1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

오늘날의 건설 산업은 복잡하고 대형화된 시설물을 설계하여야 하므로 다양한 설계 과정과 함께 정보의 양 또한 급격하게 증가하게 되었다. 따라서 이를 효율적으로 처리, 관리하기 위해 BIM(Building Information Modeling)도입의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 선진기술인 BIM의 빠른 도입을 위해서는 국가 차원의 지원이 효과적이며 BIM의 정착을 위하여 각 발주처, 기관별로 가이드라인, 로드맵 구축 등의 노력을 기울이고 있다. 또한 설계분야의 BIM 도입을 위하여 BIM을 포함한 사업발주와 설계비 증액 등으로 이를 장려하고 있다. 하지만 현실적으로 설계사의 BIM 적용에는 전문 인력 부족, 토목분야 BIM 프로젝트 수행 경험 부족, 토목분야 라이브러리의 부족, BIM 적용에 따른 설계부분 업무 집중 등의 여러 가지 원인으로 BIM 설계를 수행하는데 생산성 확보의 어려움을 겪고 있는 실정이다.

특히, 기관 주도의 프로젝트에서는 BIM 납품체계가 마련되지 않아 BIM의 설계 성과물을 기존 방식의 성과품 납품으로 요구하고 있는 실정이다. BIM 적용의 목적이 분명하지 않아 프로젝트 수행에 효율성이 매우 낮고 BIM 설계의 생산성이 현저히 떨어진다. 따라서 BIM 적용의 목적에 따른 활용과 라이브러리 구축 등의 생산성 향상을 위한 노력이 필요하다.

정부는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 통해 재생에너지 발전량 비중을 2016년 7%에서 2030년 20%까지 확대하는 것을 목표로 하고 있으며 태양광과 함께 풍력발전으로 신규 설비용량의 95% 이상을 공급하는 것을 목표로 하고 있다. 해상풍력은 원자력과 화력발전을 대체할 목적으로 세계적으로도 활발히 개발되고 있으며 국내에서도 정부의 신재생에너지 정책과 함께 국무총리 산하 풍력발전위원회(가칭) 구성(한국판 뉴딜 2.0) 등 앞으로 사업 진행이 활발할 것으로 전망된다.

해상풍력 구조물 설계에서 복잡한 3차원 구조물, 특히 격자형상의 자켓 기초 구조물의 경우 2D 환경의 작업이 어렵고 정확하지 않으며 형상에 대한 계산과 검토가 어렵다. 이를 BIM 모델을 활용하면 3D 도면의 활용뿐 아니라 설계검토에 필요한 제원들에 대한 디지털화로 다양한 활용이 가능하며 해외 기업의 경우 2차원 표현이 어려운 3차원 구조물에 대하여 3D 모델을 성과품으로 적극 활용하고 있다. 하지만 BIM 모델 구축의 시간이 오래 걸려 설계분야의 업무 생산성이 낮은 문제가 있다.

교량, 터널, 항만 분야 등의 BIM 라이브러리 개발에 관한 연구는 해외는 물론 국내에서도 활발히 진행 중이다. 하지만 해상풍력 분야는 국내뿐 아니라 해외에서도 BIM 모델을 구축 후 시공 및 제작, 유지관리 분야에서 활용하는 사례는 찾아볼 수 있지만 설계 분야에서 BIM 모델 구축의 생산성 향상을 위한 연구 사례는 찾아보기 어렵다.

따라서 본 연구에서는 사전 BIM 라이브러리 구축 및 활용을 통해 자켓 기초 구조물 설계의 품질 향상과 업무의 생산성을 확보하고 이를 통해 설계 분야의 BIM 기반 기술을 축적하고자 한다

1.2 연구의 범위 및 방법

해상풍력 발전기는 크게 상부구조물(풍력터빈, 타워)과 하부구조물로 구분(Figure 1) 되며, 제품개발과 검증을 통해 경쟁력을 갖는 상부구조물과 달리 상부구조물을 지지하는 하부구조물의 설계는 해외 기업과 국내 기업들 간의 경쟁으로 설계 경쟁력 확보가 필요하다.

