2.1 손상의 종류와 속성 분류

구조물은 시공 혹은 공용 중에 다양한 형태의 결함이 발생할 수 있으며, 시간이 경과하여 구조물의 노후도가 증가함에 따라 손상의 수준도 증대된다. 유지관리 업무에서 구조물의 손상 수준에 따른 상태평가는 정기적인 점검에서 매우 중요한 평가항목으로 고려되고 있으므로 교량에 발생하는 손상을 표준화된 방법으로 디지털화하여 그 정보를 관리하고 활용하는 기술은 매우 중요하다고 볼 수 있다. 다양한 손상의 디지털 정보화를 위해 본 연구에서는 국내외의 교량점검 매뉴얼과 점검보고서를 분석하여^{(AASHTO 2003; FHWA 2012; KISTEC 2019)} 손상에 의한 등급평가 시 기준이 되는 손상의 유형을 분류하고 주요 속성을 표준화하였다. 이때, BIM 기반으로 손상 객체를 디지털화하고 그 정보를 효율적으로 관리하기 위해서는 모든 손상의 종류를 일일이 다루는 것보다 교량의 상태에 큰 영향을 미치는 주요 손상을 분류하여 관리하는 것이 필요하다. 손상이 많이 발생하는 콘크리트 바닥판의 경우 발생빈도가 높은 손상 종류를 분류하기 위해 본 연구에서는 대표적인 상부구조 형식을 가진 교량들을 대상으로 작성된 정밀안전점검보고서 상의 손상 빈도수를 분석하고, 보고서들의 손상물량표에 기록된 수 천건의 발생 손상 중 중복되는 손상을 제외하고 143종의 손상 종류를 구분하였다. 그중 발생 빈도수가 높은 손상 항목들을 분석한 결과 Fig. 1과 같이 균열, 망상균열, 백태, 철근노출, 파손, 분리, 박리, 열화, 스폴링의 9가지 손상을 대표적인 손상 항목으로 도출해 낼 수 있었으며, 그 외의 손상을 하나로 묶은 기타를 포함하여 총 10가지로 손상의 종류를 분류하고 디지털화 작업을 진행하였다.

Fig. 1 The frequency of occurrence of defects in bridge decks

손상에는 그 특성과 상태 및 수준을 표현할 수 있는 대표적인 속성이 있다. 대표속성을 구분하고 해당 정보를 표준화하기 위해 본 연구에서는 한국시설안전공단(2019)에서 제시한 구체적인 평가기준을 참고하여 앞 절에서 정의한 10가지 손상 종류를 대상으로 교량의 상태를 정량적으로 평가하기 위해 다루어야 하는 개별적인 속성과 손상 객체들이 일반적으로 다루어야 하는 속성을 분류하고 표준화하였다. 표준화된 속성들은 손상요소별 객체모델의 속성정보로 사용되고, 교량점검 시에 수집된 손상의 특징과 수치 등을 반영하여 교량 상태평가 등의 기초자료로 활용될 수 있다.

손상의 공통적 속성으로는 손상위치, 식별을 위한 분류코드, 교량의 해당부위 요소정보, 점검일자, 보수보강 상태, 그리고 정성적 기준에 해당하는 평가에 반영될 수 있는 정보로 구분할 수 있다. 손상 종류별 속성으로는 유사한 손상을 그룹으로 묶어 표현한 객체모델을 위해 자세한 손상의 종류를 작성할 수 있는 항목이 포함되어 있으며, 교량점검 시 측정되는 정량적 항목들과 손상의 상태를 등급화할 때 직접적으로 사용되는 수치들을 저장할 수 있는 항목들로 구성되었다. 각 손상의 종류별 대표속성정보는 Table 1에 정리하였다.

