1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 이론적 고찰
2.1 소규모 건축물
2.2 건축물 대수선 현황
2.3 3D 스캐닝
2.4 BIM(Building Information Modeling)
2.5 디지털 패브리케이션(Digital Fabrication)
3. 소규모 건축물 대수선 프로세스 제안
3.1 3D 스캐닝 활용
3.2 BIM 활용
3.3 디지털 패브리케이션 활용
4. 프로세스 적용 사례
4.1 프로젝트 개요
4.2 3D 스캐닝 적용
4.3 BIM 모델 구축
4.4 철골 상세 모델링 및 발주
5. 결론
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
국내 노후 건축물의 수가 증가하고 있다. 통계자료에 따르면 사용승인 후 30년 이상 된 노후 건축물 비율은 2005년 29.0%에서 2019년 37.8%로 증가하였다(MOLIT, 2021). 대부분의 노후 건축물은 내진 및 내화성능과 같은 법적 기준이 미비했던 시기에 축조된 건축물로 안전 성능을 신뢰할 수 없다. 더욱이, 사용 과정에서 용도변경･증축 등이 이루어지면서 그 성능은 더욱 저하 되어 있어 철거 후 신축을 하거나, 기존 건축물의 지속적 운용을 위한 대수선을 진행한다(Hwang et al., 2016).
건축물의 대수선의 경우 기존 구조물을 활용한다는 경제적 이점에서 시도되고 있다(Park and Lim, 2014). 실제로, 국내에서는 2010년부터 매년 신축 대비 30~40%의 비율로 대수선이 진행되고 있다(NARS, 2020).
대수선은 신축과 달리 기존 건축물을 활용하기에 건축물의 건축적, 구조적, 환경적 정보가 반영된 도면이 확보되어야 한다. 허나, 대부분의 노후 건축물의 경우 기존 도면이 소실되어 존재하지 않거나, 도면상 정보와 현황 정보가 상이한 경우가 많다(Hong and Ahn, 2004). 따라서 현행 대수선 프로젝트는 실측 기반의 도면 생성 과정을 거치는데, 이는 개인의 숙련도에 의존하기 때문에 기록되는 정보가 균일하지 못하거나, 필요 정보가 누락되는 문제점이 존재한다(Schaufelberger and Holm, 2017). 이러한 한계점은 착공 이후에 설계 변경을 야기하거나, 공기 및 공사 비용을 증가시키는 리스크 요인으로 작용한다(Park et al., 2016). 이처럼 노후 건축물의 대수선 프로젝트가 증가함에 따라 현행 대수선 프로세스의 한계점을 해결하기 위한 프로세스 구축이 필요한 실정이다.
최근 건설 산업은 BIM(Building Information Modeling)‧3D 스캐닝‧디지털 패브리케이션‧디지털 트윈과 같은 다양한 스마트 기술을 접목함으로써 생산성을 증대시키려는 시도가 증가하고 있다. 3D 스캐닝 기술은 장비의 정밀도와 정확성이 개선됨에 따라 적용 범위가 점차 넓어졌고 방법론 또한 개선되었으며 적용 비용에 대한 부담도 줄어드는 추세이다(Kim et al., 2022). 또한, BIM의 개념과 제조 기술을 접합한 디지털 패브리케이션은 현장 내 생산성을 증진시키고 있으며, 이러한 기술은 단일 기술이 아닌 기술의 복합적인 활용을 통해 그 효과가 더욱 증대된다(Chen et al., 2015).
실제로, 이러한 배경에서 유지관리 분야에서 실제 공간 정보의 취득을 위해 3D 스캐닝을 활용하고 있으며, 정보의 처리 및 관리를 위해 BIM 기술을 활용하고 있다(Schaufelberger and Holm, 2017). 허나, 이러한 기술의 도입 사례는 대부분 대규모 프로젝트에 국한되어 있으며, 소규모 건축물의 대수선 프로젝트에서의 도입 사례는 미비한 실정이다. 이는 프로젝트의 규모가 커짐에 따라 리스크 관리의 부담이 증가하기 때문에, 이를 감소시키기 위한 시도로 판단된다(Kim et al., 2022).
따라서 본 연구는 현재 노후 건축물에 적용되고 있는 현행 대수선 프로세스의 문제점을 고찰하고, 3D 스캐닝, BIM, 디지털 패브리케이션을 적용하여 개선된 대수선 프로세스를 도출하였다. 또한, 도출한 프로세스를 실제 소규모 건축물 대수선 프로젝트에 적용하여 프로세스의 효과를 평가하였다. 본 연구는 추후 소규모 건축물 대수선과 관련하여 3D 스캐닝, BIM 디지털 패브리케이션 기술을 적용한 계획 수립에 유용한 기초자료를 제공하는 데 목적이 있다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구는 3D 스캐닝과 BIM, 디지털 패브리케이션 기술을 도입한 소규모 건축물 대수선 프로세스의 제안과 실제 소규모 건축물 대수선 현장 적용 및 결과분석에 관해서 연구한다.
