< Previous58 자연,터널 그리고 지하공간 1. 서 론 전 세계가 4차산업혁명 시대를 맞이한 현재, 국내에서도 인공지능(AI), 블록체인(BC), 빅데이터(BD), 사물인터넷(IoT) 및 디지털 트윈(DT) 등의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 건설 분야에서도 스마트건설에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이 분야에서 핵심 요소 중에 하나가 건설정보모델링(BIM)이다. 미국, 싱가포르, 영국 등의 국가에서는 스마트건설기술의 핵심인 BIM 사용 의무화 를 통한 디지털 전환 가속화를 위해 노력 중이며, 국내에서도 BIM 기반의 디지털화, 지능화를 통해 스마트건설 실현을 추진 중이다. 현재 정부는 2024년까지 공공분야 BIM 전면설계 의무화를 계획하고 있다. 이러한 강력한 기조에 지반공학 및 터널공학 분야에서도 BIM 도입을 준비해야 할 것으로 판단된다. 본 고(稿)에서는 지하공간 BIM (GeoBIM)의 개념 설명 및 국내외 적용 사례에 대한 소개를 중점으로 다루었다. 2. GeoBIM 2.1 국내 BIM 현황 그림 1에서는 4차산업혁명 시대에 핵심 요소와 스마트건설의 실현을 위한 BIM의 역할에 대한 개념도를 보여주고 있다. BIM의 목적 중 하나는 건설의 계획 단계부터, 조사, 설계, 조달, 시공, 유지관리 등 생애 전주기에 사용할 수 있는 모델을 생성하는 것에 있다. 최종 단계에서 디지털 트윈(Digital Twin)의 본질을 완성하기 위한 도구로도 사용되고, 시공 기간과 시공 비용에 대한 정보가 포함되는 확장형 모델로도 진화한다. BIM은 4차산업혁명의 핵심 요소들과 스마트건설 발전 방향의 연결고리라고 판단할 수 있다. 2020년을 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 안준상 (주)베이시스소프트 대표이사Vol. 23, No. 4 59 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 기준으로 정부에서는 BIM 전면도입을 위한 지침 및 기준을 개정하기 위한 노력을 하고 있다. 최상위 지침인 기본지침과 발주, 설계, 시공단계별 BIM 시행지침을 제정하고 BIM 설계도면 작성을 위한 표준지침을 작성 중에 있다. 설계-시공-유지관리 전주기에 걸친 BIM 사용 의무화(전면도입)를 시설별로 시행할 예정이다. 설계단계의 BIM 적용은 시설별 적용지침 및 대가기준 정비와 연계하여 2024 년까지 단계적으로 의무화(1,000억원 이상 공사)한다. 발주부터 유지관리 전주기에 걸친 BIM 사용은 표준 제정 등과 연계하여 2025년 까지 모든 시설에 적용할 예정이다. 단순 3D 모델 구축에서 벗어나 BIM 정보를 기반으로 발주, 설계, 사업관리(공정, 기성, 품질, 안전 등) 및 유지관리 전반의 업무처리가 가능하도록 진행할 예정이다. <그림 1> BIM과 4차산업혁명 및 스마트건설 구성 요소와의 관계(An et al., 2021) 2.2 GeoBIM 개요 그림 2에서는 상용 프로그램을 활용한 GeoBIM에 대한 개념 및 단계별 활용방안에 대한 개념도를 보여주고 있다. 1차적으로 시추공 정보 및 물리탐사 정보를 활용한 지층 정보의 구축이 선행되며, 이 단계에서 보다 정확한 지층정보 구축 여하에 따라 정보모델의 품질 (quality) 제어가 가능해질 것으로 판단된다. 