부속서-3

○○○○년도

스마트설계 상세 설명서

한국도로공사

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제2장 스마트설계

2.1 개요

2.2 배수 시뮬레이션

2.3 도로주행 시뮬레이션

2.4 경관설계 시뮬레이션

2.5 일조영향 시뮬레이션

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제2장 스마트설계

2.1 개 요

2.1.1 개 요

현재의 BIM 설계는 2D로 이미 설계가 완료된 시설물에 대해 도면 등 설계

성과품을 토대로 BIM 데이터를 확보하는 BIM 역설계 단계에서 더 나아가 계획에서

상세설계까지 3차원 BIM 저작도구로 설계를 하고 있는 BIM 전면수행 방식이

추진되고 있다. BIM 전면설계가 조속히 시행되어야 한다는 의견은 많이 나오고

있지만 아직까지 설계 또는 시공단계에서 BIM 전면수행 방식은 시작단계라 할 수

있다. 하지만 국내 토목분야의 BIM 도입은 목적 시설물의 최적 시공을 위하여

설계오류와 잦은 설계변경, 공사 중지 등에서 벗어나 BIM 설계의 궁극적인 목적인

생산성 향상을 이루어야 하므로 토목분야에 BIM 전면설계제도의 정착은 시급한

것이 현실이다. 아울러 더 나가 BIM 전면설계에 의해 생성된 BIM 데이터와

스마트 건설기술을 융합한 설계 기법인 스마트 설계를 통해 설계 성과품을 도출

하여 최적의 목적 시설물 시공까지 이루어져 생산성 향상은 물론 향후 유지관리가

용이하며, 재해 및 재난을 사전에 예방하고 시설물의 효용성 증진을 통해 공공의

안전을 도모하는 쾌적한 고속도로가 될 수 있을 것이다.

스마트 설계 상세설명은 최근 지구온난화, 국지성 집중호우 등 기후변화로 인해

발생할 수 있는 고속도로의 교통사고로부터 이용자의 안전을 지키며, 보다 쾌적한

고속도로가 될 수 있도록 3차원 BIM 데이터와 각종 스마트 설계 기법을 접목한

설명을 수록하였다. 유체역학을 바탕으로 수치해석 기법과 융합한 배수 시뮬레이션,

주행안전성을 점검할 수 있는 도로주행 시뮬레이션, 터널 입·출구부 등의 사고

방지 대책을 위한 일조영향 시뮬레이션, 주변 환경과 이용자의 쾌적성을 고려한

경관 시뮬레이션을 필요시 선택적으로 실시한다.

스마트 설계의 가장 기본은 3차원 BIM 데이터와 융합하여 왜곡이나 변형 없이

정확한 위치와 제원을 반영하여 실제 상황을 시뮬레이션하는 것을 주안점으로

하여야 한다.

본 부속서의 상세설명은 스마트 설계에 관한 설계방법을 제시하여 설계 및 시공

분야의 엔지니어에게 도움이 되고자 한다.

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2.2 배수 시뮬레이션

2.2.1 개 요

1) 기후변화로 인한 강우패턴의 변화 및 국지성 집중호우 발생 시 설계기준에서

정한 설계빈도이상의 강우발생이 빈번하여 고속도로의 노면 및 각종 배수

시설물 등의 피해가 발생하여 교통사고의 위험이 증가할 뿐 아니라, 국민의

안전과 재산에도 막대한 피해가 발생할 수 있으므로 고속도로 계획 및 설계단계

에서 배수시뮬레이션을 실시하여 재해 예방을 목적으로 실시한다.

2) 배수 시뮬레이션은 컴퓨터 시뮬레이션과 유체역학을 접목하여 실제상황과 유사한

조건을 구현하여 배수피해를 미리 예측하고 개선대책을 도출하여야 하며, 이해

관계자들의 최적의 계획 및 결정을 위하여 VR 시뮬레이션과 동영상 등을 통한

결과보고를 통해 과업 목적을 달성하여야 한다.

