BIM/GIS 플랫폼 기반 건축물 지진 안전 통합관리시스템
BIM/GIS Platform-Based Seismic Damage Assessment System for Building Structures
신 지 욱* Shin, Jiuk
최 현 상**
Choi, Hyun-Sang
유 영 찬***
You, Young-Chan
1)
1. 서론
2017년 11월 15일 발생한 규모 5.4의 포항 지진에 의해 필로티형 건축물, 학교, 비내진 벽식 아파트 등 의 건축물에 심각한 피해가 발생하여 국내에서도 대 규모 지진 피해가 현실화되었다<Fig. 1>.
2018년 기준 국내 건축물의 내진율은 10.1% 수준 으로 경주 및 포항 지진과 같은 중규모 이상의 지진 발생 시 심각한 인명 및 재산 피해를 입게 될 것으로 예상된다. 정부는 포항 지진 발생 이후 약 2개월 동안
*** 한국건설기술연구원 국민생활연구본부 수석연구원, 공학박사 Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
*** 한국건설기술연구원 미래융합연구본부 연구위원, 공학박사 Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
*** 한국건설기술연구원 국민생활연구본부 선임연구위원, 공학박사
Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
다수의 전문가를 투입하여 현장 점검을 실시하고 건물 의 사용 가능 여부를 판단하는 등 막대한 시간, 인력 및 비용을 소모하였다. 이러한 현장 조사 중심의 사후 처리 방식은 건축물의 피해 예방 및 신속 대응에 한계 가 있으므로 사전 대응 방식으로 전환이 필요하다.
(a) Piloti-type building
(b) School building
(c) Non-structural masonry wall
(d) Multi-residential building
<Fig. 1> Examples of damaged building structures during 2017 Pohang earthquake
<Fig. 2> Master plan of BIM/GIS platform for seismic damage assessment 한국건설기술연구원은 BIM/GIS(BIM on GIS) 정보
플랫폼1)에 대한 원천 기술을 보유하고 있다. BIM/
GIS 정보플랫폼은 별도의 시스템으로 운용 가능하였 던 BIM(개별 건축물 단위)의 정보와 GIS(지역 및 도 시 단위) 정보를 하나의 플랫폼에서 운용할 수 있는 시스템이다. 이는 건설 공간 정보, 건물 에너지 관리, 화재 발생 시 대피로 확보 등으로 활용되고 있으며, 다양한 분야에 확장이 가능하다. 해당 플랫폼에 건축 물의 내진 성능 평가 모듈을 연계할 경우 지역 단위 (GIS) 및 개별 건축물 단위(BIM 모델)로 건축물의 내 진 성능을 파악할 수 있는 사전 대응 방식 시스템으 로써 활용 가능할 것으로 예상된다. 이를 현실화하기 위하여 BIM/GIS 플랫폼에 탑재 가능한 형태의 내진 성능 평가 자동화 기술이 필요하다. 또한 대다수의 기존 건축물은 내진 성능 평가에 필요한 기본 데이 터베이스가 확보되지 않아 내진 성능 평가에 필요한 정보를 효율적으로 추출할 수 있는 기술 확보가 시 급하다.
본 기사는 한국건설기술연구원에서 개발 중인 BIM /GIS 플랫폼 기반 건축물 지진통합관리시스템의 전체 구성과 플랫폼에 탑재된 모듈 및 엔진에 대하여 기술 하였다. 또한 개발된 플랫폼을 활용하여 시범적으로
적용된 개별 및 지역 단위의 건축물 내진 성능 평가 결과를 제시하였다.
2. 건축물 지진통합관리시스템 구성
BIM/GIS 기반의 건축물 지진 안전 정보플랫폼은 총 3개의 시스템 및 모듈(① 내진 성능 평가 핵심 정 보 추출 모듈, ② 내진 성능 평가 모듈, ③ BIM/GIS 정보플랫폼)로 구성되어 있다. 정보 추출 모듈은 건 축물의 내진 성능 평가에 필요한 핵심 정보(수직 부 재의 크기 및 상세, 구조 형식, 건축물 높이, 지반 등 급 등)를 추출하는 기능(Input 생성)을 수행하고, 여 기서 추출된 핵심 정보는 BIM/GIS 정보플랫폼에 저 장된다. BIM/GIS플랫폼에 저장된 정보는 내진 성능 평가 모듈로 전달되어 건축물의 내진 성능 평가를 실시(Output 생성)하고, 건축물의 내진 성능 등급, 취약 특성 분석, 기본 보강 전략 등에 대한 정보를 다시 BIM/GIS 정보플랫폼으로 전달한다. BIM/GIS 정보플랫폼은 내진 성능 평가 모듈로부터 받은 정보 를 가시화하여 지역 및 도시 단위(GIS)와 개별 건축 물 단위(BIM)를 통해 지진 발생 전 건축물의 내진 성능을 한눈에 파악할 수 있는 자료를 사용자에게
제공해준다. BIM/GIS 플랫폼 구성은 <Fig. 2>에 제시 하였다.
