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문제 정의
- 따라서 본 논문은 건설 기계공사 원가 절감에 주요한 영향을 미치는 시공요소의 실사를 통해 건설 기계의 시공능력을 산정하였다. 또한 건설공사 표준품셈의 일괄적 값을 적용하는 문제점을 보완하기 위해 시뮬레이션을 실행하였다.
- 그러나 작업효율은 그 정의와 이를 계산하기 위한 공식이 명확하지 않은 실정이다. 따라서 본 논문은 건설기계 성능 개선과 효율적인 공사계획 여부에 따라 차이가 발생하는 사이클타임에 대해서 현장실사를 수행하였다.
- 건설기계의 시공능력은 건설공사의 작업계획 및 시공방법 결정에 중요한 요인이지만 현재 국내 공공공사에 적용되는 시공능력산정식 및 이와 관련된 계수에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문은 현대 표준품셈에서 제시하는 건설기계의 작업량이 실제 작업량과의 차이를 분석하였다. 표준품셈에 제시된 사이클타임은 오랜기간동안 변동되고 있지 않은 실정이므로 본 연구는 현장실사를 통해 사이클타임을 조사하고 이를 반영하여 실제작업현장의 작업량을 시뮬레이션을 통해 추정하였다.
- 본 연구는 먼저 건설공사 수행 시 건설기계 시공능력을 산정하는 기본 식에 대한 내용을 검토하였다. 기존 관련 문헌자료를 통해 시뮬레이션 관련의 방법론적 연구와 건설기계의 내용 연구에 관련하여 선행연구를 분석하였다.
- 또한 건설공사 표준품셈의 일괄적 값을 적용하는 문제점을 보완하기 위해 시뮬레이션을 실행하였다. 확률적 접근을 함으로써 예측될 수 있는 모든 값을 제시하고, 향후 공공건설사업의 건설원가 예측 및 유사연구 시 비교수단을 제공하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 굴삭기, 로우더의 사이클타임 실사를 위해 현장조건, 토질상태, 작업시간, 규격 등을 분류하여 실사 양식을 작성하였다. 굴삭기의 경우 선회각의 크기에 따라 분류하였고, 로우더의 경우 무한궤도식과 타이어식으로 분류하여 산적 및 지면굴착집토의 상태에 따라 사이클타임과 측정횟수를 기록하였다.
- 굴삭기는 현장조건 보통에서의 1.0㎥ 규격 4대와 1.8㎥ 규격 1대를 선회각별 실측하였다. 그 값은 다음 표 3과 같으며, 선회각이 커질수록 사이클타임의 평균값이 증가한다.
- 사이클타임은 실사 시 측정된 시간 및 측정횟수를 이용, 빈도로 나타낸 결과 삼각분포형태(대칭 및 비대칭)로 나타나 최소값, 최빈값, 최대값을 지정하여 이를 적용하였다. 굴삭기와 로우더의 작업량 산정 시, 버킷계수와 체적환산계수는 고정변수로 놓았다.
- 굴삭기, 로우더의 사이클타임 실사를 위해 현장조건, 토질상태, 작업시간, 규격 등을 분류하여 실사 양식을 작성하였다. 굴삭기의 경우 선회각의 크기에 따라 분류하였고, 로우더의 경우 무한궤도식과 타이어식으로 분류하여 산적 및 지면굴착집토의 상태에 따라 사이클타임과 측정횟수를 기록하였다.
- 굴삭기의 경우 아파트 현장을 방문하여 오전, 오후 각 3시간씩 4대의 굴삭기를 대상으로 사이클타임을 실측하였다. 해당 현장에서 작업중인 1.
- 규격이 1.0㎥, 45°의 작업을 하는 굴삭기의 스프레드시트는 표 5와 같으며, 버킷계수 0.9, 체적환산계수 1을 적용하였다.
- 본 연구는 먼저 건설공사 수행 시 건설기계 시공능력을 산정하는 기본 식에 대한 내용을 검토하였다. 기존 관련 문헌자료를 통해 시뮬레이션 관련의 방법론적 연구와 건설기계의 내용 연구에 관련하여 선행연구를 분석하였다. 이 과정을 통하여 건설현장에 주로 사용되는 건설기계 중 토공작업에 가장 많이 활용되고 있는 굴삭기, 로우더를 연구 대상으로 선정하였고, 건설공사 수행 시 건설기계 시공능력을 산정하는 기본 식 요소 중 하나인 사이클타임에 대한 실사를 수행하였다.
