교량 유지관리의 BIM 적용을 위한 통합 정보체계 구축 연구

A Study on Integrated Information System for BIM Application of Bridge Maintenance

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2019;19(2):25-34
Publication date (electronic) : 2019 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2019.19.2.25
*Member, Ph.D Candidate, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
**Member, Professor, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
***Member, Ph.D Candidate, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
****Ph.D Candidate, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
*****Member, Research Prefessor, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
변남주*, 강영종**, 한휘석***, 권영웅****, 한상윤*****
*정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과 박사과정
**정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과 교수
***정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과 박사과정
****고려대학교 건축사회환경공학과 박사과정
*****정회원, 고려대학교 초대형건설기술연구소 연구교수
교신저자, 정회원, 고려대학교 초대형건설기술연구소 연구교수(Tel: +82-2-924-0190, Fax: +82-2-921-5166, E-mail: kiss0521@korea.ac.kr)
Received 2019 February 14; Revised 2019 February 25; Accepted 2019 March 6.

Abstract

국내의 사회간접자본 시설물인 교량은 1970년대 이후 급속한 경제성장으로 인해 건설 포화 상태에 접어들어 유지관리의 중요성이 대두되고 있다. BIM (Building Information Modeling)은 3D 정보모델을 기반으로 정보를 축적하는데 그치지 않고 정보들간의 연계체계를 구축하여 교량을 효율적으로 관리할 수 있는 도구로써 교량의 유지관리에 적용하려는 연구가 증가하고 있다. 하지만, 대부분의 교량 유지관리 관련 BIM 연구는 단편적으로 안전진단의 이력 정보를 축적하는데 초점을 맞추고 있어 정보가 유지관리에 효율적으로 사용되고 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 BIM을 유지관리에 적용하기 위해 기존연구 및 지침서를 조사·분석하여 교량의 안전진단, 가치평가, 내구수명 예측에 필요한 정보 항목들을 정리하고, 각 정보들간의 연계를 고려하여 통합 유지관리 정보체계를 구축하였다.

Trans Abstract

The bridge of social overhead capital facilities in Korea has been in the construction saturation due to rapid economic growth since the 1970s, so the importance of maintenance has risen. Studies of applying BIM (Building Information Modeling) to bridge maintenance are increasing as a tool that not only accumulates information based on a 3D information model but also establishes a linkage system to manage bridges effectively. However, most of BIM studies for bridge maintenance just focus on accumulating the history information of safety inspection so that the information is not used efficiently for the maintenance. Therefore, in this study, the information items necessary for the safety inspection, valuation, and durability life prediction of the bridges are organized by analyzing existing research and guideline. In addition, integrated maintenance information system was constructed considering the linkage between each information in order to apply BIM to maintenance.

1. 서 론

Building Information Modeling (BIM) 기술은 정보모델을 기반으로 기획, 설계, 시공, 유지관리를 포함하는 전생애주기에 걸쳐 정보를 관리하고 공유할 수 있는 도구로써 건설사업 전체 중 구성요소가 정형화되어 있는 건축 분야에 먼저 활용되기 시작하였다. 교량 구조물은 구성요소의 비정형성에 의해 BIM의 적용시기가 상대적으로 늦어졌으나, 정부에서 2020년부터 모든 SOC사업의 20%에 BIM 적용계획을 발표한 이후 교량의 BIM 적용에 대한 연구와 시도가 증가하고 있다(Nam et al., 2017). 교량에 대한 BIM 적용 연구는 초기 단계로서 기획⋅설계단계에 해당하는 공정관리, 공사비 관리, 설계 오류 검토 등에 대한 연구가 우선적으로 수행되고 있다.

국내의 사회간접자본 시설물인 교량은 1970년대 이후 급속한 경제성장으로 인해 건설 포화 상태에 접어들어 건설보다 유지관리의 중요성이 대두되고 있다. MOLIT (2018b)에서는 현재 공용년수가 30년 이상인 국내 교량은 전체 교량의 11%이고, 10년 후에는 35%를 초과할 것이라 제시하고 있어 유지관리에 소요되는 예산의 수요가 급증할 수 있는 시기에 도달하였다. 따라서, 효율적으로 교량 유지관리 정보를 관리할 수 있는 BIM 기술 개발이 시급하다. 국토교통부에서는 특수교량을 관리하기 위해 Bridge Management System (BMS)을 운영하고 있고, 최근 Chung-Ang University (2017)에서 교량 유지관리에 BIM을 적용하기 위한 연구가 진행된 사례가 있다. 그러나, 단편적으로 안전진단의 점검 이력 정보를 축적하는데 초점을 맞추고 있어 정보가 유지관리에 효율적으로 사용되고 있지 않다. 국내의 노후화 교량들을 효율적으로 관리하기 위해서는 단순히 각 교량의 안전진단 이력 정보를 축적하는데 그치지 않고, 정보를 가공하여 보수⋅보강 시기 및 우선순위, 예산 분배 등의 의사결정을 수행해야 한다. 교량의 유지관리 의사결정에는 다양한 인자들이 고려되어야 하는데, 대표적으로 교량의 가치와 내구수명이 활용된다.

