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문제 정의
- 이 연구들 또한 시설물의 기획단계에서 가용할 수 있는 제한된 정보를 입력변수로 하는 CBR방법론을 적용하여 보다 상세함을 요구하는 설계단계의 의사결정 과정에 합리적인 정보를 제공하는 데는 한계를 가지고 있다. 따라서 이 연구는 LCA 수행을 위한 정보를 확보할 수 없는 초기 설계단계의 의사결정 과정에서 보다 정밀하고 객관적인 자료를 제공하기 위한 환경부하량 산정 모델을 개발하고자 한다.
- 따라서 이 연구에서는 환경부하에 대한 기여도가 높은 배수시설을 대상으로 산정모델을 개발하고 나머지 시설에 대해서는 비율로써 반영하고자 [Fig. 3]과 같이 전체 환경부하량에 대한 각 배수시설물의 기여도 분석을 수행하였다.
- 이 연구는 국내에서 건설되는 사회기반시설물 중 재정투자 비중이 가장 높은 도로의 배수시설물을 대상으로 초기 설계단계에서 가용정보만을 활용하여 건설사업의 수행으로 인해 발생하는 잠재적 환경영향을 객관적으로 평가할 수 있는 LCA기반의 모델을 개발하고 유효성을 검증하고자 한다. 이를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 LCA를 수행하기 위한 자재 및 에너지량을 추정하는 방법론을 제안하고, 모델로부터 도출된 결과와 설계도서의 분석을 통해 직접 LCA를 수행한 결과를 비교하고자 한다.
- 이 연구는 도로의 배수공종을 대상으로 정보의 생산이 제한적인 초기 설계단계의 의사결정과정에서 잠재적 환경영향을 평가하기 위한 LCA기반의 환경부하 산정모델을 개발하였다. 이를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물량을 추정하는 체계를 개발하고 이를 토대로 투입되는 자원량(자재 및 에너지)을 산출함으로써 배수시설물의 시공과정에서 발생할 것으로 예상되는 환경부하를 산출하도록 구성하였다.
- 이 연구는 모델의 복잡성을 배제하고 정밀도를 높이기 위해 배수공 전체 환경부하량에 대한 기여도가 높으면서 동시에 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물량의 추정이 가능한 소수의 주요 배수시설만을 이용하여 전체 배수공종의 환경부하량을 추정할 수 있는 모델을 개발하고자 하였다.
- 따라서 설계자는 수리계산결과와 현장여건을 고려하여 표준화 되어 있는 배수시설물 중 적합한 형식을 선택하고 본선도로의 규모를 반영한 시공연장을 결정함으로써 작업물량을 산출하게 된다. 이 연구에서는 이러한 일련의 과정을 모사하여 [Table 1]의 입력정보로부터 작업물량을 산출하는 체계를 제시하고자 하였다.
제안 방법
-
4.1 사례의 개요
개발된 모델의 정확도를 검증하기 위하여 구축된 사례 DB의 LCA 수행결과와 모델로부터 산정된 환경부하량의 오차율을 분석하였다. 모델의 검증은 앞서 모델개발을 위한 통계적 분석에 사용한 90개를 제외한 10개의 사례에서 무작위로 5개를 추출하여 수행하였다.
- 국내에서 수행된 100개의 국도건설사업 사례를 수집하여 설계도서의 분석을 통해 LCA를 수행하고 [Table 1]에서 제시한 초기 설계단계의 가용정보 목록과 함께 사례 DB를 구축하였다. LCA 수행에 사용한 LCI DB는 한국환경산업기술 원에서 ISO 14044의 절차에 따라 개발하여 제공하는(KEITI, 2015) 자료를 주로 사용하고, 여기에서 누락된 모래, 골재, 합판과 같은 자원은 한국건설기술연구원에서 작성한 LCI DB(KICT, 2015)와 Ecoinvent (2015)에서 제공하는 자료를 활용하였다.
- 기여도 분석에 사용된 환경부하는 모든 잠재적 환경영향이 통합되어 평가될 수 있도록 환경부에서 개발한 한국형 환경 영향지수(ME, 2003)를 적용하여 가중화한 값으로써 8개 환경영향범주에 대한 잠재적 영향이 하나의 점수형태인 에코포인트(eco-point)로 표현되도록 변환한 것이다.
