< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 BIM기반 철도 통합운영시스템 개발 현황 및 추진 방향 3. 철도인프라 BIM 설계 기술 개발 철도 인프라 BIM 설계 모델은 크기와 형상이 유사하여 반복적인 작업이 이루어지고, 정형화되기 어려운 토목구조물 의 특성상 표준도의 활용성이 높지 않은 문제가 있다. 이는 지금까지 철도 인프라 설계 분야에 BIM 도입이 늦어진 주요 요인이라 할 수 있다. 철도는 공간적으로 수 km에서 수백 km까지의 광범위한 선형 시설물로 이루어지며, 계획단계에서 부터 지형, 지질, 지리학적 전산 정보의 생성, 전달 및 활용 측면에서 건축 등 타 분야의 BIM보다 더욱 원활한 정보의 운 용이 요구된다. 철도 인프라 BIM 설계기술 개발 분야는 BIM 설계 데이터 고도화를 목표로 고품질의 디지털 모델을 생성하고, 공유함 으로써 설계효율을 향상시키기 위한 다양한 기술개발을 진행하고 있다. 디지털 모델 생성 및 품질관리 자동화 기술, 전 자 납품체계와 디지털 모델 공유를 위한 설계정보관리시스템, 개방형 철도 인프라 BIM 데이터센터 구축 및 운영 기술 등을 개발하고 있다. 그림 2는 철도 인프라 BIM 설계기술 개발 분야의 주요 연구개발 내용이다. <그림 2> 철도 인프라 BIM 설계분야 주요 연구개발 내용 ① 철도 인프라 BIM 디지털 모델 생성 자동화 기술개발 : 본 연구에서는 BIM을 구성하는 라이브러리(Library) 모델링 과 파라메트릭(Parametric) 모델링, 비쥬얼 프로그램을 활용한 Add-On 제작 도구 등을 개발하여 사용자가 쉽고 편 리하게 3차원 모델링과 설계가 가능하도록 지원할 예정이다. 또한 파라메트릭 모델을 통하여 사전에 정의된 변수의 간단한 수정만으로 사용자가 원하는 형상으로 모델 변경이 가능하도록 함으로써 모델링 작업에 소요되는 시간을 획 기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여 BIM 라이브러리 확장 및 명세서 구축, 라이브러리 활용 통합 디지털 모델 생성 기술, 라이브러리와 파라메트릭 모델을 활용한 디지털 모델 생성 기술을 개발하고, 시범사업 을 통하여 검증과 보완이 이루어질 예정이다. ② 철도 인프라 BIM 디지털 모델의 품질관리 자동화 기술개발 : BIM의 신뢰성을 확보하고 전 생애주기적 단계에서 디 지털 모델의 활용성을 제고하기 위해서는 BIM 통합플랫폼과 연계한 품질관리 자동화 시스템을 구축하고, 이를 통하 여 설계, 성과품 제작, 납품 등 각 설계단계에서 디지털 모델의 품질을 확보해야 한다. 이를 위하여 BIM 디지털모델 Vol. 24, No. 1 9 표준유형 제작방안, BIM LOD/LOI 기준, 디지털 모델의 품질관리 자동화시스템을 개발하고, 시범사업을 통하여 검 증 및 보완이 이루어질 예정이다. ③ 디지털 모델 전자납품체계 기술개발 : 최근 공공 발주사업에서 BIM이 도입되고 있으나 BIM 성과물 납품체계가 마련 되지 않아 이에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히 철도인프라는 국가 기반시설로서 전 생애주기 단계에서 생성되는 데이터를 통합적으로 공유· 관리할 수 있는 BIM 성과품 납품체계의 마련이 시급하다. 이를 위하여 철도 인프라 BIM 디지털 모델의 전자 납품 기준서, BIM 디지털 모델의 전자 납품/호환 모듈을 개발하고, 시범사업을 통하여 성능 검 증 및 개선이 진행될 예정이다. ④ 철도 인프라 BIM 설계정보 관리시스템 및 개방형 BIM 데이터센터 시스템 구축 및 운영 : BIM 설계단계에서 생성된 데이터는 설계정보 관리시스템을 통하여 공유 및 관리되며, 개방형 BIM 데이터센터는 설계, 시공, 운영 및 유지관리 등 전 생애주기 단계에서 생성되는 BIM 데이터 등 다양한 정보들을 토대로 다양한 목적에 부합하는 데이터를 제공하 는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 BIM 설계정보관리시스템 개발, BIM 데이터 통합 관리 체계 연구, 개방형 BIM 데이터 센터 구축 및 연계모듈 개발, 개방형 BIM 데이터센터 수집, 관리 기능 시범운영, 개방형 BIM 데이터센터 포 털 서비스 검증 및 기능 개선 등이 이루어질 예정이다. 