[BIM&AR]건설현장에서 3D모델 사용에 관한 연구

1 연구배경

건설 시공과정에서 설계 정보를 실제 시공해야 하는 위치로 옮기는 작업은 생각보다 만만치 않습니다. 목수들이 먹줄을 놓거나, 측량 장비를 이용해서 측량을 해야하죠. 시공오차는 이러한 정보 변환과정에서 많이 발생합니다. 건축은 전통적으로 2D로 추상화된 시공정보를 생산했습니다. 가장 잘 통제된 이성적 정보라고 믿었죠. 그러나 사실은 완벽한 시공정보를 생산하지 않아도 되게 해 주는 일종의 '배임장치'였다고 생각합니다. 또한 가상의 평면에 나타난 절단면(평면, 입면, 단면) 정보로는 공간을 완벽히 재현할 수 없습니다. 그래서 3D VDC(Virtual Design and Construction), BIM등의 서비스가 등장했고, 2D의 디자인 정보를 3D로 가상공간에 재현하여 시공과정의 오류를 줄이고자 하고 있습니다.

2 연구주제

그러나 3D모델정보는 100% 완성된 가상 건축물을 나타낼 뿐, 건설 현장에서 시공 과정별 필요한 정보를 제공해 주고 있지 않습니다. 작업자는 시공해야 할 좌표정보와 가공정보, 조립정보 등을 현장에서 확인 할 수 있어야 하는데, 현재는 그런 정보를 만들지 않고 있는 실정입니다.

이러한 문제는 3차원 공간에서 수직 수평으로 이루어지지 않은 비정형 구조물을 시공할 경우에 극단적으로 드러나게 됩니다. xyz coordinate로 제공되는 시공 좌표정보는 보기도 어려울 뿐더러 작업자가 정보를 바탕으로 현장에서 생각하고 계산해야 할 내용이 많아집니다. 그런 문제는 작업자의 실수를 많이 만들 수도 있습니다. 이러한 문제에 대해서, 저는 3D모델을 증강현실 기술을 사용해 작업자에게 시공 공간에 제공할 수 있다면 훨씬 빠르고 정확하게 시공할 수 있고, 감독관도 시공상태를 빠르게 확인 할 수 있을 것이라고 생각했습니다.

3 연구목표

이 연구의 목표는 작업자가 현장에서 시공하고자 하는 부재를 실제 위치에 정확히 확인할 수 있는 AR 도구를 만드는 것입니다. 이를 위해 iPad, metaio SDK를 사용하였습니다. 실험은 카타르 국립박물관 현장에서 Secondary Steel Structure (SSS)공정에 실시하였습니다.

4 실험내용

수직, 수평의 평면에 투영하여 확인 할 수 없는 비정형 건축물의 시공 정보를 증강현실을 통해 확인하였습니다. 카타르 박물관의 SSS공정에서 작업자는 steel stub의 위치를 확인하기 위해 Total-Station을 사용하였습니다. SHOP에서 추출된 시공좌표 정보는 spread sheet 형식으로 되어 있었고, 매우 보기가 불편했습니다. 때문에 세명으로 구성된 측량팀은 하나의 시공점을 측량하기 위해 5~10분 정도를 소비하였고, 이러한 작업 속도는 SSS시공에 많은 부정적인 영향을 미쳤습니다.

저는 가상모델과 실제 현장의 좌표시스템을 결합시키기 위해, 마커를 사용하였습니다.

1. 현장에 마커를 설치하고, 마커의 위치를 측량하였습니다.
   

2. 가상 시공 모델에서 마커의 좌표를 입력하였습니다.

3. 마커가 인식되면 가상 시공 모델의 카메라가 실제 카메라의 위치와 동일한 위치로 이동됩니다.
   

4. 시공해야 할 모델을 화면에서 확인 할 수 있습니다.
   

5 실험에서 측정된 오차

실험에서 정확한 오차를 측정할 수는 없었습니다. 그러나 장치가 움직일 때, 깊이방향(Depth)의 오차가 크게 발생하였습니다. 또한 안정적인 작업을 위해서는 더 큰 화면이 필요하다고 판단되었고, 움직임이 없도록 고정 받침대(삼각대) 등의 추가적인 장치가 필요하다고 판단되었습니다. 마커로부터 5m 이내에서 장치를 고정하게 되면 증강현실의 오차는 3mm이내로 발생하지만, 다음과 같은 이유에 따라서 오차의 크기가 달라질 수 있었습니다.

1. 장치가 움직일때.
2. 마커가 가려질 때.
3. 마커로부터 거리가 멀어질 때
   위의 문제를 해결하기 위해서는 다음과 같은 대응이 필요하다고 판단됩니다.
4. 빠른 연산 장치 사용
5. 고해상도 카메라 사용
6. 마커 외에 움직임을 인식하고 보정할 수 있는 센서의 추가 사용

6 향후 연구

이 연구를 통해 가상세계와 실제 현장의 결합이 앞으로의 디지털 시공 환경을 위해 꼭 달성해야 하는 목표라는 것을 알 수 있었습니다. 가상과 실제를 결합하는 것은 Augmented Reality또는 Mixed Reality라는 분야에서 연구되고 있는 목표이며, 건설에서 필요한 요소기술입니다.

두 분야의 협업이 절실히 요구됩니다. 또한 가상과 실제를 결합하는데 물체의 위치(positioning)인식이 가장 중요하다고 생각했고, 이를 위해 indoor GPS, GPS RTK, IMU sensor fusion 등의 image processing의 한계를 보안할 수 있는 추가 기술의 융합이 필요하다고 생각합니다.