Development of Dynamo Algorithm Based on BIM for Direct Sunlight Impact Analysis of Tunnel Outlet

Bareum Kwon; Chunho Yeom

doi:10.13161/kibim.2022.12.4.041

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Journal of KIBIM. 31 December 2022. 41-51
https://doi.org/10.13161/kibim.2022.12.4.041

Development of Dynamo Algorithm Based on BIM for Direct Sunlight Impact Analysis of Tunnel Outlet

BIM 기반 터널 출구부 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 개발

Bareum Kwon¹

Chunho Yeom²^*

권 바름¹

염 춘호²^*

¹정회원, 서울시립대학교 국제도시과학대학원

²정회원, 서울시립대학교 국제도시과학대학원 교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

BIM was introduced under the leadership of public institutions, and projects such as road, railway, and site creation, including BIM tasks, are currently being ordered. In addition, as the Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT) is pushing for the full design of BIM, public institutions under its jurisdiction are also pushing for the full design of BIM. Full design of BIM means that all designs are done with BIM. Public institutions' BIM guidelines only require BIM deliverables, and there is a limited direction for the BIM design process to respond to traditional design approaches. Therefore, it is necessary to develop a BIM-based design process corresponding to the full design of BIM.

Keywords

BIM

Direct Sunlight Impact Analysis

Dynamo

Tunnel

키워드

BIM

직광영향검토

Dynamo

터널

MAIN

1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 이론적 고찰
2.1 운전자에게 영향을 미치는 직광 시야각
2.2 태양의 고도 및 방위각 계산
2.3 평면직각좌표를 타원체면상의 경위도 좌표 변환
3. 직광영향검토 설계 기준 및 사례 분석
3.1 직광영향검토 설계 기준 및 절차
3.2 직광영향검토 사례 분석
4. 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 개발
4.1 직광영향검토를 위한 BIM 소프트웨어 선정
4.2 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 프로세스
4.3 BIM 기반의 도로 설계와 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 구성 및 실행
5. 결론

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

기술이 발전함에 따라 대부분의 산업분야는 지속적으로 생산성 향상이 동반되었다. 반면에 건설산업은 기술이 발전함에도 시설물의 거대화, 복잡화 등의 건설 환경 변화와 건설산업분야 전반의 낮은 디지털화 등으로 인하여 생산성이 오히려 떨어지고 있다. Figure 1에 따르면 대부분의 산업에서 디지털화의 수준과 생산성 증가율 수준이 비례하고 있다. 특히 건설분야는 낮은 디지털화와 낮은 생산성 증가율을 보이는 것으로 나타난다.

이러한 상황을 탈피하기 위해 해외에서부터 BIM을 도입하기 시작했으며 국내 건설산업분야도 BIM을 도입 및 활성화에 힘을 쏟고 있다. BIM은 Building Information Modeling의 약어로 시설물의 생애주기 시설물의 생애주기 동안 발생하는 모든 정보를 3차원 모델 기반으로 통합하여 건설 정보와 절차를 표준화된 방식으로 상호 연계하고 디지털 협업이 가능하도록 하는 디지털 전환(Digital Transformation) 체계를 의미한다. (MOLIT, 2020)

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Figure 1.

Lower digitization in construction relative to other industries has contributed to the productivity decline (Bughin et al., 2017)

국내 BIM은 공공기관을 중심으로 도입하였고 활성화를 위한 정책 및 제도를 추진 중에 있다. 특히 한국도로공사는 2011년 토목분야 공공기관 최초로 BIM 시범사업을 발주하였으며 시범사업의 분석과 검증을 토대로 2015년에는 고속도로의 BIM 설계 및 시공을 위한 Ex-BIM 가이드라인을 발간하였다. 뿐만 아니라 서울~세종 고속도로 건설사업의 설계, 시공에 BIM 과업을 포함하여 발주하였다. 초기 한국도로공사의 BIM 프로젝트는 기존 방식의 2D 설계를 진행 한 후에 BIM을 수행하는 전환설계 BIM과 기존 2D 설계와 BIM을 동시에 수행하는 병행설계 BIM 방식으로 BIM 프로젝트를 수행하였으나 2019년에는 대상~당진 고속도로(4공구) 건설사업의 기본 및 실시설계를 BIM 전면 설계로 발주하였다. BIM 전면설계는 ‘기본설계단계부터 실시설계까지 전 과정의 업무를 수행함에 있어 BIM 데이터를 통하여 설계도서를 작성하는 일련의 과정을 의미한다.

한국도로공사는 2020년 BIM 과업에 참여하는 업체가 BIM 전면설계를 수행할 수 있도록 ‘고속도로 스마트 설계지침’을 발간하였다. ‘고속도로 스마트 설계지침’은 ‘고속도로의 BIM 전면설계 성과품 납품에 필요한 기본 요구사항을 정하여, 체계적이고 일관된 형태의 BIM 데이터를 확보할 수 있도록 BIM 전면설계 수행 과정에 대한 일관된 절차를 규정하고, BIM 데이터와 스마트건설기술을 연계하여 최적의 설계 성과품을 도출하기 위한 목적’으로 작성되었다. 또한 ‘고속도로 스마트 설계지침’에는 BIM 데이터와 스마트 건설기술을 융합한 설계기법인 스마트설계에 대한 내용을 포함하고 있으며 기본설계 단계에서는 노선 선정, 무인비행장치 측량, 주민설명회 활용 등에 적용을 요구하고 있고 실시설계단계에서는 배수, 도로주행, 경관설계, 일조영향 시뮬레이션 등에 스마트 설계를 적용하도록 하고 있다.

