이 연구는 프로젝트 기획단계에서 발주자가 실적자료를 활용해 공공건축물인 관공서의 총공사비를 견적하는 방법에 대한 것이다. 최근 공공건축물의 종류 및 용도가 다양화 되면서, 공사비 산정 시 고려해야할 요소가 증가하여 공사비 추정에 대한 논리적인 분석이 어려운 경우가 많다. 이로 인해 경우에 따라서는 건축물이 과다 또는 부실하게 계획되는 사례가 발생하고 있어 예산이 낭비되기 쉽다. 특히, 학교, 관공서, 체육시설 등의 공공건축공사에 BTL(Build Transfer Lease)방식이 도입되어 활성화되면서 건축물의 기획 단계부터 적정규모 산정 및 공사비에 대한 체계적 예측 및 관리가 필요하며, 효과적인 건축물의 기획을 위해서는 장기적인 건축물의 이용자 및 건축물의 수명주기(Life cycle)를 예측한후 건축물의 규모를 산정하는 것이 바람직하다. 그러나 현실적으로 모든 변수들을 종합한 결과를 토대로 건축물을 기획하는 것은 용이한 일이 아니다. 따라서 본 연구에서는 발주자가 건축물의 기획 단계에서 공공건축물의 예산 수립을 쉽게 검토할 수 있는 방법론을 제공하고, 과거에 수행된 유사한 용도의 건축물 실적자료를 활용해, 총공사비를 견적할 수 있는 회귀분석모델을 제안하고 모델의 적용성검토를 위해 일본의 관공서 건축데이터를 통해서 검증하였다.
이 연구는 프로젝트 기획단계에서 발주자가 실적자료를 활용해 공공건축물인 관공서의 총공사비를 견적하는 방법에 대한 것이다. 최근 공공건축물의 종류 및 용도가 다양화 되면서, 공사비 산정 시 고려해야할 요소가 증가하여 공사비 추정에 대한 논리적인 분석이 어려운 경우가 많다. 이로 인해 경우에 따라서는 건축물이 과다 또는 부실하게 계획되는 사례가 발생하고 있어 예산이 낭비되기 쉽다. 특히, 학교, 관공서, 체육시설 등의 공공건축공사에 BTL(Build Transfer Lease)방식이 도입되어 활성화되면서 건축물의 기획 단계부터 적정규모 산정 및 공사비에 대한 체계적 예측 및 관리가 필요하며, 효과적인 건축물의 기획을 위해서는 장기적인 건축물의 이용자 및 건축물의 수명주기(Life cycle)를 예측한후 건축물의 규모를 산정하는 것이 바람직하다. 그러나 현실적으로 모든 변수들을 종합한 결과를 토대로 건축물을 기획하는 것은 용이한 일이 아니다. 따라서 본 연구에서는 발주자가 건축물의 기획 단계에서 공공건축물의 예산 수립을 쉽게 검토할 수 있는 방법론을 제공하고, 과거에 수행된 유사한 용도의 건축물 실적자료를 활용해, 총공사비를 견적할 수 있는 회귀분석모델을 제안하고 모델의 적용성검토를 위해 일본의 관공서 건축데이터를 통해서 검증하였다.
In this research, we studied an estimating method in client's sight to estimate the total construction cost which is based on the historical cost data at the early stage of the office buildings as a public phase. It is very difficult to analyze the estimation accurately and logically. When a client ...
In this research, we studied an estimating method in client's sight to estimate the total construction cost which is based on the historical cost data at the early stage of the office buildings as a public phase. It is very difficult to analyze the estimation accurately and logically. When a client estimates a project, he/she has to consider there are many issues at the planning step, according as office buildings become gradually diversified as well as their roles continuously extended. Therefore, those are usually make problems for wasting the budget in accordance with the cost estimation errors. Moreover, many kinds of public construction projects, especially such as school, office, sports complex, and the others, have been invested the private finances defined as BTL(Build Transfer Lease) method that are required to manage the detailed process more strictly from initial planning. In order to make an effective planning, the long-term users amount and the building life cycle at the beginning of project should be considered previously and then it may enable to achieve an appropriate project plan. But actually considering overall variables in a building planning is impossible. Accordingly, suggesting a regression model based on the historical cost data from many similar types of office building to support client's role known as estimating the total cost at the early stage. And then performing the test against the proposed model to research the reasonability as using the historical cost data of Japan office buildings.
