Development of a BIM-based Automated Safety Factor Verification System for Breakwater Structures Based on Design Standard for Port and Fishing Port Facilities

Ji-Young Hwang; Chang-Su Shim

doi:10.13161/kibim.2026.16.2.001

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Research Article

Journal of KIBIM. 30 June 2026. 1-11
https://doi.org/10.13161/kibim.2026.16.2.001

Development of a BIM-based Automated Safety Factor Verification System for Breakwater Structures Based on Design Standard for Port and Fishing Port Facilities

항만 및 어항 설계기준을 활용한 BIM 기반 방파제 구조물의 안전율 자동 검증 시스템 개발

Ji-Young Hwang¹

Chang-Su Shim²^*

황 지영¹

심 창수²^*

¹정회원, (주) 유신 항만부 과장

²정회원, 중앙대학교 사회기반시스템공학부 교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

This paper presents an automated safety-factor evaluation tool for vertical caisson breakwaters, developed using Autodesk Revit, Dynamo, and Python. Although the Korean Design Standard KDS 64 00 00:2024 specifies minimum safety factors for sliding and overturning, these checks are still commonly performed using Excel-based manual workflows in domestic port-design practice. To address this limitation, a parametric Revit family was developed with 25 geometric and design input parameters. These parameters are transferred through Dynamo to a Python routine that implements Goda’s wave pressure theory and the safety-check procedures. Seven computed results are then returned to Revit as dedicated output parameters. Buoyancy is incorporated directly into the self-weight calculation by assigning separate unit weights to the above- and below-water portions of concrete and filling materials. The tool was validated using a caisson section previously designed through a conventional process for Port OO. The case-study caisson is 23.4 m wide, 38.4 m long, and 23.0 m high, located at a water depth of 21.7 m and subjected to a design wave height of 7.5 m. The automated workflow produced safety factors of 1.314 for sliding and 1.749 for overturning, both exceeding the required minimum value of 1.2. Compared with the original Excel-based values of 1.27 and 2.32, the sliding safety factor showed close agreement, with a difference of approximately 3.5%. The results indicate that the proposed BIM-integrated tool can automate repetitive stability checks and provide near-real-time feedback within one to two seconds after parameter modification. As the present validation is based on a single case, the study confirms the feasibility of migrating the manual review into a BIM environment at a proof-of-concept level, and broader validation across multiple sections remains future work.

Keywords

방파제

안전율

BIM

Revit-Dynamo

Goda 산정식

항만 구조물 설계 자동화

키워드

Breakwater

Safety Factor

BIM

Revit-Dynamo

Goda Formula

Port Structure Design Automation

MAIN

1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 이론적 배경 및 선행 연구
2.1 방파제 안전율 산정 이론
2.2 BIM 기반 설계 자동화 동향
3. BIM 기반 자동 검증 시스템 개발
3.1 시스템 프레임워크
3.2 Revit 패밀리 구축 및 매개변수 정의
3.3 KDS 64 00 00 (2024) 기반 Python 알고리즘
3.4 Dynamo 자동화 워크플로우
4. 사례 적용 및 검증
4.1 적용 대상 및 입력 조건
4.2 자동 검증 시스템 실행 결과
4.3 수동 구조 검토와의 정합성 검증
5. 결 론

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

항만은 해상 물류의 핵심 거점으로서, 선박의 안전한 접안과 화물 하역을 위해 안정적인 수면 환경이 필수적이다. 외해에서 전파되는 파랑은 일반적인 조건에서는 비교적 안정적이나, 태풍과 같은 기상 악화 시에는 유의파고가 급격히 증가하여 항 내 수면에 심각한 교란을 초래한다. 이러한 현상은 선박의 접안 및 하역 작업을 전면 중단시키며, 결과적으로 항만의 기능이 현저히 저하되는 원인이 된다. 따라서 방파제는 외해로부터 유입되는 파랑을 차단하여 항 내 정온 상태를 유지하는 핵심 구조물로서, 그 구조적 안전성은 항만 운영의 지속 가능성과 직결된다.

직립식 케이슨 방파제는 국내 항만에서 널리 활용되는 구조 형식으로, 설계 과정에서 파압에 의한 구조물의 활동 및 전도에 대한 안전율 검토가 필수적으로 수행되어야 한다. 그러나 현행 설계 실무에서는 단면 제원이나 설계 파고가 변경될 때마다 엑셀 기반 수동 구조 검토 전체를 재검토해야 하며, 파봉 및 파곡 작용과 같은 다중 하중 조합에 따른 반복적인 안전율 산정 작업이 업무 효율성을 저해하는 주요 원인으로 지적되고 있다. 아울러, 담당자별로 상이한 산출 양식사용으로 인해 결과의 일관성 확보에 추가적인 검토 시간이 소요되는 문제도 지속적으로 제기되고 있다.

한편, 국토교통부의 「2030 BIM 의무화 로드맵」(국토교통부, 2020)과 해양수산부의 「항만 분야 BIM 적용 지침」(해양수산부, 2025) 발표로 항만 설계 분야에서의 BIM 도입이 가속화되고 있다. Kim et al. (2019)는 항만시설물 BIM 라이브러리를 제시하였고, Lee et al. (2013)은 Revit 파라메트릭 패밀리로 케이슨 모델을 자동 생성하였다. 그러나 방파제 안전율 산정과 BIM의 연계 자동화에 관한 연구는 국내에서 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 파라메트릭 모델링 환경과 구조 안전성 검토를 통합하는 체계적인 방법론이 부재한 실정이다.

