[논문]개방형 BIM을 활용한 벽체 거푸집설계 프로토타입 개발

김승권; 김현주; 현창택; 한상원

doi:10.6106/kjcem.2018.19.6.003

개방형 BIM을 활용한 벽체 거푸집설계 프로토타입 개발
Development of A Prototype for Wall Formwork Designs using Open BIM 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.19 no.6, 2018년, pp.3 - 13

김승권 (서울시립대학교 건축공학과) , 김현주 () , 현창택 (서울시립대학교 건축공학과) , 한상원 (서울시립대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

거푸집공사비는 건축공사비의 10~15%, 골조공사비의 30~40%로, 건축공사에서 차지하는 비중이 상당하다. 또한 거푸집 붕괴로 인한 사망재해가 빈번하게 발생하고 있어, 다른 공종에 비하여 상대적으로 재해강도가 높은 공종이라 할 수 있다. 이처럼 건설 프로젝트에서 거푸집을 설계할 때 정확한 물량산출과 구조계산은 매우 중요한 사항이다. 따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여 거푸집공사에 관련된 새로운 IFC Entity를 제안하였으며, "개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입"을 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 거푸집설계 접근법은 시공 관리자로 하여금 정확한 물량산출과 신속한 계획 및 시공을 수행하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 하지만 본 연구는 소규모 특정건축물과 유로폼 만을 대상으로 수행하였기 때문에, 그 외의 건축물의 거푸집공사에 적용하기에는 한계가 있고, 범용적으로 거푸집공사에 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The formwork cost amounts for a significant proportion of project construction costs. It costs 10-15% of the total construction cost and 30-40% of the frame structure construction cost. In addition, the formwork collapse accidents are frequently causing deaths in the construction industry, and thus, is known to be of relatively high degree of risk. As so, the accuracy of structural calculation and quantity take-off when planning the formwork in a construction project are a very important matter. Accordingly, this study develops a BIM based formwork design prototype, that enables the construction manager to optimize the design through applying the proposed new IFC entities associated with the formwork design. The approach proposed in this study is expected to support the construction manager with accurate quantity calculation and rapid planning and construction. Since this study considered specific small-scale buildings using Euro-form and show the possibility of utilizing BIM entities in the formwork design process, further research is recommended towards the limitations in applying the system to other types of formworks.

주제어

표/그림 (25)

표 Table 1. Research on formwork
표 Table 2. Research on BIM based quantity take-off
표 Table 3. Research on IFC
표 Table 4. Formwork IFC Entity
그림 Fig. 1. IfcPlyform Express G diagram
그림 Fig. 2. BIM-based formwork design program prototype process
그림 Fig. 3. BIM-based formwork design program prototype menu
그림 Fig. 4. IFC file loading source code
그림 Fig. 5. IFC file example
그림 Fig. 6. IFC wall information extraction
그림 Fig. 7. ID search Ruby code
그림 Fig. 8. Wall length and height extraction Ruby code
그림 Fig. 9. Wall creation source code example
그림 Fig. 10. Euro-form library example
그림 Fig. 11. Case air view (left) and Revit model (right)
표 Table 5. Case summery
그림 Fig. 12. IFC file loading
그림 Fig. 13. IFC file analysis and wall information extraction
그림 Fig. 14. Case model wall creation
그림 Fig. 15. Euro-form (600 * 1200) installation
그림 Fig. 16. Euro-form, incorner, outcorner installation
그림 Fig. 17. Stud and wale creation
그림 Fig. 18. Wedge pin and tie installation
그림 Fig. 19. Formwork Plan
표 Table 6. Euro-form quantity table

