1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 디지털 엔지니어링모델의 정의
2.1 설계에 연동되는 모델링 알고리즘
2.2 프리팹 교량 모델의 구성
2.3 프리팹 구조의 제작의 용이성을 고려한 설계 모델
2.4 프리팹 교량의 조립성을 위한 설계 모델
3. 가상의 완전 프리팹 교량 설계
4. 결론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
건설산업의 디지털 전환이 빠르게 진행되고 있으며 BIM(Building Information Modeling)에 대한 기술 수준도 변화를 보이고 있다. 특히, 건설사업에 투입할 미래 자원이 부족한 국가를 중심으로 OSC(Off-site construction)를 위해 사전제작에 의한 프리팹 공법에 대한 요구가 증가하고 있다(BCA, 2016). 디지털 기술 기반의 제조기술은 프리팹 부재의 설계 뿐 아니라 제작 자동화 및 품질검사 자동화로 연결되고 있다. 이를 위해서 데이터에 기반한 엔지니어링이 타 산업분야와의 정보 인터페이스 구현을 위해 반드시 필요한 사항으로 대두되었다(BrydenWood 2017; Deutsch 2015). 영국에서 추진하는 Level-3 BIM의 핵심적인 사항은 데이터에 기반한 정보전달체계에 있다(HM Government 2015).
가상설계 및 건설 기술이 초기에 도입될 때는 3차원 형상에 주로 관심을 가지고 활용하는 방안이 강구되었다(Shim et al. 2012). 이후에 국내에서 조립식 교량에 대한 BIM 모델링 및 활용 기술은 지속적으로 개발되어 왔다 (Kim et al. 2012; Lee et al. 2015; Park et al. 2017). 이러한 연구에서는 디지털 모델의 활용성에 중점을 두고 2차원 도면기반의 설계를 혁신하기 위한 방법론이 주로 제시되었다. 디지털 전환을 위해 데이터에 기반한 모델링이나 다른 기술들과의 연동성 확보는 미비하였다. 디지털 제작 장비들의 사용이 증가하고 3차원 프린팅 기술이 활발하게 사용되기 시작하면서 데이터 인터페이스에 기반한 모델 알고리즘과 데이터 분석 기술이 Level-3 BIM으로 인식되기 시작하였다. 디지털 모델에 기반한 성과품 체계는 영국에서 시도되었다(Gaunt, 2017). 기존 성과물과 병행해서 진행되었고 기술자들의 의견을 청취하고 장점과 해결해야 하는 과제들이 제시되었다. 미국에서는 IFC(Industrial Foundation Classes)에 기반해서 제시된 OpenBriM(Open Bridge Information Modeling)에 대한 적용시도가 발주처 주도로 진행되고 있다(Bartholomew et al., 2015). 이러한 노력에 기반하여 디지털 기술 기반의 정보전달체계가 국제표준으로 채택되어 ISO 19650으로 제시되었다(BSI, 2018).
디지털 전환은 시설물의 유지관리 분야로도 빠르게 확산되고 있다. 케이블 교량 위주의 유지관리시스템인 BMS(Bridge Maintenance System)이 BIM 모델 및 데이터를 매개로 정보의 플랫폼 역할을 수행할 수 있도록 하는 시도가 다수 이루어졌다(Shim et al., 2017; Dang and Shim, 2018; Shim et al., 2019; Wan et al., 2019). BIM 모델이 가지는 한계로 지적되는 것이 실제 구조물의 형상변화를 실시간으로 반영하지 못하는 정적인 특성에 있다. 유한요소해석이나 모니터링 데이터와 연계가 필요한데 이를 위한 연구가 수행되었다(Shin et al. 2011; Fedorik et al., 2016; Choi et al., 2020; Dang et al., 2020; Shim and Roh, 2021; Jeong et al., 2017).
기존 구조물의 디지털화를 위해서는 포인트 클라우드 데이터에 기반한 기술이 개발되고 있다. 교량의 형상을 생성하는 방법(Lu and Brilakis, 2019)이나 이미지 기반의 점검 대체 기술 개발이 시도되었다(Won et al., 2021). 이러한 데이터는 통합되어 실사모델로 구성되는데 현장에 있지 않은 기술자가 증강현실 장치를 통해서 손상 평가를 하는데 도움을 줄 수 있다(Nguyen et al., 2021). 디지털 모델이 구조물의 설계, 제작, 시공 정보를 포함하고 유지관리 단계에서 발생하는 데이터를 축적하면 궁극적으로 디지털 트윈모델을 개발할 수 있게 된다(Shim et al., 2018). 이를 위해 센싱 데이터와 해석모델 연동이 필수적으로 요구된다.