- LCA 결과를 제품의 환경성에 관한 의사결정 수단으로 사용할 경우 가중화계수를 통한 단일 점수화는 신속한 의사결정이 요구되는 현실에서 매우 중요하다(ME, 2003). 따라서 배수공종 주요 시설물의 잠재적 환경영향, 즉 환경부하는 3.1.2절에서 기술한 한국형 환경영향지수(ME, 2003)가 적용된 LCI DB의 기능단위 환경부하량(E0)을 적용하여 산출하였다. 가중화한 LCI DB를 사용하면 8개 환경영향범주에 대한 환경부하의 단위가 소거되어 각 영향범주의 상대적 비교가 가능하고, 합산을 통해 모든 잠재적 환경영향을 하나의 점수 형태로 나타낼 수 있는 장점이 있다.
- 우리나라의 도로에 적용되는 주요한 배수시설은 그 종류와 형식이 표준화 되어 있다. 따라서 설계자는 수리계산결과와 현장여건을 고려하여 표준화 되어 있는 배수시설물 중 적합한 형식을 선택하고 본선도로의 규모를 반영한 시공연장을 결정함으로써 작업물량을 산출하게 된다. 이 연구에서는 이러한 일련의 과정을 모사하여 [Table 1]의 입력정보로부터 작업물량을 산출하는 체계를 제시하고자 하였다.
- 이 3개의 주요시설은 본선도로의 선형 및 제원관련 정보보다 수리계산결과나 현장여건의 영향이 크기 때문으로 판단된다. 따라서 종배수관, 암거, 개거는 [Fig. 5]와 같이 설계자가 상세설계에 앞서 노선선정을 위해 시공연장을 개략적으로 산정한 기본설계 결과를 활용하거나 경험적으로 입력토록 작업물량산출체계를 수정하여 구성하였다.
- 원단위는 연장과 폭원의 특성이 모두 반영될 수 있도록 도로면적에 의한 원단위(/m2 )를 이 연구에서 구축한 사례 DB로부터 도출하여 사용하였다. 회귀모델은 [Table 1]에서 제시한 초기 설계단계 가용정보를 독립변수로 정의하고, 배수공종의 환경부하량을 종속변수로 정의하는 다중회귀분석을 통해 수립하였다.
- (2015)은 교육시설의 기획단계에서 환경부하를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 이 모델은 사례기반추론(Case-Based Reasoning, CBR) 방법론을 통해 에너지 소비량과 자원량을 추정하고 그 결과를 활용하여 환경부하를 예측하였다. 따라서 유사사례로부터 에너지 소비량과 자원량을 쉽게 추정할 수 있으나, LCA의 복잡한 과정을 사용자가 직접 수행해야 하는 단점을 가지고 있다.
- 도로건설공사를 구성하는 작업공종은 일반적으로 토공, 비탈면안정공, 배수공, 구조물공, 포장공, 교통안전시설공, 부대공 등으로 구성이 된다. 이 연구에서 도로를 구성하는 시설물 중 모델개발의 대상으로 선정한 배수시설물은 주로 배수공에 포함되어 있으며, 각종 측구를 비롯하여 암거, 배수관 등으로 편성되어 도로에 모인 빗물을 배수시키고 도로면의 안전을 확보할 뿐만 아니라 도로 이외의 지역에 흐르는 유출수를 배수시키는 기능을 수행한다. 따라서 배수시설물은 다양한 형태와 규모를 가지며 설계과정에서 이를 결정하기 위한 수많은 의사결정 과정을 수행하지만, 이 과정에서 환경적 검토를 위한 합리적인 자료를 제공하지 못하고 있는 실정이다.
- 한편, 작업물량과 관련한 정보가 부족한 초기 설계단계에서 LCA기반의 환경부하량을 추정하기 위해 비교적 간편하게 접근할 수 있는 방법론으로 원단위와 회귀모델이 있다. 이 연구에서 제안한 모델의 유효성을 평가하기 위하여 두 가지 방법론을 적용한 사례분석을 수행하고 오차율을 [Table 6]에 제시하였다.
- 이 연구는 모델의 복잡성을 배제하고 정밀도를 높이기 위해 배수공 전체 환경부하량에 대한 기여도가 높으면서 동시에 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물량의 추정이 가능한 소수의 주요 배수시설만을 이용하여 전체 배수공종의 환경부하량을 추정할 수 있는 모델을 개발하고자 하였다. 이를 위해 모델개발에 앞서 기존에 수행된 도로건설공사 사례를 수집하여 LCA를 수행하고 각 배수시설에 대한 환경부하 특성을 분석하였다.
