Automation Review of Road Design Standard using Visual Programming

비주얼 프로그래밍 기법을 활용한 도로설계기준 자동검토 방안

Abstract

Purpose: There is not much time left for mandatory BIM implementation for all sectors and stages of the construction industry. Therefore, it is necessary to find a way to secure technology to substantially improve the productivity of BIM work. In the research, we proposed a method to automatically verify related construction standards for major objects produced by BIM modeling procedures so that engineers can verify construction standards in the BIM-based design process. Method: We defined a modeling work procedure for BIM-based road design work and prepared a method for constructing related design standards in a database. In addition, a process map for developing a BIM-based design basis review automation system was also presented. Result: A BIM-based design standard review automation module was developed using Civil3D and Dynamo. And it was confirmed by the test application that it is possible to quickly judge whether the BIM object manufactured in the design process conforms to the construction design standard. Conclusion: BIM-based design standard review automation technology can improve the productivity of BIM model production work and secure the quality of the BIM model.

연구목적: 건설산업의 전 분야 및 전 단계에 대한 BIM 도입 의무화가 머지않아 시행될 만큼 BIM 업무의 실질적인 생산성 향상을 위한 기술 확보 방안이 필요하기 때문에 연구에서는 엔지니어가 BIM기반 설계 과정에서 건설기준을 검증할 수 있도록 BIM 모델링 절차별로 제작되는 주요 객체에 대해 자동으로 관련 건설기준을 검증할 수 있는 방안을 제시하였다. 연구방법: BIM기반 도로 설계 업무를 대상으로 모델링 업무 절차를 정의하고, 각 단계에서 도출되는 BIM 모델별로 관련 설계기준을 데이터베이스로 구축하는 방안을 마련하였다. 그리고 BIM기반 설계기준 검토 자동화 시스템 개발을 위한 프로세스도 제시하였다. 연구결과: Civil3D 및 Dynamo를 활용하여 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈을 개발하고, 시범적용을 통해 설계과정에서 제작되는 BIM 객체의 건설설계기준 충족여부를 자동으로 신속하게 제공할 수 있음을 확인하였다. 결론: BIM기반 설계기준 검토 자동화 기술은 BIM 모델 제작 업무의 생산성 향상과 BIM 모델의 품질확보가 가능하다.

서론

최근 디지털전환 및 자동화가 건설산업 성장의 핵심 키워드로 주목받으면서, BIM(Building Information Modeling)의 국내 조기정착 및 활성화를 위한 정부의 정책적 노력이 추진되고 있다. 이를 위해 정부는 최근 ｢스마트 건설 활성화 방안｣을 발표하고, ｢건설산업 BIM 기본지침｣과 ｢건설산업 BIM 시행지침｣을 제정하여 BIM 제도 정비 및 의무화 대상 사업 단계별 확대 등 건설사업 BIM 활성화를 위한 구체적인 지원체계를 마련하고 있다(MOLIT, 2022). 이와 같이 건설 전 과정에 대한 BIM 도입 의무화가 머지않아 시행될 만큼 BIM 업무의 실질적인 생산성 향상을 위한 기술 확보 방안이 필요한 시점이다. 이를 위해 기존 연구에서는 BIM의 주된 업무가 BIM 모델을 제작하는 것이기 때문에 이를 자동화하기 위한 연구들이 다수 진행되고 있다. BIM 모델링 자동화 관련 연구는 주로 케이슨, 배수 시설물과 같은 구조물을 특정 BIM 저작도구에서 자동으로 구현한 수 있도록 add-on과 같은 3^rd party 프로그램으로 개발하거나 Dynamo 등과 같은 스크립트를 작성하여 활용하고 있다(Collao et al., 2021; Nam et al., 2021; Kim et al., 2020). 그러나 BIM 모델 제작에 대한 자동화 연구들은 다양한 형상을 가진 구조물을 어떻게 많은 매개변수를 적용하여 자동으로 BIM 모델로 구현할 수 있는지에 대한 방안을 제시하고 있을 뿐 자동으로 제작된 BIM 모델이 건설기준에 충족하는지 또는 어떻게 건설기준을 검토할 수 있는지에 대한 연구는 부족한 실정이다.