2.2.2 BIM 데이터 작성

1) BIM 데이터는 수치해석을 위한 엔진이 아니므로 별도의 3차원 유체해석

프로그램과 접목하여 설계 및 시공시 사전 문제점 도출과 배수체계의 원활성을

검토할 수 있어야 한다.

도로개설에 따른 주변 사면의 배수 시뮬레이션 예시

개선 전 배수 불량 시뮬레이션 개선 후 배수 양호 시뮬레이션

<그림 2.2.1> 배수 시뮬레이션 예시

2) 3차원 유체해석 결과의 시뮬레이션은 BIM 데이터를 활용하여 구현하며,

BIM 데이터는 LOD 300 수준이상으로 작성한다.

3) 배수 시뮬레이션은 유역에서 유입되는 물을 배수시설을 통하여 신속하게 처리

할 수 있는 방식으로 계획하며 기존의 배수설계 수행방법을 준용하고 공사 중

및 유지관리 단계에서 발생할 수 있는 범람과 침수 등의 재해를 사전에 예측

하여 시각화한다.

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도로개설에 따른 주변 지역의 배수 시뮬레이션 예시

개선 전 배수 불량 시뮬레이션 개선 후 배수 양호 시뮬레이션

<그림 2.2.2> 배수 시뮬레이션 예시

4) BIM 데이터를 이용하여 가상현실 공간에서 현재 설계기준 및 지침에 대한

배수검증과 집중호우 등을 실시간으로 3D 유체 시뮬레이션을 통해 가시화함

으로서 배수 불량구간에 대한 문제점 및 개선 대책 도출한다.

5) BIM 데이터 범위는 유역면적까지 모든 구간이 필요한 것은 아니므로 위험가능

구역을 사전에 검토하여 국부적인 모델을 통해 시뮬레이션을 실시한다.

6) 수치해석 방법에서 1, 2차원 해석은 격자생성, 해석결과의 불확실성 및 가시적

표현 부족 등에 문제가 지속적으로 발생하고 있으므로 반드시 3차원 유체해석을

바탕으로 시뮬레이션 하여야 한다.

7) 3D 유체해석을 위한 수치해석 프로그램은 적용 실적 등을 충분히 검토하여야

하며, 적용 사례와 성과를 제시하여 프로그램에 대한 검증을 하여야 한다.

도로개설에 따른 주변 지역의 배수 시뮬레이션 예시

도로 개설 인근 지역의 홍수시 범람 도로개설 인근 지역의 홍수시 범람

도로개설 후 배수 흐름(경작지 훼손) 배수 구조물 개선으로 배수 흐름

<그림 2.2.3> 배수 시뮬레이션 예시

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8) 3D 수치해석을 위한 모델은 BIM 데이터를 활용하거나, 해당 구역의 지형 측량

및 무인비행장치 측량을 이용하여 정확한 자료를 취득하여야 한다.

유체해석을 3D 모델 자료 취득 방법 (BIM 데이터 활용, 무인항공 측량 자료 활용)

지형 데이터 등 BIM 자료 활용 UAV 항공측량을 이용한 정확한 모델

<그림 2.2.4> 유체해석을 위한 자료 취득

2.2.3 대상 선정

1) 집중 호우 시 노면 배수구조물의 적정 설치 여부 분석을 통해 추가 또는 확장

설치 등 대책방안을 수립할 수 있어야 하며, 대안에 대한 안전성 검증 또한

3차원 시뮬레이션을 통하여 검증한다.

