Development of 4D System based on New Methodology for Visualizing Construction Schedule Data for Civil Engineering Projects

大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第26卷 第1D 號·2006年 1月 pp. 95~103

施 工 管 理

토목시설물 공사관리 시각화를 위한 4D시스템 적용방안

Development of 4D System based on New Methodology for Visualizing Construction Schedule Data for Civil Engineering Projects

강인석*·지상복**

Kang, Leen Seok ·Jee, Sang Bok

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Abstract

One of the main functions of the 4D system includes visualizing numerical schedule data in construction. The existing 4D tools have an excellent function for simulating building projects that all activities are progressed according to vertical work zone. However, it is not easy to implement all of it in the civil engineering project because the construction activities of high- way and railway projects are progressed on the horizontal work zone and the 4D simulation for those projects should include earthwork objects that depend on the natural ground condition. This study suggests a new methodology for improving those limitations of 4D system for the civil engineering project and develops a new system by the suggested methodology. To verify the developed system, this study attempts to simulate 4D object for horizontal elements such as earthwork, paving work and tunneling work. The morphing and multi-texturing techniques developed in the study can be new approaches to simulate 4D object for the earthwork such as cutting and banking whose activities are progressed on the natural ground condition. The research results can be expected as a draft function for improving the application of 4D system in civil engineering projects.

Keywords :

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요 지

수치적 공정정보들을 시각적 정보로 표현하는 기능은 4D시스템 활용목적 중의 하나로서 기본적 기능에 속한다. 기존의 4D시스템은 수직적으로 공정이 진행되는 건축물공사에 적합한 활용성을 갖고 있으나, 이러한 기본적 기능들이 도로나 철도 시설과 같이 수평적으로 공사가 진행되고 자연지형 조건하에서 작업이 진행되는 토목공사에 직접적으로 적용될 때는 제약점 을 갖게 된다. 본 연구에서는 토목공사 시설물에 적용 가능한 4D시스템 개발을 위한 새로운 방법론들을 구성하며, 이러한 방법론에 근거하여 토공사, 터널공사 등의 수평적 시설물의 4D객체 구현이 가능한 4D시스템 개발을 시도하고 있다. 특히 연구에서는 자연지형 조건하에서 작업이 진행되는 성토, 절토작업 등의 토공 작업을 일정과 연동된 4D객체로 구현하기 위해 몰핑기법을 개발하여 적용하였다. 이러한 연구결과는 독자적 구성 방법론들로서 토목공사의 4D시스템 적용을 활성화하기 위 한 도구로서 적용이 기대된다.

핵심용어 : 4D CAD시스템, 4D객체, 몰핑기법, 멀티텍스쳐링, 건설정보분류체계

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1. 서 론

일반적으로 공정관리 등의 전산화된 건설관리시스템들은 공사 진도정보 , 기성정보 , 자원관리정보 등의 다양한 정보들 을 공사관리자에게 제공하고 있으나 , 이러한 정보들은 모두 수치적 정보이며 , ^{일부 그래픽정보도} 2 ^{차원 개념의 단순화된}

정보에 그치고 있으므로 , 주요 의사결정 도구로서의 활용성 이 저하되고 있다 . 특히 최근 건설정보화 도구들의 급속한 실무 적용으로 건설공사 관리측면에서도 시각화된 정보활용 요구들이 발생되고 있는 점을 고려하면 , 공사관리분야에서 가장 시각화된 정보들이 요구되는 공정관리업무에서 공정 진 도정보의 시각화는 필요성을 갖게 된다 .

이러한 점에서 최근 4D CAD 시스템에 관련된 다양한 제

품들이 개발 중에 있으며 , ^{국내외에서 개발 중인} 4D ^시스템

들은 기능면에서 다소간의 차이가 있으나 , 모두 건축 및 플 랜트시설 위주의 수직적 , 인위적 부위의 4D 구현 체계들이다 .

그러나 토공 , 도로포장 등과 같은 수평적 , 자연적 지형조건 으로 구성되는 토목시설물공사에 대해서도 시각화된 공정정 보의 표현은 절대적으로 필요한 부분이므로 , 토목분야의 4D

활용성을 높일 수 있는 시스템 구축 방법론이 요구된다 .

본 연구는 공사일정과 3D 도면정보가 연동되어 기간별 시 설물 완성상태가 3 차원으로 실시간 시뮬레이션 (Simulation)

될 수 있는 4D 공정관리시스템을 개발하는 것이며 , 특히 국 내외 유사시스템의 조사연구를 통해 개발사례가 미흡한 토

*정회원·경상대학교토목공학과

,

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(E-mail : [email protected])

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(E-mail : [email protected])

목시설물에 대한 멀티미디어 기능의 4D시스템을 구축하고자 한다. 이를 위하여 토공사를 포함하는 자연지형의 4D구현과 광역현장 4D구현, 토목시설 정보분류체계 중심의 4D정보관 리체계구성 방법론을 개발하여 관련 시스템을 구축한 후, 실 무적 활용성을 검증한다.

2. 국내외 4D시스템 개발현황

4D시스템은 미래의 시설물 완료상태에 대한 불확실성과 공 정수순의 오류 등이 시각적으로 확인 가능하므로, 건설관리 분야의 전반적 업무효율 향상을 기대할 수 있다. 그러나 현 재 발표된 국내외의 4D시스템들은 경과일정에 대한 완료상 태의 표현에 치중하여, 기존 공정관리시스템이 제공해온 공 정진도관리 등의 전통적 결과들에 대한 정보제공이 취약하 므로, 현장 실무진에게는 활용성이 저하될 우려가 있다. 즉, 4D시스템의 실무 활용성 증대를 위해서는 기존 2D공정관리 체계에서 제공하지 못하는 다양한 공정정보들을 실무진에게 표현할 수 있는 부가기능들이 요구된다.

