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BIM기술의 수공방재 분야 적용과 발전방향
1. 배경 및 목적
건축분야를 중심으로 시작된 BIM(Building Information Modeling)기술이 토목분야로 확산 되어지고 있다. BIM 기술은 기존의 2차원적인 설 계를 3차원으로 확장하였고 이에 각종 속성을 더 하여 4D, 5D, 6D 등으로 확장되고 있다. 기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사 용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유 지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고
있다. 본고에서는 이러한 BIM 기술을 수공분야에 활용하게 될 때의 장점과 적용사례를 기술하고자 한다.
지금까지 수공분야에서는 모델링 결과를 표출할 때 GIS를 주로 활용하였다. 입력 자료의 구축을 위 해서 사용되어진 GIS는 결과의 표출에서도 2차원 적인 시각 표출이 가능했고 과거 도면 위주의 표출 에 비해 많은 장점을 가지고 있었다. 하지만 이제 IT 기술의 발달에 의해 더 많은 정보의 표출이 필 요하게 되었다. 최근 발달된 2차원, 3차원 수리 모 형에서 생산되는 다양한 정보와 이를 반영하기 위 해서는 이제는 별도의 표출시스템이 필요하게 되 었고 이러한 요구사항을 잘 반영할 수 있는 기술 이 BIM이라 판단된다. 수공 분야에서는 전통적인 BIM 기술 보다는 수공 분야가 커버해야 공간적인 광범위성으로 인한 데이터의 문제를 해결하기 위 해 표출의 정도를 조절하는 LOD(Level of Degree) 개념을 적용하여 반영하고 City Geography Markup Language (CityGML) 등과 같은 개방적 이고 지형공간정보의 표출이 가능한 BIM 표준 기 술의 제안이 필요해 보인다. 특히 BIM 기술이 가 지는 시각화 기술과 표출기능은 관리자들 다중의 사결정과 국민의 재해에 대한 이해와 대비를 도울 수 있는 좋은 도구가 될 것으로 판단한다.
따라서 본고에서는 최근 국민안전처의 연구과제 로 수행된 “3차원 BIM 기술을 활용한 수방시설의 정 창 삼 ●●●
인덕대학교 토목환경설계학과 교수, [email protected]
허 준 행 ●●●
연세대학교 토목환경공학과 교수 [email protected]
최 성 열 ●●●
㈜방재안전기술원 대표이사 [email protected]
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능동형 재난관리 체계구축”를 중심으로 BIM기술 의 수공 방재 적용 사례를 소개하고자 한다.
2. BIM기술의 수공방재 적용
재난재해 발생 시의 피해 상황을 예측하고 이에 신속하게 대처함으로써 피해를 최소화하기 위해 재난 재해 상황을 모의할 수 있는 수리 모형을 3 차원으로 가시화하고 BIM(Building Information Modeling) 기술을 활용한 재난 관리 시스템을 구 축할 필요성이 대두되고 있다. 재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가 시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수 방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예 상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하 다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정 보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물 에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화 된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해
상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설 물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활 용될 수 있다.
2.1 3차원 수방시설 피해예측 시스템 개발
가. 수리·수문모형과 BIM 연계방안 구축 BIM 기술과 수리·수문모형을 연계하기 위해서 는 먼저 수리·수문모형의 구축이 우선되어야 하 며 이를 통해 생성되는 자료를 BIM 기술과 연동하 여야 한다. 재난·재해 상황을 모의할 수 있는 수리 모형을 3차원으로 가시화하기 위해 강우-유출모형 과 수방구조물 붕괴 모의를 통한 1차원과 2차원 수 리모형 해석을 결합한 수리모형을 구축하였다. 구 축된 수리모형을 이용한 EAP(Emergency Action Plan) 홍수범람지도와 기 수집한 유역의 EAP 홍수 범람지도와의 차이를 비교·분석 하였으며 각각의 홍수범람지도를 그림 1과 2에 나타내었다.