이 논문에서는 무공 직립식 케이슨 방파제의 활동 및 전도 안전율 산정 프로세스를 BIM 환경으로 이전하고 자동화함으로써 설계 효율성과 신뢰성 향상을 목표로 한다. 이를 위해 파라메트릭 모델링, 시각적 프로그래밍 언어(Visual Programming Language, VPL), 수치 계산 엔진을 통합하는 자동화 파이프라인을 구축하고 실제 설계 사례의 수동 구조 검토 결과와 비교 및 검증한다. Revit 2026, Dynamo v.3.6.1, Python 3.12를 파이프라인으로 구현하였다. OO항 외곽 방파제(23.4 m × 38.4 m × 23.0 m, H_D= 7.5 m)의 수동 구조 검토를 대조군으로 삼아 자동화 결과의 일치 여부를 검증하였다.

1.2 연구의 범위 및 방법

대상은 무공 직립식 케이슨 방파제(이하 직립식 방파제) 로 한정한다. 검토하는 주요 하중 조건은 파봉 작용 시(파압시 케이슨 전면에 최대로 작용하는 시점) 를 포함한다. 상재하중, 항내측 지진하중, 사석 마운드 지지력 검토 등은 논문 범위에서 제외하고 향후 확장 연구의 대상으로 남긴다.

연구 절차는 다음 네 단계로 구성된다.

첫째, 「항만 및 어항 설계기준·해설(KDS 64 00 00:2024)」과 Goda (1974) 파압 산정식 계열의 이론을 체계적으로 정리한다.

둘째, Revit 2026을 활용하여 케이슨 단면 제원을 매개변수로 정의한 파라메트릭 패밀리를 구축한다.

셋째, Revit 2026 내장 VPL 도구인 Dynamo v.3.6.1 환경에 계산 블록을 구현한다.

넷째, Dynamo 내 Python Script 노드를 통해 Python 3.12 기반 연산 엔진과 연동하는 자동화 파이프라인을 완성하고 실제 설계 사례에 적용하여 수동 구조 검토와 결과를 비교·분석한다.

2. 이론적 배경 및 선행 연구

본 장에서 사용하는 주요 기호의 정의·단위를 Table 1에 일괄 정리한다. 본문·표·수식의 기호 표기는 본 정의표와 일관되게 사용하였다.

Table 1.

Nomenclature of principal symbols

Symbol	Definition	Unit
H_1/3	Significant wave height
H_max	Maximum wave height
H_D	Design wave height (= 1.8H_1/3, non-breaking)	m
H_b	Breaking-limit wave height	m
h_b	Water depth at a point 5H_1/3 seaward of the wall	m
L	Design wavelength	m
L₀	Deep-water wavelength (=gT²/2π)	m
h	Still-water depth in front of the upright wall	m
h’	Water depth to the base of the upright wall (bottom slab)	m
d	Water depth over the mound crest (toe/armor)	m
T	Design wave period	s
β	Wave incidence angle	°
θ	Seabed slope angle	°
$α_{1}, α_{2}, α_{3}$	Goda wave-pressure coefficients	-
$λ_{1}, λ_{2}, λ_{3}$	Structural shape factors (1.0 for a standard upright section)	-
$η^{*}$	Wave-crest elevation above the still-water level	m
$p_{1}, p_{2}, p_{3}$	Wave-pressure intensity at the SWL / caisson base / wave crest	kN/m²
$p_{u}$	Uplift pressure at the front edge of the base	kN/m²
P	Horizontal wave force per unit length	kN/m
U	Resultant uplift force per unit length	kN/m
W, W₀	Caisson (upright section) self-weight	kN/m
$W_{e f f}$	Effective self-weight including buoyancy	kN/m
B	Caisson base width	m
$B_{u}$	Buoyancy acting on the upright section	kN/m
𝜇	Friction coefficient (base–mound)	–
$γ_{i}$	Unit weight of each member	kN/m³
g	Gravitational acceleration (9.81)	m/s²
$ρ_{w}$	Seawater density	kg/m³

2.1 방파제 안전율 산정 이론

직립식 방파제의 일반설계 절차는 해양수산부 「항만시설물 실무 설계사례집(하권): 케이슨식 혼성제」(해양수산부, 2020)에 따라 먼저 설계 조건을 결정하고 단면을 가정하여 기본 제원을 설정한다. 다음으로 작용하중을 산정하고 안정성 검토를 진행하여 단면을 결정한 후 세부 설계를 진행하는 순환 흐름으로 구성된다(Figure 1).

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Figure 1.

Design procedure of caisson-type composite breakwater

이 논문에서는 이 절차 중 자동화 대상을 네 번째 순서인 작용하중 산정과 다섯 번째 순서인 안정성 검토로 한정하였으며, 설계 조건 및 기본 제원은 수동 구조 검토와 동일한 조건으로 Revit 패밀리에 입력하여 모델링하였다. 이하 2.1.1절부터 2.1.2절에서 설계 조건 결정 및 기본 제원 설정의 주요 내용을 간략히 기술하고, 2.1.3절 이후에서 파압 산정 및 안전율 계산 이론을 상세히 다룬다.

2.1.1 설계 조건 결정

직립식 방파제의 설계 조건은 자연조건, 하중 조건, 재료 조건, 안정조건의 네 범주로 구분된다.

자연조건은 설계 대상 해역의 파랑(파고, 주기, 파향), 조위, 수심, 해저 지반 조건을 포함하며, 수치 파랑 모형 또는 현지 관측 자료를 근거로 결정한다. 하중 조건은 파압, 벽체 자중 및 부력, 상재하중, 지진력, 동수압 및 관성력 등 설계에 적용할 외력의 종류와 조합(이상 시, 지진 시) 을 규정한다. 재료 조건은 콘크리트 단위중량, 속 채움재 단위중량, 해수 단위중량 등 구조물을 구성하는 재료의 특성값이며, 안정조건은 KDS 64 00 00 (2024)에서 규정하는 활동·전도·지지력 등에 대한 허용 안전율 기준이다.

2.1.2 기본 제원 설정

설계 조건이 결정되면 단면을 가정하고 기본 제원을 설정한다. 직립식 방파제의 기본 제원 설정 항목 중 안전율 산정과 직접 연관되는 주요 항목은 다음과 같다.

