1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

국토교통부에서는 건설산업 디지털화를 위해 1,000억 이상 공공공사에 대해 건설 전 과정 BIM (Building Information Modeling) 도입을 의무화하고, 건설기준을 디지털화하여 BIM 설계의 생산성을 높이고 있다. BIM 정착을 위해 건설산업 BIM 기본지침 및 시행지침을 제정하여 현장에 효율적으로 적용될 수 있도록 하였고, BIM 설계를 통해 추출된 정보를 바탕으로 각 분야의 건설참여자 간 협업을 유도하여 설계, 시공, 유지관리 등 각 분야에 활용할 수 있도록 하였고, 이를 위해 전문인력 양성을 추진하고 있다. 또한, 스마트건설 활성화 방안의 일환으로 제조업 기반의 탈 현장 건설(Off-Site Construction, 이하 OSC) 활성화를 추진하고 있다. OSC는 주요 부재 및 모듈을 공장에서 사전 제작한 후 현장에서 재조립하는 방식으로 토목 분야에서 교량 상부(바닥판, 거더 등)를 중심으로 활성화하고 있다.

국내에서 가상설계기술이 초기에 도입될 때 BIM을 활용하는 방안이 검토되었고, 조립식 교량에 대한 BIM 모델링 및 활용기술은 지속적으로 연구가 진행되어왔다(Kim et al., 2012; Lee et al., 2015). 최근 한국도로공사에서는 프리팹 교량을 대상으로 고속도로에 최적화된 모듈러 교량시스템을 개발하는 연구를 진행하였으며, 모듈러 교량시스템 기술 환경분석, 다양한 경간장에 적용이 가능한 최적화된 표준모듈 및 조합방법 개발, 모듈러 교량시스템의 설계 및 해석을 통한 성능 검증, 모듈러 기술 활용 시 제한사항 검토 및 극복방안 마련 등을 목표로 하였다. 해외에서도 건설사업에 투입할 미래 자원이 부족한 국가를 중심으로 DfMA (Design for Manufacturing and Assembly, 이하 DfMA)를 적용을 위해 프리팹 공법에 관한 연구가 증가하고 있다. DfMA는 자동화된 시스템을 갖춘 공장에서 구조물을 제작하고 조립방식을 검토한 후 현장에서 조립하여 완성하는 공법으로 기존설비를 활용하여 생산과 공사기간 단축, 프리팹 공장의 품질관리로 인한 품질향상, 현장에서 수행되는 건설작업의 간결화 등의 효과를 검토하고 있다.

본 연구에서는 프리팹 교량 건설 분야를 대상으로 BIM을 도입하여 디지털화를 진행하고 계획 및 설계단계에서 최적의 대안을 선정하는 기술을 제공하고, 교량모델에 반영된 제작사의 제품 정보를 활용하여 설계, 시공, 제작 등에 활용하고자 프리팹 교량모델 작성 프로세스를 구현하였다.

1.2 연구의 범위 및 방법

프리팹 교량모델 작성을 위해서는 제작사의 제품을 디지털화하여 BIM 기반의 라이브러리를 작성하고 선형에 연동하여 교량모델을 작성하고, 배치된 라이브러리를 선형에 맞게 자동으로 수정할 수 있는 선형연동 프로세스가 필요하다. 또한, 프리팹 제품을 제작하는데 필요한 정보를 라이브러리의 속성정보로 부여하고 수량, 제작 정보, 공사비 등의 제작 정보 데이터 추출이 필요하다. 본 연구의 목적은 이러한 프로세스를 통하여 BIM 기반으로 교량모델을 작성하고 여러 가지 대안을 검토하여 최적의 교량형식 선정에 활용하고 BIM 기반 디지털 정보를 활용하여 프리팹 제품의 생산기간 단축, 원가절감, 품질향상 등을 목표로 연구를 진행하였다.

프리팹 교량모델 작성을 위한 프로세스는 다음의 항목에 중점을 두고 알고리즘을 검토하였다.

· 교량의 선형연동성

· 프리팹 부재 적용성

· 라이브러리 저장 및 속성정보 활용성

· 제작지원 데이터 사용성

프리팹 교량모델 작성소프트웨어 선정을 위해 선형연동성, 사용자 속성정보 활용성, 파라메트릭 모델작성 여부, 라이브러리 적용성 등 교량모델 작성에 관련된 필수항목을 기준으로 검토하였다. 현업에서 프리팹 교량은 거더, 바닥판, 교각 등 일부 부재에 프리팹을 적용하고 나머지는 현장타설로 공사가 대부분 진행되므로 현장타설 부재의 경우에도 사용자가 모델을 작성하여 선형에 연동할 수 있도록 모델작성 프로그램도 추가하였다. 프리팹 교량모델 작성에 필요한 프리팹 부재는 거더, 바닥판, 교각 기둥으로 선정하고 제품마다 제작에 관련된 정보를 라이브러리 속성정보에 입력하여 이를 기반으로 제작 정보를 추출할 수 있는 프로세스를 구축하였다.

