years, building information modeling (BIM) has been an important issue within the architect, engineering, and construction (AEC) industry. BIM provides a way to share and exchange semantically rich information about the buildings in order to achieve a successful level of collaboration, com...
In recent years, building information modeling (BIM) has been an important issue within the architect, engineering, and construction (AEC) industry. BIM provides a way to share and exchange semantically rich information about the buildings in order to achieve a successful level of collaboration, communication, and interaction between stakeholders throughout the life cycle of the project. However, despite the recognition of its potential, BIM has not yet been utilized in the construction, operation, and maintenance stages because of the need to reorganize the BIM by reflecting the as-built status of the buildings. In order to improve and increase the use of BIM at all phases of a project, several research efforts are exploring the creation of an as-built BIM that is based on advanced sensors. However, there is a lack of literature and investigation on this research area to date within the domestic AEC industry. The aim of this study is to suggest ways in which BIM can be utilized within the construction, operation, and maintenance stages based on advanced sensors so that it is an approach that might be usefully carried forward. This paper begins by presenting a review of the existing BIM research and achievement in order to determine the limitations of the use of BIM in the domestic AEC industry. Conclusively, this paper suggests a direction for the future applications of BIM and describes how it can benefit from additional research.
In recent years, building information modeling (BIM) has been an important issue within the architect, engineering, and construction (AEC) industry. BIM provides a way to share and exchange semantically rich information about the buildings in order to achieve a successful level of collaboration, communication, and interaction between stakeholders throughout the life cycle of the project. However, despite the recognition of its potential, BIM has not yet been utilized in the construction, operation, and maintenance stages because of the need to reorganize the BIM by reflecting the as-built status of the buildings. In order to improve and increase the use of BIM at all phases of a project, several research efforts are exploring the creation of an as-built BIM that is based on advanced sensors. However, there is a lack of literature and investigation on this research area to date within the domestic AEC industry. The aim of this study is to suggest ways in which BIM can be utilized within the construction, operation, and maintenance stages based on advanced sensors so that it is an approach that might be usefully carried forward. This paper begins by presenting a review of the existing BIM research and achievement in order to determine the limitations of the use of BIM in the domestic AEC industry. Conclusively, this paper suggests a direction for the future applications of BIM and describes how it can benefit from additional research.
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문제 정의
본 연구는 먼저 문헌연구를 통해 현재 국내 건설 산업에서의 BIM 활용에 대한 연구동향을 파악하고 이를 바탕으로 현재 국내 건설 산업에서 BIM 활용의 한계를 도출하고자 한다. 그 다음 과정으로 도출된 BIM 활용의 한계를 극복하기 위해 첨단센서 기반의 BIM 구축에 관한 문헌연구를 수행하여 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 건설 프로젝트의 참여자들에게 요구되는 정보를 제공할 수 있는 BIM 구축에 관한 선행연구를 분석하고자 한다. 분석한 결과를 토대로 건설 산업에서 BIM 활용의 한계를 극복할 수 있는 첨단센서 기반의 BIM 구축의 필요성을 도출하고자 한다.
제시된 물량산출 방식을 적용한 3차원 BIM 기반 견적과 2D 기반 견적의 사례연구를 통해 제시한 3차원 BIM 기반 견적업무의 효율성을 분석하였다. 그 분석 결과를 토대로 견적업무에 3차원 BIM을 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. 그림 4는 제안된 요소별 분류체계를 적용하여 건축구조물을 구성하는 요소를 분류한 예시이다.
이를 중심으로 BIM을 도입한 소형, 중형, 대형의 설계사무소를 대상으로 방문조사 및 담당자 면담을 통해서 설계사무소의 BIM 도입으로 인해 대형 조직의 분업화된 조직형태로부터 발생되는 조직의 경직화, 소프트웨어 구입, 유지 및 교육비용의 부담, 기술 간의 상호 호환성 부족 및 새로운 기술 도입에 대한 수용성 부족의 문제점을 도출하였다. 그리고 도출된 문제점을 토대로 설계사무소의 BIM 도입의 활성화를 위한 방안을 제시하였다.
이로 인해 BIM 활용이 건설 프로젝트의 전체 생애주기의 단계까지 확대되어 적용되지 못하고, 각 생애주기 단계별로 나뉘어 제한적인 목적으로만 활용되고 있다. 따라서 건설 프로젝트의 전체 생애주기에서 통합적으로 적용할 수 있는 다양한 정보제공이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 구체적인 방안을 향후 연구에서 제시하고자 한다. 차후 진행될 연구에서는 첨단센서 기반의 BIM 구축방안을 통해 건설 프로젝트 참여자에게 시공 및 유지관리 단계뿐 아니라 건설 프로젝트의 전체 생애주기에 필요한 정보제공이 가능케 함으로써 건설 프로젝트의 성공적인 수행을 뒷받침할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서는 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 활용이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성을 제시하고자 한다. 본 연구는 먼저 문헌연구를 통해 현재 국내 건설 산업에서의 BIM 활용에 대한 연구동향을 파악하고 이를 바탕으로 현재 국내 건설 산업에서 BIM 활용의 한계를 도출하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 활용이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성을 제시하고자 한다. 본 연구는 먼저 문헌연구를 통해 현재 국내 건설 산업에서의 BIM 활용에 대한 연구동향을 파악하고 이를 바탕으로 현재 국내 건설 산업에서 BIM 활용의 한계를 도출하고자 한다. 그 다음 과정으로 도출된 BIM 활용의 한계를 극복하기 위해 첨단센서 기반의 BIM 구축에 관한 문헌연구를 수행하여 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 건설 프로젝트의 참여자들에게 요구되는 정보를 제공할 수 있는 BIM 구축에 관한 선행연구를 분석하고자 한다.