본 연구는 수심에 따라 결정되는 다양한 해상풍력 하부구조물(Figure 2)들 중 2차원 캐드 환경에서는 작성하기 어려운 격자형상(Grid geometry) 지지 구조물인 자켓 기초 유형에 대한 BIM 적용으로 정확하고 빠른 정보 모델링(Information modeling)을 통해 도면, 수량 산출 등의 정확도 높은 성과품 작성과 복잡한 형상에 대한 설계검토를 적용해 설계 생산성을 확보하고자 하였다.

자켓 기초 유형은 트랜지션피스(Transition Piece)와 자켓 기초(Jacket) 그리고 파일(Pile)로 구성(Figure 1) 되어 있으며, 트랜지션피스는 부재의 형상이 변화하거나 구조적인 거동이 상이한 상부구조물과 하부구조물을 연결하는 부분으로 다양한 형태가 특허출원 및 출원 중에 있으므로 본 연구에서는 특허출원과 관련이 없는 일반적인 형태의 트랜지션피스를 대상으로 하였다. 하부구조물에 전달된 하중들을 지반에 전달하는 역할을 수행하는 파일도 공법에 따른 특허와 관련되어 있으므로 이번 연구에서는 제외하였다.

주요 연구대상인 자켓 기초에 대하여 반복적으로 사용되는 3차원 객체를 미리 제작하여 활용할 수 있도록 객체 형태의 라이브러리와 복잡한 격자형상 및 부재의 형상제원(Shape specification)에 대하여 수치 입력과 매개변수 변경을 통해 BIM 모델을 생성하는 스크립트 형태의 라이브러리를 개발하였다.

Figure 1.

Composition of jacket type offshore wind power generator

Figure 2.

The shape of the offshore wind power substructure according to the water depth (https://bbn.kiwoom.com/bbs/jsp/upload/newres/CorpAnal/202009/1599211386663.pdf)

2. 자켓 기초 유형의 특징 및 구성요소 분석

2.1 자켓 기초의 특징 및 격자형상 적용 범위

수심 30~60m 구간에서 경쟁력을 가지는 형식으로 평가되는 자켓 기초는 축하중과 굽힘하중을 받는 레그(Leg)와 그 레그 사이를 연결하는 브레이스(Brace)로 구성된다. 그리고 풍력, 파력, 조류력 등의 환경하중과 다양한 터빈 구동 조건하에서 구조적 건전성을 만족 하도록 설계하여야 한다(Lee et al., 2014).

따라서, 구조해석을 통해 안정성을 확보하고 부재를 최적화하는 과정과 함께 설계자의 판단으로 자켓 기초는 다양한 격자형상과 브레이스의 다양한 배치 구성으로 설계가 이루어진다. 본 연구에서는 다양한 형상들 중에서 일반적으로 많이 사용되는 자켓 기초 격자형상의 적용 범위(Table 1)를 고려하여 BIM 적용을 검토하였다.

레그의 개수와 기본 형상을 결정하는 상/하단의 지지 형상을 정삼각형과 사각형으로 제한하였으며, 상/하단의 모양에 대하여 크기는 변경 가능 하지만 회전(Twisted)은 제한하였다. 그리고 레그의 개수(3개 또는 4개), 하단부 레그의 꺽임 유무(Figure 3)를 적용범위에 포함 시켰으며 일반적으로 흔히 사용되는 브레이스의 형태인 X-braces, K-braces, Z-braces의 형태 중에서 X-braces 형태에 대한 배치 구성(Figrue 4)을 적용범위로 하였다.(Chen et al., 2016) Z-braces와 K-braces의 형태는 X-braces로 모델링 후 Revit에서 간단히 수정하여 구현이 가능하다.

Figure 3.

Shape coverage of Leg

Figure 4.

Various arrangement of Braces(X-braces type)

2.2 자켓 기초 유형의 구성요소 분석

2.2.1 자켓 기초를 구성하는 요소 분석

자켓 기초에 대한 BIM 모델 구축은 먼저 격자형상을 구성하여 제작된 BIM 라이브러리들을 배치하고, BIM 라이브러리들의 형상제원을 매개변수로 부재(Element)의 형상을 조절할 수 있도록 Figure 5와 같은 구성으로 작성하였다. 따라서 자켓 기초를 구성하는 요소는 BIM 라이브러리들을 배치, 조립하기 위한 격자형상에 대한 구성요소(Component)와 배치된 자켓 기초 부재들의 형상제원에 대한 두 가지 종류의 구성요소로 구분하여 Table 2로 정리하였다. 격자형상에 대한 구성요소는 격자형상 적용 범위를 바탕으로 구성하였으며, 부재들의 형상제원은 해당 BIM 라이브러리 제작 시 매개변수로 고려하였다.