2) 대상 항목

(1) 터널 전·후 및 대절토부 등의 유량 집중구간 배수 적정성

(2) 고속도로 및 고속도로 시설물 설치 시 주변 도로의 배수영향 검토를 통한

영향 최소화

(3) 각종 배수 불량 구간(산악지 계곡부, 종곡선 오목부, 교량구간 등)의 배수

효율성 증대 방안 분석

(4) 집수정 설치구간의 집수정 효율분석

(5) 교량구간의 배수 적정성 분석

(6) 종·횡 배수시설의 적정 배수 분석

(7) IC, JCT 등 입체교차로의 적정 배수 분석

(8) 지하차도 등 지하구조물 배수 효율성 분석

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2.3 도로주행 시뮬레이션

2.3.1 개 요

1) 고속도로 설계 및 시공 전 고속도로의 기하학적 기준은 만족하지만 운전자

중심의 사전 주행 시뮬레이션을 통해 주행 안전의 문제점 분석과 개선으로

안전하고 쾌적한 고속도로를 계획하며, 교통사고를 예방하여 국민의 안전과

재산을 지킴을 목적으로 실시한다.

2) 도로주행 시뮬레이션은 고속도로의 기하학적 기준뿐만 아니라 필요시 도로의

부대시설, 주변 조경과 환경 부분을 BIM 데이터로 작성하여 운전자 안전에

대한 위협 여부를 검토하고, 위급상황을 재현할 수 있도록 부대시설 등에 높은

BIM 데이터 상세수준을 요구할 수 있으며, 이해 관계자들의 최적 계획 및

결정을 위하여 VR 시뮬레이션과 동영상 등을 통한 결과보고를 통해 과업 목적을

달성하여야 한다.

3) 분기점과 나들목의 형식 선정

(1) 분기점의 형식은 3지 교차형식인 직결 및 준직결의 Y형 형식과 4지 교차형식인

변형 클로버와 클로버 형식 중 시설규모, 주변 현황, 지장물 등을 고려하여

형식 검토를 실시하여야 하며 BIM 데이터를 통한 주행시뮬레이션을 통하여

충분한 안전성을 입증하여야 한다.

(2) 분기점 및 나들목의 형식은 본선의 설계속도 및 형식선정에 따라 교통수요

예측결과를 반영한 도로주행 시뮬레이션을 작성하며 형식결정을 위한

비교․검증을 하여야 한다.

(3) 입체교차되는 연결로의 시설한계는 계획하는 모든 관계자들이 확실하게 인지할

수 있도록 명확하게 시뮬레이션에 표현하여 안전한 통과고 확보에 대한 시

각적인 검증을 하여야 한다.

도로주행 시뮬레이션

<그림 2.3.1> 도로주행 시뮬레이션 사례

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도로주행 시뮬레이션

부대시설 포함 모델(1) 부대시설 포함 모델(2) 곡선구간의 주행성 확인

<그림 2.3.1> 도로주행 시뮬레이션 사례(계속)

2.3.2 BIM 데이터 작성

1) 주행 시뮬레이션 모델을 위하여 BIM 데이터를 활용하거나, 해당 구역의 지형

측량 및 무인비행장치 측량을 이용하여 정확한 자료를 취득하여야 한다.

2) 주행 시뮬레이션은 도로 기하학적 기준의 적정성을 검토하기 위하여 계획 초기에

반드시 검증을 하여야 하며, 설계 완성단계에서 최종적으로 시뮬레이션을 통해

완성하여야 한다.

3) 계획초기의 시뮬레이션은 도로 선형적으로 불리한 나들목, 분기점 등의 개소에

대하여 국부적으로 실시할 수 있으며, 완성단계의 시뮬레이션은 전 구간을 대상

으로 하여야 한다.

4) 나들목형식 선정시 계획단계의 시뮬레이션은 교통분야와 협업하여 BIM 데이터를

기반으로 교통분석 등을 병행하여 수행할 수 있다.

5) 도로주행 시뮬레이션은 BIM 데이터를 활용하여 구현하며, BIM 데이터는

LOD 300 수준이상으로 BIM 데이터를 작성하나, 계획단계에서는 LOD 수준을

낮추어 수행할 수 있다.

