1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 연구 일반적 고찰
2.1 Infra BIM 데이터 개념 및 특성
2.2 IFC와 CityGML 특성 및 연계 연구
3. Infra BIM 구조물의 IFC 클래스 정의
3.1 교량/터널 BIM 모델의 객체분류
3.2 유지관리를 위한 교량/터널의 IFC 클래스 분석
4. 교량/터널의 IFC와 CityGML 모델 검증
4.1 교량/터널의 BIM 모델링 및 IFC 파일 작성
4.2 교량/터널의 IFC 파일을 CityGML로 변환 및 검증
5. 결론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 도시가 발전해 감에 따라 지속 가능한 스마트 도시로의 다양하고 광범위한 기술이 사용될 수 있도록, 도시 생활의 개선 기술 및 기반시설의 데이터 활용 기술의 대한 능력을 필요로 하고 있다. 이에 BIM(Building Information Modeling)과 GIS(Geographic Information System)의 통합은 스마트 도시에 필요한 데이터 통합, 다양한 기술 분석 및 적용, 도시 관리의 활용할 수 있는 기초 자료가 됨으로 장점으로 작용하게 된다.(Song et al., 2017)
그리고 국토부에서는 2018년에는 건설의 4차산업 기술을 활용한 첨단기술(BIM, 드론, 로봇, IoT, 빅데이터, AI 등)과 융합하여 건설 기술을 발전시켜 나아갈 수 있도록 “스마트 건설기술 로드맵”을 발표하였다. 2030년까지 스마트 건설기술에 발전 내용을 설계, 시공, 유지관리 분야를 구분하여 나타내었다. 설계단계에서는 BIM기반 스마트설계의 BIM 적용 표준, 설계 자동화에 대한 목표가 기술되어 있다. 그리고 시공단계에서는 건설기계 자동화 및 통합운영(관제), ICT기반 현장 안전 및 공정관리, BIM 기반의 공사관리에 대한 목표가 나와 있다. 또한 유지관리 단계에서는 IoT센서 기반 시설물 모니터링 기술, 드론·로봇 시설물 진단, 디지털트윈 기반 시설물 정보통합, AI기반 최적 유지관리 등의 내용으로 로드맵이 작성되어 있다. 이렇듯 BIM이 스마트 건설 기술에 가장 기반이 되고 있는 것을 알 수 있다.(MOLIT, 2018)
건설산업의 설계, 시공, 유지관리 단계에서 BIM 기술이 중요하게 적용됨에 따라, 이런 BIM 데이터를 공간정보분야에서 활용하기 위해 GIS와 연계하려는 노력이 많아지고 있다. Ryu(2016)와 Park et al.(2019)은 BIM과 GIS 정보의 융합은 BIM이 공간정보에 스마트도시, 디지털트윈으로 활용하는 역할에 꼭 필요한 기술이라고 보고 있다. 그리고 Lee et al.(2020)는 디지털트윈이 국토도시 분야로 확장되기 위해서는 공간정보 분야가 핵심 역할로 수행할 수 있다고 보고 있지만, 아직까지 충분한 연구가 이루어지지 않고 있으므로 향후에는 제조 및 설비, 교통, 시설물, 교량, 발전소 등 다양한 도시 구성요소에 대한 디지털트윈이 구현될 수 있는 기술이 공간정보 중심으로 확장할 것으로 보고 있다. 따라서 Infra 시설의 BIM 데이터가 GIS로 통합할 수 있는 기반을 마련하는 것은 더욱더 중요해지고 있다고 할 수 있다.
현재 BIM과 GIS는 서로 다른 관점에서 3D 모델을 해석하는 데 사용된다. BIM은 건축 및 건설 관점에서 비용 및 일정과 같은 세부 건물 구성 요소 및 프로젝트 정보에 더 중점을 두며, GIS는 지리학적 관점에서 건물과 그 구성요소의 지리 정보에 중점을 두고 있다. 그리고 서로 다른 두 가지 영역에서 가장 널리 사용되는 데이터 교환 형식으로 BIM의 표준 데이터 모델은 IFC(Industry Foundation Classes)와 GIS 표준 데이터 모델은 CityGML(City Mark-up Language)으로 사용되고 있다.
BIM/GIS의 통합을 위해 IFC와 CityGML을 통합 및 매핑하려는 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 서로 다른 목적으로 사용되기 때문에 데이터 상호 운용성, 불일치 및 의미 정보 손실을 포함한 많은 문제가 발생하며, 그중 가장 큰 문제로는 정보 변환 과정에서 발생하는 데이터 손실이다.(Sani and Rahman 2018; Liu et al., 2017)
그러다보니 데이터 손실 없이 다양한 방법으로 IFC와 CityGML 매핑, 변환하려는 연구가 진행되고 있으며, Figure 1과 같이 실질적으로 도시의 3D모델의 IFC데이터를 CityGML로 자동으로 변환하는 알고리즘 개발이 변환하려는 연구가 진행되기도 하였다.(Stouffs et al., 2018)
Figure 1.
The project in a nutshell: from native BIM (Building Information Model) to the integration of CityGML models in Virtual Singapore (Source Stouffs et al., 2018)
따라서 스마트도시 운용, 도시의 디지털트윈의 사례 등이 활발하게 발전해 갈수록 BIM과 GIS 두 기술 분야의 상호운용에 대한 부분은 점점 더 중요하게 될 것이다. 그중 IFC와 CityGML에 호환 시 데이터와 정보 손실 없이 변환하는 것이 가장 중요한 부분이라 할 수 있겠다.
이에 본 논문의 연구 목적으로는 교량/터널 구조물의 BIM 데이터가 IFC 표준으로 적용할 수 있는 클래스에 대해 검토하여, 기반시설의 BIM 데이터가 유지관리 측면에서 IFC 표준의 클래스로 관리할 수 있도록 제시하였다. 또한 이런 IFC 데이터가 GIS의 표준인 CityGML로 정보 손실 없이 연계되는 과정의 방법을 제시하여, 공간정보 분야로 기반시설물 관리 시 BIM/GIS 상호운용을 하는데 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다.
1.2 연구의 범위 및 방법
BIM과 GIS의 통합은 상호 이익으로 이어지고 다양한 효과를 창출할 수 있을 것으로 보고 있다. 따라서 이와 관련된 연구가 지속적으로 이어지고 있으며, BIM 및 GIS 데이터 통합으로는 세 가지 방법으로 구분된다. 첫 번째는 BIM 데이터를 GIS 형식으로 변환, 두 번째 접근 방식은 GIS 데이터를 BIM 모델에 전달하는 방법, 세 번째 방식은 BIM과 GIS 간의 양방향 변환 방법이다.(Ding et al., 2020)
본 연구에서는 BIM과 GIS의 통합의 첫 번째 방법인 BIM 데이터를 GIS 형식으로 변환 방법에 대해 제안하려 한다. 특히 건설분야에서 인프라 시설물인 교량, 터널등의 BIM 데이터 표준을 활용하여, 공간정보의 GIS로 활용할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.
연구방법으로 BIM과 GIS에 표준 모델인 IFC와 CityGML의 데이터 구조를 분석하고, 건설정보에서 활용되었던 BIM의 속성 및 객체 정보를 활용하여 GIS 데이터로 변환할 수 있는 방안을 소개한다.
