1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. BIM 라이브러리 관리에 대한 고찰
2.1 토목 분야 라이브러리의 특성 고찰
2.2 토목 분야 라이브러리 관리의 필요성
2.3 BIM 라이브러리 관리의 사례 검토
2.4 다양한 형태의 라이브러리 개발 사계 검토
2.5 관리 대상 라이브러리에 대한 범위 확대
2.6 라이브러리의 효과적 관리를 위한 필요 기능
3. 라이브러리 관리 모듈 개발
3.1 라이브러리 관리 모듈 구성
3.2 객체 라이브러리 관리 모듈
3.3 로직 라이브러리 관리 모듈
3.4 객체조립구성 관리 모듈
3.5 시설물 유형 관리 모듈
3.6 BIM 프로젝트 관리 모듈
4. 관리 모듈을 통한 라이브러리 활용 예시
4.1 PSC beam교 상부 라이브러리 활용
4.2 NATM (New Austrian Tunnelling Method) 터널 라이브러리 활용
4.3 해상풍력 자켓 기초 라이브러리 활용
4.4 케이슨식 안벽 라이브러리 활용
4.5 관리 모듈 활용의 효과
5. 결론 및 향후 연구 진행 방향
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 토목 분야에서도 BIM (Building Information Modeling)의 필요성에 대한 인식이 높아지면서 관련 연구와 적용에 대한 검토가 활발하다. 토목 설계 분야에서도 발주처의 BIM 프로젝트 발주와 함께 설계 실무적용에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 토목 분야의 다양한 업역과 선형이라는 특이성으로 BIM tool에서 제공하는 건축구조물 중심의 라이브러리로는 BIM 모델구축의 기본인 3D 모델링부터 어려움을 겪고 있는 실정이다(Moon et al., 2016). 대부분의 토목 시설물 BIM 모델링은 제공/표준 라이브러리가 아니라 사용자가 라이브러리를 직접 작성하여 BIM 모델링을 하는 것이 일반적이며, 작성자의 주관에 의해 작성되고 표준화가 어려워 라이브러리의 재사용성은 매우 떨어진다. 한국건설기술연구원에서 표준도를 활용한 BIM 라이브러리 개발 및 배포(Moon and Ju, 2014) 등의 라이브러리 확보에 힘쓰고 있지만 토목 라이브러리의 복잡성으로 그대로 사용되기는 어렵고, 수정하여 사용하거나 적절히 활용하기 어려운 실정이다. 완성도 높은 표준 라이브러리 제공이 이상적이지만 개발 주체, 표준화 방법, 개발의 복잡성 등의 현실적인 어려움으로 단순히 라이브러리의 개발만으로는 근본적인 문제를 해결할 수 없다. 따라서 토목 분야 BIM 활성화를 위해 단순 라이브러리 작성에서 더 나아가 토목 분야의 BIM 라이브러리를 효과적으로 활용할 수 있는 관리 방법에 대한 연구와 관리 도구의 개발이 필요하며, 이에 대한 기초적인 방향을 제시하고자 한다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구의 주요목적은 완성도 높은 표준 라이브러리를 작성하는 것이 아닌, 실제의 BIM 프로젝트 수행 사례처럼 제한적이더라도 현실적으로 목적에 맞는 라이브러리를 작성하고 지속적으로 업데이트하고 관리하여 활용 효과를 높이는 방법을 찾는 것이다. 사전제작으로 인한 생산성 확보, 라이브러리의 검색과 같은 일반적인 라이브러리 관리의 필요성(Moon et al., 2016)에서 더 나아가 토목 분야의 특성을 고려한 관리 방법을 주요 연구 대상으로 하였다. 그에 따라 먼저 토목 분야 라이브러리 특성을 고찰하고 BIM 프로젝트나 연구 수행 사례들을 검토하여 라이브러리 관리에 대한 방법을 연구하였다. 그 과정에서 연구의 대상 범위를 다양한 BIM tool로 하였을 경우 각 Tool 별 특성을 고려해야 하는 제약이 예상되어, 라이브러리 관리 방법에 대한 연구 목적 달성을 위해 Autodesk 사의 구조물 BIM 모델 저작도구인 Revit을 주요 연구 대상으로 한정하였다. 향후 라이브러리 관리 효과를 바탕으로 추가적인 연구와 함께 관리 대상 BIM 도구를 확대하여 적용할 예정이다. 도출한 라이브러리 관리 방법을 바탕으로 네 가지 시설물에 대한 라이브러리를 개발하였고, 해당 라이브러리를 관리하기 위한 다섯 가지의 관리 모듈을 제안하였다. 관리 모듈은 웹 기반으로 구현하였으며, 개발한 라이브러리의 예시를 통하여 각 관리 모듈의 유기적인 조합으로 라이브러리 관리의 효과를 높이는 방법을 제시하였다.
2. BIM 라이브러리 관리에 대한 고찰
2.1 토목 분야 라이브러리의 특성 고찰
2.1.1 역 T형 교대의 벽체 라이브러리 작성의 특성
토목 분야 라이브러리의 특성을 분석하기 위하여 교량 역 T형 교대의 벽체와 선형 구조물에 대한 BIM 라이브러리 작성을 형상 구현 중심으로 검토하였다. 먼저 교대의 벽체를 라이브러리로 작성하기 위하여 고려해야 하는 형상 관련 치수들의 일반적인 범위를 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Range of shape dimensions of reverse-T aubtment
교대는 상부 구조물의 하중을 지면으로 전달하기 위한 구조물로, 정면과 배면에 상부 구조물과 접속슬래브를 배치하기 위한 단면의 형상(Side section dimension)을 고려하여야 한다. 그리고 상부 구조물의 횡단 구성, 선형, 편경사 등을 고려한 슬래브의 형상(Slab shape)과 거더 받침부의 형상(Bridge seat shape), 평면 형상(Floor plan dimension)에 영향을 미치는 교대의 사각(Skew) 등을 고려하여 Figure 1과 같이 파라메트릭 라이브러리를 작성할 수 있다.