본 연구는 시공 및 유지관리 단계에서 활용되기 힘든 BIM의 한계를 극복하기 위해서 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성을 제시하였다. 본문에서 살펴본 바와 같이 현재 국내 건설 산업에서의 BIM 활용은 시공 및 유지관리 단계에서 건설 프로젝트의 참여자가 필요로 하는 정확한 현장정보를 제공할 수 없다는 한계로 인해 주로 설계단계에서 다양한 연구가 수행되고 있는 실정이다.
그 다음 과정으로 도출된 BIM 활용의 한계를 극복하기 위해 첨단센서 기반의 BIM 구축에 관한 문헌연구를 수행하여 건설 프로젝트의 시공 및 유지관리 단계에서 건설 프로젝트의 참여자들에게 요구되는 정보를 제공할 수 있는 BIM 구축에 관한 선행연구를 분석하고자 한다. 분석한 결과를 토대로 건설 산업에서 BIM 활용의 한계를 극복할 수 있는 첨단센서 기반의 BIM 구축의 필요성을 도출하고자 한다.
또한 BIM 도입사례를 분석하여 사례별 장·단점을 파악하였으며, 실무에서 BIM 도입 시 발생하게 되는 문제점을 분석하고, 해외사례를 통해 국내에서의 BIM 도입을 위한 대안 및 개선상황을 도출하였다. 이 연구에서 지적된 국내 BIM 도입 시 문제점으로는 국내 표준정보모델의 부재에 따른 소프트웨어 호환성 문제, 표준 및 지침, 참고 실무적용 사례 부족, BIM 도구 활용 전문가의 부족, BIM 프로세스 정착화 문제 및 BIM의 기술적 한계가 있었고, 이를 바탕으로 하여 국내의 성공적인 BIM 도입을 위한 대안을 제시하였다.
다른 물체에 인한 가려짐으로 인해 부분 획득된 점군에는 추가적으로 SVM(Support Vector Machine)알고리즘을 이용하여 자동으로 창문과 문을 구분하였다. 이러한 일련의 과정을 통해 여러 장소에서 레이저 스캐너를 활용하여 획득한 건축물의 점군으로부터 자동화된 관계정보를 가진 BIM 구축에 대한 방안을 제시하였다. 다음 그림 13은 한 방의 벽은 파란색, 창문과 문은 빨간색으로 구분한 3차원 모델을 나타낸다.
또한 기존 친환경 분석 관련 연구를 통해 문제점과 개선방안을 분석하여 BIM기반 친환경 성능분석 및 시뮬레이션 프로그램을 활용한 친환경 설계프로세스에서 평가 및 반영의 중요성을 실제 사례에 적용하여 분석하였다. 이를 통해 BIM 기반 건축물 에너지 성능분석을 통한 친환경 인증제도의 예비적 평가 적용 가능성을 제시하였다. 그림 1은 BIM에 연간 태양궤적도를 적용하여 건축물의 음영분석을 수행한 예시이다.
제안 방법
구축된 BIM 수행능력 진단모델을 국내・외 설계사무소 5개 업체에 적용한 뒤 평가, 분석하여 조직의 BIM 수행에 대한 현재수준과 미래 요구수준의 차이를 측정함으로써 BIM 수행능력 수준을 평가할 수 있는 방법을 제시하였다.
이를 해결하기 위해 3차원 객체정보와 공정표 등의 정보 연계가 가능한 BIM 기반 진척관리 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템을 통해 공정진행상황을 손쉽게 파악할 수 있는 방안을 제시하였다. 그림 5는 제시한 BIM 기반 진척관리 시스템의 구성안을 보여준다.
이를 위해 건축 기획을 지원하는 수단으로 제시한 BIM 개념 및 역할을 문헌연구를 통해 정립하고, IFC(Industry Foundation Classes) 모델을 기반으로 한 3차원 단위 공간 모델을 구축하였다. 구축한 모델을 토대로 기획 BIM을 구현할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 통하여 기획업무를 지원할 수 있는 BIM의 역할을 정리하고 기획단계 참여자의 의사결정을 지원할 수 있는 기획 BIM의 개념과 적용방안을 제시하였다.