국토교통부는 토목·건축 등 건설산업 전반에 ‘2025년 전면 BIM 설계’를 목표로 BIM 관련 정책 및 연구개발 등을 적극 추진중이며, 한국도로공사 또한 그에 발맞춰 고속도로 건설사업을 BIM 전면설계로 발주하고 있다. 그러나 ‘고속도로 스마트 설계지침’에서는 전면설계와 BIM 모델 기반의 스마트 설계 등을 요구하는데 요구사항에 대한 내용만을 포함하고 있어 실제 BIM을 수행해야 하는 업체는 스마트 설계를 수행하기 위해서 스마트 설계를 위한 BIM 소프트웨어를 자체적으로 개발을 하거나 적합한 BIM 소프트웨어를 찾아서 국내 설계 기준과 적합한지를 검증하고 BIM 기반의 프로세스를 개발해야 하는 실정이다.

한국토지주택공사는 BIM 과업을 포함하여 발주한 단지 조성 사업 중 일부 사업에 대하여 BIM 과업에 한하여 타절 중에 있다. 그 이유 중 하나로는 현 지침하에 수행되는 BIM 프로젝트의 효과가 미비하다가 판단하였기 때문이다. 한국토지주택공사는 관련 BIM 지침을 보완 후에 단지조성사업에 BIM 과업을 포함하여 발주할 예정이다.

앞서 언급한 것과 같이 토목분야 공공기관에서 BIM 과업을 포함한 건설사업을 발주하고 있지만 그 효과가 미비한 것으로 판단되고 있다. 이는 낮은 디지털화에 있다고 판단된다. BIM 기반의 설계를 함으로 설계 데이터가 BIM 모델에 포함되어 구축되고 구축된 BIM 데이터를 기반으로 한 설계 및 검토를 수행해야 최적의 성과를 도출하고 생산성을 향상시킬 수 있는데 대부분의 공공기관에서 발간한 지침들에는 BIM에 대한 정의 및 요구사항만을 제시하고 있고 BIM 기반의 프로세스는 준비되지 않았기 때문이다.

이에 본 연구에서는 BIM 기반의 터널 출구부 직광영향검토 알고리즘 개발을 통해 설계단계에서 활용할 수 있는 프로세스를 개발하고자 한다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 BIM 소프트웨어를 활용하여 도로의 평면 및 종단 계획에 따른 터널 구조물 계획 수립 시 터널 출구부의 직광 영향을 검토할 수 있는 Dynamo 알고리즘을 개발하고자 한다.

터널 출구부의 직광 영향 검토를 위한 Dynamo 알고리즘 개발을 위해 현재 고속도로 설계 시 직광 영향 검토 설계 흐름을 분석하였다. 직광 영향 검토는 도로 노선에 대한 평면 및 종단계획이 완료되고 터널 위치를 검토한 후에 터널 출구부에 대한 직광 영향 검토를 수행한다. 운전자의 시야 방향과 태양광의 방향을 수평 방향 및 수직방향으로 비교하여 그 교차 각도의 정도에 따라 수평 및 수직 위험 범위, 영향 범위, 영향 범위 외로 구분할 수 있으며 범위의 정도에 따라 선형을 변경하거나 직광 차단시설 설치를 검토해야 한다. 그러므로 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘은 운전자의 시야 방향과 태양 광선의 방향의 교차 각도를 산출하도록 작성하였다.

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Figure 2.

Horizontal and vertical directions of the driver's field of view

개발한 Dynamo 알고리즘은 운전자의 시야 방향 중 수평 방향은 Figure 2와 같이 평면선형에서 터널 출구부 위치의 접선방향으로 추출하였으며 수직 방향은 종단 선형의 접선 방향을 추출하도록 작성하였다.

또한 태양광의 방향 중 수평 방향은 Figure 3과 같이 태양의 방위각을 계산하여 추출하였으며 수직 방향은 고도각을 계산하여 추출하였다. 운전자 시야 방향의 수평, 수직 방향과 태양광의 수평, 수직 방향을 각각 비교 및 교차 각도를 산출하여 위험범위, 영향범위, 영향 범위 외로 구분하도록 Dynamo 알고리즘을 구축하였다.

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Figure 3.

The horizontal and vertical directions of sunlight

2. 이론적 고찰

2.1 운전자에게 영향을 미치는 직광 시야각

본 연구는 터널 출구부의 직광영향 검토에 관한 연구로써 운전자 시야에 영향을 미치는 직광 시야각에 대해서 분석하였다.

운전자의 광안성(Acuity)은 물체를 볼 때의 분명성을 일컫는 용어로 이 광안성은 운전자 시선의 중심선을 기준으로 양방향 3°이내일 경우 가장 뚜렷이 물체를 볼 수 있고 양방향으로 약 10°까지는 물체를 양호하게 식별할 수 있다. (Lee et al., 2001) 그래서 운전자 시야의 중심선을 기준으로 수평, 수직 양방향으로 10° 이내에 진입하는 태양광을 직광으로 정의하였다. (Kim et al., 2012)

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Figure 4.

