[논문]건축물 3D 프린팅 공정 도출 및 공기 산정방식 개발

박형진; 서명배; 주기범

doi:10.5762/kais.2017.18.12.200

[국내논문] 건축물 3D 프린팅 공정 도출 및 공기 산정방식 개발
A Development of Work Item and Duration Estimation Method for 3D Printing based Building 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.12, 2017년, pp.200 - 207

박형진 (한국건설기술연구원 ICT융합연구소) , 서명배 (한국건설기술연구원 ICT융합연구소) , 주기범 (한국건설기술연구원 ICT융합연구소)

초록
AI-Helper

3D 프린팅은 기존 산업에 큰 변화를 일으키고 있으며 건설 분야에도 적용되기 시작하고 있다. 3D 프린팅 건설은 기존 공사 기법과는 차이가 있으므로 새로운 공사 프로세스 개발이 필요하다. 특히 정확한 공사기간 산정은 프로젝트의 성공적인 수행과 직결되어 있으므로 3D 프린팅 건설에 대한 공사기간 산정 기법 개발이 필요하다. 본 연구에서는 향후 3D 프린팅이 건설에 도입되는 것을 대비하기 위해 3D 프린팅 건설 프로세스 및 공사기간 산정 방식을 도출한다. 연구의 대상은 콘크리트 타설이 가능한 3D 프린팅 장비로 가정하였으며, 골조공사로 한정 한다. 도출된 프로세스 별로 유사한 건축 표준 품셈을 참고하여 3D 프린팅 공사기간을 산정한다. 개발된 공사 기간 산정 방식은 가상의 테스트 모델에 적용되었다. 테스트 모델 적용 결과 기존 공사 기법 대비 약 절반 가량 공사 기간이 단축되는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 개발된 공사기간 산정 방식은 향후 3D 프린팅 건설에 적용되어 사업 계획 수립에 도움이 될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing is making a huge difference to existing industries and is beginning to be applied in the field of construction. 3D printing construction differs from existing construction techniques. Therefore, new construction processes need to be developed. In particular, the accurate construction duration is linked directly to a successful project. A method for estimating the construction duration for 3D printing construction is necessary. In this study, a 3D printing construction process and duration estimation method were derived to prepare for the future introduction of 3D printing in construction. The scope of the study was assumed to be 3D printing equipment capable of pouring concrete, and limited to a frame structure construction. The developed construction period estimation method was applied to the virtual test model. As a result of applying the test model, the construction duration was shortened by approximately 50% compared to the existing construction technique. The method of estimating the construction period developed in this study can be applied to 3D printing constructions in the future and help establish a business plan.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 3D 프린팅 건축의 도입을 위한 준비과정으로 3D 프린팅 건축 시 예상되는 공정들을 도출하고 각 공정별 공사기간을 산정할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
3D 프린팅을 보다 건축적인 시각에서 바라보면 기존 공법과의 연계, 관련 법/제도의 개정, 새로운 구조지침 및 구조시스템의 개발, 새로운 공사비 내역 및 공정표의 개발 등의 연구과정이 필요하다. 본 연구에서는 그 중 3D 프린팅 시 소요되는 공사기간을 산정하는 방식을 제안하여 향후 3D 프린팅의 건축 도입 시 활용될 수 있도록 한다.
본 연구에서는 3D 프린팅의 건설분야 적용을 위해 공사기간 산정 방식을 제시하였다. 이를 위해 기존 콘크리트 시공 공법을 분석하고 3D 프린팅 방식이 적용되었을 때의 시공 프로세스를 도출하였다.

가설 설정

특히 3D 프린팅 기술은 이미 규격화되어있는 기성품들에 비해서는 경쟁력이 매우 부족하기 때문에 설비공사, 마감공사 등에 대해서는 본 연구 범위에서 제외한다. 골조공사의 경우도 정형 건축물인 경우 기존 공법이 경쟁력 있지만 본 연구에서는 비정형 건축물임을 가정한다. 따라서 모르타르를 출력하는 3D 프린팅 기술을 적용할 수 있는 골조공사로 공사범위를 한정한다.
3D프린팅 방식에는 노즐압출 방식, 파우더에 선택적으로 레이저를 투사하여 소결하는 선택적 레이저 소결(SLS; Selective Laser Sintering) 방식, 액체 광경황성 수지가 담긴 수조에서 UV 레이저를 투사하여 경화시키는 광경화 조형(SLA;Stereo Lithography Apparatus) 방식, 프린터 헤드에서 경화물질을 분사하여 파우더를 고형화하는 분사(Jetting) 방식 등이 있다. 본 연구에서는 현재 건축물 프린팅에 가장 일반적으로 사용되고 있는 노즐압출 방식을 가정한다.
본 연구에서는 2장에서 언급한 3D 프린팅 방식 중 가장 일반적이고 안정적인 겐트리방식을 가정하였으며, 델타방식은 지지대를 세우고 고정하는 등 거의 유사할 것으로 판단된다. 크레인방식과 다관절로봇방식은 크레인 방식보다 공정 프로세스가 간단할 것으로 판단되므로 용이하게 수정 가능하다.
75(ton)로 정의하였다. 보강근은 전문가의견 수렴을 통해 수평 20cm마다, 수직 20cm마다 D22 이형철근 하나씩 설치하는 것으로 가정하였다. 이를 52m 길이, 층고 2.
5m에 적용하면 총 3,120개의 철근이 설치된다. 각 철근의 길이는 벽체의 두께보다 조금 적은 28cm로 가정하여 D22 이형철근의 물량은 874m이며 톤으로 환산하면 2.7톤이다.

