1. 서 론
2. 골조공사 디지털전환 전략
2.1 상세설계 자동화기술
2.2 정밀물량산출
2.3 디지털 현장관리 플랫폼 구축
2.4 빅데이터 구축 및 활용
3. 철근콘크리트골조 상세설계 자동화기술
3.1 2D 도면 인식에 의한 기본설계모델링 자동화
3.2 배근 상세설계 자동화
4. 웹기반 플랫폼과 BIM 활용기술
5. 결 론
1. 서 론
4차 산업혁명의 시대적 흐름 속에서 각 산업 별로 디지털 전환(DT : Digital Transformation)이 가속화되고 있다. 건설산업의 경우 기존의 2D 도면을 기반으로 수행되던 건설 프로젝트를 3D 디지털 모델 기반으로 대체하는 BIM 개념과 기술이 소개된 지 10여 년이 흘렀다. 하지만 BIM 도입을 통한 급속한 건설산업 디지털 전환 기대와는 달리, 2D 도면을 기반으로 한 전통적인 건설 프로세스는 유지되고 있으면 건설산업은 디지털 전환이 가장 늦은 산업 중 하나로 분류된다.
건설 프로젝트는 기획, 설계, 공사계획, 현장시공, 유지관리 등 수 많은 단위업무가 결합된 프로세스이다. 그러므로 건설 프로젝트를 3D 디지털 모델, 즉 BIM 기반으로 수행하기 위해서는 필요충분한 설계정보를 적은 노력으로 디지털화할 수 있는 BIM 모델 생성기술과 BIM 모델을 기반으로 후속업무를 디지털화할 수 있는 활용기술의 개발이 요구된다. 또한 이러한 단위기술 간의 정보 입출력을 자동화하고, 각 업무 담당자들이 정보를 공유하며 프로젝트를 진행할 수 있도록 정보와 업무를 통합관리할 수 있는 프로세스 구축도 건설산업 디지털전환의 핵심기술이다.
현재 다수의 BIM 모델링 및 활용 솔루션과 건설 프로세스를 지원하는 플랫폼들이 출시되었다. 그럼에도 불구하고 건설 현장의 BIM 도입과 디지털 전환이 기대만큼 활성화되지 않는 중요원인을, 모델링 솔루션을 이용한 설계모델 구축의 생산성과 후속 프로세스에서 요구하는 필요충분한 정보를 제공하는 완성도에서 찾을 수 있다. 즉 BIM 모델링에 소요되는 비용 대비 후속 업무에서 획득 가능한 효과가 한정적이어서 관련기술의 현장확산이 지연되고 있다.
특히 후속 프로세스에 충분한 정보를 제공하기 위한 방대한 양의 상세설계 모델 구축에 소요되는 과도한 노력과 단순반복 작업 과정에서 발생할 수 있는 인적 오류에 의한 정확성 결여는 후속 건축 프로젝트의 디지털 전환 실현을 위하여 해결되어야 할 기술적 장벽이다.
이러한 배경에서 본 연구는 건축 프로젝트의 디지털 전환 및 BIM 현장 도입을 가속화하기 위한 기술개발 전략을 제시한다. 또한 철근콘크리트 골조 공사를 대상으로 본 연구에서 제시한 전략을 실현하기 위한 상세설계 자동화 솔루션과, 상세설계 모델 기반 정밀물량산출 및 활용 프로세스에 대하여 기술한다.
2. 골조공사 디지털전환 전략
Fig. 1은 본 연구에서 제시하는 철근콘크리트 골조 설계 및 현장관리 디지털전환을 위한 전략 개요를 보여준다. 본 전략은
1) 철근콘크리트 골조 상세설계 자동화 기술
2) 상세설계 BIM 모델을 활용한 정밀물량산출 기술
3) 견적 업무에서 확보된 4D 모델 기반 플랫폼 구축
4) BIM 모델과 데이터 축적을 통한 빅데이터 활용
으로 구성된다.
