현재 활용되고 있는 대부분의 BIM체계는 설계 및 시공단계의 작업 현상에 대한 시각적 정보제공에 초점을 두고 있는 수동형 BIM (Passive BIM) 운영체계이다. 수동형 BIM체계에서는 설계성과품의 간섭발생 부위를 3D객체에 의해 시각적으로 파악할 수 있으나, 추가적으로 간섭 상황의 해결방안을 제시하는 것은 곤란하다. 또한 시공단계 4D시뮬레이션도 일정별 시공형태의 표현은 가능하나, 프로젝트 공정조건을 고려한 최적화된 일정계획의 제시 등은 미흡한 수준이다. 그러나 최근 다양한 기관에서 BIM을 적용하면서 사용자의 BIM 요구수준은 이미 시각적 정보제공을 넘어서, 파악된 문제 현상의 해결방안까지 BIM으로 표현할 수 있는 능동형 BIM (Active BIM) 기능들을 요구하고 있다. 본 연구에서는 능동형 BIM의 개념적용을 위해 시공단계의 대표적 BIM 도구인 4D CAD시스템을 예로 하여 능동형 기능 구성방법론을 제시하고 독자적 개발엔진으로 시스템 구현을 시도하였다.
현재 활용되고 있는 대부분의 BIM체계는 설계 및 시공단계의 작업 현상에 대한 시각적 정보제공에 초점을 두고 있는 수동형 BIM (Passive BIM) 운영체계이다. 수동형 BIM체계에서는 설계성과품의 간섭발생 부위를 3D객체에 의해 시각적으로 파악할 수 있으나, 추가적으로 간섭 상황의 해결방안을 제시하는 것은 곤란하다. 또한 시공단계 4D시뮬레이션도 일정별 시공형태의 표현은 가능하나, 프로젝트 공정조건을 고려한 최적화된 일정계획의 제시 등은 미흡한 수준이다. 그러나 최근 다양한 기관에서 BIM을 적용하면서 사용자의 BIM 요구수준은 이미 시각적 정보제공을 넘어서, 파악된 문제 현상의 해결방안까지 BIM으로 표현할 수 있는 능동형 BIM (Active BIM) 기능들을 요구하고 있다. 본 연구에서는 능동형 BIM의 개념적용을 위해 시공단계의 대표적 BIM 도구인 4D CAD시스템을 예로 하여 능동형 기능 구성방법론을 제시하고 독자적 개발엔진으로 시스템 구현을 시도하였다.
Most current BIM systems are focused on the visual information of work status in the design and construction stages. In a passive BIM system, 3D CAD tool can visualize the interference elements of design drawings, however, it cannot suggest a solution to solve the interference status. And 4D CAD too...
Most current BIM systems are focused on the visual information of work status in the design and construction stages. In a passive BIM system, 3D CAD tool can visualize the interference elements of design drawings, however, it cannot suggest a solution to solve the interference status. And 4D CAD tool in the construction stage can simulate the appearance of each activity by construction schedule, however, it cannot suggest an optimized schedule plan considering specified schedule condition of the project. Recently, many organizations need BIM solutions that can improve the work status beyond the level of simple visual information from BIM system. Active BIM system can provide the solutions to the project manager. This study suggests active BIM functions for the solutions and attempts to develop a 4D CAD engine to validate the usability of the functions.
Most current BIM systems are focused on the visual information of work status in the design and construction stages. In a passive BIM system, 3D CAD tool can visualize the interference elements of design drawings, however, it cannot suggest a solution to solve the interference status. And 4D CAD tool in the construction stage can simulate the appearance of each activity by construction schedule, however, it cannot suggest an optimized schedule plan considering specified schedule condition of the project. Recently, many organizations need BIM solutions that can improve the work status beyond the level of simple visual information from BIM system. Active BIM system can provide the solutions to the project manager. This study suggests active BIM functions for the solutions and attempts to develop a 4D CAD engine to validate the usability of the functions.
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문제 정의
이러한 기존 연구들은 계획된 공정내용의 현상을 시뮬레이션하거나 공간상의 간섭파악 등에 관련된 연구들이다. 본 연구는 이러한 기존의 수동형 개념의 계획공정 시뮬레이션과 간섭상황 파악이후에, 추가적으로 각종 능동형 BIM기능을 통한 최적화된 공정계획을 제시함으로써, 4D객체가 프로젝트의 최적 의사결정 도구로 활용성을 갖는 방법론을 제시하고 있다. 제시된 방법론은 연구에서 개발한 능동형 BIM기능을 갖는 4D CAD엔진으로 활용성을 검증하고 있다.
