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A Study on the Development of Architectural Design Tool supporting Realtime Evacuation Simulation
A Study on the Development of Architectural Design Tool supporting Realtime Evacuation Simulation
Journal of Korea Multimedia Society. 2015. May, 18(5): 641-651
Copyright © 2015, Korea Multimedia Society
  • Received : January 19, 2015
  • Accepted : April 09, 2015
  • Published : May 31, 2015
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윤길 이
Dept. of Architecture, College of Engineering, Hoseo University
yglee@hoseo.edu

Abstract
*This study intends to develop an evacuation simulation system based on BIM in a real-time manner. The proposed system, an add-on module for Revit Architecture and one of the most popular BIM authoring tools, supports the architectural design as well as real-time evacuation simulation of the design alternatives. This paper introduces the developed system, named SafeBIM, and the design process on which it is based. To evaluate the possibilities of the proposed system in the educational field of architectural design, this study included a feasibility test with college students in an architectural design studio.
Keywords
1. 서 론
최근 잇단 건물 또는 공간내의 화재, 사고 등으로 인한 인명피해 사례들은 건축물을 이용하는 사용자의 안전에 대한 사회적인 관심을 증대시켰다. 2013년 시행된 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법에 따르면 본 법에서 정하는 건축물 및 시설물의 인허가 이전에는 의무적으로 사전재난영향성검토협의를 필수적으로 시행하도록 명시하고 있다. 사전재난영향성검토협의 내용은 주로 건축물 내에서 벌어질 수 있는 지진, 화재, 붕괴 등의 사고에 대하여 건축물이 물리적으로나 공간적으로 거주자를 안전하게 보호하고 위급 상황 시에 효과적으로 대응할 수 있는가에 대한 것이다. 1) 내용 중에 많은 부분은 건축설계에 관련된 내용으로서 기존의 건축법에서 명시된 최소의 내용만을 적용하여 설계업무를 수행하는 것으로는 본 법령의 취지에 부합하는 설계가 이루어졌다고 할 수 없다. 특히, 피난유도계획과 같은 경우는 단순히 피난동선과 출구를 법에 준하는 기준에 맞게 설정하는 것만으로는 다양한 사용자 및 상황에 대한 대응이 불가능하다. 건축설계과정에서 설정된 동선 및 출구 등이 실제 상황에서 어떤 성능을 발휘하는가에 대한 면밀한 검토가 있어야 진정한 의미의 피난유도계획이 이루어졌다고 볼 수 있을 것이다 [12] . 그러나 건축설계에서 설계자들은 일반적으로 사전지식, 경험 그리고 명문화된 법을 기반으로 설계 작업을 수행하고 검토한다. 사용자의 피난이나 이동에 관해서는 선과 화살표등을 이용한 일종의 다이어그램(diagram) 형태의 표현으로 분석 및 피난계획이 이루진다. 계획된 공간이 사용자의 피난에 대하여 충분한 성능을 가지고 있는가에 대한 검토는 건축물이 완성된 이후에나 알 수 있었다. Fig. 1 은 공공기관에서 제시한 탈출 경로에 대한 다이어그램으로 간단한 화살표등으로 비상시 탈출은 안내하고 있다. 이는 위급상황에 유용한 정보임은 확실하나 지나치게 일반화되어 있기 때문에 사용자의 다양한 상황에 적절한 탈출 정보라고는 확신할 수 없다.
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The diagram for egress path(left) and the pedestrian behavior in the real world(right).
최근 사용자의 이동 및 탈출 등에 관한 관심이 높아지면서 이에 대한 분석을 위하여 몇몇 관련 소프트웨어가 개발되어 사용되고 있다(2.2참조). 이는 사용자의 이동 및 탈출에 대하여 설계자가 생각하지 못한 현상을 가시적으로 제공하고 있기 때문에 탈출에 적합한 공간을 디자인하기 위한 의사결정 지원도구로서 매우 의미 있다고 할 수 있다. 그러나 대부분은 설계과정과 상관없이 활용되는 도구이기 때문에 설계가 완전히 마무리된 상태에서 활용되거나 탈출 시뮬레이션을 위하여 추가적인 작업과정을 거쳐야하는 불편함이 있어서 실제로 설계과정에 이용되고 있지 않고 있는 것이 현실이다.
