1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

건설공사의 설계 및 시공 단계에서 시설물의 안전 및 품질 수준을 향상시키고 공사 비용을 절감하는 등의 목표를 달성하기 위해, 설계자와 시공자를 포함한 모든 이해 관계자는 반드시 국가 건설기준을 준수하며 공사를 진행해야 한다(Kwon et al., 2015). 국가 건설기준은 국가건설기준센터(Korea Construction Standards Center)의 주관하에 지속적으로 제·개정되어 체계적으로 관리 및 배포되고 있으며, 국가건설기준센터 홈페이지를 통해 문서 파일(.hwp) 또는 웹 언어(HTML) 형태로 확인 가능하다.

그러나 실제 건설기준 기반의 설계 및 시공 적합성 검토는 엔지니어가 판단의 주체가 되어 텍스트 형식의 건설기준 문서 및 재래식 소프트웨어를 활용하여 수행되고 있는 실정이다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023). 이때 방대한 양의 건설기준이 서로 다른 기준을 연관 및 참조하거나 복잡하게 얽혀 있어 적정 건설기준을 참조하여 검토에 적용하는데 어려움이 존재한다. 또한, 설계변경 및 건설기준 제·개정 시 엔지니어가 변경사항을 수동으로 재분석 및 반영함에 따라, 변경사항에 대한 즉각적인 대응에 어려움이 있다. 이러한 과정에서 발생하는 설계 오류나 누락은 결국 설계 품질의 저하로 이어지며, 이로 인해 심각한 구조적 결함 및 안전사고가 발생할 수 있다.

한편 정부는 도로 분야부터 시작하여 철도, 건축 등의 분야를 대상으로 2025년까지 사업 규모 1,000억 이상의 모든 설계 성과품을 Building Information Modeling (BIM)으로 제출하는 것을 의무화하고 있으며, 점차 늘려가는 계획을 추진 중이다. 이에 국토교통부는 2022년 발표한 스마트 건설 활성화 방안의 일환으로 건설기준의 디지털화를 추진하면서, 동시에 개별 건설기준을 BIM 기반으로 검토할 수 있는 목표를 수립하였다. 이를 위해 1) 설계 및 시공 절차도에 따른 적용 대상 건설기준을 정립한 ‘기준맵’ 제작, 2) BIM 환경 내 확인 가능한 기준맵 기반의 절차 및 부재별 건설기준 라이브러리 구축, 3) 컴퓨터가 이해할 수 있는 형식인 온톨로지(Ontology)로 라이브러리 데이터 변환 작업과 같이 3단계로 구성되어 최종적으로 건설기준의 적합성 여부 자동 검토 시스템 도입까지 가능하도록 추진 중에 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023).

이때 최종 BIM 성과품은 상호호환성 확보를 위한 국제 표준인 Industry Foundation Classes (IFC)로 준용 및 제출하도록 되어 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022). 그러나 기본적인 IFC 스키마에는 국내 건설기준 검토를 위해 필요한 엔티티 및 속성 정보가 반영되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 IFC 내 건설기준 라이브러리 데이터를 삽입할 수 있는 확장형 IFC 구조를 개발하고 이를 실현할 수 있는 모듈까지 개발하는 것을 목표로 하였다. 이를 통해 검토에 필요한 건설기준 정보가 포함된 확장 IFC를 기반으로 건설기준 온톨로지를 적용하여 건설기준 적합성 여부 검토 수행이 가능하다.

이와 유사한 형태의 국외 개발 사례로는 싱가포르 건설청(Building and Construction Authority, 이하 BCA)의 확장형 IFC 구조인 ‘IFC-SG’가 있다. 이는 납품되는 IFC 모델 내 수록 정보가 싱가포르 건설 프로젝트 표준인 CORENET-X에 부합하게 작성될 수 있도록 하기 위해 개발되었다. 그러나 이는 주요 BIM 저작도구 벤더사가 IFC Physical File (IPF) 추출 시 확장 구조를 포함할 수 있는 별도의 모듈 개발이 요구되어, 확장성 및 범용성 측면에서 한계점이 존재하는 것으로 조사되었다(BCA, 2023).

따라서 본 연구는 BIM 저작도구로부터 추출된 IPF를 대상으로 건설기준 적합 여부 검토를 위해 필요한 정보를 확장할 수 있도록 하는 프로세스 및 모듈 개발에 집중하고자 하였다. 이를 위해 최적의 표준 IFC schema 및 IFC 구조 확장 방법론을 탐색 및 채택함으로써, IFC 확장 구조가 BIM 저작도구 종류와 무관하게 적용 가능할 수 있도록 개발하는 데 역점을 두었다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 교량 분야를 대상으로 BIM 기반 설계 및 시공의 건설기준 적합성 여부를 검토하기 위해 IFC 내 필요 건설기준 정보 삽입이 가능한 최적의 확장형 IFC 구조를 구축하고자 하였다. 세부적으로 다양한 유형의 교량 구조 형식 중에서도 현재 건설기준에서 규정하고 있는 내용을 최대한 반영할 수 있는 PSC 거더교, 강거더교, 엑스트라도즈드교를 연구 범위로 설정하였다. 본 연구는 다음과 같은 일련의 과정을 기반으로 교량 분야 대상의 확장형 IFC 구조와 구조 확장 모듈을 개발한 후, 정상 확장 여부를 검증하여 효용성 및 신뢰성을 확보하고자 하였다.

1단계: 확장형 IFC 구조 구축

연구에 적용할 IFC schema와 확장 방법론을 채택하였으며, 이를 기반으로 교량 및 부재 상세 유형 정의, 부재별 검토 건설기준 항목 분류, 각 건설기준 항목에 대한 Property set 구축을 실시하였다. 이후 건설기준 데이터를 표준 IFC schema 내 삽입하기 위한 최적의 확장형 IFC 구조를 개발하였다.

