[논문]AR과 3D 프린팅 객체를 연계한 건설공사 4D 시스템 구성 연구

박상미; 김현승; 문현석; 강인석

doi:10.12652/ksce.2021.41.2.0181

[국내논문] AR과 3D 프린팅 객체를 연계한 건설공사 4D 시스템 구성 연구
Development of 4D System Linking AR and 3D Printing Objects for Construction Porject 원문보기

KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research = 대한토목학회논문집, v.41 no.2, 2021년, pp.181 - 189

박상미 (경상대학교 토목공학과) , 김현승 (서영엔지니어링 BIM팀) , 문현석 (한국건설기술연구원) , 강인석 (경상대학교 토목공학과)

초록
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건설현장에서 가상현실 BIM객체의 활용성을 높이기 위해서는 실제 이미지와의 이질감을 해소시켜야 하며, 공정관리 분야 적용시에는 가상현실 공정모습과 실제 공정모습간의 괴리감을 감소시킬 필요가 있다. 연구에서는 이러한 부분을 해소하기 위해 AR (Augmented Reality)과 3D 프린팅 기술이 연계된 4D 모델기반 공정관리 시제품을 구성하여 두 기술이 연동된 4D모델의 활용 가능성을 검토한다. 입체적인 3D 출력물과 AR객체를 접목하여 시공 공정 시뮬레이션을 구현하면 단순한 가상현실기반 4D 모델과 비교시 실체적 이미지기반의 정보로 보다 직관적인 공정 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 연구에서는 3D 프린팅 출력물에 마커를 이용하여 후속공정이 4D 모델로 시뮬레이션되는 AR구현 체계의 방법론 및 시스템 구성의 적정성을 검토한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to increase the practical usability of the virtual reality(VR)-based BIM object in the construction site, the difference between the virtual image and the real image should be resolved, and when it is applied to the construction schedule management function, it is necessary to reduce the image gap between the virtual completion and the actual completion. In this study, in order to solve this problem, a prototype of 4D model is developed in which augmented reality (AR) and 3D printing technologies are linked, and the practical usability of a 4D model linked with two technologies is verified. When a schedule simulation is implemented by combining a three-dimensional output and an AR object, it is possible to provide more intuitive information as a tangible image-based schedule information when compared to a simple VR-based 4D model. In this study, a methodology and system development of an AR implementation system in which subsequent activities are simulated in 4D model using markers on 3D printing outputs are attempted.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Link Process Among 3D Printing Object, AR Object and 4D Model
그림 Fig. 2. Link Process for AR-based 4D Model
그림 Fig. 3. Link Process between 3D Printer and 4D Model
그림 Fig. 4. Architecture and Main Module of 4D System
그림 Fig. 5. 4D Model Based on 3D Printed Object for Progress Management
그림 Fig. 6. AR Object Based on 4D Model for Progress Management
그림 Fig. 7. AR-based Progress Simulation on 3D Printed Object
그림 Fig. 8. AR-based 4D Simulation on 3D Printed Object using HMD
그림 Fig. 9. Verification of Shop Drawing using AR and 3D Printed Object Based on 4D Model
그림 Fig. 10. Application of AR and 3D Printed Object Based on 4D Model for Alternative Plan Management of Railway Bridge

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제를 해결하기 위해 연구에서는 3D 프린터 출력물과 AR 객체를 연동하여 공정관리를 수행하는 방법론을 구축하고자 한다. 3D 프린팅 기술은 BIM의 3D 모델을 쉽게 연계할 수 있다는 점과 구조물의 입체감과 표면의 질감까지 표현할 수 있기 때문에 설계 및 시공 모델의 효과적인 검토가 가능하다.
이에 연구에서는 증강현실 및 3D 프린팅 기술을 활용하여 4D 모델기반 공정관리 업무를 수행할 수 있는 방법론과 시제품 시스템을 개발하여 활용 가능성을 검토하고자 한다. 이러한 성과물은 사용자에게 보다 현장감과 몰입감 있는 공정정보를 제공하고, 실제 구조물의 축소된 모형을 통해 직관적으로 BIM기반의 시공성 검증이 가능하도록 할 수 있다.
본 연구에서는 토공 등 자연지형 객체가 아닌 구조물 객체를 중심으로 적용성을 검증하였으며, 진도관리에 활용하기 위해서는 해당 시점의 완성상태를 3D출력물로 구성해야하므로 보다 단순한 3D객체 출력과정이 필요하고, 이러한 과정은 3D프린터의 급속한 발전으로 개선될 것으로 예상된다.
본 연구에서는 4D 모델의 활용성 증대를 위해 AR 객체와 3D 출력물을 연계 활용하는 방법론과 시스템 시안을 구축하여 공정진도의 직관적 관리 및 향후 공정 시뮬레이션 도구로 활용 가능성을 파악하였다.
연구에서는 이러한 방법론에 근거하여 AR과 3D 출력물객체가 4D 모델과 연계되는 시스템을 구축하였으며, 실제 교량프로젝트의 진도관리 업무에서 적용성을 파악하였다.

