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문제 정의
- 기존 연구에서는 설계단계 또는 시공단계에서 부분적으로 정보모델을 활용하였지만 본 연구에서는 조립식 모듈러 교각을 대상으로 설계에서 유지관리에 이르기까지 프로젝트 생애주기 동안 발생하는 정보들의 관리 및 활용을 위한 3차원 기반의 정보모델을 구축하였다. 또한 Pilot Test를 실시하여 정보 모델의 타당성을 검토하였다.
- , 1999). 따라서 본 연구에서는 모듈러 교각의 표준 부재/모듈에 대한 3차원 모델 라이브러리와 정보모델 데이터베이스를 구축, 활용하고자 Figure 1과 같은 연구 범위를 계획하였다. 정보 모델을 구현하기에 앞서 모듈러 교각의 계층구조(PBS, Product Breakdown Structure)와 상세수준(LOD, Level of Detail)을 정의하였으며 Microstation V8i를 이용하여 각 부재의 3차원 파라메트릭 모델을 작성하였다.
- 이러한 모듈러 기술을 교량에 접목하여 토목 프로젝트의 특성에 맞게 다양한 현장 조건을 반영할 수 있도록 표준 모듈을 조합해, 구조적 안정성, 기능성, 요구수명 등을 확보할 수 있다. 또한 모듈러 교량은 기존의 조립식 교량과는 다르게, 다양한 현장조건에 대응할 수 있도록 단면, 폭 길이 방향으로 자유 확장되는 표준 모듈들을 사전제작하고 표준 모듈 DB 및 시뮬레이션 프로그램을 이용한 모듈 조합설계를 함으로써 비용과 시간의 경제성을 확보할 수 있는 기술이다. 또한 일반적인 교량형식은 다양한 현장조건에 따른 다른 변수를 포함하고 있기 때문에 구조물을 정형화하여 표준화하기에 한계점이 있다.
- 본 논문에서는 경제성과 기술 경쟁력의 장점을 가진 조립식 모듈러 교량의 교각을 대상으로 분류체계를 선정하고 정보모델을 구축함으로써 실제 프로젝트 단계에서 정보를 관리하고 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. 이 연구를 통해 도출된 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 모듈러 교각의 3차원 모델링과 정보화 작업을 위해 선정된 LOD와 PBS를 바탕으로 표준모듈과 변수를 선정하고, 파라메트릭 디자인 방법론을 적용한 3차원 Cell 모델 라이브러리를 구축하였다.
- (3) 정보모델 데이터베이스의 구축 및 활용 계획을 바탕으로 모듈러 교각의 형상, 속성, 조립관계, 분류체계 등의 다양한 정보를 포함하고 확장 및 활용 가능한 데이터베이스를 구축하였다.
- 2.3절에서 정의한 부재의 파라미터와 구속관계를 바탕으로 파라메트릭 디자인 방법론을 사용하여 모듈러 교각을 모델링하였다(Sacks, 2004). 앞에서 정의한 Component 단위의 11개 Segment와 Part 단위의 3차원 객체에 Microstation V8i DDDesign 기능을 이용한 파라메트릭 모델링을 수행하였다.
- 정보 모델을 구현하기에 앞서 모듈러 교각의 계층구조(PBS, Product Breakdown Structure)와 상세수준(LOD, Level of Detail)을 정의하였으며 Microstation V8i를 이용하여 각 부재의 3차원 파라메트릭 모델을 작성하였다. 3D 모델을 바탕으로 라이브러리를 구축하였으며 부재간의 조합 프로세스 정의를 통해 자동 조립 생성 모듈을 개발하였다. 라이브러리에 저장되어 있는 정보들을 데이터베이스에 저장하여 정보를 통합 관리할 수 있는 모델을 구축하였다.
- (2012)은 콘크리트 박스 거더를 대상으로 BIM기반 교량 정보 모델을 구축하였다. 3차원 파라메트릭 모델링을 통해 다양한 형태의 프리케스트 세그먼트를 생성하였으며, 이를 기반으로 설계 검토, 간섭체크, 제작 시뮬레이션이 가능한 정보 모델을 구축하였다. 또한 정보 모델을 교량 시공 현장에 적용하였으며, 비용과 시간을 절감하는 효과를 얻을 수 있었다.