In this research, we studied an estimating method in client's sight to estimate the total construction cost which is based on the historical cost data at the early stage of the office buildings as a public phase. It is very difficult to analyze the estimation accurately and logically. When a client estimates a project, he/she has to consider there are many issues at the planning step, according as office buildings become gradually diversified as well as their roles continuously extended. Therefore, those are usually make problems for wasting the budget in accordance with the cost estimation errors. Moreover, many kinds of public construction projects, especially such as school, office, sports complex, and the others, have been invested the private finances defined as BTL(Build Transfer Lease) method that are required to manage the detailed process more strictly from initial planning. In order to make an effective planning, the long-term users amount and the building life cycle at the beginning of project should be considered previously and then it may enable to achieve an appropriate project plan. But actually considering overall variables in a building planning is impossible. Accordingly, suggesting a regression model based on the historical cost data from many similar types of office building to support client's role known as estimating the total cost at the early stage. And then performing the test against the proposed model to research the reasonability as using the historical cost data of Japan office buildings.
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문제 정의
일반적인 근사적 방법으로써 단위면적당 공사비로 총공사비를 구하는 방법이 많이 사용되어 오고 있으나 오차가 큰 단점이 있다. 그러므로 본 연구에서는 건설프로젝트의 기 획단계에서 적절한 예산 규모를 쉽게 산정하기위해, 발주자가 과거에 수행한 비슷한 유형의 건축물 실적자료와 데이터마이닝 수법을 활용해 실제 건설프로젝트에 소요되는 총공사비를 쉽게 예측할 수 있는 회귀모델을 제안하고자 한다. 또한 실적자료에 포함된 이 상치의 영향을 최소화하기 위한, 부호제약조건의 회귀모델을 실적자료에 적용하여 예측결과를 검토하였다.
더욱이 본 연구에서는 회귀식의 사용성에 주목하여, 회귀계수들의 부호와 관련된 부호제약조건의 회귀모델을 제안하고자 한다. 일반적으로 사용되는 회귀모델에서는 각 입력변수의 계수들의 부호에 대해서는 특별히 제약이 없다.
그러나 이러한 회귀식을 실무에 적용하기 위해서는 만들어진 회귀식이 사용자관점에서 얼마나 쉽게 이해하고 사용할 수 있는지가 중요하다. 만약 회귀식에서 계수들의 부호가 수치들과 관련성 없이 다르게 나타나는 경우, 회귀분석의 장점이라고 할 수 있는 설명가능성이 떨어지므로, 입력변수와 출력변수간의 상관계수의 부호를 기준으로 입력변수의 계수의 부호를 결정하는 제약조건을 추가함으로서 회귀모델의 설명가능성을 높이고자 한다. 부호제약조건의 I?회귀 모델은 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다.
45로서 예측 오차에 어느 정도의 편차가 존재했다. 본 연구에서는 이근彳 한 예측오차의 편차에 대해서 분석을 실시하였다. 실험6의 예측결과를 대상으로 예측오차의 대소에 따라 동일한 크기로 그룹을 나눈 다음, 그림5의 의사결정트리(decision tree) 를 통해 예측오차의 크기에 영향을 미치는 요소들에 대해 분석한 결과 79%의 정확도결과가 얻어졌다.
