[녹색시론] BIM을 통한 디지털 트윈과 메타버스의 구현

이두열 논설위원(EM디자인 소장, 배재대학교 조경학과 겸임교수)
라펜트l기사입력2021-07-18
BIM을 통한 디지털 트윈과 메타버스의 구현



_이두열 EM디자인 소장



BIM은 2008년 국내 최초 공공발주를 시작으로 2025년 전면 시행에 이르기까지 10년 이상의 준비기간이 주어졌지만 ICT의 발전과 코로나의 영향은 스마트시티의 운영을 위한 디지털트윈과 메타버스기술에 별다른 준비기간의 부여 없이 빠르게 일반화되고 있다.

이러한 공간 이용의 흐름을 간단히 생각해보면 사물과 공간을 평면 2D그림으로 표현하는 전통적 방식에서 3D입체 목각인형과 같은 BIM을 지나 이제는 모형에 생명력을 더한 피노키오와 같은 디지털트윈, 마지막으로 생명을 부여받은 모델이 교류와 소통을 하는 메타버스로 진화하는 자연스러운 과정이라 볼 수 있다.

여기에 옥외공간을 다루는 분야는 기본적인 BIM기술은 물론 복잡한 지형과 변화하는 자연환경을 실시간으로 제어하는 기술과 이용자의 자유로운 공간 체험을 위한 서비스까지 겸비해야 할 것이다.

이제 BIM은 단순한 설계를 위한 보조도구가 아닌 스마트도시를 위한 유지관리, 이용자를 위한 메타버스 기능까지 다양하게 활용될 것이며, 설계와 시설, 관리 등 업무영역을 구분하는 일 역시도 의미 없는 일이 될 것이다.

소규모로 제작된 유튜브 영상이 거대 방송국을 넘어서듯 건설업도 일부 계층이 주도하는 형태에서 이용자의 니즈를 담는 다양한 복합 공간으로의 변화가 필요하며 코로나 등의 영향으로 가상공간으로 많은 이용자를 내어주게 될 수도 있다. 또한 산지형 공원, 관광지, 체육시설, 도시재생 등의 복잡한 빅데이터를 다루는 만큼 수작업이 아닌 자동화는 필수적 요소가 되었다. 급격한 인구감소 추세에 과거와 같은 노동중심의 근무여건에 BIM조차 수작업 방식으로 추가된다면 업계에 피로감과 구인난은 더욱 심각해 질 것이기 때문이다.

세계적인 미래기술평가 회사인 Gartner사의 Hyper Cycle Graph는 각광받을 미래기술 중 하나로 디지털트윈을 상위권으로 꼽았고 그 준비 과정은 Autodesk의 추천과정에 분야별 특화사항을 추가하는 방식이 현재로서는 가장 현실적인 방안으로 보인다. 세부적으로는 첨부한 표와 같이 4단계과정으로 나눠볼 수 있다.


Hyper Cycle 그래프의 디지털트윈


AutoDesk사의 BIM과 디지털 트윈코스

구 분

공 정

주요 프로그램 및 장비

적용 언어

1단계:

현황모델

BIM

현황조사

외업

Dron, Gps, APP

Total-Station, LiDAR

Visual basic

내업

Recap3d, Pix4D

Context Capture, GIS

AutoLisp

2단계:

계획모델

BIM

토공 및 수리

Civil3d

(Subassembly Composer)

(Geotechnical Module)

Lisp, Dynamo

식재

SpeedTree

AutoLisp, C#

시설 및 건축

Revit

Dynamo, Python

3단계:

Digital Twin

환경 시뮬레이션

BIM Simulator

C#

IoT, BIM Viewer

서버운용

C, Java

4단계:

Meta Verse

VR가상현실

VR기기

UNITY,Unreal Eng

C언어,C++

Java, 인공지능

AR증강현실

Hololens, SmartPhone

LifeLogging

Server기술, 통신기술

Digital Twin

IK, IoT, BIM, Sever


물론 건축과의 협력관계로 BIM(Building Information Modeling)을 시작한다면 기초과정을 건너뛰고 중간과정인 Revit만으로도 어느 정도의 형태제작은 가능하겠지만 기초기술 없이 단순히 2D작업을 3D작업으로 변환하는 것 외에 어떤 미래를 기대할 수 있을지는 생각해 볼 사항이다.

