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문제 정의
- 본 연구에서는 터널 설계에서 국내 적용 실적이 가장 많은 NATM 터널을 대상으로 BIM기반 3D 객체 모델을 통한 물량산출 및 물량 오차 분석을 수행하였다. 이를 위한 물량산줄과정은 모델링, 자동물량산출, 연동 물량산출 순서로 진행하였다.
제안 방법
- 정보). 10%・6.0m(개소당보강가능영 역 6.0m)”과 깉■이 3D 모델 객체 정보와 연동된 수식을 그림 3(b)괴- 같이 일람표에 직접 기입하여 모델링과 연동시켜 물량이 산출(이하, 연동물량산줄) 되도록 하였다. 이는 설계변경 시 다시 모델링할 경우에도 3D 모델객체의 변경으로 자동물량 산출 및 연동 물량산출 모두가 동시에 자동으로 변경되도록 하여 업무의 효율성을 향상시켰다.
- BIM 모델링 대상터널의 전체 연장에 대한 지보 패턴 분포현황과지보패턴별 굴착공법 굴진장, 여굴 두께, 숏크리트 두께 등 일반 현황은 표 1과 같다 (한국도로공사, 2009). BIM기반 3D 모델 객체를 이용한 물량산출 과정은 모델링, 자동물량산출, 연동물량 산출 순서로 진행하였다. 공정 시뮬레이션 및 시공물량(비용).
- BIM기반 물량 산출 오차 분석은 크게 자동물량산출 공종과 연동물량산출 공종으로 분류하여 수행하였다. 오차 분석을 위한 대상 공종으로는 구조물공과 비구조물공 (토공), 체적과 면적을 통한 자동물량산줄, 산술식을 이용한 연동물량 산출 등으로 다양화하였다.
- 각 암별 물량은 표 7에서와 같이 터널상방향과 하방향의 갱구부 시점과 종점에서의 기존 2D기반의 토 공량과 BIM기반의 3D 모델 객체를 통한 물량을 산출하였다. 2D기반 기존 물량 대비 BIM물량의 총 토공량 오차범위는 최소 0.
- 다음은 비구조물 공인 토공 공종중 터널갱구부 토공공종을 대상으로 BIM기반의 3D 모델 객체를 이용한 자동물량산출과 물량산출 오차 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 Revit Structure를 BIM 솔루션으로 사용하였으나, 이 솔루션은 구조물 공을 대상으로만 가능함에 따라 비구조물 공인 토공에 대한 BIM 솔루션으로 동일한 Autodesk 군에 포함되어 있어 모델링의 합체에 호환성이 우수한 Civil 3D를 선정하여 3D 모델링을 수행하였다 그림 6과 같이 토사, 리핑암, 발파암 등 암별로 구분하여 모델링하고 물량을 산출하였다.
- 다음은 연동물량 산출 공종 중 BIM기반의 3D 모델객체가 불가하여 기존에 모델링된 공종과 연동되도록 하는 동시에 단지 수식만으로 물량산출이 가능한 프리그라우팅 공종을 선정하여 물량산 줄 오차 분석을 수행하였다. 연약지반 굴착 시 파쇄대의 보강 및 용수방지 등을 위하여 실시되며, 과다한 여유굴착이 예상될 경우에 굴착 이전에 실시되는 지반보강보조공법 중 하나인 프리그라우팅은 일반적으로 전체 굴착 연장의 10%에 해당되는 길이에 보강 가능영역을 6m로 물량을 산출한다.
- 다음은 연동물량 산출 공종인 숏크리트를 대상으로 물량산출 오차분석을 수행하였다. 굴착된 지반의 굴곡부를 메우고 절리면 사이를 접착시킴으로써 응력집중 현상을 방지하는 지반 보강방법인 숏크리트는 시공 시굴착면에 접착되지 않고 손실되는 물량이 있기 때문에 실 숏크리트량은 숏크리트량에 리바운드율을 적용하여 물량을 산출한다.
- 다음은 자동물량 산출 공종 중 BIM기반의 3D 모델객체에서 면적으로 물량이 산출되는 공종을 대상으로 타일 붙임 공종을 선정하여 물량산출 오차 분석을 수행하였다. 터널내 의 미관과 조명효과, 시각환경에 영향을 주는 타일 붙임은 라이닝 콘크리트 내부의 일정 영역에 시공된다.