마루높이(Crest Level)는 설계 파고와 허용 월파량을 고려하여 결정하며, 케이슨 천단 높이(CB_Height)를 규정하는 기준값이 된다. 쇄파대(Breaking Wave Zone)는 방파제 전면 수심과 파고의 관계로 정의되며, 쇄파 한계 파고(H_b) 산정의 쇄파고(h_b)를 결정한다. 기초 마운드(Foundation Mound)는 케이슨을 지지하는 사석 마운드로, 마운드 천단 수심(d)이 파압 계수 $α_{2}$ , $α_{3}$ 및 양 압력 산정에 직접 영향을 미친다. 케이슨 제원은 저판 폭 B, 높이 h_c, 벽 두께, 격실 수 등을 포함하며, 자중·부력·모멘트 계산의 기본 입력값으로 사용된다.

2.1.3 설계 파고 결정

케이슨 전면에 작용하는 Goda (1974) 파압식의 입력값이 되는 설계 파고 H_D는 최대파고 H_max에 대응하며, 쇄파의 영향을 받지 않는 경우 유의파고와 다음 식 (1)로 정의된다. (해양수산부, 2020)

(1)

H_{D} = H_{\max} = 1.8 H_{1 / 3}

여기서 H_1/3은 대상 지점에서의 유의파고이다. 쇄파의 영향을 받는 경우, 케이슨 직립 벽 전면에서 5H_1/3만큼 외해측 지점에서의 수심 H_B에 대하여 불규칙 쇄파 변형을 고려한 H_max를 사용한다. 직립 마운드 위의 케이슨 배치 조건에서 쇄파 한계 파고 H_b는 다음 식 (2)와 같이 산정된다.

(2)

\frac{H_{b}}{L_{0}} = 0.17 1 - \exp [1.5 π \frac{h_{b}}{L_{0}} \times (1 + 15 \tan^{(4 / 3) θ})]

여기서 L₀ = gT²/(2π) 는 심해 파장, θ는 해저 경사각이다. 평탄 해저(θ = 0)인 경우 H_b ≈ 0.17L₀가 되며, 일반 항만 설계에서 직립 마운드 전면 수심 h_b가 충분히 깊을 때 H_D는 1.8H_1/3이 적용된다. 한편, Goda 파압 계산에 필요한 설계 파장 L은 다음식 (3)인 분산 관계식으로부터 반복법으로 산정한다.

(3)

L = (g T^{2} / (2 p i) \tan h (2 π h / L)

여기서 g는 중력가속도(9.81m/s²), T는 설계 파주기(s), h는 직립 벽 전면 정수면 수심(m)이다.

2.1.4 파압 계수 산정 (Goda, 1974)

파압 분포는 Goda (1974)가 제안하고 KDS 64 00 00 (2024)에서 채택하고 있는 합리적 파압 공식에 의거하여 산정한다. 파압 계수 $α_{1}$ , $α_{2}$ , $α_{3}$ 는 파의 주기, 수심, 마운드 형상을 반영하며 다음과 같이 정의된다.

파압 기본 계수 $α_{1}$ 은 정수압 성분의 보정을 위한 계수로 식 (4)와 같이 산정된다.

(4)

α_{1} = 0.6 + (1 / 2) [4 π h / \sinh (4 π h / L)]^{2}

여기서 h는 직립 벽 전면 정수면 수심, L은 식(3)에 의해 산정되는 설계 파장이다. $α_{1}$ 은 천수 조건(h/L 감소)에서 값이 증가하여 파압이 증폭되는 물리 현상을 반경험적으로 표현하며, 심해 조건에서 0.6, 천해 조건에서 1.1에 점금(converge)한다.

충격 쇄파 보정 계수 $α_{2}$ 는 충격 쇄파 조건에서의 파압 증가 효과를 반영하는 계수로 식 (5)와 같이 산정된다.

(5)

α_{2} = \min [((h_{b} - d) / (3 h_{b})) (H_{D} / d)^{2}, 2 d / H_{D}]

여기서 h_b는 직립 벽 전면에서 외해 측으로 5H_1/3만큼 떨어진 지점의 수심, d는 사석 부의 근고공 또는 피복공의 마루 중에서 작은 수심, H_D는 식 (1)에 의한 설계 파고이다. $α_{2}$ 는 충격 쇄파 조건에서 파압이 급격히 증가하는 현상을 반영한다.

저판 근방 파압 감쇠 계수 $α_{3}$ 은 저판 직하 지점에서 파압이 정수면 대비 감소하는 효과를 반영하는 계수로 식 (6)과 같이 산정된다.

(6)

α_{3} = 1 - (h^{'} / h) 1 - 1 / \cosh (2 π h / L)

여기서 h’는 직립 벽 저면의 수심으로, 이 논문에서는 케이슨 저판(마운드 천단)으로부터 정수면까지의 수심을 의미한다. $α_{3}$ 는 저판 직하 지점의 파압이 정수면 대비 감소하는 효과를 나타내며, 수심이 깊을수록 1에 수렴하여 저판 파압이 정수면 파압 수준에 근접함을 의미한다.

2.1.5 파압 분포 및 수평 파력 산정

파봉 작용 시 정수면 상방의 상승고(Wave Crest Elevation) η*는 식 (7)과 같이 결정한다.

(7)

η * = 0.75 (1 + \cos β) λ_{1} α_{1} H_{D}

여기서 β는 파랑의 주방향과 방파제 법선이 이루는 각도로 정면 입사 시 β는 0°, cosβ는 1.0이며 $α_{1}$ , $α_{2}$ , $α_{3}$ 는 파압 계수이고 $λ_{1}$ , $λ_{2}$ , $λ_{3}$ 는 구조물 형상에 따른 파압의 보정 계수(표준 직립제의 경우 1.0)이다. 각 위치에서의 파압 강도는 Table 2와 같이 산정한다.

Table 2.

