[논문]BIM 기반 사장교의 개념설계 및 예가분석 시스템 개발

천경식; 박원태

doi:10.5762/kais.2015.16.10.7204

[국내논문] BIM 기반 사장교의 개념설계 및 예가분석 시스템 개발
BIM System Development for Conceptual Design and Pre-Feasibility Study of Cable-Stayed Bridge 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.10, 2015년, pp.7204 - 7210

천경식 (포스코건설 R&D센터 인프라연구그룹) , 박원태 (공주대학교 건설환경공학부)

초록
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본 연구는 2주탑 3경간 사장교의 사업기획 단계에서 3차원 모델정보에 기반하여 신속한 개략 공사비 및 물량 산정을 지원하는 시스템을 개발하였다. 우선, 기 설계된 사장교 설계정보(구조계산서, 도면, 수량)를 분석하여 설계변수를 도출하였다. 도출된 설계변수를 기반으로 매개변수적으로 사장교를 3차원 모델링하는 BIM Wizard를 개발하였다. BIM Wizard를 이용해 작성된 3차원 모델로부터 사장교의 주요 재료에 대한 수량을 직접 산출하며, 케이블 교량에 대한 단가 D/B와 산출된 수량을 연계하여 개략공사비를 산정할 수 있다. 결과적으로, 사업 초기단계에서 m당 혹은 $m^2$당 실적 평균공사비를 산출하는 재래적인 방식보다 더 구체화된 공사비를 산출할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이로써, 우리는 사장교에 대해 입찰단계에서 가능한 신속하게 다양한 대안을 검토할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper has developed the system for supporting the approximate construction cost and the quantity estimation based on 3D model information in the pre-project planning phase of 3-span continuous cable-bridge with 2-pylons. First of all, we'd analyzed the design information (structural design report, blueprint and quantity) of the existing cable-stayed bridges and derived the design variables of cable-stayed bridges. We developed the BIM wizard that generates a cable-stayed bridge model parametrically based on derived design variables. The principle material quantities of cable-stayed bridge are calculated directly from 3-dimensional bridge model built by using the BIM wizard. Then, we can estimate the construction cost in relation to its quantities and unit cost of cable-stayed bridge. In a result, we have established the system that the construction cost can be estimated more specific than the conventional method (construction estimates per meter or square meter). We hereby will be able to review various alternatives as soon as possible in bidding process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2주탑 3경간 케이블 교량 프로젝트의 사업기획 단계에서 개략 공사비를 산정하는 시스템 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 기 설계된 케이블교의 설계 정보를 분석하여 Parametric Modeling이 가능한 BIM Wizard를 개발하였다.
본 연구에서는 기획 단계에서 현장 여건에 영향을 많이 받는 토목공사 시설물 중 장대교량의 개념설계와 개략공사비 산정에 BIM을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 케이블 교량의 3차원 개념설계(모델링) 및 수량 산출을 위해 Bentley 사의 MicroStation V8i(Select Series 3)를 기반으로 기 설계된 사장교 데이터를 분석하여 Parametric Modeling이 가능토록 BIM 시스템을 개발하였다. 개발 시스템은 크게 3차원 모델을 생성하기 위한 Wizard 모듈, 단가 D/B 및 Wizard에 사용된 Parameter를 관리하기 위한 D/B 관리 모듈, 그리고 구조해석 모델 생성 및 2D 일반도 생성 모듈로 구성된다.