그림 1. 기존 EAP 홍수범람지도
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나. EAP의 통합방재시스템과의 연계방안
기존의 EAP(Emergency Action Plan)는 댐하 류부 영향평가에 따른 대피지도 작성시 2D 환경 에서 기술자의 판단에 의해 한 장의 종이문서로
작성하기 때문에 체계적인 재난대응능력이 부족하 다. 반면, BIM을 이용한 통합방재시스템은 비상 상황 단계별 보고 및 전파체계, 대피경로를 3차원 으로 가시화하여 신속한 비상대처계획 구축이 가 능하다(그림 3).
그림 2. 수립된 EAP 홍수범람지도
그림 3. 기존 EAP 대비 BIM 통합방재시스템의 장점
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기존 EAP와 통합방재시스템과의 연계방안을 도출하기 위하여 EAP 수립지침 목차 중 시스템에 탑재 가능한 컨텐츠를 그림 4에 나타내었다.
2.2 수공모델의 통합방재시스템과의 정보연계 를 위한 개발 데이터 모델의 적용성 검토
3차원 도시정보모델링 측면에서의 재난예방 또 는 피해최소화는 실제와 유사한 상황의 시뮬레이 션을 통해 적극적인 조치계획 수립을 통해 가능 하다. 이러한 과정은 크게 ‘어떤 정보항목을 바탕’
하여, ‘어떤 방식으로 정보모델을 생성’하고, 이를
‘어떻게 활용’하는가에 대한 부분으로 나눌 수 있 다. 어떤 정보항목을 바탕으로 할지에 대한 문제 는 의사결정을 하고자 하는 바의 목적에 따라 달 라지는 것으로, 도시지역 침수해 발생의 경우에는 해당 도시지역의 지형, 구조물의 기본정보 등이 그 예가 될 수 있으며, 부가적인 항목으로 수리해 석데이터, 계측데이터 등도 활용가능하다. 정보모 델을 생성하는 방식에 있어서는 타 시스템과의 정 보연계 신뢰성, 정보 활용의 연속성 및 정보 호환
성을 고려해야 한다. 손실 없는 정보의 저장 또는 재사용 자체가 모델의 활용과 직접적으로 연결되 는 것으로, 전술한 항목들은 재난예방 또는 피해 최소화라는 최종 목적에 따른 정보 활용에 종속되 는 것이라 할 수 있다. 따라서 계획단계에서부터 모델의 활용에 이르기까지 일관된 형태의 프레임 내에서 정보가 생성되고 관리되어야 한다.
정보의 흐름차원에서 3차원 도시정보모델기반 생성정보연계 및 재활용의 가장 중추적인 프레임 의 역할을 하는 것이 데이터 스키마(틀)라고 할 수 있다. 데이터 스키마는 어떠한 정보항목을 어떤 속성을 가지는 형태로 어떻게 표현해야하는지 추 상화된 객체를 활용하여 사전에 이를 정해놓는 것 으로, 재난상황 사전 시뮬레이션에 적용하기에 가 장 적합한 형태의 데이터 스키마는 1) 정보모델의 3차원 가시성(visualization), 2) 도시객체의 표현 가능성에 대한 포괄성(comprehensiveness), 3) 사용자 또는 모델 생성자에 의한 사용자정의 정 보항목 추가에 대한 확장성(extensible), 4) 기존 소프트웨어를 통한 정보모델의 내부 속성 제어가 능성의 네 가지의 항목을 고려하여 선정할 필요 그림 4. EAP의 통합방재시스템(BIM) 연계방안 제시
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가 있다. 이러한 기준을 고려했을 때, 적합한 형태 의 데이터 스키마 중에 하나가 City Geography Markup Language (CityGML)이다.
