1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

최근 토목분야에서도 BIM(Building Information Modeling)에 대한 관심이 높아지고 있으며 더 나아가 BIM기반의 다양한 융합기술을 활용한 스마트건설을 실현하기 위하여 많은 연구들이 진행되고 있다(Kim et al., 2019). 스마트건설의 기본이 되는 BIM은 구조물의 생애주기(계획, 설계, 시공, 유지관리)에 걸쳐 발생하는 모든 정보를 통합 및 관리하고 정보 변경에 따른 연관 프로세스 정보들이 일괄적으로 재생산, 공유, 배포될 수 있도록 하는 3차원 기반의 정보 운용 환경 프로세스이다. 구조물의 생애주기 중에서 설계단계에서 생산되는 BIM 정보는 향후 시공 및 유지관리 단계에서의 활용을 고려한 3D모델 기반의 BIM으로 생산되어야 한다.

현재, 토목 설계 분야에서의 BIM은 2D설계와 BIM설계를 동시 설계 진행하는 병행설계 또는 2D설계 이후 BIM을 수행하는 전환설계 방식으로 주로 진행하고 있다. 이렇게 토목 설계 분야에서 전면설계로 BIM을 활용하지 못하고 있는 이유는 설계사의 BIM 전문인력 부족, 기존인력의 BIM 인식 부족 등으로 인해 BIM 설계를 통한 생산성 확보에 어려움이 있기 때문이다(Kim et al., 2019). 건축에서 BIM 전면설계가 자리를 잡을 수 있었던 가장 큰 이유는 BIM 설계 Tool에서 주로 건축구조물을 중심으로한 라이브러리를 제공하고 있어, BIM Tool을 활용한 손쉬운 설계가 가능했기 때문이다(Moon et al., 2016). 토목에서도 BIM을 활용하여 설계의 생산성을 높임과 동시에 유지관리 단계까지 지속가능한 정보를 설계단계에서 생산하기 위해서는 먼저, 토목구조물 대상의 BIM 라이브러리 구축 및 자동 설계를 지원하는 기술 개발을 통해 사용자들의 작업 효율성을 확보해야 한다. 국내에서도 토목 구조물의 BIM 설계 활용성을 높이기 위해 라이브러리 구축 및 설계자동화에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. 최근에는 국토부의 주도로 토목분야의 BIM 라이브러리 연구에 대한 관심이 점차 증가하고 있다(Lee et al., 2018). Kim 외(2014)는 토목산업에서 라이브러리로써 활용이 가능한 구조물을 선별하고 재활용성을 고려하여 기초 시설물(예: 암거, 옹벽 등)을 대상으로 한 라이브러리 구축에 관한 연구를 수행하였다. 한국건설기술연구원에서도 토목 인프라 시설에 대한 BIM 표준 연구를 수행하였으며, 특히 2016년에는 도로, 교량, 터널 등 도로 표준도를 기반으로 한 일반도와 상세도 수준의 BIM 라이브러리를 제작하고 건설사업정보시스템 (www.calspia.go.kr)을 통해 무료로 배포 하였다(Moon et al., 2016).

이와같이 토목 분야 라이브러리를 개발하는 연구와 더불어, BIM 설계의 기본이 되는 모델링 작업의 효율화를 위한 모델링 자동화에 대한 연구도 수행되고 있다. Kim 외(2020)는 항만의 대표 구조물인 슬릿 케이슨을 대상으로 전문가 인터뷰를 통한 매개변수 도출 후 Dynamo와 Excel VBA(Visual Basis for Applications)를 활용하여 슬릿케이슨의 BIM기반 설계 모델링 자동화 시스템을 개발하였다. 또한 Lee 외(2019)는 토목분야에 대한 SILO의 모델링 자동화를 위하여 SILO의 설계 방법을 바탕으로 하여 SILO 구조물의 설계 표준화를 진행하고 Microsoft 사의 Visual Studio(C#)을 활용하여 설계 모델링 자동화 프로그램을 개발하였다.