제안 방법

구동 메뉴로는 W, A, Q, D, S가 있으며, W에서는 교량의 경간 구성, 폭원, 형식 그리고 보강형(거더)과 케이블, 주탑 본체 및 기초에 대한 단면 제원, 그리고 마지막으로 접속교에 대해 정의하고, 이를 통해 교량을 모델링 한다. A에서 엔지니어에 의한 구조검토가 가능하도록 STAAD 및 MIDAS/Civil 용 구조해석 모델을 생성한다. Q에서는 수량 및 내역서를 작성하고, D에서는 교량의 주요 부재에 대한 일반도를 AutoCAD 형식으로 출력한다.
이를 위해 기 설계된 케이블교의 설계 정보를 분석하여 Parametric Modeling이 가능한 BIM Wizard를 개발하였다. Wizard를 이용해 구축된 3차원 교량 모델로부터 주요 부재(케이블, 보강형 및 주탑)에 대한 수량을 산출하고, 케이블 교량에 대한 단가 D/B와 연계하여 개략공사비를 산정할 수 있도록 하였다. 이로써 종래 사업 초기 단계에서 m당 혹은 m²당 실적 평균 공사비를 산출하는 방식과 비교하여 보다 구체화된 개략공사비를 산출할 수 있고, 좀 더 다양한 대안을 검토할 수 있는 기반을 제공할 수 있다.
Table에서 보듯이, I형 거더의 웹(Web) 두께는 20mm로 정하되, 그 상·하부 플랜지(Flange) 두께는 가변요소로 정의하였다. 가변요소는 설계 사례에서 알 수 있듯이 교량 규모, 즉 최대 경간장 및 폭원에 따라 달라지는 값으로써, 기존 설계 사례를 기반으로 도출한 단면강성에 대한 추세선에 기반하여 다음 절차에 따라 교량 규모별 적정 단면강성을 가질 수 있도록 시스템 내에서 자동 산정하고, 이를 단면 초기치로 사용하였다.
본 연구에서는 케이블 교량의 3차원 개념설계(모델링) 및 수량 산출을 위해 Bentley 사의 MicroStation V8i(Select Series 3)를 기반으로 기 설계된 사장교 데이터를 분석하여 Parametric Modeling이 가능토록 BIM 시스템을 개발하였다. 개발 시스템은 크게 3차원 모델을 생성하기 위한 Wizard 모듈, 단가 D/B 및 Wizard에 사용된 Parameter를 관리하기 위한 D/B 관리 모듈, 그리고 구조해석 모델 생성 및 2D 일반도 생성 모듈로 구성된다. 구동 메뉴로는 W, A, Q, D, S가 있으며, W에서는 교량의 경간 구성, 폭원, 형식 그리고 보강형(거더)과 케이블, 주탑 본체 및 기초에 대한 단면 제원, 그리고 마지막으로 접속교에 대해 정의하고, 이를 통해 교량을 모델링 한다.
그 일환으로, 일반 교량과는 달리 엔지니어링 기반이 수반되어야 하는 케이블 장대교량에 대하여 기존의 설계 사례 D/B를 기반으로 BIM 교량 모델을 자동으로 생성하고, 생성된 모델 기반 데이터로부터 수량 및 비용 산출, 도면 생성 및 가상 시뮬레이션에 의한 경관분석 등을 일괄 지원하는 시스템을 개발하였다. 이로써, 사업기획 및 입찰 단계에서는 대안별 m 당 혹은 m² 당 개략 공사비 산출에 따른 한계 즉, 시설물의 요구 조건 및 현황을 제대로 반영할 수 없고, 각 부위별 공사비를 추정하고 조율하기에는 산출된 정보의 부족 등에 따른 한계를 상당히 극복할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서는 교량의 주요 부재(케이블, 보강형, 주탑 등)에 대하여 기본단면 형태를 폭원별로 정의하고, 기본단면에 대한 제원은 기존 설계자료를 분석하여 단면강성에 대한 추세선을 도출, 이를 기반으로 적정 단면강성을 갖는 기본단면의 크기(칫수)를 파라메트릭 방식으로 결정하였다. 본 논문에서는 강합성 I형 거더를 갖는 사장교에 대해 그 개발내용을 다음과 같이 간단히 기술한다.
9와 같이 개발한 시스템의 Wizard를 통해 교량의 전체 지간장 및 중앙 경간장, 차로 수(폭원) 등의 기본 제원을 입력하고, 보강형(주형 또는 거더) 및 케이블, 주탑, 기초에 대한 제원을 차례대로 입력함으로써, 손쉽게 교량 모델을 구현할 수 있다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이 기존 설계자료를 토대로 보강형, 케이블, 주탑, 기초 등의 단면 제원을 시스템에서 자동으로 산정하여 초기치로 제공하며, 사용자는 필요에 따라 수정이 가능토록 하였다. 그 이외의 보강형의 경우 강상 자형, 강 합성 I형, PSC Box형을, 케이블의 경우 MS, PWS 방식을, 주탑의 경우는 A형과 H형을, 기초는 케이슨 기초와 말뚝 기초 등 주요 형식은 제공하며 사용자에 의해 선택되어진다.
본 연구에서는 2주탑 3경간 케이블 교량 프로젝트의 사업기획 단계에서 개략 공사비를 산정하는 시스템 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 기 설계된 케이블교의 설계 정보를 분석하여 Parametric Modeling이 가능한 BIM Wizard를 개발하였다. Wizard를 이용해 구축된 3차원 교량 모델로부터 주요 부재(케이블, 보강형 및 주탑)에 대한 수량을 산출하고, 케이블 교량에 대한 단가 D/B와 연계하여 개략공사비를 산정할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

