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문제 정의
- 도져운반에서 처리하지 못한 물량은 덤프트럭 운반으로 물량이 이동되어야 하며, 본 연구에서는 덤프트럭 운반 물량이 최적화가 되는 결과값을 찾는 것이 목적이다. [Fig.
- 본 논문은 도로공사 사업 중 단일 공종으로 전체 도로공사에서 사업비 수행이 큰 토공운반에 대해 최적의 운반계획을 수립하기 위해 토공물량 최적화 프로그램을 제작 후 사례결과를 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 본 연구는 도로공사 토공사 공종에서 최적화된 토공물량 운반계획을 통해 공기단축, 공사비 감소를 기대할 수 있는 덤프트럭 운반계획을 최적화를 위한 대상으로 한다.
- 셋째, 본 연구에서 개발된 프로그램은 국도건설공사 설계 실무요령을 바탕으로 국내의 건설공사 실정에 맞게 프로그래밍 되었으며, 본 연구에서 수행한 사례연구를 통해 모델의 타당성을 증명하였다. 실제 건설공사 현장에서 본 모델을 적용할 경우, 공사기간 및 공사비가 절감되는데 그 목적이 있다.
- 또한, 공사의 규모가 커질수록 많은 반복 작업이 요구될 뿐만 아니라 적정성을 판단하는 데도 한계가 있다(이철규 외 2003). 이렇듯 운반계획을 수립한 것이 가장 효율적인 공사계획이 아닐 수 있으므로 본 연구에서는 토공물량 운반계획 시 현장관리자의 주관적인 판단이 아닌, 토공물량 운반계획 최적해를 구하는 모델을 제시 후 이를 기반으로 토공물량 운반 최적화 프로그램 제작하고, 사례연구를 통해 적용효과를 제시하고자 한다.
제안 방법
- Step 3에서는 Step 2에서 제시한 60m를 분할하는 3가지의 대안을 최적화하는 과정이 진행된다. 60m 이상 운반되는 물량은 덤프트럭, 백호를 통해 작업이 진행되며 수송모형 이론을 근거로 하는 토공물량 최적화를 통해 찾을 수 있도록 한다. 목적함수로 운반물량과 실제로 운반이 이뤄지는 거리에 대한 Data가 입력되어야 하므로 각 구간별 이동거리 또한 산정이 되어야 한다([Fig.
- 기존 유사연구의 분석 및 한계점을 파악하고, 선형계획모델 수송모형이론의 이론적 고찰을 수행한다.
- 적용사례의 깎기량, 쌓기량 산정을 시행한 결과 예상 깎기량은 725,043㎥, 쌓기량은 650,769㎥이다. 깎기량이 쌓기량보다 물량이 많이 존재하기 때문에 사토장의 계획이 필요하였으며, 주변 대지분석을 통해 사토장 예정 가능지를 선정하였다.
- 넷째, 본 연구에서 제작된 프로그램을 활용하여 기수행 된 도로공사의 운반계획을 기존의 운반계획과 비교하였다. 토공사 공종에 한하여 비용측면에서 약 11.
- 6]의 그림⑦과 같이 각 구간별 운반물량을 산출할 수 있다. 대안 중 목적함수의 값이 가장 적은 대안을 선택하게 되며, 선택된 대안을 통해 생산성 정보를 입력하여 공사기간 및 공사비 산정이 가능하도록 모델을 개발하였다.
- 도로공사에 미치는 영향요인 중 토사의 재사용 비율은 일반화된 단일 고정값을 사용할 수 없으며, 현장 조건에 따라 변화하는 변수 값으로 최적화 프로그램 내에서 이를 현장 조건에 맞추어 설정할 수 있도록 개발하였다. 본 연구의 경우 사례 현장에 적용한 토사 재사용률은 사례 현장의 조건에 부합하기도 하지만, 일반적인 도로 토공사에 보편적으로 적용되는 일반토사 재사용률 70%, 리핑·발파암 재사용률 100%로 설정하여 적용하였다.
