BIM 모델을 통한 지반엔지니어의 효율성 제고[부제-CIM 활용가이드 지반편]
- 최현영(Ethan)
1. 서론
2021년의 토목건설 업계의 최대 화두는 전면 BIM인 것 같습니다.
정부는 2025년을 목표로 BIM설계기반을 구축하고 2030년 디지털 건축 서비스 완전 구현을 목표로 하고 있습니다.
이에 따라 한국도로공사와 국가철도공단은 올해부터, 한국토지주택공사(LH)는 2024년, 경기도시주택공사(GH)는 2025년부터 의무화할 계획입니다.
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향후 본격적으로 전면 BIM 설계가 의무화 될 예정이나 의무화에 따른 별개의 BIM 모델 구축이 아니라 지반분야의 엔지니어링 프로세스에서
BIM 모델을 활용하여 기존 업무의 효율성 제고할 수 있는지에 대해 다루고자 합니다.
BIM을 이용한 지반엔지니어의 효율성 제고를 위해서는 실무 엔지니어가 기존의 계획, 해석, 설계, 도면 및 수량 성과품을 만드는 전 과정에서
BIM을 활용하여 실제 기존의 프로세스 대비 어느정도의 효율성을 갖을 수 있느냐가 관건입니다.
본 소고에서는 midas CIM을 활용하여 터널 BIM에 대한 데이터를 작성하는 프로세스를 보여드리고자 합니다.
단순히 midas CIM을 통해 모델링하고, midas Drafter와 연동하여 도면을 생성하는 과정에서 그치지 않고,
생성한 모델과 도면을 지반해석 프로그램과 연동하여 모델링 작업의 효율을 획기적으로 높일 수 있습니다.
midas CIM에서 생성한 절성토 모델은 수치해석 프로그램인 GTS NX에서 추가적인 모델링 없이 요소망 생성 및 해석이 가능합니다.
midas Drafter와 연동하여 생성한 도면을 통해 SoilWorks에서 터널 시공단계 해석과 같은 2차원 해석 작업을 진행할 수 있습니다.
2. 작업 Process
3. 작업 세부 진행
① 좌표 설정 및 지형, Layout생성
1-1 좌표 설정
midas CIM을 사용하여 진행하는 프로젝트의 토목좌표가 CIM에서 제공하는 작업공간을 벗어나거나
원점에서 멀리 떨어진경우 모델링 작업의 불편이 있을 수 있습니다.
그렇기 때문에 모델링을 시작하기전 Coordinate System을 통해 좌표를 먼저 설정하고 작업을 진행합니다. (CIM의 작업 공간과 좌표계 설정)
이렇게 설정한 좌표는 도면을 Import하거나 Layout을 생성할때 사용되는데, 설정 좌표를 적용하려면 Geographic Coordinate를 활성화해야 합니다.
1-2 지형, Layout 생성
midas CIM에서는 수치지형도를 Import하고, 수치지형도의 등고선을 활용하여 지형을 생성합니다.
a. 수지지형도 Import
(Geographic Coordinate 활성화)
b. 지형을 생성할 등고선 선택
c. 지형 생성 완료
Layout은 평면선형, 종단선형, 경간 구성, 편경사 정보를 입력하여 생성할 수 있습니다.
평면선형의 생성방법은 By Length, By XY, By DWG Data 이렇게 총 3가지가 있고,
이번 midas CIM 활용가이드 지반편에서는 By DWG Data기능을 사용하여 평면선형의 정보를 입력했습니다. (midas CIM 교육센터_Layout의 이해)
a. 평면선형 입력
(Geographic Coordinate 활성화)
b. 종단선형 입력
c. Layout 생성 완료
② Boring Data를 이용한 지층 생성
midas CIM에서는 원지반과 지층을 고려한 절성토 생성이 가능합니다.