2단계: IFC 구조 확장을 위한 모듈 개발

1단계에서 개발된 구조을 기반으로 원본 IFC 파일 내 부재 단위 건설기준 정보를 삽입하는 프로세스를 구축하였으며, 본 프로세스를 기반으로 IFC 구조 확장이 가능한 모듈을 개발하였다.

3단계: 모듈 기반 건설기준 정보 확장 검증

2단계에서 개발된 모듈을 활용하여 실제 교량 모델의 특정 부재에 건설기준 정보를 삽입하였으며, 이를 통해 확장된 IFC 파일 내 건설기준 정보의 정상 삽입 여부를 검증하였다.

2. 연구배경

2.1 IFC schema 현황 및 한계점

2.1.1 표준 IFC schema 개발 현황

빌딩스마트협회(buildingSMART International, 이하 bSI)에서는 BIM 저작도구(BIM authoring tool) 간의 원활한 데이터 교환을 위해 중립적 표준 모델인 Industry Foundation Classes (IFC)를 개발하여 원활한 정보 교환을 지원하고 있으며, 주요 BIM 저작도구들 또한 IFC 포맷으로의 변환을 지원하고 있다. IFC는 BIM 모델의 객체, 속성 및 관계에 관한 광범위한 개념과 정보를 표현하기 위한 포괄적인 schema를 제공하며(Liu et al., 2021), 이는 변화하는 건설산업의 요구사항에 대응하여 신규 분야, 개념, 프로세스 및 기술 등이 포함되도록 개발되어왔다. Figure 1은 bSI에서 배포한 1997년 IFC1.0부터 가장 최신 버전인 IFC4.3까지의 표준 IFC schema 개발 현황을 나타낸 것으로, 단계별 개정 수준에 따라 ‘Major-Minor-Addendum (e.g., Add1, 2) -Technical corrigendum (e.g., TC1, 2)’으로 표기되며 업데이트 시 추가뿐 아니라 수정, 통합 및 지원 중단도 포함된다.

Figure 1.

Development status of IFC schema

세부적으로 IFC4 이전의 IFC schema는 건축물 정보 표현에 특화되었으며(Lee et al., 2017), 2013년 개발된 IFC4부터 토목 분야 객체 정보가 지원되기 시작하였다. IFC4.1에서는 토목 구조물에 특화된 선형 구조 요소 정의를 위한 표현(IfcAlignment)이 추가되었으며, IFC4.2에서는 교량 구조와 관련된 요소를 포함할 수 있도록 범위가 확장되었다. 그러나 해당 업데이트에서는 토목 분야의 소수 공종만을 포함함에 따라 정식 배포되진 않았으며, 이후 2021년의 IFC4.3 업데이트를 통해 교량, 철도, 도로, 항구, 수로 등 다양한 토목 분야 공종에 대한 엔티티 및 속성이 포함되어 정식 배포되었다(bSI, 2024).

2.1.2 표준 IFC schema 한계점

이처럼 IFC schema가 지속적으로 업데이트 됨에도 불구하고, 실질적 활용을 저해하는 요소들이 여전히 존재하는 실정이다. 대표적으로 1) 제한적인 적용 범위, 2) 상이한 국가 및 지역의 규정/표준 반영 불가, 3) 저작도구 내 IFC 표준 schema의 선택적 구현 및 4) 필요정보의 불완전한 구현 문제가 존재하며, 개별 문제에 대한 상세 내용은 다음과 같다.

1) 제한적인 적용 범위

IFC schema는 지속적인 버전 업데이트를 통해 새로운 엔티티들을 추가하며 개선되었지만, 지원 범위가 특정 산업 분야에 제한되어 있다는 한계점이 존재한다. 특히 초기부터 건축 분야를 중심으로 IFC가 개발됨에 따라 토목과 같은 타 분야의 객체 표현을 위해 건축 분야 엔티티를 차용해야 했으며, 이로 인해 객체의 세부 속성과 그들 간의 관계를 온전히 표현하는 것이 불가능하였다. 따라서 다수의 연구에서는 건축 외 분야의 데이터 상호운용성 확보가 어려운 것이 주요 문제점으로 지적된 바 있다(Park et al., 2020; Won et al., 2022).

2) 상이한 국가 및 지역의 규정/표준 반영 불가

IFC schema는 산업 전반의 보편적인 활용을 위해 표준화된 데이터 구조로 설계되었다. 이러한 표준화는 IFC 활용의 범용성을 확보하는데 중추적인 역할을 하였으나, 반대로 각기 다른 법률, 규정 및 표준을 가진 다양한 국가와 지역의 요구사항을 반영하는 데 유연성이 부족하다는 문제점을 야기하였다. 또한, 신규 IFC schema 버전의 지원 내용 및 범위에 대해서는 bSI 표준위원회(bSI standard committee)의 심사과정을 거치며 오랜 기간이 소요되기 때문에 필요정보를 IFC 구조 내 즉각 삽입하고 표현하는 것이 불가능한 경우가 많았다(Borrmann et al., 2019).

3) 저작도구 내 IFC 표준 schema의 선택적 구현

현재 주요 벤더사의 BIM 저작도구들은 Model View Definition (MVD) 지원 수준이 각기 다르며, 이들은 범용적으로 활용되는 MVD를 제공하지만 전문화된 정보 교환을 위한 상세기능은 제공하지 않는 경우가 많다(Solihin et al., 2015). 또한, 개별 저작도구가 IFC 변환을 위해 다른 STEP 기능을 채택하고 있어, IFC 변환 단계에서 사용하는 구조 및 엔티티가 상이한 경우 변환 데이터의 일관성이 확보되지 않는 문제점이 존재한다. 추가로 정식 버전의 엔티티를 활용하였음에도 IFC 툴별로 지원하는 엔티티의 수준이 상이하다는 문제점이 존재하며, 이는 데이터 교환 과정에서 중요 정보의 누락으로도 이어질 수 있다.

