제 17권 제 1 호 2012년 2월 pp. 7-16
개방형 BIM 기반 공간네트워크 분석도구 개발에 관한 연구
박영섭*
A Study on Development of the Spatial Network Analysis Tool based on Open BIM Technologies
Youngsup Park*
ABSTRACT
One distinguishing feature of BIM(Building Information Modeling) is the objectification of spatial elements independently, which makes it easy to represent spatial network. From this perspective, this study aimed to develop the spatial network analysis tool based on open BIM technologies. From the lit- erature review, an object model of spatial network with nodes and links and a process model from con- struction to visualization were established. A prototype system implementing the proposed models, named SNAT(Spatial Network Analysis Tool), was developed in Java platform with using its open source packages. SNAT can create a spatial network from IFC-BIM model, calculate the indices of spa- tial network analysis, and visualize it with the representing types(map, graph, matrix and table).
Key Words : Spatial Network, Analysis Tool, Open BIM, IFC, SNAT, JAVA
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 건축을 비롯한 건설 산업 전반에 걸쳐 BIM (Building Information Modeling)이 급속도로 확대되 고 있으며 전문분야 간의 협업을 강조하는 IFC (Industry Foundation Classes)모델 기반의 개방형 BIM에 대한 관심과 요구 또한 증대되어 가고 있다.
이에 따라 관련 정부 부처 및 기관을 중심으로 국내 건설산업에 있어서 BIM설계를 조기에 정착하고 활성 화하기 위한 각종 정책 및 가이드라인[2][3]이 잇달아 발 표되고 있다. 하지만 실무현장에서는 설계모델의 3차 원 시각화와 하부 시스템 간의 간섭 검토 등과 같은 BIM의 일부 장점들만이 부각되고 있으며 정작 프로 젝트의 목표달성에 결정적인 역할을 하는 계획단계에 서의 프로세스 변화로는 이어지지 못하고 있는 실정 이다.
BIM이 이전에 수많은 3차원 건축모델링 개념들과
구별되는 부분 중에 하나는 건물을 구성하는 각종 요 소들을 객체화시켜 눈에 보이는 형상정보(geometric information)뿐만 아니라 다양한 형태의 비형상정보 (non-geometric information) 또한 객체의 속성으로 포함하게 되었다는 것이다. 따라서 BIM은 이전에 별 도로 모델링되었던 공간, 재료, 에너지, 비용 등 전문 분야의 다양한 정보들을 하나로 통합시킬 수 있는 계 기를 마련하였으며, 이를 통해 건물의 생애주기 전체 에 걸쳐 계속 갱신되며 공유되는 단일 정보모델에 대 한 개념으로 발전하였다.
이러한 측면에서 BIM이 건축설계에 가져다주는 여 러 함의 중에 하나는 종전에 벽체, 바닥, 지붕 등 건 축 부재들과의 관계로만 파악되어왔던 건축공간이 독 립적인 형상과 속성을 가지는 객체로 표현함으로써 공간과 관련되는 각종 정보를 직접 객체화된 공간의 속성으로 기술 할 수 있게 되었다는 점이다. 따라서 설계과정에서 공간요구 및 제한조건에 대한 실시간 검토 및 대안평가에 BIM모델의 활용 가능성이 보다 확대되었다. 하지만 현재 BIM을 활용한 공간계획 평 가 및 검토는 개별 공간의 소요면적, 개수, 높이 등 단편적인 제한조건 이외에 공간 간의 상호 인접 및 포 함관계 등 공간배치의 적합성에 대한 종합적인 검토
*정회원, (주)해안건축 CM본부 BIM팀, 공학박사 -논문투고일: 2011. 07. 18
-논문수정일: 2011. 11. 28 -심사완료일: 2011. 12. 01
에 있어서는 아직 초보적인 단계에 머물러 있다.
따라서 본 연구는 BIM기반 통합설계환경에서 공간 배치의 적합성을 객관적으로 평가하기 위한 정량적이 며 과학적인 방법론으로써 BIM의 공간정보를 활용한 네트워크 분석을 제안하며, 향후 연구개발을 위한 기 초 연구로써 최근 확대되고 있는 개방형 BIM모델로 부터 공간객체 정보를 추출하여 공간네트워크를 생성 하고 이를 바탕으로 네트워크 분석을 수행하여 그 결 과를 다양한 형태로 시각화하는 도구를 개발하였다.
