BIM과 건설 로보틱스 기술

 건설은 다른 분야들 중에서도 생산성이 가장 낮다. 미 상무부와 노동 통계국 (Bureau of Labor Statistics) 조사에 따르면 건축 분야는 최근 60년대에 비해 생산성이 낮다(Whaley, Mike. 2014). 이 글은 이런 문제를 로보틱스 기술을 이용해 해결해 보려는 시도를 이야기한다.

머리말

건설이 아직 수작업에 의한 재활용되지 않는 프로세스를 가지고 있다는 것은 이 문제의 주요 원인일 것이다.

사실, 다른 산업은 생산성 향상을 위해 로봇에 의존하고 있다. 자동차 산업은 좋은 예이다. 이런 산업은 대량 생산하며, 제조 과정이 표준화되어 있다는 것이다. 이런 이유로, 건설 프로세스에 로봇을 참여하는 방법은 AEC 기업, 특히 BIM 기술을 채택한 기업의 관심사가 되어가고 있다. 이들은 로봇이 생산성을 향상시킬 수 있다고 믿고 있다. 

BIM은 제대로 수행된다는 가정하에 디자인 프로세스에서 큰 이점을 제공할 수 있다. 이는 건축가와 엔지니어의 작업을 단순화했으며, 성능을 조정할 수 있다. 데이터 처리 프로세스를 가속화하고 여러 분야 간 협업을 원활하게 하여 시간과 노력을 절약한다. 문서를 줄이며 검토 및 수정주기를 개선한다. 

하지만, 문제는 계약자와의 불완전한 의사 소통으로 인한 건설 중에서 발생한다. 이 경우 BIM은 정확하게 구축되지 않는다. 이는 재작업, 재시공으로 인한 비용 증가 요인이 된다.

만약, 계약 요구사항이 정확히 BIM에 반영되어 있다고 가정하였을 때, 로보틱스 기술을 이용한다면 건설 과정에 큰 이익을 줄 수 있다. 로봇은 오류와 재 ​​작업을 줄인다. 시공 정확성을 높이고, 시간을 절약할 수 있다. 로봇은 복잡한 형상과 모양을 생산할 수 있다.

 

로보틱스 건설 기반 기술

건설 로보틱스 기술은 현재 제조 분야에서 이슈화되고 있는 스마트 팩토리 프레임웍으로 관련 요소들을 유기적으로 연계시킬 수 있다. 스마트 팩토리 프레임웍은 제조 과정을 모니터링하여, 문제가 발생하기 전에 모니터링된 데이터를 분석하여, 미리 발생될 문제를 예방한다는 개념을 포함한다. 발주자의 건축물 전생애주기 관리 관점에서 보면, 이런 기술들은 PLM(Product Lifecycle Management)관점에서 데이터와 정보가 체계적으로 정의되고, 형상관리될 필요가 있다. 다음은 기술을 구성하는 각 컴포넌트에 대한 설명이다. 

Parametric modeling

파라메트릭 모델링 기술은 비정형 디지털 모델링을 개발하기 위해 필수적인 기술이다. 다양한 곡면 형상을 모델링하기 위해서는 NURBS와 같은 곡면을 파라메트릭하게 정의하여, 곡면 특성을 모델링할 수 있어야 한다. 디자인 본질을 알고리즘으로 표현해, 곡면을 생성하는 알고리즘 기반 디지털 모델링은 비정형형상의 파라메터를 프로그래밍으로 제어함으로써, 디지털 모델을 생성할 수 있다. 이 과정은 BIM 모델러, Grasshopper와 같은 알고리즘 기반 모델링이 가능한 도구, 혹은 직접 모델러에 알고리즘을 기술하는 프로그래밍을 디지털 모델에 적용함으로써, 디자인 본질을 표현하는 DNA가 포함된 디지털 모델을 효과적으로 구현할 수 있다(강태욱, 2015).  

Assembly part generation

비정형 디지털 모델을 개발 한 후에는, 이 모델이 시공가능한 개별 부재로 분해되어야 한다. 각 부재는 패널이나 구조적 뼈대가 되는 프레임일 수 있다. 곡면은 곡률에 따라 최적화되어, 최소한의 수로 패널화된다. 선박/항공 제조 분야에서는 곡면을 패널화시키는 기능이 포함된 모델러들이 있다. 그리고, 이 패널을 지지하고, 위치를 고정할 수 있는 프레임을 생성할 수 있는 방법들을 제공한다. 보통, 특정 서포트나 프레임 모델 생성을 지원하지 않는 모델러인 경우에도, 애드인(addin) 기술을 이용해, 부재 모델 생성을 특정 규칙에 따라 자동화(automation)할 수 있다. 

