KICT 한국건설기술연구원 KICT가 선도하는 세계속의 K-건설

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• 지반 붕괴의 감시자 반딧불 센서 개발 지반 붕괴의 감시자반딧불 센서 개발 ▲ 지반연구본부 - 지반 및 구조물 붕괴 징후를 감지할 수 있는 스마트 센서와 시스템 개발 - 현장·신속·정확한 보급형 기술로 국민 안전에 기여 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 지반과 구조물의 붕괴 징후를 감지하는 스마트 감지 센서(이하 반딧불 센서) 및 원격으로 실시간 모니터링이 가능한 시스템을 개발했다. 개발된 기술은 KICT 연구소 1호 기업인 ㈜재난안전기술과 국내 벤처기업인 ㈜엠테이크와 공동으로 개발했다. 개발된 반딧불 센서는 붕괴가 우려되는 다양한 위험 구역에 1 m ~ 2 m 간격으로 손쉽게 부착할 수 있다. 또한, 산림청의 사면 붕괴 지중경사계 일변위 기준인 0.05˚보다 더 정밀한 0.03˚ 변이도 실시간으로 감지할 수 있다. 만약 붕괴 징후가 감지되면, 즉각적으로 LED 점등을 통해 경보 알람이 발생한다. 이때 LED 경보는 주간 시간대에 100 m 거리에서도 눈으로 직접 확인할 수 있는 고효율의 광전송 렌즈 기술을 통해 현장 관리자와 작업자들이 쉽게 알아볼 수 있다. 현장 경보 알람과 동시에 상황실에서도 원격으로 실시간 현장 상황을 파악할 수 있어, 관계 기관에 위험 상황을 공유하는 등의 추가 조치를 취할 수 있다. 또한, 설치가 간편해 기존 계측 센서의 설치비 및 운영비와 비교하면, 50% 이상의 비용을 절감할 수 있다. 유지관리 측면에서도 초 저소비전력 설계로 센서의 건전지 교체 없이 1년 동안 운영할 수 있다는 장점이 있다. 더불어 영하 30℃와 영상 80℃의 환경에서도 센서가 정상적으로작동할 수 있도록 하여, 특히 계절 변화가 뚜렷한 지역에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 반딧불 센서에는 오작동 방지를 위해 설치 장소에 따라 위험을 분석하고 판단하는 알고리즘 기술이 탑재되어 있다. 따라서 건설 및 토목 공사 현장을 비롯하여 노후 건물, 문화재 성곽 구조물, 급경사지, 산사태 우려 지역, 터널 공사, 광산 및 지하 구조물, 교각, 댐, 사방 등 다양한 장소에서 활용될 수 있다. 현재 반딧불 센서는 제주도 용암 동굴, 인천시 정수장과 하수처리장, 일반국도변 절토 사면과 산지 비탈면, GTX-A 노선 중 KINTEX 역사 구간, 대전시 및 전남 담양군 아파트 건설 현장, LG 화학공장 등에 시범 설치되어 운영 중이다. 또한, 2023년 신분당선 지하철의 연장 공사 설계에도 반영되었다. 추후 건축물 해체 공사를 비롯한 국가 주요 시설물 건설 공사에 적용되는 사례가 늘어날 것으로 기대된다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요 사업(지역협력사업)인 「도로안전운영을 위한 제주형 지반함몰 대응체계 개발(2020 ~ 2022)」 과제를 통해 도출되었다. 지반연구본부 게시일2023-05-26 조회수 46
• 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 그러나 자율주행에 있어 매우 중요한 센서 장비는 인지 가능 영역의 범위가 현재 기술 수준에서 최대 250 m 이내다(Ye, 2022). 인지 가능 영역의 최대 범위는 시정거리가 충분히 확보되는 정상 범위의 기상 조건에서 센서가 발휘할 수 있는 최대 능력으로 안개, 강우 또는 적설 등 시야가 제한되는 환경에서는 인지 능력이 현저히 낮을 수밖에 없다. 더욱이 도로에서는 운전자가 예상치 못한 복잡한 상황이 빈번히 발생한다. 일시적으로 도로를 폐쇄하여 진행되는 도로공사뿐만 아니라 최근에는 전동 킥보드와 같은 퍼스널 모빌리티 이용자가 도로를 점용하면서 더욱 복잡한 도로 환경이 되었다. 이렇게 자율주행 기능이 온전히 발휘될 수 없는 도로, 교통 및 기상 조건에서 현재의 센서 기술만으로 완전한 자율주행을 구현하기에는 아직 해결할 부분이 산재해있다. 결국 차량이 스스로 인지, 처리할 수 없는 부분을 인프라뿐만 아니라 주변 차량을 포함한 도로 이용자들이 상호 협력하여 해결해야 한다. 자율주행 환경에서 센싱 정보에 기반한 인지 가능 영역의 확장을 위해서는 전방의 기상 상황뿐만 아니라 실시간으로 변화하는 도로교통 상황을 지속적으로 자율주행차량에 제공하는 것이 필요하다. 즉, 자율주행차량이 주변의 차량 및 인프라와 통신하며 다양한 도로교통 상황 정보를 획득함으로써 독립형 자율주행 기술의 한계를 극복하고 교통 흐름의 안전성을 증진하는 자율협력주행 시스템이 요구된다(U.S. DOT, 2018). 도로 인프라에서 차량에 필요한 정보를 제공하고 차량이 스스로 인지한 정보와 융합하여 안전하게 도로를 주행할 수만 있다면 완전한 자율협력주행이 가능할 것이다. 한국건설기술연구원에서는 2022년 4월부터 자율주행차량의 Stand-alone 한계를 극복하며 고수준의 자율협력주행을 구현하기 위해 ‘인프라 가이던스를 통한 자율차 주행지원 기술 개발’ 국가연구개발 사업(연구책임자: 양인철 연구위원)을 수행하고 있다. 아직 연구 초기 단계이지만 더 안전하고 편리한 도로 인프라를 실현하기 위한 본 연구의 원대한 항해 시작을 소개하고자 한다. 인프라 가이던스 정의 인프라 가이던스’라는 용어는 사실 생소하고 어려운 표현이며 자율주행 지원 인프라를 연구하는 필자에게도 마찬가지다. 하나의 예시로 인프라 가이던스 개념을 전달하고자 한다. 고속도로의 합류 지점을 떠올려보자. 도심지 내 우회전 전용차로가 설치된 신호 교차로도 좋다. 다른 방향에서 온 자율주행차가 본선(또는 주도로)으로 합류하기 위해서는 합류 예상 지점으로 접근해오는 본선 내 다른 차량의 현재 상태, 그리고 합류 예상 시점에서 해당 차량의 주행상태(예: 속도, 주행차선 등) 정보를 알고 있어야 한다. 그리고 충돌 없이 안전하게 합류하기 위해서는 서로 상황을 공유하며 일련의 선약을 해야 한다. 다시 말해 합류가 예상되는 지점에 누가 먼저 진입할지 결정하고 결정된 정보를 공유해야 한다. 만약 이러한 약속 없이 온전히 센서 정보에만 의지해 자율주행차 스스로가 주행한다면 위험한 상황이 발생할 우려가 크다. 그렇다면 이러한 정보를 누가, 어떻게 만들 수 있을까. 삼인칭 전지적 작가 시점에서 해당 구간을 내려보며 자율주행차 각각의 통행을 조율하는 주체가 필요하다. 여기에서의 ‘조율’이 가이던스이고 ‘삼인칭 전지적 작가’가 인프라이다. 인프라 가이던스란 인프라가 자율주행차의 주행 정보와 도로교통 상황을 인지/융합하여 교통 흐름의 혼선을 막고 사고를 예방하도록 자율주행차에 최적의 주행 방법을 제공하는 기술이다. 이러한 인프라 가이던스는 운전자가 필요 없는 레벨 4 이상 수준의 고고도 자율주행차량을 대상으로 한다. 그림 1은 지금까지 설명한 인프라 가이던스 개념을 도식화한 것이다. 인프라 가이던스 구현 방안 인프라 가이던스는 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위해 없어서는 안 될 존재이다. 자율주행차가 통행하는 전국 방방곡곡 도로에서 인프라 가이던스가 제공되도록 하는 것이 가장 좋은 시나리오이다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 기존 도로에 인프라 설치가 필요하다. 무엇이든 새로 구매해서 설치하는 것은 비용이 들고 자원은 한정적이기에 전국 모든 도로에 인프라 가이던스를 제공할 수 없다. 그렇다면 우선하여 설치 및 운영할 곳을 정할 필요가 있다. 연구단은 인프라 가이던스 정의 설명에서 예시로 든 고속도로 합류부나 신호 교차로, 일반 운전자도 주행 난이도가 있고 사고가 빈번한 회전교차로와 같이 자율주행차 단독으로 주행함에 한계가 있을 것으로 예상되는 도로 및 교통상황을 복수의 유스 케이스(Use-case)로 정의하였으며 주요 케이스를 그림 2에 제시하였다. 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 인프라 가이던스 기반의 미래 모빌리티 글로벌 시장에서는 테슬라, 구글과 같은 거대 IT 공룡기업과 벤츠, 현대자동차 같은 글로벌 완성차 업체가 더 높은 수준의 자율주행차를 개발하기 위해 무한 경쟁 중이다. 그럼에도 불구하고 최근까지 레벨 3 이하의 자율주행 상용차에 의한 사고가 간헐적으로 발생하고 있다. 다양하고 복합적인 원인이 있겠지만, 인프라의 도움 없이 현재 자율주행 기술만으로는 완전 자율주행 시대 개막은 한계가 있음을 보여주는 사례이다. 지금까지 소개한 인프라 가이던스 기술은 자율주행차의 Stand-alone 한계를 극복하고 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위한 교두보 역할을 할 것으로 기대된다. 도로교통연구본부 게시일2023-05-26 조회수 34
