1. 배경 및 목적
건축분야를 중심으로 시작된 BIM (Building Information Modeling)기술이 토목분야로 확산되어지고 있다(Cerovsek, 2011). BIM 기술은 기존의 2차원적인 설계를 3차원으로 확장하였고 이에 각종 속성을 더하여 4D, 5D, 6D 등으로 확장되고 있다. 기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고 있다(Hardin, 2009). 방재분야에서의 활용은 최근까지는 화재, 지진 및 홍수 등으로 인한 구조물 불안정 등 단일 구조물에서 발생한 재난 상황에의 대응에만 국한되어 있으나 다양한 재난관리 어플리케이션의 개발과 함께 그 활용 범위를 넓혀가고 있다(Treado et al., 2007).
지금까지 수공분야에서는 모델링 결과를 표출할 때 GIS를 주로 활용하였다(Singh and Fiorentino, 2013). 입력 자료의 구축을 위해서 사용되어진 GIS는 결과의 표출에서도 2차원적인 시각 표출이 가능했고 과거 도면 위주의 표출에 비해 많은 장점을 가지고 있었다(Sarhadi et al., 2012). 최근 발달된 2차원, 3차원 수리 모형에서 생산되는 다양한 정보와 이를 반영하기 위해서는 이제는 별도의 표출시스템이 필요하게 되었고 이러한 요구사항을 잘 반영할 수 있는 기술이 BIM이다.
수공 분야에서는 전통적인 BIM 기술 보다는 수공 분야의 공간적인 광범위성으로 인한 데이터의 문제를 해결하기 위해 표출의 정도를 조절하는 LOD (Level of Detail) (Bedrick, 2008) 개념을 적용하여 반영하고 City Geography Markup Language (CityGML) 등과 같은 개방적이고 지형공간정보의 표출이 가능한 BIM 표준 기술의 제안이 요구된다(de Laat and van Berlo, 2011). 특히 BIM 기술이 가지는 시각화 기술과 표출기능은 관리자의 다중의사결정과 국민의 재해에 대한 이해와 대비를 도울 수 있는 좋은 도구가 될 것이다.
2. 수방시설 관리를 위한 BIM 기술의 적용
재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활용될 수 있다.
2.1 수방시설 재난 관리를 위한 통합방재시스템
2.1.1 수리⋅수문모형과 BIM 연계
BIM 기술과 수리⋅수문모형을 연계하기 위해서는 먼저 수리⋅수문모형의 구축이 우선되어야 하며 이를 통해 생성되는 자료를 BIM 기술과 연동하여야 한다. 재난⋅재해 상황을 모의할 수 있는 수리모형을 3차원으로 가시화하기 위해 강우-유출모형과 수방구조물 붕괴 모의를 통한 1차원과 2차원 수리모형 해석을 결합한 수리모형을 구축한다. 구축된 수리⋅수문모형은 BIM 기술을 활용하여 수립된 공간정보 시스템과 좌표체계를 공유하여야 하며, 가시화하고자 하는 해상도에 적합해야 한다.
현재 주로 사용되고 있는 수리⋅수문 모형은 GIS를 기반으로 모의를 수행하고 결과를 제공한다. GIS와 BIM은 일반적으로 공간정보를 구성하는 해상도가 상이하다. 따라서 GIS와 BIM이 데이터베이스를 공유하게 하는 과정이 요구되는데, 본 연구에서는 두 시스템을 통해 수립하고 제공하고자 하는 정보의 LOD를 분석하고, 재난관리에 요구되는 정보의 해상도 수준에서 LOD를 결정하였다.
2.1.2 EAP의 통합방재시스템과의 연계
기존의 EAP (Emergency Action Plan)는 댐하류부 영향평가에 따른 대피지도 작성시 2D 환경에서 기술자의 판단에 의해 한 장의 종이문서로 작성하기 때문에 체계적인 재난대응능력이 부족하다. 반면, BIM을 이용한 통합방재시스템은 비상상황 단계별 보고 및 전파체계, 대피경로를 3차원으로 가시화하여 신속한 비상대처계획 구축이 가능하다. 본 연구를 통해 개발된 통합방재시스템은 모니터링 자료, 수치모의 결과 뿐만 아니라 기존의 EAP (National Emergency Management Agency, 2009)를 포함한 다양한 정보를 연계하여 3차원 EAP와 재난 예측 결과를 생산한다(Fig. 1).
