[논문]건설현장 굴착작업을 위한 토공 BIM 프로토타입 개발

문성우; 손지홍; 홍순헌

doi:10.12652/ksce.2015.35.3.0707

건설현장 굴착작업을 위한 토공 BIM 프로토타입 개발
Development of a Prototype for an Earthwork BIM Environment 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.3, 2015년, pp.707 - 714

문성우 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 손지홍 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 홍순헌 (부산대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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현재 정부에서는 설계기술발전을 위해서 BIM을 적극적으로 장려하고 있다. BIM 환경에서 건설관리자는 시각적인 정보뿐만 아니라 비용과 시간을 접목시켜서 건설공사의 진행사항과 이와 관련된 비용집행현황과 공정 스케줄을 검토할 수 있다. 그러나 BIM은 건물, 교량 등 고정된 구조물 설계와 시공에 대부분 적용되고 있는 것이 현실이다. BIM은 그 기능을 확장시켜서 고정된 구조물뿐만 아니라 환경변화가 지속적으로 발생되는 토공작업에도 적용할 수 있다. 본 논문에서는 BIM 기법을 토공현장에 적용시키기 위한 프로토타입 개발과 적용을 연구목적으로 한다. 토공 BIM 프로토타입은 굴삭기와 같은 건설장비와 연동하여 변화되는 지형에 대한 3차원적 데이터를 제공하여 토공작업의 현황정보를 제공한다. 본 연구과정에서는 BIM을 동적인 토공작업에 적용하기 위해서 필요한 속성정보를 찾고, 이를 바탕으로 토공 BIM의 사용자 화면을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The national government is pushing hard the adoption of the BIM (Building Information Modeling) technology in the construction industry. The BIM application provides a visualized environment where the construction manager can inspect the structure of buidling structures. The application also provides information on activity progresses as well as earned values. However, BIM is mostly applied to visualize a structural object with definite forms. The BIM technology needs to be extended to include an object with non-definite forms such as earthwork operations. The objective of this study is to present a prototype of earthwork BIM in the construction operation. The prototype has been built on the attributes of geological information, construction equipment and positioning. The prototype of earthwork BIM shows a 3D graphic simulation of construction equipment moving around for digging and loading.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 BIM 기법을 토공현장에 적용시키기 위한 프로토타입 개발과 적용을 연구목적으로 한다. 토공 BIM 프로토타입은 굴삭기와 같은 건설장비와 연동하여 변화되는 지형에 대한 3차원적 데이터를 제공하여, 또한 토공작업의 진도현황에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 연구과정에서는 BIM을 동적인 토공작업에 적용하기 위해서 필요한 속성정보를 찾고, 이를 바탕으로 토공 BIM의 프로토타입 화면을 제시한다. 본 연구는 1) BIM 적용현황 및 요구사항 분석, 2) 3D 지형정보 준비, 3) 굴삭기 형상정보 분석, 4) 속성정보 분석 및 모델링, 그리고 5) 3D 모델링의 5단계로 구성됐다(Fig.
본 연구에서는 3D 그래픽 시뮬레이션 기반의 토공 BIM에 대한 프로토타이핑 과정을 통해서 토공 BIM의 적용성을 검토했다. 구조물 중심의 BIM과 다르게 토공 BIM은 3D 그래픽 시뮬레이션의 소프트웨어 개발과 장비의 실시간 정보를 파악하기 위한 센서설치 등 하드웨어 개발이 병행되어야 하는 복합적인 기술을 필요로 한다.
(2013)은 BIM 활용에 대한 연구가 증가함에 따라서 개방형 BIM 기반으로 물량산출 및 견적시스템을 개발했다. 본 연구자들은 물량산출 및 견적시스템 개발을 위해서 데이터 속성을 분류하고 속성정보를 이용하기 위한 데이터 모델과 인터페이스를 시도했다. 또한 개발된 시스템을 가상의 프로젝트에 적용하여 BIM 환경에서 데이터 인터페이스의 유용함을 보여줬다.
(2012)은 국내 BIM 활용이 실제화 되고 있으나 실제 BIM 활용은 기존 설계 프로세스를 기반으로 BIM 엔지니어가 추가 투입되는 형태로 운영되고 있는 점을 인지했다. 이에 따라서 연구자들은 BIM 설계 프로세스를 분석을 위한 방법론을 활용하여 정보의 흐름을 최적화하는 BIM 설계 프로세스를 제시했다.

