1. 서 론

최근 국내 건설산업은 건설경기의 침체와 더불어 기능 인력의 부족으로 인한 인건비 증가 등의 이유로 원가절감, 공사기간 단축 등을 통한 수익성 확보가 요구되고 있다. 이에 철근공사는 구조물의 안전성과 내구성에 많은 영향을 미치고 원가측면에서도 굉장히 중요한 공사이다. 그러나 아직도 철근공사의 주요 업무인 철근의 가공 및 조립은 노동 집약적인 작업 방식을 유지하고 있다.

그 결과 배근 설계와 시공은 건설현장에서 가장 불합리한 공정으로 알려져 있다. 철근공사에는 원청 건설사, 골조 전문건설사, 배근시공도 작성자, 철근 가공장, 감독/감리사, 구조설계자 등 다수의 업무 주체가 참여하고 있으나 이들간의 합리적인 협업이 이루어질 수 있는 업무 프로세스가 구축되어 있지 않아 비효율을 초래할 가능성이 높다. 특히 철근공사는 RC골조 품질에 결정적 영향을 주는 업무이지만 참여 주체간 원활한 협업 부재로 인하여 골조의 품질 저하, 생산성 감소, 공기 지연 등 많은 문제를 야기하고 있다. 그러므로 RC골조공사는 혁신이 매우 시급한 분야라 하겠다.

한편 최근 BIM은 건설산업의 기술 환경 패러다임을 전환시키는 기술로 인식되고 확산되고 있다. BIM 기술의 활용은 설계정보의 디지털화를 위한 모델링 작업과 모델 내의 정보를 여러 형태로 가공하여 후속 단계에서 활용하는 단계로 구성된다. 그런데 3차원 모델 상에서 방대한 양의 철근상세정보를 모델링하기 위해서는 많은 시간과 노력이 소요되고, 모델링 후에도 데이터량의 방대함으로 인하여 프로그램 성능이 원활하게 발현되지 않기에 BIM 기술의 확산에도 불구하고 배근 설계와 시공과 관련하여 BIM 기술이 활용되고 있지 않은 상황이다.

본 기술은 3차원 BIM 환경 하에서 골조상세정보 모델링과 배근상세설계 및 배근시공도 작성을 통합 지원하는 시스템 Rebar HUB 개발을 목적으로 수행되었다.

2. 현황 분석

2.1 배근상세설계 및 철근공사 현황

최근 지진, 태풍 등 자연재해로 인한 피해가 증가하는 추세이며, 설계 기술의 발전과 구조설계기준 규정이 강화되고 있다. 또한 고강도 콘크리트 및 철근 등 자재 품질은 향상되고 있으나 시공품질 확보 방안은 아직 미비하다. 그 결과 구조 안전성을 높여야 하는 필요성은 증가하고 있는 상황이다.

이러한 상황에서 철근배근상세설계와 시공은 철근콘크리트 골조의 품질과 경제성을 좌우하는 중요한 요소이다. 철근의 이음/정착은 철근배근상세의 핵심으로서 골조의 품질 확보에 중요한 요소이다. 그러므로 구조설계기준과 엔지니어의 공학적 판단에 근거한 합리적인 철근배근시공도의 작성은 골조 품질 확보를 위하여 중요한 업무일 뿐만 아니라 합리적인 철근배근상세와 시공은 철근콘크리트 골조의 품질과 경제성에 큰 영향을 준다.

그럼에도 불구하고 철근공사는 건설현장에서 기술적으로 가장 낙후된 공정이다. 구조적 지식이 부족한 엔지니어에 의하여 철근배근시공도가 작성되는 경우도 있고 도면 완성 후 검토 절차도 미흡한 상황이다. 또한 원청건설사, 골조전문건설사, 철근배근시공도 작성자, 철근가공장, 감리/감독관 등 다수 참여주체간 합리적인 협업 프로세스 및 엔지니어링 시스템이 부재하여 배근상세설계와 철근공사는 전체 공정을 지연시키는 중요한 원인이 되곤 한다. 특히 철근공사의 경우 발주자 및 원청건설사에 의한 품질 및 물량관리 방안이 부재한 경우가 많고, 공정-공사비 관리시스템의 기술적 한계로 인하여 정확한 예산 수립과 실행예산관리가 어려움을 겪고 있는 상황이다.

