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문제 정의
- 본 고에서는 지방청에서 발주한 시공중인 도로사업을 대상으로 BIM 시범 적용과 이를 통한 효과를 도출하였다. 이를 위해 현장의 BIM 적용 대상을 정의하고 3D, 4D, 5D 모델을 구성하여 현장에 적용 후 이슈사항 및 적용방안을 도출하였다.
- 청평교는 주두부의 상세철근 배근을 통해 간섭 및 시공성 검토가 가능하도록 설계하였으며, Tendon이나 사재 정착구, 케이블 및 철근 등 상세수준을 LOD350(BIMFORUM 2015)이상 수준으로 모델링을 수행하였다. 이는 기존 실시설계도서로 부터의 도면 오류 검토와 수량산출 및 대안검토에 활용하기 위해 작성되었다. 터널은 NATM 터널로서 건축시설인 터널관리소와 본선구간을 상세부위로 구분하여 작성하였다.
제안 방법
- 4D 및 5D모델을 구축하기 위해 건설 CALS 디지털 수량산출정보 활용지침에 따라 WBS 코드 6 Levels을 적용하였고 이에 따른 조달청 분류코드(CBS 코드)를 상호 연계하여 수량 및 비용 내용을 작업부위별로 분개하여 연계 코드집을 Matrix 구조로 작성하였다.
- BIM모델 구축은 시범사업 구간에 포함된 지형 및 도로, 교량, 터널, 기타 구조물로 분류하여 개별적 설계를 진행 후 단일의 파일로 통합하는 과정으로 진행하였다.
- 그림 4에서 지형 및 도로의 경우 Civil 3D를 통해 수치지형도 기반의 원지형을 바탕으로 계획도로의 선형인 평면 및 종단선형과 횡단면도를 활용하여 계획도로 모델을 작성하였다. 교량은 창의천교, 울업천교, 청평교 3개로 구분하여 설계하였으며, 설계기준에 따라 시뮬레이션을 통해 선형에 따른 종단구배, 평면선형, 시거 및 편구배 등을 확인할 수 있도록 하였다. 청평교는 주두부의 상세철근 배근을 통해 간섭 및 시공성 검토가 가능하도록 설계하였으며, Tendon이나 사재 정착구, 케이블 및 철근 등 상세수준을 LOD350(BIMFORUM 2015)이상 수준으로 모델링을 수행하였다.
- 교량의 사재케이블의 경우 시공사에서 제공한 케이블 처짐 자료를 바탕으로 케이블의 긴장 전후에 대한 시뮬레이션 모델을 작성하였다(그림 8). 이후 케이블 긴장 후 수량과 내역을 활용하여 시공사검토를 통해 시뮬레이션 모델을 보완하였으며, 발주처 실정보고용으로 활용하였다.
- 구축된 BIM 성과물을 활용하여 시공단계에서 발주청 및 시공사의 요구에 따라 설계변경 지원, 시공상세 및 수량 검토의 크게 3가지로 구분하여 적용하였다.
- 본 고에서는 도로분야 BIM 시범사업 적용을 통한 정량적 효과를 도출하기 위해 현재 시공중인 서울지방국토관리청 발주의 도로건설공사를 대상으로 BIM 프로세스를 적용하였다. 그리고 현장의 요구사항과 BIM 적용전략 수립을 통해 시공단계 중심의 BIM 수행체계를 구축하였다.
- 3D모델링 과정에서 도로 모델이외의 교량의 토공부, 접속부 등에서 상당한 수작업이 필요한 것으로 확인되었고 수량산출을 위한 가시설 등에 대한 모델링 여부에 대한 논의가 발생되었다. 도면 작성에서는 BIM으로부터 작성가능한 부분과 그렇지 못한 부분으로 구분하여 검토하였다. 특히 수량산출에서는 BIM으로부터 자동 산출되는 부분과, 연동 및 수동 수량 산출 부분을 구분하여 검토하였으며, 연동수량 산출을 위해 추가 Add-on 프로그램 개발이 요구되었다.
- 또한 BIM 도입에 따른 현장의 정성적 효과를 도출하기 위해 현장 관리자(시공사, 감리사, 협력업체 등)를 대상으로 설문조사를 실시하였다. 설문의 주요 항목은 BIM 시범사업 적용 수준에 대한 평가와 향후 BIM 도입을 위한 주요 이슈사항 및 해결방안 도출에 관한 것이다.
