1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구동향
1.3 연구 방법 및 범위
2. 배수시설 설계변경 프로세스 및 BIM 도구 선정
2.1 BIM 기반 배수시설 설계변경 프로세스
2.2 설계변경체계 구현을 위한 도구 선정
3. 고속도로 배수시설 설계변경 지원체계 구축
3.1 배수시설의 유형 구분
3.2 표준도 분석 및 라이브러리 작성
3.3 설계변경 관련 문서 템플릿 구축
3.4 Dynamo를 이용한 자동화 체계 구축
3.5 데이터 연계 과정
4. 실무 적용 및 효과 분석
4.1 사례 1: 타 공종 변경에 따른 배수시설 상세 변경
4.2 사례 2: 측구 형상 개선
5. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
설계변경은 건설 프로젝트 성과에 직접적인 영향을 미치는 중요한 건설사업 관리 요소 중 하나이다. Kouskili and Kartam (2004)은 설계변경으로 인한 추가 공사비가 전체 사업비의 5~10%에 달한다고 보고하였으며, Love et al. (2018)은 설계변경이 프로젝트 비용과 일정 신뢰성을 크게 저하시킨다고 분석하였다. 국내 고속도로 프로젝트를 대상으로 한 Park et al. (2017)의 연구에서도 설계변경이 사업비 증가의 주요 원인으로 지목된 바 있다. 이처럼 설계변경은 프로젝트 비용, 품질, 공정을 좌우하는 핵심 위험 요인이며, 이에 대한 효율적인 관리 체계의 마련이 필수적이다.
한편, 정부는 2022년부터 공공 발주사업에 BIM 적용을 단계적으로 의무화하고 있으며(MOLIT, 2022), 한국도로공사 역시 이에 발맞추어 BIM 기반 건설사업관리 디지털 전환 추진 방안을 수립하여 추진 중이다. 이 추진 방안은 공사 감독관 업무에 필요한 여섯 가지의 디지털 전환 중점 과제를 제시하고 있으며, 이 중 본 연구는 BIM 기반 설계변경 업무 지원체계 구축에 관한 과제로서 수행되었다(Korea Expressway Corporation, 2023).
도로 건설공사에서 배수시설은 도로의 기능적 안전성과 수명을 보장하는 핵심 인프라로, 강우 시 신속한 배수를 통해 노면 침수, 포장 파손, 사면 붕괴 등 다양한 위험을 예방한다. 도로 배수시설은 교량이나 터널과 같이 구조물 내에 배치되는 시설과, 절토 또는 성토와 같이 토공구역 내에 배치되는 시설로 크게 나눌 수 있다. 토공구역에 배치되는 배수시설의 경우 설계단계에서 지형 현황을 정확히 파악하기 어려운 점과 시공 과정에서 지장물 발견, 토질 변화, 현장 여건 변화 등에 의해 구조물 내에 위치한 배수시설보다 상세에 대한 변경 여지가 매우 크다. 이에 따라 본 연구에서는 고속도로 토공구역 배수시설을 대상으로 BIM 기반 설계변경 지원체계를 구축하고, BIM 기반 배수시설 설계변경 업무의 효율성을 평가하고자 하였다.
1.2 연구동향
BIM은 설계변경 관리의 효율성을 높이기 위한 주요 수단으로 다양한 연구에 적용되어 왔다(Love et al., 2018). 기존의 BIM 기반 설계변경 연구들은 대체로 변경관리(Change Management) 체계 구축과 자동화 기술(Automation Technology) 적용의 두 방향으로 구분할 수 있다. 예를 들어, Yan (2024)은 변경 전파(Change Propagation) 분석을 통해 설계변경의 영향 범위를 사전에 예측·제어할 수 있는 방법을 제시하였으며, Taghaddos et al. (2016)은 BIM API를 활용한 자동 수량산출(Quantity Take-off) 기법을 구현하여 설계변경 시 발생하는 수작업 오류와 절차 지연을 최소화할 수 있음을 입증하였다. 이들 연구는 BIM 환경이 설계변경을 신속하고 체계적으로 관리할 수 있는 유효한 도구임을 확인하였으며, 특히 수량 및 비용 정보의 자동 연계가 BIM 기반 설계변경 관리의 핵심 요소임을 강조하였다.