4) 필요정보의 불완전한 구현

bSI는 건설산업의 요구사항에 대응하여 초기 단계에서는 구조적 요소 및 해석 분야를 추가하였으며, 이후 MEP 분야부터 최근에는 토목 분야(예: 도로, 철도 등)까지 지속적으로 새로운 분야를 추가하었다. 그러나 이러한 과정에서 새롭게 정의된 엔티티들이 해당 산업 분야에서 필요한 의미론적 표현과 속성을 충분히 포함하지 못하는 문제가 다수 존재하였다. 일례로 구조해석 결과값을 표현하기 위한 IfcStructuralLoad 엔티티가 다양한 구조해석 매개변수를 포함하지 못하는 것과 같이(Park et al., 2020), 필요정보를 온전하게 구현하지 못하는 문제점은 IFC 사용성 제약을 유발한다.

2.2 IFC 구조 확장 방법론 고찰

상기 IFC schema 한계점을 극복하기 위해 다수의 연구에서 IFC 구조 확장이 제안되었다. IFC 구조 확장은 크게 신규 엔티티를 정의하는 ‘엔티티 확장(Entity extension)’과 기존 엔티티를 기반으로 추가 정보를 통합 및 연결하는 ‘속성 확장(Property extension)’으로 구분되며, 개별 방법에 대한 상세 설명은 다음과 같다.

2.2.1 엔티티 확장(Entity extension)

기존 Schema에 새로운 부재 및 프로세스에 대한 신규 엔티티를 정의하는 방식으로, IFC 표준을 준수하여 새로운 상속구조, 객체지향형 구조, 속성 및 관계 등이 정의된다. 본 방식은 특정 요구사항에 맞춰 기존에 지원되지 않던 분야 및 엔티티를 세부적으로 표현할 수 있게 함으로써 맞춤화된 데이터 표현이 가능하다는 장점이 있다(Eastman, 2011).

그러나 본 방식을 통한 확장 내용이 표준 Schema에 공식적으로 포함되지 않을 경우, 해당 엔티티를 인식하도록 설계된 BIM 저작도구 및 IFC 툴에서만 사용 가능하다는 한계점이 존재한다. 따라서 범용성 확보를 위해서는 확장된 신규 엔티티가 IFC schema에 정식으로 통합되어야 하며, 이에 상응하여 다양한 소프트웨어 내장된 MVD에서도 인식될 수 있어야 한다(Son et al., 2022).

2.2.2 속성 확장(Property extension)

기존 엔티티에 새로운 Property, Attribute, Subtype 등을 추가 정의하는 방식으로, 주로 Type 엔티티(IfcElementType) 혹은 Property set (Pset) 을 활용하여 정의한다. 예를 들어, IfcBeam과 같은 특정 엔티티는 IfcElementType의 하위 유형인 IfcBuiltElementType에 속하는 IfcBeamType을 사용하여 더 상세한 유형을 정의할 수 있다. 또한, IfcBeamType에 사전 정의된 유형 이외의 상세 유형을 정의하고자 할 경우 사용자 정의 유형인 USERDEFINED의 세부항목으로 새롭게 추가할 수 있다.

Pset은 속성 엔티티인 IfcPropertySetDefinition이 관계 엔티티인 IfcRelDefinesByProperties를 통해 객체를 나타내는 IfcObject 엔티티에 연결되는 구조를 가진다. 추가로, 치수 및 재료 등과 같이 일반적으로 사용되는 속성들의 경우 사전 정의된 엔티티인 IfcPreDefinedProperties를 사용하여 정의된다. 따라서 본 방식은 기존의 IFC schema를 유지하면서 새로운 정보를 추가할 수 있기 때문에 다양한 BIM 저작도구 및 IFC 툴 간의 호환성 문제를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

최근에는 외부 데이터를 기존 IFC schema에 연결하여 Schema의 무결성을 유지할 수 있는 속성 확장 방법론이 등장하였으며, 이를 구현하기 위한 상세 방법은 다음과 같다.

1) IfcClassifciation

IFC에서 분류(Classification)는 객체를 특정 특성이나 기준에 따라 체계적으로 배열하거나 분류하는 과정을 의미한다. IfcClassification는 이러한 분류 시스템을 정의하는 엔티티로 IfcRelAssociatesClassification 엔티티를 통해 IFC 모델 내 객체나 속성과 같은 다른 엔티티들과 연결될 수 있다. 본 방식을 통해 다양한 분류 체계를 IFC에 적용할 수 있음에 따라 IFC 모델 내 객체들을 표준화하고 일관되게 분류하는 것이 가능하다.

2) bSDD와 OTLs 간의 연결

buildingSMART Data Dictionary (bSDD) 및 Object-type libraries (OTLs)는 건설산업 내 분야별 특화된 용어와 정보를 컴퓨터가 처리할 수 있는 형식으로 구조화한 데이터 소스이며, 이들은 개념, 속성 및 관계 등을 정의하는 온톨로지 기법을 활용하여 구축된다. bSDD와 OTLs는 앞서 언급된 분류 방식 또는 ‘Linked Data Approach’ 방식을 통해 IFC 모델의 각 엔티티와 연결된다. 이러한 연결은 IFC 모델에서 분야별 용어와 개념들을 체계적으로 통합하고 데이터의 상호 작용성과 접근성을 개선하는 데 중요한 역할을 한다.

3) Linked data approach

bSDD 및 OTLs에 수록된 외부 데이터를 IFC schema에 연결하여 활용하는 방식으로 Web Ontology Language (OWL)와 같은 시멘틱 웹(Semantic web) 기술을 필요로 한다. 이에 따라 bSI는 IFC를 OWL 형식으로 직접 표현하는 ifcOWL schema를 제공하며, 해당 Schema는는 IFC 모델과 다양한 데이터들 간의 연결을 가능하게 한다(Figure 2).