본 연구는 높아지는 공간 내 사용자의 피난에 대한 관심 증대에 발맞추어 기존의 시뮬레이션 도구와 차별화된 건축설계과정에서 실시간으로 사용자의 탈출 시뮬레이션을 수행하는 도구의 개발을 목표로 하고 있다. 즉, 건축설계도구와 연동되어 사용이 가능한 가상환경을 기반으로 하는 시뮬레이션 도구를 개발하고 이를 건축설계 프로세스의 각 상황에서 활용하고 분석된 결과를 건축가가 인지하여 설계에 반영함으로써 진정한 의미의 피난계획이 이루어질 수 있도록 지원하는 도구의 개발을 주된 연구의 목표로 하고 있다. 이를 위하여 본 연구는 최근 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 BIM(Building Information Modeling)기술을 기반으로 상용 게임 엔진을 이용하는 시뮬레이션 모듈을 add-on 형태로 장착한 설계 도구를 개발하였다. 또한 개발된 시스템을 오피스 설계 스튜디오에서 활용하고 그 활용가능성에 대하여 검토하였다. 본 연구는 기초연구의 성격을 가진 연구로서 본 연구가 지향하는 최종목표를 위한 기반연구로써 본 연구에서는 건축설계 디자인도구와의 연동 및 실시간 시뮬레이션을 위한 플랫폼(platform)을 개발하고 이에 대한 가능성을 검토하는 것을 주된 목적으로 하였다. 본 연구에서 개발된 내용은 향후 보다 고도화된 시뮬레이션이 가능하도록 추가개발이 가능하다.
초고층 및 지하연계 복합적 건축물 재난관리에 관한 특별법 제7조(사전재난영향성검토협의 내용) 종합 방재실 설치 및 종합재난관리체제 구축 계획, 내진설계 및 계측설비 설치계획, 공간 구조 및 배치계획, 피난안전구역 설치 및 피난시설, 피난유도계획, 소방 설비·방화구획, 방연·배연 및 제연계획, 발화 및 연소 확대 방지계획, 관계지역에 영향을 주는 재난 및 안전관리 계획, 방범·보안, 테러대비 시설설치 및 관리계획, 지하 공간 침수방지계획, 그 밖에 대통령령으로 정하는 사항
2. 이론 및 사례 연구
- 2.1 사용자 시뮬레이션 관련 연구
국내에서 건축 공간 내의 사용자의 피난에 관한 연구는 수년을 걸쳐서 계속되어왔다. 특히, 2000년대 이후로 발생한 대구지하철화재와 같은 대규모 화재 사건 등은 통하여 피난에 대한 사회적인 관심을 증대 시켰으며 이에 따라 관련 연구도 증가하였다. 윤호주(외1, 2009)에 따르면 1980년도부터 2009년까지 피난계획관련 114편, 피난프로그램의 개발관련 40편, 피난법규 및 규정관련 10편, 피난 및 화재 알고리즘 관련 10편의 연구가 진행되었다 [11] . 2010년 이후 컴퓨터기술의 보급과 확대는 피난관련 시뮬레이션의 보급을 높였으며 피난관련 연구는 다음과 같이 보다 세부적인 기술 개발과 특정 분야의 피난특성에 대한 연구가 주로 이루어졌다고 할 수 있다.
세부기술 개발관련 국내 연구는 다음과 같은데 장병옥(2010)은 건물 내 화재 시 사용자의 대피를 시뮬레이션 하는 시스템을 설계하고 구현하였다. 특히, 본 시스템은 화재 시에 사람의 탈출에 영향을 미치는 열과 연기를 고려하여 각 사람의 탈출 속도를 계산하는 것에 특징이 있다. 그러나 본 연구결과가 적극적으로 활용되려면 연구자도 결론부분에 논의한 것과 같이 설계를 할 때 사용되는 시스템과의 연동이 필요시 된다 [3] . 박형주(외1, 2011)는 교정시설의 비상시 피난경로계획 및 USN(Ubiquitous Sensor Networks)을 이용하여 대피를 유도하는 방법에 관하여 제한하였다 [8] .