1.3 BIM 기반 교량 관련 연구 조사

도로구조물에 대한 BIM 모델을 작성하기 위해서는 선형기반 인프라 구조물의 특성과 모듈의 형상 및 속성정보를 표현할 수 있는 BIM 정보모델 표준 및 이를 표현하기 위한 포맷이 필요하며, 설계 실무에서 표준을 준수한 BIM 모델을 지원할 수 있는 S/W (Add-on) 개발이 필요하다(Choi et al., 2020). 현재 디지털 모델을 구현하기 위한 BIM S/W는 연속적인 교량 구조물에 대한 선형기반 모델작성과 라이브러리 저장기능을 지원하고 있으나, 프리팹 구조 분야처럼 사용자 모듈 기반의 라이브러리를 배치하기 위한 BIM 솔루션은 국내외적으로 개념 정립 수준에 머무르고 있다.

최근 인프라 구조물에 대해 BIM 모델작성 S/W 개발 연구가 시작되었고, PSC (Prestressed concrete) 거더, PSC 바닥판, CFT (Concrete Filled Tube) 교각 등 여러 분야에서 연구가 진행되고 있다. 해당 연구를 위한 기술 동향 분석을 위하여 국내에서는 국가 R&D 차원에서 수행한 연구 결과 위주로 최근 사례를 파악하였으며, 해외동향도 분석하였다.

1.3.1 국내 기술 경향

국내 기술은 프리팹 교량 구조물의 계획, 설계, 시공을 위한 R&D 및 소프트웨어 개발 현황 위주로 검토하였다.

(1) 프리팹 부재를 활용한 교량 모듈화 방안 연구

고속도로에 최적화된 모듈러 교량시스템을 개발하는 목표로 연구가 진행되었고, 모듈러 교량시스템 기술 환경분석과 개발 방향설정, 다양한 경간장에 적용이 가능한 최적화된 표준모듈 및 조합방법 개발, 모듈러 교량시스템의 설계 및 해석을 통한 성능 검증, 모듈러 기술 활용 시 제한사항 검토 등을 연구하였다(Lee et al., 2022). 프리팹 교량 대상으로 이 연구에 적용된 BIM 기술은 철근 배근 간섭을 제작 전 단계에서 사전 검토하는 방법과 설계모델을 제작 및 시공하는 과정에서 취득하는 3차원 품질관리 데이터와 비교하여 모듈러 교량시스템의 공정 정밀도를 높이는 방법으로 활용하였다. 또한, BIM 모델을 활용하여 시공 예정인 교량을 대상으로 표준모듈 사전 시뮬레이션을 시행하여 BIM 모델과 모듈 조합의 시각화를 통해 담당자들이 시공 품질과 공사 절차를 직관적으로 이해할 수 있도록 하였다.

모듈러 교량의 경간 변화에 따라 최적의 모듈 조합과 모듈의 종류 및 수량을 결정하기 위하여 BIM 기술뿐만 아니라 3D 프린팅을 이용한 축소모형 Pre-Construction 시스템을 활용하였고, 설계 예정인 고속도록 교량을 대상으로 PSC 거더와 PSC 바닥판을 조합하여 BIM 기반 Pre-Construction을 수행하여 시공과정을 실증하였다. Figure 1은 BIM 표준모델을 활용한 교량 조합 시뮬레이션 과정 중 하나이다.

Figure 1.

Module combination simulation

(2) CFT 트러스 코핑 모듈러교각 및 BIM 기반 설계 모듈 개발 연구

모듈화가 가능한 하부구조 시스템을 개발하여 안전하고 간편하게 교량 하부구조물을 시공하고 교량 전 공종에 있어서 모듈화 완성을 목표로 연구가 진행되었다. 이를 위해 설계요구 성능을 만족하는 각 상세를 개발하고 이를 상용화하기 위해 효과적으로 설계성과품을 제공할 수 있는 BIM 기반의 설계 기술을 만들고자 하였다. 교량의 하부구조를 대상으로 콘크리트를 강관에 충전한 CFT 형태와 모듈러 적용이 어려웠던 코핑부를 CFT 트러스 형태로 공장 제작하여 기둥부에 현장 거치하는 방식으로 개발하여 실질적인 공기 단축과 교각하부 전체공정에 통일성을 주었다.

3차원 구조로 제작자에게 설계 의도를 명확히 전달하기 위한 BIM 모델을 작성하였고, 선형기반의 변수적용이 가능한 3D BIM 모델생성 프로그램 개발로 설계 자동화를 위한 기초 작업을 수행하였다. 선형기반의 BIM 모델로부터 도면 및 수량 자동 추출시스템을 구축하였고 구조계산서와 입력값 연동을 통해 설계 시스템화를 완성하였다.

