1. 서 론

건설산업은 사회적, 경제적으로 파급효과가 크며, 많은 자원과 시간이 소요되는 프로젝트로 공사비의 예산절감과 품질향상을 위해 많은 공정이 필요하다. 가치공학(VE; Value Engineering)은 최적의 생애주기비용으로 최상의 가치를 실현하는 것으로 설계단계에 적용된다. 설계VE는 설계의 기능을 확인하고 기본설계안과 대안을 평가함으로써 가치를 개선하고 최소비용으로 요구되는 성능을 충족시킬 수 있는 기술 또는 아이디어를 체계적으로 발굴하여 적용한다. 이를 통해 예산절감 및 기능성 증대 등의 성과를 얻을 수 있다. VE는 공공건설사업과 더불어 민간건설사업에도 제도화되어 수행되는 설계VE와 시공단계에서 수행하는 시공VE로 나눌 수 있다.

설계VE의 일반적인 절차는 Table 1과 같이 준비단계, 분석단계 그리고 실행단계의 3단계로 구성된다. 대상 프로젝트가 선정되면 먼저, 준비단계에서는 사전회의, 오리엔테이션, 관련 자료 수집을 통해 해당 프로젝트에 대한 개요 및 목적을 파악한다. 그리고 기본설계안 도출을 위해 필요한 기본 정보를 제공한다^{(Kang et al., 2003)}. 분석단계는 준비단계에서 수집된 정보를 체계적으로 분석하여 기본계획안의 문제점을 파악하고, 기능분석을 통해 선정된 대상을 구체적으로 파악한 후, 효과적인 아이디어 창출을 위한 기반자료를 도출한다. 브레인스토밍, 체크리스트법, Triz 방법론 등 다양한 기법으로 아이디어를 창출하고 이를 기반으로 개략적인 평가에 의한 설계 대안을 도출한다. 여기서 선정된 주요 문제점에 대한 아이디어를 각 프로젝트의 특성에 부합하는 각종 평가항목과 아이디어를 조합하여 다각적인 검토를 하게된다. 특히 분석단계에서는 경제적, 기술적, 사회적 측면을 고려하여 아이디어를 성능평가하고 최적의 대안을 선택하여 실행단계로 진행한다. 최종적으로 실행단계에서는 기본계획안의 문제점에 대한 개선사항을 작성하여 설계VE 적용에 대한 효과를 종합적으로 검토하고, 선정된 최적의 대안에 대한 장단점을 파악하여 단점에 대한 사후 대책방안을 제시하며, 최종적으로 기술검토 및 성과 회의 후 보고서를 작성한다.

설계VE와 관련하여 공사비 절감에 대한 성과^{(Kim et al., 2005; Lee, 2006)}, 생산성 향상^{(David and Krishna, 2000)}, LCC를 적용한 최적의 대안 도출^{(Li et al., 2010; Imron and Husin, 2021)}, VE 프로세스 개선 및 시스템 개발^{(Lim et al., 2014; Park et al., 2014; Kim and Park, 2016)} 등 분석단계와 실행단계로부터 성과를 도출하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 설계VE에서 좋은 아이디어를 창출하기 위해서는 준비단계에서 수행하는 정보수집 과정이 가장 중요하다. 일반적으로 사용되는 정보수집은 설계 도면 검토 및 오리엔테이션, 비용분석, 그리고 계획 위치의 현장방문을 포함한다.

현재 가장 많이 사용되는 정보수집 방법은 프로젝트의 규모가 큰 경우 설계도면 검토 및 계획 위치 등의 자료만으로 전체적인 현황을 파악하기 어렵다. 프로젝트의 규모가 작은 경우에도 계획된 프로젝트의 현황만을 파악되어 건설되는 구조물이 주변 환경에 미치는 영향과 건설 후 변화되는 교통 및 환경 등 거시적인 분석을 할 수 없는 단점이 있다. 특히 공간 접근성이 불리한 프로젝트 구역에서는 설계도서 또는 도면 등의 문서로만 현황을 파악할 수밖에 없는 한계가 있다.