본 논문의 연구흐름도는 Figure 2와 같으며, 단계별 연구 과정으로는 1단계는 연구의 동향 및 관련 연구사례를 분석하여 본 연구에 타당성과 차별성을 검토하였다. 2단계는 Infra BIM의 지침서를 검토하고 교량과 터널 구조물이 BIM 설계에서 요소별 중요도를 분석하였다. 3단계로는 IFC의 클래스를 분석하여 교량/터널의 BIM 데이터가 IFC로 나타내는 클래스를 알아보고, 기반시설의 BIM 데이터가 유지관리 측면에서 구체적인 IFC 클래스 표준으로 관리할 수 있는 방안을 제시하였다. 4단계로 IFC에서 CityGML으로 변환 시 객체 형상 및 속성 정보가 손실 없이 GIS 단계에서 활용될 수 있는지에 대해서 알아보았다.
즉 기반시설의 설계 데이터인 교량/터널 BIM 모델을 유지관리 활용의 GIS 데이터까지 연계되는 과정을 IFC/CityGML 표준을 이용하여 형상정보와 속성정보의 손실 없이 변환되는 방법을 제시하였다.
2. 연구 일반적 고찰
2.1 Infra BIM 데이터 개념 및 특성
2.1.1 국내 Infra BIM 지침서
조달청 “시설사업 BIM 적용 기본지침서(v2.0)”에는 조달청 시설공사 대상에 BIM을 적용 시 계획설계 단계, 중간설계 단계 및 실시설계 단계에서 필요한 BIM 업무에 대한 기준을 제공하여 시공 단계 및 유지관리 단계에도 활용할 수 있도록 가이드로 명시되어 있다. 이 지침서의 특징으로는 개방형 BIM을 적용하여 다양한 소프트웨어들이 공개된 표준인 기준, 정보규격, 분류체계 등에 따라 업무를 수행 시 자료 정보를 공유·교환할 수 있도록 하고 있다. 그래서 이를 위하여 시설물 BIM 데이터의 작성 및 활용에는 공인된 국제표준인 IFC를 지원하는 소프트웨어 사용에 대한 원칙을 명시하고 있다. 이에 IFC 표준을 지원하는 BIM 소프트웨어인 Autodesk 사의 Revit, Graphisoft 사의 ArchiCAD에 대해 건물의 BIM 설계 적용에 대한 사용방법에 대한 예시를 설명하고 있다.(PPS, 2019)
국토부는 ‘20년 “건설산업 BIM 기본지침”을 통해 건설산업 전반의 BIM 관련 국가 최상위 지침을 마련하였다. 이 BIM 기본지침을 반영하여 각 발주처는 “분야별 BIM 적용지침”, “분야별 BIM 실무요령”을 작성하도록 하고 있다. 발주처별로 실무 수준의 BIM 세부 업무 지침과 실행에 필요한 관련 참조 문서를 필수적으로 마련하여, 분야별 특성에 따라 실제 건설사업 수행을 할 수 있도록 명시하고 있다.(MOLIT, 2020)
한국도로공사는 ’16년에 “EX-BIM 가이드라인(v1.0)”을 제정하여 고속도로 건설사업의 기본설계단계, 실시설계단계, 시공단계, 유지관리단계의 업무를 3차원 정보모델 기반의 기술인 BIM을 활용하기 위한 업무지침 가이드라인을 제작하였다. EX-BIM 가이드라인에서는 BIM 활용방안에 대해 계획단계에서는 사업구간 현황모델링, 원가계산, 공정계획, 사업구간 분석, 설계검토에 대한 내용이 이으며, 설계단계에서는 도면/수량의 설계검토, 설계 모델링, 구조해석, 일조분석, 법규검토에 대한 내용이 있다. 그리고 시공단계에서는 3차원 간섭검토, 부지 공간 계획, 공정관리, 제작 및 품질 관리, 검측, 안전관리 등이 있으며, 유지관리 단계에서는 준공 모델, 자산관리, 이력관리, 재난안전관리 등에 대한 내용을 각 단계별로 활용가치에 대한 설명하고 있다.(KEC, 2016)
한국토지주택공사에서는 ‘18년에 “LH Civil-BIM 업무 지침서(V1.0)”를 마련하여 단지조성 사업에 대한 BIM 발주, 입찰 및 계약, 성과품의 작성, 제출 및 검수에 대한 일련의 절차를 정의하였다. 단지분야 기본 및 실시설계 단계에서 BIM의 적용 방침을 수립하고, 설계용역 착수 시 BIM 수행계획을 구체화하여 실무에서 활용함을 목적으로 하고 있다. 또한 스마트시티의 기초 데이터로 활용할 수 있도록 BIM 발주계획 수립부터 설계에 이르기까지의 업무를 지원할 수 있도록 하고 있다.(LH, 2018)
그리고 “LH Civil-BIM 업무 지침서”에서는 유지관리에 대한 BIM 적용분야는 스마트시티로도 활용할 수 있도록 가이드하고 있어, 3D정보모델이 IT, ICT 등 스마트장비 사용을 고려하여 설계되어야 할 것으로 보인다. 또한 지침서에서 BIM 데이터의 스마트시티의 활용을 위해 국가 3차원 형상정보 및 속성정보의 표준이 제정되면 단지사업에 반영하도록 되어 있으며, 현재의 상태에서도 BIM을 스마트시티 기술의 활용하는 방안에 대해 검토하여야 한다. 이는 곧 건설분야에서 활용되었던 BIM 데이터가 구체적인 표준으로 관리되어야 하고, 이를 기반으로 공간정보분야의 GIS 데이터 또는 디지털트윈의 데이터로 확장하여 활용할 수 있어야 한다.
2.1.2 Infra BIM 분류체계
“건설산업 BIM 기본지침”(MOLIT, 2020)에서 BIM 기술 환경 확보를 위해 정보 분류체계 적용하여 건설정보 분류체계, 작업분류체계(WBS, Work Breakdown Structure), 객체분류체계(OBS, Object Breakdown Structure) 등 프로젝트 구성원 간에 사전 협의된 분류체계를 적용하여 정보를 구축하게 되어 있다. 이는 협업 기반의 생산성 향상이 되기 때문이다. 그래서 모델 작성 기준으로 모델 작성 범위 및 내용을 설정을 해야 하는데, 공종분야별 BIM 모델의 작성과 시설단위별 모델은 BIM 객체분류체계가 마련되기 전까지는 작업분류체계(WBS)에 근거하여 작성함을 원칙으로 하고 있다.
“작업분류체계(WBS) 적용 설계실무 가이드라인” (MOLIT and KICT, 2021)에는 국도 및 하천분야의 작업분류체계 개요 및 구성, 세부작업내용등이 설명되어 있다. 도로분야 작업분류체계는 7레벨의 계층구조를 적용하도록 되어 있으며, 도로시설(1 Level), 공정(2 Level), 시설물(3 Level), 방향공간(4 Level), 확장공간(5 Level), 작업관리(6 Level), 세부작업관리(7 Level)으로 구분되어 있다. 이에 교량, 터널에 작업분류체계(WBS) 구성 Diagram을 확인할 수 있으며, Figure 3은 구조물공 교량의 작업관리단위별 세부작업에 대한 내용이다.