- 다음은 자동물량 산출 공종인 라이닝 콘크리트 공종을대상으로 오차 분석을 수행하였다. 터널의 2차 지보로 서방 수막과 부직포의 피복 효과와 용출수의 유도배수 역할을 하는 라이닝 콘크리트는 라이닝 콘크리트 두께에지보패턴별 여유굴착 두께의 1/2을 추가한 두께로 모델링하였다.
- BIM 솔루션에서 3D 모델객체가 존재할 경우에만 일람표 기능을 통해 길이, 면적, 체적 등의 물량을 자동으로 산출이 가능하다. 따라서 3D 모델객체이 불가한 물량 산출은 3D 모델 객체와 연동되도록 일람표 기능에 수식을 입력할 수 있는 매개 변수 기능을 이용하여 물량을 3D 모델 객체와 연동된 연동 물량산출을 수행하였다. 또한 자동 및 연동물량의 DB 관리 및 변환을 위하여 각 물량마다 코드번호를 일람표 기능을 통해 부여하였다.
- 따라서 3D 모델객체이 불가한 물량 산출은 3D 모델 객체와 연동되도록 일람표 기능에 수식을 입력할 수 있는 매개 변수 기능을 이용하여 물량을 3D 모델 객체와 연동된 연동 물량산출을 수행하였다. 또한 자동 및 연동물량의 DB 관리 및 변환을 위하여 각 물량마다 코드번호를 일람표 기능을 통해 부여하였다.
- 만약 굴착에서의 물량 산출에 오류가 발생한다면 나머지 공종에서의 물량 산출에 전체적인 영향을 미치기 때문에 굴착량의 오차 분석을 최우선으로 수행하였으며 그 결과는 표 2와 같다.
- 물량산출 오차 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 Revit Structure를 BIM 솔루션으로 사용하였으나, 이 솔루션은 구조물 공을 대상으로만 가능함에 따라 비구조물 공인 토공에 대한 BIM 솔루션으로 동일한 Autodesk 군에 포함되어 있어 모델링의 합체에 호환성이 우수한 Civil 3D를 선정하여 3D 모델링을 수행하였다 그림 6과 같이 토사, 리핑암, 발파암 등 암별로 구분하여 모델링하고 물량을 산출하였다.
- 오차 분석은 기존의 물량 산출서에 있는 기존 물량산출과 2D CAD에서 산정한 CAD 물량 산출, BIM기반의 3D 모델객체에서 산출된 BIM 물량 산출의 오치 범위의 비교. 분석을 통해 수행하였다.
- 공정 시뮬레이션 및 시공물량(비용).시간을 고려한 5D-BIM 구현을 위하여 그림 5에서와 같이 우선 공종별로 구분하여 모델링을 수행하고 공종별 시공단위즉, 예를 들어 굴착량 공종에 관해 지보 패턴별 굴진장에 적합한 공정별로 공종별 모델링을 분할하여 공종별. 공정별 물량이 산출될 수 있도록 하였다.
- 연약지반 굴착 시 파쇄대의 보강 및 용수방지 등을 위하여 실시되며, 과다한 여유굴착이 예상될 경우에 굴착 이전에 실시되는 지반보강보조공법 중 하나인 프리그라우팅은 일반적으로 전체 굴착 연장의 10%에 해당되는 길이에 보강 가능영역을 6m로 물량을 산출한다. 여기서 전체 터널 연장을 3D 모델 객체로 연동하여 물량이 산출되게 함으로서 추후 노선 변경, 터널 연장 변경 등 설계변경이 발생할 경우 연장과 연동되어 자동으로 프리그라우팅 물량이 변경될 수 있도록 BIM 설계를 수행하였다.
- 오차 분석을 위한 대상 공종으로는 구조물공과 비구조물공 (토공), 체적과 면적을 통한 자동물량산줄, 산술식을 이용한 연동물량 산출 등으로 다양화하였다. 오차 분석은 기존의 물량 산출서에 있는 기존 물량산출과 2D CAD에서 산정한 CAD 물량 산출, BIM기반의 3D 모델객체에서 산출된 BIM 물량 산출의 오치 범위의 비교. 분석을 통해 수행하였다.