본 연구와 관련된 4D시스템은 DDR(DDR, 2005), 벤틀리 (벤틀리, 2005), 엘콘(엘콘, 2005) 등의 국내기관에서 유사 시스템 개발을 시도하고 있으며, 이들 시스템의 조사결과 각 시스템은 4D의 순수기능보다 건설통합시스템 위주로 구성 중에 있는 것으로 파악되었다. 이러한 이유로 4D 기능들은 3D도면에 의한 물량산출 및 3D도면의 구조해석 통합 기능 등과의 연계에 중점을 두고 있다. 따라서 이들 시스템이 갖 고 있는 4D의 기능은 건설 통합시스템내 일부 기능으로 수 행되어 일정대비 완성상태의 시뮬레이션 기능위주로 구성되 어 있으며, 상대적으로 4D외에 구조해석, 물량산출에 의한 적산자동화 등에 효과적인 것으로 분석되었다. 이외에 일부 시공사 등에서 사용하고 있는 4D시스템은 자체 엔진 개발이 아닌 상업용 시스템들의 시뮬레이션 기능을 이용하여 자체 공정정보를 연계하여 사용하는 사례들로 파악되고 있다. 현 재까지 토목공사 적용을 목적으로 실용화되고 있는 4D시스 템은 파악하기 곤란하며, 해외 시스템의 경우도 건축 및 플 랜트분야에 일부 상품화된 사례들이 있으나, 통합시스템내에 일부 포함된 기능으로서 프로젝트베이스로 운영 중에 있는 시스템이므로 실용화 정도는 평가할 수 없는 부분이다.

해외에서 개발된 4D CAD시스템 및 관련 연구동향은 기 존 논문(강인석, 2002)에서 상세히 파악된 바 있으며, 이러 한 연구이외에도 3D객체의 공정대안 생성에 의한 4D정보갱 신 작업의 간편화를 시도한 연구(이재철, 2004) 등이 발표된 바 있다.

이러한 기존 4D시스템의 건설관리측면 실무 활용성을 일 정과 도면정보 연계 등의 4D정보활용성, VR 연계 등의 멀 티미디어 연계성, 토목시설물 활용성, 진도관리 등의 건설관 리 기능 연계성 등으로 구분하여 표현하면 그림 1과 같다.

그림 1에서 수치는 4D시스템이 현재의 2D공정관리시스템을 대체하기 위해 요구되는 기능수준을 100%로 간주할 때 현 재의 기능수준을 수치화한 것으로 본 연구과정에서 파악된 개발동향 분석결과에 의해 개략적으로 수치화 한 것이다.

이와 같은 일부 개발 중 또는 발표된 4D시스템 및 연구 문헌들은 건축공사 및 플랜트 시설물을 대상으로 하는 일정

연계 기능의 공정관리 중심 내용들이므로, 본 연구에서 구축 하고자 하는 토목시설물을 대상으로 하는 자연지형조건의 4D구현 방법론과 토목시설물의 진도관리 시각화 구현 등의 기능을 갖는 4D시스템 구축과 차별성을 갖게 된다.

3. 토목시설물을 위한 4D시스템의 구성 방법론

3.1 토목시설물 4D객체화 특징

건축시설물은 수직적, 반복적으로 작업이 진행되어 3D객 체 구성이 비교적 용이하고, 각 객체의 모양은 기둥, 슬래브 등의 정형화된 인위적 형상으로 구성되어 CAD작업의 편리 성을 가질 수 있다. 또한 일정과 연계된 4D객체 구현시에도 활동(Activity)과 3D객체가 수직적 공정진행형상으로 연계되 므로 완성상태의 시각적 연속구현이 용이하다. 반면에 토목 시설물은 비반복적 부위들로 구성된 수평적 작업들로 진행 되므로 4D구현 방법론의 차별화가 필요하며, 또한 토공사 작업의 4D구현시에는 삼각망 구성에 의한 자연지형의 4D객 체구현 방법론과 성토/절토 작업형상에 따른 지형변화 형태 를 일정별로 객체화하기 위한 방법론 등이 필요하다. 이러한 방법론은 건축시설물을 대상으로 하는 기존 시스템의 기능 으로는 구현할 수 없는 방법론들이며, 토목시설물이 갖는 고 유의 4D구현 방법론을 필요로 한다. 이러한 이유로 기존에 토목시설물을 대상으로 하는 4D시스템은 구현된 사례가 없 으며, 본 연구에서는 제시된 방법론들에 기초하여 실용화 단 계의 시스템을 구현하고 있다.

3.2 수평적 시설물의 4D구현 방법론 구성

도로, 철도 등의 토목시설물에서 토공, 포장, 터널공 등의 주요 공종들은 광범위한 작업구역에 걸쳐 수평적으로 작업 이 진행되고, 동시에 교량 등의 교각구조물은 수직적으로 작 업이 진행되는 양면성을 갖고 있다. 이러한 점은 수직적 작 업위주의 건축시설물과 비교할 때, 4D객체의 연속구현시 시 각적 효과의 완성도를 높이기 위해서 수평/수직적 구현이 모 두 가능한 4D구현 방법론을 필요로 한다.