현행 평면(2D) 설계기법은 휴먼에러의 발생 가능성이 높아 설계 오류의 최소화를 위하여 설계단계에서부터 BIM 도입 을 적극적으로 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 BIM 라이브러리의 개발 및 보급을 통하여 모델 작성에 소요되는 시 간 및 인력소모를 최소화하고, 중복투자로 인한 비용을 절감하고자 한다. 또한 철도 인프라 BIM 설계 디지털 정보의 고 품질화 및 전자납품체계를 마련함으로써 시공, 준공 및 유지관리 등 전 생애주기 단계에서의 확장성과 활용성의 제고할 수 있다. 또한 개방형 데이터 센터 구축을 통하여 철도 인프라 정보의 다양한 활용과 응용을 유도함으로써 뉴 노멀시대 에 부합하는 국내 철도 인프라의 도입과 활용이 이루어지기를 기대한다. 4. BIM기반 시공 및 준공, 유지관리 연계기술 개발 국내· 외 인프라 시설 프로젝트에 BIM 기술 도입이 증가하는 추세에 있으며, 특히 주요 선진국의 철도 시공 분야 BIM 도입 사례들이 증대되고 있다. 그러나 기존 연구들이 설계단계 사용성 및 시제품 개발에 집중되었으며, 시공 단계에 대 해서는 실용화 수준에 도달하지 못하고 있는 실정이다. 기존의 철도 1단계 시공 부문 연구의 경우, BIM 기반 분류체계 및 철도 선형 공정 관리를 위한 특화된 시스템 개발에 성공하였으나, 시작품 수준에 머물렀으며 시범사업 검증을 통한 실용화 단계까지는 진행되지 못하였기 때문에 본 연구 에서는 1단계 성과물의 기능 고도화를 통한 지능형 4D 시스템 등 철도 선형공정에 특화된 실용화 수준의 시공 BIM 시스 템을 구축하고, 4차 산업 기술을 접목시켜 안전/진도 평가, 시공/준공 검측 작업을 자동화하며 BIM에 탑재된 시공 정보 를 유지관리 단계에 연계시키는 핵심 기술 구축에 집중하며, 이의 성과물을 발주처 및 관련 기업들이 적극 활용하는 실 용화 위주의 연구를 목적으로 하였다. 주요 연구개발 내용으로는 그림 3과 같다.10 자연,터널 그리고 지하공간 BIM기반 철도 통합운영시스템 개발 현황 및 추진 방향 <그림 3> BIM기반 시공 및 준공, 유지관리 분야 주요 연구개발 내용 ① 철도인프라 시공관리를 위한 지능형 BIM 모델 자동생성 및 시뮬레이션 기술 개발 : 1단계 연구에서 구축한 4D 시스 템의 실무 활용 장애요인이 되고 있는 설계단계 3D 객체의 시공단계 재활용을 위한 3D 객체 자동 분개 시스템 등을 구성하여 철도 선형공정에 특화된 실용화 수준의 4D 시뮬레이션 기술을 개발하고, 일정과 3D 객체가 사전에 연계된 4D 라이브러리 활용 모듈과 철도 선형 객체의 비례적 자동생성 모듈 등을 구축하여 4D 객체 생성과정을 대폭 간소화 함으로써 시공관리 실무업무에 BIM 활용도를 대폭 개선할 수 있는 실용화 기술을 개발할 예정이다. ② VR/AR 기술을 활용한 철도인프라 시공단계 작업 안전 및 시공성 확보 기술 개발 : 가상현실 및 증강현실 기술과 BIM 기술의 접목을 통해 현장에서 실물과 가상 모델을 중첩시켜 사전적 부재 간 정합성 검토 및 안전진단을 수행하 고 사후적 검측 기술과 접목하여 시공 결과에 대한 BIM 기반 비교 분석하는 실용화 기술을 개발하고, 철도 현장에서 발생하는 주된 안전사고 평가를 토대로 가상현실 기반 체험형 VR/AR 콘텐츠를 개발할 예정이다. ③ 철도인프라 BIM을 활용한 시공· 준공 관리 평가시스템 개발 : 4차 산업 주요 검측 기술인 드론, 라이다 또는 특수 검 측 카메라를 기반으로 시공 및 준공 결과를 디지털화하여 시공 결과에 대한 자동 정합성 검토 기술을 