2.2 손상요소와 손상의 모델링

BIM 저작도구를 사용하여 구현된 교량 정보모델 상에 손상관련 정보를 추가시키고, 그 정보를 IFC-BIM 기반으로 효율적으로 운용하기 위해 2.1절에서 도출한 10가지 손상 종류별로 객체요소를 새로이 정의하였다. 정의된 손상요소는 BIM 모델 상에서 하나의 독립적인 객체로 인식되며, 2.1절에서 표준화한 손상의 종류에 따른 속성정보를 지닌다. 손상요소는 Fig. 2와 같이 작은 정육면체 형태로 각 면에는 손상을 기호화하여 쉽게 구분할 수 있도록 객체화하였다. 손상요소는 family 파일로 생성하여 개별 객체의 형태로 입력되고 관리될 수 있도록 하였으며, 반복적인 작업을 최소화하고 재사용이 가능하도록 하였다. 손상요소별 정량적 정성적 속성값은 외관조사망도와 손상물량표에서 취득할 수 있다. 이때 손상물량표에서는 손상의 종류와 규모, 보수우선순위 및 보수내역 등 개별적인 손상들의 일반적인 속성을 얻을 수 있고, 외관조사망도에서는 손상의 위치정보를 얻을 수 있다.

교량모델상의 손상요소 배치는 먼저, 원시데이터에서 추출한 손상의 속성정보와 손상객체의 3D 선형기반 좌표정보, 그리고 본 연구에서 정의한 고유식별코드 등의 손상객체별 데이터를 정리한 스프레드시트 파일을 생성한 후, Revit Dynamo를 활용해 교량모델 해당 부재상의 발생위치 중심부를 계산해 위치시키고 필요한 속성정보들을 입력할 수 있다. 길이, 폭, 깊이 등과같은 손상객체별 특성값은 각 손상요소에서 정해진 속성들로 관리될 수 있다.

Fig. 2 Classification of defect elements

3.1 교량 모델링

유지관리 업무에서 사용되는 교량모델의 작성은 유지관리에 필요한 정보를 담을 수 있는 최소한의 상세수준(LOD)을 적용시켜 메모리 용량을 최소화시킬 수 있어야 한다. 본 연구에서는 손상 수준에 따른 상태평가를 위해 교량의 경간과 부재별, 지점별로 최소 단위를 구분하여 개별 부재의 등급을 산정하는 상태평가의 절차에 따라 교량 부위 및 콘크리트 바닥판 모델의 상세수준을 결정하였다. 콘크리트 바닥판의 경우, 균열과 열화 및 손상에 따른 표면 손상면적과 같은 정량적인 평가와 박리, 탈락, 누수, 누수로 인한 부식의 발생 가능성과 같은 정성적인 평가에 의거하여 상태의 등급이 나뉜다. 따라서, 콘크리트 바닥판 부위는 경간별로 구분하고, 바닥판의 면적이 계산될 수 있도록 하며, 위치정보를 통해 손상을 표현할 수 있는 정도의 상세수준으로 모델링하는 것이 바람직하다.

교량은 선형을 중심으로 배치되므로 교량의 표준도에서 추출한 데이터를 매개변수로 사용해 중심선형을 바탕으로 교량 객체를 일괄적으로 배치하는 방식으로 교량 모델을 생성하는 방법을 사용하였다. 이때, 교량 부재의 배치를 위하여 매개변수를 가진 교량 객체 패밀리를 생성하고, 객체의 배치 특징에 따른 매개변수를 스프레드시트 형태로 저장한다. 스프레드시트에 기록된 매개변수 정보를 읽어들여 중심선형을 설정하고, 이를 기반으로 교량 부재의 패밀리를 타입별로 배열하는 Dynamo 코드를 개발하면 교량 모델을 보다 쉽게 생성할 수 있다.

3.2 손상모델과 교량모델의 통합

교량 부위에 발생한 손상을 표현한 손상모델과 IFC-BIM 기반 교량모델을 통합하기 위해서는 정확한 위치정보를 바탕으로 한 두 모델간의 중첩 통합이 필요하다. 점검보고서의 원시데이터를 기반으로 손상요소를 교량모델의 정확한 위치에 배열시키기 위해서는 외관조사망도의 이미지에서 교량 부재의 모서리, 경간 시작점과 끝점 등의 기준좌표와 손상의 좌표를 알아내야 한다. 해당 좌표들은 다음 식 (1)~(3)을 통해 BIM 교량모델상의 3차원 선형좌표로 손쉽게 변환될 수 있다.