Visual Angle of Driver (Kim et al., 2012)

2.2 태양의 고도 및 방위각 계산

태양의 방위각은 Figure 3과 같이 태양광을 수평면에 투영한 선과 남북의 축이 이루는 각으로서 운전자 시야의 수평 방향, 즉 터널 출구부 위치의 평면 선형 접선 방향과 비교하여 교차각을 산출하는데 필요하며 고도각은 태양광선이 지표면과 이루는 각으로 운전자 시야의 수직 방향과 비교하여 교차각을 산출하는데 활용할 수 있다.

본 연구에서는 태양의 고도 및 방위각 계산을 위한 다양한 수식 모델중에 PV CDROM(태양광 개론)에서 제시하고 있는 수식 모델을 적용하였다.

2.2.1 태양 적위(Solar declination) 계산

태양 적위는 적경과 함께 태양의 위치를 표현하는 좌표의 하나로 가상의 구체인 천구의 적도를 기준으로 태양의 위치를 잰 각도이다. 태양 적위(δ)는 지구의 공전으로 인하여 지속적으로 변화하며 춘분, 추분에는 황도와 천구 적도가 접하므로 적위(δ)는 0°이며 북반구는 하지에 23.45°로 최대가 되며 동지에는 –23.45°로 최저가 된다. 남반구에서는 반대의 값을 가진다. 태양 적위 계산식은 (식 2-1)과 같다.

(2-1)

δ = \sin^{- 1} \{\sin (23.45 °) \sin [\frac{360}{360} (d - 81)]\}

여기서, d는 연중 날짜의 수로 1월 1일은 d=1 이다.

2.2.2 지방 태양시, 균시차, 시간각도 계산

1. 지방 태양시(Local Solar Time) 계산

일반적으로 태양이 특정 위치에서 동일 위치까지 도달하는데 걸리는 시간을 하루라고 정의하고 24시간으로 구분하여 사용한다. 그러나 지구 자전축이 기울어져 있고 지구의 공전궤도가 타원궤도로 궤도의 운동속도가 일정치 않기 때문에 실제 하루의 길이는 매일 변한다. 실제 태양의 위치로 측정된 시간, 해시계를 이용하여 측정된 시간을 진태양시라고 한다. 진태양시의 길이는 일정치 않으므로 진태양시의 평균으로 사용하는 것이 평균태양시이다. 이때 특정 지역의 진태양시를 지방 태양시(Local Solar Time : LST)로 정의할 수 있으며 지방 태양시는 (식 2-2)와 같이 산출한다.

(2-2)

L S T = L T + \frac{T C}{60}

여기서, LT는 지방 시각(Local Time : LT)으로 지방 평균태양시이다. 또한 TC는 주어진 시간대의 경도 변화에 따른 지방 태양시(LST)의 변화를 보정하기 위한 시각 보정 계수(Time Correction Factor : TC)로 (식 2-3)과 같이 산출한다.

(2-3)

T C = 4 (L o n g i t u d e - L S T M) + E o T

여기서 $L o n g i t u d e$ 는 해당 지역의 경도이며 $L S T M$ (Local Standard Time meridian : LSTM)은 지방 표준 시간 자오선을 의미하며 EoT는 균시차를 의미한다. 지방 표준 시간 자오선은 (식 2-4)와 같이 산출한다.

(2-4)

L S T M = 15 ° \times ∆ T_{G M T}

여기서 $∆ T_{G M T}$ 는 그리니치 표준시 (Creenwich Mean Time)과 지방 시각(LT)의 시간차를 의미하며 360°를 24시간으로 나눈 15°를 곱하여 지방 표준 시간 자오선을 계산한다.

2. 균시차(Equation of Time) 계산

균시차(Equation of Time : EoT)는 일반적으로 사용하는 평균 태양시와 실제 태양의 위치로 측정되는 진태양시와의 차를 의미하며 (식 2-5)와 같이 산출한다.

(2-5)

E o T = 9.87 \sin (2 B) - 7.53 \cos (B) - 1.5 \sin (B)

여기서, $B = \frac{360}{365} (d - 81)$ 이고, d는 연중 날짜의 수이다.

3. 시간 각도(Hour Angle) 계산

지구의 자전운동은 24시간 동안 360°를 회전하기 때문에 1시간은 15°에 해당된다고 볼 수 있다. 태양 정오의 시간 각도를 0°으로 정의할 때 시간 각도(Hour Angle : HRA)와 지방 태양시(LST)는 (식 2-6)과 같이 산출할 수 있다.

(2-6)

H R A = 15 ° \times (L S T - 12)

2.2.3 태양 고도 및 방위각 계산

Figure 3과 같이 태양의 고도각은 수평선을 기준으로 태양의 높이를 각도로 나타낸 것으로 일출 및 일몰 시에 고도각은 0°이고 정오에 최대가 된다. 태양의 고도각( $α$ )은 (식 2-7)로 계산한다.

(2-7)

α = \sin^{- 1} [\sin δ \sin ϕ + \cos δ \cos ϕ \cos (H R A)]

여기서 $δ$ 는 태양 적위, $ϕ$ 는 위도이다.

Figure 3과 같이 태양의 방위각은 태양광의 방향과 정북방향이 이루는 각도를 말하며 춘분, 추분의 일출시 방위각은 90° 일몰시 방위각은 270°이며 정오에는 0°이다. 태양의 방위각(Azimuth)는 (식 2-8)과 같이 산출한다.

