BIM principle and Digital transformation: 2021년 주목해야 할 건설 기술 트랜드 이야기

2021년 9월 21일 화요일

2021년 주목해야 할 건설 기술 트랜드 이야기

이 글은 2021년 건설 기술 트랜드 이야기를 정리한 것이다. 참고로, 이 글은 최근 3개월 동안 발행된 Fobes, Construction magazine, Solution company, Blog 기사 등을 통해 얻은 내용을 정리한 것이다.

작년은 위기이자 기회의 시기였다. COVID-19로 인해 건설 산업에서 첨단 기술 채택 가속화에 큰 영향을 미쳤다. 3월은 전세계가 코로나 바이러스 전염병을 경험한지 1년이 되는 해이다.

2020년 3월 17일, Marty Walsh 시장은 보스턴에서 대부분의 공사를 중단한 미국의 첫 번째 주요 도시였다. 사회적 거리두기 및 PPE(Personal Protective Equipment)와 같은 프로토콜에 건설 계약자들이 적응하기 위해 많은 시행착오와 노력이 있었다. 건설 분야 계약은 2020년 3월을 바닥으로 하여, 현재는 작년 2월 수준에 근접했다.

COVID-19 예방 접종이 시행됨에 따라 2021년 언젠가는 결국 집단 면역에 도달할 것이다. 건설의 경우, 이는 건설 활동에 대한 더 큰 수요가 창출될 것을 의미한다. 건설 리더는 생산성 향상, 비효율성 제거, 젊은 디지털 네이티브 인력을 흡수하기 위한 기술 채택이 꾸준히 증가 할 것이다.

다음은 2021년에 주목해야 할 건설 기술 트렌드이다.

건설 디지털 협업 솔루션

작년에 많은 직원이 재택 근무에 적응해야하는 곳에서 정보를 실시간으로 전달하고 공유할 수있는 솔류션이 매우 중요하다는 것을 알게 되었다. 협업 소프트웨어에 대한 필요성은 이미 건설 업계에 존재했으며, 사무실과 현장은 물론 건축가, 공급 업체, 건축 제조업체, 건물 검사기관 및 하청 업체와 같은 이해 관계자와도 실시간 정보를 쉽게 전달할 필요가 있었다.

건설 과정에서 의사결정을 빨리 내려야하는 경우가 많으므로 비용이 많이 드는 재작업을 방지하고 프로젝트 일정과 예산을 요구사항 내에서 유지하기 위해, 최신 정보 액세스는 중요하다.

오토데스크, 벤트리와 같은 솔류션 업체들은 이미 협업 관련 솔류션을 현장에 적용할 만큼 개선하였으며, Zoom과 같이 비 건설 솔류션 개발업체도 이 분야에서 많이 활용되고 있는 상황이다.

협업 솔류션 BIM360과 오토데스크 포지

사물인터넷(IoT)

대규모 프로젝트에서 작업 현장 기록 및 추적에 사용되는 사물인터넷 기술은 팀이 수동으로 작업 데이터를 입력하는 전통적인 접근 방식을 보완하고 대체한다.

IoT는 현장을 디지털화하여, 원격으로 상황을 파악하고, 의사결정을 내리기 위한 정보를 얻는 데 큰 역할을 할 수 있다. 인프라 시설물 관리 분야는 이미 IoT기술이 적용되어, 많은 물리적인 부분이 디지털화되었다.

IoT 센서는 안전모, 작업자 벨트 등에 착용해 안전성 및 생산성 데이터를 자동 수집할 수 있으며, 개인에게 할당된 작업 활성 시간과 유휴 시간에 대한 실시간 데이터를 전송할 수 있다.

Occupational Health and Safety Administration. US

이런 기술은 감독자와 관리자가 부하 직원의 성과를 평가할 수 있는 작업 관리 애플리케이션을 구현한다(예. Oracle Construction and Engineering). 사물 인터넷이 건설에 응용되고 있는 분야는 매우 다양하다. 이에 대한 자세한 내용은 다음 링크를 참고한다.

