[논문]건설프로젝트의 작업유형별 3차원 작업공간 생성 및 간섭 최적화 방안

김현승; 문현석; 김창학; 강인석

doi:10.12652/ksce.2014.34.6.1911

[국내논문] 건설프로젝트의 작업유형별 3차원 작업공간 생성 및 간섭 최적화 방안
Workspace Generation and Interference Optimization Algorithm by Work-type using 3D Model Object in a Construction Project 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.6, 2014년, pp.1911 - 1918

김현승 (경상대학교 토목공학과) , 문현석 (한국건설기술연구원 ICT융합연구실) , 김창학 (경남과학기술대학교 토목공학과) , 강인석 (경상대학교 토목공학과)

초록
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건설공사 프로젝트에서 인력 및 장비 등의 투입자원 증가는 공정간의 작업공간 간섭을 유발할 뿐만 아니라 프로젝트의 생산성과 품질에 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 작업공간관련 연구가 수행되고 있으나, 단순히 공정들의 기하학적 위치만을 고려하여 작업공간을 검증하거나, 작업공간의 형상을 세부 작업별 분리된 형상이 아닌 일괄적 하나의 객체 형태로 생성하고 있다. 이러한 방식은 공정의 특성과 자원의 투입 시간에 따라 변화하는 작업공간의 크기를 반영하지 못하므로 합리적인 작업공간 충돌의 분석이 어렵게 된다. 이를 위해 본 연구에서는 공정과 자원의 특성에 적합한 작업공간의 형상과 크기를 생성할 수 있도록 작업공간의 3차원 모델 생성방법과 운용 시스템을 개발한다. 또한 이를 적용한 작업공간 간섭최적화 연계방안과 건설장비의 최적 이동경로 탐색 방법론을 개발하여 실무적 활용성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The increase of input resources, such as labor and equipment, in a construction project causes workspace interference between activities and it influences on the productivity and quality of construction activities. To solve this problem, many studies related to the workspace interference have been performed, however they verified the workspace concerning with only the geometric location of activities or generated the shape of workspace by a whole object concept not separated units of detailed operations. It is difficult for project manager to reasonably analyze the workspace conflict, because the size of workspace cannot reflect the characteristics of an activity and input time of a resource. This paper presents a methodology that can generate three-dimensional models in order to optimize the workspace shape and size by considering with the characteristics of each activity and input time of each resource. The suggested method can be used for the active BIM system that optimizes the workspace conflict without additional construction duration and for the searching algorithm of optimized moving path for construction equipment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이들 연구에서는 작업공간 생성과정에 고려해야 할 일부 실무적 사항들이 부족한 것으로 파악되었으며, 특히 작업공간 생성 방식을 단일화하여 작업공간 형상을 일괄적으로 생성함으로써 작업공간 생성에 공정 및 자원의 특성을 반영하지 못한다는 문제점을 간과하고 있다. 따라서 본 연구에서는 공정별 작업유형과 투입자원의 특성을 고려하여 작업공간을 생성할 수 있도록 작업공간 모델생성 방안을 보다 구체화하여 제시한다. 또한 이를 토대로 BIM기반으로 작업공간을 생성하고, 분석할 수 있도록 자원프로파일을 활용한 작업공간 최적화 방안을 제시한다.
따라서 본 연구에서는 공정별 작업유형과 투입자원의 특성을 고려하여 작업공간을 생성할 수 있도록 작업공간 모델생성 방안을 보다 구체화하여 제시한다. 또한 이를 토대로 BIM기반으로 작업공간을 생성하고, 분석할 수 있도록 자원프로파일을 활용한 작업공간 최적화 방안을 제시한다.
본 절에서는 저자의 이전 연구(Moon et al., 2013; Moon et al., 2014)에서 개발한 능동형 작업공간 최적화 시스템에 추가적인 기능을 개발하였다. 그리고 개발 시스템에서는 작업유형별 작업공간 모델에 의한 작업공간 최적화 시뮬레이션과 건설장비의 최적 이동경로 탐색 시뮬레이션 구현을 통해 제시한 방법론의 활용성을 검증하였다.
, 2014). 이를 위해 본 연구에서는 공정과 자원의 특성에 적합한 작업공간의 형상과 크기를 생성할 수 있도록 작업공간의 3차원 모델 생성방법을 제시하며, 이를 기반으로 작업공간 간섭최적화가 가능한 BIM 시스템을 개발한다.
이에 본 연구에서는 자원프로파일 정보와 작업모델 생성 방안을 적용하여, 장비의 최적 이동경로를 탐색할 수 있는 방법론 및 시스템을 제시한다.
작업공간의 형상을 일괄적으로 생성하면 공정 및 투입자원의 특성에 따라 변화하는 작업공간의 크기 및 형상을 고려하지 못하게 된다. 이에 본 연구에서는 효율적인 작업공간 계획을 수립할 수 있도록 작업유형에 적합한 작업공간의 3차원 모델 생성방법론과 이를 기반으로 작업공간 간섭최적화를 위한 BIM 시스템을 제시하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