현황 분석 결과, 구조 안전성 향상과 공사비 절감에 대한 요구가 증대하고 있는 시점에 골조 품질 및 경제성에 지대한 영향을 주는 배근상세설계 및 철근공사의 합리화, 효율화할 수 있는 기술 개발이 시급한 것으로 분석되었다.

2.2 배근상세설계 및 철근공사 전산기술 환경

현재 국내에서 활용되고 있는 BIM 도구는 크게 Revit, ArchiCAD, Tekla, Allplan 등이 사용되고 있다. 하지만 현재 골조공사에서 있어 이러한 BIM 도구의 활용성은 초기단계에 머물러 있으며, 이 도구들이 실제 골조공사의 생애주기에 걸친 활용성은 설계단계에서 높지만, 실제 시공단계에서는 그 활용도가 매우 낮아진다.

시공단계에서 활용도가 낮아지는 원인은 현재 상용 BIM 도구가 시공단계에서 각 용역주체가 필요로 하는 최종 성과물을 기존 방식에 비하여 원활하게 제공해 주고 있지 못하고 있기 때문이다.

본 연구에서는 골조공사 비용의 많은 부분을 차지하며, BIM 기술의 기술적 한계로 지적되고 있는 철근공사에 적용되고 있는 상용 BIM도구의 활용도를 분석하였다.

1) Autodesk(Revit)

Revit은 Family와 Reinforcement Type Component로 3D 배근 모듈을 구성하고 있으며, 각각의 객체 단위 형상으로 추후 설계변동사항에 대해 일괄 변경 불가하여 잦은 시공변경이 있는 국내 건설현장에 있어 적용에 한계가 있다. 또한 배근설계 작업방식 역시 사용자가 철근의 지름, 정착길이, 띠철근의 간격 등을 직접 입력 부재별 배근 모델링하는 방식으로 기존 2D 기반 작업환경에 비해 비실용적으로 과도한 작업량이 설계자에게 부과된다. 또한 프로그램 구동시 방대한 데이터 크기 때문에 정보가 많아질수록 수행 효율이 급속히 저하되는 기술적 한계를 가지고 있다. Revit 도구를 활용한 철근배근 모델링에 있어 시공단계 실무 적용성을 저해하는 사례는 다음과 같다.

- 구조해석 결과를 반영할 수 없음

- 구조설계 규준에 따른 철근길이를 적용할 수 없음

- 최상층 정착을 위한 90도 표준 갈고리가 적용되지 않음

- 상하부 기둥철근 겹침을 방지하기 위한 하부 기둥철근의 굽힘점 지정 안 됨

- 하부철근과 상부철근의 경계가 없어 부분 상세가 정확하게 구현되지 않음

- 배근 모듈에서는 배근설계 규준에 따른 배근 알고리즘이 적용되지 않음

2) Bentley(AllPlan)

Bentley사의 Allplan의 경우 토목분야에서 많이 사용되고 있는 도구로서 사용자 정의 코드, 철근 형태 라이브러리, 자동 스케줄링, 간섭체크 기능을 제공하고 있다. 특히 단면 형태 자동 인식 및 철근 자동 배근, 철근에 대한 자동 마킹 넘버 할당, 철근 물량 자동 산출, 철근 조립도 자동 생성, 철근의 간섭검토 기능을 제공하여 실제 배근 시공도 작성이 가능한 도구로 국내?외 실제 현장에 적용되고 있다. 본 도구를 활용한 철근 배근 모델링에 있어 시공단계 실무 적용성을 저해하는 사례는 다음과 같다.