기존 4D시스템에서 구현하고 있는 수직적 작업에 대하여 는 문제될 사항이 없으므로, 본 연구는 수평적 작업에 대한 구현방법을 구성하는데 중점을 두고 있으며, 선형적으로 작 업이 진행되는 경우를 수평적 작업역(Horizontal Work Space)이라 명하고 있다. 즉, 도로, 철도 등의 수평적 시설 물들은 선형적으로 시설물 전체를 펼쳐놓은 후, 임의 구역을

그림 1. 기존 4D시스템 기능별 활용현황

수평적으로 선택하여 해당 구간의 4D구현이 가능하다면 토 목시설물의 실제 작업상황에 적합한 4D도구로서 활용성을 가질 수 있다.

도로나 철도시설 공사의 실제 작업현장에서 공사 진행절차 를 분석하면 선형 진행방향에 따라 수평적으로 공구를 분할 하여 작업이 진행된다. 즉, 토공, 포장 구간은 물론 터널구 간도 100-200M 단위의 공구로 구분되어 작업이 진행되며, 각 공구의 시공수순은 토공에서 쌓기와 깎기가 몇 단씩 반 복작업으로 구성되고, 터널의 굴착, 복공작업 역시 공구개념 으로 진행된다. 본 연구에서는 이러한 수평적 공구분할 형태 를 표현하기 위해 그림 2와 같은 블록(Block)개념을 도입하 였다.

그림 2는 교량, 터널 등을 포함하여 고속도로공사가 진행 중인 실제 건설현장 자료를 이용하여 공구분할 사례를 블록 으로 구분한 모양이며, 각 블록은 노선측량된 측점별로 구분 된다. 즉, 토공 1구간은 STA.0+000-STA0+244까지 244M이 며, 연화2교 블록은 STA.0+244-STA.0+334까지 약 90M 구간으로 구분됨을 표현하고 있다. 즉, 본 연구에서는 이러 한 수평적 시설물들의 4D구현을 위해 시설물을 노선측량 측 점별로 선택적으로 블록으로 구분하여 해당 블록의 4D객체 들을 집합적으로 관리하는 방법론을 시도하고 있다. 이러한 방법에서는 한 블록을 구성하기 위한 개별 활동들의 4D객체 와 블록전체의 4D객체를 그룹화된 정보로 활용하게 되어, 일정과 3D객체정보의 연계작업시에도 측점번호별로 수평적 으로 일정범위를 선택하여 4D객체를 구현하게 된다.

즉, 도로의 전 구간을 4D화면상에 수평적으로 펼쳐 놓은 후, 사용자는 측점위치별로 수평적 범위를 선택하여 원하는

구간의 4D객체를 구현할 수 있도록 하는 방법이다. 실제 시 스템 구현시에 이러한 개념은 시점부터 종점까지의 토공, 개 착식 터널, NATM, 교량구간을 측점별 세부 블록개념으로 구분해 놓은 후, 마우스로 해당 블록을 클릭하면 선택된 블 록의 4D객체가 수평적으로 구현되는 개념이다.

그림 3에서 좌측 그림은 주요 공종별로 수평 측점구간을 선택한 모습이며, 우측 두 개의 그림은 선택된 측점구간에 대한 4D구현 모양을 나타내고 있다.

수직작업 위주의 4D체계에서 토목공종 수평작업의 4D객 체화를 위해서는 3D객체의 수평적 연결 작업과 선형에 따른 지형변화 모습의 표현이 곤란하다. 본 연구에서는 이러한 문 제점을 해소하기 위해 토목시설물 공사진행이 측점별로 진 행되는 점을 고려하여, 측점별 블록개념에 의한 수평적 4D 구현 방법론을 제시하고 있다.

3.3 자연지형 4D객체화를 위한 지형삼각망 구성

기존의 건축시설물 4D구현과 달리 선형적인 토목시설물의 4D구현 시에는 자연지형의 표현을 위한 삼각망 자동 구현기 술이 필수적으로 요구된다. 즉, 건축시설물의 4D구현 시 요 구되는 3D객체들은 모두 자연적 지형조건과 관계없는 인위 적 부재들로 구성되므로, 3D 객체의 구성은 길이, 두께, 면 적, 형상 등의 일반적인 속성(Attribute) 정보만으로 표현될 수 있다. 반면에 토목시설물은 대부분의 공종에 토공사 (Earthwork)가 상당부분을 차지하고 있으며, 이러한 토공 작 업들 역시 개별 작업별로 정해진 일정에 따라 완성상태를 시 각화해야 하므로, 개별 작업별 절성토의 작업물량 할당 및 할 당된 작업물량에 대한 3D객체화가 용이하지 않은 점이 있다.

이러한 토공작업 표현을 위한 지형삼각망 구성은 해당 원 지형을 불규칙적인 삼각망으로 표현하는 방법이 일반적으로 이용되고 있으며, 본 연구에서는 불규칙삼각망을 구성하기 위한 방법론으로 델로니(Delaunay)삼각망구성 이론(Michael, 1998; Agterberg, 1997; Terje Midtbo, 1993)을 이용하고 있다. 특히 본 연구에서는 기존의 델로니 삼각망 구성시 각 좌표값에 삼각망의 면 구성을 위한 별도의 속성을 부여하는 방법을 도입하였다. 이러한 방법은 기존 삼각망기법의 이용 시에 토공과 교량, 터널 등의 구조물 객체가 동일한 속성으 로 표현되어 설계 객체간 구분이 곤란하였던 점들을 보완하 는 방법으로 이용될 수 있다(강인석, 2005). 즉, 제시된 방 법에서는 교량, 터널구간을 토공구간과 분리하여 별도의 속 성으로 구분할 수 있으므로, 본 연구에서 적용하는 4D구현 및 가상현실 활용시 보다 시각화된 객체정보를 제공할 수 있다. 설계객체별 별도의 속성으로 표현된 삼각망구성 모양 그림 2. 수평적 작업역 구성을 위한 블록구분 개념

그림 3. 수평적 작업역 4D구현 수평메뉴 구성도

은 그림 4와 같다.

