1. 서론

건설산업에 전면 BIM 도입이 본격화되고 있습니다.

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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현재 전면 BIM설계로 발주된 한국도로공사의 고속도로 건설공사 중 일부 공구는 올해 말 최종 성과품 제출을 앞두고 있습니다.

전면 BIM 설계라 함은 기존의 2D 설계 성과품을 활용하여 3차원 BIM 모델을 구축하는 전환 BIM 형태를 벗어나

계획단계부터 BIM 모델을 활용하여 BIM 모델로부터 설계성과를 추출하는 과정을 일컫습니다.

하지만 현재 진행중인 전면 BIM 설계는 계획단계에서 노선 비교 또는 구조 형식 비교 등에 활용되고,

종래의 2D 설계를 완료한 후 해당 성과물을 기반으로 BIM 모델을 구축하는 전환 BIM 형태를 취하고 있습니다.

계획부터 설계 각 단계에 BIM이 활용된다 정도의 의미는 있으나, 실무 엔지니어는 종래의 방법으로 설계를 진행하고

각 단계에 BIM 전문가가 투입되어 병행 및 전환으로 진행하는 형태라고 할 수 있습니다.

결국 엔지니어링의 주체인 실무 엔지니어가 BIM 성과를 만드는 것이 아닌 BIM 전문가에 의해 별도의 BIM 성과가 제작된다는 것입니다.

이는 기존에 없었던 별개의 성과품 제작과정을 반복해야 함을 의미합니다.

또한 엔지니어와 BIM 전문가 양측에 의해 생성된 성과물의 일치를 위해 상호 인터페이스를 통해 반복적인 설계 성과품의 수정이 필요해집니다.

이는 BIM을 활용한 설계 프로세스의 효율성 제고가 아닌 BIM 모델 구축 외 일치 과정을 위한 일련의 반복 수정까지 포함되므로

국토교통부가 제시하고 있는 BIM 설계대가로는 수행이 어려운 것이 현실입니다.

BIM을 이용한 구조엔지니어의 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 단순한 모델이지만 구조엔지니어의 설계 프로세스 전과정에서 midas CIM을 어떻게 활용가능한지 보여드리고자 합니다.

2. 모델 제원

구조 설계 프로세스에 대한 활용 가이드에서는 가장 단순한 사각형 단순보를 이용하여 모델링을 진행하였습니다.

이와 같은 실무 활용 모델로서는 midas CIM 에서 제공하고 있는 스마트 템플릿 기능을 이용하여 PSC Box, PSC Beam 등 다양한 구조물에 대한 자동화 모델링을 지원하고 있습니다.

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3. 작업 Process

작업 프로세스는 구조물의 형식이 결정된 이후의 설계 프로세스 전과정을 다루며, 일반적으로 기존의 설계 절차는 다음과 같습니다.

1. 개략적인 설계 단면 선정 및 해석 모델 작성
2. 해석 수행 및 Code Base 단면설계를 통한 제원 및 배근량 결정
3. 일반도 및 철근 구조도 작성
4. 수량산출(내부 검토, VE, 설계 지적사항 등에 의해 1-4 과정의 다수 반복)

BIM을 활용한 설계 프로세스에서는 해석모델을 작성하기 전에 BIM 모델을 가장 먼저 구축합니다. BIM을 활용한 구조 설계 프로세스는 다음과 같습니다.

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4. 작업 세부 진행

① Curve Library를 통한 BIM 모델 생성

midas CIM은 Curve Library라는 요소를 이용해 거더를 모델링 할 수 있습니다.

Curve Library는 midas Civil의 Beam Element와 같이 단면과 시종점의 선형 성분을 갖는다는 것은 동일하지만

직선과 절점의 변경에 의해 결정되는 Civil의 Beam Element와 달리,

단위 길이를 갖는 라이브러리가 다양한 길이 및 선형에 연동이 가능하다는 특징이 있습니다.

곡선 선형을 갖는 해석 모델에서 선형 변경에 따른 해석 모델의 변경을 위해 분할된 각 절점의 좌표 정보를 일일이 수정해야 하지만

CIM에서는 선형 변경에 따라 해석 모델까지 연동되어 변경이 가능합니다.

아래의 참고 자료는 Curve Library 모드에서 사용자가 직접 단면을 생성하고 BIM 모델을 생성하는 일련의 과정입니다.

User Section에서 사용자는 직접 단면을 그리거나 DWG 파일을 불러오기, 혹은 midas CIM에서 제공하는 Template Section을 활용하여 단면을 생성할 수 있습니다.

User Section은 3D 모델을 생성하는 과정에서 활용되며 Curve Library 뿐만 아니라

General Section (사용자화 한 단면으로 만듬) 기능으로 별도의 Geometry 정보를 가진 1D Member를 생성할 수 있습니다.

Layout기능으로 선형을 생성하고 선형위에 Curve Library를 할당하여 Curve Library 형식의 Concrete Beam 모델링을 진행합니다.

추가적으로 Layout변경에 따라 할당된 Curve Library(Concrete Beam) 모델은 자동 연동하여 변경이 됩니다.

② midas Civil 연동을 위한 Analysis Case 정의

midas CIM에서 생성한 BIM모델을 midas Civil S/W로 연동하기 위해서는 midas CIM에서 Analysis Case를 정의하여야 합니다.

BIM 모델에 입력된 정보인 재료 및 단면 특성치는 자동 연동되며, 경계 조건과 링크 조건을 추가 정의하고,

Mesh Size를 Analysis Case에서 정의하면 midas Civil에서는 추가 작업 없이 정의한 정보대로 Civil모델이 생성됩니다.