건설데이터가 설계, 시공 및 유지관리단계까지 객체의 정보를 교환하여 활용할 수 있도록 하기 위해서는, 3차원 모델을 객체단위로 구성하고 그 객체에는 분류체계, 형상정보, 속성정보 등의 정보로 관리해야 된다. 이는 작업분류체계와 객체분류체계를 연계하여 실무적으로 BIM 작업을 해야 정보 구축 및 관리 관점에서 효율적으로 할 수 있다고 보고 있다.(Nam and Kim 2018)
또한 Nam and Kim(2019)는 Figure 4에서 보는 것과 같이 BIM 표준분류체계를 객체분류체계와 속성분류체계로 구분하고 건설객체분류체계는 사업, 단위시설물, 구간, 시설물의 부위 그리고 객체와 부품 같은 최소화된 요소까지 모델의 수준이 계층적으로 구성해서 관리해야 된다고 보고 있다. 속성분류 체계는 이러한 모델의 계층구조에 따라 필요한 사업정보, 시설정보, 구조물정보, 부위공법정보, 객체의 BIM Library 정보 등에 속성정보를 모델 수준에 따라 채택 구성하는 방법을 제시하였다. 이는 곧 건설의 설계, 시공에서 정의된 BIM 모델 객체의 정보를 일괄되게 관리하면, 유지관리 단계에서도 정보를 최대한 활용할 수 있다는 의미이다.
2.2 IFC와 CityGML 특성 및 연계 연구
2.2.1 IFC 구조
IFC 형식은 건설 특히 건축분야에 정보를 설명하기 위해 개발된 데이터 교환 형식이다. BIM 표준으로 buildingSMART에서 개발 및 유지관리하고 있으며, 현재 IFC4.0까지 개발되어 있고 계속해서 토목 기반시설이 포함한 IFC4x3로 발전해 나아가고 있다. IFC는 ISO 16739 국제 표준으로 등록되어 있으며, 데이터 교환 표준 언어의 EXPRESS 기반으로 객체관계 모델을 정의하고 있다.
IFC에서 3차원 공간에서 객체를 정의하는 방법으로는 CSG(Constructive Solid Geometry), Sweep Geometry(Sweep Volume), 그리고 3D GIS에서 주로 사용되는 B-Rep(Boundary Representation)을 지원한다. 그리고 건물 및 해당 구성요소는 개체 형식으로 관리되며, Figure 5와 같이 계층 구조로 IFC가 이루어져 있는 것이 특징이다.
Figure 5.
UML diagram for IFC entities, only the most relevant objects and relations are represented (Donkers, 2013)
BIM 표준의 IFC 파일은 처음에는 건축 BIM 위주로 활용되었다. 차츰 Infra 분야에서도 BIM 설계가 활성화 됨에 따라 토목 BIM에서도 IFC가 표준으로 활용되고 있다. 현재 공식적으로는 IFC4.0 버전까지 개발되어 있으며, 토목분야의 BIM을 IFC 클래스로 반영할 수 있는 IFC4x3 버전이 개발 진행 중이다.
이렇게 IFC 파일은 BIM 표준 모델 데이터로 개방형 교환 형식이다. 따라서 도로공사와 한국토지주택공사의 토목분야 BIM 가이드라인에서도 BIM 데이터 공유를 위해 IFC 파일을 지정하고 있으며, 특히 구조물 분야 교량/터널 등에서 BIM 결과물 납품 시 IFC 파일의 제출은 필수적으로 해야 한다.
2.2.2 Infra분야 IFC의 클래스 확장 연구
IFC 형식은 처음에는 건축분야에 정보를 설명하기 위해 개발되다 보니 IFC 객체 클래스에는 건물과 관련된 벽, 기둥, 슬래브, 문, 창 등에 클래스는 있지만, 토목 시설물에 관련된 정보는 한정적이다. 그래서 IFC4.0 버전 같은 경우는 Figure 6과 같이 “IfcCivilElement”의 토목 요소가 있으며, 토목 시설물을 지정하거나 더 확장할 부분이 있으면 “IfcCivilElement“에서 클래스를 확장될 수 있는 것이다.
토목 BIM 분야를 적용할 수 있는 IFC 요소는 한정적이기 때문에 IFC 클래스를 확장해서 활용해야 한다. 토목 BIM 요소의 확장 연구를 살펴보면, Moon at al.(2014)은 도로시설물의 도로를 구성하는 구조 요소 및 속성을 BIM으로 구축하고 활용할 수 있도록 IFC 스키마를 확장에 대한 기초자료를 제공하고 있다. 그리고 Jang at al.(2017)은 터널의 스키마를 확장하여 BIM으로 터널 구축 시 IFC 파일로 관리할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 Floros et al.(2019)는 옹벽, 교량 등의 도로시설물 사례를 통해 IFC 클래스 확장에 대한 방안을 제시하였으며, Erdene at al.(2020)는 교량 같은 경우는 Figure 7과 같이 “IfcCivilElement“ 아래로 교량의 클래스를 추가하여 유지관리까지 활용에 대한 기반을 마련하는 연구를 진행하였다. 이렇듯 토목 BIM 요소는 IFC 확장을 통해 관리를 해야 하며, 그래야 유지관리 업무까지 정보 교환을 효율적으로 할 수 있게 된다.
BIM을 IFC를 체계화하여 관리하면 유지관리로 활용함에 있어 많은 이점이 있다. 그래서 효과적인 유지관리 작업 지원을 위해 Hu and Liu(2019)는 확장된 IFC의 시맨틱 웹 기술을 기반으로 인프라 시설물 관리를 e-maintenance 프레임워크 방식으로 제안하였고, Ait-Lamallam et al.(2021)는 도로 시설물에 대해 운영 및 유지관리를 위해 IFC 확장이 필요하다고 보고 있다. 또한 Xu et al.(2022)는 교량 유지관리 검사의 콘크리트 손상 데이터를 확장된 IFC 기반으로 관리할 수 있는 연구를 진행하였다.
이렇듯 토목 BIM 요소의 IFC 관리는 많은 장점이 있음에도 불구하고, 아직까지는 IFC 스키마가 부족한 부분이 있기 때문에 IFC 확장의 필요성에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그래서 현재 빌딩스마트협회에서는 Infra BIM에 대한 클래스도 전문적으로 반영하기 위해 Figure 8과 같이 IFC 도메인을 확장하여 Road, Railway, Bridge, Tunnel를 IFC4x3 버전 이상부터 반영하기 위해 진행 중에 있다.(Borrmann et al., 2019)
IFC 확장과 관련된 선행 연구사례에서, 토목 구조물이 BIM 환경에서 유지관리까지 활용하기 위해서는 토목 요소에 맞게 IFC 클래스를 적용해야 효과적으로 데이터 관리가 가능하다. 하지만 현재 토목분야의 IFC 클래스가 부족하기 때문에 IFC 확장을 통해서 관리를 해야 한다. 그리고 BIM 데이터는 설계-시공-유지관리까지 일관되게 관리해야 하므로 설계단계에서부터 IFC 확장 관리가 필요하다. 하지만 설계에서 부터 BIM 요소를 분석하여 그와 연관된 유지관리의 IFC 확장에 관련된 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서 토목분야의 설계 단계에서 BIM 요소의 중요도를 분석하여 유지관리 업무의 연계할 수 있는 IFC 확장에 대한 연구를 진행하였다. 그리고 IFC4x3는 아직 공식 버전은 아니지만 IFC의 가장 최신 버전이고 이를 기반으로 계속해서 발전해 나가기 때문에 최신의 IFC4x3 버전을 기반으로 IFC 클래스를 적용하고 확장할 수 있어야 한다.