제안 방법

(1) 연구에서는 공정별 작업유형에 적합한 작업공간 모델을 생성할 수 있는 방안으로 문헌조사를 통해 3차원 환경에서의 충돌 검출 방법들을 분석하여 제시하였다. 그리고 기존 연구에서 분류한 작업유형별로 적합한 작업모델 생성방식을 제시하였다.
(2) 합리적인 작업공간 계획을 수립하기 위해서는 공종별 작업환경과 관련된 정보들의 확보가 중요하므로, 공종별 작업유형 판단을 위한 정보를 제공할 수 있게 BIM모델과 연계된 자원프로파일의 활용방안을 제시하였다.
(3) 또한, 자원프로파일기반으로 작업공간 생성 방안을 제시하였으며, 이를 기존 연구에서 개발된 능동형 시스템에 추가기능으로 개발하고, 사례 적용함으로써 작업공간 간섭 최적화 시스템의 적용성을 검토하였다.
(4) 특히, 장비의 최적 이동경로를 탐색할 수 있는 방법론과 시스템을 개발하여, 교량공사 사례에 적용함으로써 프로젝트의 장비투입 및 이동계획 수립을 위한 의사결정 도구로 활용성을 검토하였다.
이는 건설장비 모델을 설정하는 모듈과 장비의 이동경로를 설정하는 모듈, 이동경로에 대한 작업공간 간섭을 판별하는 모듈로 구성된다. 건설장비 모델은 백호, 크레인 등의 규격화된 중대형 건설장비를 대상으로 모델링 작업을 수행하였다.
, 2014)에서 개발한 능동형 작업공간 최적화 시스템에 추가적인 기능을 개발하였다. 그리고 개발 시스템에서는 작업유형별 작업공간 모델에 의한 작업공간 최적화 시뮬레이션과 건설장비의 최적 이동경로 탐색 시뮬레이션 구현을 통해 제시한 방법론의 활용성을 검증하였다.
(1) 연구에서는 공정별 작업유형에 적합한 작업공간 모델을 생성할 수 있는 방안으로 문헌조사를 통해 3차원 환경에서의 충돌 검출 방법들을 분석하여 제시하였다. 그리고 기존 연구에서 분류한 작업유형별로 적합한 작업모델 생성방식을 제시하였다.
또한 장비 이동간에 간섭이 발생할 경우, 장비의 3차원 공간 모델의 색상과 간섭이 발생하는 대상공정의 3차원 모델 색상을 적색으로 변경시켜 나타냄으로써 대상공정 및 간섭여부를 시각적으로 나타낼 수 있다. 그리고 분석결과에 대해 간섭이 발생한 경로를 일부 변경하거나, 장비의 용량을 변경하여 재분석한다. 이러한 과정을 이동경로별 간섭이 최소화될 때까지 반복적으로 수행함으로써 최적의 건설장비 투입계획을 수립할 수 있다.
4와 같이 각 공정들의 BIM모델로부터 자원프로파일 정보를 제공받아 해당공정의 위치, 기하학 형태, 투입자원의 종류, 작업공간 타입 등을 파악한다. 그리고 작업의 안정성 및 정확성 등을 고려하여 작업공간 생성방식을 선정한다. 이와 같이 작업공간 모델의 생성방식 정보를 추가하면, 작업모델의 생성방식에 따라 해당 공정의 작업공간 형상이 결정된다.
작업공간 간섭 방법은 기존 연구에서 제시한 바와 같이 동일한 기간에 수행되는 공정들을 도출하여, 이들 간의 일정중첩 및 작업공간 간섭을 검증한다. 그리고 최적화알고리즘을 통해 작업공간 간섭이 최소화된 일정을 도출하고, 이를 시뮬레이션으로 구현한다. 이러한 최적화 시뮬레이션을 구현하는 과정은 Fig.
자원프로파일에는 6가지 작업유형 정보를 포함하는 Workspace Code와 3가지 작업공간 모델 생성 방식을 포함하는 Bounding Box Code 정보로 구성되며, 이는 WBS Code 기준으로 연계된다. 따라서 사용자는 해당공종의 3D model과 저장된 Workspace code 및 Bounding Box Code를 참조하여, 작업모델 생성 방식을 결정한 후, 자동으로 작업공간 모델을 생성할 수 있다. 그리고 각 code체계를 기준으로 전체 또는 부분적으로 작업공간 정보들을 분류할 수 있으며, 이를 통해 일괄적으로 작업공간 생성방식을 지정할 수 있다.
먼저, 공종별 작업유형에 적합한 작업공간 모델을 생성하기 위해서는 Fig. 4와 같이 각 공정들의 BIM모델로부터 자원프로파일 정보를 제공받아 해당공정의 위치, 기하학 형태, 투입자원의 종류, 작업공간 타입 등을 파악한다. 그리고 작업의 안정성 및 정확성 등을 고려하여 작업공간 생성방식을 선정한다.
본 연구에서는 앞서 제시한 방법론을 기반으로 Fig. 6과 같이 장비 최적 이동경로 탐색 시스템을 구축하였다. 이는 건설장비 모델을 설정하는 모듈과 장비의 이동경로를 설정하는 모듈, 이동경로에 대한 작업공간 간섭을 판별하는 모듈로 구성된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 작업공간 유형에 적합한 작업공간 모델 생성 방식을 분류하였다. 작업공간 모델의 생성방식에는 앞서 언급한 경계볼륨방식 중에서 BS 방식을 제외한 AABB, OBB, K-DOP 방식을 활용한다.
이러한 작업공간의 특성을 반영하여, 공종별로 적합한 작업공간 모델을 구성하고 간섭타입을 결정하기 위해서는 무엇보다 현장에서 요구하는 작업공간 타입이 무엇인지 분류할 필요가 있다. 이러한 작업공간 분류체계를 구축하기 위해서 기 연구에서는 작업공간 관련 설문조사와 Table 1과 같이 문헌 분석을 통해 작업공간 타입을 분류하였다. 기 연구에서 분류한 작업공간 타입은 Table 1과 같이 건축공간 중심의 작업공간 영역을 세분화하여 Process 기반으로 1차적인 작업공간 타입을 분류하고, 중복되는 공간타입을 제거 및 통합하여 최종적으로 Table 2와 같이 작업공간 형태를 분류하였다(Moon et al.