본 연구의 구성은 다음과 같다. 국내 노후 건축물 대수선 사례를 조사하고 현행 대수선 방법론을 고찰하여 현행 프로세스의 문제점을 파악하여 이를 개선하기 위한 계획을 수립했다. 이후, 3D 스캐닝과 BIM, 디지털 패브리케이션 기술을 고찰하여 제안 프로세스를 구축하기 위한 계획을 수립했다. 수립된 계획을 바탕으로 프로세스의 전반적인 흐름을 구성하였으며, 이후 실제 소규모 건축물 대수선 현장에 제안 프로세스를 적용하여 그 결과를 분석하고 검토했다. 마지막으로 제안한 프로세스에 대한 결론과 한계점을 고찰하고, 향후 연구 방향을 제시하였다.
기존 대규모 건축물의 대수선에서 리스크 발생 시 프로젝트에 치명적인 요인으로 작용 때문에 최대한 리스크를 줄이기 위하여 다양한 기술의 도입이 시도되었지만, 소규모 건축물의 경우 리스크가 발생하더라도 손실의 규모가 대규모에 비해 크지 않기에 기존 소규모 대수선에서는 기존 프로세스 유지하는 양상을 보였다. 하지만, 대수선 노후 건축물이 늘고 대수선 수요가 점차 증가함에 따라 리스크를 줄일 수 있는 방법론이 제안되어야 하며, 따라서 본 연구는 3D 스캐닝과 BIM, 디지털 패브리케이션 기술을 종합한 소규모 건축물 대수선 프로세스를 제안하는 데 목적이 있으며 소규모 건축물 대수선 방법론에 관해서만 연구한다.
2. 이론적 고찰
2.1 소규모 건축물
국내의 경우, 소규모 건축공사에 대한 명확한 정의와 기준은 없다. 일부 선행연구에서 소규모 건축공사에 관련된 정의 및 내용을 살펴보면 Table 1과 같다(Kim, 2018). 따라서 본 연구에서는 소규모 건축물의 범위를 공사비 10억원 미만 건축공사로 정의하였다.
Table 1.
Definition of small building construction project
| Researcher | Definition |
| Pubilc Procurement Service(2017) |
Standards are prepared by reflecting the following classifications. Project scales:below 5 billion KRW, 5-30 billion KRW, over 30 billion KRW, 30~100 billion KRW Project duration:below 6 months, 7~12 months, 13~36 months, longer than 36 months |
| Kim et al.(2006) |
Small and middle-sized construction projects are defined by 2 years or shorter period and a construction cost of 10 billion KRW or less. |
| CII of USA(1991) |
A project is classified as small-scale, in case the project cost is billion KRW or less (in terms of duration, input cost and total labor input time) and accounts for less than 5% of the sales of the company. |
| Kang and Park(2004) | Construction cost of 5 billion KRW or less is used to define small-scale projects. |
| Kim and Son(2010) | Construction cost of 1 billion KRW or less is used to define small-scale projects. |
| Song(2005) |
When the project management is not constantly performed, the project is classified as small-scale. In terms of duration, labor input and construction cost, a small-scale project has the duration of 12 months or shorter, the construction cost of less than 5 billion KRW and a small number of field workers taking multiple tasks. |
2.2 건축물 대수선 현황
건축물을 철거하지 않고 유지관리를 진행하는 방법은 크게 두 가지다. 기존 건축물이 있는 대지에서 건축물의 건축면적, 연면적, 층수 또는 높이를 늘리는 증축과 대수선과 같이 건축물의 구조나 외부 형태를 수선, 변경하거나 증설하는 방법이 있다. “건축법 제2조 제1항 제9호 및 건축법 시행령 제3조”에 따르면 대수선이란 건축물의 기둥, 보, 내력벽, 주계단 등의 구조나 외부 형태를 수선 변경하거나 증설하는 것으로 증축·개축 또는 재축에 해당하지 않는 것으로서 Table 2 중 하나에 해당하는 것을 말한다.
Table 2.
Scope of building remodeling in Korea
기존의 대수선 프로세스는 공종에 따라 실내인테리어 공사와 증축 및 개축으로 분류되고, 대장상 도면의 상태와 존재 여부에 따라 실측이 수반되거나, 실측이 수반되지 않은 프로젝트로 분류된다(Lim and Choi, 2016). 먼저 실내인테리어 공사의 경우 발주 이후 설계자의 주관하에 현장 방문 및 내부 실측을 진행하고, 실측 결과를 토대로 설계 작업을 진행한다. 일반적인 실내인테리어 공사의 경우 기존 건물의 상하수도, 가스, 전기, 오수, 우수 배관의 수정이 없으므로 실의 구획이나 위치의 변동이 불가하다. 이로 인해 각종 위생기구, 전열설비, 전등설비, 내장재 범위 내에서 주로 시공이 진행됨으로 시공의 난이도가 다른 대수선 공사보다 비교적 쉬운 편이고, 지자체에 별다른 신고 및 허가사항이 없으므로 건축사를 수반하지 않는 경우가 많다(Shin et al., 2005).