2.2 수공모델의 통합방재시스템과의 정보연계를 위한 데이터 모델
3차원 도시정보모델링 측면에서의 재난예방 또는 피해 최소화는 실제와 유사한 상황의 시뮬레이션을 이용한 적극적인 조치계획 수립을 통해 가능하다. 이러한 과정은 크게 ‘어떤 정보항목을 바탕’하여, ‘어떤 방식으로 정보모델을 생성’하고, 이를 ‘어떻게 활용’하는가에 대한 부분으로 나눌 수 있다. 어떤 정보항목을 바탕으로 할지에 대한 문제는 의사결정을 하고자 하는 바의 목적에 따라 달라지는 것으로, 도시지역 침수해 발생의 경우에는 해당 도시지역의 지형, 구조물의 기본정보 등이 그 예가 될 수 있으며, 부가적인 항목으로 수리해석데이터, 계측데이터 등도 활용가능하다. 정보모델을 생성하는 방식에 있어서는 타 시스템과의 정보연계 신뢰성, 정보 활용의 연속성 및 정보 호환성을 고려해야 한다. 손실 없는 정보의 저장 또는 재사용 자체가 모델의 활용과 직접적으로 연결되는 것으로, 전술한 항목들은 재난예방 또는 피해최소화라는 최종 목적에 따른 정보 활용에 종속되는 것이라 할 수 있다. 따라서 계획단계에서부터 모델의 활용에 이르기까지 일관된 형태의 프레임 내에서 정보가 생성되고 관리되어야 한다.
정보의 흐름차원에서 3차원 도시정보모델기반 생성정보연계 및 재활용의 가장 중추적인 프레임의 역할을 하는 것이 데이터 스키마(틀)라고 할 수 있다. 데이터 스키마는 어떠한 정보항목을 어떤 속성을 가지는 형태로 어떻게 표현해야하는지 추상화된 객체를 활용하여 사전에 이를 정해놓는 것으로, 재난상황 사전 시뮬레이션에 적용하기에 가장 적합한 형태의 데이터 스키마는 1) 정보모델의 3차원 가시성(visualization), 2) 도시객체의 표현가능성에 대한 포괄성(comprehensiveness), 3) 사용자 또는 모델 생성자에 의한 사용자정의 정보항목 추가에 대한 확장성(extensible), 4) 기존 소프트웨어를 통한 정보모델의 내부 속성 제어가능성의 네 가지의 항목을 고려하여 선정할 필요가 있다. 이러한 기준을 고려했을 때, 적합한 형태의 데이터 스키마 중에 하나가 CityGML이다(Gröger et al., 2008).
CityGML에서 정보항목의 의미정보 생성은 Fig. 2와 같이 표현하고자 하는 항목의 형상에 기능적인 역할을 부여하는 방식으로 이루어지며, 이는 구조물단위뿐만 아니라 구조물을 이루고 있는 세부 요소에도 적용할 수 있다. CityGML에서 계층관계에 대한 정보의 생성은 기능적 역할에 따라 정보항목을 그룹하여 계층을 생성하고 이를 데이터가 포함된 정보모델을 생성할 때 반영하여 준다.
3차원 도시정보모델의 활용과 관련되는 재난상황 시뮬레이션을 통해 얻고자 하는 결과는 데이터 스키마의 차원에서 요소가 반영되어 있어야 하며, 정보모델 생성 시 결과를 저장할 수 있는 공간을 모델 내부 또는 외부에 마련해 두고 있어야 한다. 도시 침수가 발생한 상황을 가정했을 경우에는 예상 인명 및 자산피해 산정과 관련해서는 연령별 인구, 장애자 비율, 물가지수, 건물자산가치 등이 그 예가 될 수 있다. 침수상황에서의 예상인명피해나 자산피해 결과 산출은 이들 결과를 적절히 표현할 수 있는 이론을 정보모델 상에 반영할 수 있는데, 결과 값 산출을 위한 입력정보는 3차원 도시정보모델에서 직접 추출이 가능하고, 출력정보는 미리 마련해 두고 있는 저장공간상에 결과 값을 생성하여 도시정보모델과 연계할 수 있다.
