Building Information Modeling for Temporary Structure Planning and Safety Analysis

BIM을 활용한 가설물 계획 및 안전 관리

Building Information Modeling for Temporary Structure Planning and Safety Analysis

김경기

, 조용권

, 박만우

Kim, Kyungki

･ Cho, Yong Kwon

･ Park, Man-Woo

Received March 14, 2016; Received April 18, 2016 / Accepted June 20, 2016

ABSTRACT: The entire construction safety is significantly influenced by proper uses of temporary structures. However, in current practices, temporary structures are used without sufficient planning and analysis on their impact on safety. Consequently, problems in worker safety and loss of productivity are frequently caused related to temporary structures. This paper introduces an approach that uses Building Information Modeling (BIM) to automatically create temporary structures as part of construction plans and identifies potential safety hazards related to the temporary structures. In this study, the type of temporary structure is limited to scaffolding. Automation algorithms were developed and applied to (1) analyze daily construction site conditions (2) create required scaffolding objects, and (3) identify potential safety hazards related to scaffolding. A case study using a real-world construction project demonstrated that scaffolding objects were properly created based on user-input and potential safety hazards were successfully identified without human intervention.

KEYWORDS: BIM, safety, Scaffolding, Construction planning, Temporary structure 키워드: BIM, 안전, 비계, 건설 계획 관리, 가시설 구조물

1)정회원, Assistant Professor, Department of Construction Management, University of Houston, 4734 Calhoun Road #111, Houston, TX 77204-4020, Phone: 770-361-2262 ([email protected]) (교신저자)

2)정회원, Associate Professor, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology ([email protected])

3)정회원, 명지대학교 토목환경공학과 조교수 ([email protected])

DOI: http://dx.doi.org/10.13161/kibim.2016.6.2.012

1. 서론

건설 프로젝트에서는 많은 건설 인력들이 사망이나 부상으로 이어질 수 있는 사고에 노출되고 있고, 그로 인해 건설 산업은 여타 산업들과 비교해서 가장 위험한 산업 중 하나로 인식되고 있다. 미국의 경우 건설 산업 종사자가 총 인력의 7%를 차지하 지만, 사망 사고의 20% 정도가 건설현장에서 발생하고 있다 (CPWR 2013). 낙하, 감전, 접촉 사고들이 빈번히 발생하고 있으 며, 비계, 거푸집 등과 같은 가시설과 관련된 사고로 인한 사망 자 및 부상자 발생 또한 많은 비중을 차지한다(OSHA 2014).

이러한 안전사고들을 줄이기 위한 다양한 노력들이 학계와 산업에서 활발하게 이뤄져 왔으며 그 중 주목할 만한 분야가 Building Information Modeling(BIM)을 활용한 안전관리 시스템 이다. 설계, 계획 및 유지 관리 등 건설 전 단계에서 BIM의 활용 은 늘어나고 있는 추세이고, 현재 건설 산업에서 사용되는 표준 중의 하나로 받아들여지고 있다(Eastman et al. 2011). 특히, 시

공에서의 BIM 활용은 여러 가지 긍정적인 효과를 가지고 올 수 있다. BIM의 3차원 또는 4차원 시각화는 현실에서 적용 가능한 시공 계획을 세우는데 큰 도움을 줄 수 있고(Koo and Fischer 2000), 복잡한 다자간의 협업을 가능하게 한다. BIM은 건설현장 의 잠재적 위험 요소들을 파악하기에 편리한 시각화 도구로 활 용되는 등 건설 안전관리 작업에 큰 도움을 줄 수 있다(Sulankivi and Kähkönen 2010).

BIM은 단순한 시각화 도구로서 뿐만이 아니라 안전계획 자동 화(Automated safety planning)를 위한 기초 플랫폼으로서도 활용될 수 있다. BIM과 연계된 추가적 add-on 등을 활용해서 건설 현장의 위험 구역들을 정확하고 신속하게 파악할 수 있기 때문에 안전사고를 건설 계획 단계에서 방지할 수 있는 기회를 제공한다(Zhang et al. 2013). 또한, 건설 안전 계획을 위한 인력 투입을 최소화할 수 있게 한다. BIM을 이용함으로써 취할 수 있는 이러한 장점들 때문에, BIM 기반의 안전 계획 자동화에 대한 연구들이 활발하게 이뤄지고 있다. 하지만, 많은 연구에도

Figure 1. A scaffolding for masonry wall construction

2. 연구 목적 및 범위

이렇게 수동 작업으로 인해서 일어날 수 있는 비효율성을 해 결하고 또한 정확하고 신속한 안전 계획을 실현하기 위해, 본 논문에서는 BIM을 이용해서 자동적으로 (1) 가시설 구조물 건설 계획의 일부로 생성하고, (2) 가시설과 관련된 안전 문제를 진단 하는 연구를 소개한다.