우선 구축된 정보모델을 사용하여 토공량 산출 등에 직접적으로 활용되며, 이후 지층정보 모델을 활용하면 지반공학 수치해석 모델로 제공할 수 있고, 또한 도로, 철도 등 상부구조물을 포함한 선형 설계 시에 터널 및 지하공 간을 포함한 하부구조물의 지하정보 모델로서의 역할을 수행할 수 있다. <그림 2> 상용 프로그램을 활용한 GeoBIM 수행 절차기술강좌 시리즈 기술교육위원회 60 자연,터널 그리고 지하공간 그림 3에서는 GeoBIM의 일반적인 구성도를 보여주고 있다. 지질 객체(밝은 노란색 설명선), 수리 객체(파란색 설명선) 및 구조물 객체(오렌지 설명선)로 구성되어 있다. 일반적으로, GeoBIM에서 다루는 데이터는 자연적으로 생성된 복잡한 형상을 갖는 객체(지층 등) 뿐만 아니라 사람에 의해 시공된 비교적 단순한 형상도 다룬다. GeoBIM의 기본 틀은 B-REP Solid Modeling과 데이터베이스 시스템의 조합으로 유지된다. B-REP는 Boundary Representation의 약자로 Solid Modeling 기법으로 80년대 중반에 개념이 정립되 고, 현재까지 발전 중인 기법이다. BIM은 건설구조물의 생애주기 동안 데이터를 생성하고 관리하는 프로세스라고 할 수 있다. 일반적 으로 설계와 시공의 생산성을 높이기 위해 3차원, 실시간, BIM 모델링 소프트웨어를 사용하여 BIM을 구축한다. BIM을 생산하기 위한 프로세스는 건축물 형상, 공간 관계, 지리 정보, 건축물 구성 요소의 수량과 속성(properties)을 포함한다. 따라서 BIM은 시공, 설비 및 유지관리, 철거와 지형 개선 등에 대한 건설구조물 전체에 대한 전생애주기를 가시화할 수 있다. 일반적으로, BIM과 3차원 가상 도시 모델은 지표면에 존재하는 객체와 관련된 속성을 모사할 수 있다. 따라서 BIM 개념의 연장선상으로 Geo Building Information Modeling(GeoBIM)이 제안되었으며, 이를 통해서 지질학, 수리지질학 및 지반공학에 관계된 객체 및 속성 등과 같은 지표면 하부에 존재하는 모든 지질객체에 대한 시공 및 유지관리가 가능할 것으로 판단된다. 여기서는 구성 요소, 개체, 형상 및 GeoBIM의 가능성을 설명한다. <그림 3> GeoBIM의 일반적 구성도(Zobl and Marschallinger, 2008) 새로운 시설물이 시공될 때마다 관련된 지하 객체는 GeoBIM의 요소로 간주해야 한다. 건설 프로젝트에서의 위치, 기하학적 형상 및 지표면 객체 속성에 대한 정보가 필요하며, 조사 단계, 설계단계, 시공단계 및 유지관리단계 등 건설생애주기의 모든 단계에 GeoBIM이 적용된다. GeoBIM은 지하공간정보를 포함한 전체 시설물 구축 과정에 대한 디지털적인 표현이 가능해지는 장점이 있고, 데이터 교환 및 상호 운용성을 쉽게 하는 장점이 있다. 일반적인 GeoBIM 데이터 세트는 복잡한 기하형상을 포함한 원지반의 특성뿐만 Vol. 23, No. 4 61 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 아니라 인공 구조물의 비교적 간단한 형태를 포함한다. 지형 및 지반의 형상, 위치, 특성 설계 및 관리 도구 등은 개방형 표준을 준수해 야 하는 원칙이 있다. GeoBIM 개념은 일반적인 지반공학 프로젝트에서 디지털 작업 종료 이후, 현장보고서, 실험보고서 및 수치해석 및 지반설계 보고서 간의 토질 분류를 재작성하는 등과 같은 후처리 작업이 용이해지는 장점도 있다. 그러나 GeoBIM의 주요한 가능성 은 아래에 제시하는 분야에서 새로운 기회를 제공하는 데이터 형식의 일반화이다. (1) 데이터 저장 및 보관 일반적인 포맷으로 저장된 데이터를 사용해도 모든 지반공학 관련 정보를 동일한 데이터베이스에 저장하고 구성할 수 있다. 