증축과 개축은 건물을 구성하는 구조체의 철거와 신설의 범위에 따라 다양하게 분류되지만, 프로세스는 대부분 동일하다. 먼저, 건축물대장상 도면의 존재 여부와 관계없이 실측을 진행한다(Yun et al., 2003). 예로 건축물대장상 도서가 존재하는 라멘조 건물의 경우 구조 기둥 간 스팬 거리, 옹벽의 두께 등을 확인하고 대장의 도서가 실제 치수와 다른 부분을 간략히 확인하는 과정을 거친다. 하지만 대부분의 노후화 건축물은 건축물대장에 도면이 없거나, 존재하더라도 실제 건물과 다른 부분, 신축 이후 현재까지 지자체에 신고나 변경허가 사항 없이 진행되는 사용자 임의의 행위로 인해 도면의 신뢰도가 낮다(Lim et al., 2003).
따라서 실측을 통한 2D 도서 작성작업은 기존 대수선 프로세스에 필수적으로 요구된다. 하지만 노후 건축물은 시공 당시 시공 방법과 기준이 다르고 시공 기술의 한계로 인해 시공 품질이 균일하지 못해 정밀 실측을 통해 일반적인 2D 도서를 작성하는데에도 큰 어려움이 따른다(Kim et al., 2003). 실제로, 노후 건축물의 경우 옹벽의 두께가 경로마다 다르거나, 맞벽 건축물이거나, 기둥과 보의 위치가 층별로 다르거나, 구조체의 규격이 층별, 개소별로 다른 경우가 많다(Han et al., 2009).
즉, 기존의 노후 건축물 대수선 프로젝트는 수작업을 중심으로 진행되기에 현장에서 발생하는 오류들에 대한 사전 대비가 어려우며 사전에 물량에 대한 검증 및 확인이 불가하다(Lim et al., 2003). 이에 따라 프로젝트 예산 책정에 변동률이 매우 심하여 공사 중 지속적인 예산 책정이 진행되어 발주처와의 협의가 지속적으로 필요한 실정이다.
Table 3은 실제 소규모 건축물의 대수선 공사 사례를 정리한 표이며, 공사기간의 변동과 지연 사유를 보여준다. A 프로젝트의 경우 확보한 실측도면과 현장 지하구조물에 오차가 발생하여 보수보강검토에 따른 해체감리 용역 기간의 연장으로 인해 공기 지연이 발생했다. 총 공사기간 300일에서 110일이 추가되어 410일로 공사기간이 변경되었으며, 이는 기존 공사 기간보다 36%의 공기가 늘어난 것이다.
Table 3.
Case of delay in remodeling project
B 프로젝트의 경우는 해체작업에서 기존 현황에서 확인하지 못했던 건물의 석면으로 인해 작업 일수가 추가되었다. 또한, 작업 중 내부 철거 후 보수 보강작업이 필수적이라 판단하여 공사기간이 연장되었으며, 총 공사기간 149일에서 45일이 추가되어 194일로 공사기간이 변경되었다. 이는 기존 공사기간에서 30%를 차지한다. 이처럼 사례를 통해 대수선 공사에 있어서 건축물 현황을 정확하게 반영하는 작업이 공기와 예산에 큰 영향을 미치기 때문에 정확한 데이터에 따른 프로젝트의 계획이 필수적임을 확인할 수 있다.
2.3 3D 스캐닝
3D 스캐너는 주로 물체의 표면정보만 취득하는데 2D 픽셀 기반 이미지 촬영 방법과는 다르게 물체의 깊이(Depth) 정보까지도 취득할 수 있다. 3D 스캐너는 물체의 표면으로부터 얻어낸 깊이 정보를 처리하여 포인트 클라우드(Point Cloud)를 형성하는 것이 목적이며 다양한 각도로 스캔 한 여러 장의 이미지는 특정 부분의 데이터이기 때문에 하나의 좌표계로 합치고 변환하는 작업을 진행해야 한다(Woo et al., 2016).
3D 스캐너는 측정방식에 따라 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있다. 접촉식 스캐너는 Probe 을 물체에 직접 닿게 해서 측정을 하는 방식이다. 비접촉식 스캐너는 3D 스캐너가 직접 빛을 피사체에 쏘는 여부에 따라 능동형과 수동형 스캐너로 분류하고, 측정방식에 따라 장거리와 단거리 스캐너로 분류하며 비접촉식 스캐너에는 주로 TOF(Time of Flight) 방식이 채택되고 있다. TOF 방식 3D 스캐너의 핵심기술은 레이저를 물체 표면에 조사하고, 반사된 빛이 돌아오는 시간을 측정하여 물체와 측정원점 사이의 거리를 구하는 기술이다. TOF 방식의 정확도는 현재 약 1mm 단위까지 측정할 수 있으며 토목 측정이나, 건축물의 측정에 많이 활용된다. TOF 스캐너는 측정기가 바라보는 방향으로의 거리 밖에 못 구하기 때문에 레이저의 방향을 정밀하게 바꿔주는 장치가 필수적이다. 레이저 발생기를 모터를 이용해 움직이는 방식과 회전 거울을 사용하는 방식이 있는데, 거울을 이용하는 방식이 훨씬 더 가볍고 더 빠르고, 더 정확한 조정이 가능하다.