Table 1과 같은 다양한 조건의 교대 벽체 형상을 구현하기 위하여 38개의 매개변수를 사용하여 라이브러리를 개발하였다. 그러나 많은 조건을 구현할 수 있는 파라메트릭 라이브러리라 하더라도, 38개의 매개변수로 구성된 라이브러리는 재사용 시 많은 입력 요구 사항과 표준화되지 않은 매개변수 정의 및 선정 등으로 직관적으로 이해하고 사용하기에 어려움이 있다.
파라메트릭 라이브러리 작성 시 매개변수의 개수가 증가하면 변수들 간의 영향으로 라이브러리 작성에 소요되는 시간이 현저하게 증가한다. 그런데 국내의 경우 프로젝트 완료 후 사용한 라이브러리들의 소유권을 요구하고 있어, 많은 시간을 들여 다양한 조건의 파라메트릭 라이브러리를 개발하는 것을 꺼려 하고 있는 실정이다. 이에 따라 시간 소요와 사용성을 고려하여 여러 조건의 형상 구현이 가능한 파라메트릭 라이브러리보다는 해당 프로젝트에 필요한 제한 조건을 한정하고 변수를 선별하거나 최소화하여 라이브러리를 작성하는 현실적인 방법을 선택하게 된다. 그 결과 표준화된 라이브러리 작성 환경이 조성되지 않고, 작성자에 따른 매개변수 설정과 제한 조건 등의 차이로 인해 라이브러리의 재사용 효과를 기대하기 어렵다.
2.1.2 토목 분야 선형 라이브러리 작성의 특성
층(Floor) 중심의 건축구조물과 달리 도로, 철도의 교량과 터널 구조물 등은 복잡한 3차원 종·횡 곡선을 따른다. 직선과 곡선뿐만 아니라 3차원 포물선이나 클로소이드로 구성되기도 하며, 이러한 형태의 곡선은 BIM tool에서 사전에 정의되어 있지 않아 이를 구현하는 것은 쉽지 않다(Kwon et al., 2017). 선형 구조물은 편경사나 캔트가 적용된 선형을 따라 변화하는 일종의 비정형 형상이며, Revit에서는 이를 구현하기 위해 선형을 따라 단면 변화에 대응하는 위치에 단면 라이브러리(Mass profile)를 배치하고 배치된 단면을 바탕으로 솔리드를 작성하거나 라이브러리 내에서 단면 라이브러리를 배치하여 솔리드를 작성하는 등의 다양한 방법으로 선형 모델을 구현하고 있다. 이 과정에서 선형의 긴 연장상에 많은 라이브러리 배치가 필요하고 각 라이브러리마다 해당하는 많은 형상 관련 치수 정보들을 반영하여야 한다. 따라서 슬래브, 포장, 연석, 레일, 궤도와 같은 토목 분야의 선형 모델 작성은 상당히 많은 작업 시간이 소모된다. 예를 들어 Figure 2와 같이 100m 길이의 편경사를 갖는 터널 객체를 작성하기 위하여 2m 간격으로 단면을 배치한다고 가정하면, 51개의 선형 상의 배치점에 단면 라이브러리를 배치하고 배치점의 선형방향을 기준으로 단면을 회전시켜야 한다. 그리고 해당 위치의 편경사 값을 포함한 단면의 형상 관련 치수들을 각 단면 라이브러리에 입력하여야 한다. 단면 확폭과 같은 추가적인 변화가 있다면 입력값은 더 많아지며 변화가 많은 단면의 경우 정확한 모델 구현을 위해서는 2m 간격 분할이 아닌 그에 적합한 단면 분할 방법 적용 등 더욱 복잡한 작업이 필요하다.
이러한 선형 적용과 많은 작업량 처리, 정확한 모델링을 위하여 학계뿐 아니라 업계에서도 선형 구조물 모델링에 대한 다양한 연구를 진행하고 있다. Choi et al. (2019)은 선형을 구현하기 위한 NURBS 곡선을 생성하는 알고리즘을 개발하였으며, 기존 선형 모델의 방법들의 문제점을 분석하고 3점의 단면 라이브러리를 배치하여 라이브러리 내에서 선형 모델을 생성하는 방법으로 선형 터널 모델을 구현하였다. 이 과정에서 선형 생성과 많은 양의 계산, 정보 입력(연장 1.6km, 단면 형상 868개)이 필요한 부분에 알고리즘을 적용하였다. 알고리즘 적용 방법으로는 Revit Add-in 프로그램인 Dynamo를 활용하였으며 복잡한 철도 터널 모델링을 단시간(약 20분) 내에 수행하였다. Kim et al. (2022)은 지보 패턴 단위로 터널의 단면 설계가 달라지는 점을 고려하여 단면 라이브러리를 자동 생성하는 알고리즘과 패턴별 단면 라이브러리를 선형에 배치한 뒤 스윕 하는 방법으로 BIM 모델을 생성하는 알고리즘을 Dynamo를 활용하여 개발하였다. 해당 알고리즘을 통해 890개 패턴의 라이브러리 작성과 BIM 모델링의 약 93%의 작업시간 개선을 확인하였다. 두 연구 사례뿐만 아니라 다른 선형 관련 연구 사례로 철도 궤도부 모델 생성(Kwon et al., 2017)과 프리팹 교량의 디지털 엔지니어링 모델 정의(Duy-Cuong et al., 2022)와 같은 연구에서도 선형 구조물의 특성으로 BIM 모델링에 Dynamo를 통하여 알고리즘을 활용하고 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 선형 구조물 모델링에는 Dynamo와 같은 알고리즘 기반 형태의 스크립트 라이브러리(Kang et al., 2012)를 활용하고 있으며, 이를 통하여 형상 구현과 함께 디지털 엔지니어링에 대한 기술을 반영하고 있다.