- 각각의 객체에 대한 배근 속성을 지정하는 드로잉 방식

- 객체마다 지정하는 모델링 작업시간이 상당히 많이 소모

- 2D 기반의 Tool로 복잡한 3D 형상의 배근시공이미지 도출이 어려움

- 시공자의 도면이해도가 다른 BIM Tool에 비해 비교적 떨어짐

- 전체 객체에 대한 배근의 일괄 변경 적용되지 않음

Figure 1

Rebar detailing by Revit

3) Tekla Structures

Tekla에서 지원하고 있는 배근 설계 모듈은 각 객체의 조합으로 구성된 Component로 모델링 후 상용 라이브러리 또는 사용자 생성 라이브러리 사용, 철근배근상세를 모델링하는 프로세스를 가지고 있다. 이와 같이 모델링된 철근 배근상세는 Binding / Parameter의 객체 속성을 가지면, 이와같은 속성 변경시 모델링 데이터에 반영할 수 있도록 설계되어 있다. 본 도구를 활용한 철근 배근 모델링에 있어 시공단계 실무 적용성을 저해하는 사례는 다음과 같다.

- 전체 객체에 대한 배근의 일괄변경은 적용되지 않음

- 각 개체를 사용자가 직접 작도하기 때문에 생산성 및 확장성이 낮음

3. 3D 배근상세설계 요소기술

Figure 2

Rebar detailing by Allplan

Figure 3

Rebar detailing by Tekla

Rebar HUB는 최근 건축 설계 및 시공 분야의 차세대 혁신기술로 인식되고 있는 3차원 BIM 기술환경 안에서 배근시공도 작성 업무를 전산화하여 배근시공도 작성업무 생산성과 품질을 획기적으로 향상시키고, 이를 이용한 합리적인 배근시공도 설계 및 철근공사 프로세스를 구축함으로써 궁극적으로 철근콘크리트 건축구조물의 성능, 관련 업무 생산성, 골조공사 원가 등에서 획기적인 혁신을 이룰 수 있는 신기술이다. Rebar HUB 개발에 포함된 주요 핵심기술을 요약하면 다음과 같다.

- 2D CAD 도면 인식에 의한 3차원 골조상세 정보 모델 구축 기술

- KBC2009에 의한 이음/정착/원철길이 및 시공성 반영한 3D 자동 배근 기술

- 3D BIM모델에 기반한 정밀골조물량(철근/콘크리트 /거푸집) 산출 기술

-공정정보를 통합한 5D 모델 구축과 이를 활용한 철근공사관리 기술

- 상용 BIM 도구와의 연동을 통한 통합 BIM 활용 기술

3.1 2D/3D 하이브리드 골조 모델링

현재 철근콘크리트 구조도면은 대부분 2D CAD 파일 형태로 납품되며, 최근에는 일부 3D BIM 파일로 납품되기도 한다. Rebar HUB에서는 2D CAD 파일 형태로 구조도면(구조평면도, 부재일람표)가 제공되는 경우 이들 도면을 인식하여 3D BIM Model을 생성하는 기능을 제공함으로써 3D 모델링 시간을 최대로 단축시킨다.

2차원 도면을 인식하는 과정에서 Rebar HUB는 도면 오류를 내용을 파악하여 보고하는 기능을 제공한다. 즉 구조평면도에 기입된 부재명(C1, G1, B1, W1 등)이 부재일람표에 누락되었거나, 구조평면도에 그려진 부재 크기와 부재일람표에 제시된 크기가 다를 경우 등의 오류를 Rebar HUB는 인식 과정에서 찾아낸다. 이러한 도면 오류는 보고서로 정리되어 원설계자에게 제공되어 도면 수정 과정을 거치게 된다.