1.2 연구의 방법 및 절차
본 연구는 BIM기반 통합설계환경에서 합리적인 공 간계획을 지원하기 위한 공간네트워크 분석도구 개발 을 위하여 다음과 같은 절차로 연구를 수행하였다.
먼저 개방형 BIM과 공간네트워크에 대한 이론적 고찰을 통해 시스템의 개발 방향을 설정하였으며, 시 스템 요구사항과 요소기술에 대한 벤치마킹을 통해 프로토타입(prototype) 시스템을 설계하고 이를 객체
지향 언어인 Java기반의 독립실행(stand-alone) 프로그 램으로 구현하였다. 시스템 개발에서는 파일 입출력 과 3D 시각화 등 부수적인 기능은 오픈소스를 활용함 으로써 공간네트워크 생성과 분석 알고리즘의 구현이 라는 핵심기능에 개발의 집중도를 높이고 향후 지속 적인 확장이 용이 하도록 하였다.
마지막으로 Revit Architecture 2011에서 모델링한 BIM 공간모델에 대한 공간네트워크 분석 시뮬레이션 을 수행함으로써 개발시스템의 활용성을 검토하였다.
2. 공간네트워크
2.1 공간분석과 네트워크
공간분석이란, 공간의 형태, 배치와 같은 물리적 속 성이 인간의 행위와 상호 영향을 미친다는 전제하에 대상공간을 보다 작은 단위로 나누어 각각의 공간이 가지는 속성을 밝히고 그 의미를 해석하는 일련의 작 업으로 볼 수 있다. 이 가운데서 공간구문론(Space syntax)[3]은 가장 널리 알려진 이론으로써 공간구조를 노드(node)와 에지(edge)로 이루어진 그래프로 치환하 여 공간의 상대적 위치를 정량화하고 이를 시각화함 으로써 건축 및 도시공간의 계획을 위한 기초자료로 널리 활용되고 있으며, 이밖에도 분석 목적과 대상에 따라 다양한 이론과 방법론이 제시되고 있다. 이러한 공간분석 이론들은 크게 공간들 사이의 물리적 연결 관계를 기반으로 하는 투과성 분석(permeability analysis)과 시각적 연결관계를 기반으로 하는 가시성 분석(visibility analysis)로 구분할 수 있으며, 이에 따 라 주요 이론과 분석지표를 정리하면 Table 1과 같다.
공간분석의 이론과 모델들은 각기 다른 알고리즘과 분석지표를 제시하고 있지만 대부분 분석과정에서 대 상공간을 일정한 기준으로 세분화한 단위공간의 집합 과 이들 간의 관계들로 재구성된다. 본 논문에서는 분 석을 위해 세분화된 단위공간과 이들 간의 관계를 Table 1. 공간분석 이론 및 분석지표.
구분
투과성 분석(Permeability Analysis) 가시성 분석(Visibility Analysis) 공간구문론[3]
(Space Syntax)
인접행렬고유벡터비[4]
(ERAM)
가시성그래프분석[5]
(Visibility Graph Analysis)
시각적 접근 및 노출[6]
(Visual Access &
Exposure) 분석대상 위상학적 배치형태 공간의 점유 가능성 공간배치에 따른 가시성 시각적 정보획득 가능성 알고리즘 ·공간의위계, 깊이
·중심적 위치 = 대칭성 ·인접행렬식
·노드와 링크 가중치 ·가시영역과 시각적 깊이
·가시범위(360도) ·접근과 노출 분리
·유효시야각(30도) 분석지표주요
·연결도(Connectivity)
·통제도(Contol Value)
·통합도(Integration)
·ERAM (r=n)
n: 이동회수 시각적 통합도
(Visual Integration)
·시각적 접근(VA)
·시각적 노출(VE)
·호응도(Reciprocity) Fig. 1. 연구의 흐름도.
‘공간요소’라 명명하고 공간요소들로 이루어진 집합 을 ‘공간네트워크’로 정의함으로써 공간표현이나 알 고리즘 상에서 ‘공간그래프’와 구별하고 정보학, 사회 과학 등 타 분야 네트워크 분석이론과의 접목을 꾀하 고자 한다. 이러한 측면에서 공간분석은 큰 틀에서 네 트워크 분석의 범주에서 파악할 수 있으며 이들 대부 분 네트워크의 중앙성(centrality)을 분석지표로 삼고 있다.