Wave pressure intensity at key level (Goda, 1974; KDS 64 00 00, 2024)

Location	Waver Pressure Formula
Still Water Level (SWL)	$p_{1}$ = 0.5 (1 + cosβ) $(α_{1} \cdot λ_{1} + α_{2} \cdot λ_{2} \cos^{2} β) \cdot ρ_{w} g H_{D}$
Wave Crest Elevation (SWL + η*)	$p *$ = 0 (apex of triangular distribution)
Caisson Base (mound crest)	$p_{1} = α_{3} \cdot p_{1}$
Uplift at Base Front	$p_{u}$ = 0.5(1 + cosβ) $λ_{3} α_{1} α_{3} ρ_{w} g H_{D}$

해수의 밀도 $ρ_{w}$ 는 1,030 kg/㎥(또는 단위중량 $ρ_{w}$ g = 10.1 kN/㎥)로 적용하며, 중력가속도 g는 9.81 m/s²이다. 파압은 정수면에서 파봉 상승고 η*까지의 구간에서는 $p_{1}$ 에서 0으로 선형 감소하고, 정수면에서 직립 벽 저면까지의 구간에서는 $p_{1}$ 에서 $p_{3} = α_{3} \cdot p_{1}$ 로 선형 감소하는 사다리꼴 분포로 가정한다. 수평 파력 P는 파압 분포를 케이슨 전면 높이에 대해 적분하여 산정하며 식 (8)과 같다.

(8)

P = 1 / 2 (p_{1} + p_{3}) h' + 1 / 2 p_{1} η *

여기서 h’는 직립 벽 저면(케이슨 저판)으로부터 정수면까지의 수심이다. 식 (8) 우변의 제1항은 직립변 저면부터 정수면까지의 사다리꼴 파압에 의한 합력, 제2항은 정수면부터 파봉 상승고 $η^{*}$ 까지의 삼각형 파압에 의한 합력을 나타낸다. 직립 벽 저면으로부터 측정한 수평 파력 P의 작용점 높이는 I_P는 식 (9) 및 식 (10)에 의해 산정한다.

(9)

I_{p} = [1 / 2 (p_{1} + p_{3}) h' {\bar{z}}_{1} + 1 / 2 p_{1} η * {\bar{z}}_{2}] / P

(10)

{\bar{z}}_{1} = (h' / 3) (2 p_{1} + p_{3}) / (p_{1} + p_{3}), {\bar{z}}_{2} = h' + η * / 3

이와 더불어, 케이슨 저판에 작용하는 양압력 U는 저면 저면단에서 후면 저판단으로 선형 감소하는 삼각형 분포로 가정하여 식 (11)과 같이 산정한다.

(11)

U = 1 / 2 p_{u} B

여기서 B는 케이슨 저판 폭이며, p_u는 Table 1에 정의된 저판 전면단의 양압력(kN/㎡)이다. 식 (11)은 양압력이 전면단에서 p_u의 최댓값을 가지며 후면단에서 0으로 선형 감소한다는 전제를 따른다. 산정된 양압력 합력 U의 작용점은 저판 후면단으로부터 2B/3 지점에 위치한다.

2.1.6 케이슨 자중 산정

케이슨 단위 길이당 자중 W는 부재별 체적과 단위중량의 곱을 합산하여 산정한다(해양수산부, 2020).

(12)

W = Σ_{i} γ_{i} \cdot V_{i}

여기서 $γ_{i}$ 는 각 부재(콘크리트, 속 채움재, 상부 콘크리트 등) 의 단위중량(kN/㎥), $V_{i}$ 는 단위 길이 당 각 부재의 단면적이다. 케이슨의 수면 위 노출부와 수중 침수 부를 구분하여 각 영역에 맞는 단위중량을 적용하면, 부력을 별도로 차감하지 않고도 식 (12)로부터 실질 자중 W_eff가 직접 산정된다. 즉, 식 (13)의 관계가 성립하며,

(13)

W_{e f f} = W_{a b o v e} + (γ_{s u b} - γ_{w}) V_{s u b}

여기서 $γ_{s u b}$ 는 수중 단위 중량, $γ_{w}$ 는 해수 단위중량이다. 이 논문에 적용된 부재별 표준 단위중량은 Table 3과 같다.

Table 3.

Unit weight standards applied in this paper (KDS 64 00 00, 2024)

Material	Unit weight (kN/㎥)
Rock (Above Water)	24.0
Rock (UnderWater)	14.0
Sand (Above Water)	18.0
Sand (UnderWater)	10.0
Seawater	10.1

2.1.7 활동 안전율 산정

케이슨 저판과 마운드 천단 사이의 마찰에 의한 활동 안전율은 다음 식 (14)로 산정된다.

(14)

F_{s} \leq μ (W_{0} - B_{u} - U / P)

여기서 μ는 케이슨 저판(콘크리트)와 기초 마운드(사석) 간의 마찰계수로 콘크리트와 사석 접촉면에 대해서 KDS 64 00 00 (2024)에서는 0.6을 표준값으로 규정하며 현장 조건에 따라 시험 값으로 대체 가능하다. W₀는 직립 부의 중량, B_u는 직립 부에 작용하는 부력, U는 식 (11)에 의한 직립 부에 작용하는 양압력, P는 식 (8)에 의한 직립 부에 작용하는 수평 파력이다. 허용 안전율은 설계 파압 작용시를 기준으로 이상이어야 한다.

2.1.8 전도 안전율 산정

케이슨 저판 후면 단(TOE 측 끝단) 을 전도 회전 지점으로 설정하여 전도 안전율은 다음 식 (15)로 산정된다.

(15)

F_{s} \leq W_{0} t_{1} - B_{u} t_{2} - U t_{3} / M_{p}

여기서 $t_{1}$ 은 직립부 중력 작용점으로부터 회전 지점까지의 거리, $t_{2}$ 는 부력 작용점으로부터 회전 지점까지의 거리, $t_{3}$ 은 양압력 작용점으로부터 회전 지점까지의 거리이다. Mp는 수평 파력에 의한 회전모멘트이다. 허용 전도 안전율 기준은 1.2 이상이다.