- 또한 수량산출 적용성 검토를 위해 수량산출 항목을 자동, 연동, 수동 수량으로 구분하여 검토하였다. 자동수량은 콘크리트 객체와 같이 BIM객체로부터 수량을 자동으로 추출할 수 있는 수량이며, 연동수량은 강관말뚝 등 BIM객체와의 연동을 통해 수식으로 계산 가능한 수량, 수동수량은 동바리공 등 객체화가 어렵거나 수량산출에 불필요한 수량으로 구분된다.
- 청평교의 경우 주탑의 정면도상 곡률반경을 고려하지 않아 모델링 이후 2D도면과의 정보 불일치가 발생되었거나, 주탑과 주두부 결합부분에 3차원 설계로 표현가능한 수준의 도면정보가 불충분하였다. 또한 청평교 교각의 경우 객체 형상을 위한 도면에 주어진 단면 배치 정보가 부족하여 정면도의 외곽 곡선에 맞춘 추가 단면 배치를 통해 3D객체를 작성하였다.
- 본 현장에 BIM 기술 적용시 주요 고려사항으로 토목 BIM 활용도를 고려한 LOD 기준, 모델 속성 정보 정의, BIM S/W를 활용한 모델 작성 기준, 4D/5D 구축을 위한 WBC-CBS 통합 연계 방안 등이 사전에 고려되었다.
- 상기의 시공단계 BIM 적용에 따른 도입효과를 도출하기 위해 정량적 평가로서 ROI(Return On Investment; 투자대비 회수율)평가를 수행하였으며, 정성적 평가로서 현장 BIM 적용 후 BIM 도입에 대한 설문분석을 실시하였다.
- 생태육교의 경우 배근된 철근 타입별로 BIM수량과 2D도면을 상호 비교하였다. 이에 따라 1.
- 설계단계의 BIM ROI평가는 기존 실시설계 도서를 바탕으로 BIM 모델을 구축하는데 투입된 총비용과 설계변경 예방 및 설계도서 검토에 따른 공기지연 요소 제거를 통해 효과 비용을 산정하여 수행되었다. 투자비용으로는 모델링을 수행하는데 필요한 인건비와 S/W임대료가 활용되었다.
- 수량검토는 생태육교에 대한 철근 배근 수량 검토와 교량 사재케이블 처짐에 따른 긴장 전후의 수량 검토를 수행하였다.
- 시범사업 대상 분석에서는 설계도서와 시공계획서를 분석하고 BIM 수행범위를 검토한다. 3D모델 구축에서는 해당 사업의 전 구간 시설에 대해 상세 3D모델링을 수행하고 오류 및 수량 검토를 수행한다.
- 자동수량은 콘크리트 객체와 같이 BIM객체로부터 수량을 자동으로 추출할 수 있는 수량이며, 연동수량은 강관말뚝 등 BIM객체와의 연동을 통해 수식으로 계산 가능한 수량, 수동수량은 동바리공 등 객체화가 어렵거나 수량산출에 불필요한 수량으로 구분된다. 우선 내역을 기준으로 도면의 존재 여부와 함께 객체화가 가능한 부분 및 불가능한 부분으로 나누어 수량산출 기준을 작성하였다. 교량의 경우 91%의 도면에 대해 자동화가 가능하였으며, 터널은 76%, 도로는 65% 수준으로 수량산출 자동화가 가능하였다.
- 우선 실시설계 도면 구조분석을 통해 철근모델을 작성하고 관련 도면 오류 정리 후 시공사 검토하여 시공도면에 반영하였다. 이 과정에 배근 시공 시뮬레이션 모델을 작성하여 배근 순서와 작업의 난이도 및 시공성 등을 검토하였으며, 이를 통해 철근 배근 시공계획 업무에 반영하였다.
- 이와 함께 배수공, 암거 및 생태육교 등에 대한 상세 3D모델을 작성하였다. 이 과정에서는 기 구축된 토목 BIM 라이브러리(http://www.calspia.go.kr) 공유 시스템을 활용하여 BIM설계 생산성을 개선하였다. 적용된 BIM라이브러리 아이템으로는 표지판, 측구, 암거, 배수시설(용수개거, 우수받이, 횡배수관, 집수정 등), 라이브러리 등이 활용되었다.