따라서, 본 연구에서는 유지관리에 BIM을 적용하기 위해 기존연구 및 지침서에 대한 조사⋅분석을 통해 교량의 안전진단 흐름을 정리하고, 가치와 내구수명을 산정하기 위한 적합한 기법을 선정하였다. 또한, 이에 필요한 정보 항목과 세부 항목들을 정리하고, 각 정보들의 수준과 연계 방향성을 고려하여 통합 유지관리 정보체계를 구축하였다.

2. 기존 연구 및 지침서 조사⋅분석

2.1 안전진단

국내 교량에 대한 안전진단은 시설물의 안전관리에 관한 특별법에 따라 각 교량의 운영관리주체가 KISTEC (2017b)에서 제정한 「시설물의 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침」을 활용하여 수행하고 있다. 안전진단의 종류는 정기점검, 정밀점검, 긴급점검, 정밀안전진단으로 구분되며, 점검 교량의 상태에 따라 일정 주기마다 시행된다. 안전진단의 종류에 따라 점검유형의 기본과업과 선택과업의 범위가 상이하며, 점검유형은 교량의 외관 상태를 점검하는 외관조사, 추가적인 시험장비를 통해 교량의 재료적인 상태를 점검하는 조사⋅재료시험, 교량의 구조적 안전성을 점검하는 구조 안전성으로 구분된다.

최근 안전 중심 진단이 아닌 성능 중심 진단의 필요성이 대두되면서, KISTEC (2017a)에서 「시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편)」을 제정하였다. 성능평가의 진단 흐름은 구조 안전성을 외관조사와 통합하여 안전성 평가로 구분하였고, 조사⋅재료시험을 내구성 평가에 대한 독립적인 점검유형으로 개정하였다. 또한, 사용성능에 대한 점검 항목을 추가하여 안전뿐만 아니라 사용성에 대한 점검도 수행할 수 있도록 하였다. 기존 안전진단과 성능평가의 등급 산정 과정은 상이하나, 점검유형의 관점에서는 사용성능에 대한 점검 항목이 추가된 것을 제외하면, 대부분의 점검 항목이 동일하다. 본 논문에서는 기존 안전진단과 성능평가를 모두 포함할 수 있는 정보체계를 구축하기 위해 각 점검유형을 기반으로 정보 항목과 진단 흐름을 정리하여 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Safety Inspection Flow Chart

BIM은 3D 정보모델을 기반으로 한 기술이므로, 안전진단에 대한 정보와 모델 정보가 연계되어야 하는데, 「시설물의 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침」에서는 안전진단시 점검을 수행해야할 부재를 구조체별로 구분하여 Table 1과 같이 제시하고 있다. 점검유형 중 외관조사와 조사⋅재료시험의 경우 각 부재에 따라 점검 항목이 상이하다. Fig. 2와 같이 각 부재의 결함을 점검한 이후 부재 및 항목의 가중치를 적용하여 최종 등급을 산정하기 때문에, 점검 정보는 각 부재의 하위 수준으로 구축되어야 한다. 하지만, 구조 안전성 및 사용성능의 경우 각 부재가 아닌 교량 전체계 수준의 점검을 수행한다. 따라서, 모델과의 정보수준, 연계 방향성 그리고 Fig. 1에서 언급한 기존 안전진단과 성능평가 진단 흐름을 고려하여 통합 정보체계 구축에 적용하였다.

Object Members for Safety Inspection (KISTEC, 2017b)

Fig. 2

Condition Assessment Flow Chart (KISTEC, 2017b)

2.2 내구수명

교량의 수명은 물리적, 기능적, 사용적, 경제적수명으로 구분된다. 본 논문에서는 안전진단 과업 범위 내에서 확보할 수 있는 정보를 활용하여 산정 가능한 물리적 수명 중 노후화에 의한 내구수명에 대해 조사⋅분석하였다. 교량 구조물은 대부분 Reinforced Concrete (RC)와 강재로 건설되는데, 열화 현상으로 인해 시간이 경과함에 따라 성능이 저하된다. 교량의 효율적인 유지관리와 장수명화를 위해서는 과학적 근거를 통해 현재 상태의 정확한 수명을 판단하는 것이 필수적이다. 유지관리의 중요성이 대두되면서 열화, 내구수명, 사용연한 예측에 대한 많은 연구들이 수행되고 있다. 내구수명을 예측하기 위해 RC의 경우 염해, 탄산화, 알칼리골재, 동해, 화학적 침식에 대한 열화가 고려된다. 하지만, 알칼리골재 내구수명 예측에 대한 정량적인 산정식 연구가 없고, 화학적 침식은 특수한 환경에만 발생하며 환경적 요인에 따라 열화 매커니즘이 다양해 획일화된 내구수명 예측 과정 정립에 어려움이 많다. 또한, 내구수명 예측식을 BIM에 적용하기 위해서는 해당 식 계산에 필요한 기초자료의 유무도 고려되어야 한다. 따라서, 본 논문에서는 이를 고려하여 RC는 염해, 탄산화, 동해, 강재는 피로에 대한 내구수명 연구 및 지침서를 조사⋅분석하여 적절한 산정 기법을 선정하고 필요한 정보 항목을 정리하였다.