건설분야 BIM 활용성 개선을 위한 방법은 기존 BIM체계의 기능개선을 위한 기술적 측면과 BIM 운영 효율화를 위한 제도적 측면으로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 기술적 기능 개선에 의한 BIM활용성 개선 방향을 기술하며, 이를 위해 BIM 운영체계를 수동형 BIM (Passive BIM)과 능동형 BIM (Active BIM)으로 구분하여, 능동형 BIM 개념 정의와 다양한 추가적 기능들을 구축하여 능동형 BIM의 필요성 및 활용성을 제시하는 데 목적이 있다.
BIM관련 연구들은 국내외에서 다양하게 진행되고 있다. 본 연구의 주요 내용은 4D CAD관련 사항들이 많으므로, 국내외 4D CAD운영체계의 연구사례들을 검토한다. Kang(2013)에서는 토목공사에 특화된 4D CAD운영체계의 구성방법론과 시스템개발사례가 제시된바 있고, Kang(2010)에서는 도로공사생애주기의 시뮬레이션 정보 활용을 위한 4D CAD 시스템의 개발 사례를 제시한바 있다.
제안 방법
1. 연구에서는 BIM의 실무 활용성 확대를 위한 기술적 개선방안으로 다양한 능동형 BIM의 개념을 제시하였으며, 시공단계 BIM에서 대표적으로 사용되는 4D CAD시스템이 수동형체계에서 능동형체계로 개선되어야 하는 필요성을 제시하였다. 이를 위해 4D객체에 일정중첩 및 작업공간 간섭 최소화 방법론, 공정 작업 리스크분석 및 최적 공사비연동 공정계획기법을 연계하여 능동형 BIM의 활용성을 검토하였다.
2. 능동형 BIM구성을 위해 유전알고리즘 및 퍼지이론을 4D객체와 연동하여 분석하는 엔진을 개발하여, 현재 시공중에 있는 교량공사와 고속철도공사의 사례를 적용하여 적용성을 파악하였다.
3. 연구에서는 건축공사와 토목공사 BIM객체 구성의 특성분석을 통해 건축공사 위주로 활용되고 있는 BIM의 토목공사 활용성을 제시하였다. 또한 능동형 BIM기능과 함께 향후 BIM의 활용성 확대를 위해 기술적으로 개선되어야 할 사항을 3D객체의 생성간편화, 호환성확보 및 BIM체계 평가기준 등으로 구분하여 제시하였다.
먼저, 대상공정들의 선정에는 프로젝트 관리자가 직접 대상 공정을 선택하거나, 초기공정계획표 상의 임의시작일로부터 누적된 비용과 변동된 투입예산이 같아지는 시점을 도출하여 해당 기간범위에 포함되는 공정들로 선택할 수 있다. 공정 선정이 완료되면, 선정된 공정들의 공정계획 재수립을 위해 일정과 비용을 재분석한다. 그리고 이를 현장의 비용투입수준과 비교하여 현장조건에 부합되지 못한다고 판단되면, 비용평준화를 통해 비용투입 계획을 재설정한다.
그리고 공정별 작업공간 간섭 최적화를 위해서는 각 공정별 작업공간을 생성하여 작업공간 간섭과 일정중첩이 발생하는 공정들을 선별한다. 그리고 선별된 공정들의 일정을 조정하여 작업공간 간섭이 최소화되는 일정을 도출하여 시뮬레이션하게 된다. 각 공정들의 작업위험도 분석을 위해서는 Fuzzy기법으로 분석된 위험 수준별로 지정된 색상으로 시뮬레이션하여 위험정도를 시각화하게 된다.
각 공정들의 작업위험도 분석을 위해서는 Fuzzy기법으로 분석된 위험 수준별로 지정된 색상으로 시뮬레이션하여 위험정도를 시각화하게 된다. 그림 5의 능동형 4D CAD의 기능들은 저자의 이전 연구 (Kang 2013)에서 개발한 4D엔진에 추가적 기능으로 개발하였으며, 개발 엔진에서는 일정 중첩과 작업공간이 간섭된 공정들을 최소화한 후, 기존 일정과 개선된 일정을 비교할 수 있게 동시 시뮬레이션이 가능하다.