CityGML과 같은 개방형 데이터 스키마를 기반 으로 실제 데이터가 들어가 있는 정보모델을 생성 했을 때 갖는 이점은 어떠한 플랫폼, 어떠한 소프 트웨어 환경에서도 저장된 정보 또는 데이터로의 접근이 가능하다는 점이다. 이때 데이터로의 접근 은 단어검색 등과 같은 단순 글자의 매핑 수준을 넘어서는, 정보항목이 어떠한 의미를 가지고 있 는가에 대한 부분과 항목의 계층적 관계까지 포함 한다. CityGML에서 정보항목의 의미정보 생성은 그림 5와 같이 표현하고자 하는 항목의 형상에 기 능적인 역할을 부여하는 방식으로 이루어지며, 이 는 구조물단위뿐만 아니라 구조물을 이루고 있는 세부 요소에도 적용할 수 있다. CityGML에서 계 층관계에 대한 정보의 생성은 기능적 역할에 따 라 정보항목을 그룹하여 계층을 생성하고 이를 데 이터가 포함된 정보모델을 생성할 때 반영하여 준 다. 그림 6은 도로명 식별을 위한 도로모델의 계층 구조의 사례를 나타낸 것이다.
3차원 도시정보모델의 활용과 관련되는, 재난 상황 시뮬레이션을 통해 얻고자 하는 결과는 데이 터 스키마의 차원에서 요소가 반영되어 있어야 하 며, 정보모델 생성 시 결과를 저장할 수 있는 공간 을 모델 내부 또는 외부에 마련해 두고 있어야 한 다. 도시 침수가 발생한 상황을 가정했을 경우에 는 예상 인명 및 자산피해 산정과 관련해서는 연 령별 인구, 장애자 비율, 물가지수, 건물자산가치 등이 그 예가 될 수 있다. 침수상황에서의 예상인 명피해나 자산피해 결과 산출은 이들 결과를 적절 히 표현할 수 있는 이론을 정보모델 상에 반영할 수 있는데, 결과 값 산출을 위한 입력정보는 3차 원 도시정보모델에서 직접 추출이 가능하고, 출력 정보는 미리 마련해 두고 있는 저장공간상에 결과 값을 생성하여 도시정보모델과 연계할 수 있다.
그림 7은 필요한 항목을 반영하여 생성한 CityGML기반의 3차원 도시정보모델의 일부를 나 타낸 것이다. 지형모델은 모든 구조물의 위치정보 관리를 위한 중심 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라 지역적, 전역적 좌표정보를 가질 수 있다. 또 한 행정정보, 지질정보 등과 같이 지형이 가질 수 있는 기능과 관련한 정보를 포함할 수 있다. 도로 모델은 도로면과 관련한 형상정보와 도로네트워크 와 관련한 지점별 연결정보, 도로명과 관련한 행 정정보를 포함할 수 있다. 도로모델은 위치정보를 활용하여 지형모델이 포함하고 있는 기능관련 정 보들을 활용할 수 있으며, 침수해 상황을 가정하 면 침수 도로면의 특정위치에서의 행정정보 등을 그림 5. CityGML에서 지원하는 주제모델을 통한 객체에
대한 의미정보 생성 개념
그림 6. 도로모델링 시 계층정보 생성의 개념
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직접적으로 제어할 수 있다. 예상 인명/자산 피해 를 산정한다고 했을 때, 해당 거주지역 주민의 입 장에서 가장 중요하게 다루어야 할 시설물은 건물 이라고 할 수 있다. 이때 건물모델이 포함할 수 있
는 속성으로는 건물 또는 가구별 인구 수, 대피에 영향을 줄 수 있는 인적 현황(유아, 노인, 장애인 비율 등), 자산피해액 산정에 필요한 데이터들(건 물구조, 재산평가 기준년도, 물가지수 등)이 있다.