Fig. 3은 필요한 항목을 반영하여 생성한 CityGML기반의 3차원 도시정보모델의 일부를 나타낸 것이다. 지형모델은 모든 구조물의 위치정보 관리를 위한 중심 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라 지역적, 전역적 좌표정보를 가질 수 있다. 또한 행정정보, 지질정보 등과 같이 지형이 가질 수 있는 기능과 관련한 정보를 포함할 수 있다. 도로모델은 도로면과 관련한 형상정보와 도로네트워크와 관련한 지점별 연결정보, 도로명과 관련한 행정정보를 포함할 수 있다. 도로모델은 위치정보를 활용하여 지형모델이 포함하고 있는 기능관련 정보들을 활용할 수 있으며, 침수해 상황을 가정하면 침수 도로면의 특정위치에서의 행정정보 등을 직접적으로 제어할 수 있다. 건물모델이 포함할 수 있는 속성으로는 건물 또는 가구별 인구 수, 대피에 영향을 줄 수 있는 인적 현황(유아, 노인, 장애인비율 등), 자산피해액 산정에 필요한 데이터들(건물구조, 재산평가 기준년도, 물가지수 등)이 있다.
3차원 도시정보모델링 시 생성해 놓은 정보들은 의사결정지원을 위해 다양한 조합을 통해 결과값 도출 시뮬레이션이 가능하다. 제방 붕괴에 따라 도시침수가 발생한 경우에서는 1) 위치/형상적 측면의 요소인 건물의 위치(GPS 좌표계), 건물의 높이, 건물의 면적 등을, 2) 기능적 의미정보 측면의 요소인 건물이름, 건물구조, 건물층수, 행정동, 인구수, 장애인 비율 등을, 예상 피해결과가 도출된 상황에서는 3) 피해결과 도출 요소인 예상 사망자수, 예상 고립자 수, 건물 피해금액 등을 질의 인자로 활용하여 의사결정을 위한 정보를 도출할 수 있다. 예를 들어 구조팀 지원 우선순위를 결정하기 위해서는 예상 고립자 수가 많은 순으로 건물의 행정동 정보를 도출할 수 있으며, 인명피해와 자산피해의 상관관계를 검토하기 위해 예상 사망자 수가 많은 순으로 자산피해 정보를 도출할 수도 있다.
2.3 BIM 기반 통합방재시스템 기능 구현
2.3.1 개요
BIM 기반 통합방재시스템(Fig. 4)은 해당 지역에 대한 3차원 정보모델(지형 및 시설물에 대한 형상 및 속성 포함)을 구축하고 다양한 상황에 대한 시뮬레이션을 실시하여, 이를 통해 재난에 대비할 수 있도록 하는 의사결정지원시스템이라 할 수 있다. 본 시스템에서는 침수상황에 대한 정보가 직관적으로 묘사되기 때문에 방재 업무를 하는 담당자들이 쉽게 상황을 파악할 수 있으며, 각각의 상황에 맞는 안전 대피경로 결정 등과 같은 대비책을 미리 마련할 수 있도록 하는 도구로 활용될 수 있다. 본 시스템은 방재업무 담당자들을 대상으로 개발되었지만 추후 정보공개 수준을 고려하여 일반인도 활용할 수 있도록 개선할 수 있으며, 홍수 등에 의한 침수 상황 뿐 만 아니라 다양한 재난상황을 적용하여 각각의 해당 상황에 대한 시뮬레이션을 통해 적절한 의사결정을 할 수 있도록 하는 범용 재난관리시스템으로 발전할 수 있을 것이다.
2.3.2 통합방재시스템 기능구현
통합 방재 시스템의 기능은 크게 5가지 항목으로 구분되어 있다.
(1) 측정: 3D지도에 포함되어 있는 3차원 좌표정보를 활용하여 2D지도 보다 정확하게 거리와 면적을 측정할 수 있다. 이를 이용하여 대피거리나 피해면적 등을 정확하게 산출할 수 있다.