2.2.3 IFC와 CityGML 연계 연구
CityGML은 GIS 데이터 교환을 위해 OGC(Open Geospatial Consortium)에서 개발한 산업 표준 모델이다. CityGML에서는 XML을 기반으로 가상 3차원 도시 모델의 저장 및 교환을 가능하게 하는 데이터 포맷으로 되어 있다. 3차원 도시 공간에서 건물, 교량, 터널, 도시시설물 등의 모델에 대한 3D GIS 표준으로 활용되며, 도시 객체들의 항목(Entity), 속성(Attribute), 관계(Relation) 등을 정의하여 나타낸다.(OGC, 2021)
CityGML에 항목과 IFC 항목은 유사한 항목이 많지만 통합하기에는 어려운 측면이 있다.(OGC, BSI, 2021) 따라서 BIM/GIS의 통합을 위해 IFC와 CityGML을 통합 및 연계, 매핑하려는 많은 연구가 이루어지고 있다.
IFC에서 CityGML 연계를 위해 중간 허브를 도입한 El-Mekawy et al.(2012)은 건물에 대해 IFC에서 CityGML로 변환 시 완벽한 변환은 어려워, 중간 모델로 활용할 수 있는 UBM(unified building model) 개념을 도입하였다. 건물의 IFC, CityGML의 두 표준을 변환할 필요 없이 공통 모델의 UBM으로 정의하는 통합모델 개념이다. 여기에 더 발전시켜 Xu et al.(2014)은 BIM 및 GIS에 정보 통합을 위해 CIM(City Information Modeling)의 개념을 제안하였다. IFC와 CityGML의 모델 이면의 데이터 스키마를 서로 비교 및 매핑하였다. CIM은 건물, 전기, 기계, 배관, 교통 등 도시시설 전반적인 클래스를 새로 정의하여 IFC와 CityGML를 서로 통합 호환할 수 있도록 한 것이다.
건물 요소의 IFC를 CityGML로 손실 없이 변환하는 방안에 연구로 Donkers.(2013)은 건물 요소의 IFC의 시멘틱(Semantic)과 CityGML의 시멘틱을 대상으로 매핑하고, IFC의 건물 모델을 CityGML의 LOD3로 변환이 최적화할 수 있는 방법을 제시하였다. 건물 외부 쉘의 추출을 불린(Boolean) 및 형태학적(Morphological) 연산을 기반으로 적용한 방법론이다. 또한 Yu et al.(2014), Colucci et al.(2020)은 건축물에 대해서 IFC 모델을 CityGML로 변환하여 LOD 모델 생성에 대한 연구를 진행하였으며, 변환은 Safe Software 사의 FME(Feature Manipulation Engine)를 사용하였다. 기하학적 및 정보 데이터의 손실을 최대한 없이 하기 위해 노력하였으며, 특히 Yu et al.(2014)는 IFC 모델의 일반적인 Swept Solid 형상을 B-Rep 기반의 CityGML로 데이터 손실없이 변환 하였다.
IFC와 CityGML의 건물의 스키마를 매핑 한 연구로 Sani et al.(2021)은 건물 요소에 대해 IFC와 CityGML에 형상 및 시멘틱 정보로 직관적으로 매핑하여 변환하였는데, 결과물의 정확도 향상을 위해서는 변환 규칙에 대한 명확한 정의가 필요하다고 보고 있다. Hbeich and Roxin(2020), Karan et al.(2016)은 BIM과 GIS 도메인과에 매핑을 온톨로지 매칭 기술을 통해 BIM과 GIS 개념 스키마를 매핑하였으며, Kang(2018)은 BIM-GIS 연계 및 통합을 개념 매핑(B2GM)에 대해 제안하였다.
도시 전체의 BIM과 GIS 연결한 연구로 Vilgertshofer et al.(2017)는 BIM과 GIS에 도메인 간의 연결이 도로, 터널, 교량 및 철도와 같은 기반 시설 프로젝트 광범위하게 필요하다고 보고 있다. 하지만 데이터 모델 간에 변환 시 손실이 발생할 수 있다. 그래서 일관된 모델 제공을 위하여 Linked Data 개념을 활용하고 IFC, CityGML 두 표준의 해당 엔터티 간에 참조를 설정할 수 있는 기반을 제안하고, 쉴드터널을 예시 모델로 설명하였다. 특히 Kolbe et al.(2021)는 Figure 9와 같이 BIM의 IFC, 시멘틱 3D 모델의 CityGML을 원본 데이터를 활용하여 통합하는 접근 방식을 설명하고, 이런 통합 데이터로 도시 전체를 관리할 수 있는 방안에 대해 연구하였다.
기존 연구 사례에서 살펴보면 건물에 대한 BIM 데이터의 IFC 표준을 GIS 데이터의 표준인 CityGML로 변환하려는 연구는 많은 부분에서 이루어지고 있다. 두 표준의 건물 요소의 유사한 항목별로 매칭하여 변환하는 방법, LOD가 최적화되어 유지될 수 있도록 변환하는 방법, 형상과 데이터의 손실 없이 변환하는 방법 등 다양한 방법으로 IFC와 CityGML을 연계하려는 연구가 진행되고 있다. 그리고 도시 전체의 시설물을 정의하고자 IFC, CityGML 등의 표준을 서로 통합에 대한 연구도 있다.
이렇듯 앞서 선행연구 사례를 살펴보았을 때, 도시의 기반시설인 교량, 터널 등의 Infra BIM 구조물에 대해 IFC를 CityGML로 변환과 관리에 대한 연구 사례는 아직 미흡한 실정이다. 더불어 유지관리 측면에서 데이터를 관리 시 IFC의 토목 시설물에 맞는 명확한 클래스로 규정하여 관리해야 되지만 아직은 어려운 부분이 있다.
이에 본 논문에서 Infra 분야의 교량/터널 구조물의 BIM 데이터가 IFC 표준으로 적용할 수 있는 클래스에 대해 검토하여, 기반시설의 BIM 데이터가 유지관리 측면에서 IFC 표준의 클래스로 관리할 수 있도록 제시하였으며, 이런 IFC 데이터가 GIS의 표준인 CityGML로 정보 손실 없이 연계되는 과정을 알아보았다.
3. Infra BIM 구조물의 IFC 클래스 정의
3.1 교량/터널 BIM 모델의 객체분류
교량/터널의 BIM 모델 객체에 분류는 국토부/건설기술연구원의 “작업분류체계(WBS) 적용 설계실무 가이드라인(MOLIT and KICT, 2021)”와 도로공사의 “고속도로 스마트 설계 지침(KEC, 2020)”, 국가철도공단의 “BIM 설계 및 시공관리(KNR, 2021)”, 한국시설안전공단(KALIS, 2012)의 연구 내용을 분석하여 Table 1, 2로 나타내었다.
Table 1.