2.2 공간네트워크의 표현방식
현실세계에서 공간은 그 실체가 존재하지 않으며 이와 접하고 있는 물질을 통해 비로소 인식되는 비물 질적 개념이다. 따라서 공간분석 이전 단계에서 공간 은 이를 둘러싸고 있는 건물요소, 즉 벽체, 바닥, 개구 부 등에 의해서 간접적으로 표현되었다. 하지만 공간 자체를 분석대상으로 삼고 있는 분석과정에서 공간은 건물요소로부터 분리되어 독립적인 요소로 객체화되 며 다양한 형식으로 재현 된다. Fig. 1은 공간분석 과 정에서 공간네트워크의 표현방식에 대한 예시로써 동 일한 공간배치가 도면(drawing), 공간약도(map), 그래 프(graph), 행렬식(matrix) 등 각기 다른 방식으로 표 현되고 있음을 알 수 있다.
공간약도는 도면, 스케치와 같은 설계도서나 CAD 과 같은 디지털 자료로부터 공간의 기하학적 정보만 을 추출하여 간략화한 것으로 공간을 가로지르는 축 선(axial line)으로 표현한 축선도(axial map), 공간을 볼록공간(convex)으로 분할한 복록공간도(convex map) 그리고 공간을 일정한 크기와 형태의 격자(grid) 로 나눈 격자공간도(grid map) 등이 이에 속한다.
그래프는 공간약도가 가지는 위치와 형상 등의 기 하학적 정보를 생략하여 하나의 점(node)로 표현하고 이들 사이의 관계를 선(edge)으로 단순화시킨 것으로 배치방식(layout)과 속성의 표시방식(크기, 색상, 선두 께 등)에 따라 다양한 형태로 시각화할 수 있다
공간약도와 그래프가 공간정보를 직관적으로 나타
내기 위해 시각화한 표현방식이라면 행렬식과 테이블 은 공간정보를 처리하고 저장하기 위한 계산적 표현 방식이라 할 수 있다. 특히 행렬식은 컴퓨터를 활용해 공간분석 알고리즘을 수학적으로 처리하기 위해 매우 효과적인 방식으로 공간그래프 상의 노드와 노드 또 는 노드와 에지가 대응으로 하는 2차원 행렬식으로 이 루어지며 관계유형에 따라 인접행렬(adjacency matrix), 입사행렬(incidence matrix) 등으로 구분된다.
행렬식이 시스템 상에서 공간정보를 처리하기 위한 동적자료(dynamic data)인데 반면에 테이블은 공간정 보를 데이터베이스나 파일에 입출력하거나 문서로 출 력하기 위한 정적자료(static data)의 성격을 띠고 있고 있다. Table 2는 Fig. 2의 공간네트워크의 배치정보를 공간링크에 대한 테이블로 표현한 것으로 이밖에도 공간에 대한 여러 속성 정보를 공간노드 혹은 공간링 크를 중심으로 함께 기록하기도 한다.
2.3 공간네트워크 분석도구
공간네트워크의 분석도구를 건축 및 도시 분야에서 사용하고 있는 공간분석 도구와 타 분야에서 사용하 는 네트워크 분석도구로 나누어 살펴보았다(Table 3).
먼저 공간분석 도구 중에서 영국의 런던대학 VR센 터의 Depthmap[7]는 가장 널리 알려진 도구로써 처음 에는 가시성그래프분석을 위한 도구로 개발되었으나 이후 공간구문론의 다양한 분석방법과 기능들을 꾸준 히 추가하면서 종합적인 분석도구로 발전해 가고 있
Fig. 3. 공간네트워크의 표현방식.
Fig. 2. 공간네트워크의 표현방식.
ID node1 node2 weight
#001 A H 1.0
#002 B H 1.0
#003 C H 1.0
#004 C E 1.0
…. … … …
#008 G F 1.0
다. 국내에는 서울대학교 건축도시공간연구실에서 개 발한 S-Cube[8]와 SaVisibility[9]가 학술연구용으로 널 리 사용되고 있다. S-Cube는 Autodesk사의 DXF (Data Exchange Format) 형식으로 작성된 볼록공간 또는 축선공간에 대한 투과성 분석을 수행하며 그 결 과를 DXF로 저장하여 AutoCAD 등과 연계하여 작업 할 수 있으며, SaVisibility는 AutoCAD 내에서 대상 공간 내부에 격자점을 자동으로 생성하고 이에 대한 다양한 방식의 가시성 분석을 수행할 수 있다.