Figure 4

Drawing recognition for 3D modeling

2D 도면 인식에 의하여 생성되는 3D BIM 모델은 부재의 편심, 단차, 슬래브와 벽체의 개구부 등, 골조상세정보를 반영한다. 이러한 골조상세정보는 이음, 정착 길이를 반영한 정확한 철근 가공 형상 및 길이를 결정해야 하는 배근시공도 작성 업무를 위하여 반드시 정확한 모델링이 요구되는 정보이다. 상용 BIM 도구를 사용하더라도 이러한 골조상세정보의 정확한 모델링을 위해서는 많은 시간과 노력이 요구되는 점을 고려할 때 2D 도면 인식에 의하여 3D BIM 모델을 생성하는 기능은 업무 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

3.2 3D 자동배근 및 2D 배근시공도 자동화

3D BIM 모델의 설계정보(골조형상 및 부재단면정보)를 바탕으로 하여 3D 배근시공도를 자동 작성한다. 이 때 철근의 이음 및 정착을 비롯한 KBC2009에 규정되어 있는 배근상세 규정과 내진보강상세를 반영하며, 또한 원철근의 길이 등을 포함한 다양한 선택사항을 엔지니어가 결정하여 반영할 수 있다. 각 가공철근 정보는 부재 각각에 연결되어 있어 추후 부위별, 부재별 등 다양한 관점에서 정보를 정리하는 데에 활용될 수 있다.

3D 배근 정보는 Rebar HUB가 제공하는 3D Viewer를 이용하여 실제 배근 상태를 3D 상에서 확인할 수 있어 특정 부위의 철근 밀집도를 검토하는 등 배근 상황을 미리 시뮬레이션 해볼 수 있다.

Figure 5

Automation of shop drawings

Figure 6

3D rebar placement

이러한 3D 배근정보는 동일한 형상을 갖는 가공철근을 하나의 Bar Set으로 관리하는 기법에 의하여 철근 데이터 양이 방대함에도 불구하고 시스템의 수행 성능에 악영향을 주지 않으며, 원활한 자료 처리와 3D 화면 처리가 가능하도록 개발되었다.

현장에서 철근공사를 위하여 작성되어야 하는 2D 배근시공도는 이상에서 기술한 3D 배근정보 모델로부터 자동 추출된다. 그러므로 기존 2D CAD에 의한 배근시공도 작성 업무에서 업무량의 대부분을 차지하던 배근시공도 작성 업무의 효율이 획기적으로 향상될 수 있다. 또한 공사 직전에 현장 상황 또는 국부적인 설계 변경에 의하여 2D 배근시공도에 대한 수정이 요구되는 경우를 위하여 Rebar HUB는 현장에서 사용할 수 있는 2D편집기를 제공한다. 3D 배근모델로부터 자동 추출된 2D 배근시공도를 바탕으로 2D편집기를 이용하여 편집된 도면은 다시 Rebar HUB에 축적되어 실행도면 및 실행물량 관리에 활용된다.

3.3 정밀물량 및 공정정보가 통합된 5D 골조모델

건물 단위의 3D 배근시공도 작성 결과는 Rebar HUB에서 하나의 프로젝트로 집계된다. 이는 단지 수준에서 골조공사를 관리할 수 있는 모델이 구축됨을 의미한다.

Figure 7

Accurate quantity taking-off

Figure 8

Construction simulation

3D 배근시공도 작성 결과를 바탕으로 철근, 콘크리트, 거푸집 정밀물량이 집계된다. 이 때 철근물량은 철근의 이음 및 정착이 반영된 가공철근 정보를 기반으로 수행되기 때문에 실제 실행물량에 해당하는 정밀한 물량이 산출된다.

한편 골조 공사계획에 따라 각 부위별로 공정정보가 MS Project 또는 Primavera와 연계되어 Rebar HUB 내에 구축됨으로써 3D 설계정보, 정밀물량정보, 공정정보가 함께 통합된 5D 정보모델이 구축된다. 이는 공정별 물량 집계, 공정별 발주 물량 집계 등 다양한 관점에서의 집계 업무를 효율적으로 수행할 수 있는 데이터베이스가 구축됨을 의미한다.