그림 4에서는 토공구간의 절토, 성토구간이 각각 적색과 황색으로 구분되어 있으며, 원지반의 형태는 녹색모양의 삼 각망으로 구성되어 있다. 이러한 지형 삼각망의 구분은 삼각 망 구성시 설계객체별 별도의 속성을 부여한 결과로서 표현 이 가능한 것이다.

또한 지형삼각망을 4D에서 구현하기 위해서는 계획삼각망 과의 합성작업이 필요하다. 지형삼각망은 자연지형의 수치지 도상에 나타난 기본적 개념의 삼각망이고, 계획삼각망은 토 공사 등을 위한 공사계획단면이 통과되는 지역의 삼각망을 의미한다. 실제 공사단면을 삼각망에서 표현하기 위해서는 이들 두 개의 삼각망을 합성해야 하며, 삼각망을 합성하기 위해서는 상호간의 경계를 수작업으로 조정해 주는 등의 많 은 세부작업들이 요구되나, 본 연구에서는 이 과정을 자동화 할 수 있는 방법으로 멀티텍스쳐링(Multi-texturing) 기법을 개발하여 적용하고 있다.

양 삼각망의 합성을 위하여 현재까지 시도되었던 방법은 원지반에 대한 지형삼각망을 수치지도로부터 생성하고, 완성 하고자 하는 계획삼각망을 작성한 다음, 지형삼각망 위에 계 획삼각망을 위치시킨 후, 중복되는 부분의 지형삼각망을 부 분적으로 삭제하고 연결부위에 대해서는 각 지점별로 수작 업에 의해 삼각망을 연결 구성하는 방법을 사용하여 왔다.

이러한 작업에 소요되는 기간은 하나의 대형 프로젝트에 대

해 상당한 기간이 소요되었던 것이 지금까지의 현실이다. 본 연구에서 제안하는 멀티텍스쳐링 기법은 양 삼각망의 합성 을 투영방법으로 처리함으로서, 별도의 경계부분 제거 작업 을 생략화하여 합성작업량을 감소시킬 수 있다.

그림 5는 양 삼각망을 합성하는 과정으로서, 멀티텍스쳐링 이 적용되지 않은 것(그림 5의 위)과 적용된 것(그림 5의 아래)을 비교하여 도시하고 있다. 즉, 상단의 기존 방법에서 는 지형삼각망에 의해 절토부위가 가려져 표현됨으로써, 절 토부위의 위치 및 형상파악이 곤란하나, 멀티텍스쳐링 방법 에서는 가려진 절토부위가 투영되어 표현되도록 함으로써, 절토부위의 설계객체 표현을 용이하게 하고 있다.

3.4 토공작업 4D객체화를 위한 몰핑기법 구성

기존 4D시스템 구현방식인 3D 객체 단위의 순차적 생성 방식으로 토목시설물 공사의 토공구간을 표현한다면, 자연지 형에 해당하는 삼각망과 계획단면에 해당하는 삼각망의 차 에 해당되는 체적을 3D 객체로 생성하여야 한다. 그러나 자 연지형과 계획단면의 차에 해당되는 체적을 하나의 3D 객체 로 생성하면, 최초 원 지반과 최종 완성 단면의 두 단계만 을 시각적으로 확인할 수 있게 되므로, 전체 공사기간의 상 당부분을 차지하는 토공작업의 진행과정을 시각적으로 파악 하는 것은 불가능하게 된다. 이러한 세부 작업진행과정을 표 현하기 위해서는 단면 차로부터 생성된 3D 객체를 작업 진 행에 따른 형태 변화와 유사한 체적의 변화에 해당하는 3D 객체들로 분할하여 생성하는 보다 효율적인 방법이 요구된다.

본 연구에서는 이러한 토공작업구간의 3D객체 생성을 위 해 몰핑(Morphing)기법을 도입하여 적용하였다. 몰핑이란 객 체와 변하고자 하는 최종 객체간의 기하학적 원리를 이용하 여 변형되는 형태를 구현하는 의미로서, 본 연구에서 적용한 몰핑방법은 그림 6과 같다.

그림 6의 좌측과 같이 일반적인 몰핑개념에서는 토공작업 구현시, 수직방향의 양 끝점간의 거리를 n등분하여 최종점에 도달하게 되므로 실제 작업이 진행되는 형상과 차이를 가지 게 된다. 즉 실제 토공작업의 진행은 그림 6의 우측과 같이 중력방향과 직각을 이루는 수평층의 형상으로 단계적으로 진 행되므로, 본 연구에서는 그러한 형상으로 작업진행과정을 구현하였다. 구체적으로 절토 또는 성토 단면에 대하여 지형 삼각망과 계획삼각망 중 최고점과 최저점 간의 거리차를 단 계 구분을 위한 수(n)만큼 등분하여 모든 시작점에서 각 단 계별 수준에 평행하게 토공작업이 진행되도록 하였다. 또한 단계별 진행 단면이 최초 자연지형이나 최종 계획단면과 만 나는 지점 바깥부분에 대해서는 그들 단면의 삼각망이 대체 되는 구속조건 등을 부여하였다. 그림 6의 우측은 이러한 그림 4. 4D구현 시 면처리 속성부여에 의한 지형삼각망 표현 예

그림 5. 멀티텍스쳐링 적용 전·후 화면 비교 그림 6. 몰핑기법의 토공구간 4D모델 적용

개념을 도식화한 것이다.

