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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. ㈜드림이앤씨 BIM설계팀 차장 ( Deputy General Manager, Dream Engineering and Consulting, Osan, Gyeong-gi, 18122, Korea )
  2. 서울과학기술대학교 건축학부 교수 ( Professor, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, 01811, Korea )



Building information model(건물정보모델), MEP(기계전기설비), Design process(설계 프로세스), Building information level(정보표현수준), Level of detail(모델링 상세기준)

1. 연구배경 및 목적

건설 산업 전반에 걸쳐 IT 기술을 접목하여 정확하고 일관성 있는 건물정보를 통한 시뮬레이션으로 사전에 예측 가능한 건설공정 중의 업무 및 오류를 검토하여 건설업무의 오차를 줄이고 효율성을 증대시키는 Building Information Modeling(BIM)에 대한 수요가 급증하였다. 조달청 맞춤형서비스 사업과 같은 BIM 적용의무화 프로젝트뿐만 아니라 BIM을 적용하는 민간 프로젝트도 꾸준히 증가하고 있지만, BIM을 적용한다는 현행 기계설비 설계방식은 BIM 적용의 근본적인 목적인 생산성의 향상 및 견적․유지관리의 효율성을 살리지 못하고 2D로 작성된 도면을 3D로 변환하는 등 많은 업무가 단순 모델링 혹은 형상정보 표현에 치중되어 있는 경우가 많다. 따라서 본 연구는 기계설비 설계분야의 효율적이고 현실적인 BIM 적용 및 확산을 위해 설계단계별 기계설비 BIM 설계 업무의 프로세스를 제시하고 설계단계별 모델링 상세기준을 제안함으로써 기계설비 BIM의 실용성과 효율성을 높이는 방안을 마련하고자 한다. 또한 제안된 기계설비 BIM 프로세스와 모델링 상세기준을 파일럿 프로젝트에 적용하여 검증한 사례를 공유하고자 한다.

2. 기존 BIM 프로세스 및 모델링 기준에 관한 지침 및 문헌

조달청의 시설사업 BIM 적용 기본지침서 v2.0(1)은 국내 건설프로젝트에서 가장 빈번하게 참조하는 BIM 지침서이나, 건축설계 및 친환경 성능 향상 위주로 제시되어 기계설비분야에 대한 구체적인 목적과 활용목표 등은 제시되어 있지 않다. 또한 BIM 설계 대상으로 위생기구, 장비, 덕트, 배관 등으로 개략적으로 제시하고 있어 기준의 해석이 모호할 수 있다. 가상건설연구단의 BIM 적용 설계 가이드라인(2)은 발주처와 시공자까지 포함하는 건설 프로세스별 주요업무와 설계도서 목록 및 산출물, BIM 활용목표를 제시하고 있으나, 역시 기계․전기․소방 등 설비분야에 대한 프로세스와 BIM 산출물에 대한 정의는 부족한 편이다.

Park et al.,(3) Choi,(4) Lee et al.(5)은 BIM 활성화를 위해서 표준지침의 제시, 표준 프로세스의 정립 필요성을 언급하여 기계설비분야에서도 BIM 설계 프로세스의 정립이 중요함을 시사하였다. 이에 Lee et al.(6)은 BIM 기계설비 설계과정에서 BIM 도입에 따른 사전협의로부터 성과물 추출로 이어지는 업무프로세스를 제안하였고, Choi et al.(7)은 설계단계별 BIM모델링 수준을 정의하여 각 단계에서 고려해야 할 업무의 범위와 항목을 제시하였다. 특히 Park and Kim(8)는 기계설비공사분 물량을 산출, 비교분석하여 적정 공사비 산정이 가능한 기계설비공사의 설계단계별 BIM 정보표현수준 개선안을 제안하였다.