그러기 위해서는 원지반 생성 이후 지층을 생성해 줘야 하는데
지층 생성은 원지반 위에 Boring Data를 할당하고 이 Data를 보간할 방법을 선택하여, 역전이 발생하지 않는 지층을 생성합니다.
이때 Boring Data는 원지반 위에 위치하는 Point에 할당하기 때문에, Point가 생성될 위치가 그려진 도면을 Import하여 작업을 진행합니다.
a. 지층 정의
b. Boring Location dwg Import
c. Point Project
d. Boring Data 할당
e. 지층 생성
f. 지층 생성 완료
Boring Location dwg를 Import할때 Import Point Body를 활성화 해야지만 Cad에서 그려진 point가 midas CIM에서 생성됩니다.
Point를 project할때는 Define Direction을 Direction Vector로 선택하고, Vector값을 Z 방향 1로 설정해야 point가 원지반으로 연직하게 project 됩니다.
③ Smart Template을 활용한 터널 모델링
Smart Template은 midas CIM에서 제공하고 있는 기능으로 별도의 모델링 작업 없이
엔지니어가 계획한 경간 구성 및 단면제원을 입력하여 클릭 몇번으로 구조물을 생성해 주는 기능입니다.
이를 활용하면 계획단계에서 주변 환경과의 경관성 검토와 같은 비교안 검토 작업을 수행할 수 있습니다.
특히 지반에서는 터널 Smart Template을 이용하여 모델을 생성하고, 생성된 모델을 통해 손쉽게 갱구 위치를 선정할 수 있습니다.
a. 터널 Smart Template 제원 입력
b. 터널 Assembly Unit 생성 완료
c. 갱구부 Point Library 할당
(갱구부는 추가 모델링하여 할당합니다.)
④ 터널 할당 및 갱구 위치 선정
Smart Template 기능으로 터널 모델을 생성한 후에는 터널이 배치될 개략적인 위치에 Layout의 Segment를 나누고 터널을 할당합니다.
그리고 Segment의 위치를 조정하여 갱구의 위치를 선정합니다.
할당된 터널은 Segment 위치 변경에 자동으로 연동되어 빠르게 갱구 위치를 선정할 수 있습니다.
a. Layout의 Segment 분할
b. 터널 할당 및 갱구 위치 확인
c. Segment 위치 조정 및 갱구 위치 선정
⑤ 갱구부 절성토 생성
midas CIM에서 절성토 생성은 선택한 면이나 선을 기준으로 원지반과의 위치를 고려하여 프로그램이 절토와 성토를 판단하여 자동으로 생성해줍니다.
이때 성토는 노상/노체의 깊이면 경사를 수정할 수 있고, 절토는 지층별로 생성되는 절토의 경사를 설정할 수 있습니다.
이번 활용가이드에서는 도로 모델 할당과, 도로 면을 생성하는 과정은 생략하였습니다.
a. 도로 면 생성
b.도로 면 및 원지반, 지층 선택
c. 절성토 Profile 설정
d. 절성토 생성 완료
⑥ 지반해석 프로그램 연동(GTS NX, SoilWorks)
절성토 모델링까지 완료한 후에는 지반해석 프로그램인 GTS NX 와 연동하여 갱구부 모델의 3차원 해석과
midas CIM에서 midas Drafter로 연동하여 생성한 도면을 SoilWorks와 연동하여 본선부 2차원 터널 시공단계 해석 및 갱구부 사면 안정성 검토 등의 작업을 진행합니다.
6-1 GTS NX 연동
midas CIM에서 생성한 갱구부 모델은 간단한 3D Cad 작업 이후 GTS NX와 연동합니다.
