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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 소프트웨어를 활용하여 3차원 선형을 중심으로 건설되는 철도 궤도부의 요소모델을 생성하는 알고리즘을 제안하였고, 표준 형식을 통해 공간적, 물리적 정보를 표현하기 위하여 확장 IFC 기반의 정보모델을 생성하는 방법론을 제시하였다. 이를 위하여 철도 궤도부의 요소를 연속 구조물과 비연속 구조물로 분류하고, 선형정보 연계를 통해 모델을 생성하였으며, 기존 IFC 기반으로 궤도분야의 물리적, 공간적 요소를 확장하고, 이를 라이브러리로 생성하여 정보모델 생성과정에서 활용하였다.
- 본 연구에서는 3차원 선형을 중심으로 생성되는 철도 궤도부의 정보관리에 BIM을 적용하기 위하여 소프트웨어간의 정보연계를 통한 요소모델을 생성 방안을 제시하고 이를 확장 IFC 기반의 정보모델로 변환하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 첫째, 이산화된 선형정보 연계를 통하여 캔트가 반영된 연속 구조물과 비연속 구조물 모델을 생성하였다.
- 본 연구에서는 확장 IFC 기반의 철도 궤도부 정보모델 생성을 위한 2개의 방법론를 제시하였다. 2장에서 제시한 기존 소프트웨어 연계를 통한 철도 궤도부 정보모델 생성방법과, 3장에서 제시한 생성된 정모모델을 확장 IFC 기반의 철도 궤도부 정보모델로 변환하는 방법이다.
- ifc 파일을 생성하는 과정에 있어서 중요하게 고려해야 하는 사항은 AMT와 BAT에서 각각 생성된 모델 객체의 공간적 개념을 반영한 모델 통합에 있다. 이에 따라 본 연구에서는 통합된 모델을 관리하는 BAT 환경에서 확장 IFC 기반 정보모델을 생성할 수 있는 export 모듈을 개발하였다. Export 모듈은 크게 BAT에서 형상 및 속성 정보를 추출하고 객체 배치를 위한 좌표변환 정보를 획득하는 과정과 이를 관리하는 외부 참조 파일을 생성하는 과정, 그리고 외부 참조 파일을 통해 확장 IFC 기반의 IPF 파일을 생성하는 과정으로 구분할 수 있다(Fig.
- 이에 본 연구에서는 연속 구조물과 비연속 구조물이 통합된 궤도부 모델 생성을 위하여 Fig. 1과 같이 AMT와 BAT를 연계한 모델링 프로세스를 제안하였다. BIM의 개념에 맞는 정보모델 생성을 위하여 AMT와 BAT 두 가지 모델링 소프트웨어를 사용하였으며, 연속 구조물은 AMT에서 재생성된 3차원 선형을 기준으로 표준횡단을 지정하고, 선형에 따라 표준횡단을 배치하고, 횡단점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다.
제안 방법
- 외부 참조파일은 모델의 각 객체 단위로 요소(element)를 생성하였으며, 이 요소는 계층정보와 함께 객체의 속성과 IPF 파일 생성 시 활용하기 위한 적절한 확장 IFC 요소의 정보도 포함하고 있다. 적절한 IFC 요소는 1) 전술한 바와 같이 모델 객체가 포함하고 있는 속성(분류체계 번호)에 기반하여 자동으로 매핑하는 방법과, 2) 사용자 인터페이스(user-interface, UI)에서 end-user가 직접 적절한 IFC 요소를 선택하는, 두 가지의 방법을 활용하였다(Fig. 4 참조). 형상 생성을 위한 추출정보는 솔리드 객체의 삼각화(tessellation)를 통해 이를 구성하고 있는 면의 식별자 및 면을 구성하고 있는 점의 기하학 정보를 대상으로 하였다.
- 3장에서 제시한 방법론을 통해 확장 IFC 기반의 정보모델을 생성하는 과정에서 객체의 식별을 위하여 ‘시설물분류체계(PBS)’라는 속성정보를 추가로 생성하였으며, 분류코드를 참고하여 침목은 분류코드 ‘BA202’를 추가하였고, 도상 및 레일은 ‘BA301’, ‘BA101’를 추가하였다(Fig.
- AMT에서 생성된 선형정보, global 위치정보, 캔트정보를 활용하여 비연속 구조물의 local 기준점을 실제 선형의 global 기준점에 매핑하고, θx, θy, θz를 계산하였다.