제안 방법

6m 높이의 성을 제작하였다. 콘크리트와 모래로 이뤄진 고유 재료를 활용하였으며 레이어간에 접착제를 사용하여 부착력을 높였다. 루덴코가 설계한 이 3D 프린터는, 한 층당 가로 30mm, 세로 10mm의 사이즈로 원료를 압출시켜 조형할 수 있으며 용도에 따라 압출되는 사이즈를 조절할 수 있다.
남부 캘리포니아 대학교(University of Southern California)-Behrokh Khoshnevis 교수 연구팀은 기존의 노즐압출 3D 프린팅 방식을 사용하여, 그림 3과 같이 건물규모 약 230평방미터를 약 20시간 만에 지을 수 있는 초대형 3D 콘크리트 프린팅 기술인 컨투어 크래프팅(Contour Crafting)을 발표하였다. 규모를 키운 노즐압출 방식의 3D 프린터로 경화속도를 조절한 콘크리트 모르 타르를 적층시켜 거푸집이 없이 기성건축자재를 사용하여 로보틱스 기술과 전통적인 건축법을 융합하여 주거공간을 제작하였다.[4]
영국의 러프버러 대학교(Loughborough University)의 IMCRC 센터에서는 프리폼 컨스트럭션 (Freeform Construction) 프로젝트를 통해 2007년 이후로 줄곧 콘크리트 3D 프린팅 기술을 연구하여 왔다. 그림 4와 같이 2010년에 1톤 무게의 강화 콘크리트 벤치를 3D 프린팅하는데 성공하였고, 이어서 S자형으로 구부러진 복잡한 형태의 콘크리트 패널을 제작할 수 있는 수준까지 개발하였다. 이는 콘크리트 원료와 적층 방식의 3D 프린팅기술을 이용해 새로운 건축물 제작 공정을 개발하기 위한 시도로서, 3D 프린터 기술의 무한한 가능성에 힘입어, 건축가에게 어떠한 복잡한 형태도 구현해내는 상당한 수준의 디자인 자유도를 제공할 수 있게 되었다.
기존의 공사기간 산정연구는 대부분 축적된 사례의공정표를 분석하여 통계적 모델로 구축하였다. 공사기간에 영향을 미치는 주요한 영향요소(층수, 세대수, 연면적, 용적률 등)을 도출하고 이를 회귀분석, 사례추론분석(CBR; Case Base Reasoning), 인공신경망(ANN; Artificial Neural Network), 유전자알고리즘(GA; Genetic Algorithm)등 다양한 통계적 기법을 활용하여 공기산정 모델을 구축하였다[7, 8]. 이러한 모델 구축과정에서 공기에 영향을 미치는 연간 작업불가능일수를 산정하는 연구[9]와 안전, 보상, 문화재 등 다양한 외적요소를 적용하여 공사 기간을 보정[10]하는 연구가 진행되었다.
특히 3D 프린팅 건설은 기존 사례가 거의 없으므로 실적사례를 기반으로한 통계적 모델 구축이 불가능하다. 본 연구에서는 3D 프린팅 프로세스를 기반으로 하여 공정을 분할하고, 각 공정별로 기존 공법의 공사기간을 적용하고 새로운 공정은 기존의 유사공정을 분석하여 적용한다.
본 연구에서는 3D 프린팅 장비 전문가 3인, 3D 프린팅 재료 전문가 2인, 공동주택 시공 전문가 2인에 대해 자문 및 면담조사를 통해 3D 프린팅으로 건축물 시공 시 필요한 공종을 도출하였다. 이를 통해 소형주택(10m* 10m * 3m)을 기준으로 3D 프린팅 골조공사를 진행하는 시나리오를 구축하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅 장비 전문가 3인, 3D 프린팅 재료 전문가 2인, 공동주택 시공 전문가 2인에 대해 자문 및 면담조사를 통해 3D 프린팅으로 건축물 시공 시 필요한 공종을 도출하였다. 이를 통해 소형주택(10m* 10m * 3m)을 기준으로 3D 프린팅 골조공사를 진행하는 시나리오를 구축하였다. 초기 시나리오는 본 연구진이 작성하였으며 두 번의 전문가 면담을 통해 보완하였다.
이를 통해 소형주택(10m* 10m * 3m)을 기준으로 3D 프린팅 골조공사를 진행하는 시나리오를 구축하였다. 초기 시나리오는 본 연구진이 작성하였으며 두 번의 전문가 면담을 통해 보완하였다.
건축물 3D 프린팅의 공사기간을 산정하기 위해서 가장 중요한 인자는 노즐의 이동속도, 적층 두께이다. 본연구에서는 3D 프린팅 장비에 종속된 파라미터로 노즐 직경, 적층 두께, 초당 압출량 등 3가지로 정의하였다. 압출량과 노즐직경에 따라 노즐의 이동가능거리가 산정된다.
본 연구에서 개발한 3D 프린팅 주요 공정의 공사기간산정방식을 그림 9와 같은 가상의 테스트 모델에 적용하였다. 테스트모델의 전체 벽 길이는 52m, 층고는 2.
본 연구에서는 3D 프린팅의 건설분야 적용을 위해 공사기간 산정 방식을 제시하였다. 이를 위해 기존 콘크리트 시공 공법을 분석하고 3D 프린팅 방식이 적용되었을 때의 시공 프로세스를 도출하였다. 도출된 프로세스별로 기존의 표준품셈체계와 비교하여 유사한 공사를 매칭하여 공사기간을 산정하였다.
이를 위해 기존 콘크리트 시공 공법을 분석하고 3D 프린팅 방식이 적용되었을 때의 시공 프로세스를 도출하였다. 도출된 프로세스별로 기존의 표준품셈체계와 비교하여 유사한 공사를 매칭하여 공사기간을 산정하였다. 테스트모델을 적용하여 개발된 3D 프린팅 시공 프로세스 공사기간 산정 방식을 적용한 결과 기존 콘크리트 타설 공법 대비 약 46%의 공사기간을 단축하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

