국내 AEC 산업 분야에 2000 년대 중반부터 그 적극적인 도입이 시작된 BIM 기술은 최첨단 건축, 초대형 건축, 비정형 건축 등을 중심으로 그 도입이 가속화 되어 왔다. 건물 구축 기술의 부족으로 의해 완공률이 낮았던 비정형 건축물들이 BIM 기술의 도입으로 많은 구축 성공 사례가 생기면서 건축가들이 비정형 건축 설계에 활발히 도전하고 있다. 그러나 비정형 설계가 가능한 모델러들은 설계, 시공, 유지관리 등에서의 데이터 관리가 효율적인 BIM 데이터의 구축이 어렵다. 그러므로 본 연구에서는 비정형 모델러에서 생성된 건축 부재 데이터의 BIM 데이터로의 변환 프로세스를 제안하였다. 제안된 프로세스 모델은 비정형 건축 부재를 형성하기 위한 형성 조건 수신부, 건축부재 생성부, 그리고 BIM 데이터 생성부 세가지 부분으로 구성된다. 구체적으로는 NURBS 기반 모델러에서 비정형 슬라브, 기둥, 보 파라메트릭 건축 부재 형성과 BIM 도구로의 데이터 전이 및 BIM 건축 부재 데이터 형성을 위한 프로세스 모델을 제안하며, 이를 실현하기 위한 프로토타입 시스템이 구현되었다.
국내 AEC 산업 분야에 2000 년대 중반부터 그 적극적인 도입이 시작된 BIM 기술은 최첨단 건축, 초대형 건축, 비정형 건축 등을 중심으로 그 도입이 가속화 되어 왔다. 건물 구축 기술의 부족으로 의해 완공률이 낮았던 비정형 건축물들이 BIM 기술의 도입으로 많은 구축 성공 사례가 생기면서 건축가들이 비정형 건축 설계에 활발히 도전하고 있다. 그러나 비정형 설계가 가능한 모델러들은 설계, 시공, 유지관리 등에서의 데이터 관리가 효율적인 BIM 데이터의 구축이 어렵다. 그러므로 본 연구에서는 비정형 모델러에서 생성된 건축 부재 데이터의 BIM 데이터로의 변환 프로세스를 제안하였다. 제안된 프로세스 모델은 비정형 건축 부재를 형성하기 위한 형성 조건 수신부, 건축부재 생성부, 그리고 BIM 데이터 생성부 세가지 부분으로 구성된다. 구체적으로는 NURBS 기반 모델러에서 비정형 슬라브, 기둥, 보 파라메트릭 건축 부재 형성과 BIM 도구로의 데이터 전이 및 BIM 건축 부재 데이터 형성을 위한 프로세스 모델을 제안하며, 이를 실현하기 위한 프로토타입 시스템이 구현되었다.
BIM technology has been used in the domestic AEC field since the middle 2000s. BIM has proved its worth in cutting-edge buildings, mega-buildings and freeform buildings in particular. Many freeform buildings could not be completed due to the low level of construction technique. However, many success...
BIM technology has been used in the domestic AEC field since the middle 2000s. BIM has proved its worth in cutting-edge buildings, mega-buildings and freeform buildings in particular. Many freeform buildings could not be completed due to the low level of construction technique. However, many successful cases emerged after adopting digital technology, including BIM which encouraged architects to challenge freeform designs. The modeling software that can generate the freeform shape are not usually able to build the efficient BIM data type in the AEC industry. In this study a process model of the parametric freeform construction member generation and conversion to BIM data is shown and the prototype system is demonstrated.
BIM technology has been used in the domestic AEC field since the middle 2000s. BIM has proved its worth in cutting-edge buildings, mega-buildings and freeform buildings in particular. Many freeform buildings could not be completed due to the low level of construction technique. However, many successful cases emerged after adopting digital technology, including BIM which encouraged architects to challenge freeform designs. The modeling software that can generate the freeform shape are not usually able to build the efficient BIM data type in the AEC industry. In this study a process model of the parametric freeform construction member generation and conversion to BIM data is shown and the prototype system is demonstrated.
