1.1 연구 배경 및 목적

BIM은 건축, 토목, 플랜트 시설물의 3차원 설계도면에 건설 정보를 통합하여 상호 연계하고 디지털 협업이 가능하도록 모델화하는 것을 의미한다. 이에 따라 국토교통부는 건설사업에서 BIM의 활용을 확대하고자 2026년부터 500억원 이상, 2028년에는 300억원 이상, 2030년에는 300억원 미만 공사에 적용하는 계획을 수립하였다.

BIM의 장점은 설계단계에서 건축, 기계, 전기 등의 2D 도면을 3D 도면으로 결합하여 공사종류별로 간섭되는 오류의 확인과 수정이 가능하다. 그리고 3D 도면을 기반으로 공정(4D)과 원가(5D)정보 등을 결합하여 발주자, 설계자, 시공자 간에 정보공유의 효율성을 확보 할 수 있다.

다만 현재 BIM을 구현하는 S/W는 설계에 반영된 자재 종류와 수량의 추출은 가능하나, 단가정보(일위대가, 자재 구입 단가 등)가 연계되어 있지 않으므로 공사비 산정이 불가한 한계가 있다.

BIM을 활용한 선행연구는 주로 건설사업에서 BIM을 활용한 공사관리의 효율성을 개선한 모델 등이 제안되었다. 특히 도면이 3D로 구현됨에 따라 시각적 및 공간적 표현 기능을 활용하여 안전위험요소 등을 식별하는 모델과 BIM을 활용한 위험성 평가를 실시하는 모델 등을 제안하였다. 즉 BIM을 활용한 위험평가와 위험관리 등의 선행연구 주제가 산업안전보건법에 의한 안전관리, 위험성 평가, 재해 안전성 평가를 중점적으로 진행된 것이다.

이에 따라 BIM의 활용범위를 확대하고자 건설공사를 진행하는 과정에서 품질하자를 유발하는 요인을 결합하고 현재는 BIM을 구현하는 S/W에서 단가정보(일위대가, 자재 구입 단가 등)가 연계되어 있지 않으므로 공사비의 산정이 불가한 부분을 EXCEL을 활용하여 보수․보강에 필요한 예비비를 추정하는 연구를 수행하고자 한다.

따라서 본 연구의 목적은 설계, 원가, 품질관리의 통합체계를 구축하기 위해서 BIM 기반의 품질 위험평가 및 예비비를 추정하기 위한 개념 모델을 제안하는 것이며, 용어의 정의는 아래와 같다.

• 위험평가는 품질하자를 유발하는 중요 위험요인을 정립하고 예비비 비율을 조사하는 것을 의미함.

• 예비비는 시공하는 과정에서 발생된 품질하자를 보수․보강하기 위해서 조사된 예비비 비율을 직접공사비에 대입하여 산정된 비용을 의미함.

1.2 연구의 대상 및 방법

본 연구의 목적에 따라 3D 도면은 BIM을 구현하는 Revit S/W를 활용하고 품질하자를 유발하는 위험요인은 골조공사로 한정하여 조사한다. 또한 현재 Revit에서는 공사비 산정이 불가하므로 단가는 표준품셈에 의한 일위대가와 표준시장단가를 비교하여 적정한 단가로 공사비를 산정한다. 이와 같은 연구의 대상에 따른 방법은 아래와 같다<Fig. 1>.

Fig. 1. Research procedures

먼저, BIM과 관련된 다수의 선행연구를 조사하여 연구의 배경, 목적, 결과 등을 고찰한다.

다음으로, 설계, 원가, 품질관리의 통합체계를 구축하기 위한 BIM 기반의 품질 위험평가 및 예비비 추정 개념 모델을 제안한다. 개념 모델은 Input, Design, Analysis, Output Stage로 구성하며, 단계별 분석자료 및 방법과 연결 관계를 구체적으로 설명한다.

