Development of A Prototype for Wall Formwork Designs using Open BIM

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

거푸집공사비는 건축공사비의 10~15%, 골조공사비의 30~40%로, 건축공사에서 차지하는 비중이 상당하고(Song et al., 2010; Chung et al., 2010), 마감 및 설비 등 후속 공 사에 미치는 영향이 매우 큰 공사이다(Jung et al., 2005).

또한 한국산업안전보건공단에서 조사한 바에 따르면 2004 년부터 2013년까지 발생한 사고 중 거푸집동바리 붕괴사고 는 총 30건으로 총 재해자 138명 중 47명이 사망하였다. 이 는 사고 발생 시 1명 이상이 사망하여 타 공종에 비하여 상 대적으로 재해강도가 높다고 볼 수 있다. 이처럼 거푸집설 계 시 정확한 물량산출과 구조계산은 매우 중요하다.

거푸집공사는 구조물의 형태와 현장조건 등 특성에 따라 거푸집설계를 수행하여야 한다. 기존의 거푸집설계는 건 축설계의 2D 도면을 해석하여 그에 해당되는 건축물 정보

를 확인 및 적용하여 수행되었다. 하지만 이는 거푸집설계 자의 잘못된 도면 해석 또는 건축설계 시 도면의 오류, 누 락 여부에 따라 정확하지 못한 거푸집설계가 될 수 있는 문 제점이 있다. 또한 본 연구에서 조사한 바에 따르면 국내의 소규모 건축물공사에서는 거푸집설계가 거의 이루어지지 않고 있으며, 「가설시설물 표준시방서」에서 규정함에도 불 구하고 현장에서의 거푸집 설치와는 별개로 형식적인 구조 계산서만 제출하는 것으로 나타났다.

이러한 2D 도면 해석을 용이하게 하고 설계, 적산, 시공 의 효율성을 증진시킬 수 있는 3D기반 설계에 대한 관심 이 높아졌으며(Jun & Yoon, 2010), 특히 건축물요소 정 보의 검색, 수정, 변경 등 관리가 용이한 BIM (Building Information Modeling, 이하 BIM)을 활용한 많은 연구가 수행되기 시작하였다. 하지만 대부분 연구들은 3차원 건 축물 모델의 형상을 이용하여 거푸집을 설계하거나(Park et al., 2014) 선정하는(Hanna et al., 1992; Shin et al., 2006; Lee et al., 2010) 방안을 제시하는데 그쳤다. 또 한 국내업체 중에서는 객체기반 3D로 모델링하여 거푸 집 설계 및 물량 산출을 시도하고 있으나 특정 소프트웨어 (Revit, ArchiCAD 등)를 기반으로 수행하는 사례도 있다.

그러나 거푸집 요소들에 대한 정의가 없기 때문에 각 소프

개방형 BIM을 활용한 벽체 거푸집설계 프로토타입 개발

김승권¹·김현주^*·현창택¹·한상원¹

1서울시립대학교 건축공학과

Development of A Prototype for Wall Formwork Designs using Open BIM

Jin, Chengquan

, Kim, Hyunjoo

, Hyun, Chang-Taek

, Han, Sang-Won

1Department of Architectural Engineering, University of Seoul

Abstract :

The formwork cost amounts for a significant proportion of project construction costs. It costs 10-15% of the total construction cost and 30-40% of the frame structure construction cost. In addition, the formwork collapse accidents are frequently causing deaths in the construction industry, and thus, is known to be of relatively high degree of risk. As so, the accuracy of structural calculation and quantity take-off when planning the formwork in a construction project are a very important matter. Accordingly, this study develops a BIM based formwork design prototype, that enables the construction manager to optimize the design through applying the proposed new IFC entities associated with the formwork design. The approach proposed in this study is expected to support the construction manager with accurate quantity calculation and rapid planning and construction. Since this study considered specific small-scale buildings using Euro-form and show the possibility of utilizing BIM entities in the formwork design process, further research is recommended towards the limitations in applying the system to other types of formworks.

Keywords :

Open BIM, Wall Formwork, IFC, Formwork Design, Quantity Take-off

* Corresponding author: Kim, Hyunjoo, Department of Global Construction, University of Seoul, Seoul 02504, Korea

E-mail: [email protected] Received January 22, 2018: revised accepted July 3, 2018

트웨어 내에 정의된 건축물의 객체를 바탕으로 일부 속성 들을 활용하여 모델링을 하는 한계점을 나타낸다. 이러한 문제점으로 인해 각 소프트웨어와 거푸집 설계자의 거푸집 객체에 대한 정의가 서로 달라 호환성에 대한 문제점이 발 생하게 된다.

한편, 개방형 BIM을 지원하고자 buildingSMART에 서는 AEC산업에서 사용되는 주요 소프트웨어 프로그램 들 간 상호 호환할 수 있는 국제표준 데이터포맷인 IFC (Industry Foundation Classes, 이하 IFC)를 개발하였다.

