[논문]3차원 모델 기반의 미적 교각 설계 및 시공 기술 개발

이상용; 당고손; 심창수

doi:10.13161/kibim.2015.5.2.012

3차원 모델 기반의 미적 교각 설계 및 시공 기술 개발
Development of Creative Design and Construction Methods of Bridge Piers using 3D Model 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.5 no.2, 2015년, pp.12 - 18

이상용 (중앙대학교 토목공학과) , 당고손 (중앙대학교 토목공학과) , 심창수 (중앙대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Bridge piers typically have circular or rectangular shapes without decorative design. Prefabrication for accelerated construction has been widely adopted in bridge structures. Cost for steel formwork is a main restriction of creative irregular shapes. 3D modelling techniques allow creative design of columns and 3D printing provides possibility to minimize the fabrication cost. In this paper, 3D design process of bridge piers was suggested by converting 2D picture into 3D decorative shape. Formwork design using 3D printed panels was also proposed and mock-up tests were conducted. Precast columns need accurate geometry control from fabrication to assembly. Laser scanning and geometry control devices were adopted. Through the digitalized process of design, fabrication and assembly, creative design of structures can be realized in reasonable cost range.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 경우에 교각의 형태를 일부 변경하면서 음각 혹은 양각의 디자인을 더하게 된다. 이 논문에서는 2차원 디자인으로부터 3차원 형상을 구현하는 절차를 제시하였다.
이 논문에서는 기존의 전통적인 교량 설계에서 미적인 고려가 많이 이루어지지 않았던 교각에 대한 3차원 설계 방안을 변수모델링을 통해 제시하였다. 3차원 캐드 프로그램을 통해 그리는 것이 아니라 스크립트와 같이 프로그래밍 기법에 따른 모델링을 수행하고 변수에 부여해야 하는 설계 고려사항을 반영할 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 원래 교각 가설시의 작업대 설치를 위해서 세그먼트에 사전에 설치해두는 고정장치를 활용하여 형상 오차 보정 지그를 설치할 수 있도록 제시하였다. Figure 8과 같이 하부 세그먼트에는 작업자의 작업대 고정용 장치에 상부 세그먼트에 달려서 내려오는 강봉을 고정하여 상하로 위치 조정이 가능하도록 하는 볼트 및 너트 형식의 상세가 고려되었다.
이에 이 논문에서는 프리캐스트 콘크리트 교각 부재의 미적인 설계를 위한 방법론을 개발하고 이를 경제적으로 구현하기 위한 3차원 프린팅 기술, 제작 및 가설단계에서 활용할 수 있는 형상관리 방안을 제안하고 이를 관리하는 절차를 제시하였다.

제안 방법

이 논문에서는 기존의 전통적인 교량 설계에서 미적인 고려가 많이 이루어지지 않았던 교각에 대한 3차원 설계 방안을 변수모델링을 통해 제시하였다. 3차원 캐드 프로그램을 통해 그리는 것이 아니라 스크립트와 같이 프로그래밍 기법에 따른 모델링을 수행하고 변수에 부여해야 하는 설계 고려사항을 반영할 수 있도록 하였다. 이를 통해 설계자의 실수를 방지하고 다양한 설계 조건을 사전에 모델링에 반영하는 지식기반모델(Knowledge embedded model)을 제시할 수 있다.
3차원 디지털 모델로부터 거푸집 기계가공을 위한 거푸집 모델을 분리 생성하고 이를 stl 언어로 변환하여 제시하면 가공기계에서 이를 바로 활용할 수 있는 장점이 있다. 매치캐스팅 대체 여부를 시험하기 위해서 상대적으로 두꺼운 강판을 기계가공하여 부재 제작에 사용하였다. 실제 제작 결과 하면에 위치한 이음부는 완벽한 형상구현이 되었고 상면의 경우에는 건조수축에 의해 완전한 평면이 유지되지 못하는 것이 관찰되었다.
우선 모델링에 필요한 변수를 설정한다. 본 논문에 사용된 프로그램은 Rhino with grasshopper로 프로그램에 내장되어있는 알고리즘을 활용해 숫자로 구성된 변수를 선, 면, 그리고 객체로 구성 할 수 있다. 세그먼트의 형상을 원형, 사각형, 타원형 등으로 선정하고 형상구현이 가능한 알고리즘을 활용해 구현한다.
원형단면의 세그먼트의 경우, 원의 중심, 직경, 그리고 높이로 콘크리트의 형상을 표현 할 수 있다. 본 논문에서는 조립식 교각의 축방향 강재가 위치 할 수 있는 홀을 구성하기 위해 홀의 위치, 수, 직경을 고려하여 기둥 세그먼트를 구성하였다. 철근상세의 경우 콘크리트 덮개, 철근 간격, 직경 등을 고려하여 모델을 구현했다.
본 논문에 사용된 프로그램은 Rhino with grasshopper로 프로그램에 내장되어있는 알고리즘을 활용해 숫자로 구성된 변수를 선, 면, 그리고 객체로 구성 할 수 있다. 세그먼트의 형상을 원형, 사각형, 타원형 등으로 선정하고 형상구현이 가능한 알고리즘을 활용해 구현한다. 원형단면의 세그먼트의 경우, 원의 중심, 직경, 그리고 높이로 콘크리트의 형상을 표현 할 수 있다.
디자인이 반영된 프리캐스트 교각 부재는 제작 비용의 절감과 정확한 형상관리 대책이 필요하다. 이 연구에서는 프리캐스트 세그먼트 제작을 위한 거푸집의 효율성을 높이기 위해서 3차원 프린팅을 활용한 기술을 도입하였다. 기본적인 전제조건은 기존에 사용하고 있는 원형 강재 거푸집을 활용하고 그 내부에 프린팅 패널을 Figure 6과 같이 얇은 강판에 부착하고 이를 강재 거푸집 내부에 고정하여 원하는 형상을 만들 수 있다.
창의적인 설계를 구현하기 위해 2차원 이미지를 3차원으로 전환하는 방법론과 3차원 모델링, 이 모델링을 활용하여 프리캐스트 부재를 제작하기 위한 3차원 프린팅 모델, 제작 및 가설 오차를 보정하기 위한 절차와 보정 장치를 고안하여 제시하였다. 최종적으로 현장 작업자를 위해 단순화된 형상 보정 작업지시서를 산출하여 설계에서 시공까지의 일관된 정보 흐름이 유지되어 고품질의 구조물이 구현될 수 있는 방안을 제안하였다.
창의적인 설계를 구현하기 위해 2차원 이미지를 3차원으로 전환하는 방법론과 3차원 모델링, 이 모델링을 활용하여 프리캐스트 부재를 제작하기 위한 3차원 프린팅 모델, 제작 및 가설 오차를 보정하기 위한 절차와 보정 장치를 고안하여 제시하였다. 최종적으로 현장 작업자를 위해 단순화된 형상 보정 작업지시서를 산출하여 설계에서 시공까지의 일관된 정보 흐름이 유지되어 고품질의 구조물이 구현될 수 있는 방안을 제안하였다.

