1. 서 론

국토교통부에서는 건설산업에 BIM(Building Information Modeling) 정착과 활성화를 위해 『건설산업 BIM 기본지침』을 제시하였다. 『건설산업 BIM 기본지침』은 건설산업 전 분야의 BIM 적용을 위해 발주자·수급인·건설사업관리자 등이 활용할 수 있는 기본 원칙과 기준, 절차와 방법 등을 제시하는 지침체계를 마련할 목적으로 작성되었다. 건설산업에서 BIM 적용을 위한 기본 원칙과 표준은 『건설산업 BIM 기본지침』에서 다루고, BIM 성과품의 작성·납품 및 활용에 대한 방법과 절차 등 세부 기준은 『건설산업 BIM 시행지침』에서 다룬다^{(MOLIT and KICT, 2020)}.

『건설산업 BIM 시행지침 시공자 편』에서는(이하 ‘시행지침’이라 함.) 기존 설계 단계에서 작성된 BIM 데이터를 시공관리 실무에서 반영하는 것에 초점을 맞추고 있다. 시공 중 현장의 여건 변경으로 인한 설계변경지원, BIM 데이터를 활용한 간섭 검토, 가설 구조물의 시공성 검토, 공사용 가설도로의 대안 검토, 기존 시설물과 신설 시설물의 간섭 검토, 대외 홍보자료 및 민원 협의자료를 위한 시각화 자료, 공사 대금 수령을 위한 기성신청의 근거 자료, 스마트 건설장비와의 연계를 위한 지형데이터 작성 등 시공중 발생하는 모든 상황들에 대하여 BIM 데이터를 적절하게 활용하는 것을 목적으로 한다^{(MOLIT and KICT, 2022a; MOLIT and KICT, 2022b)}. Fig. 1은 시행지침에서 제시하는 시공단계 BIM 프로젝트 수행 절차이다.

Fig. 1. Construction Phase BIM Process Map(Ministry of Land, Infrastructure and Transport and KICT, 2022)

시공단계 BIM은 설계단계에서 작성된 BIM 데이터를 실제 시공관리에 어떻게 적절히 활용할 것인가에 초점을 맞추어 수행한다. 최종결과물만 작성하여 납품하는 것이 아니라 착공에서 준공까지 이루어지는 현장 실무에 BIM 데이터를 기반으로 하는 업무방식으로의 전환을 기본 목적으로 두어 업무 방식의 개선 및 효율성을 증대하기 위함이다. 이에 따라 시행지침에서는 간섭 및 설계오류 확인, 장비배치 및 운영계획, 검측, 자재운송 등 항목에 대한 BIM 데이터의 활용 방안 및 최종 결과물을 제시하고 있으며, 이 중 현장에서 BIM 데이터 기반 시공관리를 위해 주로 적용하는 항목으로는 아래와 같다^{(Korea Expressway Corporation, 2016)}.

1. 시공도면의 사전검토를 통한 시공성 검증(간섭 및 설계오류 사전검토)

2. 현장 가시설, 장비, 인력 운영에 따른 시공성 검증(장비배치 및 운영계획)

3. 현장 설계변경에 따른 Time Schedule 및 Cost Analysis

4. 프로젝트 이해를 위한 3D 시공 도면 작성

본 연구에서는 위에 제시한 네 가지 주요 항목 중 BIM 적용 사례 현장 정보 공개 범위를 고려하여 ‘간섭 및 설계오류 확인’과 ‘장비배치 및 운영계획’ 항목에 주안을 두어 연구를 수행하였다. 사례 분석 시 시행지침을 기준으로 간섭 및 설계오류를 검토하고, 장비배치 및 운영계획을 수립했던 다양한 현장에 대해 적용 효과를 파악하였다.

2. BIM 기반 현장 시공관리 사례 분석

현재 시공관리 단계 BIM은 지침이나 수행 가이드라인 등의 방향성 제시만을 하고 있을 뿐 실제로 실행된 사례는 쉽게 찾아볼 수 없다. 발주처별 상이한 BIM 지침으로 인해 혼란이 발생될 가능성이 높다. 또한 BIM 지침들의 수준이 기본 수준이기 때문에 건설현장에 시공단계 BIM 적용이 쉽지 않은 실정이다.

^{Kim et al.(2019)}의 연구에서는 MEP(Mechanical, Electrical, Plumbing, 이하 ‘MEP’이라 함.) 공종에 대한 시공 BIM 모델에 필요한 요구조건들을 도출하여 체크리스트를 개발하였고, 시공단계에서 BIM 활성화를 유도하였다. 본 논문에서는 MEP 공종에 물리적인 간섭 검토를 시행하였고, 기존 시설물의 도면의 부재로 드론 및 3D 스캐너의 포인트 클라우드 데이터를 활용한 간섭 사항 분석으로 설계자가 간섭 오류 사항을 쉽게 확인할 수 있었다.