2.2.1 염해

염해는 염화물이온 침투에 의해 콘크리트 중의 강재의 부식이 촉진되고, 콘크리트에 균열이나 박리 등을 유발하는 열화 현상으로 정의된다. 염화물 침투와 강재의 부식 정도에 따라 잠재기, 진전기, 촉진기, 한계기로 구분되며, 철근 위치에서 임계염화물량의 도달시기인 진전기 이전까지를 수명으로 간주한다. 염해에 의한 RC 부재의 수명은 염소이온의 확산이 지배적이기 때문에, 잠재기는 염소이온의 확산계수와 철근 위치에서 임계염화물량 도달시기를 Eq. (1)인 Fick의 제2법칙에 의하여 추정할 수 있으며, 지배방정식은 Eq. (2)과 같다. Browne (1980), Tuutti (1982)는 Eq. (2)를 활용하여 콘크리트 표면에 도입되는 염화물이온농도와 염화물 확산계수, 임계염화물농도가 시간에 대해 일정하다고 가정하고, Eq. (3)을 통해 부식 발생 시점을 예측하고자 하였다. KISTEC (2017a, 2017b), Korea Concrete Institute (2012)에서도 Eq. (3)을 채택하여 염해에 대한 내구수명 예측에 사용하고 있다. 염화물 침투(C(χ,t))에 대한 측정값이 있을 경우 Eq. (2)를 통해 역산으로 확산계수(Dcl) 산정이 가능하며, 측정값이 없을 경우 Korea Concrete Institute (2012)에서 제안한 Eq. (4)를 사용한다. 또한, 염해에 대한 내구수명(t)은 Eqs. (2) and (3)을 통해 역산으로 산정할 수 있다. 염화물에 대한 내구수명 예측식의 경우 제설제, 시간 경과에 따른 염화물확산계수의 변화량 등을 고려한 산정식이 존재하지만, 해당 정보의 확보에 어려움이 있어 본 논문에서는 Eqs. (2) and (3)을 채택하여 정보체계에 적용하였다.

(1) Ct=D2Cx2
(2) C(x,t)=Cs(t){1-erf(x2Dcl(t)×t)}
(3) Ccr=(C0-Ci){1-erf(x2Dcl×t)}+Ci
(4) logDd=4.5(W/C)2+0.14(W/C)-8.47

여기서, C(χ,t)는 시간 t(sec)경과 시 깊이 χ(cm)에서 염화물농도, Cs(t)는 표면 염화물이온농도(%), Dcl은 염화물확산계수 (cm2/sec), erf는 오차함수, C0은 콘크리트 표면 염화물이온농도, Ci는 콘크리트 초기 염화물이온농도, Ccr은 임계 염화물농도, W/C는 유효 물/시멘트비이다.

2.2.2 탄산화

탄산화는 이산화탄소가 시멘트 수화물과 탄산화 반응을 일으켜 모공 용액의 PH를 저하시키는 것으로 강재의 부식이 촉진되어 콘크리트의 균열이나 박리 등을 유발하는 열화 현상으로 정의된다. 탄산화에 의한 열화도 염해의 경우와 마찬가지로 철근 부식이 개시되는 시점 이전까지를 수명으로 산정하고 있다. 탄산화는 이산화탄소의 확산에 의해 발생하는 열화이며, 탄산화 깊이(C)는 경과시간(t)의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있어 통상적으로 Eq. (5)와 같이 t 법칙을 사용한 산정식이 사용된다. Hamada (1968)Kishimoto et al. (2005) 등 많은 연구와 설계기준에서 탄산화 속도계수(A)에 대한 산정 방법을 제안하고 있으나 주위 환경, 시멘트 종류, 골재의 종류, 시공정도 등의 안전진단시 확보하기 어려운 정보들이 필요하고 국내의 실정에 맞지 않아, 국내 유지관리 BIM에 적용하기에는 적절하지 않다. 따라서, 본 논문에서는 MLTM (2009)에서 제안한 탄산화 속도계수 산정식인 Eq. (6)을 사용하여 정보체계에 적용하였다.

(5) C=At
(6) A=R(-3.57+9.0W/B)×t

여기서, C는 탄산화 깊이, A는 탄산화 속도계수, t는 경과시간, W/B는 유효 물/결합재비이다.