문헌고찰 결과 국내 BIM 지침은 성과물에 도달하기 위한 BIM의 업무기준이 명확하지 않고, 기존 연구들은 연구 목적에 따라 업무기준의 차이가 있음을 파악하였다. 따라서 본 연구는 국내 BIM 기반 제출 성과물에 부합하는 설계단계별 기계설비 설계프로세스와 BIM 모델작성의 세부기준을 재정립하여 제시하고자 한다.

3. 설계단계별 기계설비 BIM 설계 프로세스 및 BIM 작성기준

3.1 기계설비 BIM 설계 프로세스

LOD350(Level of Detail 350)(9)과 같은 모델링 상세 기준만으로는 국내 현실을 고려한 설비 BIM 실무 설계업무를 표현하기에 한계가 있기 때문에 실무 설계단계별 BIM 실무 설계 업무를 분석하였다. 또한 이를 기존 설비 설계업무와 비교하여 차이점을 Table 1로 요약하였다. BIM 기계설비 설계에서는 기존 기계설비 설계의 실시설계단계에서 이루어졌던 많은 업무가 계획 및 중간설계단계로 앞당겨 지고, 물량 산출, 공사비 계산 및 간섭검토가 중간설계 단계에서 주로 수행된다는데 차별점이 있다.

Table 1 Conventional MEP design process vs. BIM design process

Schematic Design (SD)

Design Development (DD)

Construction Document (CD)

Construction

Conventional design process

∙Review OPR(Owner Project Requirement) and confirm the given condition and constraint;

∙Plan for MEP/FP(Mechanical Electrical Plumping Fire Protection) system outline

∙Establish MEP/FP system design teams and prepare system plans by each team;

∙Prepare design development document via adjustment between teams;

∙Acquire design review board, statutory approvals and bidding

∙Prepare construction document;

∙Prepare all specifications and engineering drawings via adjustment between teams;

∙Deliver construction document

∙Update with design changes per cost, schedule, quality and risk management

BIM design process

∙Review OPR and confirm the given condition and constraint;

∙MEP/FP schematic design;

∙Compare system alternatives;

∙Plan for system zoning and layouts;

∙Estimate brief construction budget;

∙Construct BIM template and libraries;

∙Establish BIM design process and coordination between construction divisions

∙Brief load calculation;

∙Prepare design development BIM;

∙Clash detection and resolution;

∙Prepare design development document;

∙Brief quantity take-off;

∙Energy performance & code compliance check

∙Detailed load calculation and prepare for specification;

∙Develop bidding-and-construction- ready BIM;

∙Analyze maintenance space and constructability;

∙Prepare construction document;

∙Detailed quantity take-off and cost estimate;

∙Confirm design level energy goal

∙Perform construction simulations;

∙Prepare for As-built BIM

3.2 설계단계별 BIM 정보표현수준(Building Information Level)

Park and Kim(8)이 제시한 기계설비 BIM 모델 작성 기준을 초안으로 보다 실무적인 관점의 LOD를 추가하여 Table 2와 같이 재정리하였다. 기계설비 객체가 최초로 모델링이 되는 설계단계를 ■로 표기하였으며 ◻은 이후 단계에서 계속 발전될 수 있음을 의미한다. 만약 제시된 분류나 LOD가 특정 프로젝트의 요구사항보다 과도하거나 상세 표현 후 BIM 파일 크기가 증가하여 작업능률을 저하할 가능성이 있다면 발주처와 시공사와의 협의를 거쳐 LOD를 조정할 수 있다.

(1) 배관은 공종별로 재질이나 보온사항들이 다양하여 공종별로 구분하고 덕트는 공종별로 재질이나 형상이 크게 차이가 없어 형상별로 구분하는 것이 보다 합리적이다. 배관의 밸브 및 위생기구의 수전은 기능별로 종류와 상세가 다양하여 구분이 필요하지만, 댐퍼는 기능별로 구분하는 것뿐이라 굳이 구분하여 나눌 필요는 없다.

