이제 BIM을 기본으로 하는 빌딩 디지털 트윈이 어떻게 활용되는지 볼까요?
프로젝트 이해관계자의 커뮤니케이션 강화
우선 BIM을 이용하면 발주자, 설계자, 시공사 등 이해관계자 간 요구사항 이해와 의사소통이 용이합니다. 발주자는 BIM을 통해 자신의 요구사항이 설계안에 제대로 반영되었는지 보다 쉽게 이해할 수 있고 건축사와 의사소통하기도 쉬워집니다. 또한 재작업 없이 시공자는 시공을 검토할 수 있어 시공 리스크를 최소화할 수 있습니다. 보다 신속하고 빠른 물량 산출을 통해 더 효율적으로 예산을 검토하는 것도 가능해지고 예산에 맞는 설계 대안을 도출하는 것도 용이해집니다.
Robert Bird Group3) ‘One Sydney Harbour’ 사례
One Sydney Harbour는 호주 시드니에 위치한 70층 높이의 타워로 디지털 트윈 기술을 적용한 사례입니다. 이 사례에서는 프로젝트 이해관계자가 건설 중인 건축 자산 경험, 상호 작용, 협업할 수 있는 대화형 가상환경을 만드는 것을 목적으로 하였습니다.
One Sydney Harbour 전경 (출처: Robert Bird Group)
4D BIM은 3차원 BIM 데이터에 시간이라는 개념이 추가된 것을 의미합니다. 4D 시공 순서를 구축하기 위해 Unity, Reflect 솔루션을 활용하였고 건축 타임라인을 미리 보고, 건물이 주변 지역을 어떻게 바꾸는지 확인하고, VR을 활용하여 직접 체험하듯이 탐험해 볼 수도 있습니다. 4D 방식으로 시각화하고, 인터랙티브한 방식으로 고객에게 위험 관리, 비용 초과 방지, 프로젝트 완료를 위한 규정된 시간에 대한 정보를 제공하였습니다. 아래 그림 하단에서 파란색 스크롤을 조정하면, 타임라인별로 시공 상태를 4D Sequencing으로 확인해 볼 수 있습니다. 또한 오른쪽 Models 기능을 통해 보고 싶은 영역과 건물 벽의 투명도도 조정 가능합니다.
타임라인별 건축 시공상태 확인 화면 (출처: Robert Bird Group)
4D BIM을 활용하여 가상화하면 설계 및 시공 단계에서 프로젝트 관계자들의 커뮤니케이션을 강화할 수 있습니다. 또한 4D BIM 기반의 설계안을 바탕으로 최적화된 설계안을 도출하고, 시공상 발생할 수 있는 각종 리스크를 분석합니다. 현장의 시공 및 진도는 물론 안전관리에 효과적으로 대응할 수 있는 체계를 구축할 수 있습니다.
지능적인 에너지 소비를 장려합니다
BIM 기반 디지털 트윈에서는 일조량, 냉난방 에너지, 공기 질 등 건축 환경과 관련된 다양한 친환경 분석을 추가하여 건물 거주자에게 더 나은 서비스를 제공할 수 있습니다. 직관적이거나 경험에 의존하기보다는 BIM과 연계된 디지털 트윈에서 연계된 분석을 통해 더 객관적이고 정량적으로 분석된 결과가 반영된 친환경 에너지 절감형 서비스를 도출할 수 있습니다. 다음 그림은 일조 분석을 위해서 건물의 지역과 좌표를 입력하면 계절별로 태양의 위치와 각도를 반영하여 일조 시뮬레이션을 실행하고, 대상 건축물에 대한 일조량을 각 층 단위로도 확인할 수 있는 기능을 제공하는 솔루션 화면입니다.
분석을 위한 시각화 화면 (출처: sefaira)
BIM 기반 디지털 트윈에서는 건물의 외관, 레이아웃, 외관 디자인과 같은 요소가 일조량과 그로 인한 난방이나 전기 등의 에너지 비용까지 분석하여 주요 에너지 사용량에 어떠한 영향을 미치는지 정량적 데이터를 사용자에게 제공하여 넷제로(Net Zero, 온실가스의 배출량과 흡수량을 같게 해 순배출을 0으로 만드는 것) 건물 설계나 HVAC(Heating, Ventilating, and Air Conditioning, 공기조화시설) 시스템 최소화 등 건물의 친환경, 에너지 절감 목표를 할 수 있는 가이드를 줄 수 있고, 최적화된 설계안 개발 방향을 객관적으로 도출할 수 있습니다.