이렇게 토목분야의 BIM 활용성을 높이기 위하여 토목 BIM 라이브러리, 설계 모델링 자동화 개발 등에 대한 연구가 다양하게 수행되고 있지만, 선형을 기반으로 하는 철도 인프라 구조물을 대상으로 한 라이브러리 및 설계 자동화에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 기 개발된 토목구조물 라이브러리 및 모델링 자동화 기술의 경우에도 3차원 곡선 적용에 한계가 있으며, 부재 분할 조건이 자유롭지 않아, 수량 및 비용을 연계한 4D(3D모델 + 공정정보), 5D(4D모델 + 비용정보)로의 확장에 한계가 있다.

철도 인프라 구조물의 경우 대부분이 선형기반의 구조물로 구성되어 있어, 3차원 선형정보에 의해 계속적으로 변경되는 횡단면의 정보를 하나의 표준화된 라이브러리만으로 표현하기에는 한계가 있다. 특히나, 터널 같은 구조물의 경우, 지반조건을 고려한 설계가 이루어져야 하기 때문에 라이브러리만을 활용한 BIM 모델링에는 어려움이 있다. 때문에 철도 인프라 구조물의 경우에는 BIM 모델링에 있어 높은 생산력을 내기가 어려웠고 이로 인해 철도 분야에 BIM 적용이 활발히 이루어지고 있지 않고 있다. 철도 분야에서 BIM 활용을 높이기 위해서는 사용자들의 업무 효율을 확실히 높여 줄 수 있는 BIM 모델링 자동화 기술이 필요하다.

이에 본 연구에서는 3차원 선형 정보에 따른 자동 라이브러리 생산 기술을 제안하고, 이를 통한 선형기반 구조물의 모델링 자동화 기술을 제안하고자 한다. 이를 위해 대표적 토목 구조물인 철도 터널 구조물을 대상으로 파라메트릭 기반 선형정보에 따른 라이브러리 생산 기술을 먼저 제안하고자 한다. 이후 이를 활용한 터널 구조물을 선형기반으로 자동 모델링할 수 있는 기술을 개발하고자 한다. 또한, 향후 4D, 5D로의 확장이 가능하도록 분할된 객체로 자동 모델링이 이루어질 수 있도록 기술 개발하고자 한다.

1.2 연구의 범위 및 방법

BIM은 단순 3D 모델로써 끝나는 것이 아니라 객체 단위로 구성된 3D 모델이 계획, 설계, 시공, 유지관리 단계에 걸쳐서 생성된 정보를 연계 및 활용 가능하도록 하는 데에 그 의미가 있다. BIM 모델이 BIM으로써의 가치를 내게 하기 위해서는 설계단계에서부터 시공, 유지관리 단계를 고려한 모델 설계가 필요하다.

본 연구에서는 철도 인프라에서 BIM이 설계단계부터 유지관리 단계까지 그 기능을 다 할 수 있도록 하는 BIM 모델 설계를 위하여 라이브러리를 활용한 모델링 자동화 기술을 개발한다. 또한, 대부분 3차원 선형기반의 구조물인 철도 인프라 구조물의 설계환경을 고려하기 위하여 철도 인프라 구조물 중에서도 선형 기반의 구조물인 철도 터널을 대상으로 연구를 수행한다.

이를 위해 첫 번째로 철도 터널 설계 자동화를 위한 라이브러리 구축 방안을 연구하였으며, 3차원 선형기반의 설계와 시공, 유지관리 단계까지의 확장 가능한 조건을 만족하는 라이브러리 구성 방안에 대하여 연구하였다. 두 번째로 라이브러리를 기반으로 한 선형기반의 철도터널 구조물 모델링 자동화 기술을 연구하였다. 지반조건에 따라 패턴이 변화하는 터널 구조물의 특징을 반영하고 3차원 선형 설계에서 발생할 수 있는 오류를 최소화 할 수 있도록 하였다. 3차원 선형설계에는 Autodesk사의 Civil 3D를 활용하였다. Civil 3D는 클로소이드, 3차포물곡선 등을 포함한 3차원 선형 설계를 위한 다양한 기능을 제공하며, Civil 3D에서 설계한 3차원 선형 설계 정보를 x, y, z의 Point 정보로 추출할 수 있는 장점을 가지고 있다. Civil 3D를 활용한 3차원 선형설계 이후에는 파라메트릭 기반의 모델링 자동화를 구현하기 위하여 Autodesk사의 Revit제품을 활용하였으며, Revit의 Dynamo를 활용하여 모델링 자동화 알고리즘을 구현하였다. Dynamo는 Revit의 Add-in 프로그램으로, 사용자가 원하는 알고리즘을 기반으로 설계를 수행할 수 있도록 지원해 주는 프로그램이다.