(2) 중간설계단계에서 메인배관이나 덕트의 외형을 건물 용도와 규모에 따른 개략적인 계산에 의해 공간검토용으로 작성할 수는 있으나, 실시설계단계에서 상세계산서 작성 이전에 조닝별 서브배관이나 덕트의 외형을 개략적으로 판단하여 모델링을 한다면 중간설계단계에서의 작성시간에 실시설계단계에서의 수정 시간을 가중되어 전체 모델링 시간이 상당히 늘어날 수 있으므로 작업시간의 효율성을 고려하여 중간설계단계에서는 표현되어야 하는 범위를 협의할 필요가 있다(■로 표기).

(3) 중간설계단계에서 장비 및 위생기구는 Fig. 1과 같이 외형과 배관 및 덕트 연결 접속구를 표현한다. 실시설계단계에서는 장비 내부에 포함되어 있는 장비와 장비류를 지지하는 셋앙카의 위치 등과 같은 상세 표현은 모델링 대신 Fig. 2와 같이 기계설비 표준 및 특기․전문 시방서 및 상세도에 표현하여 활용하는 것이 보다 효율적일 수 있다.

(4) 덕트 및 배관의 주요 피팅(엘보, 티, 레듀샤, 캡 등)은 Fig. 3과 같이 중간설계단계부터 표기한다. 덕트 및 배관의 중간 이음 피팅(유니온, 소켓, 니플 등)은 한본마다 삽입하기 때문에 작업의 효율성을 위하여 중간설계단계에서는 모델링을 하지 않지만, 물량산출을 위하여 Dynamo(10)와 같은 수식에 의한 속성정보는 포함되어야 한다. 덕트 및 배관의 중간 이음 위치가 확실해지는 시공단계 혹은 As-Built 단계에서는 협의를 거쳐 Fig. 4와 같이 모델링을 할 수 있다.

(5) 덕트 및 배관 보온재는 물량 산출과 공간 및 간섭검토를 위하여 중간설계단계부터 보온재를 직접 모델링 할 수 있다. 그러나 보온재를 직접 모델링하면 파일의 크기가 커질 뿐 아니라, 덕트 및 배관 수정 시 보온재를 제거하였다가 덕트 및 배관을 수정한 후 다시 보온재를 추가하는 과정을 반복해야 하므로 수정이 잦은 실시설계 단계 이전에 보온재를 모델링하면 비효율적일 수 있다. 따라서 물량산출을 위한 보온재는 속성정보로 대체하고(■로 표기) 보온재 공간을 고려하여 공간 및 간섭검토를 진행한 후, 실시설계 최종 납품 전에 모델에 반영할지를 협의하여 결정하는 것이 보다 효율적이다(⌧로 표기).

(6) 동파방지열선, 눈관리 스티커 등 덕트 및 배관 표면에 부착되는 객체는 시공 이전 단계까지 속성정보 및 2D 도면으로 대체하여(■로 표기) BIM파일의 크기와 모델링 시간을 줄이고 필요에 따라 시공단계에서 협의 후 표현 여부를 결정한다(⌧로 표기).

Fig. 1 Air handler with port and connector at design development phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig1.png

Fig. 2 Specification and technical details of air handler at construction document phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig2.png

Table 2 Building information level of BIM mechanical design per phase

Building Information Level(BIL)

BIL30

BIL40

BIL50

DD1)

CD2)

Const.

HVAC equipment

Chiller, boiler, heat exchanger, cooling tower, condenser, energy plant, energy storage, expansion tank, water heater

Dimension, location or reserved space

Capacity, connector, port

Internal dimension, detailed geometry and other specifications3)

Air Handlers, ventilator, coil units, package&split systems, VRF systems, terminal & indoor unit

Dimension, location or reserved space

Capacity, power, flowrate, connector, port

Internal dimension, detailed geometry and other specifications3)

Blower, fan

Dimension, location or reserved space

Power, flowrate, connector, port

Internal dimension, detailed geometry and other specifications3)

