토목공사분야 BIM(Building Information Modeling) 활용현황및적용방안 강인석경상대학교토목공학과교수문현석 Teesside University, CCIR, Senior Researcher 1. 토목분야 BIM 개요 3차원설계의효용성확대와함께 BIM(Building Inform ation Modeling) 은빠르게보급되고있으며, 국토해양부등에서는토목공사분야에도 BIM 을적용하는방안을검토하고있다. 최근대형국책사업으로추진중에있는 4대강살리기사업 에서는보구조물이포함되는일부구간에대하여실시설계적격자가공정과연계한 3차원시뮬레이션 (Simulation) 을하도록하는사항이입찰안내서에포함되어있다. 이른바 BIM 환경에서 3D객체에연동될수있는 4D CAD 활용이국책토목사업에포함된최초의사례로평가될수있다. 국내에서 BIM 의적용추세는대부분건축물공사를대상으로이루어지고있고, 광역현장및비정형의토공 (Earthwork) 을포함한수평적작업중심인토목시설물의 BIM 적용에는제약이있다. 건축분야는디자인및설계중심의산업성으로인해보편적인인식을가질수있는환경조성이마련된반면, 토목분야는설계단계보다는시공측면의산업구조로인하여 BIM 의인식확산및실무도입에많은제약요인들이있다. 그러나토목구조물의설계시에도구조해석등의엔지니어링요소를포함한설계정보의검토와분석기법을통한기술적피드백이요구되고있다. 또한설계정보의검토를통해공정간섭및공기지연요소를사전에분석하여설계와시공을일치시킬수있도록하는프로세스기반의통합정보체계구축 ( 토목 BIM) 이요구되는시점이다. 이와같이토목 BIM 은토목공사생애주기 ( 기획, 설계, 시공, 유지관리 ) 에걸쳐발생되는정보를통합및관리하고, 수정된정보의갱신에따라연관된프로세스정보들이일괄적 으로재생산, 공유, 교환, 재배포될수있는 3차원기반정보운용환경을의미한다. 그림 1. 토목공사 BIM 구성개요도그림 1에서좌측에표현된기존의 3D객체는형상정보만을갖고있으므로, 교각의 CAD 객체가표현할수있는정보는높이, 폭, 색상, 면적등이되며, 이러한정보는설계도면표현에는유용하나생애주기정보로활용성은갖지못한다. 이러한객체가 BIM 기반으로되면우측그림에서와같이동일한교각의 3D객체에구조해석, 공사일정, 공정시뮬레이션, 공사비정보등을연동하여표현하게되므로, 공사생애주기동안통합관리적정보로활용성을갖게되는것이다. 건축공사와토목공사모두 BIM 의활용은프로젝트생애주기정보의통합관리가목적이다. 미묘한차이점은건축공사에서의 BIM 은전통적인설계프로세스에중점을두고있는반면에, 토목공사에서의 BIM 은설계프로세스의지원과동시에시공프로세스지원도강화되어야실무적활용성을갖을수있다는점이다. 30 건설관리
건설자동화및정보화 - 토목공사분야 BIM(Building Information Modeling) 활용현황및적용방안 2. CAD 와 BIM 이러한 BIM 체계는기본적인 3차원 CAD정보외에 4D CAD 환경에서비용 (5D) 과자원 (6D) 등의정보를연동한 nd CAD 객체들이연동되어공사관리의핵심요소로도활용될수있다. 즉, 공정, 비용, 자원관리등의공사관리정보들이 3D CAD객체와연동되어시각적으로관리되는것이다. 기본적으로 BIM 의활용은 3차원객체기반이므로설계객체의 CAD 화기술정도가중요한요소가된다. 현재의 CAD 기술은 3D, 4D, nd 등의시각적요소중심이나, 향후이러한 CAD기술은시각적정보에오감 (Five Senses) 이연계되어차세대개념의 CAD 기술로발전할것이다. 오감중에서현재시도되고있는것이그림 2에서와같이청각정보를부가하여현실감을증대시킬수있는 Audio+CAD ( 이하가칭 AudiCAD로표현 ) 를구성함으로써설계오류및현장프로젝트관리를위한비시각적정보의인식기능을확장시킬수있다. 