이를 위해 BIM에 대한 문헌연구, BIM 국내･외 시장동향 조사 및 BIM 도입으로 인한 설계조직의 변화를 인지하여 BIM 수행능력 진단 체계에 대한 이론적 고찰을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 설계조직의 BIM 수행능력 진단 모델 구축을 위한 조직평가 실증모델 및 BIM 요구사항에 대한 분석을 실시하여 BIM 수행능력 진단모델을 구축하였다. 구축된 BIM 수행능력 진단모델을 국내・외 설계사무소 5개 업체에 적용한 뒤 평가, 분석하여 조직의 BIM 수행에 대한 현재수준과 미래 요구수준의 차이를 측정함으로써 BIM 수행능력 수준을 평가할 수 있는 방법을 제시하였다.
그리고 그 결과를 기반으로 법·제도 측면, 기술 적용 측면, BIM 표준, 로드맵 개발 측면, 교육 지원 및 협력 측면에 대한 기본방향을 제시하여 공공 발주에서의 BIM 도입 및 적용을 위한 방안을 제시하였다.
이를 위해 문헌연구 및 사례조사를 통해 설계 초기단계에서 비전문가와 협업을 지원할 수 없는 BIM 역할에 대한 한계를 파악하고, 이를 보완하기 위한 방안을 도출하였다. 그리고 도출된 방안을 토대로 하여 게임엔진을 적용한 BIM 기반의 프로토타입을 구축하여 아바타를 통한 가상의 공간을 탐험하여 직관적인 이해를 지원하는 방안을 제시하고, 이에 대한 실현가능성을 판단하는 방법을 제시하였다. 그림 2는 게임엔진을 적용한 BIM의 가상공간에서 사용자 정보를 가시화하여 보여주는 예시이다.
이를 위해 유지관리 시스템과 관련된 선행연구를 검토하여 연구동향, 유지관리 시스템에 대한 현황을 파악하고, 거주자와 관리 담당자 간의 단절된 정보 흐름으로 효율적인 유지관리가 수행되고 있지 않다는 문제점을 도출하였다. 그리고 이를 해결하기 위해 기존의 초고층 주상복합시설 유지관리 시스템에 대한 기본 개념 및 프로세스를 수정, 보완하여 여러 주체 간의 원활한 정보흐름이 이루어질 수 있는 BIM 기반 유지관리 시스템을 제시하였다. 그림 7은 제시된 BIM 기반 유지관리 시스템에 대한 인터페이스이다.
이 불완전한 점군에 RANSAC알고리즘을 적용하여 건축물의 면을 추출하고, 추출된 면에 스위핑 알고리즘을 적용하여 외곽선을 획득한다. 그리고 추출된 면과 외곽선의 정보를 기반으로 SmartBoxes알고리즘을 적용함으로써 점군의 불완전성으로 인한 한정된 정보로 3차원 모델을 구축하는 방안을 제시하였다. 다음 그림 10은 SmartBoxes알고리즘을 적용하여 구축한 3차원 모델을 나타낸다.
이를 위해 먼저 레이저 스캐너를 사용하여 벽, 천정, 바닥, 창문, 문으로 구성된 실내의 불완전한 점군을 획득하였고, 여기에 영역확장 알고리즘을 적용하여 각 면의 패치를 획득하고, 그 수직 관계를 파악하여 각 패치가 벽, 천정, 바닥인지를 자동으로 구분하였다. 다른 물체에 인한 가려짐으로 인해 부분 획득된 점군에는 추가적으로 SVM(Support Vector Machine)알고리즘을 이용하여 자동으로 창문과 문을 구분하였다. 이러한 일련의 과정을 통해 여러 장소에서 레이저 스캐너를 활용하여 획득한 건축물의 점군으로부터 자동화된 관계정보를 가진 BIM 구축에 대한 방안을 제시하였다.
사례분석을 통해 도출된 BIM 기반 건축 환경 분석에 대한 문제점으로는 건축물 정보 입력 값의 불확실성, 건축설계지원 프로그램과 성능분석 간의 호환성 그리고 설계프로세스를 고려하지 않은 성능분석 인터페이스가 도출되었다. 도출된 문제점을 해결하기 위한 방안으로 XML(eXtensible Markup Language)기반 성능분석 인터페이스를 개발하여 BIM 기반 성능분석 인터페이스 구축의 가능성을 제시하였다.
또한 BIM 도입사례를 분석하여 사례별 장·단점을 파악하였으며, 실무에서 BIM 도입 시 발생하게 되는 문제점을 분석하고, 해외사례를 통해 국내에서의 BIM 도입을 위한 대안 및 개선상황을 도출하였다.