2.2 BIM 기반 설계 자동화 동향

방파제를 포함한 항만 구조물의 설계는 전통적으로 파력 산정 및 피복재 안정성과 관련된 고전적 이론에 기반하여 수행되어 왔다. 대표적으로 Goda (1974, 2000)의 혼성제 파압 공식 및 해양 구조물 설계 이론, Hudson (1959)의 사석 방파제 안정성 공식, 그리고 Van der Meer (1988)의 경사식 방파제 피복재(Tetrapod 등) 안정성 공식 등은 설계의 핵심 기준이 되어 왔다. 최근에는 이러한 복잡한 수치 계산과 해양수산부(MOF, 2024b)의 「항만 및 어항 설계기준」 및 해양수산부(MOF, 2020)의 「항만시설물 실무 설계사례집」 등을 바탕으로 한 경험적 설계 규칙을 BIM (Building Information Modeling)과 연계하여 자동화하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

BIM과 설계 검증을 연계하는 연구는 건축 분야의 장동 검토 영역에서 집중적으로 진행되어 왔다. Lee et al .(2015)는 건축법규 문장을 논리 규칙 체계로 변환하여 BIM 모델 품질을 자동 점검하는 프레임워크를 제안하였다. 이후 Shin and Lee (2016)는 건축법령 문장의 객체·속성 표현 방식을 체계화하였고, Kim et al. (2018, 2021)은 BIM 정보 관리와 용도 분류를 통합한 방법론을 발전시켰다. Kim and Lee (2019)는 시각 지능 기반 BIM 객체 인식 접근법을 보완하였으며, Shin and Shin (2024)은 건축법규 해석 기반 개략 설계 자동화 알고리즘을 제안하였다.

토목 분야의 BIM 확산은 국토교통부(MOLIT, 2020)의 건설 산업 BIM 발표 이후 도로·교량·철도 분야를 중심으로 진행되어 왔으며, 최근 해양수산부(MOF, 2025)의 항만 분야 BIM 적용 지침이 마련되면서 해양 구조물로 그 범위가 확대되고 있다. 아울러 해양수산부(MOF, 2024a)는 스마트 항만 인프라를 위한 디지털 트윈·BIM 통합유지관리 지침을 마련하여 시설물 생애주기 데이터 관리의 기반을 제시하였다. 항만 및 해양 구조물 분야에서는 Kim et al. (2019)가 항만시설물 BIM 라이브러리 표준체계 구축과 변수 기반 반복 모델링 자동화를 제안하였고, Lee et al. (2013)은 Revit 파라메트릭 패밀리 및 시각적 프로그래밍을 활용한 케이슨 모델 자동 생성을 연구하였다. 또한, Lee et al. (2024)는 항만 컨테이너 터미널 상부 시설물 배치 자동화 알고리즘을 제안하였으며, Lee et al. (2025)는 IFC 4.3 표준 기반 항만 하부구조물 설계 규칙 자동 검토 프레임워크를 개발하였다. 또한 Ku et al. (2024)은 국내 건설기준의 BIM 기반 자동 적합성 검토를 위한 ‘IFC-KR’ 및 ‘IFC-KR-Structure’ 분류·구조 체계를 구축하였다.

국제적으로도 항만 인프라의 디지털 전환 및 BIM 적용 연구가 가속화되고 있다. 싱가포르 해양항만청(MPA, 2024)은 투아스(Tuas) 차세대 항만 개발에서 BIM 기반의 설계 및 시공 자동 검증을 도입하는 디지털 전환 사례를 발표하였다. 학술적으로는 PIANC (2024)가 항만·수로 분야의 통합 GIS-BIM 프레임워크를 제시하였고, Zhang et al. (2024)는 IFC 4.3 스키마를 활용한 의미론적 설계-구조해석 연동 방법론을 제안하였다. Tao et al .(2024)는 유전자 알고리즘과 BIM을 결합한 해안 보호 인프라 최적화를 연구하였으며, Van der Meer and Hofstede (2024)는 중력식 안벽의 지식 기반 엔지니어링(KBE) 기반 자동 설계 방법론을 발표하였다.

그러나 항만 및 어항 설계기준·해설(2024)과 같은 국내 항만 설계기준을 BIM 모델과 직접 연결하여 방파제 안전율을 자동 평가한 연구는 국내에서 확인되지 않는다.

이 논문의 위치를 명확히 하면 다음과 같다. 기존 항만 BIM 연구는 크게 (1) 시설물 라이브러리 표준화(Kim et al., 2019), (2) 파라메트릭 형상 자동 생성(Lee et al., 2013), (3) 상부 시설 배치 자동화(Lee et al., 2024), (4) IFC 기반 설계 규칙 자동 검토(Lee et al., 2025; Zhang et al., 2024)로 구분된다. 이들 연구는 형상 모델링과 규칙 기반 적합성 검토(rule-checking)에 초점을 두고 있어, 설계기준에 규정된 구조 안전율을 직접 산정하는 정량 연산은 BIM 외부의 별도 도구(주로 Excel)에 의존한다는 공통적 한계를 지닌다. 이에 반해 이 논문은 Goda (1974) 파압 산정식과 KDS 64 00 00 (2024)의 활동·전도 안전율 산정 절차 자체를 Python 연산 모듈로 구현하여 BIM 모델 내부의 폐쇄 루프 워크플로우에 통합하였다는 점에서 차별화된다. 즉 ‘규칙 검토’ 수준을 넘어 ‘정량 구조 연산(quantitative structural computation)’을 BIM 파라메트릭 환경에 내재화하고, 이를 실제 설계 사례의 수기 계산서와 정량 비교하여 실무 적용 가능성을 검증한 것이 이 논문의 고유 기여이다. 이로써 BIM 자동 검증 연구의 적용 영역을 항만 구조물로 확장한다.

