최근 건설산업의 생산성 향상을 위한 다양한 방안들이 모색되고 있는 가운데 프로세스 혁신을 기반으로 건설산업의 생산성과 품질 향상을 도모할 수 있는 가상건설기술이 개발돼 화제다.
스마트 건설 가상화 시뮬레이션 설계 프로토타입 개발 연구 등
BIM to VR 핵심기술 플랫폼 ‘최적 시뮬레이션 기술개발’ 추진
세계 최초 최고 수준 건설 분야 ‘BIM to VR 변환 핵심기술’ 선봬
최근 건설현장의 고령화와 근로시간 단축, 숙련 인력의 급격한 감소 등에 따른 대응전략 마련이 현안으로 떠오르면서 지난 2018년 국토교통부는 첨단 ICT 기술을 건설분야에 접목, 건설분야 경쟁력 향상과 생산성 향상을 위한 ‘스마트건설기술로드맵’을 발표한 바 있다.
‘스마트 건설기술’이란 건설에 3D 모델링기술인 BIM(Building Information Modeling)을 비롯한 드론, 로봇, IoT, 빅데이터, AI, VR·AR, 모바일 등을 융합하는 기술로, 건설 전 단계에 걸쳐 스마트 건설기술을 적용하는 것을 말한다.
현재 건설분야에서 BIM 활용이 의무화되고 있는 가운데, 이를 기반으로 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR)기술과 첨단 센싱장비 등이 결합된 새로운 시장이 점차 확장되고 있다.
가상건설 시뮬레이션 기술은 발주자, 시공사, 설계사, 민원인 등 다수의 이해당사자 간 설계 성과품과 시공성 검토, 유지관리 등에 활용이 가능해 기존 건설 프로세스 혁신 가능성이 높은 것으로 평가받고 있다.
특히, 스마트시티와 연계, 디지털 트윈(Digital Twin) 기반기술로 활용도 가능하다.
실제로 가상현실 기술은 설계단계, 증강현실과 혼합현실 기술은 시공·유지관리 단계에서 활용 가능성이 높다. 이미 미국에서는 건축물과 도시, 도로 설계분야에서 VR기술을 활용한 의사결정에 활용하고 있다.
핀란드 VTT와 미국 Bently 등에서는 시공·유지관리 분야에서 AR 기술을 주로 활용하고 있고, 일본을 중심으로 VR 기반 재난·재해 시뮬레이션, 민간기업을 중심으로 AR, MR을 활용한 교육과 협업 분야에 활용되고 있는 것으로 알려지고 있다.
한편, BIM 모델을 활용, 가상현실 콘텐츠를 제작할 경우 높은 몰입감과 실제와 같은 시뮬레이션을 구현하기 위해서는 많은 인력과 시간 투입이 필요한 실정이다.
실제로 200메가 규모의 플랜트 시설을 기반으로 어지러움을 느끼지 않는 최소 기준인 120FPS(Frame Per Rate)를 충족하는 콘텐츠 제작을 위해서는 초벌데이터 분석과 데이터 경량화, 오브젝트 최적화까지 약 3개월의 시간이 소요되고 있는 실정이다.
따라서 건설 VR·AR 시장 활성화를 위해서는 대용량의 3D BIM 모델 경량화 기술과 함께 BIM 데이터의 VR·AR 데이터 자동 변환기술, 사용자 인터렉션 기반의 시뮬레이션 기술, 재질 매핑 기술, 이 같은 기술들이 통합된 플랫폼 등이 필요하다.
연구내용
이 같은 필요성에 의해 진행된 이번 연구에서는 ‘스마트 건설 가상화 시뮬레이션 설계와 프로토타입 개발’ 연구를 비롯해 ‘BIM to VR 핵심기술, 플랫폼과 최적 시뮬레이션 기술 개발’, ‘스마트 건설 가상화 시뮬레이션 통합 플랫폼 개발과 실용화 방안 마련 연구’가 진행됐다.