마지막으로, 개념 모델에 대한 사용성을 검증하기 위해서 Revit으로 구현된 3D 도면을 기반으로 골조공사의 직접공사비를 산정하고 품질하자 유발 위험요인과 그 위험요인을 보수․보강하기 위해서 필요한 예비비 비율을 조사한다. 위험요인과 예비비 비율 등은 공동주택 1개 현장을 선정하고 현장관리자를 대상으로 설문과 인터뷰를 실시하여 조사한다. 그리고 위험요인별로 조사된 예비비 비율을 골조 공사비에 대입하여 예비비를 산정한다. 이와 같이 개념 모델의 사용성 검증을 골조공사로 한정한 이유는 현재 Revit으로 도면을 작성하고 그 도면에 반영된 재료 수량을 추출할 수 있는 일람표 기능에서 추출하고자 하는 재료를 선택하는 항목이 구조, 가구, 설비기기 등으로 한정되어 건축마감 자재에 대한 세부적인 수량의 추출이 제한된다. 즉 예를 들어 공동주택 칸막이 벽의 자재가 경량철골, 석고보드, 벽지로 구성된다면, 각각의 자재 수량을 추출하여야 하나, 부위별 마감을 선택하는 항목이 생성되어 있지 않으므로 본 연구에서 사용성 검증을 골조공사로 한정하였다.

2.1 Building Information Modeling의 현황

BIM(건설정보모델링)은 건축, 토목, 플랜트 시설물의 생애주기 동안에 발생하는 모든 정보를 3차원 모델 기반으로 통합하여 건설 정보를 표준화된 방식으로 상호 연계하고 디지털 협업이 가능하도록 하는 디지털 전환 체계를 의미한다. (국토교통부 (2022). 건설산업 BIM 시행지침)

국토교통부는 BIM의 활용을 확대하기 위해서 2026년부터 500억원 이상의 공사를 시작으로 2028년에는 300억원 이상, 2030년에는 300억원 미만 공사에 적용하는 계획을 수립하였다. 이에 따라 2022년에 국토교통부는 건설산업 BIM 시행지침을 발주자, 설계자, 시공자로 구분하여 발간하였다.

또한 국토교통부의 BIM 활성화에 맞추어 전문인력을 양성하기 위해서 교육비를 지원하고 있으며, 민간 건설회사에서도 BIM 전담부서를 구성하여 본사와 건설현장에서 점진적으로 확대 적용하고 있다.

2.2 Building Information Modeling의 활용

BIM은 3D 도면에 건설공사를 진행하는 과정에서 중요하게 관리되어야 하는 정보를 결합함으로써 발주자, 설계자, 시공자 간에 정보공유의 효율성을 확보할 수 있다.

또한 설계단계에서 토목, 건축, 기계, 전기 등의 2D 도면을 3D로 결합하여 공종별로 간섭되는 사항을 확인하고 수정함으로써 재시공의 문제를 일정부분 예방이 가능하다. 그리고 설계, 공정, 원가를 통합 관리하기 위해서 3D 모델에 공정과 비용 정보를 연계한 4D 및 5D로 구현하여 공사과정에서 발생할 수 있는 설계변경과 그에 따른 공사일정 조정 및 원가 재산정 등에 활용될 수 있는 장점이 있다.

다만 3D로 설계된 도면을 기반으로 공사 일정 계획을 연계한 공정 Simulation이 가능한 반면에 공사비를 산정하기 위해서 필요한 근거자료가 BIM을 구현하는 S/W에 연계되어 있지 않으므로 공사원가의 산정이 불가하다. 이는 예를 들어 Revit의 경우 설계도면을 근거로 일람표 추출 기능을 활성화하여 공간별 및 부위별로 자재 종류와 수량의 대략적인 추출이 가능하나, 공사비를 산정하기 위해서 필요한 단가(재료, 노임, 경비 단가)와 표준품셈을 기준으로 구성되는 일위대가 등이 연계되어 있지 않음으로 자재 종류, 수량 등을 추출한 일람표에 단가가 표시되지 않는다.

상기와 같은 기술적 한계를 해결하기 위해서는 월별 자재 구입 단가, 반기별 노임단가, 표준품셈에 의해서 계산된 일위대가, 표준시장단가 등이 BIM을 구현하는 S/W에 연계되어야 한다. 또한 표준품셈에 의한 일위대가 구성은 비목이 복잡하므로 공사별 단가에 노무비율이 제시되어 있는 표준시장단가를 적용한 공사비 산정 방안을 모색할 필요가 있다.