특정 분야의 피난특성에 대한 국내 연구는 다음과 같은데 김응식(외5, 2005)은 병원에서의 피난에 대한 올바른 평가를 위하여 병원을 이용하는 사용자의 특성을 고려한 이동 능력을 분석 정리하였다. 또한 병동 근무자의 화재 시 대처 능력에 관한 의식조사를 실시하여 이에 대한 현황을 분석하였다 [5] . 김현석(외2, 2011)은 사회복지시설을 대상으로 인명 탈출 안전도의 평가방법에 관하여 연구하였는데 조선공학 분야의 탈출지수 평가에 주로 적용하고 있는 탈출 시뮬레이션 기법을 활용하여 미혼모시설의 인명안전도의 평가에 적용하고 결과로 도출된 주요인자들에 관하여 고찰하였다 [6] . 정무헌(외1, 2008)은 학교건물에서 화재 시 실제 피난훈련과 시뮬레이션을 통한 피난안전성 평가를 비교하였다. 본 연구를 통하여 기존의 시뮬레이션 도구는 피난경로, 피난 집결지 등 실제피난 관련 특성을 반영하지 못한 것으로 나타났다 [4] .
기존의 연구를 통하여 보면 피난관련 연구는 사례연구와 기술개발을 중심으로 이루어졌으며 2000년 이후로 활발히 진행되었다. 특히, 복잡한 화재 등의 상황을 완벽하게 재현하기 위한 기술개발은 계속적으로 이루지고 있으며 건축물의 용도와 사용자의 특성을 반영한 피난안전성에 대한 평가에 대한 연구도 분야별로 지속되고 있는 실정이다. 그러나 건축물의 특성상 한번 구축되면 오랜 시간 동안 공간이 가지는 성능을 변화시키기 어렵기 때문에 설계 단계에서 이를 예측하고 반영해야 될 필요가 있음에도 불구하고 지금까지의 연구는 설계도구와 연계된 피난시뮬레이션에 대한 고려가 없었다. 단지 몇몇 연구에서 향후 설계도구와의 연계를 언급하기도 했으나 구체적으로 구현된 사례는 없었다.
- 2.2 피난 시뮬레이션 개발 사례분석
건축물의 사용자의 피난에 관련된 시뮬레이션 기술에 대한 연구는 주로 국외에서 많이 진행되었다. 특히, 영국의 Greenwich대학은 Fire Safety Engineering Group은 이 분야에서 주도적인 연구를 진행하고 있으면 buildingEXODUS라는 탈출 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하여 공급하고 있다. 본 소프트웨어는 재실, 피난이동, 피난형태, 위험도, 유동성 등의 5개의 내용으로 구성되어 각 요소는 재실자의 특성 및 위험도, 유동성에 따라 피난 시뮬레이션이 이루어질 수 있도록 개발되어있다 [1] . 본 소프트웨어는 사용자의 신체적인 특성, 심리적인 상태, 경험, 위험도 등의 측면으로 피난 시뮬레이션을 정의하고 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 또한 지형, 대기 등의 조건을 고려하여 사람형상의 캐릭터의 보행속도가 설정될 수 있는 특징이 있다 [9] . 그러나 물리 공간 상황을 일반화한 상태에서 시뮬레이션이 진행되는 단점이 있고 시뮬레이션을 위하여 공간정보를 다시 저작하고 관련 정보를 일일이 입력해야 하는 불편함이 있다. 즉, 설계과정에서 공간의 대피성능을 파악하고 이를 실시간으로 반영하기에는 어려움이 있다. buildingEXODUS와 유사한 시뮬레이션 도구로 Simulex가 있는데 이는 영국 Edinburgh 대학의 Dr. Thompson과 Dr. Marchant에 의하여 개발된 피난 전용 도구이다 [10] . 본 소프트웨어는 대규모 군중의 대피 시뮬레이션을 위하여 제작된 것으로서 무작위적인 군중에 대한 공간의 피난성능을 파악하기에는 유용하지만 보다 상세한 상황 설정 및 시뮬레이션에는 한계가 있다. 이 또한 설계과정과 연계는 고려하지 않고 있어서 디자인이 완료된 설계안에 대하여 피난성능을 최종적으로 확인하는 도구이지 설계과정과 연계하여 디자인 지원을 위하여 사용되기는 불편한 점이 많다. 국내에서 개발된 사례로서는 황연정(외 3, 2011)이 한국인의 특성을 고려한 고층건물의 화재피난 시뮬레이션 시스템을 구현하고자 하였다. 특히, 3차원 공간 정보 기반으로 공간의 토폴로지를 생성하고 피난 경로를 탐색하는 화재피난 시뮬레이션 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 객체 기반으로 모델링된 공간정보에서 Path를 자동으로 산출하는 것은 의의가 있으나 디자인과정과 연계되지 않고 복잡한 상황을 지나치게 단순화하는 문제점이 있다 [2] . 또한 본 시스템도 독립적인 플랫폼(platform)을 기반으로 운영되고 있기 때문에 설계과정과의 연계는 사실상 어렵다.