2.1 상세설계 자동화기술
Fig. 2는 골조공사 디지털전환 프로세스 구성에서 자동화 대상 범위를 결정하는 전략을 제시하고 있다. 자동화기술은 사전에 정해진 입력정보가 주어지면, 인간의 개입없이 소정의 업무를 수행하는 솔루션이다. 단위업무는 엔지니어의 전문성과 경험에 바탕하여 다양한 대안 중에 최적의 대안을 결정하는 고부가가치업무와, 표준화된 규칙에 따라 정형화된 데이터를 생산하는 단순반복업무로 구성된다. 전문적인 의사결정이 필요한 고부가가치업무를 자동화할 경우 엔지니어의 의도에 반하는 결과로 실용화에 실패하는 기술들이 있고, 반면에 단순반복업무를 엔지니어가 수행할 경우 생산성 저하와 인적오류에 의한 부적절한 결과 생산의 우려가 있다.
그러므로 엔지니어링 업무의 디지털전환을 위해서는 단순반복업무의 디지털화와 엔지니어의 의사결정이 필요한 업무를 합리적으로 구분하여 프로세스를 구성함이 중요하다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 단순반복업무는 규칙을 분석하여 정형화하여 기계적으로 처리하고 고부가가치업무는 전문가가 참여하여 그 결과를 통합하여 현장에 적용하는 프로세스이다.
건축설계는 기본설계와 시공단계 상세설계로 구분된다. 기본설계는 설계BIM으로 상세설계는 현장BIM으로 구분하여 모델링할 수 있다.
기본설계정보는 설계자의 의사결정을 중심으로 생성되는 반면, 상세설계정보는 방대한 양의 반복작업으로 구성된다.
본 연구는 건축상세설계 디지털 모델링에 소요되는 고비용과 후속 활용단계에서 필요한 정보를 충분히 제공할 수 있는 완성도 확보의 어려움이 BIM 기술의 현장확산을 가로막는 핵심 원인이라는 판단에서 시작되었다.
당초 BIM 도입으로 건설 프로젝트의 디지털전환이 쉽게 실현될 것으로 기대되었으나, 현장에서 필요한 상세 수준의 BIM 모델링 비용과 완성도 확보의 어려움으로 현재 충돌검토 등 제한된 용도로 활용되고 있다. 이에 본 연구에서는 상세설계정보의 반복성을 반영한 자동화 기술을 개발하여, 현장BIM 모델링 생산성과 완성도를 혁신함으로써 적은 비용으로 현장BIM을 확보한다. 이후 디지털화된 상세설계정보를 활용하여 다양한 후속업무를 자동화하는 프로세스를 구축함으로 궁극적으로 건설 프로젝트의 디지털전환을 실현하는 전략을 수립하였다. 골조 상세설계 자동화 기술에 대해서는 3장에서 구체적으로 기술한다.
2.2 정밀물량산출
물량산출 및 견적은 모든 프로젝트에서 설계 완성 후 반드시 수행되는 필수 업무이다. 그러므로 BIM 기반 물량산출 업무가 기존 업무 프로세스를 대체할 만한 장점을 제공할 경우 물량산출 업무의 디지털전환이 실현되고, 이 과정에서 BIM 모델이 확보됨으로써 후속 프로세스의 디지털전환을 위한 토대가 구축된다.
현재 물량산출은 CAD에서 산출한 기하학적 정보를 단순화하여 계산서에 입력하고 자재의 특성을 반영한 다양한 공식을 사용하여 물량을 산출한다. 이 과정에서 적용되는 다양한 가정과 단순화를 결과적으로 물량산출의 오차를 발생시킨다.
