[논문]BIM기술의 수공방재 분야 적용과 발전방향

정창삼; 허준행; 최성열

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문제 정의

따라서 본고에서는 최근 국민안전처의 연구과제로 수행된 “3차원 BIM 기술을 활용한 수방시설의 능동형 재난관리 체계구축”를 중심으로 BIM기술의 수공 방재 적용 사례를 소개하고자 한다.
BIM 기반 통합방재시스템은 해당 지역에 대한 3차원 정보모델(지형 및 시설물에 대한 형상 및 속성 포함)을 구축하고 다양한 상황에 대한 시뮬레이션을 실시하여, 이를 통해 재난에 대비할 수 있도록 하는 의사결정지원시스템이라 할 수 있다. 본 연구에서는 정밀한 수리계산에 의한 홍수모형을 적용하여 범람으로 인한 침수상황에 대한 방재 업무를 수행할 수 있도록 개발하였다. 본 시스템에서는 침수상황에 대한 정보가 직관적으로 묘사되기 때문에 방재 업무를 하는 담당자들이 쉽게 상황을 파악할 수 있으며, 각각의 상황에 맞는 안전 대피경로 결정 등과 같은 대비책을 미리 마련할 수 있도록 하는 도구로 활용될 수 있다.
기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고 있다. 본고에서는 이러한 BIM 기술을 수공분야에 활용하게 될 때의 장점과 적용사례를 기술하고자 한다.

제안 방법

구축된 수리모형을 이용한 EAP(Emergency Action Plan) 홍수범람지도와 기 수집한 유역의 EAP 홍수 범람지도와의 차이를 비교·분석 하였으며 각각의 홍수범람지도를 그림 1과 2에 나타내었다.
재난·재해 상황을 모의할 수 있는 수리 모형을 3차원으로 가시화하기 위해 강우-유출모형과 수방구조물 붕괴 모의를 통한 1차원과 2차원 수리모형 해석을 결합한 수리모형을 구축하였다.

대상 데이터

본 연구를 통해 개발된 통합방재시스템은 경기도에 위치하고 있는 A 하천과 B 하천 유역을 대상으로 Test-bed를 수행하여 그 적용성을 검증하였다. 이를 통해 BIM기반의 지형 및 시설물 모델 생성을 위한 프로세스를 구체화하였고, 재난상황에 대한 시각화 및 정보화를 통해 상황판단을 위한 다양한 정보들을 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며, 상황 전개에 따른 안전 대피경로를 산정하는 등 상황에 맞는 필요한 조치가 가능하다는 것을 확인하였다.