또한, 실적데이터는 데이터 항목들 간에 밀접한 관계를 가지고 있고 공사비는 각 계층 간에 상, 하위 항목들이 높은 상관관계를 갖는 계층구조로 이루어진 경우가 많아 데이터구조를 바탕으로 실적데이터에서 최적의 예측모델을 만들기 위한 입력변수들을 선정하는 것은 어렵다. 본 연구에서는 현재 일반적으로 회귀모델에서 사용하고 있는 최소자승법보다 이상치의 영향을 적게 반영할 수 있도록 절대오차를 이용한 회귀모델을 적용하고, 합리적인 변수 선택을 통해 공사비예측성능을 향상시키는 방법을 검토하고 있다. 각 예측모델의 성능평가는 모델의 학습성능이 아닌 예측모델의 예측성능을 기준으로 비교하였다 5).
이 논문에서는 공공건축물의 실적데이터에 대해 데이터마이닝 수법을 활용함으로써 , 건축프로젝트의 기획단계에서 발주자의 예산산정 작업에 실용적으로 사용할 수 있는 회귀모델을 연구하였다. 일반적인 회귀분석의 단점을 보완하기 위해 부호제약조건의 I?회귀모델을 제안하고, 공공시설물의 실적데이터를 이용해 제안모델의 유용성을 검토하였다.
제안 방법
본 연구에서는 현재 일반적으로 회귀모델에서 사용하고 있는 최소자승법보다 이상치의 영향을 적게 반영할 수 있도록 절대오차를 이용한 회귀모델을 적용하고, 합리적인 변수 선택을 통해 공사비예측성능을 향상시키는 방법을 검토하고 있다. 각 예측모델의 성능평가는 모델의 학습성능이 아닌 예측모델의 예측성능을 기준으로 비교하였다 5). 연구에 사용된 데이터는 일본의 관공서건축 데이터로서 동일한 기관에서 발주한 유사형태의 건축물 자료이다.
건축물의 실적데이터로부터 총공사비 산정에 필요한 정보를 변수로 선정하였으며, 78개의 RC(Reinforced concrete) 구조건물의 실적데이터로부터 그림3과 같이 16개의 항목을 입력변수로, 총공사비를 출력변수로 정하였다. 변수로는 본관과 부속건물의 면적과 관련된 변수가 및 건물의 공간구성과 관련된 외벽면적과, 용적 등도 사용되었다.
변수로는 본관과 부속건물의 면적과 관련된 변수가 및 건물의 공간구성과 관련된 외벽면적과, 용적 등도 사용되었다. 또한 건물의 평면이 정해질 경우, 표준설계지침안에 따라서 개략적으로 정해지는 외벽의 창호면적도 이 단계에서 사용 가능한 설계정보로 보고 입력변수로 사용하였다.
그러므로 본 연구에서는 건설프로젝트의 기 획단계에서 적절한 예산 규모를 쉽게 산정하기위해, 발주자가 과거에 수행한 비슷한 유형의 건축물 실적자료와 데이터마이닝 수법을 활용해 실제 건설프로젝트에 소요되는 총공사비를 쉽게 예측할 수 있는 회귀모델을 제안하고자 한다. 또한 실적자료에 포함된 이 상치의 영향을 최소화하기 위한, 부호제약조건의 회귀모델을 실적자료에 적용하여 예측결과를 검토하였다.
커지는 특성이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서, 식(3)의 절대오차최소법을 도입하였다. 절대 오차 최소 법은 잔차의 절대값의 합을 최소화함으로써 회귀계수를 구하는 방법으로 최소자승법에 비해 상대적으로 이 상치의 영향을 적게 받으며, 선형계획법을 이용해 계산할 수 있다々Robert J.
실험을 위해 변수증가법, CFS, 그리고 모든 변수를 고려하는 3가지 방법으로 변수를 선택 한 후에 I?회귀법과 L2 회귀법을 적용하는 실험을 수행하여, 표2의 실험결과와 표 3의 회귀분석결과를 얻었다. 표2의 실험 결과로부터, 2.
위해 부호제약조건의 I?회귀모델을 제안하고, 공공시설물의 실적데이터를 이용해 제안모델의 유용성을 검토하였다. 회귀식을 도출함에 있어서 부호제약에 의한 회귀식의 설명가능성을 높임으로써 사용자의 접근이 용이하게 하였다.