- 따라서 본 논문은 건설 기계공사 원가 절감에 주요한 영향을 미치는 시공요소의 실사를 통해 건설 기계의 시공능력을 산정하였다. 또한 건설공사 표준품셈의 일괄적 값을 적용하는 문제점을 보완하기 위해 시뮬레이션을 실행하였다. 확률적 접근을 함으로써 예측될 수 있는 모든 값을 제시하고, 향후 공공건설사업의 건설원가 예측 및 유사연구 시 비교수단을 제공하는데 목적이 있다.
- 로우더는 타이어식 로우더를 대상으로 산적상태에서 실측하였으며, 현장조건은 용이와 보통의 두 가지 조건에서 측정하였다. 현장조건이 용이할 경우 작업이 수월하기 때문에 보통일 경우에 비해 사이클타임이 적게 측정되었다.
- 버킷용량, 버킷계수, 체적환산계수는 크리스탈 볼 실행 시 입력값과 동일하며, 작업효율은 최대값 0.90을 적용하였고 사이클타임은 45° 작업시의 19초를 적용하였다.
- 작업효율은 건설공사 표준품셈에 제시된 값을 이용하였으며, 그 빈도가 일정하여 균등분포를 적용하였다. 사이클타임은 실사 시 측정된 시간 및 측정횟수를 이용, 빈도로 나타낸 결과 삼각분포형태(대칭 및 비대칭)로 나타나 최소값, 최빈값, 최대값을 지정하여 이를 적용하였다. 굴삭기와 로우더의 작업량 산정 시, 버킷계수와 체적환산계수는 고정변수로 놓았다.
- 사이클타임은 최소값 6초, 최빈값 9초, 최대값 25초를 적용한 삼각분포를 적용하였고, 작업효율은 최소값 0.25, 최대값 0.75의 균등분포를 적용하였다. 1,000회의 시뮬레이션 수행 결과, 그림 4와 같이 최소작업량 31.
- 사이클타임의 분포는 현장 조사 결과를 근거로 최소값 7초, 최빈값 11초, 최대값 15초의 삼각분포를 적용하였으며, 작업효율은 최소값 0.35, 최대값 0.90의 균등분포를 적용하였다. 시뮬레이션의 횟수는 시뮬레이션 모의실험의 유효성과 직결되는 중요 요소이며, 본 연구는 1,000회의 시뮬레이션을 수행하였다.
- 장기간의 현장실사를 통하여 자료를 수집하고 분석하는 것이 자료의 신뢰성을 확보할 수 있으나 작업장의 여건 및 기계의 활용, 시간적 문제 등 현실적으로 불가능하여 간격을 두고 몇 번의 현장실사를 수행하였다. 실사 후 측정된 값을 분석한 후 Crystal Ball을 이용하여 시뮬레이션을 실행하고 작업량 산출 및 분포도, 예측차트, 민감도 분석을 실시하였다. 또한 현재 건설공사에 적용되고 있는 값을 이용하여 산출된 작업량과 시뮬레이션 실행 결과 작업량을 비교하여 결론을 도출하였다.
- 확률분포도 내의 난수들은 무작위로 조합되어 예측값을 도출한다. 작업효율은 건설공사 표준품셈에 제시된 값을 이용하였으며, 그 빈도가 일정하여 균등분포를 적용하였다. 사이클타임은 실사 시 측정된 시간 및 측정횟수를 이용, 빈도로 나타낸 결과 삼각분포형태(대칭 및 비대칭)로 나타나 최소값, 최빈값, 최대값을 지정하여 이를 적용하였다.
- 이 과정을 통하여 건설현장에 주로 사용되는 건설기계 중 토공작업에 가장 많이 활용되고 있는 굴삭기, 로우더를 연구 대상으로 선정하였고, 건설공사 수행 시 건설기계 시공능력을 산정하는 기본 식 요소 중 하나인 사이클타임에 대한 실사를 수행하였다. 장기간의 현장실사를 통하여 자료를 수집하고 분석하는 것이 자료의 신뢰성을 확보할 수 있으나 작업장의 여건 및 기계의 활용, 시간적 문제 등 현실적으로 불가능하여 간격을 두고 몇 번의 현장실사를 수행하였다. 실사 후 측정된 값을 분석한 후 Crystal Ball을 이용하여 시뮬레이션을 실행하고 작업량 산출 및 분포도, 예측차트, 민감도 분석을 실시하였다.