Figure 2.

Linked data approach (Borrmann et al., 2017)

추가로 bSI는 엔티티 확장을 고려하기 전에 새로운 개념이 기존 IFC 계층 구조에 적합한 경우 기존 엔티티 유형을 그대로 사용 가능한지 검토하여 속성 확장을 우선 시행하는 것을 권장하고 있다. 즉, 분류 체계, 유형 및 Pset이 표준 IFC schema에 정의되어 있을 경우 이를 최우선적으로 활용하고, 부재한 경우에 한해서만 IFC 구조 확장을 실시하도록 하고 있다(Borrmann et al., 2017).

본 연구에서는 상기 분석한 바를 기반으로 최적의 표준 IFC schema 및 확장 방법론을 선정하고, IFC 내 필요 건설기준 정보를 포함하기 위한 확장형 IFC 구조 및 모듈을 구축하였다.

3. 연구방법

본 연구는 교량 분야를 대상으로 BIM 기반의 건설기준 적합성 여부 검토 수행을 위해 필요한 정보를 IFC schema 내에 확장하기 위한 최적의 확장형 IFC 구조와 모듈을 개발하는 것을 최종 목적으로 하였다. 이를 위해 Figure 3에 제시한 바와 같이 건설기준 정보 삽입을 위한 최적의 확장형 IFC 구조를 구축하는 1단계, IFC 구조 확장 모듈 개발을 위한 2단계, 그리고 확장 IFC 구조의 정상 구현 여부를 검증하는 3단계로 구분하여 연구를 수행하였다.

Figure 3.

Research process

1단계에서는 연구에서 활용할 IFC schema와 확장 방법론을 선정하여 이를 기반으로 교량 및 부재의 신규 유형을 추가하였으며, 부재별 검토 필요 건설기준 항목을 분류하고 각 건설기준 항목에 대한 Pset을 구축하였다. 이후 이들을 활용하여 건설기준 데이터를 표준 IFC schema 내 삽입하기 위한 확장형 IFC 구조인 ‘IFC-KR’을 구축하였으며, 설계기준(KDS)과 시공기준(KCS)에 각각 대응할 수 있도록 이원화하여 개발하였다.

2단계에서는 앞서 개발한 ‘IFC-KR’을 적용하여 원본 IPF 내 부재 단위로 건설기준 정보를 삽입하는 프로세스를 제안하였으며, 해당 프로세스를 기반으로 IFC 구조 확장이 가능한 ‘IFC-KR Toolkit’ 모듈을 개발하였다. ‘IFC-KR’과 동일하게 KDS와 KCS에 각각 대응할 수 있도록 이원화하여 구현하였다.

3단계에서는 개발한 IFC 구조 확장 모듈을 검증하기 위해 엑스트라도즈드교 모델의 특정 부재에 건설기준 정보를 삽입하였으며, 상용 IFC viewer를 활용하여 확장된 IPF 내 건설기준 정보가 정상적으로 삽입되었는지 여부를 확인하였다.

4. IFC 내 건설기준 정보 삽입을 위한 최적의 확장형 IFC 구조 개발

4.1 IFC schema 및 확장 방법론

2장에서 분석한 IFC schema 개발 현황 및 확장안을 기반으로 본 연구에서 활용할 IFC schema 및 확장 방법론을 채택하였다. 이를 적용하여 IFC 구조를 확장하고 부재별로 검토가 필요한 건설기준 정보를 삽입하기 위한 소프트웨어를 선정하였으며, 이에 대한 상세 내용은 다음과 같다.

4.1.1 활용 IFC schema

구조 확장을 위한 IFC schema로는 교량 시설물을 포함하며, 인프라 시설물의 특성에 적절한 속성 정의가 가능한 IFC4.3을 선정하였다. 4.3버전에는 교량을 표현하기 위한 특정 엔티티인 IfcBridge가 존재하며, 더 나아가 교량 종류인 아치교 (Arched), 트러스교 (Truss), 거더교 (Girder) 등의 경우 IfcBridgeTypeEnum으로 정의가 가능하다. 또한, 교량의 구조적 단위 표현을 위해서 IfcBridgePartTypeEnum이 존재하며, 세부적으로 교대 (Abutment), 교각 (Pier), 상부구조 (Superstructure) 등을 정의할 수 있다. 따라서 토목 시설물 특성을 표현하는 엔티티들을 최대한 활용하여 표준 구조에 부합하게 하였으며, 해당 엔티티들에 필요한 건설기준 정보를 Pset 형태로 확장 삽입하였다.

4.1.2 건설기준 정보 확장 방법론

활용 IFC schema인 IFC4.3이 교량 시설물을 표현하기 위한 엔티티를 사전에 정의하고 있으며, 건설기준 코드와 검토에 필요한 변수들의 정보를 부재 단위로 포함하기 위해 속성 확장(Property extension)을 확장 방법으로 채택하였다. 또한, 속성 확장을 위해 Property를 활용하였으며, 건설기준 정보가 다수의 항목으로 구성됨에 따라 Property들의 집합인 Pset 형태로 구조를 확장하였다.

Pset 확장 방법론으로는 확장 과정에서 원본 IPF의 정보 유실을 방지하기 위해 IFC의 원 구조는 유지한 채 정보를 확장하는 ‘Data linkage approach’를 선정하였다. 이는 2.2절에 제시한 ‘Linked data approach’에서 착안한 방법론으로 본 연구에서는 확장정보가 입력된 외부파일(.xml, .csv 등)을 IFC에 연결하였으며, 컴퓨팅 성능을 고려하여 Pset을 개별 부재 단위로 정의하는 것이 아닌 동일한 Pset이 적용되는 객체를 지정하여 연결하는 방식으로 진행하였다. 또한, bSI에서 배포하는 공식 IFC schema가 업데이트되는 경우 일부 변경사항에 대한 외부파일 입력정보 및 연결정보 수정을 통해 해당 부분을 반영하였다.

