1.1 연구의 배경 및 목적

복사열을 흡수하여 지표면의 온도를 적절하게 유지하는 온실가스가 축적될 경우 열에너지가 쌓이면서 온도가 과도하게 상승하는 지구온난화를 초래한다. 지구온난화는 인류의 생존을 위협하는 극단적인 기후변화(해수면 상승, 태풍의 강도증가, 건조화 등)와 경제적 손실을 야기할 수 있다. 인류가 지구온난화에 대응하지 못한다면 2100년까지 지구의 온도는 연평균 0.4℃ 상승하고, 이로 인한 자연재해 증가로 실질적인 1인당 GDP가 7.22 % 감소할 것으로 추정된다^{(IMF, 2019)}.

지구의 평균기온은 산업화 이전 대비 1.09℃(2021년 기준) 상승하여 지구온난화가 점차 가속되고 있다^{(WMO, 2021)}. 지구공동체는 온실가스의 과도한 축적방지를 위해 규제 대상 6대 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF₆)를 지정하고 이들의 감축을 위한 각국의 공동대응을 지속적으로 요구하고 있다^{(UNFCCC, 1997)}. 우리 정부는 2050년 탄소중립 달성을 국가 목표로 천명하고 국내 탄소 순배출량을 ‘0’으로 하는 탄소중립 시나리오를 발표하여 지구공동체 일원으로서 온실가스 감축을 위한 공동노력을 실천하고 있다^{(Government of Republic of Korea, 2020)}.

건설산업은 지난 10여 년간 GDP 대비 투자율이 약 15%에 이르면서 자재의 생산 및 운반과 시공과정에서 화석연료의 소비를 통해 다량의 온실가스를 배출하고 있다^{(Park & Kim, 2018)}. 건설산업이 친환경산업으로 전환되기 위해서는 사업 각 단계(계획, 설계, 시공 등)의 의사결정 과정에서 경제성 분석과 함께 환경영향에 대한 검토가 중요하게 다루어져야 하나 기술적인 검토와 함께 경제성 검토만을 수행하거나, 경제성과 환경영향을 독립적으로 평가하고 있는 실정이다^{(Park et al., 2021)}.

기술 선진국들은 이미 환경문제를 자국 산업의 경쟁력 확보를 위한 수단과 장벽으로 활용하여 환경영향 저감의 문제를 떠나 개발도상국에게는 무역장벽으로 체감되고 있다^{(Jun, 2007)}. 친환경적 건설산업으로 체질 개선을 위해서는 환경영향을 고려한 정량적 의사결정 프로세스를 도입할 수 있는 패러다임의 변화가 필요하며 이와 같은 변화에 실패한다면 우리의 건설산업은 경쟁력을 잃게 될 것이다.

본 연구는 국도건설사업의 기본 설계단계에서 포장재료(공법)의 선정을 위해 수행한 의사결정 사례에 환경영향 평가결과를 반영하여 경제성 검토만을 수행한 기존의 의사결정 결과와 비교하고 환경영향이 함께 고려될 경우 경제성만을 고려한 의사결정 결과와 다를 수 있음을 제시하였다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 도로 프로젝트 사례를 대상으로 전과정(Life cycle)에서 경제성과 환경영향을 분석하고 다중속성 의사결정(Multi-Attribute Decision Making; MADM) 방법론에 의한 종합성능(Overall Performance; OP)을 평가하기 위해 경제성과 환경영향을 평가하는 단계와 OP를 평가하는 단계로 구분하여 수행하였다<Fig. 1>. 일반적으로 공법이나 재료를 선정하는 과정에는 기술적 검토가 포함되나, 이는 시공성, 현장 여건과의 적합성 등 기술자의 경험과 주관적 견해를 많이 포함하고 있어 객관화 및 정량화가 어려울 뿐만 아니라 본 연구의 목적인 경제성과 환경영향을 동시에 만족하는 의사결정 도출에는 부합하지 않는다. 따라서 본 연구의 범위에는 객관적 지표에 의해 정량화가 가능한 비용영향과 환경영향만을 반영하고 정성적 평가를 포함하는 기술적 검토는 배제하였다.