- 따라서 본 논문은 현대 표준품셈에서 제시하는 건설기계의 작업량이 실제 작업량과의 차이를 분석하였다. 표준품셈에 제시된 사이클타임은 오랜기간동안 변동되고 있지 않은 실정이므로 본 연구는 현장실사를 통해 사이클타임을 조사하고 이를 반영하여 실제작업현장의 작업량을 시뮬레이션을 통해 추정하였다. 그 결과는 다음과 같다.
- 해당 현장에서 작업중인 1.0㎥ 및 1.8㎥규격을 실측하였으며, 45°, 90°, 135°, 180°에 대한 선회각별 사이클타임을 측정하였다.
대상 데이터
- 90의 균등분포를 적용하였다. 시뮬레이션의 횟수는 시뮬레이션 모의실험의 유효성과 직결되는 중요 요소이며, 본 연구는 1,000회의 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 사이클타임과 작업효율의 조합으로 인한 작업량과 각 작업량의 누적 작업량은 그림 2와 같다.
- 기존 관련 문헌자료를 통해 시뮬레이션 관련의 방법론적 연구와 건설기계의 내용 연구에 관련하여 선행연구를 분석하였다. 이 과정을 통하여 건설현장에 주로 사용되는 건설기계 중 토공작업에 가장 많이 활용되고 있는 굴삭기, 로우더를 연구 대상으로 선정하였고, 건설공사 수행 시 건설기계 시공능력을 산정하는 기본 식 요소 중 하나인 사이클타임에 대한 실사를 수행하였다. 장기간의 현장실사를 통하여 자료를 수집하고 분석하는 것이 자료의 신뢰성을 확보할 수 있으나 작업장의 여건 및 기계의 활용, 시간적 문제 등 현실적으로 불가능하여 간격을 두고 몇 번의 현장실사를 수행하였다.
데이터처리
- 실사 후 측정된 값을 분석한 후 Crystal Ball을 이용하여 시뮬레이션을 실행하고 작업량 산출 및 분포도, 예측차트, 민감도 분석을 실시하였다. 또한 현재 건설공사에 적용되고 있는 값을 이용하여 산출된 작업량과 시뮬레이션 실행 결과 작업량을 비교하여 결론을 도출하였다.
이론/모형
- 시뮬레이션의 적용은 모형개발과 개발한 모형을 반복시켜 결과를 얻는 두 단계를 거치게 된다. 본 연구는 대표적인 엑셀 추가 시뮬레이션 프로그램인 크리스탈 볼(Crystal Ball)을 활용하였다.
성능/효과
- 1) 굴삭기의 작업량(Q)에 대한 작업효율(E)의 민감도는 80%, 사이클타임(㎝)의 민감도는 -20%로 나타났고, 로우더의 경우 작업효율(E)의 민감도는 96%, 사이클타임 t1의 민감도는 -4%로 나타났다. 작업효율은 작업량 산정 시 계수에 곱해져 미치는 영향이 크다.
- 75의 균등분포를 적용하였다. 1,000회의 시뮬레이션 수행 결과, 그림 4와 같이 최소작업량 31.63㎥/hr, 최대작업량 127.90㎥/hr로 나타났다.
- 2) 표준품셈에 제시된 작업효율의 최대값을 적용한 굴삭기의 작업량은 시뮬레이션 실행 결과로 나타난 굴삭기 누적작업량의 약 40%에 해당되었으며, 로우더의 경우 약 95%에 해당되었다. 굴삭기의 경우 기계 성능 향상의 고려와 함께 작업효율이 작업량에 미치는 민감도 %가 사이클타임에 비해 미치는 영향이 크다는 것을 감안했을 때 현 건설공사 예정가격 산정에 적용되는 작업량이 적다고 할 수 있다.