다만, 기존 연구들은 설계변경 관리의 체계적 절차와 프로세스 구축에 초점을 맞추거나, 건축·교량·터널 등 구조물 중심의 자동화 기술에 국한되어 있어, 도로의 배수시설과 같은 세부 인프라 요소에 대한 적용은 상대적으로 미흡하였다. 이에 본 연구는 변경관리 프로세스보다는 자동화 중심의 실무 적용성 강화에 중점을 두었다. 특히 수량산출 자동화와 문서·공사비 연계 기능을 배수시설 설계변경 관리에 직접 적용함으로써, BIM을 활용한 설계변경 업무의 효율성과 신뢰성을 실질적으로 향상시키고자 하였다.
한편, 도로 분야에서 수행된 BIM 모델링 관련 연구는 주로 IFC (Industry Foundation Classes) 확장을 통한 데이터 구조 제안(Lee and Kim, 2011; Cho et al., 2013), 도로시설물 라이브러리 체계 구축(Moon et al., 2013; Moon and Ju, 2014), 도로시설물 객체 분류체계 개발(Nam and Kim, 2019)에 초점을 맞추어 왔다. 특히 Moon et al. (2013)은 주요 도로시설을 대상으로 표준도 기반 BIM 라이브러리 개발 전략을 제시하고, 암거·옹벽·라멘교 등 구조물의 표준 라이브러리를 구축하여 도로 BIM 표준화의 기초를 마련하였다. 본 연구에서는 Moon et al. (2013)의 연구와 같이 표준도를 기반으로 한 BIM 라이브러리 구축을 통해 설계변경 업무에서 BIM이 적극적으로 활용될 수 있도록 하는 기반을 마련하고자 하였다.
다만, Moon and Ju (2014)의 연구에서는 토공구역 내 배수시설이 제외되어 있어, 배수시설의 설계변경 자동화와 같은 세부 실무 적용을 다루지 못한 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 한국도로공사 최신 표준도 정보를 기반으로 한 배수시설 BIM 라이브러리를 새롭게 구축하였다. 이를 통해 표준화된 객체 정의와 속성정보 체계를 마련하고, 향후 설계변경 지원체계에서 자동화·수량산출·문서 연계 기능이 유기적으로 작동할 수 있는 기반을 구축하였다.
1.3 연구 방법 및 범위
본 연구에서는 BIM 기반 설계변경 지원체계로서 크게 두 가지 체계를 개발하였다. 먼저 설계변경에 신속하게 대처하기 위해 재사용이 가능한 BIM 라이브러리를 한국도로공사의 표준도를 기반으로 작성하였다. 대상은 표준도에 포함된 6개 공종의 주요 배수시설을 분석하여 형상과 속성을 세분화하고, 이를 기반으로 총 273개 유형의 시설물 데이터셋을 구축하였다. 개발 범위는 측구, 집수정, 도수로, 개거 등 토공구역 배수시설에 한정하였다. 두 번째 지원체계로서, 모델 및 문서 작성 자동화 모듈을 개발하였다. 본 연구에서는 라이브러리 작성에 사용된 Autodesk Revit에서 구동되는 Dynamo를 이용하여 자동화 모듈을 개발하였다. 모델 작성을 위한 자동화 모듈은 지표면에 따라 설치되어 모델 작성 시 시간이 많이 소요되는 대표적인 선형 시설물인 측구와 개거를 대상으로 개발되었으며, 문서 작성 자동화의 경우 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서를 대상으로 하여 설계변경 관련 산출물을 BIM 모델과 직접 연계하도록 Excel 기반 템플릿을 설계하였다.
마지막으로, 개발된 지원체계는 실제 고속국도 건설공사 시범현장의 설계변경 사례에 적용하여 효과를 검증하였다. 기존 2D CAD 기반 절차와 본 연구의 BIM 기반 절차를 비교하여 처리 소요시간, 문서 품질 및 일관성을 정량적으로 분석하였다. 또한 설계자와 감독관의 피드백을 반영하여 수량 정확성, 오류 제거, 대안 검토 효율성 등 정성적 효과를 도출하였다.
