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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.3 pp.19-26
DOI :

Utilization of 3D Scanner and BIM for Uprising 4th Industrial Revolution

Byoung-Do Lee*, Tae Hyuk Kim**
*C&P Engineering, Division Director
**Dongyang Structural Engineers, Engineer

Abstract


4차 산업혁명을 위한 3D 스캐너와 BIM 데이터의 활용

이 병 도*, 김 태 혁**
*(주)씨앤피엔지니어링 건설ICT본부 본부장
**(주)동양구조안전기술 연구소 연구원

초록


    1. 3D 스캐너와 BIM

    스캐너가 무엇인지, 무엇에 사용하는지는 이미 많은 사람들이 알고 있을 것이다. 이미 우리가 사무 실에서 많이 사용하고 보급화 되어있는 2D 문서용 스캐너가 일반적이기 때문일 것이다. 일반적인 2D 스캐닝 방식은 이미지 스캐닝 방식으로 물체를 광 학적으로 읽어 기존의 종이로 된 문서를 하나의 이 미지 디지털 데이터로 만드는 것이라 할 수 있다. 물론 이러한 이미지 스캐닝 방식도 많은 발전을 통 해 단순히 하나의 이미지로 인식하는 기존의 방식 이 색을 분석하고 텍스트를 분석하여 재활용하고 가공할 수 있는 기술들로 많은 발전을 이루고 있다. <Fig. 1>

    그렇다면 3D 스캐닝은 어떤 것일까? 3D 스캐닝 (3D scanning)1)은 하드웨어 장비를 이용하여 물체 의 3D 형태를 측정하는 방법으로 크게는 대상과의 접촉 여부에 따라 접촉식(3차원 측정기 : CMM, Coordinate Measuring Machine)과 비접촉식(3D scanner, 3D digitizer)으로 나뉜다. 접촉식은 탐촉 자를 물체에 직접 닿게 하여 스캐닝하는 방식으로 정확도가 장점이지만, 물체의 변형이나 손상 가능 성이 있어 주로 제품 검측에 많이 활용되고 있다. 비접촉식은 빛을 이용하여 물체를 스캐닝하는 방법 으로 레이저나 백색광으로 물체에 빛을 쬔 후 반사 된 빛의 시간을 측정하고 거리를 수치화하는 방식 으로 광범위한 공간을 스캐닝 하는데에 주로 사용 되고 있다.

    비접촉 3D 스캐닝은 레이저를 발사하여 물체에 맞고 돌아오는 시간으로 물체까지의 거리를 측정하 거나 특별히 고안된 패턴광2)을 이용하여 물체까지 의 거리를 측정하는 방법이 있다. 패턴광을 이용하 여 거리를 잴 때는 미리 고안된 여러 가지 무늬의 빛을 물체에 가한 뒤, 빛이 물체에 맺힌 형태로부터 물체까지의 거리를 측정한다. 빛을 이용한 측정의 특성상 물체가 그림자에 가려지거나 물체 표면 마 감이 반짝거리는 재질인 경우에는 3D 데이터 획득 이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 비접촉 3D 스캐 닝은 최대 1,000m 이상의 장거리 스캐닝 대상으로 부터 마이크로미터 단위의 미세한 3D 데이터까지 획득할 수 있는 장점이 있으나, 장비가 고가이며 장 비의 이동이 어려워서 보통 실내에서만 측정이 가 능하다는 단점이 있다. 최근에는 노트북에 연결하 여 사용할 수 있는 휴대용 스캐너나 이동식 고정밀 스캐너가 소개되고 있어 이동성의 단점이 많이 개 선되고 있다. <Fig. 2>

    대부분의 경우에는 한 번의 스캔으로 완벽한 모델을 만들 수 없고 여러 번의 스캐닝 과정을 거쳐 얻은 데이터들은 후처리 작업을 요구한다. 데이터들을 기준 좌표로 변환하는 작업을 정렬 (Alignment) 또는 정합(Registration)이라 하고, 정합된 여러 데이터를 하나로 합치는 작업을 머징 (Merging)이라 한다. 데이터를 후처리 하는 일련의 과정이 엔지니어링 업무의 시작이라 할 수 있고 여 기에는 많은 시간과 노력이 요구된다.