- (2011)은 RC 교각을 대상으로 BIM 기반의 설계 프로세스를 제안하였다. BIM 소프트웨어를 활용하여 3D 자동 생성 User Interface를 개발하였으며, 3D 모델과 Database 및 구조 계산서를 연동하여 정보를 유기적으로 연결할 수 있는 정보 모델의 활용 방안을 제시하였다. Lee et al.
- Figure 10은 Visual basic application과 Cell 라이브러리를 통해 완성된 조합 인터페이스를 보여주고 있다. Column module 개수는 입력된 교각 높이에 따라 자동으로 계산되며 개수를 팝업창으로 몇 개의 Column module이 조합되는지 나타나게 하였다. 교각은 Footing의 중심을 기준으로 높이가 계산되어 조립되며 Cell library에 저장된 Sub-module의 구속점은 모두 Footing의 중심에서 시작하는 수직선 위에 있어 기준점의 Z값(높이)만 변수로 설정하면 X,Y 좌표값 입력 없이 조립될 수 있게 하였다.
- 3D model library의 Module, sub-module, component 단위의 형상 정보와 조합 모듈을 통해 생성된 3D model을 이용하여 Figure 15와 같이 모듈러 교각의 전체 물량을 Microstation V8i의 .dgn 파일을 Allplan으로 Export하여 추출하였으며 연계 과정에서 일부 속성정보의 손실을 확인하였다. 정보모델을 이용한 물량산출은 특정 부재의 일부 영역을 3D model library에서 불러와 물량을 확인할 수 있는 장점이 있다.
- 따라서 이 연구에서는 Figure 3과 같이 모듈러 교각의 분류체계와 3차원 모델의 작성을 위하여 LOD(Level of Detail)를 우선적으로 정의하였다. 프로세스별 요구정보와 BIM 데이터의 표현 수준 및 활용범위를 정의하고, Component, Sub- Module, Module의 3단계로 LOD 300 수준인 모듈러 교각의 3차원 모델의 Level을 분류하였다.
- 형상정보의 4가지 Table로 데이터베이스를 구축하였다. 또한 MS Access와 Excel의 좋은 호환성을 바탕으로 정보의 교환 및 업데이트가 쉽고 빠르게 이루어져, 향후 추가로 발생하는 정보들에 대한 충분한 확장성을 가지도록 구축하였다.
- 기존 연구에서는 설계단계 또는 시공단계에서 부분적으로 정보모델을 활용하였지만 본 연구에서는 조립식 모듈러 교각을 대상으로 설계에서 유지관리에 이르기까지 프로젝트 생애주기 동안 발생하는 정보들의 관리 및 활용을 위한 3차원 기반의 정보모델을 구축하였다. 또한 Pilot Test를 실시하여 정보 모델의 타당성을 검토하였다.
- 11개의 Cell 테이블은 Sub-module 단위 별로 3차원 모델 라이브러리의 모델번호(Object ID), 그룹정보(Cell), 부품정보(Component), 변수정보(Length), 수치 값(Value), 개수(Number) 등의 6가지 정보를 포함하고 있으며, Design Table은 Assembly, Parameter, Geometry로 구분하여 모듈러 교각의 조립관계 및 분류체계, 변수정보 등의 속성정보를 포함한다. 또한 데이터베이스 정보의 중복과 업데이트 오류 방지를 목적으로 Table간 상관관계를 정의하고 관련된 정보는 자동으로 업데이트되도록 데이터베이스를 통합하였다. 결과적으로 앞에서 정의한 11개의 Cell Table에 조합모듈 인터페이스 조건에 따라 생성된 3차원 모델의 정보 값을 입력하면, 미리 정의된 상관관계에 따라 Design Table의 정보들이 자동으로 업데이트된다.
- 3D 모델을 바탕으로 라이브러리를 구축하였으며 부재간의 조합 프로세스 정의를 통해 자동 조립 생성 모듈을 개발하였다. 라이브러리에 저장되어 있는 정보들을 데이터베이스에 저장하여 정보를 통합 관리할 수 있는 모델을 구축하였다.