개발된 시스템을 실제 완공된 OO대교(Fig. 10)를 대상으로 시범 적용하였다. 시스템에서 산출된 물량을 기존 설계 내역서의 물량과 비교하여 Fig.

이론/모형

사장교 사재 케이블은 Lewis [1]에 의해 제시된 식(7), (8)을 적용하여 그 물량을 산출하였다. 이와 관련된 개념도 및 좌표계와 주요변수는 Fig.

성능/효과

(1) BIM Model에서 자동 산출된 주요 물량을 기반으로 직접 공사비 산정에 활용될 대표 공종에 대한 수량을 신속히 산출할 수 있었다.
(3) 부재의 형상 라이브러리를 구축함으로써, 부재의 대표 단면의 초기치를 기존의 사례 D/B를 기반으로 결정하는 파라 매트릭 모델링이 가능함을 보였다.
실제 교량의 케이블 단면적과 Lewis [1]에 의한 이론식에 의한 결과값을 비교한 결과 그 차이가 대략 30% 정도 차이가 발생하였으나, 교량 규모(Bridge Area)에 따른 전반적인 변화 추이는 유사하게 나타났다. Lewis의 수식에 대해 본 연구에서는 보정 계수(β)를 도입하고, 이에 대해 0.

후속연구

(2) 다만 제한적인 개념설계 방식에 의하였으므로 실제 설계에 의한 물량과 오차 발생은 불가피하였으며, 추후 유사 교량의 실적 공사비와 비교하여 비용 산정 시 수량 보정이 필요한 것으로 분석되었다.
교량, 특히 케이블교는 설계자의 설계의도에 따라 교량의 전체 컨섭이 크게 다르고, 결과적으로 교량 전체 물량에 적지 않은 차이가 발생하기 때문에 실 설계자료와의 물량오차는 불가피하다. 단, 케이블교의 예비타당성 조사단계에서 파라메트릭 모델링 기능을 통해 설계자의 설계의도를 최대한 반영한 교량모델을 자동생성하고, 즉각적인 수량산출을 통해 개념설계 및 대안검토가 가능함으로써, 설계업무의 효율성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
Wizard를 이용해 구축된 3차원 교량 모델로부터 주요 부재(케이블, 보강형 및 주탑)에 대한 수량을 산출하고, 케이블 교량에 대한 단가 D/B와 연계하여 개략공사비를 산정할 수 있도록 하였다. 이로써 종래 사업 초기 단계에서 m당 혹은 m²당 실적 평균 공사비를 산출하는 방식과 비교하여 보다 구체화된 개략공사비를 산출할 수 있고, 좀 더 다양한 대안을 검토할 수 있는 기반을 제공할 수 있다.
그 일환으로, 일반 교량과는 달리 엔지니어링 기반이 수반되어야 하는 케이블 장대교량에 대하여 기존의 설계 사례 D/B를 기반으로 BIM 교량 모델을 자동으로 생성하고, 생성된 모델 기반 데이터로부터 수량 및 비용 산출, 도면 생성 및 가상 시뮬레이션에 의한 경관분석 등을 일괄 지원하는 시스템을 개발하였다. 이로써, 사업기획 및 입찰 단계에서는 대안별 m 당 혹은 m² 당 개략 공사비 산출에 따른 한계 즉, 시설물의 요구 조건 및 현황을 제대로 반영할 수 없고, 각 부위별 공사비를 추정하고 조율하기에는 산출된 정보의 부족 등에 따른 한계를 상당히 극복할 수 있을 것으로 기대한다.