(2-8)

A z i m u t h = \cos^{- 1} [\frac{\sin δ \cos ϕ - \cos δ \sin ϕ \cos (H R A)}{\cos α}]

여기서 $δ$ 는 태양 적위, $ϕ$ 는 위도, $α$ 는 고도각이다. (식 2-8)은 오전일 경우 그대로 적용하고 오후일 경우에는 360°- $A z i m u t h$ 값을 적용한다.

2.3 평면직각좌표를 타원체면상의 경위도 좌표 변환

일반적으로 도로 설계를 수행할 때 기본이 되는 지형 데이터는 국토정보플랫폼에서 제공하는 수치지도 또는 항공측량으로 획득된 측량 데이터를 활용한다. 이러한 지형 데이터는 CAD에서 활용할 수 .dwg 포맷으로 제공되며 임의의 점의 위치를 표현하기 위해 남북측을 X축, 동서축을 Y으로 하는 평면 직각 좌표계를 기반으로 구축되어 있다. 본 연구에서는 터널 출구부의 직광 영향 검토에 관한 연구로 터널 위치 수립 시의 터널 출구부의 좌표는 X, Y 좌표로 추출할 수 있다. 터널 출구부의 태양 고도 및 방위각을 계산하기 위해서는 해당 위치의 경위도 값이 필요하기 때문에 평면직각좌표를 경위도로 변환하기 위한 계산식이 필요하다. 그렇기 때문에 국국토지리정보원에서 고시한 공공측량 작업규정의 투영변환식을 활용하였으며 평면직각좌표를 타원체면상의 경위도 좌표 변환 투영식은 다음과 같다.

(2-9)

ϕ = ϕ_{1} - \frac{N_{1} \tan ϕ_{1}}{R_{1}} \times [\frac{D^{2}}{2} - \frac{D^{4}}{24} (5 + 3 T_{1} + 10 C_{1} - 4 C_{1}^{2} - 9 e'^{2}) + \frac{D^{6}}{720} (61 + 90 T_{1} + 298 C_{1} + 45 T_{1}^{2} - 252 e'^{2} - 3 C_{1}^{2})]

(10)

λ = λ_{0} + \frac{1}{\cos ϕ_{1}} [D - \frac{D^{3}}{6} (1 + 2 T_{1} + C_{1}) + \frac{D^{5}}{120} (5 - 2 C_{1} + 28 T_{1} - 3 C_{1}^{2} + 8 e'^{2} + 24 T_{1}^{2})]

(11)

M_{0} = a \cdot {(1 - \frac{e^{2}}{4} - \frac{3 e^{4}}{64} - \frac{5 e^{6}}{256}) ϕ_{0} - (\frac{3 e^{2}}{8} + \frac{3 e^{4}}{32} + \frac{45 e^{6}}{1024}) \sin 2 ϕ_{0} + (\frac{15 e^{4}}{256} + \frac{45 e^{6}}{1024} \sin 4 ϕ_{0} - \frac{35 e^{6}}{3072} \sin 6 ϕ_{0})}

(2-12)

M = = M_{0} + \frac{(X - ∆ X)}{K_{0}}

(2-13)

e^{2} (제 1 이심률) = \frac{a^{2} - b^{2}}{a^{2}}

(2-14)

e^{' 2} (제 2 이심률) = \frac{a^{2} - b^{2}}{b^{2}}

(2-15)

μ_{1} = \frac{M}{a \cdot (1 - \frac{e^{2}}{4} - \frac{3 e^{4}}{64} - \frac{5 e^{6}}{256})}

(2-16)

e_{1} = \frac{1 - \sqrt{1 - e^{2}}}{1 + \sqrt{1 - e^{2}}}

(2-17)

ϕ_{1} = μ_{1} + (\frac{3 e_{1}}{2} - \frac{27 e_{1}^{3}}{32}) \sin 2 μ_{1} + (\frac{21 e_{1}^{2}}{16} - \frac{55 e_{1}^{4}}{32}) \sin 4 μ_{1} + (\frac{151 e_{1}^{3}}{96}) \sin 6 μ_{1} + (\frac{1097 e_{1}^{4}}{512}) \sin 8 μ_{1}

(2-18)

R_{1} = \frac{a \cdot (1 - e^{2})}{1 - e^{2} \sin^{2} ϕ_{1}^{3 / 2}}

(2-19)

C_{1} = e'^{2} \cos^{2} ϕ_{1}

(2-20)

T_{1} = \tan^{2} ϕ_{1}

(21)

N_{1} = \frac{a}{\sqrt{1 - e^{2} \sin^{2} ϕ_{1}}}

(2-22)

D = \frac{Y - ∆ Y}{N_{1} \cdot k_{0}}

여기서, $ϕ$ : 위도, $λ$ : 경도, $λ_{0}$ : 투영원점 경도

$a$ : 타원체 장반경, $f$ : 편평률,

$b$ : 타원체 단반경( $= a (1 - f)$ ),

$R_{1}$ : 위도 $ϕ_{1}$ 에서의 자오선의 곡률 반경,

$N_{1}$ : 위도 $ϕ_{1}$ 에서의 모유선의 곡률 반경,

$k_{0}$ : 원점축적계수,

$∆ Y$ : $Y$ 측( $E a s t$ ) 원점 가산값,

$∆ X$ : $X$ 측( $N o r t h$ ) 원점 가산값,

$Y$ : $T M$ 좌표( $E a s t$ ),

$X$ : $T M$ 좌표( $N o r t h$ ),

$M_{0}$ : 투영원점에 대한 자오선호장

3. 직광영향검토 설계 기준 및 사례 분석

3.1 직광영향검토 설계 기준 및 절차

한국도로공사는 터널 출구부 교통사고 중에 70%가 직광이 발생하는 터널에서 사고가 발생하는 것으로 분석하였다. (Korea Expressway Corporation, 2014) 이에 고속도로 터널 출구부의 태양 직광 영향에 의한 교통사고 위험을 최소화하기 위해 설계절차 및 차단시설 설치기준을 수립하였다.