- 본 연구에서는 정보모델에 필요한 형상정보, 속성정보 조립 관계의 특성을 검토하여 정보모델 데이터베이스 구축에 적합한 모델로서 관계형 데이터베이스를 활용하였다. 여러 관계형 데이터베이스 프로그램 중 MS Access를 사용하여 DBMS(Database Management System)를 구축하였다.
- 3절에서 정의한 부재의 파라미터와 구속관계를 바탕으로 파라메트릭 디자인 방법론을 사용하여 모듈러 교각을 모델링하였다(Sacks, 2004). 앞에서 정의한 Component 단위의 11개 Segment와 Part 단위의 3차원 객체에 Microstation V8i DDDesign 기능을 이용한 파라메트릭 모델링을 수행하였다. 일반적으로 Microstation에서 요소는 자체의 속성에 의해 치수가 제어된다.
- 본 연구에서는 정보모델에 필요한 형상정보, 속성정보 조립 관계의 특성을 검토하여 정보모델 데이터베이스 구축에 적합한 모델로서 관계형 데이터베이스를 활용하였다. 여러 관계형 데이터베이스 프로그램 중 MS Access를 사용하여 DBMS(Database Management System)를 구축하였다. MS Access는 다른 DBMS에 비해 사용이 편리하고 특히 Excel과의 호환성이 높으며, 다양한 프로그램과의 데이터 자동 연동이 가능한 확장성을 가지고 있다.
- 완성된 정보모델 데이터베이스의 연동성을 Figure 14와 같이 검증한 결과 3D model의 형상 및 속성정보와 DB와의 상호 연동성을 확인하였으며, 일부 중복되는 형상 변수들을 수정하였다. 따라서 이러한 데이터베이스를 통해 관련 정보의 확장성과 활용성이 증대될 것으로 기대된다.
- 이러한 3차원 모델 라이브러리는 사용 목적에 따라 Module 단위, Sub-Module 단위, Component 단위로 라이브러리를 사용자 임의에 따라 구축할 수 있다. 이 연구에서는 Sub-Module 단위와 Component 단위 라이브러리를 적용하였다. Cell 라이브러리 파일은 *.
- 마지막으로 탄성받침대는 교각상부 높이 기준으로 간격 및 개수에 따라 균일하게 위치 값을 갖게 된다. 이렇게 정의된 조합관계식을 통해 프로그램에서 제공하는 VBA(Visual Basic Application)와 매크로 기능을 사용하여 모델 조합 인터페이스를 개발하였다. 이 조합 모듈은 사용자가 인터페이스 창에서 교각의 높이, 상부차선, 받침간격, 형식 등의 조건을 입력하거나 선택하면, 조합 관계식에 따라 Cell 라이브러리에서 해당객체를 불러들여 자동으로 모듈러 교각의 3차원 모델을 생성한다.
- 정보모델이란 “대상을 구성하고 있는 요소들의 정의, 관계, 제약조건, 형상, 속성, 특징 등의 정보들을 포함하고 이러한 정보들을 교환하고 사용할 수 있는 모델”로 정의할 수 있다. 이와 같이 모듈러 교각의 정보모델을 구축하기 위해서 교각을 구성하는 모듈의 정의와 분류체계를 바탕으로 형상, 속성, 조립관계 등의 정보를 정의하였으며(Alfares and Seireg, 1996), 정보모델의 활용범위를 아래와 같이 선정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 모듈러 교각의 표준 부재/모듈에 대한 3차원 모델 라이브러리와 정보모델 데이터베이스를 구축, 활용하고자 Figure 1과 같은 연구 범위를 계획하였다. 정보 모델을 구현하기에 앞서 모듈러 교각의 계층구조(PBS, Product Breakdown Structure)와 상세수준(LOD, Level of Detail)을 정의하였으며 Microstation V8i를 이용하여 각 부재의 3차원 파라메트릭 모델을 작성하였다. 3D 모델을 바탕으로 라이브러리를 구축하였으며 부재간의 조합 프로세스 정의를 통해 자동 조립 생성 모듈을 개발하였다.
- 정보 사전 및 속성정보, 형상정보, 작업공정, 현장조건 등의 정보는 제작과정 정보와 함께 통합 데이터베이스에 저장하고, Level 별 3차원 모델 라이브러리의 형상정보과 조합관계 정보를 통합 데이터베이스와 연동하는 프로세스를 계획하였다.