 

Simulation

비정형 디지털 모델을 분해한 건축 가상 부재들을 연결하고, 시공할 때, 부재 제작 관점, 구조적 관점, 환경적 관점에서 발생 가능한 문제들을 미리 검토할 필요가 있다. 건축 부재 제작은 앞서 글에서 설명한 것처럼, 패널 제작을 예를 들면, 패널 변형, 절단, 연마, 용접, 접착, 마감 등의 순서로 구성될 수 있다. 이 경우, 가상의 부재들을 이용해, 이 과정을 미리 시뮬레이션해 봄으로써, 사전제작 과정에서 발생 가능한 문제들(형상 간섭, 시공 간섭 등)을 미리 검토할 수 있다. 또한, 시공 된 후에 구조적, 환경적 관점(실내 조도, 공조 등)을 시뮬레이션함으로써, 발주자의 클레임 이슈를 미리 해결할 수 있다. 이런 가상 설계 및 시공(VDC. Virtual Design and Construction) 프로세스를 미리 경험하여, 시공 비용 및 품질을 크게 개선할 수 있다.

Robotic-based prefabrication

로봇 기반 사전부재제작은 가상 부재를 시공하기 위해, 재료를 가공하고, 실제 시공이 가능한 방식으로 형상을 수치적으로 가공하여, 부재를 개발하는 것이다. 이는 디지털 모델을 기반으로 한 정확한 로봇 제어 기술이 필수적이며, 아울러, 가공된 부재가 제대로 생산되었는 지 모니터링하고, 검증하는 기술이 중요하다. 보통, 이 과정에서 로봇을 제어할 때는 패널, 프레임 등의 변형, 절단, 용접, 조립 등의 가공 경로를 정확히 수치적으로 계산해 내는 것이 중요하며, 이는 재료의 특성과 형상의 접합/조립 상황에 따라, 파라메트릭하게 달라진다.

Quality monitoring & control

부재 가공 및 시공 시 대상물의 품질을 모니터링하고, 품질을 통제하는 것은 매우 중요한 과정이다. 이 과정은 기존에 측량과 같은 전통적인 방식으로 시공 품질을 제어하였으나, 최근 비전(Vision), 3D 이미지 스캔(Image Scan)기반 역설계(Revesrse engineering)기술 등이 발전하면서, 실시간으로 품질 모니터링 및 통제가 가능해 졌다. 이런 기술을 적절히 활용할 경우, 잘못된 부재가 시공 과정에 포함되어 차후에 큰 문제를 일으켜 비용손실을 발생하는 상황을 미리 막을 수 있다. 

 

Free-form construction management

비정형 시공은 현장에서 비정형 건축 모델을 시공할 때 적용되는 프로세스이다. 앞의 단계와 같이 부재사전제작이 되다면, 현장에서는 이 부재를 필요한 수량만큼 요청하고, 시공될 위치까지 운송 및 배치하며, 부재의 품질을 검수하고, 부재를 조립/접합하는 과정을 거치게 된다. 비정형 건축 모델에서 이 과정은 매우 복잡한 과정이 될 것이다. 예를 들어, 각 곡면 패널은 적절히 넘버링되고, 어느 위치에 시공되는 지 확인할 수 있어야, 시공상의 혼란을 방지할 수 있다. 이와 같은 시공 정보를 관련 시공자가 손쉽게 모바일 기기 등으로 확인할 수 있다면, 매우 효과적일 것이다. 

비정형 파라메트릭 모델에 대한 로보틱스 엔드 이펙터 공구경로 생성(Rob|Arch 2018 Workshop "Sub-Additive 3D Printing of Optimized Double Curved Concrete")

BIM기반 로보틱스 사례

BIM 기반 건설 회사는 건설 공정에서 BIM 데이터를 이용한 로봇 건설 프로젝트 연구개발을 수행하고 있다. 

Tekla Structures

Tekla Structure는 Trimble Robotic Total Solution과 협력하여 상호운용성을 향상시키는 소프트웨어를 개발했다. Trimble LM80 소프트웨어는 Tekla Structure Layout Manager에서 Trimble Robotic Stations에 정확하게 데이터를 전송할 수 있다. Swinerton Builder는 호놀룰루 Waikiki Plaza Expansion 프로젝트에서 이 시스템을 사용한 최초의 회사이다. Tekla Structures와 Trimble LM80 시스템 사용 이전에는 대부분의 작업시간을 적절한 치수 체계와 계산을 하는 데 소모되었다. 이 시스템은 3D 공간에서 모델링된 볼트와 같은 객체의 위치를 현장에서 정확히 지시하고 시공하도록 지원한다.

