< Previous58 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -2.3.3 터널 모델링천황산 터널은 전체 연장 5,503m의 초장대터널로 기존의 2D설계를 가지고 효율적 시공계획을 수립하기엔 한계가 있다. 기존에 진행되어온 국내의 터널 설계기법은 선형설계와 단면설계에 대한 성과도면이 별도로 구성되어 전체 노선을 따라 터널의 단면이 어떻게 변화하는지 한눈에 파악하기 어렵다. 따라서 불충분한 도면으로 시공현장에서 본선과 접속되는 기타 시설물들의 간섭으로 설계변경이 되는 사례는 빈번하다. 이러한 문제점을 본 설계에서 개선하기 위하여 BIM 터널 모델링을 다음과 같이 상세하게 적용하였다.앞서 언급한 바와 같이 시공현장에서 활용이 가능하도록 터널 모델링 범위를 확장 적용하였다. 전체 구간에 대하여 2D설계를 3D모델링으로 구현하는 전환설계를 기본으로 하고, 상세 부재별 속성정보를 포함하여 시공 중 선행검토 혹은 변경이 용이하도록 시공효율성 향상에 초점을 두었다.3D 정보모델 구축에서 가장 먼저 고민해야 할 사항은 각 부재별 모델링 구성에 대한 부분이다. 생성된 BIM 모델의 활용 극대화를 위하여 한국도로공사 지침인 EX-BIM 가이드라인을 근간으로 모델링 부재를 구성하였다. EX-BIM 가이드라인에서는 WBS(Work Breakdown Structure)체계인 작업공종별 모델링을 권장하고 있다. 따라서 본 천<표 4> 구조물 현황구분주요 내용시설물명천황산 터널시설규모L=5,503m / 일방향 2차로시설물 현황∙ 경사갱 2개소, 지하환기소 2개소∙ 대인용 피난연결통로 26개소∙ 차량용 피난연결통로 4개소∙ 대형차량용 피난연결통로 5개소<표 5> 터널 모델링 적용 범위구분적용 내용3D 모델링∙ 패턴별 단면 모델링∙ 주요 구조물 상세 모델링∙ 지형 및 지반정보 입력간섭검토주요지장물 간섭 검토장비운영 검토굴착 및 운송장비 운영검토<그림 6> 배수유역 검토(Civil 3D)<그림 7> 사토장 검토(Civil 3D)Vol. 20, No. 3 59황산터널의 모델링은 각 지보패턴과 시공시 각 공종별로 아래 그림 8과 같이 구성하였다.전 구간에 대하여 작성된 패턴별 모델링을 기초로 주요 부위에 대한 상세 모델링을 수행하였다. 갱문, 지하환기소, 피난연결통로 등 간섭이 우려되고 시각적인 정보가 필요한 시설물에 대한 상세한 모델링으로 각 설계분야별 원활한 의견반영이 가능하도록 하였다.그림 9와 같이 주요구간 상세모델링은 2D도면으로는 직관적인 이해가 부족하여 시공이 곤란한 구간에 대하여 사전 검토로 설계시 발생한 오차를 감소시키고 현실적인 시공계획을 수립할 수 있는 효과적인 방법이다. 특히 시설물 간의 접합부분이나 지하에 매설되는 구조물의 위치를 사전에 파악하여 3D모델링으로 검토하면 시공중 설계 변경 최소화 및 리스크를 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 수량 누락 및 시공간섭 여부 등의 사항도 사전에 체크할 수 있다.<그림 8> 각 지보패턴별 터널 모델링 부재(Revit)[지하환기소 모델링][터널 갱문 및 옥외공동구 모델링][본선-피난연결통로 모델링]<그림 9> 환기소/갱문/피난연결통로 상세모델링(Revit)<그림 10> 지하 구조물 간섭검토(Revit)60 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -또한, 터널 갱구부 지층조건을 고려하여 비탈면이 포함된 갱구부 설계적정성을 검토하였다. 터널의 시․ 종점부 갱문과 비탈면은 실제지형을 반영한 모델링 데이터로 갱문 구조물의 단면계획에 큰 도움이 되었고, 비탈면 구간의 지층별 굴착량을 정확히 산정할 수 있었고 이를 통한 토공부에 대한 수량과 공정계획도 반영할 수 있었다.경사갱의 경우 협소한 단면으로 장비운영의 검토를 통한 공정계획의 반영이 필요했다. 