• 건축물 안전영향평가란? 건축물 안전영향평가란? ▲ 채지용 KICT 건축연구본부 수석연구원 들어가며 우리나라는 높은 인구밀도를 가지고 있는 나라이다. 전체인구의 약 18%가 서울특별시에 거주하고 있고, 서울을 포함한 수도권 인구는 전체인구의 약 50%를 차지한다. 높은 인구밀도로 인해 우리나라의 건축물은 초고층화 및 대형화되었고, 건축물의 초고층화 및 대형화는 싱크홀, 화재, 붕괴 사고 등으로 인한 불안감 조성, 국민 안전 위협 및 사회적 비용의 증가를 초래하였다. 충분한 사전 조사와 검토 없이 대규모 지반굴착 및 기초공사는 인접 대지 관련 사고를 유발할 수 있으며, 안전사고에 따른 사회·경제적으로 큰 손실을 초래할 수 있으므로 충분한 사전 검토가 필요하다. 건축물 안전영향평가(이하 ‘안전영향평가’)는 건축허가 전 건축계획서 및 기본설계도서 등을 이용하여 건축물의 구조 안전과 인접 대지의 안전에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 구조 분야에서는 해당 건축물에 적용된 설계기준, 하중, 하중저항시스템 및 피난계획의 적정성 등을 검토하고, 지반 분야에서는 지반조사 방법, 지하수위 변화 및 지반 안전성 등에 관련된 사항을 검토한다. 유사한 평가제도로는 건축허가 후(일반적으로 ‘실시설계’ 단계) 수행하는 구조안전심의와 지하안전평가가 있으나, 안전영향평가는 기본설계 단계에서 검토를 통해 설계의 문제점 보완 및 개선을 수행하고 구조물 안전 및 설계 효율성을 향상하려는 제도이다. 건축물 안전영향평가 제도 경과 및 절차 안전영향평가는 2016년 2월 건축법에 신설되고, 관련 제도가 정비된 2017년 2월부터 시행되었다. 초기 안전영향평가는 50층 이상의 초고층 건축물과 연면적 10만 ㎡ 이상 건축물이 평가 대상이었으나, 저층이면서 연면적이 큰 건축물의 경우 구조 안전 및 대지의 지반 안전에 미치는 영향이 적다는 점을 고려하여 16층 이상인 건축물로 한정하였다. 이후 빌딩풍 등에 의한 풍하중의 피해가 증가하면서 풍동실험의 검토 항목을 세분화하였으며, 피난계획의 적정성 항목이 추가되었다. 현재 초고층 건축물 또는 연면적 10만 ㎡ 이상이면서 16층 이상인 건축물은 구조물 안전, 피난 및 인접 대지 안전에 대한 기술적 사항을 허가 전 기본 설계단계에서 안전영향평가를 받게 되어 있다. 평가는 건축물 안전영향평가 세부 기준에 따라 건축 관련 업무를 수행하는 공공기관인 한국건설기술연구원, 국토안전관리원, 한국부동산원과 한국토지주택공사에서 진행하고 있다. 안전영향평가는 지자체에서 평가기관에 의뢰 후 진행하게 된다. 평가 기간은 근무일(평일) 기준으로 30일 이내에 완료해야 하며, 20일 범위에서 한 차례 연장할 수 있다. 평가 시작일은 의뢰공문, 평가도서 제출, 평가 비용 입금을 고려하여 산정하며, 검토 의견에 대한 설계사 보완 기간은 기간 산정 시 제외된다. 검토기관에서 수행한 결과는 해당 지자체로 통보하고, 지자체에서는 건축위원회 심의를 개최하여 결과를 확정한다. 건축물 안전영향평가 검토 항목 안전영향평가는 전문성, 공정성 등을 확보하기 위해 관련 학회 및 기술사회에서 추천받아 자문위원단을 구성하고, 자문위원 및 제3자 검토기관 등과 함께 설계 적정성을 검토하게 된다. 중복평가 등을 방지하기 위해 건축법 제13조의2 제7항에서는 ‘다른 법률에 따라 구조안전과 인접 대지의 안전에 미치는 영향 등을 평가받은 경우에는 안전영향평가의 해당 항목을 평가받은 것으로 본다.’라고 되어 있으며, 시기적으로 겹칠 수 있는 일부 항목은 사전 평가 여부에 따라 조정될 수 있다. 평가항목은 크게 구조 분야와 지반 분야로 나뉘며 표 1과 같다. 설계기준 및 하중의 적정성부터 피난계획의 적정성, 지반조사의 적정성부터 인접 대지 지반 안전성 등 건축허가 전 설계단계를 고려하여 평가를 수행하고 있다. 건축물 안전영향평가 주요 문의 사항 안전영향평가 대상 건축물은 한 해 약 10건 내외로 진행된다. 지자체 또는 설계사에서는 대상 건축물이 많지 않기 때문에 관련 정보가 부족하여 유사한 내용의 문의를 많이 한다. 가장 많이 문의받는 내용은 평가 대상 여부와 평가 기간에 대한 사항이다. ① 건축물 안전영향평가 기간 앞서 언급했지만 안전영향평가는 근무일 기준으로 30일 이내에 평가를 수행해야 한다. 한국건설기술연구원에서 지금까지 진행한 약 10건을 기준으로 보면 평균 3~4개월(휴일 포함) 정도가 소요되며, 길게는 약 7개월 이상 소요되는 경우도 있다. 설계사의 보완 기간은 평가 기간 내에 포함되지 않기 때문에 기간 증가에 가장 큰 요인이 된다. 기간 증가는 건축물 안전영향평가 세부 기준 및 건축물 안전영향평가 업무 매뉴얼에 따른 제출서류와 검토를 위한 자료가 미비하여서 주로 발생하고 있다. 특히, 풍동실험은 풍압 실험과 풍환경평가를 사전에 반드시 수행해야 하므로 서류제출 시 관련 검토 항목을 확인 후 절차를 진행해야 한다. ② 건축물 안전영향평가 대상 여부 50층 이상인 초고층 건축물은 연면적에 상관없이 안전영향평가 대상이지만, 연면적 10만 ㎡ 이상이면서 16층 이상인 건축물의 경우에는 연면적을 산정하는 별도의 산식을 가지고 있다. 건물 동수가 2개 이상인 대형건축물은 지하 및 지상층 일부를 공유하는 경우가 많다. 건축물 안전영향평가 업무 매뉴얼에서는 하나의 대지에 둘 이상의 건축물을 건축하는 경우, 건축물의 형태 및 구조적 특성 등을 고려하여 개별 동의 연면적 비에 따라 공유 면적을 산입하여 연면적을 산정할 수 있다고 되어 있다. 그림 2를 통해 예를 들면 아래와 같다. A동 연면적: 6만 + 12만×(6만/20만) = 9.6만 ㎡ B동 연면적: 7만 + 12만×(7만/20만) = 11.2만 ㎡ C동 연면적: 7만 + 12만×(7만/20만) = 11.2만 ㎡ 산출 결과 연 면적 10만 ㎡ 이상과 16층 이상을 동시에 만족하는 대상 건축물은 C동만 해당 한다. 맺음말 안전영향평가는 건축허가 전 기본 설계단계에서 대형구조물의 구조 안전과 인접 대지에 미치는 영향을 검토하기 위해 수행하는 제도이다. 대형구조물은 재난·재해 시 대규모 인적· 물적 피해가 수반될 수 있으므로 설계 초기 단계부터 건축물의 안전성을 종합적으로 평가하여 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있을 것으로 판단된다. 피평가자인 설계사에서도 간과하고 있었던 부분을 안전영향평가를 통해 사전에 검토할 수 있는 계기가 되기 때문에 해당 제도가 정착되어 대형구조물의 안전성 향상에 기여할 수 있길 기대한다. 건축연구본부 게시일2023-05-26 조회수 36
• 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 ▲ 환경연구본부 - 하수에서 암모니아를 선택적으로 회수할 수 있는 흡착 소재 개발 - 탄소중립형 하수처리장 구축을 위한 핵심기술 확보 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 다양한 오염물질이 존재하는 하수로부터 선택적으로 암모니아를 제거 및활용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 하수 속 암모니아는 대표적인 오염물질이다. 깨끗하게 정화하지 않으면 하천에는 부영양화(녹조)를 일으키고, 하수처리장에는 악취를 발생시킨다. 또한, 토양 산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되어 문제로 거듭되고 있다. 하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화 및 탈질공정을 거쳐 처리하고 있으나, 처리 과정에서 많은 에너지와 자원이 투입되는 문제점이 있다. 2019년을 기준으로 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량은 3,650GWh에 이른다. 이 사용량은 국내에서 공급된 총 전력량(520,499GWh)중 0.7%에 해당하며, 암모니아와 같은 수중 질소를 제거하기 위해 사용되는 전력은 약 30%에 이른다. 암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되며 다양한 산업 활동에 필요한 유용 자원으로 취급된다. 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나, 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 또한 고온·고압 조건을 요구하는 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)을 통해 생산되어 에너지 소모량이 많다. 만일 암모니아를 기존 방법처럼 제거가 아닌 회수하여 사용할 수 있다면 어떨까? 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄이며, 궁극적으로 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있을 것이다. 하수 내 암모니아를 회수하기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있다. 다만, 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취 문제와 개발 소재의 기술적 한계로 인해 상용화된 기술은 찾기가 어렵다. 