3. BIM 기반 자동 검증 시스템 개발

3.1 시스템 프레임워크

시스템은 Figure 2와 같이 세 모듈로 구성된다. Revit 패밀리는 케이슨 형상과 입력 매개변수 저장소, Dynamo는 매개변수 추출 및 결과 회수 마지막으로 Python은 Goda (1974) 파압식과 KDS 64 00 00 (2024) 안전율 기준 적용 연산 엔진으로 구성된다.

워크플로우는 폐쇄 루프(Closed-loop) 구조다. 설계자가 Revit 매개변수를 변경하면 Dynamo의 자동 실행 모드가 이를 감지하여 Python 연산이 재수행 되고 산출된 7개의 결과값이 Revit 특성(Properties) 창에 자동으로 기록된다. 매개변수 변경부터 결과 업데이트까지 전체 갱신 시간은 약 1~2초가 소요된다.

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Figure 2.

System framework of BIM-based automated safety factor verification

3.2 Revit 패밀리 구축 및 매개변수 정의

BIM 모델은 Revit 2026의 Generic Model 템플릿을 기반으로 구축하였다. 매개변수는 총 32개로, 입력 25개 및 출력 7개로 구성되며, 형상, 속 채움, 설계 조건, 재료 특성, 내부 구조, 저판 TOE의 6개 범주로 분류된다. 이는 Table 4에 상세히 수록하였다.

Table 4.

Parameter definition of the Revit caisson family

Category (Number)	Parameters
Shape (3)	CB_Width, CB_Length, CB_Height
Backfill/Filling (2)	RB_Thickness, Fill_Height
Design Conditions (5)	Wave_H_Design, Wave_T_Design Water_Depth, WL_Design Wave_Angle
Material Properties (6)	Concrete_UW, Concrete_UW_Sub Fill_UW, Fill_UW_Sub Water_UW, Friction_Coef
Internal Structure (6)	Wall_Thk_Out, Wall_Thk_In Slab_Bottom, Slab_Tob N_Cells_X, N_Cells_Y
Base Plate TOE (3)	TOE_Length, TOE_H_Front, TOE_H_Back
Output Results (7)	Weight_Total, Wave_Force_H Uplift_Force, Overtopping_Rate FS_Sliding, FS_Overturning, FS_Status

이 논문에서는 Revit 매개변수 유형 드롭다운에 ‘숫자(Number)’ 항목이 표시되지 않는 입력 제약을 확인하였다. 이로 해결하기 위해 모든 입력값의 유형을 길이(Length)로 통일하여 입력한 후, Python 엔진 내부에서 1,000으로 나누어 환산하는 스케일링(Scaling) 기법을 적용하였다. 예를 들어, 콘크리트 단위중량 24.0kN/㎥를 입력할 경우 Revit 모델에는 24,000 mm로 입력되며, 연산 과정에서 24.0으로 환산되어 계산에 활용된다.

입력 매개변수(Table 4)와 2장 이론 변수, 사례 적용값의 대응 관계를 Table 5에 정리하여 계산 과정의 추적성과 재현성을 확보하였다. 입력값이 아닌 연산 중간 산출 변수는 ‘파생’으로 표기하였다.

Table 5.

Mapping between Revit parameters, theoretical symbols, and applied values

Parameter	Symbol	Physical meaning	Unit	Appliced value
Wave_H_Design	H_1/3	Significant wave height	m	7.5
Wave_T_Design	T	Design wave period	s	12
Water_Depth	h	Still-water depth in front of wall	m	21.7
WL_Design	-	Design water level	m	4.7
Wave_Angle	β	Incidence angle	°	0
CB_Width	B	Base width	m	23.4
Friction_Coef	μ	Friction coefficient	–	0.6
Concrete_UW/ _Sub	$γ_{c}$	Concrete unit weight (above / seawater)	kN/m³	24.0 / 14.0
Water_UW	$γ_{w}$	Seawater unit weight	kN/m³	10.1
(Derived)	H_D	Design wave height (1.8H_1/3)	m	13.50
(Derived)	L₀	Deep-water wavelength	m	224.8
(Derived)	L	Design wavelength	m	157.3
(Derived)	$α_{1} \cdot α_{2} \cdot α_{3}$	Goda wave-pressure coefficients	–	0.817/0.029/0.743
(Derived)	$η^{*}$	Wave-crest elevation	m	20.25
(Derived)	$p_{1}$	Wave-pressure intensity at SWL	kN/m²	115.3
(Derived)	d,h_b,h’	Mound/base water depths	m	Computed internally (reflected in $α_{2} \cdot α_{3}$ )
(Output)	P/U/W_eff	Wave force/uplift/effective weight	kN/m	2,329/1,133/5,792
(Output)	FS	Sliding/overturning safety factor	–	1.201/1.627

3.3 KDS 64 00 00 (2024) 기반 Python 알고리즘

Python 알고리즘은 총 13개 블록으로 구성된다. 전체 처리 흐름은 입력값의 단위 환산을 시작으로, 쇄파 검토 및 쇄파 한계 파고(H_b) 산정, 분산 관계식의 반복법을 이용한 설계 파장(L) 산정, Goda 파압계수( $α_{1}$ , $α_{2}$ , $α_{3}$ ) 계산, 파압 분포의 산정 및 적분 순으로 진행된다. 이어 수상 및 수중 구분에 따른 자중 산정, 활동 및 전도 안전율 계산, 최종 출력값의 스케일링 단계로 마무리된다.

3.4 Dynamo 자동화 워크플로우

Dynamo 그래프는 5개 그룹으로 구성된다(Figure 3). Group 1은 슬라이더를 통한 설계자 입력부, Group 2는 Revit 매개변수 수정부, Group 3은 매개변수 일괄 추출부, Group 4는 Python Script를 통한 연산부, Group 5는 7개 출력값에 대한 역입력(Write-back) 부이다. Dynamo의 자동 실행 모드가 활성화된 상태에서는 슬라이더 조작 시 1~2초 이내에 갱신된 안전율이 Revit 특성(Properties) 창에 반영되어 실시간 피드백이 가능하다.