(3) BIM을 이용한 교량 구조물의 안전진단 및 유지관리 시스템 구축 연구(Han et al., 2019)

BIM 기반으로 안전진단 및 유지관리 이력 데이터를 교량 3D 정보모델을 통해 시각적으로 관리하고, 가치 있는 정보(잔존수명, 교량가치)로 가공하여 제공할 수 있는 통합 관리 시스템 구축을 목표로 연구가 진행되었다. 지형고를 고려한 BIM 라이브러리 구축 및 모듈 자동 조립 프로그램을 개발하였고, 구축된 라이브러리를 적용한 교량 구조물의 안전진단 및 유지관리 프로그램 개발하였다. 교량 3D 모델생성 기술은 템플릿 모델 작업환경을 포함한 프레임워크와 DB를 구축하였고 기존 상용 3D CAD 형상 데이터를 삽입하여 제품에서 재활용할 수 있는 기반을 구현하였다.

교량 구조물 구조부재의 3D 정보모델 생성을 위한 개방형 템플릿 작성을 위해 표준화된 거더 교량형식에 대하여 빠르게 정보모델을 정의할 수 있는 템플릿 구성을 검토하였고, 실제 구조물의 길이 변화에 따라 파라메트릭하게 변경되도록 모델을 구성하였다.

도로 및 철도 선형에 따라서 라이브러리가 조합된 템플릿이 비정형으로 변형되는 모델환경과 잦은 설계 변경 및 연관 프로젝트에서 높은 사용성 및 재활용성을 지원하여 다수의 교량에 효율적으로 모델작성 가능하도록 연구하였다. 교량 구조물 구조부재의 3D 정보모델 생성을 위해 개방형 템플릿을 구현하여 삽입, 편집, 저장 등 라이브러리 모델객체의 관리 기능 개발 및 정보 객체의 그룹 연산 기능을 개발하였다. 또한, 도로 선형의 진행 경로를 따라 함께 연장, 반복되는 속성을 부여할 수 있는 기능을 개발하였고, 업데이트 시 Linear library 모델에 설정되어있는 부재의 속성정보 유지가 가능하도록 구현하였다. Figure 2는 기존 상용 3D CAD 형상데이터를 삽입하여 제품에서 재활용할 수 있는 프로세스이다.

Figure 2.

3D CAD based modeling

(4) 프리팹 교량의 DfMA를 위한 디지털엔지니어링 모델 정의(Duy-Cuong et al., 2022)

교량의 완전 프리팹화를 위해 필요한 설계, 제작, 품질관리, 사전가설 기술을 디지털화하기 위해 핵심적인 역할을 할 데이터모델을 제안하는 것을 목적으로 연구가 진행되었다. 단계별로 기술적으로 반드시 고려해야 하는 설계기준, 시방서의 요구사항, 기술자의 경험지식 등을 디지털엔지니어링 모델(Digital Engineering Model, 이하 DEM)로 정의하였다. DEM은 디지털 모델, 데이터, 파일로 이루어진 디지털화된 성과품 체계를 구현하고 실무에서 활용할 수 있도록 개발되고 있다. 형상모델은 일반적으로 2차원 도면으로부터 저작하지 않고 설계프로그램 혹은 구조계산서에서 형상모델 정의를 위한 데이터모델을 추출하여 모델을 직접 생성하도록 비쥬얼 프로그래밍을 통해 개발하였다.

디지털엔지니어링 모델기반의 설계는 프리팹 제품 공급자가 설정한 제품 설계안을 교량이 위치해야 하는 선형에 맞게 배치해서 진행되어야 한다. 이를 무시하고 기존의 방식대로 설계하는 것은 프리팹화나 디지털화 관점에서 부적절한 설계가 되므로 설계 생산성 측면에서도 비효율적이다. Figure 3은 제작과 가설에 필요한 정보를 고려한 디지털 모델을 활용하여 시공 시 능독적인 대처가 가능하도록 하는 DEM의 역할을 보여준다.

설계에서 가설 완료 시까지의 디지털 모델과 필요한 데이터가 하나의 시스템으로 기능하도록 DEM으로 정의하였고, 국내에서 사전제작 부재를 개발하고 설계, 제작, 운반 및 가설하는 전문업체의 공법들을 대상으로 형상 및 품질관리 및 검측 데이터를 고려하여 개발되었다. 조립식 교량을 구성하는 각 DEM의 인벤토리를 고유의 ID와 부모-자식(Parent-child) 관계로 설정하였고, 프리팹 제품을 공급하는 기업들이 개발한 제품들을 DEM으로 정의해서 제공할 수 있도록 하였다. 교량의 설계에서 완전 프리팹 구조 적용을 위해 필요한 DfMA 관점에서의 디지털모델과 데이터모델의 정의, 이를 활용한 설계 프레임워크에 대한 사항이 제안되었다.

Figure 3.