이에 KICT 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착 소재 개발에 성공했다. 기존 암모니아를 선택적으로 흡착하는 Copper hexacynoferrate(이하 CuHCF)라는 나노 물질은 수처리에 직접 적용했을 때 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 강성원 박사 연구팀이 개발한 흡착제는 이온교환 수지에 CuHCF를 화학적으로 결합한 흡착제다. 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있는 특징이 있다. 또한, 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 높은 암모니아 선택성을 가지면서 암모니아 흡착효율 또한 다른 흡착제에 비해 월등하다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리할 수 있어 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 개발된 기술은 암모니아 처리 과정에서 배출되는 온실가스를 획기적으로 저감하여 탄소중립에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대한다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 ‘탄소중립을 위한 차세대 환경 기술 연구(2021년~2022년)’ 과제를 통해 개발되었으며, 환경 공학 분야 세계 최고 수준의 저널인 ‘Chemical Engineering Journal’ 2월호에 게재되었다. 환경연구본부 게시일2023-04-24 조회수 237
• 제로 에너지건축물 구현을 위한 스마트 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 제로 에너지건축물 구현을 위한스마트 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 ▲ 이현화 KICT 건축에너지연구소 박사후연구원 들어가며 2019년 UN 기후 행동 정상회의를 계기로 2050 탄소중립 의제가 부각되기 시작하였다. 유럽과 미국에서 탄소중립 목표를 설정하였고, 중국은 2060년 이전까지 탄소중립 실현을 선언하였다. 국내의 경우, 정부가 발표한 2050 탄소중립 추진 전략(안)에 건물 부문 2050 탄소중립 로드맵이 포함되어 있다. 2023년부터는 500 ㎡ 이상 공공건축물과 30세대 이상 공공분양·임대 공동주택으로 제로에너지 건축 의무화가 확대되었다. 그리고 국내 15년 이상 노후 건축물은 전체 건축물의 74%에 해당하는데, 이를 그린리모델링 등을 통해 제로에너지 건축물로 변환하고자 하는 움직임이 있으며 단계적으로 제로에너지 건축 의무화로 진행되고 있다. 이러한 움직임은 전 세계적인 추세이며, IEA FTS(국제에너지기구 전환 가속화 시나리오)에서는 건물 부문의 에너지 효율 개선 투자로 온실가스 75% 감축을 예상하고 있다. 이는 국내 건축물 신축·리모델링 시장을 약 80조 원으로 전망하고 있으며, 전 세계적으로 제로에너지 건축물 시장은 2035년 기준으로 약 1조 3천억 달러로 전망하고 있다. 현재 건축 기술이 미래기술로 나아가기 위해서는 한계가 존재한다. 특히, 각각 패시브, 액티브 단일 요소기술 발전의 한계, 순차적 현장시공에 따른 결합부 하자 발생으로 시공 품질 저하가 있다. 아울러, 현재의 제어시스템은 환경변화에 신속하게 대응하기 어려운 것이 현실이다. 앞에서 언급한 기술의 한계를 극복할 수 있는 방안으로 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템의 필요성이 부각되고 있다. 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템은 에너지 효율성과 쾌적성, 디자인 등의 이슈를 해결하기 위해 에너지, 안전, 사업성을 고려한 프리패브, 모듈형 공법을 통한 확장성이 있는 시스템 개발이 필요하다. 이 글에서는 국내외 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템의 기술 개발 현황을 소개하고자 한다. 국외 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술개발 현황 2015년에 진행된 iNSPiRe 프로젝트 내 MVHR-μHP 테스트베드 사례이다. 프로젝트를 통해서 외피 성능, 소형히트펌프 성능, 환기장치 성능을 검증하였다. 결국 조립식 프리패브 외피로 실내 측에 설치되는 기계설비 설치 위치의 공간사용을 최소화하고 벽체 일체형으로 설치하여 공기를 단축했다는 장점이 있다. MORE-CONNECT 프로젝트는 덴마크, 에스토니아 등 유럽 여러 국가에서 개발된 융복합 외피를 적용한 테스트베드 및 실증 프로젝트이다. 외피에 해당하는 벽체와 지붕면에 신재생에너지와 연계하여 리모델링을 수행한 프로젝트이다. 덴마크 실증사례는 PV(Photovoltaics)패널과 지붕 일체형 모듈로서 리모델링 실증에 적용하였고, 외벽면에 신재생에너지와 전기 계통이 유기적으로 연결된 것을 확인할 수 있다. 에스토니아 실증의 경우, 콘크리트 구조의 공동주택을 대상으로 프리패브 공장제작형 목재프레임 모듈시스템에 다양한 설비기술과 신재생에너지 시스템이 결합한 외장재로 리모델링한 실증 사례이다. 리모델링 시에 고단열 외피, 발코니 재건, 난방장치, 환기장치를 변경하였고, 태양광, 태양열 신재생에너지를 이용하였다. 건물의 모니터링 시스템을 통해 지속적으로 모니터링하고 있는 사례이다. 국내 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 한국건설기술연구원은 한국에너지기술평가원이 지원한 연구과제인 ‘제로에너지 건축물 구현을 위한 스마트 외장재·설비 융복합 기술 개발 및 성능 평가 체계 구축·실증 연구’를 수행하였다. 본 연구에서 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템 (IUES) 시제품을 완성하였고 테스트베드에 적용하여 성능 검증을 수행한 후 실증 대상지에 적용을 앞두고 있다. 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템은 건물 내 냉난방 설비를 외장재에 결합하는 한편, 신재생에너지와 같은 다양한 에너지원을 활용하고, 인공지능 기반의 통합제어를 활용해 에너지 효율을 극대화하는 외장재·설비 융복합 외피 시스템 개발을 목표로 한다. 한국건설기술연구원은 외장재 기술, 설비 기술, 최적 운영 기술, 통합품질 인증체계 구축, 전생애주기 관리체계 개발 등 5대 핵심기술과 26개 세부 기술을 선택적으로 필요한 기술들을 융합하여 유닛으로 구성하고, 이 유닛들이 결합해 하나의 외장 모듈을 구성하는 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템의 표준 모델에 대한 설계와 시제품 제작, 테스트베드 적용을 완료했다. 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템은 공장생산, 운송, 간편 시공 등 재해 요인 저감을 통한 현장 안전성 확보가 가능하고, 사전 제작으로 제품의 시공 품질을 확보할 수 있으며, 공사기간 단축을 통하여 경제성까지 확보할 수 있다. 건축에너지연구소 게시일2023-04-24 조회수 268
• 라이다(LiDAR) 기술을 활용한 수소 누출 감지 기술 라이다(LiDAR) 기술을 활용한 수소 누출 감지 기술 ▲ 박병직 KICT 화재안전연구소 전임연구원 들어가며 수소 가스 누출사고가 발생한 경우에 누출용 감지 센서를 이용하여 확인할 수 있다. 하지만 수소 가스는 무취, 무색이고, 화학적으로 안정화되어 공기 중에 섞여 있기 때문에 다른 가스에 의해 수소 가스의 선택적 인식이 어려워 수소 가스의 측정 오차율이 증가할 수 있다. 기존의 수소 가스 측정 방식은 주로 접촉 방식 센서를 사용하여 측정하였다. 접촉 방식 센서로는 전기 화학식 방법과 전열 접촉식 방법 등이 있으며, 접촉식 센서는 가스가 직접 접촉하여 측정이 가능하지만, 수소 가스는 확산 속도가 너무 빠르기 때문에 접촉되어 감지될 확률이 매우 낮다. 따라서 접촉식 가스 센서로는 밀폐공간 내의 수소 가스 누출 근처에서는 측정이 가능하지만 거리가 떨어지거나 개방공간에서의 수소 가스감지는 어렵다. 이에 따라 비접촉식 개방형으로 수소를 감지하는 방법이 필요하다. 이 글에서는 수소 가스가 누출되었을 때 소방관과 관리자가 중거리 ( 30 m 이상 ) 에서 라이다 기술을 활용하여 수소 가스를 감지하는 기술을 소개하고자 한다. (이미지 출처: https://velodynelidar.com/blog/velodyne-lidars-alpha-prime-ready-for-prime-time/) (C)Velodyne LiDAR 라이다 (LiDAR) 개념 및 현황 라이다(LiDAR, Light Detection and Ranging) 는 빛(Light)과 레이더(Radar, RAdio Detecting And Ranging) 의 합성어로서 레이저를 목표물에 비춰 사물과의 거리와 다양한 물성을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 자율주행차량, 로봇청소기, 드론, 대기환경 측정장비, 아이폰 및 아이패드(12세대 이후) 등에 설치되어 주변 사물, 지형지물 등을 감지하고 이를 3D 영상으로 모델링할 수 있다. 