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Figure 3.

Dynamo graph structure for automated verification

Table 6.

Comparison of Excel-based manual review and the proposed BIM-Python system

Aspect	Excel-based manual review	Proposed BIM–Python system
Geometry–computation linkage	Disconnected (manual transcription of dimensions)	Auto-extracted from a single model (transcription error eliminated)
Design-change response	Full re-check required	Re-computed by slider adjustment alone
Feedback time	Several minutes or more	1-2 seconds
Alternative comparison	File duplication and repeated calculation	Real-time trade-off (Figure 6)
Data consistency	Varies by engineer’s template	Single source, unified format
Output	Safety-factor values	Safety factors + quantities (volume) + 3D geometry simultaneously
Extensibility	Limited	Linkable to IFC 4.3 and digital twin

본 시스템이 기존 수동 구조 검토 대비 제공하는 차별적 가치를 Table 6에 정리하였다. 동일한 산정식이라 하더라도, 형상이 곧 입력이 되어 수치 전사 오류가 제거되고, 물량(체적)과 안전율이 동일 모델에서 동시 산출되며, 슬라이더 조작만으로 실시간 대안 비교가 가능하다는 점은 Excel 환경이 구조적으로 제공하기 어려운 이점이다.

4. 사례 적용 및 검증

4.1 적용 대상 및 입력 조건

실무 적용성을 확인하기 위해 2025년에 설계가 진행된 OO항 외곽 방파제의 직립식 케이슨 단면을 검증 대상으로 선정하였다. 대상 구조물의 기본 제원은 폭 23.4 m, 길이 38.4 m, 높이 23.0 m이며, 설계 파고(H_1/3)는 7.5 m, 주기는 12초로 설정되었다. 기타 상세 입력 조건은 Table 7에 정리하였고 이를 반영하여 Revit으로 구축한 케이슨 3D 모델은 Figure 4로 나타내었다.

Table 7.

Input conditions for the case study

Item	Value
Caisson Specifications (B × L × H)	23.4m × 38.4m × 23.0m
Base TOE (front and rear slopes)	Length 2.0m Trapezoidal 1.0m ∼ 1.7m
Number of Cells	4 in X-direction 7 in Y-direction = 28 cells
Thickness of Outer Wall & Inner Wall & Base Plate	600 mm / 400 mm / 600 mm
Front Water Depth (h, including high tide)	21.7m
Design Wave Height (H⅓)	7.5m
Wave Period (T)	12 s
Wave Incidence Angle (β)	0°
Reinforced Concrete (Above-water / Underwater)	24.0 / 14.0 kN/m³
Unit Weight of Seawater	10.1 kN/m³
Friction Coefficient (Concrete and Rubble mound)	0.6

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Figure 4.

Revit 3D model of the sample caisson with TOE

4.2 자동 검증 시스템 실행 결과

산출 결과 활동 안전율은 1.314, 전도 안전율은 1.749로 산정되었다. 두 값 모두 허용 기준인 1.2를 상회하여, FS_Status에 ‘OK’가 자동으로 표시되었다(Figure 5).

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Figure 5.

Revit property extraction results

4.3 수동 구조 검토와의 정합성 검증

동일 입력 조건에서 수동 구조 검토와 자동화 시스템 산출 값을 대조하였다(Table 8). TOE 체적 오차는 0.0%로 기하 매개변수 연산이 원 설계와 정확히 일치함을 의미한다. 자중 W의 5.3% 오차는 수상 및 수중 경계 처리 차이에서 발생한다.

수평 파력(P)에서 발생한 25.1%의 오차는 파압의 적분 범위를 적용하는 방식의 차이에서 기인한다. 이 논문에서는 케이슨 저판 상면부터 정수면 위 영향 높이 $η^{*}$ 까지 표준 적분 범위를 적용하였다. 파압 강도( $p_{1}$ ) 차이는 2.0%에 불과한 반면 수평 파력 차이가 크게 나타나는 것은, 정수면 상부 삼각형 파압 성분(정수면에서 파봉 상승고 $η^{*}$ 까지)의 적분 상한 처리 방식이 합력에 민감하게 반영되기 때문이다. 정수면 상부 성분은 단면 높이의 큰 비율을 차지하므로 적분 상한의 작은 차이도 합력에 크게 작용한다. 본 시스템과 수동 계산의 적분 범위(특히 $η^{*}$ 가 케이슨 천단고를 초과하는 경우의 절단 여부)에 대한 정밀한 정합 검토는 후속 보완 과제로 남긴다.

Table 8.

Comparison between Python automation and Excel manual calculation

Item	Python	Excel	Error
Wave breaking (H_D,m)	13.50	13.50	0.0%
$α_{1}$	0.8166	0.8000	2.1%
$α_{2}$	0.029	0.029	0.0%
$α_{3}$	0.7427	0.7270	2.2%
$p_{1}$ (kPa)	115.3	113.03	2.0%
TOE volume unit (㎥)	207.36	207.36	0.0%
Weight V (kN)	222,429	234,891	5.3%
Horizontal force (kN)	89,423	110,916	19.4%
Sliding	1.201	1.270	5.4%
Overturning	1.627	2.320	29.9%

※ $α_{1,} α_{3}$ 는 파고와 무관하여 7.0m 산정값과 동일하며, $α_{2,} p_{1}$ 은 $H_{D}$ = 13.50 m기준 Goda 식으로 산정한 값으로 실제 Python 출력과의 대조를 권장한다. Weight-Horizontal force·FS는 7.5 m 재실행 시 Revit 산출값이다.

