케이슨의 3D 설계 및 안정 검토 자동화 시스템 개발
The Development of Automated System for 3D Design and Stability Evaluation of Caisson
이헌민*·김현승**
Hurn-Min Lee·Hyeon-Seung Kim
Abstract
In this research, the automated system for 3D modeling and stability evaluation of caisson was developed. It is possible to build a BIM model while examining the stability of the structures to improve the practical use of BIM technology. This study analyzed industry cases and guidelines for caisson stability evaluation and BIM-based modeling. As a result, the data for calculating the stability evaluation of caisson as well as the modeling parameters were derived. In particular, the automated system for 3D modeling, which reflects more than 30 parameters, allows for BIM models for various types of the caisson, such as open-cell caisson, open-cell caisson with uneven, slit caisson, slit caisson with uneven, and curved caisson. The study tested the proposed system using case studies and found that it helps not only to automate the BIM model with various caisson types as parameters but also to make partial shape changes accessible. The study also confirmed that the stability evaluation can be quickly carried out with shapes changed. Finally, the study results suggest that the proposed method should complete the task seven times as fast as the conventional work method.
Keywords: BIM(건설정보모델),Caisson(케이슨),3DDesign(3차원설계),3DParametricModeling(3D파라메트릭모델링), Design Automation(설계자동화),AllplanSmartpart(올플랜스마트파트)
1. 서 론
최근 BIM뿐만 아니라 빅데이터, IoT, AI 및 AR/VR 등 4차 산업혁명 기술을 활용하는 다양한 스마트건설기술의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 스마트 건설기술을 정부에서는 2025년까 지 건설 현장에 정착시켜 건설 생산성을 25% 이상 향상시키고, 공사기간과 재해율을 25% 이상 감축한다는 목표를 가지고 2천억 원이 투자되는 “스마트 건설기술 개발 사업”을 추진하고 있다(조성민 외, 2020). 이는 스마트 건설기술이 현재 건설 산업
이 당면하고 있는 건설인의 고령화와 근로시간 단축 및 젊은층 의 건설업 기피로 인한 전문 인력 부족 현상 등의 중대한 문제 를 해결할 수 있기 때문이다(이광표 외, 2019; 곽한성·오치돈, 2019). 그중 BIM은 스마트건설의 근간이 되는 기술로써, 설계, 시공 및 유지관리 단계에서 각종 오류와 낭비요소를 사전에 제 거하여 획기적으로 건설 생산성을 향상시키고 있다.
BIM은 3D 모델을 기반으로 정보를 생성하고, 공유하기 때 문에 3D 모델링 능력도 중요하지만, 특히 설계 분야에서는 모델 의 정보를 하중검토, 구조해석, 부재설계 등의 설계 업무 전반
(Received: December 11, 2020 / Revised: December 17, 2020 / Accepted: December 17, 2020) * 서영엔지니어링 BIM개발팀 차장(주저자: [email protected])
** 서영엔지니어링 BIM개발팀 과장(교신저자: [email protected])
에 걸쳐 효율적으로 연계하는 것이 무엇보다 중요하며 이는 BIM 설계의 신뢰성과 생산성 확보로 결부된다. 그러나 여전히 BIM은 간섭 검토, 시뮬레이션 등 특정 업무 중심으로 활용되고 있을 뿐 설계 전반에 걸쳐 활용되고 있지 못하고 있는 실정이 다. 그 이유는 전통적인 2D 설계방식을 바탕으로 발달해온 기술 들을 BIM 기반의 설계프로세스로 완벽히 흡수하는 것은 단기간 에 할 수 없는 일이기 때문이다. 따라서 이러한 유형의 설계 과 업에 대해서는 부분적인 BIM 연계를 통해 자동화하는 것이 단 기간에 BIM의 활용도를 높이고 더불어 생산성까지 향상시킬 수 있는 방안이 될 수 있다. 이에 연구에서는 케이슨을 대상으로 파라메트릭기반의 3D 모델링 기법을 활용하여, 구조 안전성을 검토하면서 3D 정보모델을 구축할 수 있는 방안을 제시하여 BIM 설계의 신뢰성과 생산성을 확보하고자 한다.