2.2.3 동해

동해는 콘크리트 내부 수분이 반복적인 동결 및 융해 작용으로 인해 미세 균열 및 팝아웃 등을 발생시키는 열화 현상으로 정의된다. 동해에 의한 콘크리트 손상은 통상적으로 상대동탄성계수(Relative Dynamic Modulus, RDM)의 감소로 표현되며, Al-Neshawy (2013)이 Walton et al. (1990)의 동해 모델을 기반으로 하여 공기 함유량, 물시멘트비, 동결융해 사이클 횟수에 따른 상대동탄성계수 감소식을 Eqs. (7), (8) and (9)와 같이 제안하였다. 또한, 한계 상대동탄성계수 감소량을 70%로 가정하고, Walton et al. (1990)과 Tanesi and Meininger (2006)의 실험 결과를 활용하여 동해 내구수명 식을 Eq. (10)과 같이 제안하고, 검증하였다. 동해 열화는 매커니즘이 복잡해 내구수명 산정식을 제안하고 있는 연구가 많지 않기 때문에, 다양한 실험 결과를 통해 검증된 Eq. (10)를 사용해 정보체계에 적용하였다.

(7) RDM(%)=100-(NFTCa×Cb-100)×100
(8) Ca={275wa+118.25wa2for wa4%118.25wa2for wa<4%
(9) Cb=4.2-8.0(WC)+3.2(WC)2
(10) td=NtNa=Dl100Na(Ca×Cb-100)

여기서, RDM은 상대동탄성계수, NFT는 동결⋅융해 사이클 횟수, Ca는 공기 함유량 계수, Cb는 물/시멘트비 계수, Wa는 공기 함유량, W/C는 물/시멘트비, td는 동해에 의한 손상이 Dl에 도달하기 위한 시간, Nt는 총 동결⋅융해 사이클 횟수, Na은 연간 동결⋅융해 사이클 횟수, Dl은 허용 동해 손상 수준(%)이다.

2.2.4 피로

강재의 피로는 부재에 작용하는 반복적인 차량하중에 의해 균열이 발생하고, 균열이 성장하여 부재에 파단을 발생시키는 현상으로 정의된다. 일반적으로 반복 차량하중에 의해 발생하는 응력은 강재의 항복응력을 초과하지 않지만, 재료 결함 및 잔류 응력, 또는 미세 균열의 존재로 인한 응력 집중은 균열의 성장을 초래한다. 따라서, 피로에 대한 내구수명은 균열이 임계 크기로 성장하는 시기까지의 년수로 산정된다. AASHTO (2011)에서는 일반적인 강재 연결에 대하여 일정한 크기의 반복 응력을 작용시킨 실험 결과를 바탕으로 피로 수명을 Eq. (11)과 같이 제안하였다. 또한, 국내 설계기준인 MOLIT (2018a)에서도 Eq. (11)을 채택하여 사용하고 있다. 다음 식은 실험 결과를 통해 제안되었고, 국내에서도 채택하여 사용하고 있기 때문에, 본 논문에서도 피로에 대한 내구수명식으로 선정하여 정보체계에 적용하였다.

(11) Y=RR×A365×n×(ADTT)SL×((Δf)eff)3
(12) (ADTT)SL=p×ADTT
(13) (Δf)eff=Rs×Δf

여기서, Y는 수명, RR은 저항계수, A는 상세분류에 따른 피로 상수, n은 트럭 한 대 통과 시 발생하는 응력범위의 반복회수, (ADTT)SL은 한 방향 한 차로의 일일트럭교통량 평균값, p는 한 차로에서의 트럭교통량 비율, ADTT는 한 방향 일일트럭교통량의 평균값, (∆f)eff는 유효 응력 범위, Rs는 부분 하중 계수, ∆f는 측정 및 계산된 응력 범위이다.

2.3 가치평가

사회기반시설물인 교량의 가치평가는 공학적, 회계학적, 그리고 사회학적인 관점에서 자산의 가치를 재무적으로 표현하는 것으로 정의된다. 국내외적으로 사회기반시설물의 노후화가 가속화되면서 효율적인 관리를 위해 가치평가에 대한 연구의 필요성이 대두되었다. 가치평가는 크게 건설원가를 활용하는 취득원가(Historical Cost) 방법과 똑같은 조건의 새로운 시설을 건설하는 비용으로 대체하는 대체원가(Replacement Cost) 방법으로 구분된다. 취득원가 방법은 회계학적 및 공학적인 관련 자료가 충분하다면 객관적인 자산의 가치를 평가할 수 있지만, 시설물의 시간이력에 관한 비용 파악이 쉽지 않고 자산목록이 불완전한 상태가 대부분이기 때문에 재무 상태를 파악하는 데에 어려움이 많다. 이에 반해, 대체원가 방법은 시간이력에 따른 추가비용을 고려할 필요가 없기 때문에 비교적 간단하게 자산의 가치를 평가할 수 있지만, 대체원가의 산정에 어려움이 많고 자산의 가치를 객관적으로 판단하지 못할 수 있다.

