이 두 영 마이다스아이티 CIM기술기획팀, 팀장
1. 마이다스아이티 (MIDAS IT)
마이다스아이티는 공학기술용 소프트웨어 개발 및 보급, 그리고 구조분야 엔 지니어링 서비스와 웹 비즈니스 통합 솔루션 서비스를 제공하는 기업이다. 공학 해석 분야의 핵심 기술인 컴퓨터 그래픽 기반의 시뮬레이션 기술과 첨단 해석 및 최적화 설계분야에서 세계 수준의 기술을 보유하고 있다. 마이다스아이티가 개발하고 보급하는 MIDAS Family Program은 모든 공학 및 산업 영역에서 안 전성과 경제성 분석을 위한 해석과 설계에 적용되고 있으며, 특히 건축, 토목, 지반 등 건설분야에서의 CAE SW 시장점유율은 세계 1위라는 선도적인 위치에 있다.
마이다스아이티의 대표적인 CAE SW로는 midas Gen과 midas Civil을 꼽을 수 있다. midas Gen은 정교하게 설계된 직관적인 User Interface 환경과 컴퓨터 그래픽스 기술이 적용된 건축분야 구조해석 및 설계 솔루션이다. 그리고 토목 분야 구조해석 및 설계검토 솔루션인 midas Civil은 범용 구조해석 프로그램으 로 교량설계에 필요한 이동하중해석, PSC교, 사장교, 현수교 해석을 하나의 프 로그램으로 집적한 해석 및 설계 프로그램이다. 이에 그치지 않고, 현재 마이다 스아이티는 토목분야 BIM 프로그램인 midas CIM을 개발하여 고부가 핵심 엔 지니어링 기술을 확보하고, 스마트건설 분야 4차 산업혁명을 이끌 준비를 하고 있다.
본 기사에서는 마이다스아이티에서 최근 개발한 토목분야 구조해석 및 설계 검토 솔루션인 midas CIM을 소개하고, midas CIM의 구조 및 기술요소를 기술 하고자 한다.
그림 1 마이다스아이티 주요 제품
그림 2 midas CIM
2. midas CIM
midas CIM은 선형정보를 기반으로 3D 정보모델을 생 성하여 기존 midas Civil의 구조해석과 교량설계의 영역을 넘어서 3차원 구조물 계획, 도면성과물 제작, 시공 시뮬레 이션에 이르기까지의 모든 토목 엔지니어링의 과정을 하 나의 정보체계로 공유할 수 있도록 구성되어 있다. 토목분 야에 최적화된 BIM 솔루션으로서 국내 실무에 적합한 다 양한 라이브러리와 구조물 템플릿이 지원되며, 2D CAD 환경으로 구성된 midas Drafter와 연계하여 도면성과물을 생성할 수 있다.
그림 3 CIM의 정보 체계 공유개념도
그림 4 라이브러리 조립을 통한 단위모델 구성 개념
2.1 CIM 구조의 이해
midas CIM은 라이브러리의 조합으로 생성된 직선의 교 량 단위 모델을 최종모델 생성 공간인 Base 모드의 선형에 할당 시 각 라이브러리의 구속조건에 따라 선형의 곡선/사 각 및 편경사를 고려할 수 있는 구조이다.
2.1.1 3D 선형 정보의 구성
2차원 평면/종단 좌표입력 또는 DWG 형식의 CAD 객 체 불러오기를 통하여 3차원 선형을 정의하고, 구조물의 배치를 위한 편경사(Super-elevation) 정보와 Segment 분 할 위치별 사각(Skew) 정보를 설정한다.
2.1.2 라이브러리 구조
특정 참조점을 기준으로 하는 구조물의 집합인 Point Library와 특정 길이의 선형을 기반으로 하는 객체의 집합 인 Curve Library를 조합하여 직선화된 단위 구조모델인 Assembly Unit을 정의할 수 있다.
그림 5 라이브러리 예시
Path의 범위를 정하며, 위치(Location), 선형조정(Alignment) 및 사각(Skew)을 위한 설정을 갖고 있다. 선형 조정에서 By ratio는 길이에 대한 비율로 위치가 결정되고, By dis- tance는 특정 위치로부터의 거리를 기준으로 위치가 결정 된다.
2.1.3.2 Constraint Path : 교량 구조에 사용되는 선형 연동 구조물의 특성에 따라 세 종류의 구속조건을 갖는 Path로 구분된다.
2.1.3.2.1 Main Constraint Path : 2개의 Constraint Plane 에 의해 정의되는 Path이며, 평면 및 종단 곡선 선형에 연 동하고, Path의 길이 또한 선형에 연동된다. 주로, PSC Box 거더교의 주거더, 방호벽 등에 사용한다.
그림 6 Plane의 위치 정보 변경
그림 7 Arrangement Option
그림 8 Main Constraint Path
그림 9 Rigid Constraint Path
2.1.3.2.2 Rigid Constraint Path : 2개의 Constraint Point 에 의해 정의되는 Path이며, 직선의 길이가 고정된 커브 라이브러리에 적용한다. PSC Beam과 같이 사전 제작 (Precast)된 거더 등에 사용한다.