Figure 5.

Jacket BIM model composed of elements by library

2.2.2 트랜지션피스를 구성하는 요소 분석

자켓 기초의 상단에는 해당 구조물의 목적(풍력터빈, 관측소, 변전소 등)에 따라 다양한 형태의 구조물이 배치될 수 있으며 본 연구에서는 풍력터빈 배치 시 풍력터빈과 자켓 기초를 연결하는 트랜지션피스에 대하여 특허출원과 연관이 없는 일반적인 형태의 Figure 6과 같은 구조물을 대상으로 BIM 모델을 작성하였다. 트랜지션피스의 BIM 라이브러리들을 조립하기 위하여 조립형상(Assembly geometry)에 대한 구성요소와 트랜지션피스 부재들의 형상제원을 분석하여 Table 3으로 정리하였고 BIM 적용을 위한 트랜지션피스의 라이브러리 제작에 반영하였다.

Figure 6.

Transition Piece BIM model composed of elements by library

3. 자켓 기초 유형의 BIM 라이브러리 개발

3.1 자켓 기초 유형의 BIM 라이브러리 구현 방안

자켓 기초 유형의 BIM 라이브러리는 두 가지 방식의 라이브러리로 작성하였다(Kang et al., 2012). 먼저 3D 객체에 치수와 제약조건을 이용해 파라메트릭 모델링이 가능한 객체 형태의 방식(객체 라이브러리)으로 트랜지션 피스와 자켓 기초를 구성하는 객체 라이브러리를 작성하였다. 그리고 격자형상을 생성하고 격자형상에 객체 라이브러리를 배치, 조립을 수행하며 속성정보, 단면 제원 정보의 입력과 설계검토 활용의 기능 등을 수행할 수 있는 알고리즘 기반 형태의 라이브러리 방식(스크립트 라이브러리)으로 작성하였다.

본 연구에서는 객체 라이브러리(Object library)는 Revit을 이용하여 작성하였고 스크립트 라이브러리 (Script library)는 Revit과 연동되는 알고리즘 설계 도구로 객체 라이브러리를 입력하고 제어할 수 있는 Dynamo를 활용하여 작성하였다.

3.2 자켓 기초 유형의 객체 라이브러리 작성

자켓 기초 유형의 객체 라이브러리로 자켓 기초와 트랜지션피스의 부재에 대한 라이브러리를 개발하였다. 자켓 기초의 부재는 인접부재와의 결합으로 최종 형상이 변화하지만 Revit의 형상결합(Join geometry) 기능을 활용해 자켓 기초를 구성하는 캔(Can)과 레그(Leg), 스터브(Stub), 브레이스 (Brace), X-캔(X-can)은 모두 하나의 라이브러리로 구현하였다(Figure 7). 자켓 기초 라이브러리의 형상 매개변수로는 강관의 길이(시/종점 배치), 시/종점 외경, 강관 두께를 매개변수로 하였다.

Figure 7.

Jacket implemented by placing one object library

트랜지션피스는 기둥(중앙기둥, 외곽기둥), 거더(T형 거더), 플레이트(상/하부 플레이트) 총 3가지 유형의 객체 라이브러리를 작성하였다. 트랜지션피스 구성요소(Tabel 3)의 조립형상을 고려하였으며, 각 부재의 형상제원의 요소를 반영 하여 라이브러리를 제작하였다.

객체 라이브러리의 매개변수명을 정의 하는데 있어 BIM 모델을 생성하는 스크립트 라이브러리 작성 시 효율을 높일 수 있도록 다수의 라이브러리에 영향을 미치는 구성요소에 대하여 동일한 매개변수명을 갖도록 하였다.

3.3 자켓 기초 유형의 스크립트 라이브러리 개발

3.3.1 BIM 모델 생성 스크립트 라이브러리의 목적

본 연구에서 대상으로 하는 자켓 기초의 BIM 모델은 한 개의 객체 라이브러리로 구현이 되고 트랜지션피스는 3개의 객체 라이브러리로 구현이 되어 BIM 모델 작성에 필요한 객체 라이브러리의 개수는 단 4개뿐이다. 하지만, 복잡한 3차원 격자형상에 다수의 해당 라이브러리를 3차원의 공간에서 일일이 배치하고 형상결합을 수행하며 부가적인 속성값을 직접 입력하는 것은 많은 시간 소모와 정확성의 문제로 작업의 생산성 확보에 어려움이 있다.