DfMA(Design for manufacturing and assembly)는 프리팹 구조의 설계에서 필수적임에도 불구하고, 건설산업에서 이를 위한 정보의 전달 방식을 데이터 기반으로 설정한 사례가 미미하다. 설계자가 제작과 가설 단계에서의 변화와 리스크를 파악하기 위해서는 가상의 디지털 모델에 기반한 검토가 가능해야 하고 실제 발생할 수 있는 오차와 변형을 판단할 수 있어야 한다. 디지털 모델 기반의 설계를 가능하게 하는 기술은 현재의 BIM 모델이 엔지니어링 컨텐츠를 내포할 때 가능하게 된다. 이러한 측면에서 이 논문에서 제안하고자 하는 디지털 엔지니어링 모델의 DfMA 적용을 위한 핵심적인 정의가 요구된다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구는 교량의 완전 프리팹화를 위해 필요한 설계, 제작, 품질관리, 사전가설 기술을 디지털화하기 위해 핵심적인 역할을 수행할 데이터 모델을 제안하는 것을 목적으로 한다. 각 단계별로 기술적으로 반드시 고려해야 하는 설계기준이나 시방서의 요구사항도 있고 기술자의 경험지식도 존재하게 된다. 따라서, 이를 디지털엔지니어링모델Digital Engineering Model)로 정의하였다.
기존의 프리캐스트 제품을 이용한 조립식 교량과 프리팹 교량의 기술적 차이는 디지털 모델 기반의 설계에서 출발한다. Figure 1에서 보인 바와 같이 제작과 가설에 필요한 정보를 고려한 디지털 모델을 선형에 올려서 설계안을 만들기 때문에 설계시에 이미 제작오차와 가설오차에 대한 능동적인 대응이 가능하게 된다. DfMA를 구현하기 위해서는 제작시 발생하는 변동성에 대한 데이터가 필요하다. 설계는 가정된 값들에 근거해서 형상을 결정하고 변형을 예측한다. 실제 시공이 시작되면 제작시에 재료 특성값이 설계와 다르고 프리스트레스 크기나 손실량, 제작 일정도 변동성을 갖게 되기 때문에 설계시의 가정과 동일할 수 없다. 현재는 이러한 문제를 현장타설 부분으로 해소하고 있다. 완전 프리팹 구조를 구현하려면 완성계의 목표 선형을 근거로 절차를 역순서로 구현하여 각 단계별로 허용가능한 오차를 규정하고 오차가 발생할 때 이후의 대응 방안을 사전조립 시뮬레이션을 통해 바로 구현할 수 있어야 한다. 즉, 설계에서 가설완료시까지의 디지털 모델과 필요한 데이터가 하나의 시스템으로 기능해야 한다. DEM은 이를 정의하기 위한 것이고 국내에서 사전제작 부재를 개발하고 설계, 제작, 운반 및 가설하는 전문업체의 공법들을 대상으로 형상 및 품질 관리 및 검측 데이터를 고려하여 개발되었다.
2. 디지털 엔지니어링모델의 정의
2.1 설계에 연동되는 모델링 알고리즘
DEM은 ISO19650에서 제시한 바와 같이 디지털모델, 데이터, 파일로 이루어진 디지털화된 성과품 체계를 구현하고 실무에서 활용할 수 있도록 개발되고 있다. 형상모델은 일반적으로 2차원 도면으로부터 저작하지 않고 설계 프로그램 혹은 구조계산서에서 형상모델 정의를 위한 데이터모델을 추출하여 모델을 직접 생성하도록 비쥬얼 프로그래밍을 통해 개발되었다.
프리팹 구조는 기본적으로 거푸집 비용이나 제작 과정을 최대한 자동화 및 기계화하기 위해 표준화를 하게 된다. 이를 통해 디지털 모델이 고려해야 하는 변동 변수의 수를 줄일 수 있고 다수의 변수들간의 상호관계와 기준 및 시방에서 요구하는 상세 요구사항을 만족시킬 수 있도록 구속조건을 부여한 모델 정의를 할 수 있다. 설계자는 이러한 모델을 보유한 상태에서 주어진 선형에 맞는 적절한 프리팹 부재의 배치를 통해서 모델 기반의 설계를 수행한다. 즉, Figure 2에서 제시한 예시와 같이 LOD(Level of Detail)200은 설계를 위한 모델인데 단순한 형상 표현을 하고 있지만 수량산출을 위한 데이터와 제작을 위한 데이터가 하나의 데이터 세트로 묶여 있고 LOD400의 제작모델이 직접 연계되어 있어야 한다. 즉, 설계에서 주요 변수가 결정되면 이 설계 모델에 연결된 데이터모델이 제작모델의 변수들을 변화시켜서 LOD400 디지털 형상모델이 설계변수를 반영하여 수정 된다. 이 과정은 기존의 설계자가 디지털 모델링에 대한 별도의 작업을 하지 않고 데이터만을 생성하고 알고리즘에 입력하여 디지털모델을 획득하고 필요한 성과물을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 물론, 설계에 연계되어 해야 하는 업무인 도면, 수량 산출도 데이터에 기반하여 자동 생성하도록 프로그램을 구축할 수 있다. LOD300을 수량산출을 위한 모델 수준으로 설정한 것은 철근이나 보강 상세와 같이 지나친 디지털 모델 상세수준으로 인해 발생하는 메모리 부담을 경감하기 위해 주요모델 변수와 연결되는 데이터로부터 직접 필요한 상세 수량을 산출할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 정의는 일반적인 구조물에서는 쉽지 않지만 프리팹 부재와 같이 공장생산 환경이나 디지털 제조 및 품질관리 기술에 기반할 경우에는 충분히 타당한 정보전달체계가 될 수 있고 매우 높은 생산성을 제공할 수 있다.