구축하고, BIM 기반으로 시공단계 및 운영 시 시공사와 발주자 간 작업흐름 및 업무 역할을 규정하여 시공 검측 결과를 토대로 검측 승인 작업을 정립하고, 궁극적으로 축적된 As-Built BIM 모델을 디지털 트윈 형태로 유지관리에 이관하는 기술을 구축할 예정이다. ④ 유지관리를 위한 BIM 분류체계 및 철도시설이력관리 종합정보시스템(RAFIS) 연계기술 개발 : 철도 시설의 유지관 리를 위해 시공 및 준공 BIM 모델로부터 필요한 기하 및 비기하 정보 요구사항 분석을 수행하고 이를 통해 유지관리 에 전용 BIM 모델 구축하고, 철도시설이력관리 시스템(RAFIS)의 요구 정보 분석 통해 3차원 기하 정보 및 비기하 정 보를 구분하고 분류체계 수립 및 정보 교환 기술 개발하여 준공 BIM 모델과 RAFIS 간 자동 정보 연계 기술을 구축할 예정이다. 본 연구를 통해 BIM 실무 적용 시 장애요인이었던 4D 객체 생성과정의 자동화 기술과 설계단계 3D 객체의 시공단계 재활용 기술 개발을 통하여 실제 시공 현장의 BIM 기반 운용이 크게 개선될 것으로 기대되며, 현장 안전 시공 및 용이한 Vol. 24, No. 1 11 품질평가, 그리고 시설물 시공부터 관리이력까지 제반 정보를 보다 쉽고 정확하게 얻을 수 있어 철도시설물의 유지보수 시기 및 하자 등을 효율적으로 관리함으로써 유지보수 비용 절감 및 업무효율 향상이 기대된다. 5. 맺음말 국토교통부 스마트 건설계획에 따르면 철도인프라 사업에 BIM 설계 모델을 관리하는 것뿐만이 아니라 발주부터 시 공, 유지보수 단계까지 모든 단계에 BIM을 적용한 철도인프라 전생애주기를 관리할 수 있는 통합플랫폼 개발이 요구됨 에 따라 철도 시범사업을 통해 각 단계별 필요기술의 체계적인 개발이 요구된다. 따라서 향후 철도인프라 BIM 통합관리 시스템을 발주기관의 사업관리스템과 연계함으로써 BIM 성과품의 검증 및 납품 관리, 시공단계 BIM 정보와의 연계를 통한 공사 진척 현황 및 오류 발견 등을 통해 공사 기간 단축과 비용 절감이 예상되며, 유지관리 단계에서는 기존의 철도 시설물 이력관리시스템과도 연계함으로써 시설물의 안전관리 및 유지관리에도 크게 기여할 것으로 예상된다. 감사의 글 본 연구는 국토교통과학기술진흥원 2022년도 철도인프라 생애주기 관리를 위한 BIM기반 통합플랫폼 개발사업(22RB IM-C158185-03)으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다. 참고문헌 1. 국토해양부/국토교통과학기술진흥원(2013), “철도인프라 생애주기 관리를 위한 차세대 표준기술 및 운영체계 개발 기획” 연구보고서. 2. 박영곤, 신민호, 김우현(2020), “철도인프라 생애주기 관리를 위한 BIM기반 통합운영시스템 개발 및 구축”, 2020 대한토목학회 정기학술대회 스마트 건설과 인프라 BIM 전문연구세션. 3. 박정준, 신민호, 이강, 유민택, 이근일(2018), “철도 인프라 발주처 관점에서의 BIM 도입 전략 연구”, 한국철도학회논문집 제21권 제8호, pp.786-799. 4. 신민호, 김성훈(2018), “BIM 기반 철도인프라 관리 표준 기술 개발”, 철도저널, 21(6), 92-98. 5. 신민호, 백종현(2020), “철도인프라 BIM 설계 성과품의 체계적인 관리를 위한 통합관리시스템 설계 및 구축 연구”, 한국철도학회논문집 제23권 제9호, pp.886-894. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 1. 개 요 최근 국내 교통량 증가 및 고속화로 터널의 수요가 크게 증가하는 추세이나, 터널 갱구부 용지매입 및 선형 분리의 어 려움과 과도한 환경훼손 등의 이유로 터널 필라폭(Pillar Width, P.W)이 협소한 상황이 다수 발생되어 부득이 2-Arch 터널, 대단면 터널 및 근접 병설터널 형식이 적용되고 있다. 2-Arch터널은 복잡한 시공공정 및 중앙부 배수성능 저하에 의한 동절기 중앙벽체 변상에 의한 유지관리비용 증대가 발생되며, 대단면 터널은 구조적 안정성 확보를 위한 과도한 공 사비 소요가 문제점으로 제기됨에 따라, 근래 이를 개선할 목적으로 근접 병설터널 형식이 다수 적용되는 상황이다. 