라이다 관련 연구는 자율주행차량, 원거리 가스 감지, 산림 지형 모델링, 대기환경 계측 등을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 특히 3D 카메라, 레이더 센서, 초음파 장비 그리고 라이다 센서는 자율주행차량의 필수 설비이다. 라이다와 레이더는 물체와의 거리와 형상을 감지하는 역할을 하는데, 원거리(수백 km) 에서 사물 측정이 가능한 레이더 기술에 비해, 라이다 기술은 단거리·중거리(100 m)미만의 물체를 레이더보다 더 정확하게 형상과 위치를 파악할 수 있다. 이에 따라 라이다 센서와 레이더 센서를 혼용하여 자율주행차량에서 사용되고 있다. 라만(Raman)라이다를 이용한 비접촉식 수소 가스 측정 개방된 환경에서 수소 가스를 원거리/중거리에서 측정하는 방법으로서, 거리에 대한 정보 및 수소 가스의 양을 동시에 분석할 수 있도록 라이다 기반 라만 시스템으로 광학적 설계를 하고 수소 가스에 대한 감지 및 정량 분석을 통해서 비접촉식 측정 장비로 성능 평가를 위한 기초 연구를 실시하였으며, 라만 수소 스펙트럼을 확인하기 위하여 라이다 기반 라만 광학 장치에 분광기를 적용하였다. 분광기 전단에는 수소 신호만 필터링하기 위하여 광학적인 필터로 425 nm로 조정하여 수소 스펙트럼을 확인하였다. 425 nm에서 스펙트럼을 측정한 결과, 이 필터 대역에서 두 가지 높은 세기를 가진 스펙트럼이 확인되었으며, 이 두 가지 스펙트럼은 Q branch와 S branch로 확인할 수 있었다. 그리고 라만 수소 스펙트럼을 사용하여 농도별 정량 분석을 실시하였고, 이 결과 Q branch와 S branch 모두를 사용하는 다변량 분석 방법 중 다중 회귀 곡선으로 정량 분석을 하였으며, 그 결과 선형성은 0.99와 다중 회귀 곡선 모델의 정확도인 RMSEC는 20 ppm으로 충분히 표준농도별에 대한 측정값으로 감지할 수 있는 능력을 가지는 것으로 확인되어 비접촉식 방법으로 충분한 가능성을 보여주었다. 수소 방호기술 개발 방향 수소에너지를 이용하면서 증가하는 수소 가스 제트화염 및 폭발 사고에 대한 대책 마련이 시급하다. 특히 수소사고 현장에서 소방관 및 방제작업자가 사용할 수 있는 방호장비 개발이 필요하다. 수소 누출 복합 ( 라이다+열화상 ) 감지기와 방호제품 ( 방호헬멧, 방호조끼, 방호방패, 방호스프레이 ) 을 제작하고 다양한 수소 사고 시나리오를 반영하여 피해를 최소화할 수 있는 기술을 개발하여 더욱 안전한 수소에너지 사용에 기여하고자 한다. 화재안전연구소 게시일2023-04-24 조회수 224
• 에너지 효율화 리모델링을 통한 에너지 성능 개선 에너지 효율화 리모델링을 통한 에너지 성능 개선 ▲ 건축에너지연구소 - 건설연-시흥시, 군자동 행정복지센터 그린리모델링 실증완료 - 그린리모델링 기술 적용 후 냉·난방 부하 50% 절감 효과 기대 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 기존 공공건물 대상 에너지 성능 개선을 통해 냉·난방부하 50%를 감축할 수 있도록 ‘군자동 행정복지센터’의 에너지 효율화 리모델링을 완료했다. 국토교통부는 ‘국토교통 2050 탄소중립 로드맵’에 따라 다양한 정책과 과제를 추진하고 있다. 건물 부문에서는 기축 공공건물에 대한 그린리모델링 지원을 지속적으로 추진하며 의무화 적용을 검토하고 있다. 대상이 되는 군자동 행정복지센터의 경우 외벽과 창호, 옥상을 통한 열손실이 크게 발생하고, 기밀성능이 취약한 상태였다. 이에 KICT 건축에너지연구소 최경석 소장 연구팀은 경제성과 에너지 효율화 측면을 모두 고려하여, 군자동 행정복지센터에 대한 그린리모델링 방향을 설정했다. 그린리모델링의 진행 방식은 이러했다. 냉·난방부하 50% 감축을 목표로 현장 진단 결과를 반영하여 에너지 성능과 근무환경을 개선할 수 있는 최적 방안을 도출해 실증까지 완료했다. 외벽과 창호, 옥상에 외피 단열 강화를 진행했다. 외피 단열 강화는 프리패브 건식 외단열 공법, 옥상 외단열·외방수 공법 등이 있다. 연구팀은 그린리모델링 전·후 건물의 현장 성능 측정을 진행하여 건물 에너지 성능 개선 효과를 분석했다. 시뮬레이션을 통해 난방성능을 비롯한 냉·난방 부하에 대한 에너지를 해석했다. 난방성능(L/㎡)이란, 1년에 1 ㎡ 면적에 20℃를 유지하기 위해 들어가는 등유 사용량을 나타낸다. 냉·난방부하(W/㎡)는 단위 면적당 건물의 열 손실량에서 열 획득량을 차감한 값을 말한다. 기존 군자동 행정복지센터의 그린리모델링 전 난방부하는 180.8 W/㎡, 냉방부하는 40.1 W/㎡로 계산되었다. 그린리모델링 후 난방부하는 60.3 W/㎡, 냉방부하는 22.7 W/㎡로 나타났다. 결과적으로 그린리모델링 기술 적용 후 냉·난방 부하는 약 62.4%가 개선되었다. 주요 공정이 완료된 후 건물의 실제 에너지사용량 및 요금에 대한 리모델링 전후 비교 분석했다. 2020년 12월 대비, 2년이 지난 2022년 12월 에너지사용량은 29%로 절감했다. 더불어 요금은 17.2%로 나타나 그린리모델링을 통한 건물 에너지 성능 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그린리모델링을 적용한 군자동 행정복지센터의 온실가스 배출량 감축 효과는 연간 16.5 tCO2(이산화탄소톤)으로 추정한다. 군자동 행정복지센터와 같은 선례를 통해 온실가스 배출량 감축을 기대해 볼 수 있게 되었다. 10~30년이 경과한 공공건축물 10만 동 중 에너지 성능이 취약한3만 동에 대해 2030년까지 그린리모델링이 완료된다고 가정해보자. 약 426,000 tCO2의 온실가스 배출량과 약 2,493 Gwh의 에너지를 저감할 수 있을 것으로 예상한다. 본 성과는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 국가연구개발사업인 ‘저탄소 에너지 효율화 기술 기반 에너지 공유 커뮤니티 구축 기술 개발(2019~2023)’을 지원받아 수행되었다. 건축에너지연구소 게시일2023-03-27 조회수 288
• 텍스트마이닝을 이용한 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 텍스트마이닝을 이용한 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 ▲ 박가현 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 최근에는 4차 산업혁명 시대의 핵심기술인 인공지능과 빅데이터를 활용하여 새로운 부가가치를 창출하고자 하는 수요가 다양한 분야에서 폭발적으로 증가하고 있다. 그러나, 원본 데이터 확보의 어려움과 신뢰성 문제 등의 이유로 기대에 못 미치는 성과를 도출하는 경우도 심심치 않게 나타난다. 한편, 국토교통부에서는 지반정보를 체계적으로 관리하고 공유할 목적으로 2007년부터 국토지반정보 포털시스템을 운영·관리하고 있다. 이렇게 디지털화되어 관리되는 지반정보는 중복굴착 방지, 예산 절감, 지반정보의 활용성 향상 등 긍정적인 효과가 있다. 지반조사 결과의 활용은 설계, 시공, 지하 안전관리, 재해재난 분야 등으로 점차 확대되고 있다. 특히 최근 지반침하, 지반함몰 등 지하 안전사고 및 지진 발생 증가로 인해 지반정보 활용이 급증하고 있다. 그러나 현재 지반정보를 데이터베이스(DB)화하는 과정에 있어 사람이 직접 PDF 파일 등을 보고 일일이 타이핑하여 진행되기 때문에 시간적·인적 자원 소모가 매우 크며, 정확도 문제가 빈번히 발생하고 있다. 또한, 원칙상으로는 국토지반정보 포털시스템에 지반조사보고서 내 모든 내용을 입력하게 되어 있으나, 실제 데이터가 비숙련자/비전공자에 의해 입력되는 과정에서 중요 시험정보가 대부분 누락되고 시추주상도 정도만 간신히 입력되고 있다. 사람이 일일이 타이핑하는 기존의 데이터 구축 방식은 원본 데이터 및 활용 후 데이터의 정확도와 신뢰도에 영향을 미친다. 이러한 이유로 현재 국토지반정보 포털시스템에는 전국적으로 약 33만 공의 지반정보가 구축되어 있으나 실제 활용할 수 있는 데이터 수는 현저히 적다. 사람의 입력 오류를 최소화하고 지반정보의 정확도를 높이면서 시간적·인적 자원 소모를 획기적으로 절약할 수 있는 지반정보 자동 디지털 DB화 기술 개발이 필요하다. 종이 문서(스캔된 문서)에서 텍스트를 추출하여 디지털 DB화 하려는 움직임은 비단 건설 분야뿐만 아니라 정부의 데이터댐 구축사업에서도 확인할 수 있듯 각 분야에서 동시다발적으로 일어나고 있다. 대기업, 금융권 등에서도 디지털 전환을 통해 업무를 효율화하기 위해 RPA(로봇 프로세스 자동화)와 OCR(광학문자인식) 등의 기술 도입단계에 있으나 한글에 대해서는 보편적이고 상용화된 솔루션이 거의 없는 것이 현실이다. 