연중 태양 궤적 분포를 분석한 결과 Figure 5와 같이 나타났으며 터널 출구부가 동·서측으로 각 60° 범위에 포함될 시 일출 또는 일몰시에 직광 영향으로 인한 사고 발생 위험 소지가 있다고 판단하였다.

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Figure 5.

Solar trajectory distribution map (Korea Expressway Corporation, 2014)

그래서 한국도로공사는 태양 궤적 분포를 토대로 터널 출구부의 방향이 동·서측 각 60° 범위에 포함되는 터널에 대해서 직광 영향 검토를 하도록 기준을 수립하였다. 직광 인지 각도를 주요시야각 3° , 양호시야각 10° 로 설정하고 직광 인지 각도에 따라 Table 1과 같이 3개 상태로 구분하여 설계토록 하였다.

Table 1.

Distinguished design based on direct sunlight recognition angle

Sort	Direct sunlight Hazard Range	Direct Sunlight Impact Range	Other range
verticality	Within 3° (Upward)	3° ~ 10° (Upward)	10° ~ (Upward)
horizontality	Within 3° (both sides)	3° ~ 10° (both sides)	10° ~ (both sides)

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Figure 6.

Design flow of direct sunlight impact analysis (korea expressway corporation, 2014)

직광 영향 검토는 도로 선형 계획단계에서 수행하도록 하고 있다. 도로 노선에 대한 평면 및 종단 선형계획이 완료되면 터널의 위치 검토가 가능하며 이때 터널 위치가 동·서측 각 60° 범위에 포함되면 직광 영향 검토를 한다. 직광 영향 검토 결과가 영향 범위 외에 해당되면 선형 및 터널 위치의 변경 없이 설계를 진행하며 영향 범위 안에 해당될 시에는 직광 영향을 상세 분석 후에 도로 전광 표지판(VMS) 등의 안내표지 설치 및 필요시 차단시설 설치를 검토해야 한다. 직광 영향이 위험 범위 안에 해당될 시에는 평면 및 종단선형을 변경한 후 직광 영향 검토를 재수행하거나 선형 변경이 불가피한 경우는 차단시설 설계를 수행해야 한다. Figure 6은 직광영향 검토 설계 흐름을 나타낸다.

3.2 직광영향검토 사례 분석

BIM 기반의 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 개발을 위해 기존 고속도로 설계사업에서 수행한 직광 영향 검토 사례를 분석하였다. 분석한 고속도로 설계 사업은 Table 2와 같다.

Table 2.

Road design project performed direct sun impact analysis

Project name		Analysis tunnel name
A	Daegu Circular Highway Construction	Joongdong Tunnel, Budong Tunnel
B	Pohang to Yeongdeok Expressway Construction	Namjeong 1 Tunnel, Namjeong 2 Tunnel, Namjeong 3 Tunnel
C	Saemangeum to Jeonju Expressway Construction (7th District)	Godeok 1 Tunnel, Godeok 2 Tunnel
D	Sejong to Pocheon Expressway Construction	ipjang 1 Tunnel, ipjang 2 Tunnel, ipjang 3 Tunnel
E	Saemangeum to Jeonju Expressway Construction (5th District)	iseo 2 Tunnel, mokryeon Tunnel

B, D, E 도로 건설사업은 터널 출구부가 동·서측 각 60° 범위에 포함되지 않아 직광 영향 검토를 수행하지 않았다. 일반적으로 Figure 7과 같이 정확한 좌표로 설계된 평면도에서 터널 출구부에 4방위표를 위치시켜 동·서측을 기준으로 각 60°에 터널 출구부의 포함여부를 판별하였다.

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Figure 7.

Direct sunlight impact analysis of road design project E

A 도로 건설사업도 B, D, E 도로 건설사업과 마찬가지로 Table 3과 같이 직광 발생 여부를 검토하였다. 직광이 발생하는 중동터널 종점부에 대해서는 직광저감시설 설치기준을 따라 설계를 수행하였다.

Table 3.

Direct sunlight impact analysis of road design project A

Tunnel name	Tunnel exit location		Angle (Start Point / End Point)	Direct sunlight generation (Start point / End point)
Tunnel name	Start point	End point	Angle (Start Point / End Point)	Direct sunlight generation (Start point / End point)
Joongdong Tunnel,			145°/296°	X / O
Budong Tunnel			136°/329°	X / X

C 도로 건설사업도 다른 도로 건설사업과 마찬가지로 동·서측을 기준으로 각 60°에 터널 출구부의 포함 여부로 직광 여부를 판단하였고 수평, 수직 방향에 대한 직광 영향을 검토하였다. 검토 결과 수평 영향은 10° 이상으로 영향 범위 외로 분석하였고 수직 방향에 대한 직광 영향검토는 3°∼10°로 영향 범위에 해당한다고 판단하였다.