2. 배수시설 설계변경 프로세스 및 BIM 도구 선정
2.1 BIM 기반 배수시설 설계변경 프로세스
배수시설의 BIM 기반 설계변경 프로세스는 Figure 1과 같이 원지반·지형 모델의 보완에서부터 최종 설계변경 문서 작성에 이르는 일련의 절차로 구성된다. 본 프로세스는 도로 및 사면의 설계변경 사항을 체계적으로 반영하고, 배수시설 모델과 관련 문서가 자동으로 갱신되도록 설계되었다.
첫 번째 단계인 시공단계 BIM 원지반 모델 보완은 설계단계에서 구축된 지형 및 원지반 모델에 시공 중 측량 결과를 반영하여 현장 여건을 정밀하게 보정하는 과정이다. 이를 통해 절토·성토 경계, 배수 유역, 지장물 위치, 그리고 실제 시공 중 형성된 구조물의 위치 정보를 BIM 모델에 통합한다. 이러한 갱신은 이후 단계에서 수행되는 도로·배수시설 설계변경의 기초 자료로 활용되며, BIM 데이터의 신뢰성과 현장 적합성을 동시에 확보할 수 있다.
두 번째 단계인 도로 및 사면 모델 수정은 노선 형상의 변경, 나들목 및 절토·성토 구간 조정, 또는 VE(Value Engineering) 검토 결과에 따라 도로와 사면의 3차원 형상을 갱신하는 단계이다. 이 과정에서는 상위 시설물의 형상 변경이 하위 배수시설 모델에 미치는 영향을 체계적으로 반영하여 모델 간 일관성을 유지한다. 특히, 도로 선형 변경으로 인한 유역 분할 변화나 사면 구조 변경에 따른 배수 경로 수정이 필요한 경우, 해당 내용이 배수 모델에도 영향을 미치므로 지속적으로 관리되어야 하는 모델이다.
세 번째 단계인 배수공(토공구간) 모델 변경은 앞선 도로·사면 모델 수정 결과를 반영하여 측구, 집수정, 도수로, 개거 등의 배수시설 모델을 자동으로 갱신하는 절차이다. 본 연구에서는 지형 정보를 참조하여 배수로의 경사, 연결 방향, 배수 흐름이 자동 계산되도록 Dynamo 기반의 자동화 모듈을 구현하였다. 이로써 배수시설 모델의 배치 및 형상 변경이 기존의 수작업 중심 방식보다 훨씬 신속하고 정확하게 이루어지도록 하였다.
다음 단계인 배수공 모델 검토는 변경된 모델의 기술적 타당성을 검증하는 과정이다. 이 단계에서는 배수로와 인접 지장물 간의 간섭 여부, 배수 경사 및 역구배 발생 가능성, 구조물의 형식 적합성 등을 검토한다. 또한, 모델 검토 결과는 시공성 평가 및 설계검토 보고서에 반영되어, 설계변경으로 인한 공정 지연이나 시공 위험요인을 사전에 제거할 수 있도록 한다.
마지막 단계인 배수공 설계변경 문서 작성은 갱신된 모델의 속성정보를 기반으로 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서 등 관련 문서를 자동으로 생성하는 단계이다. BIM 모델과 속성 데이터가 직접 연동되어 있기 때문에, 설계자가 모델을 수정하면 관련 문서의 수량 및 비용 정보가 즉시 갱신된다. 이를 통해 문서 간 정보 불일치가 제거되고, 설계변경 후 문서 검토 및 승인 절차의 효율성이 크게 향상된다.
이와 같은 BIM 기반 설계변경 프로세스는 설계모델, 속성정보, 문서 간의 데이터 일관성을 유지하면서도 반복 작업을 최소화할 수 있다는 점에서, 기존 2D 기반 설계변경 절차에 비해 시간·비용 측면에서 높은 효율성을 제공한다. 또한, 설계자·감리단·시공자 간의 협의가 3차원 모델을 매개로 수행되므로, 변경 사항의 시각적 이해도와 의사결정의 투명성이 동시에 확보된다.
2.2 설계변경체계 구현을 위한 도구 선정
도로 분야에서 사용되는 BIM 도구는 크게 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 첫째는 도로 선형을 정의하고, 도로 구성요소의 단면을 해당 도로 선형을 따라 투영하여 3차원 형상을 생성하는 방식이다. 이 방식은 절토·성토와 같은 토공 영역이나 도로 선형 방향에 따라 반복적으로 배치되는 요소들의 모델 작성에 주로 활용된다. 둘째는 3차원 솔리드 형상 작성 도구를 통해 구조물 또는 도로 구성 객체를 개별적으로 모델링하고, 이에 속성 정보를 부여하는 방식이다. 이 방식은 교량, 옹벽 등 구조적 특성이 중요한 시설물의 구성요소를 세부적으로 모델링할 때 적합하다.