- 1과 같이 AMT와 BAT를 연계한 모델링 프로세스를 제안하였다. BIM의 개념에 맞는 정보모델 생성을 위하여 AMT와 BAT 두 가지 모델링 소프트웨어를 사용하였으며, 연속 구조물은 AMT에서 재생성된 3차원 선형을 기준으로 표준횡단을 지정하고, 선형에 따라 표준횡단을 배치하고, 횡단점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다. 궤도 모델의 통합을 위하여 연속 구조물을 Solid로 변환하고, 이를 BAT에 전달하였다.
- 이때의 입력 파일은 이전과정에서 생성한 외부 참조파일이며, 외부 참조파일의 하나의 요소가 확장 IFC의 하나의 요소로 생성된다. IFC요소 간의 관계는 외부 참조파일의 계층정보를 활용하였는데, 동일 계층의 공간요소와 공간요소의 연결은 IfcRelAggregates, 공간요소와 그 공간요소가 포함하고 있는 물리요소와의 연결은 IfcRelContainedInSpatialStructure, 공간 또는 물리요소와 그 요소가 포함하고 있는 속성과의 연결은 IfcRelDefinesBy Properties 요소를 통해 연결될 수 있도록 하였다.
- 형상 생성을 위한 추출정보는 솔리드 객체의 삼각화(tessellation)를 통해 이를 구성하고 있는 면의 식별자 및 면을 구성하고 있는 점의 기하학 정보를 대상으로 하였다. IPF 생성 모듈은 STEP Tools(TM)의 ST-Developer를 활용하여 컴파일한 클래스 라이브러리를 통해 개발하였다. 전술한 확장 IFC에 대한 EXPRESS 코드를 ST-Developer를 통해 Java 클래스 라이브러리로 생성하고, IKVM.
- 33px;">y는 캔트정보와 비연속 구조물의 global 위치 점을 활용하여 계산하였다. 계산된 변수를 비연속 구조물 라이브러리에 적용하여 비연속 구조물의 형상정보를 생성하였다.
- 확장된 물리적 요소는 재질을 표현하는 속성인 PredefinedType와 형태를 표현하는 속성인 FunctionType을 요소내의 속성(attribute)으로 추가하였다. 공간요소에는 전체 구간를 표현하는 IfcTrack, 일부 구간을 표현하는 IfcTrackPart로 구분하여 확장하였다. 철도 궤도부의 설계정보 중 사용목적, 궤간, 슬랙은 단일 물리적 요소에서 표현하기 부적합하여 공간정보인 IfcTrackPart내의 속성으로 PredefinedType, Track Gauge, Slack을 추가하였다.
- 공간정보는 IfcSite 하위에 IfcTrack 요소로 ‘Track_9-11km’을 생성하였고, 목적을 기준으로 ‘Track_9-11’ 하위에 IfcTrackPart 요소로 토공구간인 ‘Station1’과 ‘Station3’, 교량구간인 ‘Station2’를 생성하였다.
- BIM의 개념에 맞는 정보모델 생성을 위하여 AMT와 BAT 두 가지 모델링 소프트웨어를 사용하였으며, 연속 구조물은 AMT에서 재생성된 3차원 선형을 기준으로 표준횡단을 지정하고, 선형에 따라 표준횡단을 배치하고, 횡단점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다. 궤도 모델의 통합을 위하여 연속 구조물을 Solid로 변환하고, 이를 BAT에 전달하였다. 비연속 구조물은 AMT에서 생성한 연속 구조물과 선형정보를 연계하여 BAT에서 파라메트릭 모델링 방법을 이용하여 표현될 수 있다(Kwon et al.
- 6은 생성된 확장 IFC 기반의 모델을 변환하여 Solibri Model Checker에서 표현된 철도 궤도부의 형상정보와 Sleeper-1의 속성정보이다. 기존 소프트웨어에서는 확장 IFC 기반의 모델을 입력할 수 없기 때문에 물리적 요소는 IfcBuild-ingElementProxy로 변환하였고, 공간적 요소는 IfcBuil-ding, IfcBuildingStory로 변환하였다. 전술한 대로 공간정보인 ‘Track_9-11km’하위에 ‘Station1’, ‘Station2’, ‘Station3’ 가 포함된 것을 확인할 수 있다.
- 이를 위하여 첫째, 이산화된 선형정보 연계를 통하여 캔트가 반영된 연속 구조물과 비연속 구조물 모델을 생성하였다. 둘째, 요소별 분류체계를 생성하고 철도 궤도부를 표현하기 위한 분류체계와 IFC 스키마를 확장하였다. 셋째, 분류체계 코드를 식별자로 확장 IFC 요소와 매핑하였으며, 확장 IFC 라이브러리를 통하여 하여 IFC 모델을 생성하는 방법론을 제시하였다.