2.1.3.2.3 Sub Constraint Path : 2개의 Constraint Point 에 의해 양 끝점이 제어되는 Path로 직선의 길이가 변경되 는 특성을 갖고 있다. 거더와 거더 사이의 가로보 또는 사 장교의 케이블에 사용한다.
그림 10 Sub Constraint Path
그림 11 라이브러리의 선형 연동
2.1.3.3 Constraint Point : Main Path 상에 생성되는 구속점으로, Rigid Path와 Sub Path의 참조점 및 포인트 라이브러리의 구속점 역할을 한다. Constraint Plane과 마 차가지로 위치 및 선형조정 정보를 갖고 있으며, 포인트 라이브러리의 Follow Path Axis 옵션에 의해 선형 할당 시 라이브러리의 방향을 설정할 수 있다.
- Follow Hor. Path Axis : 평면선형의 할당 방향 - Follow Ver. Path Axis : 종단선형의 할당 방향
2.1.4 구속객체에 의한 선형 연동
구속객체의 특성이 고려된 Point 및 Curve Library를 조 합하여 직선화된 단위 모델인 Assembly Unit을 생성하고, 이를 선형에 할당 시 선형의 기하 정보에 자동 연동하여 최종 모델을 생성하는 구조이다.
선형의 기하 정보와 무관한 단위 모델인 Assembly Unit 생성은 숙련된 BIM 전문 역량을 갖고 있지 않은 실무 엔 지니어의 BIM 접근성에 큰 장점을 갖고 있다. 또한, DB화 된 Library로 관리된 정보 모델은 경간 구성 및 다른 선형 에도 적용이 가능하여 업무 효율성을 크게 높여줄 것이다.
2.2 스마트 템플릿을 통한 교량 모델 자동화
라이브러리가 조립되는 Assembly Unit 구조는 중립화 된 텍스트 서식을 통하여 연관된 Library와 구속객체의 매 칭을 통해 자동 생성할 수 있다.
2.2.1 Neutral Text Format
구속객체와 매칭한 라이브러리의 조립을 위한 중립 텍 스트는 구속객체의 설정 부분과 라이브러리 객체의 할당
그림 12 구속객체의 중립 텍스트
으로 구성된다. 구속객체 설정은 Constraint Plane / Path / Point를 설정하는 부분이다. 구속객체의 설정이 완료되면 Point Library의 경우 구속될 Constraint Point, 위치 및 방향 정보를 입력한다. Curve Library는 구속될 Constraint Plane 및 할당 위치를 입력한다.
그림 13 라이브러리의 할당
그림 14 스마트 템플릿 예시
2.2.2 스마트 템플릿
midas CIM에서는 Library 조립 구조를 활용하여 기본 설계 단계에서 구조물 계획 수립에 바로 적용할 수 있도록 스마트 템플릿 기능을 지원하고 있다. PSC/Steel 거더 교 량 및 케이블 교량에 대하여 간단한 입력만으로 LOD(Level of detail) 200~300 수준의 3D 구조물이 자동 생성되는 기 능이다.
2.3 BIM을 통한 설계 성과품 제작
2.3.1 BIM 모델의 해석 연동
midas CIM에서 만든 3D BIM 모델은 구조안전성 검토 를 위한 유한요소 해석모델을 생성할 수 있으며, 교량해석 및 구조검토 솔루션인 midas Civil로 연계된다. BIM 모델 에서 단면, 재질, 경계조건 등의 정보가 해석모델로 연동 되고, 해석 솔루션에서 하중 및 하중조합 입력을 통해 안 정성 검토를 수행할 수 있다. 추가 입력정보는 BIM 모델 로 저장하여 추후 모델 변경에 따른 추가 작업없이 안정선 검토가 가능하다.
midas CIM의 3D 부재모델은 1D 혹은 2D 요소로 치환 할 수 있으며, 구조설계자가 정의한 요소 간격 기준과 부 재 간의 접합 관계를 고려한 해석 모델이 자동 생성된다.
그림 15 BIM 모델과 해석의 연동
그림 16 3D 정보모델을 활용한 1D 해석모델 생성
그림 17 3D 정보모델과 연계한 도면성과물 제작
2.3.2 설계 도면 제작
3D 정보모델에서 2D Section View 또는 3D Isometric View를 설정하여 2D CAD 형식의 도면을 생성할 수 있 다. 도면 생성은 정보 기반의 2D CAD 편집 환경을 지원 하는 midas Drafter를 활용하며, midas CIM과 연계하여 모델 변경 시의 도면 성과물 또한 함께 업데이트된다.
그림 18 곡선 교량의 종평면도 제작
그림 19 주요 자재 수량집계표
또한, 도로 선형에 따라 곡선화 된 3차원 구조물의 종단 면을 2차원으로 전개한 구조도면 및 Tendon Profile에 대 한 좌표 정보를 테이블 형태로 제작할 수 있다.