Role of digital engineering models for a prefabricated bridge

일반 교량의 설계 시 완전 프리팹 교량을 구현하기 위해서는 다양한 설계 대안이 존재하고 프리팹 구조물에 따라 허용오차와 현장에서의 오차 보정 여부 혹은 정도가 결정될 수 있다. 설계자가 DfMA 차원에서 이러한 데이터를 활용하기 위해 가상의 교량모델이 필요하고, 이에 대한 설계구성 프로세스를 정리하였다.

(5) BIM S/W 개발 관련 기술 동향

국내 설계 분야 S/W 개발기업에서 국토교통부의 2025년 전면 BIM 도입에 발맞춰 기존 교량 설계프로그램을 기반으로 교량 하부구조물의 3D 모델을 자동으로 생성할 수 있는 S/W를 개발하였다.

이 S/W는 설계데이터를 활용하여 3D 모델 자동생성 및 구조물 객체 분류코드를 지원하고 사용 BIM S/W와 호환가능한 IFC 2x3파일을 내보낼 수 있으며, IFC 모델에는 구조물 및 철근 형상과 철근 정보가 포함되어 있다.

1.3.2 해외 기술 경향

해외기술은 BIM 기반의 교량 모델작성 R&D 및 사례 위주로 검토하였다.

(1) 미국

미국의 연방고속도로국(The Federal Highway Administration, 이하 FHWA)에서는 고속도로 교량의 설계, 제작을 위해 BIM을 적용하고 있다. 이 연구에서는 교량 설계에 IFC (Industry Foundation Class) 형식을 사용하여 디지털 전달(Digital delivery)에 관한 연구를 수행하였다(Brenner et al., 2021). 교량 프로젝트에서 교량모델의 디지털 정보 전달을 위해 IFC 표준을 개발하는 것이 연구목표였다. 디지털 전달(Digital delivery)은 디지털 프로세스를 사용하여 인프라 자산을 설계, 시공, 제작, 운영 및 유지하는 것을 의미한다. IFC 형식은 현재 건축요소를 기준으로 정의되어 있어 토목구조물에 적용하기 어려워 연구가 진행되었다. 이 연구에서는 AASHTOWare 교량 설계(BrD)/교량 등급(BrR)의 데이터를 FHWA 교량 설계 정보 교환을 기반으로 IFC 형식으로 변환하기 위해 생성된 유틸리티 응용프로그램 및 관련 소프트웨어 구성 요소를 설명하였다.

교량설계(BrD)의 주요 데이터 구조는 구조 계층으로 분해되고 AASHTOWare 교량설계(BrD)에서 개발된 정의 세트, 형상 및 재료를 포함하는 하나의 프로젝트로 정의하였다. 교량의 다양한 요소에 데이터 구조가 어떻게 적용되는지 설명하였고, 적용한 데이터 구조는 IfcProjec, IfcSite, IfcBridge, IfcSpace 등으로 구분하여 교량 구조형식을 활용한 IFC 체계를 정의하였다. 교량 유형별 객체에 IFC 변수를 할당하여 모델 변환에 활용할 수 있도록 하고, 토목구조물에 대한 모델 분류 시스템을 구축하였다. 또한, 건축과 달리 토목구조물은 선형을 기준으로 작성되므로 선형기반의 IFC 형식도 연구하였다. 선형기반으로 작성되는 데이터 구조는 선형과 지정된 오프셋에서 축을 따라 배치되는 객체를 기반으로 정의하였다. Figure 4에서는 IFC 데이터 구조가 브리지의 다양한 요소를 어떻게 적용하는지 보여주었다.

Figure 4.

IFC data structures for bridge systems

(2) 독일

2015년 독일의 교통 및 디지털 인프라부(Ministry of Transport and Digital Infrastructure)에서는 2020년 연방 인프라 프로젝트에 BIM을 의무화한다는 목표와 함께 BIM 방법의 단계적 도입을 위한 로드맵을 정의하였다. 독일 교통부는 BIM4INFRA 2020 컨소시엄이 수주한 대규모 프로젝트를 통해 다음과 같은 중요한 성과를 달성하였다.

· BIM 활용 사례 평가를 통한 BIM 2020 시나리오정의

· 종합 BIM 가이드라인 발간

· 데이터베이스 개념(The database concept)

(3) 호주와 중국

호주와 중국은 IFC 형식의 BIM 모델을 Shapefile 형식의 GIS 모델로 변환하는 것을 목표로 하는 연구를 공동으로 수행하였다. 직사각형 프로파일, 원형 프로파일, 임의 프로파일, I형 프로파일 등 솔리드 객체에 일반적으로 사용되는 프로파일을 조사하고 swept 솔리드를 Brep 형식으로 변환하는 알고리즘을 개발하였다. 교량모델을 사용하여 제안된 방법을 검증하고 웹 GIS 기반 교량 관리 시스템을 개발하여 변환된 Shapefile 교량모델의 활용성을 보여주었다. 이 연구에서는 교량모델을 이용하여 데이터 변환 시작부터 최종 적용까지 BIM/GIS 통합의 체계적인 과정을 입증하였다(Junxiang et al., 2020).