Analysis of the BIM model and facility management of the bridge
Table 2.
Analysis of The BIM Model and Facility Management of The Tunnel
도로공사의 “고속도로 스마트 설계 지침(KEC, 2020)”에서는 BIM 전면설계 수행 과정에 대한 일관된 절차를 규정하고 있다. 교량/터널의 BIM 모델의 부재별 또는 공정별로 모델을 구분하여 LOD(Level of Development, 또는 Level of Detail) 지정하였다. 그리고 BIM 데이터는 건설정보의 운영과 관리를 위해 분할함을 원칙으로 하고 있으며, 필요시 교량별 모델을 조합에 의한 통합 데이터를 구축할 수 있다고 명시되어 있다. 예를 들어 교각본체는 필요하다면 하나에 BIM 모델로 사용할 수 있고, 또는 모델 관리를 위해 교각코핑, 교각기둥, 교각기초 등으로 구분하여 활용할 수 있는 것이다.
또한, 국가철도공단의 “BIM 설계 및 시공관리(KNR, 2021)”는 설계오류 방지, 시공단계 설계변경 최소화, 준공시설물의 효율적 관리 등을 위해 설계 및 시공단계 BIM 업무 관련 제반사항에 대하여 규정하고 있다. 이에 수량산출 내역서에는 각 공정별로 LOD를 부여하였으며, BIM 데이터로부터 추출한 수량은 자동수량, 연동수량, 수동수량으로 구분하였다. 수량산출은 BIM 모델을 이용하여 자동수량으로 산출하는 것을 원칙으로 하되, 모델링 및 LOD 수준에 따라 연동 및 수동수량으로 산출할 수 있다고 명시되어 있다. 이렇게 도로공사와 국가철도공단의 BIM 가이드라인을 통해 교량/터널의 BIM 모델의 구분 및 LOD 수준을 알 수 있다.
그리고 국토부의 “건설산업 BIM 기본지침(MOLIT, 2020)”에서는 BIM 모델은 작업분류체계(WBS)에 근거하여 작성함을 원칙으로 하고 있으므로 교량/터널의 BIM이 작성되는 구성모델과 세부공정은 “작업분류체계(WBS) 적용 설계실무 가이드라인(MOLIT and KICT, 2021)”에서 모델을 분류하여 Table 1, 2를 구성하였다. 교량에 대한 분석 내용은 Table 1, 터널에 대한 분석 내용은 Table 2에 작성하였다.
Table 1, 2에 각 공정별 구성요소 분류는 작업분류체계(WBS)를 기준을 우선으로 작성하였다. 하지만 도로공사와 국가철도공단의 BIM 지침에는 있지만 WBS 목록에는 없는, 예를 들어 교량 공정에서 교대의 날개벽, 교면포장, 점검시설 등은 BIM 요소 목록으로 추가하였다. 그리고 WBS에는 있지만 BIM 공정으로 관리할 필요 없는 요소는 명시를 하지 않았다. 이런 분석을 기준으로 Table 1,2에 목록을 구성하였고, BIM 가이드라인에 기술되어 있는 교량/터널 실시설계 단계의 LOD를 나타내었다. 특히 국가철도공단의 BIM 가이드라인은 수량산출 여부도 함께 분석하여 BIM 요소의 중요도를 판단할 수 있게 하였다.
그리고 Table 1, 2에 교량/터널 각 공정에 따른 유지관리에 대한 실행 여부를 함께 나타내었다. 구조물의 BIM 유지관리 여부는 한국시설안전공단(KAOLIS, 2012)의 연구의 BIM 기반의 스마트 유지관리를 도입에 대한 방안에 대한 내용을 참고하였다. 이는 시설물 정보체계 구축과 운영을 BIM 기반으로 효과적으로 추진할 수 있는 방안이 기술되어 있어서 본 논문에서 참고하여 반영한 것이다.
작업분류체계(WBS)에 구분된 교량/터널의 공정 대부분은 BIM 요소의 모델로 구분하여 관리할 수 있었다. 이렇게 Table 1, 2의 각 지침별로 BIM 모델이 작성되는 기준 및 유지관리 실행 여부를 통해서 교량/터널 분야의 요소별로 중요하게 작성되는 BIM 모델의 구조를 알 수 있었다.
하지만 Table 1에서 교량 주탑은 특수 구조물이다 보니 도로공사와 국가철도공단의 BIM 지침서에서는 언급하지 않고 있다. 그래서 한국시설안전공단(KALIS, 2017) 연구 내용을 살펴보면, 특수 교량에 대해 주탑, 케이블, 앵커리지등에 대해 BIM 기반으로 작성하고 유지관리로 활용하는 부분에서 유지관리를 BIM 모델의 상세 정도를 LOD 350 이상으로 기본적으로 해야 하고, 상세 점검이 이루어지는 부위에 대해서는 LOD 400 이상으로 설정해야 한다고 보고 있다. 따라서 특수 교량의 주탑은 BIM 지침에는 명시가 안 되어 있지만, BIM 설계 시 LOD 350 이상으로 적용된다고 볼 수 있을 것이다.
그리고 교량/터널의 철근 모델 같은 경우 BIM 모델의 실시설계 단계에서 LOD 수준은 도로공사는 정확한 형상 모델과 철근이 포함된 LOD 350 수준을 원하고 있는 반면, 국가철도공단은 작업에 효율성을 따져서 LOD 300 수준, 즉 구조물 형상을 정확히 모델링과 속성정보를 입력은 하고 철근은 주철근과 부재의 주요 철근 정보만 모델링 하도록 되어 있다. 이렇게 Table 1, 2를 통해서 발주처별 BIM 모델의 구축 차이를 알 수 있다.
수량산출을 위한 모델링 되는 객체도 있는데, 터널 보조공법의 선진보강 그라우팅 같은 경우는 유지관리 요소는 아니지만 정확한 수량산출을 위해 도로공사 같은 경우 LOD 300 적용하고 있다. 그런데 국가철도공단 지침서에서는 연동으로 수량을 산출할 수 있어 모델을 작성하지 않아도 된다. 이와 같이 수량산출 방식이 자동, 연동의 따라 BIM 모델의 수행 여부가 정해진다. 여기서 수량산출 방식이 연동으로 BIM 모델을 하지 않아도 수량이 산출되는 요소가 있더라도, 만약에 유지관리를 실행해야 되는 객체 요소이면 BIM 모델을 수행해야 될 것이다.
또한 터널의 지보공 같은 경우는 강지보공은 유지관리 요소로 되어 있지만 숏크리트, 록볼트는 시공이 완료 후 유지관리 시에는 관리하지 않는 요소이다. 이와 같이 건설 요소로는 필요하지만 공사가 완료된 시점에서 관리가 불필요한 객체는 유지관리 데이터로써 활용하지 않는 것이 데이터 관리 차원에서 효율적일 것이다.
전체적으로 Table 1, 2를 분석해 보면, 교량/터널의 BIM 모델의 유지관리를 실행해야 하는 대부분의 객체는 LOD 300 이상으로 적용되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이렇듯 Table 1, 2를 통해 설계/시공단계에서 BIM을 구축해야 되는 요소 및 수준을 알 수 있을 뿐만 아니라, 유지관리 측면에서 교량/터널의 BIM 모델 객체를 분류할 수 있고, GIS 데이터로 활용할 수 있는지에 대해서 모델 요소를 분석할 수 있는 기초 자료가 된다.