해외의 구축사례를 보더라도 프리패브(prefab) 건축처럼 공장에서 모듈을 출력한 후 조립하는 경우에는 여러 층을 구축한 사례가 있으나 현장에서 출력하는 3D 프린팅 사례는 대부분 단층임을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 현장 출력 시 공사기간을 산정하고자 하므로 단층의 구조물을 연구의 대상으로 한다.
중국의 윈선社에서는 2012년 건설관련 3D 프린팅 자체 기술을 완성하였으며 2014년 4월, 4대의 거대한 3D프린터를 이용해 상하이 공업단지에 세계 최초로 그림 1과 같은 10채의 사무실용 건물을 제작하였다. 제작에 사용된 대형 3D 프린터의 크기는 높이 약 6m, 가로 약 10m, 세로 약 40m 가량이며 노즐 압출방식 기술을 사용하여 적층하였다. 주택 1채의 모듈의 규모는 15m*10m*6.
3장에서 도출한 3D 프린팅 주요 공정별 공사기간 산정을 위해 한국건설기술연구원에서 매년 발표하는 건축공사 표준품셈의 자료를 이용하였다. 3D 프린팅 공정의 경우 기존 표준품셈에 없는 공정은 전문가검토를 통해 유사한 공정을 선정하였다.
본 연구에서 개발한 3D 프린팅 주요 공정의 공사기간산정방식을 그림 9와 같은 가상의 테스트 모델에 적용하였다. 테스트모델의 전체 벽 길이는 52m, 층고는 2.5m로 설정하였다. 본 연구의 범위에 맞게 수직 벽체를 대상으로 하였다.
5m로 설정하였다. 본 연구의 범위에 맞게 수직 벽체를 대상으로 하였다. 벽은 트러스 구조로 45도 각도로 이어지는 구조로 정의하였다.

성능/효과

5m이고, 각 섹터별로 제작하여 기존의 프리캐스트 공법과 유사한 방식으로 조립하는 방식을 사용했기 때문에 이음새간 균열, 누수의 문제가 남아있다. 기존 일반적인 주택건설에서 필요한 공사기간의 70%, 필요한 재료의 60%, 필요한 기존 노동력의 80% 정도를 절약할 수 있고, 건축폐기물을 활용하여 시공이 가능하다고 발표하였다.[2]
도출된 프로세스별로 기존의 표준품셈체계와 비교하여 유사한 공사를 매칭하여 공사기간을 산정하였다. 테스트모델을 적용하여 개발된 3D 프린팅 시공 프로세스 공사기간 산정 방식을 적용한 결과 기존 콘크리트 타설 공법 대비 약 46%의 공사기간을 단축하는 것으로 나타났다.