2.2 토목 분야 라이브러리 관리의 필요성
객체 라이브러리는 표준화되기 어려운 환경과 제한된 조건의 라이브러리 작성으로 같은 대상의 라이브러리에 대하여 여러 가지 유형의 라이브러리가 개발될 수 있다. 예를 들어 교대 라이브러리의 경우 엔지니어링 빅데이터 플랫폼(https://bigdata-eng.com)에서 제공하는 역 T형 교대 라이브러리는 Figure 3과 같이 여러 유형의 라이브러리가 있다.
앞서의 교대 형상 구현 시 고려해야 할 범위에서 단면의 형상, 상부 구조물의 횡단 구성을 제한 조건으로 구분하여 여러 유형의 라이브러리가 작성된 결과이다. 실무 적용을 위해서는 더욱 많은 유형의 라이브러리가 필요할 것으로 예상된다. 이와 같은 여러 유형의 라이브러리를 구분하기 위하여 제한사항 정보나 형상 치수 등의 다양한 정보 제공을 통해 재사용성을 높일 필요가 있다. 여러 유형을 하나의 통합된 파라메트릭 라이브러리로 작성하였을 경우에도 파라메트릭 라이브러리의 장점을 극대화하기 위해 라이브러리의 재사용을 지원하는 다양한 정보 제공이 필요하며, 이러한 정보 제공에는 관리 방법 적용과 관리 도구를 함께 활용한 라이브러리 관리가 효과적이다.
여러 유형으로 작성되거나 통합 작성된 라이브러리는 스크립트 라이브러리와 상호 보완적 관계로 활용하면 더욱 효과적 사용이 가능하다. 또한, 선형 구현과 같이 알고리즘 사용이 필수적이거나 많은 작업량, 정확한 계산, 결과의 일관성 등 스크립트 라이브러리를 활용한 다양한 이점으로 스크립트 라이브러리 활용의 중요성과 사용빈도는 더욱 높아지고 있다. 특히 BIM을 통한 설계 분야의 디지털화는 스크립트 라이브러리를 통하여 엔지니어링 노하우를 알고리즘을 통해 구현할 수 있는 기회를 제공한다. 알고리즘 작성에 사용하는 Dynamo를 활용한 비쥬얼 스크립팅 기술은 전문적인 코딩 지식 없이 쉽게 작성이 가능하여(Mengana and Mousiadis, 2016) 실무자들도 업무에 직접 스크립트 라이브러리를 작성하여 활용하고 있다. 예를 들어, Park el al. (2022)은 2차원 공간에서 구현하기 어려운 자켓 기초 형상을 스크립트 라이브러리를 활용하여 BIM 모델로 구현하고, 부재 간 최소 간격 기준을 만족하기 위한 시산법 방식과 3차원 형상에서 부재 간 각도를 검토하는 알고리즘을 개발하여 엔지니어링 기술을 반영하고 있다. 앞서 살펴본 철도 설계 분야의 사례도 토목 분야의 다양성과 프로젝트의 특성에 따라 작성자 각각의 노하우를 스크립트 라이브러리를 활용하여 반영하였다. 이렇게 실무자가 직접 작성한 스크립트 라이브러리는 기능 추가와 지속적인 업데이트를 통한 설계기술 반영과 발전이 용이한 것이 특징으로 이를 고려한 라이브러리의 관리가 필요하다. 또한, 현재는 설계, 시공, 유지 관리 등의 영역에서 분리되어 사용되고 있지만 향후 BIM의 발전에 따라 각 영역 간의 연계가 요구되고, 디지털 건설 기준 개발에 따른 건설기준 검토 활용(Zi et al., 2022) 등과 같은 다양한 디지털화의 요구 사항을 반영하기 위하여 라이브러리의 관리는 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
이러한 다양한 필요성과 특성으로 복잡한 라이브러리를 지속적으로 업데이트하고 관리하기 위해서는 관리 방법과 함께 적절한 관리 도구의 활용이 필수적이다. 관리 도구를 통해 객체 라이브러리와 스크립트 라이브러리를 함께 유기적으로 관리하고 라이브러리들의 적용 범위, 제한사항 등 사용자가 정보를 쉽게 파악하도록 하여 라이브러리 재사용성을 향상시킬 수 있다.
2.3 BIM 라이브러리 관리의 사례 검토
BIM 라이브러리를 관리하고 있는 대표적인 사례를 살펴보면 국내의 경우 건축 분야 라이브러리를 대상으로 하고 있는 한국빌딩스마트협회의 BIM 컨텐츠 포털 KBIMS 라이브러리 (building SMART Korea)와 토목 분야의 라이브러리를 대상으로 하고 있는 CALSPIA (Ministry of Land, Infrastructure and Transport)와 빅데이터 엔지니어링 플랫폼이 있다. 해외의 경우 영국 정부가 운영하는 NBS (NBS BIM Library)와 스웨덴의 BIMobject AB가 운영하는 bimobject (www.bimobject.com) 등이 있다. 해당 사례들은 다양한 관리 방법을 적용하고 있지만, 그 대상을 대부분 객체 형태의 라이브러리 위주로 서비스를 제공하고 있다. 토목 분야 라이브러리를 대상으로 하고 있는 빅데이터 엔지니어링 플랫폼의 경우 Figure 4와 같이 단일 객체 라이브러리 형태(표준 BIM 라이브러리) 뿐만 아니라 여러 라이브러리의 조합 형태(3D 설계 모델)의 서비스도 제공하고 있다.