이는 국제표준화기구 ISO (International Organization for Standardization, 이하 ISO)에서 개발한 ISO 10303을 기반으로 구축되었고, 현재 IFC 데이터 스키마에는 782개 의 객체 Entity, 즉 대부분 건축물 요소들의 정보를 담을 수 있는 IFC Entity들이 있다(buildingSMART homepage).

하지만 현재의 IFC에는 거푸집 등 가설시설물 정보를 표 현할 수 있는 Entity가 부재하다. 만약 거푸집 요소를 표현 할 수 있는 Entity 및 객체가 있다면 기존의 2D도면 작성처 럼 BIM 모델을 보다 쉽게 구축할 수 있고, 3D로 표현함으 로써 사용자의 이해도를 향상시킬 수 있으며, BIM 객체기 반 물량산출을 용이하게 할 수 있을 것이다.

따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하 여, 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제안하고, 호환이 가능 한 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 제시하고자 한다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 소규모 건축물의 거푸집공사로 범위를 한정하 고, 거푸집의 종류는 현재 가장 많이 사용되고 있는 유로폼 을 대상으로 범위를 한정한다.

연구의 방법은 다음과 같다.

첫째, 이론적 고찰을 통해 거푸집 일반사항을 고찰한다.

그리고 거푸집공사, BIM 및 IFC 관련 문헌을 조사하여 기 존 선행연구들의 한계점을 도출한다.

둘째, 현재 국내에서 수행하고 있는 거푸집설계의 현황 에 대해 알아본다. 또한 전문가 면담을 통하여 기존의 거푸 집설계에 대한 문제점을 도출하고, 호환성에 대한 해결방 안으로 거푸집관련 IFC Entity를 제안한다.

셋째, 건축물요소의 정보 추출, 거푸집 설계를 용이하게 수행할 수 있는 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’을 개발 하고, 거푸집을 BIM 객체기반으로 설계하는 방법을 제시 한다. 또한 대상사례에 대한 거푸집설계를 수행하여 프로 그램의 기능을 검증하고, 전문가 면담을 통해 그 결과를 평 가한다.

2. 예비적 고찰

2.1 거푸집공사 관련 선행연구

거푸집공사에서 거푸집의 선정은 노무비 및 재료비의 감 소, 콘크리트의 품질 향상 및 거푸집공사 공기 감소에 큰 영향을 미치며, 의사결정 과정에서 오랜 경험을 지닌 공 사관리자의 합리적인 판단이 요구된다. 또한 마감 및 설 비 등 후속 공사에 매우 큰 영향을 미치고, 골조공사비의 30~40%를 차지하는 거푸집공사를 효율적으로 수행하기 위해서는 거푸집의 합리적인 설계가 요구된다. 이에 따라 아래 <Table 1>과 같이 거푸집 선정과 설계에 대한 많은 연 구들이 있었다.

Table 1. Research on formwork

Researcher Contents

Hanna et al.

(1992)

Decision support for formwork selection using expert system Jung et al.

(2005)

Analysis of formwork selection factor and formwork problem

Tam et al.

(2005)

Selection of vertical formwork using probabilistic neural network Shin et al.

(2006)

Selected bottom plate formwork system suitable for Korean situation

Kim et al.

(2006)

Present decision support system for formwork selection Song et al.

(2010)

Analysis of the productivity of frame construction using aluminum form

Kannan & Santhi (2013)

Automatically generate formwork families using Revit 2012 and AutoCAD 2012 Park et al.

(2014)

Creation and utilization of atypical form based on 3D model

선행연구에서 볼 수 있듯이 거푸집공사 관련 선행연구는 대부분 현장 조건에 적합한 거푸집 시스템 선정에 대한 연 구였다. 일부 연구에서 거푸집의 합리적인 설계를 지원하 기 위해 3차원 모델과 BIM을 활용하였지만, 3차원 형상 정 보만을 이용하여 BIM 데이터의 호환성(interoperability) 을 활용하지는 못했다.

2.2 BIM기반 물량산출 선행연구

BIM기반 물량산출 연구 중 거푸집공사에 관련된 연구는 거의 없었다. 주요 연구들을 살펴보면, 물량산출 및 적산을 비롯하여 건설공사를 수행하는데 필요한 제반 자원에 대한 수량과 금액을 산출하여 의사결정에 필요한 정보를 제공하 는 견적 자동화 분야, 3차원 모델에서 물량을 자동 추출하 는 분야에 관한 연구가 진행되었다<Table 2>.

Table 2. Research on BIM based quantity take-off

Researcher Contents

Oh et al.

(2001)

Build an automation system using site information of object-oriented 3D CAD through analysis of

quantity take-off process Lee et al.