성능/효과

1) 측정: 3D지도에 포함되어 있는 3차원 좌표정보를 활용하여 2D지도 보다 정확하게 거리와 면적을 측정할 수 있다. 이를 이용하여 대피거리나 피해면적 등을 정확하게 산출할 수 있다.
2) 검색: 본 시스템의 검색기능은 일반적인 지도 검색기능 뿐만 아니라 사용자의 요구사항에 맞는 다양한 BIM 속성정보에 대한 검색기능을 포함한다. 이는 BIM모델에 정확한 정보가 제공된다면 주요시설물 검색과 같은 일반적인 검색 이외에 구조물의 구조적 특성, 현 수용인원, 시설 내의 노약자의 인원을 층별로 검색하는 등 다양한 필요정보들을 검색할 수 있음을 의미한다.
3) 지형모델: 지형모델 기능은 시각적 효과를 통해 통합방재시스템을 통한 의사결정을 지원하는 것으로, 시설물을 3D지형 상에 표현하거나, 수리해석을 통해 제공되는 특정위치에서의 수심, 속도 및 방향 등을 시각적으로 제공한다.
3차원 도시정보모델링 시 생성해 놓은 정보들은 의사결정지원을 위해 다양한 조합을 통해 결과값 도출 시뮬레이션이 가능하다. 제방 붕괴에 따라 도시침수가 발생한 경우에서는 1) 위치/형상적 측면의 요소인 건물의 위치(GPS 좌표계), 건물의 높이, 건물의 면적 등을, 2) 기능적 의미정보의 측면의 요소인 건물이름, 건물구조, 건물층수, 행정 동, 인구수, 장애인 비율 등을, 예상 피해결과가 도출된 상황에서는 3) 피해결과 도출 요소인 예상 사망자수, 예상 고립자 수, 건물 피해금액 등을 질의 인자로 활용하여 의사결정을 위한 정보를 도출할 수 있다. 예를 들어 구조팀 지원 우선순위를 결정하기 위해서는 예상 고립자 수가 많은 순으로 건물의 행정동 정보를 도출할 수 있으며, 인명피해와 자산피해의 상관관계를 검토하기 위해 예상 사망자 수가 많은 순으로 자산피해 정보를 도출할 수도 있다.
정보의 흐름차원에서 3차원 도시정보모델기반 생성정보연계 및 재활용의 가장 중추적인 프레임의 역할을 하는 것이 데이터 스키마(틀)라고 할 수 있다. 데이터 스키마는 어떠한 정보항목을 어떤 속성을 가지는 형태로 어떻게 표현해야하는지 추상화된 객체를 활용하여 사전에 이를 정해놓는 것으로, 재난상황 사전 시뮬레이션에 적용하기에 가장 적합한 형태의 데이터 스키마는 1) 정보모델의 3차원 가시성(visualization), 2) 도시객체의 표현 가능성에 대한 포괄성(comprehensiveness), 3) 사용자 또는 모델 생성자에 의한 사용자정의 정보항목 추가에 대한 확장성(extensible), 4) 기존 소프트웨어를 통한 정보모델의 내부 속성 제어가 능성의 네 가지의 항목을 고려하여 선정할 필요가 있다. 이러한 기준을 고려했을 때, 적합한 형태의 데이터 스키마 중에 하나가 City Geography Markup Language (CityGML)이다.
이를 통해 BIM기반의 지형 및 시설물 모델 생성을 위한 프로세스를 구체화하였고, 재난상황에 대한 시각화 및 정보화를 통해 상황판단을 위한 다양한 정보들을 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며, 상황 전개에 따른 안전 대피경로를 산정하는 등 상황에 맞는 필요한 조치가 가능하다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 과거에 발생된 실제 피해상황과 비교 분석되었으며, 이를 통해 본 시스템의 적용 가능성을 입증하였다.
본 연구를 통해 개발된 통합방재시스템은 경기도에 위치하고 있는 A 하천과 B 하천 유역을 대상으로 Test-bed를 수행하여 그 적용성을 검증하였다. 이를 통해 BIM기반의 지형 및 시설물 모델 생성을 위한 프로세스를 구체화하였고, 재난상황에 대한 시각화 및 정보화를 통해 상황판단을 위한 다양한 정보들을 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며, 상황 전개에 따른 안전 대피경로를 산정하는 등 상황에 맞는 필요한 조치가 가능하다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 과거에 발생된 실제 피해상황과 비교 분석되었으며, 이를 통해 본 시스템의 적용 가능성을 입증하였다.
지금까지 수공분야에서는 모델링 결과를 표출할 때 GIS를 주로 활용하였다. 입력 자료의 구축을 위해서 사용되어진 GIS는 결과의 표출에서도 2차원적인 시각 표출이 가능했고 과거 도면 위주의 표출에 비해 많은 장점을 가지고 있었다. 하지만 이제 IT 기술의 발달에 의해 더 많은 정보의 표출이 필요하게 되었다.
도시 침수가 발생한 상황을 가정했을 경우에는 예상 인명 및 자산피해 산정과 관련해서는 연령별 인구, 장애자 비율, 물가지수, 건물자산가치 등이 그 예가 될 수 있다. 침수상황에서의 예상인명피해나 자산피해 결과 산출은 이들 결과를 적절히 표현할 수 있는 이론을 정보모델 상에 반영할 수 있는데, 결과 값 산출을 위한 입력정보는 3차원 도시정보모델에서 직접 추출이 가능하고, 출력 정보는 미리 마련해 두고 있는 저장공간상에 결과 값을 생성하여 도시정보모델과 연계할 수 있다.