장비 작업 반경을 고려하여 굴착 및 버럭 운반에 대한 페이로더와 덤프트럭의 동선계획을 통한 최종적인 최적 단면계획을 수립할 수 있었다.2.3.4 기타 3D를 활용한 사전 설계기존의 2차원 평면 설계방식은 각종 오류와 문제점이 발생하여 기획, 설계, 시공까지 변수로 작용하게 된다. BIM은 이러한 평면 모델링을 입체화하여 3차원 설계 및 공사관리 기법으로 기존 2D설계의 오류를 최소화할 수 있다. 기존 2D설계에서는 그림 13과 같이 접속되는 구조물간의 정확한 공제물량 산출이 불가능했을 뿐 아니라 접속구간의 형상 표현에도 한계가 있었다. 하지만 3D모델링을 통해 접속되는 구조물의 형상 모델링이 가능해짐에 따라 접속부 보강 락볼트 설치 등 시공 중 고려해야할 사항에 대하여 사전 시뮬레이션 검토가 가능했다. <그림 11> 갱문 법면 및 지층별 굴착(Revit & Civil 3D)<그림 12> 경사갱 장비운영 검토(Navisworks)창녕방향본 선함양방향본 선1,5001,500ts300ts300본 선ts4,5004,40065020015087050507ts13,61343750600150150650250AAts ts 3002.1001.500300ts3003.1102.810ts3003.1102.810피난연결통로본 선ts4,5004,40065020015087050507ts13,61343750600150150650250본 선<그림 13> 피난연결통로 접속부(2D & 3D)Vol. 20, No. 3 61특히 공동구와 횡배수관 등의 소규모 구조물은 2D설계시 설치되는 위치나 연장 등의 오류가 다수 존재하였다. 관로 규격 및 연장이 일반도와 단면도가 불일치하거나 일부 수량이 누락되어있는 등 설계도서의 미흡한 부분이 존재하였다.한편, 일반적인 2D 터널설계의 물량 산출방법은 패턴별 단면의 단위수량을 산출하여 해당 구간의 연장에 동일한 단위수량이 적용되는 방식이다. 이러한 물량 산출방법은 선형과 지반조건이 급변하는 구간에 대하여 정확한 물량산출이 어렵다. 특히 공제물량이나 마감물량의 경우 시공물량과 차이가 많이 발생했다. 또한 락볼트 등의 보강재의 경우에도 설계물량과 시공물량이 많은 오차가 있음을 확인할 수 있었다.2.4 BIM 모델 속성을 활용한 4D(Schedule)와 5D(Cost)의 자동연동2.4.1 4D&5D 설계의 기본개념3D 모델링의 체적, 면적, 길이, 개수의 속성을 수량산출 산식에 적용하여 산정된 수량에 단위당 작업량과 단가를 맵핑하면 4D(Schedule)와 5D(Cost) 설계내용이 자동적으로 산출되는 것이 BIM을 활용한 설계의 기본개념이다.하지만 현재 토목분야 설계시 BIM을 활용한 3D 모델링과 4D와 5D를 통합적으로 자동 연동한 프로젝트는 전무하다.이번 프로젝트에서는 토목BIM분야에서 처음으로 3D모델링과 4D, 5D가 통합관리프로그램(Vico Office)에서 자동 연동되도록 구현하였다.이처럼 3D, 4D, 5D의 자동 연동을 구현하면 최초 맵핑 후, 3D 모델링 수정만으로 공정(4D)과 비용(5D)이 자동 수정되므로 설계 변경시 매우 효율적인 관리가 가능하다.2.4.2 4D(Schedule, 공정) 연동국내외 토목BIM분야에서 4D(Schedule)는 다양한 프로그램을 통해 구현되는 것이 일반적이지만 모델링 변경에 따른 4D(Schedule)의 자동 연동을 구현한 적은 없다. 따라L 터 널CL 도 로C-3 %-3 %L 터 널CL 도 로C+3 %+3 %2,6353,0002,4933,0002,2013,0002,5083,000S=0.30%S=0.30%<그림 14> 시점부 갱부구 옥외공동구(2D & 3D)<그림 15> 단위수량 산출 및 보강재 모델링(Revit)62 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -서 이번 프로젝트에서는 통합관리프로그램(Vico Office)을 사용하여 모델링 변경이 되면 4D(Schedule)에 자동연동이 될 수 있도록 구현하였고 그 과정은 다음과 같다.