2.1 BIM 기반 교량 유지관리

교량의 유지관리를 위해 점검 및 진단 내용을 효율적으로 관리하고 표현하는데 BIM 기술을 활용하는 연구는 여러 학자들을 통해 수행되었다. BIM 소프트웨어를 활용해서 손상의 위치, 양, 심각도 등의 정보를 포함하는 손상을 큐브 형태의 객체로 표현하는 시도가 ^{McGuire et al.(2016)}에 의해 이루어졌으며, ^{Chan et al.(2016)}은 BIM 기술과 첨단 컴퓨팅 및 영상 기술을 통합한 교량 관리 프레임워크를 제안하였다. 한편 교량의 결점 식별, 분류, 모델링 및 시각화 기능을 가진 차세대 통합교량검사시스템인 ‘Seebridge’ 개발도 진행되었다^{(Sacks et al., 2018)}. ^{Xu and Turkan(2019)}은 개별 모델요소에 손상정보를 할당하고, 전 생애주기 교량 데이터 관리를 가능하게 할 수 있는 교량정보모델링 구현 프레임워크를 제안하였으며, ^{Lu and Brilakis(2019)}은 기하학적 정보 및 속성정보를 나타내기 위해 BIM 정보교환표준인 IFC (Industry Foundation Classes)를 활용하여 교량 디지털트윈 모델의 제작 방법을 제안하였다. ^{Isailović et al.(2020)}은 손상정보를 BIM에 통합하기 위해 IFC의 의미론적 확장을 통한 접근방식을 제시하였고, ^{Kaewunruen et al.(2021)}은 디지털트윈 모델을 사용하여 교량의 위험 기반 검사 및 유지관리 업무를 수행할 수 있는 프레임워크를 제안하였다.

이러한 기존 연구내용들은 교량의 유지관리를 위해 BIM 기술을 활용한 새로운 프레임워크를 제안하거나, 첨단 컴퓨팅 등 신기술을 적용하여 교량의 손상을 관리하는 연구가 주를 이루고 있다. 반면 본 연구와 같이 현업에서 이루어진 정기적인 점검을 통해 누적된 원시자료들을 효율적으로 표준화된 디지털 데이터로 전환하여 BIM 기반으로 통합하고, COBie와 연계하며 이 정보들을 활용해 상태등급 판정과 같은 유지관리 업무를 지원하는 방법론에 대한 연구는 이루어지지 못하였다. 교량의 관리 측면에서 볼 때, 정기적인 점검자료에 기록된 손상데이터들이 점검 당시의 1회성 상태평가 및 이후에 유지보수 판단에 사용되고 사장되는 것이 아니라 중장기적인 교량 관리 및 다양한 유지관리 업무에서 공학적 판단의 근거로 재활용될 수 있어야 한다. 따라서 관련 데이터들을 효율적으로 BIM 기반 정보로 전환하고, 정보활용 방법을 표준화하여 운영 관리하는 기술에 대한 연구가 매우 필요한 실정이다.

2.2 COBie의 개념 및 관련 연구

COBie는 유지관리 이전 단계의 BIM 정보와 유지관리시스템의 연계를 위해 개발된 건설정보교환표준으로 2007년 미 공군의 Bill East가 그 필요성을 처음으로 제안하였다. 2014년에는 영국표준협회에서 COBie에 대한 시행 강령 BS1192-4가 발표되고^{(BSI, 2014)}, 같은 해 국제표준화기구(ISO)에서 발표된 건설분야 내 BIM을 이용한 운영계획을 다룬 표준 ISO 15686-4는 COBie와 IFC를 BIM 정보의 교환 및 공유를 위한 표준 형식으로 제시하였다^{(ISO, 2014)}. COBie는 스프레드시트 형식을 사용하며, 각각 다루는 정보가 정해져 있는 워크시트로 구성되어 있다. 각 시트의 열에 표시할 정보, 데이터의 역할에 따른 셀의 색상 등이 규칙으로 정해져 반드시 따라야 한다. COBie는 건축물에 관해서 주로 연구되고 사용되고 있지만 사회기반시설물 분야로 사용영역을 넓히기 위한 연구가 점차 수행되고 있다. 그 예로 철도, 항만, 공조기 등을 대상으로 유지관리업무에 COBie를 확장하여 적용한 연구가 수행되었다^{(Chang et al., 2020; Hosamo et al., 2022; Shin et al., 2022)}. 국내에서는 COBie 포맷을 활용해 손상에 대한 정보를 건축물 구성요소의 속성 중 하나로 관리하는 매뉴얼^{(KALIS, 2021)}이 개발되기도 하였다.