DEM의 기술수준을 2단계로 구분하였다. 현재 상황에서는 각 기업들이 보유한 설계자동화 프로그램이나 내부적으로 사용하는 구조계산서 생성 시트에 기반해서 형상을 정의할 수 있는 데이터모델을 추출하고 이 데이터로부터 직접 디지털모델을 생성하고 관리할 수 있도록 하는 Level-1 DEM을 개발하였다. 제작 및 가설단계까지의 절차를 개발된 디지털 모델이 경험하고 수정되는 과정에서 데이터가 축적되면 DEM 기반의 설계시스템이 개발될 수 있다. 정보의 흐름이 현재보다 상당히 디지털화되고 동시공학적 효율성을 확보할 수 있을 것이다.
Figure 3에서 제시한 알고리즘 체계를 보면 하나의 알고리즘에서 모델의 상세수준을 다르게 생성할 수 있다. 단일 형상 데이터모델은 설계 단계에서 생성되고 제작 단계에서는 제작 오차를 반영한 변수 수정을 통해서 업데이트된다. 프리스트레스를 도입하는 부재의 경우에는 시간에 따른 형상변화가 발생하는데 이를 변형 검측 혹은 센싱을 통해서 데이터가 추출되도록 설정한다. 가설시에는 현장 검측이 이루어지게 되는데 이 과정에서 생성되는 검측 보고서를 이용하여 최종 형상 디지털 모델을 생성한다. 준공 디지털 모델이 각 단계별로 업데이트되면서 실제와 동일한 데이터가 유지관리 단계로 전달될 수 있다.
이 논문에서 제시하는 DEM은 데이터에 기반한 모델링과 활용을 위해서 개발되었는데 교량의 유지관리시스템을 현재와 같은 BIM 저작도구를 통해서 생성하고 준공성과물로 제출하게 되면 직접 시스템에서 받아들이거나 활용할 수 없게 된다. 데이터의 양이 많아 관리하기가 어려우며 유지관리단계에서 새롭게 생성되는 연계 정보를 담을 수 없게 된다. 유지관리를 위한 디지털 모델은 동일한 알고리즘으로 가벼운 형태로 자동 생성할 수 있다. 즉, 준공 성과물로 제출되는 데이터가 유지관리시스템에서 요구하는 디지털모델을 생성하게 시스템을 구축할 수 있다는 의미이다. 현재 한국도로공사의 BIM 기반 교량유지관리시스템에서 동일한 원리로 모델을 자동생성하여 관련 정보를 축적하는 시스템이 개발 및 시험적인 고도화가 진행중에 있다.
2.2 프리팹 교량 모델의 구성
완전 프리팹 교량은 DfMA 관점에서 디지털 모델로 정의될 수 있다. 설계에서는 제작과 조립 가설에서 요구되는 필요사항을 선제적으로 고려해서 설계 변수를 결정하게 된다. 특히, 교량은 구조 부재들이 연결되어 완성되는 시스템이고 각 부재들이 공간적인 제약과 이를 만족시키기 위한 오차 관리 한계가 설정되어야 한다. 이는 제조업에서 복잡한 부품들이 조립되어 하나의 완성 제품으로 완성되기 위해 각 부품 설계시에 공간과 기능, 연결에 대한 정의를 사전에 공유하는 것과 동일한 개념이다.
완전 프리팹 교량을 구성하는 상부구조, 하부구조, 받침 및 신축이음과 같은 제품들은 설계자가 서로 다른 조합을 통해 설계를 완성할 수 있도록 디지털 엔지니어링 모델로 정의되어야 한다. BIM에서는 객체 기반 변수모델링을 핵심적인 기술로 보고 parent-child 관계를 시스템 모델링에서 주로 사용한다. 일반적으로 제작과 조립 가설에서 각 기업이 보유한 고유한 경험지식이 허용 오차를 관리하기 위해 사용된다. 완전 조립식 교량은 3차원적인 공간 제약요소를 갖기 때문에 상호 연관 관계를 정의하는 것이 필수적이다.
Figure 4에서 조립식 교량을 구성하는 각 디지털 엔지니어링 모델의 인벤토리를 고유의 ID와 Parent-Child 관계로 설정하였다. 이 모델들은 프리팹 제품을 공급하는 기업들이 개발한 제품들을 DEM으로 정의해서 제공하게 된다. DfMA가 DfM(Design for Manufacturing)과 DfA(Design for Assembly)를 모두 고려하는 개념이기 때문에 제작시에 관리 가능한 설계 변수인 거푸집, 제작 오차의 범위, 시간에 따른 역학적 변형 혹은 시간적 변형을 고려해야 한다. 완전 프리팹 교량이라 하더라도 현장에서의 시공 요인을 완전하게 제거할 수는 없다. 즉, 가설단계에서 발생한 제작 오차 혹은 시간에 따른 예측 변형의 차이를 흡수할 수 있는 방안들이 존재하게 된다. 이로부터 가설 기술자는 제작 오차와 시간적인 변형을 사전에 파악할 수 있어야 하고 이를 해소해서 설계에서 결정한 최종적인 교량의 선형을 만족할 방안을 준비해야 한다.