3.2 유지관리를 위한 교량/터널의 IFC 클래스 분석
설계/시공의 BIM 데이터에는 도면, 수량, 내역, 공정 등 건설분야의 다양한 프로세스에서 적용되어 활용된다. 이후 건설이 완료되고 BIM 데이터는 시설물 관리에서 활용될 수 있는데 이는 GIS 데이터 연계와 밀접한 관련이 있다. 따라서 본 논문에서는 GIS 데이터와 연계될 수 있도록 유지관리의 관련된 BIM 데이터를 살펴보고, IFC 파일 표준으로 구성할 수 있도록 연구하여 제시하였다.
Table 1, 2에 분석된 BIM 모델 객체 기준과 한국시설안전공단(KAOLIS, 2012)의 교량과 터널에 대한 유지관리 대상 및 조사사항은 다음과 같다.
•교량의 유지관리 대상의 BIM 모델
- 상부구조 : 슬래브, 거더, 받침, 신축이음, 케이블, 배수시설, 난간, 연석, 교면포장 등
- 하부구조 : 교대, 교각, 주탑 등
•교량 유지관리 조사사항
- 육안 진단, 비파괴장비진단, 계측 진단 등
•터널 유지관리 대상의 BIM 모델
- 라이닝, 강지보, 포장, 배수시설, 갱문 면벽/옹벽, 연결통로, 계측장비, 환기구, 등
•터널 유지관리 조사사항
- 터널내부 : 균열조사, Joint부 조사, 누수조사, 2차라이닝, 내부결함 탐사, 터널계측, 지반상태, 배수·공동구 상태조사 등
- 터널외부 : 균열조사, 누수 및 유해수 조사, 터널주변조사 등
이렇게 유지관리 대상 시설물에 대해서는 IFC 클래스로서 명확히 구분되어 있어야 유지관리 조사사항에 대한 내용을 BIM 모델의 객체별로 관리할 수 있다. 따라서 토목 시설물에 대한 IFC의 클래스를 명확히 하여 유지관리 상에서도 활용될 수 있도록 관리하는 것이 중요하다.
BIM 표준으로 현재 IFC2×3, IFC4.0 버전이 보편적으로 사용되고 있다. 하지만 IFC4.0 까지는 토목을 구성하는 클래스가 없어서 교량 및 터널 등의 토목구조물의 클래스를 지정하기가 어렵다. 그래서 아직은 비공식적이지만 토목의 IFC 클래스는 최신의 내용을 담고 있는 IFC4x3 버전의 토목 클래스를 본 논문에서는 참고하여 적용하였다. IFC4x3 버전은 계속해서 업데이트 되고 있어 변경되는 부분도 있을 수 있지만, 토목 BIM의 IFC 클래스를 지정에 대해서는 방법론적으로 접근해야 한다. 따라서 최신 버전으로 IFC4x3이 적용되는 개념을 이용해야 토목 BIM의 IFC를 적용할 수 있는 것이다.
IFC4x3 버전에는 [IfcSpatialElement - IfcSpatialElement – IfcFacility] 공간 스키마 요소에 "IfcBridge, IfcBuilding, IfcRoad, IfcRailway, IfcMarineFacility" 항목이 포함되어 있다. 그리고 IFC4x3은 Figure 10에서와 같이 “IfcElement”에 토목의 클래스를 기존 건축 클래스 항목에서 확장되어 적용할 수 있도록 하였다. “IfcElement” 중에 “IfcColumn” 같은 경우는 기존 건축의 항목 속성도 가지고 있지만, 토목 교각 대한 항목의 속성이 추가되어 있어 교량의 교각으로 정의할 수 있는 것이다. 하지만 IFC4x3 버전이 모든 토목 시설물의 항목을 반영할 수 있는 것은 아니다. 그래서 새로운 클래스가 필요로 하게 되면 추가로 클래스를 확장해야 되고, IFC4x3 이상의 버전이 계속해서 개발 업데이트 중에 있으므로 새로운 클래스 확장에 대해 제안할 수 있을 것이다. IFC4x3에 대한 정보는 buildingSMART International 사이트에서 확인해 볼 수 있다.(BSI, 2022)
이렇듯 IFC4x3 버전에서는 토목 클래스를 적용 시 기존 건축 클래스 항목을 확장하면 대부분의 항목을 반영할 수 있어서 재사용 할 수 있도록 되어 있다. 그래서 “IfcWall”이 건축벽도 되지만 교대벽, 옹벽 등으로도 활용될 수 있는 것이다. 즉 기존 IFC에서 활용되던 사전 정의된 유형의 속성을 확장한 것이다. 그리고 베어링(Bearing)은 이전 버전에는 없었는데 교량의 받침을 반영하기 위해 추가된 것이다. 그리고 공간계층구조에서도 교량의 항목을 도입하였으며, 교량의 부분적 요소가 그룹으로 모여 교량 전체로 관리되는 방식이다. Figure 11과 같이 교각, 교대의 “IfcElementAssemby“는 “IfcElement”의 조합이 되어 이루어진다. 그리고 “IfcElementAssemby“의 교각, 교대들로 하부구조의 공간요소의 ”IfcBridgePart“, 계속해서 그 위로 하부구조와 상부구조의 ”IfcBridgePart“로 나타낼 수 있다. 이렇듯 IFC 클래스의 계층구조를 통해서 교량 전체의 완전체 요소로 ”IfcBridge“를 나타낼 수 있는 것이다.(BSI. 2018)
그리고 IFC4x3 버전에 “IfcBridgePartTypeEnum”와 “BridgeTypeEnum”에서 교량에 세부 요소들을 확인하여 각 속성에 맞게 매핑하여 관리하게 된다. 이는 데이터관리 및 유지관리 차원에서도 중요하여, 각 부재별 관리를 체계적으로 할 수 있게 된다. 하지만 현재 IFC4x3 버전에는 터널 스키마는 아직 업데이트가 안 되어 있다. 그래서 본 연구에서는 IFC4x3 교량의 적용하는 개념을 이용하여 터널의 항목을 정의하여 Table 3에 반영하여 작성하였다.
Table 3의 작성에서 교량의 “IfcElement” 요소로는 배수시설을 할당해야 될 부분은 없어 새로운 클래스 만들어 “IfcDrainage”로 추가하여 관리해야 될 것으로 보인다. 또한 신축이음, 앵커리지는 기존 “IfcMember”에 추가하여 속성을 부여하면 관리하면 된다. 또한 받침은 WBS에서는 하부에 포함했지만 유지관리적 차원에서는 상부구조로 포함하였다. 그리고 터널의 새로운 클래스를 확장해야 되는 요소로는 공간요소의 터널본선(TunnelMain), 터널개착(TunnelOpening), 터널공통(TunnelCommon)과 라이닝(Lining), 연결통로(SafetySpace)을 추가하여 반영하였다. 그리고 터널의 “IfcElement”로 추가해야 되는 요소로 강지보공은 “IfcStructuralSupport”로 새로 추가해서 만들어야 한다. 그리고 기존 항목요소에 할당할 수 있고 속성을 추가 정의할 수 있는 부분으로 갱문의 면벽과 옹벽은 “IfcWall”, 계측기와 환기구는 “IfcMember”으로 정의하여 적용할 수 있을 것이다. 이렇게 적용된 내용을 Table 3에서 IFC 클래스를 [IFC Classes]로 나타내고 IFC4x3 항목이 있어서 IFC 클래스 사용이 가능하면 IFC 클래스 끝에 “+”, IFC4x3 항목의 속성을 추가해서 관리해야 되면 IFC 클래스 끝에 “++”, 새롭게 클래스를 만들어야 하면 IFC 클래스 끝에 “+++“ 표시하여 IFC 클래스를 구분하였다.