- 전체 모델의 구축을 위해 모델 구성 체계를 공간구분을 고려하여 수립하고 공종별 요구 데이터 식별을 통해 모델링을 수행하였다. 이러한 과정에 기 구축된 표준도 기반 토목 BIM 라이브러리를 설계과정에 활용하였으며, 외부 표준인 WBC 및 CBS 등을 통합 연계하여 4D와 5D 구현에 적용되었다.
- 이렇게 구축된 성과물을 활용하여 시공단계의 중점 관리 대상에 대하여 BIM을 적용하였다. 이를 위해 현장의 신속한 BIM 설계 변경과 실정보고 성과품 작성을 지원하였다.
- 실시설계 도면의 현장 활용을 위해 새로운 시공도를 작성해야 하는 어려움과 도면의 복잡성으로 현장 작업지시 및 의사결정을 위한 이해도가 낮은 단점이 발생하였다. 이를 위해 도면의 이해도 개선과 현장의 3차원 설계모델 활용도를 개선할 수 있도록 하는 방안 수립을 요구하였다. 또한 시공단계에서 발생되는 신천 2교차로에 대한 회전교차로의 설계변경 지원, Extradosed(ED)교의 사재케이블 수량 검토, 부체도로의 배수공 설계변경에 대한 발주청 실정보고 자료 작성, 청평교 주두부 배근에 대한 철근 시공성 검토에 활용되었다.
- 본 구간은 교차로 구간만 종단 선형 검토를 수행하고 접속하는 도로와의 상호 종단검토의 연결이 미비하여 발생되었다. 이를 위해 자료 수집을 통해 신호등 교차로에서 회전교차로로의 변경을 위한 BIM 설계안을 작성하였으며, 시공/감리사의 1차 검토를 통해 시뮬레이션 모델을 작성하였다. 이후 2차 검토를 통해 설계변경 형상에 대한 최종 사용성을 검토 및 승인하였으며, 보고자료 작성 및 최종 실정보고를 통해 변경사항을 확정하였다.
- 이를 위해 정보 불일치, 도면입력오류, 정보불충분으로 도출하였다. 청평교의 경우 주탑의 정면도상 곡률반경을 고려하지 않아 모델링 이후 2D도면과의 정보 불일치가 발생되었거나, 주탑과 주두부 결합부분에 3차원 설계로 표현가능한 수준의 도면정보가 불충분하였다.
- 본 고에서는 지방청에서 발주한 시공중인 도로사업을 대상으로 BIM 시범 적용과 이를 통한 효과를 도출하였다. 이를 위해 현장의 BIM 적용 대상을 정의하고 3D, 4D, 5D 모델을 구성하여 현장에 적용 후 이슈사항 및 적용방안을 도출하였다.
- 이를 통해 도로사업의 BIM 적용에 따른 ROI 분석을 수행하기 위해 평가 기본 방안을 마련하고 각 적용대상별 ROI를 도출하였다. 이러한 데이터는 BIM 표준화 및 보급 확산을 위한 가이드라인의 참조 데이터로서 활용되고 향후 타 인프라 분야에 BIM을 확산하는데 기여할 것으로 기대된다.
- 특히 다양한 시공 의사결정 과정에 BIM을 적용함으로써 업무 적용성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 토목 시공현장에 BIM 적용을 위해 BIM S/W 활용, LOD 구성, 속성구성, 라이브러리 활용, WBCCBS 연계 및 ROI 평가 기술을 도출하였다.
- 터널은 NATM 터널로서 건축시설인 터널관리소와 본선구간을 상세부위로 구분하여 작성하였다. 이와 함께 배수공, 암거 및 생태육교 등에 대한 상세 3D모델을 작성하였다. 이 과정에서는 기 구축된 토목 BIM 라이브러리(http://www.
- 이를 위해 자료 수집을 통해 신호등 교차로에서 회전교차로로의 변경을 위한 BIM 설계안을 작성하였으며, 시공/감리사의 1차 검토를 통해 시뮬레이션 모델을 작성하였다. 이후 2차 검토를 통해 설계변경 형상에 대한 최종 사용성을 검토 및 승인하였으며, 보고자료 작성 및 최종 실정보고를 통해 변경사항을 확정하였다.