(4) 일본

일본에서는 건축 프로젝트에 BIM이라는 용어를 사용하고, 토목 프로젝트에는 "건설 또는 토목 정보 모델링(Civil Information Modeling, 이하 CIM)"이라는 용어를, 건축과 토목 공학 분야 모두에는 "건설 정보 모델링(CIM)"이라는 용어를 사용한다. 2016년 일본 국토교통성(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism)은 BIM을 포함한 정보통신기술을 건설 실무에 통합해 건설 생산성을 높이기 위한 I-Construction 이니셔티브와 정책을 발표하였다. I-Construction 이니셔티브는 2016년 4월 1일부터 3백만 달러 규모의 도로 및 제방 프로젝트의 굴착(절토 및 성토) 작업에 BIM 사용을 의무화하고 적용 범위를 터널 및 교량 프로젝트로 확대할 계획이다(Lee and Borrmann, 2020).

(5) BuildingSMART

BuildingSMART는 다양한 인프라 구조물에 대한 IFC의 범위를 확장하기 위한 IFC 인프라 확장 프로젝트(IFC infrastructure extensions project)를 실행하였고, 도로, 철도, 교량, 항구 및 수로를 통합하는 인프라 구조물에 대한 접근방식을 검토하고 있다.

2. 프리팹 교량모델 작성 프로세스

2.1 Prefab bridge modeling process

본 연구에서는 상용 BIM S/W를 대상으로 객체 속성입력 여부, 파라메트릭 모델작성 여부, 라이브러리 활용 여부, 선형연동 여부, 사용 프로그래밍 언어 등을 검토하였고, API를 활용하여 Add-on으로 탑재 가능한 S/W를 선정하여 라이브러리 기반 자동 교량작성 프로그램 개발을 추진하였다. 프로그램의 교량모델 작성방식은 작성단계별 입력창을 구성하고 사용자가 제원을 입력하면 모델을 생성하는 방식으로 진행하였다. Figure 5는 본 연구에서 개발한 프리팹 교량을 BIM 기반으로 작성하는 프로그램 인터페이스이다. 교량모델 작성 프로세스는 실제 국내에서 사용 중인 2D 구조설계 프로그램과 유사한 입력방식으로 구성하여 이 프로그램을 실제로 사용하게 될 설계사가 사용하기 편리하도록 하고 단계별로 진행되는 과정을 시각적으로 확인하도록 하여 직관적인 검토가 가능하도록 하는 것이 중요하다.

Figure 5.

Interface of prefab bridge modeling program

BIM 기반의 교량모델 작성 자동화를 위해서는 프로젝트 정보 입력, 선형입력, 교량모델 작성을 위한 변수(교량형식 및 제원, 바닥판 및 거더제원, 교량 받침, 교대 및 교각 제원 등)를 입력할 수 있어야 하고 Figure 6에서 보는 바와 같이 교량모델을 작성하기 위한 절차가 필요하다. Figure 6은 교량모델을 작성하기 위해 고려한 절차이다. BIM 설계단계에서는 상용 소프트웨어를 사용하여 교량모델을 작성하게 되면 대부분 설계도면을 프로그램 내에 배치하고 라인을 추출하여 모델을 작성하는 방식으로 진행된다.

Figure 6.

Prefab bridge modeling program workflow

프리팹 교량은 선형기반으로 설계가 진행되기 때문에 선형을 입력할 수 있는 기능이 요구된다. 선형 입력창에서는 Station, 좌표(X, Y, Z), BP, IP, EP 등의 정보를 입력하도록 하고 입력된 정보가 프로그램에 연동되어 선형기반의 모델 배치에 활용되어야 2D 설계를 3D로 정확하게 구현할 수 있다.

프리팹 교량은 공장에서 제작하는 제품을 현장으로 운반하여 시공하기 때문에 3D 선형을 따라 모델을 작성하는 방식이 아니라 3차원 선형 위의 한점을 기준으로 프리팹 제품을 배치하고 회전하여 교량모델 작성하는 방식을 적용해야 한다. 이를 위해서는 프리팹 제작사에서 보유 중인 제품을 라이브러리로 등록하고 배치하는 프로세스가 필요하고 프리팹 제품을 생산하는데 필요한 정보를 라이브러리에 입력하여 최종 교량으로부터 관련된 정보를 출력하는 절차가 필요하다. 본 연구에서는 거더, 바닥판, 교각 기둥(CFT)의 프리팹 제품을 대상으로 교량설계 시 배치 방식과 제작 정보 활용을 위한 데이터 템플릿 작성방식을 검토하였고, 작성된 정보를 설계사 및 제작사와 공유하여 효율성을 검증하였다.