- 2.3 BIM을 기반으로 한 사용자 시뮬레이션
BIM은 Building Information Modeling의 약자로서 건축물 및 건축물과 연계된 정보를 건축물의 생애주기 전반에 걸쳐 통합적으로 활용하는 방법 및 과정에 대한 개념으로 과거에 product modeling. building data modeling 등의 용어로 제시되었던 객체기반 건축 정보 모델링 방식을 보다 체계화시킨 것이다. 전통적인 건축실무의 낮은 생산성을 원활한 정보운영을 통하여 개선할 수 있는 비전을 제시하고 있기 때문에 전 세계적으로 BIM의 도입과 활용에 적극적으로 나서고 있는 실정이다. 국내도 역시 BIM의 도입을 위하여 다양한 노력이 계속되고 있으며 건축학 교육에 있어서도 통합설계라는 개념으로 건축학인증을 위한 SPC(Student Performance Criteria) 항목으로 제시되고 있다. 건축설계과정에서 BIM이 도입되면 사용자 시뮬레이션을 위한 환경구축에 많이 이점이 있다. 즉, BIM은 물리공간을 표준화된 전산정보로 기술한 것이기 때문에 사용자를 의미하는 일종의 자율주행 캐릭터의 행위를 위한 환경구축을 위하여 유용하다. BIM에서 필요한 정보를 추출하여 NPC의 행동을 위한 정보로 사용할 수 있다 [7] . 이러한 가능성에도 불구하고 BIM을 기반으로 한 사용자 시뮬레이션의 사례는 찾아보기 힘든 실정이다. 몇몇 기초연구의 사례는 찾아 볼 수 있으나 BIM으로 제작된 설계안을 이용하여 실시간으로 실감도 있는 3차원 가상공간을 활용하여 사용자 시뮬레이션 수행한 사례는 찾아보기 어렵다.
3. 시스템 개발 전략
앞서 논의된 이론 및 사례연구를 통하여 설계과정에서 BIM을 이용한 사용자 분석이 기술의 필요성을 확인할 수 있었으며 아래와 같은 기술 개발에 대한 전략을 수립하였다. 본 개발전략은 이론 및 사례연구에서 요구되었던 사항과 시스템 개발을 수행하기 위하여 추가적으로 요구되는 주요사항을 도출한 것이다.
첫째, 건축설계 과정과 연계된 실시간 시뮬레이션이 가능해야 한다. 건축설계가 완료되고 사용자 시뮬레이션을 수행하는 사례는 많이 있다. 일반적으로 보고서 등을 제출하기 위해서 수행되는 시뮬레이션의 전형적인 형태이다. 이러한 방식은 시뮬레이션을 위하여 다시 시뮬레이션 환경을 구축하는 불필요한 과정을 거쳐야하며 건축설계가 완성된 시점에서 이루어지기 때문에 설계안의 문제점이 발견되었다 하더라도 시뮬레이션 결과를 설계안에 반영하기 어려우며 시뮬레이션 결과를 반영하였다 하더라도 다시 시뮬레이션을 수행하기 위하여 불필요한 과정을 반복적으로 수행해야하는 어려움이 있다. 이상적인 사용자 시뮬레이션은 설계과정 중간 중간에 계속적으로 이루어져 설계안을 발전시킬 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 BIM 저작도구에서 설계 과정 중에 제작된 BIM설계 모델을 이용하여 실시간으로 시뮬레이션이 수행될 수 있는 환경을 개발하였다.
둘째, 비전문가를 위한 손쉬운 조작과 직관적인 가시화가 가능해야 한다. 설계 전문가는 사용자 행위 전문가는 아닐 수 있다. 또한 이와 같은 시뮬레이션 결과에 대한 수혜자 역시 건축물을 사용하는 사용자이지 관련 전문가는 아니다. 사용자 시뮬레이션이 복잡한 과정을 거쳐야하고 도출된 결과가 전문가만이 이해할 수 있는 것이라면 설계 과정에서 쉽게 사용될 수 없을 것이다. 본 연구에서는 이와 같은 내용을 고려하여 본 연구에서는 일부 사용자 시뮬레이션 시스템에서 사용하는 점과 같은 추상적인 형상을 배제하고 직관적인 이해가 가능한 3차원 사람형상의 캐릭터와 가상공간을 활용한 시뮬레이션 환경을 구축하고자 한다. 조망하는 시점도 전체적으로 상황을 볼 수도 있고 사용자의 시점에서 관찰 할 수도 있게 하여 실감을 높이는 방법을 제안하고자 한다.