건설 분야 IoT 최신 응용 사례 및 동향

이미지 스캔 및 3차원 포인트 클라우드

LiDAR(Light Detection and Ranging)는 건설 현장에 디지털 모델과 시공 모델이 일치하는지 확인하는 가장 정확하고 효율적인 방법이다. 라이다는 현존하는 가장 정밀한 3차원 데이터 획득 방법이며, 무인자율차 등 다양한 영역에서 비전 기술과 함께 사용되고 있다.

플랜트 스캔 작업 모습(KICT)

최근 거대 기업인 Apple과 Google이 라이다 기술을 일반 시장에 판매하는 수준으로 혁신하고 있다. 예를 들어, Apple iPhone 12 Pro에는 장치에 내장된 LIDAR가 있다. Apple iPad Pro는 레이저 펄스를 사용하여 물체와의 거리를 측정하는 LIDAR 스캐너가 함께 제공된다. 이 장치에서 얻은 3차원 포인트 클라우드(point cloud) 데이터를 처리하면, 깊이 있고 복잡한 3D맵을 만들 수 있다.

구글 또한 레이저 기반 시스템을 개발 중이다. LIDAR 시스템은 증강 현실 애플리케이션 성능을 향상시킨다. ARkit 개발도구를 이용하면, 합성된 환경과 모델을 통합할 수 있다. 이는 건설 현장에서도 디지털 모델을 현장으로 옮기거나, 완성된 건물의 경로를 가상으로 관찰하거나, 건식 벽체가 경화되기 전에 단면 패턴을 체크하는 데 도움이 될 수 있다.

포켓크기의 LIDAR는 건설 현장 자재와 인력 이동 정보를 높은 정밀도로 각 단계 별로 문서화할 수 있다. LIDAR는 작은 균열, 위험한 구조물, 위험 장소에 대한 직접 검사 방법을 개선할 수 있다.

이런 라이다 기술은 인공지능, 비전 기술과 융합해, 자동으로 현장을 3차원 모델로 변환하고, 실시간으로 필요한 객체 정보, 형상 치수, 시계열 변화에 따른 모니터링 정보를 관리자에게 제공할 수 있을 것이다. 아울러, 건설된 인프라의 시설물 관리 및 운영에 필수적인 기술로 자리 잡을 것이다.

인공 지능과 비전

AI는 센서, 웨어러블 및 레이저 스캐너와 같은 다른 기술과 함께 사용되어 학습 및 의사 결정에 사용할 정보를 생성하는 기술이다. 알고리즘을 사용하여 데이터에서 학습하고, 패턴을 식별하고, 프로그래밍할 필요없이 의사결정을 내리는 기계 학습은 건설 기술에 가장 큰 영향을 미친다.

건설 프로젝트는 수집된 모든 데이터를 사용하여 기계 학습 모델을 개선하고, 프로젝트 향후 결과를 예측하고 일정 관리를 지원하며, 위험을 완화하고, 생산성을 향상시키는 데 사용할 수 있다. AI는 유용한 양의 데이터를 생성한다. 건설에서 AI의 잠재력을 최대한 발휘하기 위한 한 가지 장애물은 생성되는 모든 데이터를 수집, 정재, 구성 및 구조화하는 방법을 찾는 것이다.

AI를 사용하여 작업자를 모니터링하고 안전 위험을 식별하고, 스마트 폰이나 웨어러블 장치를 통해 작업자 및 안전 관리자에게 경고하여 사고가 발생하기 전에 위험을 회피할 수 있다. AI는 자율 주행 건설 장비 개발의 주요 구성 요소이다.

딥러닝 기반 현장 작업자 위치 자동 인식(YOLO)

건설 프로젝트 계획 및 일정 수립은 AI가 몇 분 만에 프로젝트를 수백만번 시뮬레이션하고, 이상적인 일정을 제공하기 위해, 매번 수많은 대안을 자동 조정하여 효율성과 생산성을 극대화할 수 있는 일정과 방법을 제안한다. AI는 건설 로봇과 드론을 통해 작업 현장 진행 상황을 모니터링하고, 작업 생산성을 개선하기 위해 실행 가능한 실시간 데이터를 제공할 수 있다.

인공지능 기반 이상 데이터 예측(LSTM)

비전 분야는 인공지능기술과 융합되어 큰 시장가치를 만들고 있다. 예를 들어, Mobileye는 2018 년 Intel에 153억 달러 판매되었다. 오늘날 컴퓨터 비전은 시설물 관리, 농업에서 건설에 이르기까지 다양하게 활용되고 있다. 이는 LiDAR 와 밀접한 관계를 만들며 크게 발전하고 있다.