4.1.3 활용 소프트웨어

확장형 IFC 구조를 기반으로 IFC 내 건설기준 정보를 삽입하기 위해 필요한 소프트웨어는 ① BIM 저작도구와 ② IFC 모델 뷰어이다. BIM 저작도구는 Autodesk의 Revit 또는 Midas의 CIM과 같이 BIM 모델 작성부터 IPF 파일 변환까지 가능한 소프트웨어이다. 본 연구에서는 IFC4.3 버전으로 BIM 모델 추출이 가능한 IFC exporter를 탑재하고 있는 Revit을 주 활용 도구로 선정하였다.

IFC 모델 뷰어는 IFC 데이터를 불러오고 해당 데이터 정보를 표출 및 수정할 수 있는 소프트웨어를 의미한다. 본 연구에서는 국가연구개발 사업의 성과물로 무료 배포 중인 KBim Assess-Lite ((주)코스펙이노랩 개발)를 주 개발 도구로 설정하였다. IFC 내 건설기준 항목 정보를 확장할 수 있도록 하는 모듈인 ‘IFC-KR Toolkit’ 또한 KBim Assess-Lite 내 탑재되어 범용적으로 활용할 수 있도록 하였다.

4.2 확장형 IFC 구조 ‘IFC-KR’ 개발

4.2.1 교량 및 부재 신규 유형 추가

상기 선정한 표준 IFC4.3 schema가 본 연구에서 다루는 교량 시설물 3종(PSC 거더교, 강거더교, ED교)에 대한 구조물 및 부재 유형 정보를 모두 수록하고 있지 않음에 따라 추가 유형 정보를 enumeratiom type 내 사용자 정의 유형(USERDEFINED)의 세부항목으로 확장하였다.

1) 교량 유형 신규 추가

IFC4.3 표준에서 교량을 표현하기 위한 엔티티는 IfcBridge이며, 해당 엔티티의 PredefinedType 속성에 enumeration type인 IfcBridgeTypeEnum으로 특정 교량 유형을 정의한다. 현재 표준 IFC에는 Arched, Truss, Girder 등과 같은 교량 유형이 존재하지만 PSC 거더교 (PSC girder bridge), 강거더교 (Steel girder bridge), ED교(Extradosed bridge)와 같은 세부 교량 유형은 포함하고 있지 않다. 이에 본 연구에서는 3종의 IfcBridgeTypeEnum을 활용하여 신규 교량 유형에 대해 사용자 정의 유형의 세부항목으로 추가하였다.

2) 부재 유형 신규 추가

PSC 거더교, 강거더교, ED교에 포함되는 부재는 설계 및 시공 단계의 절차를 고려하여 선정하였다. 개별 부재는 IFC4.3 표준 내 IfcElement 엔티티를 활용하여 표현할 수 있으며, 교량 유형과 마찬가지로 IfcElementType 엔티티의 enumeration type으로 상세 부재 유형을 정의한다. 이에 부재별 상세 유형이 표준 IFC schema에 기 정의된 16가지 부재의 경우 해당 유형을 사용하였으며, 포함하지 않는 9가지 부재의 상세 유형은 사용자 정의 유형의 세부항목으로 추가하였다(Table 1).

신규 정의된 교량 및 부재 유형을 구조화하여 표현하기 위해 EXPRESS-G를 작성하여 가시화하였다. EXPRESS-G는 IFC 구조를 정의하기 위해 사용되는 그래픽 표기법으로, 객체 및 속성 간의 관계를 그래프 형태로 표현한다. Figure 4는 확장 정의된 교량 및 부재 유형의 구조를 나타낸 것이다. 세부적으로 교량 상세 유형은 IfcBridge의 IfcBridgeTypeEnum에 확장 정의되었으며, 상세 부재 유형은 부재별 IfcElementType 엔티티의 Predefined Type 속성에 enumeratiom type으로 확장 정의되었다.

Figure 4.

Structuring detailed bridge and element types of IFC-KR

4.2.2 부재별 건설기준 항목 정의

Park et al. (2022)는 현업에서 수행 중인 프로세스를 기반으로 교량 설계 및 시공에 대한 절차도를 작성하고 이를 건설기준과 연계하여 ‘기준맵’을 구축한 바 있다. 기준맵은 부재 단위별로 요구되는 검토 순서 및 조건을 도식화하고 각 조건에 적용되는 KDS 및 KCS를 연계하여 표현한 일종의 프로세스 정의서다. 이에 대한 일부 예시는 Figure 5와 같다.

Figure 5.

Example of design and construction reference map

본 연구에서는 해당 설계 및 시공 기준맵을 활용하여 앞서 정의한 부재 유형별로 검토가 필요한 KDS 및 KCS를 선별하였다. 이때 구조 확장 모듈인 ‘IFC-KR Toolkit’ 기반 IFC 확장 시, 부재 단위뿐만 아니라 검토 절차도 고려하여 건설기준 항목 추가가 가능하도록 기준맵 내 포함된 부재 및 검토 절차에 따라 건설기준 항목을 분류하였다(Table 2).

4.2.3 건설기준 Property set 구축

Jang et al. (2023)과 Choi et al. (2023)은 건설기준의 디지털화 작성을 위해 교량 구조물에 적용되는 KDS와 KCS를 정량적(가능, 불가능)/정성적 특성에 따라 분류하였으며(Table 3), 항목별로 검토를 수행하는데 필요한 정보인 ‘입력변수’와 검토를 수행한 결과 정보인 ‘출력변수’를 추출하였다.