동일한 대상에 대하여 여러 가지 유형의 라이브러리가 있고 복잡한 매개변수로 구성되는 토목 라이브러리의 특성을 고려하면, 단순히 단일 객체 형태의 라이브러리 관리가 아니라 빅데이터 엔지니어링 플랫폼의 사례와 같이 조합 및 집합 단위의 라이브러리를 제공하는 것이 효과적이라 할 수 있다. 또한, 객체 라이브러리와 스크립트 라이브러리를 함께 사용하는 토목 분야 라이브러리의 특성을 고려하여 스크립트 라이브러리도 관리 대상으로 확대하고 객체 라이브러리와 스크립트 라이브러리의 다양한 조합 형태의 라이브러리 관리 방법이 필요하다.
2.4 다양한 형태의 라이브러리 개발 사계 검토
최근 국내의 BIM을 활용하는 관련 연구들을 살펴보면 객체 라이브러리뿐만 아니라 스크립트 라이브러리를 포함한 여러 형태의 라이브러리를 활용한 사례를 확인해 볼 수 있다. 먼저 객체 라이브러리를 대상으로 하는 사례로 Kim and Koo (2014)의 토목 구조물 파라메트릭 라이브러리 구축 연구는 540개의 2D 표준 도면이 필요한 옹벽 및 암거를 17개의 파라메트릭 라이브러리로 작성하였다. Kim et al. (2019)의 항만 BIM 라이브러리 개발 연구에서는 객체 라이브러리와 기술콘텐츠라고 표현하는 스크립트 라이브러리를 함께 개발하여 BIM 설계 생산성을 향상시켰다. 특히, 케이슨 라이브러리 개발 과정에서 객체 라이브러리와 스크립트 라이브러리는 서로 상호 보완하는 방식으로 개발되었으며 이러한 관계로 인하여 두 형태의 라이브러리는 서로 연계하여 관리할 필요성이 있음을 확인할 수 있다.
BIM 기반으로 터널 출구부의 직광 영향 검토를 수행한 연구(Kwon and Yeom, 2022)는 Autodesk 사의 Civil 3D를 활용하여 BIM 기반의 도로 설계를 수행한 후, Civil 3D의 Dynamo를 사용하여 직광 영향 검토를 수행하는 알고리즘을 구현하였다. Ryu et al. (2022)은 BIM 기반 에너지절약계획서 작성의 자동화를 위하여 Revit의 Dynamo와 Excel의 VBA (Visual Basic for Appliation)를 이용하여 스크립트 라이브러리를 작성하였고 이를 통해 계획서 작성의 오류 발생률을 줄이고 효율성을 증대시켰다. 두 연구는 BIM 데이터를 기반으로 스크립트 라이브러리만을 활용하여 기능을 구현한 사례이다.
Ha et al. (2022)는 BIM 기반의 건축 내부 마감 자동 상세화를 위하여 마감 유형 생성, 룸 일람표 생성 및 마감 데이터 매핑, 마감(바닥, 벽, 천장) 모델링 순으로 모듈을 구성하였고 각 모듈을 Dynamo를 활용한 스크립트 라이브러리로 구현하였다. 해당 연구는 하나의 목적을 달성하기 위하여 절차에 따라 복수의 스크립트 라이브러리를 활용하고 있는 사례이다. 이처럼 BIM 라이브러리 구축은 각각의 개별 사용뿐 아니라 상호 보완적 사용, 절차에 따른 복수의 라이브러리 사용 등 다양한 형태로 개발되고 있다. 이를 통해 단순히 객체 형태의 라이브러리뿐만 아니라 그 범위를 확대하여 BIM 라이브러리를 관리해야 함을 확인할 수 있다.
2.5 관리 대상 라이브러리에 대한 범위 확대
우선 일반적인 관리 대상인 객체 라이브러리(Object library) 뿐만 아니라 스크립트 라이브러리(Script library)도 관리 대상으로 확대하여야 한다. 스크립트 라이브러리는 단독으로 사용되기도 하지만 하나의 시설물 모델링 또는 기능을 구현하기 위해 객체 라이브러리와 상호 보완적 관계로 한 개 또는 다수의 라이브러리가 사용된다. 이러한 관계를 고려하여 관리 대상 범위를 확대해야 하며 Figure 5와 같이 정의하여 그림으로 나타내었다. 시설물 유형(Assembly model type)으로 정의한 모델링 대상(또는 기능)은 한 개, 또는 복수의 스크립트 라이브러리로 구성되고 연계된 객체 라이브러리로 구성된다. 두 종류의 라이브러리 사이에는 스크립트 라이브러리에 대응하는 객체 라이브러리의 조합에 대한 구성이 존재하고, 이를 객체조립구성(Object assembly)이라 정의하였다. 객체조립구성을 통해 라이브러리 간의 관계를 쉽게 파악할 수 있고 대응하는 대체 객체 라이브러리를 적용하여 다양한 모델링이 가능하다. 이에 따라, 라이브러리 관리 대상으로 객체 라이브러리, 스크립트 라이브러리, 객체조립구성, 시설물 유형으로 확대하였다. 또한, 여러 라이브러리들을 활용하여 BIM 프로젝트를 작성할 수 있으며, BIM 프로젝트도 하나의 관리 대상으로 선정하여 유사 프로젝트 작성이나 프로젝트 작성에 사용된 다른 라이브러리들에 대한 정보를 쉽게 파악할 수 있도록 하였다.
2.6 라이브러리의 효과적 관리를 위한 필요 기능
본 연구에서 목표로 하는 관리 도구의 기초적인 방향 제시는 BIM 라이브러리 개발이 충분히 개발되어 사용자들이 다운로드하여 사용하는 단계보다는 그 이전 단계로서, 앞서 언급한 토목 분야의 특성을 고려한 복잡한 라이브러리의 개발, 수정 및 활용단계에서 효과를 발휘할 수 있는 방향을 제시하고자 하였다. 따라서 BIM 연구팀에서 토목 분야 라이브러리를 직접 개발하고 있는 사용자들을 대상으로 인터뷰와 연구를 통하여 필요 기능들을 선정하였다.
