1. 서 론

폐기물 처리 시설과 에너지 생산 시설을 결합한 복합플랜트와 같은 규모가 크고 복잡한 시설을 지하화할 경우 제한된 지하공간을 효과적으로 사용하고 안정성을 확보할 수 있는 최적의 배치 및 설계 기술 개발이 필요하다. 최근 건설/인프라 분야에서는 BIM(Building Information Modeling) 기술이 제공하는 설계, 정보 관리, 시뮬레이션, 간섭체크 등의 다양한 기능들을 활용하여 설계 및 시공 기술을 발전시킬 필요성이 커지고 있다(John and Song, 2011). 지하대공간을 구상하고 검토하는 과정에서는 많은 분야(토목, 건축, 구조, 설비 등)들의 정보들이 계획에 반영되어야 한다. 구조 배치와 설비 배치는 사업 전반의 비용과 기간에 중요한 영향을 미치기 때문에, 배치를 계획하는 과정에서 많은 검토 시간이 필요하다. 또한, 일반적인 배치와 다른 설비 및 구조를 이해하고 세밀하게 설계해야 하므로 협력 관계 간의 피드백과 이에 따른 수정 작업은 항상 부담이 따른다. 건설 설계 단계에서 구조, 건축, 설비 등을 통합한 모델링 툴(BIM)을 활용하여 설계 결과물을 도면으로 출력할 수 있으며, 또한 계획 과정에서 발생할 수 있는 오류나 간섭 데이터를 미리 확보할 수 있다(Kim and Cho, 2009; Kim et al., 2019). 수많은 협력 관계와 복잡한 설계 과정 속에서 BIM을 활용하면, 도출된 결과물(3D 모델링, 도면 등)을 통해 원활한 소통이 가능해지고, 오류 및 간섭 요소를 초기 단계에서 식별하여 해결할 수 있다(Kim et al., 2016). 그러나, 구조물을 배치하기 위해서는 지하 구조 형태와 다양한 하중 조건을 고려해야 하므로 수많은 경우의 수와 반복 작업이 발생하게 된다.

본 연구에서는 복합플랜트와 같은 대규모 설비를 지하에 효율적으로 배치하고, 공간 활용성을 극대화하기 위한 자동 설계 프로그램을 개발하였다. 자동 설계 기술 개발을 위해서는 우선 지하공간의 구조적 안정성을 검토해야 한다. 도심지 지하에 복합플랜트와 같은 환경기초시설을 건설하는 경우, 일반적으로 발생하는 NIMBY(Not In My Back Yard) 현상을 해결하기 위해 이해 당사자들의 요구로 지상부에 녹지, 광장, 운동 시설 등의 설치로 인해 사용하중이 증가하게 된다. 사용하중 증가뿐만 아니라, 지하 공간에서는 시행자의 요구에 따라 사용효율 최적화를 위해 대공간 구성이 필수적이며, 대공간 설계는 사업성 측면에서 비경제성을 초래하고 구조 안정성 측면에서도 불리한 영향을 미친다. 또한, 지하 복합플랜트의 설계 오류 및 시간적 손실을 최소화하기 위해 파이프랙 모듈 공법 적용과 지하벽체(슬러리월) 일체화 방안에 대한 안정성 검토를 함께 수행하였다. 파이프랙 모듈 공법은 모듈러 유닛을 공장에서 제작한 후 운송 과정을 거쳐 현장에서 설치 및 최소한의 내·외부 마감 작업을 수행하는 조립식 구조물(Gjepali, 2015; Wrigley et al., 2019)로 다양한 연구를 통해 안정성이 검증되었다(Kim et al., 2021; Lee et al., 2015). 지하대공간 특성상 층고가 높아 토압을 지지하는 슬러리월의 독자적인 자립이 사실상 불가능하지만, 공간 활용 측면에서 격막 역할을 담당하는 슬래브와 트러스, 그리고 슬러리월의 일체화가 설계가 필요하다. 그러나, 접합부 일체화 시 트러스 강성이 상대적으로 거대하여 강성이 작은 슬러리월, 기둥, 기타 부재들은 트러스에서 전이되는 응력을 감당하기 힘들어 부재 설계가 여러 가지 측면에서 거의 불가능하다. 이를 고려하여 다양한 설계 조건과 경제성 및 안전성을 만족시키는 방안에 대한 검토를 수행하였다. 마지막으로 지하 공간 효율 극대화 설계 및 시공을 위하여, 구조 안정 해석 검토 결과와 구조 및 설비에 대한 정보를 반영한 라이브러리(건축, 구조, 설비 등)를 활용하여 BIM 기반 자동 설계 프로그램을 완성하였다. 자동 설계 기술을 통해 도출된 3D 모델링은 다양한 정보들을 통합적으로 연동하여 결과물(도면, 검토서 등)을 생성하며, 각 프로세스에서 발생할 수 있는 오류를 사전에 발견하고 보정하여 연쇄적인 수정을 최소화할 수 있다. 개발 프로그램을 활용하여 복잡한 플랜트 시설의 공정과 설비를 최적화함으로써, 효과적인 지하 공간 계획을 수립할 수 있다. 또한, 대규모 지하 복합 플랜트 프로젝트에서 이력(히스토리) 활용과 관리가 용이하도록 기능적 측면에서의 설계 방향을 제시할 수 있다.