타 분야에서 사용되고 있는 네트워크 분석도구 중 에서 UCINET[10]은 가장 널리 사용되고 있으며, 다양 한 네트워크 분석알고리즘과 통계적 도구를 제공하고 있으나 다른 형식의 기능모듈을 짜깁기한 패키지 프 로그램으로 사용법이 복잡하고 난해하다는 단점이 있 다. 이에 비해 NetMiner[11] 국내 벤처기업에서 개발한 소셜 네트워크 분석도구로 비교적 사용법이 간편하고 정리된 인터페이스를 갖추고 있어 사용자층을 점차 넓혀가고 있다. 이밖에 Pajet[12]은 3차원 시각화 등 다 양한 방식으로 대용량 네트워크의 시각화 분석에 강 점을 나타내고 있다.
상기 도구들을 비교분석한 결과, 공간분석 도구들은 공간정보에 대한 수집과 가공에 유리한 측면이 있으나 타 분야의 네트워크 분석도구가 지원하는 다양한 분석 과 시각화에는 아직 한계를 나타냄을 알 수 있다.
3. 개방형 BIM에서의 공간표현
3.1 개방형 BIM과 IFC 표준
최근 화두가 되고 있는 개방형 BIM은 건설산업의 다양한 주체들 간의 협업성 증진을 표방하고 있으며 이는 원활한 정보교환을 위한 공통의 데이터 표준을 기반으로 하고 있다. 이에 IAI(현재 buildingSMART International)는 건설산업 전체를 포괄하는 공통의 자 료모델(data model)로써 IFC(Industry Foundation
Classes)를 개발하여 ISO에 의해 국제표준으로 공인 (ISO/PAS 16739)을 받았으며, 이는 IDM(Information Delivery Manual), MVD(Model View Definition), IFD(International Framework for Dictionaries) 등과 함께 개방형 BIM의 핵심기술로 자리 잡고 있다.[13]
3.2 공간요소의 표현
개방형 BIM의 표준인 IFC모델에서 공간객체는 건 물요소와 별도로 IfcSpatialStructureElement의 하위 클 래스인 IfcSpace로 아래와 같은 위계를 가지고 있다.
IFC모델에서 IfcSpace는 경계(boundary)에 대한 정 의를 통해 면적 또는 체적을 가지는 공간의 기본 단 위로 IfcObject, IfcProduct 등 상위 클래스들로부터 상속 받은 위치, 형태 등의 형상정보와 이름, 레이블 등의 표현정보를 기본적 속성으로 가지고 있으며 이 외에 내외구분, 바닥높이, 표피 등 공간에 대한 고유 한 정보들을 포함한다. 또한 공간요소(IfcSpace)는 대 지(IfcSite), 건물(IfcBuilding), 층(IfcBuildingStorey) 등 다른 공간구조요소들(IfcSpatialStructureElement) 과의 집합관계(IfcRelAggregates)를 통해 프로젝트 (IfcProject) 내에서 공간구조를 계층적으로 표현할 수 있다.
Table 3. 대표적인 공간네트워크 분석도구.
구분 프로그램명 버전 분석대상/수준 주요기능 및 특징 형식1 입력파일² 출력파일
공간 분석 도구
Depthmap 7.12 볼록/축선/격자 공간 투과성, 가시성 분석 SA dxf, mif txt, mif
S-Cube 2.1 볼록/축선 공간 투과성 분석 SA dxf dxf
SaVisibility 2.3 격자 공간 가시성 분석 ARX dxf, dwg dxf, dwg 네트
워크분석 도구
UCINET 6.2 범용 네트워크 다양한 알고리즘 Package txt, xls/xlsx txt, xls/xlsx NetMiner 4.0 소셜 네트워크 분석, 시각화 SA txt, xls txt, xls
Parjet 2.0 대용량 네트워크 3차원 시각화 SA net, dat eps, image
1SA: Stand-Alone, ARX: AutoCAD plug-in ² mif: MapInfo, net: Pajet, dat: UCINET, txt: Text file
Fig. 3. IFC의 공간관련 클래스.