따라서 전체 데이터 세트를 더 잘 제어하고 장기간 보관할 수 있다. GeoBIM 개념이 지반공학 모델을 업데이트할 수 있는 속도 측면에서 많은 변화를 불러왔다. (2) 3차원 모델링 사용 가능한 모든 데이터는 2D/3D 모델링 소프트웨어에서 사용할 수 있다. 일반적으로 지반공학 분야에서 사용되지 않았던 많은 모델 링 소프트웨어를 사용할 수 있는 가능성이 생겼다. 또한 수치해석의 정확성과 최종 지반공학 모델의 정확성이 확보될 것이다. 생성된 모델을 더 빠르게 업데이트하고 협업할 수 있는 기회를 제공한다. (3) 설계 프로세스 새로운 지반공학 모델링 도구를 사용하여 지반공학 모델을 사용자가 선호하는 데이터 형식으로 설계 도구(예: Civil 3D, Micro- station)에 객체로 내보낼 수 있다. 반대로, 이러한 많은 지반공학 모델링 도구는 설계된 구조를 가져올 수도 있다. 현재 상용화되어서 활용 중인 GeoBIM 관련 소프트웨어들은 약간의 제약이 있긴 하지만, 양방향으로 모델/객체를 원활하게 이동할 수 있다. 모델/객체에 대한 정보, 메타 데이터 및 기능을 서로 다른 소프트웨어 간에 유지할 수 있어서 설계 프로세스 측면에서 신속성이 확보되었다. (4) 가시화 현재 사용되는 건설 분야의 다양한 데이터는 종이에서 3D 모델에 이르기까지 다양한 형식으로 시각화되며, 정확성과 완전한 해석 가능성에 도달할 수 없다는 것이 분명하다. 소프트웨어의 모든 데이터 세트를 시각화하는 기능으로 이러한 매개변수가 훨씬 향상된다. 비 지반공학 파트너를 위해 GeoBIM 프로젝트에서 상용화된 소프트웨어들은 전체 지반공학 작업의 적절한 협업 도구로 진화하여 지하 공간에 존재하는 대상에 대한 이해도가 향상되는 장점이 있다. 3. GeoBIM 국내 적용 사례 그림 4에서는 GeoBIM 기반 디지털 트윈 생성 절차를 보여주고 있다. 시추조사, 수치지도, 물리탐사 등의 지반 조사 자료로 3차원 지층모델을 구축한 이후에 새로운 데이터들이 발생하면 내용을 반영하여 지층모델을 전통적인 방법에 비해 상대적으로 쉽게 업데이트 할 수 있다. 이후 소프트웨어 내부 알고리즘 및 전문가 판단을 반영하여 모델을 수정 및 보완한다. 이후 완성된 모델을 수치해석에 사용할 수 있도록 맞춤형 정보를 내보낼 수 있다. 또한, 설계단계에서 사용할 수 있도록 정보를 제공하거나, BIM 모델과 결합하여 디지털 트윈을 완성하는 절차를 따른다.기술강좌 시리즈 기술교육위원회 62 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 4> GeoBIM 기반의 디지털 트윈 구축 과정(Leapfrog Works 활용 시) 3.1 GeoBIM 기반의 디지털 트윈 구축 사례(제주 천연동굴-도로 교차 구간) 그림 5에서는 제주도 한림에 위치한 재암천굴과 정구수굴의 위치를 보여주고 있다. 제주형 지반함몰 대응형 유지관리시스템을 구 축하기 위한 초기 연구로 진행되고 있는 중이며, 상부도로와 교차하고 있는 천연동굴에 대한 디지털 트윈 구축을 시도하였다. 레이저 스캐너를 활용한 동굴 모델링, Leapfrog Works 프로그램을 활용한 3차원 지층 모델링, 드론을 활용한 주변현황 모델링 등의 개별 데이터 구축을 통해서, 개별 데이터의 통합 및 디지털 트윈과의 연계 방법을 제시하였다. 그림 6에서는 GeoBIM 기반 디지털 트윈 구축에 관한 흐름도를 보여주고 있다. 