건축의 경우에는 건축인허가 자동검토를 BIM기반으로 수행하는 연구와 토목의 경우에는 최근 철도분야에서 BIM 성과품에 대한 품질검토 방안을 제시하는 연구 등이 일부 진행되고 있다(Kim et al., 2018; Kang et al., 2022). 특히 기존 BIM기반 품질관리 및 건설기준 관리 연구도 BIM 원본 파일을 대상으로 하는 것이 아니라 IFC(IndustryFoundation Classes) 포맷과 같이 국제표준으로 지정된 개방형 BIM 포맷을 대상으로 수행되고 있다(Dimyadi et al., 2013).

실질적으로 곡선반경, 경사 등 도로 자체가 갖추어야 하는 최소한의 기준 검증이 많이 필요한 단계가 설계 과정임을 고려한다면, BIM 설계의 최종 성과품이 아니라 BIM 설계과정에서 제작되는 일련의 BIM 모델에 대한 품질검토 및 건설기준 검증 방안이 필요한 실정이다(Ki et al., 2021). 이에 본 연구에서는 BIM기반 설계 과정에 건설기준을 검증할 수 있도록 BIM 모델링 절차별로 제작되는 주요 객체에 대해 자동으로 관련 건설기준을 검증할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

설계기준의 검토 및 데이터화 방안

BIM기반 설계기준 검토 방안

국내외적으로 사용되고 있는 BIM 저작도구는 종류도 다양할 뿐만 아니라 제공되는 기능도 가지각색이기 때문에 건설산업 각 분야별로 BIM을 도입하고자 하는 목적에 따라 소프트웨어의 기능성, 사용성, 구현성 및 보편성 등을 고려하여 적합한 BIM 저작도구를 선정하고 있다. 연구에서는 BIM기반 도로 설계에 대한 설계기준 검토 프로세스를 마련하기 위하여 국내 BIM SW 시장 점유율이 가장 높은 Autodesk사의 Civil3D를 대상으로 BIM 모델링 절차를 분석하고 이에 대한 설계기준 검토 방안을 Fig. 1과 같이 제시하였다.

Civil3D기반 도로 모델링 절차는 일반적으로 지형모델링, 평면선형설계, 종단설계, 표준횡단 설계 및 코리더 생성 순서로 진행된다. 특히 Civil3D에서 생성되는 객체들은 종속 및 참조 관계를 가지고 있기 때문에 일반적인 모델링 절차를 준수하는 것이 필요하며, 이러한 객체들의 관계는 모든 객체를 동적으로 연계하는데 활용된다. 즉, 하나의 객체를 재설계하면 이와 연계된 다른 객체들은 자동으로 수정이 가능하다. 연구에서는 이러한 BIM 모델링 절차를 고려하여 각각의 모델링 절차별로 생성되는 객체별로 설계기준을 검토할 수 있는 방안을 마련하였다.

연구에서는 Fig. 1과 같이 각 모델링 절차별로 고려해야하는 설계기준 검토 항목을 도출하고, 각 설계기준 항목별 기준값을 부모-자식 관계인 데이터 트리 구조로 파악할 수 있도록 계층적 데이터로 구성하였다. 그리고 이를 XML기반으로 데이터 베이스화 하였다. 설계기준 항목별 기준값을 도출하기 위해 필요한 추가 정보는 공통정보로 구성하여 Civil3D의 Pset기반으로 저장할 수 있게 하였다. 그리고 Civil3D 객체로부터 매개변수값을 추출하여 설계기준 항목별 기준값과 비교 검토할 수 있도록 Rule set을 정의하고, 이를 기반으로 설계기준에 대한 검토결과를 출력하도록 구성하였다.

Fig. 1. Rules checking process for BIM objects

설계기준 데이터 방안

실제 도로 설계 업무에서 다루고 있는 다수의 설계기준을 데이터베이스화하는 것은 현실적으로 어려운 일이기 때문에 연구에서는 ｢도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙｣의 일부 내용을 데이터베이스로 구축하였다. 건설설계기준 문서는 일반적으로 서술적인 내용과 그림, 표 등으로 구성되어 있기 때문에 사용자가 찾고자 하는 설계기준 항목별 기준값을 추출하기 위해서는 전처리 과정이 필요하다. 이를 위해 연구에서는 설계기준 항목을 체계화하고, 이를 XML(Extensible Markup Language)로 작성하였다. 연구에서는 XML형식으로 데이터베이스를 구성하기 위해서 Fig. 2와 같이 ｢도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙｣에 명시된 각 조항들을 Chapter, Section, Category, Sub-Category, Key, Sub-Key, Value 순서로 분류하여 XML 문서 파일로 생성하였다. 이러한 방식에서는 사용자가 Category, Sub-Category, Key, Sub-Key 등 4개에 항목을 선택하면 자동으로 해당 설계기준항목의 Value를 쉽게 추출할 수 있다.