그림 7. CityGML을 기반으로 생성한 3차원 도시정보모델 예시
3차원 도시정보모델링 시 생성해 놓은 정보들 은 의사결정지원을 위해 다양한 조합을 통해 결과 값 도출 시뮬레이션이 가능하다. 제방 붕괴에 따 라 도시침수가 발생한 경우에서는 1) 위치/형상적 측면의 요소인 건물의 위치(GPS 좌표계), 건물의 높이, 건물의 면적 등을, 2) 기능적 의미정보의 측 면의 요소인 건물이름, 건물구조, 건물층수, 행정 동, 인구수, 장애인 비율 등을, 예상 피해결과가 도출된 상황에서는 3) 피해결과 도출 요소인 예상 사망자수, 예상 고립자 수, 건물 피해금액 등을 질 의 인자로 활용하여 의사결정을 위한 정보를 도출 할 수 있다. 예를 들어 구조팀 지원 우선순위를 결 정하기 위해서는 예상 고립자 수가 많은 순으로 건물의 행정동 정보를 도출할 수 있으며, 인명피 해와 자산피해의 상관관계를 검토하기 위해 예상 사망자 수가 많은 순으로 자산피해 정보를 도출할 수도 있다.
2.3 BIM 기반 통합방재시스템 기능구현과 Test-bed 수행을 통한 시스템 검증
가. 통합방재시스템 설명
BIM 기반 통합방재시스템은 해당 지역에 대한 3차원 정보모델(지형 및 시설물에 대한 형상 및 속 성 포함)을 구축하고 다양한 상황에 대한 시뮬레 이션을 실시하여, 이를 통해 재난에 대비할 수 있 도록 하는 의사결정지원시스템이라 할 수 있다.
본 연구에서는 정밀한 수리계산에 의한 홍수모형 을 적용하여 범람으로 인한 침수상황에 대한 방재 업무를 수행할 수 있도록 개발하였다. 본 시스템 에서는 침수상황에 대한 정보가 직관적으로 묘사 되기 때문에 방재 업무를 하는 담당자들이 쉽게 상황을 파악할 수 있으며, 각각의 상황에 맞는 안 전 대피경로 결정 등과 같은 대비책을 미리 마련 할 수 있도록 하는 도구로 활용될 수 있다. 본 시
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스템은 방재업무 담당자들을 대상으로 개발되었 지만 추후 정보공개 수준을 고려하여 일반인도 활 용할 수 있도록 개선할 수 있으며, 홍수 등에 의한 침수 상황 뿐 만 아니라 다양한 재난상황을 적용
하여 각각의 해당 상황에 대한 시뮬레이션을 통해 적절한 의사결정을 할 수 있도록 하는 범용 재난 관리시스템으로 발전할 수 있을 것이다.
그림 8. 통합방재시스템 기능구현(1)
나. 통합방재시스템 기능구현
통합 방재 시스템의 기능은 크게 5가지 항목으 로 구분되어 있다.
1) 측정: 3D지도에 포함되어 있는 3차원 좌표정보 를 활용하여 2D지도 보다 정확하게 거리와 면 적을 측정할 수 있다. 이를 이용하여 대피거리 나 피해면적 등을 정확하게 산출할 수 있다.
2) 검색: 본 시스템의 검색기능은 일반적인 지도 검색기능 뿐만 아니라 사용자의 요구사항에 맞 는 다양한 BIM 속성정보에 대한 검색기능을 포 함한다. 이는 BIM모델에 정확한 정보가 제공된 다면 주요시설물 검색과 같은 일반적인 검색 이 외에 구조물의 구조적 특성, 현 수용인원, 시설 내의 노약자의 인원을 층별로 검색하는 등 다양
한 필요정보들을 검색할 수 있음을 의미한다.
3) 지형모델: 지형모델 기능은 시각적 효과를 통 해 통합방재시스템을 통한 의사결정을 지원하 는 것으로, 시설물을 3D지형 상에 표현하거나, 수리해석을 통해 제공되는 특정위치에서의 수 심, 속도 및 방향 등을 시각적으로 제공한다.