2. 철도 인프라 모델링 자동화 기술에 대한 고찰

2.1 BIM 기반 설계 자동화 기술 선행연구 고찰

BIM 라이브러리를 활용한 모델링 자동화 기술 개발에 앞서, BIM 기반의 모델링 자동화 관련 기존 연구를 분석하였다.

먼저, Lee 외(2018)는 철도 인프라 구조물 중, 철도 교량을 대상으로 BIM 모델 구축을 위한 자동화 시스템을 개발하였다. 연구에서는 매개변수기법을 활용하여 토목 구조물의 세부 부재들을 3D 모델로 생성하고 다시 이를 조합하는 방법으로 3D 모델을 생성할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 철도 교량 대상의 변수체계와 코드체계를 정립하고 유관변수들의 상관관계를 반영하는 방법으로 철도 교량의 BIM 모델을 자동 생성하였다. Choi 외(2019)는 선형기반의 터널 구조물을 대상으로 매개변수 기반의 라이브러리를 구축하여 자동 설계 가능한 기술 개발을 수행하였다. 연구에서는 NURBS(Non-Uniform Rational Basis Splines) 곡선으로 3차원 선형 곡선을 변환한 뒤, 라이브러리의 매개변수를 설정하여 직선, 곡선 구간에 1개의 라이브러리를 스윕하는 방법을 활용하여 BIM 모델을 자동 생성하였다. Kim 외(2020)는 항만 구조물인 슬릿 케이슨을 대상 모델로 선정하여 BIM 모델링 자동생성 시스템을 개발하였다. 연구에서는 Revit 프로그램 내에서만 매개변수가 가능한 기존 파라메트릭 라이브러리의 단점을 보완하고자, Dynamo와 Excel VBA를 활용하여 슬릿 케이슨의 BIM기반 설계 자동화 시스템을 개발하였다. 마지막으로 Nam 외(2021)는 하천시설물 중에서도 비교적 시설의 규모가 작아 3차원 모델링에 한계가 있는 구조물인 배수 통문을 대상으로 하여 BIM 자동 모델링 기술을 개발하였다. 해당 연구는 기존 하천시설물의 유지관리에 3차원 모델을 활용하기 위하여 수행되었다.

위의 Table 1과 같이 토목 구조물을 대상으로 BIM 모델 자동생성에 대한 기존연구 분석을 수행하였다. 철도 인프라 구조물을 포함하여 토목 구조물을 대상으로한 연구는 그 필요성에 비해 아직 연구가 많이 부족한 실정이였으며, 특히나 선형기반의 구조물에 대한 연구는 더욱 활발한 연구를 통한 기술 개발과 실무 적용이 필요한 실정이었다. 이에 본 연구에서는 기존 연구들의 개선사항을 반영한 철도 인프라 구조물을 대상으로 최적의 BIM 모델링 자동화 기술을 개발한다.

2.2 철도 인프라 구조물의 라이브러리 분석

기존 철도 인프라 구조물의 라이브러리를 분석하여 철도 인프라 구조물의 특징을 파악하고, 본 연구에서 수행하고자 하는 철도 구조물의 BIM 라이브러리를 활용한 모델링 자동화 기술 적용의 범위를 선정하였다.

아래 Figure 1은 철도 인프라 구조물의 대표 구조물인 터널의 BIM 모델이며, 터널 BIM 모델은 선형기반의 객체를 중심으로 다양한 객체들이 더해져 완성된다.

Figure 1.

Example of BIM-based railway infrastructure model

연구에서는 선행연구에서 수행한 철도 인프라 구조물의 라이브러리를 분석하여 철도 인프라 구조물의 라이브러리를 모듈화 라이브러리, 파라메트릭 라이브러리 크게 두 가지로 구분하였다. 특정 값에 의해 그 부재의 형상이 명확히 정해져 있거나 현장의 상황에 따라 구조물의 형상이 자유롭게 결정되는 구조물을 모듈화 라이브러리로 정의하였다. 파라메트릭 라이브러리는 매개변수에 의해 사용자가 지정한 값으로 구조물의 형상을 변경하여 설계 가능한 구조물로 정의하였다.