Pump

Dimension, location or reserved space

Power, flowrate, connector, port

Internal dimension, detailed geometry and other specifications3)

HVAC pipe

Hydronic

loop

Plant room Primary pipeline

Length, diameter, material

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Refrigerant

loop

Plant room

Primary pipeline

Length, diameter, material

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Sanitary equipment

Septic tank, rainwater tank

Dimension, location or reserved space

Capacity, connector, port

Internal dimension, detailed geometry and other specifications3)

Toilet, urinal, utility sink, bowl, tub

Location or reserved space

Sanitaryware type, connector, port

Other specifications3)

Faucet, showerhead,

bathroom/kitchen fixture

Location, specification

Sanitary plumbing

Sanitary pipeline

Plant room Primary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Sewage and drainage

Plant room Primary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Other properties: thickness, weight

Other part, hanger, support, accessaries

Table 2 Building information level of BIM mechanical design per phase(continued)

Building Information Level(BIL)

BIL30

BIL40

BIL50

DD

CD

Const.

Utility gas pipeline

Primary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Other properties: thickness, weight

Outdoor pipeline

Primary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Secondary pipeline

Length, diameter, material, accessary*, insulation*

Surface attachment, insulation

Other properties: thickness, weight

Duct

Square duct

Plant room

Primary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: reinforcing bar

Secondary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: Reinforcing bar

PVC duct

Primary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: angle iron

Secondary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: angle iron

Stainless

steel duct

Primary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: reinforcing bar

Secondary duct

Dimension, length, thickness

Surface attachment, insulation

Other properties: reinforcing bar

Spiral duct

Primary duct

Dimension, length, thickness

Other properties: reinforcement

Secondary duct

Dimension, length, thickness

Other properties: reinforcement

Flexible duct

Primary duct

Dimension, length

Other properties: aluminum insulation

Secondary duct

Dimension, length

Other properties

Hanger, support

Diffuser, exhaust, inlet, outlet, damper

Fitting and valve

Fitting

Plant room

Primary pipeline

Elbow, tee, reducer, cap

Union, socket, nipple

Secondary pipeline

Elbow, tee, reducer, cap

Union, socket, nipple

Valve

Location or reserved space

Diameter, pressure, type

Detail specification and other properties

Pressure reducing device, trap, water hammer arrestor and etc.

Location or reserved space

Diameter, pressure, type

Detail specification and other properties

Flowmeter, calorimeter, measuring device, sensor and etc.

1) Design development phase; 2) Construction document; 3) Can be described in technical, particular, project specifications other than BIM.

Fig. 3 Duct detail at design development phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig3.png

Fig. 4 Duct detail at construction document phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig4.png

4. 파일럿 프로젝트

기숙사, 근린생활시설 및 사무실로 이루어진 지상 12층의 지식산업센터에 본 연구가 제안하는 기계설비 BIM 프로세스와 모델링 상세기준을 적용하였다. 파일럿 프로젝트에는 지역난방이 공급되기 때문에 판형 열교환기와 흡수식 냉동기가 설치되었고 공조기, 시스템에어컨, 전열교환기 등이 설치된다.

4.1 계획설계단계

본 단계에서는 주어진 설계조건들을 확인하고 각종 시스템들을 비교․검토하여 시행사, 건축설계사 등의 이해당사자와 협의 후 편리성, 쾌적성, 안정성 및 경제성을 고려하여 최적 시스템을 선택하고 건물의 면적을 토대로 개략공사비를 추정하였다. 또한 BIM 작업을 위한 각종 템플릿 및 라이브러리를 구축하였다.

4.2 기본설계단계

면적과 내․외부조건으로 개략적인 부하계산을 하여 장비용량을 결정하고 Table 2의 기본설계단계의 BIM 정보표현수준에 따라 각 객체들을 모델링하였으며 각 객체들에 최소한의 속성정보들을 기입하였다. 각 공종간 모델을 취합하여 Navisworks(11)를 사용하여 간섭검토를 진행하였고 트러블슈팅 후 Fig. 5와 같이 기본설비도면을 작성하고 개략공사비를 산정을 위해 물량을 산출하였다.