4) 모의실험: 수리해석 결과를 선택하여 시스템에 서 표현할 수 있도록 하는 기능으로 특정지역 에 대한 피해상황을 Case별로 선택하여 시뮬레 이션 할 수 있다. 각각의 피해상황에는 시간의 흐름에 따른 각 지점별 수위와 방향, 속도정보 등을 포함하고 있어, 직관적으로 시뮬레이션 결과를 파악 할 수 있다.
5) 구난계획: 통합방재시스템에서는 EAP 등에서 제시하는 대피장소 및 대피경로를 사용자가 직
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접 등록하는 기능과 네트워크 기반의 대피경로 자동산출 기능을 제공하고 있다. 네트워크 기 반의 대피경로 자동산출 기능은 도로를 기준으 로 도로교차점과 대피소, 대피시작위치 등에
Node를 부여하고 침수 발생위치를 우회할 수 있도록 하여 가장 짧은 대피경로를 자동으로 산 출하게 하는 것이다.
그림 9. 통합방재시스템 기능구현(2)
그림 11. 통합방재시스템 기능구현(3)
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다. Test-bed 수행
본 연구를 통해 개발된 통합방재시스템은 경기 도에 위치하고 있는 A 하천과 B 하천 유역 을 대 상으로 Test-bed를 수행하여 그 적용성을 검증하 였다. 이를 통해 BIM기반의 지형 및 시설물 모델 생성을 위한 프로세스를 구체화하였고, 재난상황 에 대한 시각화 및 정보화를 통해 상황판단을 위 한 다양한 정보들을 쉽게 파악할 수 있도록 하였 으며, 상황 전개에 따른 안전 대피경로를 산정하 는 등 상황에 맞는 필요한 조치가 가능하다는 것 을 확인하였다. 이러한 결과는 과거에 발생된 실 제 피해상황과 비교 분석되었으며, 이를 통해 본 시스템의 적용 가능성을 입증하였다.
3. 미래 파급 효과
수방 시설물은 대표적인 사회기반시설로서 국가 및 국민의 안전과 복지를 수행하기 위한 가장 기 본적인 인프라이며, 지역의 발전과 삶의 질 향상 에 필수적인 역할을 담당한다. 국가의 공공자산인 수방 시설물의 유지는 지역의 안전에 직접적으로 영향을 미치며 재난·재해로 인한 붕괴 시 해당 지역의 자본과 인명 피해뿐만 아니라 인근지역까 지도 사회·경제적으로 막대한 피해를 입게 되기 때문에 생애주기 동안 지속적인 유지관리가 필수
적이라 할 수 있다. 최근 사회 전반적으로 재난·
재해에 대한 경각심이 높아지고 이에 따라 수방 시설물의 관리에 대한 연구에 대한 관심과 필요성 이 대두되고 있는 시점에서 국가 및 각 지자체 하 에 있는 수방시설물 관리 시스템에 BIM기술을 활 용한 3차원 재난관리 시스템이 연계된다면, 전국 의 수방시설물을 보다 효율적으로 관리할 수 있을 것이며 재난·재해로부터 피해를 최소화 할 수 있 는 체계 구축이 가능할 것이라 판단된다.
BIM을 활용한 3차원 재난관리 표준정보모델은 재난·재해 발생 시 피해대처 시뮬레이션을 제공 함으로써 수방 시설물뿐만 아니라 다른 사회기반 시설물에 이르기까지 다양한 분야에 적용할 수 있 으며, BIM을 통한 3차원 재난관리 시스템은 전국 지자체의 댐, 저수지 등을 바탕으로 한 수방시설 체제사업 계획 수립에 유용하게 활용 될 수 있다.
이러한 시스템은 수방 시설물에만 국한되는 것이 아니라 해일과 지진 등의 재난 대비에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 지형모델의 3차원 영상 정보는 구조물 정보와의 연계를 통하 여 구조물의 설계 및 시공 시 가상 시뮬레이션 구 현에 활용되며, 이는 IT기술과 건설기술을 융합하 는 대표적인 시스템으로 3차원 기반의 건설정보화 소양을 지닌 전문 인력에 대한 고용창출에도 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