6) 고속도로 준공 전·후의 시뮬레이션은 주행 상황 재현을 위하여 3차원 가상현실

(VR) 시스템과 연계될 수 있도록 한다. 즉, BIM 데이터를 이용하여 가상현실

공간에서 현재 기하구조 기준 및 지침에 대한 검증이 가능하며 사고위험 구간에

대해 국부적인 시뮬레이션을 통해 가시화함으로서 문제점 및 개선 대책을 도출

한다.

7) 분기점 및 나들목(교차로) 계획구간의 교통수요분석 결과를 반영하여 시나리오별

교통분석 결과를 가시화 할 수 있다.

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분기점 및 나들목 형식검토 도로주행 시뮬레이션

다이아몬드형식 트럼펫형식

<그림 2.3.2> 입체교차로 형식검토 주행 시뮬레이션 사례

2.3.3 대상 선정

1) 도로주행 시뮬레이션은 고속도로 개통 전후 종합적인 설계검토 기능을 할 수

있으며, 계획 및 설계단계에서는 위험요소의 다각적인 검토로 사전에 위험요소를

제거할 수 있고, 여러 가지 대안에 대한 도로주행 시뮬레이션을 통해 최적의

고속도로 계획을 수립할 수 있다.

2) 계획 및 설계단계 도로주행 시뮬레이션 검토 항목

(1) 도로의 주행성 검토

◦ 도로의 종합적인 기하구조 검토(평면 및 종단 선형, 구조물 계획, 시거, 진‧출입

계획, 시설물의 시인성 등)

◦ 나들목 및 분기점 구간의 시뮬레이션 검토(진‧출입, 교차로, 교량 및 터널

설치에 따른 영향, 교차 및 간섭 영향, 선형 불량 구간 등에 대한 시거와

운전자의 시인성 등)

(2) 분기점 및 나들목(교차로) 계획검토

◦ 입체 교차로 진‧출입 계획(교차로 구간의 차량 동선 계획 등)

◦ 진·출입시 도로의 시인성 계획(자연스러운 진‧출입 계획, 회전 반경, 곡선구간

시거 등)

(3) 교통 분석 연계 시뮬레이션

◦ 교통분야와 협업(BIM 데이터 정보를 기반으로 교통 분석 수행)

◦ 교통수요분석 결과를 반영에 활용(도로 및 교차로 계획구간, 시나리오별 교통

분석 시뮬레이션)

3) 고속도로 도로주행 시뮬레이션 검토 항목

(1) 도로설계의 적정성(기하구조, 부대시설, 조경 및 환경분야 등 종합적 검토)

(2) 위험요소 사전 제거로 교통안전 서비스 향상

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2.4 일조영향 시뮬레이션

2.4.1 개 요

1) 최근 국내 고속도로는 기후변화로 인한 이상 강설, 강우, 기온변화로 인하여

고속도로의 노면의 미끄러짐으로 교통사고의 위험이 증가할 뿐 아니라, 국민의

안전과 재산에도 막대한 피해가 발생되고 있으므로 고속도로 계획 및 설계단계

에서 노면 미끄러짐 방지 대책 및 직광 위험도 분석을 통해 일조영향시뮬레

이션을 실시하여 교통사고 예방을 목적으로 한다.

2) 일조영향 시뮬레이션은 결빙예측과 직광위험도 시뮬레이션을 포함하여야한다.

3) 결빙예측 시뮬레이션은 겨울철 적설 및 강우 등으로 인한 고속도로 음지 발생을

예측하여 블랙아이스 등 고속도로 결빙을 방지하여 사고를 사전에 예방하도록

한다.

4) 직광위험도 시뮬레이션은 도로 주행 중, 특히 터널을 운전하는 경우 출구부

에서는 터널 내부의 조도에 적응되어 있는 운전자의 시력이 터널 밖

으로 나오는 순간 강렬한 태양광에 직접 노출(직광) 될 때 화이트홀 현상이

발생하면서 일시적으로 시야 확보가 불가능해 짐에 따라 사고 위험이 있으므로

운전자 시야에 태양이 직접 유입되어 주행안전성을 해치는 경우 사전 시뮬레

이션을 통해 설계 요소를 변경함으로 사고를 사전에 예방하여야 한다.