건설산업 BIM 시행지침을 따라 건설현장에 시공단계 BIM을 적용한 우수한 사례들을 산업계에 소개하고자 시공단계 BIM 적용성을 분석하였다. 분석한 연구 결과를 건설 현장에 적용하기 위한 근거로써 활용이 될 수 있음을 전망한다.

본 장에서는 1장에서 기술했던 연구 범위인 (1) 간섭 및 설계오류 사전검토와 (2) 현장 가시설, 장비, 인력 운영에 따른 시공성 검증 항목에 대한 실제 건설현장 BIM 적용 사례 분석을 수행하였다. 또한 사례 분석에 따른 적용 효과 및 적용 시 유의사항을 파악하여 제시하였다.

시공단계에서 BIM을 활용할 때, 각 발주자별 사업 특성에 맞는 BIM 데이터 기반 시공관리를 위하여 협업 플랫폼 공통 데이터 환경(Common Data Environment, 이하 ‘CDE’라 함.)을 마련하게 된다. CDE는 발주자와 수급인(시공자)이 전면 BIM 설계 업무수행 과정에서 다양한 주체(발주자, 설계자, 시공자)에 의해 생성되는 정보가 중복 및 혼선되지 않도록 하는 협업 환경을 말한다. 간섭 검토 및 장비 운영 등 시공 관리를 위한 BIM 데이터는 CDE 상에서 활용 및 데이터 축적이 이루어진다. Fig. 2는 실제 철도 건설공사에서 시공자가 BIM 360 플랫폼을 활용하여 CDE 상에 주석을 표시한 사례이다^{(Korea Expressway Corporation, 2022)}.

Fig. 2. Common Data Environment for Construction

2.1 BIM 기반 간섭 및 설계오류 확인

간섭 및 설계오류 검토 시 가능한 관련된 모든 공종에 대한 종합적인 검토가 이루어지도록 하기 위하여 공종간 물리적 간섭을 우선적으로 검토가 필요하다. 이후 드론, 3D 스캔 등을 활용한 주변 구조물 및 지장물에 대한 추가 검토를 수행하여 현장 여건을 충분히 고려할 수 있도록 한다. 이때 시행지침에서는 구조물의 내부를 검증 시 가능한 1인칭 시점으로 실제 공간을 검측하듯 검토할 것을 권장하고 있다^{(MOLIT and KICT, 2022a; MOLIT and KICT, 2022c)}. Fig. 3은 동일 지점에 대해 3인칭 시점과 1인칭 시점에 따른 차이를 비교한 사례이다. Fig. 3(a) 3인칭 시점에서는 단면박스를 적용하였고, Fig. 3(b) 1인칭 시점에서는 보행, 비행 모드를 적용하여 검토하였다.

BIM 모델을 활용하여 사전 간섭 검토 수행 시 BIM 모델의 검토부위에 대하여 해당 뷰를 각 담당자가 손쉽게 BIM 모델로 확인 할 수 있도록 검토 내용별 부재에 대한 색상을 적용(범례 지정)하며, 구조물에 해당하는 거더 부재에는 다른 색을 적용하여 검토를 수행하였다. 간섭 검토 수행 시 물리적인 간섭 외에도 도면오류나 설계변경 등의 시공상 문제가 발생할 수 있는 부분에 대한 면밀한 검토가 이루어지도록 해야 한다. Fig. 4는 MEP 시설물(기계배관)과 구조물(벽체, 기둥, 슬래브) 간 간섭 검토 사례이며 부재별로 확실히 구분하기 위해 각각 다른 색상을 적용한 것을 알 수 있다. 해당 사례의 경우 기계배관이 계단 등의 구조물에서 간섭이 발생함을 사전에 발견하여 배관 경로를 우회하는 형태로 사전 설계 변경을 수행한 사례이다.

공종 간 물리적 간섭에 대한 검토 후엔 디지털 현장 3D 모델과 BIM 모델 간 간섭을 검토하였다. Fig. 5(a), Fig. 5(b), Fig. 5(c)에서는 드론을 활용한 사례이고, Fig. 5(d)에서는 3D 스캐너를 활용하여 디지털 현장 3D 모델을 구현한 사례이다. 3차원으로 구현한 현장의 기존 시설물과 설계 단계에서 모델링한 BIM 모델을 기준 좌표계에 통합하여 구조물 간의 간섭이 발생하는 결과를 확인하였다.

Fig. 3. Comparison of Differences According to One’s Viewpoint: (a) Third-Person Point of View (Applying the Cross Section Box), (b) First-Person Point of View (Applying the Flying and Walking Mode)

Fig. 4. Preliminary Examination of Interference and Design Errors

Fig. 5. 3D Model in Digital Fields: (a) Port Facilities, (b) Road Facilities, (c) Bridge Facilities, (d) Underground Facilities