한편 전 절에서 기술한 상세설계 모델이 확보된 경우에는 자재별 실제 상세를 집계하여 정확한 물량을 산출할 수 있다. Fig. 3은 기초판을 대상으로 기존 2D CAD 기반 물량산출 방식과 3D BIM 기반 방식의 차이를 보여준다. 2D CAD 도면에서 정보를 추출하여 계산서에 하나하나 입력하는 노력이 소요되는 기존 방식 대비 BIM 상세모델이 확보된 경우 실시간으로 정확한 물량이 산출되는 가능성을 보여준다. 즉 BIM 상세모델이 확보된 상황에서 물량산출 업무의 생산성과 정확성을 혁신적으로 향상시킬 수 있으며, 생산성 및 정확성 향상 효과가 BIM 상세모델 생성 비용을 넘어설 경우 기존 업무 대체가 실현될 수 있다.
물량산출 업무의 BIM 기반 디지털전환 실현은 단순히 물량산출 업무 디지털화로서의 의미를 넘어, 이 과정에서 물량산출에 필요한 수준의 상세정보를 제공하는 BIM 상세모델이 확보되고 이후 업무 프로세스의 디지털전환을 위한 기반이 구축된다는 관점에서 매우 중요한 과정이다.
2.3 디지털 현장관리 플랫폼 구축
이상의 과정을 통하여 BIM 상세모델과 물량(비용) 정보과 통합된 4D 모델이 구축되면 이를 기반으로 한 현장관리 플랫폼 구축이 가능하다. Fig. 4는 상세설계 솔루션 빌더허브 제품군이 제공하는 각종 정보를 활용하여 웹기반의 현장관리 플랫폼을 구축하는 전략을 보여준다.
본 연구에서 현장관리 플랫폼은 대상 사용자에 따라 2가지 유형으로 구분하였다. IDC(Integrated Digital Construction) 플랫폼은 대형 건설사를 대상으로 하는 웹기반 플랫폼이다. 대형 건설사의 경우 나름의 축적된 업무 프로세스와 차별화된 기술력을 보유하고 있으므로, 상세설계정보 모델을 기반으로 기획, 설계, 공사계획, 현장시공, 유지관리 전 과정을 지원하는 범용 기능을 구축하고, 각 사 별로 세부기능 조절과 개발을 통하여 전사적 디지털전환을 목표로 한다.
빌더허브 플랫폼은 자체 운영 역량과 인력이 부족한 소규모 건축주, 건설사, 자재상 등을 위한 표준화된 현장관리 플랫폼으로서 참여주체들이 정보를 공유하며 투명한 프로젝트 수행이 가능하도록 다양한 서비스를 제공한다.
2.4 빅데이터 구축 및 활용
디지털전환 기술의 현장 적용 확산을 통하여 새로운 건설 디지털 프로세스가 구축되고 이 과정에서 의미있는 데이터, 즉 BIM 상세모델 형태의 설계정보와 후속 현장관리 과정의 실적 정보가 축적될 경우 이는 대량의 경험 또는 지식으로 활용될 수 있는 빅데이터로 구축된다. 본 빅데이터로부터 정보와 지식을 추출하고 신뢰할 수 있는 근거를 제시함으로써 건설 프로젝트 참여주체들의 최선의 의사결정을 지원한다.
Fig. 5는 맥도너의 정보경제학 개념을 건설에 적용한 예이다. 빅데이터는 활용하는 전략과 역량에 따라 단순 데이터를 넘어 지식 또는 창의적인 아이디어로 발전할 수 있다.
Fig. 6은 BIM 상세모델 등 프로젝트 데이터들을 수집하여 분석 가능한 형태의 데이터베이스를 구축하고 AI 기반의 데이터 분석 및 해석을 통하여 사용자가 원하는 형태의 정보, 지식을 다양한 시각화 기법으로 제공하는 활용 전략을 보여준다.
3. 철근콘크리트골조 상세설계 자동화기술
본 연구에서는 철근콘크리트골조를 대상으로 정밀한 골조상세설계 BIM 모델을 적은 비용으로 생성할 수 있도록 상세설계 자동화 솔루션 빌더허브 제품군을 개발하였다.
