[논문]3차원 정보모델을 활용한 지하공간 굴착 CIP 공법의 가상검토 -서울대학병원 지하 복합진료공간 임대형 민자사업 BIM 설계를 중심으로-

이혁진; 박건영; 김효진; 이상호

문제 정의

9)를 그 예로 들 수 있다. BIM 설계시 필수사항으로 지형 및 흙막이의 모델링이 포함되어 있으며, 본 연구에서는 이에 대한 해결책으로 3D 모델링 방법을 찾고 설계에 최대한 활용할 수 있는 방안에 대해 적용사례를 중심으로 분석하고자 한다. 서울대학병원 BTL사업에서는 공사구간이 기존 주변 병원시설과 인접하고, 공사부지가 제한적이어서 Top-Down 방식을 적용하여 구조물을 시공하는 방식을 채택하였고, 외벽과 흙막이를 일체화 시키는 방식인 CIP(Cast in Place Pile)공법을 적용하였다.
그림 7은 CIP 선시공후 외부통로 연결로와 간섭을 확인하여 후시공되는 구조물을 위하여 CIP 제거 방법을 시공계획에 포함시켰다. 뿐만 아니라 설비, 전기, 통신, 소방, 기계분야의 모델을 모두 통합하여 전 분야에 걸친 간섭여부와 시공가능성을 검토했다.

제안 방법

2장과 같은 방법으로 AutoCAD Civil3D 2010 환경에서 지반층을 완성하고 2D도면과 연계하여 계획 굴착면을 작성하였으며, Autodesk Revit Structure 2010을 이용하여 CIP 모델을 작성하였다. 그림 3과 같이 우선 H-PILE을 모델링하고, 분포된 지반조사를 근거로 엔지니어가 원지반층과 비교하여 추정하기 어려운 각 암층을 보간법을 이용하여 생성하였으며, 연암상단층을 기준으로 CIP 의 토류벽 콘크리트와 목재 토류판의 경계로 모델링 하였다.
세번째로는 정확하고 자유로운 수량산출이다. 3D 모델로 설계변경에 따른 수량산출의 시간과 노력을 단축하고 누락 없는 수량산출을 하였다. 특히나 암층별 토공량은 계획초기에 구조물의 배치와 높이에 따라 신속하게 산출됨에 따라 2D 설계보다 75% 수준의 신속한 결과를 얻었으며, 2D 횡단에서 산출된 토공량과는 5～10%정도의 상이한 결과값을 보였으나, 최종 설계안에서는 3D 수량의 정확성을 확인할 수 있었다.
CIP 흙막이 공법이 적용된 사업에서 효율적인 설계와 최종 결정안 도출을 위하여 반복적인 변경에 따른 노력을 최소화하기위해 원지형과 지반층을 3차원으로 모델링하고, 지층 모델을 기반으로 CIP의 개별요소별로 상세 모델링 하였다. 모델링 결과로 의사결정 및 전달방법으로서 역할을 재확인 하였으며, 각 공정간 간섭검토로 설계 오류, 변경을 최소화하였으며, 2D 설계와 3D 설계를 동시 진행하여 각각 산출된 도면 및 수량을 비교함으로서 정확성과 신속함을 검증하였다.
그림 3과 같이 우선 H-PILE을 모델링하고, 분포된 지반조사를 근거로 엔지니어가 원지반층과 비교하여 추정하기 어려운 각 암층을 보간법을 이용하여 생성하였으며, 연암상단층을 기준으로 CIP 의 토류벽 콘크리트와 목재 토류판의 경계로 모델링 하였다. 굴곡이 심한 원지반의 형상과 굴착면의 심도에 따라 CIP의 높이를 조정한 후 곡선부와 개구부에 버팀보 모델을 추가하였다. 여기에 구조물의 모델을 합침으로서 CIP와 구조물과의 관계와 타 분야간 의사소통의 정확성과 일치된 설계를 수행하였다.
2장과 같은 방법으로 AutoCAD Civil3D 2010 환경에서 지반층을 완성하고 2D도면과 연계하여 계획 굴착면을 작성하였으며, Autodesk Revit Structure 2010을 이용하여 CIP 모델을 작성하였다. 그림 3과 같이 우선 H-PILE을 모델링하고, 분포된 지반조사를 근거로 엔지니어가 원지반층과 비교하여 추정하기 어려운 각 암층을 보간법을 이용하여 생성하였으며, 연암상단층을 기준으로 CIP 의 토류벽 콘크리트와 목재 토류판의 경계로 모델링 하였다. 굴곡이 심한 원지반의 형상과 굴착면의 심도에 따라 CIP의 높이를 조정한 후 곡선부와 개구부에 버팀보 모델을 추가하였다.
굴곡이 심한 원지반의 형상과 굴착면의 심도에 따라 CIP의 높이를 조정한 후 곡선부와 개구부에 버팀보 모델을 추가하였다. 여기에 구조물의 모델을 합침으로서 CIP와 구조물과의 관계와 타 분야간 의사소통의 정확성과 일치된 설계를 수행하였다. 흙막이 설치시 굴착에 따른 안전을 위해 계측기를 3D로 표현하여 계측기의 적정한 위치를 선정하였으며, 2장의 주상도에 정보를 포함한 객체처럼 3D 계측기에도 정보를 포함할 수 있는 방안을 제시하였다.
특히나 암층별 토공량은 계획초기에 구조물의 배치와 높이에 따라 신속하게 산출됨에 따라 2D 설계보다 75% 수준의 신속한 결과를 얻었으며, 2D 횡단에서 산출된 토공량과는 5～10%정도의 상이한 결과값을 보였으나, 최종 설계안에서는 3D 수량의 정확성을 확인할 수 있었다. 이렇게 단축된 시간으로 많은 배치와 높이변경에 따른 토공모델을 제작하여 절성토 분배, 공사비 산출을 하여 최종설계안 결정에 크게 기여하였다.
여기에 구조물의 모델을 합침으로서 CIP와 구조물과의 관계와 타 분야간 의사소통의 정확성과 일치된 설계를 수행하였다. 흙막이 설치시 굴착에 따른 안전을 위해 계측기를 3D로 표현하여 계측기의 적정한 위치를 선정하였으며, 2장의 주상도에 정보를 포함한 객체처럼 3D 계측기에도 정보를 포함할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한, 그림 4에서와 같이 인접구조물에 각종 계측기를 설치하여, 계측정보도 CAD화면에서 통합적인 정보 관리를 할 수 있게 되었다.