- 도져운반은 최대 60m로 구분하여 운반작업이 진행되며, 60m 단위로 분할되는 기준에 따라 도져운반되는 물량이 바뀔 수 있기에 본 연구에서는 3가지의 대안으로 60m 단위로 분류하여 최적의 토공물량 운반계획을 도출할 수 있도록 하였다. 또한, 본 논문에서는 토공물량 운반 최적화를 진행 후 검증하는 방안으로 토질의 종류에 따라 생산성 정보를 고려하여 기존 방법과의 비교를 시행하였다.
- 둘째, 이에 본 연구에서는 기존 현장관리자의 경험에 기반을 둔 토사, 리핑암, 발파암의 덤프트럭 운반계획 향상을 위해 토공물량 최적화 프로그램을 제작하였다. 프로그램 제작을 위해 국도건설공사 설계실무요령을 바탕으로 토공물량 이동 알고리즘을 수립하였으며, 수립된 알고리즘을 바탕으로 토공사 운반계획에 영향을 미치는 영향요인(재사용 가능 토사의 비율, 토공물량, 운반거리)을 프로그램 제작 시 고려하였다.
- 또한, Visual Studio에서 제공하는 DataGrid ViewControl을 사용해 위치, 물량 등 입력 가능한 Excel 파일을 생성하였으며 Office API, TabControl, TextBox, Button Control을 사용하여 토공물량 최적화 프로그램을 제작하였다.
- 본 연구의 결과값과 기수행된 덤프트럭 운반계획과의 비교를 위해 장비의 생산성은 건설공사 표준품셈(국토교통부 2015)에 제시된 기준을 활용하여 생산성 및 공사기간을 산출하였으며, 한국 물가정보지를 바탕으로 공사비를 산출하였다. 또한, 기존의 토공운반계획과의 비교를 위해 토사의 재사용률 또한 동일하게 산정하여 비교하였다.
- 도져운반은 최대 60m로 구분하여 운반작업이 진행되며, 60m 단위로 분할되는 기준에 따라 도져운반되는 물량이 바뀔 수 있기에 본 연구에서는 3가지의 대안으로 60m 단위로 분류하여 최적의 토공물량 운반계획을 도출할 수 있도록 하였다. 또한, 본 논문에서는 토공물량 운반 최적화를 진행 후 검증하는 방안으로 토질의 종류에 따라 생산성 정보를 고려하여 기존 방법과의 비교를 시행하였다. 위의 [Fig.
- 국내 도로공사 현장에서 기수행된 토공사 공종에서 토공물량 Data를 본 연구의 주된 목적인 토공물량 운반계획 최적화를 위한 기초자료로 사용한다. 또한, 현장에 대한 조사를 통해 총 구간길이 및 현장의 특성을 파악한다.
- 본 모델에서 활용된 목적함수 및 제한조건식은 위에서 소개한 수송모형 일반식에 토지의 재사용 비율이 경로별로 적용할 수 있게 모델을 만들었으며, 아래의 수식 (3)과 같다.
- 본 연구를 수행함에 3.1장에서 소개한 바와 같이 도져운반을 실시할 경우, 60m 단위로 Station을 구분할 때 3가지의 대안을 만들어 도져운반을 진행한다. [Table.
- 본 연구에서 제시한 토공물량 운반계획 최적화 방법은 MS-Excel 템플릿을 기반으로 하는 프로그램을 제작하였다. [Fig.
- 본 연구에서 제작된 토공물량 최적화 프로그램을 사례연구를 통해 적용성 검증을 실시한다.
- 본 연구에서는 운반거리에 따른 생산성을 구하기 위해 토공물량 최적화를 진행 후, 운반거리를 기준으로 800m 이하, 800~2500m, 2500m 이상 3가지 거리 정보를 통해 생산성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 토공물량 운반 최적화 프로그램을 제작하기 위해 기수행된 연구에서 고려하지 않은 영향요인의 개념을 토공물량 최적화 프로그램에 포함했다. 영향요인을 선정하기 위해 현장 전문가와의 인터뷰를 진행하였으며, 이를 통해 현장에서 토공사에 영향을 미치는 요인을 선정했다.
- 이를 해결하기 위해 공급량이 수요량을 초과하면 가수요지(사토장)도입이 필요하며, 수요량이 공급량을 초과하면 가공급지(토취장) 도입이 필요하다. 본 연구의 모델 구축에서는 사토장, 토취장의 계획을 고려하였으며, 현장의 조건을 보다 현실적으로 적용하기 위해 재사용 가능한 토사의 비율을 결정할 수 있도록 구성하였다.