(2008)

Automation system for obtaining quantity information from 3D CAD models Joo et al.

(2009)

A Method for Applying Effective 4D Simulation Using Revit quantity Information Jun et al.

(2011)

Analyze the cases of concrete and formwork for increase the efficiency of BIM,

Kim et al.

(2013)

Proposed minimum method of BIM model for quantity take-off by comparing and verifying accuracy of 2D-based estimates and 3D-based

quantity take-off results

이처럼 선행연구를 살펴보면 3차원 CAD 모델로부터 물 량 산출에 필요한 모델의 길이, 높이, 면적과 같은 물량정보 를 불러들이는 방법 측면에서 많은 연구가 수행되었다. 하지 만 이들은 모두 특정 소프트웨어 기반으로 모델 정보가 작성 되었기 때문에, BIM의 목적 중 하나인 정보교환의 호환성이 결여되었고, 또한 아직까지 BIM에서 거푸집에 대한 객체 정 의가 없어 거푸집의 BIM 객체 기반 물량산출은 어려운 실정 이다.

2.3 IFC 관련 선행연구 고찰

기존 IFC정보 활용에 대한 주요 연구들을 살펴보면 아래 의 <Table 3>과 같이 물량산출 및 적산을 위한 정보를 제공 하는 견적 자동화 분야와 데이터 포맷을 변환하여 에너지 시뮬레이션 등에 활용하는 연구들이 진행되었다.

Table 3. Research on IFC

Researcher Contents

Huang (2004)

Development of system to automatically extract quantity information from 3D model using IFC file format Yan

(2006)

IFC, XML, VRML among three types of construction data extraction process

Pa가 et al.

(2009)

Using ontology to propose interoperability at the data level of system collaboration with AEC adjacent sectors

including GIS

Kim et al.

(2012)

Propose the method of extracting the geometry and location of the building contained in the IFC file to improve the efficiency of the loading process and

reliability of the output

Lee et al.

(2013)

Propose a BIM based procescost integrated management framework using IFC to improve the thresholds for fair

cost integrated management

Yoon et al.

(2013)

A framework of the BIM based building energy simulation interfaces enables interoperability between BIM S/W

and existing building energy simulations

Kim et al.

(2016)

Presenting an object-oriented approach to enable material properties to be converted or extended between BIM based

3D design and energy performance management

이처럼 대부분 연구는 IFC의 구조를 연구하여 각 분야에 활용할 수 있게 파일포맷을 변환하거나 IFC 파일에서 필요 한 정보를 추출하는 등 방법을 제안하였다. 하지만 아직까 지 IFC 스키마에는 거푸집에 대한 객체 정의, 즉 거푸집관 련 Entity가 없어 거푸집을 객체기반으로 표현할 수 없는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 객체기반의 거푸집설계를 용이하 게 하기 위하여, 거푸집공사 관련 새로운 IFC Entity를 개 발/제안하고, 상호운용성을 고려하여 개방형 BIM을 활용 한 거푸집설계 프로토타입을 제안하고자 한다.

3. 거푸집설계 현황 및 IFC Entity 제안

3.1 거푸집설계 현황 및 문제점 분석 3.1.1 거푸집설계 현황

본 연구에서는 국내 거푸집설계 관련 매출 5위 업체 내에 서 3곳을 선정하여 거푸집설계 및 물량산출에 관련하여 현 황조사를 실시한다.

1) A사

A사에서는 거푸집설계 시 자체적으로 구축한 Excel 프로 그램을 사용하여 구조검토를 하였고 별도의 거푸집설계 도 면도 없이 현장에서 관리자의 경험으로 물량을 산출한다고 하였다.

거푸집설계 Excel 프로그램은 설계조건, 사용부재, 부재 구조계수, 특기사항 4개 부분으로 나뉘어 구조검토 자료를 구축하고, 콘크리트 타설 속도를 산정하여 거푸집 작용하 중을 계산하며, 이를 바탕으로 유로폼을 검토하는 방식을 적용하였다. 유로폼 검토는 판재 검토, 내·외부 프레임 검 토 및 폼타이 검토로 이루어지며, 수평재 및 수직재의 간격 은 별도로 검토하지 않았다.

2) B사

B사에서는 거푸집설계 시 자사의 2D CAD기반 거푸집설 계 소프트웨어를 사용하여 구조검토를 하였고, 마찬가지로 별도의 설계도면이 없이 현장에서 관리자의 경험으로 물량 을 산출하였다.

2D CAD 기반 거푸집설계 소프트웨어의 구조계산 방식 은 가설공사표준시방서 규정대로 계산을 하지만 합판거푸 집에 대한 구조계산만 할 수 있으며, 합판 종류도 세 가지 밖에 없어 여러 가지 종류의 거푸집설계를 수행하기에는 한계가 있다.

