고속철도 횡단 강거더 설치공사에서의 BIM 기반 가상건설 장비운영 시뮬레이션의 적용 BIM-Based Virtual Construction Simulation for Steel Girder Installation Crossing the High-Speed Railway원문보기
The interest in the Building Information Modeling (BIM) technology has risen remarkably due to the effects on construction work period reduction, cost reduction, work safety improvement, and other factors. In civil engineering field, BIM applications mainly focus on data modeling and virtual constru...
The interest in the Building Information Modeling (BIM) technology has risen remarkably due to the effects on construction work period reduction, cost reduction, work safety improvement, and other factors. In civil engineering field, BIM applications mainly focus on data modeling and virtual construction. In this study, we present the BIM-based virtual construction and analyze the effects of BIM for the railway facilities so that the conventional approach to the equipment operation plan can be improved in order to prevent safety accidents which can result from unclear information during the operation plan. The BIM-based virtual construction technology is applied to establish the construction plan for the site with constraints, the installation of steel girder needs to be completed, avoiding interference with the existing high-speed railway operation within a given limited time. A virtual construction model consisting of topography, structures, equipments, and avatar was built and more detailed model, including safety guard rails, was then created. Specifications of the construction equipment were input as a database, and the virtual construction model was manipulated in the equipment operation planning. Through the BIM-based virtual construction, including the verification of alternative construction method, 311 million won was saved and the construction period was shortened by 87 days compared to the original plan. In addition, it was shown that the interest and participation of the construction workers can be increased by providing the 3D virtual scene for real construction work and various safety hazards occurring during equipment operation can be effectively removed in advance by the interactive worker education.
The interest in the Building Information Modeling (BIM) technology has risen remarkably due to the effects on construction work period reduction, cost reduction, work safety improvement, and other factors. In civil engineering field, BIM applications mainly focus on data modeling and virtual construction. In this study, we present the BIM-based virtual construction and analyze the effects of BIM for the railway facilities so that the conventional approach to the equipment operation plan can be improved in order to prevent safety accidents which can result from unclear information during the operation plan. The BIM-based virtual construction technology is applied to establish the construction plan for the site with constraints, the installation of steel girder needs to be completed, avoiding interference with the existing high-speed railway operation within a given limited time. A virtual construction model consisting of topography, structures, equipments, and avatar was built and more detailed model, including safety guard rails, was then created. Specifications of the construction equipment were input as a database, and the virtual construction model was manipulated in the equipment operation planning. Through the BIM-based virtual construction, including the verification of alternative construction method, 311 million won was saved and the construction period was shortened by 87 days compared to the original plan. In addition, it was shown that the interest and participation of the construction workers can be increased by providing the 3D virtual scene for real construction work and various safety hazards occurring during equipment operation can be effectively removed in advance by the interactive worker education.
본 연구에서는 가상건설 기반의 안전관리 및 장비운용 시뮬레이션 기법의 현장 적용성을 분석하고, BIM 기술을 현장에서의 장비운용에 효과적으로 활용하기 위한 방안을 제시한다. BIM 기반의 가상건설 기술을 시공현장에서 효과적으로 활용하기 위해 상용 프로그램을 활용하여 장비운영 시뮬레이션을 수행하기 위한 방법론을 구축하고, 현장 상황을 고려한 장비운용을 위해 현장과 구조물에 대한 3D 가상현장 모델을 구축하고자 한다.
가설 설정
가상건설 시뮬레이션 시 기존에 운행 중인 고속철도의 전면차단시간은 횡거더 2.5시간, 종점부/시점부 주거더 3.5시간으로 가정하였다. 거더의 거치작업 시 무전상태 확인 및 신호체계를 담당하는 신호수 2인, 볼트연결 및 임시 교좌장치에 안착을 담당하는 교각상부 작업자 10인, 인양로프 운용을 위한 유도자 4인을 배치하는 것으로 계획하였다.