Brookfield Properties ‘One Manhattan West’ 사례
디지털 트윈을 사용하여 건물 운영비용 중 약 50% 이상 큰 비중을 차지하는 에너지 관련 비용을 줄일 수 있습니다. 24시간 사용량을 모니터링하는 IoT 센서와 결합하여 지능형 에너지 관리를 할 수 있습니다. 아래 그림 왼쪽에 보이는 빌딩은 브룩필드 부동산회사(Brookfield Properties)에서 투자하여 구축한 뉴욕시 소재의 OMW(One Manhattan West) 최첨단 오피스타워로 디지털 트윈을 도입하여 비용 절감과 에너지를 절약한 사례입니다.
OMW 빌딩 (좌), 디지털 트윈 플랫폼 WillowTwinTM 화면 (우) (출처: Microsoft)
브룩필드는 미국 맨해튼에 있는 OMW 건물을 건설하면서 클라우드 기반 디지털 트윈 솔루션을 활용하였습니다. 회사는 WillowTwinTM과 Microsoft Azure Digital Twins을 사용하여 30개 이상의 서로 다른 소스의 데이터를 전체 건물과 모든 시스템을 하나의 모델로 결합했습니다. 이렇게 하여 건축 계획, 엔지니어링 도면 및 장비 상태를 포함한 모든 데이터를 단일 화면을 통해 보고 해석할 수 있습니다. 가상모델을 통해 브룩필드와 OMW의 임차인은 에너지 사용을 최적화하여 보다 지속 가능한 건물을 만듭니다. 시스템과 장비를 최적화함으로써(예: HVAC 장비가 고장 나기 전에 능동적으로 서비스함) 일상적인 에너지 낭비를 방지합니다.
WillowTwinTM 에너지 사용 모니터링 화면 (출처: Willow)
건물의 가상모델을 만들고 에너지 사용, 장비 기능, 조명, 온도 및 공기 품질을 포함하여 건물 시스템에서 일어나는 일을 모니터링할 수 있도록 하였습니다.4) 이렇게 건물 전체의 데이터 및 분석 기능을 갖춘 운영자는 자산을 더 잘 이해하고 관리할 수 있습니다. 보안, 승강기, 에너지 사용량 등의 상태를 확인하여 그 어느 때보다 빠르게 문제에 대응하고 최적의 결과를 위해 설정을 미세 조정할 수 있습니다. 자산의 성능이 떨어지기 시작하면 운영자는 에너지가 낭비되거나 입주 경험에 영향을 미치기 전에 장비를 사전에 변경하거나 수리합니다. 투자자는 에너지 효율을 극대화하여 비용과 온실가스 배출을 줄이고, 오래된 건물과 새로 인수한 건물의 경우 에너지 및 온실 가스 배출량을 20% 이상 절감할 수 있을 것으로 보고 있습니다.5)
건물 거주자의 삶의 질 향상
BIM을 활용하여 건물의 가상공간을 구축한 후에 다양한 시뮬레이션을 통하여 건물 내 거주자의 근무 환경을 향상하여 업무 효율성 및 삶의 질 향상을 지원합니다.
OPPO ‘OPPO Headquarters’ 사례
우리나라의 동대문디자인플라자(DDP)를 설계한 건축가로 유명한 자하 하디드(Zaha Hadid)는 중국 선전(Shenzhen)시에 있는 오포(OPPO) 본사 건물을 설계했습니다.
OPPO 본사 전경 (출처: zaha-hadid.com)
빌딩이 사무실 역할을 할 뿐만 아니라 레저 및 소매를 위한 공공 공간으로도 사용되기 때문에 건물 내부 사용자와 외부공간 사용자 모두의 쾌적함을 위해 BIM 기반의 CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학) 시뮬레이션을 사용하여 설계 내용을 테스트했습니다.
3D 모델을 활용한 건물 주변 풍속 시뮬레이션 화면 (출처: SimScale)
풍속 모델링을 통해 바람 방향을 시뮬레이션하고 잠재적인 불편함이 있는 영역을 식별합니다. 위 그림 왼쪽과 같이 3D 모델을 가져와서 위치와 기후 데이터를 설정한 후 모델을 설정합니다. 건물 위치를 선택하고 바람 조건을 설정한 뒤 연간 바람 프로필의 빈도와 강도를 평가하기 위해 많은 바람 각도를 시뮬레이션하였습니다. 이를 통해 일부 영역이 보행자의 안전 풍속을 초과할 위험이 높다는 것을 발견하였습니다. 건물의 레이아웃 변경, 나무를 추가하고, 초목과 거리 풍경의 영향을 테스트하여 시각화하고 문제를 완화하기 위해 적용할 수 있는 여러 전략을 보여줄 수 있었습니다. 또한 변경 후의 설득력 있는 그림을 생성하여 고객에게 디자인을 전달할 수 있습니다.6)
Deloitte ‘The Edge’ 사례
네덜란드 암스테르담에 있는 The Edge 건물은 BIM과 디지털 트윈을 사용하여 건물 사용자 경험을 최적화한 좋은 사례입니다. 빌딩을 단순히 소유하는 것이 아닌 거주자에게 제공하는 서비스 자산으로의 이동을 보여줍니다. The Edge는 딜로이트 임직원이 근무하게 될 건물로, 당시 딜로이트는 부동산 기술회사 OVG와 The Edge를 Smart & Connected 컨셉으로 지속 가능하고 연결되는 공간으로 만들겠다는 목표를 가지고 공동 개발하기로 결정합니다.
