[논문]슬릿 케이슨의 BIM 모델링 자동화 시스템 개발

김현승; 이헌민; 이일수

doi:10.5762/kais.2020.21.11.510

슬릿 케이슨의 BIM 모델링 자동화 시스템 개발
Development of Automatic BIM Modeling System for Slit Caisson 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.510 - 518

김현승 ((주)서영엔지니어링 BIM개발팀) , 이헌민 ((주)서영엔지니어링 BIM개발팀) , 이일수 ((주)서영엔지니어링 BIM개발팀)

초록
AI-Helper

최근 건설산업의 디지털화가 추진되면서 BIM(Building Information Modeling, 이하 BIM)은 필수기술로 자리매김하고 있으나, BIM 모델링에 대한 어려움으로 실무에 적극적으로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 이는 고도의 전문성이 필요한 BIM 소프트웨어를 습득하기도 어려울 뿐만 아니라 대부분의 모델링 작업도 수작업으로 진행되므로 업무 생산성 확보가 어렵기 때문이다. 따라서 연구에서는 BIM기반 모델링의 생산성을 향상 시킬 수 있는 방안 및 시스템을 제시한다. 이를 위해 연구에서는 항만의 대표적인 구조물인 슬릿케이슨을 개발 대상으로 선정하고, 실무에서 사용할 수 있게 전문가 인터뷰를 통해 다양한 매개변수들을 도출하였다. 또한 다양하고, 복잡한 매개변수들의 효율적인 관리 및 운영을 위해 사용자 편의성을 고려한 UI구축 방안을 제시한다. 그리고 이를 기반으로 비주얼프로그래밍(Dynamo)과 Excel VBA(Visual Basic for Applications, 이하 VBA)를 활용하여 슬릿케이슨을 위한 BIM기반 설계 자동화 시스템을 개발하였다. 연구에서 개발한 시스템은 다수의 매개변수가 적용되어 다양한 설계조건에 적합한 슬릿 케이슨 모델을 신속히 생성할 수 있으므로 BIM기반 업무 생산성 향상에 기여할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the promotion of digitalization in the construction industry, BIM has become an indispensable technology. On the other hand, it has not been actively utilized in practice because of the difficulty of BIM modeling. The reason is that 3D modeling is less productive not only because of the difficulty of learning BIM software but also the modeling work is done manually. Therefore, this study proposes a method and system that can improve the productivity of BIM-based modeling. For this reason, in the study, a slit caisson, which is a typical structure of a port, was selected as a development target, and various parameters were derived through interviews with experts so that it could be used in practice. This study presents a UI construction plan that considers user convenience for efficient management and operation of diverse and complex parameters. Based on this, this study used visual programming and Excel VBA to develop a BIM-based design automation system for slit caissons. The developed system can use many parameters to quickly develop slit caisson models suitable for various design conditions that can contribute to BIM-based modeling and productivity improvement.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Direct and parametric modeling by Revit
그림 Fig. 2. User interfaces (Dynamo & DynamoPlayer)
그림 Fig. 3. Caisson components[6]
표 Table 1. parameters for Slit caisson
그림 Fig. 4. System structure
그림 Fig. 5. Input sheet of parameter data
그림 Fig. 6. User interface for parameter data
그림 Fig. 7. Excel file importing module
그림 Fig. 8. Caisson modeling module
그림 Fig. 9 Chamber and haunch modeling
그림 Fig. 10. Input sheet of parameter data
그림 Fig. 11. Caisson connector modeling
그림 Fig. 12. Filling material modeling
그림 Fig. 13. Combination module
그림 Fig. 14. System test for slit caisson modeling

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 연구에서는 설계 실무자들이 BIM을 적극적으로 도입하여 BIM 모델링의 생산성을 향상 시킬 수 있는 방안을 제시한다. 이를 위해 연구에서는 시각적 프로그래밍인 Dynamo와 Excel VBA를 활용하여 실무적으로 BIM 모델링 생산성을 확보할 수 있는 ‘슬릿 케이슨의 BIM기반 설계 자동화 시스템’을 개발한다.
이에 최근에는 다양한 모델링 기능 및 비주얼프로그래밍 지원 등 모델링 생산성을 높일수 있는 기능과 기술들은 발전하고 있으나, 여전히 초보자가 사용하기에는 어려움이 많고, 실무적으로 활용하기에는 편의성 측면에서 불편함이 많다. 따라서 연구에서는 실무적 활용성을 향상하여 초보자들도 쉽게 BIM기반 설계 업무를 수행할 수 있도록 Revit의 Dynamo와 Excel VBA를 활용한 ‘슬릿 케이슨의 BIM기반 설계 자동화 시스템’을 개발하였다.