거더 배치를 위해서는 라이브러리에 등록된 객체를 선택하고 지점에서의 이격거리, 거더간 간격, 켄틸레버 길이 등의 정보를 입력하여 모델을 작성하게 된다. 거더의 제원은 제작사별로 공법과 제원이 다양하기에 이를 자동으로 배치하기 위해서는 등록된 라이브러리 객체의 형상정보를 프로그램 내에서 자동으로 인식하고 입력창에서는 객체정보를 확인하여 배치할 수 있어야 한다. Figure 7은 거더 배치를 위해 구현한 입력창이다. 실제 시공에 적용되는 프리팹 제품들은 현장 상황에 맞게 제품의 형상을 수정하거나 시공사의 요청에 따라 제품을 변경하는 경우가 많아서 같은 경간장에도 다양한 제품이 존재하기도 한다. 프리팹 제품의 장점을 최대한 높이기 위해서라도 프리팹 교량설계에 DfMA의 개념을 도입하는 것이 시급하다고 판단된다. 라이브러리에 등록된 모델은 LOD 200~300 정도의 수준으로 작성하고 속성정보는 높은 수준의 정보를 입력하여 설계사에서 개략공사비를 분석하고 이 정보를 제작사에 디지털 정보로 제공하여 제작사에서는 노하우가 반영된 디테일한 설계를 진행하여 프로젝트에 활용하도록 하는 것이 본 연구의 방향이다.

Figure 7.

Input window for girder placement

바닥판 배치를 위해서는 선형설계에 입력된 정보를 기반으로 모델을 작성하는 현장타설 구간과 프리팹 바닥판이 배치되는 구간이 필요하다. 프리팹 바닥판이 배치되는 구간은 현장타설구간의 길이를 고려한 프리팹 바닥판의 시작점과 바닥판의 사각을 고려하여 배치하게 된다. 프리팹 바닥판은 시공 시 거더 위에 거치하고 연결부를 현장타설하여 시공하기에 설계과정에서도 바닥판 거치를 위한 기준 거더 설정이 필요하다. 이 기준 거더를 바닥판 배치 시 활용하기 위해서는 라이브러리의 삽입점과의 관계를 고려한 배치방식이 필요하다. Figure 8은 본 연구에서 개발한 프로그램 내의 프리팹 바닥판 배치 입력창이다.

Figure 8.

Input window for deck placement

일반적으로 시공되는 국내 프리팹 교량 대부분은 거더 및 바닥판에 프리팹을 적용하고 교각은 현장타설로 작업하거나 일부 교각에 CFT를 적용하기도 한다. 그래서 현장타설로 시공되는 교각모델 작성을 위해서 변수를 활용한 모델작성 방식이 필요하다. 변수 활용 모델 작성방식은 여러 상용 BIM 소프트웨어에서 자주 사용하고 있는 방식으로 수치　입력만으로 모델을 작성할 수 있어서 모델작성시간이 단축되고 생성한 모델을 여러 프로젝트에 사용할 수 있어서 재사용이 용이하다. 일부 BIM 용역사에서는 교량, 터널, 항만을 대상으로 변수 기반의 모델 작성방식을 연구하고 있다.

CFT 교각은 현장타설 기초, CFT 기둥, 코핑으로 구분되고 CFT 기둥은 프리팹 제품으로 라이브러리를 활용한 배치 방식이 필요하다. 코핑과 기초는 현장타설 구간으로 변수를 활용한 모델방식을 이용하여 다양한 형식을 적용하도록 하여 자동화의 효율을 높이는 것이 좋다. 프리팹 제품은 일반적으로 거푸집 비용이 공시비에서 큰 부분을 차지하여 되도록 동일한 제품을 많이 사용하여 거푸집 타입 수를 줄이는 최적화 작업을 하지만 그렇지 않은 경우를 대비하여 교각 기둥에 2~3가지 형식의 제품을 입력하는 방식을 고려해야 한다. 라이브러리에 등록된 객체는 대부분 제작 정보가 입력되어 있기에 수량산출을 위한 정보입력과정이 필요없지만 현장타설 구간의 경우는 상용프로그램 내에서는 체적정보만 확인할 수 있기에 변수를 활용한 모델작성 후 프리팹 모델과 같이 2D에서 산출한 제작 정보를 입력하여 라이브러리로 등록하는 과정이 필요하게 된다.

2.2 Library manager (라이브러리 관리자)

라이브러리는 선형종속객체와 선형독립객체로 분리할 수 있다. 선형종속객체는 기준 선형이 형상 구현에 직접적인 요소로 사용되는 경우이고, 현장타설 바닥판, 포장, 방호벽 등이 이에 해당한다. 선형독립객체는 기준선형 위에서 교축방향, 교축직각방향, 수직방향과 관련하여 위치가 정의되며 기준 지점과 해당 객체의 기준점을 일치시켜 작업할 수 있는 객체이고, 교각, 교대 등이 이에 해당한다(Lee et al., 2018). 제작사에서 보유하고 있는 제품을 3D 도로 선형기반으로 배치하기 위해서는 배치 방식도 중요하지만 등록된 라이브러리가 어떤 정보를 가지고 있고, 제품의 형상은 어떠한지 확인할 수 있는 기능이 필요하다. 이 부분을 해결하기 위해서는 교량의 형상, 제작정보, 설계도면 등을 수정 변경할 수 있는 라이브러리 관리자를 두어 사용자가 수정 변경이 가능하도록 해야 한다. Figure 9는 프리팹 라이브러리에 등록하기 위한 절차이다.