모듈화 라이브러리는 특허 구조물, 표준 규격품, 자유 구조물로 구분하였다. 특허 구조물은 파라메트릭 모델 여부과 관계없이, 특허제조사에서 세부 라이브러리를 작성하여 배포하는 부재(예: 특허 거더, 특허 부속 등)로 구분하였다. 표준 규격품은 제품의 크기와 형상에 관한 정의가 완료되어 그 명칭과 사이즈가 규격화된 단일 부재(예: 볼트/너트)로 구분하였다. 자유 구조물은 현장에 따라 그 크기와 형상이 자유롭게 결정되는 부재(예: 전차선 급전선(V형) 등)로 구분하였다.

파라메트릭 라이브러리는 선형기반 구조물과 객체기반 구조물로 구성하였다. 선형기반 구조물은 터널, 궤도, 노반 등의 구조물과 같이 파라메트릭한 프로파일을 스윕(Sweep)하는 형태로 모델을 생성할 수 있는 구조물로 구분하였다. 객체기반 구조물은 라이브러리에 매개변수정보를 입력하여 3차원 형상을 작성할 수 있는 구조물로서, 교대, 교각과 같이 구조물 단위로 작성되는 객체 구조물로 구분하였다. 철도 인프라 구조물 라이브러리의 특징에 따른 내용을 정리하면 Table 2와 같다.

모듈화 라이브러리는 이미 규격화된 구조물 또는 규격화할 수 없는 구조물로, 본 연구에서 배제한다. 파라메트릭 라이브러리에서 객체기반 구조물은 이미 많은 연구가 진행되어왔고, 다른 토목 구조물과 철도 인프라 구조물이 중복되는 경우가 많아 본 연구에서 배제한다. 따라서 본 연구에서는 파라메트릭 라이브러리를 활용한 선형기반 구조물의 모델링 자동화 방안을 연구 대상으로 설정하였다.

3. 철도 인프라 BIM 라이브러리 활용 모델링 자동화 기술

3.1 철도 인프라 BIM 라이브러리 구축

연구에서는 철도 인프라 구조물 중에서 대표적인 철도 인프라 구조물인 터널을 대상으로 BIM 라이브러리를 활용한 모델링 자동화 기술 연구를 수행한다. 이를 위해 먼저, 터널 구조물의 BIM 라이브러리 구축방안에 대해 연구하였다. 터널 구조물은 3차원 선형기반에 생성되는 구조물로, 기존 3D 라이브러리를 활용 시, 곡선부분의 모델 접합 등 선형기반의 설계에 대한 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 3차원 선형위에 프로파일 형태의 파라메트릭 2D 라이브러리를 배치하고 이를 스윕하여 3차원 객체를 생성하는 방식을 사용하였다. 프로파일 형태의 2D 라이브러리는 Mass 프로파일 형태로 생성하였다. 터널의 라이브러리를 활용한 선형기반 터널 구조물 BIM 모델링 자동화 기술 구현의 전체 프로세스는 아래 Figure 2와 같다.

Figure 2.

Tunnel modeling automation process

터널 구조물의 경우 지반의 지보패턴에 따른 단면 설계정보가 달라지기 때문에 각 패턴에 따른 단면 설계가 필요하다. 이에 본 연구에서는 터널 구조물을 대상으로 2D 라이브러리를 매개변수 기반으로 자동 생성할 수 있는 기술을 구현하였다. 2D 라이브러리 자동생성 기술은 Revit의 Add-in 프로그램인 Dynamo를 활용하여 알고리즘을 구현하였다.

터널 구조물을 대상으로 지보패턴별 프로파일 기반 2D 라이브러리 생성 알고리즘 구성을 위해 먼저, 터널의 부재를 설계 수량 산출 및 시공, 유지관리가 가능한 단위로 분할 하였다(Figure 3).

Figure 3.