먼저 도로사업은 그 특성상 선형적이고 동시다발적인 공정계획이 필요하므로 공정계획을 위해 사전에 공사구간을 구분하는 작업이 선행되어야 하며, 그림 16과 같이 공사구간을 설정한다.건축의 수직적이고 일방향적 공정계획과 달리 다양한 토목의 공정 계획시 구간선정 작업이 가장 공사적인 측면에서 가장 중요한 작업이다.두 번째 작업은 그림 17과 같이 작업공정(Activity)을 계획하고 각 공정에 맞는 작업량(Q)을 입력하여 기간을 산정하고, 작업공정간의 선․후행 관계를 설정함으로써 공정표를 작성하는 단계이다.위 단계를 거처 4D(Schedule) 연동을 한 결과 그림 18, 19와 같은 공정표가 생성된다.생성된 공정표를 확인하여 작업 기간을 조정할 수 있으며, 모델링 변경 시에는 상기의 공정표가 자동으로 변경된다. 또한, 그림 20과 같이 공정 시뮬레이션으로 작업공정을 확인할 수 있으며, 이를 통해 시공중 공사 실적관리도 가능하다.<그림 16> 구간별 섹션계획(Vico office)<그림 17> 작업량 및 작업공정 설정(Vico office)<그림 18> 공정표(플로우라인뷰)(Vico office)<그림 19> 공정표(간트뷰)(Vico office)Vol. 20, No. 3 632.4.3 5D(Cost) 연동국내외 토목BIM분야에서 5D(Cost)을 구현한 프로젝트를 조사한 결과 3D 모델링을 통해 개체의 체적 및 면적을 추출하여 2D설계와 같이 Excel로 변환 후 단위단가를 곱하는 방식의 5D를 구현하고 있는 실정이다. 이 방식은 3D모델링과의 자동연동은 아니므로 모델링 변경시 똑같은 작업을 반복적으로 하는 수동적 방식이다. 이번 프로젝트는 3D모델링과 5D(Cost)가 자동으로 연동되는 방식을 구현하였다. 다음은 5D(Cost)를 구현하는 과정을 나타낸다.첫번째 작업은 그림 21과 같이 부재별로 프로그램(Revit)에서 작성된 모델링을 통합관리프로그램(Vico Office) DB에 등록함으로써 모델링이 변경될 때마다 각 버전별로 관리가 가능하므로 설계 변경시 모델링 변경 전ㆍ후에 대한 수정사항을 직관적으로 확인이 가능하다.두번째 작업은 그림 22와 같이 기존에 Excel로 작성된 발주처 공사비 내역서를 통합관리프로그램(Vico Office)<그림 20> 공정 시뮬레이션 및 진도관리(Vico office)<그림 21> 3D 모델링 DB 등록(Vico office)<그림 22> 공사비내역서 DB 등록(Vico office)64 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -의 DB에 등록한다. 이 작업으로 단가가 입력된 내역서가 통합 관리프로그램 내에서 등록되었으므로 공사비 산출이 가능하게 된다.세번째 작업은 그림 23과 같이 부재별 모델링의 속성값을 산식에 적용하여 내역서에 수량을 맵핑하는 작업으로서 모델링의 체적, 면적, 길이, 개수 등의 속성값을 수량산출 산식에 대입하여 내역서에 수량을 입력한다.그 결과로 그림 24와 같은 수량입력이 완료된 전체 공사비를 산출할 수 있다. 위 단계를 거쳐 5D(Cost) 연동을 구현하였고, 설계 변경시 모델링의 수정만으로 공사비의 자동산출이 가능하다.추후 이 데이터를 시공시에 운용한다면 설계변경에 대한 이력 및 변동 공사비 관리를 현장에서 효율적으로 할 수 있을 것으로 판단된다.2.5 기존 2D설계와 비교 및 활용2.5.1 수량산출 검증기존 2D 설계기반의 수량과 3D BIM 기반의 수량을 비교하여 수량산출에 대한 오차를 검증해 보았다. 동일한 조건으로 수량을 비교하여 검증의 신뢰성을 높였으며, 기존 2D설계의 수량산출서 및 내역서를 기준으로 수량 비교 공종을 결정했다. 