3) C사

C사 Digital BIM을 활용하는 회사로서 BIM기반으로 거 푸집설계를 수행하였다. 모든 거푸집요소들을 BIM 용 프 로그램인 ArchiCAD 기반의 라이브러리를 구축하여 거푸

집설계를 하였으며, 물량산출도 거푸집 요소 객체기반으로 수행하였다.

C사는 모든 건축물 골조에 대한 거푸집 요소의 라이브러 리를 구축하였고, 시공 시 필요한 시공도면을 쉽게 추출하 며, 모든 요소들이 객체 기반이기 때문에 신속하고 정확한 구조계산 및 물량산출이 가능하다. 하지만 C사의 라이브러 리는 ArchiCAD 기반이기 때문에 다른 BIM 프로그램에는 적용하지 못한다.

3.1.2 전문가 면담을 통한 문제점 도출

국내 거푸집설계, 물량산출 및 발주 시 각 이해관계자 간 발생되는 문제점과 활용범위를 조사하기 위해 경력이 7 년 이상인 거푸집업체의 설계담당자 1명, 구조검토담당자 1 명, 경력이 10년 이상인 시공사의 공사담당자 2명, 설계사 무소 설계담당자 1명 총 5명의 전문가를 대상으로 조사하 였다.

전문가 면담을 통하여 도출한 문제점으로는 시방서 규 정의 불명확성, 거푸집설계를 위한 건물정보 참조 어려움, 시공 어려움, 정확한 물량산출 어려움, 3D 모델링 어려움, BIM기반 설계 시 호환성 문제 등으로 나타났다. 이를 요약 하면 아래와 같다.

1) 각종 시방서에서는 유로폼의 판넬, 내부프레임 및 외 부프레임 등 검토사항을 계산하는 수식을 제시하고는 있지 만, 각각의 유로폼들을 연결시키는 연결철물의 치수나 강 도는 명확히 규정하지 않아 구조검토에 문제점이 있다.

2) 현재 거푸집설계는 2D CAD기반으로 수행되기 때문 에 건축물 요소(벽체, 등)의 정보(평면정보, 입면정보, 위치 정보 등)를 참조하기 어렵고, 복잡한 건축물의 거푸집설계 시 설계자의 이해도를 높이기 위해 별도의 3D 모델링을 하 고 있다.

3) 공동주택 등 저층건축물의 거푸집 물량은 공사관리자 의 경험을 바탕으로 건축물요소의 면적 등을 적용하여 산 출하기 때문에, 유로폼의 규격에 따른 정확한 적산이 아니 라 개략적인 적산이 수행되어, 주문 물량부족에 따른 재주 문 및 주문 물량과다에 따른 낭비가 되는 문제점이 있다.

4) 시공 시 또한 상세도면이 부재하여 공사관리자의 경험 을 바탕으로 현장에서 유로폼, 합판 등을 구조계산과는 별 개로 임의로 설치하고 있어 안전성에 문제가 있다.

5) 일부 업체에서 BIM용 소프트웨어를 이용하여 거푸집 을 BIM기반으로 설계하고 있으나, 이는 소프트웨어마다 새롭게 거푸집에 대한 정의를 하여 라이브러리(거푸집요소 관련 합판 등)를 구축해야 하는 어려움이 있다.

6) 또한 소프트웨어마다 라이브러리 정의 및 구축하는 방 식이 달라 호환성이 떨어져서, 라이브러리가 구축되지 않 은 소프트웨어를 이용하여 건축물을 설계했을 때 기존의

라이브러리를 활용하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제안하고, 호환이 가능한 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 개발하고자 한다.

3.2 거푸집관련 IFC Entity 제안 3.2.1 유로폼 부재객체 및 속성정보 분석

유로폼은 판넬, 아웃코너, 인코너, 플랫타이, 폼타이, 웨지 핀, 후크, 장선(수평재), 멍에(수직재)로 8가지 부재가 있다.

유로폼은 부재마다 너비, 길이, 두께, 단면계수, 단면2차 모멘트, 전단상수, 탄성계수, 허용휨응력, 허용전단응력, 허용압축응력 등 속성정보를 가진다.

이러한 유로폼 거푸집 요소들의 속성정보를 바탕으로 각 부재의 규격에 따른 간격 등을 산정할 수 있다.

3.2.2 유로폼 IFC Entity 제안

2장 3절에서 언급했듯이 현재 IFC 데이터 스키마에 는 782개의 건축물 정보를 담을 수 있는 Entity가 있지 만 거푸집 등 가설시설물 정보를 표현할 수 있는 Entity 는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 위에서 분석 한 유로폼 부재를 토대로 거푸집의 요소에 관련된 Entity 를 아래의 <Table 4>와 같이 IfcPlyform, IfcOutCorner, IfcInCorner, IfcWedgePin, IfcTie, IfcFormHook, IfcStud, IfcWale로 8가지 IFC Entity를 제안한다.