제안 방법

먼저 ‘데이터 작성부문’에서는 케이슨 모델링에 필요한 매개변수 데이터를 작성하기 위한 방법으로 사용자가 직접 Excel Sheet에 매개변수 값을 기입하거나 VBA를 활용해 작성한 UI를 통해 매개변수를 입력할 수 있게 구성하였다. ‘케이슨 모델링 자동화 부문’에서는 Revit의 Dynamo와 Python을 사용하여 Excel에 입력된 매개변수 정보를 참조하여 격실, 헌치, 슬릿, 케이슨 외형 및 연결부 등 케이슨을 구성하는 각 부재들의 BIM 모델링을 자동화 할 수 있는 기능들로 구성하였다.
7과 같이 Excel Sheet로부터 케이슨의 매개변수 정보를 참조할 수 있도록 Dynamo의 기본노드인 ‘Data.ImportExce’ 노드를 활용하여 Excel 파일을 불러와 케이슨의 부위별로 BIM 모델링을 수행할 수 데이터를 재구성하였다.
ByName’과 ‘Element.SetParameterByName’를 활용하여, 사용자가 입력한 재료의 명칭으로 재료 정보를 각각의 모델에 입력할 수 있게 하였다.
void 모델의 개수가 적을 경우, 수작업이 가능하지만 케이슨과 같이 다수의 void 모델이 존재할 경우에는 수작업이 곤란하기 때문에 연구에서는 다수의 solid 및 void 객체를 자동으로 결합할 수 있게 Fig. 13과 같이 Dynamo 스크립트를 구성하였다.
먼저, 케이슨의 외형은 매개변수인 격실개수, 격실 너비, 격실 폭, 및 격실두께 값에 따라 2D profile를 구성하고, 케이슨 높이 값의 경로로 모델링할 수 있도록 구성하였다. 격실 모델은 격실너비, 폭 및 격실두께 값에 따라 2D profile을 구성하여 상단 부분을 모델링하고, 헌치 값을 반영할 수 있게 별도의 2D profile를 구성하여 격실의 하단 부분을 모델링 할 수 있게 구성하였다. 그리고 케이슨의 전면부 토우에 대한 매개변수 값으로 토우의 3차원 모델을 생성하면, 케이슨의 전면부 3차원 모델 생성이 완료된다.
결합 방법은 Dynamo의 기본노드인 ‘Select Model Elements’를 활용하여 사용자가 원하는 solid 및 void 모델을 선택하면, ‘Python Script’을 통해 Revit API 중 ‘CombinaleElementArray’를 활용하여 해당 모델들을 결합하도록 구성하였다.
예를 들어, 격실의 너비와 폭을 다양하게 설계할 수 있게 개별 격실에 대해서 너비와 폭을 상이하게 사용자가 정의할 수 있도록 구성하였다. 또한 Dynamo 의 ‘Python Script’ node를 통해 Revit API를 직접 활용함으로서 모델링 속도를 향상시켰다.
특히, 실무적인 설계요소를 반영할 수 있게 57개의 매개변수를 구성하고, 다양하고 복잡한 매개변수를 효율적으로 관리할 수 있게 Excel VBA기반의 UI를 구축하여 사용자의 편의성을 높였다. 또한 실무에서 슬릿케이슨을 설계하는 실제 워크 플로우를 반영할 수 있는 5개의 모델링 자동화 모듈을 개발함으로써 사용자가 다양한 설계조건을 실시간 검토하면서 케이슨의 BIM 모델을 구축할 수 있게 하였다. 개발된 시스템은 사례적용을 통해 매개변수 입력만으로 케이슨 부재가 신속하게 모델링 되어 업무 생산성이 획기적으로 향상되는 것과 다양한 설계변경에 따른 모델 변경의 수작업을 매개변수의 변경만으로 자동화함으로서 설계변경에 신속히 대응 할 수 있는 것을 확인하였다.
먼저 ‘데이터 작성부문’에서는 케이슨 모델링에 필요한 매개변수 데이터를 작성하기 위한 방법으로 사용자가 직접 Excel Sheet에 매개변수 값을 기입하거나 VBA를 활용해 작성한 UI를 통해 매개변수를 입력할 수 있게 구성하였다. ‘케이슨 모델링 자동화 부문’에서는 Revit의 Dynamo와 Python을 사용하여 Excel에 입력된 매개변수 정보를 참조하여 격실, 헌치, 슬릿, 케이슨 외형 및 연결부 등 케이슨을 구성하는 각 부재들의 BIM 모델링을 자동화 할 수 있는 기능들로 구성하였다.
