1.1. 연구의 배경과 목적

BIM은 건설 생애주기 동안 프로젝트에 관련된 모든 참여 자가 서로의 업무를 이해하고, 소통하여 협업하는 과정으로, 업무의 융합을 통하여 정보를 구축하고, 정보를 공유 관리하 는 환경을 말한다. BIM 활성화를 위한 10 여 년 동안 여러 방 법론이 시도되고 있으나, 정보융합과 공유의 불가능으로 활 용이 미진한 상태이다.

정보화 측면으로 보면 정보는 활용할 목적을 명확히 하고 그 목적에 맞는 정보를 구축하여 활용하는 구축과 재활용의 개념을 가지고 있다. 또한 무제한적인 정보는 대용량이 되어 인간의 한계로 구축이 불가능하며, 구축과정에서 마련된 지 침에 따른 정보처리를 통하여 대용량의 정보를 구축할 수 있 다. 하지만 지금까지의 건설업무의 처리과정은 일방향이며, 재작업의 연속인 업무처리 과정으로써 각 단계별로 이전 단 계의 성과물에 근거하여 엔지니어가 경험을 중심으로 판단하 는 방향으로 업무가 수행되어 왔다. 정보화가 시작된 지 30여 년이 지났지만 건설산업의 정보기술의 접목은 미미하다.

BIM기반으로 형상과 정보를 연계하여 업무를 수행하기 위 하여, 개념적으로는 인식의 전환이 되어야하고, 물리적으로 는 필요한 정보의 입력, 처리 및 분석이 이루어져야 한다. 그 이유는 융합을 하여야 하므로 업무의 양과 복잡성을 증가되 었기 때문이다. 또한, BIM기반의 수행하기 위해서는 정보의 자동화된 통합관리가 요구된다. 이를 위해 BIM(Building Information Modeling)을 활용할 수 있다. BIM기반의 건설정 보를 통합 방법론은 3D객체 정보와 속성정보가 연계하여 통 합관리될 수 있다. 그러나 실시설계단계 3D모델의 범위와 수 준을 감안할 때 비 형상 요소에 대한 정보구축을 할 수 없다. 비형상 요소의 객체는 없지만 이에 대한 정보도 포함하여 구 축하는 방법에 대한 연구 개발이 요구되고 있다.

본 연구에서는 BIM기반으로 건축 구조물공사 중 철근콘크 리트공사를 선택하였다. 그 이유는 첫째, 3D모델링의 범위를 고려할 때 철근콘크리트공사를 구성하는 부재는 모두 3D모 델로 작성된다는 점을 들 수 있다. 3D모델링의 범위와 수준을 고려할 때 실시설계단계의 건축물 3D모델의 범위와 수준을 감안하면 모든 것을 형상으로 작성할 수 없다. 하지만 건축공 사 중 철근콘크리트 공사의 모든 부재는 형상화하기 때문에 2D도면을 이용하여 작업을 하던 방식과 유사한 개념으로 쉽 게 접근할 수 있다. 둘째, 건축물의 3D모델링은 구조물 모델 링을 가장 먼저 하여야 한다. 셋째, 철근콘크리트 공사비는 건 축 공사비 중 차지하는 비율이 높은 중요한 공사이다. 반면에 공사에 적용되는 재료의 수가 적다는 장점이 있다. 넷째, 구조 물공사의 계획공정은 타 공정에 영향을 받지 않는 주공정이 며, 시공과정이 층별로 반복적으로 이루어지므로 계획공정을 수립하는 과정이 용이하여 4D 5D Simulation이 구현이 가능 하다. 상기와 같이 철근 콘크리트 공사는 BIM을 적용하기에 쉽게 접근이 가능한 공사로써 이를 기반으로 타 공종에 BIM 을 활성화시킬 수 있는 계기를 마련할 수 있다.

