지질조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공시뮬레이션 시스템 및 방법{Construction simulation system and method for tunnel and underground storage cavern considering geological condition}

본 발명은 4차원 캐드를 기반으로 하는 건설공정관리시스템을 이용하여 해당 지반의 불확실성으로 인해 건설 및 유지관리에 위험성이 높은 터널 및 지하공간의 시공 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해당 지반의 지질요소를 고려한 3차원 지구통계학 모델과 4차원 CAD가 연계된 알고리즘을 통하여 효율적인 공사방법을 도출하고, 설계와 시공간에 발생하는 차이를 시각적, 효율적으로 관리할 수 있는 지질조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공시뮬레이션 방법에 관한 것이다.

건축물의 시공에 있어서, 계획적인 공사진행, 공사 진척도의 용이한 파악 및 인력·장비·경비 등을 조정 관리하여 공사기간 내에 해당 공사를 효율적으로 완성하기 위한 공정관리 시스템으로서, 미국의 PERT(program evaluation review technique) 및 CPM(critical path method), 또는 Bar-Chart에 의한 공정관리도표를 널리 이용하고 있었다.

즉, 도1 및 도2에 나타낸 바와 같이, PERT/CPM 또는 Bar-Chart에 의한 공정관리도표는 공사종류에 따른 시공일정 및 그 진척사항 등을 꺾은선 그래프 또는 막대그래프 등을 이용하여 평면적으로 시각 데이터화 함으로써, 공종 상호간 연관관계의 로직을 파악할 수 있도록 해주는데 그 의의가 있다 할 것이다. 그러나, 도1 및 도2에 도시된 바로부터 알 수 있듯이, PERT/CPM 또는 Bar-Chart에 의한 2차원 공정표는 상호 연관관계의 로직이나 단순 일정관리 수준의 용도로 사용되기 적합한 것일 뿐, 이를 통하여 현장의 공사여건과 장비간의 설계상 간섭여부 및 실제의 공사진척도를 파악하는 것은 곤란하였다.

한편, 3D CAD(Computer Aided Design)를 이용한 3차원 건축모델은, 건축물을 공간적으로 입체화하여 나타냄으로써 해당 건축물에 대하여 구조학적인 면에서 보다 실질적이고도 구체적인 데이터를 제시할 수 있다. 그러나, 현 시점에서는 이와 같은 3차원 건축모델을 단순히 계획하고 있는 건축물의 설계용도로 작성하여 장비간의 설계상 간섭 여부를 확인하거나, 해당 건설 프로젝트에 대한 개관을 위한 프레젠테이션용 자료로 사용하고 있을 뿐이다. 즉, 3D CAD를 통해 구현된 설계도는, 장비간 간섭이나 타당성 검토 및 BM 산출 등의 장점을 가지고 있기는 하지만, 이를 통해 얻을 수 있는 데이터는 현장상황에 대한 검토가 반영되지 않은 단순 구상에 불과한 것이었으며, 모델구축시까지의 소요시간 등 구체적인 시공일정이 고려되지 않은 것으로서 그 이용성에 한계가 있었다.

상기한 문제점들을 극복하고자, 국내 등록특허 제10-0593716호에서는 건축물 의 시공현황에 대한 3차원 시각데이타와 공정관리(Time management)를 결합하여 공사현황과 현장실적 및 작업의 연관관계를 시각적으로 파악할 수 있도록 한 4차원 건설관리시스템이 제안되어 있다.

상기에서 제안된 특허에 기재된 바와 같이, 4차원 캐드(4D CAD)를 기반으로 하는 건설공정관리시스템은 일반 CAD와 동영상 시뮬레이션과는 달리, 기존의 공사일정표와 3차원 도면이 연계되어 공사기간에 따른 시설물의 완성상태를 3차원으로 연속 구현해주는 기술로서, 공정표의 시간(Time)과 3D 설계도면(Space)이 통합적으로 구현되는 체계이다.

현재까지 개발된 4D CAD는 공정수준의 오류를 조기에 판단하고, 시공 및 작업효율을 시각적으로 관리가 가능한 장점이 있다. 하지만, 상기한 4D CAD는 구조물의 특성상 터널 및 지하공간 분야에서는 적용하기가 어려웠다. 그 이유는 터널 및 지하공간 분야가 지반조사 결과를 바탕으로 예측된 결과로부터 설계를 수행하지만, 실제 시공 전 조사단계에서는 완벽한 지반조건을 파악하지가 쉽지 않고 시공 중 예측불가능한 상황이 많이 발생하기 때문이다. 이는 터널 및 지하공간의 특성상 자연스러운 현상이며 시공 현장에서는 이러한 차이를 줄이기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 그러므로 터널 및 지하공간의 설계 및 시공 분야에서 4D CAD에 의한 단순한 시각적 공정보다는 또 다른 차원의 프로젝트 관리모드의 필요성이 대두되게 되었다.