따라서 설계, 원가, 품질관리의 통합체계를 구축하기 위한 방안과 품질하자 등과 같은 위험요인을 보수․보강하기 위해서 필요한 예비비를 추정하는 연구가 미진하므로 현재의 BIM 기술에서 추출이 가능한 설계정보와 공사비 산정에 활용되는 Excel을 연계하여 품질 위험평가 및 예비비를 추정하는 모델을 제안하고자 한다.

2.3 선행연구 고찰

건설사업에서 BIM의 활용, 품질관리, 위험평가, 예비비 등을 대상으로 고찰한 주요 선행연구를 목적별로 분류하면 아래와 같다<Table 1>.

상기의 주요 선행연구를 고찰한 결과는 다음과 같다.

건설사업에서 BIM을 활용하는 수준을 조사한 연구^{(Jeong et al., 2024)}, 건축물의 수선교체비를 산정하기 위해서 공간별, 부위별, 재료 목록은 BIM의 IFC 데이터로 추출하고 수선주기, 수선율, 단가 등의 자료는 외부 데이터베이스에서 연계하여 수선교체비를 산정하는 모델을 제안한 연구^{(Park et al., 2016)}, 건설사업의 생애주기 동안에 BIM을 활용하기 위해서 기획, 설계, 시공, 유지관리의 BIM 운영 프로세스 시안을 제시한 연구^{(Kim et al., 2012)} 그리고 시공단계에서 BIM의 활용도를 향상시키기 위한 MEP 모델 및 요구조건 체크리스트를 개발한 연구^{(Kim et al., 2019)}가 진행되었다.

또한 BIM을 활용하여 정량적으로 추락에 대한 위험요소를 도출함으로써 사고를 조기에 식별하고 사전에 위험을 제거할 수 있는 방법을 제안한 연구^{(GO et al., 2022)}, BIM에 포함된 설계정보를 기반으로 작업의 위험요인에 따른 위험성 평가 체크리스트를 생성하는 모델을 제안한 연구^{(Hwang et al., 2022)}, BIM 기반의 건설현장 안전관리 프로세스와^{(Kim et al., 2013)} 위험성 평가를 실시하는 모델을 제안한 연구^{(Lee et al., 2022)} 그리고 건설현장에서 반복적으로 발생하는 재해의 특성을 활용하여 현장 조건과 시간적 및 공간적 정보를 기반으로 재해사례를 검색하는 시스템을 제안하였다^{(Kim et al., 2011)}.

BIM을 활용한 선행연구는 주로 건설사업에서 BIM을 활용한 관리의 효율성 개선 모델 등을 제안하는 주제로 진행되었다. 특히 설계도면이 3D 모델로 구현됨에 따라 시각적 및 공간적 표현 기능을 활용하여 안전위험요소 등을 식별하는 모델과 BIM을 활용한 위험성 평가를 실시하는 모델 등을 제안하였다. 즉 BIM을 활용한 위험평가 및 위험관리 등에 대한 선행연구의 주제가 산업안전보건법에 따른 건설현장 안전관리, 위험성 평가, 재해 안전성 평가를 중점 대상으로 진행된 것이다.

3.1 모델 개요

BIM 기반의 품질 위험평가 및 예비비 추정 개념 모델은 먼저 3D 도면을 기반으로 설계에 반영된 자재 종류, 수량, 단가를 추출하여 공사비를 산정한다. 다음으로 품질하자를 유발하는 위험요인을 정립하고 위험요인을 보수․보강하기 위해서 필요한 예비비의 비율을 조사한다. 마지막으로 공사비 자료와 예비비 비율 자료를 활용하여 품질하자를 유발하는 위험요인별로 예비비를 추정하는 것이다.

이를 위해서 1) Revit을 활용하여 설계에 반영된 자재 종류별 수량을 추출하고 현재는 Revit에서 단가가 추출되지 않으므로 별도로 계산된 단가를 대입하여 공사비를 산정한다. 2) 품질하자를 유발하는 위험요인은 설계된 목적물과 구조방식, 시공방법 등이 유사한 시설물을 건설하는 과정에서 발생된 요인과 현장관리자의 설문 및 인터뷰 등을 실시하여 정립한다. 3) 예비비는 품질하자 유발 위험요인별로 예비비 비율을 조사하고 공사비에 대입하여 추정한다. 이러한 모델의 분석단계와 방법을 Input, Design, Analysis, Output Stage로 분류하여 개념 모델을 구성하였다<Fig. 2>.