미국의 경우 Government Accounting Standards Board (2000)에서 GASB34를 개정하였다. GASB34는 취득원가 개념에서 회계학적 접근으로 자산을 평가하고 있는데, 감가상각방식(Depreciation)과 수정방식(Modified) 평가 방법을 제안하고 있다. 감가상각방식은 교량의 가치가 가용수명까지 일정하게 감소한다고 가정하고 정액법으로 취득원가를 감가상각한다. 또한, 상시 유지관리 비용은 비용화, 자산의 상태를 유지하기 위한 보전비용과 자산의 기능을 현저히 향상시키는 개선비용은 자본화하여 가치를 평가한다. 이에 반해, 수정방식은 자산관리를 통해 시설물의 상태가 적절히 보존된다는 가정하에 감가상각을 하지 않고, 상시 유지관리 비용과 보전비용은 비용화, 개선비용은 자본화한다. 영국의 County Surveyors Society (2005)와 뉴질랜드의 New Zealand National Aseet Management Steering (2006)에서는 취득원가가 아닌 대체원가 개념의 평가방법인 Depreciation Replacement Cost (DRC)를 활용하여 자산의 가치를 평가할 것을 제안하고 있다. DRC는 시설물의 대체원가를 산정하고 감가상각하여 자산의 가치를 평가하는 방법이다. 감가상각 과정에 따라 다양한 가치평가 방법으로 세분화되지만, 교량의 감가를 정확히 산정하기 쉽지 않아 정액법이 주로 사용된다. 그 외에 취득원가 및 대체원가에 대한 가치평가 방법론을 정리하여 Table 2에 나타내었다.

Asset Valuation Methodology (An et al., 2012)

국외의 가치평가 방법의 분석 결과 각 세부적인 금액의 산정 과정에 차이가 있지만, 기본적으로 자산의 가치를 평가하는 흐름은 회계학적 관점인 자산, 수익, 비용을 사용하는 방법과 동일하다. 하지만, 교량은 국가 차원에서 공공의 이익을 위해 건설된 자산으로서 수익이 발생하지 않으므로, 최종적으로 교량의 가치는 자산에서 비용을 감하여 평가하게 된다. 가치평가를 안전진단 및 내구수명 정보와 연동하여 BIM에 적용하기 위해 국외의 다양한 가치평가 방법을 분석하여 정보 체계 구축에 필요한 항목을 자산과 비용으로 구분하여 Table 3에 정리하였다.

Valuation Configuration Items

3. BIM 유지관리 통합 정보체계

3.1 정보 항목 정리 및 연계성 검토

BIM은 3D 정보모델을 활용하여 시설물을 전생애주기에 걸쳐 관리할 수 있는 기술로써 단순히 유지관리 이력을 축적하는데 그치지 않고 정보의 가공 및 재활용을 통해 효율적으로 시설물을 관리할 수 있도록 하는 것에 목표를 두어야 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 교량의 내구수명과 가치는 유지관리의 효율적인 의사결정에 활용될 수 있기 때문에, 기존 연구 및 지침서의 조사⋅분석을 통해 각 열화 종류에 대한 내구수명 산정 방법과 가치평가 방법에 대해 조사하였다. 안전진단, 내구수명, 가치평가에 대한 정보를 유동적으로 연계하여 BIM에 적용할 수 있는 정보체계를 구축하기 위해 내구수명 및 가치 산정에 필요한 세부항목과 연계 방향성을 정리하여 Tables 4 and 5에 나타내었다.

Library Items & Linkage of Remaining Life

Library Items & Linkage of Valuation

안전진단의 점검유형은 외관조사, 조사⋅재료시험, 구조안전성, 사용성능으로 구분된다. 각 점검유형에 대한 세부항목은 「안전진단 및 정밀안전진단 세부지침」, 「시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편)」의 부재별 세부 점검 항목을 참조하여 내구수명과 가치평가에 필요한 세부항목과의 연계성을 검토하였다.

교량의 내구수명 산정에 필요한 세부항목은 계수 및 상수, 측정값, 부재 기본 정보, 교량의 기본 정보로 구분된다. 계수와 상수는 각 열화에 대한 산정식이 제안되어 있는 연구나 지침서의 값을 활용해야하며. 측정값인 측정깊이에 따른 염화물농도, 탄산화 깊이, 연간 동결융해 횟수, 일일 평균 트럭 통행량은 안전진단시 시행하는 조사⋅재료시험과 사용성능 평가에서 측정한 값과 연계가 가능하다. 물/시멘트비, 물/혼합제비, 콘크리트의 공기 함유량, 설계 피복두께는 부재의 기본 정보, 공용수명은 교량의 기본 정보에 해당된다. 이와 같은 교량과 부재의 정보는 설계 및 시공 단계에서 결정되기 때문에 유지관리 보고서나 구조계산서 등을 통해 확보가 가능하며, BIM 구축시 기본적으로 제공되어야 한다.