그림 7은 변형 몰핑기법이 구현된 횡단도면의 3D 모델 생성과정과 3D 모델의 시뮬레이션 화면으로서, 성토체가 공 사 진행단계별로 일정부분씩 완성되는 모습을 표현하고 있다.

3.5 광역현장관리를 위한 4D구현 간편화 방법론

도로, 철도, 택지조성공사 등과 같이 개별 프로젝트의 공 사연장이 길고 현장이 광범위하게 진행되는 경우에는, 세부 구조물 단위 또는 주요 공정만의 공정관리이외에, 일정 구간 및 광역구역 전체의 공정관리 현황을 파악해야 할 필요성이 있다. 본 과제에서 수행하는 4D시스템은 이러한 구간 및 구 역별 광역단위의 전체 공정진행현황을 4D로 구현할 수 있는 키맵(Key Map) 기능을 구성하여, 공사관리자가 선택하는 수 준별 공정관리가 가능하도록 하며, 이러한 기능은 프로젝트 전체의 공사관리의 효율성을 대폭 향상시키는 효과를 갖게 된다.

3.6 정보분류체계에 의한 4D정보관리 표준화

4D 시스템은 초기정보인 공사일정, 도면, 비용 등과 생성 정보인 4D객체정보 등의 다양한 자료를 이용하므로, 효율적 정보관리를 위해서는 활용정보들의 중심체 역할을 도입할 필

요가 있다. 본 연구에서는 코드화된 건설정보분류체계(Work Breakdown Structure, WBS)에 의한 정보중심체 기법을 4D 시스템의 모든 기능에 적용하여, 모든 4D 구현 기능은 분류 체계의 코드를 기준으로 연동하여 구현되는 방법론을 도입 한다. 정보분류체계는 건설교통부 통합분류체계를 근간으로 확대 분류한 분류체계를 완성하여 4D시스템에 표준정보원으 로 활용한다.

기존에 일부 개발 중인 4D시스템들은 일정과 도면 정보관 리를 각각의 코드체계로 관리하므로 4D구현시에 이들의 연 계를 위해서는 별도의 연계코드와 연계작업을 필요로 하게 되며, 이러한 과정은 4D시스템의 정보입력을 과다하게 하여 활용성이 저하되는 요인이 되고 있다. 본 연구에서는 표준 건설정보분류체계를 4D정보의 정보중심으로 하여 일정 및 도면정보를 공통코드로 관리하는 방법을 도입하여 별도의 연 계작업을 대폭 감소시키는 방법론을 시도하고 있다.

4. 토목시설물 4D시스템 기능별 구현기법 구성

4.1 기본적 4D구현기능 및 4D객체 구성방법론

앞서 언급한 일정정보 구성 및 3D객체 구성방법에 근거하 여 본 장에서는 실제 4D객체를 구현하는 시스템을 개발하며, 그림 7. 몰핑기법에 의한 토공구간 3D모델 생성과정

그림 8. 4D Planner의 기본 기능구성

개발된 도구의 명칭은 V-CPM(Virtual Construction Project Manager) 으로 명명하고 있다 . V-CPM 은 Visual Basic 기반으 로 구성되어 있으며 , 공정관리기능과 WBS 코드 시각화를 위 해 내부적으로 Netronic Barchart XGANTT3.0 및 Startree

도구의 기능을 도입하였다 . 4D 도구에서 핵심적 기능은 3D

객체와 4D 객체를 연계하는 4D Simulator 역할이 되며 , 연 구에서 구성한 4D 시스템의 기본적 기능 구성도는 그림 8 과 같다 .

그림 8 은 V-CPM 의 종합적 기능구성화면이며 , 크게 상단

의 4D 객체 구현 , 우측의 WBS 분류코드 , 하단의 일정구현정 보 등으로 구성된다 . 기존의 4D 시스템에서는 일정생성과 3D

객체생성을 위해 외부의 별도 공정도구와 CAD 도구를 이용 해 일정정보 및 3D 객체를 만든 후 4D 시스템에 있는 연계 도구를 이용하여 4D 객체를 생성하는 것이 일반적 방법이다

( 강인석 , 2004). 반면에 V-CPM 에서는 일정 및 3D 객체를 외부의 관련 도구없이 4D 시스템내에서 자체적으로 생성할 수 있는 엔진을 구성하였으며 , 이로써 공정도구와 CAD 도구

없이 V-CPM 만으로 4D 객체를 생성시킬 수 있다 .