후속연구

재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해 상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활용될 수 있다.
본 연구에서는 정밀한 수리계산에 의한 홍수모형을 적용하여 범람으로 인한 침수상황에 대한 방재 업무를 수행할 수 있도록 개발하였다. 본 시스템에서는 침수상황에 대한 정보가 직관적으로 묘사되기 때문에 방재 업무를 하는 담당자들이 쉽게 상황을 파악할 수 있으며, 각각의 상황에 맞는 안전 대피경로 결정 등과 같은 대비책을 미리 마련할 수 있도록 하는 도구로 활용될 수 있다. 본 시스템은 방재업무 담당자들을 대상으로 개발되었지만 추후 정보공개 수준을 고려하여 일반인도 활용할 수 있도록 개선할 수 있으며, 홍수 등에 의한 침수 상황 뿐 만 아니라 다양한 재난상황을 적용하여 각각의 해당 상황에 대한 시뮬레이션을 통해 적절한 의사결정을 할 수 있도록 하는 범용 재난 관리시스템으로 발전할 수 있을 것이다.
본 시스템에서는 침수상황에 대한 정보가 직관적으로 묘사되기 때문에 방재 업무를 하는 담당자들이 쉽게 상황을 파악할 수 있으며, 각각의 상황에 맞는 안전 대피경로 결정 등과 같은 대비책을 미리 마련할 수 있도록 하는 도구로 활용될 수 있다. 본 시스템은 방재업무 담당자들을 대상으로 개발되었지만 추후 정보공개 수준을 고려하여 일반인도 활용할 수 있도록 개선할 수 있으며, 홍수 등에 의한 침수 상황 뿐 만 아니라 다양한 재난상황을 적용하여 각각의 해당 상황에 대한 시뮬레이션을 통해 적절한 의사결정을 할 수 있도록 하는 범용 재난 관리시스템으로 발전할 수 있을 것이다.
최근 사회 전반적으로 재난 · 재해에 대한 경각심이 높아지고 이에 따라 수방 시설물의 관리에 대한 연구에 대한 관심과 필요성이 대두되고 있는 시점에서 국가 및 각 지자체 하에 있는 수방시설물 관리 시스템에 BIM기술을 활용한 3차원 재난관리 시스템이 연계된다면, 전국의 수방시설물을 보다 효율적으로 관리할 수 있을 것이며 재난 · 재해로부터 피해를 최소화 할 수 있는 체계 구축이 가능할 것이라 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

기존 EAP의 한계점은 무엇인가?

기존의 EAP(Emergency Action Plan)는 댐하류부 영향평가에 따른 대피지도 작성 시 2D 환경에서 기술자의 판단에 의해 한 장의 종이문서로 작성하기 때문에 체계적인 재난대응능력이 부족하다. 반면, BIM을 이용한 통합방재시스템은 비상상황 단계별 보고 및 전파체계, 대피경로를 3차원으로 가시화하여 신속한 비상대처계획 구축이 가능하다(그림 3).

재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해 필요한 정보는 무엇인가?

재난재해 발생 시의 피해 상황을 예측하고 이에 신속하게 대처함으로써 피해를 최소화하기 위해 재난 재해 상황을 모의할 수 있는 수리 모형을 3차원으로 가시화하고 BIM(Building Information Modeling) 기술을 활용한 재난 관리 시스템을 구축할 필요성이 대두되고 있다. 재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해 상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활용될 수 있다.

3차원 도시정보모델링 측면에서의 재난예방 또는 피해최소화를 위한 계획 수립은 어떤 과정을 거쳐야 가능한가?

3차원 도시정보모델링 측면에서의 재난예방 또는 피해최소화는 실제와 유사한 상황의 시뮬레이션을 통해 적극적인 조치계획 수립을 통해 가능하다. 이러한 과정은 크게 ‘어떤 정보항목을 바탕’ 하여, ‘어떤 방식으로 정보모델을 생성’하고, 이를 ‘어떻게 활용’하는가에 대한 부분으로 나눌 수 있다. 어떤 정보항목을 바탕으로 할지에 대한 문제는 의사결정을 하고자 하는 바의 목적에 따라 달라지는 것으로, 도시지역 침수해 발생의 경우에는 해당 도시지역의 지형, 구조물의 기본정보 등이 그 예가 될 수 있으며, 부가적인 항목으로 수리해석데이터, 계측데이터 등도 활용가능하다. 정보모델을 생성하는 방식에 있어서는 타 시스템과의 정보연계 신뢰성, 정보 활용의 연속성 및 정보 호환성을 고려해야 한다. 손실 없는 정보의 저장 또는 재사용 자체가 모델의 활용과 직접적으로 연결되는 것으로, 전술한 항목들은 재난예방 또는 피해 최소화라는 최종 목적에 따른 정보 활용에 종속되는 것이라 할 수 있다.

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