세부적으로 KDS의 경우 1) 수식 기반의 계산을 통해 검토를 수행하는 정량적인 항목과 2) 엔지니어의 판단을 요구하는 정성적인 항목으로 구분하였으며, KCS의 경우 1) 치수, 물성치로 분류되는 정량적인 항목과 2) 시공 절차 및 방법 등을 포함하는 정성적인 항목으로 분류하였다. 이때 정량적으로 분류된 항목들 중에서도 일부 조건이 정성적으로 표현된 경우가 존재한다. 일례로 KDS 11 50 15 4.1.1.4 (2)는 정량적인 항목으로 분류되나, ‘재하시험을 하지 않는 경우에는 지지력 산정식에 의해 구해지는 극한지지력’과 같이 일부 정성적인 조건을 포함한다. 따라서 이러한 항목은 정량적 불가능으로 재분류하였으며, 최종적으로 교량에 대한 설계 및 시공기준 중 정량적 가능으로 분류된 항목에 국한하여 디지털 전환이 가능한 항목으로 선별하였다.

본 연구에서는 상기 과정에서 ‘정량적 가능’으로 선별된 KDS 1,437개 및 KCS 416개의 항목을 활용하였다. 해당 항목들을 대상으로 건설기준 검토에 필요한 정보를 IFC 내 포함하기 위해 각 항목의 입력 및 출력변수를 취합하고 개별 Pset 구조를 작성하였다.

Pset 구조는 1) Pset 명(KRPset Name), 2) 건설기준코드, 3) BIM 설계값, 4) 검토결과 정보 4가지 항목으로 구성하였다. 세부적으로 Pset 명은 ‘KRPset_KDS 24 14 21_4.1.4.2 (3)’와 같이 부재별로 해당하는 건설기준 검토 항목명, 건설기준코드는 부재별로 해당하는 전체 건설기준코드 번호인 ‘24 14 21_4.1.4.2 (3)’를 의미한다. BIM 설계값은 개별 건설기준 코드 검토를 위해 필요한 BIM 설계값 정보이며, 입력 및 출력변수의 한글명, 영문명, 상세 값, 단위 등을 포함한다. 마지막으로 검토결과 정보는 건설기준 검토 정보들을 활용하여 도출한 검토 결과 값을 ‘O.K.’ 또는 ‘N.G.’로 입력하기 위한 항목이다.

Pset 내 개별 항목 정보(Pset 명, 건설기준 코드, BIM 설계값, 검토결과)는 IfcPropertySingleValue 엔티티로 정의하였으며, 건설기준 항목별 Pset은 IfcPropertySetDefinition의 하위 유형인 IfcPropertySet 엔티티를 활용하여 확장하였다. 해당 내용을 EXPRESS-G 작성을 통해 구조화하여 Figure 6에 표현하였다.

Figure 6.

Structuring property sets of IFC-KR

4.2.4 확장형 IFC 구조 ‘IFC-KR’ 개발

표준 IFC schema에 건설기준 정보를 삽입하기 위한 엔티티와 속성을 추가 정의하여 확장형 IFC 구조인 ‘IFC-KR’을 구축하였다. 이를 활용한 IPF 파일 내 건설기준 정보 확장 과정에서 특정 부재와 연관된 건설기준 항목과 각 항목에 해당하는 Pset 정보만을 표출할 수 있다. 세부적으로 IFC-KR은 ‘Object taxonomy’, ‘KDS/KCS mapping’ 및 ‘Property Sets (Psets)’로 구분하여 구축하였으며, KDS와 KCS에 각각 대응할 수 있도록 이원화하여 개발하였다.

1) Object taxonomy 정의

‘Object taxonomy’는 교량, 구조물 및 부재의 유형 정보를 표현하기 위한 IFC entity가 사전 정의된 매핑 테이블로, 총 6개의 항목으로 구성하였다. 세부적으로 1) 교량 유형인 Bridge type, 2) 구조물 단위인 Structural division, 3) 국문 부재명, 4) 영문 부재명, 5) 개별 부재를 표현하는 IFC4.3 entities, 6) 부재 상세 유형을 나타내는 Sub types이 정의되어 있다. 이때 4.2.1항에서 신규 정의한 3종 교량 및 9가지 부재 유형을 모두 포함하여 작성하였으며, Structural division의 경우 IfcBridgePart 엔티티를 활용하여 정의하였다.

일례로 PSC 거더교의 거더 부재에 대하여 Object taxonomy를 통해 1) PSC girder bridge, 2) Superstructure, 3) 거더, 4) Girder, 5) IfcBeam, 6) GIRDER_SEGMENT로 정의하였다. 이와 같이 정의한 Object taxonomy의 실제 입력 예시는 Figure 7과 같다.

Figure 7.

Example of object taxonomy

2) 부재별 KDS/KCS 항목 mapping

‘KDS/KCS mapping’은 Object taxonomy를 기반으로 부재 단위별 검토가 필요한 건설기준 항목을 사전에 매핑한 테이블이다. 세부적으로 4.2.2항에서 정의한 내용을 기반으로 부재(예: 거더, 기둥, 코핑 등) 및 검토 절차(예: 설계조건 선정, 하중산정 및 조합, 철근 공사, 거푸집 및 동바리 공사 등)에 따른 건설기준 항목을 포함하고 있다.

예를 들어 Obect taxonomy에서 정의한 PSC 거더교 거더 부재의 경우 KDS mapping을 통해 해당 부재가 ‘거더 및 강연선 검토’, ‘거더 단면검토’ 등의 검토 절차를 가지며, 각각 ‘KDS 24 14 21_1.5.7.2 (2)’, ‘KDS 24 14 21_4.6.2.1 (3)’ 등의 검토 항목을 포함한다고 정의하였다. 각 부재가 방대한 양의 건설기준 정보를 포함하고 있음에 따라 실제 입력된 KDS/KCS mapping 일부 예시를 Figure 8에 제시하였다.

