일본산업뉴스요약

시미즈건설, BIM에서 해석 모델 자동 생성
작업기간 1개월에서 3일로 단축

시미즈건설은 BIM(Building Information Modeling) 데이터에서 FEM(유한요소법) 해석 모델을 자동 생성하는 ‘BIM-FEM 연계 시스템’을 개발했다. BIM 데이터에 포함된 정보를 읽어 들임으로써 기존에는 1개월 이상 걸리던 해석 모델 작성 기간을 약 3일로 단축했다. 설계 변경 등의 업데이트 내용을 끊김 없이 반영하는 등 항상 최신 건물 정보를 기반으로 한 시뮬레이션이 가능해진다.

FEM 해석은 물체의 변형 등 역학적 거동을 컴퓨터상에서 시뮬레이션하는 기법이다. 해석을 위해서는 건물을 직육면체 등의 미소 요소로 분할하고, 각 요소에 재료 강도를 할당한 모델을 작성해야 한다.

시미즈건설에 따르면 BIM 데이터에서 FEM 해석 모델을 자동 생성하는 방식은 일반적이지 않았다. CAD 데이터를 해석 모델로 변환하는 방식은 있었지만, 복잡한 형상의 건물을 계산하기 쉽도록 요소 분할하는 데는 작업자의 숙련도가 필요했다. 게다가 CAD 데이터에는 없는 재료 강도 등의 정보는 수작업으로 설정해야 했기 때문에 많은 시간이 걸렸다.

새로운 시스템은 BIM 데이터에 포함된 부재 형상과 재질, 철근 배근 정보를 분석하고 자동으로 요소 분할과 재료 설정을 수행해 해석 모델을 작성한다. 대상은 철근콘크리트 구조의 건물이다.

새 시스템의 개발 포인트는 크게 2가지다. 하나는 BIM의 속성정보 활용이다. BIM 데이터에 포함된 콘크리트 강도와 철근 강도, 개수, 배치 등의 정보를 읽어 해석 모델에 자동으로 설정한다. 시미즈건설은 BIM 입력 규칙을 통일해 필요한 정보를 쉽게 추출할 수 있도록 배려했다.

또 하나는 건물 분할 방식의 개선이다. 건물 전체를 한 번에 미세 요소로 분할하면 불완전하게 분할되는 부분이 발생하기 쉽지만, 기둥이나 보와 같은 부재별로 나눠 분할함으로써 처리 과정을 합리화했다. 분할된 부재들을 서로 연결하는 알고리즘을 개발해 작업을 크게 줄였다.

기존에는 재료 강도 등의 설정에 2~3주, 건물의 요소 분할에 2~3주가 필요했다. 하지만 새로운 시스템에서는 자동 모델 생성에 약 1일이 걸리며, 검토 등을 거쳐 총 3일이면 작업을 완료할 수 있다. 시미즈건설 기술연구소 안전안심기술센터의 다나카(田中) 주임연구원은 “(모델링 작업을) 99% 자동화했다”고 말한다.

시미즈건설은 자동으로 작성한 해석 모델의 타당성도 검증했다. 국립연구개발법인 방재과학기술연구소가 실시한 6층 철근콘크리트 구조물의 진동실험 결과와 비교했다. 개발한 방법으로 작성한 모델의 응답가속도가 기존 방식으로 작성한 모델과 동등한 수준의 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.

지진 피해 발생 후 조기 복구가 필요한 발전소나 병원 등의 시설에서는 사업연속성계획(BCP)을 마련하려는 수요가 높다. 건물의 지진 피해를 사전에 시뮬레이션해 두면 콘크리트 구조체에 손상이 발생하는 위치와 정도를 예측하고, 복구에 필요한 비용과 기간을 추산할 수 있기 때문이다.

시미즈건설은 앞으로 센싱 정보와 BIM, 새 시스템 등을 활용한 디지털 트윈 개발을 계획하고 있다. 사전에 해석 모델을 구축해 둠으로써 지진 발생 직후에 건물의 손상 정도를 추정하고, 복구와 2차 피해 예방에 활용한다. 향후에는 지진뿐 아니라 폭풍과 쓰나미 등의 재해로 적용 대상을 확대한다. 건설공사 도급 업무 외에도 BCP와 관련된 컨설팅 서비스를 전개할 예정이다.

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