3. 정보 추출 모듈
건축물의 내진 성능 평가를 위한 정보 추출 모듈의 정보 소스는 Digital 데이터(BIM 모델, 구조 해석 모 델 등)와 Non-digital 데이터(이미지 및 종이 도면, 도면 미확보 건축물 등)로 구성하였으며, 해당 모듈은 이를 효율적으로 추출할 수 있다. BIM 모델은 내진 성능 평가 외에 건축물 관리 등의 목적으로 개별 건축 물에 대한 방대한 양의 정보를 포함하고 있다. 따라서 신속한 정보 활용 및 BIM/GIS 정보플랫폼의 경량화를 위하여 구조 전용 BIM(Structural BIM, S-BIM)로 전 환하여 내진 성능 평가에 필요한 정보만 자동으로 추 출할 수 있는 기술을 <Fig. 3>과 같이 개발하였다.
<Fig. 3> Algorithm of BIM-based information extraction
국내 기존 건축물의 경우 자료 손실 및 관리 미숙 등의 이유로 내진 성능 평가를 위한 정보를 확인하고 추출할 수 있는 기본 도면이 없는 경우가 대다수이다.
때문에 기존 건축물의 내진 성능 평가 및 내진 보강 은 현장 계측 방법에 의존하고 있다. 도면 미확보 건 축물에 대한 정보를 효율적으로 얻기 위하여 본 연구 는 3D 스캐닝 기술2)을 도입하였다. 해당 기술을 통해 3D 스캐닝 후 공간별 스캐닝 도면을 작성하고 병합하 여 하나의 건축 도면을 완성할 수 있으며, 이를 BIM 모델의 국제 표준인 IFC3)로 변환이 가능하다. 다양한
정보 소스를 통해 수집된 IFC 정보를 바탕으로 BIM/
GIS 플랫폼과 내진 성능 평가 모듈을 연동시켰다.
4. 내진 성능 평가 모듈
4.1 개별 단위 건축물 내진 성능 평가 모듈
개별 단위 건축물의 내진 성능 평가 모듈은 국내외 예비 평가 기법을 자동화한 프로그램이다. 예비 평가 는 컴퓨터 구조 해석 없이 건축물의 내진 성능을 파 악하여 사전 스크리닝 하는 방법이다. 본 기사에서는 내진 평가에 필요한 정보를 바탕으로 간략 평가와 실 용 평가로 분류하였다. 간략 평가는 철근 상세 정보 없이 부재의 크기만으로 평가하는 방법이며, 실용 평 가는 철근 상세 정보를 포함하여 상세 구조식을 활용 한 평가 방법이다. 국내외 내진 성능 평가 기법을 분 석한 결과, 국내 예비 평가4)는 건축물의 구조적 비정 형성이 내제된 경우 컴퓨터 구조 해석을 활용한 내진 성능 평가 기법(정밀해석)을 적용한다(예비 평가 기능 최소화). 그러나 일본의 예비 평가5)는 형상 지표 등을 활용하여 비정형성을 고려할 수 있는 것으로 조사되 었다(예비 평가 기능 극대화).
국내의 평가 기법을 따르면 필로티형 건축물과 같 이 비정형성이 내제된 건축물에 대한 내진 성능 평가 를 위하여 컴퓨터 구조 해석 프로그램을 BIM/GIS 정 보플랫폼에 탑재해야 하는 어려움이 발생한다. 이를 극복하기 위하여 본 연구는 국내 예비 평가 기법4)에 자동화 알고리즘을 설계하고 이에 대한 SW의 개발 및 검증을 수행하였다. <Fig. 4>는 본 연구에서 구축 된 국내외 간략 평가에 대한 자동화 알고리즘 중 국 내의 알고리즘을 간략히 나타낸 것이다.