3D 스캐너 기기의 중심에서 쏘아진 레이저가 대상물 혹은 대상 공간에 투사하여 반사된 빛이 돌아오는 시간을 측정하고 이에 대한 각도, 거리를 계산해 기기를 기준으로 한 상대적인 좌표 점들을 나열하는 작업을 반복하면 이들의 좌표는 점의 집합으로 나타나게 된다. 이러한 점들의 집합을 포인트 클라우드(Pointcloud)라고 하며, 현장에서 취득한 이미지 데이터를 포인트 클라우드에 입혀 더욱 가시성이 좋은 RGB 3D 데이터를 제공하고, 각각의 점으로 선과 면을 형성해 3D Mesh를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 포인트 클라우드 데이터를 기존의 존재하는 건물 또는 시공 중인 시설물을 대상으로 형상정보를 추출하여 3D 모델로 구축하는 역설계의 개념을 적용할 수 있다. 3D 스캐닝을 활용한 모델링은 3D 스캐닝, 데이터 후처리, 역설계 순으로 진행된다. 이는 건축물의 내 ‧ 외부의 모든 형상정보 추출이 가능하고, 포인트 클라우드의 정확성과 밀도에 따라 건물의 구성요소를 쉽게 파악할 수 있다. 따라서 기록화, 수치화 도면화를 통한 유지관리에 활용될 수 있다(Park et al., 2016).
Table 4는 현행 3D 스캐닝을 활용한 연구의 목록이다. Yoon et al.(2005)는 터널 내부의 모습을 3차원으로 캡쳐하여 공사의 안정성 파악을 목적으로 3D 스캐너를 활용하였다. Lee et al.(2022)는 건설업 특성에 맞춘 LiDAR(Light Detection and Ranging) 스캐닝 기술을 비대면 구조감리 업무 개발에 활용했다. Lee and Kim(2020)은 현장 품질검사 사례에 3D 스캐닝과 BIM을 적용해 적용성과 효용성을 확인했다. Park(2019)는 3D 스캐닝을 기반으로 건물의 노후화 정도를 판단할 수 있는 분석 프로세스를 구현하고, 3D스캐너를 이용한 건축물 부재의 노후위험도에 대한 정량적 평가방법 도출하였다. Son et al.(2017)은 레이저 스캐닝 기술과 3D 설계 모델을 활용한 플랜트 시공 품질관리 자동화 프레임워크를 제안하였으며, An(2015)는 목조 건축물 유산 조사 보고서에 3D 스캔 데이터를 활용하였다.
이러한 3D 스캐너와 포인트 클라우드 데이터를 대수선 프로젝트에 적용하여 프로젝트 초기의 현장을 3D 형상으로 저장한다면, 대수선 프로젝트에서의 리스크 감소와 생산성을 증대시키는데 효과적일 것이라 판단된다.
Table 4.
3D scanning research list
| Researcher | Contents |
| Yoon et al. (2005) |
Present data in 3D by simultaneously observing tunnel displacement, ceiling subsidence and surface subsidence using 3D Laser Scanning Predicting the safety of construction with the purpose of identifying the stability of construction |
| Lee et al. (2022) |
LiDAR (Light Detection and Ranging) scanning technology tailored to the characteristics of the construction industry was utilized for the development of non-face-to-face structure Supervision work. |
| Lee and Kim (2020) |
3D scanning and BIM were applied to cases of on-site quality inspection to confirm the applicability and utility. the quality inspection using 3D scanning and BIM was shorter in time than the previously performed quality inspection and can be realized with less manpower. |
| Park(2019) |
Implemented an analysis process that can determine the degree of deterioration of a building based on the precise measurement technology of scanning Deriving a quantitative evaluation method for the aging risk of members of a building using a 3D scanner |
| Son et al. (2017) |
Proposed an automation framework for quality control of plant construction using laser scanning technology and 3D design model |
| An(2015) |
Utilize 3D scan data in the wooden building heritage survey report and provide a narrative structure change in the survey report. |
2.4 BIM(Building Information Modeling)
BIM(Building Information Modeling, 이하 BIM)은 정확하면서도 구체적인 형태의 건물 표현과 정보를 포함할 수 있으며 이에 대한 정보를 처리하는데 특화되어있다(Bae, 2011). BIM의 적용을 통해 설계오류와 재작업 감소, 공사기간 단축, 비용절감 및 참여자들 간의 의사소통 향상 등의 효과를 얻을 수 있다(Joo et al., 2017). BIM은 처음 계획 설계단계에서 객체 정보를 가진 3D BIM 모델을 생성함으로 사용되고 있으며, 시각화는 기획, 설계 시공단계에서 각 공종별 전문가들의 협업을 위해 사용되고 있다(Kim et al., 2014). 또한, BIM의 주요기능인 간섭체크는 부재간의 간섭검토를 통해 시공도서의 품질을 높이고, 사전 시공 현장에서 발생할 수 있는 오류를 사전에 검토하여 설계도면의 오류를 줄일 수 있다(Kim et al., 2018).