3.3 공간네트워크 표현
앞에서 살펴본 바와 같이 IFC표준에 따른 BIM모델 (이하 IFC-BIM모델)은 공간객체를 독립적으로 표현하 고 공간의 계층구조를 나타낼 수 있지만 같은 위계의 공간요소(IfcSpace) 사이의 연결 관계(IfcRelConnects)를 직접적으로 기술하지는 않고 있다.
따라서 현 시점에서는 IFC-BIM모델로부터 공간요 소들 간의 연결관계를 파악하기 위해서는 공간요소를 둘러쌓고 있는 벽체(IfcWall), 바닥(IfcFloor), 지붕 (IfcRoof) 등 경계요소로부터 추론하거나 문(IfcDoor), 창호(Window), 개구부(IfcOpeningElement) 등과 같은 연결요소를 통해 간접적으로 유추할 수 있다.
Fig. 4는 공간요소의 경계를 나타내는 관계요소인 IfcRelSpaceBoundary를 EXPRESS-G형식으로 나타낸 것으로 경계를 형성하는 건물요소(IfcElement)와 그 형상정보(IfcConnectionGeometry)를 속성으로 참조하 고 있음을 알 수 있다.[14]
이밖에도 IfcRelSpaceBoundary는 경계요소가 내부 경계인지 외부 경계인지의 여부와 벽체, 창호 등과 같 은 물리적 요소인지 분할선과 같은 가상적 요소인지 를 나타내며, 인접관계를 통한 공간배치를 표현하기 위한 결정적인 단서를 제공한다. 하지만 공간요소들 간의 투과성(permeability)를 파악하기 위해서는 공간 과 공간을 연결하는 문(IfcDoor)와 같은 건물요소의 연결 관계(IfcRelConnectsElements)를 추가로 참조하 여야 한다. 문이 아닌 개구부(IfcOpeningElement)나 가상요소(IfcVirtualElement) 또는 계단(IfcStair)과 같 은 수직 연결요소의 경우도 IfcRelConnectsElements 를 참조함으로써 연결 관계를 파악할 수 있다.
아래의 Fig. 5는 IFC-BIM모델에서 공간네트워크를 표현하는 공간관계의 유형과 이와 관련된 클래스를 나타낸 것이다.
4. 시스템 설계
앞에서 살펴본 공간네트워크와 개방형 BIM에서의 공간표현을 바탕으로 공간네트워크에 대한 객체모델 링과 이를 분석하고 시각화하기 위한 절차모델링을 다음과 같이 수행하였다.
4.1 공간네트워크 객체모델
공간네트워크(SpNetwork)는 위치(Location), 형태 (Shape) 등 공간정보를 기본 속성으로 가지는 공간객 체(SpObject)를 기반으로 단위공간(UnitSpace), 공간 노드(SpNode), 공간링크(SpLink) 등으로 구성되며 이 를 클래스다이어그램으로 나타내면 Fig. 6과 같다.
상기 클래스다이어그램에서 보듯이 공간네트워크 (SpNetwork)는 공간링크(SpLink)를 속성으로 가지며, 공간링크는 다시 공간노드(SpNode)를 속성으로 가지 는 방식으로 공간 간의 연관관계를 표현하게 되며, 상 위 노드에 대한 참조를 통해 공간네트워크의 위계 및 집합관계를 표현하도록 하였다.
Fig. 4. IfcSpace와 IfcRelSpaceBoundary.
Fig. 5. 공간네트워크의 표현하는 관계클래스.
Fig. 6. 공간네트워크의 클래스다이어그램.
4.2 공간네트워크 생성절차
분석을 위해서 시스템은 우선적으로 IFC기반 BIM 모델로부터 공간정보를 추출하여 앞서 설명한 공간네 트워크 객체모델로 재구성하여야 하며, 이러한 공간 네트워크 생성절차[15]를 간략히 도식화하면 아래의 그 림과 같다.
IFC-BIM모델로부터 공간네트워크의 생성을 위한 첫 단계는 점, 벡터, 위치 등 기본적인 자원정보를 추 출하는 것이며, 둘째 단계는 형상정의에 따라 자원정 보를 조합하여 직사각형, 타원, 폴리라인 등 형상정보 를 생성하는 것이다. 그 다음으로 공간요소와 건물요 소를 생성하고 해당하는 형상정보 등 속성을 부여하 며, 마지막으로 관계정보를 해석하여 연결을 생성함 으로써 공간네트워크의 객체모델을 완성하게 된다.