Figure 8.

Example of KDS/KCS mapping

3) 건설기준 항목별 Pset 정의

‘Property Sets (Psets)’는 정량적으로 표현이 가능한 것으로 구분된 건설기준 항목별 검토 정보를 사전에 정의한 매핑 테이블로, 4.2.3항에서 작성한 건설기준 검토 항목(KDS: 1,437, KCS: 416개)의 Pset 구조를 포함하도록 하였다. 세부적으로 Pset 내 개별 항목 정보(Pset 명, 건설기준 코드, BIM 설계값, 검토결과)에 대한 한글명, 영문명, 상세 값, 단위를 작성하였다. 추가로 상세 값의 데이터 유형이 문자열일 경우 IfcLabel, 실수일 경우 IfcReal, 부울일 경우 IfcBoolean 엔티티를 사용하여 표현하도록 사전에 정의하였다.

일례로 PSC 거더교 거더 부재의 검토 절차인 ‘거더 단면검토’에 필요한 건설기준 항목 ‘KDS 24 14 21_4.6.2.1 (3)’에 대해 작성한 Pset의 상세 구조를 Table 4에 제시하였다. 이처럼 각 건설기준 항목에 대한 검토 정보를 정의한 Psets의 실제 입력 예시는 Figure 9와 같다.

Figure 9.

Example of Psets

5. IFC 구조 확장을 위한 모듈 개발

5.1 IFC-KR 기반 건설기준 정보 확장 프로세스

최종 구축된 확장형 IFC 구조 IFC-KR을 활용하여 IPF 파일 내 부재 단위로 건설기준 검토 정보를 확장하는 전체적인 프로세스를 Figure 10에 제시하였으며, 확장 프로세스는 총 4단계로 구성된다.

Figure 10.

IFC-KR based construction standards review information expansion process

1단계) 교량 유형 지정 단계

BIM 저작도구로부터 추출된 IFC4.3 모델의 교량 유형에 따라 지정한다. 본 연구에서는 3종 교량(PSC 거더교, 강거더교, ED교)을 대상으로 건설기준 정보 확장을 실시함에 따라, 해당 유형 외의 교량의 경우 ‘Others’ 항목을 선택해서 확장할 수 있도록 하였다.

2단계) 교량의 상세 부재 유형 지정 단계

지정된 부재 유형에 따라 IFC entity 및 Sub type을 결정한다. 이러한 부재 유형별 IFC entity 및 Sub type은 IFC-KR의 Object taxonomy을 기반으로 자동 입력될 수 있도록 구현하였다.

3단계) KDS, KCS 검토 항목 표출 단계

지정된 부재 유형에 해당하는 설계 및 시공 검토 절차를 선택할 수 있으며, 절차별 KDS 및 KCS 검토 항목의 목록이 표출된다. 이때 표출된 검토 항목 목록은 IFC-KR의 KDS/KCS mapping을 기반으로 자동 입력될 수 있도록 하였다.

4단계) 검토 항목별 검토 정보 표출 단계

각 검토 항목에 대해 ‘KDS/KCS code, BIM 설계값, 검토결과’로 구성된 검토 정보가 표출된다. 이는 IFC-KR의 Property sets를 기반으로 검토 항목별 해당하는 Pset을 불러와 표출될 수 있도록 구현하였다. 이때 BIM 설계값에 대한 개별 상세값을 수동으로 입력할 수 있도록 하였다.

5.2 IFC 구조 확장 모듈 ‘IFC-KR Toolkit’ 개발

상기 제시한 프로세스와 같이 IFC-KR을 기반으로 교량·부재 유형별 건설기준 정보 삽입을 위한 모듈인 ‘IFC-KR Toolkit’을 KDS와 KCS에 각각 대응할 수 있도록 이원화하여 개발하였다. 해당 모듈은 IFC 모델 뷰어인 KBim Assess-Lite 내에서 애드인(add-in) 형태로 개발되었으며, IFC-KR의 세 가지 매핑 테이블을 활용하여 선택한 부재에 해당되는 건설기준이 표출되도록 구성하였다. 세부적으로 Object taxonomy에 정의된 구조물 및 부재 유형별 필요 건설기준 항목은 KDS/KCS mapping에서 불러오며, 해당 항목에 대응하는 Pset 구조를 Property sets로부터 호출하여 생성하는 방식이다.

이때 거더의 엔티티가 IfcBeam이 아닌 IfcSlab로 입력되는 것과 같이 BIM 저작도구에서 IPF 파일 추출 시 부재 유형이 잘못 기입되는 경우가 빈번하게 발생함에 따라, 수정이 가능하도록 구현하여 적절한 건설기준 항목이 표출되도록 하였다. 또한, 앞서 매핑된 건설기준 항목 이외의 항목을 추가하고자 할 경우, 전체 검토 목록에서 선택 및 표출 가능하도록 구축하였다.

모듈 기반 IFC 확장을 위해 우선적으로 BIM 저작도구인 Autodesk Revit 기반의 BIM 모델(.rvt)을 IFC4.3 버전으로 추출(export)하여 IPF 파일(.ifc) 생성 후 KBim Assess-Lite로 삽입(import)하여야 한다. 이후 5.1절에 제시한 프로세스에 따라 상세 교량 유형, 구조물 구분, 부재 상세 유형, 건설기준 검토 절차 및 검토 항목을 적용한다(Figure 11(a)). 추가된 건설기준 검토 정보는 KBim Assess-Lite 내 개별 객체 선택 시 우측 하단의 ‘프로퍼티 셋’ 창에서 확인할 수 있다.(Figure 11(b)). 최종적으로 모듈의 ‘내보내기’ 기능을 통해 확장 IPF 파일(.ifc)로 추출하면 건설기준 정보가 포함된 IFC 파일을 얻을 수 있다.