2.4.2 BIM 데이터 작성

1) BIM 데이터는 수치해석을 위한 엔진이 아니므로 별도의 일영분석 프로그램과

접목하여 설계 및 시공 시 사전 문제점을 도출할 수 있어야 한다.

2) 일조영향 시뮬레이션 모델을 위하여 BIM 데이터를 활용하거나, 해당 구역의

지형 측량 및 무인비행장치 측량을 이용하여 정확한 자료를 취득하여야 하며,

일조영향 해석을 위해서 지역의 정확한 기상자료 수집이 중요하며, 이상 기후에

대한 검토를 반영하여야 한다.

3) 일조영향 시뮬레이션은 태양의 궤적과 에너지량을 고려하여 결빙예측구간을

BIM 데이터에 반영하여야 하며, 결빙위험이 높은 구간에 대해서는 결빙방지

시설와 경고표지를 시뮬레이션에 포함하여야 한다.

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태양 궤적 렌더링 태양 에너지량

<그림 2.4.1> 일조영향 시뮬레이션 사례

4) 직광위험도 시뮬레이션을 위해 태양고도 방위각의 연중 변화에 따라 고속도로

계획 구간내 직광위험성이 높은 구간을 선별하는 것이 중요하며, 직광위험이

높은 구간에서 차량속도 저하로 정체가 유발되고, 사고 확률도 높아지므로

직광위험을 감소시키기 위한 대안노선 또는 대응방안을 검토하여 그 효과를

시뮬레이션에 반영하여야 한다.

터널 시점부 터널 종점부

겨울철(12, 1월) 오전 시간대 직광 발생(3도 이상) 여름철(6,7,8월) 오후 시간대 직광 발생(3도 미만)

<그림 2.4.2> 직광 위험도 시뮬레이션 사례

문형식 직광 차단시설 설치

설치 시 약 70~80% 직광 위험 차단, 차단 효과에 대한 직광 위험도 시뮬레이션 실시

<그림 2.4.3> 위험도 분석에 의한 차단시설 설치

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5) 고속도로 시설물의 설치로 인해 농작물의 피해가 우려되는 구간에 대하여

필요 시 일조피해를 검토할 수 있다.

<그림 2.4.4> 대상 구간의 선정 사례

2.4.3 대상 선정

1) 터널 출구부

(1) 터널 내부 조도에 적응된 운전자의 시력이 터널 출구부에서 강렬한 태양에

노출가능 구간

(2) 터널 입·출구의 내·외부 온도차이로 인해 겨울철 결빙현상으로 사고발생 우려가

있는 구간

2) 일반 도로 및 교량 구간

(1) 산악지, 절토 비탈면 부근 겨울철 음지 발생이 예측되어 결빙으로 인한 사고

발생 우려가 있는 구간

(2) 교량 구간 및 도로구간의 오목부 등 겨울철 결빙현상 발생 예측 구간

3) 기타 시설물로 인한 일조 피해가 발생할 수 있는 구간

(1) 도로 외측 방음시설, 방음벽 등 겨울철 음지 발생 예측 구간

(2) 고속도로 시설물의 음영으로 인한 농작물의 피해가 우려되는 구간(필요시)

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2.5 경관설계 시뮬레이션

2.5.1 개 요

1) 최근 국내 고속도로는 국민 삶의 질이 향상됨에 따라 경관적으로 우수한 고속

도로 시설물의 요구로 과거의 기본기능 외에 심미성, 쾌적성을 추구하게

되었으므로 고속도로 계획 및 설계단계에서 BIM 데이터를 활용하여 경관설계

시뮬레이션을 실시하여 조화롭고 아름다운 시설물 건설을 목적으로 한다.