4.3 공간네트워크의 단계별 표현
공간네트워크 객체모델은 분석과정에서 점진적으 로 도면(drawing), 공간약도(map), 그래프(graph), 행 렬(matrix)에 이르는 변환과정을 거치게 되며 이들은 모두 동적자료(dynamic data)로 필요에 의해 시스템 내부에서 생성되고 소멸된다. 반면에 테이블(table)은 공간네트워크의 구성요소와 속성을 사용자에게 나타 낼 뿐 만 아니라 자료를 데이터베이스나 파일 등 시스 템 외부로 입출력하기 위한 정적자료(static data)의 성 격을 가진다. 다음의 Fig. 8은 공간네트워크의 분석절 차에 따른 단계별 표현양식과 그 변환과정을 일반화[16]
하여 다이어그램으로 나타낸 것이다.
4.4 공간네트워크 분석시스템 구성
앞에서 서술한 공간네트워크의 객체모델과 IFC- BIM모델로부터의 생성과 분석과정에서의 표현절차 를 정의하는 절차모델을 바탕으로 시스템의 구성할 주요 객체를 Fig. 9와 같이 설계하였다. 분석시스템은
크게 공간네트워크의 정보를 수용하는 정보객체와 표 현을 담당하는 표현객체, 그리고 이들을 관리하기 처 리하기 위한 제어객체로 구성된다.
제어객체는 외부 시스템과의 입출력을 담당하는 변 환기(parser), 정보객체를 편집하는 편집기(editor), 표 현객체를 생성하고 화면에 나타내는 표시기(displayer), 그리고 선택한 모델에 따라 분석지표를 산출하는 도 구모음(toolkit)으로 구성된다.
5. 시스템 구현
앞 장에서 설명한 객체모델과 절차모델 등 시스템 의 설계를 바탕으로 공간네트워크의 분석을 위한 시 스템(SNAT)[17]을 다음과 같이 구현하였다.
5.1 시스템 개발개요
개발 시스템은 IFC-BIM모델로부터 공간네트워크 객체모델을 생성하고 이를 대상으로 주요 공간분석 및 네트워크 분석모델에 따른 지표를 산출하고 단계 별 공간네트워크의 표현(공간약도, 그래프, 행렬식, 테 이블) 및 3차원 시각화를 구현하였다.
개발 시스템은 객체지향 프로그래밍 언어인 Java JDK 1.6과 Eclipse IDE 3.6을 기반으로 개발하였으며, JRE(Java Runtime Environment) 1.5 이상의 실행환경 에서 윈도우 형식의 독립 프로그램으로 구동된다.
공간네트워크의 생성, 변환, 분석, 표현 등 주요 기 능은 내부 API를 활용하였으며, 이외에 Java3D(3차원 Fig. 7. 공간네트워크의 생성절차.
Fig. 8. 공간네트워크의 단계별 표현.
Fig. 9. 공간네트워크 분석시스템의 구성도.
시각화), POI(엑셀파일 입출력), JUNG-2.01(그래프 시 각화), Jama(행렬식 계산), OpenIfcTools(IFC파일 입 출력) 등의 외부 API를 활용하였다.
5.2 주요 기능 및 인터페이스
개발 시스템은 윈도우 형식으로 상단부에는 풀다운 메뉴와 단축버튼(Shortcut)이 위치하며 좌측에는 탐색 창(Navigation pane)이 위치하며 우측에는 작업공간 (Work space), 테이블창, 메시지창이 위로부터 차례로 위치하며 한다(Fig. 10).
풀다운 메뉴는 File, View, Analyze, Tools, Help로 구성되어 시스템의 모든 기능에 접근할 수 있으며 주 요 기능들은 단축버튼으로 구성되어 있다. 팝업창은 3차원 모델, 2차원 공간약도, 그래프, 행렬식 등 다양 한 공간네트워크의 시각화를 지원하며, 작업공간은 동 시에 여러 개의 팝업창을 내부에 띄워 상호 비교할 수 있도록 하였으며 내부 이미지를 갈무리하여 파일로 저장할 수 있다. 테이블 창에서는 선택된 공간의 속성 정보를 바로 확인하고 이를 엑셀파일(*.xls, *.xlsx)로 저장하여 추가적인 분석이 가능하도록 하였으며, 작 업상황과 시스템의 상태를 확인하기 위한 별도의 메 시지 창을 추가하였다.