이 글에서는 종이 문서 형태의 지반정보를 디지털 DB화하기위하여 개발한 기술과 앞으로의 연구 방향에 대해 간략히 소개하고자 한다. 지반조사 보고서(종이 문서)에 대한 이해 종이 문서를 디지털 DB화하려는 방안을 모색하기 위해 먼저 검토해야 할 항목들이 있다. 우선 종이 문서에 대한 검토가 필요한데 종이 문서의 양식, 특징에 대한 검토가 필요하며이 중에서도 어떤 내용을 추출할 것인지에 대한 고려가 필요하다. 또한, 어떤 파일 형태로 기존문서가 보관되어 있는지를 검토해야 한다. 일반적으로 지반조사 보고서는 본문과 부록으로 구성되어 있다. 본문에는 다양한 시험 결과를 요약해서 테이블 형태로 수록된다. 부록에는 실내 시험의 원본 데이터가 수록된다. 이 글에서는 특히 원본 데이터인 부록의 데이터를 추출하는 방법을 소개한다. 기술 개발을 위하여 국내 34개 현장의 지반조사 보고서를 수집하여 분석한 결과, 동일 시험에 대해서도 시험 양식의 종류가 매우 다양하게 나타났다. 지반조사 보고서의 부록 파일은대부분 PDF 형태로 보관되고 있음을 확인하였다. 마지막으로 텍스트 추출 방법을 결정해야 하는데, 텍스트를 추출하는 방식으로는 광학문자인식(Optical Caharacter Recognition, OCR) 기법과 PDF 파일 읽기가 가능한 모듈을 이용하여 텍스트를 추출하는 방식에 대하여 검토했다. 검토 결과 OCR 오픈 소스의 경우 특히 한글에 대해 성능이 매우 떨어져서 커스터마이징이 추가적으로 필요했다. PDF 파일 읽기가 가능한 모듈을 사용하는 경우, 높은 인식률과 정확도를 확인하였으며, 적용 가능성이 높았다. 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 지반조사 보고서의 부록에 수록된 실내 시험 원본 데이터의 경우 보고서 상세 분석 결과 입도분포 시험, 일축압축시험, 압밀시험, 삼축압축시험 순으로 빈도가 높은 것으로 나타났다. 지반조사 보고서와 마찬가지로, 부록도 작성 양식의 표준화가 되어 있지 않은 것을 확인하였다. 동일한 시험이라 할지라도 수행한 업체 등에 따라 그 양식이 다른것으로 나타났다.따라서, 지반조사보고서 부록 내 데이터를 추출하기 위해서는 먼저 각 양식을 구별한 후에 양식별로 적절한 추출 알고리즘을 적용하여야 한다. 지반조사 보고서 부록에 대하여 이미지 인식 분야에서 특히 높은 성능을 보이는 ResNet34를 이용하여 각 시험을 잘 인식하는지 확인하였다. 이미지 증대를 위해 상하좌우 반전, 회전, 이동, 이미지크기 변화, 밝기 및 명암 변화, 표준화 등을 이용하였다. 그 결과, 정확도 100%로 각 시험 양식을 구별하는 것을 확인하였다. 이후, 입도분포시험에 다시 한번 ResNet34 알고리즘을 적용하여 개별 양식을 구별하는 것을 확인하였다. 그 결과 정확도 100%로 입도분포시험 양식을 성공적으로 분류해냈다. 이후, PDF 리딩 라이브러리를 이용하여 PDF 파일을 인식한 후에, 텍스트로 변환하고 원하는 값을 쌍을 이루어 엑셀 파일로 추출하는 알고리즘을 구현하였다. 대표 양식에 대하여 데이터를 추출하였으며, 초당 200페이지의 속도, 정확도 100%로 데이터를 추출하는 것을 확인하였다. 즉, 부록에 있는 실내시험 데이터에 대해서 딥러닝을 두 번 적용하고, 이후 RPA 기법을 이용함으로써 성공적으로 디지털 DB화가 가능한 것을 확인하였다. 미국 등과 같은 해외에서도 지반조사 결과 보관 및 처리는 지반조사를 수행한 업체에서 관리하며, 정부 차원에서는 따로 관리하지 않는다. 지반조사를 수행하고 있는 업체들의 경우, 조사 결과를 기재하는 포맷이 서로 다르다는 문제가 있다. 다른 회사가 지반조사를 수행한 지역의 자료를 조회하는 경우 발주처를 통해 PDF 양식으로 지반조사 및 시추조사 자료를 전달받으며, 디지털화된 양식의 정보는 절대 제공되지 않는다는 현실을 고려할 때, 본 기술 개발은 해외시장에서도 효용가치가 높을 것으로 판단된다. 관련 기술을 선점할 경우 국가 건설기술 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 지반정보 자동화 DB구축 관련 연구 방향 이 글에서 제시한 방법은 종이 문서로 보관되고 있는 지반정보를 디지털 DB로 변환하는 다양한 솔루션 중 하나일 것으로 생각된다. 한편, 양질의 데이터 디지털 전환을 위해 앞으로는 투-트랙의 접근이 필요할 것으로 판단된다. 과거에 누적된 데이터에 대해서는 딥러닝과 RPA를 이용하여 데이터를 차근차근 확보하는 동시에 앞으로 쌓일 데이터에 대해서는 다양한 발주처와 협의하여 하루빨리 표준화된 시험 양식과 디지털화를 위한 보고서 작성 요령 등을 마련하여 보급하여야 할 것이다. 디지털 데이터에 대한 수요가 기하급수적으로 증가하는 만큼 어떻게 하면 빠르고 쉽게 양질의 데이터를 확보할 수 있을지 그 방법에 대한 고민이 필요한 시점이다. 지반연구본부 게시일2023-03-27 조회수 226
• 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 ▲ 진승섭 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 사회 기반 시설물은 국민의 편의를 도모하고 편익을 증진하는 공공 시설물로 우리나라 경제 발전을 견인하는 기반을 제공한다. 우리나라는 1970년대 급격한 경제성장과 함께 사회 기반 시설물이 집중적으로 건설되었으며, 향후 해당 시설물들의 노후화는 중요한 문제이다. 게다가 인구 노령화로 인한 관리인력 부족 등 사회 변화가 복합적으로 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이러한 흐름 속에서 제한된 유지관리 예산을 토대로 사회 기반 시설물의 노후화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 많은 방법이 연구되고 있다. 건설뿐만 아니라 기계, 제조 등 다양한 분야에서도 대상 시스템의 결함, 손상 및 성능저하 등 유사한 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 다양한 학제에서 공통적으로 지향하는 유지관리 패러다임은 ‘선제적 관리체계’로의 전환(shift)이다. 유지관리 패러다임은 그림 1과 같이 세 가지 접근법으로 구분할 수 있다. 가장 원시적인 패러다임은 사후 유지관리(reactive maintenance)로 문제가 발생할 경우 이를 사후에 처리하는 접근법이다. 문제가 발생하고 이를 인지하여 조치하기 때문에 사후조치 비용(repair cost)이 과도하게 발생할 수 있고, 직·간접적인 사회적 혼잡 비용도 유발한다. 이와 반대로 주기적인 점검과 유지보수를 수행하는 예방적 유지관리(preventive maintenance)가 있다. 사후 유지관리와 달리 구조물 시공 및 철거 전(생애주기)까지 과도한 점검 비용과 유지관리 비용(prevention cost)이 발생할 수 있다. 선제적 유지관리(proactive maintenance)는 구조물의 상태(성능)를 기반으로 유지관리 계획과 보수·보강 시점을 예측하고 필요할 경우 조치를 수행하는 방식이다. 이러한 접근법을 통해 유지관리 비용과 사후 조치 비용을 합친 총비용(total cost)이 가장 최적화되는 균형점을 지향하는 방법이다. 선제적 유지관리에서는 다양한 유지관리 의사결정(점검 계획 및 보수·보강)에 필요한 데이터를 상시계측 시스템을 통해 획득한다(구조물 모니터링). 인천대교와 같은 중요도가 높은 사회 기반 시설물에는 상시 계측 시스템이 구축·운영되고 있으며, 이를 통해 구조물 응답과 주변 환경인자(온도, 풍속 등)를 연속적 혹은 주기적으로 계측한다. 따라서 기존의 인력 점검체계에서와 달리 방대한 양의 데이터가 지속해서 생성되기 때문에 이를 처리하여 최종 사용자(관리주체)의 의사결정에 필요한 정보를 신속히 제공하는 ‘자율 모니터링 시스템(autonomous monitoring system)’이 요구된다. 자율 모니터링 시스템의 핵심 조건 중 하나는 사용자의 개입을 최소화하며 양질의 학습 데이터로부터 자율적으로 신뢰성 높은 분석을 수행하고 그 결과를 제공하는 것이다. 지속적으로 구조물 모니터링을 수행함에 있어, 공용 중에 발생하는 외부 변동(운영·환경조건 변화)으로 인한 응답 패턴의 변동성인 Dataset shift가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 효과적으로 고려하는 것이 신뢰성 높은 자율 모니터링 시스템을 구현하는 데 매우 중요하다. 이 글에서는 구조물 건전성 모니터링 기술의 개념을 간략히 소개하고, 이를 토대로 실제 구조물에서 발생한 dataset shift의 사례와 이를 해결하기 위한 방법 중 하나인 온라인 학습 방법을 간단히 소개하고자 한다. 구조물의 내/외적 특수성(uniqueness)과 구조물 모니터링의 역할 건설 분야의 사회 기반 시설물은 기계 시스템 등과 달리 내/외적 고유한 특수성을 가진다. 동일한 구조 형식으로 설계할지라도 구조재료, 시공 방법·조건 등에 따라 발현되는 강성 및 거동 특성이 달라진다. 