이를 위해 사례분석을 통한 CAD기반의 설계프로세스와 친환경 분석에서의 문제점을 도출하고, BIM 기반 설계프로세스의 장점을 CAD기반 설계프로세스와 비교 분석하였다. 또한 기존 친환경 분석 관련 연구를 통해 문제점과 개선방안을 분석하여 BIM기반 친환경 성능분석 및 시뮬레이션 프로그램을 활용한 친환경 설계프로세스에서 평가 및 반영의 중요성을 실제 사례에 적용하여 분석하였다. 이를 통해 BIM 기반 건축물 에너지 성능분석을 통한 친환경 인증제도의 예비적 평가 적용 가능성을 제시하였다.
이를 위해 건축물의 요소별 분류체계를 정립하고, 정립된 분류체계를 토대로 3차원 BIM 기반 교육시설물 분류체계를 구성하였다. 또한 물량산출 변화에 대응할 수 있는 3차원 BIM 기반의 물량산출 방식을 제시하였다. 제시된 물량산출 방식을 적용한 3차원 BIM 기반 견적과 2D 기반 견적의 사례연구를 통해 제시한 3차원 BIM 기반 견적업무의 효율성을 분석하였다.
이를 위해 관련자료 수집과 문헌연구를 통하여 설계지원 프로그램 및 환경성능분석 프로그램의 장･단점 평가하였다. 또한 평가한 프로그램들 간의 데이터 호환성을 판단하기 위해서 먼저 호환 프로토콜을 분석하고 이를 토대로 각 프로그램에 대한 사례분석을 수행하였다. 사례분석을 통해 도출된 BIM 기반 건축 환경 분석에 대한 문제점으로는 건축물 정보 입력 값의 불확실성, 건축설계지원 프로그램과 성능분석 간의 호환성 그리고 설계프로세스를 고려하지 않은 성능분석 인터페이스가 도출되었다.
이를 위해 BIM의 개념과 정의, BIM 요소기술에 대한 문헌연구를 수행하였으며, BIM의 국내･외 적용 현황 및 효과를 분석하였다. 또한 프로젝트의 종합적인 관리가 가능한 시공성 분석에 대한 개념, 업무 내용 및 현행 시공성 분석에 대한 문제점의 분석을 통해 BIM 기반 시공성 분석의 필요성을 도출하였다. 필요성이 도출된 BIM 기반 시공성 분석의 효율성 및 효과를 비정형 구조의 박물관 프로젝트 골조공사에 대한 가상시공을 통해 입증하여 효율적인 프로젝트 업무 방안을 제시하였다.
분할된 요소의 크기, 위치, 점군의 밀도 등 건축물의 외관요소에 대한 포괄적인 지식을 활용하여 벽, 문, 창문, 지붕으로 분류하였다. 분류된 구성성분에 Quick hull 알고리즘을 적용하여 폴리곤 모델로 전환함으로써 건축물의 외관요소에 대한 정보를 제공할 수 있는 자동화된 3차원 모델 구축방안을 제시하였다. 다음 그림 11은 점군으로부터 분할된 3차원 모델의 외관요소들을 나타낸다.
이를 위해 3차원 기반 견적에 대한 연구현황과 건축 마감 견적 모델의 특징을 바탕으로 3차원 기반 견적의 한계를 분석하였다. 분석 결과 3차원 기반 견적을 구축하기 위해 활용되는 2차원 설계도면으로 인해 발생되는 정보의 누락과 오류의 발생, 불충분한 물량 산출 정보를 도출하였다. 분석한 결과를 바탕으로 물량 산출에서 발생되는 반복되는 작업의 감소를 통해 작업의 생산성을 증대시킬 수 있는 마감 모델링 자동화라는 개념과 절차를 수립하였다.
이를 위해 우선 Planar surface growing 알고리즘을 적용하여 면의 속성을 가지는 요소를 분할한다. 분할된 요소의 크기, 위치, 점군의 밀도 등 건축물의 외관요소에 대한 포괄적인 지식을 활용하여 벽, 문, 창문, 지붕으로 분류하였다. 분류된 구성성분에 Quick hull 알고리즘을 적용하여 폴리곤 모델로 전환함으로써 건축물의 외관요소에 대한 정보를 제공할 수 있는 자동화된 3차원 모델 구축방안을 제시하였다.
이를 위해 기존 연구현황에 대한 문헌연구 및 실무운영 현황에 대해 조사하였다. 실무운영 현황을 조사하기 위해 건설현장에서 실무자들을 대상으로 설문조사를 수행하여 진척분석 처리 현황과 관리의 문제점을 분석하였다. 그 결과 진척율이 공사의 다양한 정보를 제공할 수 없어 공사 진행 상황을 반영할 수 없다는 문제점을 도출하였다.
분석한 결과를 바탕으로 물량 산출에서 발생되는 반복되는 작업의 감소를 통해 작업의 생산성을 증대시킬 수 있는 마감 모델링 자동화라는 개념과 절차를 수립하였다. 아파트와 기숙사를 대상으로 수립된 마감 모델링의 파일럿 테스트를 수행하여 작업 생산성의 증대를 검증하여 마감모델링의 자동화 시스템에 대한 실행가능성을 제시하였다. 그림 3은 제시한 마감 모델링을 실행하여 획득된 최종 모델링 결과를 보여준다.