기존 근접 병설터널 기술은 협소한 터널 필라부 보강과 복잡한 시공공정으로 안정성 확보를 위한 과도한 공사비 및 공사기간이 소요되는 문제점이 존재하는 바, 본 고에서는 일반 병설터널과 동일한 시공공정에서 본선터널 지보재(숏크 리트 및 강지보)의 지보력을 활용하는 필라부 보강 시스템을 적용하는 새로운 개념의 근접 병설터널공법(SNT, Smart Narrow-Pillar Tunnel)으로 시공된 사례를 소개하였다. 2. 근접 병설터널의 정의 국내 터널설계기준(2007)에 의하면 일반 병설터널의 필라폭(P.W)은 지형, 지반조건 선형계획 및 안정성 등을 종합적 으로 고려하여 1.5D(D:터널폭) 이상을 제안하고 있는 바, 터널 필라폭(P.W)이 1.5D 이하인 경우 광역적으로 근접 병설 도심지 붕적층 근접병설 터널 시공사례 문경선 (주)하경엔지니어링 전무 김용수 (주)하경엔지니어링 이사 남정봉 (주)하경엔지니어링 이사 김홍주 (주)하경엔지니어링 부장Vol. 24, No. 1 13 터널로 구분할 수 있다. 국· 내외 근접 병설터널 필라부 보강현황에 의하면 국내 근접 병설터널의 필라폭(P.W)은 0.14D~0.87D(0.5~13.53m) 이고 평균적으로 필라폭 0.4D 이하 조건에서 Tie-Bolt, 철근보강 숏크리트 및 그라우팅 등의 필라부 보강공법이 적용되 었으며, 국외 근접 병설터널의 필라폭(P.W)은 0.11D~0.77D(1.0~13.0m)이고 0.5D 이하 조건에서 Tie-Bolt 형식의 필 라부 보강공법이 적용된 것으로 조사되었다. 따라서, 터널 필라부 관련 국내설계기준과 국· 내외 시공사례를 종합적으로 고려하면, 지반조건에 따라 차이가 있을 수 있으나 근접 병설터널은 1.0D 이하의 필라폭(P.W)으로 정의할 수 있으며, 필라폭(P.W) 0.5D 이하 조건에서는 근접 병설터널의 안정성 확보를 위하여 필라부에 대하여 적극적인 보강대책의 적용이 필요한 것으로 검토되었다. (a) 일반 병설터널 : P.W > 1.5D (b) 근접 병설터널 : P.W < 1.5D <그림 1> 터널설계기준에 의한 일반 및 근접병설터널 구분 3. 터널 지보력을 활용하는 근접 병설터널 공법(SNT공법) 기존 근접 병설터널 공법은 터널 굴착공정과 연계되지 않는 필라부 보강공법과 필라부 다분할 굴착에 의한 복잡한 시공 공정의 근접 병설터널공법으로 구분되는데, 일반 병설터널 대비 안정성, 시공성 및 경제성 등이 낮은 것으로 조사되었다. 본 스마트 근접 병설터널공법(SNT, Smart Narrow-Pillar Tunnel)은 터널 필라부에 선형 방진방진공을 설치하여 발 파진동에 의한 지반이완을 최소화하고 터널 강지보 체결 타이볼트 시스템을 조기에 터널 막장 후방에서 설치함으로써 즉시 복합지보력이 필라부에 발휘되어 근접 병설터널의 안정성을 확보하는 공법이다. 특히, 복합지보력은 필라부 지반 이완이 최소화되고 터널 막장의 지보력이 발휘되는 상태에서 작용하므로, 조기에 근접 병설터널의 변위제어 및 안정성 확보에 유리하다. 또한, 일반 병설터널과 동일한 공종으로 시공됨에 따라, 기존 근접 병설터널 기술 대비 상대적으로 시 공성이 우수하고 공사기간이 단축되는 효과가 있다.14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 붕적층 근접병설 터널 시공사례 ∙ 터널 필라부 방진공 설치 ⇒ 지반이완 최소화 ∙ 터널 강지보 체결 타이볼트 보강 시스템 적용 ⇒ 조기에 복합지보력 발휘로 안정성 증대 ∙ 일반 병설터널과 동일한 시공공정 ⇒ 시공성 증대 및 공사기간 단축 <그림 2> SNT공법 개요도 <그림 3> SNT공법 굴착 및 보강 시스템Vol. 