2. 파라메트릭 객체들의 유기적인 조합을 통한 BIM 모 델 생성 및 변경의 자동화
3D 모델을 구축하는 통상적인 방법은 상용 3D 설계 도구에 서 지원하는 2D·3D 작도기능(Polygon, Extrusion, Sweep, Trans, Rotation 등) 및 솔리드 편집기능(병합, 공제 등)을 목적에 부합 하도록 순차적으로 활용하여 원하는 형상의 솔리드 객체들을 구현·조합하는 것이다. 이러한 방식으로 생성된 모델 혹은 도 면을 구성하는 객체들은 서로 유기적이지 않기 때문에 ‘설계 변 경’과 ‘설계 성과 도출’ 시 생산성 측면에 있어 전통적인 설계방 식과 큰 차이가 없다. 오히려 경험과 노하우가 축적된 2D 도면 을 제작하는 방식으로 당면한 과업을 진행하고 성과를 도출하 는 것이 현재는 더욱 경제적이다. 그럼에도 불구하고 중복 작업 의 성격이 농후한 3D 전환설계의 방식으로 BIM을 구축하고 있 는 이유는 평면이 아닌 공간에서 설계결과를 확인하고 의사결 정 할 수 있는 기회를 제공 받음으로 인하여 기존에는 발견하기 어려웠던 설계오류들을 검출해 낼 수 있을 뿐 아니라 시공이나 유지관리 단계에서 BIM 모델의 획기적인 효용성을 기대하기 때 문이다(이헌민 외, 2018).
따라서 연구에서는 케이슨을 구성하는 데 필요한 하위 객체 들을 파라메트릭한 방법으로 생성한 후 모든 객체들이 유기적 으로 조합될 수 있는 방법으로 BIM 모델을 구축하여 연구의 범 위로 설정한 케이슨의 유형과 상세수준에 한해서는 변수의 입 력 및 변경만으로 모델의 생성(설계)과 설계 성과품 도출을 자
동화할 수 있는 방안을 제시하였다.
이를 위하여 연구에 활용된 BIM S/W 및 개발도구는 네메 첵(Nemetschek)사의 올플랜 스마트파트(Allplan Smartpart)이다.
스마트파트는 건설 분야 라이브러리 개발을 목적으로 ‘GDL’1)을 기반으로 구축된 스크립트 개발 언어이다. 스마트파트는 다른 개발언어와 마찬가지로 복잡한 조건·반복·제어 알고리즘을 묘 사할 수 있을 뿐 아니라 다양한 함수 및 솔리드 생성 명령어를 바탕으로 자유롭게 2D 및 3D 형상을 구현할 수 있다. 또한 올플 랜은 스마트파트 스크립트를 손쉽게 코딩할 수 있도록 Fig. 1과 같은 전용 스크립트 편집기(Smartpart Editor)를 지원하고 있다.
툴바(1)에서는 파일의 열기 및 저장과 같은 기본 기능을 수행하 고, 변수 편집 페이지(2)에서는 전역변수들(Global Parameters)을 정의하고 그루핑(Grouping)할 수 있다. 또한 UI와 3D 스크립트 편집 페이지가 마련되어 있을 뿐 아니라 미리보기창(3)에서는 작성된 3D 스크립트를 실행한 결과를 바로 확인할 수 있다. 정 의된 전역변수들은 기본적인 UI가 적용되어 플로팅될 수도 있 지만 개발자의 의도대로 커스터마이징된 UI를 만들 수 있도록 다양한 UI제작 명령들도 지원하고 있다.
1) GDL(Geometric Description Language): GDL은 ArchiCAD Library Parts의 프로그래밍언어이며, 기본적으로 베이직과 같은 제어문(control flow statement)과 변수로직(variable logic)을 갖는다. GDL의 2D 및 3D 환경에서 모든 모델요소들은 오른손 지역좌표계를 따른다.