여기서, $d.p$는 개별손상의 좌표, $s.p$는 기준좌표 중 시작점, 그리고 $e.p$는 기준좌표 중 끝점을 의미하며, 이미지에서 추출한 손상객체별 2차원 좌표($X_{2D}$, $Y_{2D}$)를 통해 손상의 3차원 선형좌표($Xparameter_{3D}$, $Y_{3D}$, $Z_{3D}$)를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 3차원 선형 위치정보와 손상객체별 속성정보는 손상모델을 일괄적으로 구축하기 위한 매개변수로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 Dynamo 코드를 사용하여 손상의 3차원 선형 위치정보와 손상모델의 배치기준점을 일치시켜 교량모델상에 손상객체들을 배치하였다.

Fig. 3은 선형좌표 기반 배치 개념을 도식화한 것으로, 손상이 위치한 YZ 평면이 X축 방향의 중심선형을 따라 이동할 때, 손상요소는 3D 선형좌표에 따라 해당 위치에 배치될 수 있음을 보여준다. Fig. 4는 개발된 Dynamo 코드의 핵심적인 부분으로 개별 손상의 정보를 취득하고, 선형기반 좌표시스템을 설정하고, 손상요소를 일괄적으로 배치하고, 객체별로 관리되는 속성정보를 입력하는 기능을 구현하는 파트를 보여주고 있다.

Fig. 3 Concept of defect arrangement based on the alignment coordinate system

Fig. 4 Key contents of developed Dynamo code for the arrangement of defect element

3.3 식별코드를 사용한 손상과 교량부재의 정보연계

본 연구에서는 교량모델과 손상모델을 서로 연계시켜 정보를 관리하기 위해서 표준분류코드 기반의 식별코드를 개발하여 사용하였다. 정의된 식별코드는 교량시스템의 구조분할체계^{(Kim 2010)}를 바탕으로 손상이 발생한 위치를 단위 부재별로 식별할 수 있는 코드로서 크게 대상 교량의 명칭, 위치 요소별 교량, 상부 구조물의 종류, 경간 또는 지점 번호, 부재군, 부재의 종류, 배치에 따른 순번을 표현하는 약어로 구성된다. 순번은 동일한 유형의 요소가 여러개인 경우 시작점부터 끝점까지, 왼쪽에서 오른쪽 순서로 숫자를 순차적으로 부여해 구분될 수 있도록 하였다. 손상객체의 식별코드는 손상이 발생한 교량 객체의 식별코드와 손상 번호, 손상의 종류에 대한 정보를 표현하는 약어로 구성된다(Fig. 5). 교량모델 및 손상모델의 각 요소들에는 개발된 고유 식별코드가 속성으로 입력되어 이를 기초로 디지털화된 손상관련 정보를 교량부재와 연계시켜 객체지향적 정보관리가 가능하게 하였다.

Fig. 5 Framework of the bridge defect identification code

4.1 COBie 데이터 추출

손상정보를 포함한 교량모델로부터 유지관리 의사결정 지원을 위해 필요한 정보들을 객체 중심으로 추출하고 관리하기 위해 COBie를 활용하였다. 이 과정에서 BIM 저작도구의 COBie 관련 추가프로그램인 ‘BIM Interoperability Tool’이 사용되었다. 추가프로그램의 기능을 통해 모델 객체별로 COBie 매개변수를 입력할 수 있는 속성을 추가하였고, 추가된 속성에 교량의 구성요소와 손상 객체요소의 식별 정보를 입력하여 COBie 데이터를 추출하였다.

손상모델에 추가된 COBie 매개변수 속성 중 COBie.Component.Name 항목에는 손상 객체의 식별 정보가 입력되고, COBie.Component.Space 항목에는 손상객체가 포함된 교량모델 구성요소의 식별정보가 입력된다. 이때 데이터의 최소화를 위해 2.3절에서 정의된 식별코드에서 교량의 이름과 종류 등의 반복되는 부분은 제외되었다. 모든 모델 객체의 COBie.Component.Name 항목에 고유 식별정보가 입력되면 COBie 파일 형태로 데이터의 출력이 가능하다. 출력된 COBie 데이터 중 Component sheet와 Attribute sheet에 저장된 정보가 바로 교량에 발생한 손상을 BIM 모델로부터 표준화된 방식으로 디지털 데이터로 변환시킨 정보이며 공학적 판단과 평가 및 의사결정 지원에 활용될 수 있다.