드론은 건설산업에서 지형측량, 지형정보 구축, BIM 등에 활용되어 연구 및 적용되고 있으며, 드론 매핑은 기존의 정보수집 방법과 비교했을 때 접근성, 높은 해상도, 효율성, 실시간 모니터링 등에서 이점을 가지고 있다. 드론 매핑을 통해 지형정보를 구축하면 상대적으로 저렴한 비용으로 조사 지역에 대해 필요한 시기에 수 cm의 해상도를 가지는 고해상도의 원격탐사 데이터를 획득할 수 있다^{(Kim et al., 2014; Yun and Lee, 2014)}. 본 연구에서는 기존의 설계도면 및 계획 그리고 위치 등의 자료만으로 전체현황을 파악할 수 없는 단점을 개선하여 최적의 VE를 도출하기 위해 드론을 활용한 매핑(Mapping) 기술을 도입을 하고자 한다. 먼저 드론을 활용하여 생성된 3차원 공간모델의 정보를 아이디어 창출과정에 적용하여, 그리고 설계VE의 현장방문 시의 제약된 접근성 및 한정적인 정보수집과 같은 단점을 보완할 수 있는 새로운 기법을 제시하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 연구지역

연구대상 지역은 OO광역시로 시민의 통행 여건 개선을 통한 지역경제 활성화, 균형 발전 도모, 도심지 교통난 해소를 목표로 왕복 4차로, 연장 3.2 km의 터널 건설공사를 계획하고 있는 지역으로 하였다. 대상지는 Fig. 1과 같이 넓은 범위에 경사도가 높은 산지와 주거지로 구성되어 현장방문 시에는 접근성이 불리하다. 따라서 본 연구에서는 준비단계부터 현장방문 시 드론 매핑을 정보수집에 활용하여 접근성을 해결하고자 하였다. 드론을 활용한 준비단계에서의 정보수집은 미시적 관점에서 거시적 관점으로 대상지 분석할 수 있고, 그리고 접근성이 우수하며 효율적인 데이터 수집이 가능하며, 드론을 통해 제공되는 정보는 신뢰성이 높고 정확하다. 그리고 항공사진 또는 영상을 실시간으로 전송된 정보를 기반으로 Database를 구축하면 실시간 열람이 가능하고, 다양한 각도로 대상지 분석이 가능한 장점이 있다.

Fig. 1. Summary of Seismic Tomography and Characteristics of the Research Site

2.2 드론사진측량

3차원 공간모델링을 위한 항공사진은 확인이 어려운 z축을 확인하여 도로선형, 토공량 등과 같이 지형적 특성을 고려한 아이디어 창출이 가능하다. 이후에도 3차원 공간모델링을 활용하여 현장에서 즉각적인 확인을 통해 아이디어의 협의나 채택에 유리한 정보를 제공한다. 연구에 사용한 드론 기체는 DJI사의 Phantom 4 PRO 모델로 회전익 드론 중에서 보편적으로 사용되는 모델이다. 드론은 자세 제어와 호버링(Hovering), 자동 이착륙 등의 주요 기능을 갖추고 있다. 그리고 비행경로, 비행고도, 비행속도, 사진중첩도 등을 설정하여 VE에 최적화된 결과물을 생성할 수 있다.

Table 2와 같이 드론을 활용한 촬영시간은 1회 약 30분이 소요되었고, 종중복도는 80%, 횡중복도는 75%이며 약 110 m의 평균 비행 고도로 촬영하였다. 이를 기반으로 Fig. 2와 같이 총 126장의 항공사진 중에서 중복도를 만족하는 91%의 이미지 115장을 정합하여 매핑하였으며, 평균제곱근 오차(RMSE)는 0.048 m이다. 본 연구에서는 지형의 기하학적 특성과 대상지역의 실제 현황 사진, 신설 터널의 위치 등을 파악하고자 드론촬영을 하였으며 좌표보정은 시행하지 않았다.

Fig. 2. 3-D Spatial Model of Reserach Site

Table 2. Summary of Drone-shooting Images Details

Items	Details
Model	Phantom 4 Pro(DJI)
Average flight level	110 m
photography area	358,000 m2
photography time	30 mins
Number of photographs	126(115 matching)
Modeling time	3 hours
RMSE(Root Mean Square Error)	0.048 m
Percent of end lap	80%
Percent of side lap	75%

2.3 3차원 공간모델 제작

취득된 항공사진들을 처리하기 위해 PIX4D 소프트웨어를 활용하여 중복지역의 자동매칭 기능으로 처리하였다. 3차원 공간모델링은 Fig. 3(a)와 같이 총 115장의 이미지를 정합하고 3차원 모델을 생성하여(Fig. 3(b)). 정사영상(Fig. 3(c)), 수치 표면 모델(DSM, Digital Surface Model)(Fig. 3(d))을 획득하였다. 이 결과로부터 생성된 3차원 공간 데이터 정보를 이용하여 3차원 공간 모델을 작성하였다. 또한 설계 단면도를 병합하여 대상지역의 경사도를 3차원 공간정보로 확인하였다.