본 연구에서는 국내에서 가장 널리 활용되고 사용자 기반이 풍부한 Autodesk사의 제품군 중 본 연구 목적에 적합한 도구를 선정하였다. 앞서 설명한 두 가지 모델링 방식을 대표적으로 지원하는 Autodesk사의 저작 도구는 Civil 3D와 Revit이며, 두 도구의 주요 특성은 Table 1에 비교하였다. Civil 3D는 선형(Alignment) 기반 설계에 특화되어 도로 노선 및 토공 모델링에 유리한 장점을 가진다. 반면 Revit은 객체지향적 패밀리(Family) 기반 모델링을 지원하며, 파라메트릭 제어와 속성정보 관리가 용이하여 규격화된 객체의 반복적 배치와 속성 연계에 효율적이다.
Table 1.
Comparative analysis of major software for automation of drainage design change platform
이러한 비교 결과, 본 연구에서는 Revit을 배수시설 설계변경 지원체계 구현의 핵심 도구로 선택하였다. 그 이유로서 첫째는 Civil 3D에 비해 Revit은 개발 및 관리해야 할 라이브러리 형태가 단순하여 표준화된 객체 기반 라이브러리 작성 및 관리가 보다 용이하다는 점이다. 두 번째 이유는 Revit의 경우 Civil 3D에 비하여 국내외 사용자 기반이 넓어 현장 적용 시 인력 교체와 같은 변동 상황에 유연하게 대응할 수 있다는 점이다. 이는 설계변경 발생 요인이 많은 배수시설과 같이 지속적인 모델 갱신과 문서 연계가 요구되는 공종에서 특히 중요한 장점으로 판단하였다.
3. 고속도로 배수시설 설계변경 지원체계 구축
3.1 배수시설의 유형 구분
본 연구에서는 BIM 라이브러리 작성 시 배치 방법에 대한 특성에 따라 배수시설의 유형을 크게 선형 시설과 점형시설로 구분하였다.
첫째, 선형 배수시설 은 유수가 흐르는 경로를 따라 연속적으로 설치되는 시설로서, 대표적으로 측구, 도수로, 개거 등이 이에 해당한다. 이러한 시설은 도로의 종단 및 횡단 경사, 절토·성토 경계, 유역면적 등에 따라 형상이 결정되며, 배수 효율과 구조적 안정성을 동시에 고려해야 한다. 예를 들어 절토부 상단에 설치되는 깎기부 도수로는 절개사면에서 발생하는 표면수를 안전하게 유도하기 위한 시설이며, 성토부 하단의 쌓기부 도수로는 사면 배면에서 유입되는 유수를 하류로 배제하기 위한 시설이다. 이러한 선형 배수시설은 지형 조건의 미세한 변화에도 형상 및 배치가 영향을 받기 때문에, 설계단계에서 지형모델의 정확도나 시공 중 발생하는 현장 여건 변화에 따라 설계변경이 자주 발생한다.
둘째, 점형 배수시설은 배수 시스템 내에서 특정 지점에서의 집수·유입·전환 기능을 수행하는 시설로, 집수정, 집수거, 배수관 연결부 등이 대표적이다. 이러한 시설은 선형 배수시설과 직접 연결되어 배수 흐름을 제어하며, 위치·고도·형식의 변화가 전체 배수체계의 성능에 큰 영향을 미친다. 특히 집수정은 유입부의 위치가 도로 종단 경사나 노면 횡단 경사에 따라 세밀하게 조정되어야 하며, 집수거는 집수정과 도수로를 연결하는 전이부로서 유입 유량과 낙차 조건에 따라 형상이 달라진다. 시공단계에서는 현장 지장물의 발견, 사면 기하의 변화, 또는 배수 유로의 변경 등으로 인해 이러한 점형 시설의 위치 조정이 불가피하게 발생한다.
