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문제 정의
- 본 기사에서는 기존의 2D 설계 물량산출 결과와 BIM 설계를 통한 물량산출 결과의 오차를 비교·분석하고, 2D 설계와 BIM 설계의 물량산출 오차가 공사비에 미치는 영향을 분석하여, 향후 시행될 BIM 설계의 확대 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 기사에서는 대구순환고속도로건설공사(제5공구)를 대상으로 토공, 포장공, 배수공, 교량공, 터널공 등에 대해 BIM 모델링을 수행한 결과를 설명하고자 한다. BIM 모델링을 통한 물량과 기존 2D 기반의 물량과의 오차를 비교·분석함으로써 BIM 설계의 신뢰성·우수성을 검토하였다.
- 본선 3.68km, 교량 15개소, 터널 2개소, 부체도로 3.66km, 이설도로 0.50km을 대상으로 오차 및 오차원인분석을 수행하였으며, 이 중에서 토공, 터널공 및 교량공을 대상으로 오차분석한 결과를 제시하고자 한다. 오차율은 BIM 물량 대비 2D 물량에 대한 비율로서 다음과 같다.
제안 방법
- 이를 위해 다양한 BIM Tool 중 Revit(터널, 교량 등 구조물)과 Civil3D(토공과 같이 지형 및 선형에 영향을 받는 비구조물)를 적용하여 BIM 모델링 및 물량산출을 진행하였다. BIM 기반의 물량산출 방법은 자동물량, 연동물량, 수동물량의 3가지로 구분하여 전체 물량을 산출하였다. 여기서, 자동물량이란 BIM 모델링을 통한 BIM Tool에서 자동으로 산출되는 물량이며, 연동물량이란 자동물량과 연동된 계산식으로 산출되는 물량이다.
- BIM 모델링을 통한 물량과 기존 2D 기반의 물량과의 오차를 비교·분석함으로써 BIM 설계의 신뢰성·우수성을 검토하였다.
- 다음은 토공물량산출을 위하여 본선 3.68km를 대상으로 그림 2와 그림 3에서와 같이 1개 공구 전체를 대상으로 수치지형도 작업, 삼각망 구축작업, 암지형 작업, 선형 작업, 편경사 및 종단선형 작업, 횡단 코리더 작업, 지표면 작업, 토공량 추출작업 순으로 진행하였다.
- 터널 2개소(중동터널/부동터널)에는 재래식공법에 비해 도심지 및 산악지역이 혼재되어 있는 지역에 적용하기에 경제성과 안정성 측면에 적합한 NATM(New Austrian Tunneling Method)공법을 적용했다. 본 분석에서는 총굴착, 설계굴착, 숏크리트, 락볼트, 강지보공, 콘크리트라이닝, 콘크리트라이닝 신축이음, 콘크리트라이닝 시공이음, 배수콘크리트 신축이음, 배면그라우팅, 일반천공그라우팅, 포오폴링, 배수콘크리트, 유공관, PVC PIPE, 비닐쉬트깔기, 맹암거 유공관, 맹암거 부직포, 맹암거 잡석채움, 방수막 및 부직포, 스틸그레이팅커버, 공동구뚜껑, 면정리, 터널내오염도장, 채움콘크리트 등을 모델링을 통해 자동 물량산출 하였으며, 이를 대상으로 오차분석을 수행하였다. 오차분석에서는 전체 오차분석결과 중에서 중동터널 일부 공종을 표 3에서와 같이 2D기반 물량과 BIM기반 물량을 비교, 분석한 결과를 제시한다.
- 오차분석 및 오차발생 원인분석은 자동물량 공종만을 대상으로 비교·검토를 수행하였으며 정확한 오차 원인분석을 위해 사전에 2D 기반으로 산출된 물량에 대해 오류분석을 선행하였다.