표6은 원안설계의 도면 및 수량을 기반으로 주요 공종별 수량을 비교한 결과이다. 터널의 총굴착량, 라이닝, 숏크리트, 락볼트 수량을 검토한 결과 다소간의 차이는 있었다. 이는 갱구부, 피난연결통로 접속구간, 지하환기소 등의 복잡한 구간에서 발생된 것으로 확인되었다.본 검토에서는 시간상의 사유로 전체 수량 중 일부 항목에 대해서만 검토하였으나 실제 모델링된 전체 항목에 대해 BIM 기법을 활용하여 산정된 수량산출로 접합부 공제수량을 제대로 반영한 공종별 수량이 산출된다면 각 공정별 공사비 뿐만 아니라 전체 사업비의 오차도 줄이면서 중복수량 및 누락, 공제 수량에 대한 설계의 정확도를 매우 높일 수 있을 것으로 판단된다.<그림 23> 내역서 수량 맵핑(Vico office)<그림 24> 공사비 산출 내역서(Vico office)Vol. 20, No. 3 652.5.2 2D설계와 시간적 효율성현장여건에 따라 시공중 설계변경이 필요한 경우가 매우 잦은 편인데 2D 기반의 설계는 도면 생성 후 수량산출서 작성을 해야만 물량 산출이 가능하다. 이러한 과정의 물량산출은 상당히 많은 시간을 필요하게 된다. 그러나 공종별, 규격별 모델링으로 구성된 3D 기반의 설계는 기존 2D 설계에 비해 시간적 효율성이 매우 향상된다. 예를 들어 터널 굴착 중 지반조건이 변경되어 시공패턴이 변경되어 설계변경을 할 경우 기존 2D 설계에서는 도면, 수량 등의 작업이 모두 수작업으로 이루어졌으나 BIM을 활용한다면 이미 작성되어 있는 모델링 데이터를 변경하여 단시간에 정확한 물량산출을 할 수 있게 되며, 그 정확도 또한 높게 된다.이러한 일련의 과정은 각 구간별로, 각 공정별로 동시 다발적으로 진행되는 공사에 대해 설계변경에 대한 수량, 공사비 등이 즉시 산출가능하고, 그에 따른 공정 Schedule까지 검토하는 시간도 단축될 것으로 사료된다.이와 같이 한번 구성된 모델링 데이터는 2D설계에서 오랜 시간 반복적으로 필요했던 작업을 획기적으로 간소화 시킬 수 있고, 다양한 방향으로 활용이 가능하다. BIM 설계의 가장 바람직한 방향은 설계 계획단계에서부터 3D 기반의 데이터가 구축되어 시공중, 시공완료 후 유지관리까지 연계되는 과정이 앞으로 필요한 부분이며, 그렇게 변화될 것으로 사료된다.<표 6> 주요 공종별 수량 비교구분총굴착(m3)라이닝(m3)숏크리트(m3)락볼트(EA)오차율(%)2D3D2D3D2D3D2D3D총굴착(m3)라이닝(m3)숏크리트(m3)락볼트(EA)A패턴61,90661,1624,8944,8561,5901,590662676-1.20-0.78-2.11B1패턴161,748 162,09012,75512,6524,5614,5063,2373,2470.21-0.81-1.210.31B2패턴1,3111,314103102363630300.23-0.97--C1패턴63,38063,5295,2425,2032,6442,6402,9823,1450.24-0.74-0.152.47C2패턴5,2955,271435431219219297297-0.45-0.92--D1패턴6,1976,2135355313393404924960.26-0.750.290.81D2패턴21,18021,2331,8311,8171,1621,1662,2422,4020.25-0.760.342.14원안 설계변경전 패턴패턴 변경설계 변경변경후 패턴<그림 25> 설계변경 활용 개요도66 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -3. 맺은말본 고에서는 BIM을 활용한 초장대터널의 설계를 수행한 사례를 소개하였다. 2010년대 초반 BIM이 설계에 도입된 이후 시공중 간섭검토와 현장 시뮬레이션 정도의 시각적인 요소에만 집중되어 있던 기존 2D 설계에서 부재별 속성을 활용한 수량산출, 공정과 내역의 자동 연동, 대안선형에 대한 신속한 설계변경, 토공 물량 검토(사토장 용량, 갱구 비탈면 토공량 등), 접속구조물에 대한 인터페이스 등 정보중심의 BIM설계가 가능한 사례로 볼 수 있다. 