Fig. 2. Overview of the Conceptual Model

3.2 모델 분석절차 및 방법

3.2.1 Input Stage(입력)

입력단계에서는 준공된 건설공사 사례를 기반으로 품질하자를 유발한 위험요인과 예비비의 규모 정도를 추정하기 위해서 보수․보강에 추가로 지출된 비용을 현장관리자의 설문과 인터뷰를 통해서 조사한다<Fig. 3>.

Fig. 3. Input Stage Procedure and Contents

설계대상과 유사한 시설물을 건설하는 과정에서 발생된 품질하자 유발 위험요인은 작업일보, 하자목록, 품질관리보고서 등을 참고할 수 있으며, 품질하자를 보수․보강하기 위해서 추가로 지출된 비용은 원도급 또는 하도급의 준공정산내역서 등을 통해서 지출된 비용의 확인이 가능하다.

하지만 상기에서 설명한 방법은 자료에 의한 객관적인 내용의 확인이 가능하나, 조사하여야 하는 자료가 대외비로 제공이 제한되는 점을 고려하여 분석자가 사전에 품질하자 유발 위험요인 목록을 포함한 설문조사지를 작성하고 현장관리자로부터 설문 및 인터뷰를 병행하는 것이 효과적이다.

<Fig. 3> 하단 Link to Database of Revit Software는 품질하자 유발 위험요인과 보수․보강을 하기 위해서 지출된 비용을 Excel로 작성한 후 Revit의 DB로 연계하는 것을 의미한다. 그러나 현재는 기술적 한계로 실현될 수 없지만, BIM 기반의 품질 위험평가 및 예비비를 추정하기 위한 개념 모델을 제안하는 것이므로 상기의 의미를 표현한 것이다.

3.2.2 Design Stage(설계)

설계단계는 도면에 반영된 자재 종류, 수량, 단가를 추출하여 공사비를 산정하는 것이다<Fig. 4>.

Fig. 4. Design Stage Procedure and Contents

공사비를 산정하는 이유는 품질하자를 보수․보강하기 위해서 필요한 예비비를 산정하기 위함이다. 이와 같은 예비비는 원도급과 하도급이 계획된 이익을 확보하기 위한 완충 역할을 하는 비용으로 활용되며, 공사비에 예비비 비율을 곱하여 산정하는 방법과 실제로 지출된 비용을 기준으로 공사 조건 등을 반영하여 재산정하는 방법이 있다.

따라서 예비비를 추정하기 위한 공사비는 Revit으로 설계된 도면을 기초로 자재 종류, 수량, 단가를 Excel로 추출하여 개략적인 공사비를 산정한다. 이렇게 산정된 공사비는 Analysis에서 예비비를 추정하기 위한 자료로 연계된다.

다만 현재는 Revit에 단가를 산출하기 위한 자료가 연계되어 있지 않으므로 추출이 불가능하기 때문에 추출된 자재 종류별 수량에 단가를 별도로 계산하여 공사비를 산정한다.

3.3.3 Analysis Stage(분석)

분석단계는 Input에서 조사된 품질하자 유발 위험요인과 보수․보강을 위해서 지출된 비용 또는 예비비 비율 그리고 Design에서 산정된 공사비를 기반으로 중요 위험요인을 선정하고 예비비를 추정하는 것이다<Fig. 5>.

Fig. 5. Analysis Stage Procedure and Contents

먼저, Input에서 조사된 품질하자 유발 위험요인 중에서 설계대상의 공사조건 등을 고려하여 중요 위험요인을 선정한다. 중요 위험요인을 선정하는 방법은 안전관리의 위험성을 평가하는 기법 중에서 발생가능성과 발생되었을 때 공사에 미치는 영향 등을 검토하여 도출하는 방법을 활용한다.