성능/효과

모델링 결과로 의사결정 및 전달방법으로서 역할을 재확인 하였으며, 각 공정간 간섭검토로 설계 오류, 변경을 최소화하였으며, 2D 설계와 3D 설계를 동시 진행하여 각각 산출된 도면 및 수량을 비교함으로서 정확성과 신속함을 검증하였다. 또한, 3D 단면을 이용한 흙막이 해석 연동에 가능성을 확인할 수 있었다.
CIP 흙막이 공법이 적용된 사업에서 효율적인 설계와 최종 결정안 도출을 위하여 반복적인 변경에 따른 노력을 최소화하기위해 원지형과 지반층을 3차원으로 모델링하고, 지층 모델을 기반으로 CIP의 개별요소별로 상세 모델링 하였다. 모델링 결과로 의사결정 및 전달방법으로서 역할을 재확인 하였으며, 각 공정간 간섭검토로 설계 오류, 변경을 최소화하였으며, 2D 설계와 3D 설계를 동시 진행하여 각각 산출된 도면 및 수량을 비교함으로서 정확성과 신속함을 검증하였다. 또한, 3D 단면을 이용한 흙막이 해석 연동에 가능성을 확인할 수 있었다.
CIP공법은 원지반의 표고, 지하 지층의 상태, 지하수위, 굴착의 범위와 구조물의 굴착심도에 따라 그 형태와 수량이 변화하므로 정확한 표현과 공사비 산출이 요구된다. 이번 BIM 모델을 통해 정확한 지층별 형상, 구조물, CIP를 모델링함으로서 시각적인 효과, 원활한 의사소통, 수량산출, 2D 도면의 생성, 시공시 간섭부분의 사전 제거 및 단계별 공정을 수립하여 설계시의 오류를 최소화하는데 큰 효과를 거두었다.
3D 모델로 설계변경에 따른 수량산출의 시간과 노력을 단축하고 누락 없는 수량산출을 하였다. 특히나 암층별 토공량은 계획초기에 구조물의 배치와 높이에 따라 신속하게 산출됨에 따라 2D 설계보다 75% 수준의 신속한 결과를 얻었으며, 2D 횡단에서 산출된 토공량과는 5～10%정도의 상이한 결과값을 보였으나, 최종 설계안에서는 3D 수량의 정확성을 확인할 수 있었다. 이렇게 단축된 시간으로 많은 배치와 높이변경에 따른 토공모델을 제작하여 절성토 분배, 공사비 산출을 하여 최종설계안 결정에 크게 기여하였다.

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