이외에 이용자 트렌드를 고려한 캐릭터 운용의 IK(Inverse Kinematics), 인공지능, 각종 Shader Coding Material의 도입이 활성화되고 있으며 스마트팜, 스마트팩토리와 스마트시티 등에서 보듯이 ICT(Information and Communications Technology)기술은 대부분의 분야를 수 년 안에 블랙홀처럼 흡수하게 될 것이다.


1단계) 현황모델 단계

현황모델 단계는 BIM을 위한 기본 모델을 준비하는 과정으로 드론, GPS측량 및 GIS등 자료 중첩을 통한 현황모델을 작성하는 과정이다.

조사 과정이 부족해 사실성을 잃어버린 BIM이라면 굳이 3D로 설계할 명분도 잃게 된다.

최근에는 수치지도, 드론, GPS, 라이다, 토탈 등의 조사자료를 하나로 융합하고 용량을 공간별로 조절하는 기술도 발전하고 있어 복잡한 도시재생 분야에도 신기술 활용이 유용해진 상태이다.



지형 및 수계 분석

절성토 분석


드론측량과 평면계획의 중첩

계획 모델링



2단계) 계획BIM 단계

현황모델을 토대로 입체 계획하는 과정은 평면과 단면계획의 융합을 통해 작성되며 마치 가상공간에서의 모의시공과 유사하다. 수림보전과 이용을 고려한 배수, BF인증 경사, 토공량 등 지형디자인을 검증하게 된다.

여기에 필요한 지형 작성은 토목분야의 종·횡단 설계, 골프장의 등고선 디자인, 건축의 Spot레벨 방식 등을 복합적으로 사용하게 된다.

BIM은 모든 작업의 선행공정인 지형 제작이 기초가 되며 등고선에 Break Line을 추가해 Points Cloud 및 Tri 3D 지형모형이 작성된다. 후속작업으로 토양관련 자료를 추가하고 디자인을 투영해 포장을 구분하고 관로를 매설하는 등의 공종을 순차적으로 진행하게 된다.


Contour방식 지형표현

Contour와 BreakLine 융합방식


Points Cloud + Color 정보 융합

Tri 지형방식


이후 공종으로는 구조물, 식재, 시설모델 순으로 시공 과정과 유사하게 진행된다.

BIM으로 변경되는 설계 납품 양식은 일반적으로 IFC(Industry Foundation Classes)형태로 규정되어 있지만 수목과 비정형 지형을 표현하기에는 부적합하다. 납품 형태는 편리하고 경제적이며 익숙한 형태가 되어야 할 것이다.

이러한 개념으로 건축, 토목 분야도 TXT와 엑셀 형태를 저장방식으로 사용하고 있고 관련 분야들도 이런 형태로 확대될 것으로 보인다.


3단계) 디지털트윈 단계

BIM을 검토하기 위한 시뮬레이터, 다양한 공간답사, 외부공간과의 센서연결을 포함한 뷰어는 디지털트윈의 시작으로 볼 수 있다.

다양한 기능의 뷰어가 필요한 이유는 무료뷰어는 기능이 현저히 떨어지고 Naviswalks, Infraworks는 어느 정도 가능하지만 뷰어기능으로 연 200만원이 넘는 사용료를 지불하는 부담과 수목성장 및 탄소저감량 산정 등 분야별 맞춤자료를 추가하기 어려운 점이 있어 디지털트윈으로 성장하기위한 BIM뷰어 제작은 필수적이다.


조감 시점

보행자 시점


자전거 시점

자동차 시점


정부는 국가간 스마트도시 경쟁을 위해 운영과 이용을 맡게 될 디지털트윈 관련 기술에 적지 않은 예산을 편성할 것이고 발표했다. 앞으로 건설업과 ICT분야와의 숨 막히는 경쟁과 융합을 예고하고 있지만 정보통신에 취약한 건설업은 상대적으로 불리한 입장이다.

유사사례로 공학과 정보통신에 강한 기계분야도 스마트 팩토리 경쟁에서 그래픽엔진과 인공지능을 앞세운 ICT분야에게 많은 부분을 내주었듯이 스마트시티 분야도 성장이 늦어지면 노동을 통해 할 수 있는 일이 얼마나 남겨질지는 의문이다.

