입찰 단계에서의 BIM 기반 계측제어 Cable 경로ㆍ물량 산출 자동화 구축 및 AI Agent 적용 연구 = A Study on the Development of a BIM-based Automated System for I&C Cable Routing and Quantity Take-off at the Bidding Stage, and the Application of AI Agent

국문 초록 (Abstract)

플랜트 프로젝트에서 케이블(Cable)은 계측제어 분야의 주요 벌크(Bulk) 자재 중 하나로, 물량과 비용 측면에서 높은 비중을 차지한다. 그러나, 입찰 단계에서는 대부분 2D 도면과 엑셀 기반의 수작업 방식으로 케이블 물량을 산정하였다. 이로 인해 빈번한 물량 산출 오류가 발생하였고, 물량 산출 기준 변경 시 비효율적인 작업을 반복해야 문제가 있었다. 이에 본 연구는 BIM(Building Information Modeling) 기반 자동화 시스템을 활용하여 최소한의 입력 데이터와 모델링만으로 케이블 경로를 자동 생성하고, 케이블 및 관련 자재 물량을 산출할 수 있는 시스템을 제안하였다.
자동화 시스템 구현을 위해 우선 케이블 및 관련 자재 산출에 필요한 요소를 입력 기반 요소와 연산 기반 요소로 분류하였다. 입력 요소 중 개별 타입별로 대량의 데이터를 입력 해야하고, 실시간으로 변경이 어려운 항목은 엑셀 입력 방식으로 처리하고, 설계자가 입력하는 데이터의 양이 작고, 조정이 자주 필요한 항목은 UI(User Interface) 기반으로 입력하도록 구현하였다.
자동화 시스템은 Autodesk Revit API를 기반으로 Visual Studio 개발 환경에서 구축되었다. 주요 핵심 기능은 케이블 자동 경로 탐색 기능과 케이블 및 관련 자재 자동 물량 산출 기능으로 구성되었다. 케이블 경로는 BIM 모델 내에서 구간-1 (Junction Box → Cable Tray), 구간-2 (Cable Tray 내부)로 구분하여 구현하였으며, 특히 구간-2의 케이블 경로 계산에는 휴리스틱 함수를 활용한 A* 알고리즘을 적용하여 최단 경로를 탐색하였다.
사용자 인터페이스는 WPF(Windows Presentation Foundation)기반 UI로 구축되었으며, 엑셀 업로드, 결과 저장, 경로 설정, AI Agent와의 연동 등 다양한 기능을 구현하였다. 사용자는 엑셀 파일에 정의된 형식에 따라 케이블 데이터를 입력하고, UI를 통해 사용자 조건을 지정한 후 계산을 실행하면, 케이블(Cable), 접속함(Junction Box), 케이블 트레이(Cable Tray)의 물량이 자동 산출되고, 결과는 UI와 엑셀 형식으로 확인할 수 있게 하였다. 특히 LLM기반의 AI Agent와 연계를 통해 사용자가 자연어로 입력한 조건에 따라 물량을 재산출하고 응답할 수 있도록 구성하여 단순 계산 도구를 넘어 물량 산출 관련 의사결정을 지원하는 대화형 설계 파트너 역할을 수행할 수 있도록 하였다.
구축된 자동화 시스템을 통한 연구 결과, 사용자는 BIM 환경 내에서 반복적인 수작업을 최소화하면서도 정확하고 신속한 물량 산출이 가능해졌으며, 다양한 시나리오별 물량 산출 결과를 효율적으로 비교, 검토할 수 있었다. 향후 연구에서는 입력 데이터의 전처리 자동화 및 전체 공종의 주요 물량 적용 확대를 통해 전체 프로젝트 관점에서 구축된 자동화 시스템의 범용성 및 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In plant projects, cables are principal bulk materials in the instrumentation and control (I&C) field, constituting a significant proportion of both quantity and cost. Traditionally, cable quantity estimation during the bidding stage has relied on manual methods using 2D drawings and Excel spreadsheets, which frequently lead to calculation errors and inefficiencies due to repetitive manual efforts. To address these issues, this study proposes a BIM (Building Information Modeling) based automation system that enables automatic cable routing and material quantity take-off (QTO) with refined input data and essential modeling.
To implement the automation process, the elements required for estimating cables and related materials were first classified into input-based and calculation-based factors. High-volume data with low change frequency are managed via Excel input, while parameters frequently adjusted by designers are implemented through a user interface(UI).
The automated system was implemented using the Visual Studio Integrated Development Environment based on the Autodesk Revit API. Its core functions consist of automatic cable path-finding and automated QTO for cables and related materials. Cable routing within the BIM model is implemented in two sections: Section 1 (Junction Box to Cable Tray) and Section 2 (Inside Cable Tray). For cable path calculation within Section 2, the A algorithm*, incorporating a heuristic function to optimize search efficiency, is applied to find and visualize the shortest path for design verification.
The user interface is built on WPF (Windows Presentation Foundation) and includes various features such as Excel upload, data export, route configuration, and integration with an AI agent. Users input cable data according to a predefined Excel format, specify conditions through the UI, and execute calculations to automatically obtain quantities for cables, junction boxes, and cable trays. Significantly, the system is architected to integrate with an LLM-based AI agent, allowing for semantic reasoning and responses based on user conditions entered in natural language. This enables the system to function as an interactive design assistant that supports engineering decision-making, rather than a simple calculation tool.
The study results indicate that this system enables designers to minimize repetitive manual work and achieve accurate, rapid QTO within the BIM environment, while efficiently comparing and reviewing optimization outcomes across various scenarios. Future research will focus on automating input data preprocessing and expanding the application to other disciplines’ quantities, thereby continuously improving the system’s versatility, reliability, and accuracy.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 절 연구 범위 및 방법 4
• 제 2 장 이론적 배경 및 연구 고찰 7
• 제 1 절 3D 모델링에서 케이블 자동 경로 탐색 시스템 선행 연구 7
• 1. 최근 연구 동향 및 특징 7
• 2. 연구의 독창성과 차별성 8
• 제 2 절 BIM을 활용한 물량 자동 산출 관련 연구 10
• 1. 최근 연구 동향 및 특징 10
• 2. 연구의 독창성과 차별성 11
• 제 3 절 AI Agent 융합 연구 12
• 1. 최근 연구 동향 및 특징 12
• 2. 연구의 독창성과 차별성 13
• 제 3 장 BIM을 활용한 케이블 물량 산출 15
• 제 1 절 물량 산출 요소 정의 15
• 제 2 절 자동 계측제어 케이블 물량 산출 시스템 구축 17
• 1. 전체 시스템 구성 17
• 2. 케이블 자동 경로 탐색 시스템 18
• 3. 물량 자동 산출 시스템 24
• 제 4 장 AI Agent 적용 연구 28
• 제 1 절 AI Agent 적용 방안 28
• 1. 기본 구성, 목표 28
• 2. 온톨로지 적용 연구 28
• 3. 단계별 프롬프트 적용 연구 33
• 제 2 절 AI Agent 적용 결과 36
• 제 5 장 결 론 44
• 제 1 절 연구 결과 및 시사점 44
• 제 2 절 연구의 한계점 및 향후 연구 방향 46