AI 본문요약
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문제 정의

개방형 BIM 표준 IFC에는 대부분의 건축물 요소를 표현할 수 있는 Entity들이 있지만 거푸집공사와 같은 가설시설물에 관련된 Entity가 없어 거푸집관련 IFC Entity를 제안하였고, ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’을 개발하여 객체기반 거푸집설계를 하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 객체기반의 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여, 거푸집공사 관련 새로운 IFC Entity를 개발/제안하고, 상호운용성을 고려하여 개방형 BIM을 활용한 거푸집설계 프로토타입을 제안하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여 상호운용성을 고려한 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제안하고, 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여, 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제안하고, 호환이 가능한 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제안하고, 호환이 가능한 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여 개방형 BIM 표준을 적용하고자 한다. 개방형 BIM 표준 IFC에는 대부분의 건축물 요소를 표현할 수 있는 Entity들이 있지만 거푸집공사와 같은 가설시설물에 관련된 Entity가 없어 거푸집관련 IFC Entity를 제안하였고, ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’을 개발하여 객체기반 거푸집설계를 하고자 한다.
본 연구에서는 국내 거푸집설계 관련 매출 5위 업체 내에서 3곳을 선정하여 거푸집설계 및 물량산출에 관련하여 현황조사를 실시한다.

제안 방법

Plug-in은 Trimble사에서 제공하고 있는 SketchUp Ruby API (Application Programming Interface)를 활용하여 개발하였으며, ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’의 여러 가지 기능을 구현하였다.
SketchUp 2016환경에서 국내 시중에서 판매되고 있는 유로폼, 인코너, 아웃코너 등 8가지 거푸집의 요소의 규격에 따라 거푸집설계를 수행하기 위한 라이브러리를 구축하였다.
거푸집설계 Excel 프로그램은 설계조건, 사용부재, 부재구조계수, 특기사항 4개 부분으로 나뉘어 구조검토 자료를 구축하고, 콘크리트 타설 속도를 산정하여 거푸집 작용하중을 계산하며, 이를 바탕으로 유로폼을 검토하는 방식을 적용하였다. 유로폼 검토는 판재 검토, 내·외부 프레임 검토 및 폼타이 검토로 이루어지며, 수평재 및 수직재의 간격은 별도로 검토하지 않았다
둘째, 현재 국내에서 수행하고 있는 거푸집설계의 현황에 대해 알아본다. 또한 전문가 면담을 통하여 기존의 거푸집설계에 대한 문제점을 도출하고, 호환성에 대한 해결방안으로 거푸집관련 IFC Entity를 제안한다.
2장 3절에서 언급했듯이 현재 IFC 데이터 스키마에는 782개의 건축물 정보를 담을 수 있는 Entity가 있지만 거푸집 등 가설시설물 정보를 표현할 수 있는 Entity 는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 위에서 분석한 유로폼 부재를 토대로 거푸집의 요소에 관련된 Entity 를 아래의 [Table 4]와 같이 IfcPlyform, IfcOutCorner, IfcInCorner, IfcWedgePin, IfcTie, IfcFormHook, IfcStud, IfcWale로 8가지 IFC Entity를 제안한다.
또한 가설공사표준시방서에서는 거푸집이 유로 폼이고 장선, 멍에가 강관일 때 수평띠장 600mm, 수직띠장 1200mm로 규정하였다. 따라서 본 연구에서는 장선, 멍에의 간격을 별도로 산정하지 않고 가설공사표준시방서를 따른다.