대상 데이터
또한 공사비는 공사가 진행된 시기와 지역에 의한 물가의 차이가 변수로 작용하게 되므로, 실적데이터를 모델개발에 사용하기 위해서는 물가상승의 영향을 데이터로부터 제거해만 한다. 여기서는 데이터 전처리단계에서 실적데이터를 1990년의 토오쿄오(東京)의 물가를 기준한 물가지수와 지역 지수로서 보정하여 사용하였다.(具源龍, 加藤直樹2005)
각 예측모델의 성능평가는 모델의 학습성능이 아닌 예측모델의 예측성능을 기준으로 비교하였다 5). 연구에 사용된 데이터는 일본의 관공서건축 데이터로서 동일한 기관에서 발주한 유사형태의 건축물 자료이다. 본 연구에 이용한 모든 건축물 자료는 동일한 표준설계지침 및 규격화된 설계프로세스를 통해서 설계가 이루어지므로, 데이터 간에는 상당히 유사성이 높다.
본 연구에 이용한 모든 건축물 자료는 동일한 표준설계지침 및 규격화된 설계프로세스를 통해서 설계가 이루어지므로, 데이터 간에는 상당히 유사성이 높다. 예측모델개발에 사용된 건축물은 일본 전역에 과거 수십 년간 지어진 78개의 관공서들로서, 표1과 같이 다양한 크기의 실적데이터를 고려 해 데이터가 다양성을 지니고 있어 예정공사비의 추정 시 높은 예측성능과 보편성을 기대할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한 공사비는 공사가 진행된 시기와 지역에 의한 물가의 차이가 변수로 작용하게 되므로, 실적데이터를 모델개발에 사용하기 위해서는 물가상승의 영향을 데이터로부터 제거해만 한다.
데이터처리
3가지 방법으로 변수를 선택 한 후에 I?회귀법과 L2 회귀법을 적용하는 실험을 수행하여, 표2의 실험결과와 표 3의 회귀분석결과를 얻었다. 표2의 실험 결과로부터, 2.
이론/모형
적절한 변수의 조합에 대한 전역탐색은 n 개의 변수에 대해서 2n-1개의 경우의 수가 발생하고, 변수의 개수가 일정수준을 넘어서면 현실적으로 계산이 불가능하다. 본 연구에서는 변수 선택의 방법으로써, 변수증가법과 Correlation Feature Subset(CFS)법을 사용하여 예측실험 및 성능 검토를 실시하였다. 변수증가법은 최초단계에서 종속변수와의 상관계수가 가장 큰 독립변수를 중 회귀 식의 생성에 사용하며, 다음 단계에서는 남아있는 독립변수를 중회귀식에 대입해 모형을 생성한 후, 예측성능의 개선이 가장 크게 이루어진 독립변수를 선택하고, 성능개선이 이루어지는 동안 이 단계를 반복해 나간다.
그런데 이 방법은 학습데이터와 검증데이터를 나누는 방법에 따라서 예측모델의 평가가 달라지는 경우가 있다. 여기서는 모델의 예측성능 평가방법으로서 모델의 학습과 검증에 leave-one-out법 (Ian H. Witten and Eibe Frank 2005)을 이용하여 보다 객관적으로 평가하고자 한다. leave-one-out법은 n개의 입력 데이터 에 대해서 n-1 개의 실적데이터를 학습데이터로 해서 모델을 생성하고, 나머지 실적데이터로 검증을 하는 방법을 n개의 실적 데이터 전체에 대해서 실시해 구한 평균을 예측모형의 평균예측 오차로 인식한다.
성능/효과
본 연구에서는 이근彳 한 예측오차의 편차에 대해서 분석을 실시하였다. 실험6의 예측결과를 대상으로 예측오차의 대소에 따라 동일한 크기로 그룹을 나눈 다음, 그림5의 의사결정트리(decision tree) 를 통해 예측오차의 크기에 영향을 미치는 요소들에 대해 분석한 결과 79%의 정확도결과가 얻어졌다. 그림5에서 가장 중요한 의사결정 분기법 칙으로써 본관지하층수가 사용되었다.