Figure 9.

Prefab library registration workflow

라이브러리에 등록된 프리팹 제품들은 거더, 바닥판, 교각 기둥 등 제품에 따른 분류체계가 필요하고 이에 대한 관리가 되어야 한다. DfMA가 구현된다면 제품 정보수정이 거의 필요없지만 현재 단계에서는 프로젝트 대응이 용이하도록 라이브러리의 정보수정이 필요하다. 또한, BIM 기반의 디지털 모델로 생성하여 사용자가 제품의 형상정보를 시각적으로 확인할 수 있도록 함으로써 교량모델의 정확성을 높여야 한다. Figure 10은 라이브러리에 등록된 제품들의 정보를 수정할 수 있도록 구현한 입력창이다. 거더 라이브러리의 경우는 대부분 제작사 제품명칭에 따라 어느 정도의 정보를 확인할 수 있고 사용자 대처가 가능하지만, 바닥판의 경우 편경사, 거더개수, 교량폭원 등에 따라 바닥판의 형상정보가 매우 다양하기 때문에 설계사에서 프로그램 활용 시 배치하는 모델의 정보만으로 설계하기에는 한계가 있으므로 이에 대한 여러 가지 기능이 요구된다. 본 연구에서는 등록된 객체의 형상정보 및 속성정보에 대한 관리체계를 마련하여 활용성을 높이는 데에 중점을 두고 업데이트 체계마련에 연구를 진행 중이다.

Figure 10.

Library manager interface

3. 연구내용 검토

3.1 교량의 선형연동성

프리팹 교량작성 프로그램을 활용하여 도로 교량 설계 프로젝트에 적용하기 위해서는 작성된 모델의 선형연동성 및 정확성을 검토해야 한다. 선형연동성 검토는 설계도면을 기반으로 BIM 상용 S/W를 활용하여 작성한 모델과 선형연동 프로그램으로 작성한 모델을 비교하는 방식으로 진행한다. 교각과 교대는 2D와 3D의 오차가 거의 발생하지 않지만, 거더의 경우 종단 선형과 평면 선형에 따라 2D 설계와 몇 mm 오차가 발생하므로 이에 대한 보정을 위해 3D 모델과의 검토가 필요하다. 디지털 정보로 작성된 모델 검토를 위해서는 시·종점, 교대, 교각 등 지점부 위치 등 정확성을 검증하기 위한 기준이 필요하다. 국내 BIM은 전환설계단계에서 전면설계 단계로 바뀌고 있고 향후 2D 설계도면을 기반으로 모델을 작성하는 방식이 아니라 개발 프로그램과 같이 라이브러리 기반의 BIM 계획 설계를 실행하고 이를 기반으로 도면 및 수량을 산출하는 방법으로 진행될 것이라 예상한다. Figure 11은 2D와 3D 모델 비교분석에 활용한 모델이다.

Figure 11.

Prefab bridge model for comparative review

3.2 프리팹 부재 적용성

프리팹 제품이 적용되는 거더, 바닥판, CFT 교각의 경우는 라이브러리에 등록된 객체를 활용하여 교량모델을 작성하므로 모델이 배치되는 위치 검토 및 속성정보의 정확성 검증이 필요하다. 또한, 2D 설계에서 제공하는 Elevation 산출근거도의 기준을 따라 배치된 모델의 레벨의 정확성을 검토하게 된다. 현장타설 구간과 프리팹 바닥판 구간의 접합 여부, 라이브러리 간 간섭, 속성정보 일치성 등 배치 시 발생할 수 있는 이슈 검토는 BIM 기반 모델작성에 필수적인 요소이다.

프리팹 바닥판 배치에는 여러 가지 복합적인 요소가 고려된다. 실제 현장에서 거더와 바닥판은 서로 다른 제작업체가 시공하므로 이에 대한 오류가 발생하고 이를 보완하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 프리팹 구조물은 제작, 야적, 거치 단계의 기간에 따라 구조물이 변형을 일으키기에 시공 시 많은 문제를 발생하고 있다. 실제로 거더의 전단연결재와 바닥판의 전단포켓을 디지털로 검토하여 최적화하는 연구가 진행되고 있지만, 시공 시 최적화된 위치를 반영하여 시공한다는 것은 상당히 어려워서 많은 난관에 부딪히고 있다. 본 연구에서는 계획 및 설계단계의 모델작성에 국한하여 적용성을 검토하였다. Figure 12는 프리팹 바닥판 배치 후 라이브러리에 적용된 프리팹 제품 속성정보이다.