한편, 지구통계학은 지질학적 문제를 해결하기 위한 추정 및 시뮬레이션의 다양한 기법들을 제공하였으며, 많은 지질학적 변수의 불확실성 모델링을 위한 방 법으로 사용되었다. 1980년 이후 시뮬레이션 기법의 발전과 함께 추정문제를 위한 크리깅(kriging)등의 지구통계학 기법들이 많이 활용되고 있다. 최근 국내에서도 지구통계학적 추정문제에 대해 많은 연구들을 통해 보완되고 있고, 암반공학적 변수의 공간적 분포추정에 적용되어 왔다. 물론 터널과 같이 한쪽 방향으로 연장이 큰 선상 구조물의 경우 제한된 위치에서 취득된 조사자료로부터 지구통계학 기법을 적용하는데는 스무딩 효과 등의 문제로 한계가 있으나, 터널 및 지하공간 구조물은 다양한 위치에서 조사를 하므로 이러한 한계는 어느 정도 극복될 수 있었다. 또한 물리탐사 등의 미시추구간의 자료와 시추공 자료 등의 상관성 등을 분석하여 이러한 영향을 최소화하려는 노력이 있었다.

하지만, 대부분의 지구통계학적 툴(tool)은 암반등급 등의 추정에만 그치고 있고, 공기 등의 4D CAD와 연동된 패키지로 개발된 사례가 없는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 해당 지반의 불확실성과 건설 및 유지관리에 위험성이 높은 터널 및 지하공간의 건설시에 해당 지반의 지질조건을 반영하기 위한 3차원 지반자료를 획득하고 이 입력자료를 3차원 지구통계학 기법을 통해 계산하고 분석할 수 있는 알고리즘을 4차원 캐드 기반의 건설공정관리시스템에 적용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 최적의 시공대안 선정이 이루어지도록 하여 공사비를 절감하고 합리적인 시공계획을 수립할 수 있는 지질 조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 지구통계학적 툴인 정규크리깅과 지시크리깅의 3차원 지구통계학 모델을 4차원 캐드 기반의 건설공정관리시스템에 적용하여 터널 및 지하공간의 실제 시공전에 시뮬레이션을 수행함으로써 지질의 불확실성을 고려하여 최적화된 공정계획을 수립할 수 있는 지질 조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 작업분류체계(WBS; Work Breakdown System)를 통해 분류된 공사일정별 데이타와, 해당 건설구간의 지반자료(좌표, RMR, Q-System, 물리탐사)가 입력되는 입력부; 상기 입력된 데이타에 기초하여 공 사일정별 시간과 입체모델이 결합된 4차원 CAD 기반의 데이타로 변환하고, 해당 건설구간의 지반자료를 베리오그램(variogram) 모델링 및 3차원 크리깅(kriging)을 포함하는 지구통계학 기법을 통해 분석하여 3차원 데이타로 변환하기 위한 프로그램 실행부; 사용자 요청에 따라 4차원 건설공정관리데이터를 검색하거나, 가상현실(VR;Virtual Reality) 데이타의 생성, 갱신, 저장을 제어하는 제어부; 작업분류체계(WBS)를 통하여 분류된 공사일정별 데이타가 4차원 데이타로 저장되는 WBS 데이타베이스; 해당 건설구간의 지반자료가 3차원 데이타로 저장된 3차원 지반자료 데이타베이스(DB); 및 사용자의 요청에 의해 DB로부터 가상시공구축물을 출력하는 디스플레이부를 포함하는 지질조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공시뮬레이션 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 작업분류체계(WBS)를 통해 분류된 공사일정별 데이타를 입력하여 4차원 캐드(CAD) 기반의 시각화 모델을 구축하는 제1 단계; 해당 터널 및 지하공간 지반 자료인 좌표, 암체의 등급(RMR : Rock Mass Rating), 암반을 분류하는 Q-System 및 물리탐사 데이타를 획득하고 입력하여 3차원 입체모델로 표현하는 제2 단계; 상기 입력된 3D 지반자료를 베리오그램 모델링 및 크리깅을 포함하는 3차원 지구통계학 기법을 통하여 계산하고 결과를 분석하는 제3 단계; 상기 지구통계 시뮬레이션 결과 분석을 통한 지질학적 요소를 공기 등의 4차원 캐드(CAD) 기반의 건설공정관리시스템에 연동하여 시공 시뮬레이션을 실시하는 제4 단계; 및 상기 시공 시뮬레이션을 통하여 최적의 시공방법을 도출하고, 상기 도출된 시공방법이 최적화인지의 여부를 결정하는 제5 단계를 포함하는 지질조건을 고려한 터널 및 지 하공간 시공시뮬레이션 방법을 제공한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 특징에 따르면, 시각적 공정정보만을 고려하던 기존의 4D CAD에서 탈피해 지반조사 정보의 지구통계학적 분석을 수행함으로써 관련 작업공정의 시각화를 통한 의사결정의 명확화를 유도하며, 설계와 시공간에 발생하는 차이를 시각적, 효율적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 터널 및 지하공간 시공분야에서 향후 코스트(cost) 분석까지 개발할 수 있으며, 지반환경의 불확실성과 위험요인을 고려한 위험 평가(risk evaluation) 알고리즘을 통하여 리스크를 방지하고, 최적의 시공방법을 제시할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 지질요소를 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법은 지질요소를 고려한 알고리즘을 4차원 캐드 기반의 건설공정관리시스템에 적용하여 시뮬레이션함으로써 설계와 시공간에 발생하는 차이를 관련 작업공정의 시각화를 통하여 보정하고 효율적으로 관리할 수 있도록 구현한 것이다.