- 물량산출 및 물량 오차 분석을 수행하였다. 이를 위한 물량산줄과정은 모델링, 자동물량산출, 연동 물량산출 순서로 진행하였다. 물량산출 오차 분석 수행을 위해 구조물공인 총굴착, 숏크리트, 라이닝 콘크리트, 타일 붙임, 프리그라우팅, 비구조물 공인 토공 등 자동물량산출 연동 물량산출, 체적, 면적, 객체 모델, 비객체 모델, 산술식 적용 등 다양한 BIM기반의 물량산출이 가능한 공종을 대상으로 하였다.
- 또한 BIM 설계기법의 도입을 위해서는 반드시 표준화된 설계지침을 마련하여야 실용성 접근이 더욱 용이하리라 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 토목분야 BIM도입에 대한 건설시장 참여 주체들의 합의를 이끌어내기위한 기초자료로서, BIM기반의 3D 모델링 프로세스 개발 및 터널 대상 BIM기반 물량 산출 알고리즘 개발을 수행하였으며, BIM 모델링을 통한 갱구부토공량, 터널 본선 굴착량, 숏크리트량, 라이닝 콘크리트량 등의 체적 3D 모델객체 물량 산출 및 부직포와 같은 면적 3D 모델 객체 물량산출, 체적 또는 면적 3D 모델 객체 모델링이 불가능한 프리그라우팅과 같은 수식 적용을 통한 물량산출 등 2D 기반 물량 산출 대비 BIM 기반 물량 산출 오차 분석을 수행하여 토목 분야에서의 BIM 설계기법 도입에 대한 효용성 및 적용 가능성을 확인하였다.
- 지반의 자체 지지력을 최대로 이용하기 위해 굴착 즉시 락 볼트와 숏크리트를 이용, 굴착면을 보호함으로서굴착으로 인해 발생되는 변형을 최소화하여 지반의 자체 강도를 최대한 이용하는 공법으로서 국내에서 가장 널리 적용되고 있는 NATM공법을 적용한 터널을 대상으로 BIM기반 3D 모델 객체를 이용한 물량산출 및 2D 기반 대비 BIM기반 물량 산출의 오차를 분석하였다. 2D기반 대비 BIM기반 물량 산출 오차 분석을 위한 BIM 모델링 대상터널은 그림 4에서와 같이 상행연장은 442m이고 하행 연장은 399m이다.
- 오차 분석을 수행하였다. 터널의 2차 지보로 서방 수막과 부직포의 피복 효과와 용출수의 유도배수 역할을 하는 라이닝 콘크리트는 라이닝 콘크리트 두께에지보패턴별 여유굴착 두께의 1/2을 추가한 두께로 모델링하였다. 숏크리트와 동일하게 2D 기반의 경우 라이닝 콘크리트 역시도면과 수량산출서가 상이하게 표현되어 있으나, 이를 BIM에서는 실재수량산출근거와 동일하게 설계된다.
대상 데이터
- 분석하였다. 2D기반 대비 BIM기반 물량 산출 오차 분석을 위한 BIM 모델링 대상터널은 그림 4에서와 같이 상행연장은 442m이고 하행 연장은 399m이다. 또한상행 본선 구간의 지보 패턴은 P2, P3, P4, P6, P6-1, 접속부의 지보패턴은 RP1 으로 구분되어 있으며, 하행의 본선 구간의 지보패턴은 Pl, P2, P3, P4, P6, P6-1, 접속부의 지보패턴은 상행과 동일하게 RP1 으로 구분되어 있다.
- 등이 있다. 각 BIM 솔루션들은 모델링 및 물량산출방식이 서로 다르기 때문에 표준화된 프로세스를 개발하기에는 아직은 문제점이 많다 본 연구에서는 프로세스 개발을 위하여 BIM 모델링 솔루션 중 Autodesk Revit Structure만을 대상으로 수행하였다. Revit Structure 솔루션을 이용한 BIM기반 3D 객체 모델에서 자동으로 물량을 산출하여 물량 산출의 오류를 바로잡고 설계변경에 따른 물량 산출의 효율성을 향상시키기 위해서는 그림 2와 같이 (신재철 외 2인 2011) 모델링이 가능한공종과 모델링이 불가능한 공종을 사전에 계획하고, 설계단계만을 고려한 모델링을 할 것인지 아니면 시공단계까지 고려한 공정별 모델링을 할 것인지를 설정하여야 한다.