농작물 현황 인식(CERES)

시설물 자산 관리(Cape Analytics)

나열된 애플리케이션 외에도 AI는 건물 설계 최적화, 위험 평가 및 완화, 물류 예측에도 사용된다. 이는 결국 더 안전하고 효율적이며 생산적인 건설 현장을 구현할 수 있다.

건설 메타버스(metaverse)

메타버스는 디지털 기반 혼합, 증강, 가상 현실 기술을 모두 포함하는 개념이다. 메타버스는 이미 Autodesk, Unity, Unreal, Facebook, 이케아와 같은 선도업체에 의해 제품이 출시되고 있으며, 현장에 사용되고 있다. 몰입형 시각화는 설계, 협업 및 커뮤니케이션을 개선하고 건축가가 설계를 고객에게 더 잘 보여줄 수 있도록 한다. Autodesk, Unity 등 BIM 솔류션 개발사는 BIM to VR 기술을 대중화시켰으며, 다양한 영역에서 사용하고 있다.

설계자 빌더 협업을 위한 실시간 몰입 현실 사례(Resolve 사)

안전 교육, 장비 운영자 교육 등은 이 기술이 도움을 줄 수 있는 영역이다. 작업자는 안전을 유지하면서, 다양한 시나리오를 통제된 환경에서 검토할 수 있다.

건설 AR 애플리케이션은 QR 코드, 건축 도면 및 이미지, GPS와 같은 마커를 사용하여 BIM 모델, 설치 지침, 안전 체크리스트 등을 현장에 오버레이할 수 있다.

혼합 현실(Mixed Reality, Elizabeth Robinson, 2018.2, Microsoft outlines three trends that will impact mixed reality in 2018)

구글이나 페이스북에서 개발한 안전 고글, 헤드업 디스플레이와 AR기술을 결합하면 작업자가 손을 자유롭게 작업을 수행하면서 건설 정보, 체크리스트, 프로젝트 문서를 불러올 수 있다.

웨어러블

건설 분야의 웨어러블 기술은 안전모, 장갑, 안전 조끼 및 작업 부츠와 같이 이미 일반적으로 사용되는 의류 및 개인 보호 장비에 내장되고 있다.

건설 웨어러블에는 생체 데이터, 환경 센서, GPS 및 위치 추적기, Wi-Fi, 전압 감지기 및 기타 센서가 장착되어 작업자의 움직임, 반복적인 동작, 자세, 미끄러짐 및 낙상을 모니터링한다.

Inside Human Condition Safety Network Operations Center (NOC). Courtesy Human Condition Safety.

생체 인식 센서가 내장된 웨어러블은 개인 심박수, 체온 및 기타 활력 징후를 추적 할 수 있으며 작업자가 과도하게 피로하거나 과열되는 경우 안전 관리자에게 즉시 알람을 줄 수 있다.

프로젝트 관리자와 현장 감독자가 바이러스 확산을 막고, 프로젝트 지연을 방지하기 위한 방법을 모색함에 따라, 작업자에 대한 이러한 유형의 정보에 쉽게 액세스할 수 있다. 많은 근로자들이 COVID-19에 감염, 노출될 수 있으므로, 격리 시 일을 못할 수 있다.

안전은 건설에서 항상 뜨거운 이슈이며, 매년 작업자 사망으로 인해 건설 작업성에 나쁜 영향을 미치고 있다. 작업자를 모니터링하고 추적할 수 있으면, 작업자 안전에 대한보다 적극적인 접근 방식을 취할 수 있다.

빌딩 정보 모델링 및 디지털 트윈

BIM은 건물의 물리적 및 기능적 측면에 대한 디지털 표현을 통합하는 프로세스이다. 잘 사용하면 프로젝트 설계 및 시공 과정에서 더 나은 협업으로 연결될 수 있다. BIM은 사전 시공, 추정, 계획 및 일정 수립, 충돌 감지 등에서 사용되고 있다.