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Figure 8.

Direct sunlight impact analysis of road design project C

고속도로 건설사업의 직광영향검토 사례를 분석한 결과 한국도로공사의 설계기준에 따르면 Table 1과 같이 직광 인지각도에 따라 구분 설계를 제시하고 있지만 일부 건설사업은 직광 영향 범위를 구분하지 않았고 구분 설계를 수행한 고속도로 건설사업도 직광 인지각도가 어떠한 근거에 의해 산출되었는지 명확하지 않다. 그렇기 때문에 BIM 기반의 직광 영향 검토 프로세스 개발을 통해 BIM 전면 설계에 대응하고 신속하고 정확한 직광 영향 검토를 수행하여 설계 품질을 향상시켜야 한다.

4. 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 개발

4.1 직광영향검토를 위한 BIM 소프트웨어 선정

BIM 기반의 터널 출구부의 직광영향검토를 수행하기 위해서는 도로 선형 설계가 가능한 BIM 소프트웨어가 필요하며 구축된 BIM 선형 설계 데이터를 기반으로 직광 영향 검토 할 수 있는 알고리즘 개발이 필요하다.

본 연구에서는 도로 선형 설계를 위한 BIM 소프트웨어로 Autodesk사의 Civil 3D를 선정하였고 알고리즘 개발을 위한 소프트웨어로 Autodesk사의 Dynamo를 선정하였다.

Civil 3D는 토목분야 BIM 설계에 적합한 소프트웨어 중의 하나로 3차원 지형 모델링, 도로 및 철도의 평면 및 종단 설계, 3차원 도로, 철도 모델 구축, 배수 설계, 부지 설계, 도면 제작, 물량 산출 등의 기능을 가지고 있다. 이 중 도로 평면 및 종단 선형에 대한 BIM 데이터 구축이 가능하기 때문에 BIM 기반의 터널 출구부 직광 영향 검토에 적합하다고 할 수 있다.

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Figure 9.

Autodesk civil 3D

본 연구에서 Autodesk사의 소프트웨어를 선정한 가장 큰 이유는 Dynamo라고 할 수 있다. Dynamo는 시각적 프로그래밍 소프트웨어로 Autodesk사의 BIM 소프트웨어와 연동되어 알고리즘을 개발할 수 있다. 기존 CAD를 활용하여 설계를 수행했던 엔지니어들이 생산성을 향상시키기 위해 활용했던 프로그래밍 언어인 LISP과 비슷한 개념이다. Dynamo를 활용하여 터널 출구부의 평면직각좌표를 경위도 좌표로 변환하는 계산식을 구축할 수 있고 태양의 고도 및 방위각에 대한 계산식을 작성할 수 있다. 또한 Civil 3D에서 작성된 선형에 대한 정보, 즉 평면 및 종단 선형 지오메트리에서 터널 출구부 위치의 접선 방향 추출이 가능하며 이를 운전자의 시야 방향으로 정의하여 계산된 고도 및 방위각과의 교차 각도를 산출할 수 있다. 또한 Civil 3D를 활용하여 도로 평면 및 종단 선형 계획이 완료된 후 실행하여 직광 영향 검토를 즉시 수행할 수 있다. 그러므로 터널 출구부 직광 영향 검토를 위한 소프트웨어로 Civil 3D와 Dynamo를 선정하였다.

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Figure 10.

Autodesk dynamo

4.2 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 프로세스

터널 출구부의 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘 프로세스는 Figure 11과 같다. BIM 기반의 직광 영향 검토 설계 프로세스는 Civil 3D를 활용한 도로 선형 설계부터 시작된다. 항공측량이 완료되기 전에는 공간정보플랫폼에서 제공하는 수치지도를 활용하고 항공측량이 완료된 후에는 항공측량 데이터를 활용하여 3차원 지형을 구축한다. 3차원 지형 위에 평면 선형 계획을 수립 후 종단 선형 계획을 수립한다. 종단 선형 계획까지 완료되면 터널 위치를 계획할 수 있게 된다. Civil 3D를 활용한 도로 평면 및 종단 선형 계획이 수립되면 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘을 실행한다.

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Figure 11.

Dynamo algorithm process for direct sunlight impact analysis

직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘를 실행하면 선택된 도로 선형의 지오메트리를 가져오고 터널 출구부의 도로 측점을 입력하면 출구부의 위치에서의 평면직각좌표의 X, Y 좌표를 추출한다. 또한 추출된 터널 출구부의 좌표값과 선형의 지오메트리에서 평면 선형의 접선 방향과 종단 선형의 접선 방향을 계산한다. 이렇게 추출된 수평, 수직 벡터는 운전자의 시야의 수평, 수직 방향으로 정의할 수 있다.

앞서 추출된 터널 출구부의 평면직각좌표의 X, Y좌표는 입력된 지적 측량 데이터의 지구 타원체 제원과 투영원점 값과 함께 평면직각좌표를 경위도로 변환하는 투영 변환식으로 터널 출구부의 경위도 좌표가 계산된다. 계산된 경위도 좌표와 입력된 분석기간, 분석시간으로 태양의 고도 및 방위각을 계산하고 이를 태양광의 수평, 수직 방향을 나타낸다.