Fig. 3. 3-D Spatial Modeling Process in This Study: (a) 115 Images Combined, (b) Generating 3-D Model, (c) Ortho Imagery, (d) Digital Surface Model

2.4 아이디어 정보수집

드론을 활용하여 생성된 3차원 공간모델을 이용하여 Fig. 4(a)와 같이 연구 대상지의 지형정보, 도로 선형, 주거지역, 터널 선형 등의 실제 현황을 다양한 각도에서 확인할 수 있다. 이를 통해 현황 파악이 필요한 위치에 대해 지형을 확대, 축소하여 세부적인 또는 전체적인 현황 정보를 파악할 수 있다. 또한 Fig. 4(b)와 같이 대상지역의 기하학적 형태 및 특성을 다양한 관점에서 검토할 수 있어 아이디어 창출을 위한 다양한 정보를 수집할 수 있다. 이는 VE프로젝트를 진행하는 데 있어서 유용한 도구로 활용될 수 있다.

Fig. 4. 3D Spatial Model Created Using Drones: (a) Topographic Information of the Study Area, (b) Geometric Information of the Study Area

3. 설계VE 적용 결과

드론을 활용한 정보수집은 현장방문 시 물리적 제약으로 인해 직접 접근하기 힘든 지역에 대한 주변환경, 교통상황, 위험요소, GPS좌표 등에 대한 정보를 제공하고, 3차원 공간 모델을 이용하여 연구 대상지 중심에서 또는 외부에서 연구 대상지를 사용자 관점으로 관찰 및 분석을 할 수 있으며, 또한 설계VE 워크숍 중 실시간으로 정보확인이 가능하므로 거시적인 관점에서 정보에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었으며 창의적인 아이디어를 창출하게 된다.

정보수집단계에서 드론을 활용하여 Table 3와 같이 총 4건의 아이디어가 창출되었다. 첫 번째 아이디어에서는 항공사진 정보로부터 터널 개통으로 인해 교통 정체 발생이 예측되는 구간에 대하여 Fig. 5와 같이 교차로에 진출입하는 차로를 1개 차로에서 2개 차로로 확대 변경하여 기존 도로 교통 소통을 원활히 하였다. 두 번째 아이디어에서는 항공사진 정보로부터 도로 선형을 파악하여 Fig. 6와 같이 시점부와 종점부의 원활한 접속을 위하여 OOO의 좌측 구간을 직선화하여 사용자인 운전자의 주행 안전성을 고려한 평면선형 개선을 통해 주행 안전성을 확보하였으며, 3차원 공간모델링 자료를 바탕으로 지형의 경사도를 확인하고 토공부의 절토사면을 축소하여 환경에 미치는 영향을 최소화하였다. 그리고 세 번째 아이디어는 항공사진으로 연구 대상지의 전체 도로 연장에 대한 선형을 파악하여 Fig. 7과 같이 OOO의 우측 구간을 확장하여 교차로에 접속되는 선형을 직선화하여 교차로 진입 차량과 우회전 차량의 분리로 교통 여건을 개선하였다. 네 번째 아이디어는 3차원 공간모델로부터 산지를 통과하는 터널 구간의 시점부와 종점부의 지형의 고저차를 확인하여 Fig. 8과 같이 터널의 평면선형에서 곡률이 큰 1개소와 비교적 작은 곡률의 2개소의 곡선구간을 직선구간으로 조절하여 터널 연장을 40 m 감소시켰으며, 곡선구간의 직선구간 변경으로 비용절감 및 공기단축이 가능하였다.

본 연구에서는 드론을 활용한 정보수집과 아이디어 창출에 주안점을 두었으며, 공사비 변화와 가치향상도에 관련된 세부적인 계산 및 산출과정은 생략되었다. 공사비 증감율은 개선안 공사비와 기존안 공사비의 비율로 계산되며, 가치향상도는 개선안 적용 시 가치점수의 변화 비율로 Eq. (1)과 같이 기존안 가치점수를 100으로 기준하여 산출되었다.