Table 4. Formwork IFC Entity

IfcPlyform IfcOutCorner IfcInCorner IfcWedgePin

IfcTie IfcStud IfcFormHook IfcWale

아래의 <Fig. 1>은 본 연구에서 제안하는 거푸집 구성 요소 중 거푸집 판넬에 대한 IFC entitiy의 Express G diagram 예시이다. Express G는 Entity의 정의, 관계 등 을 표시하기 위한 정보모델의 표준 그래픽 표기이다. <Fig.

1>은 8개의 Entity 중에서 Plyform에 관한 Express G diagram을 예시하였다.

위에서 언급한 IFC Entity는 각 요소 객체들에 대한 서 술, 객체들의 유형 및 위치 등과 같은 정보를 담고 있다. 이 것들은 모든 거푸집 객체들의 위치정보와 유형정보를 식별 한다.

설계 시 BIM 툴에서 거푸집에 대한 모델링이 되었을 때, 이러한 속성 값들을 이용하여 기존의 BIM 툴에서 건축물 요소(벽체, 슬라브 등)들에 대한 물량산출을 하듯이 거푸집 에 대한 물량산출을 손쉽게 할 수 있다.

4. 거푸집설계 프로토타입 개발

본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여 개방 형 BIM 표준을 적용하고자 한다. 개방형 BIM 표준 IFC에 는 대부분의 건축물 요소를 표현할 수 있는 Entity들이 있 지만 거푸집공사와 같은 가설시설물에 관련된 Entity가 없 어 거푸집관련 IFC Entity를 제안하였고, ‘BIM기반 거푸집 설계 프로토타입’을 개발하여 객체기반 거푸집설계를 하고 자 한다.

아래의 <Fig. 2>는 본 연구에서 개발하고자 하는 ‘BIM 기반 거푸집설계 프로토타입’의 프로세스를 나타낸 것이다.

건축물 정보 추출, 벽체정보 식별 및 추출, 거푸집설계의 과정을 거치는 것으로 하였다.

4.1 BIM기반 거푸집설계 프로토타입 개발 본 절에서는 앞에서 언급한 프로세스에 따라 Ruby 프로 그래밍 환경에서 SketchUp 2016에 탑재할 수 있는 ‘BIM기 반 거푸집설계 프로토타입’ Plug-in을 개발하였다.

Plug-in은 Trimble사에서 제공하고 있는 SketchUp Ruby API (Application Programming Interface)를 활용 하여 개발하였으며, ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’의 여러 가지 기능을 구현하였다.

아래의 <Fig. 3>은 프로토타입의 메뉴를 나타내고, 그 메 뉴는 IFC 파일 불러오기, IFC 파일 분석, 1층 벽체 생성, 장 선(수평재) 생성, 멍에(수직재) 생성으로 5개의 기능을 구 현한다.

4.1.1 IFC 파일 적재

“IFC 파일 적재”기능을 구현하기 위해 아래의 <Fig. 4>

와 같은 소스코드를 작성하였고, 이를 이용하여 IFC 파일 을 불러오게 되면, BIM용 소프트웨어에서 사전에 구축된 건축물 BIM모델의 모든 정보가 저장소에 저장된다. 이는

“IFC 파일 분석”기능으로 분석하기 위한 준비단계이다.

4.1.2 IFC 벽체정보 추출 및 벽체 생성

본 연구에서는 거푸집 구조계산에서 필요한 벽체의 길 이 및 높이, 개구부의 길이 및 높이 등 여러 가지 정보를 기 존에 정의 되어있는 벽체관련 Entity IfcWall, 개구부관련 Entity IfcOpeningElement 등을 BIM 모델에서 추출하여 거푸집의 구조계산을 수행하였다. 이러한 Entity들은 객체 들에 대한 서술, 객체들의 유형 및 위치 등과 같은 정보를 담고 있고, 모든 건축물요소의 위치정보와 유형정보를 식 별한다.

아래의 <Fig. 5>는 벽체관련 IFC파일 예시이다.

Fig. 1. IfcPlyform Express G diagram

Fig. 2. BIM-based formwork design program prototype process

Fig. 3. BIM-based formwork design program prototype menu

Fig. 4. IFC file loading source code

Fig. 5. IFC file example

위의 <Fig. 5>에서 하이라이트 한 부분은 왼쪽으로부터 IFC Entity 번호, IFC Entity 이름, 각 요소들이 해당 IFC Entity에 저장된 속성정보이다.

본 연구에서는 Ruby 프로그래밍 언어를 이용하여 벽체 의 길이 및 높이 정보를 추출하였고, 다음의 <Fig. 6, 7, 8>

은 IFC 파일과 벽체의 길이 및 높이를 추출하는 Ruby 코드 예시이다.