2. 지하 공간 활용도 극대화를 위한 구조 안정 해석

자동 설계 기술은 지하 구조적 안전이 전제되어야 하므로, 복합플랜트와 같은 복잡하고 규모가 큰 시설물을 지하에 건설하기 위한 다양한 조건(사용하중, 설계 조건)에서의 구조적 안정성을 사전 검토하였다. 구조 안정 해석은 철골구조는 한계상태설계법(Limited State Design, LSD), 철근콘크리트 구조는 극한강도설계법(Ultimate Strength Design, USD)을 적용하여 해석을 수행하였다. 상부 하중은 일반적인 차량 통행이 가능한 개발 광장으로, 잔디 광장, 관목 조경, 각종 체육 시설 등 사용 목적을 고려하여 하중을 산정하였다. 또한, 상부 구조의 경간 조건(1~4분할), 2종류의 지하 벽체(Slurry wall), 층고에 따른 기둥 높이, 파이프랙 모듈 공법 적용 여부 등 다양한 조건에 대해 분석하였다. 경간의 변화, 구조시스템의 변화, 그리고 층수의 변화에 대한 각 조합별 응력을 산정하여 범용 구조 해석 프로그램인 Midas Gen을 활용하여 수치해석을 수행하였다.

2.1 상부 구조 안정 해석

지하 복합플랜트의 상부 하중에 대한 구조 검토를 수행하기 위하여 일반적으로 요구하는 모든 개방 공간의 설치가 가능하도록 최대 하중을 산정하였다. 최대 하중으로 구조 검토를 수행할 경우 경제성이 낮아지므로, 각종 설계 조건을 추정하고 다양한 하중 조건별 최적 설계를 검토하였다. 복합 플랜트와 같은 환경기초시설을 설치할 때, 지자체, 환경단체 및 주민들의 요구로 지상부는 대중에 개방하는 공간이 많으므로, 모든 개방 형태(광장, 조경, 기본 체육시설, 잔디광장 등)를 고려하여, 이 중 최대 하중을 검토 하중으로 선정하였다.