공용 중 노출되는 외력(차량 하중 등)과 노출 환경(온도, 습도 및 염분 등) 등 외부 환경이 공간(위치)과 시간(계절)에 따라 상이하다. 즉, 구조물마다 서로 다른 고유의 강성, 거동, 열화, 손상 특성을 가지기 때문에 구조물 상태의 단순 예측이 어려운 구조체이다. 구조물 모니터링을 통해 측정된 데이터는 공용 중에 발생하는 문제를 파악하고 해결할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있다. 대표적인 예시로, 실시간 구조물 모니터링 중 이상 상태(손상)가 감지되면 그 결과를 관리자에게 신속하게 통보해줌으로써 시기적절한 의사결정(이용 제한 후 정밀 점검)을 할 수 있게 하며, 나아가 시간 이력 DB 구축과 이를 토대로 성능 예측 모형 개발에 활용될 수 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 구조물 건전성 모니터링(SHM; Structural Health Monitoring)은 ‘구조물에 설치한 다양한 센서로부터 구조물의 응답 및 외부 환경인자(온도, 습도 등)를 측정하여 구조물의 상태(건전성)를 실시간으로 진단하고 그 결과를 관리 주체에게 제공하는 기술’이다. SHM은 크게 공용 중인 구조물의 ①하중에 따른 응답의 입/출력 관계를 통해 상태를 평가하는 방법, ②응답만을 계측하여 상태를 평가하는 응답 기반 방법으로 구분할 수 있다(진승섭, 2017a). 입/출력 관계를 활용하는 평가 방법은 알려진 하중을 재하하기 때문에 구조물의 통제(blocking)가 수반된다(실무 적용의 어려움 존재). 반면 응답 기반(output-only) 평가 방법은 그림 2와 같이 별도의 구조물 통제 없이 상시 진동 응답(ambient vibration from acceleration)만을 계측하고, 이를 모달 해석(modal identification)을 통해 고유진동수(natural frequency)와 모드형상(mode-shape)과 같은 동특성(modal properties)을 추정하는 방법이다(진승섭, 2017b). 동특성은 구조물 고유의 물리적 특성으로, 구조 시스템(질량, 강성 및 경계조건 등)에 의해 결정된다. 구조물의 전역적인 거동 변화를 유발하는 심각한 손상 혹은 성능저하는 구조 시스템의 변화(강성 저하 혹은 경계조건 변화)를 유발하고, 이는 동특성의 변화로 연결된다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 기술은 실무에서 활용이 용이하다는 측면(사용통제 없이 상시 진동 응답 활용)에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링을 통해 ‘실시간 이상 상태 감지’, ‘역 해석을 통한 수치모델 개선’, ‘기계학습 혹은 시계열 모델링을 통한 예측모형 구축’ 등 유지관리에 활용할 수 있는 기초자료를 구성할 수 있다. 구조물 모니터링 내 Dataset shift 현상 동특성과 같은 구조물의 응답은 시간에 따른 외부 환경(온도, 파랑 등)의 변화에 의해 동특성의 특징이 달라질 수 있다(Peeters et al. 2001: Moser et al. 2011). 일례로 단순히 동특성의 변화만으로 이상 탐지를 수행할 경우 오보(false alarm)가 발생할 가능성이 높다. 이에 공용 중에 발생하는 다양한 외부 환경 변화로 인한 변동성을 고려하여 상태를 평가하는 것이 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요하다(Deraemaeker et al. 2008). 그림 3은 3경간 프리스트레스트 콘크리트 교량(Z-24)에서 철거 전까지 1년간 측정한 고유진동수(저차 모드 4개)와 아스팔트 포장부의 온도 이력이다(Peeters et al. 2001). 철거 전까지 다양한 손상(교각 침하, 텐던 제거 등)을 점진적으로 유발하면서 손상에 따른 응답(고유진동수) 변화를 분석한 장기 계측 데이터이다. 교각의 침하 시스템(settlement system) 설치로 인해 불가피한 교각 부재의 단면손실이 1998년 8월 9일에 발생하였다. 하지만 손상에 의한 고유진동수 변화량(강성 저하로 인한 고유진동수 감소)은 온도에 의한 변화량(온도 영향으로 인한 고유진동수 증가)에 가려져 고유진동수의 저하 유/무를 쉽게 확인할 수 없음을 알 수 있다. 그림 4는 최초 손상이 발생하기 전(1997년 11월 11일~1998년 8월 8일)까지 Z-24 교량의 아스팔트 온도와 고유진동수 간의 패턴을 보여준다. 그림 4(a)에서 보듯이 아스팔트 온도에 따라 총 3가지 선형 패턴이 발생함을 알 수 있다. 그림 4(b)는 온도 변화(마커의 색상)에 따른 1차와 2차 고유진동수의 패턴 변화가 그림 4(a)에서 확인한 패턴에 따라 발생하는 것을 보여준다. 이는 계절별 온도 발생 범위에 따라 총 3가지 고유진동수(응답) 패턴이 생성되는 것을 의미한다. 즉 구조물의 내/외적 특수성에 따라 시간-종속적인 다양한 패턴(time-dependent pattern)이 발생할 수 있음을 의미한다. 기계학습 분야에서는 이러한 패턴 변화 현상을 Dataset shift라고 정의한다(Quinonero-Candela, J. et al., 2008). Dataset shift 해결을 위한 온라인 학습방법 앞서 살펴본 시간 종속적인 패턴 변화인 Dataset shift는 사전에 확인이 어려우며 장기 데이터 구축과 분석을 통해 파악할 수 있다(Peeters et al. 2001). 그동안 다양한 기법들을 이상상태 탐지 등의 유지관리 서비스를 위한 연구에 많이 적용되었으나, 앞서 언급한 Dataset shift에 대한 연구는 상대적으로 많이 수행되지 않았다(Jin et al., 2015). Dataset shift는 외부 변동(온도)에 의한 응답(고유진동수) 패턴이 시간(계절)에 따라 변화하면서 발생하는 문제이다. 이에 대한 근본적인 해결 방법은 변화하는 패턴을 가장 잘 모사할 수 있는 학습 데이터들을 선택적으로 추출(sampling)하고, 추출된 학습데이터를 활용하여 이상상태 탐지 등 유지관리에 필요한 평가모델을 생성하는 것이다(그림 5). 즉 지금까지 측정된 학습 데이터 전부를 사용하기보다 새로 측정된 데이터와 유사한 학습데이터만을 선별하여 현재 패턴을 가장 잘 모사하도록 학습모델(그림 5의 Model)을 적응적(adaptive)으로 생성하는 것이다. 이는 그림 6과 같이 복잡한 비선형적인 관계를 가지는 학습데이터 분포를 국부적인 선형 형태 영역으로 분할하여 표현하는 것과 동일하다. 즉 전체 영역에서 보면 비선형성을 가지는 곡선(그림 6의 왼쪽)이 작은 영역으로 세분화하면 선형인 직선의 결합(그림 6의 가운데)으로 표현할 수 있는 개념과 유사하다. 새로 측정된 데이터가 속하는 선형 구간의 학습데이터들을 선택적으로 추출하고, 이를 이용하여 학습모델을 생성한다(그림 6의 오른쪽). 이러한 선형 분할 과정은 학습 데이터 간 선형관계를 유지해주는 부수적인 효과가 있다. 이에 따라 복잡한 학습모델(비선형 모델)이 아닌 간단한 학습모델(선형 모델)을 사용하여 학습의 일반화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 전체 학습데이터가 아닌 일부 데이터만을 사용하기 때문에 연산 복잡도 역시 크게 감소시킬 수 있어 실시간 연산 및 낮은 컴퓨팅 자원을 가지는 연산장치에도 쉽게 적용이 가능하다. Dataset shift가 발생하는 Z-24 교량의 실시간 이상상태 탐지에 상기 학습 방식을 적용하였으며, 그 결과 다양한 초기조건에서 적은 오보(false alarm) 및 정확한 손상 발생 시점을 포착하였다(Jin et al., 2018: 진승섭 등, 2022). 향후 구조물 모니터링에 관한 연구 제언 구조물 모니터링 시스템의 핵심은 오보(잘못된 분석)를 최소화하여 분석 결과(상태 평가/예측)에 대한 신뢰도를 확보하는 것이다. 이로써 안정적인 모니터링과 의사결정이 지속될 수 있게 하는 것이다. 지속적인 구조물 모니터링을 수행함에 있어 공용 중 발생할 수 있는 Dataset shift는 신뢰성 확보의 가장 큰 걸림돌로 작용할 수 있다. 이러한 Dataset shift는 구조물의 내/외적 특수성으로 인해 사전에 파악하는 것은 매우 어렵다. 이 글에서 간략히 소개한 온라인 학습 방법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 여러 방법 중 하나이다. 따라서 실제 현장에서 발생할 수 있는 다양한 Dataset shift에 적용 가능한 다른 대안들을 적용하고 서로 비교하는 과정을 통해 강건한 방법론을 개발하는 것이 중요하다. 개발된 방법론은 단순히 건설 분야의 모니터링 기술 개선을 넘어 다양한 학제에 적용 가능할 것이며, 나아가 미래 유지관리 분야의 혁신을 이끌어갈 수 있는 핵심기술 중 하나로 자리매김할 수 있을 것이라 생각된다. 구조연구본부 게시일2023-03-27 조회수 215