2.5 디지털 패브리케이션(Digital Fabrication)
3D CAD(Computer Aided Design)를 활용한 디지털 기반의 설계 및 제작 기술은 제조 산업에서 필수적인 요소로 활용되고 있다. 디지털 정보를 기반으로 부재를 설계 및 제작하는 것은 정밀한 치수 제어 및 가공을 요구하는 산업 분야의 필수 기술이 되었다(Chen et al., 2015). 하지만 건설산업은 제조 기반이 아닌 프로젝트 기반이기에 디지털 패브리케이션 기술의 활용도는 제조 분야와 비교하면 현저히 적다(Arora et al., 2014). 현재 건축 산업에서 디지털 패브리케이션은 비정형의 구성 요소 제작 및 형태구현이 수반되어야 하는 특정 프로젝트에 활용되고 있다(Ham et al., 2018). 더욱이 최근 디지털 기술의 발전에 따라 위와 같은 형태를 요구하는 설계자가 증가하고 있고, 이에 그 활용 빈도는 더욱 증가하고 있다(Gramazio et al., 2014). 또한, 디지털 패브리케이션 적용에 따른 생산성 증가의 이점을 토대로 비정형 형태뿐만 아니라 고차원의 정밀도를 요구하는 MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing) 공종에서도 구성 요소를 제조 공장에서 선조립 후 현장 조립 시공하는 패브리케이션을 적용하였고(Jang and Lee, 2016), Jones(2013) Multi-trad 패브리케이션의 적용 효과 및 기술적 요구사항을 분석하였다.
즉, 비정형 건축뿐만 아니라 정밀한 시공을 요구하는 프로젝트에서 디지털 패브리케이션의 적용 및 그에 따른 효과는 증가할 것으로 판단된다.
3. 소규모 건축물 대수선 프로세스 제안
제안하고자 하는 소규모 건축물 대수선 프로세스는 2장에서 고찰한 3D 스캐닝, BIM, 디지털 패브리케이션 기술을 접목하여 기존 소규모 건축물 대수선 프로세스의 주요 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하고자 한다.
Figure 1은 제안한 소규모 건축물 대수선 프로세스이다. 소규모 건축물 대수선 프로세스에 적용할 방안은 3D 스캐너를 활용한 역설계 프로세스, BIM 기반의 3D 형상정보 데이터 구축, 시공 모델 구축을 통한 물량 산출 및 간섭 검토결과를 통한 디지털 패브리케이션이다.
3.1 3D 스캐닝 활용
노후 건축물은 대부분 당시 시공 기술의 한계로 인해 건물을 이루는 각이 맞지 않거나, 구조체의 규격이 개소 간, 층간으로 다른 경우가 많다. 따라서 건축물을 구성하는 모든 공간요소 대한 전체적인 실측이 이루어져야 한다. 하지만 일반적인 기존 대수선 프로세스에서는 정기적인 현장 방문을 통해 실측한다 하더라도 작업자가 직접 실측하기 때문에 정확한 측정이 어렵고 실제 건축물을 구성하는 모든 요소를 대상으로 실측을 진행할 수 없다. 설사 정확한 실측이 가능하다 할지라도 2D CAD로 실측 정보를 도면화를 하는 과정에서 도면화 작업 인원의 해석에 따라 2D 도면이 왜곡될 수 있어 기존의 실측 프로세스를 통해 건축물 현황을 데이터화 하는 것은 어렵다.
이러한 기존 프로세스의 문제를 개선하기 위해 공간에 대한 3D 정밀 실측이 가능한 3D 스캐닝 작업을 프로세스에 추가하여 포인트 클라우드 데이터를 확보해 3D 공간 내에서 건축물을 구성하는 형상정보를 정확하게 파악하고자 한다. 기존 프로세스의 현장 실측 항목을 3D 스캐닝 장비를 통한 정밀 실측으로, 2D 도면화를 포인트 클라우드 데이터를 기반으로 한 BIM 모델로 변경하고자 한다. 이를 통해 3D 기반의 정확한 건축물 현황 파악과 이를 기반으로 설계를 진행하고 정확한 설계 데이터를 통해 중간 단계에서 야기될 문제를 방지할 수 있을 것이다.
3.2 BIM 활용
3D 스캐닝을 활용한 역설계의 결과 데이터를 3D 공간에 구현하여 검토하고, 모델링을 진행할 수 있는 BIM 기술을 프로세스에 도입하고자 한다. BIM을 대수선 프로세스에 도입하면 프로젝트 생애주기의 반환점인 대수선부터 앞으로 진행될 생애주기의 모든 정보를 관리할 수 있으며 BIM 설계 과정에서 3D 환경에서 확인 가능한 모든 요소를 사전에 설계에 포함할 수 있다.