지하 내부의 공간 활용성을 검토하기 위해 2~4분할 조건으로 기둥 경간의 간격(25.0m, 16.7m, 12.5m)과 다양한 지하 구조시스템(슬러리월과 일반 건축 외벽, 28.0m 층고의 단층, 7.0m 층고의 복층)에 따라 각 조합별 부재의 응력들을 산정(Table 1)하고, 이를 비교하여 효율적인 공간을 구성(경간 및 구조시스템)하여 자동 설계 기술에 적용하였다. 일반적인 지하 시공 하중 및 상부 광장 용도, 잔디나 화초 식재가 가능한 광장 용도, 관목 식재가 가능한 하중, 체육시설 관람석 공연장 무대 하중에 대해 지하 내부 기둥 경간을 각각 구분하고, 연속벽체 설치 유무, 단층과 복층 구조에 대한 설계 조건별 부재 단면을 산정하여 각 경우의 조합별 구조 부재들의 응력을 비교 검토하였다. 구조 안정 해석에서 활하중은 점유·사용에 의하여 발생할 것으로 예상되는 최대의 하중으로, 등분포 활하중과 집중 활하중 중에서 구조 부재별로 더 큰 하중효과를 발생시키는 하중에 대하여 검토하였다. 또한, 부재 크기는 모멘트 응력에 의해 결정되는데, 경간, 기둥 높이 그리고 지지 부분 구속 조건이 일반적인 보에 사용되는 재료(SM660 TMC)에 대한 설계 기준 강도(460MPa)를 기준으로 각 부재들의 응력을 비교 검토하였다.

구조 해석 결과, 경제성 확보와 직접적으로 관련이 있는 부재응력(단면)을 줄이기 위해서는 기둥 경간을 최대한 줄이고, 기둥은 장주 형태보다 단주(복층 또는 Tie Girder에 의한 구속) 형태로 설계하며, 보 양단부는 구속(기둥 또는 벽기둥)되는 형태로 접합하도록 설계가 필요한 것으로 분석되었다. 또한, 지하 벽체를 슬러리월로 설계할 경우, 보와의 접합(일반적으로 전단 접합) 형태 특성상 부재 발생 응력이 커지므로 종합적으로 경제성은 판단하기 어려우나, 보 단면은 일반적으로 증가하는 것으로 나타났다. 상대적으로 기둥 경간이 작은 곳이나 단층보다 복층으로 구성된 부분에서는 단면 증대 정도가 작아질 것으로 예상된다.

2.2 상부 구조와 지하 벽체(슬러리월) 일체화 해석

복합플랜트의 지하 설치를 고려한 공간 배치의 경제성 확보 및 안정성 향상을 목표로, 상부 구조와 지하 벽체(슬러리월)의 일체화 형태의 구조 안정성 검토를 수행하였다(Kim et al., 2024a). 지하공간 상부 설계 시 대경간 트러스의 경우, 각 연결부는 PIN-ROLLER 형태로 응력에 따른 부재 설계를 단순화하였다. 또한, 트러스와 트러스를 지지하는 부재 사이에 예상치 못한 변위 차(사용하중 변화 및 온도차에 따른 수축 팽창 등)에 유연하게 대응할 수 있게 설계를 수행하는 것이 일반적이므로, 지하 1층 슬래브가 슬러리월 상단에서 격막 작용이 가능하도록 슬러리월와 트러스를 일체로 구속시키고, 이에 따라 트러스 응력이 전이된 슬러리월 및 기타 부재 등 모든 구조체의 부재 단면 설계가 가능한 적합한 방안을 검토하였다. 대경간 트러스를 지지부재(슬러리월 등)와 일체로 최적의 설계 단면을 도출하기 위해 Table 2와 같이 다양한 조건에 대해 분류한 후 가장 불리한 하중 조건으로 슬러리월과 상부의 다양한 접합 방식에 따른 구조 안정 해석을 수행하여 최적의 지하 단면 형상을 도출하였다.