Occupational Safety and Health Administration(OSHA)에 따르면 65%의 건설 인력이 비계를 빈번히 사용하고 있으며, 비 계에 관련된 안전사고를 방지함으로써 매년 50 명에 달하는 인 명 피해와 9000만 달러에 해당하는 경제적 손실을 미국에서 방 지할 수 있다고 한다. 이러한 사실에 근거하여 이 연구에서는 가시설 구조물들 중 비계(scaffolding)(Fig. 1)에 관련된 안전 문 제를 다루는데 초점을 두려고 한다.

3. 연구 방법

본 연구는 두 가지의 자동화를 실현하고자 한다. 첫 번째는 BIM에서 비계 요소들의 모델링을 자동화하는 것이고, 두 번째는 생성된 비계 요소들을 활용하여 비계와 관련된 안전 점검을 자 동화하는 것이다. 이 두 가지 자동화를 위해 안전규칙 기반의 BIM 모델 점검 시스템(Rule-based model checking system 또는 rule checking system)을 개발해서 활용하도록 한다. 다음 은 이 논문에서 다루게 될 rule checking system의 두 가지 주 요 모듈에 관한 설명이다.

∙ 비계 자동화 : BIM 모델을 분석하여 일정 높이 이상의 작업 장소를 자동으로 파악하고 해당 작업 장소에 맞게 비계 모델 을 자동생성 한다. 비계 자동 생성으로 인해 BIM은 건설 현장 의 상황을 보다 현실적으로 반영할 수 있게 된다. 이 과정에 있어서 고려해야 할 주요 사항들은 다음과 같다.

1) 작업의 종류에 따라 높이를 다르게 지정할 수 있어야 하며 그 결과에 따라 비계 사용 유무가 결정되어야 한다.

2) 해당 작업 공간의 정보를 자동으로 분석해서 적절한 비계 모델이 생성될 수 있어야 한다.

3) 생성된 비계는 BIM 모델 뿐 아니라 건설 공정에도 반영되 어 있어야 한다.

∙ 안전 계획 자동화 : 안전 계획 자동화는 비계가 포함된 BIM을 활용하여 잠재적 건설 안전 문제를 자동으로 파악하는 모듈이 다. 4차원 BIM에서 건설 안전 점검 알고리즘을 활용함으로써 본 연구의 안전 계획 자동화는 비계에 관련된 안전 문제를 날짜 별로 진단하며 안전 문제에 대한 상세한 정보를 이용자 에게 제공한다. 예를 들어, 잠재적 안전 문제와 관련된 장소, 시간, 인력에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이 모듈의 구현을 위해서는 OSHA에서의 규정과 같은 다양한 안전 수칙들 중 비계와 관련된 항목들을 면밀하게 분석하여 안전 점검 알고리 즘에 반영하는 작업이 필요하게 된다.

4. BIM을 활용한 비계 계획 자동화

BIM에서 자동적으로 비계 모델을 생성하기 위해서는 BIM 상 의 지형적 환경을 자동으로 해석할 수 있어야 한다. 디지털 모델 의 공간 정보를 특정한 목적을 위해 자동 해석하는 것은 사람의 공간 지각 능력을 컴퓨터를 이용해 구현하는 기술을 필요로 한 다. 예를 들어 바닥, 천정, 벽체로 폐쇄된 공간을 하나의 작업공 간으로 인식하고 각 벽면을 내측과 외측으로 구분하는 등의 공 간구성을 자동으로 파악할 수 있는 기능이 필요한 것이다. 이러 한 자동 공간 지각 기능은 일반적인 BIM 소프트웨어에서 제공되 지 않고 있으며 현재 개발되어 있는 BIM 기술로는 구현이 불가 능하다.

Figure 2는 이러한 문제점들 중 하나의 예를 보이고 있다.