Parting of a tunnel structure

분할된 부재 단위로 프로파일 기반의 2D 라이브러리 모델을 생성하고, 라이브러리를 통해 생성된 모델은 향후, 시공관리 및 유지관리가 가능하도록 부재별 분할된 모델로 관리 된다.

분할된 각각의 부재를 기준으로 터널 단면 설계에 필요한 모든 정보를 매개변수화 하고 패턴에 따른 매개변수 값을 Excel로 작성하면, 이를 Dynamo로 Import 하여 자동으로 2D 라이브러리를 생성할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다(Figure 7).

연구에서 구성한 Dynamo의 2D 라이브러리 구성 알고리즘을 통해, 지반의 지보패턴에 따라 변경되는 터널 단면의 설계값을 반영한 라이브러리를 자동 구성하며, 각 지보패턴에 따른 단면 2D 라이브러리는 개별로 패밀리화 하여 저장한다. 프로파일 기반의 2D 라이브러리를 패밀리로 저장함으로써 향후 설계 수정 및 시공관리, 유지관리 단계에서 유동적으로 활용 가능하도록 하였다. 구성한 알고리즘을 활용하여 생성한 프로파일 기반의 2D 라이브러리는 아래 Figure 4와 같다.

Figure 4.

Example of creating a 2D profile-based library

3.2 선형기반의 철도 인프라 모델링 자동화 기술

선형기반 구조물인 터널의 자동 설계를 위하여 먼저 선형설계에 특화된 Autodesk사의 Civil 3D를 활용하여 선형을 설계하였다. Civil 3D를 통해서 생성된 3차원 선형 모델은 x, y, z 좌표값으로 내보낸다. 선형기반의 철도 인프라 구조물 자동 모델링 기술은 라이브러리 구축과 마찬가지로 Revit의 Add-in 프로그램인 Dynamo를 활용하여 구성하였다. Dynamo를 활용하여 Civil 3D를 통해 생성한 3차원 선형의 x, y, z 값을 Import하고 x, y, z값을 통해 Revit에 3차원 선형을 폴리라인(Polyline)으로 재생성한다.

Revit에서 Dynamo를 통한 3차원 선형 생성 시, 기존 2D 환경에서 Station 단위로 구분한 길이와 3차원 선형의 길이에 오차가 발생하게 된다(Figure 5).

Figure 5.

Illustration of error in lengths of segmented 3D linear stations

이에, 연구에서는 2차원에서 구분한 Station 길이값과 3차원 선형에서의 Station 값에 오차가 발생하지 않도록 하기 위하여, 3차원 선형정보를 x, y 평면상에 투영시키고 투영된 x, y 선형에서의 Station 단위 길이 정보를 다시 x, y, z 3차원 선형정보에 투영시켜 3차원 선형의 Station 값을 매칭 시켰다(Figure 6).

3차원 선형과 2차원 선형의 Station 길이값에 대한 오차를 그림 7과 같이 보정 하고, 앞서 생성한 패턴에 따른 프로파일 기반 2D 라이브러리를 패턴별 각 위치에 맞는 3차원 선형 위에 배치한다(Figure 8). 배치 시, 라이브러리의 중심을 선형의 중심과 맞추어 배치한다.

Figure 6.

Illustration of correction of error in segmentation of 3D linear station by value projection

Figure 7.

Dynamo algorithm to generate 2D library based on parameter values of unit pattern

Figure 8.

Placement of library of 2D profiles of unit pattern along the 3D linear model

패턴 단위의 프로파일 기반 2D 라이브러리를 3차원 선형 위에 배치 후, 배치된 라이브러리를 3차원 선형을 기준으로 스윕하여 3D 터널 모델을 생성한다(Figure 9). 3차원 스윕시, 라이브러리 모델을 구조 프레임으로 생성하면, 선형의 법선 방향으로 라이브러리를 배치하고 스윕하기 때문에 패턴과 패턴이 이어지는 부분에서 단차가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 연구에서는 라이브러리 생성 시, Mass 프로파일로 라이브러리를 생성하고 이를 3차원 스윕하여 문제를 해결하였다. Mass는 3차원 환경에서 프로파일 기반 2D 라이브러리를 생성하기 때문에 Mass로 생성한 2D 라이브러리를 이후 3차원으로 스윕하여도 연결부분에 대한 단차가 발생하지 않는다.