탐색창은 구조화된 트리형식으로 IFC-BIM모델과 공간네트워크를 구성하는 개별 공간요소 또는 건물요 소에 접근하여 선택한 요소의 속성을 확인 할 수 있도 록 구현하였다.
5.3 분석 시뮬레이션
본 연구는 시스템 개발과정에서 기능성을 검토하고 향후 개선방향을 모색하기 위하여 다음과 같이 분석 시뮬레이션을 병행하였다.
(1) 검토모델의 작성
검토모델은 Revit Architecture 에서 Floor, Generic
Wall, Curtain Wall, Door, Window, Opening 등 기본 적인 시스템 패밀리를 활용하여 작성하였으며, 공간요 소는 경계요소로부터 생성되는 Room 패밀리로 작성하 였다. 다음은 완성된 모델의 3차원 이미지이다.
(2) 공간네트워크의 생성
작성된 검토모델은 IFC파일 포맷으로 저장하여 개발 시스템에 입력되었으며, 이를 기반으로 공간노드 (SpNode)와 공간링크(SpLink)로 이루어진 공간네트워 크 객체(SpNetwork)와 관련 건물요소들이 생성되었다.
생성된 공간네트워크의 구성요소와 속성들은 탐색창 과 테이블창에 표시되며 아래의 Fig. 12는 이중에 공 간링크와 그 속성을 나타낸 것이다.
테이블창에서 표시되는 수치정보 이외에 공간네트 워크의 형상정보를 확인하기 위해서 2차원 모델창이 나 3차원 탐색창을 활용할 수 있으며 아래 Fig. 13는 Fig. 10. 개발 시스템의 화면구성.
Fig. 11. 검토모델의 3차원 이미지.
Fig. 12. 테이블창의 화면 예시.
Fig. 13. 3차원 탐색창의 화면 예시.
3차원 탐색창에 재현된 공간네트워크의 모습이다.
3차원 탐색창에서 공간요소는 선택한 속성의 값에 따라 반투명한 색상으로 표시되며 바닥을 제외한 건 물요소는 생략되지만 문, 개구부, 분할선 등의 연결요 소들만 심벌(symbol) 형태로 단순화하여 표현된다.
(3) 공간네트워크의 분석
생성된 공간네트워크 객체를 대상으로 공간구문론, ERAM모델, 네트워크 중앙성, 클러스터링 분석 등을 수행하였다. 상기 모델들은 모두 분석과정에서 공간 배치에 대한 인접행렬식(adjacency matrix), 최단경로 행렬식(shortest path matrix) 등의 행렬식을 활용하고 있으며, 개발 시스템에서는 분석단계에서 산출되는 행 렬식들을 테이블 형태로 표현한 행렬식창을 구현하였 다. 다음의 Fig. 14는 검토모델의 인접행렬식을 나타 내고 있는 행렬식창의 모습이다.
(4) 공간네트워크의 시각화
공간네트워크의 분석결과는 해당하는 공간요소의
속성으로 기록되며 앞에서 언급한 테이블창에는 새로 운 컬럼(column)으로 추가된다. 테이블창에서는 분석 지표의 정확한 값을 확인할 수 있지만 그 공간적 의미 를 파악하기는 쉽지 않다. 따라서 개발 시스템은 속성 을 색상으로 표현할 수 있는 3차원 탐색창과 2차원 모 델창을 통해 분석결과를 직관적으로 시각화하였다. 다 음의 Fig. 15는 공간구문론의 통합도(integration)를 2차 원 모델창에서 볼록공간도로 나타낸 것이다.
공간네트워크의 구조를 노드와 에지로 단순화한 그 래프는 효과적인 시각화 도구이자 분석방법이다. 이 에 개발시스템은 공간네트워크의 가시화를 위해
JUNG[18] 패키지를 활용하여 다양한 방식의 네트워크 배
치(layout)를 표현할 수 있는 그래프창을 구현하였다.
상기 Fig. 16은 대상 공간네트워크를 분석지표에 따라 공간노드의 크기와 색상을 다르게 표현한 그래 프들의 모습으로 이러한 표현들은 각기 다른 모델들 을 상호비교하고 분석지표 값의 분포를 직관적으로 파악하고 이해하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대 된다.