• ISO 19650 기반 BIM 정보관리 프레임워크 도입방안 ISO 19650 기반 BIM 정보관리 프레임워크 도입방안 ▲ 원지선 KICT 미래스마트건설연구본부 수석연구원 들어가며 ‘Digitize or Die’ 시대, 디지털 전환은 기업의 생존을 위한 필수 전략으로 인식되고 있으며, 전 산업 분야에 걸쳐 가속화되고 있다. 건설산업은 BIM ( Building Information Modeling ) 도입, 건설기계 자동화, OSC ( Off-Site Construction ) 활성화와 같은 스마트 건설기술 확산을 통해 패러다임 변화에 대응하고 있다. 올해 7월 국토교통부는 ‘2030년 건설 전 과정 디지털화 및 자동화’를 목표로 하는 「스마트 건설 활성화 방안 ( S-Construction 2030 ) 」을 발표하였다. 목표 달성을 위한 3가지 추진과제로 건설산업 디지털화, 생산시스템 선진화, 스마트 건설산업 육성을 제시하고 있으며, 이 중 건설산업 디지털화 실현을 위한 세부 계획으로 BIM 제도 정비, BIM 의무화 대상 사업 단계별 확대를 명시하고 있다. 영국, 덴마크, 아일랜드 등 국외에서도 기존 BIM 로드맵에 디지털화 개념을 도입하여 국가 디지털 전환 전략 또는 디지털 트윈 전략으로 개편하고 있다. 이제 BIM은 디지털 전환을 위한 필수 전략 도구로 인식되고 있다. 펴보면, ISO 19650을 적극적으로 도입하고 있음을 알 수 있다. ISO 19650은 생애주기별 BIM 정보 조달에 필요한 주체별 프로세스와 정보 요구사항을 규격화한 BIM 정보관리 프레임워크로 2018년 제정되었다. 이는 BIM 도입 초기 글로벌 기준처럼 활용되던 영국 BIM 표준 ( BS 1192 시리즈 ) 에 디지털 정보관리 개념을 추가하여 개발된 국제표준이다. 영국, 유럽, 호주는 ISO 19650 원문 또는 번역본을 국가 BIM 표준으로 지정하고 있으며 싱가포르, 홍콩, 사우디 등은 국가 BIM 표준에 ISO 19650을 반영하도록 개정하고 있다. 국외 공공 건설사업 입찰 시 ISO 19650 인증을 입찰 자격으로 의무화하거나 인센티브를 부여하는 국가가 많아지고 있으며, 국내에서도 글로벌 수준의 BIM 정보관리 기술과 역량을 입증받기 위해 ISO 19650 인증 획득 기업이 늘고 있다. 이처럼 BIM 기반 디지털 전환 정책의 일환으로 ISO 19650을 적극적으로 활용하는 추세이고, 기업의 ISO 19650 인증 획득 여부나 ISO 19650 준수 역량이 경쟁력의 척도가 됨에 따라 국내에서도 국가 차원의 ISO 19650 도입에 대한 검토가필요한 시점이다. 이에 국내에 ISO 19650을 도입하기 위한 방안과 전략을 제안하고자 한다. 본 연구에서는 ISO 19650의 주요 개념을 국내 상황에 맞게 반영하는 도입방식을 채택하고 다음과 같이 연구를 수행하였다. 첫째, 국외의 ISO 19650 도입 현황을 조사하고 국제표준 문서를 분석하여 BIM 정보관리 프레임워크의 주요 구성요소를 도출하였다. 둘째, ISO 19650을 지원하는 소프트웨어, 플랫폼 등 지원 도구를 분석하여 실무 적용을 위해 구현이 필요한 주요 기능을 선정하였다. 셋째, ISO 19650의 주요 구성요소와 ISO 19650 지원 도구의 주요 기능을 기반으로 ISO 19650 활용모델을 제안하고 이를 국내에 도입하기 위한 방안을 제시하였다. 2~3단계는 도시/지역 단위 관점에서 다수의 건축물을 적절한 지표를 토대로 스캐닝하는 절차로 이해될 수 있으며 (whole-building level identification), 4~5단계는 건축물 세부 단위 관점에서, 스캔된 건축물을 특정하여 면밀히 살펴보는 절차로 이해될 수 있을 것이다 (system level diagnostics). 이 글에서는 이러한 맥락에서 2~3단계에 해당하는 건물에너지 광역 검진 기술을 소개하고자 한다. 국외 ISO 19650 도입 현황 일반적으로 국가 BIM 로드맵은 BIM 도입 수준과 상황에 맞는 단계별 목표를 설정하기 위해 BIM 성숙도 모델을 활용하고 있다. 그동안 많은 국가에서 2011년 발표된 영국 BIM 로드맵 ( British Standards Institution B/555 ) 에 정의된 BIM 성숙도 모델을 글로벌 기준처럼 활용해왔다. 영국의 BIM 성숙도 모델에서 Level 0은 2D 도면과 문자 등 문서 중심의 환경, Level 1은 2D 도면과 3D 데이터 파일이 병행되는 환경, Level 2는 분야별 BIM 모델 환경, Level 3은 단일 모델을 통하여 중앙 집중적으로 데이터를 관리하는 통합 웹 기반 BIM 환경으로 설정되어 있다. 영국은 Level 2 달성에 ISO 19650을 적극적으로 활용하고 있으며, Level 3 달성 준비를 위해 디지털 전환 로드맵을 마련 중이다. 현재 대부분의 국가는 Level 2 도입 단계 또는 활성화 단계이며 표 1과 같이 다수의 국가가 ISO 19650을 도입 중이다. 이처럼 ISO 19650 도입은 BIM Level 2 수준 달성을 위한 필수 요건으로 인식되고 있다. 2018년 제정된 ISO 19650-1에서는 디지털 정보관리 단계별 성숙도를 Stage 개념으로 제시하고 있다. 영국 BIM 성숙도 모델에서 다루는 2D, 3D, BIM 등과 같은 데이터의 유형은 정형, 비정형, BIM, 서버 기반 BIM과 같은 개념으로 변경되었으며, CDE ( Common Data Environment ) 개념은 파일, 모델 기반의 CDE 형태와 빅데이터 기반의 CDE 형태로 세분화되었다. 디지털 정보관리 단계별 성숙도는 가로축 방향으로 3개의 정보관리 Stage로 구분되며, 세로축 방향으로 정보관리 주요 관점을 의미하는 4개 ( 표준, 기술, 정보, 산업 ) 의 레이어로 구성된다. 표준에 따른 정보관리 관점에서 Stage 1은 정형, 비정형 데이터를 다루는 기존 국가 표준에 의한 정보관리, Stage 2는 공유 BIM 모델을 다루는 ISO 19650 표준에 의한 정보관리, Stage 3은 서버 기반의 BIM 모델과 정형, 비정형의 빅데이터를 함께 다루는 미래 표준에 의한 정보관리로 설정되어 있다. 현재 단계는 Stage 2로 이에 맞는 수준 달성을 위해서는 ISO 19650-1과 2에 의한 정보관리가 요구된다. ISO 19650 분석을 통한 BIM 정보관리 프레임워크 주요 구성요소 도출 BIM 성숙도 또는 디지털 정보관리 성숙도에 맞는 목표 달성을 위해서는 단계별로 준수해야 할 국가 차원의 BIM 표준 제시가 중요하다. 세부적으로 BIM 가이드 라인과 BIM 분류체계, 정보 조달과 관련된 계약 및 LOD 기준, BIM 성숙도 측정방법론 등이 있다. BIM 정보관리 프레임워크란, 건설 생애주기 동안 BIM 데이터를 통합된 디지털 구축환경에서 생성, 활용, 관리하기 위해 워크플로 ( Work Flow ) 와 데이터 조달을 지원하는 표준화 체계를 의미한다. BIM 정보관리 프레임워크와 관련된 표준으로는 BIM 표준분류체계, buildingSMART International의 IFC, IDM, IFD, COBie 등이 있다. ISO 19650은 이러한 개방형 표준을 종합적으로 활용하는 관점에서 주체별 정보 요구사항, 디지털 모델 산출물, 워크플로, 정보관리 계획, CDE 등 디지털 협업체계에서의 프로세스를 다루고 있다. 현재 발간된 ISO 19650 시리즈는 다음과 같다. ISO 19650-1(2018) : BIM을 활용한 정보관리 프레임워크의 개념과 원칙 ISO 19650-2(2018) : 프로젝트 수행(Delivery) 단계의 BIM을 활용한 정보관리 ISO 19650-3(2020) : 운영(Operational) 단계의 BIM을 활용한 정보관리 ISO 19650-4(2022) : 정보의 교환을 위한 프로세스 및 기준 ISO 19650-5(2020) : BIM을 활용한 정보관리 중 보안 관리 ( 1 ) ISO 19650-1 ( 2018 ) : BIM을 활용한 정보관리 프레임 워크의 개념과 원칙 ISO 19650-1은 건설 생애주기 전반에서 BIM 협업을 위한 정보관리 프레임워크의 개념과 원칙을 담고 있으며, 정보관리를 “건설자산 생애주기 동안 정보의 생산과 관리를 지원하는 건설 전반에 걸친 프로세스”라 정의하고 있다. BIM 정보관리 프레임워크의 주요 구성요소는 ①정보 요구사항 명세 ( specification of information requirements ) , ②정보 조달 계획 ( planning for information delivery ) , ③정보 조달 산출물 ( delivery of information ) 이며, 정보관리는 프로젝트별, 주체별, 목적별로 다르게 납품되는 산출물을 일관성 있는 프로세스와 전달 체계로 수행할 수 있도록 협업 환경을 지원한다. 프로젝트 수행단계 ( Delivery Phase ) 와 자산관리 단계 ( Operational Phase ) 에서는 참여자와 계약자의 정보 요구사항으로부터 정보 조달 계획이 수립되며, 이를 반영한 PIM ( Project Information Models ) 과 AIM ( Asset Information Models ) 이라는 산출물이 납품되고 승인받는 조달 흐름을 가진다. 효과적인 정보관리를 위해서는 책임, 권한, 업무의 범위 설정이 중요하며 해당 기능은 프로젝트와 자산관리 수행기간 동안 부여되어야 한다. 