이러한개념이시공에적용되면백호우굴착작업의시뮬레이션 VR화면가동시에백호가동소리를연동시켜현장감을극대화할수있는것이다. 그림 2에서는현재의문자형태도구인워드프로세스 (Word Processor) 가그림형태도구인 CAD 와통합되어사용될수있는 WorCAD라는도구가향후출현될수있음을표현하고있다. 이러한 CAD 의기능발전은 BIM 의실무적용정도와비례할수있다. 각화 (Visualization), 현실화 (Realization), 전자화 (Digitization) 시키는환경을구축하는것이다. 3. 토목분야국내외 BIM 적용현황 토목공사분야의 BIM 적용은건축분야와달리기초적수준에머물러있다. 기존해외프로젝트중심의토목 BIM 은확장된개념의 BIM 이아닌일부기능을통한시각적분석에치중하고있다. BIM 개념은아니지만국내토목의유사한적용사례로는호남고속철도와경부고속철도 2단계등에철도시설물설계를위한 3D 설계지침을기반으로 3차원설계를시도하고있는부분이다. 또한최근세종시건설을위해도로및철도등의인프라및지하구조물건설에 GIS 기반의 3차원설계를적용할예정에있다. 인천대교및두바이교량프로젝트등에 3D 기반의 DMU(Digital Mock-up) 가적용된부분적 BIM 설계를시범적으로도입하여공종간섭및시공성검증에효과를확인하고있다. 이와같이초기의 BIM 을적용하는범위는공종간섭검토등의기초적인수준에머물고있다. 그림 3은도로기하요소들이도로설계의주요한안전성평가파라미터를충족하는지를판단하기위해 RDB 시스템의 Rapid Road Safety Analyzer에적용된 BIM 사례1) 를나타낸것이다. 이는 AutoCAD Civil 3D 기반에서작성된도로설계정보모델을포함하고있으며, 도로설계시거리, 시거, 경사, 표고, 설계속도등의설계기하정보들이설계기준에적합한지를평가하기위해 BIM 을적용하고있다. 그림 2. CAD 도구의발전개념도 그림 3. 미국토목 BIM 활용사례 1) 토목공사에적용하는 BIM 의궁극적인목적은이러한 CAD 환경에서다양한형태의프로젝트생애주기정보를시 1) Adam Strafaci, CE NEWS: What does BIM mean for civil engineers, www. cenews.com, Autodesk, 2008, p64 제 10 권제 5 호 2009. 10 31
이러한도로설계정보의안전성분석외에도설계정보의부정확한오류나간섭검증을위해시공성분석과정에 BIM 을적용하고있는것으로나타났다. 또한미국의 WisDOT (The Wisconsin Department of Transportation) 에서는도로설계, 지형정보관리, 교통용량, 소음, 경관, 배수분석등을위해 Civil 3D를활용한 BIM 을적용하고있다. 이와같이토목 BIM 을구현하는데활용되는대표적인상용프로그램은미국 Autodesk사의 Civil 3D 2), 일본 FORUM8의 UC-win/Road, Bentley의 GEOPAK/ InRoads/ MXROAD와핀란드 Tekla 의 XStreet 등이있다. 이들은도로의설계과정을위해지형정보생성, 구조물 3차원설계및시각화분석기능을지원하며, 히 Autodesk Civil 3D의경우 Google Earth에서토목구조물설계를위해지형정보의생성및객체모델의상호교환을지원한다. 이러한기능은지형정보를상호공유함으로써프로젝트의타당성검토나설계단계에서매우유용하며, 자료를구하기어려운해외프로젝트의경우해당현장위치의지형적환경등의개략적검토가가능하다. 4. 토목공사프로젝트단계별 BIM 활용기능 그림 4. Civil 3D 와 UC-win/Road 통합 3) 1) 기획단계토목분야기획단계 BIM 활용기능은주로타당성검토, 그림 5. 토목공사프로젝트단계별 BIM 적용기능 2) AUTODESK, http://www.autodesk.com, 2009 3) FORUM8, http://www.forum8.co.jp, 2009 32 건설관리