셋째, BIM에 정의되지 않은 사용자 행위정보에 대한 추가 및 추출이 가능해야 한다. BIM은 일종의 product modeling으로서 건축물의 물리적인 형상에 대하여서는 자세하게 묘사하고 있다. 그러나 이와 연관된 사용자 정보에 대해서는 정의하고 있지 않다. 사용자 시뮬레이션을 위하여 사용되는 캐릭터가 BIM을 기반으로 모델링된 설계안에서 절절한 행위를 수행하려면 BIM에서 제공하지 않은 캐릭터 행위와 관련된 정보가 제공되어야 할 필요가 있다. 가장 기본적인 충돌 및 회피와 목표점등이 설정될 수 있는 환경이 제공되어야 하며 각기 다른 사물들에서 발생할 수 있는 행위에 대한 정보가 추가 및 추출 될 수 있어야 한다. 본 연구에서는 BIM도구와의 실시간 연동되는 환경 개발을 주로 하여 연구가 진행되었기 때문에 가장 기본적인 탈출 시뮬레이션 가능할 수 있도록 행위정보가 자동으로 생성될 수 있도록 개발이 진행되었다.
4. SafeBIM 개발
- 4.1 개요
본 연구에서는 설계도구와 실시간으로 연동하여 디자인된 건축 설계 안의 사용자의 탈출 시뮬레이션이 가능한 도구를 일반적으로 건축 실무에서 많이 활용되고 있는 BIM저작도구 Revit Architecture 2013(이후로는 Revit)을 이용하여 개발하였다. 이는 일종의 Add-on으로서 기존의 Revit 프로그램에 DLL형태로 연동되며 개발된 모듈을 Revit 인터페이스에서 호출하는 형식으로 운영된다. 이를 위해서 Revit 배급사인 Autodesk측에서 제공하는 SDK (Software Development Kit)를 이용하여 개발이 진행되었다. 시뮬레이션이 실행되는 가상환경은 게임개발도구인 Uinty3D를 이용하여 구축되었다.
- 4.2 시스템 및 인터페이스 구성
Fig. 2 는 개발된 SafeBIM의 시스템 구조를 보여주고 있다. 개발된 SafeBIM은 크게 두 부분으로 구성되는데 Revit에서 저작된 BIM데이터를 읽어 들여 시뮬레이션을 위한 데이터를 생성하는 부분과 생성된 시뮬레이션 데이터를 가상환경에서 실행하는 환경이다. 시뮬레이션 데이터를 생성하는 부분은 Revit SDK를 이용하여 C#으로 개발이 진행되었으며 Revit에서 저작된 건축물의 모델의 각 구성 객체를 읽어 들여 가상공간 시뮬레이션을 위한 객체(벽, 출입구 등), 캐릭터의 이동 목적지, Navigation Graph 등을 생성한다. 생성된 시뮬레이션 데이터는 Unity3D를 이용하여 개발된 가상공간으로 전달되어 게임 환경과 같은 형태로 재현된다.
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System Structure of SafeBIM.
Fig. 3 은 개발된 SafeBIM이 Revit 인터페이스 상에서 어떻게 구동되는지 보여주고 있다. Revit의 메뉴에서 애드인(Add-ins)의 외부도구(External Tools)의 하위항목에 실행메뉴를 추가할 수 있다. 이를 위해서는 특정 폴더상세 *.addin 파일을 설정해 놓아야 하는데 이는 Revit의 메뉴에서 함수를 불러올리는 메뉴를 정의하는 동시에 본 메뉴를 작동 시켰을 때 관련 함수가 실행될 수 있도록 관련된 *.dll 파일을 연결시키는 역할을 한다.
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Execution Interface of SafeBIM.
- 4.3 주요기능개발
개발된 SafeBIM을 구성하는 주요 기능은 Revit에서 구성된 설계 데이터를 가상환경으로 전환하는 기능과 가상환경 상에서 캐릭터의 자율주행을 수행하는 것이다.
