[논문]철도 선형을 고려한 알고리즘 기반의 철도 터널 BIM 설계 방안

최형래; 장경수; 김혁; 이명호; 박민상

doi:10.13161/kibim.2019.9.1.001

철도 선형을 고려한 알고리즘 기반의 철도 터널 BIM 설계 방안
Algorithm-based Railway Tunnel BIM Design Considering Railway Alignment 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.9 no.1, 2019년, pp.1 - 10

최형래 ((주)삼보기술단 기획실) , 장경수 ((주)삼보기술단 도로사업본부) , 김혁 ((주)삼보기술단 해외사업본부) , 이명호 ((주)삼보기술단 지반사업본부) , 박민상 ((주)삼보기술단 수자원부본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In process of creating BIM model for tunnel, many user use still CAD, so the workflow for BIM design is not perfect. Therefore, in this paper, we proposes a method to automatically create BIM model without converting 2D drawings in tunnel design. It can allow engineers to design BIM-based tunnel with maximum use of linear information and modify the BIM model whenever there is changed linear information. To do this, we use Dynamo, which can reduce the time required for creating and modifying BIM models during design changes, saving time wasted for BIM conversion design.

주제어

표/그림 (28)

표 Table 1. Study goals and scope
그림 Figure 1. Intervals between horizontal and vertical alignment
그림 Figure 2. Problems of tunnel model using Sweep
그림 Figure 3. Tunnel section library
그림 Figure 4. Problems of arrangement tunnel model
그림 Figure 5. Mass profile tunnel model
그림 Figure 6. Problems of mass profile tunnel model
표 Table 2. Considerations for tunnel BIM model creation
그림 Figure 7. Railway alignment model by Civil3D
그림 Figure 10. Alignment Programing
그림 Figure 8. Available curves type in Dynamo
그림 Figure 9. User-defined curve (example)
표 Table 3. Alignment coordinations (Excel)
그림 Figure 11. Projection Programing
그림 Figure 12. Railway alignment
그림 Figure 14. Vector rotation programing for objects arrangement
그림 Figure 13. Vertical projection
그림 Figure 15. Parametric tunnel section library
그림 Figure 16. Parametric tunnel 3D library
그림 Figure 17. Two-points arrangement library (Rockbolt)
그림 Figure 18. Rock-bolt library
그림 Figure 19. Programing for color override by tunnel patten
그림 Figure 20. Programing for auto input parameters
그림 Figure 21. Railway tunnel BIM model
표 Table 4. Parameter data by patten (Excel)
그림 Figure 22. Object parameter setting
그림 Figure 23. Quantity of railway tunnel
그림 Figure 24. Segmentation of pattern distance with planar projection

AI 본문요약
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문제 정의

설계단계의 BIM 도입을 저해하는 가장 큰 요소 중 하나는 BIM 성과품이 기존에 수행하였던 2D 성과품을 완벽히 구현할 수 없다는 것이다. 본 연구는 기존 프로그램에서 구현할 수 없는 선형을 프로그래밍 방식으로 접근하여 해결하였고 기존 알고리즘 기반 모델의 문제점을 분석하여 개선된 알고리즘을 제안하였다. 본연구를 통해 생성한 철도 터널은 연장 1.
본 연구에서는 NURBS 곡선의 특성을 활용하여 프로그램이 선형을 정의할 수 있도록 하고 이를 바탕으로 패턴별 객체를 벡터 방향으로 회전하여 배치함으로써 선형에 대응할 수 있는 방법을 제시하였다.
하지만 LOD의 수준을 높이기 위해 별도의 작업을 수행하거나 추가 시간을 투입해야 하는 실정이다. 이에 본 연구는 Dynamo를 활용하여 전환설계 없이 설계 정보만으로 객체를 생성 하는 알고리즘 개발을 목표로 한다. Dynamo를 활용한 알고리즘 개발사례는 철도 궤도부에 국한되어 있으며, 국외의 경우도 TBM 터널에 한정되어 있어 국내 현황에 맞는 개발이 필요한 시점이다.
이에 본 연구는 철도 설계 중 터널에 국한하여 전환설계 개념의 2D 도면 활용을 배제하고 선형정보를 최대한 활용하여 터널 설계를 수행하고 선형이 변경될 경우 최소한의 작업으로 변경된 터널 모델을 생성하는 터널 BIM 설계 방안을 제안하고자 한다.