따라서 본 연구는 시각화 기반으로 철근콘크리트 공사의 물량을 산출하고, 산출된 정보를 시공단계에서도 활용할 수 있는 사례를 통하여 모든 건축공사에 BIM기반 적용 및 활용 가능성을 제시함을 목적으로 하고 있다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 건축물을 대상으로 Autodesk RevitⓇ를 활 용하여 BIM기반으로 철근콘크리트 공사의 콘크리트와 형상 이 없는 거푸집 및 철근에 대한 산출정보를 통합하여 구축하 는 시스템을 개발한다. BIM기반의 수량산출정보를 이용하여 시공단계에 시각화 기반으로 구축된 정보의 활용성을 제시하 고자 한다. 본 연구의 진행 방법은 다음과 같다.

첫째, 서론에서는 연구의 배경 및 목적, 범위 및 방법에 대 해 살펴본다.

둘째, 국내외 BIM기반의 물량산출프로세스 또는 시스템의 사례를 분석한다. 특히 3D모델의 객체 속성을 파악하고 목적 에 맞는 객체 형상정보와 속성정보의 연계를 위한 시스템의 구성요소와 구조를 확립한다.

셋쨰, 시공단계까지 활용성을 위하여 BIM기반으로 활용할 데이터베이스 구조를 정의하고 구축한다.

넷쨰, 3D모델과 산출정보의 통합에 따른 BIM 기반의 정보 를 구축하고, 시공단계에 BIM기반으로 활용할 수 있는 시스 템을 개발한다.

마지막으로 구축된 BIM 기반정보를 건축물의 타 공종에 적용하고 보완점을 개선하여 향후 발전계획을 수립한다.

2.1. 국내 BIM기반의 구조물량산출 현황

국내 구조물량산출 현황은 2D CAD 도면을 이용하여 물량 을 산출하는 것이 보편적이다. 이는 도면을 보고 판단하여 수 치를 추출하고 수식을 작성하는 과정이다. 수작업으로 도면 을 보고 판단하여 산출하는 과정과 다른 점은 CAD의 수치를 기준으로 추출할 수 있고 2D물량산출프로그램을 활용하여 산출한다는 측면이다. 즉 사람이 도서를 보고 판단하는 작업 으로써 기존에 수작업과 다른 점은 컴퓨터를 사용하는 점이 다. 산출된 결과물은 2D CAD와 분리된 많은 양의 전산처리 성과물로써 물량산출을 검증할 방법이 없다. 이로 인하여 준 공 후 정산과정에 많은 문제가 발생하고 있다. 다른 측면으로 는 산출된 수량은 공종별로 집계하여 내역서를 만든다. 이 공 종별 내역서도 산출 근거는 별도의 자료(Data)형태로써 재활 용을 할 수 없다. 시공단계에서 공사진척은 위치별 공사진척 량을 추출하고 기성내역을 작성한다. 전체적으로 보면 일방 향의 업무이며, 단계별 재 작업의 형태인 것을 알 수 있다.

2.2. 국내 BIM기반의 물량산출 시스템 분석

현재 BIM기반으로 구조물의 물량을 산출하는 프로그램은 대개 3D 모델링 프로그램에 Add_in 프로그램을 개발하여 2D 물량산출 프로그램에서 추출한 객체의 제원을 읽어 들여 산 출하고 있다.

또한 3D모델에서 객체로 작성하지 못한 비형상 항목은 직 접 추가하여 산출한다. 이는 3D 모델링 Tool을 실행시켜 산출 한다고는 하지만, 설계와 적산업무가 별도로 분리되어 있어 적산과정에 3D모델의 객체와 연계하여 시각화 기반으로 운 영한다고는 할 수 없다. 또 하나의 사례는 3D 모델링 Tool에 Add_in 프로그램을 개발하여 직접 산출을 하는 형태이다. 이 는 위와 다른 시각화 기반으로 활용할 수 있지만 항상 3D모델 링 Tool을 실행한 상태에서 작업을 하는 것이며, 설계와 적산 을 같이 운영하는 것으로써 서로 다른 업무형태를 동시에 수 행한다는 문제점을 들 수 있다. 또 다른 측면의 철근콘크리트 물량 중 철근 Bar List를 추출하여 시공에 활용하는 프로그램 이 있으며, 이는 2D CAD도서를 이용하여 3D형상을 자동으 로 작성될 수 있도록 구현한 프로그램이다. 또한 부재 배근을 해석하여 시공에 활용할 수 있도록 Bar List를 작성하였으며, 3D형상으로 표현하였다. 이에 대한 문제는 첫째, 2D CAD의 문제를 들 수 있다. 2D CAD에 오류가 있을 경우에 작성된 3D 모델도 오류를 발생하며, 그에 따라 콘크리트, 거푸집 그리고 철근의 수량에 오류가 발생한다. 둘째, 도면에 주석으로 표기 된 것은 인식할 수 없으므로, 적지 않은 수작업이 예상된다. 셋째, BIM기반은 업무효과는 정보의 재활용이다. 철근콘크 리트공사의 물량산출을 통한 내역작성으로 끝낼 것이 아니라 산출과정의 성과물은 다음 단계의 업무에 재활용 및 확장 활 용을 할 수 있어야 한다는 점에서 한계가 있다.