토목 시설물에 대한 BIM의 IFC 클래스를 명확히 하면, 유지관리 상에서도 체계적으로 데이터를 활용할 수 있으므로 중요한 사항이다. 따라서 Table 3은 토목 BIM의 교량, 터널을 구축 시 IFC 클래스를 지정에 가장 기본적인 사항이 되는 것이다. 하지만 아직까지는 IFC4x3 버전에서도 토목 BIM 데이터를 모두 반영하는 것은 어렵다. 그럼에도 불구하고 최소한의 Table 3의 목록의 정의된 정도는 IFC 클래스로 반영해야지만 유지관리 대상 시설물로써 구분될 수 있고, 유지관리 조사사항에 대한 내용도 BIM 모델 객체별로 관리할 수 있게 된다.
Table 3.
IFC classes analysis as facility management model of bridge/tunnel
4. 교량/터널의 IFC와 CityGML 모델 검증
4.1 교량/터널의 BIM 모델링 및 IFC 파일 작성
교량과 터널의 BIM 모델은 설계도면을 통해 구축하여 IFC 파일을 생성하였으며, IFC 클래스가 정의되는 부분을 같이 검토하였다. BIM 저작도구로는 Autodesk사의 BIM 소프트웨어인 Revit을 사용하였으며, Revit은 IFC2x3, IFC4.0의 표준을 지원한다.
교량과 터널의 BIM 모델은 도로공사의 “고속도로 스마트설계 지침(2020)”에 따라 BIM 설계기준에 부합하도록 작성하였으며, CAD 설계도면을 기준으로 BIM 모델링을 구축하였다. 이때 교량, 터널은 선형구조물이다 보니 선형의 정보는 Civil3D에서 작성하고, Revit에서 이런 선형 정보를 이용하여 BIM 구조물을 구축 완료하였다.
BIM 구조물은 부재별로 라이브러리를 작성하였으며, BIM 특성에 맞게 파라메트릭 요소와 객체, 속성 정보를 관리할 수 있도록 하였다. 전체적으로 BIM 수준은 LOD 300 이상으로 적용하였으며, 철근 모델은 제외하였다.
교량의 BIM 모델링은 상부구조, 하부구조로 구분하여 작업하였다. 교량 상부구조에 해당하는 슬래브, 거더, 중앙분리대, 방호벽은 도로의 선형 요소를 고려하여 작성하였다. 그리고 하부구조는 교대의 말뚝, 기초, 벽체, 날개벽으로 구분하였으며, 교각은 말뚝, 기초, 기둥, 코핑으로 구분하여 부재별 모델링을 진행하였다. 이렇게 3장에서 분석한 교량의 BIM 구조를 이용하여 Figure 12와 교량 모델링을 진행하였다.
Figure 12의 교량 모델링은 교량 전체 공정을 작업한 것이 아닌 IFC변환 검증하기 위한 최소한에 BIM 모델을 작업한 것이다. 그리고 교량의 버림콘크리트 같은 경우는 설계/시공에서는 필요한 건설정보이지만 유지관리에서는 불필요한 요소이다. 이렇게 유지관리의 불필요한 객체도 BIM 모델에는 반영하여, GIS 데이터로 변환 시 사용되지 않거나 중요치 않는 모델 데이터도 같이 검토해 보았다.
터널의 BIM 모델링은 Figure 13에서와 같이 터널 본선부의 라이닝, 숏크리트, 하부콘크리트, 포장, 맹암거, 공동구뚜껑, 락볼트로 구성하였으며, 개착부의 갱문면벽, 갱문옹벽으로 구성하여 모델링 하였다. 이때 터널의 락볼트와 숏크리트 같은 경우는 설계/시공단계에서는 필요하지만 유지관리에서는 불필요한 요소의 모델이다.
Revit은 “*.rvt” 파일로 저장되며, IFC 파일은 내보내기를 통해 생성할 수 있다. 현재 Revit은 IFC4.0 버전까지 지원하고 있으며, IFC 파일로 내보내기 옵션으로 Figure 14 같이 사용자가 Revit의 카테고리별로 IFC의 항목을 반영할 수 있다. 그렇지만 본 논문에서 분석한 IFC 클래스는 최신의 버전인 IFC4x3로 현재는 비공식 버전이기 때문에, Revit의 최신 버전인 2022에서도 아직은 지원하지는 않는다. 하지만 이는 단지 소프트웨어에서 내보내기 변환에 대한 문제이기 때문에 추후 IFC4x3 버전이 개발 완료되면, 각 부재별로 IFC의 요소별 항목을 적용하는 것은 어렵지 않다.
따라서 IFC4x3 버전으로 내보내기가 현재까지는 지원 안되더라도 3장에서 분석한 Table 1, 2를 기준으로 BIM 모델 작업을 해야지만, IFC4x3 이상의 버전이 공식적으로 제공할 때부터는 Table 3에서 분석한 내용으로 클래스를 명확하게 하여 IFC에 반영할 수 있는 것이다.
Revit에서 모델링한 교량, 터널의 BIM 데이터는 IFC4.0 버전으로 내보내기 변환하였다. 이렇게 변환된 IFC 파일은 IFC 오픈소스 뷰어에서 형상 및 속성, 클래스 등을 검토할 수 있었다. Revit에서 BIM 모델링에서 정의한 모델 구조로 IFC 뷰어에서도 확인되었다. IFC 뷰어는 XbimXplore(xbim, 2022) 프로그램을 사용하였으며, Figure 15는 교량, 터널의 IFC 뷰어에서 확인한 IFC의 스키마 구조 및 객체의 정보 내용이다. Revit에서 IFC로 내보내기 시 “IfcCivilElement”의 클래스는 IFC4.0 버전에서 아직 미흡하여 “IfcBuildingElement” 클래스로 교량, 터널 모델이 포함되게 지정하였다. 이는 앞서 설명하였듯이 IFC4x3이 정식 버전으로 지원 시 토목의 IFC 클래스를 적용하면 될 것으로 사료된다. 그래서 본 논문의 4장에서 IFC 파일이 CityGML로의 변환은 방법론적으로만 분석을 시행 하였다.
4.2 교량/터널의 IFC 파일을 CityGML로 변환 및 검증
OGC(2021)의 CityGML UML 다이얼그램에서 교량/터널의 객체 요소를 확인해 보면 Table 4와 같다. CityGML은 도시 모델의 여러 개체를 단일 그룹에 연결할 수 있다. 예를 들어 교량 같은 경우 “Bridge”는 각 클래스들에 집합체이며, “BridgeConstructiveElement”,“BridgeInstallation”등은 단일 그룹으로 “BridgePart”에 소속될 수 있다. 따라서 필요에 의해 교량 모델을 그룹화 또는 분리해서 관리할 수 있는 것이다.