스캔 모바일 로봇

최근 모바일 로봇은 BIM 기술을 사용하여 건축 시공을 위해 개발되었다. Wi-Fi 연결, LPS (Local Positioning System) 및 디지털 카메라가 장착되어 있다. LPS 기술은 로봇이 건물을 수평으로 1,000 평방 센티미터까지, 그리고 수직으로 4 피트 높이까지 수평으로 스캔 할 수 있게 한다. 이 정보는 설계 프로세스에 유용 할 수 있으며 좌표, 온도, 복사 및 대기 질을 설계 팀에 무선으로 전송할 수 있다.

BIM, Drone 기반 스캔 기술(Dietsch, Jeanne, and Stuart Rich, 2009)

Skanska의 로봇과 BIM 통합

스웨덴의 건설 회사 Skanska는 BIM 기술을 오래 전부터 채택하여 모든 프로젝트에서 효과적으로 사용했다. BIM 소프트웨어와의 상호 운용성을 통해 로봇 기술을 건설 프로세스에 적용했다. 노르웨이 사무소에서는 BIM 모델의 정확성을 이용해 드릴링 로봇을 적용했다. 

Skanska Norway의 본사 건설 중 최근 테스트에서 기존의 방식으로 동일한 작업을 수행하는 2 명의 작업자보다 모바일 플랫폼에 장착된 드릴링 로봇이 2.5 배 속도로 수행되었다. 스웨덴에서는 파일 제작에 사용되는 철근을 벤딩 및 용접하는 로봇을 사용했다. 

드릴링 로봇

모바일 로봇 기반 건설

Quadcopters Gramazio Kohler Research는 건설 프로세스에 쿼드콥터를 사용한 여러 연구를 수행했다. 그들은 1500 대의 벽돌을 이용해 6미터 높이의 비틀림 타워를 성공적으로 조립했다. 쿼드콥터는 벽돌을 선택하고 실내 천장에 설치된 모션 캡처 시스템에서 정확한 좌표를 받는다. 

설치 속도는 시간당 약 100 개의 벽돌이며, 높은 고도에 대해 용이하게 배치 할 수 있었다. 

벽돌 패턴 시공 지동화

콘크리트, 철강 3D 프린팅 용 로봇

중국 회사 Winsun은 거대한 3D 프린터를 사용하여 콘크리트 및 기타 재활용 재료로 풀 하우스를 건설 할 수 있었다. 이 회사는 건축 자재 60%, 예상 시간 70%, 노동 80%를 절약하는 데 성공했다고 언급하였다. 

리스 Laarman는 MX3D와 공동으로 설계하였다. 교량을 인쇄하는 데 사용되는 철제 프린터 건설 프로젝트는 2015년에 시작되어 2017년에 완료 되었다.

교량 3D 프린팅

폴리머 프린터는 취리히(ETH Zurich)의 건축 및 디지털 제작 교수가 2007 년에 처음 설립했다. 프린트물을 레이어별로 인쇄되었고 분당 30cm의 속도로 열에 의해 경화되었다. 이런 방식은 다공성을 가진 캔틸레버를 시공하기 위해 사용될 수 있다.

Fabrication of Dfab house(dfabhouse.ch)

마무리

이 글은 BIM과 건설 로보틱스 기술에 관한 기술, 사례를 개략적으로 정리해 보았다. BIM과 같은 디지털 건축은 이런 기술들의 발전을 통해, 더욱 다양한 형태로 진화할 것이다. 건설 자동화 기술에서 로보틱스 분야는 더욱 중요해 지고 있으며, 상업적 관점에서 많은 관심을 받고 있다. 이런 관점에서, 품질, 비용 제약 조건을 고려할 때, 로봇기반 건설 기술은 앞으로 많은 연구와 현장 적용이 예상된다.

레퍼런스

• 강태욱, 2015, 디지털 기반 로봇 건축과 스마트 팩토리 기술, 건축학회지
• McGrow Hill construction, Prefabrication and Modularization: Increasing Productivity in the Construction Industry, Smart market report
• Whaley, Mike. 2014, How BIM, Robotics And 3-D Printing Will Improve Efficiencies On The Jobsite: Page 2 Of 2, Construction Business Owner Magazine, August 2014 Issue.
• Waibel, Markus. 2011, Architects Using Robots To Build Beautiful Structures,  Spectrum.ieee.org. September
• Dietsch, Jeanne, and Stuart Rich. 2009, Robots In Every Building? It’s Closer Than You Think, Automatedbuildings.com. February
• Arch2o.com, “Robotization” of BIM : How Robots Could Improve BIM Workflow 
• Ka Ki Lee, 2019, A High Res Explanation Into 3D Printing Concrete, worldarchitecture.org
  
• Structural optimization of Karamba in Rob|Arch 2018 Workshop "Sub-Additive 3D Printing of Optimized Double Curved Concrete")