사례의 포장재료(공법) 선정과정에서 도로의 노선, 노체 및 노상부, 교량부 등의 설계는 동일하게 적용하고 포장공 설계(재료 두께)만을 평가 대상으로 적용하였기 때문에 본 연구에서도 교량공과 토공 등을 제외한 포장공만을 대상으로 분석을 수행하였다. 물론 토공량이나 구조물의 종류도 비용과 환경에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 도로 시설물(공종) 전체를 대상으로 본 연구에서 적용한 방법론을 통해 경제성과 친환경성을 동시에 만족하는 의사결정 결과를 도출할 수 있다. 그러나 도로 시설물(공종) 전체를 대상으로 하는 분석결과는 사업 전체에 대한 경제성과 친환경성의 파악은 가능하지만 어떤 작업이나 재료가 비용과 환경에 크게 영향을 미치는지 세부적으로 파악하는 것은 어렵기 때문에 사업을 계획하거나 설계 완료 후에 결과물의 적정성 검토를 위해 적용하는 것이 합리적이다. 도로를 설계하는 과정에서는 이와 같은 의사결정 보다 특정 공종의 재료 또는 공법을 선정하기 위한 좁은 범위의 의사결정이 수행되는 것이 일반적이다. 따라서, 본 연구는 동일한 조건에서 포장재료(아스팔트콘크리트 및 시멘트콘크리트)만의 경제성과 친환경성을 모두 만족하는 의사결정 방법론과 사례분석 결과를 제시하는 데 중점을 두었다.

연구의 첫 번째 단계에서 수행하는 경제성 평가는 일반적으로 건설 프로젝트의 경제성 검토에 적용하는 생애주기비용분석(Life cycle Cost Analysis; LCCA) 방법론을 사용하였다. 환경영향 평가는 소비되는 자원과 에너지량을 기반으로 환경부하를 정량화하는 ISO 14043 ^{(ISO 14040, 2006)}의 전과정평가(Life cycle Assessment; LCA) 프로세스에 따라 수행하였다.

연구의 두 번째 단계는 경제성과 환경영향을 병합하여 OP를 평가하는 단계이다. OP 평가방법론은 기존에 제시되었던 MADM 모델 중에 BEES (Building for Environmental and Economic Sustainability) 모델^{(Lippiatt, 2007)}과 이를 수정 보완한 iBEES 모델^{(Park et al., 2021)}을 사용하고 동일한 평가결과가 도출되는 지 비교하였다.

Fig. 1. Research process

3.1 사례개요 및 경제성 평가

본 연구에 사용한 사례 프로젝트는 2019년에 설계가 완료된 국도(국도 Ⅳ 지방지역 보조간선도로)로서 총연장은 2.74km의 양방향 2차로(폭원 11.5m) 도로이다. 도로내에는 4개의 교량(e-Beam, IPC, 프리플렉스, 강교)을 포함하고 있으며 교량이 차지하는 연장은 203m이다<Table 1>. 기본설계 단계에서 포장공사에 사용할 주재료를 선정하기 위해 아스팔트콘크리트(Asphalt Concrete; AC)와 시멘트콘크리트(Cement Concrete; CC)에 대한 LCCA 결과와 기술적 검토를 토대로 CC를 포장재료로 선정하였다.

Table. 1 Summary of case project

Design category	Alternative #1	Alternative #2
Road type	National highway Ⅳ
Road length	L = 2.740km
Bridge	e-Beam girder (52m) IPC girder (42m) Pre-flex girder (54m) Steel box girder (55m)
Length of earth part	L = 2.537km
Pavement material	Asphalt concrete (AC)	Cement concrete (CC)
Pavement layer
Decision-making	-	Favorable

사례 프로젝트의 LCCA에 적용하기 위한 도로의 유지보수기준은 한국도로공사의 시나리오 기반 데이터^{(KEC, 2015)}를 적용하였으며, 이 기준은 LCA 과정에도 채용하여 동일한 조건에서 경제성과 환경영향이 평가되도록 하였다. 분석기간은 30년, 실질할인율은 4.5%^{(KDI, 2023)}를 적용한 결과 CC는 전과정(초기투자비+유지보수비)에서 4,340백민원, AC는 5,449백만원으로 CC가 약 20% 비용절감 효과가 있는 것으로 분석되었다<Table 2>.