4D ^{객체의 생성방법은 이와 같이 시스템 외부의 도구를 이}

용하는 방법과 내부에서 통합된 도구를 이용하는 방법으로 고려할 수 있다 . 외부의 도구를 이용하는 방법에서는 다양한 공정관리도구와 CAD 도구를 이용하여 개별 객체구성의 편리 성을 가질 수 있고 , 기존에 해당 도구를 이용하여 구성된 공정 및 도면 객체를 활용할 수 있으므로 활용상의 일부 편

리성을 갖고 있다 . 본 연구에서 제시하는 V-CPM 은 이러한

외부 도구에서 작성된 공정 및 3D 객체를 사용하는 방법과 내부 통합도구에서 자체적으로 4D ^{객체를 생성하는 방법론}

모두를 적용할 수 있도록 구성하였다 . 이러한 일정 및 3D 객 체의 외부 도구 활용 및 자체생성기능의 동시 적용방법은 건설공사용 4D 시스템 개발에 주요 대표기능으로 활용될 수 있을 것이다 .

그림 8 에서와 같이 4D 객체를 구성하기 위해서는 데이터베

이스 형태 (mdb 파일 ) 로 저장되어 있는 4D 모델을 불러오게

되며 , 구현된 4D 모델에 대한 데이터베이스 파일은 표준 WBS

정보 , ^일정정보 , 3D ^모델정보 , ^{진도관리정보 등을 관련 데이}

터베이스 테이블로 가지게 된다 . 일단 데이터베이스 파일을 열면 해당 프로젝트에 대한 전체 일정정보가 아래의 스케줄 창에 로드되고 3D 모델 창에는 지형삼각망정보를 로드한다 .

다음으로 ‘4D-Object 생성 ’ 명령을 수행시키면 , 스케줄 창에 있는 공종만큼의 계획삼각망 3D 모델을 구성하게 되며 , 이로 써 전체 4D 모델의 구성이 완료된다 . 기존 4D 파일의 데이 터들은 파일 오픈시에 선택적으로 로드할 수 있으며 , 파일을 불러오는 단계에서는 해당 프로젝트의 WBS 파일 , 일정정보 파일 , 3D 객체정보 파일을 동시에 내부적으로 갖고 와서 4D

구현시에는 이들을 연계하여 해당 기간동안의 4D 객체 정보 를 구현하게 된다 . 또한 진도관리를 위한 진도정보와 기타

4D 관련 정보들도 동일한 프로젝트 이름으로 저장되어 프로

젝트명을 호출하면 관련 정보들을 일체화하여 호출할 수 있 는 체계이다 .

4.2 일정기간별 4D구현기능

이러한 4D 구현기능은 공사기간 전체에 대한 4D 객체 연속

구현기능이 기본이며 , 공사관리자가 요구하는 임의기간에 대 한 4D 구현기능도 요구된다 . 이러한 임의기간별 4D 구현기능 은 공정관리에서 집중관리가 필요한 공종 또는 지연이 예상 되는 특정기간의 관리 등에 대해 유용한 관리도구가 될 수 있다 . 임의기간별 일정관리기능을 상세히 표현하면 그림 9 와 같으며 , 사용자가 일정기간을 입력하면 해당기간동안의 완성 상태가 경과일정대비 구현되도록 구성하였다 . 선택된 일정은 마우스조작만으로도 작동되며 , 원하는 기간까지 드래그시 해 당기간동안의 객체 시뮬레이션이 구현되도록 하였다 .

4.3 WBS 수준별 4D객체 구현 기능

V-CPM 은 해당 프로젝트에 대한 표준 WBS 코드체계를

4D 시스템내에 내장하여 일정 및 3D 도면정보 등의 연동을 위한 공통정보로서 적용하고 있다 . 따라서 표준 WBS 코드체 계에서 부분적으로 선택한 일부공종에 대해서만 4D 객체를 구현할 수 있는 기능을 포함하게 된다 .

이와 같이 본 연구에서는 4D 구현을 위한 정보연계방식을

WBS 중심의 연동체계를 적용함으로 인하여 , 복잡한 일정객 체와 3D 객체의 별도연계과정을 생략하면서 , 공정수준별로 원 하는 구조물 및 부위단계의 4D 객체를 선택적으로 구현할 수 있는 방법론을 구성하였다 .

즉 , 사전에 4D 시스템 내부에 표준적인 공사 정보분류체계 를 내장파일로 구성한 후 , 4D ^{시스템의 모든 기능구성을} WBS 를 중심으로 진행되도록 하는 방식이다 ( 강인석 , 2004).

일정관리를 위한 일정정보 구성을 위해서는 사전에 제공되

는 WBS 코드와 작업명을 기준으로 일정정보를 직접 구성하

고 , ^{도면정보 구성시에도 시스템에서 제공되는} WBS ^코드를

중심으로 해당되는 도면 객체정보를 저장해 놓게 된다 . 이러 한 방식에서는 일정정보와 도면객체정보가 모두 동일한

WBS 코드를 중심으로 저장되므로 , 4D 구현시에 별도의 연계

작업이 필요없이 자동 연동되는 체계가 된다 . ^즉 , WBS ^의

개별코드별로 일정정보를 연계하고 , 역시 동일한 WBS 코드 에 대하여 관련된 3D 객체정보를 연계하므로 , 일정정보와

3D 객체정보는 별도의 링크작업이 없이 4D DB 내에 WBS

코드기준으로 상호간 연계체제가 자동 구성되는 효과를 갖

게 된다 . V-CPM 은 WBS 코드를 내장화하여 저장하고 있으

그림 9. 일정기간별 4D구현 방법

므로, 도면객체와 공정객체의 생성시기와 관계없이 각 객체 가 생성될 때 관련 부위의 WBS코드를 내장DB에서 호출하 여 연동시키게 된다. 이러한 부분은 기존 시스템에서 일정정 보와 3D객체를 4D시스템 내 도입 후, 별도의 링크기능에 의해 양자를 연결해주는 번거로움을 피할 수 있으므로, 초기 입력정보를 상당부분 감소시킬 수 있는 기능이 된다.