대상 데이터

분석대상은 4D모델 상에서 사용자가 직접 분석할 대상 모델을 선택하거나, 선택하지 않고 불특정한 대상으로 장비와의 간섭을 분석할 수 있게 구성하였다.

이론/모형

작업공간 모델의 생성방식에는 앞서 언급한 경계볼륨방식 중에서 BS 방식을 제외한 AABB, OBB, K-DOP 방식을 활용한다.
3과 같이 공정별 자원프로파일과 연계함으로써 작업공간 모델의 생성방식을 결정과정에 기여할 수 있다. 또한, 이러한 정보들을 체계적이고 통합적으로 관리할 수 있게 WBS Code를 활용하였다.

성능/효과

둘째, OBB 방식은 AABB방식보다 충돌 검사를 위한 연산과정이 복잡하므로, 더 많은 시간이 소요되나, AABB방식과 달리 객체의 회전 시에 재계산이 필요치 않다. 따라서 AABB에 비해 더 세밀하게 충돌을 파악할 수 있으며, 이는 가설장비와 같이, 작업의 위치와 방향을 변경하는 작업에 적합하다.
또한, 사용자가 이동경로의 포인트를 넓게 설정하더라도, 실제 장비의 간섭분석 과정에서는 포인트 좌표간의 간격을 자동으로 세분화함으로서 단위 간격별로 좌표를 도출할 수 있게 하였다. 이를 통해 세분화된 간격별로 장비를 위치시켜, 간섭여부를 판단함으로써, 사용자의 편리성과 간섭 정도의 정확성을 높였다.
첫째, AABB 방식은 3가지 방식중에서 충돌 연산 속도가 가장 우수하고, 직관적인 작업공간 생성이 가능하다. 그러나 객체와 경계볼륨간의 형상 오차가 높을 경우, 정확한 충돌 검사가 어렵고, 객체가 회전할 때마다 경계상자를 갱신해주어야하는 단점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로젝트에서 작업공간은?	프로젝트에서의 작업공간이라 함은 구조물의 구축 과정에 직접적으로 요구되는 공간으로서, 세부 공종들의 자원 운용을 위해 요구되는 공간으로 정의할 수 있다. 즉, 구조물을 설치하기 위한 설치공간과 이러한 설치공간을 지원하기 위한 주변 작업공간이라 할 수 있다(Moon et al., 2010).
	경계볼륨 방식에는 어떤 것이 있는가?	이러한 경계볼륨 방식은 Fig. 1과 같이 대표적으로 BS (Bounding Spheres), AABB (Axis-aligned Bounding Boxes), OBB (Oriented Bounding Boxes), K-DOP (Discrete Orientation Polytopes) 등이 있다(Yeo, 2002).
	AABB 방식의 장점과 단점은?	1과 같이 X, Y, Z축에서 각 경계박스(Bounding Boxes)를 생성하고, 각각의 축에서 정의된 최소값 및 최대값을 비교함으로써 충돌여부를 파악할 수 있다. 이러한 방식은 충돌처리의 계산량이 적고, 직관적으로 구현이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 객체가 회전할 때마다 경계상자를 갱신해주어야 하는 단점이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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