Revit은 건축적으로 유의미한 객체를 조합하여 모델링하는 저작도구이다. Revit에서 모델링된 데이터를 가상환경에서 필요로 하는 데이터로 전환하기 위해서는 먼저 Revit API를 사용하여 wall, slab, room 등의 객체를 읽고 분리하여 저장한다. 이후에 각 객체들로부터 Geometry정보를 추출하는데 이 역시 Revit API에서 지원하는 함수를 활용한다. 추출된 Geometry정보는 가상환경에서 원활하게 사용하기 위하여 wavefrint obj파일 포맷으로 저장한다 [13] . obj파일을 임시 경로에 저장한 후 Unity3D를 이용한 개발한 가상공간을 구축하는 프로세스를 호출하고 호출된 가상공간에서 임시 경로의 obj파일을 읽어서 3차원 객체로 변환한다. Revit에서 구축된 모델링 정보를 하나의 파일로 저장하여 가상공간에서 사용하는 방법도 있지만 가상공간 상에서 공간의 각 객체를 유의미하게 활용하고 향후 확장 등에 융통성 있게 대응하기 위해서 객체 단위로 분리하여 읽어 들이는 방법을 사용하였다.
SafeBIM은 불러들인 객체정보를 기반으로 일종의 Navigation graph를 Fig. 4 와 같이 생성한다. 이는 일반적인 게임 환경에서 일반적으로 활용되는 캐릭터 주행을 위한 정보이며 SafeBIM상에서 캐릭터의 이동을 위한 기반정보가 된다. 캐릭터의 주행은 A*알고리즘을 이용하여 실시간으로 이동경로를 생성하는 방식으로 구현되었다. 가까운 탈출구를 향하여 자동적으로 이동하며 근접거리의 다른 캐릭터의 위치를 파악하여 회피하는 방식으로 구동된다.
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Navigation graph(left) generated by SafeBIM and The execution example of A* Algoritnm.
- 4.4 시스템 실행결과
Fig. 5 는 SafeBIM을 실행시켜서 사용자 탈출 시뮬레이션을 진행하는 과정을 보여주고 있다. Revit을 이용하여 공간을 모델링하고 SafeBIM을 실행시키면 가상현실 환경이 구축되고 사용자를 배치하고 탈출구를 지정한다. 탈출 시뮬레이션을 실행하면 캐릭터들이 최단 탈출구를 찾아서 탈출하는 상황이 재현되며 다양한 방법으로 가시화된다. Fig. 6 은 학생 스튜디오에서 오피스 설계과제를 수행하는 학생들이 설계과정 중에서 자신의 대안을 SafeBIM을 이용하여 탈출 시뮬레이션을 수행한 모습니다.
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Process of using SafeBIM for Egress Simulation of the Designed Alternatives.
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Execution Results of SafeBIM.
- 4.5 시스템 사용자 테스트
개발된 SafeBIM을 효용성에 대한 평가를 위하여 H대학의 5년제 건축학과 3학년학생들의 설계스튜디오를 대상으로 테스트 및 평가를 수행하였다. 대상학생은 32명이었고 3학년 2학기 설계스튜디오의 주제는 서울지역을 대지로하는 오피스의 설계였다. 본 과목은 BIM도구를 가지고 설계를 수행하고 최종결과물을 산출하는 것이 하나의 목표였다. 본 수업을 수강하는 학생들에게 SafeBIM에 대하여 설명하고 사용법을 교육한 이후에 설계스튜디오가 진행되는 과정에서 SafeBIM을 사용하고 학기가 끝난 이후에 몇 가지 주관식 질문을 통하여 본 개발된 시스템의 활용가능성에 대하여 모색해보았다. 질문 총 3가지였으며 Fig. 7 과 같다. 또한, 본 수업을 수강한 32명의 학생을 대상으로 Fig. 8 과 같이 질문을 하였으며 ‘매우 적다’, ‘적다’, ‘다소 적다', ‘중간이다', ‘다소 많다', ‘많다’, ‘매우 많다'와 같이 7점 척도로 대답하게 하였다. 이는 사용하기 전과 후의 차이를 정량적으로 분석하기 위한 것이다.
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Questions for Users who used SafeBIM for the evacuation simulation(1),
질문 1에 대하여 의견을 제시한 학생은 19명이었다. 이중 8명은 ‘더욱 정확하다’, ‘시뮬레이션을 통하여 어떤 식으로 해야 더 좋은 대피 설계안이 될지 알 수 있었다’ 등의 긍정적인 의견을 제시하였다. 그러나 이중 5명은 ‘큰 차이점은 없다’ 등의 다소 부정적인 의견을 제시하였다. 또한 응답자중 6명은 본 시스템에 활용에 대하여 다소도움이 되긴 하지만 ‘위급 시 문의 크기나 색깔 등에도 영향을 받는 것으로 배웠는데 시뮬레이션은 다소 부족해 보였다’ 등의 재난 상황의 보다 세부적인 적용이 가능해야 보다 신뢰성이 있는 정보로 받아들일 수 있다는 의견이 있었다. 소결하면 응답자의 많은 수가 본 시스템의 활용에 대해서는 긍정적이라고 평가하였으며 보다 신뢰성 있는 정보의 제공을 위해서는 추가적인 관련 정보의 적용 및 개발이 필요하다고 이야기했다.