또한 3차원 뷰어 상에서 특정 부위를 선택하여 해당 부위의 물량 산출, 공사 일정 등 다양한 정보를 모델 상에서 확인할 수 있으며, 사전 시공 시뮬레이션 기능을 활용하여 시공 과정에서의 오류 가능성을 사전에 파악하여 대책을 세울 수 있는 기회를 제공한다.

3.4 상용 BIM 도구 연동

BIM 환경에서의 설계와 시공은 건설산업에서 차세대 기술로서 주목받고 있다. 본 기술의 적용에 의하여 구축된 골조상세정보와 배근정보는 배근시공도 작성에만 활용될 뿐 아니라, 설비 및 마감 설계와 연계된 통합 BIM 모델 구축에 골조정보로 활용된다.

이를 위하여 본 기술에서는 BIM 국제표준 형식인 IFC로 골조정보를 입출력할 수 있는 기능을 개발하였다. 즉, 골조상세정보를 IFC로 저장하면 Revit, ArchiCAD 등 IFC 형식을 지원하는 상용 저작도구에 골조정보를 그대로 전달 받을 수 있으며 설비 및 마감 모델과 결합되어 통합 BIM 모델이 구성된다.

또한 이미 골조 BIM모델이 구축되어 있는 경우에는 2D 도면 인식 과정이 필요없이 해당 정보를 Rebar Hub로 입력받아 필요한 작업을 추가로 수행하면 3차원 배근시공도를 바로 작성할 수도 있다.

Figure 9

Conversion to commercial BIM tools

최근 500억원 이상의 관급공사에 있어서 BIM 기반 설계 및 시공이 의무화된 바 있으며, 향후 BIM 환경에서의 기술력은 곧바로 기술경쟁력과 연결된다. 해외에서 개발된 BIM 저작도구의 점유율이 95%가 넘는 우리나라 환경에서 대부분의 건축물에 적용되야 하는 배근 설계 및 시공을 위한 자체 저작도구를 개발하였다는 면에서 본 기술의 의미는 크다.

4. 적용 사례

본 장에서는 아파트 1개 프로젝트, 청사건물 1개 프로젝트에 대한 Rebar HUB 적용 결과를 물량 비교 중심으로 제시한다. 프로젝트 개요는 다음 표와 같다.

Figure 10

Apartment model

Figure 11

Office model

기존 프로세스 대비 골조공사 물량산출에 대한 정확성 검증을 위해 각 부재별 기존방식과 Rebar HUB를 이용한 산출 결과에 대해 분석을 실시하였다.

1) 콘크리트/거푸집 물량 비교

콘크리트와 거푸집에 의한 물량 차이는 기존 결과와 Rebar HUB를 이용한 산출 결과에 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있었다. 차이가 발생하는 원인은 콘크리트의 경우 Rebar HUB에서 모델링하지 않는 버림 콘크리트 물량 차이가 큰 부분을 차지했다. 실제 1차 적용 프로젝트인 아파트 프로젝트의 경우 위와 같은 원인으로 인하여 4%의 콘크리트 물량차이를 보였으나, 버림콘크리트 물량산출 부분에 대해 Rebar HUB의 기능을 보완한 결과 2차 적용 프로젝트인 신청사 프로젝트의 경우 그 차이가 0.5%로 감소하였다.

거푸집의 경우 Rebar HUB의 상세 모델링 수준과 합벽등 시공성을 고려한 산출방식을 고려하지 못한 Rebar HUB의 산출결과가 기존 산출방식에 비해 오차(1.0%)가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Rebar HUB 적용시 시공성이 반영되어 산출되어야 하는 거푸집 부위(지하 흙막이벽 또는 독립기초 헌치 거푸집등)에 대해 사전 고려가 필요할 것으로 분석되었다(Table 2,3).

2) 기초철근 물량 비교

기초 철근에 대한 물량 비교 결과는 Table 4와 같다.