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문제 정의
그러나 설계 오류의 감소, 시공 및 부재제작을 위한 정확한 데이터의 확보, 이로 인한 건물의 품질 확보, 디지털 데이터의 효율적인 관리 등을 위한 비정형 건축의 BIM 설계 데이터 확보는 BIM 도구의 기능적인 한계 또는 추가작업에 대한 부담 등으로 인해 어려움이 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 비정형 건축의 설계 단계에서 비정 형태의 객체를 파라메트릭 건축 부재로 형 성하고 이를 건축부재 BIM 데이터 구조로 구축하여 BIM 데이터로 변환하는 프로세스 모델을 개발하였으며, 이 모델을 실행하는 프로토타입 시스템을 구현하였다. 제안된 프로세스 모델은 비정형 건축 설계단계에서 생성된 비정 형태 객체들을 건축적으로 의미 있는 건축 정보로 자동변환하고, 이를 BIM 데이터로 구축하는 일련의 과정들을 자동화 함으로서 비정형 건축 설계 데이터 구축에 대한 설계 시간을 감소할 수 있으며, 설계 데이터에 대한 일관성 있는 통합적인 관리가 가능하게 하여, 설계 오류를 감소시키고, 부재 제작 및 시공의 품질을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이에, 본 연구에서는 비정형 건축 설계의 효율성을 증가시키고, 비정형 건축 부재의 생산성 및 시공성을 향상 시키기 위하여 NURBS 기반 모델러에서의 비정형 파라메트릭 건축 부재형성과 이의 BIM 데이터로의 자동 변환 프로세스 모델을 제안하고 프로토타입 시스템을 구현하고자 한다.
제안 방법
기둥 BIM 데이터 생성부는 익스포트된 기둥 데이터 구조를 BIM 도구에서 로드하여 각각의 기둥 객체를 생성하여 기둥 BIM 데이터를 생성하는 과정으로 이루어진다. 기둥 데이터 구조로부터 기둥 단면 유형, 층수, 층고를 추출하고, 기둥 유형별 치수 정보, 각 기둥의 위치 정보 및 단면 회전각, 벡터 절점 정보를 추출한다. 기둥의 기울기는 벡터 절점 정보를 이용하여 계산하고, 기둥 단면 유형을 판단하며, 기둥 단면 유형에 따라 다른 종류의 기둥 객체를 생성한다.
본 연구는 파라메트릭 기법을 이용한 비정형 건축부 재형성 단계, 형성된 건축 부재의 BIM 데이터 구조 구성 및 BIM 도구로의 데이터 자동 변환 단계를 포함하는 프로세스 모델을 구축하고, 이에 기반한 프로토타입 시스템을 개발하여 제안된 프로세스 모델을 실현하는 과정으로 구성된다. 본 연구에서의 건축 부재의 구체적인 범위는 비정형 슬라브, 기둥, 보 세 가지이며, 기둥 및 보 부재의 경우, 연구의 BIM 도구로 선택한 ArchiCAD에 서 수용할 수 있는 비정형 부재 형태의 한계가 있으므로 이에 따른 곡선 기둥 및 원형 보 생성은 본 연구범위에서 제외되었다.
본 연구에서 제안하는 비정형 건축부재형성 및 BIM 데이터 변환 프로세스 모델은 [Fig. 2]와 같이 비정형 건축부재를 형성하기 위한 형성 조건 수신부, 건축부재생성부, 그리고 BIM 데이터 생성부 세가지 부분으로 구성된다. 이들 중 첫 번째, 두 번째 단계는 파라메트릭 부재형성을 위한 GH와 3D 모델러인 Rhino에서 모델링이 구현되며, 마지막 단계인 BIM 데이터 생성부는 BIM 도구인 ArchiCAD의 API에서 구현된다.
비정형 파라메트릭 건축 부재 형성을 위한 비정형 객체 및 부재 형성 모델링은 NURBS 기반 모델러인 Rhino에서 구현되었으며, 부재 형성 조건값의 입력과 파라메트릭 모델링 구현 및 부재 데이터 구조 익스포트(export) 프로세스는 Grosshopper(이하 GH) in Rhino를 기반으로 구현되었다. 또한 슬라브, 기둥, 보부재의 BIM 데이터 생성은 ArchiCAD 시스템의 API(Application Program Interface) 기반 C++로 구현되었다.
첫째, 슬라브 외곽선 추출과정에서는 층의 구분이 없는 NURBS 곡면 또는 메쉬 형태의 표피를 비정형 건물 외피로 정의하고 이들로부터 건물 구조체인 슬라브를 추출하여 형성하기 위하여 주어진 파라미터 정보인 층 구분 조건에 의해 층별 구분 정의가 먼저 수행되며, 이를 위해 먼저 정의되어야 할 GH 파라미터 정보는 최하층의 바닥 레벨 값과 건물의 층수, 층고 값이 된다. 이 세 가지 정보를 이용하여 각 층의 위치 데이터인 층정보 리스트를 형성하고, 이를 기반으로 계산된 해당 각 층 위치에 최하층부터 각층의 바닥평면(plane)을 생성하며, 외피 곡면과 생성된 각 층별 평면과의 교차 외곽선인 슬라브 외곽선을 추출하도록 구성된다. 둘째, 슬라브 부재 형성과정은 슬라브 형성조건 수신부로부터 입력된 슬라브 두께를 포함하는 슬라브형성조건과 추출된 슬라브외곽선 정보를 기반으로 Z벡터 방향으로 3D 돌출(extrude)과정을 거쳐 최하층 3D 슬라브 부재가 생성되며, 상기 처리 과정을 각 층별 위치에 반복 수행하는 것에 의해 다층 3D 슬라브 부재를 생성한다.