2.3. 소결

BIM기반 물량산출은 건설업무의 기반정보가 될 수 있다. 설계는 형상작성 과정으로써 Analog라고 할 수 있으며, 반면 에 수량산출은 Digital 정보 이다. 산출과정에서 BIM기반으 로 산출의 정확성을 기하고, 다음 단계에서 활용 및 재활용을 할 수 있도록 정보를 구축하여야 한다.

3.1. 3D모델과 산출정보 관계 통합방법

3D 모델링에서는 철근 콘크리트공사에 관련된 부재는 모 두 모델링을 한다. 3D모델링은 패밀리를 활용하여 객체를 작 성하며, 패밀리를 구성하는 카테고리는 형상분류체계이다. 예를 들어 벽 패밀리를 이용하여 구조 벽체 외에도 비내력벽 의 습식, 건식벽 그리고 벽 마감재를 모델링한다. 즉 구조 벽 을 구분할 수 있으나 구분된 패밀리가 없다는 것을 말하며, 벽 패밀리 하나로 구성된 형상분류체계인 것을 알 수 있으며, 구 조벽체만 분류하여 산출정보와 연계할 수 있는 방법이 있어 야 한다. 견적단계에서는 철근콘크리트 구조벽체의 재료인 철근, 거푸집 그리고 콘크리트는 공종별로 분류되며, 시공단 계에서는 층별 구조물공사 등으로 분류된다. 즉, 3D 모델의 형상분류체계와 견적 및 시공의 분류체계간에 관계 통합이 필요하다. 3D모델은 부재 단위로 객체를 구성하며, 층 공간은 레벨로 정의함으로써, 시설이 형상으로 작성되는 물리적인 속성을 유지한다. 또한 수량산출은 시설, 공간, 부재별로 산출 한다. 즉, 같은 물리적인 속성이므로 산출과정에서 3D객체와 부재 정보간에 연계 가능성이 있음을 알 수 있다. Fig. 1은 각 단계별 서로 다른 분류체계를 유지하며 연계 가능성을 보여 주고 있다.

3.2. 철근콘크리트공사 물량산출을 알고리즘개발

철근콘크리트 공사의 수량산출은 부재별 콘크리트, 거푸 집, 철근으로 구분하여 산출한다. 3D객체의 부재는 규격에 대 한 제원정보를 제공한다. 거푸집과 철근은 비형상이므로 제 원을 제공할 수 없으므로 거푸집과 철근의 수량을 산출하기 위해 기본적으로 제공되는 부재 제원과 3D모델에서 산출에 필요한 요소 정보를 추출하여 지식기반의 산출식 정보(이하 수식DB라 함)를 구축하여 BIM기반으로 철근콘크리트의 재 료별 수량을 산출하였다. 수식DB를 구축하기 위한 정보 유형 은 다음 3가지를 들 수 있다. 첫째, 기본적으로 3D모델에서 제 공하는 객체제원, 둘째, Add in 프로그램을 이용하여 3D모델 에서 추출된 필요 정보, 셋째, 산출을 위한 입력정보로 구분할 수 있다.

Table 1은 산출에 필요한 정보의 유형을 보여준다.