먼저 케이슨 외형, 격실 및 헌치를 자동으로 BIM 모델링할 수 있는 모듈을 개발하였다. 이를 위해 Fig.
9와 같이 케이슨의 전면부, 중간부 및 후면부에 대하여 각각 Solid 형태의 케이슨 외형 1개와 Void 형태의 격실 모델을 사용자가 입력한 격실개수에 맞게 생성하고, 결합하는 방식으로 3차원 모델링을 자동화하였다. 먼저, 케이슨의 외형은 매개변수인 격실개수, 격실 너비, 격실 폭, 및 격실두께 값에 따라 2D profile를 구성하고, 케이슨 높이 값의 경로로 모델링할 수 있도록 구성하였다. 격실 모델은 격실너비, 폭 및 격실두께 값에 따라 2D profile을 구성하여 상단 부분을 모델링하고, 헌치 값을 반영할 수 있게 별도의 2D profile를 구성하여 격실의 하단 부분을 모델링 할 수 있게 구성하였다.
속채움은 격실에 내부에 생성되므로, 앞서 격실의 3차원 모델에 생성시 활용되었던 2D profile를 참조하여 속채움 모델링을 수행하였다. 복수의 속채움 재료를 사용할 수 있도록 속채움의 3차원 모델을 3단계로 분리 할 수 있게 하였다. 속채움 모델에 재료 정보를 입력할 수 있게 Dynamo의 기본노드인 ‘Material.
사용자가 많은 매개변수를 Excel에 입력하는 방식은 데이터 누락, 오타 등 입력오류를 발생시키는 확률이 높기 때문에 연구에서는 Fig. 5와 같이 VBA를 활용하여 UI를 개발하였다. ‘Main Sheet’에서 데이터입력 UI를 구현하면, 케이슨의 전면, 중간 및 후면 등 부위별로 매개 변수를 입력할 수 있는 UI가 나타난다.
세 번째는 케이슨 연결부의 모델링을 보여주며, Excel Sheet 선택을 통해 연결부 매개변수를 입력받는 과정으로 모델링이 수행된다. 네 번째 Dynamo 스크립트는 케이슨의 속채움 모델링 과정을 나타내며, Excel Sheet 선택과 각 속채움 층에 대한 높이와 재료 이름을 입력하면, 자동으로 격실에 속채움 모델이 생성된다.
속채움은 격실에 내부에 생성되므로, 앞서 격실의 3차원 모델에 생성시 활용되었던 2D profile를 참조하여 속채움 모델링을 수행하였다. 복수의 속채움 재료를 사용할 수 있도록 속채움의 3차원 모델을 3단계로 분리 할 수 있게 하였다.
10과 같이 ‘Select faces’ 노드를 사용하여, 단일 단면이 아니라 다수의 단면을 선택할 수 있게 구성 함으로써 동일한 형상의 슬릿 모델을 일괄적으로 생성할 수 있다. 슬릿 모델의 형상은 선택한 단면의 좌측상단의 좌표값을 기준으로 X 및 Y 방향으로 떨어진 거리, 슬릿 너비, 슬릿 폭, 슬릿 개수, 슬릿간 간격 및 슬릿 두께 등 매개변수 값을 활용하여 단면별 슬릿 2D profile을 생성하고, 이를 Extrusion 방식으로 모델을 생성한다. 특히 연구에서는 전면, 후면, 좌측, 우측 등 다양한 방향의 단면을 선택하여 슬릿 모델을 생성할 수 있도록 각각의 선택된 단면의 법선벡터를 추출하여 단면의 방향에 따라 Extrusion 경로를 생성할 수 있다.
일반적으로 케이슨은 파랑의 유입 및 유출에 대한 에너지를 소산하여 구조물을 보호하기 위하여 다수의 슬릿을 적용하고 있다. 슬릿의 크기와 위치는 설계조건에 따라 다양하기 때문에 연구에서는 일괄적으로 슬릿을 생성시키지 않고, 사용자가 원하는 격실의 단면을 선택하여 원하는 크기의 슬릿 모델을 생성할 수 있도록 Fig. 10과 같이 Dynamo 스크립트를 구성하였다.
연구에서는 Excel파일로 저장된 데이터를 활용하여 슬릿 케이슨의 BIM 모델을 자동으로 생성할 수 있도록 주요 모듈을 Dynamo를 통해 개발하였다.
연구에서는 앞서 도출한 슬릿 케이슨의 매개변수를 기반으로 BIM 설계 생산성을 향상시킬 수 있는 BIM기반 설계 자동화 시스템을 Fig. 4와 같이 ‘데이터 작성부문’과 ‘케이슨 모델링 자동화 부문’으로 구성하였다.