BIM 기반의 3D 형상정보 구축 프로세스를 대수선 프로젝트에 적용하여 설계를 진행한다면 기존 건축물의 구조물과 새롭게 연결되는 구조물의 접합 상세를 모델링 하여 적용할 수 있고, 기존 건축물과 설계 요소 간 간섭 여부를 검토할 수 있을 것이다. 또한, BIM 모델을 기반으로 한 시공 물량 산출을 진행하여 물량에 대한 정확한 예산 집행이 가능할 것이다. 추가로 이전 실측 작업에서 3D 스캐닝을 통한 역설계 작업을 통해 3D 포인트 클라우드 데이터를 취득했다면, 프로젝트 건축물이 독립적인 객체로 인식되는 것이 아니므로, 건축물을 둘러싸고 형성되어 있는 전신주, 오수맨홀 위치, 비법정 담장, 불법 증축 여부 등을 도시적 맥락 속 인프라의 일원으로 파악할 수 있다. 이처럼 제안 프로세스에서 사전작업으로 수집한 모든 데이터가 BIM에 구성되면 시공성에 대한 고려, 장비 위치, 자재 반출 입구 등을 사전에 검토할 수 있고 더욱 정밀한 프로젝트 예산 집행이 가능할 것이다.
3.3 디지털 패브리케이션 활용
현행 대수선 프로젝트에서 구조 보강은 시공성을 고려하여 철골조로 구성된다. 철골구조에 투입되는 H형강과 플레이트류의 경우 원자재의 기계 가공을 통해 생산되기 때문에 디지털 설계 및 가공이 수반된다. 이에 “Tekla”와 같이 3D 철골 구조 설계 프로그램을 주로 활용하여 디지털 정보를 생산하고, 파이프 가공 및 CNC 절단을 통해 현장에 투입되는 자재를 생산한다.
최근 국내 BIM 산업에서 활용도가 높은 오토데스크 (Autodesk)사의 “Revit”은 기존에 독립적인 철골 상세 모델링을 지원하는 소프트웨어인 “Advance Steel”을 프로그램의 기본 기능으로 내재하여 동일 프로그램 내에서 철골 상세 모델링을 지원하도록 하였다. 해당 기능에는 “Beam end to end”, “Column-Beam”, “General bracings” 등 8개의 철골 연결 그룹 내에 총 130여가지의 일반적인 연결 상세 모델링을 제공하고 있으며, 이는 사용자 설정 매개변수 기반으로 패밀리 데이터로 구축 할 수 있다. 이를 통해 BIM 모델의 공종별 각기 다른 소프트웨어에서 작성해야 하는 업무 방식이 통합되었고, 이는 본 연구에서 적극적으로 활용하여 그 생산성 및 작업 효율을 분석하고자 한다.
4. 프로세스 적용 사례
4.1 프로젝트 개요
본 연구에 적용된 대수선 프로젝트는 서울시 강남구 역삼동에서 진행한 대수선 프로젝트이며, 프로젝트의 전반적인 개요는 Table 5와 같다.
Table 5.
Target project summary
제2종 일반주거지역의 대지면적 348.3㎡ 주택/근린생활시설을 제2종 근린생활시설로 용도 변경하며 대수선을 진행하였다. 역삼동 사례는 대수선을 진행하면서 많은 부분에서 변화가 생긴다. 먼저 기존 지하 1층 지상 4층 규모의 건물에서 2개 층을 추가한 지하 1층 지상 6층 규모의 건물로 증축하여 기존 건축물에서 7.7m 높아져 21.3m의 높이를 가지게 되었다. 그리고 기존 계단실로 사용하던 공간을 허물고 철골구조물을 추가해 전면 유리로 구성된 새로운 코어 스페이스를 구성했으며 8인승 승강기 1대를 설치했다. 또한, 기존에는 없었던 조경면적을 22.37㎡, 대지면적의 5% 정도 확보했다. 정화조와 주차대수의 변화는 없었으나 주차 방식을 변경하여 기존 기계식 2단 주차 방식을 자주식 2대로 복원하였다. 건축물 대수선을 통해 용적률은 583.54㎡에서 대수선 이후 684.35㎡로 총 100.81㎡의 면적을 추가로 확보했으며, 이로써 기존 161.49%에서 34.94% 증가한 196.4% 수치의 용적률을 확보하여 사업성을 극대화할 수 있었다.
본 프로젝트는 증축이 수반된 대수선이기에 크게 설계단계, 시공단계로 나누어 계획을 진행했다. 기존 건축물(Figure 2) 철거 범위와 신축/증축 범위는 Figure 3과 같다. 설계단계에서는 본 연구를 통해 제안한 소규모 건축물 대수선 프로세스를 적용한 3D Scanning 현황 파악, 구조 검토, BIM 등을 걸쳐 설계를 진행했고, 시공 계획 및 프로젝트 전반에 걸친 예산을 산출했다. 시공단계에서는 기존 대수선 프로젝트와 유사한 과정을 통해 진행되는데, 건축 계획에 따른 철거, 보강, 시공(증축), 마감의 순서로 프로젝트 완료했다.