여기에 개념에 BIM을 구성하는 건축물요소의 객체 정보를 기반으로 Java 환경의 객체 지향형 공정모델을 구현하고, 문헌연구 및 현장조사를 통해 획득한 공정의 특성 값을 구현할 수 있는 모델을 활용하여 검증하였다.
2009). 이를 위해 3차원 기반 견적에 대한 연구현황과 건축 마감 견적 모델의 특징을 바탕으로 3차원 기반 견적의 한계를 분석하였다. 분석 결과 3차원 기반 견적을 구축하기 위해 활용되는 2차원 설계도면으로 인해 발생되는 정보의 누락과 오류의 발생, 불충분한 물량 산출 정보를 도출하였다.
국내 설계조직의 BIM 도입으로 예측되는 문제점과 이에 대응할 수 있는 조직의 역량 및 BIM 수행능력 평가에 대한 연구가 수행되었다(Lee and Yi 2011). 이를 위해 BIM에 대한 문헌연구, BIM 국내･외 시장동향 조사 및 BIM 도입으로 인한 설계조직의 변화를 인지하여 BIM 수행능력 진단 체계에 대한 이론적 고찰을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 설계조직의 BIM 수행능력 진단 모델 구축을 위한 조직평가 실증모델 및 BIM 요구사항에 대한 분석을 실시하여 BIM 수행능력 진단모델을 구축하였다.
2010). 이를 위해 BIM의 개념과 정의, BIM 요소기술에 대한 문헌연구를 수행하였으며, BIM의 국내･외 적용 현황 및 효과를 분석하였다. 또한 프로젝트의 종합적인 관리가 가능한 시공성 분석에 대한 개념, 업무 내용 및 현행 시공성 분석에 대한 문제점의 분석을 통해 BIM 기반 시공성 분석의 필요성을 도출하였다.
기존의 연구들을 보다 면밀히 살펴보면 설계단계에서 BIM 도입으로 인한 설계사무소 작업방식 및 운영방식의 변화를 파악하여 BIM 도입의 활성화를 위한 방안을 제시하는 연구가 수행되었다(Youn and Kim 2008). 이를 위해 BIM의 특성과 BIM 도입에 따른 설계프로세스 상의 변화를 파악하였다. 이를 중심으로 BIM을 도입한 소형, 중형, 대형의 설계사무소를 대상으로 방문조사 및 담당자 면담을 통해서 설계사무소의 BIM 도입으로 인해 대형 조직의 분업화된 조직형태로부터 발생되는 조직의 경직화, 소프트웨어 구입, 유지 및 교육비용의 부담, 기술 간의 상호 호환성 부족 및 새로운 기술 도입에 대한 수용성 부족의 문제점을 도출하였다.
2008). 이를 위해 건축 기획을 지원하는 수단으로 제시한 BIM 개념 및 역할을 문헌연구를 통해 정립하고, IFC(Industry Foundation Classes) 모델을 기반으로 한 3차원 단위 공간 모델을 구축하였다. 구축한 모델을 토대로 기획 BIM을 구현할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 통하여 기획업무를 지원할 수 있는 BIM의 역할을 정리하고 기획단계 참여자의 의사결정을 지원할 수 있는 기획 BIM의 개념과 적용방안을 제시하였다.
2010). 이를 위해 건축물의 요소별 분류체계를 정립하고, 정립된 분류체계를 토대로 3차원 BIM 기반 교육시설물 분류체계를 구성하였다. 또한 물량산출 변화에 대응할 수 있는 3차원 BIM 기반의 물량산출 방식을 제시하였다.
2009b). 이를 위해 관련자료 수집과 문헌연구를 통하여 설계지원 프로그램 및 환경성능분석 프로그램의 장･단점 평가하였다. 또한 평가한 프로그램들 간의 데이터 호환성을 판단하기 위해서 먼저 호환 프로토콜을 분석하고 이를 토대로 각 프로그램에 대한 사례분석을 수행하였다.
2009). 이를 위해 기존 공정관리와 원가관리 통합 모델에 대한 문헌연구를 수행하여 객체 지향형 공정모델의 개념을 제안하였다. 여기에 개념에 BIM을 구성하는 건축물요소의 객체 정보를 기반으로 Java 환경의 객체 지향형 공정모델을 구현하고, 문헌연구 및 현장조사를 통해 획득한 공정의 특성 값을 구현할 수 있는 모델을 활용하여 검증하였다.
2010). 이를 위해 기존 연구현황에 대한 문헌연구 및 실무운영 현황에 대해 조사하였다. 실무운영 현황을 조사하기 위해 건설현장에서 실무자들을 대상으로 설문조사를 수행하여 진척분석 처리 현황과 관리의 문제점을 분석하였다.