자산관리를 위해서는 AIM 승인 역량을 가진 사람, 프로젝트 수행을 위해서는 정보 표준, 프로세스, 프로젝트의 CDE 설정 역량을 가진 사람으로 지정되도록 책임 할당 항목이 계약 문서 ( 예: Responsibility matrix ) 상에 명시되어야 한다. ( 2 ) ISO 19650-2 ( 2018 ) : 프로젝트 수행 ( Delivery ) 단계의 BIM을 활용한 정보관리 ISO 19650-2는 프로젝트 수행 단계에서 정보 요구사항을 설정하고, 건설사 등 계약사와 협력사가 효율적인 방법으로 정보를 생산하기 위한 협업적 환경과 프로세스를 정의한다. 프로젝트 수행 단계의 정보 주체를 발주기관, 주관 수행사, 협력사로 설정하고 프로젝트 수행 단계마다 정보관리 프로세스와 주체별 기능 및 표준 요구사항을 제시한다. 프로젝트 수행 단계에서 정보관리 기능을 총 8가지로 정의하고 ISO 19650-2의 본문 5장 각 절 ( 5.1 평가 및 요구 → 5.2 입찰공고 → 5.3 입찰 참여 → 5.4 계약 → 5.5 자원 동원 → 5.6 협업적 정보 생산 → 5.7 정보모델 납품 → 5.8 프로젝트 종료 ) 에 주체별 세부 정보관리 프로세스가 정의되어 있다.본 연구에서는 정보관리 주체, 요구정보와 프로세스, 산출물과 관련된 명세를 파악하기 위해 ISO 19650-1과 2를 분석하여 프레임워크의 주요 구성요소를 표 2와 같이 총 7가지 ( 1. 정보 요구사항, 2. 정보 납품, 3. 정보관리의 주체 및 역할, 4. 워크플로, 5. 정보 조달 계획, 6. 정보관리 수준, 7. CDE ) 로 도출하였다. ISO 19650 실무 적용 지원 도구 분석을 통한 주요 기능 도출 ISO 19650 구성요소 개념을 실무에 적용하기 위해서는 실제 구현된 기능과 인터페이스를 파악하는 과정이 필요하다. ISO 19650 지원을 명시하고 있는 소프트웨어와 웹사이트, 플랫폼 등을 조사한 결과, ISO 19650 개념을 전체적으로 충실히 반영하여 개발된 지원 도구로는 미국의 Plannerly 플랫폼이 대표적이며, 미국의 BEXEL 소프트웨어와 같이 정보 납품 및 CDE 개념 그리고 IFC, BCF, COBie와 같은 개방형 BIM 포맷 지원 등과 같이 ISO 19650 개념의 일부만 지원하는 경우가 다수인 것으로 파악된다. ( 1 ) 미국, Plannerly Plannerly는 BIM 정보관리 플랫폼 ( The BIM Information management platform ) 으로 발주자, 설계사, 시공사 및 계약업체가 한 곳에서 BIM 요구사항의 계획, 관리, 검증을 수행할 수 있도록 통합적으로 지원하는 플랫폼이다. 사용자가 ISO 19650의 구성요소인 BIM 표준, 요구사항, 프로세스 지정 및 추적, BIM 규정을 편하고 쉽게 활용할 수 있도록 구현되어 있으며, 한 사이트에서 모든 건설 주체가 정보와 프로세스의 단절 없이 협업할 수 있는 환경을 제공하고 있다. ISO 19650의 주요 개념과 함께 UK BIM Framework 가이드 라인 문서에서 제공하는 ISO 19650 템플릿 ( OIR, PIR, EIR, AIR, BEP 등 ) 기반의 워크플로를 탑재하여 쉽고 일관된 작업을 수행할 수 있도록 인터페이스를 제공하는 것이 특징이다. 정보를 중앙 집중화하여 생성, 저장, 관리할 수 있도록 CDE 개념도 접목되어 있다. 크게 6개의 모듈 ( Plan, Scope, Contract, Schedule, Track, Verify ) 로 구성되어 있다. ( 2 ) 미국, BEXEL Manager BEXEL Manager는 ISO 19650에 따른 개방형 BIM 환경에서 디지털 워크플로를 지원하는 소프트웨어로 CDE 환경에서 정보납품 모델인 PIM과 AIM을 관리하도록 협업을 위한 환경을 지원하며 IFC 표준과 MVD, BCF, COBie 등 개방형 표준 포맷을 지원하는 것이 특징이다.두 지원 도구를 분석한 결과, BIM 계약 및 요구사항 관리, BIM 업무수행, BIM 데이터 검증, 협업 등을 포함한 BIM 기반 워크플로를 비롯하여 정보 요구사항 정의, 정보 조달 계획 수립, 정보관리 수준 설정, 개방형 BIM 표준 포맷 등 지원 여부가 핵심인 것으로 파악된다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 국내 도입 시 벤치마킹할 주요 기능을 표 4와 같이 도출하였다. 건물 단위 선별지표를 만들기 위해서는 건축물대장 단위로 수집된 데이터셋을 매칭-통합해야한다 (그림 2, ② 데이터 전처리). 다만 수집된 공공데이터 등은 각기 다른 정책적, 행정적 목적으로 생성되기 때문에 건축물대장 정보와 연계-매칭할 고유키가 없는 경우가 대부분이다. 따라서 각 데이터의 위치정보 (위경도), 주소정보 (지번, 동, 호) 등을 가공하여 건축물대장 해상도에 맞추어 연계-매칭해야 한다. 해당 작업은 비표준화된 주소와 위치정보에 대한 문자열 처리 기술이 요구되며, 상당히 까다롭고 많은 예산과 시간이 소요된다. ISO 19650 기반 BIM 정보관리 프레임워크의 국내 도입방안 ISO 19650 활용모델이란, 디지털 기반 BIM 수행 워크플로와 데이터 조달 등 BIM 정보관리 프레임워크의 주요 구성요소를 사용자 관점에서 통합 활용할 수 있도록 개념적으로 정의한 모델을 의미한다. ISO 19650 분석을 통해 도출한 BIM 정보관리 프레임워크의 주요 구성요소와 ISO 19650 지원 도구 분석을 통해 도출한 주요 기능을 기반으로 ISO 19650 활용모델을 구성하였다. ISO 19650 활용모델은 그림 4와 같이 6개의 모듈로 구성된다. 1번 모듈은 Standards로 BIM 데이터를 교환, 유통하기 위한 개방형 BIM 표준과 국가 BIM 정보관리 운영체계를 정의하는 표준을 의미한다. 2번 모듈은 Requirements로 설계, 시공 등 사업단계와 시설물 운영단계에서 정보 요구사항, 정보관리 주체와 역할, 정보 조달 계획을 설정하는 기능을 한다. 3번 모듈은 Workflows로 사업수행단계와 운영단계별 BIM 세부 프로세스를 정의, 관리하는 기능을 한다. 4번 모듈은 Deliverables로 정보 납품 산출물인 PIM과 AIM 데이터를 정의, 관리하는 기능을 하며, 5번 모듈은 협업과 공유를 위한 CDE 환경을 의미한다. 2번 모듈과 3번 모듈은 프로세스의 영역이며 4번 모듈과 5번 모듈은 프로세스에 따라 생성, 공유, 저장되는 데이터의 영역으로 구성하였다. 2번 모듈부터 5번 모듈은 순차적인 흐름을 가지도록 운영이 필요하다. 1번 모듈은 데이터 생성의 기준으로 적용하며, 6번 모듈은 BIM 정보관리 주체가 1번부터 5번까지의 모듈을 활용하는 인터페이스의 성격을 지닌다. 각 모듈의 개념은 표준, 가이드라인과 같은 스펙 형태 또는 플랫폼의 기능 형태로 제공될 수 있다. ISO 19650 활용모델을 실무에 적용할 수 있도록 구현하기 위한 추진방안과 향후 과제를 다음과 같이 제안한다. 첫째, 국내 BIM의 Level 2 정착을 위해서는 2번 모듈부터 5번 모듈에 정의된 ISO 19650 주요 구성요소와 1번 모듈에 정의된 개방형 BIM 표준을 국내 상황에 맞게 Customizing하여 국가 표준으로 제시하는 것이 필요하다. 제도 시행 관점에서는 ISO 19650 의무 적용 대상을 일부 공공 건설공사부터 단계적으로 확대하는 전략이 필요하며, 의무화하기 전 시범 프로젝트를 통해 검증하는 과정이 수반되어야 한다. 둘째, ISO 19650 활용모델을 업무에 직접적으로 활용할 수 있도록 3번 모듈의 워크플로를 탑재하고 6번 모듈의 기능을 포함한 BIM 프로젝트 워크플로 지원 플랫폼 개발이 필요하다. 이를 위해서는 문서 단위의 스펙을 디지털 스펙으로 전환하고 조항과 워크플로 단위를 결합하는 것이 중요하다. 또한, ISO 19650 도입의 실효성을 높이기 위하여 상용 BIM 플랫폼 및 기업 ERP 시스템에서 ISO 19650 주요 기능 및 데이터와 연동하여 운영되도록 방안 마련이 필요하다. 셋째, 디지털 전환 패러다임 가속화에 따라 디지털 정보관리 성숙단계 Stage 2 및 BIM 성숙도 Level 2의 도입 및 안정화 전략과 함께 다음 성숙도 단계를 대비하기 위한 BIM 로드맵 개정 연구 등 선제적인 미래 대응이 필요하다. 맺음말 디지털 전환 시대, 글로벌 시장에서 ISO 19650의 도입과 활용은 글로벌 경쟁력 확보를 위한 필수 전략이 되고 있다. 이러한 변화에 국내에서 적극적으로 대응하기 위해 ISO 19650의 도입방안을 제안하였다. ISO 19650의 주요 구성요소 개념을 반영하고 실무에 적용할 수 있는 핵심 기능 구현을 위해 ISO 19650 활용모델을 정의하였으며, 이 모델이 국내에서 구현하기 위한 도입 방안과 추진과제를 제안하였다. 향후 국가 차원의 BIM 정보관리 운영체계 구축 방향을 구상함에 있어 ISO 19650 기반의 도입방안이 함께 검토되길 기대한다. 미래스마트건설연구본부 게시일2023-02-27 조회수 399

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