제안 방법

본 연구에서는 공정관리에서 현재 시점까지 완성된 이미지 구현을 위해 3D프린터 출력물을 이용하고, 출력물에 마커기반의 증강현실 객체를 구성하여 후속 공정을 4D모델로 시뮬레이션함으로써 공정관리의 효율성을 향상시킬수 있는 방법론과 시스템 구축을 시도한다. 기존 연구(Kim et al.
이를 위해 연구에서는 Fig. 2와 같이 AR객체를 생성하는 과정을 최소화하고 AR객체와 공정의 연동방식을 WBS (Work Breakdown Structure) 코드 기반으로 구성하였다. 이는 각 3D 모델의 ID뿐만 아니라 일정, 비용 등의 공정정보를 WBS 코드와 연계하기 때문에 간단한 탐색조건으로 사용자가 원하는 공정정보를 찾고 이를 증강현실로 구현할 수 있다.
이를 위해 연구에서는 Fig. 3과 같이 3D 프린터 출력을 위한 3D 모델을 조회할 수 있는 조회기능과 조회된 3D모델을 3D 프린터로 전송하여 출력시킨 후 3D 출력물과 4D 모델을 연계하는 과정을 구성하였으며, 이러한 연계과정은 WBS코드 중심으로 관리되도록 하여 이력정보 추적이 용이하도록 하였다.
이를 위해서는 다량의 공정 데이터속에서 사용목적에 따라 3D 출력물 객체에 적합한 공정 객체를 찾아 AR객체로 구성할 수 있는 방안이 필요하다. 이를 위해 연구에서는 3D 출력물 객체의 이력정보를 활용하여 증강현실을 위한마커에 등록시킬 3D 모델과 공정정보를 탐색할 수 있게 하였다.
연구에서 구축하는 시스템은 Fig. 4에 표현된 바와 같이 우선적으로 외부에서 작성된 3D 모델을 이용하여 4D 시뮬레이션 모듈에서 4D 객체를 생성한다. 다음으로 현재 시점까지의 완성모습을 3D 프린팅 모듈에서 출력한 후 출력물에 마커를 부착하여 AR 시뮬레이션 모듈에서 후속 공정을 시뮬레이션하게 된다.
4와 같이 공정별 완성모습의 3D 모델과 공사일정 정보가 사전에 연계되어야 한다. 이를 위한 4D 시뮬레이션 모듈의 기본 엔진은 연구팀의 기존 연구에서 개발된 시스템(Moon et al., 2014)을 이용하며, 본 연구에서 추가적으로 AR 모듈과 3D 프린팅 모듈을 탑재하여 하나의 시스템으로 구축하였다.
적용된 철도교량은 180 m연장의 3경간 아치형태로서 하부의 고속도로를 횡단하기 위해 설치되며, 연구에서는 FDM (fused deposition modeling)과 SLA (stereolithography) 방식의 3D프린터 기기로 출력하였다. 프린터 출력과정에서는 3D 출력오류들을 최소화할 수 있도록 3Ds Max를 이용하여 3D 모델을 생성한 후 출력하였으며, 공정단위로 구분해 출력하여 조립하였다.
7과 같이 출력물의 이력정보를 참조하여 증강할 공정을 선택한다. 그리고 이를 마커에 등록하여 AR기반 3D 모델을 생성하여 증강현실을 구현한다. Fig.
발생할 수 있다. 이러한 왜곡현상을 보완하는 도구로 HMD (head-mounted display)기기를 사용할 수 있으며, 본 연구에서 구축한 시스템은 HMD와 연동하여 높은 몰입감과 이해도를 확보할 수 있도록 하였다. Fig.
이를 위하여 AR과 4D 모델의 연동에 마커 및 비마커방식의 이미지 링크방법으로 사용자의 AR객체 구성을 위한 절차를 간소화하였으며, 3D 출력물과 AR객체 및 4D 모델의 연동은 WBS코드를 중심으로 구성함으로써 다양한 객체의 운영 편리성이 가능하도록 하였다. 연구에서는 이러한 방법론에 근거하여 AR과 3D 출력물객체가 4D 모델과 연계되는 시스템을 구축하였으며, 실제 교량프로젝트의 진도관리 업무에서 적용성을 파악하였다.
특히 4D모델에서 구조물의 철근배근 상태를 3D출력물과 AR 객체를 이용하여 확인하는 모습을 구현하여, 진도관리 기능 외에 구조물의 시공검증 기능으로 활용성을 파악하였다. 이로써 단순한 4D 모델보다 현장감 있고 직관적인 시뮬레이션 정보를 제공할 수 있고, 내업 상황에서 실제 현장과 유사한 조건으로 공정 업무의 효율적인 협업 도구로 활용성을 가질 수 있다.

