BIM 기반 스마트 도시시설물 설계 자동화 도구와 디지털 트윈의 상호 연계에 관한 연구

(우수포스터상)

글:  양 승 원 박사과정(성균관대학교 / dirotab@skku.edu)

지도교수: 성균관대학교 건축학과 김 성 아 교수

1. 서론

스마트시티는 도시화, 미래 기후 환경 등의 문제에 대응할 수 있는 모델로 주목받고 있다. 이에 따라, 스마트시티에 대한 다학제적 연구와 비즈니스 모델이 개발되고 있다. 국토연구원에 따르면 스마트시티는 향후 10년간 가장 빠르게 성장할 것으로 예상되는 시장이다. [1] 이러한 시대적 변화 속에서 미래 도시에 대한 보고서는 스마트 시스템과 사물 네트워크로 구성될 미래 도시의 모든 구성 요소를 주민들이 실시간으로 조작하고 상호작용할 수 있게 될 것이라고 설명한다. [2] 이처럼 스마트시티와 4차 산업혁명으로 인한 패러다임 변화를 반영해 변화하고 있는 도시의 요소들이 구현될 것으로 예상되며, 대표적으로 스마트시티의 도시 시설물인 '스마트도시 시설물'을 꼽을 수 있다. 이는 표면적인 의미뿐만 아니라, '도시시설물에 건설기술이나 정보통신 융합기술을 적용해 교통, 안전 분야 등 지능화된 시설과 서비스를 제공하고 본래의 목적에 따른 기능을 반영하는 시설물'이라는 의미가 포함된다. 이러한 스마트도시 시설물의 구현을 위해서는 다양한 상황과 데이터를 반영할 수 있는 디지털 모델의 생성을 통한 설계 단계의 효율화 및 확장성을 염두에 둘 필요가 있다.

따라서, 본 연구에서는 스마트 도시시설물의 정의에 부합하는 대상의 BIM기반 설계 자동화 도구의 개발과 디지털 트윈의 구축을 위한 디지털 트윈 환경의 프로토타입 구축을 제안하고 디지털 환경에서의 연동 검토를 수행한다. 이 과정에서 다양한 설계안에 대응할 수 있는 파라메트릭 BIM 설계 자동화 도구에서 생성된 산출물과 외부 데이터의 상호운용성을 확보하여 설계-운용 단계에 이르는 정보의 일관성을 달성하고자 한다. 이 과정에서, BIM 기반 설계 자동화 도구의 구축에 Autodesk Revit 및 Dynamo를 활용하고, 이후 외부 센서 API와 Autodesk Forge를 적용한 디지털 트윈 모니터링 시스템 구축을 수행하여 다양한 데이터의 연동 검토를 수행한다.

2. 차세대 스마트도시 시설물 및 방음터널

도시 시설물은 다양하고 복잡하여 명확한 범위를 정하기 어려우나, 관련 연구와 정책을 참고하여 도시시설물의 정의를 "재난 및 재해로부터 공공의 안전을 확보하기 위해 지방자치단체가 설치 또는 유지관리하고 지속적인 유지 및 관리가 필요한 시설물"로 요약할 수 있다. 그러나, 스마트시티는 기존 도시 시설물의 기능적 범주를 넘어서는 다양한 기능과 기술을 필요로 하기 때문에 이를 반영한 스마트시티 시설물의 개념이 필요하다. 이는 '도시시설물에 건설기술 또는 정보통신 융합기술을 적용해 교통, 안전 등 지능형 시설과 서비스를 제공하고 본래의 목적에 따른 기능을 반영한 시설물'로 정의할 수 있다. 또한, 차세대 스마트시티 시설물은 도시 시설물 고유의 기능에 스마트시티가 요구하는 기능을 추가해 설계 단계부터 고부가가치화 가능성을 내포한 것으로 정의된다.[3] 이러한 개념의 차세대 스마트도시 시설물은 거주자의 삶의 질 향상 및 도시 내의 다양한 시설물의 설치, 유지 관리 등의 분야에 적지 않은 영향을 끼칠 수 있을 것으로 예측된다.