질문 2에 대하여 의견을 제시한 학생은 25명이었다. 이중 문제점을 찾아내지 못했다고 대답한 학생은 4명에 불과했다. 다른 21명에 학생은 다양한 문제점을 찾아냈는데 이중 9명의 학생은 ‘개구부의 위치로 인하여 대피 하지 못했다’, ‘실에 갇히는 문제가 발생했다’, ‘특별피난계단과 동선이 치는 곳에 있어서 문제가 생겼다’ 등으로 설계한 자신의 안의 비상구의 위치 등의 문제점을 본 시뮬레이션을 통하여 발견하였고 5명의 학생은 ‘출입구가 한 개라서 피난동선에 병목 현상이 생겼다’, ‘넓다고 생각했던 복도 주변 실 배치와 여러 가지 상황으로 복잡해 질 수 있었다’ 등으로 자신의 설계안의 규모가 탈출에 적합하지 않았다는 것을 시뮬레이션을 통하여 발견했다. 또한 문제점을 찾은 학생 중 6명은 ‘탈출까지 걸리는 동선이 길다’, ‘대피하기까지 많은 시간이 걸렸다’, ‘실들 간의 동선의 복잡한 부분을 한눈에 알아볼 수 있었다’ 등으로 설계안 안의 복잡한 탈출동선 및 탈출시간에 대한 문제점을 시뮬레이션을 통하여 확인 할 수 있었다고 응답했다. 소결하면 대부분의 학생들이 Safe BIM을 이용한 시뮬레이션으로 자신이 설계한 설계안의 피난 및 탈출 성능에 대한 문제점을 확인할 수 있었으며 주요내용은 비상구 및 실의 위치에 대한 문제, 복도 및 출입구의 크기에 대한 문제, 탈출동선 및 탈출시간의 문제에 대한 것이었다.
질문 3에 대하여 의견을 제시한 학생은 21명이었다. 대부분의 학생은 건축설계 시에 활용하면 도움이 될 것이라고 응답했으며 응답자중 16명은 ‘설계과정에서 확인할 수 없었던 문제점을 확인할 수 있다’, ‘시뮬레이션을 통해 사람들의 동선을 파악하면서 위험성, 복잡성에 대한인지가 높아진다’, ‘피난동선을 계획할 때 많은 도움이 있었다’, ‘최소의 동선을 찾아주거나 탈출구의 위치를 만들어 주는 것에 유용하다’ 등으로 SafeBIM이 설계안의 피난 및 탈출 성능을 확인하고 비상구 위치 선정, 동선계획 등을 위하여 유용하게 쓰일 수 있다고 응답하였다. 또한 응답자중 4명은 오피스 및 고층빌딩 설계에 유용할 것이라고 응답했으며 ‘NPC들의 AI가 향상이 된다면 단순 대피 설계 뿐 아니라 일상적인 상황과 접목 시킬 수 있겠다’, ‘화재 시 건물붕괴까지 이어졌으면 좋겠다’라고 보다 확장된 개념의 시뮬레이션 도구에 대한 아이디어를 제시하기도 하였다. 소결하면 건축설계 과정에서 SafeBIM의 사용은 유용했으며 오피스 및 고층건물의 피난동선 설계 등에 활용이 가능하다는 의견이 제시되었다.