위의 <Fig. 6>에서 나타나듯이 Entity Ifc Wall Standard Case에는 모델링 툴에서 지정한 벽체 Layer에 속하는 객체 들의 ID 정보가 있고, 그 ID값 들을 탐색하면서, 벽체의 길 이 및 높이 정보를 담고 있는 Entity IfcRectangleProfile Def와 IfcExtrudedAreaSolid를 Entity IfcProduct DefinitionShape와 IfcShapeRepresentation 내의 ID 정 보를 통해 찾는다.

이를 수행하기 위해 아래의 <Fig. 7>과 같은 4개 문단의 Ruby 코드(①, ②, ③, ④)를 사용한다.

아래의 <Fig. 8>과 같이 Ruby 코드(⑤, ⑥)를 이용하여 벽체 길이 및 높이 값들의 리스트를 추출한다.

앞에서 추출된 벽체의 정보를 토대로 아래의 <Fig. 9>와 같은 소스코드를 이용하여 SketchUp에서 벽체를 생성할 수 있다.

이렇게 생성된 벽체는 거푸집설계의 바탕이 되고, 거푸 집설계는 사전에 SketchUp에서 구축된 거푸집 라이브러리 를 이용하여 규격에 따라 손쉽게 모델링할 수 있다.

4.1.3 유로폼 라이브러리 구축

SketchUp 2016환경에서 국내 시중에서 판매되고 있는 유로폼, 인코너, 아웃코너 등 8가지 거푸집의 요소의 규격 에 따라 거푸집설계를 수행하기 위한 라이브러리를 구축하 였다.

아래 <Fig. 10>은 SketchUp 2016에서 구축한 라이브러 리이다.

Fig. 6. IFC wall information extraction

Fig. 8. Wall length and height extraction Ruby code

Fig. 7. ID search Ruby code

Fig. 9. Wall creation source code example

이렇게 구축된 라이브러리를 이용하면 객체기반의 거푸 집설계를 손쉽게 할 수 있다.

4.1.4 BIM 정보기반 거푸집 구조계산

본 항에서는 3장 2절에서 제시한 거푸집 요소의 속성정 보를 바탕으로 거푸집 구조계산을 자동으로 하는 방안을 제시한다.

벽 거푸집의 각 부재는 가설공사표준시방서 4장 1절의 구조설계 순서에 따라 구조검토를 실시하고, 하중흐름 순 서에 따라 거푸집 널, 수직부재, 수평부재, 거푸집 긴결재 순으로 안전성 검토를 통해 거푸집 널 두께, 수직부재, 수 평부재 및 거푸집 긴결재의 간격 등을 결정한다.

본 연구에서는 장선 및 멍에의 재료를 강관파이프로 한 정하였다. 또한 가설공사표준시방서에서는 거푸집이 유로 폼이고 장선, 멍에가 강관일 때 수평띠장 600mm, 수직띠 장 1200mm로 규정하였다. 따라서 본 연구에서는 장선, 멍 에의 간격을 별도로 산정하지 않고 가설공사표준시방서를 따른다.

거푸집 부재 간격은 가설공사표준시방서에서 제시하는 여러 가지 수식으로 산정하되, 콘크리트 단위질량 계수, 첨 가물 계수, 합판의 단면성능, 강제틀 합판 거푸집의 호칭 및 치수, 강제틀 합판 거푸집의 성능, 장선·멍에 강재 구 조적 성능, 거푸집 긴결재의 규격 및 성능을 가설공사표준 시방서에서 정한 규격을 사용하여 계산할 수 있다.

본 연구에서는 위에서 언급한 모든 정보를 데이터베이스 로 구축하지 않았고, 벽체정보를 추출하는 방법만을 제시 하였다.

4.2 사례적용 및 결과

본 연구에서는 ◯◯청소년쉼터 건물을 사례로 적용하였 고, BIM용 소프트웨어 Revit 2017을 이용하여 모델링한 후, 본 연구에서 개발한 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토타입’

을 이용하여 사례건물 1층의 거푸집설계 및 물량산출을 수 행하였다.

아래의 <Table 5>는 ◯◯청소년쉼터의 건축개요이다.

Table 5. Case summery

Devision Contents

Building scale

Building area 194.10㎡

Gross area 480.15㎡

Building coverage ratio 58.16%

Floor area ratio 247.37%

Building height 16.85m

다음 <Fig. 11>은 사례의 조감도와 Revit을 이용하여 구 축한 모델이다.

4.2.1 벽체의 BIM 정보 추출

사례모델에서 벽체의 정보를 추출하기 위해 아래와 같은 절차를 수행한다. 1) Revit 모델에서 IFC 파일을 내보낸다.