유지보수단계에서는 시공단계와 다르게 현장여건이나 설계조건의 영향보다는 보수주기가 비용을 결정하는 중요한 요소이다. 본 연구에서 채용한 한국도로공사의 유지보수 시나리오는 AC의 경우 매 5년 마다 팻칭보수와 공용 후 9년부터 매 6년 마다 노면개량(절삭 및 덧씌우기)을 포함하고 있다. 보수 횟수로 환산하면 30년 동안 5회의 팻칭보수와, 4회의 노면개량이 시행되어야 한다. 이는 3회의 균열보수 및 줄눈보수, 1회의 노면개량, 1회의 단면보수를 시행하는 CC와는 대비되는 잦은 보수작업이며, 이로 인해 30년 동안 유지보수단계에서 AC가 15.6%의 비용이 더 발생하는 것으로 조사되었다<Table 2><Fig. 2>.

Fig. 2. Accumulated life cycle cost by road pavement materials

3.2 환경영향 평가

LCA는 생산품의 원료 조달부터 폐기까지 전과정에서 투입되는 자원과 에너지의 분석을 통해 환경영향을 정량적으로 평가하는 기법이며^{(Liu et al., 2015; Kim et al., 2018)}, 환경 영향 평가를 위한 "요람에서 무덤까지(Cradle to grave)" 즉 생산에서 폐기까지의 모든 과정에 대한 접근 방식으로 간주된다^{(Cabeza et al., 2014)}. 이러한 측면에서 건설산업으로 인해 발생하는 잠재적 환경영향을 정량화하는 방법론 중 가장 합리적인 기법으로 평가받고 있다^{(Yue et al., 2006; Park et al., 2018)}.

LCA의 절차와 방법론은 ISO 14040에서 제시하고 있으며 ① Goal and scope definition, ② Inventory analysis ③ Impact assessment ④ Interpretation의 4단계를 통해 수행하도록 요구하고 있다<Fig. 3>.

Fig. 3. LCA process

LCA 수행 방법론 중 midpoint-approach는 지구온난화와 같이 대중들에게 익숙한 용어를 사용하고 환경피해를 초래하는 요인들을 평가하기 때문에 비교적 접근과 해석이 쉬운 장점을 가지고 있다^{(Yi et al., 2014)}. 본 연구에서는 midpoint-approach에 의한 분석에서 일반적으로 적용하는 자원고갈(Abiotic resource Depletion Potential; ADP), 산성화(Acidification Potential; AP), 부영양화(Eutrophication Potential; EP), 지구온난화(Global Warming Potential; GWP), 오존층파괴(Ozon layer Depletion Potential; ODP), 광화학산화물생성(Photochemical Oxidant Creation Potential; POCP), 생태계독성(Eco-Toxicity Potential; ETP), 인간독성(Human Toxicity Potential; HTP)의 8개 범주로 각 포장재료별 환경영향을 정량화하였다<Table 3>.

LCA결과를 의사결정 수단으로 사용할 때 모든 잠재적 환경영향범주에 대한 단일 점수화(가중화)는 신속한 의사결정을 위해 매우 중요하다^{(Korean Ministry of Environment, 2003)}. 그리고 특정 범주의 환경영향이 국가 또는 지역에 따라 다르게 평가될 수 있기 때문에 지역 또는 국가에 대한 환경영향 범주의 중요도(가중치)를 결정할 필요 또한 존재한다^{(Öztas, 2018)}. 이 연구의 대안 선정 방법론도 모든 환경영향범주가 포함된 단일 점수형태로 나타내고자 하였다. 그렇지 않을 경우 잠재적 환경영향범주에 대한 평가를 각각 수행하여야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라 각 환경영향범주의 평가결과를 병합하는 또 다른 방법론의 적용이 필요하여 복잡성이 가중될 수 있다.

LCA결과의 단일점수는 <식 (1)>에 환경영향범주별 LCA결과<Table 3>와 한국형 환경영향지수<Table 5> ^{(Korean Ministry of Environment, 2003)}를 적용하여 에코포인트로 표현하였다<Table 4>. 에코포인트는 LCA결과를 무차원화하여 나타내기 때문에 모든 범주의 환경영향값을 합산할 수 있고 이를 통해 8개 범주의 모든 환경영향을 포함하는 환경부하값을 표현할 수 있다.