- 확장 IFC 요소는 크게 궤도요소의 정보를 가지고 있는 물리적 요소와 궤도요소가 포함된 공간에 대한 정보를 포함하고 있는 공간적 정보로 구분할 수 있다. 물리적 요소는 IFC4에서 토목요소 확장을 위해 생성해둔 IfcCivilElement 하위에 IfcTrackElement로 표현하였으며, 공간적 요소는 IfcCivilSpatialStructureElement 하위의 IfcTrackStructureElement로 표현하였다. 세부적으로 물리적 요소에는 IfcTrackFastening, IfcTrackBallast, IfcTrack Sleeper, IfcTrackTurnout, IfcTrackRail를 포함시켰다.
- 본 연구에서는 BAT로 Autodesk Revit을 사용했으며, Revit의 Application Programming Interface(API)를 통해 궤도부 모델이 포함하고 있는 객체 식별자, 형상 및 그 객체가 포함하고 있는 속성을 추출하여 외부 참조파일에 저장하였다. 외부 참조파일은 계층정보를 포함할 수 있도록 하기 위해 XML 파일을 활용하였다.
- 요소의 의미정보를 식별하기 위해 철도 궤도부의 물리적 요소를 중심으로 분류체계를 생성하고 분류코드를 지정하였다(Table 1 참조). 생성된 분류코드를 해당되는 요소모델의 속성정보에 추가하여, 정보모델을 생성하는 과정에서 궤도부 요소의 의미정보를 식별하도록 하였다.
- Revit에 선형 정보를 연계하기 위하여 생성된 선형을 1m 간격으로 이산화하여 2,001개의 3차원 점 데이터를 생성하였다. 생성된 점 데이터를 기반으로 Revit에서 선형을 재생성 하였으며, Dynamo를 통하여 2장의 방법론을 구현하여 3,400개의 침목의 위치점을 생성하였다. 침목 객체는 같은 형상으로 배치되기 때문에 미리 생성된 형상 라이브러리를 사용하였다.
- 선형모델은 선형정보와 설계도면을 참조하여 원곡선과 완화곡선을 포함하도록 2km의 길이로 생성되었다. 설계문서를 참고하여 표준횡단을 생성하였으며, 이를 선형모델에 따라 배치하고 각 형상점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다. Revit에 선형 정보를 연계하기 위하여 생성된 선형을 1m 간격으로 이산화하여 2,001개의 3차원 점 데이터를 생성하였다.
- 둘째, 요소별 분류체계를 생성하고 철도 궤도부를 표현하기 위한 분류체계와 IFC 스키마를 확장하였다. 셋째, 분류체계 코드를 식별자로 확장 IFC 요소와 매핑하였으며, 확장 IFC 라이브러리를 통하여 하여 IFC 모델을 생성하는 방법론을 제시하였다. 이를 실제 철도 궤도부 설계정보에 적용하여 확장 IFC 기반의 정보모델 생성이 가능함을 확인하였다.
- 예를 들어, Autodesk사의 Revit에서는 침목과 같은 궤도요소의 모델링을 지원하지 않기 때문에 Structural Foundations 등 다른 요소를 통하여 표현되어야 한다. 요소의 의미정보를 식별하기 위해 철도 궤도부의 물리적 요소를 중심으로 분류체계를 생성하고 분류코드를 지정하였다(Table 1 참조). 생성된 분류코드를 해당되는 요소모델의 속성정보에 추가하여, 정보모델을 생성하는 과정에서 궤도부 요소의 의미정보를 식별하도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존 소프트웨어를 활용하여 3차원 선형을 중심으로 건설되는 철도 궤도부의 요소모델을 생성하는 알고리즘을 제안하였고, 표준 형식을 통해 공간적, 물리적 정보를 표현하기 위하여 확장 IFC 기반의 정보모델을 생성하는 방법론을 제시하였다. 이를 위하여 철도 궤도부의 요소를 연속 구조물과 비연속 구조물로 분류하고, 선형정보 연계를 통해 모델을 생성하였으며, 기존 IFC 기반으로 궤도분야의 물리적, 공간적 요소를 확장하고, 이를 라이브러리로 생성하여 정보모델 생성과정에서 활용하였다.
- 본 연구에서는 3차원 선형을 중심으로 생성되는 철도 궤도부의 정보관리에 BIM을 적용하기 위하여 소프트웨어간의 정보연계를 통한 요소모델을 생성 방안을 제시하고 이를 확장 IFC 기반의 정보모델로 변환하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 첫째, 이산화된 선형정보 연계를 통하여 캔트가 반영된 연속 구조물과 비연속 구조물 모델을 생성하였다. 둘째, 요소별 분류체계를 생성하고 철도 궤도부를 표현하기 위한 분류체계와 IFC 스키마를 확장하였다.