산출에 필요한 요소들은 정보 유형별 변수로 정의하여 3D 모델 형상과 정보를 처리할 수 있는 산출논리를 개발하여 수 식DB를 구축하였다. Table 2는 보 물량산출을 위한 요소를 추 출한 것이며, 각 요소는 경우에 따라 여러 개의 변수를 생성하 여 산출에 활용하였다.

Fig. 2는 산출 요소를 변수로 정의하고, 활용하여 콘크리트 와 거푸집 수량을 산출하기 위한 수식DB를 구축한 것이다.

Fig. 3은 상부근 산출을 위한 수식DB를 구축한 것으로써, 배근 형태별 대수를 추출하고 길이를 적용하였다. 배근형태 별 연결된 연속보의 상부근 대수와 비교하여 정착철근 대수 를 추출하고 콘크리트 강도별 철근규격에 따라 정착길이를 반영하였다.

Fig. 4는 절곡근 산출을 위한 수식정보를 구축한 것으로써, 대수를 추출하고 길이를 적용하였다. 연결된 연속보의 상부 근 대수와 비교하여 정착철근 대수를 추출하고 콘크리트 강 도별 철근규격에 따라 정착길이를 반영하였다.

Fig. 5는 하부근 산출을 위한 수식DB를 구축한 것으로써, 배근형태에 따른 대수를 추출하고 길이를 적용하였다. 배근 형태별 연속보의 하부근 대수와 비교하여 정착철근의 대수를 추출하고 콘크리트 강도별 철근규격에 따라 정착길이를 반영 하였다.

Table 3은 수식DB에 반영된 주근의 배근형태이다.

철근 콘크리트공사의 물량산출은 부재별 산출방식이 서로 다른 콘크리트, 거푸집, 철근에 대한 물량을 자동으로 산출하 기 위해 개발된 논리를 이용하여 수식DB를 구축한 것이다.

콘크리트의 물량산출은 3D 모델에서 제공하는 제원인 체 적을 사용하지 않고, 보춤에서 Slab두께를 공제하고 안목길이 를 적용하여 그 체적을 산출할 수 있도록 개발하였다. 거푸집 물량산출은 보 밑면 거푸집의 종류가 Slab와 동일한 경우에는 보춤에서 Slab두께를 공제한 보 옆면의 높이와 보 안목길이를 적용하여 수식 정보를 구축하였다. 보의 밑면은 Slab에서 중 심선간 길이를 이용하여 면적을 산출할 수 있도록 개발하였 다. 보와 Slab 거푸집의 종류가 다를 경우 보 밑면은 보에서 산 출하고, Slab 거푸집은 안목길이를 적용하여 면적을 산출할 수 있도록 하였다. 철근 물량산출은 보 스팬(경간)단위로 산 출하며, 배근별로 산출 방식이 다르며, 같은 배근이어도 위치 별로 산출방식이 다르다. 또한 콘크리트 강도별 정착길이와 이음길이를 고려한 논리를 개발하여 수식정보를 구축하였다.

보 주근을 산출하는 과정은 구간별 위치별 주근의 대수를 비교하여 가장 적은 수인 대수를 직선근(Straight Bar)으로 추 출한다. 위치별 직선근 대수를 공제하면 중앙부와 단부에 남 은 철근을 Cut Bar 배근에 따라 개수를 추출한다. 만약 절곡방 식인 경우는 하부 중앙부와 상부 단부에 남은 철근을 비교하 여 절곡근(Bent Bar)의 대수를 추출하는 논리를 개발하였다. 이로써 보에서는 절곡방식과 Cut 방식에 따라 주근형태별 철 근의 대수와 길이를 산출할 수 있도록 수식 정보를 구축하였 으며, 정착처리는 산출대상 부재인 보와 연결된 연속보의 상 하부별 주근의 대수와 비교하여 정착처리를 할 수 있도록 개 발하였다. 철근규격별 이음길이는 Cut Bar를 제외하고 직선 근만 추출하여 총길이를 철근 정척길이로 나누어 이음개소를 추출하고, 콘크리트 강도별 철근 규격별 B급 이음길이를 적 용하여 산출하였다. Fig. 6은 절곡방식의 배근인 경우 흐름을 보여 주고 있다.

Fig. 7은 배근도를 활용한 철근 산출을 보여주고 있다.