먼저, 본 발명에 의한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 시스템의 개념을 도3을 참조하여 살펴본다. 도면에 도시한 바와 같이 본 발명은 작업분류체계(WBS; Work Breakdown System)를 통해 건설공정이 시설, 공간 및 부위별로 나눠지고, 공사 일정별 완성상태의 3차원(3D) 시각화 형상 데이타가 구축된다. 또한, 해당 터널 또는 지하공간 건설구간의 3D 지반자료를 입력하고, 3D 지구통계 시뮬레이션을 실행함으로써 지층 분포 및 암반등급을 결정하게 되고, 이 데이타를 웹브라우저에서 시뮬레이션하여 최적의 시공방법을 도출하게 된다.

상기한 개념의 본 발명은 4차원(4D) CAD 기반의 건설공정관리 데이타와 3차원(3D) 지반자료 데이타가 입력된 서버시스템을 구비하며, 상기 서버시스템은 사용자의 요청에 의해 4D 건설공정관리 데이타와 3D 지반자료 데이타가 연계된 가상현실(VR;Virtual Reality) 데이타를 디스플레이할 수 있는 웹브라우저를 통해 시뮬레이션하게 된다.

도4는 본 발명에 의한 지반자료를 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 시스템의 구성을 나타낸 개략적인 블럭도이고, 도5는 본 발명에 의한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션을 구현하기 위해 작업분류체계(WBS)를 통하여 분류된 공사일정별 완성상태의 3차원 시각화 형상을 모니터링한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시공 시뮬레이션 시스템은 작업분류체계(WBS; Work Breakdown System)를 통해 분류된 공사일정별 데이타와, 해당 건설구간의 지반자료(좌표, RMR, Q-System, 물리탐사)가 입력되는 입력부와; 상기 입력된 데이타에 기초하여 공사일정별 시간과 입체모델이 결합된 4차원 CAD 기반의 데이타로 변환하고, 해당 건설구간의 지반자료를 베리오그램(variogram) 모델링 및 크리 깅(kriging)을 포함하는 3차원 지구통계학 기법을 통해 분석하여 3차원 데이타로 변환하기 위한 프로그램 실행부와; 사용자 요청에 따라 4차원 건설공정관리데이터를 검색하거나, 가상현실(VR;Virtual Reality) 데이타의 생성, 갱신, 저장을 제어하는 제어부와; 작업분류체계(WBS)를 통하여 분류된 공사일정별 데이타가 4차원 데이타로 저장되는 WBS 데이타베이스와; 해당 건설구간의 지반자료가 3차원 데이타로 저장된 3차원 지반자료 데이타베이스(DB); 및 사용자의 요청에 의해 DB로부터 가상시공구축물을 출력하는 디스플레이부를 구비한다.