2.3 프리팹 구조의 제작의 용이성을 고려한 설계 모델
프리팹 구조의 생산은 원가 절감을 위해 생산 자동화를 궁극적인 목표로 설정할 필요가 있다. 현재 상태의 제작 환경에서는 거푸집 재활용성과 품질 관리의 용이성에 중점을 둘 수 있다. DfM은 설계자가 제작 원가 절감이나 제작의 용이성을 고려하도록 하는 것이다. 프리팹 공급자가 디지털엔지니어링 모델을 제작성을 고려해서 제공한다면 설계자는 이 모델에 기반해서 설계를 수행할 수 있게 된다.
현재 프리캐스트 공법에 기반한 설계에서는 설계자가 제품 공급업체가 보유한 거푸집, 철근 손율 최소화를 고려한 배근 상세 등을 고려한 설계는 수행되지 않고 있다. 제품 공급자가 설계 서비스를 대신 하는 경우에도 제조업에서 전체 생산 최적화를 위한 수행하는 설계 최적안 도출은 하고 있지 못하다. 건설사업이 소품종 대량 생산을 할 수는 없지만 원가에 중요한 영향을 미치는 인자에 대한 최적 설계안과 이에 기반한 설계를 하는 것은 매우 중요하다. 형상 변화를 수용할 수 있는 시스템화된 거푸집이나 설계 요구사항을 만족하면서 철근의 원가를 최소화하는 철근 상세 설계가 선행되어야 한다.
디지털 엔지니어링 모델 기반의 설계는 프리팹 제품 공급자가 설정한 제품 설계안을 교량이 위치해야 하는 선형에 맞게 배치해서 진행되어야 한다. 이를 무시하고 기존의 방식대로 설계를 하는 것은 프리팹화나 디지털화 관점에서 부적절한 설계가 된다. 이는 설계 생산성 측면에서도 비효율적이다. 미국의 ABC(Accelerated bridge construction) 프로그램이나 유럽에서의 완전 프리팹을 위한 제조업 기술 채용은 이러한 접근법을 선택하고 있다.
Figure 5에 설계에서 제시된 형상을 정의하기 위한 데이터모델이 제작을 위해 정확한 물량을 도출해서 전달하게 되고 필요한 도면도 함께 자동화할 수 있다. 정확한 콘크리트 물량을 산출하고 공장 생산시 필요한 물량에 맞게 생산함으로써 폐기되는 콘크리트를 최소화할 수 있다. 콘크리트가 탄소배출량에 차지하는 비중을 생각하면 단일 기업의 연간 콘크리트 사용량에서 2% 내외의 감축량이 작지 않고 사업단위나 국가 단위에서는 의미있는 값이 될 수 있다.
제작을 하게 되면 2가지 측면에서 형상의 업데이트가 필요하다. 프리팹 부재는 제작 완료시에 검측을 통해 형상을 다시 업데이트할 수 있다. 검측 보고서를 디지털화하면 설계 디지털 모델 생성을 위해 사용되었던 데이터 모델을 수정해서 형상모델을 바로 업데이트할 수 있다. 다른 하나는 콘크리트의 시간 의존적 거동에 따른 형상의 변화이다. 프리스트레스를 도입하는 부재의 변형 혹은 장기간 적재하면서 발생하는 변형은 현장으로 운반하기 전에 조립 가설을 위해 반드시 검토되어야 하는 사항이다. 현장에서 가설팀이 사전에 오차를 해결할 수 있도록 하는 사전 가설 시뮬레이션이나 가설 검토가 이러한 업데이트된 제작 모델(as-fabricated model)에 기반해서 수행될 수 있다.
현재 프리캐스트 부재에 대해서는 실시되지 않는 검측 항목이라 하더라도 프리팹 부재에 대해서는 사전 조립성 검토를 위해 추가로 획득해야 하는 데이터가 있다. 프리팹 거더와 프리팹 바닥판을 조립하기 위해서는 거더에서의 연결재 위치와 바닥판에서의 포켓 위치 좌표들이 필요하다. 이는 스캐닝 장비들을 통한 디지털 검측에서 수월하게 획득할 수 있다. 다수의 프리팹 부재들이 생산 완료시마다 필요한 검측 형상 데이터를 제출하면 실시간으로 사전 조립가설 시뮬레이터가 이를 반영한다. 부재 생산이 완료되는 시점에서 조립성 검토가 이루어질 수 있고 가설 시기가 결정되면 그 시점까지의 장기적인 변형을 예측해서 조립성 검토를 할 수 있다.