- 본 분석에서는 총굴착, 설계굴착, 숏크리트, 락볼트, 강지보공, 콘크리트라이닝, 콘크리트라이닝 신축이음, 콘크리트라이닝 시공이음, 배수콘크리트 신축이음, 배면그라우팅, 일반천공그라우팅, 포오폴링, 배수콘크리트, 유공관, PVC PIPE, 비닐쉬트깔기, 맹암거 유공관, 맹암거 부직포, 맹암거 잡석채움, 방수막 및 부직포, 스틸그레이팅커버, 공동구뚜껑, 면정리, 터널내오염도장, 채움콘크리트 등을 모델링을 통해 자동 물량산출 하였으며, 이를 대상으로 오차분석을 수행하였다. 오차분석에서는 전체 오차분석결과 중에서 중동터널 일부 공종을 표 3에서와 같이 2D기반 물량과 BIM기반 물량을 비교, 분석한 결과를 제시한다.
- 오차율은 본선 1구간(STA.0+000~ STA.1+600), 본선2구간(STA.1+600~ STA.3+680), 상매분기점(RAMP-A, RAMP-B, RAMP-C, RAMP-D, RAMP-E), 동대구분기점(RAMP-E, RAMP-F1, RAMP-F2, RAMP-G, RAMP-H, RAMP-I)로 구분하여 분석을 수행하였다.
- BIM 모델링을 통한 물량과 기존 2D 기반의 물량과의 오차를 비교·분석함으로써 BIM 설계의 신뢰성·우수성을 검토하였다. 이를 위해 다양한 BIM Tool 중 Revit(터널, 교량 등 구조물)과 Civil3D(토공과 같이 지형 및 선형에 영향을 받는 비구조물)를 적용하여 BIM 모델링 및 물량산출을 진행하였다. BIM 기반의 물량산출 방법은 자동물량, 연동물량, 수동물량의 3가지로 구분하여 전체 물량을 산출하였다.
- 토공 기성관리 및 공정관리를 위하여 그림 4에서와 같이 20m 간격으로 분절하여 암질별 모델링 객체를 생성하고 토공량을 산출하였다.
이론/모형
- 터널 2개소(중동터널/부동터널)에는 재래식공법에 비해 도심지 및 산악지역이 혼재되어 있는 지역에 적용하기에 경제성과 안정성 측면에 적합한 NATM(New Austrian Tunneling Method)공법을 적용했다. 본 분석에서는 총굴착, 설계굴착, 숏크리트, 락볼트, 강지보공, 콘크리트라이닝, 콘크리트라이닝 신축이음, 콘크리트라이닝 시공이음, 배수콘크리트 신축이음, 배면그라우팅, 일반천공그라우팅, 포오폴링, 배수콘크리트, 유공관, PVC PIPE, 비닐쉬트깔기, 맹암거 유공관, 맹암거 부직포, 맹암거 잡석채움, 방수막 및 부직포, 스틸그레이팅커버, 공동구뚜껑, 면정리, 터널내오염도장, 채움콘크리트 등을 모델링을 통해 자동 물량산출 하였으며, 이를 대상으로 오차분석을 수행하였다.
성능/효과
- 2+166~STA. 2+570 구간 404m 산지부를 대상으로 기존의 2D 설계방식인 양단면 평균법을 동일한 지형조건 및 지질도를 그리고 동일한 토공산출프로그램(RoadDesign RD)을 적용하여 간격만을 20m(기존방식), 10m, 5m, 1m 등으로 조절하여 진행해 본 결과, 표 5에서와 같이 20m간격(기존방식)과 1m간격의 양단면 평균법 토공량 차이가 2배~3배 가량 차이가 있음을 알 수 있었다. 그러나 지형이 평지인 경우는 일정한 규칙성이 작용할 것으로 판단되며, 산지인 경우는 평탄성의 정도에 따른 규칙성을 규명할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 쌓기부의 토사량 오차율이 발생하는 원인은 2D 기반 수량산출에 반영되는 원지형과 BIM 기반 수량산출에 반영되는 원지형의 높이 차이 때문임을 알 수 있었다. BIM 기반의 원지형을 고려한 수량과 2D 기반의 양단면 평균법에 의한 구간별 수량은 큰 차이를 보였다. 따라서 토공산출은 기존의 2D 기반의 양단면 평균법에 문제점을 가지고 있음을 알 수 있다.