- 사용자가 토공물량 최적화 프로그램을 실행하여 프로젝트의 전체 공사구간, 재사용 가능한 토사의 비율, 20m Station 별 Cut 물량, Fill 물량 등을 입력하면, 이를 기반으로 프로그램을 통해 각 구간별 무대운반물량, 도져운반물량, 최적화된 덤프트럭 운반물량을 확인할 수 있으며, 최적화된 운반 물량을 기반으로 생산성 정보를 통해 각 구간별 작업량을 산정할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 운반거리에 따른 생산성을 구하기 위해 토공물량 최적화를 진행 후, 운반거리를 기준으로 800m 이하, 800~2500m, 2500m 이상 3가지 거리 정보를 통해 생산성을 측정하였다. 생산성 정보를 통해 토공사의 공사기간과 공사비를 산출하였다. 표준품셈에서 제공하는 덤프트럭 운반의 생산성을 통해 토사, 리핑암, 발파암의 덤프트럭 운반 생산성을 산출하였으며, 이를 토대로 거리에 따른 일일생산성을 [Fig.
- 앞서 개발한 알고리즘 및 덤프트럭 토공물량 운반계획을 기반으로 토공물량 최적화 프로그램을 제작하며, 제작된 프로그램을 통해 본 모델의 타당성을 분석한다.
- 본 연구에서는 토공물량 운반 최적화 프로그램을 제작하기 위해 기수행된 연구에서 고려하지 않은 영향요인의 개념을 토공물량 최적화 프로그램에 포함했다. 영향요인을 선정하기 위해 현장 전문가와의 인터뷰를 진행하였으며, 이를 통해 현장에서 토공사에 영향을 미치는 요인을 선정했다. 선정된 영향요인은 토공물량 운반 최적화 프로그램에 포함되며, 토공사에 영향을 미치는 요인을 3가지로 분리하여 아래 [Table.
- 무대운반 시행 후 L≤60m 이내로 Station을 통합하여 도져운반이 시행된다. 이때 60m 단위로 통합하게 되는 기준에 따라 도져운반 물량 및 덤프트럭 운반 시 운반되는 물량이 변화할 수 있기에 본 연구에서는 통합하게 되는 기준을 3가지의 대안을 만들어 도져운반을 진행하였다(Fig. 5의 그림④참조). 이처럼 묶인 동일 Station 내에 깎기량과 쌓기량이 동시에 존재할 경우 도져운반이 이뤄진다.
- 이와 같은 조건들을 활용하여 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 토공물량 최적화 프로그램을 제작한다.
- 강태욱 외(2011)는 이동 불가능한 체적지 영역을 고려한 토량이동 알고리즘을 연구하였다. 최적의 비용을 고려한 토공물량 이동계획에 대한 연구를 진행하였으며, 토량이동이 불가능한 호수, 늪지, 문화재 보존지역과 같은 영향요인들을 고려해 토공 운반비용 최적해를 구하는 모델을 제안하였다. 백경근 외(2009)는 대규모 토목공사 시 설계 및 시공전문가 설문을 바탕으로 효율적인 운반경로 선정을 위해 우선적으로 고려되어야 할 영향요소를 도출하였다.
- 최적의 토공물량 운반계획을 도출할 수 있는 알고리즘을 개발하고, 개발된 알고리즘을 기반으로 덤프트럭 토공물량 운반계획 모델의 결과값을 도출한다.
- 또한, 토공사 장비의 생산성은 국내의 표준품셈, 국도건설 공사 설계실무요령, 물가정보지 등을 활용하였다. 최적화 모델 구축에 MS-Excel과 선형계획 프로그램인 Solver(해 찾기 프로그램)를 활용하였으며, 제한조건 및 변수를 각각 수립 후 선형계획모델로 프로그램을 개발하였다.
- 토공물량 프로그램의 정보입력의 용이함을 높이기 위해 Visual Studio 프로그램에서 C#언어와 Microsoft Excel에서 제작된 모델을 통해 프로그램을 개발하였다.