Figure 12.

Properties information for prefab deck

3.3 라이브러리 저장 및 속성정보 활용성

본 연구에서는 라이브러리 등록 시 제작지원 정보를 입력하고 교량모델 작성 시 배치된 라이브러리를 기반으로 디지털 데이터를 구현하여 설계사에서 주로 활용하는 Excel 기반의 수량산출 템플릿으로 출력하는 시스템을 연구하였다. 표준타입 제작에 필요한 수량정보는 제작사에서 사용하는 데이터 템플릿을 기반으로 구성하여 제작사의 프로그램 사용성을 높였다. 거더의 경우는 30m, 35m, 40m, 45m, 50m를 대상으로 표준 데이터를 요청하여 작성하였지만, 실제 현장 상황에 맞춰 사용자가 수정 변경이 가능해야지만 실용성을 높일 수 있다. BIM 기반의 제작 정보는 제품에 따라 여러 가지의 정보들이 입력되는데 모델 작성방식에 따라 입력되는 정보가 방대하게 되면 프로그램에 부여되는 변수가 많아지게 되므로 모델작성에 필요한 시간이 늘어나게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 라이브러리에 입력되는 정보를 설계에 필요한 간략한 정보만을 입력하고 프로그램에서 출력되는 수량산출서에서 교량모델 작성에 활용된 라이브러리의 개수만 출력하여 산식으로 구하는 방식을 취하는 것이 좋다. Figure 13은 교량모델 작성에 활용된 프리팹 라이브러리의 속성정보를 기반으로 추출한 제작정보이다.

Figure 13.

Quantity output of prefab structure

3.4 제작지원 데이터 사용성

디지털 전환을 위해 데이터에 기반한 모델이나 다른 기술들과의 연동성 검토가 필요하다. 제작지원 데이터는 제작사가 필요로 하는 데이터로 구성되고 이 정보를 기반으로 제작에 관련된 주요 부재를 확인하여 공사비 산출에 활용할 수 있다. 설계에서 가설 완료 시까지 디지털 모델과 정의된 데이터를 기반으로 하나의 시스템으로 적용될 수 있도록 제작지원 데이터를 정의하고 프리팹 구조설계에서 필수적인 DfMA를 구현하기 위해서는 설계사에서 직접 프로그램을 사용하고 효용성을 검토할 필요가 있다.

4. 사용성 검토

도로구조 설계 분야에 10년 이상의 경력을 가지고 있는 전문가로 구성된 자문위원을 대상으로 프로그램 사용성 검토를 시행하였다. 여러 가지 다양한 의견이 검토되도록 프로그램 전반에 대한 검토를 요청하였고 사용성, 실용성에 대한 Table 1과 같은 의견을 도출하였다. 프리팹 교량의 구조설계는 제작사가 설계를 진행하므로 프리팹 제품 변경으로 인한 품질 저하가 발생하고 시공 시 오류가 빈번히 발생하고 있다. 이에 본 연구의 프로세스를 도입함으로써 프리팹 구조설계 분야를 개선할 수 있는 걔기가 될 것이다.

기존의 교량 설계방식에서는 설계사에서 제공한 경간 구성에 따라 전문업체가 거기에 맞게 설계하는 방식으로 진행되어 프리팹 제작업체에서 생산되는 제품들을 각자의 노하우를 반영하여 수정하거나, 변경하여 프로젝트에 적용하게 되는데 이로 인해 거푸집을 새로 제작하거나 수정하는 과정에서 품질이 저하될 수 있고 공기 저해 요소가 발생할 수 있다. 건설산업의 DfMA를 위해서는 제작사에서는 일정 치수의 제품만 생산하고 설계사는 이를 기반으로 설계하여 제작사의 생산품질 향상 및 공기 단축의 효과를 가져올 수 있도록 하는 프로세스가 필요하다.

5. 결론

이 연구의 목적은 현재 진행 중인 스마트건설기술개발 사업의 일환으로, 설계, 제작, 가설하는 전문기업들이 프리팹기술을 통해 모델 작성, 설계정보와 제작정보를 디지털화할 수 있게 하는 것이다. 국내 현장에 맞춰 DfMA를 구현하기 위해서는 제조업의 조립품처럼 제작사의 제품을 그대로 설계에 반영되도록 프로젝트 참여자의 인식개선이 필요하다. 향후 본 연구내용을 기반으로 고속도로 프로젝트에 실제로 적용하여 사용성을 검증할 예정이다. BIM 기반 프리팹 교량모델 작성을 위한 프로세스를 통하여 제작정보 기반의 프리팹 교량을 설계하고, 관련된 정보를 추출하여 제작사 및 시공사에 제공함으로써 최적의 대안선정에 도움을 주고 이로 인한 프리팹 품질향상, 공기단축, 비용 절감 등의 효과를 가져올 것이라 기대한다.