제안 방법
실제 장비 제원 및 성능에 기반한 3차원 장비모델을 구축하고 장비운영 시뮬레이션에 적용하여 가설에 소요되는 시간을 산정하고 작업 스케줄을 반영하였다. 또한, 가설 시뮬레이션에 아바타(avatar)를 활용하여 작업자의 위치와 임무를 분석하였으며, 작성된 시나리오를 실제 가설공정과 비교하여 개발된 기술의 효과를 다양한 방법으로 검증하였다.
본 연구에서는 가상건설 기반의 안전관리 및 장비운용 시뮬레이션 기법의 현장 적용성을 분석하고, BIM 기술을 현장에서의 장비운용에 효과적으로 활용하기 위한 방안을 제시한다. BIM 기반의 가상건설 기술을 시공현장에서 효과적으로 활용하기 위해 상용 프로그램을 활용하여 장비운영 시뮬레이션을 수행하기 위한 방법론을 구축하고, 현장 상황을 고려한 장비운용을 위해 현장과 구조물에 대한 3D 가상현장 모델을 구축하고자 한다. 실제 장비 제원 및 성능에 기반한 3차원 장비모델을 구축하고 장비운영 시뮬레이션에 적용하여 가설에 소요되는 시간을 산정하고 작업 스케줄을 반영하였다.
BIM 기반의 가상건설 기술을 시공현장에서 효과적으로 활용하기 위해 상용 프로그램을 활용하여 장비운영 시뮬레이션을 수행하기 위한 방법론을 구축하고, 현장 상황을 고려한 장비운용을 위해 현장과 구조물에 대한 3D 가상현장 모델을 구축하고자 한다. 실제 장비 제원 및 성능에 기반한 3차원 장비모델을 구축하고 장비운영 시뮬레이션에 적용하여 가설에 소요되는 시간을 산정하고 작업 스케줄을 반영하였다. 또한, 가설 시뮬레이션에 아바타(avatar)를 활용하여 작업자의 위치와 임무를 분석하였으며, 작성된 시나리오를 실제 가설공정과 비교하여 개발된 기술의 효과를 다양한 방법으로 검증하였다.
대상 데이터
본 연구에서 가상건설 장비 시뮬레이션을 적용한 현장은 호남고속철도 1-1 공구 중 미호천을 횡단하는 오송고가 현장이다. 오송고가는 격자형 강합성 거더를 갖는 국내 최초의 다경간 연속 철도교 형식으로서 2경간의 총 연장 180 m이고, 600 ton의 주거더와 400 ton의 횡거더로 구성되며, 기존 고속철도교(경부고속철도)를 횡단하는 입체교차 구간이 있다.
성능/효과
(1) 본 연구에서 제시한 가상건설 시뮬레이션 기법은 지형과 구조물 모델이 3차원 정보모델로 구축된 가상현장에서 사용자의 상호작용에 의해 장비와 인력을 조정하는 것이 가능하고, 장비운용 계획 수립 시 프로젝트 참여자의 적극적인 참여를 이끌어 내고 전문분야별로 다양한 의견을 교환할 수 있기 때문에 종합적인 작업 안전성을 확보한 최적의 시공계획을 수립할 수 있게 해준다.
(2) 3차원 가상건설 시뮬레이션을 활용한 교육을 통해 현장 작업자들이 숙지한 위치와 임무를 실제 시공 현장에서 제약된 시간 내에 안전사고 없이 성공적으로 완수하였기 때문에 가상건설 시뮬레이션이 현장에서의 작업자 교육에 매우 효과적이라는 것을 확인했다.
(3) 국내 설계 및 시공분야에서 건설 정보모델은 정형화되고 반복적인 업무를 자동화하는 수단으로 인식된 측면이 많으나, 사용자의 상호작용이 가능한 가상 건설 시뮬레이션 기법을 활용하여 프로젝트 참여자 사이의 의사소통을 획기적으로 개선하고 위험요소의 발견과 저감대책을 사전에 확인할 수 있으므로 작업자의 안전성 확보에 효과적이라는 것을 보였다.