2007). 이를 위해 레이저 스캐너로 건축물의 점군을 획득하고, 외곽선 추출방법을 적용하여 점군을 분할한다. 분할된 점군에 Douglas-Peucker 알고리즘을 적용하여 폴리곤 선과 원을 획득한 후, RANSAC(RANdom SAmple Consensus)알고리즘을 적용하여 기본모형인 면, 원기둥 및 원뿔을 추출한다.
2011). 이를 위해 먼저 레이저 스캐너를 사용하여 벽, 천정, 바닥, 창문, 문으로 구성된 실내의 불완전한 점군을 획득하였고, 여기에 영역확장 알고리즘을 적용하여 각 면의 패치를 획득하고, 그 수직 관계를 파악하여 각 패치가 벽, 천정, 바닥인지를 자동으로 구분하였다. 다른 물체에 인한 가려짐으로 인해 부분 획득된 점군에는 추가적으로 SVM(Support Vector Machine)알고리즘을 이용하여 자동으로 창문과 문을 구분하였다.
이를 위해 문헌연구 및 사례조사를 통해 설계 초기단계에서 비전문가와 협업을 지원할 수 없는 BIM 역할에 대한 한계를 파악하고, 이를 보완하기 위한 방안을 도출하였다.
2009b). 이를 위해 문헌연구를 토대로 BIM의 이론, 정의 및 배경을 정리하고, 건설 산업에서 BIM이 담당하는 역할을 파악하고, 도입현황을 조사하였다. 또한 BIM 도입사례를 분석하여 사례별 장·단점을 파악하였으며, 실무에서 BIM 도입 시 발생하게 되는 문제점을 분석하고, 해외사례를 통해 국내에서의 BIM 도입을 위한 대안 및 개선상황을 도출하였다.
이를 위해 문헌연구를 통하여 개방형 BIM에 대한 정의, 개념과 역할을 고찰하고, 국내·외 건설 산업에서의 BIM 도입 및 적용현황을 분석하여 국내 공공발주에서의 BIM 도입 및 적용을 위한 개선방안을 도출하였다.
BIM 기반 친환경 건축물 성능분석을 통해 BIM과 친환경 분석 및 평가가 통합된 친환경 설계프로세스를 제시하는 연구가 수행되었다(Ko 2010). 이를 위해 사례분석을 통한 CAD기반의 설계프로세스와 친환경 분석에서의 문제점을 도출하고, BIM 기반 설계프로세스의 장점을 CAD기반 설계프로세스와 비교 분석하였다. 또한 기존 친환경 분석 관련 연구를 통해 문제점과 개선방안을 분석하여 BIM기반 친환경 성능분석 및 시뮬레이션 프로그램을 활용한 친환경 설계프로세스에서 평가 및 반영의 중요성을 실제 사례에 적용하여 분석하였다.
2009a). 이를 위해 유지관리 시스템과 관련된 선행연구를 검토하여 연구동향, 유지관리 시스템에 대한 현황을 파악하고, 거주자와 관리 담당자 간의 단절된 정보 흐름으로 효율적인 유지관리가 수행되고 있지 않다는 문제점을 도출하였다. 그리고 이를 해결하기 위해 기존의 초고층 주상복합시설 유지관리 시스템에 대한 기본 개념 및 프로세스를 수정, 보완하여 여러 주체 간의 원활한 정보흐름이 이루어질 수 있는 BIM 기반 유지관리 시스템을 제시하였다.
건설 중인 건축물을 대상으로 스테레오 비전으로 획득한 점군을 활용하여 건설 프로젝트의 진행상황에 대한 정보를 제공하는 자동화된 3차원 철골 구조부재의 인식 및 3차원 모델링 방법을 제안하는 연구가 수행되었다(Son and Kim 2010). 이를 위해 점군이 가지는 색상값을 활용하여 3차원 데이터에서 건축 철골 구조부재를 분할 및 인식하는 작업을 수행하였다. 인식된 철골 구조부재와 3차원 CAD 모델과의 비교를 통해 현재 시공된 철골 구조부재를 파악할 수 있으며, 이를 시각화할 수 있는 3차원 As-built 모델을 구축하였다.
이를 위해 BIM의 특성과 BIM 도입에 따른 설계프로세스 상의 변화를 파악하였다. 이를 중심으로 BIM을 도입한 소형, 중형, 대형의 설계사무소를 대상으로 방문조사 및 담당자 면담을 통해서 설계사무소의 BIM 도입으로 인해 대형 조직의 분업화된 조직형태로부터 발생되는 조직의 경직화, 소프트웨어 구입, 유지 및 교육비용의 부담, 기술 간의 상호 호환성 부족 및 새로운 기술 도입에 대한 수용성 부족의 문제점을 도출하였다. 그리고 도출된 문제점을 토대로 설계사무소의 BIM 도입의 활성화를 위한 방안을 제시하였다.