흐름도 상에서 sub-①은 레이저 스캐너를 활용한 동굴 모델링 부분, sub-②는 드론을 활용한 주변현황 모델링 부문, sub-③는 Leapfrog Works 소프트웨어를 활용한 3차원 지층 모델링 부분을 설명하고 있다. <그림 5> 제주도 한림 재암천굴과 정구수굴의 위치Vol. 23, No. 4 63 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 <그림 6> GeoBIM 기반 디지털 트윈 구축 흐름도(재암천굴, 정구수굴) 그림 7과 8은 재암천굴과 정구수굴에 대한 동굴 형상 레이저 스캐닝의 결과를 보여주고 있다. 동굴의 형상 모델링을 위해서 레이저 스캐너 장비 중 Leica Geosystem의 BLK360 및 TOPCON사의 GTL-1000을 사용해서 동굴 모델링을 수행하였다. 그림 9와 10은 Leapfrog 프로그램을 사용한 재암천굴과 정구수굴 지역의 지층 모델링 형상을 보여주고 있다. 재암천굴 지역은 지반조사보고서를 참고해서 시추주상도 정보를 활용하였고, 정구수굴 지역은 참고할 수 있는 지반조사보고서가 존재하지 않아서 본 연구수행 시 실시한 GPR 데이터를 활용해서 지층을 모델링하였다. 또한 그림 11과 12는 ContextCapture 프로그램과 드론 장비를 활용한 도로와 동굴이 <그림 7> 재암천굴 레이저 스캐닝 모델(BLK 360)<그림 8> 정구수굴 레이저 스캐닝 모델(GTL) <그림 9> 재암천굴 주변 지층 모델(Leapfrog)<그림 10> 정구수굴 주변 지층 모델(Leapfrog)기술강좌 시리즈 기술교육위원회 64 자연,터널 그리고 지하공간 교차하는 주변 현황에 대한 모델과 동굴 모델을 결합한 형상을 보여주고 있고, 그림 13과 14는 모든 절차를 통해서 완성된 통합 모델을 보여주고 있다. <그림 11> 동굴+주변현황 모델(재암천굴)<그림 12> 동굴+주변현황 모델(정구수굴) <그림 13> 통합 모델(재암천굴)<그림 14> 통합 모델(정구수굴) 3.2 Leapfrog Works를 이용한 3차원 지층 평가(○○지역 신축 아파트 현장 부지) ○○지역 아파트 현장 부지에 대해서 설계 당시 지층분포와 시공 당시 지층분포가 상이해서 추가 지반조사를 진행하고, 재설계 및 시공 중에 GeoBIM 개념의 접근 방식으로 상대적으로 정확한 3차원 지층 분포를 확인한 사례이다. 현재 Ongoing 프로젝트이기 때문에 상세 내용은 언급하지 못하는 점에 대해서 양해 부탁드린다. 그림 15에서는 실시 설계 시 적용된 ○○지역 신축 아파트의 말뚝 기초를 포함한 지반 수치해석의 단면을 보여주고 있다. 하지만 그림 16에서 보는 바와 같이 시공 시 발견된 단층대의 존재로 인해 <그림 15> 실시 설계 시 지반 모델<그림 16> 추가 지반조사 이후 지반 모델Vol. 23, No. 4 65 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 공사를 중단하고, 추가 지반조사와 재설계를 진행한 사례이다. 본 고(稿)에서는 추가 지반조사를 통해서 구축된 3차원 지층모델에 대해서만 기술하였다. 그림 17에서는 추가 지반조사 결과를 반영해서 재구성한 과업 구간에 대한 3차원 지층모델 형상을 보여주고 있다. Leapfrog Works 프로그램을 사용해서 과업을 진행하였다. <그림 17> 추가 지반조사를 업데이트한 과업 구역에 대한 3차원 지층 모델 3차원 지층 모델링을 위해 사용된 데이터는 그림 17의 상부 지역에 이미 완공되어 주거가 진행되고 있는 ○○아파트 시공 과정에서 조사된 지반조사 결과 중에 시추공 데이터와 그림 17의 하부 지역인 현재 과업 대상 구역에 대한 지반조사 결과 중에 시추공 데이터를 기반으로 1차 모델링을 수행하였다. 