4.2 3D 스캐닝 적용
설계단계에서는 측정 장비를 사용하여 소규모 건축물의 현황 파악을 진행하고, 이에 대한 디지털화 작업 및 설계, 구조 검토 및 시공 계획을 중점적으로 진행했다. 제안한 프로세스의 작업인 3D 스캐닝을 통한 역설계 작업을 건물의 내 외부 전 층을 대상으로 진행하여 3D 포인트 클라우드 데이터를 확보하고, 이를 원점을 기준으로 취합하는 과정을 걸쳐 대상 프로젝트의 정밀한 현황을 기반으로 증축 계획을 수립한다.
철거 과정이 완료된 후(Figure 4) 현장 내 외부의 정해진 지점을 기준으로 누락되는 부가 없도록 3D 스캐닝을 진행하여 포인트 클라우드 데이터를 추출하였다. Figure 5는 철거 후 대상 프로젝트 건물을 3D 스캐닝하여 얻은 포인트 클라우드 데이터로, 대상 건물뿐 아니라 건물을 둘러싼 주변 현황까지 파악할 수 있다. 이후 해당 데이터를 기존 설계 도면과 비교하며 설계 사항과 건축물 현황 간 다른 부분을 사전에 검측할 수 있었다. Figure 6은 기존 도면과 철거 후 포인트 클라우드를 비교한 이미지이다. 실제 현황 데이터를 비교 분석함으로써 골조의 위치의 일부 오차가 있는 부분을 확인할 수 있었다. 이 정보를 바탕으로 프로젝트의 계획을 수립하였으며, 프로젝트 진행 중 리스크를 최소화 할 수 있었다.
추가로 포인트 클라우드 데이터를 통해 정확한 구체의 위치 및 개소, 규격 등을 확인한 후 좁은 범위로는 증축 계획 시 가장 구조적으로 하중 전달이 많은 구조체를 중심으로, 넓은 범위로는 철거하지 않고 재사용하고자 하는 기존 건물의 구조체 전체를 포함하여 비파괴 골조검사를 통한 구조 해석을 진행하고, 이에 따른 구조 보강 계획을 수립할 수 있었다.
4.3 BIM 모델 구축
제안된 소규모 건축물 대수선 프로세스를 바탕으로 설계와 시공 계획을 담은 BIM 모델을 구축하여 시각화, 간섭 검토, 물량 산출, 더 나아가 사전 시공 시뮬레이션을 통해 시공성 분석 등을 진행했다. 3D 스캐닝을 통한 정밀한 현황 파악을 통한 구조 검토 및 보강, 증축 계획을 수립했고, 프로젝트에 해당하는 모든 정보를 BIM 모델 내에 구성했다(Figure 7). 구현한 BIM 모델을 통해 시각화 검토, 부재 간 간섭 검토, 자재 반·출입 계획, 자재 양중 계획, 도로 점용 계획, 전 공정 계획을 진행할 수 있었다. 일반적인 대수선 프로세스에서는 위의 사항들이 일반적으로 사전 검토가 불가능하기에 현장 설립 후 공사를 진행하며 엔지니어가 즉각적으로 대처하는 문제 사항이었다. 하지만 본 프로젝트에서 제안 대수선 프로세스를 적용한 결과 이를 사전에 검토할 수 있었고, 시공의 품질을 증가시키고, 시공 공정의 최적화를 진행할 수 있었다.
추가로 3D 스캐닝으로 측정한 실제 노후소규모 건축물의 현황과 증축에 대한 모든 정보를 BIM 데이터로 취합해서 정확한 물량 산출이 가능했다. 특히, 기존 건축물의 구조물과 새롭게 증축하는 부분 구조물의 세부적인 접합 상세를 반영했다. 마지막으로 접합 상세 모델링을 바탕으로 볼트·너트·플레이트 등 기존 대수선 프로젝트 적산 방식에서 불가능했던 각종 부자재류를 통합해 요율 계산을 하는 부속 자재들을 물량 산출에 정확히 반영할 수 있었다. 예산 계획에서 발생하는 시공 중 증감부에 대한 오차를 대부분 예측하고, 이를 사전에 대비할 수 있었다.
4.4 철골 상세 모델링 및 발주
기본적인 기둥과 보 등 선분 기반의 주요 구조부 모델링이 완료된 후 각 부재별 연결 상세 모델링을 진행하였다. 본 과정에서는 “Revit”에 내제된 철골 연결 기능을 활용하였고, 구조 관계전물기술자의 구조 검토를 통해 도출된 2D 연결 상세를 기반으로 작성하였다. 또한, 지정한 매개변수가 입력된 연결 상세를 기둥, 보의 부재 번호에 의거해 전체 모델링이 자동으로 가능하도록 VPL(Visula Program Language)인 “Dynamo“ 데피니션(Definition)을 작성하여 전 부재에 일괄 적용하였다. 이를 통해 설계 오류를 검토하고 부재간 간섭부를 파악하였으며, 더 나아가 완성된 BIM 상세 모델을 기반으로 물량 산출 및 발주에 활용하였다.