그 결과 진척율이 공사의 다양한 정보를 제공할 수 없어 공사 진행 상황을 반영할 수 없다는 문제점을 도출하였다. 이를 해결하기 위해 3차원 객체정보와 공정표 등의 정보 연계가 가능한 BIM 기반 진척관리 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템을 통해 공정진행상황을 손쉽게 파악할 수 있는 방안을 제시하였다.
인식된 철골 구조부재와 3차원 CAD 모델과의 비교를 통해 현재 시공된 철골 구조부재를 파악할 수 있으며, 이를 시각화할 수 있는 3차원 As-built 모델을 구축하였다.
또한 물량산출 변화에 대응할 수 있는 3차원 BIM 기반의 물량산출 방식을 제시하였다. 제시된 물량산출 방식을 적용한 3차원 BIM 기반 견적과 2D 기반 견적의 사례연구를 통해 제시한 3차원 BIM 기반 견적업무의 효율성을 분석하였다. 그 분석 결과를 토대로 견적업무에 3차원 BIM을 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
추출된 기본모형과 점군 데이터간의 피팅을 통해 기본모형의 정확한 파라미터 값을 획득하여 건축물의 3차원 폴리곤 모델을 구축하는 방안을 제시하였다.
또한 프로젝트의 종합적인 관리가 가능한 시공성 분석에 대한 개념, 업무 내용 및 현행 시공성 분석에 대한 문제점의 분석을 통해 BIM 기반 시공성 분석의 필요성을 도출하였다. 필요성이 도출된 BIM 기반 시공성 분석의 효율성 및 효과를 비정형 구조의 박물관 프로젝트 골조공사에 대한 가상시공을 통해 입증하여 효율적인 프로젝트 업무 방안을 제시하였다. 그림 6은 기존 2차원 설계도로 표현하기 힘든 경사진 철골부재의 정보를 BIM을 통해 효과적으로 표현한 예시이다.
이론/모형
이를 위해 레이저 스캐너로 건축물의 점군을 획득하고, 외곽선 추출방법을 적용하여 점군을 분할한다. 분할된 점군에 Douglas-Peucker 알고리즘을 적용하여 폴리곤 선과 원을 획득한 후, RANSAC(RANdom SAmple Consensus)알고리즘을 적용하여 기본모형인 면, 원기둥 및 원뿔을 추출한다. 추출된 기본모형과 점군 데이터간의 피팅을 통해 기본모형의 정확한 파라미터 값을 획득하여 건축물의 3차원 폴리곤 모델을 구축하는 방안을 제시하였다.
이를 위해 레이저 스캐너를 활용하여 건축물의 점군을 획득하지만, 시야를 가리는 방해물과 레이저 스캐너의 한정된 스캔 범위로 인해 불완전한 점군을 획득하게 된다. 이 불완전한 점군에 RANSAC알고리즘을 적용하여 건축물의 면을 추출하고, 추출된 면에 스위핑 알고리즘을 적용하여 외곽선을 획득한다. 그리고 추출된 면과 외곽선의 정보를 기반으로 SmartBoxes알고리즘을 적용함으로써 점군의 불완전성으로 인한 한정된 정보로 3차원 모델을 구축하는 방안을 제시하였다.
레이저 스캐너로 획득한 점군을 활용하여 건축물의 외관 구성요소에 대한 정보를 제공하는 자동화된 3차원 건축물 외관 모델링에 관한 연구가 수행되었다(Pu and Vosselman 2009). 이를 위해 우선 Planar surface growing 알고리즘을 적용하여 면의 속성을 가지는 요소를 분할한다. 분할된 요소의 크기, 위치, 점군의 밀도 등 건축물의 외관요소에 대한 포괄적인 지식을 활용하여 벽, 문, 창문, 지붕으로 분류하였다.
성능/효과
실무운영 현황을 조사하기 위해 건설현장에서 실무자들을 대상으로 설문조사를 수행하여 진척분석 처리 현황과 관리의 문제점을 분석하였다. 그 결과 진척율이 공사의 다양한 정보를 제공할 수 없어 공사 진행 상황을 반영할 수 없다는 문제점을 도출하였다. 이를 해결하기 위해 3차원 객체정보와 공정표 등의 정보 연계가 가능한 BIM 기반 진척관리 시스템을 구축하였다.
여기에 개념에 BIM을 구성하는 건축물요소의 객체 정보를 기반으로 Java 환경의 객체 지향형 공정모델을 구현하고, 문헌연구 및 현장조사를 통해 획득한 공정의 특성 값을 구현할 수 있는 모델을 활용하여 검증하였다. 그 결과로 자동화된 공정 및 원가 통합관리가 BIM을 활용한 객체 지향형 모델로 가능하다는 사실을 도출하였다.
이러한 한계를 극복하기 위해 건설 프로젝트의 현장정보를 정확히 측정하여 프로젝트 참여자에게 제공할 수 있는 BIM 구축의 필요성이 높아지고 있다. 본 연구에서 살펴본 결과 첨단센서 기반의 BIM 구축을 통해 시공 및 유지관리 단계에서 필요로 하는 현장정보를 제공할 수 있으며, 건설 프로젝트의 전체 생애주기에까지 확대하여 활용이 가능함을 파악하였다.