2.4 프리팹 교량의 조립성을 위한 설계 모델
현장에서 사전 제작된 부재들을 조립 가설하는 경우에 강교에 대해서는 가조립과 지조립 등의 절차를 통해 사전에 조립성 검토가 이루어진다. 프리캐스트 콘크리트 부재에 대해서는 일반적으로 현장타설 부분을 통해 발생한 오차들이나 솟음량 차이, 횡변위 등의 문제를 해결하고 있다. 다수의 연결부가 있는 전두께 프리캐스트 바닥판 가설시에 조립에 문제가 발생하여 연결재를 강재로 절곡시키거나 하는 품질 하자 문제가 발생하기도 한다. DfA는 다수의 프리팹 부재들을 조립하기 위해 3차원적인 형상 오차를 어떻게 조정할 것인지를 미리 고려하기 위한 설계 고려사항이다.
각각의 프리팹 부재는 부재 개발 단계에서 변형에 대한 예측과 검증 절차를 거치게 된다. 현재의 검측이나 제작 오차에 대한 허용값은 가설 차원에서 반드시 사전에 관리되어야 하는 형상을 고려한 것이다. 완전 프리팹 구조를 구현하기 위해서는 지금보다 더 엄격한 형상관리 방안이 요구된다. OSC)는 각 부재별 형상의 조립성에 대한 약속과 허용 가능한 연결 위치나 변형값이 사전에 수립되어야 실현가능하다. 이 연구에서는 교량을 대상으로 이러한 조립성을 확보하기 위해 프리팹 부재들의 디지털 엔지니어링 모델 정의와 필요한 데이터 정의를 도출하였다.
Figure 6의 사례를 보면 거더의 솟음과 횡변위가 미치는 영향을 볼 수 있다. 설계 모델은 설계값들을 기반으로 계산된 변형으로 솟음량을 평가하고 최종 선형이나 구배를 만족하도록 바닥판 등 다른 부분의 형상을 결정한다. 실제는 콘크리트 재료의 변동성, 도입 긴장력의 변동성, 온도 및 환경 조건의 변화, 제작 공정 및 가설 공정의 변화로 인해 설계와 다른 형상을 갖는 거더를 제작하고 조립해야 한다. 다수의 거더를 제작하면 거더별로도 솟음과 횡변위가 다를 수 있다. 현재는 현장타설 공법으로 이러한 부분들을 조정하고 해결하고 있다. 그럼에도 불구하고 변형을 관리하는데 상당한 어려움을 겪고 있다.
완전 프리팹 구조를 실현하기 위해서는 제작 및 가설공정의 관리 방안의 변화는 필수적인 조건이다. 일정 수준의 변형 범위내에서 관리가 가능하도록 공사 일정 관리가 되어야 프리팹 기술을 효율적으로 활용하고 원가절감, 품질 제고, 공기단축을 할 수 있다. 거더의 예를 보면 가설이 예정되면 긴장을 실시하게 되고 긴장이 완료된 후에 솟음량과 횡변위 등을 측정하게 된다. 가설 전이나 후에도 측량을 통해 거더 선형에 대한 파악을 하게 된다. 디지털 엔지니어링 모델은 선형에 의존되도록 모든 형상을 정의하였기 때문에 솟음량과 횡변위의 변화를 즉시 반영하여 전체 모델 형상을 변화시킬 수 있다. 이 변화된 형상을 통해 연결되는 다른 프리팹 부재들이 형상과 연계하여 조립성 여부 및 허용 가능 오차에 대한 즉각적인 판단이나 조정이 가능하게 된다. 완전 프리팹 교량의 조립성 확보를 위해서는 제작장에서와 현장에서 조정 가능한 오차 수준과 방향에 대한 사전 정의가 필요하다. DfA에서는 최종적인 현장조립시의 조정 가능 범위를 우선적으로 고려하고 여기서 해소될 수 없는 부분은 제작장에서 관리하도록 하고 있다. 조립을 위해 허용할 수 없는 오차를 갖는 부재는 가설을 위한 운반 단계에 오기전에 조치가 이루어져야 한다는 것이다.
횡방향으로 보면 이상적으로 거더는 횡변위가 없도록 설계되지만 긴장재 배치가 완벽하게 대칭일 수 없고 크레인 인양시 길이가 긴 보가 횡방향으로 쉽게 변형을 일으키는 등 관리를 해야 하는 품질관리 요소이다. 가로보가 현장타설인 경우에는 어느 정도 수준에서 오차를 허용할 수 있지만 프리팹 가로보의 경우에는 연결부에서 문제가 생기게 된다. Figure 7의 사례와 같이 가로보가 일정 길이에 대한 조정 기능을 갖고 있다면 현장에서의 조정 가능 오차에 포함해서 DEM을 정의할 수 있다. 전체 교량 모델에서 거더와 가로보의 연결점 좌표를 기반으로 검측된 횡변위와 솟음량을 근거로 조립성을 검토할 수 있고 조정 가능 범위를 설정할 수 있다. 조립성을 검토하는 알고리즘에서 각 측정된 좌표에 기반해서 3차원 공간상의 가로보 길이와 연결판에서의 면과 면의 접촉정도를 판단하고 필요하면 끼움판을 사전에 준비해야 한다.