Fig. 7은 설계 진행에 따른 철근콘크리트기둥의 정보구성을 도식화한 내용이다. 즉 기본설계 단계에서 기둥은 하나의 객체로 표현되지만 상세설계가 진행될수록 많은 양의 정보가 요구되고, 이를 모델링하는데 많은 시간과 비용이 소요된다.
빌더허브 제품군은 공종별 상세설계 업무를 자동화하여 모델링 생산성과 완성도를 혁신함으로써 디지털전환을 위한 시간과 비용을 크게 낮추어 실용성을 혁신한 신기술이다. 상세설계는 대부분 전문가의 의사결정에 의하여 생성되는 기본설계와 달리, 정보량 관점에서 방대하지만 단순반복업무 비율이 매우 크기 때문에 자동화 기술 개발을 통하여 적은 비용으로 큰 효과를 기대할 수 있다.
Fig. 8은 빌더허브 상세설계 자동화 솔루션의 구성을 보여준다. 자동화 기능은 크게 기본설계정보 모델링 자동화 기술과 상세설계 자동화 기술로 구분된다.
3.1 2D 도면 인식에 의한 기본설계모델링 자동화
건축물 기본설계는 설계자에 의한 일련의 의사결정으로 구성되고, 이러한 업무의 디지털전환은 자동화 관점 보다는 설계자의 의사결정 내용을 어떻게 효율적으로 컴퓨터에 전달할 것인가에 대한 전략이 요구된다. 다양한 BIM 솔루션의 확산에도 불구하고 현업에서 기본설계 내용은 대부분 CAD 도면으로 작성되고, BIM 모델은 충돌검토 등의 필요성에 의하여 일부 프로젝트에서 작성된다.
모델링 자동화 기술은 Fig. 8 좌단에서 보듯 2D 기본설계 도면을 인식하여 3D 기본설계 모델을 자동 생성하는 기능과, Revit 등 타 범용 BIM 모델을 통한 빌더허브 기본설계 모델 자동 생성 기능을 제공한다.
본 연구에서는 기본설계 BIM 모델링의 생산성과 정확성을 확보하기 위하여 CAD 도면 인식에 의한 기본모델 생성 자동화 기술을 개발하였다(Addison-Wesley, Addison-Wesley, 2018). 즉 CAD 도면은 기본설계 결과를 표현하기 위한 현재 기술환경에서 최선이자 가장 널리 활용되는 도구이다. 이와 같이 일련의 프로세스를 디지털전환하기 위해서는 현재 기술환경에서 단위업무 수행을 위하여 안정적으로 활용되는 기술을 융합하고, 새로운 솔루션 개발을 통하여 생산성과 정확성을 혁신할 수 있는 업무에 대하여 자동화 기술을 개발하는 전략이 효율적이다.
Fig. 9는 빌더허브에서 철근콘크리트 골조를 대상으로 한 도면인식 및 BIM 모델링 절차를 보여준다. 철근콘크리트 골조 기본설계도면은 단면일람표와 구조평면도로 구성되며, 도면인식 절차도 단면일람표 인식과 구조평면도 인식으로 구성된다.
Fig. 9(a)는 단면일람표를 인식하여 그 결과를 테이블 형태의 대화상자로 제시한 화면이다. 인식 결과를 검토하고 수정도 가능하다. (b)는 단면일람표 인식과정에서 도출된 도면 오류를 추출하고 그 내역과 내용을 도면에 출력하여 설계자의 검토를 요구하는 기능이다. 단면 인식이 완료된 후 구조평면도를 인식하여 3D 모델을 생성하는 기능을 (c) 화면에서 보여준다. 구조평면도 인식은 기둥, 보, 슬라브 등 CAD 레이어 별로 객체를 선택하여 인식함으로써 인식율과 정확성을 향상시킬 수 있었다. 평면도 인식과정에서도 도면 오류 내용을 파악하여 리포트하며 (d) 화면은 인식한 도면에 오류 마크와 오류 내용을 추가로 작성하여 제시하는 기능이다.