구간별 상부근 대수를 비교하여 직선근 6대를 추출한다. 하 부근도 비교하여 최소값인 6대를 직선근으로 추출하였다.

절곡 방식의 배근이므로 상부 단부에 남은 철근 대수와 하 부 중앙부에 남은 철근 대수를 비교하여 절곡근 2대를 추출하 였으며, 이후 남아 있는 단부 또는 단부+중앙부에 철근의 대 수를 Cut Bar로 처리하였다. Table 4는 상하부 주근의 배근형 태에 따라 대수를 산출한 결과를 보여주고 있다.

Table 5는 Cut 방식인 경우 절곡처리과정을 거치지 않고 직 선근과 Cut Bar 대수를 추출한 것이다.

3.3. BIM기반 철근콘크리트공사 물량산출 시스템 개발

3D모델의 형상분류체계와 부재별 산출을 위한 분류는 동 일한 체계이며 부재별 콘크리트, 거푸집 그리고 철근 규격별 로 산출이 가능한 지식기반의 수식정보를 구축하였으므로 객 체기반의 산출정보도 구축이 가능함을 알 수 있다.

BIM기반 철근콘크리트공사 물량산출 프로그램 개발의 배 경은 BIM기반의 업무 수행을 고려하여 단계별 자신 업무목 적에 맞는 업무를 수행하면서, 다음 단계에 재활용이 가능한 최소한의 정보를 제공하는 개념으로 하였다. Table 6은 실시 설계단계에 수량산출을 위한 모델링의 형상 가이드이다.

Table 7은 산출을 위한 속성에 관련한 가이드 이다.

모델링 가이드라인에 따라 작성된 3D 모델은 Add in 프로 그램을 3D View 모델의 객체와 정보를 연계하여 산출할 수 있도록 개발하였다. 구조 물량산출의 특징은 부재별 객체로 존재하며, 길이와 면적 체적을 추출할 수 있지만 그 외 산출에 관련된 여러 정보를 한 객체에 여러 재료를 동시에 산출할 수 있도록 한 것이다. Fig. 8은 BIM기반의 구조물 물량산출 흐름 이다.

처음에 층별 부재별로 사용할 콘크리트 종류 및 거푸집종 류를 입력하고, 입력한 재료를 층별, 부재별로 정의한다. Revit 에서 API를 활용한 Add-in 프로그램을 이용하여 3D모델을 읽어 들이면, 개발한 3D엔진에 맞는 3D View 모델로 변환되 며, 모든 객체ID가 포함된 모델과 객체가 제공하는 정보 그리 고 수식DB에 적용할 요소들의 정보를 추출하여 가져온다. 각 부재별 배근도는 산출과정에서 입력하고, 모델을 인식하면서 산출한다.

Fig. 9는 왼쪽 분류체계와 연계된 3D View 모델이며, 모델 을 인식하여 기본 제원정보와 산출에 필요한 요소의 정보를 추출한 것이다.

Fig. 10은 배근도와 3D모델을 인식한 정보를 활용하여 콘 크리트, 거푸집, 배근 형태별 규격별 철근산출 결과를 실시간 확인할 수 있으며, 배근도를 참조할 수 있음을 보여주고 있다.

Fig. 11은 4층 전체에 대한 콘크리트, 거푸집, 배근별 규격 별 철근 산출결과를 확인할 수 있음을 보여주고 있다.

Fig. 12는 비 형상 항목인 층고가 4.2 m 이상 되는 곳에 설치 하는 가설재인 시스템 동바리를 Slab 객체의 면적에 층고를 적용하여 체적을 산출한 것이다.

Fig. 13은 관련된 객체가 없는 비형상 항목도 같은 체계의 가상 ID를 발생시켜 BIM기반으로 산출한 사례를 보여준다.

Fig. 14는 산출에 대한 검증과 시공단계 활용이 가능한 시 각화 기반의 확장된 분류에 의한 결과이다.

Fig. 15는 원형거푸집이 시공되는 곳을 시각화 기반으로 나 타내어 적용된 위치를 검증을 할 수 있도록 한 것이다.