라이브러리 등록, 검색, 필터링, 분류(Classification) 등과 같은 일반적인 기능 외에도 효과적인 라이브러리 관리를 위해 다양한 기능이 필요하다. 먼저, 관리 대상 라이브러리의 범위 확대에 따른 각각의 라이브러리를 독립적으로 관리할 수 있는 모듈로 구분하여야 한다. 연계된 관리 모듈의 사용을 위해 라이브러리 간의 연계 정보(Library connection information) 입력이 필요하지만 연계 정보 없이도 각 모듈별로 독립적으로 사용이 가능해야 한다.
토목 분야의 라이브러리는 상황에 따라 요구 사항이나 다른 유형의 적용에 맞게 업데이트가 필요한 경우가 많으므로 지속적인 라이브러리 관리가 중요하다. 상호 보완적 관계에 있는 각 라이브러리는 업데이트 시에 이력 관리(Revision)를 통해 버전별로 관리하여 업데이트로 정보가 변경되어도 기존 버전과의 연계 정보를 유지할 수 있도록 해야 한다. 또한, 기본적인 라이브러리 관리 기능으로, 각각의 관리 모듈별 다양한 정보 제공과 라이브러리별 권한 설정(Authority), 공개 설정(Publish) 등의 기본 기능 강화가 필요하다.
관리 대상이 많아지고 복잡해진 만큼 사용자의 사용 편의성을 고려해야 한다. 각 관리 모듈별 상세한 메타데이터(Metadata)의 관리로 라이브러리 등록 시 많은 양의 정보 입력이 요구되는데 필수적으로 필요한 항목을 구분하여 라이브러리 등록이 어렵지 않도록 하여야 한다. 추가적인 정보 입력에 따라 사용자가 독립적 관리 모듈 사용과 연계된 관리 모듈 사용의 목적에 맞게 선택할 수 있어야 한다. 객체 라이브러리의 매개변수 속성 입력과 같이 라이브러리에 따라 많은 개수의 정보를 입력하는 경우, 일일이 입력하는 것이 아닌 일괄 처리를 통해 한 번에 처리할 수 있는 방법을 고려하여 입력 편의성을 확보할 필요가 있다. 또한, 라이브러리를 업데이트할 때 기존 버전의 입력정보를 기본값으로 설정해 다시 입력하는 것이 아니라 수정 입력할 수 있도록 하는 등 다양한 입력 편의성 확보가 필요하다.
그 외에도 라이브러리 즐겨찾기, 라이브러리 작성자 구독, 사용자별 분류 체계 적용, BIM tool 연동 등의 다양한 관리 기능과 방법들이 있다. 현재의 연구 단계에서는 제안한 관리 대상 확대와 라이브러리 간의 연계 활용, 업데이트에 대응하기 위한 이력 관리와 같은 관리 방법의 적용을 주요 목적으로 하여 아래의 Table 2과 같이 구현할 기능과 향후 추가 개발 필요 기능을 구분하여 분류하였다.
Table 2.
Necessary functions for effective library management
개발하고자 하는 관리 모듈은 하나의 공동 데이터 환경(Common data environment, 이하 CDE)이라고 할 수 있다. 하지만 국제표준인 ISO 19650에서 정의하고 있는 프로젝트 관리 차원의 CDE와는 달리 다양한 프로젝트 또는 목적에 따라서 재사용하기 위한 라이브러리의 개발, 수정 및 활용을 주요 목적으로 하고 있어 사용 주체의 차이로 인한 다양한 차이점이 있다. 예를 들면 관리 모듈은 ISO 19650에서 정의하는 발주처(Appointing party)보다는 주 계약사(Lead appointed party) 또는 협력사(Appointed party)의 작업팀(Task team)이 WIP 단계의 작업에서 활용하고자 하는 제한된 CDE이다. 따라서 ISO 19650에서 요구하는 핵심 사항인 승인 절차에 따른 작업 상태 정보(WIP, shared, published, archive)의 구분이 필요하지 않다. 또한, ISO 19650에서 요구하는 메타데이터 할당을 통한 정보 상태(Status), 이력 관리(Revision code), 분류 적용(Classification) 등의 기능들과 관련하여 관리 모듈에서 각각의 라이브러리에 메타데이터 할당을 통하여 WIP 단계에서 필요한 상태, 이력 관리, 분류 적용 등의 정보를 포함하고 있으나 그 상세 의미와 입력 시스템 정의 등의 차이가 있다. 개발한 관리 모듈은 현재 WIP 단계의 CED로 한정 되지만, 향후 지속적인 연구를 통해 한국형 CDE 협업플램폼(Lee et al., 2022)과 같은 상위 CDE 시스템에도 대응할 수 있도록 하는 것이 최종 목표이다.
3. 라이브러리 관리 모듈 개발
3.1 라이브러리 관리 모듈 구성
라이브러리 관리 대상의 확대와 필요 기능을 구현하기 위하여 웹 기반의 설계업무 환경을 제공하는 인프라 엔지니어링 플랫폼(Cho et al., 2022)에서 라이브러리 관리 모듈을 개발하였다. 해당 설계 플랫폼에서 관리 모듈을 구현함으로써 향후 설계 공정별 작업 과정과 BIM 라이브러리를 연결하여 설계와 BIM 모델 구축의 효과를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 인터넷 공간에서 서비스를 제공하여 접근성이 높고 웹 개발 프레임워크의 사용으로 직접 관리 모듈 개발을 수행함으로써 권한 설정, 공개 설정에 사내 그룹웨어의 인원 정보를 연계하여 적용하였으며, 향후 추가 개발 기능에 대하여 관리 모듈의 지속적인 업데이트가 가능하다.