현재 BIM 기술을 기반으로 교량의 손상 관련 정보를 관리하고 손상에 의한 등급평가를 위해 COBie를 활용한 사례는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서 제안한 교량손상모델을 중심으로 COBie 데이터를 도출하여 손상정보를 관리할 때 얻을 수 있는 최대 이점과 강점은 첫째, 외관조사망도 상에 표현되는 다양한 손상을 손쉽게 디지털 모형화할 수 있는 점, 둘째 손상물량표와 같이 스프레드시트 형식으로 작성된 원시데이터를 COBie 파일과 연계해 효율적으로 활용할 수 있는 점, 셋째 교량손상모델 또는 COBie 파일 어디에서건 수정/보완/삭제/업데이트된 정보는 모델과 파일 상에서 실시간 동기화가 가능한 점, 넷째 유지관리 업무를 지원하는 데이터들을 손쉽게 DB화를 할 수 있고, 연산작업, 판단, 평가 등 의사결정 행위에 필요한 정보만을 질의(query)를 통해 선별하여 활용하는 것이 용이하다는 점이다.

3.1 연구진행 절차

교량의 안전점검 업무는 일반적으로 공공기관에서 발주한 용역에 입찰한 진단업체들이 외관조사 등 점검 업무를 수행하고 그 결과를 보고서 및 관련자료로 정리해 제출하는 방식으로 수행되며, 교량 관리주체들은 이 결과를 바탕으로 유지보수 계획을 수립하게 된다. 따라서 점검을 통해 얻어진 손상 관련 자료들을 표준화된 방법으로 디지털 데이터화하고 이를 활용하는 기술의 확보는 유지관리 업무에서 디지털전환 작업 또는 디지털트윈의 첫 단계에 해당되는 매우 기본적이고 중요한 요소라 할 수 있다.

본 연구에서는 교량의 손상관리 업무를 BIM 기반으로 전환함에 있어 다음과 같은 절차와 과정으로 연구를 수행하였다. 첫째, 적지 않은 수의 시설을 동시에 관리해야 하는 유지관리 업무의 특성상 교량과 손상의 모델 구축 시는 그 메모리 용량 최소화를 위해 최적화된 유지관리 모델을 사용할 수 있도록 하며, 모델 구축에는 안전점검보고서의 부록으로 필수적으로 포함되는 표준도면, 외관조사망도, 손상물량표를 사용하였다. 둘째, 교량부재에 발생한 손상에 대한 객체지향적인 관리 및 시각화를 위해 점검자료에 기록된 결함을 표준화된 개별적인 객체로 모형화하여 관리하며(본 연구에서는 결함의 분류를 6종류로 간소화함) 그 대표속성들을 표준화하였다. 셋째, 각 손상을 표현하는 손상객체모델은 교량 해당 부재의 제 위치에 병합되어 하나의 유지관리용 교량손상모델로 통합화되어 관리된다. 넷째 COBie 파일은 교량손상모델로부터 변환되어 스프레드시트 형식의 데이터로 손상정보가 관리되며, 사용 목적에 맞게 필요한 데이터들이 선별되어 편집될 수 있으며 의사결정 지원에 활용될 수 있다. 또한 통합모델 혹은 COBie 파일 어디에서건 필요한 정보가 추가 또는 업데이트되면 양측에 동시에 반영할 수 있도록 하였다.