    2. 4차 산업혁명과 건설 산업 그리고 3D 스캐너

    2.1 4차 산업혁명

    2016년 1월 20일 스위스 다보스 경제 포럼에서 언급되기 시작한 4차 산업혁명은 현재 산업경제 뿐 만 아니라 다양한 분야에서 가장 큰 이슈이다. 결론 부터 이야기 하자면 정보 데이터를 어떻게 수집하 고 활용하느냐 즉, 데이터가 돈이 되는 시기가 오고 있다는 것이다. <Fig. 3>

    1차 산업혁명은 노동력이나 동물이 아닌 기계(증 기 기관)가 돈이 되는 시기였고, 2차 산업혁명은 기 존의 기계와 다양한 기술이 융합하여 대량 생산화 가 주도되어 산업을 이끌어가는 시기였다. 3차 산업 혁명은 2차 산업혁명 이후 고도화된 사회가 컴퓨터 를 기반으로 정보화 되어가는 시기였다. 이제는 모 든 정보가 다양한 산업에서 데이터를 공유하고 새 로운 방법으로 재활용 되는 것이 4차 산업혁명의 핵 심이라 할 수 있다. 그렇다면 건설 산업은 어떻게 변화하고 있을까?<Fig. 4>

    2.2 건축 정보 모델 BIM (Building Information Modeling)

    건설 산업은 손으로 작성하던 2D 제도 방식이 컴 퓨터 지원 설계 즉, CAD (Computer Aided Design) 를 만나 데이터화 되었다. 그러나 본격적인 건축 정 보 데이터를 이루기 시작한 것은 건축 정보 모델 (BIM)을 만나면서부터이며 디지털 정보를 생성, 관 리하는 프로세스로 발전하고 있다.

    하지만 BIM 데이터는 설계를 통해 계획된 데이터 일 뿐 완공된 실제 건물 데이터와는 다를 수 있다. 시공 오차 혹은 사용 중에 발생한 변위 ․ 변형이 반 영되지 않기에 완벽한 건축 디지털 데이터라고 할 수 없다.

    우리는 건축물의 오랜 사용과 다양한 활용을 위 해 건축물의 현재 상태를 반영한 정확한 건축 정보 데이터가 필요하다. 이러한 데이터를 생성하기 위 해 3D 스캐너와 같은 장비를 이용한 현재 시점의 건축 디지털 정보의 생성이 필요한 것이다. <Fig. 5, 6, 7, 8>

    3. 역설계 : Reverse engineering VS. Reverse drawings

    역설계3)는 기존에 제작되어 있는 대상물에 대하 여 3D 스캐닝 기술을 통해 정보를 취득하고, 이를 기반으로 우리가 얻고자 하는 다양한 정보를 분석 ․ 가공할 수 있도록 하는 분야이다. 물론 이렇게 3D 스캐닝 데이터를 취득하여 가공하고 분석하는 일련 의 행위를 대형 구조물에 적용해야 하는 건설 산업 에서는 어려움이 있을 수 있다. 하지만 이미 기계 산업 분야에서는 보편화 되어 있을 뿐만 아니라 전 문화 ․ 특성화 되어 발전하고 있기에 건설 산업에서 도 머나먼 미래의 기술은 아닐 것이다.<Fig. 9, 10, 11, 12> Table 1

    현재의 3D 스캐닝 분야는 3D 스캔 데이터를 취 득하고 단순 도면화 하는 정도에 그치고 있는 것 이 현실이고 이를 분석하고 판단할 수 있는 엔지 니어링 분야는 아직 이루어지지 못하고 있다. 예 를 들어 병원에 X-ray 기사는 많아서 X-ray 촬 영은 이루어지고 있지만 이렇게 촬영한 X-ray 데 이터를 판독하고 진단해 줄 의사가 없는 상황인 것이다. Table 2

    앞으로의 미래 산업을 위해 엔지니어들이 고정밀 3D 스캔 데이터와 BIM 데이터를 더 많이 접하고 활 용하여 역설계 도서(Reverse drawing)에서 그치지 않고 역엔지니어링(Reverse engineering)으로 발 전될 수 있어야 할 것이다.<Fig. 13, 14, 15, 16>