대상 데이터

연구에서 개발한 시스템의 적용 가능성을 파악하기 위하여 철도시설물에 포함되는 교량을 대상으로 본 시스템의 사례 적용을 수행하였다. 적용된 철도교량은 180 m연장의 3경간 아치형태로서 하부의 고속도로를 횡단하기 위해 설치되며, 연구에서는 FDM (fused deposition modeling)과 SLA (stereolithography) 방식의 3D프린터 기기로 출력하였다.
적용된 철도교량은 180 m연장의 3경간 아치형태로서 하부의 고속도로를 횡단하기 위해 설치되며, 연구에서는 FDM (fused deposition modeling)과 SLA (stereolithography) 방식의 3D프린터 기기로 출력하였다. 프린터 출력과정에서는 3D 출력오류들을 최소화할 수 있도록 3Ds Max를 이용하여 3D 모델을 생성한 후 출력하였으며, 공정단위로 구분해 출력하여 조립하였다.

이론/모형

연구에서는 증강현실을 구현하기 위해 마커(marker)와 비마커 (markerless) 인식 방식을 모두 활용하였다. 마커방식은 2D 바코드형태로 검은색 사각형 내부에 간단한 그림이나 문자와 같은 특정 패턴으로 작성되며, 현실세계에서 직접 설치한 마커를 추적하기 때문에 마커 탐지가 용이하다.
3D 프린팅 모듈은 4D 시스템에서 구현되는 4D 모델을 3D 프린터로 출력하게 된다. 3D 프린팅에 필요한 슬라이스 및 호스트 프로그램은 ‘Magics’과 ‘Cura ’를 활용하였다. AR 모듈에서는 4D 시스템에서 구현되는 3D 및 4D 모델을 증강현실로 구현하고, 3D 출력물 객체와의 정합을 위해 AR객체의 크기 및 위치를 조작할 수 있다.
특히 WBS 코드기반으로 공정정보들이 연동되어 있기 때문에 증강현실이 구현되고 있는 상태에서도 On-off를 통해 추가적인 공정정보를 화면에 생성하거나 감출 수 있다. 이를 위해 연구에서는 Metaio사에서 제공하는 ‘Metaio SDK 6.x Pro’를 활용하였다.

성능/효과

특히 Fig. 10에서와 같이 철도시설에 시공되는 주요구조물의 대안 공법을 3D 출력물로 구성한 후 AR객체와 4D 모델을 연동하여 현 시점이후 시공되어야 할 대안의 시뮬레이션 검증을 하면 현재의 2D기반 대안 공법검토의 효율성을 높일 수 있다.

후속연구

기본적으로 3D 모델을 제작하는 모델링 프로그램과 Cura 등과 같이 3D 모델을 3D 프린터로 출력하기 위한 슬라이서 프로그램(slicer program) 등이 필요하며, 이러한 프로그램은 상용화된 제품을 사용한다. 연구에서 제시하는 3D 출력물 기반 공정관리 방법은 단순히 토목구조물의 조감도 또는 목업(mock-up)을 제작하는 것이 아니고, 진도관리에 활용 가능한 공정단위의 객체를 출력하는 절차로 활용될 수 있다. 따라서 부분적인 3D 모델뿐만 아니라 공정 업무별 필요한 정보에 해당하는 3D 모델을 검색하고 도출하여 제공하는 방법론이 요구된다.
5.6 철도시설공사 활용 연구

연구에서 제시한 AR 및 3D 프린터 연계 4D 시스템은 향후보다 단순화된 시스템 개선으로 수십 km의 공사 연장을 갖는 철도시설공사에 적용하여 선형적 토목시설물의 활용성을 검증할 계획이다. 특히 Fig.
이로써 단순한 4D 모델보다 현장감 있고 직관적인 시뮬레이션 정보를 제공할 수 있고, 내업 상황에서 실제 현장과 유사한 조건으로 공정 업무의 효율적인 협업 도구로 활용성을 가질 수 있다. AR 및 3D 출력물객체가 연동된 4D 시스템은 후속 연구에서 시스템의 완성후에 실무적 공정효율성의 개선정도를 분석할 필요가 있으며, 향후 3D 출력물 사용의 보편화와 HMD기기의 간소화 정도에 따라 활용성을 확대할 수 있을 것이다.

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