연구에서는 케이슨의 BIM모델에 대한 형상 및 속성정보들을 작성하고 관리할 수 있도록 Excel기반 데이터관리 모듈을 Fig. 5과 같이 3가지 ‘Excel Sheet’로 개발하였다. ‘Main Sheet’에서는 간략한 시스템 개요와 케이슨을 구성하는 매개변수 정보를 제공하며, 이러한 매개변수 들은 ‘Input Sheet’에서 사용자가 직접 입력하고, ‘Report Sheet’에서는 케이슨의 수량산출 내역 등과 같이 BIM모델의 속성정보를 확인할 수 있게 하였다.
일반적으로 다수의 케이슨을 일정간격으로 이격하여 설치할 경우에는 인접한 케이슨과의 결속력을 향상시키기 위하여 케이슨의 좌우측에 연결부를 설치하고 있다. 연구에서는 케이슨의 연결부를 자동으로 모델링 할 수 있게 Fig. 11과 같이 Dynamo 스크립트를 구성하였다.
케이슨 내부에는 일반적으로 사석, 모래, 콘크리트 등으로 속채움을 한다. 이러한 속채움에 대한 3차원 모델링 자동화를 위하여 연구에서는 Fig. 12와 같이 Dynamo 스크립트를 구성하였다.
8과 같이 임의의 선(Sketch path)을 따라 2차원의 면(2D profile)모양으로 3차원 형상을 만드는 기능이다. 이를 위해 Fig. 8과 같이 케이슨의 각 부재별 2차원 프로파일과 경로를 자동으로 생성하여 Solid와 Void형태로 3차원 모델링하는 알고리즘을 구축하였다.
따라서 연구에서는 설계 실무자들이 BIM을 적극적으로 도입하여 BIM 모델링의 생산성을 향상 시킬 수 있는 방안을 제시한다. 이를 위해 연구에서는 시각적 프로그래밍인 Dynamo와 Excel VBA를 활용하여 실무적으로 BIM 모델링 생산성을 확보할 수 있는 ‘슬릿 케이슨의 BIM기반 설계 자동화 시스템’을 개발한다.
이를 위해 연구에서는 항만의 대표적인 구조물인 슬릿 케이슨을 개발 대상으로 선정하고, 실무에서 사용할 수 있게 주요 매개변수들을 도출하였다. 특히, 실무적인 설계요소를 반영할 수 있게 57개의 매개변수를 구성하고, 다양하고 복잡한 매개변수를 효율적으로 관리할 수 있게 Excel VBA기반의 UI를 구축하여 사용자의 편의성을 높였다.
이에 연구에서는 BIM 모델링 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 BIM 모델링 자동화 시스템을 Revit의 Dynamo, Excel VBA를 활용하여 개발하였다.
따라서 실무에 활용 가능한 파라메트릭 모델을 구축하기 위해서는 케이슨의 각 부재에 대해서도 형상 및 치수를 자유롭게 변경할 수 있게 다양한 매개변수가 필요하다. 이에 연구에서는 케이슨 설계 전문가 인터뷰를 통해 Table 1과 같이 케이슨의 매개변수를 선정하였다. 이는 실무 설계 요소를 반영한 것으로써 총 57개의 매개변수를 통해 케이슨의 모델 정보를 수정할 수 있게 하였다.
이와 같이 입력된 케이슨 매개변수 값들은 Revit의 Sweep 및 Extrusion 방식으로 케이슨 BIM 모델링을 생성하였다. 케이슨의 경우, 콘크리트로 채워진 부분과 격실 및 슬릿과 같이 비어있는 부분으로 구성되어 있기 때문에 각 부재별 목적에 맞게 Solid와 Void형태로 구분 하고, 이를 병합하는 과정으로 케이슨의 전체 BIM 모델을 생성하였다.
즉, Fig. 9와 같이 케이슨의 전면부, 중간부 및 후면부에 대하여 각각 Solid 형태의 케이슨 외형 1개와 Void 형태의 격실 모델을 사용자가 입력한 격실개수에 맞게 생성하고, 결합하는 방식으로 3차원 모델링을 자동화하였다. 먼저, 케이슨의 외형은 매개변수인 격실개수, 격실 너비, 격실 폭, 및 격실두께 값에 따라 2D profile를 구성하고, 케이슨 높이 값의 경로로 모델링할 수 있도록 구성하였다.