- 이를 위한 물량산줄과정은 모델링, 자동물량산출, 연동 물량산출 순서로 진행하였다. 물량산출 오차 분석 수행을 위해 구조물공인 총굴착, 숏크리트, 라이닝 콘크리트, 타일 붙임, 프리그라우팅, 비구조물 공인 토공 등 자동물량산출 연동 물량산출, 체적, 면적, 객체 모델, 비객체 모델, 산술식 적용 등 다양한 BIM기반의 물량산출이 가능한 공종을 대상으로 하였다. CAD물량과 BIM물량을 비교한 결과 총굴착 -0.
- 오차 분석을 위한 대상 공종으로는 구조물공과 비구조물공 (토공), 체적과 면적을 통한 자동물량산줄, 산술식을 이용한 연동물량 산출 등으로 다양화하였다. 오차 분석은 기존의 물량 산출서에 있는 기존 물량산출과 2D CAD에서 산정한 CAD 물량 산출, BIM기반의 3D 모델객체에서 산출된 BIM 물량 산출의 오치 범위의 비교.
성능/효과
- 물량산출 오차 분석 수행을 위해 구조물공인 총굴착, 숏크리트, 라이닝 콘크리트, 타일 붙임, 프리그라우팅, 비구조물 공인 토공 등 자동물량산출 연동 물량산출, 체적, 면적, 객체 모델, 비객체 모델, 산술식 적용 등 다양한 BIM기반의 물량산출이 가능한 공종을 대상으로 하였다. CAD물량과 BIM물량을 비교한 결과 총굴착 -0.261%, 숏크리트량-1.444%, 라이닝콘크리트량 -0.327%, 타일 붙임 -0.223%, 프리그라우팅 0.000%, 총토공량 -0.952% 등 전체적으로 공종별 물량산출 오차가 무시할 정도로 작게 나왔다. 이를 통해 BIM 설계기법을 적용한 물량산출에 문제가 없고 BIM 적용에 대한 신뢰성, 정확성, 실효성 등을 확인하였으며, 오히려 2D 기반의 물량산출의 경우 수작업으로 인한 물량산출 오류발견 및 종구배, 횡구배, 회전 반경 등을 고려하지 않은 물량산출 등으로 인한 오차 발견, 암별 3차원 지반 형태를 고려하지 않은 물량산출로 인한 오차 발견 등 여러 가지 문제점을 발견할 수 있었다.
- 굴착량에 관한 오차분석을 수행한 결과 기존물량이 2CAD물량보다 평균 0.005% 크게 산출되었다 이는 기존물량 계산은 엑셀에서 소수점 이하 일정 영역에서 생략하여 산정함으로서 CAD물량 보다 미소 하나마 약간 크게 나오지만, 이 정도의 오차범위는 일치하는 것으로 판단하는데 무리가 없는 것으로 판단된다. 또한 CAD 물량 보다 BIM물량은 평균 0.
- 005% 크게 산출되었다 이는 기존물량 계산은 엑셀에서 소수점 이하 일정 영역에서 생략하여 산정함으로서 CAD물량 보다 미소 하나마 약간 크게 나오지만, 이 정도의 오차범위는 일치하는 것으로 판단하는데 무리가 없는 것으로 판단된다. 또한 CAD 물량 보다 BIM물량은 평균 0.261%가량 작게 산출되었다. 지보 패턴별 오차범위가 미소하고 일정하게 나타났다.
- 뿐만 아니라 BIND] 반의 연동물량 산출에 문제가 없는 것으로 판단된다. 또한 자동물량산출 공종인 굴착량과 동일하게 연동 물량산출 공종인 숏크리트량에서도 2D-CAD 기반의 경우 종구배, 횡구배회전반경 등을 고려하지 않고 정확한 단면의 중심선을 사용하지 않은 물량산출로 인해 CAD 물량이 다소 크게 산출되었다. 그러나 시공단계를 고려한 재료의 할증률을 고려한다면 CAD물량과 BIM 물량의 오차는 의미가 없는 것으로 판단된다.