Fig. 1. Flowchart of BIM-COBie Centered Defect Information Management Method

전술한 연구 프로세스에 따라 BIM 기반 교량모델과 손상정보를 연계하여 관리하는 방법의 흐름도는 Fig. 1과 같다. 1단계는 BIM 기반 모델의 구축에 필요한 도면의 기본정보 및 매개변수 추출 단계로서 매개변수는 이미지와 표로 구성된 점검자료에서 교량부재 및 결함의 속성정보를 추출하여 스프레드시트에 객체별로 정리된다. 이때 이미지에서 결함의 위치 정보를 추출하기 위해 수정 개발된 Python 코드가 사용되었다. 2단계는 교량손상모델의 구축과정으로서 대표적인 BIM 저작도구인 Autodesk사 Revit을 사용하였으며, 교량부재 및 손상의 분류별 모델을 정의하고, Revit Dynamo를 활용하여 매개변수를 기반으로 필요한 모형화를 진행하여 모델을 구축하였다. 3단계는 COBie 데이터를 활용한 손상정보관리 및 상태평가 시행단계이다. BIM 저작도구의 Add-in 프로그램을 통해 COBie 데이터를 도출하고, COBie 데이터를 SQL 프로그램으로 관리할 수 있도록 하였으며, 교량 상부구조 상태평가 업무의 단계별 절차와 과정을 프로그램화하고 필요정보를 추출하여 연산 및 판단 행위의 대부분을 자동화하여 처리할 수 있도록 하였다. 또한 각 손상 타입별, 부재별로 수행된 상태등급 평가의 결과는 COBie 데이터로 구성된 스프레드시트에서 관리되며 교량손상모델 상에서도 분류코드를 통한 정보연계 방식에 의해 그 정보를 공유하며 취득할 수 있도록 하였다.

3.2 교량모델 및 손상객체 구축에 필요한 매개변수 추출

교량손상모델을 매개변수를 사용하여 효율적으로 구축하기 위해서는 교량부재와 결함의 속성정보 및 배치정보가 객체별로 일정한 형식으로 정리되어야 한다. 모델의 구축에 필요한 매개변수를 얻기 위해 3종의 점검자료를 선정하고, 자료별 필요정보를 Table 1에 정리하였다. 교량부재별 객체의 형상과 배치에 필요한 정보는 교량의 표준도에서 추출하고, 손상객체의 속성정보는 손상물량표에서, 배치정보는 외관조사망도에서 추출하였다. 외관조사망도에는 여러 손상의 위치가 기호 형태로 도면에 통합적으로 표현되기 때문에 개별적인 손상 위치정보를 취득하기 위한 과정이 필요하다. 따라서 2차원 이미지에서 3차원 좌표를 도출하기 위해 Fig. 2와 같이 외관조사망도에서 교량부재 모서리 부위 참조점과 결함기호가 표시된 결함점 좌표들을 도출하였다. 이때 이미지에서 선택한 점의 좌표를 순차적으로 기록하는 기능을 가진 기개발된 Python 코드^{(Kim, 2020)}를 개선하여 활용하였다. 이후 참조점의 좌표를 활용한 변환식에 결함점의 좌표를 대입하여 결함들의 3차원 좌표를 일괄적으로 계산하였다. 최종적으로 3종의 자료에서 추출된 정보를 각각의 교량부재와 결함별로 종합하여 스프레드시트 형식으로 정리하였다.

Fig. 2. Extraction of Reference and Defect Points from the Exterior Damage Map

3.3 교량손상모델의 구축

교량손상모델은 Fig. 3와 같이 BIM 저작도구를 통해 생성된 교량 상부구조 모델에 손상의 평가에 필요한 정보를 속성으로 가지는 손상객체를 올바른 위치에 일괄적으로 배치하여 구축하였다. 이를 위해 BIM 도구에서 교량부재 및 손상객체를 표준화하여 표현하는 방법을 정의하였고, 3.2절에서 생성한 데이터를 읽어 자동으로 필요한 모델을 생성시킬 수 있는 Revit Dynamo를 활용한 코드를 개발하였다.

교량부재는 객체분류체계(Object Breakdown Structure, OBS)에 따라 분할하며, 손상의 관리에 필요한 최소한의 모델 상세수준을 만족할 수 있도록 모델링하였다. OBS는 BIM 객체를 효율적으로 관리하기 위하여 정의된 객체 관점의 공간, 시설, 부위 단위의 위계구조를 의미한다^{(MOLIT, 2022)}. 손상객체모델링을 위해 교량 유지관리 세부지침^{(KISTEC, 2019)}을 분석하여 교량 상부구조를 구성하는 부재의 종류별로 상태평가의 기준이 되는 손상의 타입과 평가에 필요한 속성을 Table 2에 정리하였다.