Fig. 14. 행렬식창의 화면 예시.
Fig. 15. 2차원 모델창의 화면 예시.
Fig. 16. 그래프창의 화면 - KKLayout[19].
5.4 소결
상기와 같이 프로토타입 시스템 개발과 이를 활용 한 분석 시뮬레이션을 수행한 결과, 개방형 BIM모델 의 공간정보로부터 공간네트워크 객체모델을 생성하 고 이를 단계에 따라 공간약도, 그래프, 행렬식, 그리 고 테이블로 표현하는 일련의 분석 프로세스를 구현 하고 구체화 하였으며, 동시에 공간분석과 네트워크 분석을 동시에 수행할 수 있는 통합분석 프레임워크 에 대한 가능성을 확인하였다.
6. 결 론
본 연구는 최근 대두되고 있는 BIM기반 통합설계 환경에서 보다 합리적인 공간계획을 지원하기 위해 개방형 BIM모델로부터 공간네트워크를 생성하고 이 에 대한 분석과 시각화를 지원하는 시스템을 개발하 였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
(1) 개방형 BIM에서 자료교환을 위한 국제표준인 IFC(Industry Foundation Classes)에서 공간요소는 건 물요소와 별도로 IfcSpace란 클래스로 정의되며, 다른 요소들과의 관계정의를 통해서 공간네트워크의 표현 할 수 있다.
(2) IFC-BIM모델로부터 자원정보 추출, 형상정보 생성, 공간요소와 건물요소 생성, 공간링크 생성 등 일 련의 절차를 통해 단위공간, 노드, 링크 등으로 구성 된 공간네트워크의 객체모델을 생성할 수 있다.
(3) 공간네트워크는 분석과정에서 도면, 공간약도, 그래프, 행렬식과 같은 동적자료 형태와 테이블과 같 은 정적자료 형태로 표현된다.
(4) 정보객체와 표현객체, 그리고 제어객체로 이루어 진 공간네트워크 분석 시스템을 설계하였으며, 객체지 향 언어인 Java로 프로토타입 시스템을 구현하였다.
(5) 시스템의 개발과정에서 Revit Architecture에서 모델링한 검토모델에 대한 분석 시뮬레이션을 통해 개발 시스템에 대한 효용성 검증과 향후 시스템 개선 방향을 도출하였다.
본 연구에서 개발한 SNAT시스템은 IFC-BIM모델 로부터 분석에 필요한 공간네트워크 모델을 자동으로 생성함으로써 기존 2차원 도면을 기반에서 수작업으 로 이루어졌던 공간모델링 과정을 생략함으로써 분석 시간과 인력을 획기적으로 단축하였다. 뿐만 아니라 그동안 다른 분야로 인식되어 왔던 공간분석과 네트 워크 분석을 동시에 수행할 수 있는 통합분석 프레임 워크를 제시함으로써 두 분야의 학술적 교류와 융합 의 가능성을 보다 구체화하였다.
하지만 본 연구의 개발 시스템은 공간네트워크를 대상으로 하는 다양한 분석모델과 분석지표 중에 극 히 일부만 구현하고 있으므로 향후 가시성 분석 등과 같은 그리드 형태의 공간분석과 다양한 네트워크 시 각화 알고리즘을 지속적으로 추가할 필요가 있다. 또 한, 다양한 이동수단(계단, 승강기, 에스컬레이터 등) 에 대한 고려와 연결통로의 폭, 경사로의 기울기 등에 대한 가중치 및 방향성 설정 등 세부적인 모델링 기능 이 추가되어야 할 것이다.
향후, 공간네트워크 분석결과를 담은 공간속성을 IFC-BIM모델에 추가하고 이를 다시 BIM 저작도구로 불러들여 공간계획에 활용하는 피드백 과정에 대한 연구가 더 해진다면 보다 유용한 공간계획 지원도구 로 발전해 나갈 수 있을 것이다.
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박 영 섭
1996년 서울대학교 건축학과 학사 2005년 서울대학교 건축학과 석사 2009년 서울대학교 건축학과 박사 2008년~11년 서울대학교 건설환경종합
연구소 선임연구원
2011년~현재 (주)해안건축 CM본부 BIM 관심분야: Open BIM, IFC, Spatial Modeling,팀 실장 Network Analysis, Parametric Modeling