Fig. 8 질문에 대한 대응표본 T검정을 실시하였다. 이는 SafeBIM을 사용하기 전과 후의 차이를 분석한 것이다. 첫 번째로, SafeBIM을 사용하기 전과 사용하였을 때의 개구부와 피난 동선의 문제점의 발견에 대한 질문4-1과 질문4-2의 대응표본 T검정을 실시하였을 때 질문4-1의 평균은 3.6875이며 질문4-2의 평균은 4.0625였다. 그리고 유의확률은 0.050으로 유의한 결과가 도출되었다. 이는 통계적으로 유의할 정도로 SafeBIM을 사용했을 때가 사용하기 전보다 개구부와 피난 동선의 문제점을 보다 많이 찾아내었다고 할 수 있다. 두 번째로, SafeBIM을 사용하기 전과 사용하였을 때의 오피스 피난 계획 결정이 용이하였는가에 대한 질문5-1과 질문5-2의 대응표본 T검정을 실시하였을 때 질문5-1의 평균은 3.7500이며 질문5-2의 평균은 4.3125였다. 그리고 유의확률은 0.005로 유의한 결과가 도출되었다. 이는 통계적으로 유의할 정도로 SafeBIM을 사용했을 때가 사용하기 전보다 오피스 피난 계획 결정에 보다 용의하였다고 할 수 있다.
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Questions for Users who used SafeBIM for the evacuation simulation(2).
6. SafeBIM을 기반으로 하는 설계 프로세스 제안
앞선 논의를 통하여 개발된 BIM기반 설계도구와 실시간 연동되는 사용자 탈출 시뮬레이션 시스템은 설계한 설계안의 피난 및 탈출 성능에 대한 문제점을 확인하는데 긍정적인 영향을 줄 수 있으며 오피스 및 고층건물의 피난동선 설계과정 등에 활용이 가능하다는 의견이 도출되었다. 비록 학생을 대상으로 한 의견의 종합이었기 때문에 실무 활용가능성에 대한 조사는 보다 이루어 질 필요가 있으나 그 가능성은 충분히 확인했다고 볼 수 있다. 대부분의 사용자 탈출 시뮬레이션이 건축물이 설계된 최종과정에 이루어지기 때문에 명목상의 시뮬레이션일 뿐 설계안을 발전시키기 위한 노력으로 활용되고 있지 않은 현실에서 이와 같이 설계과정에서 이루어지는 실시간 시뮬레이션은 보다 사용자 탈출에 최적화된 공간을 디자인하기 위한 대안으로 활용될 수 있다. Fig. 9 는 본 연구에서 제안하는 시스템을 활용한 설계과정과 기존의 설계과정을 도식화한 것이다. 이를 통해서보면 본 연구에서 제안하는 시스템을 활용하면 설계과정 중에서 수시로 사용자 탈출 시뮬레이션을 수행할 수 있고 이를 설계안에 실시간으로 반영하여 최적화된 설계안으로 발전시킬 수 있다. 그러나 기존의 설계가 완성된 이후에 탈출 시뮬레이션이 수행되는 것은 대규모 설계안의 변경을 초래할 수 있기 때문에 설계안에 반영이 어려운 현실이다.
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The comparison of between the proposed design process based on SafeBIM and the conventional design process.
7. 결론 및 향후연구
본 연구는 BIM 건축설계과정에서 실시간으로 사용자의 탈출 시뮬레이션을 수행하는 도구의 개발을 목표로 하여 진행되었다. 이를 위하여 본 연구는 최근 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 BIM(Building Information Modeling)기술을 기반으로 상용 게임 엔진을 이용하는 시뮬레이션 모듈을 add-on 형태로 장착한 설계 도구를 개발하였다. 또한 개발된 시스템을 오피스 설계 스튜디오에서 활용하고 그 활용가능성에 대하여 검토하였다. 설문조사를 통하여 개발된 BIM기반 설계도구와 실시간 연동되는 사용자 탈출 시뮬레이션 시스템은 설계한 설계안의 피난 및 탈출 성능에 대한 문제점을 확인하는데 긍정적인 영향을 줄 수 있으며 오피스 및 고층건물의 피난동선 설계과정 등에 활용이 가능하다는 의견이 도출되었다. 그러나 본 연구는 기초연구의 성격을 가진 연구로서 본 연구가 지향하는 최종목표를 위한 기반연구로써 본 연구에서는 건축설계 디자인도구와의 연동 및 실시간 시뮬레이션을 위한 플랫폼(platform)을 개발하고 이에 대한 가능성을 검토하는 것을 주된 목적으로 하였다. 향후 보다 고도화된 시뮬레이션이 가능하도록 추가적인 기능개발 및 실무 전문가들의 사용 평가를 통하여 활용가능성을 검증할 필요가 있다. 또한 보다 직관적인 결과의 전달을 위해서 캐릭터의 고도화된 인공지능 및 몰입형 사용자 인터페이스를 도입하는 것이 필요시 된다.
BIO
이 윤 길
호서대학교 공과대학 건축학과 조교수
관심분야: User Behavior Simulation in built environment, Building Information Modeling
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