3.2 표준도 분석 및 라이브러리 작성
본 연구에서는 고속도로 토공구역 배수시설의 설계변경 지원체계를 구현하기 위하여 한국도로공사에서 제시한 표준도를 기반으로 배수시설 BIM 라이브러리를 작성하였다. 표준도는 측구, 집수정, 도수로, 개거 등 토공구역에서 반복적으로 적용되는 대표적 배수시설을 대상으로 하였으며, 표준도 도면에 제시된 형상과 치수, 구조적 세부사항, 재료 및 시공 방법 등의 검토를 통해 6개 공종에 대하여 총 273개 유형을 식별하였으며, 각 공종별로 식별된 세부 내역은 Table 2와 같다. 각 유형은 측구 및 도수로와 같은 경우 표준도에서 제시된 현장 조건 및 설치 특성별 단면 치수에 따라 구분하였고, 집수정의 경우 각 면에 연결되는 종·횡 배수관, 맹암거의 연결 유무 및 관 크기를 포함하여 구분하였다.
Table 2.
Status of BIM library for drainage system
라이브러리 개발은 단순히 3차원 형상을 구현하는 데 그치지 않고, 설계변경 관리 과정에서 활용 가능한 속성정보와의 연계를 고려하여 수행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 다음과 같은 개발 원칙을 수립하였다.
첫째, 표준화 원칙으로 모든 배수시설은 한국도로공사 표준도에 근거하여 규격화된 형상 및 속성을 반영하였다;
둘째, 파라메트릭 원칙으로 주요 치수와 구조적 요소는 매개변수(Parameter)로 정의하여, 설계변경 시 자동으로 형상이 갱신되도록 하였다;
셋째, 정보 연계 원칙으로 모델은 수량산출서, 공사비 내역서, 집계표 등의 문서정보 작성에 활용될 수 있도록 속성정보를 체계화하였다.
Figure 2와 Figure 3은 이러한 원칙에 의해 라이브러리 정보를 정의한 사례를 나타낸 것이다.
3.3 설계변경 관련 문서 템플릿 구축
배수시설 설계변경은 단순히 모델 변경에 그치지 않고, 변경 내용을 공식적으로 문서화하여 발주처의 승인을 받아야 한다. 그러나 기존 방식에서는 설계자가 변경된 도면과 함께 수량산출서, 단가산출서, 공사비 내역서 등을 각각 수작업으로 작성해야 하므로 많은 시간과 인력이 소요되었고, 이 과정에서 입력 오류와 문서 간 불일치가 빈번히 발생하였다.
이를 개선하기 위해 본 연구에서는 BIM 모델과 연계 가능한 설계변경 관련 문서의 템플릿을 개발하였다. 문서 템플릿은 실무자가 활용 가능한 Excel 기반 템플릿을 마련하여 단가 데이터를 현장에 맞추어 세팅할 수 있게 하였다. 본 연구에서 지원하는 템플릿은 Table 2에 식별된 각 공종별 단위수량 산출근거와 수량집계표를 포함한 수량산출서 일체와 단가산출 근거 및 공사비 내역서로서 설계변경 업무에서 필수적으로 작성되는 문서를 대상으로 하였다. 특히, 단가산출의 경우 각 공구별로 계약시기와 적용된 기준이 다를 수 있기 때문에 Figure 4와 같이 사용자가 각 공구별 단가를 조정할 수 있도록 하고, 자동화 연계를 위한 데이터 영역에 각 재료비, 노무비, 경비가 자동으로 합산함으로써 프로젝트 특성에 맞추어 활용될 수 있도록 하였다.
3.4 Dynamo를 이용한 자동화 체계 구축
Dynamo는 비주얼 프로그래밍 도구로, 사용자가 직관적으로 규칙을 정의하고 이를 모델에 적용할 수 있다. 본 연구에서 개발한 자동화 체계의 개념은 Figure 5와 같이 크게 두 가지 기능을 포함한다. 첫째는 모델 자동 배치 기능이다. 이 기능을 통해 사용자는 측구와 개거 같이 지형 또는 특정 표면에 연속적으로 배치되는 선형 시설물을 신속히 배치할 수 있다. 둘째는 수량 및 공사비 자동 산출 기능이다. BIM 모델의 속성정보를 바탕으로 수량산출서와 공사비 내역서의 템플릿을 이용하여 설계변경에 관련한 문서를 자동으로 작성할 수 있도록 하였으며, 특히 설계변경 전후의 수량·비용 변화도 즉시 파악할 수 있게 하였다.