Figure 9.

3D tunnel model generated

또한, 생성된 3차원의 터널 모델을 곡선에 더욱 적합한 모델로 생성하기 위하여 패턴의 시점과 종점에 있는 단면도를 기준으로 중간보간법을 이용하여 생성한 단면을 패턴의 중간점에 추가로 배치 하였다.

패턴사이 중간점에 추가 라이브러리 배치를 통해 보다 선형에 가까운 3차원 모델이 생성되도록 하였다(Figure 10).

Figure 10.

Correction of tunnel model by intermediate interpolation

Figure 11.

Automatic BIM model generation algorithm procedure

지금까지 제안한 선형 기반의 BIM 모델 자동 생성 프로세스를 Dynamo를 통해 알고리즘으로 구성 하였다(Figure 12).

Figure 12.

An automatic modeling algorithm for linear-based railway infrastructure

제안한 선형기반의 철도 인프라 모델링 자동화 알고리즘을 살펴보면, 먼저 앞서 제안한 라이브러리 생성 알고리즘을 통해 패턴별 생성한 단면 라이브러리와 Civil 3D를 통해 생성한 선형의 x, y, z Point 정보를 불러온다. 불러온 x, y, z Point 정보를 활용하여 알고리즘에서는 Revit에 3차원 선형을 재생성한다. 생성되는 3차원 선형은 2차원 Station 값을 3차원에 적용함으로써 발생하는 오차를 보정하여 Station 값을 생성한다. 생성된 3차원 선형 위에 앞서 개발한 프로파일 기반 2D 라이브러리 생성 알고리즘을 통해 생성된 패턴 단위의 2D 라이브러리를 패턴의 위치에 맞게 선형 위에 배치한다. 배치된 패턴 단위의 2D 라이브러리를 3차원 선형을 기준으로 스윕하여 3차원 모델로 생성한다.

생성된 3차원 모델은 패턴 단위로 중간보간법을 활용하여 보정을 수행한다. 알고리즘을 통해 생성된 BIM 모델은 패턴 단위로 구분하여 각 모델을 패턴 단위로 따로 저장하는 알고리즘을 추가로 Dynamo를 통해 구성하였다. 그리고 구분된 패턴 단위 BIM 모델을 다시 하나의 프로젝트 단위 모델로 합하여 재생성하는 알고리즘을 Dynamo를 통해 구성하였다. 따라서, 연구에서 제안하는 선형기반 철도 인프라의 모델링 자동화 기술은 Figure 11과 같이 총 4가지의 알고리즘을 거쳐 진행된다.

생성된 BIM 모델은 라이브러리 생성 단계부터 부재별로 구분하여 패밀리를 생성하고 3차원 모델 생성 후에는 패턴 단위로 3D 모델을 구분하였기 때문에 설계 변경 및 시공관리, 유지관리 단계에서 프로젝트 파일의 수정 없이 패밀리 파일 및 패턴단위 모델만 수정하여 활용할 수 있다.

또한, 부재별, 패턴별 구분된 BIM 모델에 각 객체별 수량, 공정, 일람표 정보 등을 연계하여 관리할 수 있다. 이는 기존의 세분화되지 못한 BIM 모델로 설계단계에서의 활용으로만 멈춰 있던 BIM 설계의 문제점을 해결하여 설계단계에서 생성한 BIM 모델이 시공단계 및 유지관리단계까지 활용될 수 있도록 한다(Figure 13).

Figure 13.

Object-based information management

4. 철도 인프라 BIM 라이브러리 활용 모델링 자동화 기술 적용

4.1 철도인프라 모델링 자동화 기술 적용 사례

연구에서 개발한 철도 인프라 BIM 라이브러리 활용 모델링 자동화 기술은 경부고속선 안전취약개소(대전 북연결선) 제2공구 건설공사(이하 ‘대전 북연결선 프로젝트’)에 적용, 검증하였다.

대전 북연결선 프로젝트는 기존에 2D기반의 설계가 모두 완료된 프로젝트로, 개발 기술의 적용을 통해 연구에서 제안한 선형기반 철도 인프라 모델링 자동화 기술을 검증하고, 나아가 모델링을 통한 도면 및 수량을 산출하여 전면 BIM으로써의 기술 활용에 대해 제시하였다.