일반적인 구조 설계에서 단순보의 처짐량은 양단 고정보의 5배이지만 다양한 구속조건(Case 1~9)으로 처짐량을 검토한 결과, 기본형인 주각부 PIN-ROLLER 형태의 평트러스(최대처짐량 226.4mm)와 비교하였을때 감소폭이 최대 15% 이하로 큰 감소폭을 보이지 않았다. 또한, 양면 경사의 상현재를 가진 트러스 모델에서도 처짐량 감소폭은 미미하였다. 이는 강성이 거대한 트러스를 구속시키기에는 슬러리월이나 기둥, SRC기둥의 강성이 상대적으로 너무 작기 때문이라고 판단된다. 부재 단면 절감 효과도 상현재와 하현재에서 최대 13% 이하로 국한되어 나타났으며, 이는 처짐량의 감소폭과 비슷한데 역시 구속 효과가 미미하여 나타난 결과로 해석된다. 따라서, 구속력이 작음에도 불구하고 트러스에서 전이되는 응력이 매우 크기 때문에 트러스에 접합되는 슬러리 벽체(기둥 요소화)는 토압 재하 전에 이미 최대 철근량에 근접하는 등 추가될 토압을 고려하면 단면 설계가 어려울 것으로 분석되었으며 이는 SRC 기둥에서도 비슷한 결과로 검토되었다. 구속조건을 만족시키며 단면 설계가 가능한 형태는 Case 9(Fig. 1)와 같이 벽기둥+벽기둥 타 브라켓+트러스 하부 브라켓에 PIN접합+트러스 상현재 벽기둥에 PIN 접합(단, 활하중 재하 중 접합 시공) 형태로 판단되었다.

Fig. 1.

Optimal cross-sectional view for integration of upper structure and slurry wall (Kim et al., 2024a)

2.3 설계 조건별 파이프랙 적용 구조 안정 해석

최근 폐기물 처리시설의 지하화는 선택의 여지가 없는 상황이며, 그 상부(지상부) 공간도 공사 하중이나 공간의 이용성 확대에 따라서 고정하중 및 적재하중이 대폭 증가하고 있는 상황이다. 이로 인해 외벽과 기둥 및 보의 단면이 커질 수밖에 없으며, 경제성은 낮아지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최적 설계가 필요하며, 그 대안 중 하나가 파이프랙의 모듈 공법 적용이다. 파이프랙은 각종 플랜트 설비를 지지할 수 있고, 벽체 및 기둥의 기능을 대체하여 슬래브나 보를 지지할 수 있는 등 복합적인 구조체 역할을 할 수 있다. 기둥 또는 내부 벽체 대신 적절한 파이프랙의 사용으로 경제성을 확보할 수도 있으므로, 상부 구조 안정 해석과 동일한 조건으로 보 부재의 응력 증감을 비교 검토하여 최적 설계 자료로 활용하였다. Fig. 2와 같이 파이프랙 모듈 공법을 적용하면, 파이프랙의 강성을 충분히 확보하여 보 크기를 결정하는 부재응력이 감소하고 하중을 지지할 수 있다. 기둥 경간이 작을수록 응력 저감 효과가 크며, 파이프랙의 단면 성능과 접합성을 고려할 때 적재하중이 작은 구간에 사용하는 것이 역학적 및 시공상 적정한 것으로 검토되었다. 또한, 건축 외벽 대신 슬러리월을 도입하면 구속력 차이로 보 부재의 응력이 커지지만, 파이프랙 모듈 공법을 적용하면 유사한 응력값으로 구조적 안정성을 확보할 수 있었다.

Fig. 2.

Structural analysis results of pipe rack module application

3. 자동 설계 기술 개발

지하 복합플랜트 건설에는 규모가 큰 지하공간 구조물에 다양한 설비를 적합하게 배치하는 것이 중요하다. 공간 활용성을 극대화하기 위한 최적 설계는 다양한 지하 하중 조건을 반영하고, 모든 설비들의 특성 및 규모를 고려한 배치가 구성되어야 한다. 이를 위해 지하 구조와 설비를 배치하는 조건들에 대한 다양한 데이터셋을 구축하고, 구조 안정 해석 결과를 반영한 BIM 기반 자동 설계 기술을 개발하여 설계 오류와 시간적 손실을 최소화하고자 하였다. 공간 활용성을 극대화하기 위해 기존 지하 구조에서 기둥이나 지하벽체를 파이프랙으로 대체 가능한지를 검토할 수 있도록 하였다. 파이프랙 모듈은 조립식 구조물로, 용접식 구조물보다 가볍고 조립 및 분해가 용이하며, 견고하고 운송에 효율적이다. 또한, 개방된 형태를 가지므로 지하 구조의 기둥이나 벽체를 파이프랙으로 대체할 수 있도록 개발되었으며, 실질적인 반영 가능 여부를 확인할 수 있다. 자동 설계 시뮬레이션 결과는 프로그램 내 대시보드(Dashboard)를 통해 요약되어, 보고서와 설계 도면으로 출력할 수 있는 기능까지 추가하여 계획 설계 작업, 회의 자료, 히스토리 자료 등 다양한 용도로 활용할 수 있도록 하였다.