    4. 건설 현장에서의 일반적 3D 스캐너 활용

    4.1 Reverse drawing(3D 스캔 데이터를 기반으로 도면 및 3D 모델 작성)

    도면이 없는 오래된 건축물의 리모델링 혹은 보수 ․보강을 위해 3D 스캐너와 BIM 데이터를 활용하면 보다 빠르고 정확한 현황 조사 도면 작성이 가능하 다. 이렇게 만들어진 도면은 기존 방식의 실측 도면 보다 정확할 뿐만 아니라 필요할 때 언제라도 3D point cloud 데이터를 확인할 수 있기 때문에 계속적 인 방문 측정이 아닌 한 번의 촬영으로 다양하게 분 석하고 판단할 수 있는 근거 데이터를 만들 수 있다.<Fig. 17, 18, 19, 20>

    4.2 Data inspection(3D 스캔 데이터와 2D 도면 or 3D 모델 비교 분석)

    3D 스캔 데이터를 2D 도면 혹은 3D 모델과 비교 하여 편차 정도를 분석하여 제작 상태 및 시공성을 분석하도록 한다.

    4.3 변위 분석

    기둥의 수직도, 보의 수평도, 바닥의 평활도 등 부재의 변위 상태를 분석4)한다.

    5. 3D 스캐너를 활용한 대공간 구조물의 유지 관리 프로세스

    기존 안전 진단을 위한 유지 관리 시스템은 접촉 방식으로 엔지니어가 줄자나 스마트 레벨, 트랜싯 등을 이용하여 구조 부재에 직접 접근해야 데이터 를 취득할 수 있다. 이렇게 취득된 데이터는 정량적 인 데이터라고 판단되기 보다는 정성적 평가 데이 터에 불가했다. 따라서 이렇게 취득된 데이터는 장 기적 유지 관리를 위한 정보 데이터로의 활용보다 는 단기적 판단을 위한 근거 정도로만 쓰는 현실이 다. 또한 대공간 구조물은 접근성이 용이하지 못하 여 전체 변위나 문제점을 분석하는데 한계가 있어 서 전수 조사보다는 샘플 조사를 통해 부분적 확인 으로 전체를 추정하고 있다.<Fig. 21, 22, 23, 24>

    하지만 3D 스캐너를 안전 진단에 활용하면 3D 스캐닝을 통해 전체 변위를 사전에 검토하고, 검토 된 데이터를 기반으로 가장 문제되는 부분에 대해 서만 책임 엔지니어가 정밀 검토를 한다면 기존의 방식보다 빠르고 정확한 데이터 분석이 가능할 것 이다.

    3D 스캐너를 활용하여 현장에서 취득할 수 있는 데이터는 기본적으로 부재의 대략적 크기 정보(대 략적 사이즈만 가능하며 부재의 두께 정보는 취득 하기 어려움), 부재의 변위, 처짐이며, 이러한 데이 터를 기반으로 기존에 없었던 현장 조사 도면 및 검 토 자료를 좀 더 정확하게 추출할 수 있는 것이 가 장 큰 장점이라고 할 수 있다. 또한 이렇게 만들어 진 변위 정보는 기존의 정성적 평가와는 달리 정량 적 데이터로 취득되기 때문에 장기적인 변화 추세 를 보다 정밀하게 확인할 수 있으며 유지 관리를 위 한 기초 데이터로 활용할 수 있다.

    6. 기타 적용 사례

    6.1 화재 현장 현황 조사

    3D 스캐너를 활용하여 화재 범위 및 화재로 인한 콘크리트 파괴 깊이를 분석하고 보수 물량을 산출 한다. 3D 스캐너로 만들어진 화재 현장 분석 데이 터는 파괴 깊이별 분석을 통해 화재의 심화 정도, 파괴 정도를 분석하고 최종적 보수 물량까지 산정 할 수 있는 근거 데이터를 만들 수 있다.

    6.2 노후 구조물 안전 진단

    노후화 된 구조물은 보통 도면이 명확하지 않을 뿐만 아니라 오랜 사용에 따른 변위 ․ 변형이 많이 발생할 수밖에 없다. 또한 이러한 구조물의 특징상 많은 보수 ․ 보강이 수시로 이루어졌기 때문에 기존 도면으로는 현재 상황을 정확히 판단할 수 없다. 따 라서 3D 스캐너를 활용하여 구조물의 변위 상태와 보수 ․ 보강 상태를 분석하고 도면화하여 장기적 유 지 관리 데이터로 활용할 수 있도록 한다.