3.2 배근 상세설계 자동화
이상과 같이 3차원 골조형상모델과 각 부재의 단면속성이 모델링되면 BIM 기본설계 모델이 완성된다. 이 과정에서 설계자의 의사결정이 포함된 기본설계 CAD 도면을 인식하는 방법으로 생산성과 정확성을 확보할 수 있다.
기본설계안을 바탕으로 현장시공업무를 수행하기 위해서는 기본설계도의 수배에서 수십배에 달하는 시공상세도를 작성하여야 한다. 이 작업은 기본설계업무와 달리 양적으로는 방대하지만 내용적으로는 표준화된 규칙에 따른 반복작업으로 이루어진다(AIK, 2016). 매뉴얼 방식의 시공상세도 작성 과정에서 단순한 인적오류에 의한 누락 또는 표기오류에 의하여 크고작은 사고나 품질저하가 발생하기도 한다.
그러므로 전체 프로세스 상에서 단순반복작업의 경우 BIM 모델이 제공하는 정보를 활용하여 자동화하는 기술 개발이 건설 프로젝트의 디지털전환에 의한 생산성, 정확성, 품질 향상에 핵심요인이 된다.
Fig. 10은 공종별 상세설계 중에서 양적으로 질적으로 가장 중요한 공종이라 할 배근상세설계를 자동화한 기술을 보여준다. Fig. 10(a)는 배근상세의 핵심내용인 이음/정착에 대한 다양한 옵션을 결정하는 과정이다. 여기에는 철근의 주문길이, 이음/정착 방법, 콘크리트 피복, 가공보정길이 등이 포함된다. (b)는 부재 유형별로 다양한 배근상세 방법을 결정하는 과정으로 현장 여건에 따라 최적의 배근상세를 위한 설계자의 의도를 반영한다. 이와 같이 이음/정착 및 배근상세 옵션을 결정한 후 자동설계 기능을 구동하면 설계기준 등의 규칙과 입력된 옵션에 따라 배근상세설계가 자동으로 수행되고 (c)에서 보는 바와 같이 다양한 관점에서 배근상세 결과를 3D 모델에서 분석, 검토할 수 있다. 배근상세설계에는 (d)에 예처럼 다양한 보강근과 시공보조근도 함께 설계된다. 3D 골조상세 BIM 모델이 완성되면 현장 시공을 위한 CAD 배근상세도는 (e)의 CAD 도면 형태로 출력된다(Cho et al., 2013; Choi et al., 2014; Eom et al., 2014; Hong et al., 2011).
이상과 같이 방대한 양으로 인하여 많은 노력과 시간이 요구되면서도 항상 인적오류 가능성을 내포하고 있는 배근상세도를 다양한 옵션을 통하여 설계자의 의도를 충분히 반영하면서도 실시간으로 작성할 수 있는 자동화기술이 완성되고, 해당 작업의 생산성과 정확성을 동시에 향상시킬 수 있음을 확인하였다(Jang, 2013; Tafraout et al., 2019).
상세설계 자동화 솔루션은 철근상세설계, 거푸집상세설계, 건축마감상세설계, 토공흙막이상세설계 등이 개발되었고, 기존 상용 솔루션 또는 수작업에 의한 단위업무를 통합하여 구성되는 프로세스를 구축함으로서 프로젝트 전반의 디지털전환을 완성할 수 있다.
4. 웹기반 플랫폼과 BIM 활용기술
이상과 같이 상세설계 자동화기술을 통하여 3D BIM 상세설계 모델이 확보되면 이후 현장업무의 디지털전환 목적 하에 다양한 활용기술 개발이 가능해진다. 즉 서론에서 언급한 바 대로 현재 기본설계정보 수준의 BIM 활용이, 소요되는 모델링 비용 대비 활용도가 부족한 한계를 극복하고, 3D 상세모델에서 각 부재에 연계되어 있는 정확하고 풍부한 상세정보를 활용한 다양한 업무의 디지털전환이 가능하다.