마지막으로 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘은 운전자 시야의 수평, 수직 방향과 태양광의 수평, 수직 방향의 교차 각도를 계산하여 직광 영향, 위험범위를 판단한다. 그리고 직광영향, 위험범위에 해당하는 시간, 교차 각도 등의 결과값을 EXCEL 파일 형식으로 추출한다.

4.3 BIM 기반의 도로 설계와 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 구성 및 실행

4.3.1 BIM 기반의 도로 설계

터널 출구부의 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘을 개발하기 위해 BIM 소프트웨어인 Civil 3D를 활용하여 도로 설계를 진행하였다. 도로 설계를 위해서는 기본적으로 지형 측량 데이터가 필요하여 지형 측량 데이터는 공간정보플랫폼에서 제공하는 수치지도를 활용하여 3차원 지형을 구축하였다.

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Figure 12.

Geospatial information platform

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Figure 13.

Create 3D topography

BIM 기반의 도로 설계를 위해 활용된 수치지도는 1:5000 축척, GRS80 좌표체계, 중부원점 기준으로 제작되었다.

3차원 지형을 구축 후에 터널이 발생할 수 있도록 임의의 위치에 도로 평면 선형 계획과 종단 선형 계획을 수립하였다.

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Figure 14.

Alignment and profile design

4.3.2 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 매개변수

직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘은 설계에 활용되는 설계 데이터의 특성과 여러 노선 검토 상황에서도 터널 출구부에 대한 직광 영향 검토가 가능하도록 작성되었다. 예를 들어 국내 도로 설계에 활용되는 대부분의 지적 측량 데이터는 Bessel 또는 GRS80 좌표 체계를 기준으로 제작되고 서부, 중부, 동부원점의 투영원점을 가지고 있기 때문에 각각의 타원체에 대한 제원을 입력할 수 있도록 매개변수를 구성하였으며 투영원점도 입력할 수 있도록 하였다. 또한 여러 도로 노선에 대한 직광 영향 검토를 수행할 때 노선에 따라 터널 위치가 달라지고 도로의 측점도 달라지기 때문에 도로 측점을 입력하여 터널 위치를 설정할 수 있도록 매개변수를 구성하였다. Table 4은 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘에 구성된 매개변수이다.

직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘의 매개변수는 텍스트 및 실수 형식으로 입력하며 분석기간을 제외한 다른 매개변수는 실수 형식으로 입력한다.

Table 4.

Dynamo algorithm parameters

Parameters		Default Value	purpose
Analysis period	Analysis Start Date	“2021-01-01”	Calculating Solar Altitude Angle and Azimuth Angle
Analysis period	Analysis End Date	“2021-12-31”	Calculating Solar Altitude Angle and Azimuth Angle
Projection origin	Latitude	38	transfer orthogonal coordinate system to longitude and latitude coordinate system
Projection origin	longitude	127
ellipsoid specifications	Scale factor	1
	Major Semi－Axis	6378137
	flattening	1/298.257222101
	X-axis add-in value from origin	600000
	Y-axis add-in value from origin	200000
Station	Start point station of tunnel	580	Extract X, Y coordinates at tunnel exit
	End point station of tunnel	2800
	Starting station of an alignment	0

4.3.3 직광영향검토 Dynamo 알고리즘 실행 결과

BIM 기반의 도로 설계를 수행한 후 Dynamo 안에서 Table 3과 같이 매개변수 기본 값을 입력하고 실행을 수행하였다. Dynamo는 Figure 15와 같이 알고리즘 실행 결과를 시각적으로 나타낸다.

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Figure 15.

Visual representation of dynamo

터널 출구부 직광 영향 검토 Dynamo 알고리즘은 앞서 언급했던 것과 같이 터널 출구부 위치의 운전자 시야의 수평, 수직방향과 태양광의 수평, 수직 방향의 교차 각도를 계산한다. 첫번째로 운전자 시야의 수평 방향과 태양광의 수평 방향의 교차각도를 계산하여 3°~10°안에 포함되면 수평 영향 범위로 판단하고 3°이내에 포함되면 수평 위험 범위로 판단한다. 두 번째로 수평 영향, 위험 범위에 해당하는 운전자 시야 방향과 태양광의 방향에 대하여 수직 방향에 대한 교차 각도를 계산하여 수평 방향과 마찬가지로 수직 영향 및 위험 범위를 판단하고 최종적으로 결과값을 Figure 16과 같이 EXCEL 파일 형식으로 추출한다.

추출된 EXCEL 형식의 파일에서는 분석일자, 위치, 수평각도, 수평분석결과, 수직각도, 수직분석결과, 위도, 경도, 방위각, 고도각을 산출하도록 Dynamo 알고리즘을 작성하였다. 분석일자는 수평 및 수직 영향 범위, 위험 범위 안에 있을 때의 연월일과 시간에 대한 값을 나타낸다. 위치는 터널 출구부의 시점 및 종점 위치를 나타내고 수평 및 수직각도 운전자 시야와 태양광의 교차 각도를 나타낸다. 위도 및 경도 터널 출구부의 위치를 나타내며 방위각과 고도각은 태양의 방위각과 고도각을 나타낸다.

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Figure 16.