- 이러한 차이가 발생된 원인을 파악하고자 그림 5에서와 같이 평면도와 종단면도에서의 20m 평균단면법일 경우와 5m 평균단면법의 경우를 비교해 본 결과, 간격이 좁을수록 원지형이 고려된 사면임을 알 수 있었다. BIM 기반의 토공량 산출방식은 1m간격보다 더욱 조밀한 방식으로 미분하여 적분체적량을 산출하는 방식이므로 원지형을 완벽하게 고려한 사면을 생성하고 토공량을 산출하는 방식임을 확인할 수 있었다. 여기서 BIM 기반의 원지형 생성방식 또한 기존의 2D 기반 방식과 유사하지만 지형 TIN 데이터의 오류를 최소화하여 진행된 원지형도이므로 원지형에 대한 신뢰도 또한 높으므로 더욱 더 BIM 기반의 토공량 산출방식이 신뢰도가 높음을 알 수 있었다.
- 207%(단가 11,029~12,261)의 오차율이 발생되는 등 물량의 오차율이 작으나 단가가 높은 경우가 물량의 오차율이 크더라도 단가가 낮은 경우보다 공사비에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다. 따라서 물량의 오차율 변화의 폭 보다는 단가가 공사비에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다. 따라서 향후 BIM 설계결과의 품질검증 측면에서의 품질상세수준 설정을 위해서는 물량산출 오차율 변화에 대한 민감도에 따른 물량-LOD(Level of Detail)보다는 단가에 대한 민감도에 따른 단가-LOD를 기준으로 품질-LOD를 설정하는 것이 합리적이라 판단된다.
- 쌓기부의 쌓기 재료는 보통 토사이기 때문에 쌓기 높이에 따라 토사의 양만 일정한 패턴으로 증감된다. 따라서 쌓기부의 토사량 오차율이 발생하는 원인은 2D 기반 수량산출에 반영되는 원지형과 BIM 기반 수량산출에 반영되는 원지형의 높이 차이 때문임을 알 수 있었다. BIM 기반의 원지형을 고려한 수량과 2D 기반의 양단면 평균법에 의한 구간별 수량은 큰 차이를 보였다.
- 따라서 물량의 오차율 변화의 폭 보다는 단가가 공사비에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다. 따라서 향후 BIM 설계결과의 품질검증 측면에서의 품질상세수준 설정을 위해서는 물량산출 오차율 변화에 대한 민감도에 따른 물량-LOD(Level of Detail)보다는 단가에 대한 민감도에 따른 단가-LOD를 기준으로 품질-LOD를 설정하는 것이 합리적이라 판단된다.
- 본 과업을 통하여 구조물공의 경우, 기존의 수작업에 의존한 도면 및 수량산출은 설계오류만 없다면 크게 문제는 없으나, BIM 설계방식의 물량산출 방법이 더욱 정밀하고, 설계오류를 최소화할 수 있는 방식임을 알 수 있었다. 또한 물량 오차율이 가장 미소하게 발생하는 공종은 교량공과 포장공임을 알 수 있었으며, 배수공 및 터널공의 경우는 설계오류가 빈번하게 발생되어 공사비에 영향을 줌으로 향후 설계 시 주의를 필요로 함을 알 수 있었다. 토공의 경우는 기존의 2D 기반의 양단면 평균법에 상당한 문제가 있음을 알 수 있었다.
- 이를 통해 공사비 예산의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설계오류 및 설계변경을 최소화함으로써 얻을 수 있는 신뢰성 향상 및 경제적 절감효과 등의 효과를 예상할 수 있다. 또한 물량의 DB화 및 DB활용을 통한 실시간 공정관리, 원가관리, 실적관리, 자재관리, 기성관리 등을 통해 시공관리의 투명성을 확보할 수 있는 프로세스임을 확인할 수 있었다.