    6.3 탑다운 현장의 철골 구조물 위치 보정

    탑다운 현장의 특성상 토목 공정에서 사전에 매 설해놓은 철골 구조물이 정확한 각도와 위치에 매 설되어 있지 않은 경우가 많기 때문에 차후에 철골 공정 작업시 도면대로 반입된 철골 보의 길이 및 각도가 현장과 맞지 않는 경우가 많다. 따라서 철 골 공정 시작 전에 3D 스캐닝을 활용하여 현장 굴 토 후 매입된 철골 현황을 분석하여 철골 제작에 반영할 수 있도록 하는 것이 첫 번째 목적이다. 그 리고 철골을 감싸는 콘크리트 기둥의 피복 간격을 파악하고 기둥의 수직도를 분석하여 후속 공정에 문제가 없도록 하는 것이 최종 목적이라 할 수 있 다.

    7. 맺음말

    건설 산업은 현재의 4차 산업혁명과는 너무 먼 거리를 두고 있는지도 모른다. 지금까지는 노동 집 약적인 산업이었을 뿐만 아니라 제조 산업에 비해 한참 뒤처져 있는 것 또한 부정할 수 없는 현실이지 만 CAD와 BIM을 거치면서 많은 부분이 전산화 ․ 정 보화 되었다고 생각한다. 하지만 아직도 많은 엔지 니어들이 새로운 기술이나 새로운 업무 프로세스에 대해서 부담을 가지는 듯하다. 필자가 처음 BIM을 적용하던 10년 전과 마찬가지로 지금도 3D 스캐닝 을 적용하려 할 때마다 많은 엔지니어들과 의견 충 돌이 발생한다. 이러한 변화를 두려워한다면 앞으 로 새로운 시대를 쫓아가기에는 늦을지도 모른다. 요즘 각광받고 있는 드론이나 3D 프린터, 3D 스캐 너, VR(가상현실), AR(증강현실), MR(혼합현실) 등은 앞으로 우리가 접해야 하는 현실적 미래 기술 이다. 이러한 기술에 적응하고 적극 활용하는 것이 미래를 준비하는 엔지니어의 자세가 아닐까 싶다. 그런 면에서 3D 스캐너를 활용할 수 있다는 것은 정보화 데이터 시대를 준비하는 근간이 될 것이다. 정보화 데이터가 BIG 데이터로 집약되어 다양한 곳 에 활용된다면 4차 산업혁명의 흐름에 순응하여 우 리 건설 산업이 성장하는 기반이 될 것이다.

    Figure

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    2D image scanner

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    CMM (Coordinate Measuring Machine)

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    3D scanner

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    4th industrial revolution

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    BIM process

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    (Drone, 3D scanner, Total station)

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    Doctor and engineer

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    On-site photo

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    3D scanning data

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    BIM model

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    2D architectural drawing production

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    Data Inspection

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    3D scan displacement location

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    Horizontal analysis of beams

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    3D scanning above ground

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    Large space 3D scanning

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    Member size analysis

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    Member displacement analysis

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    Field survey drawing

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    Fire site analysis

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    Cross section analysis

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    BIM analysis through 3D scanning

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    Comparison with actual drawings

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    Concrete coating state predictive analysis

    Table

    The pros and cons of CMM

    The pros and cons of 3D scanner

    Reference

    1. Kang, T. W. , "3D Scanning Nonverted Design" : Advanced Space Information Digital Transformation
    2. Bosch, F. , " Plane-based Registration of Construction Laser Scans with 3D/4D Building Models ", Advanced Engineering Informatics, Vol.26, No.1, 2012
    3. Gleason, D. (2013, October). Laser Scanning for an Integrated BIM. Lake Constance 5D-Conference, Konstanz University of Applied Sciences, Germany.
    4. Hajian, H. , & Becerik-Gerber, B. (2010). Scan to BIM: Factors Affecting Operational and Computational Errors and Productivity Loss. Proceedings of the 27th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Slovakia, pp.265~272