교량의 가치 산정에 필요한 세부항목은 교량 기본 정보, 유지보수 정보, 감가 정보, 실질 할인율로 구분된다. 교량의 현재 공사비를 산정하기 위해 필요한 건설비, 용지비, 부대비, 교량 면적은 교량 기본 정보로써 확보가 가능하지만, 교량 건설 평균 단가는 교량의 특성을 고려하여 결정하거나 지침서에서 제안하는 값을 사용해야 한다. 상시 유지관리 비용, 보전비용, 개선비용은 유지보수 정보에 해당되며, 보전비용과 개선비용은 교량의 상태를 보전하거나 개선하기 위해 시행하는 보수⋅보강 정보와 연계가 가능하다. 교량의 감가 방법은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 정액법과 Bridge Health Index (BHI)를 활용한 방법이 주로 사용된다. 정액법을 사용하기 위해서는 잔존가치, 현재 공사비, 내구수명, 공용수명 정보가 필요하다. 잔존가치는 직접 산정하거나 지침서에서 제시한 값을 사용할 수 있으며, 공용수명은 교량의 기본 정보와 연계, 내구수명은 앞서 선정한 내구수명 산정식을 통해 계산된 값과 연계가 가능하다. BHI를 활용한 감가는 교량의 상태를 고려한 방법이며 안전진단 결과인 상태평가, 상태적 안전성 등급과 연계할 수 있다. 실질할인율은 취득원가를 통해 교량의 가치를 산정할시 역사적 가치를 현재의 가치로 나타내기 위해 필요한 항목이며, 화폐 가치 인플레이션율을 고려하여 산정되어야 한다.

Fig. 3

Integrated Maintenance Information System

3.2 정보 체계 구축

유지관리에 BIM을 적용하기 위해서는 유지관리에 필요한 정보가 3D 모델과 연계되어야 하며, 각 정보들의 수준이 적절하게 분배되어야 한다. 본 논문에서는 유지관리에 BIM을 적용하기 위해서 정보수준을 4단계로 구분하였다. Lv.1은 교량 구분, Lv.2는 점검계획 및 점검유형, Lv.3은 구조체 및 부재, Lv.4는 각 점검유형의 이력을 축적하고 가공하기 위한 세부항목으로 구성된다.

Lv.1은 다수의 교량에 대한 관리를 하기 위해서 교량명과 해당 교량에 대한 공용수명, 건설비용, 교량 면적 등의 기본 정보를 포함한다. Lv.2는 다수의 점검 정보를 관리하기 위해서 점검계획과 점검유형으로 구성된다. 점검계획은 점검연도와 정기정검, 정밀점검 등의 점검종류를 포함하고 점검유형은 외관조사, 조사⋅재료시험, 구조 안전성, 사용성능, 보수⋅보강, 내구수명, 가치평가를 포함한다. Lv.3은 3D 모델에 대한 정보수준을 나타낸다. 외관조사, 조사⋅재료시험, 보수⋅보강 점검유형에 대한 항목 및 세부항목은 부재의 종류에 따라 상이하기 때문에 부재의 하위 수준으로 구축되어야 한다. 내구수명의 경우도 교량에서 국부적으로 발생하는 열화에 관련이 있기 때문에, 항목은 부재 하위 수준으로 구축되야 한다. 교량 전체에 대한 내구수명은 각 부재의 내구수명을 활용해 교량의 상태를 평가하는 Fig. 2의 과정과 동일하게 최소, 평균, 부재별 가중치 등을 통해 산정할 수 있다. 또한, Lv.3에서는 물/시멘트비, 설계피복두께, 콘크리트 공기 함유량 등의 부재 기본 정보를 포함한다. Lv.4는 각 점검유형과 부재에 따른 구분기준, 항목, 세부항목을 나타낸다. 각 항목들을 재료 및 교량 형식, 가치평가 방법에 따라 구분하기 위하여 구분기준을 추가하였으며, 항목 및 세부항목은 「안전진단 및 정밀안전진단 세부지침」 & 「시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편)」에서 제시하고 있는 안전진단 점검 항목, 내구수명 항목(Table 4), 가치평가 항목(Table 5)을 통해 구성된다.

외관조사, 조사⋅재료시험, 구조 안전성, 사용성능, 보수⋅보강에 대한 항목는 안전진단과 교량에 대한 보수⋅보강시에 누적되는 정보이며, 교량과 부재에 대한 기본 정보는 설계 및 시공단계에서 결정된다. 위와 같은 정보를 가공하여 교량의 내구수명을 예측하고 가치를 평가하여 유지관리에 대한 의사결정시 활용할 수 있다. 유지관리에 BIM을 적용하고 정보의 재활용성을 향상시키기 위해 통합 정보체계를 구축하고 앞서 분석한 연계 방향성을 고려하여 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4

Integrated Maintenance Information System

4. 결 론

본 논문에서는 유지관리에 BIM을 적용하기 위해 안전진단, 내구수명 예측, 가치평가 방법 등을 조사⋅분석하여 적절한 기법을 선정하고 이에 필요한 항목들을 정리하였다. 또한, 정보의 재활용성을 향상시켜 유지관리 의사결정에 활용될 수 있도록 각 정보의 연계 방향성을 검토하여 유지관리 통합 정보체계를 구축하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 국내의 안전진단은 「안전진단 및 정밀안전진단 세부지침」을 통해 안전 중심의 진단이 수행되고 있었으나, 성능 중심의 진단에 대한 관심이 급증하면서 「시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편)」이 개정되었다. 안전진단 과 성능진단 정보를 동시에 활용할 수 있도록 점검유형을 외관조사, 조사⋅재료시험, 구조 안전성, 사용성능으로 구분하고 안전진단 흐름을 통합하여 정보체계에 적용하였다.