본 연구에서는 장선 및 멍에의 재료를 강관파이프로 한정하였다. 또한 가설공사표준시방서에서는 거푸집이 유로 폼이고 장선, 멍에가 강관일 때 수평띠장 600mm, 수직띠장 1200mm로 규정하였다. 따라서 본 연구에서는 장선, 멍에의 간격을 별도로 산정하지 않고 가설공사표준시방서를 따른다.
셋째, 건축물요소의 정보 추출, 거푸집 설계를 용이하게 수행할 수 있는 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’을 개발하고, 거푸집을 BIM 객체기반으로 설계하는 방법을 제시한다. 또한 대상사례에 대한 거푸집설계를 수행하여 프로그램의 기능을 검증하고, 전문가 면담을 통해 그 결과를 평가한다.
둘째, 현재 국내에서 수행하고 있는 거푸집설계의 현황에 대해 알아본다. 또한 전문가 면담을 통하여 기존의 거푸집설계에 대한 문제점을 도출하고, 호환성에 대한 해결방안으로 거푸집관련 IFC Entity를 제안한다.
면담은 주로 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프로그램의 구현기능과 한계점을 중심으로 실시하였고 평가 결과는 아래와 같다.
C사 Digital BIM을 활용하는 회사로서 BIM기반으로 거푸집설계를 수행하였다. 모든 거푸집요소들을 BIM 용 프로그램인 ArchiCAD 기반의 라이브러리를 구축하여 거푸집설계를 하였으며, 물량산출도 거푸집 요소 객체기반으로 수행하였다.
본 연구에서는 Ruby 프로그래밍 언어를 이용하여 벽체의 길이 및 높이 정보를 추출하였고, 다음의 [Fig. 6, 7, 8] 은 IFC 파일과 벽체의 길이 및 높이를 추출하는 Ruby 코드 예시이다.
본 연구에서는 ◯◯청소년쉼터 건물을 사례로 적용하였고, BIM용 소프트웨어 Revit 2017을 이용하여 모델링한 후, 본 연구에서 개발한 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’ 을 이용하여 사례건물 1층의 거푸집설계 및 물량산출을 수행하였다.
본 연구에서는 거푸집 구조계산에서 필요한 벽체의 길이 및 높이, 개구부의 길이 및 높이 등 여러 가지 정보를 기존에 정의 되어있는 벽체관련 Entity IfcWall, 개구부관련 Entity IfcOpeningElement 등을 BIM 모델에서 추출하여 거푸집의 구조계산을 수행하였다. 이러한 Entity들은 객체들에 대한 서술, 객체들의 유형 및 위치 등과 같은 정보를 담고 있고, 모든 건축물요소의 위치정보와 유형정보를 식별한다.
본 연구에서는 위에서 언급한 모든 정보를 데이터베이스로 구축하지 않았고, 벽체정보를 추출하는 방법만을 제시 하였다.
본 절에서는 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프로그램의 효용성을 평가하기 위해 경력 7년인 거푸집업체의 설계담당자 1명, 경력 10년 이상인 시공사의 공사담당자 1명, 설계사무소 설계담당자 1명 총 3명의 전문가와 면담을 실시하였다.
본 절에서는 앞에서 언급한 프로세스에 따라 Ruby 프로그래밍 환경에서 SketchUp 2016에 탑재할 수 있는 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’ Plug-in을 개발하였다.
본 항에서는 3장 2절에서 제시한 거푸집 요소의 속성정보를 바탕으로 거푸집 구조계산을 자동으로 하는 방안을 제시한다.
셋째, 건축물요소의 정보 추출, 거푸집 설계를 용이하게 수행할 수 있는 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’을 개발하고, 거푸집을 BIM 객체기반으로 설계하는 방법을 제시한다.
이러한 IFC 메타데이터를 프로토타입으로 불러들여 분석하고, 1층 벽체에 해당되는 정보만 추출하여 SketchUp에서 사례 모델의 1층 벽체만 생성시킨다.
첫째, 이론적 고찰을 통해 거푸집 일반사항을 고찰한다. 그리고 거푸집공사, BIM 및 IFC 관련 문헌을 조사하여 기존 선행연구들의 한계점을 도출한다.
그림에서처럼 “장선(수평재) 생성”메뉴를 클릭하면 입력란이 나타나는데 상황에 따라 콘크리트 타설속도, 콘크리트 측압, 콘크리트 타설 온도 등을 입력하면 장선이 산정된 간격에 따라 생성될 수 있다. 하지만 본 연구에서는 구조계산에 필요한 데이터베이스를 구축하지 않았기 때문에 본장 1절 4항에서 언급한 장선과 멍에의 간격기준을 적용하여 장선, 멍에를 생성하였다.