BIM과 디지털 트윈 관계(cobuilder, 2018, The ‘digital twin’ – a bridge between the physical and the digital world)

BIM은 계약자가 3D 모델링 및 데이터로 인해 프로젝트 설계 의도를 더 잘 이해하도록 돕고, 정확한 추정을 위해 프로젝트에 필요한 모든 건축 자재 및 요소의 정확한 수량 계산을 지원할 수 있다. BIM은 설계 단계 또는 시공이 시작되기 전에 충돌 감지를 자동화하여 변경 지시를 크게 줄이거나 제거할 수 있다.

BIM-IoT 연계 기능(Ecodomus, 2018.12)

공유 BIM 모델에서 실시간으로 변경이 이루어지므로 모든 프로젝트 구성원에게 업데이트를 즉시 전달할 수 있다. 모든 사람이 최신 정보로 작업할 수 있다. BIM을 사용하여 건설 일정을 시뮬레이션하여, 각 건설 단계를 시각적으로 표현할 수 있다.

BIM은 그 자체로 많은 이점을 가질뿐만 아니라 디지털 트윈, 인공 지능 및 스케줄링 소프트웨어와 같은 다른 기술을 지원하는 기반 중 하나로 사용될 수 있다.

디지털 트윈 기술은 센서, 드론, IoT 등을 사용해 건설 디지털 데이터 모델을 생성한다. 완성된 건물 또는 건설중인 인프라에 대한 데이터를 수집하여 모델에 반영한다. 해당 데이터는 AI 소프트웨어, 고급 데이터 분석 및 기계 학습을 사용하여 처리된 후 디지털 정보 모델을 생성하고 실제 건물에서 지속적으로 데이터를 모아 지식을 학습하게 할 수 있다. 이는 프로젝트 일정을 개선하고, 풍부한 데이터를 구축하여, 프로젝트가 완료된 후, 시설물 관리 운영 시스템을 구축하는 데 사용할 수 있다.

디지털 트윈 기반 IoT 데이터 모니터링 개발 예(Autodesk forge)

건설 로보틱스

드론, 로봇 등 로보틱스 기술을 이용한 건설 작업 자동화는 안전과 생산성에 큰 영향을 미치고 있다. 가까운 미래에 건설 로봇은 벽돌 쌓기, 철근 묶기, 건식 벽체 설치와 같은 간단하고 반복적이며 노동 집약적인 작업을 수행하는 데 사용될 것이다. 인간은 작업 현장에서 로봇을 설정하고, 일부 작업을 수행한다.

빌드 로보틱스 건설 로봇

대부분 건설 로봇은 작업자를 대체하는 대신, 작업자의 생산성을 돕고, 위험을 완하시켜 수년동안 발생하는 신체 건강 손실을 줄일 수 있다. 이는 작업자의 경력 연장에 도움이 될 수 있다.

건설용 드론은 현장 조사부터 구조물 검사, 건설 현장 안전 체크에 이르기까지 모든 작업에 사용된다. 드론을 사용하여 작업 현장 검사를 신속하게 수행하고, 매일 잠재적 위험을 식별할 수 있다.

이러한 로보틱스 기술은 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, DJI는 건설 현장에 적용 할 수 있는 강력한 재료 분사 기기능을 갖춘 농업용 드론을 출시해 시장에서 사용되고 이싿.

농업용 드론(DJI AGRAS T20)

로보틱스 기술을 사용하기 위해서는 특수한 교육을 받아야 한다. 카메라, 레이저 스캐너 및 기타 데이터 수집 장치가 장착된 로버나 드론은 작업 현장의 효율성을 개선하는 데 도움이 되는 AI 기반 애플리케이션에서 사용될 수 있다.

시설물 인프라 3차원 데이터 수집 로버 예시

모듈러, 오프사이트 조립(offsite prefabrication)

2020년 상업용 건설의 78%가 조립식을 사용했다(JBKnowledge). 올바르게 실행되면 오프사이트 건설은 일반적인 작업 현장에서 발견되는 많은 비효율성을 제거한다. 근무 중에 작업 현장을 살균 소독할 수 있으며, 사회적 거리를 쉽게 유지할 수 있고, 교대 근무를 추가 할 수 있다. 일부 작업을 자동화할 수 있으므로 더 짧은 타임 라인으로 프로젝트 시공 속도를 높일 수 있다.