- 이에 정확한 BIM 모델링을 수행할 경우 BIM기반의 3D 모델 객체를 통한 자동물량산출 DB를 사용 및 활용하는 데 문제가 없음을 확인하였다. 오히려 2D-CAD기반의 체적량 산정시 종구배, 횡구배, 회전반경 등을 고려하지 않고 단면적과 중심선의 길이만을 고려할 뿐만 아니라 중심선 또한 정확한 단면의 중심선을 사용하지 않고 산출된 물량인 반면, BIM기반의 물량산출은 이들 모두가 고려되어 산정됨에 따라 물량산출 결과에 더욱 신뢰성이 높을 것으로 판단된다.
- 이는 산술식을 이용한 연동물량 산출 방식으로 물량표출이 가능함과 동시에 산술식 BIM 물량 산출에 문제가 없음을 확인하였다.
- 530%의 오차는 수작업을 통한 물량산출로 인한 오류로 판단된다. 이러한 수작업에 의한 오류 발생의 문제점을 통해 BIM을 이용한 물량산출의 신뢰성을 확인하였으며, BIM기반의 물량 DB 관리 및 변환을 통해 수량산출서 및 설계 예산서 작성 시수작업이 배제되도록 더욱 신뢰성 높은 수량내역 관리가 가능한 BIM 설계기법 도입의 필요성을 확인하였다. 뿐만 아니라 BIND] 반의 연동물량 산출에 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 952% 등 전체적으로 공종별 물량산출 오차가 무시할 정도로 작게 나왔다. 이를 통해 BIM 설계기법을 적용한 물량산출에 문제가 없고 BIM 적용에 대한 신뢰성, 정확성, 실효성 등을 확인하였으며, 오히려 2D 기반의 물량산출의 경우 수작업으로 인한 물량산출 오류발견 및 종구배, 횡구배, 회전 반경 등을 고려하지 않은 물량산출 등으로 인한 오차 발견, 암별 3차원 지반 형태를 고려하지 않은 물량산출로 인한 오차 발견 등 여러 가지 문제점을 발견할 수 있었다.
- 그러나 시공단계를 고려한 재료의 할증률을 고려한다면 CAD물량과 BIM 물량의 오차는 의미가 없는 것으로 판단된다. 이를 통해 BIM7] 반의 연동물량 산출이 더욱 신뢰성이 높을 것으로 판단되며, BIM기반의 물량 DB 사용에 무리가 없는 것으로 판단된다.
- 2D 기반의 기존 물량은 암별 평균 단면적에 일정 간격을 곱하여 산출하는 방식인 반면, BIM기반의 3D 모델객체를 통한 물량산출은 암별 3차원 지반 형태를 그대로 적분형식으로 자동 산출하는 방식임에 따라 많은 오차가 발생하였다. 이를 통해 토공공종을 대상으로 물량을 산정할 경우 2D 기반의 물량산출에 상당히 많이 설계오류가 있으며, 이를 기반으로 하는 설계예산서 또한 오류를 그대로 내 포함으로서 시공비 예산 설정의 문제점을 발견할 수 있었다. 이를 통해 비구조물 공인 토공 공종인경우, 물량산출의 신뢰성뿐만 아니라 사토처리 계획, 성, 절토 운반계획, 토취장 확보 계획, 순성토량 및 유용 성토량 산정 등 많은 토공계획을 명확하게 세우기 위해서는 토공 공종에 BIM 설계기법을 도입 및 적용이 시급한 상황이다.
- BIM물량이 기존 물량이나 CAD물량과 일치하며, 이를 통해 BIM기반의 자동물량산출에 문제점이 없는 것으로 판단된다. 이에 정확한 BIM 모델링을 수행할 경우 BIM기반의 3D 모델 객체를 통한 자동물량산출 DB를 사용 및 활용하는 데 문제가 없음을 확인하였다. 오히려 2D-CAD기반의 체적량 산정시 종구배, 횡구배, 회전반경 등을 고려하지 않고 단면적과 중심선의 길이만을 고려할 뿐만 아니라 중심선 또한 정확한 단면의 중심선을 사용하지 않고 산출된 물량인 반면, BIM기반의 물량산출은 이들 모두가 고려되어 산정됨에 따라 물량산출 결과에 더욱 신뢰성이 높을 것으로 판단된다.