제안 방법

이에 본 연구는 정확한 선형 모델을 생성하기 위하여 Autodesk(TM)의 제품군을 활용하였다. Civil3D에서 선형을 설계하고 Point로 추출한 뒤 선형을 인식할 수 있는 알고리즘으로 변환하여 Revit에서 터널 모델링을 수행하였다. 알고리즘은 Dynamo를 활용하여 개발하였다.
터널 단면의 곡선을 매개변수로 설정하였고 록볼트 간격으로 분할하여 절점을 생성하였다. 단면 곡선에서 록볼트의 길이만큼 간격띄우기(Offset)하여 가상의 곡선을 생성한 뒤 록볼트 간격이 확장된 곡선만큼 길어지도록 수식을 적용하였다. 앞서 설명한 것처럼 2절점 배치 방식은 2가지의 라이브러리가 필요하다.
이후 선형에 배치할 단면 라이브러리를 작성하였다(Figure 15). 매개변수를 설정하여 직선, 곡선 구간이 1개의 라이브러리로 대응될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 2개의 라이브러리를 작성해야하지만 라이브러리가 비교적 간단하고 알고리즘이 단순해지는 장점이 있는 2절점 배치 방식을 사용하였다(Figure 17).
이에 사용자가 원하는 뷰에서 패턴색상을 자동으로 입력해주는 알고리즘을 추가하였다. 빨강, 노랑, 초록, 주황, 갈색 등 11가지 색상을 기본값으로 정의하였으며, 11가지 이상의 색상이 필요할 경우도 색상 추가 없이 기존 색상 범위 안에서 추가로 자동분할 되도록 하였다. Figure 19는 색상 분할을 위해 프로그래밍 언어인 Python 및 C#을 활용하여 작성한 Dynamo 알고리즘이다.
선형에서 20미터 간격으로 점을 추출하여 정리 하였다.
선형을 프로그램에서 인식할 수 있는 NURBS 곡선으로 변환하고 객체를 선형에 배치시키기 위한 회전 알고리즘을 완성하였다. 이후 선형에 배치할 단면 라이브러리를 작성하였다(Figure 15).
선형의 NURBS 곡선으로 변환은 한국철도기술연구원에서 수행한 “BIM 기반의 철도인프라 관리 표준기술 개발”의 연구 및 해외사례에서 검증하였다(Kwon et al., 2017; Jezyk 2017).
Civil3D에서 선형을 설계하고 Point로 추출한 뒤 선형을 인식할 수 있는 알고리즘으로 변환하여 Revit에서 터널 모델링을 수행하였다. 알고리즘은 Dynamo를 활용하여 개발하였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 3개의 점으로 터널을 배치할 수 있는 라이브러리를 구축하였다(Figure 16). 특별히 새로운 라이브러리를 만드는 것이 아니라 앞서 작성한 단면 라이브러리를 면으로 연결하여 3차원 객체로 생성한 것이며 객체의 회전을 위한 각도 변수가 추가되었다.
이러한 이유로 3차원 선형에 따라 록볼트가 배치되며, 록볼트의 길이와 간격을 설정하면 각 지보패턴에 대응하여 자동생성 되도록 알고리즘을 제작하였다.
이러한 방식은 패턴의 개수만큼 재질값을 생성해야 하는 단점이 있다. 이에 사용자가 원하는 뷰에서 패턴색상을 자동으로 입력해주는 알고리즘을 추가하였다. 빨강, 노랑, 초록, 주황, 갈색 등 11가지 색상을 기본값으로 정의하였으며, 11가지 이상의 색상이 필요할 경우도 색상 추가 없이 기존 색상 범위 안에서 추가로 자동분할 되도록 하였다.
전환 설계의 개념을 배제하기 위하여 지보패턴의 종류와 거리만 설정하면 터널이 생성되도록 하였다. 설계와 관련된 정보는 지보패턴의 종류, 패턴별 거리, 누적거리, 단면구분, 록볼트 간격 등이며 나머지는 터널단면과 관련된 변수이다.
투영된 선형은 상단에 있는 곡선이고, 곡선을 종단상 패턴 거리로 분할하여 직선으로 표현하였다. 직선으로 분할된 평면을 수직으로 내려 원 선형을 분할하기 때문에 하단의 선형은 종단상 패턴거리로 분할되어 2.2절에서 설명한 문제가 발생하지 않도록 하였다.
Civil3D 에서 작성한 선형의 절점 좌표를 Excel에서 읽어와 해당 점들을 NURBS 곡선으로 변환한다. 추후 모델 취합 시 선형 좌표를 그대로 활용하기 위하여 프로젝트 원점을 선형의 시작점으로 변환하는 알고리즘도 포함하였다. 선형의 NURBS 곡선으로 변환은 한국철도기술연구원에서 수행한 “BIM 기반의 철도인프라 관리 표준기술 개발”의 연구 및 해외사례에서 검증하였다(Kwon et al.
터널 BIM 설계방안은 매개변수 기반의 라이브러리를 구축하여 추후 선형 변경에 따라 자동으로 대응되는 알고리즘 및 모델링 기법을 제안한다. 객체가 많아 모델생성에 많은 시간이 소요되는 록볼트에 대한 라이브러리 및 알고리즘 개발도 포함한다.
터널 단면의 곡선을 매개변수로 설정하였고 록볼트 간격으로 분할하여 절점을 생성하였다. 단면 곡선에서 록볼트의 길이만큼 간격띄우기(Offset)하여 가상의 곡선을 생성한 뒤 록볼트 간격이 확장된 곡선만큼 길어지도록 수식을 적용하였다.
투영된 선형은 상단에 있는 곡선이고, 곡선을 종단상 패턴 거리로 분할하여 직선으로 표현하였다. 직선으로 분할된 평면을 수직으로 내려 원 선형을 분할하기 때문에 하단의 선형은 종단상 패턴거리로 분할되어 2.
터널 모델을 생성하기 위해서는 프로그램이 철도 선형의 곡선 종류를 모두 지원해야 한다. 하지만 기존에 사용하고 있는 일반적인 모델링 프로그램은 선형 구조물이 아닌 건축물의 층(Floor) 기반이기 때문에 본 연구는 철도 선형을 프로그램이 인식할 수 있도록 재생성하여 객체를 배치하는 방법을 사용하였다.
표준지보패턴에 적용되는 변수는 모두 적용하였으며 사용자가 입력한 변수값에 따라 터널이 생성된다. 하지만 이 변수를 객체에 일일이 입력하는 것은 비효율적이기 때문에 Excel에서 정리한 변수를 터널단면에 자동으로 입력해주는 알고리즘을 추가하였다. Table 4의 매개변수를 입력하는 알고리즘은 Figure 20과 같다.
터널 구간의 선형 구현을 위해 전체 선형을 Civil3D으로 생성하였다. 해당구간의 수치지도를 통하여 지형의 Surface모델을 생성하고, 선형 및 종단을 설정하였다. 2.