Fig. 1. Allplan Smartpart Editor
3. 케이슨 안정 검토를 위한 매개변수 설정
3.1 케이슨의 설계 데이터 산출을 위한 BIM 모델의 활용 범위 설정
케이슨은 교량, 댐 및 방파제 등과 같은 수중 프로젝트에 사용되는 대형 철근 콘크리트 구조물이다. 이는 예항선 또는 기 준기선으로 현장으로 운반되며, 일반적으로 모래나 사석, 슬래 그로 케이슨 내부를 채운다(한국항만협회, 2014). 케이슨의 활 용도가 높은 항만 분야에서의 케이슨 설계 절차는 Fig. 2와 같이 설계기준을 결정한 후, 케이슨 각 부재의 형상 및 치수를 가정 하고, 케이슨에 재하 가능한 다양한 하중조합을 고려하여 부재 력을 산정하고 최적의 부재력으로 단면을 설계한다.
이때 부재설계 이전에 활동, 전도, 지지력, 및 직선 활동에 대한 안전율이 허용안전율 이내로 검토되는지를 우선 확인해야 한다. 안전율 계산에 사용되는 주요 변수는 해당 지역의 조수 특성과 재하부의 형상으로 산정되는 ‘파력’과, 철근 콘크리트 및 채움재 등 케이슨을 구성하는 요소들의 체적으로 산정되는 ‘중 량’이다. 실무에서는 보통 간단한 수식의 적용과 셀(Cell) 참조가 가능한 엑셀시트(Microsoft Excel Sheet)를 활용하여 안전율을 계 산한다. 따라서 연구에서는 케이슨의 안전율 계산 및 안정검토 목적으로 현재 실무에서 사용하고 있는 엑셀시트를 참고하여 BIM 모델로부터 재료별 중량 데이터를 받아 계산이 수행될 수 있도록 보완하고 검증하는 방식으로 안전성 검토와 BIM과의 연 계를 통한 부분적인 자동화 방안을 마련하고자 한다.
3.2 케이슨 안전성 평가를 위한 설계 데이터 분석
연구에서는 케이슨의 활동, 전도, 지지력 및 직선 활동에 대한 안전성 검토에 대한 절차와 절차별로 활용되는 설계데이 터를 분석하였다. 이를 위해 연구에서는 항만 분야 케이슨 설계 기준과 실무에서 사용하고 있는 엑셀시트를 분석하였고, 이를 기반으로 BIM 모델과 자동으로 연계할 수 있는 정보와 사용자 가 직접 산출해야 하는 정보를 도출하였다.
일반적인 케이슨 설계에서는 지반, 파랑, 조위 등의 자연조 건, 선박의 규모 및 종류 등의 이용조건, 기상 및 주변 환경 등 의 시공조건 등을 고려하여 케이슨의 제원이나 설계조건 및 안 전성 검토 항목이 결정된다(해양수산부, 2014). 실무에서는 이 러한 불확실한 지반 및 환경조건에 고려하여 모든 케이슨 유형 들의 안전성 평가가 가능한 엑셀시트 개발이 어렵기 때문에 케 이슨 유형별로 설계데이터를 구성하여 안전율을 계산하고 있 다. 이러한 이유로 연구에서는 무공 및 슬릿케이슨 유형을 대상 으로 안전율 계산용 설계데이터 및 절차를 Table 1과 같이 도출 하였다. 안전율 계산 절차는 설계조건, 파력산정, 지진 시 외력 산정 및 하중조합 결정 단계와 이를 통한 안전성을 도출 단계로 구성된다. 각 단계별 설계데이터는 현장 측정 자료나 계산수표 로 사용자가 직접 계상이 필요한 자료들로 구성된다. 이러한 설
Fig. 2. Caisson Design Process
Table 1. Design Data for Stability Evaluation of Caisson
Item Design Data
Design Standard
•Design sea level(A.H.H.W, M.S.L etc.)