- 표 4에서와 같이 라이닝 콘크리트는 기존물량과 CAD 물량이 거의 일치하고 있으며, BIM물량과의 오차 또한 평균 -0.327%이고, 지보 패턴별 오차범위가 거의 유사하고 오차가 미미함에 따라 BIM 모델링을 통한 물량산출의 신뢰성를 확인하였다. 숏크리트 공종과 다르게 수작업으로 인한 물량산출 오류가 라이닝 콘크리트 공종에서는 발생하지 않아 오차범위가 평균 0.
- 표 5에서와 같이 라이닝 콘크리트에서와 유사하게 물량 오차가 평균-0.005%로 기존 물량과 CAD물량이 일치하고 있으며, BIM물량과의 오차 또한 평균-0.223% 가량으로 오차가 대단히 작고, 기존 물량과 CAD물량, BIM 물량이 지보패턴별 오차 또한 모두 동일하게 나타났다. 이를 통해 기존의 수작업을 통한 수량 산출서에서는 계산오류가 발생하지 않았음을 알 수 있었다.
후속연구
- 이를 위해서는 전 생애주기를 대상으로 경제적 효과가 높은 BIM 설계기법을 건설 산업 참여 주체들의 분절된 영역에서의 필요성만을 주장하지 않고, 모든 건설 참여 주체가 전 건설 생애주기 동안에 발생될 수 있는 경제성을 이해하고 동참하는 사회적 여건이 마련되어야 비로소 BIM 설계기법의 활성화가 가능하리라 판단된다. 또한 BIM 설계기법의 도입을 위해서는 반드시 표준화된 설계지침을 마련하여야 실용성 접근이 더욱 용이하리라 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 토목분야 BIM도입에 대한 건설시장 참여 주체들의 합의를 이끌어내기위한 기초자료로서, BIM기반의 3D 모델링 프로세스 개발 및 터널 대상 BIM기반 물량 산출 알고리즘 개발을 수행하였으며, BIM 모델링을 통한 갱구부토공량, 터널 본선 굴착량, 숏크리트량, 라이닝 콘크리트량 등의 체적 3D 모델객체 물량 산출 및 부직포와 같은 면적 3D 모델 객체 물량산출, 체적 또는 면적 3D 모델 객체 모델링이 불가능한 프리그라우팅과 같은 수식 적용을 통한 물량산출 등 2D 기반 물량 산출 대비 BIM 기반 물량 산출 오차 분석을 수행하여 토목 분야에서의 BIM 설계기법 도입에 대한 효용성 및 적용 가능성을 확인하였다.
- 예산산정은 필수적인 사항이다. 이를 위해서는 B1M 설계기법을 조속히 도입하여 확대 적용함으로서 이를 해결하고 나아가 BIM 설계와 IT기술의 접목을 통한 차별화된 기술로 해외건설시장에서의 경쟁력 제고에 기여될 것으로 기대된다.
- 이러한 BIM 설계기법을 구조물공 및 토공 등 모든 3D 모델 객체가 특히 비정형인 토목분야에 적용한다면, 국내의 경우 정형구조물이 대부분인 건축 분야와 비교해 상대적으로 건설 생산성 향상의 기대효과가 더 높을 것으로 판단된다’ 또한 3D 모델링을 통한 설계기법을 건설IT융합기술과 연동시켜 활용한다면, 최첨단 건설IT 공정관리(4D), 원가관리(5D) 수행이 가능해지며, 이는 최근 국내 건설시장의 장기적인 침체상황의 돌파구로서 해외건설시장 확대를 위한 기술경쟁력 확보 차원으로 충분하리라 기대된다. 이를 위해서는 전 생애주기를 대상으로 경제적 효과가 높은 BIM 설계기법을 건설 산업 참여 주체들의 분절된 영역에서의 필요성만을 주장하지 않고, 모든 건설 참여 주체가 전 건설 생애주기 동안에 발생될 수 있는 경제성을 이해하고 동참하는 사회적 여건이 마련되어야 비로소 BIM 설계기법의 활성화가 가능하리라 판단된다. 또한 BIM 설계기법의 도입을 위해서는 반드시 표준화된 설계지침을 마련하여야 실용성 접근이 더욱 용이하리라 판단된다.
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