3.5 데이터 연계 과정
본 연구에서는 앞서 설명한 BIM 라이브러리, Excel 문서 템플릿, 그리고 Dynamo를 활용한 설계변경 자동화 모듈을 활용하여 다음의 과정에 따라 데이터를 상호 연계함으로써 최종 공사비 내역서가 작성될 수 있도록 구현하였다.
먼저, 앞서 설명한 바와 같이 Revit 기반 배수시설 BIM 라이브러리에는 시설 유형, 단면 형식, 주요 치수, 재료 정보와 함께 최종 공사비 산출에 필요한 단위 수량에 관한 정보를 함께 포함하였고, 특히 치수에 관한 속성 정보에 따른 수량은 설계변경 시 자동 갱신되도록 설계하였다.
다음으로, Dynamo 기반 자동화 모듈은 Revit 모델로부터 길이·체적·개수 등의 공사비와 관련된 수량을 추출하고, Excel 기반 문서 템플릿 내의 공사비 내역 항목에 해당 데이터를 기입한다.
마지막으로, Excel 템플릿에서는 추출된 수량 정보와 문서 템플릿 내에서 상호 연계된 단가 데이터를 결합하여 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서를 자동으로 생성한다. 이와 같은 연계 구조를 통해 BIM 모델 수정 후 자동화 모듈 실행 시 관련 문서가 즉시 갱신되며, 데이터 불일치와 중복 입력을 근본적으로 방지할 수 있다.
4. 실무 적용 및 효과 분석
본 연구에서 구축한 BIM 기반 설계변경 지원체계는 현재 진행 중인 고속국도 건설사업 중 1개 시범 공구를 선정하여 실제 설계변경 사례에 적용함으로써 그 실효성을 검증하였다. 시범 공구는 토공구역 내 배수시설이 다수 분포하고, 타 공종과의 간섭 및 현장 조건 변화로 인한 설계변경 발생 가능성이 높은 구간을 대상으로 선정하였다. 적용 과정에서는 기존 2D CAD 기반 설계변경 방식과 본 연구에서 개발한 BIM 라이브러리 및 자동화 프로그램을 병행하여 동일한 조건에서 수행하고, 수량 산출, 문서 작성, 업무 소요시간 등을 비교·분석하였다.
4.1 사례 1: 타 공종 변경에 따른 배수시설 상세 변경
첫 번째 사례는 타 공종의 설계변경에 따라 배수시설 배치가 수정된 경우이다. Figure 6에 나타난 바와 같이, 현장 여건을 반영하여 보강토 옹벽의 형상이 변경되었고, 그 결과 인접한 배수공의 위치 및 길이가 조정되었다. 본 연구에서는 동일 구간을 대상으로 기존 2D CAD 기반 방식과 BIM 기반 방식으로 각각 설계변경을 수행하여 그 차이를 분석하였다.
기존 방식에서는 변경된 평면과 단면을 CAD 도면 상에서 직접 수정하고, 도면 내 주석 및 표기 사항을 별도로 갱신한 후 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서를 각각 수작업으로 작성하였다. 이 과정은 1) 시설물 배치, 2) 도면화 및 주석 작성, 3) 수량산출서 작성, 4) 공사비 내역서 작성으로 총 네 단계로 구성되며, 각 단계가 서로 독립적으로 이루어져 동일한 정보를 반복 입력해야 했다. 특히 CAD 상에서 선형 중첩이 발생하거나 수량 집계 기준이 불명확한 경우에는 산출 결과의 불일치가 발생하였고, 수량 및 내역 검토에 추가 시간이 소요되었다. 실제로 본 사례에서는 기존 방식으로 계산된 배수공의 변경 수량이 95m였으나, BIM 기반 모델에서 자동 산출된 결과는 93m로 약간의 차이가 발생하였다. 이후 교차 검증을 수행한 결과, Figure 7에 나타낸 바와 같이 기존 방식에서는 CAD 선형이 중첩되어 동일 구간이 중복 계산된 오류가 있었음이 확인되었다.