대상 데이터

국내 거푸집설계, 물량산출 및 발주 시 각 이해관계자간 발생되는 문제점과 활용범위를 조사하기 위해 경력이 7년 이상인 거푸집업체의 설계담당자 1명, 구조검토담당자 1 명, 경력이 10년 이상인 시공사의 공사담당자 2명, 설계사무소 설계담당자 1명 총 5명의 전문가를 대상으로 조사하였다.
본 연구는 소규모 건축물의 거푸집공사로 범위를 한정하고, 거푸집의 종류는 현재 가장 많이 사용되고 있는 유로폼을 대상으로 범위를 한정한다.
본 연구에서는 장선 및 멍에의 재료를 강관파이프로 한정하였다. 또한 가설공사표준시방서에서는 거푸집이 유로 폼이고 장선, 멍에가 강관일 때 수평띠장 600mm, 수직띠장 1200mm로 규정하였다.

이론/모형

C사 Digital BIM을 활용하는 회사로서 BIM기반으로 거푸집설계를 수행하였다. 모든 거푸집요소들을 BIM 용 프로그램인 ArchiCAD 기반의 라이브러리를 구축하여 거푸집설계를 하였으며, 물량산출도 거푸집 요소 객체기반으로 수행하였다.

성능/효과

(1) 본 연구에서 개발한 거푸집설계 프로그램은 BIM기반으로 설계함으로써, 기존의 2D CAD기반 설계방식보다 건축물 요소정보의 참조가 용이하게 되었다.
(3) 기존의 거푸집 시공은 구조계산과는 별개로 시공하는 반면, 본 연구의 프로그램은 구조계산에 근거한 상세도면을 생성할 수 있어, 안전성 및 시공성 향상에 도움을 줄 수 있다.
(4) 국제표준포맷인 IFC Entity를 제안함으로써, 표준 라이브러리 구축에 도움을 줄 것이며, BIM용 소프트웨어들의 상호 호환성을 향상시킬 수 있다.
1) 각종 시방서에서는 유로폼의 판넬, 내부프레임 및 외부프레임 등 검토사항을 계산하는 수식을 제시하고는 있지 만, 각각의 유로폼들을 연결시키는 연결철물의 치수나 강도는 명확히 규정하지 않아 구조검토에 문제점이 있다.
3) 공동주택 등 저층건축물의 거푸집 물량은 공사관리자의 경험을 바탕으로 건축물요소의 면적 등을 적용하여 산출하기 때문에, 유로폼의 규격에 따른 정확한 적산이 아니라 개략적인 적산이 수행되어, 주문 물량부족에 따른 재주문 및 주문 물량과다에 따른 낭비가 되는 문제점이 있다.
이와 같이 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프로그램 기능과 기존의 거푸집 설계방식을 비교한 결과, 범용적인 사용에는 한계가 있으나, 기존의 거푸집설계에서 발생하는 건물정보 참조 및 시공 어려움, 정확한 물량산출및 3D 모델링 어려움, BIM기반 설계 시 호환성 문제 등이 개선될 수 있다. 따라서 거푸집설계를 용이하게 할 수 있고, 보다 신속하고 정확한 물량산출에 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.
하지만 이는 거푸집설계 자의 잘못된 도면 해석 또는 건축설계 시 도면의 오류, 누락 여부에 따라 정확하지 못한 거푸집설계가 될 수 있는 문제점이 있다. 또한 본 연구에서 조사한 바에 따르면 국내의 소규모 건축물공사에서는 거푸집설계가 거의 이루어지지 않고 있으며, 「가설시설물 표준시방서」에서 규정함에도 불구하고 현장에서의 거푸집 설치와는 별개로 형식적인 구조계산서만 제출하는 것으로 나타났다.
이와 같이 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프로그램 기능과 기존의 거푸집 설계방식을 비교한 결과, 범용적인 사용에는 한계가 있으나, 기존의 거푸집설계에서 발생하는 건물정보 참조 및 시공 어려움, 정확한 물량산출및 3D 모델링 어려움, BIM기반 설계 시 호환성 문제 등이 개선될 수 있다. 따라서 거푸집설계를 용이하게 할 수 있고, 보다 신속하고 정확한 물량산출에 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.
전문가 면담을 통하여 도출한 문제점으로는 시방서 규정의 불명확성, 거푸집설계를 위한 건물정보 참조 어려움, 시공 어려움, 정확한 물량산출 어려움, 3D 모델링 어려움, BIM기반 설계 시 호환성 문제 등으로 나타났다. 이를 요약하면 아래와 같다.