• Design water Depth, planned water Depth, Crest level, etc.
•Wave condition(Maximum Height Wave etc.)
•Earthquake Scale, Ground Acceleration, etc.
•Material Properties
•friction coefficient
• Allowable stability(Crested wave, Trough Wave, Earthquake)
•Surface Load, Unit Area, Distance
•Self Weight(RC, Slag, Riprap etc.)
•Significant Wave Height, Depth of Water etc.
Wave Force
• Run-Up of Wave, Wave Pressure, Wave Pressure Coefficients(α)
•λ Value for Wave Pressure Distribution
•Caisson Void Ratio (ε'), p1, Wave Force at Crest Earthquake •Earthquake Factor, Inertial Force, Distance etc.
Load Combination
• Load Combination Case (Self Weight, Buoyancy, Surface Load, Wave Force etc.)
• Load Combination for External Force for Each Case(Upper Structure, Wave Force & Moment etc.)
• Load Combination for Each Case (Crested Wave, Wave Trough, Earthquake)
Stability Evaluation
• Sliding & Turn Over for Each Case (Crested Wave, Wave Trough, Earthquake)
•Bearing Capacity
•Linear Sliding
계데이터 중에서 케이슨 부재별 치수, 체적 및 재료의 물성치 등은 BIM 모델로부터 쉽게 연계가 가능하나, 그 외 설계데이터 들은 별도의 작업을 통해 BIM 모델의 속성정보로 등록이 필요 한 것으로 파악되었다.
3.3 파라메트릭 케이슨 설계를 위한 매개변수 구성
연구에서는 BIM 모델과 연계할 수 있는 설계데이터를 대상 으로 케이슨 안전율 계산에 필요한 기하·재료 정보를 Table 2와 같이 도출하였다. 또한 케이슨 모델의 형상을 결정하는 모든 치수 들이 유기적으로 변경될 수 있고, 안정성 평가에 필요한 정보들이 생성·출력될 수 있도록 매개변수들을 설정하였다. Table 3은 케이 슨의 형상을 결정하는 전역변수들(Global Parameters)을 구성한 내용이다.
먼저, 케이슨 안전율 계산을 위한 정보는 Table 2와 같이 케 이슨의 총 체적뿐만 아니라 유수실, 채움재, 각종 블록 및 덮개 를 포함하고, 채움재 재료에 대한 물성치도 반영되어 있다. 특 히 서로 다른 높낮이 갖는 요철형 케이슨 유형에 대한 안전율 산정도 가능할 수 있게 케이슨의 형상을 전면부, 중앙부 및 배 면부로 구분하고, 각 부위별로 기하 및 재료 정보를 제공하도록 구성하였다.
케이슨의 형상을 결정하는 매개변수는 Table 3과 같이 전면 부, 중앙부 및 배면부로 구분된 케이슨의 부위에 따라 하위 부 재들의 형상을 유연하게 변경할 수 있도록 구성하였다. 특히, 전면부 및 중앙부는 각각 9개의 하위 부재들을 12개의 매개변수 로 형상 변경이 가능하고, 배면부의 경우는 5개의 부위에 대하 여 6개의 매개변수로 형상 조절이 가능하다. 이러한 총 30개의
매개변수들은 케이슨 설계 실무자들의 요구사항을 반영한 것으 로써 무공케이슨, 슬릿케이슨, 요철형 케이슨, 곡면형 케이슨 등 다양한 유형의 케이슨을 자동으로 BIM 모델로 구현할 수 있다.