- 이 연구는 국내에서 건설되는 사회기반시설물 중 재정투자 비중이 가장 높은 도로의 배수시설물을 대상으로 초기 설계단계에서 가용정보만을 활용하여 건설사업의 수행으로 인해 발생하는 잠재적 환경영향을 객관적으로 평가할 수 있는 LCA기반의 모델을 개발하고 유효성을 검증하고자 한다. 이를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 LCA를 수행하기 위한 자재 및 에너지량을 추정하는 방법론을 제안하고, 모델로부터 도출된 결과와 설계도서의 분석을 통해 직접 LCA를 수행한 결과를 비교하고자 한다.
- 이 연구는 도로의 배수공종을 대상으로 정보의 생산이 제한적인 초기 설계단계의 의사결정과정에서 잠재적 환경영향을 평가하기 위한 LCA기반의 환경부하 산정모델을 개발하였다. 이를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물량을 추정하는 체계를 개발하고 이를 토대로 투입되는 자원량(자재 및 에너지)을 산출함으로써 배수시설물의 시공과정에서 발생할 것으로 예상되는 환경부하를 산출하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 국내에서 수행된 100개의 국도건설사업 사례를 수집하여 설계도서의 분석을 통해 LCA를 수행하고 [Table 1]에서 제시한 초기 설계단계의 가용정보 목록과 함께 사례 DB를 구축하였다. LCA 수행에 사용한 LCI DB는 한국환경산업기술 원에서 ISO 14044의 절차에 따라 개발하여 제공하는(KEITI, 2015) 자료를 주로 사용하고, 여기에서 누락된 모래, 골재, 합판과 같은 자원은 한국건설기술연구원에서 작성한 LCI DB(KICT, 2015)와 Ecoinvent (2015)에서 제공하는 자료를 활용하였다. [Table 2]는 이 연구에서 사용된 LCI DB와 수량산출서로부터 추출되어 연계되는 자원목록을 나타낸 것이다.
- )을 곱하여 산출한다. 단위자원량은 주요 시설물을 1단위 시공할 때 소요되는 자재 및 에너지량으로써 국도설계실무요령(MLIT, 2013)의 단가산출기준에서 제시하고 있는 자료를 참고하였다.
- 또한 측구, 암거, 개거, 종·횡배수관은 도로와 인접하여 설치되는 시설물로써 모델의 입력변수로 선정된 도로의 연장 혹은 폭원과 상관성이 높을 것으로 예상되어 통계적 분석 등을 통해 작업물량을 추정하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 [Fig. 3]의 상위 5개 공종을 모델 개발의 대상이 되는 주요 시설물로 선정하였다. 주요 시설물 중 측구는 L형, U형, V형측구를 포함하며, 암거는 수로 및 통로암거를 포함한다.
- 모델에서 입력변수로 사용이 될 초기 설계단계의 가용정보 목록은 도로건설사업의 기획단계 또는 설계단계에서 공사비 등을 추정하기 위한 연구(MLTM, 2011; Kwak, 2007; MOCT, 1999)에서 제시하고 있는 사업추진 단계별 가용정보 항목과 설계업무 종사자의 조언을 통해 후보군을 선정 한 후 환경부하와의 상관성과 이 연구와의 부합성을 고려하여 [Table 1]과 같이 14개를 선정하였다. 선정된 정보는 주로 본 선도로의 선형 및 제원과 관련된 정보들이다.
- 개발된 모델의 정확도를 검증하기 위하여 구축된 사례 DB의 LCA 수행결과와 모델로부터 산정된 환경부하량의 오차율을 분석하였다. 모델의 검증은 앞서 모델개발을 위한 통계적 분석에 사용한 90개를 제외한 10개의 사례에서 무작위로 5개를 추출하여 수행하였다. [Table 4]는 추출된 검증사례의 주요 입력정보로써 행정구역은 경기, 경북, 전북, 제주가 포함되었고, 도로높이는 최소 1.
- 이 연구에서는 모델개발을 위한 기초자료로써 초기 설계단계의 가용정보 목록과 기 수행된 도로건설공사 사례의 설계 도서를 수집하였다. 초기 설계단계의 가용정보 목록은 모델의 내부에서 각 배수시설에 대한 자재 및 에너지 소비량을 산정하기 위한 기초정보로 활용이 되며, 기 수행된 도로건설공사 사례는 모델개발을 위한 통계적 분석과 최종 개발된 모델의 정확도 검증과정에 활용된다.