이와 달리, 기둥 높이가 층고보다 큰 경우에는 생성된 기둥 높이를 층고로 나누어 각 층에 3D 기둥을 다층으로 분할하여 생성한다. 이후 여러 층에 생성된 기둥들의 각 높이의 기준이 되는 다층 기둥 방향벡터들의 절점 정보를 추출하는 처리 과정을 수행한다.
슬라브 데이터 구조 익스포트과정은 각 층별로 추출된 교차 외곽선 정보를 기반으로 3D 다면체의 효율적인 면분할 개수로 조정하기 위한 과정을 거친다. 즉, 추출된 교차 외곽선 정보를 슬라브형성조건인 외곽 다중선분할 수 조건값으로 외곽선의 변의 개수를 조정하는 과정을 시행한 후, 외곽선 절점들의 좌표점 정보를 각 층마다 추출하고, 슬라브 두께 값과 외곽선 다각형 절점 개수 및 조정된 슬라브 외곽선 절점들의 좌표점 정보를 포함하는 3D슬라브 전체 데이터를 형성한다. 이때 형성된 슬라브 데이터 구조는 슬라브 두께, 외곽선 절점 개수, 외곽선 좌표점 1~N의 좌표값을 층수만큼 포함한다.
비정형 슬라브 부재형성 및 BIM 데이터로의 변환 프로세스는 다음과 같이 크게 3부분으로 구성된다. 첫째, 슬라브 외곽선 추출대상 객체 선택 및 슬라브 형성조건을 입력하는 슬라브 형성조건 수신부, 둘째, 비정형 건물 외관의 3차원 곡면 또는 2차원 곡선으로부터 슬라브의 외곽선을 추출하여 슬라브 부재를 형성한 후, 슬라브 부재 데이터 구조 생성 및 익스포트하는 슬라브 부재 형성부, 셋째, 전이된 슬라브 데이터 구조를 이용하여 슬라브 객체를 구축하여 슬라브 BIM 데이터를 생성하는 슬라브 BIM 데이터 생성부로 구성된다.
대상 데이터
이는 기둥 형성조건 데이터를 입력받는 과정으로 기둥 단면정보, 방향벡터 정보, 층고, 층수 등의 기둥 형성조건 입력과정을 포함한다. 기둥 형성조건 데이터는 비정형 기둥에 대한 BIM 데이터 변환을 위한 단면 종류 및 치수, 단면 객체, 기둥 방향벡터 객체, 건물 층고와 층수를 포함하는 데이터로 구성된다.
보 형성조건 수신부는 보 형성조건 데이터를 입력받는 과정으로 보 단면정보, 방향벡터 정보, 층고, 층수 등의 보 형성조건 입력과정을 포함한다. 보 형성조건 데이터는 비정형 보에 대한 BIM 데이터 변환을 위한 단면 종류, 단면 치수 및 절점정보, 직선 벡터의 방향벡터 객체정보, 그물식 벡터의 표면 정보 및 UV 분할 지수 및 분할 교차점 절점 정보를 포함하는 데이터로 구성된다.
슬라브 형성조건 수신부는 슬라브 외곽선 추출대상 객체 선택 및 슬라브 형성조건 입력과정으로 구성된다. 외곽선 추출대상 객체는 3D 곡면 객체와 2D 외곽선 객체로 그 종류가 구분되고, 객체 선택의 과정을 거치며, 형성조건 입력항목은 층고, 외곽 다중선 분할수, 최하층 바닥레벨(z값), 슬라브 두께, 건물의 층수 정보를 포함한다.
후속연구
이상과 같은 연구를 기반으로 다음 연구에서는 본 연구에서 다루지 못했던 건축 부재들 중 비정형벽과 비정형 지붕의 BIM 데이터 변환에 관한 후속 연구를 수행할 예정이다. 이 부분은 디자인된 형태를 BIM 데이터로 변환하는 과정에서 부재 제작이 가능한 패널로 분할하는 최적화 알고리즘이 필요하며, 특히 벽에 대한 분할 알고리즘은 제작비 및 사업비 측면을 고려한 가전면 패널로의 변환 알고리즘을 적용할 예정이다.