건설자동화및정보화 - 토목공사분야 BIM(Building Information Modeling) 활용현황및적용방안 주변환경성평가및교통영향분석등의업무를지원하는기능으로구성된다. 이러한기능으로는그림 5에나타난바와같이 3차원지형정보생성에의한지형분석기능, 3차원형상모델을기반으로하는개략일정시뮬레이션기능, 구조물배치및경관계획시뮬레이션기능, 대안검토및선정시뮬레이션기능과주변환경평가시뮬레이션기능등이구성될수있다. 2) 설계단계설계단계 BIM 활용의기본기능은구조해석정보와공사비정보등을설계객체부위별로관리할수있는기능이다. 이러한기본적활용외에도지하시설물시각화검토기능, 지형의표고, 경사, 수계분석및토공시각화분석기능이구현될수있다. 또한객체의설계오류, 간섭, 위치등을파악하기위해횡단면검토및객체간섭검증기능이활용된다. 이와같이설계정보의기하요소를확인하기위해임의의단면 / 거리 / 깊이 / 경사 / 표고분석과도로 / 교량등의선형및타입의대안검토, 유역면적산출등의기능이구현될수있다. 히토목공사는토공과직접연관되므로, 토공의성 / 절토상태를시각적으로분석할수있는기능과완성된 3차원모델의설계정합성분석기능이적용될수있다. 이와같이주변환경과의적합성을판단할수있으며, 3차원모델로부터요구단면을추출하여상세한 2D 도면을생성할수있는기능이구성될수있다. 이러한설계정보가완성되면각공종을구성하고 WBS 코드와연계하여계획공정표를생성하게된다. 이와같이생성완료된 3차원모델은시공단계에서광역현장의다중프로젝트및구조물관리가가능하도록 Google Earth의지형정보와통합하여설계단계 BIM 구현을위한다차원캐드기반의시뮬레이션체계를구현할수있다 ( 그림 6). 이러한설계정보의생성을위한지원기능으로서각기능들이개별프로세스를위한단일시뮬레이션기능으로통합되어야하며, 동일한시스템환경내에서통합구성됨이바람직하다. 히이러한기능을구현하기위해서는상세수준의설계정보를표현하는파라메트릭정보기반의모델구성과프로세스를구조화할수있어야한다. 3) 시공단계시공단계에서는설계단계에생성된 3차원모델을바탕으로일정정보와연계하여순차적객체구현이가능한 4D 시뮬레이션기능이기본적으로활용될수있다. 이를토대로계획대비실적의진도관리시각화검토기능과비용 (5D) 과자원 (6D) 의다차원정보분석기능, 시공조립시뮬레이션및일정관리기능을활용할수있다. 이러한기능들은 Google Earth의지형정보기반에서운영될수도있으므로다중프로젝트현장의통합공사관리가가능하다. 또한하드웨어와연동된원격현장관리를위한 Telepresence 기능, HMD(Head Mount Display) 에의한 AR(Augment Reality) 연동기능및 RFID와연동된현장시공정보관리기능이동시에구성될수있다. 이외에도시공단계에는 BIM 의기본적정보인일정, 공사비, 도면정보등이연동되어활용될수있다. 4) 유지관리단계유지관리단계의 BIM 지원기능은기획, 설계, 시공단계에서도출된시각화정보들이표준화된 XML 전자문서기반의전자매뉴얼로연동되는기능들이구성될수있다. 이를통해구조물의유지관리이력정보등이 3D객체와연동되어소요정보를제공할수있다. 또한손상부위의확인과 VR 시뮬레이션기반의보수보강및점검관리정보를제공할수있으며, 4D CAD 환경에서실적기반의계측정보관리기능도구현될수있다. 5. 토목공사 BIM 구현을위한활성화방안 현재건축공사위주로적용되고있는 BIM 을토목공사에활용하기위해서는토목공사설계환경이 3D CAD 기반으로조성되어야하며, 이를위해서는다음사항의실행이필요하다. 그림 6. 교량 3D 모델의 Google Earth 통합및관리 4) 4) GEONT, http://www.geont.co.kr/googleweb, 2009 제 10 권제 5 호 2009. 10 33