4. 시스템 개발
4.1 시스템 개요
케이슨의 3D 설계 및 안정 검토 자동화 시스템의 기본적인 프로세스는 Fig. 3과 같다. 케이슨의 3D 설계자동화 모듈 (1)에 서 케이슨의 격실구성, 외벽·격벽의 두께 및 재료 특성을 포함 한 전역변수들을 입력하여 3D 정보모델(2)을 구축하면 안전율 계산에 변수로 활용되는 재료별 중량이 계산되어 모델의 속성 정보(3)(Attributes)로 노출된다. 이 속성정보를 마이크로소프트 엑셀에서 쉽게 가져올 수 있는 .XAC 파일포맷으로 내보내기 (Export Object Manager Data)하고 이 파일 자체를 인터페이스 파일(4)로 활용한다. 인터페이스 파일을 엑셀로 열어보면 안정
Table 2. Information to Evaluate Stability of Caisson
Target Information
Caisson
volume Front Cell Filler (Slag, Riprap)
Front Cell Element
(Cover Block, Caisson Cover) Mid Cell Filler (Slag, Riprap) Mid Cell Element
(Conc Cover Caisson Cover) Back Cell Filler (Slag, Riprap) Back Cell Element
(Cover Block, Caisson Cover)
Caisson Total Height
Caisson(RC), Slag, Riprap, Cover Block,
Cisson Cover, Concrete Cover Specific Unit Weight
Table 3. Global Parameters for Caisson Geometry Part Element Description
(Direction, Position, etc.) Parameter
Front Back·
Solid Vertical Length
Cell Longitudinal·Cross Number
Vertical
Length Haunch Longitudinal·Cross·Vertical
Filler Slag·Riprap·Block·Cover
Thickness Curtain Wall Longitudinal·Cross
Wall Front·Side·Mid Boundary
Side Joint Geometry Length
Slit
Installation Boolean 1/0
Type Horizontal/
Vertical Longitudinal·Cross Number Longitudinal·Cross·Vertical Length
Foot Installation Boolean 1/0
Geometry Length
Curved Wall
Installation Boolean 1/0
Front·Back Radius of
Curvature
Mid
Solid Vertical Length
Cell Cross Number
Vertical
Length Haunch Longitudinal·Cross·Vertical
Filler Slag·Riprap·Block·Cover
Thickness Curtain Wall Cross
검토에 활용될 변수들이 같은 시트의 서로 다른 셀에 할당되어 있는데 이 변수들을 안정검토 시트(5)의 변수 입력 셀로 불러오 는 방식으로 케이슨의 BIM 모델과 안정검토시트를 연계하였다.
따라서 연구에서 개발 및 구성할 모듈 및 파일은 ‘케이슨 3D 설계자동화 모듈(1)’, ‘인터페이스 파일(4))’ 그리고 ‘케이슨 안정검토시트(5)’이다.
4.2 케이슨 3D 설계자동화 모듈
연구에서 구축한 설계자동화 모듈이 구현할 수 있는 케이슨 의 유형은 무공케이슨(슬릿을 설치하지 않는 케이슨), 슬릿케이 슨(케이슨에 작용하는 파력을 흡수할 목적으로 전면 및 배면 외 벽 또는 격벽에 개구부를 설치한 케이슨) 요철형 케이슨(상치 콘크리트 타설 부에 단차를 발생시킨 케이슨), 곡면형 케이슨 (전면 외벽에 동일한 곡률 반경을 갖는 곡면을 적용한 케이슨) 이다. 또한 격실의 형상과 벽체(격벽 및 외벽)의 두께를 개별적 으로 변경할 수 있으며 응력 집중이나 첨단부의 발생을 지양하 기 위하여 설치한 수직·수평·우각 부 헌치(Haunch)의 형상 또 한 벽체의 열·행 별로 변경 가능하다. 슬릿의 경우에도 외벽을 포함한 모든 종·횡단 격벽에 설치 여부, 형상(수직·수평), 위 치, 개수를 변경할 수 있으며 전도 및 활동의 안전율 제고 목적
으로 케이슨 저면에 설치되는 내민 부(Foot)에 대해서도 설치여 부, 치수 및 설치영역을 변수로 정의하여 변경 할 수 있도록 하 였다. 또한 케이슨의 이음을 위하여 측벽에 설치되는 요철의 경 우에도 설치여부, 요철의 형상 및 개수를 변경할 수 있도록 하 였을 뿐 아니라 선형이 변경되는 곳에서의 케이슨 결합을 위하 여 양단부의 외측 벽에 평면상에서 기울기를 적용할 수 있도록 하였다. Table 4는 연구에서 구축한 케이슨 3D 설계자동화 모듈 의 몇 가지 형상 변경 요소를 정리한 내용이다.