3.1 자동 설계 기술 개요

본 연구에서 개발한 BIM 기반 자동 설계 기술은 설계 단계에서 시공 가능성 검토를 위한 구조 및 설비 자동 배치를 지원하는 프로그램이다. 설계 단계에서 발생하는 수많은 경우의 수를 프로그램을 통해 자동 시뮬레이션하여 검토 시간을 줄이고 적정한 배치를 구현하여 준다. 자동 배치뿐만 아니라 주요 구조(기둥)를 파이프랙으로 변경하여 활용 가능성을 검토 지원한다. 또한, 시뮬레이션을 통해 배치된 구조와 설비에 관한 도면과 리스트 등을 확인할 수 있는 결과물을 자동으로 생성하여 출력까지 가능하게 한다. 자동 설계 기술은 BIM의 기본 원리인 파라메트릭을 활용하여 자동 배치를 하도록 프로그래밍하였다. 파라메트릭이란 좌표 및 변경 관리를 가능하게 하는 프로젝트의 모든 요소(BIM 라이브러리)들 간의 관계를 말한다. 파라메트릭 모델링으로 요소의 크기가 변경 시 관계가 설정되어 있는 모든 정보가 자동으로 연동, 변경되며 이를 통하여 다양한 대안을 생성하는 것이 가능해진다. 즉, 프로젝트의 기본 정보를 입력하고 구조와 설비의 정보가 입력된 라이브러리를 활용하여 자동 배치하도록 한다. 자동 설계 프로그램은 BIM 템플릿(프로젝트 파라메터)과 라이브러리(라이브러리 파라메터), 자동화 설계 기술(개발 프로그램)이 유기적으로 작동할 수 있도록 공유 파라메터를 확장 개발하였다. 개발 프로그램에서는 데이터를 관리하기 위해 좌표 및 변경 관리를 가능하게 하는 프로젝트의 모든 요소들 간의 관계로 정의되는 파라메터를 활용하여, 지하 구조 및 설비 등의 크기가 변경 시 관계가 설정되어 있는 모든 정보가 자동으로 연동, 변경할 수 있다. BIM 템플릿과 라이브러리는 각자 고유한 파라메터를 가지고 있어 서로 정보를 공유할 수 없는 경우가 존재하기 때문에 공유 파라메타를 활용하여, 정보들을 서류 공유하고 변경할 수 있도록 하였다. 템플릿에는 구조 및 설비 라이브러리를 포함한다. 모델링 라이브러리란 모델 안에서 시설물을 구성하는 단위 객체로 다양하게 활용할 수 있도록 제작한 정보의 집합이다. 개발 프로그램 내 구성된 템플릿에서는 기본 설정 구조의 단위 객체와 설비의 단위 객체가 포함한다. 설비 단위객체 라이브러리는 복합플랜트 각 설비명, 설비 설치 위치, 규모(가로, 세로, 높이), 공정 특성 정보로 구성되어지고, 구조 단위 객체 라이브러리는 지하 규모 및 형태, 상부 구조물(보), 기둥, 거더, 기초, 파이프랙모듈 등의 정보가 포함된다(Fig. 3). 개발 프로그램 내 구현된 라이브러리는 활용 목적에 따는 지하 구조 형태 및 규모, 설치되는 설비, 다양한 하중 조건들에 따라 변경 및 확장하여 일반적인 지하 건축 설계 및 시공에 활용 가능하다.