데이터처리
- 이 연구에서 제안한 모델에 [Table 4]와 같은 5개의 검증 사례를 적용하여 환경부하량을 산정하고 오차율을 분석하였다. 환경부하량 산정모델의 오차율에 대한 기준은 아직 정립되어 있지 않기 때문에 환경부하 평가모델과 관련한 기존의 연구에서는 AACE (the American Association of Cost Engineer)에서 제시하고 있는 공사비추정의 오차율에 대한 기준을 준용하여 클래스 3에 해당하는 –20% ~ 30%를 모델의 평가 기준으로 적용하고 있다(Park et al.
- )은 다중회귀모델을 통해 추정토록 하였다. 이를 위해 3.1.2절에서 수집한 100개의 국도건설사업 사례 중 무작위로 90개를 추출하여 주요 시설물의 시공연장을 종속변수로 정의하고, [Table 1]에서 제시한 모델의 입력정보를 독립변수로 정의하는 다중회귀분석(Multiple Regression Analysis, MRA)을 수행하였다.
- )를 이 연구에서 구축한 사례 DB로부터 도출하여 사용하였다. 회귀모델은 [Table 1]에서 제시한 초기 설계단계 가용정보를 독립변수로 정의하고, 배수공종의 환경부하량을 종속변수로 정의하는 다중회귀분석을 통해 수립하였다. 회귀모델의 상관계수(R)는 0.
성능/효과
- 1.2절에서 언급한 바와 같이 초기 설계단계의 가용정보를 통해 모든 배수공종의 작업물량을 추정하고 환경부하량을 산정하는 것은 불가능하다. 따라서 이 연구에서는 환경부하에 대한 기여도가 높은 배수시설을 대상으로 산정모델을 개발하고 나머지 시설에 대해서는 비율로써 반영하고자 [Fig.
- 5개 검증사례에 대한 절대오차율평균은 9.94%, 이에 대한 표준편차는 8.04%를 보여 이 연구에서 제안한 모델은 작업물량을 직접적으로 추정할 수 있는 정보가 부족한 초기 설계단계에서 LCA기반의 잠재적 환경영향을 평가하는데 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
- 5개 사례를 사용하여 개발된 모델로부터 환경부하를 추정한 결과 에코포인트의 오차범위는 –19.22% ~ 2.77%로써 앞서 이 모델의 오차율 범위에 대한 목표로 설정한 –20% ~ 30%에 만족하는 결과를 나타냈다.
- 개발된 모델의 검증결과 에코포인트에 대한 절대오차율평균이 9.94%, 표준편차는 8.04%를 나타내 작업물량을 직접적으로 추정할 수 있는 정보가 제한적인 초기 설계단계에서 LCA기반의 잠재적 환경영향을 평가하는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이로 인해 회귀모델에서 산정된 환경부하가 상대적으로 큰 오차를 발생시켰다. 그러나 이 연구에서 제안한 작업물량산출 기반의 환경부하량 추정 모델은 [Table 6]에 나타낸 바와 같이 3번, 4번 사례에 대해서도 비교적 양호한 산정결과를 보였다. 이는 이 연구의 모델이 [Table 1]과 [Fig.
- 42%를 나타냈다. 그러나 표준편차가 절대오차율평균이 상대적으로 큰 원단위에 의한 모델보다 3.07%P 증가하였고, 이 연구에서 제안한 모델의 절대오차율평균 보다 7.48%P 큰 결과를 보였다.
- 면적에 의한 원단위(/m2)를 사용하여 추정된 각 검증사례별 환경부하량의 절대오차율평균은 28.59%를 보여 이 연구에서 제안한 모델보다 절대오차율평균이 18.65%P 높게 나타났다. 이는 원단위(/m2)가 환경부하에 영향을 미치는 모든 정보항목의 특성을 반영하지 못하고 연장과 폭원의 특성만을 반영하고 있기 때문이다.
- 반면 배수공종 전체의 에코포인트에 대한 기여도가 33.89%와 41.92%로써 상대적으로 큰 자원고갈(Abiotic resource depletion)과 지구온난화(Global warming)는 절대 오차율평균이 3.40%와 18.68%로써 비교적 양호한 결과를 나타내 모델의 정확도 향상에 기여를 하고 있는 것으로 조사되었다. 5개 검증사례에 대한 절대오차율평균은 9.