Figure 8은 작성한 부재간 연결의 매개변수 예시이다. 이 과정에서 설정 가능한 매개변수는 구조간 체결용 플레이트의 두께, 볼트의 개수, 볼트의 축열 간격 등이 있으며, 용접 여부 및 볼트-너트의 규격, 구조 부재간 연결 부위의 설계 시공 공차를 규정할 수 있다. 또한, 해당 연결 유형을 타 부재에도 적용할 수 있고, 연결 유형의 설정 및 관리를 통해 전 프로젝트의 연결을 규정한다.
위 과정을 통해 상세 매개변수가 규정된 구조 연결 패밀리를 Dynamo에 입력하여 부재별 구조 연결 모델링 자동화 알고리즘을 작성했다. Figure 9는 해당 알고리즘의 데피니션(Definition)이다. 사용자는 작성된 연결 패밀리 리스트와 각 연결에 해당되는 부재간 관계를 규졍하여 프로젝트 내에 존재하는 모든 구조 부재를 대상으로 일률적이고 일관된 모델링을 진행할 수 있다.
Figure 10은 작성된 최종 철골 구조 BIM 모델이다. 작성된 모델은 시각화, 부재간 간섭과 같은 설계 오류 검토 및 물량 산출에 활용하였으며, 작성된 부재의 형상 정보 일람표를 엑셀로 추출하여 실제 제작을 위한 디지털 정보로 활용하였다.
Figure 11은 작성된 철골 부재 일람표 예시이며, 부재별 위치 정보 및 제작에 필요한 형상정보, 물량 산출에 필요한 중량 값을 추출할 수 있다. 이는 H형강의 주요 구조 부재 뿐 아니라 볼트-너트, 플레이트류 모두 작성하였다. Figure 12는 이를 엑셀 데이터로 추출한 예시이며, 각 부재별 ID 데이터 부여를 통해 단위 부재 별 제작 이력 및 시공 오류 시 검토 모델에 활용하였다.
Figure 13은 제작된 부재를 현장에서 설치하는 과정이다. BIM 모델에서 추출된 일람표를 기준으로 하여 제작된 플레이트류는 부여된 ID 데이터에 따라 현장 설치 위치에 배치 및 시공된다. 철골 부재 또한 지정된 위치 및 개소별, 공정표에 따른 시공 순서에 의거하여 현장에 분리 반입하였다. 이를 통해 부재의 설치 위치를 명확히 분류할 수 있었으며, 현장 반입 순서의 오류를 제거하였다. 또한, BIM 모델의 ID 데이터와 실제 현장에 반입된 부재를 비교하며 공정 관리가 가능하였고, 사전에 검토된 설계 오류 및 간섭을 수정 반영함으로 현장 내에서 부재간 간섭이 발생하여 공기가 증가하거나, 실제 현장과 설계된 설계 도서와의 상이함으로 인해 부재를 다시 제작하는 문제가 발생하지 않았다. Figure 14는 구조 보강 후 마감 공정을 통해 완공된 건축물이다.
5. 결론
본 연구는 3D 스캐닝과 BIM, 디지털 패브리케이션 기술을 도입한 소규모 건축물 대수선 프로세스의 제안하였으며, 프로세스를 실제 소규모 건축물 대수선 현장에 적용하여 프로젝트 생산성 향상과 리스크 절감 효과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제안된 프로세스를 실제 현장에 적용하여 프로젝트를 진행한 결과 기존 대수선 프로세스에서 가장 큰 공사기간 지연의 원인이었던 측정오류 및 설계오류를 최소화할 수 있었다. 특히 3D 스캔을 통한 측정방식은 기존 건축물의 정확한 현황 파악이 가능했고, 이는 건축물 대수선 시공 계획수립에 있어서 큰 이점이 되었다. 기존 대수선 방법론을 적용했을 때의 발생했을 평균적인 공기 지연이 제안 프로세스로 인해 현저히 줄어듦을 확인할 수 있었다. 또한, BIM 기술을 도입한 ID 데이터 기반 물량 산출로 정확한 시공 계획수립이 가능해졌으며 현장 반입 자재의 손실을 최소화시킬 수 있었고, 접합 상세를 통해 시공성이 향상되었음을 확인했다. 기존 소규모 건축물 대수선 프로젝트에서 평균 지연율인 33%를 잠재적인 리스크라고 정의했을 때, 제안 프로세스의 적용을 통해 기존 프로젝트 대비 133% 생산성을 달성했음을 확인하였다.
하지만, 본 연구에서 제안한 프로세스는 기존 대수선 시공 방법론에 적용되는 모든 세부적인 내용에 대한 개선방안을 제시할 수 없었다. 하지만 측량오류 및 설계오류를 최소화하여 정확한 대수선 설계 방법론을 제공함으로써 시공성을 향상시키고, 공사기간 지연의 주원인을 개선한 것에 큰 의의가 있다.
추후 노후건축물에 상태에 따른 다양한 솔루션을 제공하는 가이드라인 연구로 본 연구의 한계를 보강한다면 대수선 프로젝트의 생산성과 리스크 감소로 인해 중소규모 시공업체의 대수선 시공의 접근성을 높일 수 있을 것이고, 국내 노후건축물 대수선 사업이 활성화될 것이다.