- 또한 상·하행선 각각에 포함되어 있는 공종들의 오차율은 동대구방향에서 +1.259~2-1.699%, 성서방향에서 +0.347~-2.469%와 같이 평면 및 종단곡선의 영향과 2D 기반 수량산출 시 반올림을 위한 소수점 절삭으로 인한 수량산출 오류 등의 원인으로 오차율이 발생된 것으로 판단된다.
- 본 과업을 통하여 구조물공의 경우, 기존의 수작업에 의존한 도면 및 수량산출은 설계오류만 없다면 크게 문제는 없으나, BIM 설계방식의 물량산출 방법이 더욱 정밀하고, 설계오류를 최소화할 수 있는 방식임을 알 수 있었다. 또한 물량 오차율이 가장 미소하게 발생하는 공종은 교량공과 포장공임을 알 수 있었으며, 배수공 및 터널공의 경우는 설계오류가 빈번하게 발생되어 공사비에 영향을 줌으로 향후 설계 시 주의를 필요로 함을 알 수 있었다.
- 여기서 2D 기반의 토공량 산출은 공제 토량이 고려된 수량인 반면, BIM 기반의 토공량 산출은 공제 토량이 고려되지 않은 수량으로서, 이를 고려한다면 토공사비 차이가 약간의 차이는 있을 것으로 판단된다. 본 분석을 통해 기존의 2D 기반의 설계정보보다, BIM 기법을 이용한 설계가 보다 더 높은 정밀설계임을 알 수 있었다. 이를 통해 공사비 예산의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설계오류 및 설계변경을 최소화함으로써 얻을 수 있는 신뢰성 향상 및 경제적 절감효과 등의 효과를 예상할 수 있다.
- 526%로써 미소하게 나타났으며, 이는 평면 및 종단곡선의 영향과 2D 기반 수량산출 시 반올림을 위한 소수점 절삭으로 인한 수량산출 오류, 단위길이 당 개수 산정 후 지보패턴별 길이를 곱하여 산출하는 2D 산출방식 등이 원인으로 판단된다. 스틸그레이팅커버인 경우는 개수산정 오차율이 높게 나타났으며, 동대구방향 2개, 성서방향 4개 오차발생으로 2D 기반 수량산출 시 반올림을 위한 소수점 절삭 및 단위길이 당 개수 산정 후 지보패턴별 길이를 곱하여 산출하는 2D 산출방식에 따른 영향이 크게 나타남을 알 수 있었다. 맹암거 설계오류로 인한 큰 폭의 오차율 발생 외에는 그밖에 공종들에 대한 오차율은 미소하게 나타났으며 오차원인은 유사하다.
- BIM 기반의 토공량 산출방식은 1m간격보다 더욱 조밀한 방식으로 미분하여 적분체적량을 산출하는 방식이므로 원지형을 완벽하게 고려한 사면을 생성하고 토공량을 산출하는 방식임을 확인할 수 있었다. 여기서 BIM 기반의 원지형 생성방식 또한 기존의 2D 기반 방식과 유사하지만 지형 TIN 데이터의 오류를 최소화하여 진행된 원지형도이므로 원지형에 대한 신뢰도 또한 높으므로 더욱 더 BIM 기반의 토공량 산출방식이 신뢰도가 높음을 알 수 있었다.
- 208%의 미소한 오차율이 발생하였다. 이러한 오차는 2D 기반에서는 단위 길이당 개수를 산정 후 지보패턴별 길이를 곱하여 산출하는 방식인 반면, BIM 기반에서는 모든 락볼트를 일정한 간격으로 설계지침에 적합하도록 직접 모델링을 통하여 수량을 산출함으로써 지보패턴 변경 구역에서의 중복 및 누락 등의 문제점을 해결할 수 있는 정밀설계가 가능함을 확인할 수 있었다. 배수콘크리트인 경우는 인력타설과 기계타설 모두 오차율이 -1.