Fig. 3.

Conceptual diagram of automatic design technology

3.2 모듈화 기술

구축된 템플릿을 통해서 자동으로 구조와 설비를 배치할 수 있지만, 다양한 구조 및 설비를 공통으로 사용하기 위해서는 일정한 알고리즘이 필요하다. 이를 위해 지하 구조, 설비를 구성하는 기본 모듈이 필요하기 때문에 Fig. 4와 같이 구조 배치에 유리하고, 설비 속성들을 반영할 수 있는 두 개의 기본 모듈을 구성(모듈 A: 8m×8m×5m, 모듈 B: 5m×5m×8m)하였다. 공정 플로우에 필요한 설비 항목을 목록화하고 이를 기본 모듈에 적합하도록 구성하였으며, 설비 모듈은 지하 복합플랜트의 용량에 따라 달라지므로 각 폐기물 처리과정(가연성, 유기성)에 필요한 용량을 반영한 설비 크기를 반영하였다.

Fig. 4.

Basic module configuration diagram

자동 설계 프로그램은 구조 배치 자동화를 통하여 시공 가능성 검토 및 가능 부재 정보 확인이 가능하다. 복합플랜트 설비 배치는 시설의 규모와 인접 관계는 지하복합플랜트의 공정 특성과 용량에 따라 결정되기 때문에 설비 및 공간 데이터/좌표화를 통해 반복되는 시뮬레이션을 통해 최적 배치가 구성되게 된다. 자동 설계 알고리즘 개발을 위해 공정 플로우에 대한 설비 항목을 목록화하고 기본 모듈의 개수로 목록화하고, 복합플랜트 설비 공정을 고려하여 설비들간의 인접성, 규모, 용량(하중)등으로 데이터셋을 구축하였다. 구조와 설비의 상호 연동을 구현하고, 사용자가 필요한 설계 시나리오에 및 각 공정 설비 배치 기준에 따라 지하 구조에 자동으로 배치되도록 모듈화 기술을 적용하였다. Fig. 5는 복합플랜트 유기성 처리 전체 공정과 핵심 공정인 혐기소화 공정에 대한 모듈화 기술 적용 방식을 보여주고 있다.

Fig. 5.

Automatic design modularization technology concept

3.3 자동 설계 프로그램

자동 설계 프로그램은 엔지니어가 설계 및 시공 공정에서 작업을 모두 완료할 수 있는 통합 모델을 만드는데 널리 활용되고 있는 Revit 소프트웨어를 활용하였다. 개발 프로그램 운용은 지하 공간 사이즈 입력, 상부 구조(하중 조건) 입력, 지하 레벨 선택 및 층고 입력, 지하 구조 자동 배치, 지하 설비 자동 배치 입력순으로 실행하면 시뮬레이션이 진행하게 된다. 자동 설계 결과는 개발 프로그램 내 대쉬보드에 보고서 형태로 출력하게 되고, 또한 결과도 2D, 3D 도면으로 출력 가능하다(Kim et al., 2024b). 자동 설계 정보 입력을 위해서 3D UI폼으로 기초, 바닥, 슬러리월, 기둥, 빔, 거더를 3D 모델링으로 구현하여 전체 지하대공간 구조물을 생성하고 설비 자동 배치 후 출력된 모습을 BIM 템플릿을 확인 가능하도록 개발하였다. 지하 구조 규모는 복합플랜트 시설 종류와 용량에 따라 결정되고, 사용자가 정보를 입력하게 되면 전체 사이즈가 결정되게 된다. 지상 공간의 활용도(하중)에 따라 지하 상부 구조는 무주대공간, 2등할, 3분할, 4분할로 사용자가 선택할 수 있으며, 상부 구조 선택에 따라 최대로 활용 가능한 면적과 거더(트러스)의 크기가 달라지도록 구현하였다. 지하 구조 하중 조건에 따라 보(girder, beam) 라이브러리가 구현되도록 하여 구조적 안정성을 사전 검토할 수 있다. 지하에 설치되기 때문에 다양한 토압 조건에 따라 슬러리월 사양이 자동으로 변경될 수 있도록 구현하였고, 설치되는 플랜트 설비 규모를 반영할 수 있도록 층고값에 따라 지하 내부 기둥이 레벨별로 구분되어 배치되게 하였다. 설비 모듈 배치 시 기둥 또는 파이프랙 모듈의 위치와 경로를 고려하여 최적 배치가 제안되도록 간섭 및 효율적인 배치 대안이 자동 시뮬레이션 되도록 알고리즘화하였다. 배치되는 모듈 구성에 따라 지하 공간의 최대 활용 가능 면적이 자동 계산되어 시각화할 수 있도록 구현, 이를 통해 지하 공간 최적 배치를 검토할 수 있게 개발하였다. Fig. 6은 본 연구에서 개발한 자동 프로그램과 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 자동 설계 시뮬레이션 결과를 대쉬보드를 통해 요약하여 구현되고, 세부 결과물(구조 배치, 설비 배치 등)은 2D/3D 도면 및 속성 정보를 출력할 수 있다.