The Edge 전경 (출처: Deloitte)
딜로이트는 디지털 트윈을 적용하기 위하여 우선 빌딩을 사용하게 될 사용자, 즉 임직원에 대해 먼저 집중하게 됩니다. 딜로이트는 지난 20년 동안 핵심 비즈니스가 컨설팅으로 전환되고, 매출의 80%가 컨설팅 서비스에서 나올 것으로 추정하면서 직원들의 완전히 새로운 제안이 필요하게 되었습니다. 이로 인해 딜로이트는 밀레니엄 세대가 고용주와 직장에서 무엇을 원하는지, 인더스트리 4.0, 로봇공학 및 AI가 비즈니스에 미치는 영향과 조직은 이 디지털 미래에 어떻게 대비할 수 있는지 등 미래의 전략과 조직을 정의하기 위하여 이 연구를 빌딩 자체에 반영하기로 결정했습니다. The Edge를 개발하기 위하여 딜로이트 네덜란드는 HR, IT, 부동산 개발 부서 및 FM(Facility Management, 시설관리) 부서를 연결하여 암스테르담의 새 본사에 필요한 것을 집합적으로 정의하는 통합 업무 공간 전략을 수립했습니다. The Edge를 사용할 딜로이트 컨설턴트들은 출장이 많고 시간의 약 75%를 고객의 사무실에서 일하기 때문에 컨설턴트가 언제 어디서나 원하는 시간에 작업할 수 있도록 환경 구축이 필요했습니다. The Edge에 대한 통합 공간 전략을 정의한 후 User Journey Mapping을 사용하여 사전 정의된 60명의 페르소나에 대해 사무실에서의 하루를 매핑하여, The Edge에서의 상호작용 각 순간에 대해 페르소나가 좋아하거나 싫어하는 것을 정의하였습니다. 이걸 기반으로 건물에 필요한 모든 시설과 시스템을 포함하여 The Edge에 대한 사용자의 요구사항이 결정되었습니다.7)
The Edge 회의실 및 작업공간 시각화 화면 (출처: Mapiq)
모든 회의실과 작업공간 시각화하고, 팀과 개인이 일하기 적합한 장소를 찾을 수 있도록 지원하는 앱입니다. 네덜란드 스타트업 Mapiq에서 개발한 오피스 앱으로 대화형 3D 지도를 통해 사용자는 사무실을 탐색하고, 사용가능한 작업공간이나 사물함을 찾고 동료를 찾고 회의실을 예약할 수 있습니다. 각 회의실에서 프리젠테이션 화면, 음향시설, 블라인드 등을 앱으로 작동할 수 있습니다.8) 딜로이트의 모든 데이터는 스마트오피스 플랫폼에 수집됩니다. 건물 시스템에 23,000여 개의 센서 및 iBeacon9)을 모두 연결합니다. 플랫폼의 중심에는 딜로이트의 3D 맵이 있으며 이를 통해 직원들은 전체 디지털 오피스에 액세스할 수 있습니다. 팀과 개인들이 일하기 적합한 장소 및 데스크를 실시간으로 찾아볼 수 있습니다. 옵션으로 위치를 공유하면 선택한 지역에 누가 일하고 있는지 알 수 있습니다. 이렇게 The Edge는 단순한 디지털 트윈 솔루션 적용이 아닌 설계 단계부터 빌딩을 사용할 구성원들을 공간과 연계하여 분석하고, 필요한 서비스를 도출하여 디지털 트윈을 적용한 사례입니다.