2.2 장비배치 및 운영계획

시공단계 통합 BIM 데이터 작성 시 주요 장비 및 가설에 대한 라이브러리를 제작하여 배치 검토 및 설치, 운영, 해체 등에 대한 계획에 활용한다. 장비배치 시에는 가설과 골조에 대한 종합적인 최적 위치 검토를 수행하며, 위치 검토 대상 장비로는 타워크레인, 호이스트, 인양 크레인, 가설램프, 가설도로, 동바리, 가설벤트 등이 있다. 실제 장비의 제원(크기, 작업 반경, 양중거리 및 중량, 안전거리 등)을 반영하여 작성된 라이브러리를 활용하고, 이를 통해 간섭여부, 작업공간 확보 여부, 구조변경 및 보강 여부 등의 장비배치 계획을 수립하도록 한다. 이러한 검토는 장비, 가설에 대한 시공성 검토뿐만 아니라 작업자 및 현장안전과 관련하여 사전 안전성 검토가 함께 이루어지도록 해야 한다. 또한 시공성, 안전성 검토 결과를 시공 계획에 반영할 수 있도록 적극 검토해야 한다.

Fig. 6은 지하철 공사 현장 시공단계 BIM 수행 예시로써, 3차원 가상공간에서 기초 타설 공사를 위해 가시설을 대상으로 시공 단계별 시뮬레이션 검토를 수행하여 인력/장비의 운용 및 협소 공간 내 작업 간섭을 사전에 분석하였다. 또한 가시설 해체 및 구조물 콘크리트 타설에 대한 4D 시뮬레이션을 통해서 운영 계획의 검토 및 수정 과정을 거쳐 최적 운영 계획을 수립하였다. 시공자는 장비 작업 반경, 중량물 인양 시 양중계획 등의 장비배치 검토를 통해 시공계획에 활용할 수 있다. Fig. 7은 시공단계에서 CDE를 활용한 사례이며, CDE 상에서 시공단계의 BIM 관련자(시공자, BIM 모델러, 발주자) 간 BIM 데이터와 의견 공유 및 검토를 수행하였다. BIM 모델이 변경되면 Revision 번호체계를 두어 시공 전에 최적 안을 찾을 수 있도록 관리하였다.

Fig. 8은 도로건설현장 터널 갱구부 구간 회차로의 가시설, 장비, 인력 운영에 따른 시공성을 검증한 사례이다. 실시설계 단계 이후에 시점부 개착구간 법면에 대한 설계정보가 변경(시점부 회차로 약 5 m 가량 사면방향으로 선형 변경)되었다. 변경된 회차로의 설계도면 검토 후 BIM 모델에 변경 사항을 반영하였고, 변경 사항이 반영된 회차로 상에서 장비 제원에 맞는 트레일러 장비의 회차 주행 가능여부를 판단하였다.

Fig. 6. Examination of Equipment Working Space in Three-Dimensional Virtual Space: (a) Field Worker BIM Model, (b) Manpower Work Space, (c) Equipment Work Space

Fig. 7. Examination of Operational Plan in Common Data Environment: (a) Temporary Facility/Structure Placing Concrete, (b) Operational Plan Data(CDE)

Fig. 8. Verification of Construct Ability and Equipment Operation Plan according to Movement: (a) Modified Design Drawing (Ground Plan, 2D Drawing), (b) Equipment Driving in 3D BIM Model

3. 결 론

본 연구에서는 「건설산업 BIM 시행지침 시공자 편」^{(MOLIT and KICT, 2020)}에서 제시하는 BIM 시공관리 기준에 부합하도록 다양한 현장에 대하여 시공단계 BIM 데이터를 적용하였고, 아래와 같은 효과를 확인하였다.

1. 간섭 및 설계오류 확인 – 디지털 현장 3D 모델과 계획 구조물 모델을 한 공간에서 비교함. 시각적 구현을 통해 직관적으로 간섭 및 오류를 확인할 수 있음.

2. 장비배치 및 운영계획 – 장비 간 이동 간섭 검토를 통해 장비 충돌에 대한 안전사고 예방 가능. 시공 단계별 시뮬레이션 검토를 수행하여 최적의 장비 배치 및 운영 계획을 도출할 수 있음.

현재 시공단계 BIM은 지침이나 수행 가이드라인 등의 방향성 제시만을 하고 있을 뿐 실제로 실행된 사례는 쉽게 찾아볼 수 없다. 토목 건설공사의 특성상 공사 기간이 오래 소요된다는 점과 공기가 지연되어 준공일이 연기되는 사례가 대다수이다. 또한 실제로 건설현장에 BIM이 도입된 지는 불과 몇 년 되지 않아 시공단계 BIM 적용이 되고 있는 현장은 많지 않은 실정이다.

본 연구에서는 시행지침을 따라 건설현장에 시공단계 BIM을 적용한 우수한 사례들을 업계에 소개하고자 시공단계 BIM 적용성을 분석하였다. 분석한 연구 결과를 건설 현장에 적용하기 위한 근거로써 활용이 될 수 있음을 전망한다. 향후 후속 연구에서는 기존 설계 단계와 시공 단계에서 유기적으로 BIM 데이터를 활용하는 것뿐만 아니라, BIM을 활용한 공사비 산출 및 공정계획 활용, 시공 이력 정보를 활용한 유지관리 단계 활용까지 BIM 데이터를 활용할 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하고자 한다.