Figure 8.

Workflow of script library creating jacket type BIM model

따라서 효과적인 BIM 적용을 위해 Figure 8와 같은 작업 절차(Workflow)로 BIM 모델 생성 스크립트 라이브러리를 작성하였으며, 이를 통해 다양한 자켓 기초 유형에 대하여 빠르고 일관성 있는 BIM 모델을 생성하고 활용할 수 있도록 하였다.

3.3.2 자켓 기초 유형의 BIM 모델 생성 스크립트 라이브러리 입력값 구성

각 부재의 형상제원, 자켓 기초의 격자형상과 트랜지션피스의 조립형상을 포함하는 요소들을 스크립트 라이브러리의 입력값으로 정의하였다. 격자형상과 조립형상의 입력값으로 부재의 배치 위치를 계산하여 라이브러리들을 3차원 공간에 배치하고 인접한 부재와 적절한 순서의 형상결합 적용 및 속성정보를 입력할 수 있도록 하였다. 입력값의 변경이나 수정에 대하여 격자형상과 조립형상의 변경은 알고리즘을 재실행해야 하며, 부재 형상제원의 변경은 알고리즘의 재실행 없이 Revit에서 매개변수 변경을 통하여 반영이 가능하다.

자켓 기초의 X-braces 형태의 브레이스 구성에 대하여 수평브레이스(Horizontal brace)와 경사브레이스(X-braces) 두 가지 종류의 브레이스를 입력값으로 하고 브레이스들을 층으로 쌓이는 방식으로 구성이 가능하도록 하였다. 경사 브레이스의 경우 각각의 브레이스의 부재 분할 길이에 대한 입력값 개수를 통해 5개(스터브, 브레이스, X-캔, 브레이스, 스터브) 또는 3개(스터브, X-캔, 스터브)로 분할 할 수 있도록 설정 하였다. 스크립트를 라이브러리를 통해 작성되는 경사브레이스의 형태를 X-braces의 형태로 제한하였지만 X-braces로 모델 작성 후 작성된 브레이스 부재를 기준 요소로 사용하여 Revit에서 브레이스를 삭제, 추가 배치하여 Z-braces와 K-braces의 간접적인 구현이 가능하다.(Figure 9) 향후 해당 옵션을 추가하여 스크립트 라이브러리의 기능 확장이 가능하다.

Figure 9.

Convert X-braces to Z-braces and Division of Brace

사용자의 입력값을 최소화하기 위하여 입력값의 ‘단순중복’과 다른 입력에 의해 도출되어 지는 ‘산출중복’을 고려하여 중복변수를 배제하였다(Lee et al., 2018). 자켓 기초의 상단에 위치하여 자켓 기초와 연결성을 갖는 트랜지션피스의 경우 자켓 기초의 입력값 (Jacket-Input)에서 계산된 결과값(Jacket-Output) 일부를 트랜지션피스의 일부 입력값(TP-Input)으로 사용하였다. 한 개가 아닌 복수의 라이브러리에 영향을 미치는 매개변수는 전역매개변수(Global Parameter)에 할당하여 한 개의 매개변수로 컨트롤할 수 있도록 하였고, BIM 모델 생성 스크립트 라이브러리로 BIM 모델 생성 후에도 전역매개변수 변경으로 모델 변경을 반영할 수 있다.

위와 같은 여러 가지 방법으로 사용자의 입력값을 최소화하였으나, 많은 입력값을 한 번에 정확하게 입력하기는 어렵다. 따라서 사용자의 편의성을 위하여 입력값을 체크(Check-Input) 하는 알고리즘을 추가 하였으며 체크결과를 ‘Warning Message’와 ‘Error Message’ 두 가지 유형의 메시지로 구분하였다.

Figure 10.