데이터처리

케이슨 연결부는 연결부의 폭은 일정하나 서로 다른 길이와 간격으로 Void 형태의 3차원 모델로 생성할 수 있게 구성하였다. 이를 위해 Excel Sheet를 활용하여 다수의 매개변수 값을 입력받을 수 있게 구성하였다. 연결부의 3차원 모델 생성 방법은 앞서 케이슨 외형 3차원 모델로부터 기준점을 계산하고, 연결부의 간격, 연결부 길이 및 폭 등의 매개변수 값을 활용하여 연결부의 2D profile을 생성하고, 이를 Extrusion 방식으로 모델을 생성할 수 있다.

성능/효과

또한 실무에서 슬릿케이슨을 설계하는 실제 워크 플로우를 반영할 수 있는 5개의 모델링 자동화 모듈을 개발함으로써 사용자가 다양한 설계조건을 실시간 검토하면서 케이슨의 BIM 모델을 구축할 수 있게 하였다. 개발된 시스템은 사례적용을 통해 매개변수 입력만으로 케이슨 부재가 신속하게 모델링 되어 업무 생산성이 획기적으로 향상되는 것과 다양한 설계변경에 따른 모델 변경의 수작업을 매개변수의 변경만으로 자동화함으로서 설계변경에 신속히 대응 할 수 있는 것을 확인하였다.
두 번째 Dynamo 스크립트에서는 생성된 격실 모델의 단면을 선택하고, 슬릿 너비, 폭 및 간격 등의 슬릿 매개변수를 값을 입력하면, 슬릿 모델이 자동으로 생성되는 것을 보여주고 있다.
첫 번째 Dynamo 스크립트는 Excel Sheet를 선택하는 과정만으로 격실의 너비, 폭, 간격 및 케이슨의 높이 등의 다양한 매개변수값을 적용하여 생성된 케이슨 외형, 토우, 격실 및 헌치 모델을 확인할 수 있다.
이를 위해 연구에서는 항만의 대표적인 구조물인 슬릿 케이슨을 개발 대상으로 선정하고, 실무에서 사용할 수 있게 주요 매개변수들을 도출하였다. 특히, 실무적인 설계요소를 반영할 수 있게 57개의 매개변수를 구성하고, 다양하고 복잡한 매개변수를 효율적으로 관리할 수 있게 Excel VBA기반의 UI를 구축하여 사용자의 편의성을 높였다. 또한 실무에서 슬릿케이슨을 설계하는 실제 워크 플로우를 반영할 수 있는 5개의 모델링 자동화 모듈을 개발함으로써 사용자가 다양한 설계조건을 실시간 검토하면서 케이슨의 BIM 모델을 구축할 수 있게 하였다.
특히, 케이슨의 전면부, 중간부 및 후면부별로 매개변수 값을 달리 적용할 수 있게 구성함으로써 실무에 활용도를 높였다. 예를 들어, 격실의 너비와 폭을 다양하게 설계할 수 있게 개별 격실에 대해서 너비와 폭을 상이하게 사용자가 정의할 수 있도록 구성하였다.

후속연구

향후 연구에서는 다양한 항만 구조물을 대상으로 BIM 모델링 자동화 모듈을 개발할 뿐만 아니라 이들의 연계성을 파악하여 단일 구조물들을 조합하여 상위 시설물을 자동으로 모델링 할 수 있는 연구를 진행할 예정이다.

참고문헌 (6)

H. S. Moon. "The role of BIM in the fourth industrial revolution" Construction Engineering and Management, Vol.18, No.6, pp.42-46, 2017.
H. J. Kim, M. H. Choi, J. J. Kim, "A study on the automation process of BIM library creation of air handling unit", Journal of The Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.34, No.4, pp.75-82, Apr. 2018. DOI: https://doi.org/10.5659/JAIK_SC.2018.34.4.75

상세보기
S. M. Jeon, D. W. Kim, BIM parametric modeling, Technical Report, Ssangyong Engineering & construction, Korea, pp.20-24.
M. Ringsven, D. Bond, "A Study on the Application of BIM-enabled Interior Panel Design by the control of Parametric" Journal of the Korean Institute of Interior Design, Vol.25, No.6, pp.70-78, Dec. 2016. DOI: https://doi.org/10.14774/JKIID.2016.25.6.070

원문보기 상세보기
S. Mengana, T. Mousiadis, Parametric BIM: Energy Performance Analysis Using Dynamo for Revit, Master's thesis, KTH Royal institute of Technology, Stockholm, Sweden, pp.1-55, 2016.
Korea ports & harbours Association, Guideline of practical Design for Ports and harbour construction 2014, Ministry of Oceans and Fisheries, Korea, pp.271-292

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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