(4) 상세한 수준의 가상건설 시뮬레이션을 위해서는 시공 단계에서 필요한 안전시설에 대한 상세모델까지 구축해야 하기 때문에 일반적인 공사현장보다는 위험 요소와 제약조건이 많은 공사현장에 적용할 때 더 큰 효과를 얻을 수 있다.
(5) 본 연구에서 대상으로 한 공종에 대하여 BIM 기반 가상건설 시뮬레이션의 효과를 정량적으로 분석한 결과 159%의 ROI 값을 얻었으며, 공기의 경우 최초 수립한 90일 공정계획을 3일로 줄였기 때문에 기존 계획 대비 96.76%의 단축 효과를 얻었다.
후속연구
실시간 시뮬레이션을 수행할 때 유한요소해석처럼 전체 시스템의 구조계를 해석하는 방법은 시뮬레이션의 효율성 감소를 발생시킨다22). 그러나 현장에서 장비의 운행 계획을 수립하기 위해서는 세분화된 장비의 작업 단계가 필요하므로 주어진 작업 여건에서 장비의 작업 단계를 최적화하는 방안을 찾는 연구도 필요하다. 또한, 소음과 분진 등 시공현장 주위의 환경 영향성을 실시간으로 분석할 수 있는 기술이 추가된다면 3차원 건설 정보모델의 적용성을 더욱 확장시킬 수 있을 것이다.
향후 본 연구에서 개발한 시스템을 개선하기 위해서는 실시간 장비 시뮬레이션 부분을 보완할 필요가 있다. 실시간 시뮬레이션을 수행할 때 유한요소해석처럼 전체 시스템의 구조계를 해석하는 방법은 시뮬레이션의 효율성 감소를 발생시킨다22).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BIM가 정립된 배경은?
BIM이라는 용어는 1992년 발표된 논문17)에서 처음 사용된 것으로 알려져 있으나, BIM의 개념은 1970년대 부터 통합된 건설분야의 정보체계를 구축하려는 시도를 통해 정립되어 왔다. BIM 분야의 선구자 중 하나로 알려진 Georgia Institute of Technology의 Charles Eastman 교수는 1970년대부터 BIM 분야를 주로 연구해 왔으며18), 1980년대 중반까지 유럽과 미국 일부에서 Building Model이라는 용어가 사용되면서 BIM의 개념이 정립되었다.
관리자의 검토작업은 어떻게 수행되는가?
관리자는 지형, 구조물, 건설장비, 아바타 등을 포함한 가상현장을 기반으로 가상 시뮬레이션을 통해 다음과 같은 검토작업을 수행할 수 있다. 첫째, 구조물 모델링 과정에서 기존 2차원 도면 기반의 설계 자료의 오류를 찾아 시공 시 발생할 수 있는 공기지연 요소를 사전에 제거할 수 있다. 둘째, 시공 전에 장비 시뮬레이션을 수행하여 장비용량 산정오류로 인한 장비의 전복이나 인명피해를 사전에 예방할 수 있다. 셋째, 아바타를 포함한 가상건설 시뮬레이션을 통해 기 구축된 지형 및 구조물 모델링에 대한 적정성을 검토하고, 구조물을 공정과 연계시켜 각 공정단계별로 발생할 수 있는 위험요소를 사전에 파악하고 대책을 수립할 수 있다. 또한, 이와 같은 검토 자료는 작업자들에 대한 교육 자료로 활용이 가능하다. 넷째, 구축된 지형 정보 모델에 구조물을 미리 배치시켜 이용자 측면에서 구조물과 주변 경관의 조화를 확인할 수 있다.
토목분야에서의 BIM 활용 기술은 어느 곳에 활용되는가?
토목분야에서의 BIM 활용 기술은 주로 시설물에 대한 데이터 모델링에 초점을 맞춘 분야와 3차원 시각화 기술을 이용한 가상건설 분야에 집중되고 있다. 요소 식별 및 정보의 구조화 등 데이터 모델에 초점을 맞춘 연구들은 교량 구조물2-4)과 도로5-6)에 대한 연구들이 많다.
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