제안 방법

넷째, 속성정보 분석 및 모델링에서는 지형정보와 굴삭기 속성정보를 모델링했다. 그리고, 다섯째, 3D 모델링에서는 정리된 속성정보를 바탕으로 토공 BIM을 위한 3D 모델을 작성했다.
셋째, 굴삭기 형상정보 분석에서는 토공 BIM 모델에서 필요한 굴삭기의 형상정보를 분석했다. 넷째, 속성정보 분석 및 모델링에서는 지형정보와 굴삭기 속성정보를 모델링했다. 그리고, 다섯째, 3D 모델링에서는 정리된 속성정보를 바탕으로 토공 BIM을 위한 3D 모델을 작성했다.
첫째, 굴삭기 단독으로 작동되는 동작에서는 센서값을 바탕으로 kinematic 계산을 하며, 이러한 계산과 정을 통해서 장비형상을 실시간으로 표현했다. 둘째, 덤프트럭과 연동하여 작동되는 동작에서는 덤프트럭의 적절한 위치를 지정하고, 굴착된 토량을 산정하여 목표대비 작업현황을 분석할 수 있게 한다.
TIN은 DEM과 달리 추출된 표본점들은 x, y, z값을 가지고 있고, 벡터 데이터 모델의 특징인 위상구조를 가지고 있다. 본 연구에서 제시된 토공 BIM은 TIN을 사용한 지형의 3차원 모델을 작성했다.
본 연구에서 제시된 토공 BIM은 수치지도를 바탕으로 하는 지형정보를 기본으로 한다. 수치지도는 토공작업 이전 토공지역에 대한 현황정보를 보여준다.
6은 토공 BIM을 위해서 개발된 3D 그래픽 시뮬레이션 환경을 보여준다. 본 프로토타입 개발에서는 센서의 값을 임의로 지정하여 백호가 작동되도록 테스트했다. 토공 BIM의 화면은 굴삭기 단독으로 작동되는 동작과 덤프트럭과 연동하여 작동되는 동작 2가지로 구분하여 표현했다.
둘째, 3D 지형정보 준비에서는 토공 BIM에 적용하기 위한 지형정보처리 방안을 제시했다. 셋째, 굴삭기 형상정보 분석에서는 토공 BIM 모델에서 필요한 굴삭기의 형상정보를 분석했다. 넷째, 속성정보 분석 및 모델링에서는 지형정보와 굴삭기 속성정보를 모델링했다.
셋째, 굴삭기 형상정보는 붐각도, 암각도, 버킷각도, 동체각도 등으로 구성했다. 굴삭기 형상정보는 붐, 암, 버킷, 그리고 동체에 부착된 센서로부터 얻을 수 있다.
첫째, BIM 적용현황 및 요구사항 분석에서는 현재 건설분야에서 BIM 적용현황을 분석하고 토공 BIM의 필요성을 검토했다. 둘째, 3D 지형정보 준비에서는 토공 BIM에 적용하기 위한 지형정보처리 방안을 제시했다.
토공 BIM의 화면은 굴삭기 단독으로 작동되는 동작과 덤프트럭과 연동하여 작동되는 동작 2가지로 구분하여 표현했다. 첫째, 굴삭기 단독으로 작동되는 동작에서는 센서값을 바탕으로 kinematic 계산을 하며, 이러한 계산과 정을 통해서 장비형상을 실시간으로 표현했다. 둘째, 덤프트럭과 연동하여 작동되는 동작에서는 덤프트럭의 적절한 위치를 지정하고, 굴착된 토량을 산정하여 목표대비 작업현황을 분석할 수 있게 한다.
본 프로토타입 개발에서는 센서의 값을 임의로 지정하여 백호가 작동되도록 테스트했다. 토공 BIM의 화면은 굴삭기 단독으로 작동되는 동작과 덤프트럭과 연동하여 작동되는 동작 2가지로 구분하여 표현했다. 첫째, 굴삭기 단독으로 작동되는 동작에서는 센서값을 바탕으로 kinematic 계산을 하며, 이러한 계산과 정을 통해서 장비형상을 실시간으로 표현했다.

대상 데이터

(2011)은 토목공사 현장에 시공준 비단계와 시공단계에 BIM을 적용하여 건설 프로젝트의 통합관리에 이용하였다. 본 연구자들은 협업을 위한 기준으로 BIM을 이용하여 각종 민원 및 공기지연을 사전에 예방하고, 공정관리 시스템과 연계한 가상현장 시뮬레이션을 통해서 안전 및 환경 대책을 세우기 위한 자료로 활용하였다. 이러한 시도는 BIM을 활용하면 준공단계에도 준공도서와 현장의 여러 정보를 통합한 데이터베이스로 활용 될 수 있다는 것을 보여주며, 또한 시설물 유지관리에 활용될 수 있다는 것을 증명했다.