Fig. 6.

Automatic design program

4. 결 론

본 논문에서는 복합플랜트와 같은 환경기초시설을 지하화 할 경우 공간 활용도를 극대화하기 위하여 다양한 조건(사용하중, 설계조건)에서의 구조적 안정성을 검토하고, 이를 기초 자료로 지하대공간 설계 및 시공 시 사전에 활용할 수 있는 자동 설계 기술을 개발하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

1. 복합플랜트와 같은 복잡하고 용량이 큰 설비들의 지하 설치를 고려한 대공간 건설 시 구조적 안정성을 검토하기 위하여 실시설계에서 구현될 수 있는 다양한 설계 조건들에 대한 구조 안정 해석을 수행하였다. 지하 건설의 경제성 확보를 위해 기둥 경간을 최소화하고, 기둥은 단주(복층 또는 Tie girder에 의한 구속) 형태로 설치하며, 보 양단은 구속(기둥 또는 내력벽) 형태로 접합하는 조건의 설계가 필요한 것으로 분석되었다.

2. 지하 공간 활용성을 극대화하기 위하여 슬러리월과 상부 트러스 구조 일체화 방안에 대해 검토한 결과, 슬러리월, 슬러리월 상부 브라켓, 트러스 하부 핀접합 및 트러스 상현재 연장 PIN 접합 조건이 구조물간 일체화 구속 조건을 충족시키면서 부재 단면 설계가 가능한 최적 방안을 도출하였다.

3. 환경기초시설을 지하화할 경우, 일반 지하 공간에 비해 큰 고정 및 적재하중을 지지할 수 있는 구조적 안정성 확보하기 위하여 파이프랙 모듈 적용성을 검토하였다. 파이프랙 모듈 공법은 보 크기를 좌우하는 부재응력이 줄어드는 것을 확인하였으며, 파이프랙의 단면 성능과 접합성을 고려할 때 적재하중이 작은 곳에 적용하게 되면 사용 공간 확보와 경제성을 높일 수 있는 효과가 있을 것으로 판단된다.

4. 복합플랜트 지하 설치 시 공간 효율 극대화를 위하여 BIM 기반 자동 설계 기술을 개발하였다. 모듈화 기술을 적용한 효율적 공간 배치 개발 프로그램은 지하 바닥 기초, 상부구조, 슬러리월, 기둥, 빔, 거더 등을 3D 모델링하여 전체 지하 대공간 구조물을 생성하고, 지하 구조 및 설비 자동 시뮬레이션이 가능하도록 하였다. 환경기초시설 지하화 건설에서 자동 설계 기술을 활용하면 설비 및 지하 구조 배치 과정을 통합하여 설계 오류와 시간적 손실을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.