교량 유지관리 세부지침^{(KISTEC, 2019)}에 따르면 콘크리트 교량 상부구조의 상태평가 시 1방향 균열과 망상균열을 나눠 균열의 등급을 판정하고, 철근노출 손상과 표면손상을 나눠 열화 및 손상의 등급을 판정한다. 이때 표면손상은 파손, 박락, 층분리, 재료분리 등과 같은 손상이 콘크리트 부위에 국한된 경우를 의미한다. 배수시설에 대한 등급은 배수와 관련된 손상 여부와 수준에 따라 판정된다. 교량의 각 부위에 발생하는 손상의 종류와 특성은 ^Lee(2022)에 잘 정리되어 있으며, 본 연구에서는 교량에 발생할 수 있는 다양한 모든 종류의 손상을 대상으로 하지 않고, 실 적용 교량의 상부구조에 발생하여 상태등급 평가 시 고려되고 다루어지는 5가지 대표적 손상 유형과 그 외의 다른 유형 손상을 종합한 기타 손상의 6가지 타입을 디지털 모델의 대상으로 삼았다. Fig. 4는 1방향균열, 망상균열, 철근노출, 표면손상, 배수관련손상, 그외 기타 손상의 6가지 대표적 손상 유형을 작은 주사위 형태로 객체화하고 표면의 기호을 통해 손상의 유형을 시각적으로 확인할 수 있도록 개발된 손상객체모형을 보여준다. 매개변수를 사용하여 손상객체들을 해당되는 교량부재의 제 위치에 효율적으로 배치하기 위해 객체모델 주사위의 중심을 배치기준점으로 설정하여 교량모델에 손상객체가 삽입될 수 있도록 하였다. 또한 손상정보의 관리를 위해 손상객체별로 결함 유형, 크기, 규모, 보수여부 등의 대표속성들을 추가하였다.

Fig. 3. Building of Bridge Model with Defects

Fig. 4. Type of Defect Element Model

매개변수 기반 모델 구축에는 Revit의 Dynamo 코드를 활용하였다. Dynamo는 BIM 도구에서 사용되는 시각적 프로그래밍 프로세스로 다양한 기능을 가진 노드들을 와이어로 연결해 사용자가 원하는 알고리즘의 구현을 가능하게 해 준다. 본 연구에서는 3.2절의 결과물인 구성 요소별 매개변수를 읽어 자동으로 교량손상모델을 구축할 수 있는 Dynamo 코드가 개발되었다. 교량부재는 종류별로 배치되는 특성에 따라 분류되어 개발된 코드를 통해 배치하였고, 유형별 손상은 손상객체별 3차원 위치 좌표와 손상객체모델의 배치기준점을 일치시켜 교량모델 상에 배치하였다. Fig. 5는 개발된 코드 중 일부 내용으로 교량부재모델을 생성하기 위해 매개변수가 저장된 파일을 읽고, 객체들을 일괄적으로 배치하기 위한 기준선을 설정하고, 매개변수를 기반으로 객체를 정해진 위치에 배치하고 속성을 입력하는 과정을 보여준다.

Fig. 5. A Part of Dynamo Code to Generate Defect elements on Bridge Members

3.4 COBie 데이터를 활용한 손상정보관리

교량손상모델의 부재별 구성 요소와 교량 부위별 상태평가 정보를 계층적으로 관리하기 위해서는 표준분류체계에 입각한 식별코드와 COBie 매개변수의 이름 부여 원칙이 설정되어야 한다. 이를 위해 교량 구조물의 OBS와 교량 안전점검의 검사지침을 참조하여 필수적인 정보가 축약된 고유 식별코드를 구성하였다. COBie 매개변수 중 Name 항목은 데이터의 최소화를 고려하여 식별코드를 축약하여 표시하였고, Space 항목은 요소가 포함된 영역의 정보를 표현하도록 하였다. Fig. 6은 손상객체와 교량부재 그리고 상태평가 정보의 계층적인 관리구조와 그에 따른 COBie 매개변수 입력의 예시를 보여준다. 손상객체의 Space 항목이 교량부재의 Name 항목과 같고, 교량부재의 Space 항목이 교량공간의 Name 항목과 같음을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Hierarchical Bridge Defect Information Management Concept: Example of COBie Parameters Implemented in the Model Component