이론/모형

건설장비의 위치정보는 GPS(Global Positioning System)를 사용하여 적용한다. GPS는 지구상공에 위치하는 24개 GPS 위성에서 보내오는 정보를 바탕으로 지상의 경도, 위도, 고도 등 위치를 계산하는 시스템이다.
측정오차를 줄이기 위해서는 고가의 GPS 수신기를 구입해야 하므로 경제성이 떨어지게 된다. 따라서 GPS의 정확성을 확보하기 위해서 본 연구에서는 GPS-RTK(Real Time Kinematic) 기술을 적용하고 있다. 이와 같이 GPS-RTK 기술을 적용하면 cm 단위의 정확성을 확보할 수 있다.

성능/효과

첫째, BIM 적용현황 및 요구사항 분석에서는 현재 건설분야에서 BIM 적용현황을 분석하고 토공 BIM의 필요성을 검토했다. 둘째, 3D 지형정보 준비에서는 토공 BIM에 적용하기 위한 지형정보처리 방안을 제시했다. 셋째, 굴삭기 형상정보 분석에서는 토공 BIM 모델에서 필요한 굴삭기의 형상정보를 분석했다.
특히, 토공 BIM 정보를 활용하여 AR(Augmented Reality) 기술을 접목시켜서 굴삭기 조종원을 가이드하는 기능을 제공할 수 있다. 둘째, 토공작업관리 측면에서는 굴삭기와 덤프트럭 간 커뮤니케이션을 향상시키고, 장비활용의 효과를 높인다.
본 연구자들은 물량산출 및 견적시스템 개발을 위해서 데이터 속성을 분류하고 속성정보를 이용하기 위한 데이터 모델과 인터페이스를 시도했다. 또한 개발된 시스템을 가상의 프로젝트에 적용하여 BIM 환경에서 데이터 인터페이스의 유용함을 보여줬다.
이와 같은 연구는 건축 또는 토목분야에서 구조물을 대상으로 3D 모델을 생성하는 것으로서, 동적으로 변하는 대상에 대한 3D BIM은 새롭게 연구되어야할 분야이다. 본 연구에서 제시하는 3D 토공 BIM은 토공작업에 대한 3D 그래픽 모델환경을 제공함으로써 토공작업 수행에 대한 효과를 높이도록 지원한다.
(2013)은 토목사업에서 BIM발주가 늘어남에 따라서 도로공사를 대상으로 BIM 환경을 개발하여 B2D 도면의 대체효과에 대한 분석을 실시했다. 분석결과 연구자들은 BIM모델만으로는 2D도면을 일부 대체하지 못하는 문제점을 확인하고, BIM 기반의 성과품과 2D 도면의 이중작업을 방지하는 것이 필요하다는 것을 논했다.
본 연구자들은 협업을 위한 기준으로 BIM을 이용하여 각종 민원 및 공기지연을 사전에 예방하고, 공정관리 시스템과 연계한 가상현장 시뮬레이션을 통해서 안전 및 환경 대책을 세우기 위한 자료로 활용하였다. 이러한 시도는 BIM을 활용하면 준공단계에도 준공도서와 현장의 여러 정보를 통합한 데이터베이스로 활용 될 수 있다는 것을 보여주며, 또한 시설물 유지관리에 활용될 수 있다는 것을 증명했다.