후속연구

이는 3D 프린팅 특성상 거푸집 및 동바리 등의 가설시스템이 필요하지 않으므로 비정형 건축물에 소요되는 높은 건설비용에 구애받지 않는 장점이 있다. 향후 일괄적인 디자인의 공동주택이 아니라 소비자 지향적인 개인주택의 디자인을 만족시켜 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 기존 습식공법의 콘크리트 양생, 거푸집 설치 및 해체 등에 따른 시공시간을 줄일 수 있는 생산방식이기도 하며, 향후 예상되는 건설 근로자의 감소, 안전사고 문제 등을 해결할 수 있는 건설 자동화의 핵심기술로 기대를 모으고 있다.
향후 일괄적인 디자인의 공동주택이 아니라 소비자 지향적인 개인주택의 디자인을 만족시켜 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 기존 습식공법의 콘크리트 양생, 거푸집 설치 및 해체 등에 따른 시공시간을 줄일 수 있는 생산방식이기도 하며, 향후 예상되는 건설 근로자의 감소, 안전사고 문제 등을 해결할 수 있는 건설 자동화의 핵심기술로 기대를 모으고 있다.
향후 3D 프린팅이 건설분야에 적용됨을 가정하여 공사 기간을 산정하는 기존 연구가 부족하다. 특히 3D 프린팅 건설은 기존 사례가 거의 없으므로 실적사례를 기반으로한 통계적 모델 구축이 불가능하다.
3D 프린팅을 실제로 시공한 것이 아니기 때문에 많은가정사항이 포함되어 있으므로 향후 건설 3D 프린팅 기술 개발에 따라 가정사항을 줄여나가는 연구과정이 필요하다. 또한 공사기간 산정 뿐만 아니라 원가산정도 프로젝트 수행을 위해 매우 중요한 요소이다.
또한 공사기간 산정 뿐만 아니라 원가산정도 프로젝트 수행을 위해 매우 중요한 요소이다. 향후 3D 프린팅 건설 시 원가 산정에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축에서의 3D 프린팅이 유용할 수 있는 부분은?	그럼에도 불구하고 3D 프린팅 건축은 최근 해외에서 다양한 방법으로 시도되고 있다. 이는 3D 프린팅 특성상 거푸집 및 동바리 등의 가설시스템이 필요하지 않으므로 비정형 건축물에 소요되는 높은 건설비용에 구애받지 않는 장점이 있다. 향후 일괄적인 디자인의 공동주택이 아니라 소비자 지향적인 개인주택의 디자인을 만족시켜 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다.
	3D 프린팅 기술의 기원은?	3D 프린팅 기술은 4차 산업혁명의 주요 기술 중 하나로서 기존 산업에 큰 변화를 가져오고 있다. 3D 프린팅 기술은 1990년대 초반 빠른 원형 제작(Rapid prototyping)이라는 명칭으로 미국에서 상용화되기 시작하였으며, 산업 전반적으로 서서히 발전하였으나 건축에서 쓰인 사례는 드물었다. 건축은 타 산업분야에 비해 몇 가지 제약이 있어 3D 프린팅 기술 활용이 상대적으로 불리하다.
	건축에서의 3D 프린팅 기술 활용이 어려운 이유는?	건축은 타 산업분야에 비해 몇 가지 제약이 있어 3D 프린팅 기술 활용이 상대적으로 불리하다. 부피가 커서 한번에 출력하기 위해서는 건물 규모보다 프린터가 커야 하며, 사람이 거주하는 구조물이기 때문에 내구성, 단열성, 구조적 강도, 친환경성 등 까다로운 성능을 필요로 한다.

참고문헌 (12)

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C. W. Koo, "A CBR-based Hybrid Model for Predicting Construction Duration and Cost based on Project Characteristics in Multi-Family Housing Projects", University of Seoul, 2007.
D. K. Seol, D. Y. Kim, D. Y. Kim, S. C. Jeong, Y. K. Huh, "Determination Model of Optimum Construction Duration of Apartment Structural Frameworks", Journal of architectural institute of korea, vol. 32, no. 12, pp. 61-68, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5659/JAIK_SC.2016.32.12.61
I. W. Choi, O. K. Kim, "A Study on Construction Duration Considering Qualitative Element", Journal of architectural institute of korea, vol. 18, no. 2, pp. 695-700, 1998
H. S. Koo, B. C. Choi, "A Study on the Estimation of Construction Period Considering Weather Factor in Building Construction", Journal of architectural institute of korea, vol. 15, no. 11, pp. 87-96, 1999.
Korea Land and Housing Corporation, Construction Standard Specification, 2003.
Korea Concrete Institute, Standard Concrete Specification, 2003.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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