특히, VR 기술의 건설 분야 적용을 위해 필요한 BIM to VR 핵심기술인 데이터 경량화, 매핑기술 등과 함께 최적의 건설 가상화 시뮬레이션 사례를 구축, 다양한 BIM 도면을 활용해 시뮬레이션이 가능한 스마트 건설 가상화 시뮬레이션 지원 기술 개발 연구가 중점적으로 진행됐다.
이 같은 연구를 통해 고품질의 BIM 데이터를 가상현실 환경에서 구현 시 시간 단축과 비용 절감을 위해 물리적인 데이터양을 줄이는 경량화와 불필요한 BIM 속성을 자동으로 제거하는 속성 경량화 알고리즘을 개발, 기존의 BIM 데이터를 VR로 변환하는 시간(BIM to VR)을 줄이는 데 성공했다.
또한, 아무것도 입혀지지 않은 빈 3D 모델을 근간으로 고품질의 콘텐츠 제작을 위해 BIM 모델 속성을 추출, 건설분야에 가장 많이 활용되는 텍스처인 재질을 자동으로 매핑시켜 수작업을 줄여줄 수 있는 Auto Material 기술도 개발했다.
특히, 건설기술연구원에서는 공공성과 시급성, 파급성 등을 고려, VR 기반의 화재, 소음 시뮬레이션과 AR 기반 시설물 성능평가, 터널 유지보수, MR 기반 화재 현장교육, 경관검토, 장비 원격제어 기술도 선보였다.
연구원에서는 현재 BIM을 제작하는 저작도구들이 다양한 점을 고려해 3D 중립파일 포맷인 FBX를 활용, FBX 파일을 불러와 데이터 경량화, Auto Material을 수행하고 각각의 시뮬레이션을 Add-In 형태의 플러그인을 제작했다.
무엇보다 기본 속성인 화재·소음 크기, 체험자의 위치 등만을 세팅 후 도면에 탑재할 경우 다양한 환경에서 시뮬레이션이 가능토록 플랫폼 형태로 제작해 눈길을 끈다.
이 같은 기술개발 후 연구팀은 핵심 시뮬레이션 기술 검증을 위해 고양시와 서울교통공사, 대곡-소사 4공구 복합터널 현장 등에 적용, 기술의 효과를 검증했다.
또한, 핵심기술의 해외진출을 위해 BIM to VR 핵심기술을 사우디 신도시 개발 프로젝트(Neon City)에 적용하기 위해 지난 해 2월 사우디 왕자 소유의 기업인 Tanal Group과 업무협약을 체결하고, 현지 연구소 설립과 공동연구, 핵심기술이전 등을 위한 논의를 이어가고 있다.
현재 연구를 통해 개발된 핵심기술은 민간기업에 기술이전이 이뤄진 상태로 최근 H건설 가상현실 콘텐츠 제작에 실제로 활용된 바 있다.
핵심성과
이 같은 연구를 통해 세계 최초, 최고 수준의 건설 분야 대용량 BIM 데이터의 경량화 프로세스와 건축 재질 매핑 자동화 기술 개발로 BIM to VR 생산성을 50% 향상시킬 수 있는 ‘BIM to VR 변환 핵심기술’을 선보였다.
BIM 속성 기반의 재질 매핑 자동화 기술은 기존 작업 대비 최대 50% 이상 단축이 가능한 기술로 평가받고 있다.
실제로 H사에서 진행한 공동주택 테스트 수행 결과, 기존 UV 매핑 단계, 재질 매핑단계 등의 자동화를 통해 기존 작업 대비 40%의 시간감소 효과가 나타난 것으로 확인됐다.
또한, 국내 최초로 중립파일 BIM 기반의 ‘가상·증강현실 기반 최적 시뮬레이션 기술’과 함께 MR 기반의 화재 시뮬레이션 기술을 비롯해 AR 기반의 드론 경관 시뮬레이션 기술, 디지털 트윈 원천기술 개발에도 성공했다.