- IPF 생성 모듈은 STEP Tools(TM)의 ST-Developer를 활용하여 컴파일한 클래스 라이브러리를 통해 개발하였다. 전술한 확장 IFC에 대한 EXPRESS 코드를 ST-Developer를 통해 Java 클래스 라이브러리로 생성하고, IKVM.NET을 통해 Revit API와 동일한 C# 클래스 라이브러리로 변환하였다. 이때의 입력 파일은 이전과정에서 생성한 외부 참조파일이며, 외부 참조파일의 하나의 요소가 확장 IFC의 하나의 요소로 생성된다.
- 2장에서 제시한 기존 소프트웨어 연계를 통한 철도 궤도부 정보모델 생성방법과, 3장에서 제시한 생성된 정모모델을 확장 IFC 기반의 철도 궤도부 정보모델로 변환하는 방법이다. 제시된 방법론들을 적용하여 실제 철도 궤도부의 설계문서를 바탕으로 확장 IFC 기반 정모모델을 생성하였다. 대상 시설물은 한국철도시설공단 주관으로 실제 시공과정에 있는 충청북도 오송군에 위치한 철도종합시험선로를 선정하였다.
- 공간요소에는 전체 구간를 표현하는 IfcTrack, 일부 구간을 표현하는 IfcTrackPart로 구분하여 확장하였다. 철도 궤도부의 설계정보 중 사용목적, 궤간, 슬랙은 단일 물리적 요소에서 표현하기 부적합하여 공간정보인 IfcTrackPart내의 속성으로 PredefinedType, Track Gauge, Slack을 추가하였다.
- BAT에서 파라메트릭 모델링을 통해 비연속 구조물을 생성하기 위해 구조물의 배열과 관련된 정보가 BAT에 입력되어야 한다. 층을 중심으로 개발된 BAT에서 3차원 철도선형은 표현이 불가능하기 때문에 선형정보를 이산화(discretization)하여 BAT에 전달하고 이를 NURBS(non-uniform rational basis splines) 커브 형태로 재생성하였다.
- 침목 객체는 같은 형상으로 배치되기 때문에 미리 생성된 형상 라이브러리를 사용하였다. 침목의 위치점과 선형정보를 이용하여 캔트를 포함한 침목의 회전변수를 계산하였다. 침목의 ‘Dimensions’ 속성정보에 회전변수인 θx(x-angle), θ 각 요소들은 궤도의 필수요소인 체결부, 도상, 침목, 분기부, 레일을 의미한다. 확장된 물리적 요소는 재질을 표현하는 속성인 PredefinedType와 형태를 표현하는 속성인 FunctionType을 요소내의 속성(attribute)으로 추가하였다. 공간요소에는 전체 구간를 표현하는 IfcTrack, 일부 구간을 표현하는 IfcTrackPart로 구분하여 확장하였다.
대상 데이터
- 설계문서를 참고하여 표준횡단을 생성하였으며, 이를 선형모델에 따라 배치하고 각 형상점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다. Revit에 선형 정보를 연계하기 위하여 생성된 선형을 1m 간격으로 이산화하여 2,001개의 3차원 점 데이터를 생성하였다. 생성된 점 데이터를 기반으로 Revit에서 선형을 재생성 하였으며, Dynamo를 통하여 2장의 방법론을 구현하여 3,400개의 침목의 위치점을 생성하였다.
- 제시된 방법론들을 적용하여 실제 철도 궤도부의 설계문서를 바탕으로 확장 IFC 기반 정모모델을 생성하였다. 대상 시설물은 한국철도시설공단 주관으로 실제 시공과정에 있는 충청북도 오송군에 위치한 철도종합시험선로를 선정하였다. 정보모델 생성 범위는 총 12.
- 989km의 구간 중, 완화곡선과 곡선구간을 포함하는 9km에서 11km사이로 선정하였다. 사용한 소프트웨어는 Autodesk사의 Revit과 Civil3D를 BAT와 AMT로 활용하였으며, 2장에서 제시한 모델링 방법론을 적용하기 위하여 Autodesk사의 Dynamo Studio를 활용하였다. Dynamo Studio는 Python 언어를 기반으로 변수를 포함하는 다이어그램을 생성하여 사용자가 원하는 결과를 도출하고, Revit의 API에 접근하여 모델에 반영할 수 있는 Visual Programming Environment를 제공하는 툴이다.