도시 시설물 중 주민의 삶의 질과 밀접한 관련이 있는 것 중 하나가 바로 방음터널(Noise Barrier Tunnel, NBT)이다. 일반적으로 아파트 등 주거지역이 고층화되고 밀집된 국가 및 도시에서 NBT 도입이 빠르게 증가하고 있으며, 최근 도심을 관통하는 고속도로 건설 확대로 인한 소음 민원이 증가함에 따라 NBT 적용은 더욱 늘어날 것으로 예상된다. 따라서, 지속적인 도시화를 통해 고층 빌딩을 중심으로 스마트시티 전체에 적용될 수 있는 NBT가 필요할 수 있다. 이와 관련하여 NBT는 본래의 기능뿐만 아니라 스마트시티 시설물로서 경제성, 경량성, 안정성, 심미성 등의 추가적인 역할을 수행할 수 있어야 한다. 또한 다기능, 가변적 기능을 갖춘 스마트시티 시설물 설계를 위해 표준화, 모듈화, 시스템화가 뒷받침되어야 한다. 

3. BIM기반 스마트도시 시설물 설계 자동화

앞선 사항을 바탕으로 도시 시설물의 구성 기준인 설계 제한 요소는 매개변수 간의 관계로 요약할 수 있으며, 이 알고리즘은 변화하는 설계 요구사항에 유연하게 대응할 수 있다. 본 연구에서는 BIM을 반영한 설계 자동화 도구를 제안하며, 이를 위해 파라메트릭 설계를 지원하는 Revit-Dynamo를 활용한다. 설계 목적과 형상에 맞는 다양한 대안을 도출하기 위해서는 부재에 대한 정보를 미리 준비하는 것이 중요하기 때문에 이를 실현하기 위해 부재 라이브러리를 미리 준비했다. 필요한 부재와 정보(도로 선형, 높이 등의 규격 등)를 NBT에 입력하면 해당 부재를 적용한 설계 대안이 자동으로 도출된다. 생성된 설계의 세부 내용을 살펴보면, 설계 자동화 도구는 부재의 위치, 치수 정보 등 관리 및 유지보수를 위한 데이터가 각 부재에 라벨링되도록 작동한다. 이 모델링에서 생성된 각 부재의 데이터 매개변수에는 제작을 위한 부재별 위치-길이-곡률과 같은 항목과 관련 센서의 측정 데이터가 포함된다. 또한 이러한 부재의 속성에는 부재가 배치되는 레벨에 대한 정보도 포함된다. 이를 기반으로 구축된 NBT대상 설계 자동화 도구 및 현장에 설치된 NBT를 각 그림 1, 그림 2와 같이 정리한다.

Fig. 1 BIM Design Automation Tool: NBT

Fig. 2 NBT Construction Site

(Wansan Tunnel, Suncheon–Wanju Expressway, JeonJu-si)

4. BIM기반 디지털 트윈 모니터링 시스템 구축

일반적으로 설계 자동화 도구를 통해 생성된 디자인 대안을 검토하고 관리하기 위해서는 디자이너 외에도 다양한 인력이 필요하다. 이러한 인력과의 커뮤니케이션은 기존에는 이미지, 목업, 디자인 등을 통해 이루어졌지만 활용되는 데이터 형식이 각기 달랐기에 여러 제약이 따르는 작업으로 인지되었다. 따라서, 본 연구에서는 디지털 트윈 환경을 기반으로 Autodesk Forge 플랫폼을 활용해 생성된 디자인을 검토할 수 있으며, 구축 이후 유지관리 프로세스와 연계에 활용 가능한 디지털 트윈 모니터링 시스템을 구축한다. 또한, 외부 센서 API 적용을 통해 실증대상 방음터널에 설치된 센서 데이터와 Forge플랫폼의 연계를 달성하여, 디지털 모델과 계측 데이터와의 데이터 상호운용성이 달성됨을 확인한다.