인 / 터 / 뷰
플랫폼 핵심기술 사우디와 기술이전 협약 체결 ‘자긍’
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| 서명배 수석연구원 |
한국건설기술연구원 서명배 수석연구원은 “최근 정부에서는 첨단기술인 BIM과 드론, 로봇, 가상현실, AI 등에 건설을 융합해 건설산업을 지식, 첨단산업으로 패러다임을 전환하기 위한 노력을 기울이고 있다”고 밝혔다.
실제로 국토교통부의 ‘스마트건설기술로드맵’에서는 BIM 기반의 3D 가상공간에서의 최적설계, 가상시공, AR기반의 유지관리 중요성을 강조하고 있다.
이어 “하지만, 실제로 건설분야에 사용되는 BIM 도면을 가상현실 환경 투사 시 다양한 시뮬레이션을 위한 추가 작업에 많은 시간이 소요되는 점과 도면의 재활용이 어렵다는 사실을 밝혀냈다”고 설명했다.
이 같은 문제 해결을 위해 서 박사팀은 가상현실기술을 건설 분야에 접목할 경우 큰 효과를 거둘 수 있음에도 불구하고 경제성과 생산성이 확보되지 못하는 점에 주목하고, 이번 연구를 수행했다.
서 박사는 “이 연구에서는 BIM 데이터 기반의 가상현실 콘텐츠 제작 시 데이터 경량화와 재질 매핑 자동화를 통해 변환시간과 프로세스를 단축할 수 있는 소프트에어를 제작했다”며, “또한, VR 기반의 화재, 소음 시뮬레이션과 AR 기반의 터널, 철도시설물 유지관리 시뮬레이션, MR 기반의 경관검토 시뮬레이션 등을 개발했다”고 소개했다.
이어 “개발 기술의 검증을 위해 약 200메가급 10개의 BIM 데이터를 기반으로 가상현실 시뮬레이션 변환 시 기존 기술보다 성능이 얼마나 향상되는지 테스트를 진행했다”며, “테스트 결과, 기존 대비 BIM 데이터의 가상현실 변환시간은 50%가 단축됐고, 데이터는 33.9% 가벼워지고, 가상현실 환경에서의 화면 프레임인 FPS는 37%가 향상된 것으로 나타났다”고 밝혔다.
특히, 이 기술은 고양시와 서울교통공사, 대곡-소사 4공구 복합터널 현장 등에 적용을 통해 기술의 효과를 검증했으며, 한국정보통신기술협회로부터 인증을 취득했다.
서 박사는 “이 같은 기술들을 바탕으로 BIM 기반 가상현실 시뮬레이션 플랫폼 개발에도 성공했다”며, “이 플랫폼을 활용할 경우 BIM 파일을 재수정 없이 화재시뮬레이션, 소음 시뮬레이션, 경관검토 시뮬레이션, 시설물 유지관리 등에 활용할 수 있다”고 강조했다.
이어 “핵심특허 2건은 현재 민간기업에 기술이전이 완료된 상태”라며, “핵심기술의 해외시장진출을 위해 지난 해 2월 사우디 왕자 소유인 Tanal Group과 기술이전을 위한 업무협약을 체결했다”고 말했다.
“시설물 간 상호 영향평가 시뮬레이션 기술도 만들고 파”
한편, 서 박사는 “현재 국내에는 BIM 기반 가상건설 시뮬레이션 기술이 많지 않아 관련 분야의 선도적인 역할을 수행했다는 점에서 큰 보람을 느낀다”며, “하지만, 아직 가상현실 기술이 하드웨어적인 성능에 종속되는 경향이 있는 만큼 시장 활성화를 위해 저가의 장비가 시장에 보급될 수도 있다는 점은 아쉬움으로 남는다”고 밝혔다.
끝으로 서 박사는 “현재 건축물 중심의 가상현실 시뮬레이션 기술에서 탈피해 조만간 도시단위로 확장된 플랫폼 환경에서의 도시 정책 수립에 일조할 수 있는 시설물 간 상호 영향평가 시뮬레이션 기술 개발에 나서고 싶다”고 덧붙였다.