- 생산성 정보를 통해 토공사의 공사기간과 공사비를 산출하였다. 표준품셈에서 제공하는 덤프트럭 운반의 생산성을 통해 토사, 리핑암, 발파암의 덤프트럭 운반 생산성을 산출하였으며, 이를 토대로 거리에 따른 일일생산성을 [Fig. 11의 (3)]과 같이 정리하였다. 이를 토대로 공사기간을 산출한 결과 105일에서 85일로 약 19.
- 둘째, 이에 본 연구에서는 기존 현장관리자의 경험에 기반을 둔 토사, 리핑암, 발파암의 덤프트럭 운반계획 향상을 위해 토공물량 최적화 프로그램을 제작하였다. 프로그램 제작을 위해 국도건설공사 설계실무요령을 바탕으로 토공물량 이동 알고리즘을 수립하였으며, 수립된 알고리즘을 바탕으로 토공사 운반계획에 영향을 미치는 영향요인(재사용 가능 토사의 비율, 토공물량, 운반거리)을 프로그램 제작 시 고려하였다.
대상 데이터
- 국내 도로공사 현장에서 기수행된 토공사 공종에서 토공물량 Data를 본 연구의 주된 목적인 토공물량 운반계획 최적화를 위한 기초자료로 사용한다. 또한, 현장에 대한 조사를 통해 총 구간길이 및 현장의 특성을 파악한다.
- 또한, 토공사 장비의 생산성은 국내의 표준품셈, 국도건설 공사 설계실무요령, 물가정보지 등을 활용하였다. 최적화 모델 구축에 MS-Excel과 선형계획 프로그램인 Solver(해 찾기 프로그램)를 활용하였으며, 제한조건 및 변수를 각각 수립 후 선형계획모델로 프로그램을 개발하였다.
- 본 연구에서는 공급지(Cut 구간은 m개)에서 수요지 (Fill 구간은 n개)로 토공물량을 최단경로와 최소의 비용으로 수송하고자 수송모형모델을 활용하였다.
- 본 연구의 연구지역은 과거 도로공사가 진행되었던 전라남도 진도군 G공사 현장이며, 노선계획에 의해 사토가 발생하는 지역이다. 총 사례프로젝트의 요소는 [Fig.
- 총 공사구간은 길이 5.13km, 폭 20m로 도로공사의 특성상 중규모 이상의 공사이다. 적용사례의 깎기량, 쌓기량 산정을 시행한 결과 예상 깎기량은 725,043㎥, 쌓기량은 650,769㎥이다.
이론/모형
- 본 연구에서 소개할 토공물량 운반계획 최적화 모델은 경영과학 분야에서 다방면으로 활용되는 수송모형이론을 근거로 하였다. 수송모형(Transportation Model)이란 다수의 공급지로부터 다수의 수요지로 동질(Homogeneous)의 제품 또는 서비스를 최소의 비용으로 수송하기 위한 목적으로 개발되었다.
- 11]은 사례연구지역의 기수행된 덤프트럭 운반계획과 최적화를 통한 결과값을 전·후 비교한 값이다. 본 연구의 결과값과 기수행된 덤프트럭 운반계획과의 비교를 위해 장비의 생산성은 건설공사 표준품셈(국토교통부 2015)에 제시된 기준을 활용하여 생산성 및 공사기간을 산출하였으며, 한국 물가정보지를 바탕으로 공사비를 산출하였다. 또한, 기존의 토공운반계획과의 비교를 위해 토사의 재사용률 또한 동일하게 산정하여 비교하였다.
성능/효과
- 각 구간별 물량(토사량, 리핑암량, 발파암량)과 총 공사구간의 운반거리, 사토장·토취장의 운반거리를 토공물량 최적화 프로그램에 입력하면 총 공사구간에서 운반거리와 운반물량이 고려된 최적화된 토공 운반계획을 확인할 수 있다.
- 각 대안의 목적함수의 총합을 비교·분석한 결과 대안1의 2,457,821㎣로 가장 적은 것으로 확인되었다.