Fig. 5 Plant room at design development phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig5.png

4.3 실시설계단계

기본설계 단계에서 표현한 Main 배관, 덕트를 상세계산서에 따라 사이즈를 수정 후 각 장비, 위생기구에 연결 되는 Sub 배관, 덕트를 Fig. 6과 같이 모델링하였다. 보온재는 속성정보로 대체하여(도면화 태그에 보온여부를 기입하여) 표현하였다.

5. 결 론

본 연구는 국내 BIM지침과 선행 연구들을 정리하고 다년간의 실무지식을 반영하여 단계별 기계설비 BIM 설계 프로세스와 BIM 정보표현수준을 제시하였다. 특히 실무설계자가 숙지해야 할 주요사항은 다음과 같다.

(1) 기계설비 BIM설계 프로세스를 LOD350, LOD400 같은 모델링 디테일 기준 대신 국내에서 통용되는 실제 설계단계를(계획설계, 기본설계, 실시설계, 시공단계) 업무범위 기준으로 삼아야 BIM산출물 생산에 효율적이다.

(2) 계획설계에서는 기존 설계업무와 동일하게 주어진 조건을 확인·정리하여 설비계획을 입안하고, 추가로 모델링 작업을 위한 템플릿 및 라이브러리 구축, BIM 업무협의를 진행하여야 한다. 중간설계단계에서는 개략부하계산을 통해 기본설비모델을 생성, 간섭검토 및 해결을 하여 기본설비도면을 작성하고 개략 공사비 물량을 산출한다. 실시설계단계에서는 설계계산서 및 시방서를 작성하여 상세 BIM 모델을 구축한다. 상세 BIM 모델에서는 시공성 및 유지관리공간을 확보하고 객체간 간섭을 해결하여 실시설비도면을 작성한 후 상세견적을 수행하여 소요공사비를 산출한다. 시공단계에서는 실시설계 단계의 BIM을 사용하여 공사일정계획 및 공사품질 관리, 공사비 산출, 공정시뮬레이션을 실시하고 시공 직전 또는 직후 As-built 모델을 작성한다.

(3) 중간설계 단계(BIL30)에서는 최소한 주요장비 및 건물내부의 Main 덕트 및 배관이 모델에 반영되어야 국내 BIM 지침에서 제시한 목적 및 성과물에 도달할 수 있다. 실시설계 단계(BIL40)에서는 입찰, 계획 및 공사를 위한 수준의 BIM 모델이 구축되어야 하나, BIM 데이터의 적정 용량 및 모델링 시간의 효율성을 위해 장비의 외형과 연결 접속구는 BIL30부터 표현하되 그 외 상세 부분은 표준시방서를 활용할 것을 권고하는 바이다. 또한 덕트 및 배관의 피팅과 보온재, 표면 부착요소 등의 객체 표현은 발주처와 시공사와 협의하여 속성정보로 대체 표현하는 것이 보다 효율적이다.

Fig. 6 Bath room at construction document phase.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.9.476/fig6.png

후 기

이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2020R1A2C1012952).

References

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Lee S. H., Kwak C., Lee K. J., Shin T. H., Chin S. Y., Kim Y. S., A Derivation of BIM Adoption Strategy through Domestic and Foreign BIM-based Projects, Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Vol. 29, No. 1, pp. 677-680Google Search
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Cho H. J., Kim Y. S., Ma Y. K., 2013, A Study of Level of Detail for BIM Model applied the Design Process, Journal of KIBIM, Vol. 3, No. 1, pp. 1-10DOI
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Autodesk , 2021, Navisworks, https://www.autodesk.com/products/navisworks/overview (Accessed March 6th, 2021)Google Search