재난 대응 시뮬레이션으로 효과적인 재난 대응
최근 국내외에서 화재, 지진, 침수, 테러 등의 다양한 재난으로 인하여 단순 재난 대비 설비에서 벗어나 주기적이고 체계적인 시설물 재난 관리의 중요성이 높아지고 있습니다. 효과적인 재난 대비를 위해서는 비상 상황 발생 시 상황과 목적에 맞는 직관적이고 정확한 정보전달이 필수입니다. 효과적인 3D 시각화 모델을 활용하여 객체에서 건물 전체 속성 정보까지 관리할 수 있는 BIM 기술은 설계-준공에서 시설물 유지 관리까지 관리 목적에 따라 다양한 활용이 가능합니다. 또한 디지털 트윈 기술을 이용하여 각종 재난재해의 문제 진단, 예측, 대응에 효율적으로 적용할 수 있습니다. 다양한 유체 흐름, 열 전달에 대한 전산유체역학(CFD) 기술을 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션으로 화재, 바이러스 등에 대한 재난 시뮬레이션이 가능합니다. 또한 비행기, 자동차, 선박, 화학 공정, 생체의학 장치 등 다양한 산업에서 성능을 예측할 수 있습니다.
CFD 시뮬레이션이 유용할 수 있는 영역 중 하나는 공기 흐름과 환기를 더 잘 제어할 수 있는 작은 실내 공간입니다. COVID-19의 대유행으로 의료 및 과학계가 바이러스 전파, 감염 및 백신 개발을 위해 노력하고 있을 때, 미국 건축 설계회사 HOLT Architects와 CFD 모델링에 전문성이 있는 M/E Engineering 회사가 공동으로 COVID-19의 공중 전파를 줄이기 위한 연구 결과를 발표했습니다. 그들은 환기 시스템의 재설계를 통해 사무실 직원들이 안전하게 사무실로 돌아갈 수 있다는 것을 확인하였습니다. 아래 그림은 CFD 모델을 활용하여 감염 환자의 마스크 유무에 대한 시간대별 시뮬레이션이 가능합니다.
마스크 유무에 따른 감염 환자의 기침 비말 확산 시뮬레이션 화면 (출처: Siemens)
연구 내용을 보면, CAD 모델을 사용해 실제 사무실 공간을 테스트하였습니다. 안면 마스크가 있는 경우와 없는 경우로 나누어 다중 기침 CFD 시뮬레이션을 분석했고 사무실 배치, 가구, 공기 흐름 패턴, 장벽 및 사람들의 위치를 고려했습니다. 이를 통해 사무실에서 마스크 유무에 따른 비말 확산을 보여줍니다. 이러한 종류의 환경별 기침 시뮬레이션은 HVAC 및 실내 환기 시스템을 재설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.10) 그리고, 오늘날 건축물 고층화, 대형화, 복잡화 추세가 심화하고 있지만 기존 피난 방식의 문제점은 지난 반세기 동안 크게 변화된 것이 없습니다. 종래 고정식 유도 등 수동형 안전 관리가 아직 대세로 자리 잡고 있습니다. 기존 대형 화재 사례를 보면 잦은 오경보로 인한 화재 여부 의심, 대피 지연, 피난 동선 차단 시 안내 부재가 인명피해 확대의 원인이었습니다. 이런 것을 극복하기 위하여 디지털 기술이 필요하고, BIM을 활용하여 발생 가능한 각종 재난 리스크를 사전에 파악하고 재난 발생 시 대응책 모색과 각종 시뮬레이션을 BIM과 연계하고 이를 바탕으로 방재 계획을 수립할 수 있습니다. BIM을 활용하여 공간을 구성하고, 층별 인원 설정 후 화재를 발생시켜 대피 시뮬레이션이 가능합니다.
BIM을 활용한 재난 대피 시뮬레이션 화면 (출처: KDT 한국디지털 트윈연구소)
위 화면은 BIM 정보를 이용하여 간단하게 재난 대응 시뮬레이션해 볼 수 있도록 구현한 서비스입니다. BIM 정보를 가지고 건물을 구성한 다음에 층별/공간별 인원을 설정하고 화재를 발생시킬 구역을 선택합니다. 이후 시뮬레이션을 하여 빌딩 전체 안에 있는 사람들이 대피하는 데 시간이 얼마나 걸리는지, Dead-lock(교착 상태) 등으로 대피 실패한 경우 등을 시뮬레이션해 볼 수 있습니다. 디지털 트윈을 이용한 재난 대응 시뮬레이션은 IoT 및 영상 정보를 실시간 연계하여 발화 원인을 사전 발견하고, 실시간 최적 대피 경로를 제공할 수 있습니다. 또한 재실자 대피 현황을 실시간으로 파악하여 인명 피해 및 재산 손실을 최소화하기 위하여 활용될 수 있습니다.