연구에서는 Fig. 4와 같이 케이슨을 전면부, 중앙부, 배면부 이렇게 3 부분의 하위객체(Sub Object)로 구분하여 모델링되도 록 개발하였다. 그 이유는 각부의 높이를 다르게 주면 케이슨 상면의 단차를 구현할 수 있어 요철형 케이슨을 모델링할 수 있 을 뿐 아니라 전면 및 배면에 곡률을 적용하기 용이하기 때문이 다. 또한 격실의 형상과 외벽 및 격벽을 모델링하기 위하여 수 직·수평·우각부의 헌치와 곡면의 형상 치수를 반영하여 격실의 내부 영역이 솔리드(Solid)로 구현되는 모듈을 개발하였으며 필 요한 위치에서 호출할 수 있도록 서브루틴(Subroutine)으로 정의 하였다. 이 서브루틴은 케이슨 3D 설계자동화 모듈의 핵심기술 로서 케이슨의 전체 형상을 구현한 솔리드와 정확한 상대 위치 에 중첩시켜 공제(Subtract)하는 방식으로 격실을 구현하기 위하 여 개발되었다. 사용자가 입력한 격실의 구성(길이방향 및 횡방 Fig. 3. The Basic Process for The Design Automation and Stability
Evaluation System of The Caisson
Table 4. Design Parameters of The Caisson
No. Parameters Shape
(1) Radius of Curved Wall
(2) Geometry of Foot & Joint
(3) Cross Slope of Side Wall
향 격실의 수)에 따른 횟수만큼 반복 호출되며, 각 호출 시마다, 호출 순번 및 그 순번에 해당하는 격벽의 두께, 격실의 형상, 바 닥슬래브의 두께에 따라 격실 영역 솔리드의 형상이 변경되어 정확한 위치에 중첩되도록 하였다. 뿐만 아니라 이 서브루틴은 격실 내 채움재와 덮개블록, 케이슨 커버의 모델링에도 적용될 수 있다. Table 5에는 이 서브루틴으로 구현되는 솔리드의 형상 및 스크립트로 작성된 서브루틴의 일부분을 나타내었다. 이 방 법을 사용하면 시스템에 적용 가능한 케이슨의 유형을 확장하 기에도 유리할 뿐 아니라 설계물량으로 계산되는 주요 부재 및 재료들에 대한 솔리드 객체를 비교적 손쉽게 그루핑(Grouping) 할 수 있기 때문에 3D 정보모델로부터 설계 데이터를 효율적으 로 도출할 수 있다.
Table 6에는 사용자가 케이슨의 설계치수를 순차적으로 입 력·변경할 수 있도록 전역변수(입력변수)를 정의하고 그루핑 (Grouping)한 내용과 이를 바탕으로 생성되는 UI 를 나타내었 다. 공통그룹(0.Common)에는 적용할 헌치의 치수, 슬릿의 유 형(수직/수평), 개체 식별을 위한 솔리드에 적용할 텍스쳐 등 케 이슨을 구성하는 객체에 공통으로 적용할 전역변수들로 구성하 였다. 또한 ‘케이슨 3D 설계자동화 모듈’의 개발단위를 Fig. 4와 같이 세 부분으로 구분하기 위하여 전면부(1. Barrier), 중앙부 (2. Gravity), 배면부(3. Retaining)로 변수 집합을 구분하였으며 각 부는 격실의 구성, 외벽·격벽의 두께, 곡면반지름, 슬릿의 치수 및 각종 불리언(Boolean) 값 등 Table 3에서 도출된 전역변 수들로 구성하였다. 또한 안전율 계산을 위하여 계산되는 체적 및 단위중량 정보들도 전역변수로 설정하였는데 이는 인터페이
스 파일로 내보내기 위함이다. 이들 역시 별도의 그룹으로 설정 하여 검토할 수 있도록 하였다.