상기 프로그램 실행부는 WBS에 의해 분류된 해당 프로젝트의 시공일정과 3D 시공현황 입체모델을 결합하여 시뮬레이션화한 VR 프로그램 및 해당 건설구간의 지반자료를 3차원(3D)로 표현하기 위한 3D CAD 프로그램을 포함한다.

상기 서버시스템의 DB로부터 제공되는 4차원 건설공정관리 정보는 공정관리 데이타, 평면설계모델에 기초하여 생성된 입체설계모델 데이타, 관리자로부터 입력된 시공정보에 기초하여 생성된 시공현황 입체모델 데이타, 장비이력 데이타 및 공정관리 데이타, 입체설계모델 데이타, 시공현황 입체모델 데이타, 장비이력 데이타를 결합하여 생성한 VR 모델 데이타를 포함한다. 또한, 3차원 지반정보는 광역지표 지질조사자료, 시추공 조사자료, 노두 조사자료 등 3D 선형 데이타를 지구통계 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 3D로 표현한 데이타를 포함한다.

여기서, 상기 노두는 지반의 암석이나 지층의 일부가 지표에 노출되어 있는 부분을 말하며, 지질조사시 노두 조사를 통해 암종 등 지질구성, 암질 및 풍화정도, 절리 등 불연속면의 분포 및 방향, 연속성 등을 파악할 수 있으며, 시추조사 및 물리탐사 등의 조사결과 해석 및 평가시 기초자료로 활용된다.

도6은 본 발명에 의한 지반조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도이고, 도7a는 시추공의 3차원 위치자료 및 시추심도별 RMR 자료를 설명하기 위한 도면이고, 도7b는 본 발명에 의한 3D 지반자료(좌표, RMR, Q-System, 물리탐사)를 3D로 표현한 시뮬레이션 화면을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도8a는 입력된 자료로부터 베리오그램 모델의 선형, 구형, 지수모델을 적용하여 분석하고 지구통계 시뮬레이션을 설명하는 도면이고, 도8b는 기본 분석들을 미리 설정하고, 지시크리깅 등을 활용할 경우 전기비저항과 암반분류의 상관관계로부터 해당 가중치를 입력할 수 있는 기능을 설명하기 위한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, WBS를 통해 분류된 공사일정별 데이타를 입력하여 4D CAD 기반의 시각화 모델을 구축한다(S11, S12). 다음 광역지표 지질조사자료, 시추공 조사자료, 노두 조사자료 등의 데이타를 지구통계 시뮬레이션 시스템에 입력하고, 해당 지반의 좌표, 암체의 등급(RMR : Rock Mass Rating), 암반을 분류하는 Q-System 및 물리탐사를 포함하는 3D 지반자료를 획득하여 입력한다.(S13, S14).

여기서, 시추공 조사자료는 3차원 선형 데이타로 나타낼 수 있으며, 정량적 자료인 시추공 조사 자료와 정성적 자료인 탄성파 탐사나 전기비저항탐사 등 물리탐사 자료를 모두 지구통계 시뮬레이션 시스템의 입력치로 활용함으로써 3차원 지시크리깅을 통해 미시추 구간의 암반등급을 정량화할 수 있다.

또한, 광역지표 지질조사, 시추공 조사, 노두 조사 등의 지질조사를 통해 지 표면 및 시추공 주변 암석의 상태와 불연속면의 상태를 측정할 수 있다. 상기 암석의 상태(암석의 강도, RQD 등) 및 불연속면의 상태(간격, 거칠기, 풍화정도 등)를 이용하여 RMR 및 Q-System에 의한 암반등급을 계산할 수 있다. 해당 지반의 지표는 측량을 통해 획득 가능하며, 해당 지반에서 물리탐사 시험을 실시하여 물리탐사 데이타를 획득할 수 있다.

상기 암체의 등급은 사면(slope), 기초지반(foundation) 및 터널(tunnel)을 포함한다. Q-System은 RQD(Rock Quality Designation), 절리군의 수, 절리의 조도, 절리의 변질정도, 지하수의 영향, 응력의 상태 등의 파라메타(parameters)를 이용하여 암반을 분류한다.

상기 입력된 3D 지반자료를 베리오그램 모델링 및 크리깅을 포함하는 3차원 지구통계학을 통하여 계산하고 결과를 분석한다(S15).

상기 크리깅으로는 3차원 정규 크리깅과, 지시 크리깅 등이 있으며, 이들을 활용하여 암반등급을 정량화한다. 상기 3차원 정규 크리깅은 정량적 자료인 시추공 조사 자료를 활용하여 미시추 구간의 암반등급을 정량화할 수 있는 방법이며, 지시크리깅은 정량적 자료인 시추공조사와 정성적 자료인 탄성파 탐사나 전기비저항탐사 등 물리탐사 자료를 모두 입력치로 활용하여 미시추 구간의 암반등급을 정량화할 수 있는 방법이다.