관리 대상 라이브러리별로 관리 모듈을 구성하여 객체 라이브러리 관리 모듈, 로직 라이브러리 관리 모듈, 객체조립구성 관리 모듈, 시설물 유형 관리 모듈, BIM 프로젝트 관리 모듈로 총 다섯 개의 모듈로 개발하였다. 관리 모듈의 주요 기능인 이력 관리 기능에 대하여 BIM 프로젝트와 객체조립구성을 제외한 나머지 관리 모듈은 해당 기능을 적용하였으며, 이력 관리 기능으로 인하여 라이브러리 선택 시 버전까지 선택하여 라이브러리 간 연계를 정의한다. BIM 프로젝트는 별도의 이력 관리가 필요하지 않다고 판단하였으며, 스크립트 라이브러리에서 객체조립구성을 선택할 때, 복수의 객체조립구성을 선택할 수 있어 객체조립구성은 변경 사항이 발생할 경우 별도의 버전으로 처리하지 않고 새로 작성하여 추가 선택할 수 있도록 하였다.
라이브러리 간 연계를 정의하기 위하여 상위 라이브러리에서 하위 라이브러리를 선택하여 연계할 수 있다. 예를 들어 객체조립구성에서 객체 라이브러리들을 선택하고, 스크립트 라이브러리는 객체조립구성들을 선택할 수 있다. 마찬가지로 시설물 유형에서 스크립트 라이브러리를 선택하는데, 이때 해당 스크립트 라이브러리가 연계된 객체조립구성 중 하나를 선택하여 Figure 6과 같이 정의할 수 있도록 구성하였다. 이런 연계 방법을 통해 각 라이브러리에서 연계되는 라이브러리들의 정보를 표시하고 탐색할 수 있다. 관리 모듈별 독립적인 사용이 가능하도록 하기 위해 라이브러리에 대한 연결은 선택사항으로 구성하였다.
3.2 객체 라이브러리 관리 모듈
객체 형태의 라이브러리를 관리하는 모듈로 Figure 7과 같이 구현하였다. 독립적 사용으로도 활용도가 높고 다른 관리 모듈의 라이브러리에도 모두 연계되어 사용하는 관리 모듈이다. 사용된 BIM SW의 종류 및 버전 정보와 함께 라이브러리의 유형 정보를 포함하도록 하였다. 특히, 형상과 관련된 ‘객체 규격 속성’을 포함한 BIM tool에서 저장되는 라이브러리의 매개변수 정보(Parameter information)를 Figure 8과 같이 테이블 형태의 입력 및 관리 기능이 있으며, 많은 매개변수의 정보 입력이 필요한 경우를 대비하여 Revit의 라이브러리를 대상으로 라이브러리에서 매개변수의 정보들을 추출하여 관리 모듈에 연계 입력하거나 직접 입력할 수 있는 두 가지 방법을 제공하도록 하였다. 라이브러리를 버전별로 관리하여 이력 관리 기능을 포함하고 있으며, 해당 객체 라이브러리와 연관된 시설물 유형과 객체조립구성 라이브러리를 ‘보기’버튼을 눌러 새 창으로 띄워서 확인하고 해당 라이브러리를 클릭하여 이동할 수 있다. 라이브러리 등록자 정보(Registrant information)는 해당 플랫폼의 로그인 정보를 바탕으로 자동으로 작성 되도록 하였다.
3.3 로직 라이브러리 관리 모듈
다양한 라이브러리를 효과적으로 사용하기 위해 객체 라이브러리와 함께 사용하거나 단독으로 사용하는 스크립트 형태의 라이브러리를 관리하는 관리 모듈로 Figure 9와 같이 구현하였다. 스크립트 라이브러리의 메타데이터 가운데 하나로 객체조립구성을 선택(Select object assembly library)하여 객체 라이브러리의 조합 구성을 함께 관리할 수 있도록 하였다. 사용 SW의 버전뿐만 아니라 다른 사용자 환경에서 사용, 수정 시 필요한 추가 정보를 작성하고 확인할 수 있도록 구성하였다. 지속적으로 발생이 예상되는 수정, 기능 추가 등의 업데이트를 고려하여 이력 관리 기능을 포함하였으며 스크립트 라이브러리와 연계된 시설물 유형, 객체조립구성 라이브러리 정보와 해당 라이브러리를 사용하여 작성한 BIM 프로젝트 정보를 확인하고 이동하여 탐색할 수 있도록 하였다.
3.4 객체조립구성 관리 모듈
객체조립구성은 별도의 파일 형태의 라이브러리는 아니며, 스크립트 라이브러리가 사용하는 객체 라이브러리의 조합 구성을 나타내는 객체조립구성을 관리하는 관리 모듈로 Figure 10과 같이 구현하였다. 예를 들어 스크립트 라이브러리를 통하여 Figure 13의 우측 그림과 같은 트랜지션피스를 모델링 하기 위해 작성한 객체 라이브러리의 조립구성(Object assembly)을 좌측 그림과 같이 나타낼 수 있다. 트랜지션피스의 중앙 기둥(CenterSide)과 외측 기둥(OutSide) 사이의 연결 거더(Con-Gir)에 적용할 수 있는 객체 라이브러리들을 등록할 수 있고, 등록된 라이브러리 중에 선택(Select ‘Con-Gir’ library)하여 다양한 트랜지션피스의 모델링이 가능하다.
해당 관리 모듈을 통하여 객체조립구성을 작성(Classification and input of object assembly compositon)할 수 있고 Figure 14와 같이 해당 부재의 적용에 대한 필수구성요소(Required parameters), 조립 이미지(Assembly image)와 객체 라이브러리 관리 모듈에 등록된 라이브러리 선택을 통해 조립 구성에 적용 가능한 라이브러리(Applicable object libraries)를 관리할 수 있다. 독립적으로 활용될 수 있는 객체/스크립트 라이브러리와 달리 스크립트 라이브러리에서 선택하여 활용되는 라이브러리이며, 관리 모듈에서 객체조립구성이 사용된 스크립트 라이브러리 정보를 제공한다.