이 모델은 두 개의 바닥판(slab)과 세 개의 벽체(wall)로 구성되 어 있는데, 벽체를 기준으로 바닥판이 있는 방향을 건물 내부로 보았을 때 내부와 외부의 상황은 판이하게 다르게 해석될 수 있다. 벽체 기준으로 건물 외부에 해당하는 공간인 workface 1을 발견할 수 있고, 건물 내부에서는 벽을 상하로 나누는 위쪽 바닥판으로 인해 두 개의 공간(workface 2와 workface 3)이 발 견될 수 있다. 이렇게 같은 벽과 바닥판으로 구성된 지형도 상황 과 목적에 따라 다르게 해석될 수 있고 BIM의 모델 요소 정보들

Figure 2. Representation problems in digital models

Figure 3. Face integration algorithm

Figure 4. Space searching for workspace/scaffolding space generation

다. 또한, 건설 작업들은 벽체와 바닥판과 같은 건물 요소들의 부피보다는 대부분 Figure 2에서 보는 바와 같이 구성체들의 면(face) 요소의 영향을 많이 받게 된다는 점에 유의해야 한다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해, Kim and Teizer(2014)는 면 요소들을 기반으로 하여 건설작업들의 활동 여건들을 해석하 고, 해석 결과를 바탕으로 비계 설치 계획을 세우는 알고리즘을

개발하였다. Figure 3은 다수의 면 요소가 모여서 하나의 작업 환경(workface)을 자동으로 형성하는 face integration 알고리 즘을 보이고 있다. 기준이 되는 하나의 면 요소를 중심으로 하여 인접한 면 요소들을 파악하고 통합해가는 과정이다. BIM 내부에 존재하는 작업 환경(workface)들은 자동적으로 발견되며 해당 작업에 대해 비계 설치 공간(scaffolding space)과 작업 공간 (work space)이 자동으로 생성된다(Fig. 4).

이렇게 공간들이 자동으로 생성된 이후에는 상세한 비계 모 델이 생성되는데, 이는 건설 안전 규약을 면밀하게 분석하고 BIM의 add-on 프로그램으로 반영함으로써 가능하다. Figure 4 는 알고리즘 테스트 환경에서 작업 환경(workface)들이 자동으 로 생성되고 해당 비계는 건설 안전 규약에 근거하여 생성되는 것을 보여준다. 벽체 요소를 기준으로 내부 면과 외부 면을 판단 하고 비계가 설치되어야 할 면(search space)을 결정한다. 비계 를 설치할 공간을 해당 면으로부터의 offset 거리에서부터 형성 하고, 이렇게 형성된 비계 설치 공간(scaffolding space)을 기준 으로 작업 공간(work space)을 생성한다.

이러한 비계 자동화 시스템은 대표적 상용 BIM 소프트웨어 중 하나인 Tekla Structures를 이용해 개발하였다. 개발 시스템 은 실제 건설 프로젝트에 활용된 BIM 모델에 적용하여 성능 평 가를 하였다. Figure 5에서 볼 수 있듯이 BIM의 디지털 정보는 자동적으로 그리고 성공적으로 해석되었고 건물 외벽 건설을 위한 비계 계획은 BIM과 시공 계획(construction schedule)의 일부로 생성되었다. 비계 개체들을 시공 계획에 포함시킴으로써 4D BIM은 보다 현실적으로 건설 현장 환경을 반영시킬 수 있고 이는 가시설과 관련된 안전 계획에 활용될 수 있는 중요한 기반 요소가 된다.

Figure 5. Test of automated scaffolding planner

Figure 6. Rule establishment for scaffolding hazards

5. BIM을 활용한 비계 안전 검토 자동화

안전 계획 자동화는 비계가 포함된 4차원 BIM(4D BIM)을 활 용하여 잠재적 건설 안전 문제를 자동으로 찾아내고자 하는 연 구이다. 규칙 기반 알고리즘(rule-based algorithms)을 개발한 후 이를 이용하여 4D BIM의 정보를 자동으로 해석하고 잠재적 안전사고를 발견하는 것이 이 연구의 목적이다.