Direct sunlight impact analysis algorithm execution results

또한 직광영향검토 Dynamo 실행 시에 Figure 17과 같이 수평, 수직 영향 범위 및 위험 범위에 포함되는 태양광의 방향과 태양의 위치를 Civil 3D의 선과 솔리드 객체로 작성하여 시각적인 검토가 가능하다.

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Figure 17.

Visualization of sunlight in the direct sunlight impact range with civil 3D

5. 결론

국내 건설분야 공공기관이 점진적으로 BIM 도입하였고 지속적으로 건설사업의 설계단계에 BIM 과업 내용을 포함하여 발주하고 있다. 국토교통부는 2025년까지 BIM 전면 설계를 추진 중에 있으며 한국도로공사, 한국토지주택공사 등의 공공기관 또한 마찬가지이다. 이들 공공기관은 공통되고 체계적인 BIM 성과를 확보하기 위해 BIM 지침 또는 가이드라인을 발간하여 그에 맞춰 BIM 수행을 요구하고 있다. 그러나 BIM 지침 및 가이드라인에는 BIM 기반의 설계 수행에 대한 요구사항만 있을뿐 수행 방법에 대한 방향 제시는 없기 때문에 BIM 과업을 수행하는 엔지니어링사 또는 업체는 BIM 전면 설계에 대한 부담을 가지고 있다. 게다가 BIM 과업을 발주하는 발주처는 현재 설계단계에서 수행하는 BIM의 효과가 미비하다고 판단하고 있다. 일부 공공기관은 발주한 BIM 사업을 타절 하고 있는 실정이다.

국내 토목분야 설계단계에서 CAD를 활용하기 시작하면서부터 각 분야의 생산성을 향상을 위해 CAD 기반의 다양한 소프트웨어들이 개발되었고 발주처의 성과품으로 납품되고 있다. 예를 들어 도로 및 철도설계분야는 도로 및 철도 선형 설계를 위해 민간에서 개발한 소프트웨어를 대부분 활용하고 있다. 구조분야에서는 구조해석을 위한 소프트웨어를 활용하고 내역 성과를 제출하기 위해 내역 프로그램을 활용한다. 현재의 설계 성과들을 만들기 위해 지속적은 소프트웨어 발전이 있었음을 간과해서는 안된다.

BIM도 마찬가지의 과정이 필요하다. 국내 토목분야 BIM 프로젝트들은 대부분 외산 소프트웨어를 활용하여 BIM 데이터를 구축하고 있다. 그렇기 때문에 국내 설계 프로세스에 적합한 결과들을 만들어 내지 못하는 상황이다. 국내 토목분야의 BIM 전면 설계를 수행하기 위해서는 기존 설계 프로세스에 대응할 수 있는 BIM 기반의 설계 프로세스가 개발되어야 하고 생산성을 향상시키고 발주처가 요구하는 성과를 추출할 수 있는 소프트웨어 개발도 이루어져 한다.

본 연구는 한국도로공사에서 발간한 ‘고속도로 스마트 설계 지침’의 스마트 설계에서 요구하고 있는 사항 중에 터널 출구부 직광 영향 검토를 BIM 기반으로 수행하기 위한 것이다. BIM 설계를 기반으로 직광 영향 검토 프로세스를 개발하였고 Dynamo 알고리즘 개발을 통해 설계단계에서 도로 선형 계획 수립 후에 즉각적으로 직광 영향 검토를 수행할 수 있도록 하였다. 앞으로도 기존 설계 프로세스를 대응할 수 있는 BIM 기반의 설계 프로세스 및 소프트웨어 개발을 하는 것이 작게는 BIM 효과를 향상시키고 크게는 건설산업 전반의 생산성 향상에 기여할 것이다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2020S1A5C2A01092978).

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

Preview

Development of Dynamo Algorithm Based on BIM for Direct Sunlight Impact Analysis of Tunnel Outlet

ABSTRACT

MAIN

Figure 1.

Lower digitization in construction relative to other industries has contributed to the productivity decline (Bughin et al., 2017)

Figure 2.

Horizontal and vertical directions of the driver's field of view

Figure 3.

The horizontal and vertical directions of sunlight

Figure 4.

Visual Angle of Driver (Kim et al., 2012)

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

(2-6)

(2-7)

(2-8)

(2-9)

(10)

(11)

(2-12)

(2-13)

(2-14)

(2-15)

(2-16)

(2-17)

(2-18)

(2-19)

(2-20)

(21)

(2-22)

Figure 5.

Solar trajectory distribution map (Korea Expressway Corporation, 2014)

Table 1.

Distinguished design based on direct sunlight recognition angle

Figure 6.

Design flow of direct sunlight impact analysis (korea expressway corporation, 2014)

Table 2.

Road design project performed direct sun impact analysis

Figure 7.

Direct sunlight impact analysis of road design project E

Table 3.

Direct sunlight impact analysis of road design project A

Figure 8.

Direct sunlight impact analysis of road design project C

Figure 9.

Autodesk civil 3D

Figure 10.

Autodesk dynamo

Figure 11.

Dynamo algorithm process for direct sunlight impact analysis

Figure 12.

Geospatial information platform

Figure 13.

Create 3D topography

Figure 14.

Alignment and profile design

Table 4.

Dynamo algorithm parameters

Figure 15.

Visual representation of dynamo

Figure 16.

Direct sunlight impact analysis algorithm execution results

Figure 17.

Visualization of sunlight in the direct sunlight impact range with civil 3D

Acknowledgements

References