4.3 케이슨 안정검토 시트
연구에서 구축한 케이슨 안정검토 시트는 활동, 전도, 지지력 및 직선 활동에 대한 안전율을 계산하고 허용 안전율과 비교하여 검토결과를 반환한다. Table 7에는 안정검토를 위한 주요항목 및 설명, 그리고 엑셀 시트로 구성한 안정검토 시트를 나타내었다.
Table 5. Void Subroutine of Caisson
Using Void subroutine
3D Script Fig. 4. The Three Development Unit
5. 사례적용을 통한 시스템 검증 5.1 사례적용 개요
연구에서는 Table 8과 같이 파력이 재하되는 케이슨 전면에 슬릿이 설치되고 상부에 타설되는 상치 콘트리트부에 단차를 둔 슬릿·요철 형 직립 케이슨을 사례 적용을 위한 기본 케이슨 유형으로 설정하고, 전면 및 배면 벽체의 곡면 여부, 전면부의 케 이슨 높이, 격실의 구성(행·열의 격실 수), 외 측벽의 경사를 변 수로 한 3가지 경우에 대하여 시스템의 사례적용을 수행하였다.
Fig. 5는 Table 8의 각 유형에 대하여 연구에서 개발된 시스 템을 활용하여 안전율을 검토한 내용이다. 대상 케이슨들의 제 원을 ‘케이슨 3D 설계자동화 모듈’의 UI에 입력하여 케이슨 모 델을 자동 생성한 후, Allplan의 속성정보 내보내기 기능으로 안 전율 계산에 필요한 정보들을 인터페이스 파일(‘.xac’ 파일포맷) 로 저장한다. ‘케이슨 안전율 계산 시트’에는 Update 기능을 마 련하여 인터페이스 파일에 현재 저장되어 있는 정보들이 입력 셀주소로 새로고침(Refresh)되어 자동으로 할당될 수 있도록 하
였다. 그리고 마지막으로 대상 케이슨의 제원을 고려하여 설계 조건, 파력산정, 하중조합 등에 대한 정보를 수정하면, 케이슨 의 활동, 전도, 지지력 등에 대한 안전율이 계산되는 것을 확인 할 수 있다.
Table 6. Global Parameters & User Interface
Global Parameters
User Interface
Table 7. Stability Evaluation Sheet of The Caisson
Design Condition Wave Force Calculation
Load Combination Stability Evaluation
Table 8. Caisson Specification
Item Case 1 Case 2 Case 3
Type
•Slit
•Curved Wall
•Jagged Top
•Slit
•Jagged Top
•Slit
•Jagged Top
•Inclined Side Wall
Cell 7×4 5×3 6×4
Size 24.9×37×55 19.6×30×40 24.9×30×44
Weight (tonf) 1289 895 997
사례 모델들의 안전율 검토 결과는 Fig. 5의 하단과 같이 2번째 대상 케이슨의 경우에만 파봉시의 활동 안전율이 0.77로 허용안전율 1.20보다 낮게 산정되고, 나머지 사례에 대해서는 모두 허용 안전율보다 높은 것으로 파악되었다. 또한, 연구에서 는 안전율 결과의 정확성을 파악하기 위하여 실무자가 직접 대 상 케이슨을 2D 및 3D로 모델링하여 안전율 계산에 필요한 정 보를 도출하였으며, 이를 통해 동일한 재료 물량이 산정된 것을 확인하였다.
5.2 시스템 검증 결과
연구에서는 세 가지 종류의 슬릿케이슨에 대한 안정 검토를 대상으로 설계 경력 10년 이상의 실무자들이 기존 방식으로 작 업한 경우 소요된 시간과 시스템을 활용하여 작업한 경우 소요 된 시간을 비교 검토하였다. 작업시간 산정은 실무에서 사용하 고 있는 안전율 계산 시트의 입력정보를 기존 2D 및 3D CAD로 설계·산출하여 입력하는 데 걸리는 작업 시간과 연구에서 개발 된 시스템을 활용하는 데 걸리는 작업시간을 비교·분석하였다.