분석 결과 3차원 기반 견적을 구축하기 위해 활용되는 2차원 설계도면으로 인해 발생되는 정보의 누락과 오류의 발생, 불충분한 물량 산출 정보를 도출하였다. 분석한 결과를 바탕으로 물량 산출에서 발생되는 반복되는 작업의 감소를 통해 작업의 생산성을 증대시킬 수 있는 마감 모델링 자동화라는 개념과 절차를 수립하였다. 아파트와 기숙사를 대상으로 수립된 마감 모델링의 파일럿 테스트를 수행하여 작업 생산성의 증대를 검증하여 마감모델링의 자동화 시스템에 대한 실행가능성을 제시하였다.
또한 평가한 프로그램들 간의 데이터 호환성을 판단하기 위해서 먼저 호환 프로토콜을 분석하고 이를 토대로 각 프로그램에 대한 사례분석을 수행하였다. 사례분석을 통해 도출된 BIM 기반 건축 환경 분석에 대한 문제점으로는 건축물 정보 입력 값의 불확실성, 건축설계지원 프로그램과 성능분석 간의 호환성 그리고 설계프로세스를 고려하지 않은 성능분석 인터페이스가 도출되었다. 도출된 문제점을 해결하기 위한 방안으로 XML(eXtensible Markup Language)기반 성능분석 인터페이스를 개발하여 BIM 기반 성능분석 인터페이스 구축의 가능성을 제시하였다.
위의 두 연구사례로부터 첨단센서로 획득한 점군으로부터 3차원 기하학적 모델을 통한 BIM 구축에 관한 연구에는 기본모형을 활용하는 연구와 직육면체 구조를 활용하는 연구가 있다는 것을 알 수 있다.
후속연구
본 연구에서 건축물 시공 및 유지관리 단계에서 활용 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 필요성을 제시하였으나 아직까지는 첨단센서 기반의 BIM 구축을 통해 제공될 수 있는 정보가 제한적이다. 이로 인해 BIM 활용이 건설 프로젝트의 전체 생애주기의 단계까지 확대되어 적용되지 못하고, 각 생애주기 단계별로 나뉘어 제한적인 목적으로만 활용되고 있다.
따라서 건설 프로젝트의 전체 생애주기에서 통합적으로 적용할 수 있는 다양한 정보제공이 가능한 첨단센서 기반의 BIM 구축에 대한 구체적인 방안을 향후 연구에서 제시하고자 한다. 차후 진행될 연구에서는 첨단센서 기반의 BIM 구축방안을 통해 건설 프로젝트 참여자에게 시공 및 유지관리 단계뿐 아니라 건설 프로젝트의 전체 생애주기에 필요한 정보제공이 가능케 함으로써 건설 프로젝트의 성공적인 수행을 뒷받침할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BIM는 무엇으로써 관심이 집중되고 있는가?
건설 프로젝트의 정보를 프로젝트 참여자들이 공유하고 활용하는 것은 건설 프로젝트의 성공적인 수행 을 위한 중요한 요소로 작용한다. 최근 프로젝트 참여자들의 효과적인 정보의 공유 및 활용을 위한 도구로써 BIM에 관심이 집중되고 있다. BIM은 건설 프로젝트의 초기 계획 설계에서 유지관리 단계까지 프로젝트 참여자들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 프로젝트의 전체 생애주기 동안 활용 가능하다.
BIM는 무엇을 제공하는가?
최근 프로젝트 참여자들의 효과적인 정보의 공유 및 활용을 위한 도구로써 BIM에 관심이 집중되고 있다. BIM은 건설 프로젝트의 초기 계획 설계에서 유지관리 단계까지 프로젝트 참여자들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 프로젝트의 전체 생애주기 동안 활용 가능하다. 그러나 잦은 설계변경, 기존 도면의 분실 등으로 인하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 정확한 정보를 포함한 BIM의 획득이 어려워 시공 및 운영 단계에서 BIM 활용이 이루어지지 못하는 실정이다.
BIM 활용의 한계는 무엇인가?
BIM은 건설 프로젝트의 초기 계획 설계에서 유지관리 단계까지 프로젝트 참여자들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 프로젝트의 전체 생애주기 동안 활용 가능하다. 그러나 잦은 설계변경, 기존 도면의 분실 등으로 인하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 정확한 정보를 포함한 BIM의 획득이 어려워 시공 및 운영 단계에서 BIM 활용이 이루어지지 못하는 실정이다. 따라서 해외에서는 BIM 활용의 한계를 극복하고 건설프로젝트 전반에서 BIM을 활용하기 위하여 수행 중이거나 완공된 건설 프로젝트의 현장정보를 포함하는 BIM 구축을 위한 연구가 활발하게 진행되나 국내에서는 관련 연구가 매우 부족한 실정이다.
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