- 분석결과 [Table 3]과 같이 L형, V형, U형측구와 횡배수관의 회귀모델은 [Table 1]의 입력변수를 사용하여 시공연장을 추정할 수 있는 유의한 결과를 나타냈으나, 종배수관, 암거, 개거의 회귀모델은 유의한 결과를 도출하지 못했다.
- 이들 시설 중 측구가 전체 배수공종의 작업에 의해 발생하는 환경부하 중 가장 많은 48.11%를 발생시키며 측구를 포함한 암거, 개거, 종·횡배수관과 같은 상위 5개의 배수시설물이 전체 배수공종이 발생시키는 환경부 하량에 90.59%를 기여하고 있다.
- 이는 원단위(/m2)가 환경부하에 영향을 미치는 모든 정보항목의 특성을 반영하지 못하고 연장과 폭원의 특성만을 반영하고 있기 때문이다. 이에 [Table 1]에서 제시한 초기 설계단계 가용정보의 특성이 모두 반영될 수 있는 회귀모델을 수립하고 환경부하량을 산출한 결과 원단위(/m2)에 의한 방법론보다 절대오차율평균이 11.17%P 감소한 17.42%를 나타냈다. 그러나 표준편차가 절대오차율평균이 상대적으로 큰 원단위에 의한 모델보다 3.
- 77%로써 앞서 이 모델의 오차율 범위에 대한 목표로 설정한 –20% ~ 30%에 만족하는 결과를 나타냈다. 환경영향범주별로 살펴보면 부영양화(Eutrophication)와 생태계독성(Terrestrial ecotoxicity)의 절대오차율평균이 32.88%와 31.14%로 다소 높게 나타났지만, 전체 배수공종의 에코포인트 중 이들의 기여도는 1.77%와 1.95%에 불과하기 때문에 모델의 정확도에 큰 영향을 주지는 못한 것으로 조사되었다.
- 회귀모델에 서 –52.36%의 오차를 발생시킨 3번 사례의 경우 설계도서 분석결과 배수공종 주요 시설물의 시공규모가 사례 DB의 통계경향 보다 평균 약 153% 크게 편성되어 있으며 4번 사례의 경우 시공규모가 평균 38% 작게 편성되어 있다.
후속연구
- 목록분석에서 얻어진 투입물과 배출물은 영향평가 단계에서 생태계, 인간보건, 천연자원 등의 환경영향범주로 연계되어 잠재적인 환경영향을 평가하게 된다. LCA의 마지막 단계인 결과해석에서는 목록분석 결과와 영향평가 결과로부터 도출된 결론을 정리하고 의사결정자들이 활용할 수 있는 제언을 도출하게 된다.
- 정보항목은 초기 설계단계에 생산되었지만 설계가 진행될수록 정보의 내용은 더욱 정밀해 질 것으로 예상된다. 따라서 개발된 모델에서 동일한 입력정보 항목을 이용하여 설계의 진척도에 따라 정확도가 높아진 산정결과를 도출할 수도 있을 것이다.
- 이 연구에서 제안하는 모델을 통해 초기 설계단계의 가용 정보만을 활용하여 신속하고 정확하게 환경부하를 산정함으로써 친환경적 설계방향과 기준을 설정하기 위한 의사결정과정에 기초자료를 제공할 수 있다. 또한 설계완료 전에 환경적 영향을 평가할 수 있게 됨으로써 시행착오로 인한 제반비용의 증가를 예방하고 친환경 건설자재와 공법에 대한 기술개발을 유도할 수 있을 것이다.
- 또한 측구, 암거, 개거, 종·횡배수관은 도로와 인접하여 설치되는 시설물로써 모델의 입력변수로 선정된 도로의 연장 혹은 폭원과 상관성이 높을 것으로 예상되어 통계적 분석 등을 통해 작업물량을 추정하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
- 이 연구에서 제안하는 모델을 통해 초기 설계단계의 가용 정보만을 활용하여 신속하고 정확하게 환경부하를 산정함으로써 친환경적 설계방향과 기준을 설정하기 위한 의사결정과정에 기초자료를 제공할 수 있다. 또한 설계완료 전에 환경적 영향을 평가할 수 있게 됨으로써 시행착오로 인한 제반비용의 증가를 예방하고 친환경 건설자재와 공법에 대한 기술개발을 유도할 수 있을 것이다.
- 향후, 추가연구를 통해 이 모델이 다른 시설에 대한 영역으로 확장되면 탄소배출권거래제나 탄소세 부과와 같은 각종 환경규제에 대응할 수 있는 기초기술로써 우리 건설산업의 국제 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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