Table 9는 대상 케이슨에 각각에 대하여 설계 성과와 안전율 계산에 소요된 업무 시간을 분석한 결과를 나타낸다. 이는 총
3번에 걸쳐 슬릿케이슨의 형상과 치수를 변경하고, 안정 검토를 수행한 결과로써 기존 업무에서는 평균 2.5 시간이 소요되는 반 면 BIM 모델과 연계할 경우에는 평균 0.37 시간이 소요되는 것 으로 파악되어, 기존 대비 약 7배 정도로 업무속도가 향상되는 것을 알 수 있었다.
특히 본 사례에서 BIM 모델로부터 추출하는 정보 이외에 일부 정보들은 사용자가 직접 엑셀시트에서 수정하는 작업이 포함되어 있기 때문에, 이를 자동화한다면 추가적인 업무 소요 시간 단축이 가능할 것으로 기대된다.
Fig. 5. Case Study for the Developed System Table 9. Case Study Result
No. Time
2D-based BIM-based
Case-1 3.5 hour 0.5 hour
Case-2 2.5 hour 0.3 hour
Case-3 1.5 hour 0.3 hour
Average 2.5 hour 0.37 hour
Work Efficiency Improvement Ratio, 680%
6. 결 론
본 연구는 BIM 기술의 실무적 활용성을 높이기 위한 방안 으로 파라메트릭 기술을 통해 구조물의 안전율을 검토하면서 BIM 모델을 구축할 수 있는 ‘케이슨의 3D 설계 및 안정 검토 자 동화 시스템’을 개발하였다. 이를 위해 연구에서는 케이슨의 설 계 및 안전율 검토에 대한 실무 설계 자료(도면, 구조계산서 등) 및 설계 지침을 분석하여, 안전율 산정에 필요한 설계데이터와 파라메트릭기반 모델링을 위한 매개변수를 도출하였다. 그리고 이를 통해 케이슨 3D 설계자동화 모듈과 엑셀기반의 케이슨 안 정검토 시트로 구성된 시스템을 개발하였다. 특히 30여 개의 매 개변수가 반영된 케이슨 3D 설계자동화 모듈은 무공케이슨, 슬 릿케이슨, 요철형 케이슨, 곡면형 케이슨 등 다양한 유형의 케 이슨을 실무 수준에 맞춰 BIM 모델을 구현할 수 있게 하였다.
개발된 시스템은 사례적용을 통해 다양한 케이슨 유형을 매개 변수로 BIM 모델링을 자동화할 수 있을 뿐만 아니라 부분적인 형상 변경이 용이하고, 변화된 형상에 따라 안전율을 신속하게
도출할 수 있음을 확인하였다. 특히 이러한 방식이 기존 작업 방식에 비해 약 7배 이상 향상된 업무속도를 갖는 것으로 분석 되었다.
참고문헌
1. 곽한성·오치돈(2019), “2019년 하반기 건설기술인 동향 브리 핑”, 「한국건설관리학회지」, 20(6): 26-31.
2. 조성민·김대용·윤완석(2020), “스마트 건설기술 개발-국가 R&D 사업”, 「대한토목학회지」, 68(8): 16-28.
3. 이광표·최수영·손태홍·최석인(2019), 「국내 건설기업의 스마 트 기술활용 현황과 활성화 방향」, 건설산업연구원.
4. 이헌민·김현승·이일수(2018), “철도 교량의 BIM 구축을 위한 3 차원 모델 생성 자동화 시스템 개발”, 「한국전산구조공학회 논문집」, 31(5): 267-274.
5. 한국항만협회(2014), 「항만건설공사 설계실무요령」, 해양수산부.
6. 해양수산부(2014), 「항만 및 어항 설계기준 해설(상권)」.