Fig. 2. XML database for the Road structure rules

공통정보 데이터 입력 방안

XML로 작성된 설계기준 데이터에서 Civil3D 객체에 적합한 설계기준 값을 추출하기 위해서는 Category, Sub-Category, Key, Sub-Key 등을 정의할 수 있는 공통정보가 필요하다. 연구에서는 이러한 공통정보를 Civil3d 객체에 할당할 수 있도록 Civil3D의 특성세트를 활용하였다. 특성세트는 Fig. 3과 같이 사용자가 원하는 정보 항목을 정의하고 특정객체에 할당하여 관련 데이터를 입력하는 방식으로 객체별로 공통정보를 효율적으로 관리할 수 있다. 또한 Civil3D 객체들은 상호 연관 관계를 맺고 있기 때문에 모든 객체에 대해 공통정보가 반영된 특성세트를 할당할 필요가 없다. 예를 들어 공통정보의 특성세트를 평면선형객체에만 할당하여도 참조 및 종속관계에 있는 코리더와 종단객체에서도 공통정보를 확인할 수 있다. 연구에서는 사용자가 공통정보를 특성세트로 생성하는 수작업을 없애고, 사람의 실수로 인한 입력 오류를 최소화 할 수 있도록 Civil3D Dynamo를 활용하여 자동화하는 방안을 마련하였다.

Fig. 3. Common Data for the Road structure rules

BIM기반 설계기준 검토 자동화 모형

BIM기반 설계기준 검토 프로세스

연구에서는 Civil3D와 Dynamo를 활용하여 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모형을 구축하기 위하여 프로세스맵을 Fig. 4와 같이 구성하였다. 프로세스 맵에서는 Civil3D의 주요 객체별로 설계기준 검토가 가능하도록 평면선형, 종단 및 코리더 등과 같이 객체를 선택하는 과정, 설계기준 항목을 선택하는 과정, 설계기준 검토를 위해 필요한 정보를 선택한 객체로부터 추출하는 과정과 XML 문서파일에서 관련 설계기준 값을 검색하는 과정 등으로 일련의 설계기준 검토 과정을 상세하게 표현하였다.

Fig. 4. Rules checking process for BIM objects

Dynamo를 활용한 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈

연구에서는 도로 BIM 설계 작업에서 설계기준 검토를 자동화할 수 있도록 Civil3D 2023 및 Dynamo 2.13버전을 활용하여 Fig. 5와 같이 개발하였다. Dynamo로 작성된 스크립트는 BIM기반 설계기준 검토 프로세스에 맞춰 개발하여 주요 객체 별로 설계기준 검토를 수행할 수 있다. Civil3D 객체들은 다수의 세부 객체들로 구성되어 있기 때문에 선택한 객체의 세부 객체에 대한 설계기준 검토가 가능하도록 인덱스 번호로 세부객체를 탐색하여 선택할 수 있게 하였다. 그리고 효율적인 설계기준의 관리를 위해서 초기 Dynamo 스크립트를 수행시 특정 경로에 설계기준의 XML 문서 파일이 자동으로 생성될 수 있게 구성하였다. 이는 별도의 XML 문서 파일 없이 Dynamo 스크립트만으로 설계기준 검토 모듈 구현이 가능하기 때문에 작업의 생산성이 향상될 수 있다. 설계기준 검토에 필요한 공통정보 입력 기능에서도 초기 Dynamo 스크립트를 수행시 사용자가 관련 정보를 입력하도록 팝업창을 구성하였으며, 이후Dynamo 스크립트를 수행에 입력된 정보의 변경 사항이 없으며 재입력 없이 기존 정보를 그대로 사용할 수 있도록 구성하여 반복적인 작업을 방지하였다. 또한 연구에서는 설계기준 검토 시, 필요한 정보의 입력 오류를 방지하고 사용자 편의성을 향상시키기 위해서 공통정보를 입력하거나 설계기준 검토 항목을 선택하는 작업에 대해서는 윈도우폼으로 UI(User Interface)를 별도로 제작하여 활용하였다.