기존의 대부분 BIM체계인 수동형 BIM은 작업상황의 분석 및 분석된 정보의 시각적 표현을 제공하기 위한 도구이고, 능동형 BIM은 작업상황의 파악이후 문제점 분석을 통해 해당 프로젝트에 최적화된 작업조건까지 3D기반으로 제시할 수 있는 체계이다. 능동형 BIM체계 구성을 위해 연구에서는 시공단계에 대표적으로 활용되는 4D CAD시스템을 예로 하여 능동형기능 구성을 시도한다. 최근 다양한 기관에서 BIM적용이 증대되면서, 사용자들은 BIM운영체계에서도 단순 시각적 정보제공 수준을 넘어선 다양한 의사결정 기능들을 요구하고 있다.
연구에서는 건축공사와 토목공사 BIM객체 구성의 특성분석을 통해 건축공사 위주로 활용되고 있는 BIM의 토목공사 활용성을 제시하였다. 또한 능동형 BIM기능과 함께 향후 BIM의 활용성 확대를 위해 기술적으로 개선되어야 할 사항을 3D객체의 생성간편화, 호환성확보 및 BIM체계 평가기준 등으로 구분하여 제시하였다.
연구에서는 BIM의 실무 활용성 확대를 위한 기술적 개선방안으로 다양한 능동형 BIM의 개념을 제시하였으며, 시공단계 BIM에서 대표적으로 사용되는 4D CAD시스템이 수동형체계에서 능동형체계로 개선되어야 하는 필요성을 제시하였다. 이를 위해 4D객체에 일정중첩 및 작업공간 간섭 최소화 방법론, 공정 작업 리스크분석 및 최적 공사비연동 공정계획기법을 연계하여 능동형 BIM의 활용성을 검토하였다.
그리고 이를 현장의 비용투입수준과 비교하여 현장조건에 부합되지 못한다고 판단되면, 비용평준화를 통해 비용투입 계획을 재설정한다. 이를 위해 연구에서는 유전알고리즘을 활용하여 비용투입수준에 최적화된 일정을 도출한다. 최적화된 비용투입 일정은 일일 및 현장 비용투입수준과 비교했을 때 일별 비용투입량의 차이가 적을수록 우수한 일정이 된다.
리스크 분석은 공정별로 발생확률(=Probability, P)과 발생강도(=Intensity, I)를 현장 실무자로부터 입력받아 분석된다. 입력된 주관적 리스크정보는 정보의 객관화를 위해 시스템내에서 퍼지분석을 통해 공정별로 리스크 우선순위를 설정하여, 5개 등급별 색상으로 구분된 후, 4D객체로 시뮬레이션된다. 그림 10은 이러한 분석절차를 표현하고 있다
대상 데이터
그림 9의 적용사례는 현재 시공 중에 있는 250여개 공정으로 구성된 사장교형태의 교량공사이다. 리스크 분석을 위한 기본적 요소는 공정별 안전사고의 위험성을 대상으로 하였고, 리스크정도의 초기 입력정보는 현장 전문가의 인터뷰로 작성하여 일괄적으로 시스템에 입력하였다.
그림 8은 작업공간의 중첩 최소화기능을 갖는 능동형 4D CAD시스템 사례를 표현하고 있다. 사례 프로젝트는 그림 6과 동일한 사례이고, 300여개 각 공정의 작업공간은 시스템 내에서 최소화된 정보입력을 통해 자동으로 3D객체로 생성되도록 하였다.
그림 6은 연구에서 구축한 능동형 BIM기능의 4D객체를 현재 시공 중에 있는 고속철도공사 특정 공구의 공정 정보를 사례로 구현한 모습이다. 사례 프로젝트는 약 300여개의 공정들로 구성되어 있다. 그림 6에서 좌우측 그림은 각각 초기 일정계획에 의한 시뮬레이션과 중첩을 최소화 한 후의 개선된 일정계획에 의한 시뮬레이션 모습을 표현하고 있다.
이론/모형
그리고 선별된 공정들의 일정을 조정하여 작업공간 간섭이 최소화되는 일정을 도출하여 시뮬레이션하게 된다. 각 공정들의 작업위험도 분석을 위해서는 Fuzzy기법으로 분석된 위험 수준별로 지정된 색상으로 시뮬레이션하여 위험정도를 시각화하게 된다. 그림 5의 능동형 4D CAD의 기능들은 저자의 이전 연구 (Kang 2013)에서 개발한 4D엔진에 추가적 기능으로 개발하였으며, 개발 엔진에서는 일정 중첩과 작업공간이 간섭된 공정들을 최소화한 후, 기존 일정과 개선된 일정을 비교할 수 있게 동시 시뮬레이션이 가능하다.