거더의 변형은 프리팹 바닥판과의 연결부에서의 조립성에도 영향을 미친다. Figure 8에서 보는 바와 같이 설계 디지털모델에서 거더에 설치되는 전단연결 상세와 프리팹 바닥판의 포켓부들이 간섭이 발생하지 않도록 설정되어 있다. 바닥판 제작 오차에 대해서는 바닥판 내에서의 포켓의 위치 오차가 가장 중요하고 판의 면틀림도 중요한 요소가 된다. 거더의 형상에서는 단일 거더의 솟음과 횡변위보다 거더의 상대적인 솟음이나 횡변위가 더 중요한 관리 대상이 된다.
프리팹 바닥판은 다수의 거더 상부 플랜지 위에 거치되게 된다. 거더의 솟음이 서로 다르게 되면 바닥판의 자중에 의한 처짐으로도 제대로 밀착되지 않는 부분이 발생할 수 있다. 프리팹 바닥판과 거더와의 연결을 위해서 모르터 베딩층을 두게 되는데 역학적 거동에 영향을 미치지 않기 위해서는 최대 40mm 이상의 높이를 둘 수 없다 (Shim et al., 2010). 이러한 제약 사항을 고려하여 바닥판과 거더의 제작 형상 오차 범위를 관리해야 한다.
거더의 횡변위를 일정수준 프리팹 가로보에 의해 조정할 수 있다면 바닥판 제작시 포켓의 중심점 위치들을 데이터화해서 사전 조립성 검토를 할 수 있다. 일반적으로 포켓을 형성하기 위해 블록은 변형 가능성이 매우 적기 때문에 거푸집내에서의 위치 변화의 가능성만 관리하는 것으로 설정하였다. 바닥판에 대한 검측시에는 상대좌표 개념으로 데이터를 생성하면 조립성 검토에서는 교량 모델에서의 절대좌표로 변환되도록 전체 교량 데이터 모델로의 좌표 변환 체계가 지정된다.
Figure 9에서 바닥판 가설시의 조립성 검토 과정을 보여주는데 제작장에서 검측된 형상이 실제 조립과정에서 바닥판간의 이음간격에서 다시 차이를 보일 수 있다. 중량물을 크레인으로 가설하면서 일정한 간격으로 바닥판과 바닥판을 밀착시키는데 한계가 있다. 지점부의 현장타설 구간에서의 조치를 통해 이러한 차이를 흡수할 수 있지만 전단연결을 위한 상세의 간섭사항은 여전히 관리를 해야 하는 항목이다. 따라서, 바닥판간 이음의 간격 제한값도 현장에서 작업지시서로 제시되어야 한다.
하부구조를 프리팹화하게 되면 수직방향의 형상관리가 되어야 한다. 교각 및 교대의 수직 방향 형상관리는 받침의 위치로 관리하게 된다. Figure 10에서 나타낸 바와 같이 기초, 기둥 세그먼트, 피어캡, 받침 (받침부 베딩층의 높이는 조절 가능), 거더의 sole plate 위치로 이어지는 형상의 상호 연계성이 디지털 엔지니어링 모델에서 고려된다. 수직 방향 형상을 관리하기 위해 제작단계에서의 허용오차의 정도는 조정 가능 수준을 전체 교량 단위에서 평가한 후에 정해질 수 있다.
프리팹 교각은 세그먼트의 면과 면의 접합이 매우 정밀해야 하기 때문에 일반적으로 매치캐스팅 방법으로 제작한다. 하부 세그먼트가 상부 세그먼트의 거푸집 역할을 하는 것인데 이로 인해 제작 공기나 비용이 증가하게 된다. 디지털 제조 기술에서는 로봇 CNC(Computer Numerical Control)를 통해 면 가공을 하게 되고 이는 1mm 이내의 면 정밀도를 제공하게 된다. 즉, 교각 세그먼트의 형상오차 범위는 다른 부재에 비해 상당히 정밀하게 관리될 수 있다는 의미이다. 조립시에는 이음부에 에폭시 도포가 이루어지게 되고 프리스트레스에 의한 압축력과 교각 및 피어캡 자중에 의한 변형이 추가되게 된다. 지형이나 지반 조건, 기초의 가설에서의 오차 등을 기둥 세그먼트 가설전에 허용 오차 이내로 관리하는 것이 필수적이다. 받침부에서 조정 가능한 수직 방향 높이차는 크지 않다.
피어캡과 교대는 중량이 매우 크기 때문에 공장제작 후 운반 및 가설하는 것은 비경제적일 수 있다. 따라서, 현장에서 거푸집 작업을 하지 않을 수준으로 콘크리트 덮개 부분과 선조립 철근을 공장에서 제작하고 현장에서 내부 콘크리트를 채움으로써 완성하는 공법을 일반적으로 사용한다. 이러한 경우에는 수직방향 위치 보정의 여유가 좀 더 있게 된다. 해상교량 가설과 같이 대형 크레인지 존재하는 경우에는 전체 구조체를 프리팹화 할 수 있지만 여전히 운반에 대한 제약은 존재하게 된다. 콘크리트 영구거푸집과 선조립 철근의 조합을 통한 프리팹화는 수직방향 형상 오차 조정을 좀 더 수월하게 할 수 있게 한다. 콘크리트 타설 전에 수직 오차를 보정할 수 있도록 받침 위치를 설정할 수 있다.