디지털트윈은 다양한 시뮬레이션을 수행하는 기초기능을 가지는데 이를 위해서는 누적된 환경데이터와 분석자료, 그리고 무엇보다 현실과 유사한 사실적인 계획모델을 필요로 한다. 시뮬레이션의 종류는 수목성장, 탄소저감량 산정, 풍속, 풍향, 암노출, 절성토구분, 조도, 소음, 음영 시뮬레이션 등이 적용 가능하다.

음영분석과 같이 모델과 환경과의 관계인 시뮬레이션 과정이 지나면 공간모델과 사람, 가상과 현실공간 등의 다양한 연결이 복합적으로 이뤄질 것이며 이를 위해서는 IoT(Internet of Things)과 다양한 네트워크운용 능력, 야외공간에서 필수적인 GPS와 자이로스코프 기술을 서버와 연동하여 운용할 수 있는 JAVA Script도 필요할 것이다.


4단계) 메타버스 단계

메타버스의 시작은 1992년 Snow Crash소설에서 처음 언급되었으며 초월의 세상이라는 의미로 현실과 가상의 중첩공간으로 볼 수 있다. 사례로는 스크린골프와 포켓몬고 같은 일부 게임, 네비게이션, 아바타, Zepeto, 라이프로깅(인스타 등), 디지털트윈 등이 있으며 코로나와 가상화폐의 영향으로 급속하게 확산되고 있다.

메타버스는 현실과 가상의 장점을 모두 포함하고 있어 즐거움, 편리함, 유익함을 모두 만족하며 야외공간의 역할과 융합하여 보다 새로운 세상으로 이끌어 갈 것이다.

이미 BIM전문회사와 게임, 비트코인전문회사가 결합하여 다양한 메타버스 플랫폼을 제작하고 있으며 세계 10대 기업 중 7개 기업이 메타버스 사업에 투자하고 있는 현실이다.

디지털 트윈과 메타버스는 모두 가상현실이라는 공통점이 있지만 디지털트윈은 현실을 사실과 같이 복제한 개념이며 각종시뮬레이션 및 유지관리에 적합하다. 현실에서 비가 오면 센서 연동으로 가상공간에서도 비가 오는 장면을 상상하면 쉽게 이해가 될 것이다.

메타버스는 사실과 가상의 공간을 모두 포괄한 개념으로 디지털트윈의 유지관리보다는 이용자 공간활용에 초점이 맞춰져 있으며, 코로나 등의 영향으로 가상의 초현실적 아바타 체험공간으로 규제와 제약에서 벗어나 자유로운 가상의 체험을 경험할 수 있는 이용자 공간이라 생각하면 될 것이다.


헬리콥터 체험, BMX 자전거, 잠수함 체험


현재의 도시공간은 공공공간임에도 불구하고 소수에 의해 비공개로 조성되어 시공 중 민원 발생과 전국이 유사한 공간의 반복으로 기성품과 같은 공간형태를 나타내고 있으며, 이런 문제점을 해결하기 위해 도시재생 사업에서는 경관협정 방식을 도입하고 있다.

싱가포르의 경우는 디지털트윈 기술을 도입하여 가상모델을 통해 다양한 이용자가 사전에 충분히 미래공간을 체험하고 보완하여 다양한 계층의 의견을 수렴하는 과정을 적용하고 있다.

가상의 공간은 비용과 각종 제약에서 자유롭고 보다 실험적이며 창의적인 공간을 연출하기에 적합하다. 또한 미래는 사실적 디지털트윈을 넘어 가상의 메타버스 공간을 융합하는 복합공간으로 성장할 가능성이 높다.

가상공간에서 드론, 헬기, 첨단기기 등의 조종법을 배운 후 현실에서 적용해보는 실용적 경험도 가능하고 다수의 인원이 분리된 실내와 실외에서 진행하는 자전거투어, 스마트 팜 등 첨단 농업기술을 가상으로 학습 후 현실에 원격으로 제어할 수 있는 기술도 가능한 현실이 되었다.

이제는 스마트시대에 적합한 새로운 교육 서비스를 제공받을 권리가 있으며 일정수준의 상상력과 기술력을 갖추었다면 개념에 그치는 것이 아닌 과감히 스스로의 가능성을 실현해 볼 수 있는 다양한 시도가 필요한 현실에 살고 있는 것이다.


글·사진 _ 이두열 소장  ·  EM디자인
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ldy221042@naver.com

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