Cases of warning message and error message

‘Warning Message’는 오류에 대한 예측이 가능(리스트 형태의 입력값에서 입력 데이터의 개수가 요구치를 초과하여 초과한 데이터를 무시해도 되는 경우, 다른 입력값으로 값을 제한할 수 있는 경우) 하여 모델 생성에 문제가 없는 경우 Input-Check 알고리즘에서 값을 조절하여 BIM 모델 생성을 중단 없이 진행한다. 입력값의 개수가 부족하거나 입력값이 적절하지 않아서 BIM 모델을 생성하기 불가능 한 경우 ‘Error Message’를 통해 잘못 입력된 부분에 대한 정보 제공과 검토를 요청하여 수정할 수 있도록 하였다. Figure 10을 통해 두 가지 유형의 다양한 메시지 발생 상황을 나타내었다. 이러한 Input-Check와 함께 추후 해상풍력 자켓 기초의 설계 작업순서를 고려하여 2D 작도 도면으로부터 입력값을 생성하거나 UI를 활용하는 등의 방법으로 사용성 편의를 향상시킬 수 있다.

3.3.3 자켓 기초의 격자형상 구성과 설계 검토

자켓 기초의 입력값으로 구성한 격자형상에서 레그와 브레이스에 해당하는 선(Line)형상에 라이브러리들을 배치하고 라이브러리에 부재의 형상제원이 입력되는 과정으로 1차적인 BIM 모델의 형상이 완성된다(Figure 11(a)). 하지만 이러한 격자형상은 형상제원이 반영된 부재들 간의 간섭 발생이나 설계 기준에 따라 부재 간 최소 간격, 각도 기준 등에 의해 격자형성의 변경이 필요한 경우가 발생한다(Figure 11(b)). 따라서 기본적인 간섭의 확인뿐 아니라 부재 간의 순간격과 각도를 측정(Figure 11(c))하여 검토하여야 한다.

그러나 2D 작업환경에서 형상결합에 의해 비정형적인 형상을 갖는 부재들 간의 순간격 측정은 사실상 불가능하다. 하지만 3D 모델링을 통한 3D 형상의 객체에서 순간격의 측정이 가능하며 알고리즘을 통해 많은 개수의 순간격, 각도 측정과 함께 측정값에 대한 설계 기준 만족 여부를 빠르게 검토할 수 있다.

또한 부재 간 최소간격 기준과 같은 경우 기준을 만족시키기 위하여 격자형상을 변경하면서 시산법(Try and Error)으로 모든 부재에 대한 기준을 만족시켜야 한다. 따라서 입력값에 의한 일차적인 격자형상 계산을 완료한 후 실제 객체 라이브러리를 배치하기 전, 위와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 결과가 나올 때까지 계산을 반복(Check Design) 할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다. 그리고 이 과정은 설계 작업의 활용방법에 따라 기준값을 만족할 때까지 계산하는 방법과 현재 입력한 값에 대한 결과값만을 계산하는 방법을 선택할 수 있도록 옵션을 추가하였다.

Figure 11.

Measure and clash check by placing library to grid geometry

3.3.4 라이브러리 배치와 형상상세 및 속성정보 입력

앞서의 간섭검토, 최소간격 검토 등의 설계검토를 수행하고 결정된 최종의 격자형상에 객체 라이브러리를 배치한다. 이 단계(Place Library)에서 각각의 객체에 추가적으로 속성정보를 입력할 수 있으며 본 연구에서는 부재를 구분하기 위해 사전에 정의된 규칙에 의해 라이브러리의 고유한 명칭을 속성정보로 추가하였다. 이를 통해 수량 산출, 도면 작성 등에 활용하였으며 이와 함께 분류체계 정보, 시공 관련 정보, 유지 관련 정보 등 다양한 활용 목적에 맞게 속성 정보를 입력할 수 있다.

객체 라이브러리 배치 후 인접한 부재와의 관계에 따라 형상결합에 대한 정보를 입력하여 꺽인 관(Bent pipe), 스터브, X-캔과 같은 부재의 최종의 형상(Figure 12)을 완성할 수 있다. 이 형상결합 정보 규칙을 알고리즘에 추가하였으며 입력된 형상결합 정보는 BIM 모델 완성 후 Revit에서 부재형상과 관련된 매개변수 등을 수정하여도 형상결합 정보가 유지되어 알고리즘의 재실행 없이도 변경 적용이 가능하다.

Figure 12.