업무 효율성을 평가하기 위해 측정된 업무 수행 시간을 비교하였으며, 그 내용은 Table 3과 같다. 기존 방식의 경우 수량 집계와 내역서 작성 단계에서 수작업 검토와 반복 확인이 필요하여, 설계변경 문서 작성까지 총 8.0시간이 소요되었다. 반면, BIM 기반 설계변경 체계에서는 Dynamo 스크립트를 통해 모델이 자동 갱신되고 속성정보가 즉시 갱신되었다. 이후 설계변경 자료에 첨부되는 수량산출서와 공사비 내역서를 자동화 모듈을 통해 즉시 작성할 수 있었고, 중복 입력 과정이 사라져 문서 간 불일치가 근본적으로 해소되었다. 또한 3차원 모델을 활용한 시각적 검토가 가능해져 발주처·감리단·시공사 간 협의 과정이 보다 신속하고 투명하게 진행되었다. 설계변경 과정 중 관련 도면 및 서류 작성에 한정하면, Table 3에 정리한 바와 같이 BIM 기반 업무 수행 시 전체 소요 시간은 약 1.8시간으로 단축되어 기존 방식 대비 약 77%의 효율성이 향상되었다.
Table 3.
Comparison of work time between conventional and developed methods (Unit: hours)
다만, 세부 항목 중 모델을 작성하는 과정과 정보를 입력하는 단계에서는 기존 방식보다 소요시간이 다소 증가한 것으로 나타났다. 이는 BIM 방식의 특성상 먼저 기존 방식과 같이 2D 평면상에서 배수로의 경로에 대한 선형 모델을 작성한 후 높이 좌표를 추가로 처리하기 위한 시간이 필요하며, 수량에 관한 일람표를 작성하기 위해 필요한 도로의 좌우편 상의 위치 여부, 지반 조건, 도로 선형의 Station을 기준으로 하는 위치의 값 등의 추가 정보를 입력하는 작업이 요구되기 때문이다. 반면 기존 2D CAD 기반 방식에서는 초기 모델링 단계에서 단순 선형 및 도면 표현 위주의 작업이 이루어져 상대적으로 시간이 적게 소요된다.
그러나 BIM 기반 방식에서 추가로 투입된 이러한 초기 작업 시간은 이후 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서 작성 단계에서 반복적인 수작업을 제거함으로써 충분히 상쇄되었으며, 전체 설계변경 업무 관점에서는 오히려 높은 효율성을 확보한 것으로 분석되었다.
또한, 이 사례를 통해 BIM 기반 설계변경 체계가 단순한 작업시간 단축뿐만 아니라, 데이터 일관성 확보와 오류 최소화에 실질적 효과를 갖는다는 점을 확인할 수 있었다. 특히 기존 방식에서 빈번히 발생하던 중복 산출 및 누락 오류가 모델 기반 자동화 프로세스를 통해 근본적으로 차단되었다는 점에서, 본 체계의 정량적·정성적 개선 효과가 입증되었다.
4.2 사례 2: 측구 형상 개선
두 번째 사례는 Figure 8에 제시된 측구 단면 형상 개선에 관한 설계변경 사례이다. 기존 설계에서는 표준형 측구 단면을 적용하였으나, 현장 시공성 및 배수 효율 향상을 위해 단면 형상을 일부 개선하는 변경이 필요하였다. 기존 2D 기반 방식에서는 변경된 단면 형상에 따라 관련 수량 및 공사비를 재산출하고, 각 항목별 단위 수량을 근거로 문서를 일일이 갱신해야 했다. 이에 따라 도면 수정, 수량산출서 작성, 내역 검토, 문서 승인 등의 절차가 순차적으로 이루어졌으며, 전체 소요 기간은 약 32시간에 달하였다.