3.5 시설물 유형 관리 모듈
시설물 유형은 객체조립구성과 마찬가지로 별도의 파일 형태의 라이브러리는 아니며, 한 개 또는 다수의 스크립트 라이브러리를 선택하여 작업절차(Work procedures)를 구성하여 정의되는 라이브러리이다. Figure 15와 같이 로직 라이브러리 관리 모듈에서 등록한 스크립트 라이브러리를 선택하여 작업절차를 작성할 수 있다. 작업절차별로 선택한 스크립트 라이브러리의 정보(Metadata for each script library)가 표시되고 해당 라이브러리를 클릭하여 해당 관리 모듈로 이동하고 탐색할 수 있다. 작업절차에 스크립트 라이브러리를 선택할 때, 해당 스크립트 라이브러리의 객체조립구성 중 하나를 선택하여 시설물 유형과 스크립트 라이브러리, 객체 라이브러리의 연결이 정의된다.
시설물 유형에 대한 이력 관리 기능을 포함하고 있으며 해당 시설물 유형을 사용한 BIM 프로젝트를 확인하고 해당 라이브러리로 이동할 수 있다. 해당 내용을 Figure 11과 같이 화면을 구성하여 구현하였다.
3.6 BIM 프로젝트 관리 모듈
BIM 라이브러리를 사용하는 목적은 BIM 프로젝트 수행의 생산성 향상이다. 효과적 BIM 모델 구축을 위해 범위를 확대한 다양한 라이브러리들을 적절히 활용하고 추가적인 작업을 통하여 프로젝트를 완성한다. 해당 관리 모듈은 이러한 과정을 거치는 BIM 프로젝트 단위의 관리로, 납품을 위한 목적보다는 작성 과정이나 사용된 라이브러리의 예시를 통하여 라이브러리의 활용성을 높이는 것이 주요 목적이다. 따라서 이 관리 모듈에서의 BIM 프로젝트는 제안한 다양한 형태의 라이브러리들 중에서 최상위 라이브러리라 할 수 있는 시설물 유형의 집합으로 정의된다. 시설물 유형 라이브러리를 등록(Registration of assembly model type) 하여 연계된 다른 라이브러리들에 대한 정보를 포함하게 되며, Figure 12와 같은 화면구성으로 메타데이터를 할당하였다. 요청 부서 담당자, 관련 프로젝트, 참여자 등의 정보는 해당 플랫폼과 연결되어 있는 사내 그룹웨어 정보를 활용(Use of groupware information) 하여 작성할 수 있도록 하였다.
4. 관리 모듈을 통한 라이브러리 활용 예시
4.1 PSC beam교 상부 라이브러리 활용
교량 구조물은 대표적인 선형을 따르는 구조물이다. 선형 구조물 구현과 다경간 슬래브의 사각, 신축이음, 편경사 등을 반영하기 위하여 스크립트 라이브러리를 활용하였고, 작성된 3D 형상의 슬래브를 기반으로 최소 이격 거리 조건의 거더 배치 위치를 계산하는 스크립트 라이브러리를 함께 작성하였다. 횡단 구성에 대한 복잡한 라이브러리 구성과 다수의 스크립트 라이브러리를 사용하는 활용 사례로, 시설물 유형 라이브러리로 작성하여 관리하였다. Figure 16과 같이 횡단이 차도와 보도부로 구성된 PSC beam교의 상부를 유형으로 설정하였으며, 계획단계의 슬래브를 작성하고 거더배치에 따라 슬래브의 길이, 사각 등을 변경하여 슬래브를 완성한 다음 연석, 중앙분리대, 포장을 최종 배치하는 작업절차로 PSC beam type 1 시설물 유형 라이브러리를 작성하였다.
PSC beam type 1 시설물 유형의 작업절차는 아래의 Figure 17의 좌측 그림과 같이 나타낼 수 있다. 시설물 유형 라이브러리의 작업절차에 스크립트 라이브러리를 선택하여 우측의 그림과 같은 구성으로 시설물 유형 라이브러리를 작성하였다.
횡단 구성을 나타내는 객체조립구성의 상세 분류에 대체 가능한 객체 라이브러리를 등록하여 Figure 18과 같이 슬래브의 상세 형상을 변경하거나 연석의 종류를 변경하여 모델링 할 수 있다. 시설물 유형 단위로 관리함으로써 향후 후속 작업으로 추가 작성이 필요한 가로보 작성, 하부 라이브러리 배치 등의 추가 기능 반영과 오류 수정, 변경사항 발생 등에 대한 지속적인 업데이트 및 관리가 가능하다.
4.2 NATM (New Austrian Tunnelling Method) 터널 라이브러리 활용
3심원 NATM 터널에 대한 시설물 유형 라이브러리를 작성하였다. PSC beam교의 시설물 유형과 마찬가지로 선형과 편경사 등을 반영하기 위하여 스크립트 라이브러리의 활용이 필요하다. 이러한 선형 구현에는 PSC beam교 시설물 유형과 동일한 스크립트 라이브러리를 사용하였으며 객체조립구성을 Figure 19와 같이 NATM 터널에 맞게 구성하여 적용하였다. 관리 모듈을 통해 라이브러리를 관리함으로써 동일한 스크립트 라이브러리도 객체조립구성에 따라 다른 유형의 결과를 만들 수 있음을 확인할 수 있다.
4.3 해상풍력 자켓 기초 라이브러리 활용
복잡한 3차원 격자 형상의 자켓 구조물을 손쉽게 모델링 하고 이를 기반으로 수량 산출, 3D 형상의 도면 작성 등의 활용을 위하여 객체 라이브러리와 함께 스크립트 라이브러리를 개발하였다. 자켓 기초의 실제 형상에 대한 디지털화가 구현됨으로써 Figure 20과 같이 다양한 추가적 기능 개발의 확장이 가능해진다. 2차원 작업 환경에서 검토하기 어려운 부재들 간의 순간격 측정과 각도의 측정이 가능하게 되었으며, 관리 모듈을 통한 라이브러리 관리를 통하여 해당 기능의 추가를 수월하게 업데이트하였다. 또한, 해석 연계, 디지털 기준 검토와 같은 추가적인 기능 개발을 진행하고 있으며 이러한 지속적인 업데이트에 관리 모듈을 유용하게 활용하고 있다.