여기서, $V_{1}$은 기존안 가치점수, $V_{2}$는 개선안 가치점수이다.

본 연구에서 수집된 정보로 얻은 4개 아이디어의 공사비 증감율과 가치 향상도를 정리하면 Table 4와 같다. 두 번째 아이디어에서는 평면선형의 도로를 직선으로 변경하여 사면 절개 구간을 줄여 사토량이 감소하였고, 이로 인해 공사비가 32.99%로 가장 크게 절감되었다. 첫 번째 아이디어의 경우 공사비 절감률은 3.38%로 낮았지만, 안전성 등 기능이 향상되어 기존안보다 가치 향상도가 23.08%로 증대되었다. 4개의 아이디어 중 1개의 아이디어는 소폭으로 공사비가 증가했지만, 전반적으로 평균 가치향상도는 기존안 대비 16.67%로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때, 드론을 활용한 정보 수집과 3차원 공간정보를 통한 거시적인 분석은 기존의 설계VE 방식보다 효율적이고 신뢰성 있는 설계VE 수행이 가능함을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. Idea 1 (Expand the Number of Lanes from One to Two): (a) Existing Proposal, (b) Improvement Proposal

Fig. 6. Idea 2 (Implement Straightening Measures for the Left Section between the Tunnel's Starting and Ending Points): (a) Existing Proposal, (b) Improvement Proposal

Fig. 7. Idea 3 (Expand the Right Section and Straighten the Road Alignment Connected to the Intersection): (a) Existing Proposal, (b) Improvement Proposal

Fig. 8. Idea 4 (Reduce the Length of the Tunnel): (a) Existing Proposal, (b) Improvement Proposal

4. 결 론

본 연구에서는 기존 설계VE의 준비단계에서의 현장방문 시의 단점을 보완하기 위해 드론을 활용하여 지형정보를 3차원 공간모델로 제작하고 현장조사 및 정보를 수집하여 개선방안에 대한 연구를 수행하였다.

정보수집단계에서 드론을 활용하여 항공사진 정보를 통해 도로의 형태와 특징을 파악하여 교통류를 개선하였고, 주행 안전성을 확보하는 등 거시적인 관점에서 볼 수 있는 아이디어를 창출하였다. 그리고 3차원 공간 모델링으로 지형의 세부 정보로부터 절토사면 크기 축소, 터널 연장 감소 등의 아이디어를 창출하여 비용절감 및 공기단축의 결과를 얻었다. 정보수집과정에서 나온 4개의 아이디어 중, 평면도로를 직선화하는 아이디어는 사면 절개 구간을 최소화시켜 공사비가 32.99% 절감되었다. 그리고 교차로 진출입 구간에 1개 차로를 추가하는 아이디어의 경우에는 공사비가 3.38% 절감되었으나, 안전성 등 기능이 향상되어 기존안 가치점수 보다 가치향상도가 23.08% 상승하였다. 그리고 창출된 4개의 아이디어 중 1개의 아이디어에서 공사비가 소폭 증가하였으나, 가치향상도는 4개 평균 16.67%로 기존안 대비 상승함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 3차원 공간모델을 활용하여 4개의 아이디어를 창출하고 결과를 분석하였으나, 기존의 창출 방법으로 도출된 아이디어 또는 유사한 아이디어에 대하여 직접적인 비교 연구는 수행하지 않았다. 그러나 본 연구에서 제안된 설계VE의 정보수집단계에서 드론을 활용하는 방법은 대형프로젝트의 대상지와 접근성이 불리한 지역에서 설계VE 수행 시 드론을 활용한 3차원 공간모델링의 활용은 아이디어를 더욱 효율적으로 창출하는 새로운 방법이 될 것이다. 이 방법은 연구 대상지의 지리적 특성 및 접근성에 대한 한계를 극복하여 설계VE의 아이디어 창출 시 효과적으로 적용할 수 있을 것이다. 준비단계에서 구축된 3차원 공간모델링은 데이터베이스(DB)화하여 건설프로젝트의 생애주기 동안 공유 및 활용할 수 있을 것으로 판단된다.