Final shape by join geometry

4. 자켓 기초 유형의 BIM 모델에 대한 설계 활용 방안 및 사례

4.1 도면 작성 활용

BIM 기반의 도면은 실제형상을 묘사한 3D 모델을 바탕으로 작성되며 작성된 도면들은 3D 모델의 변경에 즉각적으로 반영된다. 특히, 매개변수를 통하여 3D 모델 작성 시 설계변경에 효과적으로 정합성과 정확성을 확보할 수 있다. 또한, BIM Tool의 기능으로 간단히 다양한 시각적 효과의 적용이 가능하며 VR, AR 등의 추가적 Tool의 활용으로 작성한 시설물의 형상정보, 시각정보, 속성정보 등을 효과적으로 전달할 수 있는 장점이 있다. 하지만 관습적인 방식의 도면에 대한 익숙함과 효과적인 3D 성과품 납품체계의 부재로 BIM 기반에서 작성한 도면의 장점을 살리지 못하고 기존의 설계와 동일한 형태의 도면을 작성하고 있는 경우가 대부분인 실정이다.

2차원 캐드에서 작성된 도면은 부재의 치수 정보를 바탕으로 설계자가 작도하여 보여주고자 하는 의도된 정보를 선택적으로 평면상에 표기하고 있는 것으로, 실제 형상과는 상이할 수 있지만 작성자의 의도를 보여주기에 수월할 수 있다. 하지만 3D 모델로부터 작성하는 2D 도면은 실제 형상에서 추출되는 도면으로, 기존의 2차원 캐드에서 작성한 도면과는 근본적으로 차이(Figure 13)가 있어 3차원 형상 그대로 활용하는 것이 적절한 경우가 많다.

Figure 13.

Problems with 3D to 2D conversion

따라서 BIM 모델 작성 후 기존의 2D 성과품과 동일한 성과품을 만들고자 하는 것은 적절하지 않으며 3D 성과품으로서의 장점을 살릴 수 있는 활용이 필요하다. 실제로 해외 기업에서 작성한 해상풍력 도면의 경우 3D 형태의 도면으로 정보를 전달하고 있으며, 2차원 캐드 작성 도면과는 상이하지만 정보를 보다 효과적으로 전달하고 있다. 본 연구에서도 관습적인 방식의 도면 표현에서 벗어나 다양한 정보를 도면을 통해 효과적으로 전달하는데 활용을 검토하였다(Figure 14).

Figure 14.

Drawings using BIM model

4.2 수량 산출 활용

BIM 기반의 수량 산출은 도면과 마찬가지로 3D 모델을 바탕으로 산출이 가능하며 이를 통해 설계변경에 효과적으로 대응이 가능하다. 3D 모델을 통해 Revit에서 수량을 산출하는 방법은, 3D 형상으로부터 직접적으로 산출하는 방법으로 객체의 체적이나 표면에 대하여 Revit의 재료 매개변수(Material Parameter)를 통해 산출하는 방법과 객체의 Geometry 정보로 산출할 수 있는 방법의 수량이 있다. 그리고 객체 라이브러리의 속성정보를 포함하여 수식을 활용한 수치적인 계산으로 수량 산출 속성 항목을 활용하는 방법이 있다.

본 연구에서는 해당 시설물에서 공사비의 큰 비중을 차지하는 강재량, 도장 면적, 용접 길이에 대한 수량 검토를 수행하였다. 강재량은 객체의 체적과 수식을 활용한 속성 항목 두 가지의 방법을 적용하여 산출하였고, 도장 면적은 객체의 면적 정보를 활용하였다. 용접 길이 수량은 객체의 Geometry정보를 선택 적용하여 산출 하였다.

자켓 기초의 제작에 사용되는 강관은 대량생산이 아닌 주문생산 방식으로 후육강관이라 하며 강판을 구부려서 파이프로 만든다. 따라서 최종 형상이 형상결합을 수행하지 않은 부재는 실제 수량과 최종 형상의 차이가 없지만, 형상결합을 수행한 부재는 최종 형상과 실제 제작에 필요한 강재량은 차이가 있다. 따라서 전자의 경우 객체의 최종 형상에 대한 체적으로 수량을 산출하고, 후자의 경우 체적 수량 산출 시 발생하는 차이를 극복하기 위해 해당 라이브러리의 속성을 이용하여 수치적으로 수량을 산출하는 두 가지 방법을 모두 적용하였다.

형상 결합된 부재의 강재량 산출은 보수적인 방향으로 객체의 형상 절단 전의 중심선 상의 길이(Figure 15)를 기준으로 강재량을 산출하고 있으며, 이를 반영하기 위하여 객체 라이브러리 제작 시에 해당 길이에 해당하는 속성을 바탕으로 수식을 활용하여 강재량을 갖는 속성정보를 추가하였다.