- 이는 기존의 20m 간격의 양단면 평균법을 통한 토공산출 방식에 문제점이 있음을 알 수 있었다. 이러한 차이가 발생된 원인을 파악하고자 그림 5에서와 같이 평면도와 종단면도에서의 20m 평균단면법일 경우와 5m 평균단면법의 경우를 비교해 본 결과, 간격이 좁을수록 원지형이 고려된 사면임을 알 수 있었다. BIM 기반의 토공량 산출방식은 1m간격보다 더욱 조밀한 방식으로 미분하여 적분체적량을 산출하는 방식이므로 원지형을 완벽하게 고려한 사면을 생성하고 토공량을 산출하는 방식임을 확인할 수 있었다.
- 물론 배수공의 경우는 토공 물량산출방식의 변화에 따라서 공사비에도 영향을 미치는 것으로 예상된다. 이에 따라, 설계 시 가장 주의를 필요로 하는 공종은 터널공임을 알 수 있었다. 본 과업에서 부대공의 BIM 모델은 라이브러리 DB 구축만 하고 설계에 반영하지 않고, 물량 오차분석에서 제외하였다.
- 총굴착의 경우는 물량 -1.699%~-2.469%의 오차율 발생에 공사비는 0.018%(단가 16,147~40,675)의 오차율, 숏크리트의 경우는 물량 0.347%~1.259%의 오차율 발생에 공사비는 0.848%(단가 26,218~87,846)의 오차율, 락볼트의 경우는 물량 -1.650%~0.131%의 오차율 발생에 공사비는 -0.373%(단가 53,848~88,438)의 오차율, 콘크리트라이닝의 경우는 물량 -0.370%~0.441%의 오차율 발생에 공사비는 0.207%(단가 11,029~12,261)의 오차율이 발생되는 등 물량의 오차율이 작으나 단가가 높은 경우가 물량의 오차율이 크더라도 단가가 낮은 경우보다 공사비에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다. 따라서 물량의 오차율 변화의 폭 보다는 단가가 공사비에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다.
- 토공의 경우는 지형의 3차원적인 접근방식의 차이로 인한 물량 오차가 발생됨에 따른 공사비에 미치는 영향이 큰 반면, 물량 오차율이 가장 미소하게 발생하는 공종은 교량공 및 포장공임을 알 수 있었으며, 배수공 및 터널공의 경우는 설계오류가 빈번하게 발생되어 공사비에 영향을 주는 공종으로 향후 설계 시 주의를 필요로 하는 공종임을 알 수 있었다. 물론 배수공의 경우는 토공 물량산출방식의 변화에 따라서 공사비에도 영향을 미치는 것으로 예상된다.
- 표 6에서와 같이 도로 본선구간 3.2km 전체를 대상으로 기존의 2D 설계방식인 양단면 평균법을 동일한 지형조건 및 지질도를 그리고 동일한 토공산출프로그램(RoadDesign RD)을 적용하여 간격만을 20m(기존방식), 10m, 5m, 1m 등으로 조절하여 진행해 본 결과 흙깍기부와 흙쌓기부의 전체 토공량에서는 큰 차이가 없으나 흙깍기부의 토사는 8.88%, 리핑은 -7.99%, 발파는 -1.19%로 토사량이 리핑과 발파량 보다 많이 나왔음을 알 수 있었다. 이는 산지부와 평지부에서의 불규칙한 토공량 변화가 있어 전체 토공량에 미치는 영향이 작다고 하더라도 토사량이 많이 산출된 결과는 공사비의 과대예산의 결과가 나옴을 알 수 있었다.
후속연구
- 이는 공사비 예산설정에 막대한 영향을 미치는 사항으로서, 신뢰성 높은 정밀설계를 위해서는 반드시 BIM 설계방식의 도입이 필요하다. BIM 설계방식 도입은 건설시장의 생산성 향상뿐만 아니라 건설현장 운영의 투명성 및 공사비 예산편성의 신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
- 그러나 이러한 오차율은 적용 공구별로 전혀 다른 결과가 나올 수 있으며 토사, 리핑, 발파의 오차율 또한 모든 공정별로 일정한 규칙으로 오차율이 발생되는 것은 불가능하고 경우마다 불규칙한 결과가 나타날 것으로 판단된다. 다만 지형의 형태에 따라 일정한 규칙성을 적용할 수는 있을 것으로 예상된다.
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