프리팹 교량에서 신축이음과 받침, 방호벽과 같은 부분들은 연결되는 프리팹 구조에 따라 위치가 결정되는데 가설 시기의 환경적 조건, 현장에서 형상 보정의 필요성에 따라 결정될 수 있다. 현장타설을 최소화하기 위해 신축이음과 일체화된 프리팹 바닥판이 사용될 수도 있다. 이 경우에는 외기온도와 신축량 설정량 기준에 따라 설치시 위치 설정을 해야 한다. 교량 받침은 현재 실무에서 피어캡 상단의 받침 위치를 치핑하여 상부 철근을 노출하고 선형과 레벨을 맞출 수 있도록 전산 볼트와 같은 것을 용접한 후에 받침을 놓고 최종적인 선형 맞춤을 하고 있다. 하부구조를 프리팹화하게 되면 받침을 놓을 수 있는 위치에 대한 공장 작업을 모두 마친 상태에서 조립하고 받침을 올린 상태에서 레벨링 볼트로 정확한 높이를 조정해서 설치하게 된다. 즉, 조절 가능한 수직 높이는 상단 철근에서부터 받침 하면까지의 높이가 된다.
3. 가상의 완전 프리팹 교량 설계
일반 교량의 설계시에 완전 프리팹 교량을 구현하기 위해서는 다양한 설계 대안이 존재할 수 있다. 프리팹 구조물에 따라 제작 허용오차와 현장에서의 오차 보정 여부 혹은 정도가 결정될 수 있다. 설계자가 DfMA 차원에서 이러한 데이터를 활용하기 위해서는 가상의 교량 모델이 필요하다. 가상 교량에 기반한 설계 플랫폼은 모델 생성을 위한 알고리즘과 여기에 연결되는 데이터모델이 탑재되어야 한다.
Figure 11에 가상의 완전 프리팹 교량에 대한 설계 구성내용을 나타내었다. 설계시에는 디지털 엔지니어링 모델의 상세 수준이 계획단계에서는 LOD200, 수량 및 도면 산출이 필요한 단계에서는 LOD300 수준이 필요하다. 각 모델은 크게 선형의존적인 구조부재, 점 위치에 의해 결정되는 구조부재, 상호관계에 의해 설정되는 부재로 구분될 수 있다. 부재를 선형에 Drag&Drop 방식으로 배치할 때 거더는 직선으로 배치되기 때문에 교량 받침 위치 좌표에 의존해야 한다. 바닥판과 방호벽은 선형의 곡선이나 사교 여부에 의해 형상이 결정된다. 하부구조는 점 위치와 함께 교량의 사각에 대한 고려가 필요하다.
완전 프리팹 교량의 구성요소인 각 부재들은 서로 다른 기업에서 공급될 수 있다. 즉, 부재 제작과 제작된 부재에 대한 검측 데이터가 순차적으로 제시되지 않기 때문에 조립 가설 검토를 담당하는 기술자는 최종적인 설계 교량 형상을 보장하기 위해 형상 보정에 대한 방안을 현장으로 부재들을 운반하기 전에 결정해야 한다. 현장에서 보정이 불가한 정도의 형상 오차가 있는 경우에는 운반 전에 공장에서 재제작을 포함한 의사결정을 해야 한다. 특히, 시간에 따른 변형증가에 대해서는, 공사 일정을 적절하게 조절할 수 없는 경우에는 이를 보정할 수 있는 사전 하중 재하 등의 방안을 프리팹 부재 기술내에 포함하는 것이 요구된다. 미국에서 급속 시공을 위해 권고하는 형상 오차에 대한 가이드라인이 있지만(Culmo et al., 2017) 완전 프리팹 교량을 위해서는 제작오차와 시공중 형상 보정 방안을 동시에 고려해서 설정해야 한다.
Figure 12에 완전 프리팹 교량의 형상관리 절차를 도식화하였다. 설계시에는 각 프리팹 부재들의 허용오차와 오차 보정방안은 완전히 조립된 교량에서부터 역순으로 산정하여 결정된다. 실제 부재 제작과 현장 작업이 진행되면 하부구조에서부터 형상에 대한 검측 데이터가 발생하고 설계시 설정된 값들과 비교하여 단계별로 형상 오차 보정 수치와 방법을 결정해야 한다. 교량 설계시에 결정된 교량 받침의 위치를 허용값 이내로 관리한다는 전제하에 상부구조에 필요한 프리팹 부재들의 제작 허용오차가 설정되었기 때문에 하부구조의 형상관리는 이를 고려해서 이루어져야 한다. 기둥 부재에 대해서 (National Cooperative Highway Research Program)에서 설정한 길이, 폭, 높이, 연직도에 대한 허용 제작오차가 참고로 활용될 수 있다(Culmo et al., 2017). 앞서 설명한 바와 같이 현장에서 작업하는 부위의 최대 보정 가능 수치를 기반으로 형상 보정값을 각 받침 위치별로 결정하여야 한다. 프리스트레스를 도입하는 프리팹 교각에서는 압축력에 의한 변형과 각 세그먼트 사이의 경계면 두께를 고려해야 한다.