- 60m 구간 내에서 운반 가능한 토사, 리핑암량, 발파암량은 각각의 공급·수요 가능한 물량을 초과하지 않게 수식 (3)의 제한조건을 입력하였다. 또한, 모든 경로에서 토사의 재사용 비율을 적용할 수 있도록 모델을 만들었으며, 전체 공사구간 중 일부 지역에서의 토사 재사용 비율이 낮거나 높을 경우 적용 가능할 수 있도록 하였다. 변수로는 [Fig.
- 본 연구의 경우 사례 현장에 적용한 토사 재사용률은 사례 현장의 조건에 부합하기도 하지만, 일반적인 도로 토공사에 보편적으로 적용되는 일반토사 재사용률 70%, 리핑·발파암 재사용률 100%로 설정하여 적용하였다.
- 셋째, 본 연구에서 개발된 프로그램은 국도건설공사 설계 실무요령을 바탕으로 국내의 건설공사 실정에 맞게 프로그래밍 되었으며, 본 연구에서 수행한 사례연구를 통해 모델의 타당성을 증명하였다. 실제 건설공사 현장에서 본 모델을 적용할 경우, 공사기간 및 공사비가 절감되는데 그 목적이 있다.
- 11의 (3)]과 같이 정리하였다. 이를 토대로 공사기간을 산출한 결과 105일에서 85일로 약 19.1% 감소하였으며, 토공사 공종 중 덤프트럭 운반계획만을 고려하였을 경우 간접비를 제외한 공사비는 1,250,825,000원에서 1,104,822,000원으로 약 11.6% 감소하였음을 확인할 수 있다.
- 13km, 폭 20m로 도로공사의 특성상 중규모 이상의 공사이다. 적용사례의 깎기량, 쌓기량 산정을 시행한 결과 예상 깎기량은 725,043㎥, 쌓기량은 650,769㎥이다. 깎기량이 쌓기량보다 물량이 많이 존재하기 때문에 사토장의 계획이 필요하였으며, 주변 대지분석을 통해 사토장 예정 가능지를 선정하였다.
- 넷째, 본 연구에서 제작된 프로그램을 활용하여 기수행 된 도로공사의 운반계획을 기존의 운반계획과 비교하였다. 토공사 공종에 한하여 비용측면에서 약 11.6%, 공기측면에서는 약 19.1% 감소하는 효과를 보여주었다.
후속연구
- 기존의 연구동향으로 비추어볼 때 복합적인 영향요인을 고려한 토공물량 운반계획 최적화에 대한 연구는 상대적으로 미비하였으며, 본 연구를 통해 최적의 운반계획, 나아가 프로젝트 관리의 공기단축 및 공사비감소 효과를 향상시킬 것으로 기대된다.
- 토공운반계획의 효율성을 향상시키기 위해 운반물량과 운반거리가 최소가 되도록 수송문제 이론을 기반으로 한 연구가 진행되었다(Mayer 1981, Easa 1987,1988). 기존의 연구동향으로 비추어볼 때 영향요인(토사의 재사용 비율, 물량(토사, 리핑, 발파), 운반거리)을 고려한 토공물량 운반계획 최적화에 대한 연구는 상대적으로 미비하였으며, 본 연구를 통해 수송문제이론을 고려한 최적의 운반계획, 나아가 프로젝트 관리의 공기단축 및 공사비 감소 효과를 향상시킬 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 개발한 토공물량 최적화 프로그램의 활용 가능성을 충분히 살펴볼 수 있었던 것으로 사료되며, 나아가 본 연구에서 제작한 프로그램을 통하여 도로공사의 토공사 공사비 예측 또한 가능할 것으로 기대한다.
- 본 연구에서 개발한 토공물량 최적화를 활용하여 건설공사 현장에서 공사계획 수립 시 토공물량 운반계획에 대하여 경제적이면서 합리적인 의사결정을 내릴 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구의 한계점으로 도로공사 토공물량 운반계획 중 현장 외 운반(사토장&토취장)의 운반속도, 한 개의 사토장·토취장으로의 운반만 고려되었다.
- 한 개의 사토장·토취장이 아닌 복수의 사토장·토취장이 존재할 경우 본 모델을 활용하기 다소 어려울 것으로 사료된다. 이에 향후 연구과제로 복수의 사토장·토취장을 고려하여 현장 내·외 운반계획에 관한 후속연구를 추천한다.
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