(2) 검색: 본 시스템의 검색기능은 일반적인 지도검색기능 뿐만 아니라 사용자의 요구사항에 맞는 다양한 BIM 속성정보에 대한 검색기능을 포함한다. 이는 BIM모델에 정확한 정보가 제공된다면 주요시설물 검색과 같은 일반적인 검색 이외에 구조물의 구조적 특성, 현 수용인원, 시설내의 노약자의 인원을 층별로 검색하는 등 다양한 필요정보들을 검색할 수 있음을 의미한다.
(3) 지형모델: 지형모델 기능은 시각적 효과를 통해 통합방재시스템을 통한 의사결정을 지원하는 것으로, 시설물을 3D지형 상에 표현하거나, 수리해석을 통해 제공되는 특정위치에서의 수심, 속도 및 방향 등을 시각적으로 제공한다.
(4) 모의실험: 수리해석 결과를 선택하여 시스템에서 표현할 수 있도록 하는 기능으로 특정지역에 대한 피해상황을 Case별로 선택하여 시뮬레이션 할 수 있다. 각각의 피해상황에는 시간의 흐름에 따른 각 지점별 수위와 방향, 속도정보 등을 포함하고 있어, 직관적으로 시뮬레이션 결과를 파악 할 수 있다.
(5) 구난계획: 통합방재시스템에서는 EAP 등에서 제시하는 대피장소 및 대피경로를 사용자가 직접 등록하는 기능과 네트워크 기반의 대피경로 자동산출 기능을 제공하고 있다. 네트워크 기반의 대피경로 자동산출 기능은 도로를 기준으로 도로교차점과 대피소, 대피시작위치 등에 Node를 부여하고 침수 발생위치를 우회할 수 있도록 하여 가장 짧은 대피경로를 자동으로 산출한다.
3. Test-bed에 적용
본 연구를 통해 개발된 통합방재시스템을 경기도 의정부시에 위치하고 있는 홍복저수지 하류부를 대상으로 Test-bed를 수행하여 그 적용성을 검증하였다. 모의 조건은 대상지역에 발생 할 수 있는 홍수 시나리오 중 가장 극한 시나리오인 홍복저수지 붕괴에 의한 하류 도시 침수 상황으로 설정하였다. 댐 붕괴에 의한 2차원 흐름모의는 Hydro_AS-2D 모형을 사용하였으며, 1차원 모의가 불필요한 구간에 대해서는 계산시간 단축을 위해 1차원 Hec-Ras 모형으로 흐름 모의를 대체하였다.
Test-bed에 적용한 결과는 통합방재시스템으로 구현할 수 있는 다양한 기능 중 피해현상 시각화와 시간 경과에 따른 재난상황 분석을 통한 대피경로 최적화를 중심으로 기술하였다.
3.1 연구대상지역 및 모의 조건
경기도 양주군 백석면에 위치한 홍복저수지는 높이 26 m, 길이 190 m, 저수량 약 1,100,000 m2의 필댐으로, 댐으로부터의 유량은 백석천을 따라 약 8 km 유하하여 경기도 의정부시로 유입된다(Fig. 5). 백석천은 약 8 km인 하도길이에 비해 하도 시점과 종점의 고도차가 150 m 이상인 경사가 급한 산지하천의 특징을 갖고 있으며, 홍복저수지는 도심으로부터의 가까운 거리에 위치하고 있어 저수지 붕괴 등의 사고 발생시 도시 지역에 치명적인 피해를 유발할 가능성이 높다.
3.2 CityGML 기반 BIM 모델 구성
연구대상지역의 BIM 모델은 재난이 예상되는 지역의 수치/형상정보와 도로 및 변전시설과 같은 사회기반시설, 관공서 등의 주요 시설물, 그리고 그 외 기타 구조물 정보로 구성된다. 이러한 정보를 효과적으로 관리하기 위하여 피해지역 BIM 모델을 수방시설물 BIM 모델과 같은 3D 형상정보와 속성정보로 구성하였다.