이러한 설계에서의 시도는 기존에 수행된 적이 없는 시도였으나, 그 결과는 매우 만족스러운 결과를 나타냈다.특히, 2D 기반의 설계에서 찾기 어려운 문제점을 BIM으로 검토함으로써 설계와 시공의 문제점을 사전에 보완하는 큰 효과를 볼 수 있었다. 특히, 기존 양단면 평균법으로 산정하던 절․ 성토량을 조사데이터를 활용하여 3D 지층모델링을 구성하면, 설계변경 시에도 빠르고 정확한 수량산출을 할 수 있었고, WBS(Work Breakdown Structure)체계로 모델링한 3D정보모델을 패턴별 라이브러리화 함으로써 빠른 설계변경에 대처가 가능한 점에서는 시공분야에서도 충분히 사용이 가능하다는 것을 예측할 수 있었다.현재까지 토목분야에서 BIM 설계는 Viewing, Showing이라는 인식이 대다수이다. 이제는 위 설계사례와 같이 3D모델의 정보속성을 바탕으로 3D(도면, 수량산출), 4D(공정관리, 시뮬레이션), 5D(공사비산출, 실적관리)등 상호 연동이 가능한 고도화의 BIM설계가 필요한 시점이다.이를 위해선 국내 발주기관에서는 기획, 설계, 시공, 유지관리 단계까지 BIM 시범사업들을 더욱 활성화할 필요성이 충분하다고 판단된다. 그러나 이를 위해서는 국가적 차원에서의 표준화된 WBS체계의 도입이 절실한 부분이다.BIM을 활용한 설계는 아직까지 시도하지 않은 미지의 분야이기 때문에 시도하여 나올 수 있는 결과물은 무궁무진할 것으로 예측된다. 특히, 설계변경을 통한 시공중 현장관리에 있어서는 현장 공무와 발주처의 업무를 매우 효율적으로 관리할 수 있는 획기적인 관리 툴이 될 것으로 예상된다.향후 설계사례를 바탕으로 시공 중 BIM 활용방안에 대하여도 좀 더 자세히 다루도록 할 예정이다.Vol. 20, No. 3 67기술기사 51. 시험 개요1.1 시험 목적연약한 지반이나 토피가 적은 굴착면의 안정 및 붕괴방지를 위해 강관 삽입 및 그라우팅에 의한 구조적 보강으로 터널의 안정성을 확보하는 강관다단그라우팅은 씰재 및 주입재의 품질관리에 따라 안정성이 좌우될 수 있으며, 씰재 및 주입재의 적정 겔화 및 경화시간을 정량화하는 것이 강관다단그라우팅 보강 품질 확보의 관건이라고 할 수 있다.씰재의 주입 후 겔화시간이 너무 짧으면 그라우팅 주입재가 지반으로 원활하게 침투되지 못하고, 겔화시간이 너무 길면 그라우팅 주입재가 역류하게 되어 본 주입이 제대로 시공되지 못하는 문제점이 있다. 실제 현장에서는 씰재를 누락하거나 혹은 씰재 주입 후 겔화 전 본 주입재 주입으로 주입재와 씰재가 섞여 본 주입의 그라우팅 보강강도가 확보하지 못하는 경우가 발생하기도 하고, 씰재의 배합에 따라 씰재의 팽창이 제대로 되지 않거나 재료분리에 의해서 강관 끝부분까지 씰링이 제대로 주입되지 않기도 한다.현재 현장에서의 강관다단그라우팅시공은 현장상황에 따라 공기단축을 위해 겔화시간과 상태를 확인하지 않고 바로 다음 굴착공정을 시공함으로써 실제 시공기간이 3.0일 필요함에도 불구하고 강관다단그라우팅이 지반에 시공되어 확인이 불가능하다는 이유로 1.5~2.5일에 시공이 이뤄지고 있다. 따라서 강관다단 그라우팅 보강효과의 검증을 위해 현장 지반조건과 현황에 맞는 실내시험 및 실규모 시험을 통한 정량적 검증의 필요성이 대두되었고, 이에 ○○설계에서 터널 보강공법인 강관다단그라우팅의 실물시험 시행으로 본 주입재의 압축강도와 씰재의 적정 겔화시간을 도출하여 합리적 터널 싸이클 타임을 반영하강관다단그라우팅 모형실험 연구사례김기환(주)삼보기술단 지반사업본부 이사최창림(주)삼보기술단 지반사업본부 전무노재균(주)선구엔지니어링 지반/터널부 상무최재영동부엔지니어링(주) 지반공학부 상무Next >