무엇보다, 2D 도면 작성 과정 없이 개념설계가 진행되는 첫 사례로서 기존 BIM 데이터가 2D 도면이 존재하여야 구축이 가능했던 한계를 한 단계 벗어나는 진일보된 형태의 BIM 응용기술로 평가할 수 있다. 향후, 국내외 장대교량 EPC 입찰 및 개발사업 수주 지원을 추진코자, 입찰 예정 프로젝트에 우선 시범 적용을 통해 그 완성도, 그 활용도를 지속적으로 높여나갈 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 개발한 BIM 시스템의 모듈 구성은 어떻게 되나요?	본 연구에서는 케이블 교량의 3차원 개념설계(모델링) 및 수량 산출을 위해 Bentley 사의 MicroStation V8i(Select Series 3)를 기반으로 기 설계된 사장교 데이터를 분석하여 Parametric Modeling이 가능토록 BIM 시스템을 개발하였다. 개발 시스템은 크게 3차원 모델을 생성하기 위한 Wizard 모듈, 단가 D/B 및 Wizard에 사용된 Parameter를 관리하기 위한 D/B 관리 모듈, 그리고 구조해석 모델 생성 및 2D 일반도 생성 모듈로 구성된다. 구동 메뉴로는 W, A, Q, D, S가 있으며, W에서는 교량의 경간 구성, 폭원, 형식 그리고 보강형(거더)과 케이블, 주탑 본체 및 기초에 대한 단면 제원, 그리고 마지막으로 접속교에 대해 정의하고, 이를 통해 교량을 모델링 한다.
	사업기획 및 입찰 단계에서 수주 경쟁력 강화를 위해서는 무엇이 필수인가?	사업기획 및 입찰 단계에서 수주 경쟁력 강화를 위해서는 주요 구조물에 대한 다양한 대안 검토가 필수이다. 특히, 케이블교에 대한 정확한 검토를 위해서는 대안별로 기본적인 구조해석과 수량 산출을 위한 기본 도면을 작성하고 물량을 산출해야 한다.
	사업개발 초기에 평균 공사비를 산출하는 방법은?	이러한 설계 절차는 막대한 시간과 비용의 투입이 요구된다. 이에, 사업개발 초기에는 과거 실적 데이터(엑셀 등)를 바탕으로 한 m당 혹은 m2당 실적 평균 공사비를 통해 산출하는 방법이 일반적이다. 그러나 이와 같은 개략적인 공사비 산출 방법은 시설물의 요구 조건 및 현황을 반영할 수 없고, 각 부위별 공사비를 추정하고 조율하기에는 산출된 정보에 한계가 있다.

참고문헌 (2)

Lewis, W.J., "A Mathematical Model for Assessment of Material Requirements for Cable Supported Bridges: Implications for Conceptual Design", Engineering Structures, Vol. 42, pp. 266-277, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.04.018

상세보기
Kim B.G., Kim C.H., Ko Y.K., Chun K.S., Choi C.H., "A BIM Wizard for Approximate Cost Estimation of Cable Bridges", Korean Society of Civil Engineers(KSCE), Proceeding of the Annual Conference of the KSCE, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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