대상 데이터

터널 모델링을 위해 생성된 객체는 총 31,248개이다. 록볼트는 단면에 따라 다르지만 최종 생성된 객체는 11,658개이다. 터널 및 록볼트 객체는 총 42,906개이 다.
본 연구에서 제시한 알고리즘 기반의 철도 터널 BIM모델은 도담~영천 복선전철 제00공구로 시공 중에 있다. 과업 구간의 전체 선형은 직선과 3차원 포물선으로 이루어져 있고 터널구간의 연장은 약 1.
본 연구는 기존 프로그램에서 구현할 수 없는 선형을 프로그래밍 방식으로 접근하여 해결하였고 기존 알고리즘 기반 모델의 문제점을 분석하여 개선된 알고리즘을 제안하였다. 본연구를 통해 생성한 철도 터널은 연장 1.6km이며 7개의 패턴을 가진다. 패턴은 직선 및 곡선으로 구분되어 형상은 총 14개이다.
터널은 수량산출을 위해 라이닝, 숏크리트, 배수콘크리트, 도상등 12개의 객체로 분리하였다. 터널 모델링을 위해 생성된 객체는 총 31,248개이다. 록볼트는 단면에 따라 다르지만 최종 생성된 객체는 11,658개이다.
록볼트는 단면에 따라 다르지만 최종 생성된 객체는 11,658개이다. 터널 및 록볼트 객체는 총 42,906개이 다. 객체 1개를 모델링하는데 1분이 걸린다고 가정해도 715시간이 소요되며 약 90일이다.
분할 구간은 62개소이며 생성해야 할 단면 형상은 868개이다. 터널은 수량산출을 위해 라이닝, 숏크리트, 배수콘크리트, 도상등 12개의 객체로 분리하였다. 터널 모델링을 위해 생성된 객체는 총 31,248개이다.