활용기술의 시작은 3D 상세모델을 기반으로 한 5D BIM 모델 구축이다. 즉 3D 설계모델에 현행 내역서에 해당하는 물량/코스트 정보(4D)와 현행 공정표에 해당하는 공정정보(5D)를 연계 통합하여 5D BIM 모델을 생성하는 것이다.
Fig. 11(a)는 배근상세모델과 상세모델에서 추출된 정밀물량을 활용하여 공사비를 산출하는 기능을 제시하고 있다. 이 때 상세설계정보가 모델링된 골조와 마감 물량은 정밀물량 기반으로 공사비가 산출되고, 상세모델이 없는 기계, 전기, 토목 공사 등은 기존의 공개된 공사비정보를 토대로 산출하여 제시한다. 이러한 접근법을 통하여 단계별 디지털전환과 프로세스 구성이 가능하다.
(b)는 다양한 필터 기능을 활용하여 상세내역을 확인하는 기능을 거푸집 상세모델과 함께 보여준다. BIM 모델 내 각 부재 단위의 물량집계가 가능하기에 다양한 관점에서의 공사비 분석이 실시간으로 가능하다.
(c)는 상세모델 기반으로 단위작업을 추출하고 소요되는 물량을 연계하여 MS-Excel로 출력하는 기능이다. 이렇게 출력된 단위작업은 (d)에서 보듯 MS-Project를 이용하여 스케줄을 완성하고 그 결과를 다시 상세모델에 반환되어 3D 상세모델을 중심으로 내역정보, 공정정보가 통합된 5D 모델이 완성된다. (e)는 이상의 5D 모델을 이용한 현장 시뮬레이션 기능이다.
5D 모델을 중심으로 한 현장활용 기술은 모든 프로젝트 참여자들간의 공유와 프로세스 구성을 위한 웹기반 플랫폼으로 구현된다. 플랫폼은 빌더허브 상세설계 솔루션을 비롯하여 각종 산식집계를 위하여 MS-Excel, 공정관리를 위한 MS_Project 등 단위업무별 최선의 솔루션을 통합하여 프로세스를 구성하고 정보흐름을 완성함으로써 새로운 기술 개발 비용을 줄이고 최적의 기능을 제공한다.
5. 결 론
건설산업은 2D 도면을 기반으로 한 전통적인 프로세스와 기술환경이 유지되고 있으며, 디지털전환이 가장 늦은 산업 중 하나로 분류된다. 건설 프로젝트를 3D 디지털 모델, 즉 BIM 기반으로 수행하기 위해서는 필요충분한 설계정보를 적은 노력으로 디지털화할 수 있는 BIM 모델 생성기술과 BIM 모델을 기반으로 후속업무를 디지털화할 수 있는 활용기술의 개발이 요구된다.
이러한 배경에서 본 연구에서는 철근콘크리트 골조 공사를 대상으로 디지털전환과 현장적용을 목표로 이를 실현하기 위한 개념적 전략 수립과 기술개발 사례에 대하여 기술하였다. 건물골조 상세설계 BIM 모델링 기술개발 결과를 제시하고, 특히 배근상세설계 등 반복성이 높은 상세설계 업무를 자동화하여 기본설계 2D CAD 도면에서 출발하여 3D BIM 모델을 구축하고 상세설계 BIM 모델을 생성한 후 이를 활용하기 위한 플랫폼 구축까지의 프로세스를 완성하였다. 제시된 자동화기술과 현장관리 플랫폼에 의한 프로세스는 CAD 도면 기반의 전통적 건설 프로세스를 대체하기 위해 요구되는 업무 생산성과 기술적 정보 완성도를 확보한 것으로 평가되었다.