- 정의된 LOD를 바탕으로 모듈러 교각의 구성을 정형화, 표준화시켜 Top-down 방식으로 구조물 계층구조(PBS, Product Breakdown Structure)를 작성하였다. 구조물의 분류체계는 부품과 부품사이의 모자관계(Parent-Child Relationship)를 규정하고 구조물 전체의 구조를 구성하게 된다.
- 최종적으로 완성된 모델 조합 인터페이스를 통해 조합관계식과 라이브러리의 타당성을 검토하였다. 검증 대상은 교각 높이 12m, 편도 2차선, 받침간격 2.
- Microstation V8i의 Animation Producer Dialog 기능을 이용하여 Figure 16과 같이 4D 시뮬레이션을 수행하였다. 통합 데이터베이스의 Work Sequence 정보를 바탕으로 인터페이스를 통해 작업 단위 Time Schedule를 작성하고 각각의 작업 단위에 해당하는 3차원 모델 객체를 연결하여 시간별 공정 작업을 확인할 수 있는 4D 시뮬레이션을 수행하였다. 작업타입은 Constructive, Destructive, Permanent, Temporary로 정해지며, 가시설과 건설장비 사용 등의 효과를 적용할 수 있다.
- 따라서 이 연구에서는 Figure 3과 같이 모듈러 교각의 분류체계와 3차원 모델의 작성을 위하여 LOD(Level of Detail)를 우선적으로 정의하였다. 프로세스별 요구정보와 BIM 데이터의 표현 수준 및 활용범위를 정의하고, Component, Sub- Module, Module의 3단계로 LOD 300 수준인 모듈러 교각의 3차원 모델의 Level을 분류하였다. 각각의 Level은 Shape, Property, Material, Process, Site condition 등 5가지 영향인자를 바탕으로 세분화된다.
대상 데이터
- 최종적으로 완성된 모델 조합 인터페이스를 통해 조합관계식과 라이브러리의 타당성을 검토하였다. 검증 대상은 교각 높이 12m, 편도 2차선, 받침간격 2.3m, 상부형식 PSC 연속교로 설정하였으며, Figure 11과 같이 교각이 정상적으로 조립됨을 확인할 수 있었다.
성능/효과
- (2) 표준 모듈간 조합관계를 정의하여 VBA을 사용한 조합모듈 인터페이스를 개발하였으며, 이 조합모듈을 통해 입력 조건에 따라 3차원 모델의 자동생성이 가능하며, 수치변화를 용이하게 하였다.
- (4) 물량산출과 4D 시뮬레이션을 통해 프로젝트의 설계 및 시공단계에서 모듈러 교각의 정보모델 활용 가능성 및 타당성을 확인하였다.
- , 2007). 결과적으로 코핑과 기둥, 기초의 입력변수의 개수는 각각 15-3개 45-1개, 8-1개이며 구속조건의 개수는 3개 1개, 1개이며 정착 장치의 입력변수 24개와 구속조건 개수 2개를 더해 총 92개의 변수와 7개의 구속조건을 가진다.
- 3차원 파라메트릭 모델링을 통해 다양한 형태의 프리케스트 세그먼트를 생성하였으며, 이를 기반으로 설계 검토, 간섭체크, 제작 시뮬레이션이 가능한 정보 모델을 구축하였다. 또한 정보 모델을 교량 시공 현장에 적용하였으며, 비용과 시간을 절감하는 효과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- (5) 모듈러 교각의 정보모델 구축을 통해 교량 하부구조의 정보모델 구축 및 활용 방안을 제시하였으며, 이를 통해 향후 다양한 조립식 교량에 확대 적용 가능 할 것으로 판단된다.
- 완성된 정보모델 데이터베이스의 연동성을 Figure 14와 같이 검증한 결과 3D model의 형상 및 속성정보와 DB와의 상호 연동성을 확인하였으며, 일부 중복되는 형상 변수들을 수정하였다. 따라서 이러한 데이터베이스를 통해 관련 정보의 확장성과 활용성이 증대될 것으로 기대된다.
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