Figure 6은 비계와 관련된 안전문제를 자동으로 파악하기 위 한 규칙(rules)들을 마련하는 것을 보여준다. 규칙을 작성함에

있어서 기본적으로는 OSHA와 같은 공식 기관들의 안전관련 규 정들을 참고하였지만, 이 규정들에서 제시하는 정보들이 이 연 구에서의 목적을 구현하기에는 다소 부족한 면이 있기 때문에 건설 안전 전문가들과의 인터뷰를 수행하였다. 인터뷰를 통해서 비계에 관련된 안전 문제들의 종류를 보다 세세하게 파악하여 정리하였고, 이를 바탕으로 비계 관련 자동 안전검토 알고리즘 을 개발했다.

개발된 안전검토 알고리즘(Safety checking algorithms)들 은 비계와 관련된 안전 문제를 자동으로 진단한다. 이를 위해서

Figure 7. 4D BIM for safety checking

Figure 8. Test BIM model

Figure 9. Geometric analysis for scaffolding placement

space) 요소 또한 4D BIM에 포함되어 있어야 한다. Figure 7은 자동 안전 검토를 위해 사용된 테스트 모델에 작업공간과 비계 가 생성되어 있는 것을 보여주고 있다. 건물 외벽 공사를 위해 생성된 비계가 상자 모양으로 형상화되어 있고, 그 내부의 작업 공간도 함께 형상화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 안전 검토 알고리즘들은 비계 및 여타 작업 공간들 간의 공간적 관계를

기반으로 하여 안전 점검을 자동 수행하며 일일 단위로 수행되 도록 하였다.

6. 현장 실험

개발된 알고리즘들이 탑재된 시스템을 실제 건설 프로젝트에 서 적용하여 테스트하였다. Figure 8은 테스트를 위해 사용된 대학 캠퍼스 내 주거용 빌딩(campus residential buildings)의 BIM 모델을 보이고 있다. 이 프로젝트에서는 빌딩의 외벽 시공 을 위해 비계의 일종인 mast climber들을 주로 사용하였다. 이 연구에서 개발된 시스템의 input 자료로는 설계 BIM 모델 외에 도 공정 계획(construction schedule)과 기타 세부 계획들(work plans)이 사용되었다.

Figure 9와 Figure 10은 개발된 시스템을 활용하여 빌딩 구조 물의 지형을 자동으로 해석하고, 그 결과를 바탕으로 비계 개체 들을 자동 생성한 예를 보이고 있다(Fig. 10). Figure 9에서 보면, 공정 계획 상 현재 시공 진행 중인 외벽 요소들은 짙은 색깔로 표시되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 외벽의 모든 면을 따라 서 최저점과 최고점을 연결한 수직선들이 외벽의 면 밖으로 자 동 생성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 수직선들의 정보는 비계 설치와 관련된 규정들 중에서 가장 핵심이 되는 요소인 높이를 파악하는 데에 활용된다.

규정에 의하면, 최저점과 최고점 간의 높이 차가 일정 길이 (예를 들어 1.5 m) 이상일 때에는 비계를 반드시 설치하여야 한 다. 따라서 비계의 발판 높이는 해당하는 건설 공정의 작업 경과 에 따라 BIM 내부에 생성되었다(Fig. 10). 작업 공간의 높이가

Figure 10. Mast climber generation

Figure 11. Result of hazard recognition and visualization

에 노출될 수 있다. 예를 들어 비계를 이용하고 있는 작업자들은 그 보다 높은 작업 공간에서 건설 공구나 자재들이 낙하될 경우 큰 위험에 노출될 수 있다. 이러한 위험 요소들이 개발된 안전 검토 알고리즘에 의해 자동 검출되었고 그 결과들을 Figure 11에 서 확인할 수 있다. Figure 11에서 보이는 바와 같이 위험에 노출 된 위치 및 작업공간과 위험 내용(물체 낙하)에 대한 정보가 좌 측의 Hazard Schedule 목록에 기록되고 4D BIM 모델 화면을 통해 시각화하여 보여줌으로써 빠른 이해와 대처가 가능하도록 돕고 있다. 이처럼 개발 시스템을 통해 안전한 시공계획과 수행 에 필요한 중요 정보들을 생성하고 시각화할 수 있음을 확인할

수 있었다.