특히 연구에서는 WBS의 분류코드를 시각화할 수 있는 도 구(Startree)를 연계하여 그림 10과 같이 시각화된 분류코드 를 수준별로 표현할 수 있도록 하였다. 또한 그림 10의 우 측과 같이 시각화된 분류코드에서 직접 코드의 해당 3D객체 모양을 열람할 수 있도록 하여, 분류코드의 실무적 활용도를 높일 수 있도록 하였다.

그림 11의 우측상단은 시스템에 내장된 표준 WBS코드에

서 교량구간 (연화교)에 대한 코드를 드래그 한 후, 교량구 간의 구성 공종만에 대한 4D객체를 구성하는 과정을 보여주 고 있다. 또한 우측 하단에는 선택된 WBS코드의 4D객체를 사용자가 임의 기간별로 마우스로 드래그하여 완성상태를 수 작업으로 시뮬레이션할 수 있는 기능을 보여주고 있다. 이러 한 WBS 수준별 코드 선택에 의한 부분적인 4D구현은, 특 히 전체 프로젝트 규모가 방대할 경우에 집중적인 관리를 위해 부분적인 4D구현이 필요한 상황에서는 매우 유용한 기 능으로서 활용될 수 있는 부분이다.

이러한 WBS코드 선택에 의한 부분적인 4D구현은 한 개 의 공종에 대해서도 가능하며, 상위수준의 WBS코드를 선택 할 경우에는 그 하위수준의 공종들을 모두 함께 가져가므로, 그림 11의 좌측에서와 같이 특정 공간 수준 (예로서, 토공구 간, 교랑, 터널 등)의 4D객체를 구현할 수 있게 된다.

WBS코드에서 원하는 부위의 공정을 선택적으로 드래그하면 일정정보 역시 선택된 공정에 대한 하위 활동들의 일정정보 만을 표현하고 그에 대한 4D객체를 구현하므로 부위 및 구 간별 집중관리가 가능하게 된다.

4.4 수평작업역의 4D 구현 기능

도로공사를 예로 들면, V-CPM에서는 도로의 전 구간에 대한 주요공종을 4D구현 화면상에 수평적으로 펼쳐 놓은 후, 사용자는 수평적 공종메뉴에서 원하는 구간의 4D를 구 현할 수 있도록 하는 방법론을 도입하였다. 즉, 시점부터 종 점까지의 전 구간을 실제 작업 상황에 따른 토공구간, 개착 식 터널구간, NATM구간, 교량구간개념으로 구분해 놓은 후, 마우스로 해당구간을 클릭하면 구간의 4D구현이 수평적으로 구성되는 개념이다.

그림 12는 4D시스템에서 수평작업역 구간을 선택하여 해 당 구간의 4D객체를 로드하는 과정을 보여주고 있다. 그림 에서와 같이 사용자는 우측상단 창에 로드된 전체구간에서 원하는 수평작업역 구간을 마우스로 드래그 하여 선택한 후, 수평작업역 스프레드시트 창에서 ‘수평작업역’ 명령을 하여 선택된 수평작업역내의 3D객체에 해당하는 WBS코드를 로 드하게 되며, ‘4D-Object생성’ 명령을 하면 수평작업역에 대 한 4D객체 생성이 완료된다. 그림 12는 수평작업역 구간으 로서 사례프로젝트의 종료시점부 토공구간을 선택하여 객체 구성을 완료한 결과이며, 그림의 하단부에는 선택된 수평작 그림 10. 4D객체 표현의 WBS코드 시각화 기능

그림 11. WBS코드 수준별 4D객체의 구현기능

그림 12. 수평작업역의 4D객체 구현과정

업역에 대한 공사일정표가 표현되어 있다.

본 연구에서 개발한 V-CPM에서는 이처럼 수평적으로 진 행되는 노선의 진행방향에 대하여 간단한 마우스 조작으로 해당 구간의 4D객체를 생성할 수 있으며, 해당구간의 정교 한 선택이 가능하도록 수평작업역 창에서의 공종코드들을 삭 제 또는 추가할 수 있도록 하였다.

4.5 광역 현장의 종합적 공정관리를 위한 키맵 기능 기존 4D공정관리도구들은 독립구조물단위의 일정관리를 기 준으로 구성되어 있으므로, 택지조성공사 등의 광역현장에서 대단위 공구별 또는 구역별로 종합적 4D구현기능이 부재한 실정이다. 즉, 대단위 택지조성공사를 예로 들면, 개별 공구 내에 수개의 구조물과 다수의 교량 및 토공사구간이 포함되 어 있을 때 해당 공구전체의 작업현황을 종합적 4D객체로 구현하여 공구 전체 공정진행상태가 시각화되는 기능이 구 성된 사례가 없다. 그러나 공사관리자 측면에서는 독립구조 물외의 전체 공구별 공정진행현황까지 4D객체로 표현할 수 있다면 프로젝트 전체의 공사관리를 소구조물부터 광역공구 단위까지 탄력적으로 운영할 수 있게 되고, 특히 공구별 종 합공정관리 업무에 매우 유용한 기능이 될 수 있다.