이상과 같은 연구를 기반으로 다음 연구에서는 본 연구에서 다루지 못했던 건축 부재들 중 비정형벽과 비정형 지붕의 BIM 데이터 변환에 관한 후속 연구를 수행할 예정이다. 이 부분은 디자인된 형태를 BIM 데이터로 변환하는 과정에서 부재 제작이 가능한 패널로 분할하는 최적화 알고리즘이 필요하며, 특히 벽에 대한 분할 알고리즘은 제작비 및 사업비 측면을 고려한 가전면 패널로의 변환 알고리즘을 적용할 예정이다.
이에 본 연구에서는 비정형 건축의 설계 단계에서 비정 형태의 객체를 파라메트릭 건축 부재로 형 성하고 이를 건축부재 BIM 데이터 구조로 구축하여 BIM 데이터로 변환하는 프로세스 모델을 개발하였으며, 이 모델을 실행하는 프로토타입 시스템을 구현하였다. 제안된 프로세스 모델은 비정형 건축 설계단계에서 생성된 비정 형태 객체들을 건축적으로 의미 있는 건축 정보로 자동변환하고, 이를 BIM 데이터로 구축하는 일련의 과정들을 자동화 함으로서 비정형 건축 설계 데이터 구축에 대한 설계 시간을 감소할 수 있으며, 설계 데이터에 대한 일관성 있는 통합적인 관리가 가능하게 하여, 설계 오류를 감소시키고, 부재 제작 및 시공의 품질을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BIM이란?
1970년대에 개념이 도입된 건설정보모델링(Building Information Modeling, 이하 BIM)은 2000년대 중반부터 국내 AEC 산업 분야에 적극적으로 도입되기 시작하였다. BIM이란 건축 기획, 설계 단계에서부터 시공, 유지관리까지 AEC 및 FM 산업 전반에 걸쳐 건설 프로젝트 생애주기 동안에 발생하는 모든 정보 및 프로세스를 포괄하는 개념이다. BIM은 특히 기존 2D 설계도면 방식으로는 현장 시공 및 부재 제작 등을 위한 정확한 데이터 확보에 어려움이 있는 복잡한 형태의 건축, 초대형 건축, 최첨단 기술을 요하는 건축, 비정형 건축 등에 그 도입이 가속화되어 왔다.
BIM은 어디에 활용되어 왔는가?
BIM이란 건축 기획, 설계 단계에서부터 시공, 유지관리까지 AEC 및 FM 산업 전반에 걸쳐 건설 프로젝트 생애주기 동안에 발생하는 모든 정보 및 프로세스를 포괄하는 개념이다. BIM은 특히 기존 2D 설계도면 방식으로는 현장 시공 및 부재 제작 등을 위한 정확한 데이터 확보에 어려움이 있는 복잡한 형태의 건축, 초대형 건축, 최첨단 기술을 요하는 건축, 비정형 건축 등에 그 도입이 가속화되어 왔다. 이러한 BIM 기술의 도입은 2차원 도면정보와 도서를 기반으로 하는 설계정보의 개념을 3차원 설계형상정보 및 비형상정보의 통합체로 변화시키고 있다.
비정형 건축 설계 데이터를 비정형 건축의 품질이 확보되는 BIM 데이터로 구축하는데 어려움이 많은 이유는?
이러한 점은 건축가들이 비정형 건축 설계에 활발히 도전하는 계기를 마련하고 있지만, 여전히 비정형 건축 설계 데이터를 비정형 건축의 품질이 확보되는 BIM 데이터로 구축하는 데에는 어려움이 많다. 그 이유 중 한 가지는, 국내에서 주로 사용되는 BIM 도구들(대표적인 예: Revit, ArchiCAD)로는 건축가가 원하는 자유로운 비정형태의 구현에 한계가 있기 때문이다. 또 다른 이유는, 자유로운 형태생성을 위해서 많이 사용되고 있는 NURBS(non-uniform rational 모델러(자유로운 3차원 곡면형상의 구현이 가능하며 대표적인 예로는 Rhinoceros, 3ds Max 등이 있음)에서 디자인된 건축 형상 객체는 BIM 데이터가 아니므로 BIM 데이터 생성을 위해서는 BIM 도구로의 데이터 변환을 위한 별도의 추가 작업 또는 BIM 모델로의 재구축이 필요하기 때문이다. NURBS 기반 모델러의 한 종류인 Rhinoceros (이하 Rhino)는 형태생성의 용이함뿐만 아니라 도면생성 및 CAD 시스템과의 호환이 가능한 장점이 있지만, 시공 및 부재 제작을 위한 정확한 데이터를 생성하거나 대규모의 프로젝트에서 많은 양의 데이터를 관리하기에는 그 시스템적인 한계가 존재한다.
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