2) IFC 파일을 프로토타입에서 불러온다. 3) IFC 파일을 분 석하여 1층 벽체정보를 추출한다. 4) 1층벽체를 생성한다.

사례의 Revit모델에서 IFC파일로 내보내면 본장 1절 2항 의 그림 예시와 같은 메타데이터가 생성된다.

이러한 IFC 메타데이터를 프로토타입으로 불러들여 분석 하고, 1층 벽체에 해당되는 정보만 추출하여 SketchUp에 서 사례 모델의 1층 벽체만 생성시킨다.

Fig. 10. Euro-form library example

Fig. 11. Case air view (left) and Revit model (right)

아래의 <Fig. 12>는 IFC 파일을 프로토타입에서 불러오 는 화면이다.

아래의 <Fig. 13>은 IFC 파일을 분석한 후 1층 벽체정보 를 추출하는 화면이다.

아래의 <Fig. 14>는 벽체를 생성하는 화면이다.

4.2.2 BIM기반 거푸집설계

본장 1절 3항에서 사전에 구축한 유로폼 라이브러리를 이용하여 아래의 <Fig. 15>와 같이 규격에 따라 거푸집을 모델링한다.

아래의 <Fig. 16>은 위의 거푸집 설치과정을 거쳐 사례 모델 1층의 모든 벽체에 유로폼, 인코너, 아웃코너를 설치 한 3D 모델이다.

다음의 <Fig. 17>은 장선, 멍에가 자동으로 생성되는 화 면이다. 그림에서처럼 “장선(수평재) 생성”메뉴를 클릭하면 입력란이 나타나는데 상황에 따라 콘크리트 타설속도, 콘 크리트 측압, 콘크리트 타설 온도 등을 입력하면 장선이 산 정된 간격에 따라 생성될 수 있다. 하지만 본 연구에서는 구조계산에 필요한 데이터베이스를 구축하지 않았기 때문 에 본장 1절 4항에서 언급한 장선과 멍에의 간격기준을 적 용하여 장선, 멍에를 생성하였다.

Fig. 12. IFC file loading

Fig. 16. Euro-form, incorner, outcorner installation

Fig. 17. Stud and wale creation Fig. 13. IFC file analysis and wall information extraction

Fig. 14. Case model wall creation

Fig. 15. Euro-form (600 * 1200) installation

플랫타이도 위와 같은 방식으로 간격을 산정하여 간격에 따라 생성될 수 있으며 아래의 <Fig. 18>은 웨지 핀과 플랫 타이의 설치 화면이다.

다음의 <Fig. 19>는 사례모델에 위와 같은 방식으로 거 푸집설계를 수행하여 얻은 거푸집설계 상세 평면도이다.

또한 본 연구에서 개발한 프로토타입의 기능은 아니지 만, 3장 2절 2항에서 언급한 것처럼 객체기반으로 모델링 하였을 때, 유로폼 판넬, 아웃코너, 인코너 등 거푸집 부재 들의 규격에 따라 <Table 6>과 같이 객체별 물량이 산출될 수 있다.

4.3 전문가 평가

본 절에서는 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프 로그램의 효용성을 평가하기 위해 경력 7년인 거푸집업체 의 설계담당자 1명, 경력 10년 이상인 시공사의 공사담당자 1명, 설계사무소 설계담당자 1명 총 3명의 전문가와 면담을 실시하였다.

면담은 주로 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프 로그램의 구현기능과 한계점을 중심으로 실시하였고 평가 결과는 아래와 같다.

Table 6. Euro-form quantity table

Item Standard Quantity

Euro-form

100 * 1200 * 63.5 10

100 * 900 * 63.5 5

200 * 1200 * 63.5 32

200 * 600 * 63.5 1

200 * 800 * 63.5 1

200 * 900 * 63.5 16

300 * 1200 * 63.5 18

300 * 900 * 63.5 11

400 * 1200 * 63.5 24

400 * 900 * 63.5 12

450 * 1200 * 63.5 6

450 * 600 * 63.5 2

450 * 900 * 63.5 8

500 * 1200 * 63.5 12

500 * 900 * 63.5 18

500 * 800 * 63.5 4

500 * 600 * 63.5 4

600 * 1200 * 63.5 114

600 * 300 * 63.5 2

600 * 600 * 63.5 12

600 * 800 * 63.5 16

600 * 900 * 63.5 48

Outcorner

200 * 200 * 1200 40

Incorner

100 * 100 * 1200 40

Flat tie

Wedge pin

Hook

Steel pipe (stud, wale)

(1) 본 연구에서 개발한 거푸집설계 프로그램은 BIM기반 으로 설계함으로써, 기존의 2D CAD기반 설계방식보다 건 축물 요소정보의 참조가 용이하게 되었다.