- 5는 2장에서 제시한 방법을 활용하여 Civil 3D에서 생성한 도상, 레일 모델을 Revit에서 생성한 침목모델과 통합한 모델이다. 선형모델은 선형정보와 설계도면을 참조하여 원곡선과 완화곡선을 포함하도록 2km의 길이로 생성되었다. 설계문서를 참고하여 표준횡단을 생성하였으며, 이를 선형모델에 따라 배치하고 각 형상점을 연결하여 연속 구조물을 생성하였다.
- 본 연구에서는 BAT로 Autodesk Revit을 사용했으며, Revit의 Application Programming Interface(API)를 통해 궤도부 모델이 포함하고 있는 객체 식별자, 형상 및 그 객체가 포함하고 있는 속성을 추출하여 외부 참조파일에 저장하였다. 외부 참조파일은 계층정보를 포함할 수 있도록 하기 위해 XML 파일을 활용하였다. 외부 참조파일은 모델의 각 객체 단위로 요소(element)를 생성하였으며, 이 요소는 계층정보와 함께 객체의 속성과 IPF 파일 생성 시 활용하기 위한 적절한 확장 IFC 요소의 정보도 포함하고 있다.
- 대상 시설물은 한국철도시설공단 주관으로 실제 시공과정에 있는 충청북도 오송군에 위치한 철도종합시험선로를 선정하였다. 정보모델 생성 범위는 총 12.989km의 구간 중, 완화곡선과 곡선구간을 포함하는 9km에서 11km사이로 선정하였다. 사용한 소프트웨어는 Autodesk사의 Revit과 Civil3D를 BAT와 AMT로 활용하였으며, 2장에서 제시한 모델링 방법론을 적용하기 위하여 Autodesk사의 Dynamo Studio를 활용하였다.
- 생성된 점 데이터를 기반으로 Revit에서 선형을 재생성 하였으며, Dynamo를 통하여 2장의 방법론을 구현하여 3,400개의 침목의 위치점을 생성하였다. 침목 객체는 같은 형상으로 배치되기 때문에 미리 생성된 형상 라이브러리를 사용하였다. 침목의 위치점과 선형정보를 이용하여 캔트를 포함한 침목의 회전변수를 계산하였다.
- 4 참조). 형상 생성을 위한 추출정보는 솔리드 객체의 삼각화(tessellation)를 통해 이를 구성하고 있는 면의 식별자 및 면을 구성하고 있는 점의 기하학 정보를 대상으로 하였다. IPF 생성 모듈은 STEP Tools(TM)의 ST-Developer를 활용하여 컴파일한 클래스 라이브러리를 통해 개발하였다.
이론/모형
- 철도 궤도부 정보모델에 적용하기 위한 스키마는 Lee 등(2016)의 연구를 바탕으로 CRBIM(2015) 및 한국철도시설공단 분류체계(2015)를 참고하여 확장하였다. Fig.
성능/효과
- 또한 Property를 이용하여 표현된 ‘TechnicalStandard’의 값인 ‘KS’가 표현되어 있는 것을 볼 수 있다. 그러나 철도 궤도부요소의 의미정보를 식별할 수 없고, 확장 IFC 요소인 IfcTrackSleeper에 종속된 속성정보인 PredefinedType, FunctionType는 기존 IFC에서는 표현하기 불가능하기 때문에 정보가 손실되는 것을 확인할 수 있다.
- 속성세트인 ‘Identity Data(Type)’은 속성인 ‘TechnicalStandard’을 표현하는 IfcPropertySingle Value(#2199440)와 연결되고, 값은 ‘KS’임을 확인할 수 있다. 생성한 확장 IFC 기반의 철도 궤도부 IPF의 syntax 및 확장 개발한 EXPRESS와의 적합성은 ST-Developer에서 제공하는 Generic AP Checker를 통해 오류가 없음을 확인하였다.
- 셋째, 분류체계 코드를 식별자로 확장 IFC 요소와 매핑하였으며, 확장 IFC 라이브러리를 통하여 하여 IFC 모델을 생성하는 방법론을 제시하였다. 이를 실제 철도 궤도부 설계정보에 적용하여 확장 IFC 기반의 정보모델 생성이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 그러나 토목구조물에 대한 항목이 부족하여 IFC 스키마 확장이 불가피하다. 본 연구에서 제시한 방법론은 기존 소프트웨어들의 기능을 활용할 수 있고 선형정보 연계를 통해 캔트가 반영된 철도 궤도부의 정보모델을 생성하고 이를 확장된 스키마기반의 정보모델로 변환할 수 있기 때문에 도로 등 다른 선형기반 토목구조물의 정보모델 생성과정에서도 효과적으로 활용할 수 있는 방안이 될 것이라고 기대된다.
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