1) 토목공사 3D 설계지침구성토목분야 2D 설계가보편화된것은관련설계지침이구성된이후였으며, 3D기반설계가활성화되기위해서도각기관별보편적으로적용가능한 3D 설계지침이우선적으로구성될필요가있다. 이러한 3D 설계지침에는형상도면외에구조해석, 시뮬레이션, 적산정보등의 3D연동지침이포함되어야 BIM 과연계될수있다. 현재건설교통기술평가원가상건설연구단에서는이러한 3차원설계지침을구성중에있다 ( 그림 7). 을입력함으로써 3차원교각을간편히구성하는과정을표현한것이다. 우선교량하부의기초, 교각, 교대를각각선택하고형상의기하요소를입력하면해당모델이정의된형상에따라자동생성되어각부위별후속위치에배치된다. 이들객체정보들은파라미터의기하요소를이용하므로하나의속성을변경하게되면, 시뮬레이션화면에구성된 3차원모델의연관정보들도동시에변경되어 BIM 의파라메트릭모델링요구사항을반영할수있다. 그림 8. 3D객체내장 DB에의한간편화된설계도구성 3) 토목분야 3D 표준도의구성과보급 2D 개념의설계표준도에의해 2D 설계가보편화되고있듯이, 토목공사주요구조물별 3D 표준도의구성과보급이필요하다. 이러한표준도개념은 3D객체구성에요하는품과설계변경시 3D설계과정을대폭감소시킬수있다. 그림 7. 3 차원토목설계지침구성도예 5) 2) 3D설계객체데이터베이스구축 3D설계에서부위별 3D객체구성은가장많은품과시간을요하며, 3D설계환경확산의장애요인이되기도한다. 이러한 3D객체구성에요하는시간을감소시키기위해서는기본적인토목부위별 3D객체가표준적으로구성되어있을필요가있다. 사용자는이러한 3D DB(Database) 를이용하여설계부위별 3D객체구성을용이하게할수있도록해야한다. 그림 8은교각의 3차원모델링을위해데이터베이스에내장된교각의각부위별 WBS 선택을통해해당부위의속성 5) 가상건설연구단, 2차년도연구보고서, 건설교통기술평가원, 2008 그림 9. 토목 3D 설계표준도개념 6) Bentley, http://www.bentley.com, 2009 7) TEKLA, http://www.tekla.com, 2009 6) 7) 34 건설관리
건설자동화및정보화 - 토목공사분야 BIM(Building Information Modeling) 활용현황및적용방안 4) 토목 3D설계객체의호환성확보도구구축현재 IAI (International Alliance for Interoperability) 에서 STEP (Standard for the Exchange of Product Data Model) 과 IFC (Industry Foundation Classes) 등으로토목시설물의 3D설계객체간호환성확보를시도하고있고, 건설분야에적용가능한호환코드의구성은 IFC 를중심으로구성되고있다. 그러나 IFC 코드구성역시건축공사구조물위주로구성되어있으므로현재시점에서토목공사적용은곤란한실정이다. 토목공사적용을위한 IFC 코드는교량 IFC 객체가일부해외프로젝트 (Milau Bridge, 2006) 에활용된사례 ( 그림 11)8) 가있으나현재까지실무적적용은곤란한상태이며, 국내가상건설연구단등에서한국형 IFC (K-IFC) 등의개발을시도하고있으나건축공사에치중되어있다. 토목공사는자연지형을대상으로하는토공사가많은부분으로포함되며, 히교량, 터널, 댐, 항만등의객체간시설물모양이상이한구조물들로구성되므로그만큼표준화된호환성코드구성이어려운부분이다. 5) 2D객체의 3D변환도구구축 3D객체구성작업을간편화시킬수있는방법으로, 기존 2D객체에높이, 폭, 직경등의간단한제원만입력하면 3D 객체가생성되는간편화된변환도구가보편화되어야한다. 