환경영향 평가결과 포장부의 시공과 유지보수에서 30년간 AC는 1,318 에코포인트, CC는 2,035 에코포인트의 환경부하가 발생할 것으로 분석되어 AC가 환경적으로 유리한 재료임을 보였다<Table 4>.

3.3 다중속성 의사결정(종합성능 평가)

비용과 환경영향같이 속성이 다른 항목의 평가결과가 상이할 경우 의사결정을 위해 AHP (Analytic Hierarchy Process), TOPSIS, ELECTRE (Elimination and Choice Expressing the Reality), SMART (Simple Multi-Attribute Rating Technique)와 같은 디양한 MADM 방법론이 활용되고 있다^{(Lippiatt, 2007)}. 본 연구는 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology)의 BEES 모델^{(Lippiatt, 2007)}과 이를 개선하여 제시한 iBEES 모델^{(Park et al., 2021)}을 활용하여 OP를 평가하고 기존의 단일속성(경제성) 평가결과와 비교를 통해 의사결정 과정에 더 합리적인 정보를 제공할 수 있음을 제시하고자 하였다.

3.3.1 BEES 모델

BEES 모델^{(Lippiatt, 2007)}은 속성이 다른 항목, 즉 비용과 환경영향을 동일한 차원에 나타내기 위해 정규화를 수행한 후 비용과 환경영향을 두 축으로 하는 유클리드 평면에 도시하여 맨해튼거리(Manhattan Distance)로 OP를 나타내는 방법론이다. <Fig. 4(a)>에서 비용영향의 정규화값은 $\overline{bf}$(대안 A)와 $\overline{dg}$(대안 B)이고, 환경영향의 정규화값은 $\overline{ab}$(대안 A)와 $\overline{cd}$(대안 B)로 표현된다. 여기에서 대안 A와 대안 B의 OP는 각각 $\overline{ab}+\overline{bf}$, $\overline{cd}+\overline{dg}$가 되어 <식 (2)>와 같이 나타낼 수 있다. 각 대안의 OP를 산출하여 값이 작을수록 유리한 대안으로 평가한다.

(2)

$\left . S_{j}=\left[\left(Wt_{Ec}\dfrac{Score_{C,\: j}}{\sum_{j=1}^{n}Score_{C,\: j}}\right)\right . +\left(Wt_{Ev}\dfrac{Score_{E,\: j}}{\sum_{j=1}^{n}Score_{E,\: j}}\right)\right]\times 100$

$ Wt_{Ev}:환경영향 가중치\\ Wt_{Ec}:비용영향 가중치\left(Wt_{Ev}+Wt_{Ec}=1\right)\\ n : 대안수\\ Score_{E,\: j}:j-대안의 LCA결과\\ Score_{C,\: j}:j-대안의 LCCA결과 $

사례 프로젝트의 경제성 분석결과<Table 2>와 환경영향 평가결과<Table 4>를 BEES 알고리즘<Fig. 5>에 대입하여 각 대안의 OP를 평가하였다. 비용과 환경의 영향은 다른 차원(단위)과 스케일을 갖는 값이기 때문에 상대적 비교가 불가하다. 따라서 BEES 모델(iBEES 모델도 동일)은 정규화(Nornalizaion)<식 (2)>를 통해(iBEES 모델은 <식 (4) 및 (5)>) 동일한 스케일의 무차원값으로 변환하는 과정을 거친다. 여기에 국가 또는 지역에 따라 경제성 또는 환경영향의 중요도를 다르게 적용할 수 있도록 가중치를 부여하고 있다. 본 연구에서는 비용과 환경영향을 동등한 기준으로 평가하기 위해 같은 가중치($Wt_{Ec}$, $Wt_{Ev}$)를 사용하였다. 단, BEES 모델에서 각 속성정보의 가중치는 반드시 합계가 ‘1’이 되도록 규정하고 있어 모두 ‘0.5’를 적용하였다<Fig. 5>.

의사결정행렬(Decision matrix)에서 경제성은 CC가 유리하고 환경영향은 AC가 유리한 것으로 나타났다. 경제성과 환경영향 측면에서 서로 다른 결과를 나타내는 2가지 대안에 대한 전과정(Life cycle)에서의 OP 평가결과 AC는 47.5점, CC는 52.5점으로 AC가 경제성 및 친환경성을 동시에 만족하는 선호할 만한 재료(공법)임을 보였다<Fig. 5>.