CIM에서는 해석 정보를 생성하여 Civil 연동으로 해석을 진행할 수 있습니다.

Support 기능에서 설정하고 싶은 자유도와 적용시킬 절점을 선택하여 Fix, Roller를 포함한 모든 경계 조건을 설정할 수 있고

Link 기능을 통해 Rigid Link, Elastic Link 조건을 설정할 수도 있습니다.

또한 User Section - Plate Line이나 Composite 기능을 통해 2D 해석을 위한 Plate 설정을 진행 할 수 있습니다.

해당 과정에서는 1D 해석을 진행하기 위해서 Concrete Beam 양 끝단에 Fix를 설정하였습니다.

(지점조건 설정 등 추가적인 작업은 굳이 CIM에서 하지 않고 바로 Civil에서 설정 가능합니다.)

③ Civil 모델생성과 UMD를 통한 단면설계

앞서 생성한 Analysis Case를 바탕으로 생성된 Civil 모델에 하중 정의 및 하중 조합을 추가 작업한 후 Civil에서 해석을 진행합니다.

Civil에서 도출한 해석값에 따라 설계 데이터를 업데이트하고 단면 설계를 진행합니다.

또한 UMD와 단면력을 연동하여 단면 설계를 진행하고 Excel Report에서 계산 상세를 확인합니다.

④ 철근 배근

UMD를 이용하여 단면설계를 진행한 후 결정된 철근량을 바탕으로 midas CIM에서 철근정보를 입력합니다.

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 단면 제원이 변화해도 변화된 Edge 정보에 의해 철근역시 같이 연동된다는 것이 가장 큰 장점입니다.

2차원 단면상의 배근이 완료되면 이 후 Rebar Array 기능을 통해 배열함으로써 전체 철근 모델링을 완성할 수 있습니다.

⑤ 도면 생성

midas CIM의 Drawing View 기능을 사용하여 CIM 연동 CAD 프로그램인 Dafter에서 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.

⑥ 수량 산출

midas CIM에서는 모델의 속성 정보를 이용하여 수량 산출서 작성을 지원하고 있습니다.

CIM에서 부재별로 Material Type을 설정하고 사용자가 출력하길 원하는 형식의 Excel Template를 생성합니다.

이후 수량 산출의 대상이 될 BIM 모델의 범위를 설정하고 수량 산출 간 적용시킬 Template을 선택하여 Excel형식의 수량 산출서를 출력할 수 있습니다.

⑦ 모델 Revision

라이브러리가 할당된 선형 정보(Layout)의 Property를 수정하는 것만으로 간단하게 모델을 변경할 수 있습니다.

Curve Library에서 배근된 철근과 같은 종속 객체 또한 사용자가 지정한 배열 규칙에 따라 자동으로 업데이트됩니다.

⑧ 변경된 모델을 통한 해석, 도면, 수량 업데이트

Model Revision을 통해 변경된 모델을 바탕으로 다시 한번 해석, 도면, 수량을 생성하는 과정입니다.

앞선 과정과 동일하게 진행되며, 도면 생성은 별도의 재생성 과정없이 CIM과 Dafter에서 업데이트하는 기능을 통해 변경 사항을 자동으로 적용할 수 있습니다.

수량 산출 또한 이전과정에서 생성한 Template 형식이 유지되기 때문에

Material Type이 모두 설정이 되어있다면, 별도의 추가작업없이 수량 산출서를 업데이트할 수 있습니다.

5. 결론

본 소고에서는 기존의 구조 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 그리 어렵지 않은 일련의 동작으로 쉽게 모델링이 가능하고 해석모델과 설계 성과물을 작성하실 수 있습니다.

토목 구조 엔지니어의 설계프로세스는 설계 오류, 현황 및 계획변경 등 다양한 사유에 의해 반복적인 설계 변경 과정을 거치면서 완성됩니다.

변경 과정을 통해 성과품의 완성도가 올라가지만 또 반대로 서로 독립적인 해석 모델과 도면 및 수량은 반복과정 중에 정보 불일치 가능성이 커지기도 합니다.

시공단계에서 설계 검토에 따른 변경 사항 중의 다수가 도서간 불일치에 따른 수정작업이라는 것을 다들 아실겁니다.

midas CIM을 통한 BIM 모델은 해석-도면-수량까지 동일한 BIM 모델을 기반으로 일치화된 정보를 갖고 있으며,

BIM 모델의 수정을 통해 모든 설계 성과품을 정보 손실 및 불일치 없이 변경할 수 있습니다.

위와같이 생성된 모델은 IFC 파일로 Export하여 Civil 3D, Navisworks, Lumion 등  Autodesk 제품군을 포함한 타 프로그램과 호환하여 활용될 수 있습니다.

타 프로그램과 호환을 통해 CIM활용하여 구조부에서 진행하는 전면 BIM 발주에 적극적으로 대응할 수 있다는 것입니다.

[관련자료] : https://blog.midascim.com/ko/ifc-file-format-%ED%98%B8%ED%99%98-%EA%B2%80%ED%86%A0

이렇게 하나의 라이브러리 모델이 구축되면 추후 유사한 프로젝트 발주 시 기존에 구축한 라이브러리 모델을 활용할 수 있습니다.

매 프로젝트마다 처음부터 설계를 진행하는 것이 아니라 기존에 적업했던 프로젝트를 활용하여 업무를 진행할 경우 업무량이 현저히 감소됩니다.

즉, 라이브러리 구축을 통해 설계사의 경험과 노하우를 축적할 수 있게 되며 이러한 라이브러리의 축적이 곧 설계사의 경쟁력이 될 것입니다.