설계 중단 후, 현재 과업 대상 구역에 8공의 추가 시추조사를 통해서 획득한 데이터를 기반으로 지층의 정보를 업데이트해서 최종 적인 3차원 지층 모델링을 완성하였다. 모델링에서 구분된 지층은 시추주상도의 지층 구분을 기반으로 하여 붕적층, 매립층, N<30의 풍화토1, N>30의 풍화토2, 풍화암, 기반암으로 구분되었다. 기존 상부 지역 아파트의 경우, 우측으로 갈수록 풍화대가 증가하는 경향 을 보이며 암반 출현 심도는 2.6m에서 15.5m 사이에서 나타나고 있다. 과업 구역의 암반 출현 심도는 65.7m에서 78.6m 사이에서 나타나고 있다. 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 기반암 출현 심도가 깊어지는 경향을 보이고 있다. 기반암의 출현 심도가 급격히 깊어지는 구간은 상부 지역 기존 아파트와 과업 구역의 경계부로 풍화대가 급증하는 형태를 나타내고 있다. 기존 상부 구역과 현재 과업 구역의 경계 부분의 종단면을 생성한 후, 기존 아파트 우측 및 좌측 위치에서 생성한 2차원 횡단면을 통해서 지질 특성을 평가하였다. 그림 18에서는 2개의 횡단면 및 1개의 종단면을 GeoBIM 기반의 3차원 지층 모델로부터 생성한 형상 을 보여주고 있다. 그림 19에서는 기존 아파트 우측 위치의 횡단면에 대해서 보여주고 있다. 이 경우 아파트 지하의 일부만을 기반암이 지지하는 것으로 나타났으며, 대부분의 경우 N<30의 풍화암과 N>30의 풍화토 구역에 시공된 것으로 나타났다. 과업 구역의 경우 기술강좌 시리즈 기술교육위원회 66 자연,터널 그리고 지하공간 대부분이 붕적층과 N<30의 풍화토으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이렇게 업데이트된 단면을 기반으로 지반공학 수치해석 에 활용하였다. <그림 18> 수치해석을 위한 단면 정보 내보내기 <그림 19> 기존 아파트 기준 우측 지층 횡단면 정보Vol. 23, No. 4 67 지하공간 BIM 설계(GeoBIM)의 국내외 적용 사례 <그림 20> 기존 아파트 기준 좌측 지층 횡단면 정보 기존 아파트 좌측 위치에 대한 단면을 그림 20에서 보여주고 있다. 이 경우 횡단면도를 통해 일부 구역만이 풍화암과 N>30의 풍화토를 기반으로 한 것을 확인할 수 있으며, 과업 구역의 경우 굴착 깊이가 깊 지 않거나 굴착을 하지 않아도 될 정도의 지상고를 유지하는 것으로 확인된다. 이러한 2개의 횡단면 정보를 통해 과업 구역의 안정성 평가 를 위한 수치해석 자료로 활용하였다. 두 단면 자료를 통해 과업 구역 으로 향하는 아파트 종단 부분에서 풍화대가 크게 발달하는 경향을 확 인할 수 있으며, 급격한 지층 변화로 인해 해당 부분에 단층에 대한 영 향이 존재할 수 있을 것으로 판단하였다. 기존 상부 지역과 현재 과업 구역인 하부 지역의 경계부에 대한 종 단면을 그림 21에서 보여주고 있다. 이를 통해 기존 아파트 기준 우측 과 좌측의 대부분은 N<30의 풍화토와 N>30의 풍화토가 지지하는 형 태를 나타내고 있는 것으로 나타났으며, 좌측에서 우측 위치로 이동할 수록 풍화암 영역이 넓어짐을 확인할 수 있었다. 우측 위치의 경우 과 업 구역의 굴착에 따른 안정성 부분을 고려해야 할 것으로 판단되어서 별도의 수치해석을 진행하여 최종 결론을 제시한 상태이다. <그림 21> 상부 지역과 하부 지역 경계부의 종단면 정보Next >