- 9, 체적환산계수 1을 적용하였다. 가정값인 작업효율과 사이클 타임의 base case는 0.775와 12.095, 예측값인 작업량은 202.241㎥/hr로 나타났다.
- 71을 적용하였다. 가정값인 작업효율과 사이클타임의 base case는 각 0.695와 19.223, 예측값인 작업량은 89.538㎥/hr로 나타났다.
- 규격 1.0㎥ 굴삭기의 작업량은 선회 각 180°일 경우 최소 55.45㎥/hr에서 선회각 45°일 경우 최대 398.18㎥/hr 범위 내에서 산출되었다.
- 본 연구 결과로 제시된 건설기계의 시간당 작업량은 공사계획단계에서 표준품셈에서 제시된 작업량과 상호보완하며 사용 가능할 것으로 사료된다. 그러나 본 연구를 통해 작업효율이 작업량에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 작업효율의 경우 계산방법과 정의가 명확하지 않고 제시된 작업효율이 도출된 기초자료도 없는 상태이다.
- 작업효율이 양의 값, 사이클타임은 음의 값을 나타냈는데, 이는 다른 변수 값이 일정하다면 사이클타임이 커질수록 작업량이 적어진다는 것을 의미한다. 민감도 차트에서 볼 수 있듯이 작업효율은 사이클타임에 비해 작업량에 더 많은 영향을 미치는 요인이라는 것을 확인할 수 있다.
- 작업량에 대한 작업효율의 민감도는 평균 80%, 사이클타임의 민감도는 평균 -20%로 나타났으며, 건설공사 표준품셈에 제시된 값을 적용한 규격 1.0㎥, 1.8㎥ 굴삭기의 선회각 별 시간당 작업량은 시뮬레이션 실행 결과로 나타난 굴삭기 누적작업량의 약 40%에 해당되었는데, 이는 작업효율의 최대값을 적용한 점을 고려한다면 다소 낮은 값이라고 판단된다.
- 작업량에 대한 작업효율의 민감도는 평균 96%, 사이클타임(t1)의 민감도는 평균 -4%로 나타났다. 로우더의 사이클타임은 ml + t1 + t2인데 계측가능한 t1만 고려하였기 때문에 사이클타임의 민감도가 낮게 나타났다.
- 로우더의 시뮬레이션 결과는 표 7과 같다. 작업조건이 용이할 때 작업량은 최소 43.48㎥/hr에서 최대 438.46㎥/hr 범위내에서 산출되었으며, 작업조건이 보통일 때 작업량은 최소 31.63㎥/hr에서 최대 127.90㎥/hr 범위 내에서 산출되었다.
- 작업효율의 작업량에 대한 민감도는 93.3%, 사이클타임에 대한 민감도는 -6.7%로 나타났으며, 작업효율이 사이클타임의 약 14배에 해당하는 민감도를 나타내는 것을 알 수 있다.
- 시뮬레이션 수행 결과, 사이클타임과 작업효율의 조합으로 인한 작업량과 각 작업량의 누적 작업량은 그림 2와 같다. 최소작업량 84.65㎥/hr, 최대작업량 398.18㎥/hr, 그리고 발생빈도가 가장 높은 작업량의 값은 186.52㎥/hr로 나타났다.
- 현장조건이 용이할 경우 작업이 수월하기 때문에 보통일 경우에 비해 사이클타임이 적게 측정되었다. 표 3과 같이 작업조건이 용이할 경우는 총 273회 측정하여 최소 4초에서 최대 8초였으며 평균 6초가 걸리는 것으로 나타났다. 그리고 작업조건이 보통일 경우는 최소 6초에서 최대 25초로이며 평균 9초로 조사되었다.
후속연구
- 그러나 작업효율의 경우 계산방법과 정의가 명확하지 않고 제시된 작업효율이 도출된 기초자료도 없는 상태이다. 따라서 추후 기계능력 향상에 따른 사이클타임의 업데이트와 함께 작업효율의 개정․보완을위해 장기․지속적인 자료 분석 및 연구가 이루어져야할 것이다.
- 본 연구 결과로 제시된 건설기계의 시간당 작업량은 공사계획단계에서 표준품셈에서 제시된 작업량과 상호보완하며 사용 가능할 것으로 사료된다. 그러나 본 연구를 통해 작업효율이 작업량에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다.
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