예상 피해지역 BIM 모델의 형상정보는 3D 모델로 표현된다. 이러한 피해지역의 형상정보는 지형과 각종 구조물 및 주요시설물을 시각화 한 것으로 지형은 실제 지형과 유사한 실측자료를 바탕으로 3D 모델로 생성하였다. 하지만 기타 구조물의 경우 개별적인 시설물의 사실적인 묘사를 하지 않고 최대한 단순화하여 수몰상황과 같은 재난상황의 정보를 신속하게 인식할 수 있도록 함으로서 신속한 의사결정이 가능하도록 3D 모델을 생성하였다(Fig. 7).
3.3 시나리오 모의 결과
3.3.1 모의 결과에 따른 재난 상황 시각화
3.3.2 침수상황에 따른 대피경로 설정
대피모의를 통해 제공되는 대피경로는 대피자의 신체적 능력, 이동수단과 침수경로 등 다양한 요인에 의해 구체화되어, 대피 대상자에게 구체적으로 전달하여야 한다. 대피경로를 표현하기 위한 방법으로 자동차의 네비게이션과 같이 사용자의 시점이나 Bird view 시점에서 이동경로를 실시작 또는 순차적으로 표현하는 방법과 Top view 시점에서 지도상에 경로를 표현하는 방범이 대표적이다.
본 연구에서는 Top view 방식을 선택하였는데, 그 이유는 다음과 같다. 대피경로를 대피자에게 제공하는 시점이 재난발생 시점이 아닌 재난발생 이전 교육⋅홍보단계에서 제공되므로 전체적인 경로를 제공하는 것이 대피경로를 인지하는데 효율적이다. 또한, 대피 시 돌발적으로 발생하는 침수 등의 상황으로 인해 대피자가 대피경로를 수정해야 하는 경우 주변 지형에 대한 확인이 가능한 Top view 방식이 더 적합한 것으로 연구되었다.
대피시뮬레이션 기능은 대피 요구자가 최단 경로 또는 최단 시간에 도착할 수 있는 대피소를 선정하고 경로 상의 조건에 따라 경로를 자동으로 생성, 변경할 수 있도록 한다. Test-bed를 통해 구현된 대피경로는 Fig. 10(a) ~ (c)와 같다.
4. 결론
수방 시설물은 대표적인 사회기반시설로서 국가 및 국민의 안전과 복지를 수행하기 위한 가장 기본적인 인프라이며, 지역의 발전과 삶의 질 향상에 필수적인 역할을 담당한다. 국가의 공공자산인 수방 시설물의 유지는 지역의 안전에 직접적으로 영향을 미치며 재난⋅재해로 인한 붕괴 시 해당 지역의 자본과 인명 피해뿐만 아니라 인근지역까지도 사회⋅경제적으로 막대한 피해를 입게 되기 때문에 생애주기 동안 지속적인 유지관리가 필수적이라 할 수 있다. 최근 사회 전반적으로 재난⋅재해에 대한 경각심이 높아지고 이에 따라 수방 시설물의 관리에 대한 연구에 대한 관심과 필요성이 대두되고 있는 시점에서 국가 및 각 지자체 하에 있는 수방시설물 관리 시스템에 BIM기술을 활용한 3차원 재난관리 시스템이 연계된다면, 전국의 수방시설물을 보다 효율적으로 관리할 수 있을 것이며 재난⋅재해로부터 피해를 최소화 할 수 있는 체계 구축이 가능할 것이라 판단된다.
BIM을 활용한 3차원 재난관리 표준정보모델은 재난⋅재해 발생 시 피해대처 시뮬레이션을 제공함으로써 수방 시설물뿐만 아니라 다른 사회기반시설물에 이르기까지 다양한 분야에 적용할 수 있으며, BIM을 통한 3차원 재난관리 시스템은 전국 지자체의 댐, 저수지 등을 바탕으로 한 수방시설체제사업 계획 수립에 유용하게 활용 될 수 있다. 이러한 시스템은 수방 시설물에만 국한되는 것이 아니라 해일과 지진 등의 재난 대비에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 지형모델의 3차원 영상 정보는 구조물 정보와의 연계를 통하여 구조물의 설계 및 시공 시 가상 시뮬레이션 구현에 활용되며, 이는 IT기술과 건설기술을 융합하는 대표적인 시스템으로 3차원 기반의 건설정보화 소양을 지닌 전문 인력에 대한 고용창출에도 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
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