2) 경관설계 시뮬레이션은 3차원 BIM 데이터를 활용하여 왜곡이나 변형 없이

정확한 위치와 제원을 반영하여 시설물의 경관 및 주변환경과의 조화를 고려

하여 쾌적하고 친환경적이 고속도로 경관이 되어야 한다.

3) 경관설계 시뮬레이션은 입지분석, 지역현황 검토, 관련 상위계획 검토에서부터

목적 시설물 디자인, 경관을 고려한 부대시설 디자인 등 기존 경관설계 체계는

유지한다. 경관설계 시 BIM 데이터를 접목하여 시뮬레이션을 하는 과정을

추가하여 고속도로의 아름다운 경관 향상에 기여하여야 한다.

근경, 중경, 원경 등 다양한 뷰 포인트로부터 경관 설계시뮬레이션 구간 선정

주변 환경 및 통과 교량의 조망을 고려하여 경관설계 시뮬레이션 필요(근경위치)

<그림 2.5.1> 경관 시뮬레이션 대상 선정

4) 경관설계에 의한 목적 시설물의 디자인 등은 BIM 데이터를 통해 철근의 가공

조립, 거푸집 제작 등 시공 가능성을 확인하여야 한다.

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시공성 검토에 의한 대안 선정

기본설계 검토 대안 선정

․경관성 검토 후 거푸집 형태 및 철근배치 등 시공성 검토

․BIM 데이터 시각화를 통해 주탑 형식 변경

<그림 2.5.2> ○○대교 주탑 시공성 검토 사례

2.5.2 BIM 데이터 작성

1) 경관설계 시뮬레이션을 위한 BIM 데이터는 주변환경과의 조화를 고려하여

경관설계에 필요한 기존 지형 및 주요시설물과 지장물 등을 반영하여야 한다.

2) 교량의 경관설계 시뮬레이션은 근경, 중경, 원경 관측점에서의 모델뿐만 아니라

운전자 입장에서의 시뮬레이션을 포함하여야 한다.

3) 지하차도나 터널 내부는 패턴 디자인 설계와 컬러 표현까지 시뮬레이션에 반영

한다. 또한, 교통사고 방지를 위한 각종 시설물의 디자인도 주행 시뮬레이션

데이터에 포함하여야 한다.

교량 상·하부 구조 형식 선정시 경관설계 시뮬레이션 도입

상부 형식

ㆍ슬림하고 개방적이며 일체감을 고려한 형식

으로 하부주행 시 교량 측부 조형성 및

개방감 우수

하부 형식

ㆍ교각 타입별 통일성 있는 디자인 적용

ㆍ기둥부 원형단면과 라운드형 코핑부 적용

으로 메스감 최소화 및 하부주행 시 위압감

최소화

<그림 2.5.3> 교량 상․하부 구조 계획 시뮬레이션 사례

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4) 방음벽 등 교량 부대시설에 대한 경관설계 시뮬레이션은 주변 경관 및 고속

도로와 조화되도록 경관설계 시뮬레이션에 반영하여야 한다.

5) 경관설계 시뮬레이션은 반드시 경관분야 전문가가 데이터 작성을 하여야 하며,

설계자, 발주처 관계자 등 주변 이해관계자의 의견을 충분히 반영하여야 한다.

터널 수준별 경관 연출

ㆍ지역의 문화와 전통성을

상징하는 랜드마크

ㆍ주변경관과 조화롭고 지역

문화의 이미지를 반영한 터널

ㆍ간결하고 단순한 형태의

경제적인 터널

<그림 2.5.4> 터널 입․출구부 계획 시뮬레이션 사례

2.5.3 대상 선정

1) 일반 도로 및 교량 구간

(1) 교량 경간구성의 적정성

(2) 교량 상·하부 형식 선정

2) 터널 입·출구부

(1) 갱문 위치, 형식 선정

(2) 입·출구 갱문 디자인 선정

(3) 터널 내부 디자인 선정

3) 경관 구조물

(1) 시공성 검토

4) 방음벽 등 기타 부대 시설물