COBie 파일에서는 교량모델 구성요소와 손상객체요소에 대한 정보가 여러 시트에 나뉘어 관리되고 있으며 다수의 속성들을 포함하고 있으므로 정보활용 시에는 목적에 맞게 데이터의 재구성이 필요하다. COBie 파일의 Component sheet는 9개의 기본항목으로 구성되어(Fig. 6 상단 참조) 모델 객체의 기본정보가 관리되며, Extidentifier 항목은 모델의 외부식별자로 COBie 데이터와 BIM 기반 교량모델을 연동하여 관리하는 데 활용된다. COBie Attribute Sheet는 11개의 기본항목으로 구성되어 각 행당 1개의 속성정보를 다루고, 속성이 포함된 모델 객체의 정보는 Rowname 항목에서 확인할 수 있다. COBie 파일의 각 시트에 담긴 정보들은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 서로 연계되어 종속적이면서도 객체 중심으로 관리될 수 있다.

Fig. 6 Relationship between bridge component and defect element in COBie sheets

4.2 교량의 상태평가를 위한 COBie 데이터 관리

COBie 파일을 바탕으로 필요한 데이터를 재구성하여 상태평가와 같은 유지관리 업무를 지원할 수 있도록 하기 위해서는 먼저 구조화 질의어 SQL을 표준으로 채택한 데이터베이스 관리프로그램을 이용하여 COBie 파일 내의 필요한 손상요소 정보와 교량요소 정보를 취합해야 한다. 이 과정에서 손상요소의 정보를 구성하는 항목 중 식별코드, 발생된 교량요소, 외부식별자 등은 COBie Component sheet를 통해서, 그리고 손상의 종류, 물량, 폭 등의 속성은 COBie Attribute sheet를 통해 추출할 수 있다. 이때 상태평가의 의사결정을 위해 필요한 정보인 손상과 연계된 교량요소별 기본적인 정보와 면적 및 길이 등의 정보들도 손상객체와 식별코드로 연계된 교량 구성요소의 정보를 통해 동일한 방식으로 추출할 수 있다.

상태평가를 위해 손상요소 및 교량요소에서 필요로 하는 정보항목들을 Table 2에 정리하였다. 상태등급 판정에 필요한 손상의 최대폭이나 손상의 종류별 면적률과 같은 정보는 손상요소 테이블의 데이터를 활용하는 SQL 질의를 통해 자동으로 계산하여 저장할 수 있으며, 분류 선별되어 저장된 DB를 바탕으로 적절한 프로그래밍 기법을 통해 교량의 부위별 상태평가 업무를 자동화시켜 수행할 수 있다.

4.3 COBie 데이터의 연동 활용을 위한 응용코드 개발

본 연구에서는 손상요소 및 교량요소에서 관리되는 정보를 상호 연계시키고 필요한 정보들을 추출하여 관리하기 위해 Revit Dynamo를 활용하여 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 코드를 개발하였다. 개발된 기능 중 첫 번째는 테이블의 항목을 디지털 모델을 구성하는 각 객체의 속성으로 추가하고, 속성의 내용에 일괄적으로 항목의 데이터를 추가하는 기능이다. 두 번째는 테이블의 일부 데이터가 변경되었을 때 이를 BIM 모델에 바로 반영시킬 수 있는 기능이다. 세 번째는 교량 부재의 종류나 손상의 종류를 검색하여 지우거나 숨기거나 표시하는 기능이며, 네 번째는 유지관리 사용자의 편의를 위해 교량모델의 요소별 색상을 지정한 기준에 따라 시각화할 수 있는 기능이다.

이러한 기능들은 사용자 측면에서 유지관리 업무의 의사결정을 보다 편리하게 지원해 줄 뿐 아니라 교량요소별 판정등급에 따른 색상 시각화, 유지보수에 따른 손상의 이력관리, 유지보수 후 변경된 최신 상태의 모델 반영을 가능하게 해준다. 또한 앞서 설명한 일련의 표준화된 과정을 거쳐 실시되는 상태평가 업무의 상당 부분을 자동화 시킬 수 있다.