대상 데이터

이 논문에서 다루는 연구의 대상 및 범위는 Figure 1과 같은 미적 교각의 3차원 설계를 통한 제작 및 시공 관리 기술에 한한다. 프리캐스트 교각은 이음면에서의 정밀한 형상 관리가 필수적이기 때문에 매치캐스팅 방식을 활용하는데 이 연구에서는 이러한 형상관리의 어려움을 개선하기 위한 3차원 모델 기반의 설계와 거푸집 관리, 형상 계측 및 보정 절차를 대상으로 한다.

성능/효과

매치캐스팅 대체 여부를 시험하기 위해서 상대적으로 두꺼운 강판을 기계가공하여 부재 제작에 사용하였다. 실제 제작 결과 하면에 위치한 이음부는 완벽한 형상구현이 되었고 상면의 경우에는 건조수축에 의해 완전한 평면이 유지되지 못하는 것이 관찰되었다. 그러나 경계면이 완전하고 중간 부분의 수축부위는 이음면에 도포되는 에폭시 층에 의해서 흡수될 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

이를 극복하기 위해서는 창의적인 디자인을 구현하여 차별화된 설계가 이루어져야 한다. 향후 교량 구조물이 유산이 될 수 있는 창의적 설계와 이를 경제적이고 지속가능한 유지가 될 수 있는 시공 및 유지관리가 되도록 하는 3차원 엔지니어링 기술의 고도화가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교각의 3차원 모델은 무엇을 통해 구현할 수 있는가?	교각의 3차원 모델은 변수모델링을 통해 구현할 수 있다. 표 1은 3차원 교각 모델링에 활용되는 변수를 나타낸다.
	교각은 주로 어떤 단면을 사용한는가?	교각은 주로 구조적 효율성 측면에서 원형 단면 혹은 타원형에 가까운 사각형 단면을 사용한다. 창의적인 설계를 하더라도 구조적 효율성을 기본적으로 확보한 상태에서 제시될 필요가 있다.
	교각의 미적 설계를 위해서 해결해야 하는 과제는?	교각의 미적 설계를 위해서 해결해야 하는 과제는 다양하다. 우선, 3차원 기반의 형상이나 문양을 구조설계를 통해 도출되는 특정 형태의 교각에 반영하기 위한 모델링 기술이 요구된다. 모델링이 주어지면 경제적으로 강재거푸집을 구현하기 위해서 비정형성을 갖는 부분에 대한 거푸집 모델링을 효과적으로 수행할 방법론이 요구된다. 교각 모델링이 변수 기반의 3차원 모델로 이루어지면 이에 따른 형상관리 항목을 수치화하고 관리 제한값을 설정하는 절차가 필요하고 형상 보정을 위한 방법론이 필요 하게 된다.

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Shim CS, Kim DW, Kong D. Structural performance of precast segmental composite pier cap, Proc. of 18th Congress of International Association for Bridge and Structural Engineering 2012: 1988-1993.

저자의 다른 논문 :

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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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