실제로 이 건설 프로젝트에 참여한 건설 관리자들과 안전 관 리자들을 인터뷰한 결과, 이러한 자동화 방식을 통해 수동작업 보다 더 효율적이고 정확하게 건설 현장 상황을 파악하고 또한 잠재적 위험 요소들을 파악할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

인터뷰에 참여한 관리자들이 건설 계획 단계에서 인지하지 못했 던 비계와 관련된 안전 위험 요소들을 효율적이고 또한 정확하 게 파악할 수 있었다.

7. 결론 및 향후 연구 진행 방향

최근 국내에서는 가시설과 관련된 안전사고들이 발생하면서 가시설 구조물의 설치 및 관리에 대한 관심이 높아지고 있다.

현장 안전관리를 위한 BIM의 활용도에 대하여 다양한 연구들이 진행되어 왔고 새로운 어플리케이션들이 개발되고 있지만, 가시 설과 관련된 부분은 비교적 관심을 덜 받고 있는 편이다.

이 논문에서는 가시설 구조물과 관련된 안전 사항 검토의 자 동화에 대한 연구를 제안하였다. 가시설 구조물 중에서도 비계 에 초점을 두고 연구를 진행하였다. 4D BIM에서 비계 모델을 자동으로 생성하고 그 요소들과 관련된 잠재적 위험요소들을 자동 탐지하는 시스템을 개발하였다. 가장 위험하고 관리가 어 려운 가설물 중 하나로 여겨지는 비계를 생성하는 알고리즘을 개발하였고, 비계와 관련되어 일어날 수 있는 잠재적 안전문제 들을 파악하여 효과적으로 시각화할 수 있는 방안을 개발하였 다. 실제 건설 프로젝트에서의 테스트를 통해 개발된 시스템의 효용성을 확인할 수 있었다.

하지만 현장에서의 활용도를 높이고 현장 상황을 보다 정확 하게 반영하여 더욱 효과적인 안전계획을 마련하기 위해서는

많은 부분이 해결되어야 한다. 우선 현장 상황의 정확한 반영을 위해 거푸집과 타워크레인과 같이 현장 작업에서의 중요도가 높은 주요 가시설 구조물 및 건설 중장비들의 모델을 BIM에 생 성할 필요가 있다. 또한, 단순한 작업 공간의 형상화나 시각화를 넘어서 작업 특성이나 사용 도구에 관한 정보들을 활용할 필요 가 있다. 예를 들어, 비계에서 작업하는 작업자들이 안전사고 발생 위험이 높은 작업도구들을 사용하는 경우를 그렇지 않은 경우와 구별하여 관리할 수 있다면, 건설 관리자들과 안전 관리 자들이 보다 정확하고 세분화된 의사 결정을 이뤄내는 데에 도 움을 줄 수 있을 것이다. 이를 통해 불필요하고 과다하게 안전관 리 요소를 생성하는 것을 막을 수 있고 궁극적으로 보다 효율적 인 현장 작업 계획을 도모할 수 있게 된다.

마지막으로, 자동으로 탐지된 안전 문제들의 해결 방안을 제 시하고 시각화할 수 있는 모듈이 필요하다. 앞서 언급된 기능들 은 현장 작업의 위험 요소들을 파악하는 데에 중점을 두고 있을 뿐, 그에 대한 해결책은 제시하지 못하고 있다. BIM의 잠재력을 최대로 발휘하기 위해서는 발견된 문제들의 최적 해결방안까지 제시할 수 있는 모듈 개발이 필요하다고 생각한다. 이를 위해서

는 현장 조건과 공정계획을 종합적으로 판단할 수 있는 시스템 이 필요할 것이며, 안전 문제들의 해결 우선순위와 다양한 해결 방안들을 도출하고 비교‧분석할 수 있는 기능이 구현되어야 할 것이다. 또한, 자동화 시스템에 현장관리자의 경험과 판단을 적 절하게 반영할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이다.

References

CPWR, The Construction Chart Book, 5th ed., Center for Construction Research and Training, Silver Spring, MD, 2013.

Kim, K., Teizer, J.(2014). Automatic design and planning of scaffolding systems using building information modeling, Adv. Eng. Informatics. 28(1), pp. 123–130.

OSHA, Commonly Used Statistics, https://www.osha.gov/

oshstats/commonstats.html (Jan. 17. 2015).

OSHA, Scaffolding eTool, https://www.osha.gov/SLTC/etools/

scaffolding/overview.html (Jan. 17. 2015).