Figure 11.

User interface (UI) of ‘IFC-KR Toolkit’

5.3 ‘IFC-KR Toolkit’ 기반 건설기준 정보 확장 검증

개발한 모듈의 정상 구동 여부를 확인하기 위해 특정 부재에 필요한 건설기준 정보가 적절하게 확장되는지를 검증하였다. 이를 위해 세 가지 교량 유형 중 엑스트라도즈드교를 검증 대상으로 선정하였다. IFC-KR Toolkit 모듈 내 ED교 예시 모델의 원본 IPF를 삽입한 후 주탑, 거더, 기둥 총 3개의 부재 유형에 대하여 각각 10개의 설계기준 항목을 확장하였다.

그 결과 주탑, 거더, 기둥 부재가 IFC-KR에서 정의한 부재 상세 유형인 ‘PYLON’, ‘GIRDER_SEGMENT’, ‘PIERSTEM’으로 각각 표현되었다. 또한, Table 5와 같이 KBim Assess-Lite의 프로퍼티 셋 창에서 선택한 부재에 각각 10개의 건설기준 항목이 정상적으로 삽입 및 표출되는 것을 확인하였다(Table 6).

Table 6.

Validation of the extensions customized for design standards

Target element	Subtype	Detail of extension	No. of extended KDS Pset
Pylon	PYLON		10
Girder	GIRDER_SEGMENT		10
Column	PIERSTEM		10

이후 확장 IPF 파일(.ifc)을 추출하였으며, 현재 IFC4.3을 지원하는 상용 IFC viewer인 Solibri 내 해당 파일을 삽입하여 건설기준 데이터의 정상 확장 여부를 다시 한번 확인하였다. 그 결과 해당 IFC 모델 뷰어에서도 주탑, 거더, 기둥 부재 선택 시 확장한 10개의 건설기준 항목들이 정상적으로 표출되는 것을 확인하였다(Figure 12).

Figure 12.

Validation of extended information for girder element within commercial IFC viewer

6. 결론

본 연구는 BIM을 기반으로 교량 분야 건설기준 검토를 수행하기 위한 토대를 마련하고자 하였다. 이를 위해 건설기준 검토에 필요한 정보를 IFC 내 삽입할 수 있도록 하는 확장형 IFC 구조를 구축하였으며, 이를 실제로 적용할 수 있는 전용 확장 모듈을 개발하였다.

세부적으로 교량·구조물·부재 정보를 표현하기 위한 IFC entity와 교량 유형 3종 및 부재 상세 유형 25종을 사전에 정의하였으며, IFC4.3 표준에 포함되지 않은 유형의 경우 사용자 정의 유형으로 추가하였다. 이후 부재 및 검토절차별로 검토가 필요한 건설기준 항목(KDS 1,437건 및 KCS 416건)을 사전에 매핑하였으며, 각 건설기준 항목별 검토 정보(건설기준 코드, BIM 설계값, 검토 결과)를 Pset 형태로 정리하였다. 사전에 정의한 내용들을 ‘Object taxonomy’, ‘KDS/KCS mapping’ 및 ‘Property Sets (Psets)’로 구분하여 최종적으로 확장형 IFC 구조인 ‘IFC-KR’을 구축하였다.

IFC-KR을 기반으로 IPF 내 교량·구조물·부재 유형별 건설기준 정보 확장을 구현할 수 있는 전용 모듈 ‘IFC-KR Toolkit’을 개발하였으며, 이는 IFC 모델 뷰어인 KBim Assess-Lite 내 애드인 형태로 탑재하였다. 모듈 기반 확장 시 특정 부재와 관련 있는 건설기준 항목과 개별 항목에 대한 Pset 정보를 표출 및 입력할 수 있도록 구현하였다.

개발한 모듈의 정상 구동 여부를 검증하기 위해 실제 ED교 모델의 주탑, 거더, 기둥 부재에 대해 모듈을 활용하여 각각 10개의 설계기준 항목을 확장하였다. 그 결과 각 부재가 IFC-KR에서 정의한 부재 상세 유형으로 표현되며, 건설기준 항목이 정상적으로 삽입된 것을 확인하였다. 또한, 상용 소프트웨어 Solibri를 통해서도 해당 부재에 건설기준 항목들이 정상적으로 포함되었음을 검증하였다.

본 연구는 기존 IFC schema의 교량 특성을 표현하는 엔티티들을 적극 활용하였으며, 해당 엔티티에 건설기준 데이터를 Pset 형태로 확장함으로써 다양한 BIM 저작도구 및 IFC 모델 뷰어 간의 호환성을 확보하였다. 또한, 교량·구조물·부재 유형별로 필요한 정보를 상세하게 정의하고, IFC 확장을 구현할 수 있는 모듈을 개발하여 건설기준 적합성 여부를 검토하기 위한 체계적인 기반을 제시하였다는 점에서 의의가 있다.

그러나 본 연구에서 개발한 확장형 IFC 구조 및 전용 모듈은 여러 토목 공종 중에서도 교량 분야에 국한하여 해당 분야의 정보를 표현하기 위해 개발되었다. 따라서 향후 도로, 철도, 터널 등 IFC4.3에서 지원하는 토목 분야에 확대 적용하여, 개별 분야에 대한 건설기준 정보 표현이 가능한 확장형 IFC 구조를 구축할 예정이다. 추가로 현재 IFC-KR Toolkit 내 수동으로 입력되는 BIM 설계값의 상세값을 BIM 저작도구 또는 CAE 툴로부터 자동으로 연계할 수 있는 방안을 마련하여 모듈의 실용성 및 편의성을 확보할 계획이다.