상기 S15 단계는 물리탐사 자료, 시추공의 공간적 상관관계 및 분포특성을 확인하고, 베리오그램 모델링 및 크리깅등의 3차원 지구통계학 기법을 통해 각 지점의 미지값 및 분산값을 계산하고 누적확률 밀도 함수를 결정하는 과정이다.

그 세부 진행공정으로는 시추공 조사자료와 물리탐사 자료를 이용하여 베리오그램 모델링을 실시하되, 상기 베리오 그램 모델의 선형, 구형 지수모델을 적용하여 분석한다(도8a 참조). 그리고, 크리깅등의 3차원 지구통계학 기법을 이용하여 각 지점의 미지값 및 분산값을 계산하고 누적확률밀도함수를 결정한다(도8b 참조).

도9 및 도10은 터널 및 지하공간의 암반등급과 분산의 분포를 구현하고, 최적의 시공방법을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 좀더 상세히 설명하면 도9는 지질조사 자료를 이용하여 지구통계 시뮬레이션을 수행하여 계산된 지하공간 주변 지반의 암반등급(RMR) 분포를 나타낸 것이고, 도10은 도9의 지하공간 일부를 확대한 도면으로서 심도별 또는 요소별 암반등급 분포 등 지질조건의 확인이 가능하다.

도면에 도시한 바와 같이, 상기 S15단계에서의 지구통계 시뮬레이션 결과 분석을 통한 지질학적 요소를 공기 등의 4D CAD 기반의 건설공정관리시스템에 연동하여 시뮬레이션을 실시함으로써 최적의 시공방법을 도출한다(S16). 상기 도출된 시공방법이 최적화임이 결정되면, 결정된 시공방법을 현장에 적용하여 시공을 실시하게 된다(S17).

지질요소를 고려한 알고리즘 즉, 지구통계 시뮬레이션 결과가 4D CAD 프로그램내의 3차원 공간상에 터널 및 지하공간 구조물과 함께 연동하여 표현된다. 따라서, 터널 및 지하공간의 특정 위치에서의 지질조건 확인이 가능하다.

상기한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법에 의하면, 4차원 입체모델을 통하여 시점별, 현황분석 및 작업의 완료여부에 대한 시각적 확인이 가능하여 현장 관리기능을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 지반조사 정보의 지구통계학적 분석을 수행함으로써 터널 및 지하공간 시공관리분야에서 향후 코스트 분석까지 개발할 수 있을 뿐만 아니라, 지반환경의 불확실성, 위험요인을 고려한 리스크 방지(riskhedging)가 가능하고 최적화된 시공방법을 제시할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 종래기술에 따른 PERT(Program Evaluation review technique)를 이용하여 작성된 공정관리표를 나타낸 예시도.

도2는 종래기술에 따른 Bar-Chart를 이용하여 작성된 공정관리표를 나타낸 예시도.

도3은 본 발명에 의한 지반자료를 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션의 개념도.

도4는 본 발명에 의한 지반자료를 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 시스템의 구성을 나타낸 개략적인 블럭도.

도5는 본 발명에 의한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션을 구현하기 위해 작업분류체계(WBS)를 통하여 분류된 공사일정별 완성상태의 3차원 시각화 형상을 모니터링한 도면.

도6은 본 발명에 의한 지반조건을 고려한 터널 및 지하공간 시공 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도

도7a는 시추공의 3차원 위치자료 및 시추심도별 RMR 자료를 설명하기 위한 도면.

도7b는 본 발명에 의한 3D 지반자료(좌표, RMR, Q-System, 물리탐사)를 3D로 표현한 시뮬레이션 화면을 예시적으로 나타낸 도면.

도8a는 입력된 자료로부터 베리오그램 모델의 선형, 구형, 지수모델을 적용하여 분석하고 지구통계 시뮬레이션을 설명하는 도면.

도8b는 기본 분석들을 미리 설정하고, 지시크리깅 등을 활용할 경우 전기비저항과 암반분류의 상관관계로부터 해당 가중치를 입력할 수 있는 기능을 설명하기 위한 도면.

도9 및 도10은 터널 및 지하공간의 암반등급과 분산의 분포를 구현하고, 최적의 시공방법을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면.