24, No. 1 15 터널 숏크리트를 포함하는 강지보 체결 타이볼트 시스템의 복합지보효과를 검증하기 위하여 다음과 같이 수치해석을 수행한 결과, 터널 강지보에 타이볼트를 체결함(①)으로써 필라부 지반의 변형을 터널 굴착 초기에 제어하여 필라부 구 속력(σ3)이 유지 또는 증대되어 기존 터널 강지보-타이볼트 미체결(②)조건 대비 보다 큰 안전율(F.S)을 나타내는 것으 로 검토되었다. 터널 강지보 체결 타이볼트 시스템의 복합지보효과는 일반 병설터널과 동일한 시공공정에서 발휘되므 로, 지반조건이 불량하거나 터널 변형 최소화가 요구되는 도심지 근접 병설터널조건에서 보다 큰 안정성 및 시공성 증대 를 기대할 수 있다. <표 1> 터널 강지보 체결 타이볼트 시스템의 복합지보효과 구분① 터널 강지보-타이볼트 체결(SNT공법)② 터널 강지보-타이볼트 미체결(기존기술) 수치해석 모델링 검 토 결 과 필라부 안전율 (F.S) 측점(1)측점(2)측점(3)측점(1)측점(2)측점(3) 3.002.782.791.521.501.84 천단침하6.94 mm (▼17.0%)8.31 mm 내공변위5.57 mm (▼23.0%)7.22 mm s.c휨압축응력6.85 MPa (▼15.0%)8.05 MPa 타이볼트 축력48.33 kN (▼45.0%)88.10 kN ◈ 터널 필라부 지반 안정성 검토 : Mohr 응력원에 의한 파괴접근도 안전율(F.S) 평가방법 ∙ Mohr-Coulomb 파괴기준 : f c ntan ∙ 터널 필라부 Mohr 응력원에 의한 안전율(F.S) FS r D tan sin tan sin ≥ 1.016 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 붕적층 근접병설 터널 시공사례 4. ○○ 근접 병설터널 시공현황 및 SNT공법 적용현황 본 SNT공법이 적용된 ○○ 근접 병설터널 현장은 서울 소재의 도심지 터널 갱구부로(STA.1+000.0~1+100.0, L= 100.0m) 지상부에는 터널선형과 나란하게 왕복4차로 도로, 광역상수도(Ø1,000, Ø1,350), 건물 등이 위치하며, 인접된 하천의 지속적인 퇴적작용에 의하여 퇴적토 및 자갈층이 매우 깊은 심도로 분포(터널 계획고 하부까지 분포)하는 것으로 조사되었다. 또한, 터널 갱구부 용지매입의 한계와 개착BOX 접속계획에 의하여 매우 협소한 근접 병설터널로 계획되었다.(터널 필라폭(P.W) : 0.17D~0.43D(2.09~5.18m)) (a) 평면현황(c) 횡단 STA.1+000.0 (b) 종단현황(d) 횡단 STA.1+100.0 <그림 5> ○○ 근접 병설터널 현장 현황 <그림 6> ○○ 근접 병설터널 구간 퇴적토 및 자갈 분포현황Vol. 24, No. 1 17 현장의 불량한 지반조건과 근접 병설터널 현황을 고려하여 다음과 같은 고강성의 터널 보강계획을 수립하였다. 특히, P.W=0.17D~0.43D(2.09~5.18m)의 협소한 터널 필라폭을 고려하여 강지보 체결 타이볼트 시스템을 단계적인 터널 굴 착 후 막장면 후방에서 보강하여 조기에 필라부에 터널 강지보+타이볼트 복합지보력이 작용하여 근접 병설터널의 안정 성이 확보되도록 하였다. ∙ 굴착방법 : 링컷분할굴착, 굴진장 : 0.8m ∙ 터널보강 - 숏크리트 250mm - 강지보 H-150, (종)0.8m - 대구경 강관보강 그라우팅(L=12.0m) - 레그파일(L=5.0m, Ø60.5mm) ∙ 필라부 보강 : 강지보 체결 타이볼트 시스템(L=2.1~5.2m, (횡)1.0m, (종)0.8m) <그림 7> ○○ 근접 병설터널 굴착 및 보강현황 5. ○○ 근접 병설터널의 안정성 검토 5.1 수치해석에 의한 안정성 검토 근접 병설터널구간의 지층 및 지반조건과 보강현황을 고려하여 대표단면에 대한 수치해석을 수행한 결과, 터널 강지 보 체결 타이볼트 시스템의 보강효과에 의하여 터널의 천단침하 및 내공변위는 미소하며 지보재 응력은 허용값을 모두 만족하는 것으로 검토되었다.Next >