성능/효과
첫째, 2D객체에서 3D객체 변환이 보다 용이한 도구 개발이 시급하다. 이를 위한 기능으로 2D객체에서 간단한 조작으로 3D객체 변환이 가능한 기능이 필요하다.
후속연구
4. 연구에서 제시된 다양한 방법론은 시스템으로 구축되어 능동형 BIM의 가능성을 파악할 수 있었으나, 이를 위한 입력정보의 최소화 작업과 보다 단순화된 능동형 기능의 보완부분도 향후 개선되어야 할 부분으로 파악되었다.
둘째, 토목공사 시설물의 IFC코드 구축 정도는 교량을 제외하면 매우 미흡한 실정으로 3D객체의 호환성 확보를 위한 IFC 등의 호환 코드 개발이 가속화되어야 한다.
이를 통해 프로젝트 관리자는 한정된 비용범위에서 수행가능한 공정들과 현장의 비용수급 수준에 근접한 비용투입일정을 파악함으로써 합리적인 공정계획을 재수립할 수 있다. 변경된 예산에 적합한 공정계획을 재수립하기 위해서는 우선적으로 예산 범위 내에서 효과적으로 수행할 수 있는 공정들을 선정하는 것과 선정된 공정들의 비용배당 분석을 통해 현장의 비용수급 수준에 근접한 비용투입 계획일정을 설정하는 것이 필요하다. 이를 위한 절차는 그림 12에서 나타내고 있다.
그림 7은 공정별 작업공간을 x, y, z 축으로 자동 생성시킨 후, 3축의 크기조절을 위한 매트릭스기법 적용으로 적정 크기의 공간을 완성시키는 절차를 표현하고 있다. 연구에서 작업공간은 사각형 공간만을 적용하였으나, 향후 공간 생성은 작업유형에 따라 보완될 필요가 있다.
본 연구는 이러한 기존의 수동형 개념의 계획공정 시뮬레이션과 간섭상황 파악이후에, 추가적으로 각종 능동형 BIM기능을 통한 최적화된 공정계획을 제시함으로써, 4D객체가 프로젝트의 최적 의사결정 도구로 활용성을 갖는 방법론을 제시하고 있다. 제시된 방법론은 연구에서 개발한 능동형 BIM기능을 갖는 4D CAD엔진으로 활용성을 검증하고 있다.
BIM 활용은 건설 생애주기의 각종 발생정보를 3D기반으로 사용하는 것이 기본이다. 향후 BIM의 적용성 확대를 위해서는 3D활용 업무 절차개선과 함께, BIM에서 제공되는 3D 및 nD객체가 의사결정 도구로까지 활용될 수 있도록 할 필요가 있다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BIM는 무엇인가?
BIM (Building Information Modeling)은 3차원 정보모델에 근거하므로, BIM 적용의 가장 큰 가시적인 효과는 생애주기동안의 공사정보 시각화 분야이다. 즉, 설계단계에서 3D 도면정보에 의한 간섭관리와 시공단계에서 4D CAD에 의한 공정관리는 대표적 효과가 될 수 있다.
건설분야 BIM 활용성 개선을 위한 방법은 어떻게 구분될 수 있나?
건설분야 BIM 활용성 개선을 위한 방법은 기존 BIM체계의 기능개선을 위한 기술적 측면과 BIM 운영 효율화를 위한 제도적 측면으로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 기술적 기능 개선에 의한 BIM활용성 개선 방향을 기술하며, 이를 위해 BIM 운영체계를 수동형 BIM (Passive BIM)과 능동형 BIM (Active BIM)으로 구분하여, 능동형 BIM 개념 정의와 다양한 추가적 기능들을 구축하여 능동형 BIM의 필요성 및 활용성을 제시하는 데 목적이 있다.
BIM 운영체계는 수동형 BIM (Passive BIM)과 능동형 BIM (Active BIM)으로 구분할 수 있는데, 이들은 어떤 도구인가?
기존의 대부분 BIM체계인 수동형 BIM은 작업상황의 분석 및 분석된 정보의 시각적 표현을 제공하기 위한 도구이고, 능동형 BIM은 작업상황의 파악이후 문제점 분석을 통해 해당 프로젝트에 최적화된 작업조건까지 3D기반으로 제시할 수 있는 체계이다. 능동형 BIM체계 구성을 위해 연구에서는 시공단계에 대표적으로 활용되는 4D CAD시스템을 예로 하여 능동형기능 구성을 시도한다.
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