대전 북연결선 프로젝트를 대상으로 개발기술의 테스트를 수행하기 위한 BIM 디지털 모델 생성 자동화 프로세스 흐름도는 Figure 14와 같이 설정하였다.

Figure 14.

Pocess of automation technology to generate BIM digital model for case applications

사례적용을 위하여 먼저, 대전 북연결선 프로젝트 2공구 대상으로 패턴에 따른 단면설계 정보를 Excel로 작성하였다. 단면설계정보는 2D 프로파일을 구성할 수 있는 변수를 기준으로 작성된 엑셀양식을 기반으로 작성되었다. 작성된 Excel은 첫 번째 알고리즘을 구성한 Dynamo로 Import하여 패턴단위로 890개의 라이브러리를 생성하였다. 다음으로 대전 북연결선 프로젝트 2공구의 선형 정보를 Civil 3D에서 x, y, z Point값으로 Export하여 두 번째 알고리즘으로 Revit에 3차원 선형을 생성하고, Station에 따른 길이값을 보정하였다. 그리고, 패턴에 따른 2D 프로파일기반 라이브러리를 배치하고 3차원 스윕을 통해 3차원 모델 생성을 완료하였다. 생성된 모델은 세 번째 알고리즘을 통해 패턴 단위로 분개하여 개별 저장하고, 네 번째 알고리즘을 통해 패턴별 모델을 다시 통합하여 프로젝트 단위의 모델로 생성하였다. 이렇게 생성한 대전 북연결선 프로젝트의 3D 모델은 Figure 15와 같다.

Figure 15.

A BIM model for the ‘daejeon north connection line project’ using the suggested algorithm digital model for case application

본 연구에서 제시한 선형기반 철도 인프라 구조물 모델링 자동화 기술의 검증을 위해 위의 Figure 15와 같이 대전 북연결선 프로젝트를 대상으로 모델링을 수행하였으며, 생성한 모델을 통해 3D 도면을 산출하였다(Figure 16).

Figure 16.

Case application of 3D drawing generation by utilizing BIM models

또한, BIM 모델을 기반으로 수량산출을 수행하였다(Figure 17). 수량 및 단가산출 기준은 철도 분야에서 일반적으로 사용되는 NATM 복선 터널의 PD3-1 지보패턴의 수량산출 사례를 기반으로 수행하였다. 사례적용에서 제시하는 BIM 모델을 통한 도면 및 수량산출은 BIM 모델을 통해 산출 가능한 산출물의 예시로써 수행하였다.

Figure 17.

Quantity calculation case application through BIM model

4.2 사례적용 결과

연구에서 제안한 알고리즘을 적용하여 대전 북연결선 프로젝트 2공구에 사례 적용하였다. 연구에서 제안한 모델링 자동화 알고리즘의 효율성을 검증하기 위하여 알고리즘을 적용하지 않은 기존 BIM 모델링 방법으로써 프로젝트를 모델링하고, 제안한 알고리즘을 활용한 BIM 모델링을 진행하여 소요되는 시간을 비교하였다. BIM 모델링은 2D 설계 도서에 기반한 BIM 전환설계 방법으로 이루어 졌으며, 제안 기술을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우 모두 객체를 분할하여 라이브러리를 개별 저장하는 단계까지의 시간을 측정하였다. 그 결과 2D 설계 도서에서 프로파일 기반 2D 라이브러리를 작성하는 단계까지는 동일한 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 제안 기술을 사용하지 않은 경우는 패턴별 라이브러리를 생성하는데에 추가 시간이 소요된 반면, 제안 기술을 통한 패턴별 라이브러리 생성에는 추가 시간이 거의 소요되지 않았다.

그리고, 라이브러리를 기반으로 3D BIM 모델을 생성하는 영역에서는 기존 BIM 모델링 방법으로는 대략 4일(1일 8시간 근무, 총 32시간)이 소요되었으며, 제안한 알고리즘을 활용한 모델링 방법으로는 2시간이 소요되어 제안한 기술을 활용한 BIM 모델링 작업을 통해 약93%의 업무 시간 개선을 확인할 수 있었다.