Table 4.
Classes in bridge/tunnel of cityGML
그리고 CityGML에서 교량 요소의 주요 개별 클래스는 “BridgeConstructiveElement”, “BridgeInstallation”으로 구분할 수 있다. “BridgeConstructiveElement”는 구조적 관점에서 필수적인 교량의 요소이다. 예를 들면 철탑, 앵커리지, 슬래브, 보의 모델을 항목으로 관리할 수 있을 것이다. “BridgeInstallation”은 “BridgePart”의 영구적이지만 구조적 관점에서 필수적이지 않고 중요성이 낮은 요소로써 계단 및 안테나, 난간 등이 해당이 된다. 터널도 “TunnelConstructiveElement”는 구조적 관점에서 필수적인 터널의 요소로 벽, 슬래브, 보 등이 포함되며, “TunnelInstallation”은 터널의 구조적 관점에서는 필수적이지 않고 중요성이 낮은 요소로 보면 된다.
이렇듯 CityGML의 교량/터널의 요소는 구조적 관점에서 구분하도록 되어 있지만, GIS 데이터로써 활용하기 위한 측면에서는 시설물을 관리할 수 있도록 구분하는 것도 중요하다. 따라서 교량/터널의 IFC 파일을 CityGML로 변환 시 IFC 파일에서 적용되었던 형상, 속성, 구조관계 등이 정보도 같이 매핑되어야 한다.
이에 IFC와 CityGML의 두 가지 국제 표준에 대해 변환은 Safe Software 사의 FME(2022) 소프트웨어를 사용하여 진행하였다. 이 변환 프로그램은 데이터 구조를 편집할 수 있고, 기능적 조합을 사용하여 변환도 가능하다. 그래서 본 논문에서는 FME의 입력파일("Reader")은 Revit에서 IFC4.0 버전으로 내보낸 교량/터널의 모델인 “*.IFC” 파일이며, 또한 출력파일(“Writer”)은 CityGML 표준의 “*.GML” 데이터 형식으로 설정하여 변환하였다. 이때 변환된 결과물의 모델의 정보가 중요하기 때문에 교량/터널의 CityGML 스키마로 Bridge, Tunnel 또는 CityObject으로 단일화하여 변환을 진행하였다. 여기서 교량/터널의 BIM 모델링을 CityGML로 반영 시 건설정보에서는 필요했지만, GIS 정보로써 불필요한 객체는 안 보이게 설정하였다. Figure 16은 FME 소프트웨어에서 IFC 파일을 CityGML로 변환에 대한 설정 환경을 나타낸 부분이다.
이렇게 변환된 CityGML 파일은 오픈소스의 FZK뷰어(FZK, 2022)를 사용하여 Figure 16에서와 같이 모델을 확인하였다. IFC 파일에서 가지고 있는 대부분의 정보를 반영하고 있어, IFC 파일을 CityGML로 충분히 데이터 연계가 가능하다. 따라서 유지관리에 최적화되어있는 IFC 파일은 CityGML로 변환하여 GIS 정보로 활용할 때, 유지관리용 데이터로 체계적으로 관리할 수 있는 기반을 마련해 주는 것이다.
이와 같이 IFC 파일을 CityGML로 변환에 대해서 살펴보았을 때, IFC에서 가지고 있는 모델 및 속성의 정보가 CityGML의 그대로 활용할 수 있다. 따라서 BIM 모델의 유지관리 측면에서 IFC 클래스를 명확히 관리하면 BIM/GIS가 상호운용성에 있어서도 효율적으로 데이터를 활용할 수 있는 기반이 만들어질 것으로 사료된다.
5. 결론
스마트도시, 디지털트윈의 기술 등이 활발하게 발전해 갈수록 BIM과 GIS 두 기술 분야의 상호운용에 대한 부분은 점점 더 중요해지고 있다. 이는 BIM 데이터가 구체적인 표준으로 관리되면 이를 기반으로 공간정보 분야의 GIS 데이터 또는 디지털트윈으로 데이터를 확장하여 활용할 수 있어야 하는 것이다. 그래서 본 연구에서는 기반시설의 BIM 데이터가 유지관리 측면의 IFC로 관리할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 관련 연구의 고찰을 통해서 교량/터널의 BIM 모델 객체의 수준과 유지관리의 실행 여부를 분석하였으며, GIS 데이터로 활용할 수 있도록 IFC 파일을 CityGML로 변환을 검토하였다.
본 연구를 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 기반시설의 BIM 모델분석을 통해 설계/시공단계에서 BIM을 구축해야 되는 모델 공정 및 LOD 정도를 알 수 있었다. 이는 유지관리 측면에서 교량/터널의 BIM 모델 객체를 분류할 수 있으며, BIM 모델 작성에 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
둘째, 토목 시설물인 교량/터널 구조물의 BIM 데이터가 IFC 표준으로 적용할 수 있는 클래스에 대해 검토하고, 유지관리 측면에서 IFC 표준의 클래스로 관리할 수 있도록 제시하였다. 이렇게 제시된 IFC 클래스는 유지관리의 시설물 조사사항에 대한 내용을 바로 BIM 모델 객체별로 관리할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 IFC의 버전은 현재 IFC4.0까지 지원을 하는데 IFC4.0 버전은 토목을 구성하는 클래스가 없어서 교량 및 터널 등의 토목 시설물의 클래스를 지정하기가 어렵다. 그래서 IFC4x3 버전에서 토목시설물의 클래스를 관리되는 방안을 제시하였다.
셋째, IFC 데이터가 GIS의 표준인 CityGML로 연계되는 과정의 방법을 제시하였다. 설계 데이터인 교량/터널 BIM 모델을 유지관리 활용의 GIS 데이터까지 연계될 수 있도록, IFC에서 CityGML로 변환되는 방법에 대해 제시한 것이다. 이는 유지관리 측면에서 BIM/GIS 상호운용에서 현재의 데이터를 폭넓게 확장하여 사용할 수 있는 기반이 된다.
넷째, BIM 데이터는 설계-시공-유지관리까지 일관되게 관리해야 함에도 불구하고 현재 발주처에서는 토목 BIM 구조물 납품 시 IFC의 클래스까지 정의하고 있는 가이드는 없다. 따라서 본 연구된 분석 데이터를 기반으로 설계단계에서부터 토목 시설물의 IFC 정의 시 기준 자료로 활용할 수 있을 것이다.
연구 한계로는 IFC4x3 버전이 아직 공식 버전이 아니기 때문에 토목시설물을 IFC로 나타낼 때 한계가 있었다. 그래서 추후의 공식적인 IFC4x3 상위 버전에서 적용도 필요하다. 그리고 본 연구에서는 유지관리의 BIM 모델이 IFC로 정의되었을 때 형상의 정보로만 데이터를 분류하여 관리하였다. 하지만 유지관리는 형상뿐만 아니라 유지관리에 필요한 조사 정보도 같이 관리를 해야 한다. 따라서 향후 연구 과제로 유지관리 대상의 형상과 조사 속성까지 정보를 확대하여 IFC에서 관리할 수 있는 추가 연구가 필요하다.