다음으로, 선정된 중요 품질하자 유발 위험요인별로 그 위험요인이 발생되었을 때 확보하여야 하는 적정 예비비 비율을 조사한다. 예비비 비율은 원도급 및 하도급의 계약내역서와 준공정산내역서를 비교하여 계산할 수도 있지만, 내역서의 열람과 제공이 제한되므로 현장관리자의 설문과 인터뷰를 통해서 조사하는 방법이 적정하다. 그리고 Design에서 산정된 공사비에 중요 위험요인별로 조사된 예비비 비율을 대입하여 예비비를 산정한다. 이러한 예비비를 산정하기 위해서는 공사종류별로 품질관리에 영향을 미치는 품질하자 유발 위험요인과 자재 종류별로 산정된 공사비를 Grouping 하여야 한다<Fig. 6>.

Fig. 6. Example of Grouping Method

상기와 같이 중요 위험요인과 공사비를 Grouping하고 공사비에 예비비 비율을 곱하여 예비비를 산정한다.

3.3.4 Output Stage(결과)

결과단계는 개념 모델의 분석단계별로 도출된 품질하자 유발 중요 위험요인, 위험요인별 예비비 비율을 제시하고 추정된 예비비를 직접공사비 내역에 반영하는 것이다<Fig. 7>.

Fig. 7. Output Stage Procedure and Contents

추정된 예비비는 분석 대상 공사의 직접공사비 내역에 재료비, 노무비, 경비로 분류하여 반영한다.

4.1 모델 검증 개요

모델 검증은 Revit과 참고문헌에서 제공되는 3D 도면을 활용하며, 골조공사로 범위를 한정한다. 이에 따라 3D 도면에서 골조공사에 해당되는 자재 종류와 수량을 추출하고, 공사비를 산정한 후 조사된 품질하자 유발 위험요인과 예비비 비율 자료를 활용하여 예비비를 추정하는 순서로 진행한다.

4.2 모델 검증 내용

모델 검증은 Input, Design, Analysis, Output Stage로 구분하여 설명하며, 검증을 위한 품질하자 유발 위험요인과 예비비 비율을 조사하는 방법은 아래와 같다<Table 2>.

모델 검증에 필요한 품질하자 유발 위험요인과 보수비용 그리고 예비비 비율을 조사하기 위해서 공동주택 1개 단지를 선정하였다. 그리고 골조공사를 대상으로 하자보고서, 균열대장, 공사비 내역서 등을 확인하고자 하였으나, 제공되는 범위가 제한되어 건축공사 현장관리자의 설문과 인터뷰를 중점적으로 실시하였다.

4.2.3 Analysis Stage(분석) 검증 내용

분석단계는 Input에서 정립된 품질하자 유발 위험요인별로 보수․보강에 필요한 적정 예비비 비율을 조사하고 Design에서 산정된 골조공사의 레미콘 타설 공사비에 대입하여 예비비를 추정하는 것이다.

예비비를 추정하는 방법으로 1) 예비비 비율을 조사하여 공사비에 곱하는 방법과 2) 실제로 지출된 비용을 조사하여 그 비용을 기준으로 공사 조건 등을 반영하여 재산정하는 방법이 있다. 두가지 방법 중에서 건설사업 및 건설공사를 진행하는 과정에서 발생되는 위험요인을 조사하고 그 위험요인으로 인하여 변동되는 공사비를 추정한 선행연구를 살펴보면, 위험요인의 영향으로 인한 비용의 변동비율을 조사하여 공사비에 곱하는 방법을 적용하였기 때문에 품질하자 유발 위험요인에 대한 예비비 비율을 조사하여 예비비를 추정하며, 조사방법은 다음과 같다.

위험요인별로 보수․보강에 지출된 실제 비용을 조사 및 확인하는 것이 제한되어 상기 <Table 2>에서 설명한 건축공사 현장관리자를 대상으로 설문과 인터뷰를 실시하여 예비비 비율을 조사한 결과는 아래와 같다<Table 5>.

Table. 5 Results of Survey for Risk Reserve Ratio

Category	Quality Risk Factors	Reserve Ratio	Repair Costs
Structure	Crack	Avg ratio : 1.8%	-
	Smoothness	Avg ratio : 1.3%	-
• Crack : Max (3.0%), Min (1.0.%) • Smoothness : Max (2.0%), Min (1.0%)

예비비 비율의 조사 과정을 설명하면, 사례로 선정된 건설현장을 방문하여 균열과 평활도 하자에 대한 보수․보강 비용을 조사하였으나, 공사가 진행되고 있는 과정이므로 정산내역서 등과 같은 비용지출 자료의 확인이 불가능하였다.