- 교량의 사재케이블의 경우 시공사에서 제공한 케이블 처짐 자료를 바탕으로 케이블의 긴장 전후에 대한 시뮬레이션 모델을 작성하였다(그림 8). 이후 케이블 긴장 후 수량과 내역을 활용하여 시공사검토를 통해 시뮬레이션 모델을 보완하였으며, 발주처 실정보고용으로 활용하였다.
- 작성된 BIM 모델의 설계 신뢰성을 확보하기 위해 다수의 설계오류를 검토하였다 (그림 5).
- 전체 모델의 구축을 위해 모델 구성 체계를 공간구분을 고려하여 수립하고 공종별 요구 데이터 식별을 통해 모델링을 수행하였다. 이러한 과정에 기 구축된 표준도 기반 토목 BIM 라이브러리를 설계과정에 활용하였으며, 외부 표준인 WBC 및 CBS 등을 통합 연계하여 4D와 5D 구현에 적용되었다.
- 교량은 창의천교, 울업천교, 청평교 3개로 구분하여 설계하였으며, 설계기준에 따라 시뮬레이션을 통해 선형에 따른 종단구배, 평면선형, 시거 및 편구배 등을 확인할 수 있도록 하였다. 청평교는 주두부의 상세철근 배근을 통해 간섭 및 시공성 검토가 가능하도록 설계하였으며, Tendon이나 사재 정착구, 케이블 및 철근 등 상세수준을 LOD350(BIMFORUM 2015)이상 수준으로 모델링을 수행하였다. 이는 기존 실시설계도서로 부터의 도면 오류 검토와 수량산출 및 대안검토에 활용하기 위해 작성되었다.
- 터널 갱구부의 설계변경은 암층의 조기 발견으로 갱구부를 10m 앞 당겨서 시공하도록 3차원 설계변경 검토를 수행하였다.
- 현장과 중점관리 사항 논의를 통해 기존 신호 교차로의 회전교차로 설계변경 지원과 터널 갱구부 검토를 수행하였다. 회전교차로의 설계변경(그림 6)은 접속부의 급한 도로 경사변화 (종단구배 영향)로 사고발생 위험 등의 민원이 발생될 것으로 예상되어 수행되었다.
- 현장과 중점관리 사항 논의를 통해 기존 신호 교차로의 회전교차로 설계변경 지원과 터널 갱구부 검토를 수행하였다. 회전교차로의 설계변경(그림 6)은 접속부의 급한 도로 경사변화 (종단구배 영향)로 사고발생 위험 등의 민원이 발생될 것으로 예상되어 수행되었다.
대상 데이터
- 본 대상 구간의 3차원 설계를 위해 도구의 활용도와 시장규모를 고려하여 구조물 설계는 Autodesk Revit 2015, 지형 및 도로 설계는 Autodesk Civil 3D 2015, 철근모델링은 Tekla Structure와 Bentley Rebar를 활용하였다. 4D와 5D 모델구축을 위해서는 Autodesk Navisworks 2015를 선정하였다.
- 이를 위해 도면의 이해도 개선과 현장의 3차원 설계모델 활용도를 개선할 수 있도록 하는 방안 수립을 요구하였다. 또한 시공단계에서 발생되는 신천 2교차로에 대한 회전교차로의 설계변경 지원, Extradosed(ED)교의 사재케이블 수량 검토, 부체도로의 배수공 설계변경에 대한 발주청 실정보고 자료 작성, 청평교 주두부 배근에 대한 철근 시공성 검토에 활용되었다.
- 본 고에서는 도로분야 BIM 시범사업 적용을 통한 정량적 효과를 도출하기 위해 현재 시공중인 서울지방국토관리청 발주의 도로건설공사를 대상으로 BIM 프로세스를 적용하였다.
- 시범사업 현장은 BIM 적용의 효율성을 고려하여 시공초기 단계 (30%이내 공정률), 7 km 이내 공사구간, 교량 및 터널 포함 여부 등의 현장선정 조건에 따라 국토부와 서울청의 협의를 통해 국도 75호선 설악-청평 도로건설공사 현장으로 최종 선정하였다(그림 1).