교량손상모델에서 COBie 파일을 출력할 때는 BIM 소프트웨어에서 중립포맷 형태의 IFC 파일로 내보낸 후 XML 파일을 거쳐 Excel 파일로 변환하거나, COBie 관련 추가프로그램을 통해 모델에서 바로 COBie 파일을 출력하는 방법이 있다. 본 연구는 후자의 방법으로 Revit의 Add-in 프로그램인 ‘BIM Interoperablity tool’을 사용해 COBie 파일을 출력하였고, 여러 기능을 가진 시트 중 Component와 Attribute 시트를 주로 활용하였다(Figs. 7(a) and 7(b)). SQL 프로그램을 통해 출력된 COBie 파일 중 Component 시트의 기본 데이터와 Attribute 시트의 속성 데이터를 개별 객체기반으로 정리하였고, 손상 수준에 따른 교량 상부 부위의 상태평가를 수행하였다. 교량 유지관리 세부지침에 기반한 교량의 상태평가가 수행되었으며, 평가 결과는 COBie 데이터의 외부식별자를 통해 모델과 연계될 수 있도록 하였다.

Fig. 7. Example of the COBie File Extracted from Bridge Model with Defects

4.1 대상 교량의 선정

본 연구를 통해 제시된 방법론의 실효성 검증을 위해 선정된 교량은 1994년도에 건설되어 사용 중인 PSC I형 거더교이다. 해당 교량은 총길이 120 m, 폭 11.2 m의 4경간 교량으로, 2급 시설물로 분류된다. 교량의 표준도면과 2020년에 실시된 대상 교량의 정밀안전점검의 결과물인 외관조사망도와 손상물량표가 연구의 검증사례로 사용되었다(Fig. 8).

Fig. 8. Exterior Damage Map and Defect Quantity Table of Test Bridge

4.2 교량손상모델의 구축 및 상태평가

3장에서 제시한 방법을 적용하여, 점검자료에 기록된 229개의 손상과 교량 상부구조를 구성하는 128개의 교량부재를 BIM 기반 모델로 구현하였다. 구현된 모델에서 교량에서 발생한 손상을 관리하는데 필요한 정보들이 객체기반으로 관리되도록 하였다. 손상객체모델의 속성으로 손상의 분류, 손상 폭, 물량, 설명, 보수 여부 등이 저장되었고, 교량부재모델의 속성으로 손상 최대폭, 손상물량 합계, 부재 등급 등이 저장되었다. Fig. 9는 통합모델로 구현된 교량손상모델의 모습과 모델 내에 포함된 손상객체 및 교량부재에서 관리되는 속성의 예시를 보여준다.

교량손상모델로부터 도출된 COBie 파일을 통해 스프레드시트 형태로 손상정보의 객체 중심 관리가 가능함을 확인할 수 있었다. 스프레드시트를 SQL 프로그램과 연동하여 SQL 질의문을 통해 손상객체별로 저장된 데이터를 사용하여 교량부재에 발생한 균열의 최대폭, 균열률, 표면손상 면적률, 그리고 철근노출 면적률 등 평가에 활용되는 데이터를 생성하였다. 교량부재별로 생성된 데이터를 바탕으로 교량의 상태평가 기준을 반영하여 교량의 상태 등급의 산정을 자동으로 수행하여 상태평가 결과를 도출하였다. Table 3은 교량 상부구조를 대상으로 시행된 손상에 의한 상태평가 결과들을 요약한 표이다. 교량 상부구조를 구성하는 바닥판(SL), 거더(GD), 포장(WS), 난간 및 연석(RA), 가로보(CB), 배수시설(DF)의 경간별 상태 등급이 디지털화된 평가 프로세스와 필요정보를 참조한 연산 및 판단기준에 의거 평가되었고, 교량부재별 가중치를 반영하여 계산된 손상으로 인한 점수에 따라 대상 교량 상부구조의 전체 등급이 C 등급으로 평가되었음을 확인할 수 있다. 여기서 상태 등급으로 표시되는 a~e 등급은 시설물별 상태평가를 나누는 5단계 등급으로 a등급이 최상의 상태이고, d등급부터는 긴급한 보수보강이 필요하며 사용 제한 여부를 결정하여야 함을 의미한다. Table 3의 결과를 검증 교량의 정밀안전점검보고서 평가 내용과 비교해 본 결과 모든 사항이 일치함을 확인할 수 있었으며 본 논문에서 제시한 방법론의 유효성과 실효성을 검증할 수 있었다.

Fig. 9. Overview of BIM-based Bridge Model with Defects