특히 토목시설물은 일정 구역 내에 시공되는 건축 및 플 랜트 시설과 달리, 도로 및 철도시설과 같이 수평적으로 광 범위한 영역에 걸쳐 시공되는 시설물을 4D로 구현하여야 하 므로, 광범위한 영역에 대한 3D모델에서 국부적인 3D객체를 찾아가서 확대 시각화하는 기능이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 부분을 키맵기능을 이용한 광역현장 4D구현방법론으 로 개발하여 시스템내에 구성하고 있다. 개발된 키맵기능에 의하면 수 KM에서 수십 KM에 달하는 도로시설물 공사구 간에 대해서도 그 전체구간에 대한 객체부터 국부적인 공간 또는 부위수준의 4D객체에까지 사용자의 의도에 따라 자유 로이 4D객체를 구현할 수 있게 된다. 그림 13은 이러한 광 역현장의 4D공정관리를 위한 키맵기능을 표현하고 있다.

그림 13에서 키맵창은 우측그림의 상단에 표현된 박스로 서, 키맵창에서 사용자가 마우스로 선택한 부분(그림 13에서 교량구간)의 4D구현 결과가 그림 13의 우측에 표현되어 있 고, 좌측 및 중앙부 그림은 키맵창에서 터널구간 등의 선택 에 따라 해당 구간 전체의 4D구현이 자유로이 구성됨을 나

타내고 있다. 그림 14는 터널구간을 키맵으로 표현한 것으로 터널전체구간부터 터널종점구간 및 갱구부위까지 선택적으로 4D객체를 구현할 수 있음을 나타내고 있다.

즉, 키맵창에는 해당 프로젝트의 전 구간이 표현되고, 마 우스로 적정 구간을 키맵안에서 선택하면 선택된 구간에 포 함된 모든 구조물 및 부위에 대한 종합 4D객체가 좌측 4D 구현 창에 공사일정과 연동되어 구현되는 것이다.

4D시스템의 기본적 기능이 수치적 공정현황정보의 시각화 에 있는 점을 고려하면, 광역현장의 공정진행 상태를 공사관 리자가 요구하는 수준별로 시각화할 수 있는 기능들은 4D 시스템의 활용성을 배가할 수 있는 유용한 방법론으로 기대 된다.

5. 결 론

최근 건설정보화 도구 활용의 급속한 확대를 고려할 때 공정관리 시각화도구의 활용은 적극적으로 검토해야 할 시 기에 있으며, 본 연구는 이러한 시점에 토목공사 4D객체구 현 방법론 및 시스템 개발을 시도하였으며, 연구결론은 다음 과 같다.

1. 연구에서 구성한 4D시스템은 토목시설물의 4D구현을 적 용대상으로 한 방법론으로서, 기존에 자연지형조건하에서 작업이 진행되는 토공사 등의 4D객체 구현 방법론이 제 시된바 없는 점과 상대적으로 토목공사 4D도구 적용이

그림 13. 4D시스템의 광역현장관리를 위한 키맵기능

그림 14. 키맵에 의한 터널구간의 4D객체 구현 (전체터널 → 갱

구부위)

취약한 점 등을 고려하면, 토목시설물 4D시스템 구축의 기본적 방법론으로서 활용성을 가질 수 있다.

2. 연구에서 적용한 토목공사용 자연지형 4D객체화, 토공사 몰핑기법, 수평작업역 4D구현 기능 등은 독자적 방법론으 로 구축하였으며, 이러한 기능들은 실제 토목공사 현장정 보에 의한 검증결과 실무적 활용성을 갖고 있는 것으로 파악되었다.

3. 공정관리 실무적 측면에서는 4D시스템의 기능이 일정대비 3D객체 완성상태의 구현에 중점을 두고 있으므로, 일정 및 3D객체의 연계과정 불편화 등이 문제점으로 제기되고 있다. 본 연구에서는 이러한 객체연계과정의 단순화를 위 해 WBS를 4D시스템 소요/발생 정보들의 정보중심개념으 로 활용하는 방법론을 도입하였다. 이러한 표준분류체계는 WBS DB로 내장하여 4D시스템의 모든 기능에서 정보중 심으로 활용됨으로써, 일정과 3D객체정보의 연계프로세스 에 편리성을 도입할 수 있었다.

4. 대규모의 광역구역에서 동시다발적으로 공사가 진행되는 프로젝트에서는 지엽적 구조물단위의 공정정보와 광역적 공구단위의 공정정보 모두가 요구된다. 이러한 점에서 V- CPM의 광역현장관리기능은 4D시스템의 활용성을 배가할 수 있는 주요 기능으로서, 도로, 철도, 대단위 택지조성공 사 등에 종합적 공사관리도구로서 적용성이 기대된다.

5. 연구에서 개발된 시스템은 지속적인 실무 활용성 확보를 위해, 초기정보의 입력과정과 WBS코드의 연계과정 등이 더욱 간편하게 수행되도록 할 필요가 있고, 특히 3D객체 구성의 편리성 확보 작업은 추가적으로 해소해야 할 과제 이다. 그러나 각종 설계정보의 시각화 요구 등으로 이미 대표적 공사 시설물에 대한 3D객체 표준화 작업이 진행 중에 있고, 2D객체를 3D객체로 변환시키는 도구들이 계 속 개발되는 과정에 있으므로, 2D도면에 근거한 3D객체 구성 과정도 향후 상당부분 간소화 될 것으로 판단된다.

감사의 글

본 논문 내용은 2003년도 건설교통부 핵심기술개발과제 수행결과의 일부임.

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