- kr) 공유 시스템을 활용하여 BIM설계 생산성을 개선하였다. 적용된 BIM라이브러리 아이템으로는 표지판, 측구, 암거, 배수시설(용수개거, 우수받이, 횡배수관, 집수정 등), 라이브러리 등이 활용되었다.
- 이는 기존 실시설계도서로 부터의 도면 오류 검토와 수량산출 및 대안검토에 활용하기 위해 작성되었다. 터널은 NATM 터널로서 건축시설인 터널관리소와 본선구간을 상세부위로 구분하여 작성하였다. 이와 함께 배수공, 암거 및 생태육교 등에 대한 상세 3D모델을 작성하였다.
- 설계단계의 BIM ROI평가는 기존 실시설계 도서를 바탕으로 BIM 모델을 구축하는데 투입된 총비용과 설계변경 예방 및 설계도서 검토에 따른 공기지연 요소 제거를 통해 효과 비용을 산정하여 수행되었다. 투자비용으로는 모델링을 수행하는데 필요한 인건비와 S/W임대료가 활용되었다. 그리고 회전교차로 설계변경 사전예방에 따른 공사 지연 손실 방지비용과 설계도서 검토를 통해 도면 및 수량 오류 예방에 따른 공기지연 요소 제거로 인한 현장 운영비 절감비용을 기대이익으로 산정하여 1.
이론/모형
- 본 대상 구간의 3차원 설계를 위해 도구의 활용도와 시장규모를 고려하여 구조물 설계는 Autodesk Revit 2015, 지형 및 도로 설계는 Autodesk Civil 3D 2015, 철근모델링은 Tekla Structure와 Bentley Rebar를 활용하였다. 4D와 5D 모델구축을 위해서는 Autodesk Navisworks 2015를 선정하였다.
성능/효과
- 65점)수준으로 이해도 수준이 개선되었다. 3D모델에 대한 도면의 이해도는 3.56점으로 높은 만족도를 보였으며, BIM 시범사업의 전체 효과수준 및 만족도는 3.59점으로 대체적으로 높게 평가되어 현장으로 부터의 BIM 도입 효과를 기대할 수 있었다.
- 시공단계의 BIM 적용에서는 기준 단가로서 인건비 및 BIM S/W 임대료를 BIM 투자비용으로 산정하였으며, 현장인건비와 지체손해에 따른 월 운영비를 현장으로부터 제공받았다. ED교의 사재 케이블 연장 처리에 대한 ROI는 BIM 적용으로 의사결정 기간이 3개월에서 1개월로 감소하는데 따른 직접비의 감소 효과를 기대할 수 있었으며, BIM 투자비를 복합적으로 고려하여 최종 ROI는 19.05의 ROI가 도출되었다. 회전교차로 설계변경은 작업기간이 기존방식대비 9일이 단축되어 이에 따른 직접비와 운영비 절감을 순 이익으로 산정하였으며, 또한 BIM 투자비를 고려하여 최종 ROI는 13.
- 우선 내역을 기준으로 도면의 존재 여부와 함께 객체화가 가능한 부분 및 불가능한 부분으로 나누어 수량산출 기준을 작성하였다. 교량의 경우 91%의 도면에 대해 자동화가 가능하였으며, 터널은 76%, 도로는 65% 수준으로 수량산출 자동화가 가능하였다. 수량산출 검토를 통한 오차는 구조물의 경우 오차가 미미하였으며, 평균 1% 내외로 측정되었다.
- 투자비용으로는 모델링을 수행하는데 필요한 인건비와 S/W임대료가 활용되었다. 그리고 회전교차로 설계변경 사전예방에 따른 공사 지연 손실 방지비용과 설계도서 검토를 통해 도면 및 수량 오류 예방에 따른 공기지연 요소 제거로 인한 현장 운영비 절감비용을 기대이익으로 산정하여 1.7의 ROI가 도출되었다.
- 68로 도출되었다. 마지막으로, 터널 갱구부 설계변경은 BIM 적용시 작업기간 5일 단축으로 운영비 절감에 따른 이익과 BIM 투자비를 고려하여 최종 ROI는 4.02로 도출되었다. 이와 같이 BIM 도입에 필요한 투자비용 대비 이익은 종합적으로 평가할 때 1.