Fig. 5. Dynamo script for rules check

BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈의 시범적용

연구에서는 Dynamo로 작성된 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈의 실무적 활용성을 검토하기 위하여 Civil3D에서 작성된 도로 모델을 대상으로 시범적용을 수행하였다. 시범적용 범위는 평면선형 객체의 설계속도에 대해 설계기준을 자동으로 검토하는 것이며, 이를 위해 Fig. 6과 같이 Civil3D에서 작성된 도로 노선의 구간을 설계속도 100km/hr와 80km/hr로 구분하였다. Civil3D는 Dynamo뿐만 아니라 DynamoPlayer 기능도 같이 제공하고 있다. DynamoPlayer는 Dynamo 스크립트를 직관적인 UI로 실행할 수 있는 기능으로 Fig. 6과 같이 콤보박스, 체크박스 등을 통해 데이터를 입력할 수 있을 뿐만 아니라 설계기준 검토 결과도 텍스트로 확인할 수 있다.

Fig. 6. Test project for checking road structure rules

Fig. 7과 같이 DynamoPlayer에서 입력값을 설정하고, 실행하면 공통정보 설정 팝업창과 설계기준 검토 항목을 선택하는 팝업창이 생성된다. 각 팝업창별로 정보를 입력하고 선택하면 자동으로 설계기준 검토 항목에 대한 분석결과가 DynamoPlayer 창에 표시되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7과 같이 평면선형객체의 설계속도의 기준 검토는 ｢도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙｣의 설계속도 기준 80km/hr에 따라 설계속도가 100km/h인 도로 구간에서는 “error” 출력되었고, 설계속도 80km/h인 도로 구간에서는 “OK”가 출력되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 검토결과가 “error”인 경우에는 설계검토 항목에 대한 해당 객체의 매개변수값과 설계기준 값을 출력하도록 구성되어 사용자가 쉽게 설계기준 오류 사항을 파악할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 BIM기반 도로 설계 시, 업무 단계별로 작성되는 객체별로 설계기준 충족 여부를 자동으로 검토할 수 있게 함으로서 업무 생산성 향상뿐만 아니라 BIM 설계 성과품의 품질 향상에도 기여할 것으로 판단된다.

Fig. 7. Results for checking road structure rules

결론

건설산업의 BIM 활성화 정책에 힘입어 건설산업의 전 분야 및 전 단계에 대한 BIM 도입 의무화가 머지않아 시행될 만큼 BIM 업무의 실질적인 생산성 향상을 위한 기술 확보 방안이 필요하다. 본 연구에서는 엔지니어가 BIM기반 설계 과정에서 건설기준을 검증할 수 있도록 BIM 모델링 절차별로 제작되는 주요 객체에 대해 자동으로 관련 건설기준을 검증할 수 있는 방안을 제시하였다. 이를 위해 BIM기반 도로 설계 업무를 대상으로 모델링 업무 절차를 정의하고, 각 단계에서 도출되는 BIM 모델별로 관련 설계기준을 데이터베이스로 구축하는 방안을 마련하였다. 그리고 이를 Civil3D 및 Dynamo를 활용하여 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈을 개발하였다. 개발된 BIM기반 설계기준 검토 자동화 모듈은 도로 BIM모델을 구성하는 평면선형객체, 종단객체, 표준횡단객체 및 코리더 등 주요 객체들의 설계기준 검토를 수행할 수 있다. 이러한 기능은 시범 적용을 통해 설계과정에서 제작되는 BIM 객체의 건설설계기준 충족여부를 자동으로 신속하게 제공할 수 있음을 확인하였으며, 이러한 기술을 통해 BIM 모델 제작 업무의 생산성 향상과 BIM 모델의 품질확보가 가능할 것으로 사료된다. 다만, 건설 설계기준 법령에서 서술형 문구는 제외하고 표로 구성된 데이터만 시스템이 인식할 수 있도록 계층적으로 구조화하고 마크업 데이터베이스로 구성하였기 때문에 추후법령이 업데이트 또는 개정이 되면 실시간으로 반영하기 곤란하다. 이를 위해 향후 연구에서는 온톨로지 및 인공지능 기술을 활용하여 건설설계기준을 디지털화하고, BIM기반으로 최적의 설계안을 제공할 수 있는 연구를 진행하고자 한다.