이에 현장관리자 6명을 대상으로 공종별 내역서의 철근콘크리트 레미콘 타설 공사비를 기준으로 균열과 평활도 품질하자(품질불량)를 보수․보강하기 위해서 지출되는 대략적인 금액 비율 또는 그와 같은 품질하자를 보수․보강하기 위해서 예비비를 책정한다면, 어느 정도의 비율을 반영하는 것이 타당한 것인지 등에 대해서 인터뷰를 실시하였다.

상기와 같은 방법에 따라 조사된 균열과 평활도의 품질하자를 보수․보강하기 위한 예비비 비율을 Design에서 산정된 레미콘 타설 공사비 55,451,374원에 대입해서 위험요인별로 예비비를 추정한 결과는 아래와 같다<Table 6>.

Table. 6 Results of Calculated for Risk Reserve (Unit : KRW)

Category	Quality Risk Factors	Risk Reserve Ratio		Risk Reserve
Structure	Crack	Max	10.0%	5,545,137
		Avg	7.7%	4,251,272
		Min	5.0%	2,772,569
	Smoothness	Max	15.0%	8,317,706
		Avg	10.2%	5,637,556
		Min	8.0%	4,436,110
• Formula: Construction Cost 55,451,374 × Max 3.0% = 1,663,541

예비비를 추정한 결과, 상기 <Table 4>에서 산출된 레미콘 수량 455.09㎥를 기준으로 균열하자를 보수․보강하기 위해서는 평균 4,251천원, 평활도는 평균 5,637천원이며, 이렇게 추정된 예비비는 Output에서 예비비를 포함한 레미콘 타설 공사비를 산정하는 과정으로 연계된다.

4.3 모델 검증 내용 종합 및 활용 방안

본 연구에서 제안한 개념 모델은 BIM을 기반으로 설계, 원가, 품질관리의 통합체계를 구축하기 위한 기초연구이며, 개념 모델의 사용성을 검증하기 위해서 Revit을 활용하여 설계에 반영된 자재별 수량을 추출하였고 단가는 추출이 불가하므로 별도로 계산하여 직접공사비를 산정하였다. 이와 같이 단가 추출이 불가한 부분을 개선하기 위해서는 표준품셈에 의한 방법과 표준시장단가에 의한 방법 중에서 단가를 구성하는 항목이 간단한 표준시장단가를 적용하는 방안이 적정한 것으로 사료된다.

또한 건설공사를 진행하는 과정에서 품질하자를 유발하는 위험요인을 정립하고 그 위험요인이 발생되었을 경우 보수․보강에 필요한 예비비를 추정하는 방법을 BIM 설계와 원가산정 그리고 품질 위험평가를 연계하는 방안을 제안하였다. 예비비를 추정하는 방법은 현장관리자를 대상으로 설문과 인터뷰를 실시하여 품질하자 유발 위험요인별로 적정 예비비 비율을 조사하였으며, 그 결과를 산정된 직접공사비에 대입하여 예비비를 추정하였다. 그리고 현업에서 본 개념 모델을 활용하는 경우에는 예비비 비율을 조사하는 방법과 실제로 품질하자를 보수하기 위해서 지출된 비용을 조사하여 그 비용을 기준으로 추정하는 방법 중에서 조사환경 등을 고려하여 적용하는 것이 필요하다. 이는 실제로 지출된 비용을 조사하기 위해서는 계약내역서, 준공내역서, 정산서류 등을 비교하여야 하나, 관련 자료 조사에 제한이 있는 경우 예비비 비율을 조사하는 방법을 활용하여야 한다.

따라서 국토교통부를 중심으로 국내 건설사업에서 BIM을 확대 적용하기 위한 계획이 수립되었으며, 이와 더불어 안전관리 분야를 융합한 다양한 연구도 진행되었다. 이에 본 연구 결과는 BIM의 설계, 원가, 품질관리를 연계한 디지털 통합체계 구축과 원가정보가 결합된 5D의 구현을 위한 참고문헌으로 활용될 수 있다.