BIM기반의 구조물량산출 프로그램은 첫째, 견적과 시공을 위한 분류체계로 구성하고, 3D객체와 연계될 수 있으므로 BIM기반임을 알 수 있으며, 둘째, 3D 객체에 연계하여 수식 DB를 통하여 산출정보를 구축하였으며, 3D 객체가 없는 비 형상 항목은 관련된 객체에 연계하여 산출하거나 직접 산출 을 할 수 있어서 모든 항목이 산출정보로 구축된다. 이로써 BIM기반의 산출정보가 구축되었다고 할 수 있다.

4.1. 철근콘크리트공사 BIM적용 및 검증

앞에서와 같은 개발과정을 거쳐 철근콘크리트 구조의 수량 산출정보를 BIM기반으로 개발한 프로그램은 3D객체와 WBS (작업분류체계), 그리고 CBS(비용분류체계)가 모두 연계된 것이므로 본연구에서는 “BIM 기반산출정보”라고 정의한다.

BIM 기반산출정보를 활용하여 작성된 공사비 내역에서 BIM 기반산출정보를 상세히 전개하면 [3D객체]-[시설-공간- 부재]-[공종-항목]-수량 정보이다. 여기에 단가를 적용하여 [3D객체]-[시설-공간-부재]-[공종-항목]-수량-단가-금액의 통합정보가 구축된 것이다.

내역은 구축된 BIM 기반산출정보에 단가를 적용함으로써 다양한 공사비 내역을 만들 수 있다. 이 요소들의 순서를 바꾸 어 [시설]-[공종]으로 두면 공종별 공사비 내역이며, [공간]- [부재]-[공종]-[항목-수량-단가-금액] 은 공사비 내역 수량의 근거가 된다. 또한 [3D객체]가 어디에 적용되어 산출되었는 지 시각화 기반으로 검증할 수 있다. 즉 요소가 5개 이므로 5! 인 120가지 형태의 공사비 유형을 생성할 수 있다.

Fig. 16은 위에서 언급한 정보를 활용하여 자동으로 작성된 것이다.

CBS중심의 공종별 공사비 내역구성이며, WBS에 해당하 는 요소인 [공간]-[부위] 등은 수량근거로 활용된 것으로써 개 념은 Fig. 17과 같다.

Object-WBS-CBS 통합정보의 순서를 CBS-WBS 로 바꾼 것이며, WBS-Qty를 근거로 활용한 것으로써 공사비의 신뢰 성을 향상시킬 수 있다.

Fig. 18 BIM기반으로 공사비를 확인하는 화면이다.

형상인 3D 객체를 선택하거나, 3D모델에 연계된 속성정보 의 요소를 선택하여 그 위치정보에 대한 공사비 내역을 확인 할 수 있는 사례이며, 시각적으로 표현되어 공사비의 투명성 을 높일 수 있다.

Fig. 18, 19와 같이 BIM기반의 공사비 내역은 시공단계에 재활용이 가능하다. 이 시각화 기반의 공사비 내역은 공사 진 척관리를 함에 있어서 계획정보로 활용된다. 여기에 위치별 시점별 공사진척 수량을 입력함으로써 기성내역을 자동으로 작성할 수 있음을 알 수 있다. 특히 WBS로 구성된 정보는 기 성내역의 산출근거로 활용이 가능하다.

Fig. 20은 BIM 기반산출정보를 활용하여 시공단계에 공사 관리가 가능함을 보여준다.

4.2. 소결

철근콘크리트공사에 BIM 적용은 의미가 크며, 건설산업의 생산성 향상측면에서 시사하는 바가 크다. 부재 객체는 있지 만 비형상인 철근과 거푸집에 대한 수량산출을 포함하여 지 식기반의 정보를 구축하여 활용하였다. 그 외 추상적이거나, 모델링의 생산성 저하가 예상되는 비형상인 항목에 대해서도 모든 수량을 산출하였다. 또한 객체와 연계하여 WBS-CBS통 합정보를 구축하고 다양한 공사비 내역을 작성한 사례를 시 각화를 통하여 확인할 수 있었다. 이 구축된 BIM기반의 공사 비는 시공단계에 활용이 가능함을 알 수 있었다.