Fig. 4. The concepts of OP models ^{(Park et al., 2021)}

Fig. 5. BEES algorithm and overall performance evaluation

3.3.2 iBEES 모델

iBEES 모델의 기본 개념은 BEES 모델과 동일하며, OP를 산정하는 방법론에서 면적개념을 도입한 것이 다르다. 정규화를 통해 유클리드 평면에 도시한 비용영향과 환경영향 값을 직각좌표로 하는 임의의 점과 원점이 대각선을 이루는 직사각형의 면적을 산출하여 각 대안의 OP를 평가한다<Fig. 4(b), 식 (3)>. iBEES 모델 역시 값이 작을수록 유리한 대안으로 평가한다.

(3)

$Score_{j}= I_{Cj}\times I_{Ej}\times 100$

여기서, $I_{Ej}$, $I_{Cj}$는 $j$-대안의 환경영향(LCA결과)과 비용영향(LCCA결과)에 대한 정규화값이며 <식 (4)> 및 <식 (5)>와 같이 나타낼 수 있다.

(4)

$I_{Ej}= Score_{E,\: j}/\sum Score_{E,\: j}$

(5)

$I_{Cj}=Score_{C,\: j}/\sum Score_{C,\: j}$

$ Score_{E,\: j}:j-대안의 LCA결과\\ Score_{C,\: j}:j-대안의 LCCA결과 $

iBEES 알고리즘<Fig. 6>에 경제성 분석결과<Table 2>와 환경영향 평가결과<Table 4>를 대입하여 각 대안의 OP를 평가한 결과 도로의 전과정(Life cycle)에서 AC는 21.9점, CC는 26.9점을 나타내 iBEES 모델 역시 AC가 경제성 및 친환경성을 동시에 만족하는 대안임을 보였다<Fig. 6>.

Fig. 6. iBEES algorithm and overall performance evaluation

이는 경제성에 대한 분석만 수행한 사례 프로젝트의 의사결정과는 상반되는 결과이다. 물론 의사결정 과정에서 경제성뿐만 아니라 정성적 기술검토도 수행되었으나, 비용측면의 유리함이 의사결정에 상당 부분 영향을 미쳤을 것으로 예상된다. 따라서, 본 연구의 결과가 의사결정의 기초자료로 제공된다면 포장재료(공법)의 선정 결과는 당초 설계와 달라질 수도 있었을 것이다.

CC는 유지보수기간에 상대적으로 적은 횟수의 보수작업을 시행함에도 전과정(Life cycle)에서 AC보다 많은 환경부하가 발생한다<Table 6>. 이는 CC 자재만의 원단위 환경부하가 4.853×10-2 에코포인트로 AC(1.434×10-2 에코포인트)의 약 3.4배에 이르기 때문이다. 따라서, 친환경성 확보를 위해 재료 자체의 환경부하 저감을 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.

Table. 6 Differences in decision-making

Classification		Total
		AC	CC	Favorable alternative
Economic feasibility (KRW million)		5,449	4,340	CC
Eco-friendly (Eco-point)		1,318	2,035	AC
Overall performance (point)	BEES	47.5	52.5	AC
	iBEES	21.9	26.9	AC

본 연구의 분석결과에 CC의 80%를 재활용한다는 가정을 적용하면 전과정에서 환경부하가 2,035 에코포인트에서 1,655 에코포인트로 18.7%의 환경부하 저감효과가 발생한다. 이 결과를 토대로 BEES 모델과 iBEES 모델에 의한 OP를 평가하면 AC와 CC의 점수가 동률이 된다<Table 7>. 즉, 도로 포장에 사용한 CC를 80% 이상 재활용한다면 AC 보다 환경적으로도 선호할 만한 포장재료가 될 수도 있다. 재료의 환경적 특성은 절대적인 것이 아니며, 친환경적 공법(재료의 재활용, 친환경 소재 채용 등)의 적용으로 환경영향에 대해 상당한 개선효과를 얻을 수 있다.

Table. 7 Differences in decision-making with recycled concrete

Classfication		AC	CC	Favorable alternative
Economic feasibility (KRW million)		5,449	4,340	CC
Eco-friendly (Eco-point)		1,318	1,655	AC
Overall performance (point)	BEES	50.0	50.0	AC/CC
	iBEES	24.7	24.7	AC/CC