연구에서 제안한 기술을 통해 생성한 BIM 모델의 경우, 작업자의 숙달도와 별개로 동일한 수준의 모델을 작성할 수 있어, 모델링 정확도 측면에서도 높은 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 설계시간은 기존 보다 더 단축되지만, 시공단계와 유지관리 단계에서도 활용 가능하도록 부재별, 패턴별로 모델이 분할되어 있어 정보의 지속성은 기존보다 훨씬 높을 것으로 판단된다.

또한, 기존의 터널 모델링 업무에서 본 연구에서 제안하는 기술을 적용할 수 있는 모델을 구분하였다. 일반적으로 터널 모델링을 실시하는 객체를 대분류로 분류하면, 설계굴착, 총굴착, 숏크리트, 록볼트, 라이닝 콘크리트, 인버트 콘크리트, 배수구 콘크리트, 보조도상 콘크리트, 공동구 콘크리트, 맹암거, 공동구 뚜껑, 주철근, 훠폴링, 소구경 강관그라우팅, 대구경 강관그라우팅 총 15 종류로 구분할 수 있다. 여기서, 연구에서 제안하는 기술을 적용할 수 있는 모델은 설계굴착, 총굴착, 숏크리트, 라이닝 콘크리트, 인버트 콘크리트, 배수구 콘크리트, 공동구 콘크리트, 맹암거, 공동구 뚜껑 이렇게 9종류로 분류된다. 이는 전체 15개의 터널 객체 종류에서 60%를 차지하는 비율이다.

5. 결론

건설분야의 설계단계에서 BIM의 도입을 늦추는 가장 큰 요인은 BIM 설계 단계의 효율성이다. BIM을 활용한 설계업무를 통해, 보다 높은 퀄리티의 설계산출물을 산출 해내고 작업자의 효율성을 이전보다 향상시킬 수 있다면, 건설분야의 BIM도입은 자연스러운 일이 될 것이다.

이에 연구에서는 선형기반의 철도 인프라 구조물을 자동으로 모델링 할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 위하여 먼저, 철도 인프라 구조물의 기존 라이브러리 분석을 통해 철도 인프라 구조물의 특징을 파악하고 파라메트릭 라이브러리 중에서도 선형기반 구조물에 대하여 연구 범위를 한정하였다. 그리고 철도 인프라 중에서 대표적 선형 구조물인 터널을 대상으로 연구를 수행하였다. 터널의 특성상 지반의 지보패턴 단위로 터널의 단면 설계가 달라지는 점을 고려하여 Excel에 작성된 패턴별 단면설계정보를 불러옴으로 패턴별 단면 프로파일 기반 2D 라이브러리를 자동으로 생성하는 알고리즘을 Revit의 Add-in 프로그램인 Dynamo를 통해 생성하였다. 이후, 3차원 선형정보를 Revit에서 생성하고 패턴별 2D 프로파일 기반 라이브러리를 선형에 배치 한 뒤 3차원 스윕하는 방법으로 BIM 모델을 생성하는 알고리즘을 구성하였다. 알고리즘을 통해 생성한 BIM 모델은 패턴단위로 모델을 구분하여 저장하고 다시 프로젝트 단위로 합하여 최종 프로젝트 단위 터널 BIM 모델을 생성하였다. 제안한 방법을 통해 생성된 모델은 부재별, 패턴별 분리된 모델로, 객체단위의 정보저장이 가능한 모델이다. 때문에 연구에서 개발한 기술로 생성된 BIM 모델은 향후 4D, 5D로 확장 활용이 가능한 모델이다.

하지만, 연구에서 제안한 기술은 토목 분야에서 선형을 기반으로 하는 구조물, 특히 철도 인프라에 속하는 터널 구조물에 대해 한정하여 연구를 수행하였다. 또한 Dynamo를 활용한 기술 활용은 PC 성능에 따른 활용도 차이가 있었다. 따라서 향후에는 본 연구에서 제안한 내용을 터널뿐만 아니라 선형을 기반으로 한 모든 토목 구조물에 범용적으로 활용할 수 있도록 개선하고 개발 기술을 Revit Add-in S/W로 개발하여 사용자의 편의성과 접근성을 높이는 연구를 수행하고자 한다.