4.4 케이슨식 안벽 라이브러리 활용
항만 분야의 케이슨식 안벽 구조물에 대하여 객체 라이브러리와 여러 개의 스크립트 라이브러리를 작업절차에 따라 등록하여 Figure 21의 좌측 그림과 같이 단일 구조물 시설물 유형을 작성하였다. 향후 연속 배치의 필요성으로 우측의 그림과 라이브러리를 업데이트하여 시설물 유형을 작성하는데 관리 모듈을 효과적으로 활용하였다. 또한, 케이슨식 안벽 구조물은 여러 모양의 유형으로 구분되며 향후 추가 유형 개발의 활용과 여러 유형의 라이브러리 관리에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4.5 관리 모듈 활용의 효과
관리 모듈에 라이브러리들을 등록함으로써 해당 시설물 유형의 라이브러리 구축 방법의 표준을 정의하게 된다. 따라서 동일한 조립구성에 해당하는 객체 라이브러리 개발 시 필수구성요소의 조건을 검토하여 라이브러리 개발 환경의 편의성이 확보된다. 시간 단축은 물론 지속적인 추가 개발과 협업 시에도 효과가 있다. 또한, 추가 개발 상황 외에도 복잡한 스크립트 라이브러리의 수정 및 활용 시에도 라이브러리의 구조를 쉽게 파악할 수 있어 시간 절약 및 정확도 향상을 기대할 수 있다. 이러한 정성적 평가 외에 정량적 평가는 시설물 유형의 스크립트 라이브러리의 활용을 통해 비교되는 시간을 통하여 간접적으로 확인해 볼 수 있다. 해상풍력 자켓 기초 시설물 유형의 스크립트 라이브러리 중에서 모델 작성과 해석 연계의 효과를 비교하면 다음과 같다. 먼저 Figure 22와 같이 168개의 부재를 갖는 자켓 기초를 BIM 모델로 작성할 경우 약 29개의 레벨 요소, 488개의 그리드 요소, 26개의 라이브러리 유형을 작성하고 168개의 부재를 배치해야 하며 많은 기준 요소들로 인하여 작업성이 떨어지고 숙련된 작업자의 경우에도 2일 이상이 소요된다. 또한, 이 모델을 해석 프로그램에 모델링 하는 경우 Figure 22의 우측과 같이 많은 입력이 필요하며 BIM 모델 작업과 별도로 약 2일이 소요된다. 두 작업에 대하여 스크립트 라이브러리를 활용하는 경우, 약 30분가량의 한 번의 제원 입력으로 두 작업을 입력의 오류나 두 모델 간의 차이가 없이 모델링을 수행할 수 있다. 선형 적용이 필요한 교량 상부 라이브러리와 NATM 터널 라이브러리 역시 선형을 구현해야 하는 많은 작업량에 시간을 단축시키고 정확성을 향상시킨다. 이러한 작업시간 비교를 관리 모듈의 직접적인 효과라고 할 수는 없겠으나 효과적인 라이브러리를 만드는 데 기여하는 관리 모듈의 간접적인 효과를 가늠해 볼 수 있다.
5. 결론 및 향후 연구 진행 방향
토목 분야의 BIM 라이브러리의 활용은 라이브러리의 표준화가 어려우며, 엔지니어링 기술의 반영 등 지속적인 기능 추가, 변경과 같은 업데이트가 불가피하다. 다양한 라이브러리 개발 사례를 바탕으로 단순히 객체 형태의 라이브러리 관리만으로는 부족하며 다양한 관계를 고려한 라이브러리의 관리가 필요함을 확인하였다. 그리고 이러한 특성과 복잡한 관계의 라이브러리를 관리하기 위해서는 관리 도구의 활용이 효과적임을 확인하였다. 라이브러리 범위 대상의 확대, 라이브러리 간 관계 정의, 이력 관리를 주요 목적으로 초기 단계의 관리 모듈을 개발하였으며 이를 통하여 라이브러리의 관리 효과가 있음을 확인하였다.
향후 연구는 직접 BIM 라이브러리를 작성하고 활용하는 사용자를 대상으로 라이브러리 관리 모듈의 시험 운영을 실시하고, 이를 통하여 라이브러리 비교, 상세정보 확인, BIM tool 연동과 같은 기능 추가에 대한 연구와 대상 BIM tool의 확대, 사용 편의성 확보 등의 기능 확대의 연구를 수행할 계획이다. 또한, 현재의 연구는 라이브러리의 작성/변경이 주요 고려 대상이었으나, 완성된 라이브러리에 정보 입력에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 기관별 발주처별 다양한 분류체계에 따른 분류체계 관리나 BIM 모델에 분류체계를 적용하기 위한 관리 모듈 등 다양한 추가 관리 모듈의 개발이 필요하다. 이를 통하여 ISO 19650에서 정의하는 CDE 환경에 적용할 수 있는 시스템으로의 발전도 고려해야 한다. 그리고 관리 모듈을 설계 플랫폼으로 개발하고 있는 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 구현함으로써 향후 설계 공정별 작업 과정과 개발한 라이브러리의 연결을 통하여 상호 간의 시너지를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
BIM 라이브러리 관리는 BIM을 활용한 생산성 향상이라는 직접적인 목적과 향후 시공, 유지 관리 등의 건설 생애 주기 전반에 걸친 BIM의 연계 확대, 디지털 기준 개발과 같은 건설 분야의 디지털화를 바탕으로 다양한 활용이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 엔지니어링 디지털 자료 축적의 바탕이 되어 향후 AI와 같은 기술 발전에 따른 데이터의 활용에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