(2) 교량의 내구수명은 효율적인 유지관리 의사결정을 하기 위해서 필요하다. RC의 경우 탄산화, 염해, 동해 열화에 대한 국내외 내구수명 예측 방법을 조사⋅분석하였고 기초 자료의 확보 가능 여부, 신뢰도, 국내 실정 등을 고려하여 내구수명 예측식을 선정하였다. 강재의 경우는 피로에 대하여 AASHTO (2011)MOLIT (2018)에서 사용하는 내구수명 예측식을 채택하여 정보체계에 적용하였다.

(3) 교량의 가치평가도 내구수명과 함께 유지관리 의사결정을 위한 도구로 활용될 수 있다. 가치평가는 역사적 원가를 사용하는 취득원가 방법과 해당 교량에 대한 현재시점의 재건설 비용을 사용하는 대체원가 방법으로 구분된다. 국내외 가치평가 방법을 분석한 결과, 방법에 따라 세부적인 금액을 산정하는 과정에 차이가 있지만 공통적으로 자산에서 비용을 감하여 교량의 가치를 평가하기 때문에 자산과 비용에 대한 항목을 정리하여 정보체계에 적용하였다.

(4) 유지관리에 BIM을 적용하기 위해 안전진단, 내구수명 예측, 가치평가에 필요한 항목 및 세부항목을 정리하고 연계 방향성을 검토하였다. 또한, 4단계로 각 정보들의 수준과 연계 방향성을 고려하여 통합 유지관리 정보체계를 구축하였다. 본 논문에서 제안한 정보체계와 3D 모델을 연계하여 BIM 구축시 교량의 효율적인 유지관리가 가능할 것이라 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구개발사업의 연구비지원(18CTAP-C117271-03)에 의해 수행되었습니다.

References

Al-Neshawy F. 2013. Computerised prediction of the deterioration of concrete building facades caused by moisture and changes in temperature. Ph.D. dissertation Aalto University;
American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). 2011. The manual for bridge evaluation 2nd editionth ed. Washington DC:
An JM, Park JB, Lee DY, Lee MJ. 2012;A study on asset valuation method for road facilities maintenance. Korean Journal of Construction Engineering and Management 13(4):141–151.
Browne RD. 1980. Mechanisms of corrosion of steel in concrete in relation to design, inspection, and repair of offshore and coastal structures. In : International Conference on Performance of Concrete in Marine Environment. ACI Special Publication. 65p. 169–204.
Chung-Ang University. 2017. A study on development and verification of standard technology for BIM-based special bridge maintenance Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation.
County Surveyors Society. 2005. Guidance document for highway infrastructure asset valuation
Governmental Accounting Standard Board. 2000. Guide to implementation of GASB statement 34 on basic financial statement and management’s discussion and analysis for state and local governments
Hamada M. 1968. Neutralization (Carbonation) of concrete and corrosion of reinforcing steel. In : 5th International Symposium on the Chemistry of Cement. Tokyo. 3p. 343–369.
Kishimoto Y, Hokoi S, Harada K, Takada S. 2005;Prediction model for carbonation of concrete structure considering heat and moisture transfer. Journal of Structure and Construction Engineering, AIJ 70(595):17–23.
Korea Concrete Institute. 2012. Concrete structure criteria Seoul: Korea Concrete Institute.
Korea Infrastructure Safety Corporation (KISTEC). 2017a. Detailed guideline for safety and maintenance implementation of facilities
Korea Infrastructure Safety Corporation (KISTEC). 2017b. Detailed guideline for safety examination and precision safety inspection
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM). 2009. Concrete standard specification
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). 2018a. Design standards for highway bridges (LRFD design method)
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). 2018b. Yearbook of Road Bridge and Tunnel Statistics
Nam JY, Jo CW, Park SH. 2017;A study on applying information framework for BIM based WBS: Focusing on civil construction. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society 18(11):770–777.
New Zealand National Asset Management Steering. 2006. New Zealand infrastructure asset valuation and depreciation guidelines
Tanesi J, Meininger R. 2006. Freeze-thaw resistance of concrete with marginal air content Fhwa-HRT-06-118. Federal Highway Administration. Washington, DC, USA:
Tuutti K. 1982. Corrosion of steel in concrete Swedish Cement and Concrete Research Institute. Stockholm, Sweden:
Walton JC, Plansky LE, Smith RW. 1990. Models for estimation of service life of concrete barriers in low-level radioactive waste disposal NUREG/CR-5542. Division of Engineering, office of Nuclear Regulatory Research. Washington, DC:

Article information Continued

Fig. 1

Safety Inspection Flow Chart

Fig. 3

Integrated Maintenance Information System

Fig. 4

Integrated Maintenance Information System

Table 1

Object Members for Safety Inspection (KISTEC, 2017b)

Classification Structure Member
Main Member Superstructure Slab
Girder
Substructure Abutment and Pier
Pylon
Basement
Cable Cable
Anchorage
Hanger Band
Saddle
Other Member Expansion Joint
Drainage Facility
Guardrail and Curb
Pavement
Auxiliary Secondary Cross Beam
Member Member Stringer

Table 2

Asset Valuation Methodology (An et al., 2012)

Unit Cost Valuation Method Explanation Depreciation
Historical Cost Historical Cost Initial construction cost of assets, also known as historical cost X
Value from Historical Cost Estimated value of public facility construction costs recorded in the past X
Corresponding Present Value The value of assets adjusted for historical cost by inflation, depreciation, consumption and wear O
GASB34 (Modified) Assuming that the condition of the facility is preserved, capitalization of addition and improvement costs without depreciation X
GASB34 (Depreciation) The method of valuating asset value by depreciating historical cost using straight-line method O
Book Value The value considering depreciation on the books. In other words, an evaluation method that indicates an adjusted historical cost considering depreciation O
Update Accounting Method It has the same preconditions as GASB34 (Modified), but uses a separate depreciation cost calcuation method O
Replacement Cost Replacement Cost The cost of rebuilding the assets of the past at the present time X
Deflated RC Calculate the present value by deflating the replacement cost at the present time point to the completion time point X
DRC (Depreciation Replacement Cost) Method of depreciation of asset value using current replacement cost O
WDRC (Written Down Replacement Cost) The cost of replacing an asset with its current condition in consideration of aging over time O
Net Deducted Amount The method of considering the replacement cost and the cost of returning it to the asset condition at the time of construction X

Table 3

Valuation Configuration Items

Classification Items
Assts Historical Cost
Replacement Cost
Improvement Cost
(Preservation Cost)
Preofit X
Cost Depreciation Cost [Straight line Method/ Condition Assessment Grade]
Ordinary Maintenance Cost
(Preservation Cost)

Table 4

Library Items & Linkage of Remaining Life

Classification Items Detail Items Linkage
Concrete Chloride (Assumption) Critical Chloride Concentration X
Surface Chloride Concentration X
Water-Cement Ratio Basic Information(Element)
Design Cover Thickness Basic Information(Element)
Chloride (Investigation) Chloride Concentration(Depth) Investigation & Material Test
Critical Chloride Concentration X
Initial Chloride Concentration X
Surface Chloride Concentration X
Measurement Depth Investigation & Material Test
Design Cover Thickness Basic Information(Element)
Public Years Basic Information(Bridge)
Carbonation (Assumption) Water-Bond Ratio Basic Information(Element)
Design Cover Thickness Basic Information(Element)
Public Years Basic Information(Bridge)
Environmental Impact Factor X
Carbonation (Investigation) Design Cover Thickness Basic Information(Element)
Public Years Basic Information(Bridge)
Carbonation Depth Investigation & Material Test
Freezing-Thawing Number of Annual Freezing-Thawing Investigation & Material Test
Degree of critical freezing damage X
Air Content of Concrete Basic Information(Element)
Water-Cement Ratio Basic Information(Element)
Steel Fatigue Measured Effective Stress Range X
Partial Load Factor X
Resistance Factor X
Fatigue Constant X
Number of Stress Range Cycles X
Average Daily Truck Traffic Service Performance
Traffic Factor of Single Lane X

Table 5

Library Items & Linkage of Valuation

Classification Items Detail Items Linkage
Historical Cost Current Construction Cost Construction Cost Basic Information (Bridge)
Land Cost Basic Information (Bridge)
Extra Cost Basic Information (Bridge)
Maintenance Cost Improvement Cost Repair & Rehabilitation
Preservation Cost Repair & Rehabilitation
Ordinary Maintenance Cost X
Depreciation Cost [Straight Line Method] Residual Value X
Current Construction Cost X
Remaining Life Remaining Life
Public Years Basic Information (Bridge)
Depreciation Cost [BHI] Bridge Health Index Condition Assessment / Conditional Safety
Real Discount Rate Real Discount Rate X
Replacement Cost Current Construction Cost Average Unit Cost of Constructon X
Bridge Area Basic Information (Bridge)
Depreciation Cost [Straight Line Method] Residual Value X
Current Construction Cost X
Remaining Life Remaining Life
Depreciation Cost [BHI] Public Years Basic Information (Bridge)
Bridge Health Index Condition Assessment / Conditional Safety