후속연구

(2) 거푸집 부재들의 규격에 따른 물량산출에 도움을 줄 수 있어 기존의 주문 물량부족에 따른 재주문 및 주문 물량 과다의 문제점을 해결할 수 있을 것이다.
(5) 하지만 본 프로그램은 소규모의 단순한 특정건축물의 유로폼을 대상으로 한정지어 개발한 프로토타입 수준의 시스템이므로, 모든 건축물 또는 거푸집을 적용하기에는 한계가 있다.
6) 또한 소프트웨어마다 라이브러리 정의 및 구축하는 방식이 달라 호환성이 떨어져서, 라이브러리가 구축되지 않은 소프트웨어를 이용하여 건축물을 설계했을 때 기존의 라이브러리를 활용하지 못하는 문제점이 있다.
첫째, 이론적 고찰을 통해 거푸집 일반사항을 고찰한다. 그리고 거푸집공사, BIM 및 IFC 관련 문헌을 조사하여 기존 선행연구들의 한계점을 도출한다.
따라서 모든 건축물에 적용되기 위해서는 그에 따른 추가적인 코딩이 필요하다. 또한 본 연구는 유로폼만을 대상으로 수행하였으므로, 그 외의 거푸집공사에 적용하기 위해서는 그에 따른 속성정보를 추가로 도출하고 추가적인 라이브러리를 구축하는 등 후속 연구가 필요할 것이다.
하지만 현재의 IFC에는 거푸집 등 가설시설물 정보를 표현할 수 있는 Entity가 부재하다. 만약 거푸집 요소를 표현할 수 있는 Entity 및 객체가 있다면 기존의 2D도면 작성처럼 BIM 모델을 보다 쉽게 구축할 수 있고, 3D로 표현함으로써 사용자의 이해도를 향상시킬 수 있으며, BIM 객체기반 물량산출을 용이하게 할 수 있을 것이다.
본 연구에서 제시한 거푸집설계 방안은 표준데이터 포맷으로 거푸집관련 객체들의 라이브러리를 구축하고 BIM기 반으로 거푸집을 설계하여 설계자나 시공자의 이해도를 높임으로써, 보다 신속한 설계와 시공, 정확한 물량산출에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IFC의 구축 기반은?	한편, 개방형 BIM을 지원하고자 buildingSMART에 서는 AEC산업에서 사용되는 주요 소프트웨어 프로그램들 간 상호 호환할 수 있는 국제표준 데이터포맷인 IFC (Industry Foundation Classes, 이하 IFC)를 개발하였다. 이는 국제표준화기구 ISO (International Organization for Standardization, 이하 ISO)에서 개발한 ISO 10303을 기반으로 구축되었고, 현재 IFC 데이터 스키마에는 782개의 객체 Entity, 즉 대부분 건축물 요소들의 정보를 담을 수있는 IFC Entity들이 있다(buildingSMART homepage).
	거푸집공사비의 비중은?	거푸집공사비는 건축공사비의 10~15%, 골조공사비의 30~40%로, 건축공사에서 차지하는 비중이 상당하고(Song et al., 2010; Chung et al., 2010), 마감 및 설비 등 후속 공사에 미치는 영향이 매우 큰 공사이다(Jung et al., 2005).
	기존의 거푸집설계의 문제점은?	기존의 거푸집설계는 건축설계의 2D 도면을 해석하여 그에 해당되는 건축물 정보를 확인 및 적용하여 수행되었다. 하지만 이는 거푸집설계 자의 잘못된 도면 해석 또는 건축설계 시 도면의 오류, 누락 여부에 따라 정확하지 못한 거푸집설계가 될 수 있는 문제점이 있다. 또한 본 연구에서 조사한 바에 따르면 국내의 소규모 건축물공사에서는 거푸집설계가 거의 이루어지지 않고 있으며, 「가설시설물 표준시방서」에서 규정함에도 불구하고 현장에서의 거푸집 설치와는 별개로 형식적인 구조 계산서만 제출하는 것으로 나타났다.

저자의 다른 논문 :

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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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