일반적으로 BIM은 변수모델링에 기반하는데 DfMA를 위한 디지털 엔지니어링 모델은 설계 모델에서부터 조립성 검토를 위해 필요한 연결재 위치, 포켓의 중심점 위치, 교좌장치의 중심점 등을 추가로 데이터모델에 포함해야 한다. Figure 13에 나타낸 것처럼 형상을 구현하기 위한 알고리즘에 사용되는 형상변수 데이터에 제작 및 조립시에 검측되는 항목을 데이터로 추가로 포함해야 한다. 디지털 검측으로부터 모델을 직접 수정하고 최종적으로 조립 가설단계에서 조정된 부재 위치를 근거로 준공 모델을 정의한다. 이러한 절차에서 데이터모델만 각 주체들이 주고 받게 되고 이를 시각화하거나 사전 조립성 검토에 활용하는 것은 제시된 알고리즘을 활용해서 수행하게 된다. 설계자는 형상과 좌표 데이터를 XLS 파일로 설정하고 프로그래밍화하기 위해서는 XML 형태로 표준화할 수 있다. 데이터에 연동되는 형상모델은 다양한 시각화 장비를 통해 유연하게 구현할 수 있는 장점을 가진다.
프리팹 교량의 형상 관리를 위해서 각 부재별 허용오차도 필요하지만 전체 교량 시스템에 대한 허용 오차에 대한 규정도 필요하다. 온도에 따른 변형이 있기 때문에 길이에 대한 오차는 미국의 사례처럼 30m를 기준으로 설정하고 하부구조와의 연결성 여부에 대한 고려를 함께 할 필요가 있다. 무조인트 교량과 같이 상하부 구조 일체화가 있는 경우에는 공법의 특성을 고려하여 상부구조의 길이 오차에 대한 관리 규정을 도출해야 한다. 일반교량이라 하더라도 다양한 프리팹 공법의 조합이 가능해야 하기 때문에 가상의 디지털 교량은 설정해서 설계를 진행해야 한다. 상부구조와 하부구조를 모두 하나의 공급체에서 수행하는 경우에는 시스템화된 품질관리 기술을 디지털화하여 모델기반의 설계 시스템을 갖출 수 있다. 해외에서 프리팹 제품 기반의 사업을 하는 기업들이 model-driven design system을 자체적으로 개발해서 사용하는 것이 좋은 예가 될 것이다.
4. 결론
이 연구는 교량의 설계에서 완전 프리팹 구조 적용을 위해 필요한 DfMA 관점에서의 디지털 모델과 데이터 모델의 정의, 이를 활용한 설계 프레임워크에 대한 사항이 제안되었다. 현재의 BIM 실무를 데이터 기반으로 전환하여 Level-3 BIM을 구현할 수 있는 핵심적인 고려사항들을 프리팹 교량을 대상으로 제시되었다.
1) 프리팹 부재에 대한 DfMA는 제작과 가설시에 발생가능한 형상 오차, 사용되는 자원의 최적화를 통한 원가절감 요인, 다른 부재와의 연결성이 고려되어야 한다.
2) 디지털 모델 기반의 설계에서는 디지털 엔지니어링 모델을 선형 의존적, 점 위치 의존적, 부재간 상대적 위치 의존적인 것으로 구분하여 정의해야 한다. 이를 통해 설계자가 다양한 대안을 검토할 수 있는 설계 프레임워크를 수립할 수 있다.
3) 설계 디지털 모델, 제작 디지털모델, 가설 디지털 모델은 데이터모델로 상호 연결되고 검측된 형상 변화와 정보에 의해 업데이트되어 최종적으로 준공 디지털모델로 납품되도록 데이터 모델의 정의와 정보전달체계가 제안되었다.
4) 완전 프리팹 교량의 형상관리를 위해 제작단계에서의 보정방안과 조립 가설 단계에서의 보정 방안을 위치와 수치 범위로 제안하여 3차원적으로 연결되는 프리팹 부재들의 조립성 검토가 이루어질 수 있도록 제안되었다.
5) DfMA 기반의 완전 프리팹 교량 설계를 위해서는 사전에 약속된 모델링 알고리즘과 데이터가 요구되고 사업의 참여주체별로 서로 다른 상세수준의 모델과 데이터를 운영하게 된다. 모델 기반의 설계 프레임워크는 이러한 상호연계와 단계별 생성 데이터와 활용 데이터에 의해 디지털화된 정보전달체계를 구현할 수 있다.
이 논문에서는 현재 진행중인 스마트건설기술개발 사업에서 스마트 프리팹 기술을 실용화하기 위한 초기 연구를 다루었다. 프리팹을 개발하고 설계, 제작, 가설하는 전문기업들이 기술을 패키징하는 단계에 가게 되면 동시공학적 협업이 가능하게 될 것이다.