- 설문분석 결과 BIM 적용 전 현장이 BIM 이해도는 5점 만점에 평균(3.05)수준으로 보통 수준에 머물렀으나 BIM 적용 이후 약간 높음(3.65점)수준으로 이해도 수준이 개선되었다. 3D모델에 대한 도면의 이해도는 3.
- 교량의 경우 91%의 도면에 대해 자동화가 가능하였으며, 터널은 76%, 도로는 65% 수준으로 수량산출 자동화가 가능하였다. 수량산출 검토를 통한 오차는 구조물의 경우 오차가 미미하였으며, 평균 1% 내외로 측정되었다.
- 02로 도출되었다. 이와 같이 BIM 도입에 필요한 투자비용 대비 이익은 종합적으로 평가할 때 1.96으로 투입비용의 2배 가까이 이익을 도출하는 것으로 평가되었다.
- 이를 위해 현장의 신속한 BIM 설계 변경과 실정보고 성과품 작성을 지원하였다. 특히 다양한 시공 의사결정 과정에 BIM을 적용함으로써 업무 적용성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 토목 시공현장에 BIM 적용을 위해 BIM S/W 활용, LOD 구성, 속성구성, 라이브러리 활용, WBCCBS 연계 및 ROI 평가 기술을 도출하였다.
- 05의 ROI가 도출되었다. 회전교차로 설계변경은 작업기간이 기존방식대비 9일이 단축되어 이에 따른 직접비와 운영비 절감을 순 이익으로 산정하였으며, 또한 BIM 투자비를 고려하여 최종 ROI는 13.68로 도출되었다. 마지막으로, 터널 갱구부 설계변경은 BIM 적용시 작업기간 5일 단축으로 운영비 절감에 따른 이익과 BIM 투자비를 고려하여 최종 ROI는 4.
후속연구
- BIM 적용을 위해 우선 기존 작업방식을 BIM 기반으로 전환시키는 것이 중요하며, 모든 도면을 BIM으로 전환할 필요 없이 단계적으로 중점관리 대상이나 고난이도 공사에 대해 선택적으로 적용할 수 있어야 개선된 ROI 효과를 기대할 수 있을 것이다. 금년도에는 시범사업 결과를 바탕으로 BIM 가이드라인을 수립하여 국토부와의 긴밀한 협조를 통해 조기에 BIM을 도입할 수 있는 환경을 구축할 수 있도록 노력을 아끼지 않을 것이다.
- 이러한 이슈를 해결하기 위한 방안으로 시공전(Pre-Con) 단계에서 BIM 수행여부를 결정하고 수행계획을 수립하는 것이 무엇보다 중요한 것으로 확인되었다. 여전히 BIM의 인식개선을 위한 교육이 증대될 필요가 있으며, 전담인력 확보와 다양한 기술지원과 함께 제도 및 정책적 지원체계 구축으로 BIM 도입 및 확산에 기여할 수 있을 것이다. BIM 시범사업을 통해 BIM 도입에 따른 긍정적 효과를 기대할 수 있었다.
- 이를 통해 도로사업의 BIM 적용에 따른 ROI 분석을 수행하기 위해 평가 기본 방안을 마련하고 각 적용대상별 ROI를 도출하였다. 이러한 데이터는 BIM 표준화 및 보급 확산을 위한 가이드라인의 참조 데이터로서 활용되고 향후 타 인프라 분야에 BIM을 확산하는데 기여할 것으로 기대된다.
- 도면 작성에서는 BIM으로부터 작성가능한 부분과 그렇지 못한 부분으로 구분하여 검토하였다. 특히 수량산출에서는 BIM으로부터 자동 산출되는 부분과, 연동 및 수동 수량 산출 부분을 구분하여 검토하였으며, 연동수량 산출을 위해 추가 Add-on 프로그램 개발이 요구되었다. 4D 및 5D에 대해서는 WBS-CBS 연계코드 입력의 작업량 증가가 발생되었으며, 모든 내역에 대한 5D 구현의 어려움이 발생되어 주요 수량과 내역에 대한 아 이템을 선정할 필요가 있었다.
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