이때, GTS NX에서는 추가적인 모델링이 필요없어 쉽게 요소망을 생성하여 3차원 해석을 진행할 수 있습니다.
a. 모델 3D Cad 작업(Solid로 모델 생성)
b. x_t(Parasolid)파일 GTS NX로 Import
c. 요소망 생성
d. 3차원 해석결과 확인
6-2 SoilWorks 연동
SoilWorks에서 2차원 해석을 진행하기 위해서는 필요한 단면의 도면이 필요합니다.
midas CIM은 midas Drafter로 연동하여 원하는 단면을 도면으로 생성할 수 있어
기존에 생성한 midas CIM 모델에서 해석에 필요한 도면을 효율적으로 생성하여 SoilWorks와 연동할 수 있습니다.
a. midas Drafter 연동을 위한 단면 선정
b. midas Drafter연동을 통한 2D도면 생성
c. 생성된 도면을 활용한 SoilWorks 모델 및 경계조건 생성
d. 2차원 해석결과 확인
⑦ 구조해석 프로그램 연동(midas Civil)
터널 설계 과정에서는 지반의 안정성 평가를 위한 해석 이외에도 터널 라이닝에 대한 구조안전성검토가 요구됩니다.
이를 위해선 터널 라이닝 구조해석이 필요합니다.
midas CIM은 구조해석 프로그램인 midas Civil과의 해석연동기능이 지원되어
CIM에서 생성한 모델을 Civil로 Export하여 추가적인 모델링작업 없이 구조해석이 가능합니다.
a. 2D Plate Line 생성을 위한 Lining Center Line dwg Import
b. 2D Plate Line 생성
c. 구조해석을 위한 Analysis Case 설정
d. midas Civil과 연동
⑧ 철근 배근 및 도면 생성
8-1 철근 배근
midas CIM의 배근 방법은 기존의 2D 도면에서의 배근작업과 유사하게
Rebar Plane라는 2차원 단면으로 진입하여 단면의 에지와 피복 정보를 입력하여 철근 모델을 생성합니다.
상기 모델 방식의 가장 큰 장점은 단면제원이 변화해도 변화된 에지 정보에 의해 철근역시 같이 연동된다는 것이 가장 큰 장점입니다.
2차원 단면상의 배근이 완료된 후에는 Rebar Array 기능을 통해 배열함으로써 전체 철근 모델링을 완성할 수 있습니다.
a. Draw Rebar Mode
c. Transverse, Longitudinal Rebar 배근
c. Rebar Arrangement
8-2 도면 생성
midas CIM의 Drawing View 기능을 사용하여 midas CIM 연동 CAD 프로그램인 midas Drafter에서 쉽고 빠르게 2D 도면을 생성할 수 있습니다.
또한 Named View를 통해 2D 도면 뿐만 아니라 Iso View 도면생성이 가능합니다.
Rebar On & Off기능을 이용하여 철근주석과 치수를 생성하는 등의 작업도 가능하며
View 지정을 통해 자동으로 철근, 텐던, 부재의 재료표 생성 또한 가능합니다.
사용자는 midas Drafter 만의 고유 기능을 이용하여 쉽고 빠르게 실시설계 및 시공도면수준의 성과품을 작성 할 수 있습니다.
a. midas Drafter 연동을 위한 단면 선정
b. midas Drafter 연동 확인
c. 2D 도면 생성
5. 결론
본 소고에서는 기존의 지반 엔지니어링 프로세스가 BIM 모델을 활용한 엔지니어링 프로세스에서 어떻게 달라지는 지에 대해 설명드렸으며,
각 단계에서 midas CIM을 어떻게 활용 가능한지에 대한 예시를 보여드렸습니다.
보시는 바와 같이 CIM에서 사용된 데이터를 활용하여 지반엔지니어가 어려워 하는 지층을 포함한 복잡한 3차원 모델링에 대해,
간단한 클릭만으로 기하형상 정보를 연동하여 GTS NX를 통해 요소망을 작성할 수 있으며, 특정단면에 대한 정보 연동을 통해 단면에 대한 해석을
효율적으로 수행할 수 있습니다. 또한 하나의 모델을 통해 도면 및 수량의 설계성과품작성까지 일련의 작업을 진행할 수 있습니다.