이러한파라미터정보에의한모델링방식은모델연관요소의동시수정및업데이트가가능해진다. 이러한도구들은다양한기관에서개발중에있으므로조만간가시적인성과품이기대되고있다. 그림 10. 3D 객체호환성확보도구구성 그림 12. 2D 객체의 3D 변환도구사례 ( 배관망 ) 그림 11. EXPRESS-G : Spatial Structure Elements 8) 8) IAI, http://www.iai-tech.org, IFC-BRIDGE V2 Data Model, 2007 그림 12는플랜트배관의간단한제원 ( 길이, 직경등 ) 입력만으로 3D 배관모델이자동생성되는과정을구성한화면이다. 이는 2D 기반에서배관망의형상을속성값으로정의하고배관망이설치될경우평면상에서경로를정의함으로써경로를중심으로하는 3D 배관모델이자동생성될수있다. 이와같이 BIM 구성을위해서는개별 3D 객체의간편화된구성방법이요구되며, 제시된객체구성방법을통해기초적인형상의 3차원모델을신속하게생성할수있는체계를마련하게된다. 제 10 권제 5 호 2009. 10 35
6) BIM기반설계 / 시공을위한 CAD 활용환경의확대일반 3D설계객체는형상정보만을갖고있으나, BIM 기반 3D 설계객체는각종속성정보를연동하여구성된다. 이러한속성정보에는공사일정정보과일정이 3D와연계된 4D객체등이포함된다. 즉, BIM의활용은하나의객체에서이러한 4D 시뮬레이션과적산, 구조해석정보등을통합하여관리하므로차세대설계패러다임이되고있는것이다. 그림 13은기획부터유지관리단계까지 BIM 활용이가능한 CAD 관련정보들을표현한것이다. 이러한다양한 CAD 정보들이프로젝트수행단계별로실무적으로활용되도록하는환경조성이필요한부분이다. 와상세수준의모델링이가능한객체라이브러리의구성및토목분야 Workflow 구축을위한단위프로세스의정립이요구되며, 3D 설계기반의업무환경조성도필요하다. 이러한토목분야 BIM 적용의장애요인을해결하기위해서는국가차원의장기적인로드맵구축이필요한시점이다. 토목분야 BIM 은건축과달리설계단계외의시공단계까지중요요소로고려해야하므로단위구조물객체의시공시뮬레이션정보가중요요소가될수있으며, 이러한점에서단순 3D 외에 4D, nd객체의연동체계구성도필요한것이다. 최근토목분야의대형국책사업에 3D, 4D 시뮬레이션구성이의무화된사례등은토목분야 BIM 환경구축에고무적인사항이다. 이러한사례들은설계및시공성과품의고품질화와함께점차증대될것으로기대되고있으며, 히최근프로젝트규모가대형화및복잡화되고있는점을고려하면토목분야 BIM 의활성화된적용은선택의문제가아닌시기의문제가되고있다. ( 원고에표현된토목분야의 BIM 적용화면은본연구팀이가상건설연구단개발과제에서구축한토목시공시뮬레이션시스템을적용한것임 ) 강인석 e-mail : Lskang@gnu.kr 문현석 e-mail : civilcm@gnu.kr 그림 13. 토목분야 4D CAD 객체의 BIM 연동즉, 토목공사 BIM 의활용성을확보하기위해서는기존의형상정보위주인 3D 모델의구성외에시공단계 4D객체활용등에대한환경조성이필요하며, 이러한환경이선행되어야 BIM 의활용성이극대화될수있을것이다. 7. 결론 본고에서는토목분야의 BIM 개요와 BIM 활용현황을살펴보았으며, 향후토목분야 BIM 활성화를위한개선방안을제안하였다. 토목 BIM 의적용에대한연구는일부파일럿프로젝트를중심으로실무적용을위한노력이진행되고있다. 그러나아직 2D 기반의설계환경을탈피하지못하고있으며, 발주자의요구나이해가부족한것도토목분야에 BIM 이조기도입되지못하는이유가되고있다. 이를기술적으로해결하기위해서는다양한토목시설물의표준화된 3차원설계도 36 건설관리