(2) 거푸집 부재들의 규격에 따른 물량산출에 도움을 줄 수 있어 기존의 주문 물량부족에 따른 재주문 및 주문 물량 과다의 문제점을 해결할 수 있을 것이다.

(3) 기존의 거푸집 시공은 구조계산과는 별개로 시공하는 반면, 본 연구의 프로그램은 구조계산에 근거한 상세도면을 생성할 수 있어, 안전성 및 시공성 향상에 도움을 줄 수 있다.

(4) 국제표준포맷인 IFC Entity를 제안함으로써, 표준 라 이브러리 구축에 도움을 줄 것이며, BIM용 소프트웨어들 의 상호 호환성을 향상시킬 수 있다.

(5) 하지만 본 프로그램은 소규모의 단순한 특정건축물의 유로폼을 대상으로 한정지어 개발한 프로토타입 수준의 시 스템이므로, 모든 건축물 또는 거푸집을 적용하기에는 한 계가 있다.

Fig. 18. Wedge pin and tie installation

Fig. 19. Formwork Plan

이와 같이 본 연구에서 개발한 BIM기반 거푸집설계 프로 그램 기능과 기존의 거푸집 설계방식을 비교한 결과, 범용 적인 사용에는 한계가 있으나, 기존의 거푸집설계에서 발 생하는 건물정보 참조 및 시공 어려움, 정확한 물량산출 및 3D 모델링 어려움, BIM기반 설계 시 호환성 문제 등이 개선될 수 있다. 따라서 거푸집설계를 용이하게 할 수 있 고, 보다 신속하고 정확한 물량산출에 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.

5. 결론

건설 프로젝트에서 거푸집을 설계할 때 정확한 물량산출 과 구조계산은 매우 중요한 사항이다. 이에 따라 거푸집공 사와 관련하여 도면 이해도를 향상시킬 수 있는 3D CAD기 반 설계와 정보관리에 용이한 BIM을 적용한 연구가 수행되 었으나, 형상을 이용한 모델을 구축하는데 그치고 있다. 또 한 국내 거푸집설계 업체에서도 객체기반 3D로 모델링하여 거푸집설계를 하고 있으나, 특정 소프트웨어만을 사용하는 한계로 인한 호환성이 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하 여 상호운용성을 고려한 거푸집공사 관련 IFC Entity를 제 안하고, 개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입을 제시하였다.

본 연구에서 제시한 거푸집설계 방안은 표준데이터 포맷 으로 거푸집관련 객체들의 라이브러리를 구축하고 BIM기 반으로 거푸집을 설계하여 설계자나 시공자의 이해도를 높 임으로써, 보다 신속한 설계와 시공, 정확한 물량산출에 도 움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 본 연구에서 개발한 ‘BIM기반 거푸집설계 프로토 타입’은 특정 건축물을 바탕으로 구현하였기 때문에, 곡선 이 있거나 형상이 복잡한 건축물 BIM 모델을 적용할 때 구 현이 어려울 수 있다. 따라서 모든 건축물에 적용되기 위해 서는 그에 따른 추가적인 코딩이 필요하다. 또한 본 연구는 유로폼만을 대상으로 수행하였으므로, 그 외의 거푸집공사 에 적용하기 위해서는 그에 따른 속성정보를 추가로 도출 하고 추가적인 라이브러리를 구축하는 등 후속 연구가 필 요할 것이다.

감사의 글

본 연구는 국토교통과학기술진흥원 2018년도 철도기술 연구사업(18RTRP-B104237-04) 및 한국연구재단 두뇌한 국21플러스 사업(201803096001) 결과의 일부임.

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요약 :

거푸집공사비는 건축공사비의 10~15%, 골조공사비의 30~40%로, 건축공사에서 차지하는 비중이 상당하다. 또한 거푸집 붕 괴로 인한 사망재해가 빈번하게 발생하고 있어, 다른 공종에 비하여 상대적으로 재해강도가 높은 공종이라 할 수 있다. 이처럼 건 설 프로젝트에서 거푸집을 설계할 때 정확한 물량산출과 구조계산은 매우 중요한 사항이다. 따라서 본 연구에서는 거푸집설계를 용이하게 하기 위하여 거푸집공사에 관련된 새로운 IFC Entity를 제안하였으며, “개방형 BIM 거푸집설계 프로토타입”을 개발하였 다. 본 연구에서 제안하는 거푸집설계 접근법은 시공 관리자로 하여금 정확한 물량산출과 신속한 계획 및 시공을 수행하는데 도움 을 줄 것으로 기대된다. 하지만 본 연구는 소규모 특정건축물과 유로폼 만을 대상으로 수행하였기 때문에, 그 외의 건축물의 거푸 집공사에 적용하기에는 한계가 있고, 범용적으로 거푸집공사에 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다.

키워드 :

개방형 BIM, 벽체거푸집, IFC, 거푸집설계, 물량산출