후속연구

건설공사의 자동화 및 고도화는 건설시장에서 새로운 융합기술의 중요성을 요구하고 있다. 본 건설장비 관제센터 기반 스마트 토공기술 사업단에서 개발하는 첨단 토공기술은 국내뿐만 아니라 해외공사 수주 및 수행시 경쟁력을 확보할 수 있도록 지원하며, 향상된 경쟁력을 통해서 해외수주의 확대와 국가경제발전에 기여할 것이다. 이와 같은 토공작업을 관리하기 위한 3D 그래픽 시뮬레이션 기반의 토공 BIM은 대규모 단지개발 등 사업에서 유용하게 적용될 수 있다.
현재 건설산업의 발전에 비하여 건설 숙련공이 감소하는 추세라는 점을 고려했을 때 건설장비 조종원에 대한 기술지원체계가 필요하다. 본 건설장비 관제센터 기반 스마트 토공기술 사업단에서 개발하는 첨단 토공기술은 숙련 장비 조종원뿐 만 아니라 미숙련 장비조종원까지도 효과적으로 사용할 수 있는 실시간 토공정보체계를 제공하며, 시각적 그리고 데이터적 정보를 바탕으로 장비조종의 생산성을 향상시키는 역할을 제공할 것이다.
이와 같은 연구는 건축 또는 토목분야에서 구조물을 대상으로 3D 모델을 생성하는 것으로서, 동적으로 변하는 대상에 대한 3D BIM은 새롭게 연구되어야할 분야이다. 본 연구에서 제시하는 3D 토공 BIM은 토공작업에 대한 3D 그래픽 모델환경을 제공함으로써 토공작업 수행에 대한 효과를 높이도록 지원한다.
이중 지반정보, 토공면적, 지반고, 계획고는 토공 BIM을 개발하기 위해서 기초적으로 필요한 정보이며, 설계단계에서 토공지역에 대한 조사를 통해서 계획한다. 이외에 절토량, 성토량, 차인토량, 그리고 누가토량은 토공 BIM의 결과로 발생되는 내용이며, 향후 개발이 필요한 부분이다.
토공 BIM은 장비조종과 토공작업관리라는 두 가지 측면에서 기대효과를 가진다. 첫째, 장비조종 측면에서는 굴착작업시 실제현장에서 발생되는 시야확보문제 등을 해결하기 위한 정보를 제공할 수 있다. 특히, 토공 BIM 정보를 활용하여 AR(Augmented Reality) 기술을 접목시켜서 굴삭기 조종원을 가이드하는 기능을 제공할 수 있다.
향후 연구에서는 굴삭기, 덤프트럭, 도저 등 건설장비에 대한 모델링과 토공과 함께 변화하는 3D 지반모델을 실시간으로 표현하는 과제를 해결해야 한다. 현재 진행상태는 프로토타입으로 실내실험 수준이지만 향후 지속적인 연구개발로 실제현장에 적용하여 실적용성을 높일 수 있어야 할 것이다.
향후 연구에서는 굴삭기, 덤프트럭, 도저 등 건설장비에 대한 모델링과 토공과 함께 변화하는 3D 지반모델을 실시간으로 표현하는 과제를 해결해야 한다. 현재 진행상태는 프로토타입으로 실내실험 수준이지만 향후 지속적인 연구개발로 실제현장에 적용하여 실적용성을 높일 수 있어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토공 BIM과 일반 BIM과의 차이는?	토공 BIM은 설계에서 계획하는 구조물을 표현하는 일반 BIM과 비교하여 동적으로 표현해야 하는 차이점이 있다. 즉, 토공 BIM은 실시간으로 변화하는 지형과 장비의 형상을 표현해야 한다는 어려운 문제를 가지고 있다.
	BIM이란?	BIM (Building Information Modelling)은 구조물에 대한 3D 모델을 통하여 설계정보를 관리하는 시도이다. BIM은 건설사업에 활용되어서 건설산업의 생애주기에서 발생하는 데이터를 시각화하여 관리하고, 설계기술뿐만 아니라 시공기술의 획기적인 발전을 가져오고 있다.
	3차원 지형모델링을 구축하는 대표적인 방법의 이름과 특징은?	3차원 지형모델링을 구축하는 대표적인 방법에는 은 수치지형모델(DTM: Digital Terrain Model)을 이용하는 것이다. 수치지형모델링은 수치지형데이터를 취득하고, 취득한 데이터를 GIS에서 사용할 수 있도록 하기 위한 데이터 처리과정과 이를 바탕으로 하는 다양한 분석 및 응용을 포함하는 일련의 과정이다. 수치지형모델은 지표면에 일정한 간격으로 분포된 지점의 높이를 수치화하며, 이러한 정보를 전산화하여 다양하나 목적으로 활용할 수 있다. Lee and Shim(2013)이 논한 바와 같이 수치지형모델은 3차원 지형표현과 경관분석 및 설계, 그리고 절토 및 성토와 토목공사의 공학적 프로젝트 등 건설공사 수행시 다양한 목적으로 사용되고 있다.

참고문헌 (18)

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Seo, M. B., Joo, G. B. and Kim, N. G. (2013). "Analysis of substitutability of 2D electronic drawing using the BIM model - focusing on the electronic delivery system in road field." Journal of the Korea Contents Association, Vol. 13, No. 11, pp. 441-450.

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Shim, C. H., Lee, K. M., Kang, I. S., Kim, Y. H. and Hwang, K. H. (2011). BIM guideline for civil engineering, Virtual Construction Research Group, Ministry of Land, Infrastructure and Transportation, Sejong, Korea
Shin, J. C., Back, Y. I. and Park, W. T. (2011). "Technical note : Analysis of Errors in Tunnel Quantity Estimation with 3D-BIM Compared with Routine Method Based 2D." Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 27, No. 8, pp. 63-71.

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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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