공간을 최신 기술이 융합된 거대 테스트베드로 활용
BIM 기반으로 설계되어 건물 전체가 관련 기술들이 융합되고 연결되는 ‘테크 컨버전스’ 컨셉으로 만들어진 빌딩은 어떻게 활용될 수 있을까요?
네이버 ‘제2사옥 1784 테크 컨버전스’ 사례
2022년 완공된 네이버 1784 사옥은 로봇 친화형 테크 컨버전스 건물로 네이버의 각 조직들의 사옥을 테스트베드로 사용하고자 하는 니즈를 반영해 일반 오피스에서 테스트베드로 변경하였다고 합니다.
네이버 1784 전경 (출처: Naver)
‘IT 서비스 산업 플랫폼’에서 보다 발전한 ‘테크 컨버전스 플랫폼’ 공간을 만들기 위해 다양한 목적으로 사용될 수 있는 건축 플랫폼으로 설계된 1784는 네이버의 다양한 선행 기술들이 스며들게 하였고, 네이버 직원이 직접 이러한 기술을 사용함으로써 축적된 데이터를 통해서 더 나은 서비스를 발전시킬 수 있는 테스트베드로 완성되었습니다. 1784는 AI, 클라우드, 5G, 디지털 트윈, 로보틱스, 자율주행 등 첨단 기술이 융합된 거대한 기술 테스트베드로 불리고 있습니다. 디지털 트윈 기반으로 사용되는 서비스는 로봇 친화형 건물로 로봇이 자유롭게 다닐 수 있도록 단차를 없애고, 자동문이나 회의실 문 등을 클라우드로 제어해 오고 다닐 수 있게 했습니다. 그리고 로봇 전용 엘리베이터도 설치되었습니다. 이렇게 설계된 로봇 친화형 건물 안에서 자율주행 로봇 ‘루키’는 택배 상자나 커피, 우편물을 직원들 자리까지 직접 배송해 주는 서비스를 제공하고 있습니다. 그렇다면 1784 사옥의 실내 공간은 어떻게 구축되었을까요?
GPS 수신이 불가능한 실내 공간을 디지털로 만들기 위해 3차원 실내 정밀지도 제작 로봇을 투입해 자율주행으로 이동하며 지도를 만들기 위한 데이터를 모을 수 있습니다. 로봇의 위치를 파악해 지도에 세팅하고, 로봇에 달린 3차원 레이저 스캐너와 360도 카메라를 통해 수집한 정보를 3차원 실내 지도로 변환(Photo-realistic 3D Map Generation)합니다. 이는 자율주행을 통해 레이저로 스캔한 무수히 많은 점 데이터를 3차원 공간 데이터(mesh)로 바꾼 뒤 카메라로 촬영한 그림을 붙여 완벽한 3차원 지도를 만들어 내는 방식입니다. 이렇게 만들어진 3D 지도로 다양한 빌딩 서비스 제공이 가능하며, 디지털 트윈을 활용한 빌딩은 그 자체가 거대한 테스트베드가 되어 다양한 개발과 테스트, 모든 사용자 경험이 먼저 시도되는 곳으로 플랫폼 그 자체라고 볼 수 있습니다.
References
[1] NVIDIA Keynote at COMPUTEX 2023 (Youtube) (1:29:16부터) 디지털 트윈은 현실 공간/데이터를 가상에 정밀하게 연결하여 서비스 경험으로 제공하는 것이라고 정의할 수 있는데 현실 세계를 디지털화한 가상 세계와 양방향으로 실시간 동기화를 하여 3D로 다양한 시뮬레이션 해 볼 수 있다는 장점이 있음
[2] 씨아이알, 스토리텔링 BIM, 진상윤 저 (2020.5.25)
[3] 호주의 건설엔지니어링 컨설팅회사
[4] Willow, Brookfield’s journey to a digital-first future | Microsoft Case Study (2021.3.12)
[5] Microsoft, Brookfield sets a new standard for innovation in real estate (2020.12.1)
[6] SIMSCALE, Pedestrian Wind Comfort at OPPO HQ
[7] SERVICE Study Association, The Edge-Why Did We develop it? (2019.1.22)
[8] MAPIQ, Solution Overview (2020.3.12)
[9] 근거리 데이터통신 기술로 애플이 표준화한 비컨의 한 형태
[10] SIEMENS, COVID-19 and CFD Simulation for planes, trains and automobiles (2021.1.6)
[11] ThoughtWire, The Evolution of Building Management Systems (2020. 6.17)
[12] IT World, 디지털 트윈 개발에 착수하기 전 반드시 거쳐야 할 7단계 (2023.4.27)
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