Figure 15.

Length of element before joint geometry

도장면적은 실제의 도장이 필요한 강재의 외부 표면만을 재료 매개변수를 갖도록 라이브러리 제작 시 고려하였다. 또한 도장면적의 재료 매개변수를 색상 (노란색)으로 구분하여 시각적으로도 수량산출의 확인이 가능한 장점이 있다. 용접 길이는 3D 형상으로부터 추출한 객체의 모든 Geometry정보 중 용접 길이에 해당하는 부분만 추출하여 Figure 16과 같이 산출 하였다.

Figure 16.

Weld length calculation process through geometry selection

Revit Tool 내에서 수량 산출은 속성정보의 값을 테이블로 나타내는 일람표를 사용한다. 하지만 일람표의 경우 앞서의 강재량 산출과 같이 한 공종의 수량을 여러 가지 유형의 방법으로 산출하는 경우, 하나의 항목으로 나타내기 어려운 제한사항이 있다. 강재량뿐 아니라 용접 길이 수량 산출의 경우 객체의 Geometry 정보 중 선택적으로 추출하여 산출해야 하는데 이 방법은 일람표 산출이 어렵고, 결국 일람표만으로 모든 공종의 수량을 나타내기에는 제한사항이 많다. Figure 14의 도면의 사례와 같이 실제 모델과 직접적으로 연동되는 일람표의 특성을 활용하여 성과품으로 활용하기에 적합한 경우도 있지만, 전체 수량을 취합하여 표현하기에는 일람표보다는 별도의 프로그램 또는 플랫폼 개발 등이 효과적이다. 하지만 이러한 프로그램의 개발에 앞서 Dynamo를 활용하여 BIM 모델의 속성정보를 통해 수량 산출이 가능하며, 프로그램 개발보다는 비교적 쉽게 작성, 보완이 가능한 장점이 있다.

따라서 다양한 수량 산출 방법을 포함하여 모든 공종의 수량 산출이 가능하도록 Dynamo를 활용한 수량 산출 알고리즘을 작성하였다. 산출 방법은 BIM 모델 속성정보의 분류를 위해 산출하고자 하는 공종(Quantity Item) 별 분류 정보(Property for classification)를 Input Excel로 작성하고, 알고리즘 실행을 통해 BIM 모델을 기반으로 산출한 수량을 Output Excel로 작성한다. (Figure 17) 입력, 결과 양식으로 활용하는 Excel의 다양한 기능 활용이 가능하여 다양한 양식의 각 프로젝트별 공사비 산출을 위한 수량 취합 및 분류 등의 적용이 가능하다. 그리고 해당 알고리즘은 본 연구에서 수행하는 자켓 기초 유형 외에도 Input/Output Excel의 구성에 따라 다양한 활용이 가능하다.

Figure 17.

Quantity calculation process of BIM model using Excel and script library

4.3 자켓 기초 유형 BIM 모델 사례 및 사용성 검토

실무에서 진행 중인 프로젝트와 관련하여 관측소로 운영할 자켓 기초 유형의 모델링을 수행한 사례를 통해 개발한 라이브러리들의 사용성을 검토하였다. 먼저 2D로 중심선을 작도한 도면을 참고하여 입력값들을 구성하였으며, BIM 모델 생성 스크립트 라이브러리를 통해 Figure 18(a)와 같이 임시 모델링을 수행하였다. 그리고 X-braces로 작성된 브레이스를 Revit에서 한쪽 방향의 브레이스를 삭제하여 Z-braces의 형태로 수정하였다. 임의로 작성된 상부 트랜지션피스는 삭제하고 관측소로 사용할 플랫폼을 수작업으로 하여 모델링을 완료하였다(Figure 18). 스크립트 라이브러리 없이 모델링을 수행한다면 삭제한 트랜지션피스를 제외하고 총 66개의 부재를 Revit의 기준요소(레벨, 그리드)를 작성하여 배치하여야 하며, 라이브러리의 배치 또한 계산이 아닌 입력에 의한 배치로 정밀하지 못하다. 개략적으로 작업시간을 비교해 보아도 숙련된 작업자의 경우라 가정하여 반나절 이상 시간이 소요될 모델링이지만, 스크립트 라이브러리를 통해 알고리즘 실행 시간과 Revit내 간단한 작업으로 빠르고 정확하게 모델링을 완료할 수 있다. 또한 BIM 모델을 통한 설계검토와 구조해석을 통해 설계변경이 발생하는 경우를 고려하면 알고리즘을 활용한 작업시간의 생산성이 높다고 할 수 있다.