이론/모형

이에 본 연구는 정확한 선형 모델을 생성하기 위하여 Autodesk(TM)의 제품군을 활용하였다. Civil3D에서 선형을 설계하고 Point로 추출한 뒤 선형을 인식할 수 있는 알고리즘으로 변환하여 Revit에서 터널 모델링을 수행하였다.
철도 선형을 프로그램이 인식할 수 있도록 재생성하기 위해서 NURBS (Non-Uniform Rational Basis Splines) 곡선 생성 방법을 적용하였다. NURBS 곡선이란 일정한 점들을 연결한 직선에서 계산에 의한 곡선을 정의하고 그 곡선을 확장시킨 3차원의 곡면을 구하는 방식이다(Dill et al.
터널 모델을 생성하는 프로그램은 Revit을 활용하였으며 선형을 프로그램에 인식시키기 위하여 Dynamo를 활용하였다. Dynamo는 Revit으로 구현하기 힘든 모델링을 프로그래밍을 통해 해결할 수 있도록 지원하는 Revit에서 구동되는 Add-in 프로그램이다.

성능/효과

해당구간의 수치지도를 통하여 지형의 Surface모델을 생성하고, 선형 및 종단을 설정하였다. 2.2절에서 설정한 2D도면을 활용한 전환설계를 배제하기 위하여 선형 구현 이외의 도면을 활용한 별도의 작업은 수행하지 않았다.

후속연구

이에 추후 연구로 본선의 선형 변경에 따른 횡갱과 접속부의 형상이 자동으로 대응되는 알고리즘 및 BIM 설계 기법을 개발하고자 한다. 또한, 토목 시설물의 분류체계(WBS)를 활용하여 객체 정보에 입력하고 입력된 코드를 정렬하여 수량산출서와 연동하는 알고리즘을 개발할 것이다.
양방향 터널의 고저차에 따른 횡갱과 접속부는 설계도 어렵고 3차원 모델링에 많은 어려움이 있다. 이에 추후 연구로 본선의 선형 변경에 따른 횡갱과 접속부의 형상이 자동으로 대응되는 알고리즘 및 BIM 설계 기법을 개발하고자 한다. 또한, 토목 시설물의 분류체계(WBS)를 활용하여 객체 정보에 입력하고 입력된 코드를 정렬하여 수량산출서와 연동하는 알고리즘을 개발할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sweep 방식의 특징은?	Sweep 방식은 터널 모델을 비교적 간단하게 생성할 수 있지만 선형의 3차원 법선방향으로 터널 단면이 적용되기 때문에 터널 패턴별로 객체를 분할 할 경우 단면 틀어짐이 발생하게 된다. 또한, 프로그램에서 정의된 기본 곡선만 활용하기 때문에 종단에 대응할 수 없고 완벽한 선형구현이 불가능하다.
	철도의 노선 검토 및 설계단계에서 무엇을 최소화해야하는가?	철도의 노선은 그 선로의 사명에 따라 지역사회의 편익과 사회 주체의 이익이 크도록 고려되어야 하며 합리적인 노선 선정을 위해 정거장 결정, 구조물 계획 등이 다각도로 검토되어야 한다. 사전검토 및 설계단계에서 최대한 많은 정보를 검토해야 하고 검토된 정보를 재활용하여 불필요한 작업을 최소화해야 한다. 또한 3 차원으로 시각화된 시설물의 정보를 제공해야 하며 설계, 시공, 유지관리 단계에 활용해야 한다.
	언제 이후로 공공 프로젝트의 BIM 적용이 확대되었는가?	BIM(Building Information Modeling)이라는 용어가 국내 건설 산업에 소개된 지 10년이 되었다. 2009년 조달청에서 발주한 용인시민체육공원 턴키사업에서 BIM이 공공사업에 처음 도입된 이후 조달청 발주 사업은 물론이고, 주요 공공 프로젝트의 BIM 적용이 확대 되고 있다. 한국도로공사, 한국토지주택공사, 한국철도시 설공단, 한국시설안전공단 등의 기관에서는 가이드라인 발간, 로드맵 구축 및 확산전략 설정 등 BIM 정착을 위해 적극적인 연구와 노력을 기울이고 있다.

참고문헌 (4)

Kwon, T. H., Park, S. I., Shin, M. H., Lee, S. H. (2017). Information Modeling of Railway Track using Information Iinkage of Railway Alignment and Alignment-based Objects, Computational Structural Engineering Institute of Korea 30(6), pp. 549-557.

원문보기 상세보기
Dill, L. H., Choo, Y. K. (2004). Representation of Ice Geometry by Parametric Functions: Construction of Approximating NURBS Curves and Quantification of Ice Roughness--Year 1: Approximating NURBS Curves.
Jezyk, M. (2017). The Dynamo Primer, GitBook, Autodesk, ModeLab.
David B. (2016). B-Splines and NURBS, Lecture 9, William Regli and Maxim Peysakhov, Geometric and Intelligent Computing Laboratory, Department of Computer Science, Drexel University.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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