4.2 지역 단위 건축물 내진 성능 평가 모듈
4.1절에 소개된 모듈은 정적 해석 결과를 기반으로 건축물의 내진 성능을 평가하여 다양한 지진 시나리 오에 대한 건축물의 내진 성능을 파악하는데 한계가 있다. 따라서 비선형 단자유도 모델을 기반으로 여러 지진 시나리오에 대한 건축물의 대표적인 구조 특성
<Fig. 4> Algorithm of preliminary evaluation method
<Fig. 5> Algorithm of seismic damage assessment tool on regional level
(주기, 강도비, 변위 연성도)을 다양화하여 데이터베이 스를 신속하게 사전 확보할 수 있는 기술(Semi-정밀 평가 기법)을 개발하였다. <Fig. 5>와 같이 컴퓨터 언 어인 MATLAB6)과 비선형 해석 프로그램인 OpenSees7) 를 연동시켜 다양한 구조 특성에 대한 모델링, 해석 및 내진 성능 평가 기능을 자동화하였다. 이를 통해 동적 해석 기반의 방대한 내진 성능 평가 결과를 신 속하게 얻을 수 있다. 이와 같이 구축된 데이터 생성 엔진은 공공 데이터베이스인 건축물 대장의 구조 정 보(구조 시스템, 연면적, 준공년도, 층높이 등)와 Hazus-MH8)의 지진 모델에 제시된 구조 특성 정보를 연동하여 각 구조물의 비선형 단자유도에 대한 모델 링 및 해석을 수행하였다. 이러한 과정을 통해 다양한 지진 시나리오에 대한 지역 단위의 건축물 데이터베 이스를 신속하게 구축하였으며, 구축된 데이터베이스 를 BIM/GIS 플랫폼에 연결하여 지역 단위의 건축물 내진 성능 평가 결과를 시각화하였다.
5. BIM/GIS 기반 건축물 지진 안전 정보 플랫폼
BIM/GIS 기반 건축물 지진 안전 정보플랫폼은 3장 과 4장에 언급된 정보 추출 및 평가 모듈을 BIM/GIS 플랫폼과 연동하여 사용자가 원하는 개별 단위 및 특
정 지역 건축물에 대한 내진 성능 평가 결과를 시각 적으로 확인할 수 있도록 설계 및 개발되었다. <Fig. 6>
은 개별 단위 건축물 내진 성능 평가 모듈을 통해 산 정된 건축물의 내진 성능을 성능 수준에 따라 층별로 가시화한 것이다. <Fig. 7>은 지역 단위 건축물 내진 성능 평가 모듈로부터 구축된 데이터베이스를 플랫폼 에 연동하여 특정 지역의 건축물 내진 성능 평가 결 과를 가시화한 것이다. 즉 BIM/GIS 플랫폼은 BIM을 통해 개별 단위의 건축물에 대한 내진 성능 평가 결 과를 가시화할 수 있으며, GIS를 활용하여 지역 단위 의 건축물의 내진 성능을 시각화 할 수 있다.
<Fig. 6> Seismic performance level for individual buildings using BIM/GIS platform
<Fig. 7> Regional seismic damage assessment using BIM/GIS platform
6. 결언
본 기사는 BIM/GIS 기반의 건축물 지진 안전 통합 관리시스템을 소개하였다. 해당 기술은 내진 성능 평 가를 수행하기 위해 필요한 정보를 생성할 수 있는 정보 추출 모듈, 내진 성능을 평가하기 위한 평가 자 동화 모듈 그리고 모듈에서 구축된 정보를 통합하여 관리할 수 있는 BIM/GIS 정보플랫폼으로 구성되어 있다. 이러한 기술을 통해 지진에 대한 건축물의 정보 를 효과적으로 추출 및 생성하여 빠른 속도로 개별 및 지역 단위의 건축물 내진 성능 평가가 가능하다.
뿐만 아니라 추후 발생 가능한 지진 피해를 사전에 파악하고 예방하여 재산 및 인명 피해를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
References
1. Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT). (2017). Development of Convergence Technology on Construction Information & Spatial Information based on BIM/GIS Interoperability (Report No. TRKO 201700000963). Republic of Korea
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buildingsmart.org/standards/ifc/ifc-schema -specifications/
3. HottScan GmbH. (2020, February 17).
HottScan HS-1 specifications, Retrieved from http://www.hott- scan.com
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“Standard for Seismic Evaluation of Existing Reinforced Concrete Buildings”, 2001.
5. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Korea. “Seismic Performance Evaluation for Existing Buildings”, 2011.
6. MathWorks. Matlab, The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA, 2018
7. Mazzoni, S., McKenna, F., Scott, M. H., &
Fenves, G. L., “OpenSees Command Language Manual”, Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center 264, 2006
8. Federal Emergency Management Agency (FEMA). “Multi-Hazard Loss Estimation Methodology, Hazus-MH 2.1 Technical Manual-Earthquake Model”, USA, 2012.