Figure 18.

Example of BIM model working procedure in a practical project

4.4 라이브러리를 활용한 실무 작업 절차 검토

작성한 라이브러리들을 실제 설계업무에 활용하기 위한 방안으로, 구조해석과 다양한 설계 기준 검토를 병행한 Figure 19과 같은 작업 절차로 활용이 가능하다.

Figure 19.

Practical workflow with stuructural analysis in offshore wind jacket type using BIM

먼저 격자형상을 구상하고, BIM 모델 작성을 위한 입력값(Grid Shape to Input)을 작성한다. 그리고 사전 작성한 라이브러리를 활용하여 BIM 모델을 생성(Create BIM Model) 하고, BIM 모델을 기반으로 스터브 간 최소 간격 기준과 부재간 각도 검토 등과 같은 설계검토 (Design check)를 수행한다. 설계검토 수행과 함께 프레임 해석(Frame Analysis)의 모델링에 대하여, 해당 해석프로그램의 텍스트 기반의 입력에 대응하는 입력 파일을 알고리즘을 통해 BIM 모델로부터 생성(Create Text Input) 한다. 그리고 상세 해석(Detail Analysis)에 필요한 형상 정보 데이터는 BIM 모델로부터 Revit에서 Export하여 작성(Export Geometry)이 가능하다. 두 가지 해석에 활용하는 입력 데이터는 Figure 20에 나타내었다. 이러한 절차는 모두 BIM을 활용한 자동 절차(Automatic Procedure by BIM)로 작업의 효율을 향상 시킨다. 또한 후속 작업인 프레임 해석과 상세 해석의 수행으로 구조해석에 의한 설계변경이 발생한 경우, 입력값 조절을 통해 반복적인 작업에 대한 효과를 확보할 수 있다.

Figure 20.

Output for analysis input by BIM model

5. 향후 연구 진행 방향 및 결론

본 연구에서는 2D 방식 설계의 한계를 극복하기 위하여 복잡한 형상의 해상풍력 자켓 기초 유형의 구조물에 대한 BIM 적용과 활용을 검토하였다. BIM 적용과 라이브러리 구축을 통해 해당 구조물의 성과품 품질의 향상과 함께 업무의 생산성을 확보하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 현재는 대상 구조물의 외관 형상제원에 대한 입력을 바탕으로 모델링을 수행하도록 구성하였으나 해상 및 지반 조건과 같은 설계조건을 바탕으로 외관 형상제원을 결정하는 방식의 기능을 향후 관리 모듈 개발 연구를 통해 수행할 예정이다. 또한, 연구대상 범위 제한과 개수가 많지 않은 라이브러리만을 제작하여 검토하였으나 향후 다양한 라이브러리를 개발하고 대상 범위를 확대하는 연구를 수행할 예정이다. 그리고 해상풍력 분야뿐만 아니라 다양한 토목분야에 이와 같은 방식의 접근으로 BIM 기반 성과품 작성의 활용이 가능할 것으로 기대된다.

BIM은 기본적으로 3D 모델링을 바탕으로 시작된다. 이러한 3D 모델링으로부터 디지털화가 이루어지고 디지털화를 바탕으로 기존 설계 방식에서 벗어나 복잡하고 다양한 설계 과정의 정보를 축적하고 창의적인 설계가 가능해질 것이다. 하지만 현재 실무에서 3D 모델링은 BIM Tool을 사용해야 하는 기존의 업무방식과의 차이와 2D 작업에서 고려하지 않던 부분까지 모델링을 고려해야 하는 등 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 특히 토목분야에서는 선형, 비정형 등의 특성으로 이러한 BIM 적용의 시작 단계에서부터 효율이 현저히 떨어진다.

따라서 객체 라이브러리, 스크립트 라이브러리 등과 같은 다양한 콘텐츠를 활용하여 기본적인 3D 모델링의 생산성 확보가 우선 해결해야 할 과제이며, 이러한 디지털화의 준비로 설계 분야와 함께 시공, 유지관리 등 건설 분야의 발전에 기여할 것이다.