회귀분석결과를 얻었다. 표2의 실험 결과로부터, 2.3절에서 서술한 것과 같이 예측성능과 모델성능 사이에 명확한 상관관계가 나타나고 있지 않음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 모델 평가의 기준으로 삼은 예측성능에 의한 모델평가 방법에 의의가 있음을 알 수 있다.
또한 실험 결과에서 I?회귀모델에 변수증가법을 적용한 실험4가 가장 좋은 예측성능을 나타내었다. I?회귀모델에 변수증가법을 적용한 실험2에 대해서 비율로는 12% 감소되는 성과를 얻었다. 그런데, I?회귀모델을 적용해서 얻어진 실험4의 회귀 식은 예측성능에 있어서는 가장 우수하지만, 회귀식에 음의 부호를 가진 계수들이 존재하여 논리적으로 맞지 않는다.
따라서 본 연구에서 모델 평가의 기준으로 삼은 예측성능에 의한 모델평가 방법에 의의가 있음을 알 수 있다. 또한 실험 결과에서 I?회귀모델에 변수증가법을 적용한 실험4가 가장 좋은 예측성능을 나타내었다. I?회귀모델에 변수증가법을 적용한 실험2에 대해서 비율로는 12% 감소되는 성과를 얻었다.
회귀식을 도출함에 있어서 부호제약에 의한 회귀식의 설명가능성을 높임으로써 사용자의 접근이 용이하게 하였다. 본 연구에서 제안한 부호제약조건의 I?회귀모델은 평균예측정확도가 91%이였고, 의사결정트리를 이용한 각 실적자료별 오차경향분석은 79%의 정확도를 나타내었다. 그러므로 현재 조달청(2007)의 공공건축공사 낙찰률 평균이 71%인 점을 고려할 때 기획단계에서 발주자의 예산을 수립에 제안모델을 사용하는 것은 예측효과가 있다고 볼 수 있으며, 제안모델을 유사한 형태의 공공시설물 공사에 활용한다면 발주자가 기본적인 설계자료 없이도 쉽게 예산을 시뮬레이션 해볼 수 있어 부분 공사비가 아닌 예산 수립을 위한 총공사비 규모 산정에 적절할 것으로 판단된다.
일반적인 회귀분석의 단점을 보완하기 위해 부호제약조건의 I?회귀모델을 제안하고, 공공시설물의 실적데이터를 이용해 제안모델의 유용성을 검토하였다. 회귀식을 도출함에 있어서 부호제약에 의한 회귀식의 설명가능성을 높임으로써 사용자의 접근이 용이하게 하였다. 본 연구에서 제안한 부호제약조건의 I?회귀모델은 평균예측정확도가 91%이였고, 의사결정트리를 이용한 각 실적자료별 오차경향분석은 79%의 정확도를 나타내었다.
후속연구
그리고 손보 석(2007)은 공종분류 이외에 BE(building elements) 및 층별 수량 분류를 추가하고 회귀분석 방법을 통해 공사 수량 변화에 적응 할 수 있는 모델을 연구하였다. 이러한 관련 연구는 공사비를 구성하는 주요 요소를 정의하고 요소를 중심으로 분석한 결과를 토대로 한 부분적인 공사비 연구에 치중한 경향이 있으며, 본 연구에서 제안하는 총공사비 규모 산정 방법에 대한 연구는 최근에야 이뤄지고 있다.
건축물의 적정한 규모산정을 통해 계획을 구체화하고 예산을 결정할 수 있으며, 규모산정을 위해서는 발주자가 이해하기 쉽고 신뢰할 수 있는 건축물 계획수립 모델이 필요하다. 이를 통해 발주자가 예측 가능한 오차범위 안에서 쉽게 공사비의 추정이 가능할 것이다. 일반적으로 공사비의 산정은 건설공사 수행의 여러 단계에서 이뤄지게 되는데, Hendrickson (1989)은 크게 설계견적(Design estimates)D, 입찰견적(Bid estimates), 예산견적 (Control estimates) 으로 구분하였다.
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