이 과정에서, 센서 측정 데이터를 BIM 기반 객체의 데이터 파라미터에 매핑하여 연결할 수 있으며, 디지털 모델의 뷰포트, 부재 별 속성 정보, 센서 값 상태, 그래프 등의 정보를 메인 화면에서 확인할 수 있도록 모니터링 시스템의 가시성을 고려한 구축을 수행한다. 또한, 주요 구조 부재에 부착된 센서에서 수집된 데이터를 구성된 디지털 트윈을 통해 실시간으로 확인할 수 있는 환경을 구성하여 NBT의 성능 모니터링이 가능함을 확인할 수 있다. 즉, 차세대 스마트 도시 시설물 관리자 및 사용자의 환경 구성에 따라 실시간으로 데이터를 반영하는 것이 가능하므로, 이를 활용한 후속 연구로 확장될 수 있음을 시사한다.

Fig. 3 Deployed NBT targeted digital twin monitoring system (Autodesk Forge, MONNIT API)

5. 결 론

본 연구는 설계 자동화 도구와 통합 데이터 흐름을 통해 스마트시티 혁신에 기여하는 NBT 디지털 트윈의 물리-디지털간 상호연계를 성공적으로 달성했다. 이를 통해 설계 단계의 효율성을 개선하고 생산 및 시공을 위한 일관된 정보를 확보할 수 있음을 확인했으며, 외부 데이터와의 연계를 통한 확장 가능성을 확인했다. 추후, 수집되는 시설물 환경 및 운용 데이터를 다양한 예측과 분석에 활용할 수 있도록 모니터링 시스템의 기능에 관한 후속 연구를 진행할 필요가 있다.

6. 수상소감

이번 연구는 흔치 않은 실증 프로젝트로서, 건축계획과 CAAD를 주 전공으로 삼고 있는 저에게 매우 특별한 경험이었습니다. 최근 많은 관심을 받고 있는 BIM과 디지털 트윈 기술을 연구의 핵심 요소로 삼아, 스마트시티 인프라에서 이러한 기술이 실제로 어떻게 구현되고 적용될 수 있는지를 실증적으로 보여주고자 했습니다. 특히 이번 프로젝트는 단순한 개념 검토에 그치지 않고, 실제 데이터를 기반으로 한 실험적 접근을 통해 연구의 깊이를 더했습니다. 설계 자동화와 디지털 트윈 모니터링 시스템을 결합하여 설계와 운용 과정에서의 데이터 일관성을 강화하는 데 중점을 두었으며, 이를 다양한 시나리오 속에서 검증할 수 있었습니다.

이 과정에서 가장 큰 성과는 기술적 가능성에 대한 이론적 검토뿐만 아니라, 실제 현장에서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다는 점입니다. 설계-운용의 흐름을 실시간으로 모니터링하고 개선할 수 있는 시스템을 구축함으로써, 스마트시티와 같은 복잡한 환경에서 BIM과 디지털 트윈 기술이 얼마나 중요한 역할을 할 수 있는지 명확하게 보여주었습니다. 더불어 이번 연구가 미래의 도시 환경에서 어떻게 응용될 수 있을지에 대한 새로운 가능성을 제시했다는 점도 중요한 의의로 볼 수 있습니다.

이번 수상을 통해 이러한 연구가 인정받았다는 점에서 큰 보람을 느끼며, 앞으로도 더 많은 실증 데이터를 기반으로 한 연구를 지속해나갈 계획입니다. 이 연구가 스마트시티 분야에서 중요한 기초 자료로 활용될 수 있기를 기대하며, BIM과 디지털 트윈의 융합을 통한 더 혁신적인 연구를 이어나가고자 합니다. 이번 성과를 발판으로, 더욱 창의적이고 실질적인 연구를 통해 스마트시티의 미래를 그려나가는 데 기여하겠습니다.

감사의 글

This work is financially supported by Korea Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT) as 「Innovative Talent Education Program for Smart City」and This work was supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) grant funded by the Korea government(MOTIE)(20213030010280, Development & Field demonstration of PV modules for soundproofing facilities with secured safety and maintainability).

참고문헌

1. Arup, 2013, It's Alive: Can you imagine the urban building of the future?, pp. 4

2. Sakong, H., 2018, “Strategies to Build 'Digital Twin Space' (DTS) Towards the Fourth Industrial Revolution”. KRIHS, 661, pp. 4-6.

3. Yang, S.-W., Kim, S.-J., & Kim, S.-A., 2021, BIM-based Design Automation Tool and Digital Twin Interoperability. Journal of KIBIM, 11(4), 31–41.