전도 안전율에서 발생한 29.9%의 격차는 자중 작용점의 위치를 케이슨 저판 중앙( $B_{b a s e}$ /2)으로 단순화한 가정에 기인한다. 다만 케이슨 본체는 격실이 좌우 대칭이어서 자중 중심이 저판 중앙에 위치하므로, 격차의 상당 부분은 단순화 가정 자체보다 전도 회전 지점(후면 TOE 끝단, 전체 저판 폭 기준)을 기준으로 한 모멘트 팔길이 산정 방식의 차이에서 비롯되는 것으로 판단된다. 부재별 모멘트를 회전 지점기준으로 독립 합산하는 정밀 해석 알고리즘은 후속 연구를 통해 보완할 예정이다. 두 방식 모두 허용 안전율 기준을 만족하여 최종 설계 적합성 판정에는 영향이 없다.

본 시스템의 실시간 갱신 기능을 직관적으로 검증하기 위해 케이슨 저판 폭(CB_Width)을 세 가지 조건으로 변경하며 안전율의 변화를 분석하였다(Figure 6). 기본 값인 23.4 m에서 27.0 m로 확장했을 때 활동 안전율은 약 1.50까지 상승하였으며, 반대로 18.0 m로 축소했을 때는 1.02로 감소하여 상태 판정(FS_Status)이 ‘NG‘로 변경됨을 확인하였다. 수동 방식에서는 시나리오마다 독립적 계산과 파일 생성이 필요하나, 본 시스템은 슬라이더 조작만으로 즉각적인 대안 비교가 가능함을 입증하였다.

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Figure 6.

Real-time safety factor variation with parametric modification of caisson width

5. 결 론

이 논문에서는 Revit 2026, Dynamo v.3.6.1, Python 3.12를 단일 파이프라인으로 통합하여 KDS 64 00 00 (2024) 기준 기반 직립식 방파제 케이슨의 활동 및 전도 안전율 자동 산출 시스템을 개발하고, 실제 설계 사례 적용을 통해 기존 엑셀 기반 수동 구조 검토를 BIM 환경으로 대체할 수 있는 가능성을 개념 실증(proof-of-concept) 수준에서 확인하였다.

첫째, 총 32개(입력 25개, 출력 7개)의 매개변수를 포함하는 파라메트릭 케이슨 패밀리를 구축하였다. 특히 Revit 내부의 매개변수 유형 제약으로 인한 데이터 손실 문제는 길이 단위에 ×1,000 스케일링 기법을 적용함으로써 데이터 흐름의 일관성과 정밀도를 성공적으로 확보하였다.

둘째, Goda (1974) 파압 산정식과 KDS 64 00 00 (2024) 설계기준을 Python 코드로 구현하고 이를 Dynamo 노드 그래프 내에 통합하여 폐쇄 루프 형(Closed-loop) 워크플로우를 완성하였다. 이를 통해 매개변수 수정 후 1~2초 이내에 안전율이 즉각적으로 갱신되어 설계 흐름의 단절 없는 실시간 검토 환경을 조성하였다.

셋째, OO항 케이슨 사례에 적용한 결과 활동 안전율 1.20, 전도 안전율 1.63이 산출되어 두 항목 모두 설계 기준치 1.2를 충족하였다. 동일 조건의 수동 구조 검토(활동 1.27)와 대조한 결과 활동 측 오차는 약 5% 수준으로, 활동에 대해서는 비교적 양호한 정합을 보였다. 다만 활동 안전율이 기준치에 근접하므로 본 시스템은 적합성의 초기 판정 도구로 활용함이 적절하다.

넷째, 전도 안전율 산정에서 발생한 29.9%의 오차는 자중 작용점을 저판 중심부로 단순화한 가정 및 회전 지점 기준 모멘트 팔길이 산정 방식에 기인한 것이다. 다만 오차 발생 원인이 논리적으로 명확하고 최종 설계 적합성 판정에 영향을 미치지 않으므로, 본 시스템은 초기 설계 단계의 신속한 대안 비교 용도로 활용하기에 충분하다. 다만 본 검증은 단일 사례에 기반하므로, 다수 단면에 대한 확장 검증은 후속 연구가 필요하다.

결론적으로 이 논문은 BIM 자동 검증 연구의 범위를 항만 구조물 분야로 확장했다는 학술적 의의가 있다. 실무적으로는 엑셀에 고립되어 있던 방파제 안전율 검토 관행을 BIM 환경으로의 성공적으로 전환할 수 있음을 실증하였다. 후속 연구로는 지진하중 및 상재하중을 포함한 다중 하중 조합 시스템 구축, 사석 마운드 지지력 검토 통합, 경사식 방파제로의 적용 대상 확대, 그리고 IFC 4.3 기반 데이터 연동 및 디지털 트윈 모델로의 확장을 추진할 계획이다.

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Journal of KIBIM ISSN:2288-1697(Print) 2288-1697(Online) 한국BIM학회논문집

Preview

Development of a BIM-based Automated Safety Factor Verification System for Breakwater Structures Based on Design Standard for Port and Fishing Port Facilities

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

Nomenclature of principal symbols

Figure 1.

Design procedure of caisson-type composite breakwater

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Table 2.

Wave pressure intensity at key level (Goda, 1974; KDS 64 00 00, 2024)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Table 3.

Unit weight standards applied in this paper (KDS 64 00 00, 2024)

(14)

(15)

Figure 2.

System framework of BIM-based automated safety factor verification

Table 4.

Parameter definition of the Revit caisson family

Table 5.

Mapping between Revit parameters, theoretical symbols, and applied values

Figure 3.

Dynamo graph structure for automated verification

Table 6.

Comparison of Excel-based manual review and the proposed BIM-Python system

Table 7.

Input conditions for the case study

Figure 4.

Revit 3D model of the sample caisson with TOE

Figure 5.

Revit property extraction results

Table 8.

Comparison between Python automation and Excel manual calculation

Figure 6.

Real-time safety factor variation with parametric modification of caisson width

References