2.3.3 수량 산출
midas CIM에서 정의되는 모든 부재는 부피/면적/길이/
중량/개수 등 기본적인 수량 정보가 자동 정의되며, 프로 젝트에 맞는 분류 체계 및 공종 형식을 지정하여 설계 목 적에 부합하는 수량집계표를 생성할 수 있다.
2.4 midas CIM의 주요 특징
2.4.1 사용자 단면에 대한 치수 파라미터 적용
2D Sketch 기반의 User Section 모드에서는 임의 형상 의 사용자 단면을 정의할 수 있으며, 단면 외곽선에 대하 여 고정 및 치수 조건을 부여하여 파라미터를 기반으로 단
그림 20 단면 치수 파라미터
그림 21 파라미터를 활용한 라이브러리 형상 변경
면제원을 변경할 수 있다. 또한, 사용자 단면에 정의된 치 수 조건을 파라미터로 추출하여 라이브러리의 형상 편집 변수로 활용할 수 있다. 여러 개의 단면 및 라이브러리의 파라미터를 연계하여 한 번에 변경할 수도 있다.
2.4.2 상세 모델링
3.4.2.1 텐던 모델링 : 대상 부재의 종방향 및 횡방향 관점에서의 2차원 프로파일을 입력하여, 선형 변화에 따 라서 3차원으로 구성되는 텐던 객체의 형상을 정의할 수 있다.
그림 22 텐던 모델링
그림 23 철근 모델링
그림 24 토공 및 사면 모델링
3.4.2.2 철근 모델링 : 철근이 배치될 절단면을 선택하 여 단면의 외곽 형상을 참조한 횡철근을 정의하고, 횡철근 을 참조하여 종철근을 정의할 수 있다 철근 모델은 연관된 부재의 단면 변화에 따라서 배치 간격과 연장이 연계하여 업데이트된다.
2.4.3 토공 및 사면 모델링
지반조사 자료, 시추주상도, 지반선을 반영한 지층을 Kriging 보간기법을 활용하여 생성할 수 있다. 생성된 지 층은 지하구조물과 연계하여 물량산출, 가설구조물 설 계, 시공계획, 안전 대책 수립 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 그리고 도로 설계에 계획사면을 모델링할 수 있 다. 표준단면에 입력되는 경사, 소단, 지층, 구간 등을 설 정하면 절토, 성토를 자동으로 판정하여 계획사면을 생 성한다.
2.4.4 파일 불러오기 및 내보내기
IFC 2x4 모델 정보를 활용하여 midas CIM의 부재를 생 성할 수 있으며, midas CIM의 부재정보를 활용하여 철근 등의 상세모델 및 부재의 수량속성 정보를 포함한 IFC 모 델을 생성한다. midas CIM에서 GCS 좌표를 설정하여 연 관된 위치에 대한 Google Earth의 지형 그래픽을 모델과 매핑할 수 있고, midas CIM의 부재 형상을 KML 포맷으 로 변환하여 Google Earth에서 가시화할 수 있다.
그림 25 IFC 모델 생성
2.4.5 객체 간 간섭 검토
부재 형식별 또는 그룹별 객체간 간섭을 검토할 수 있
그림 26 객체 간 간섭 검토
으며, 그래픽 레이블로 가시화하여 직관적으로 간섭 위치 를 파악할 수 있다. 간섭 검토에 적용된 결과목록은 모델 정보에 저장되어 모델 수정 후 재검토할 수도 있다.
3. 맺음말
마이다스아이티는 시뮬레이션 소프트웨어 전문 기업으 로서 건축, 토목, 지반 등 건설분야 CAE 소프트웨어 시장 점유율 세계 1위의 자리를 차지하고 있다. 2000년 이후 지 금까지 건축물, 교량, 철도시설 등의 국내 사회인프라 구 조물의 99%가 마이다스아이티 소프트웨어로 해석과 설계 가 이루어지고 있다. 하지만, 이에 머무르지 않고 마이다 스아이티는 4차 산업혁명 시대에 부합하여 스마트건설 시 장을 선도할 수 있는 midas CIM을 개발하였다.
토목분야에 최적화된 BIM 솔루션인 midas CIM에서 생 성한 3D 정보 모델은 기본적으로 선형 정보에 따라서 모 델이 변형될 수 있고, 이와 연계되어 구조해석 및 설계 검 토가 가능하다. 또한, 이를 토대로 시공현장에서 활용하기 위한 2D 도면과 수량정보를 추출할 수 있다. 앞으로 midas CIM을 이용하여 토목분야 기술자들이 BIM 기술을 접목한 자유롭고 다양한 방안의 최적 설계를 실행하고, 이 를 통하여 더 높은 부가가치의 엔지니어링을 지향할 수 있 을 것으로 기대된다.
마이다스아이티는 토목분야 BIM 프로그램인 midas CIM을 개발하여 고부가 핵심 엔지니어링 기술을 확보하 고, 스마트 건설분야 4차 산업혁명을 이끌 준비를 하고 있 다. 대한민국 공학기술 자립화의 꿈을 넘어, 장차 우리의 기술이 바로 세계 표준이 되는 그날까지 부단히 정진하는 것이 마이다스아이티가 추구하는 궁극적인 목표이다.