반면 BIM 기반 체계를 적용한 경우, 설계자는 Revit 모델에서 해당 유형 변경 및 파라메트릭 매개변수를 수정하는 것만으로 형상과 수량에 관한 정보가 자동 갱신되었다. 이후 앞선 사례와 같이 설계변경 전과 후에 대한 수량과 공사비 내역서의 비교 자료도 자동화 모듈을 이용하여 쉽게 작성하였다. 단가 항목 일부에 대한 문서 템플릿 수정이 병행되었으나, 전체 업무 수행 시간은 약 12시간으로 소요되었다. 이는 기존 대비 약 60% 수준의 업무 효율성 향상을 의미하며, 단순 반복 업무의 제거와 문서 자동화의 효과가 두드러진 사례로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 고속도로 토공구역에서 설치되는 배수시설을 대상으로 BIM 기반 설계변경 지원체계를 구축하고, 실무 적용 효과를 분석하였다. 이를 위해 한국도로공사 표준도를 바탕으로 6개 공종 273개 유형의 배수시설을 식별하고 Revit 기반 파라메트릭 BIM 라이브러리를 구축하였다. 또한 BIM 모델과 연계 가능한 수량산출서, 집계표, 공사비 내역서 템플릿을 개발하고, Dynamo를 활용한 자동화 모듈을 구현함으로써 설계변경 시 수량 및 비용 관련 문서가 신속하게 작성될 수 있도록 하였다. 개발된 체계를 고속국도 건설사업 시범 공구에 적용한 결과, 설계변경 자료 준비 시간이 평균 60~77% 단축되었으며 문서 품질과 일관성이 크게 향상되었다.
기존 BIM 기반 설계변경 관련 연구들은 변경관리 프로세스 정의 또는 건축·교량과 같은 구조물 중심의 자동화 기술에 주로 초점을 두어 왔다. 반면, 본 연구는 설계변경 발생 빈도가 높고 현장 조건의 영향을 크게 받는 고속도로 토공구역 배수시설을 대상으로 하여 실무 적용성을 중심으로 한 BIM 기반 설계변경 지원체계를 제안하였다. 특히, 본 연구는 수량산출서와 공사비 내역서 등 설계변경에 필수적인 문서까지 BIM 모델과 직접 연계함으로써 설계변경 업무 전반을 포괄하는 영역을 대상으로 구현하였다는 점에서 기존 연구와 차별성을 가진다.
본 연구의 결과는 다음과 같이 세 가지 측면으로 정리할 수 있다. 첫째, 수량 산출의 정확성이 향상되었다. 기존 2D 기반 설계는 평면 선형을 기준으로 산출하여 실제 지형 조건과 차이가 발생하였으나, BIM 기반 체계는 3차원 선형을 직접 고려하여 산출 정확도를 높였으며, 그 결과 실제 시공 물량과의 불일치가 현저히 감소하였다. 이는 발주자와 시공자 모두에게 신뢰성 높은 의사결정 자료를 제공한다는 점에서 중요한 의의를 가진다.
둘째, 입력 오류가 제거되고 문서 품질이 향상되었다. 기존 방식에서는 수량산출서와 내역서를 수작업으로 작성해야 했으므로 오타와 누락 등 단순 오류가 빈번하였다. 반면 BIM 기반 체계에서는 모델 속성정보와 문서가 자동으로 연동되므로 오류 가능성이 원천적으로 차단되었고, 결과적으로 설계변경 문서의 품질과 일관성이 보장되었다.
셋째, 의사결정 효율성이 크게 증대되었다. BIM 기반 체계는 설계변경 사항이 반영되면 수량과 공사비가 즉시 갱신되므로, 설계자는 다양한 대안을 빠르게 생성하고 비교할 수 있다. 예로 측구 형식 변경 시 수량 및 비용 변화를 즉각적으로 확인할 수 있어 협의 과정이 기존 방식보다 신속하고 투명하게 이루어졌다. 이는 합리적이고 데이터 기반의 의사결정을 가능하게 하며, 이해관계자 간 협업 과정의 신뢰성을 높였다.
다만, 본 연구는 한국도로공사 표준도를 기반으로 구축되었기 때문에 표준도가 상이한 발주기관이나 특수 형식의 배수시설이 적용되는 경우에는 라이브러리 및 속성 정의에 대한 추가적인 조정이 필요하다. 또한, 본 연구는 공학적 관점에서 필요한 배수시설 배치와 지형 조건 간의 상호작용까지는 다루지는 못하였다. 향후 연구에서는 지형 데이터 및 유역 분석 결과를 BIM 모델과 연계하여 설계변경 단계에서 배수 성능까지 함께 검토할 수 있는 체계로 확장하고, 역구배 발생 여부를 자동 진단하는 기능을 개발함으로써 설계변경 지원체계를 배수시설 설계검토 단계까지 확장할 필요가 있다.