이와같이 철근물량에서 차이가 발생하는 원인은 기존방식의 경우 실제 철근의 이음과 정착을 고려하지 않고 단순히 주근철근에 대해 총 주근갯수에 이음이 발생하는 개소를 사용자가 판단하여 산출하며, 철근 배근 구간 재설정(직사각형으로 배근구간을 재설정), 내수압 기초와 독립기초(줄기초) 연결부 정착길이 미적용, 기초 내민길이에 따른 주근 표준갈고리 미적용등 실제 철근 배근상세와는 많은 차이를 보였다.

Figure 12

3D rebar placement for mat slab

3) 벽체 철근 물량 비교

벽체 철근의 경우 기존방식과 Rebar HUB를 통한 물량 비교결과 각 동별로 큰 편차를 보였다. 103동의 물량 차이가 18%이상 보이는 이유는 기존 방식을 이용한 산출시 단위세대 벽체 물량을 누락하는 실수가 발생했기 때문이다. 이와 같이 엔지니어에 의한 수작업 물량 산출의 경우 단순반복작업의 특성 상 오류 가능성이 항상 내재되어 있음에 반하여, Rebar HUB를 이용한 자동배근과 정밀 물량 산출을 통하여 오류 가능성을 낮출 수 있는 장점을 확인할 수 있었다.

실제 산출방식에 의한 차이가 발생하는 원인은 다음과 같다.

- 주근(수직/수평근)에 대한 이음 및 정착

- 시공철근(다월 및 폭고정근) 물량 산출 여부

- 상하부층 철근간격이 다른 벽체의 배근기준 적용 유무

4) 보 철근 물량 비교

보 부재의 철근물량에 대한 비교결과는 다음 Table 6과 같다. 표와 같이 철근물량이 큰 차이를 보인 이유로는 스터럽의 철근 배근 시작 위치 및 내진상세 적용여부, 스터럽(내부보) 배근상세 적용 및 주근의 이음에 그 원인이 있었다.

Figure 13

3D rebar placement for beams

실제 프로젝트에 Rebar HUB를 적용해 본 결과 3D 모델링을 통한 골조 물량 산출 누락 부재 검토에 충분히 효과적인 부분이 있으나, 3D 모델링 객체의 단순한 체적 및 면적을 통한 거푸집?콘크리트 물량산출에는 문제점이 있는 것으로 파악되었다. 하지만 골조공사의 BIM 적용시 가장 문제로 지적된 철근 물량에 대한 정확성은 기존 방식보다 Rebar HUB를 이용한 산출방식이 철근 가공계획까지 고려한 물량산출이 가능하며 그 정확성이 높은 것으로 분석되었다. 따라서 앞으로 실제 시공현장에서 BIM을 통한 물량 산출결과와 실행물량에 대한 분석을 통하여 시공단계에서 해당 정보의 신뢰성 부분을 검증할 수 있다면, 골조공사에 대한 국내 Rebar HUB 적용이 가능할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 논문에서는 3차원 BIM 환경 안에서 배근상세설계와 철근공사를 지원할 수 있는 전산 프로그램 Rebar HUB의 기능설계와 구현, 그리고 적용 사례에 대하여 기술하였다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.

1) Rebar HUB는 2D 도면 인식을 통한 3차원 골조 모델링 기능을 제공함으로써 골조 모델링 효율과 정확성을 크게 향상시킬 수 있었다.

2) 3차원 골조모델이 완성되면 관련 기준 및 현장 관행을 반영한 철근의 이음/정착 설계를 포함한 자동배근 기능을 제공함으로써 배근설계의 효율과 정확성을 크게 향상시킬 수 있었다.

3) 이음/정착이 반영된 철근 정밀물량산출을 통하여 철근 실행물량 산출을 조기에 실시할 수 있어 공사계획에 도움이 될 것으로 기대할 수 있다.

4) 적용 사례를 통하여 견적 물량과 Rebar HUB에 의한 물량 비교 결과 수작업에 의한 물량 산출에 비하여 오류 가능성을 낮출 수 있는 장점이 확인되었다.