소개

기술은 어떤 산업에 있어서 진보를 가능하게 하는 힘이며, 고속도로 건설도 예외는 아님. 연방고속도로관리청 (FHWA)은 프로젝트를 더 신속하게 진행하며 최신의 기술과 혁신을 더 빨리 시행해야 한다는 긴급성에 공감하고 있음. 이는 EveryDayCounts와 같은 새로운 정책에서 확인됨. 서비스 질에 대한 수요는 증가하는 반면 펀드는 줄어들기 때문에 어떤 혁신적인 기술들이 가용한지, 어떤 기술들이 지능형 건설 분야에서 시행될 수 있고 시행되어야만 하는지를 결정하는 것이 중요함.

이 프로젝트의 목적과 보고서의 중점은 지능형 건설 기술 사용의 증대에 있음. 이 보고서는 고속도로 프로젝트들의 지능형 건설 분야에서의 기존 기술 및 유망 기술을 파악하기 위한 문헌조사 결과를 요약함.

목적

이 노력의 주요 목적은 고속도로의 지능형 건설 분야에서 기존 기술 및 유망 기술을 파악하는 것임. 이는 시스템, 구성요소, 처리과정, 소프트웨어 등을 포함하는데, 모두 증가된 생산, 증가된 효율성, 비용 절감, 실시간 측정/피드백 및 개선된 질과 통일성과 같은 혜택을 가져옴. 궁극적으로 이러한 혜택들은 FHWA의 전반적인 목표에 기여할 것임: 신속한 공사, 감소된 건설의 교통에의 효과, 및 개선된 질.

범위

이 보고서에서 제시된 기술들의 요약은 고속도로 프로젝트의 시작부터 끝까지 사용되는 지능형 기술들로 구성되어 있음. “지능형 건설 시스템”으로 여겨지는 기술들은 정보를 수집하고 분석하며, 건설이 진행되는 동안 적절한 결정을 하는 능력을 가지고 있음. “지능형 건설 시스템과 기술”에 정확히 일치하지 않더라도 공사를 신속하게 하고 공사가 교통에 미치는 영향을 줄이는 기술들도 포함됨. 지능형 기술의 핵심적인 측면은 데이터 관리와 통합에 있는데, 이는 건설 기간뿐만 아니라 고속도로 프로젝트의 생애주기에 걸침.

위치정보 시스템 (Positioning Systems)

GPS기술은 배치에서 기계의 안내 및 수량 추적에 이르기까지 모든 지능형 건설 과정에 걸쳐 적용됨. 관련 사례로써, 오리건 주 교통부의 GPS 시행 계획과 노력, GPS 안내 도로포장 장치 등이 있음.

추가로 위치정보 시스템의 주요 업체들 ？ 탑콘 (Topcon), 레이카 (Leica), 트림블 (Trimble) ？ 은 또한 최신의 측량 시스템, 로보틱 토탈 스테이션 (Robotic Total Stations)과 3D 레이저 스캐너를 제공함. 로보틱 토탈 스테이션은 측량 및 맵핑에 사용될 뿐만아니라 기계 안내에도 사용됨. 또다른 관련 유망 기술인 광 감지 및 측정 (Light Detection and Ranging: LiDAR)은 보다 정확한 측량과 모델을 만드는데 사용됨.

소프트웨어와 데이터 관리 (Software and Data Management)

3D/4D 모델링

이 분류는 고속도로 프로젝트의 시각화 및 일정관리를 위한 3D 및 4D의 사용을 포함함. 이는 설계 변경에 대한 대응, 재료 제작 및 조달, 시공성 검토, 빌딩 방법 및 시스템의 통신, 수량 추적, 문서화, 홍보, 및 일정 최적화를 용이하게 함.

구조물 분야에서 유사한 기술로는 교량의 계획, 설계, 제작, 공사, 유지관리 등의 단계에서 정보 교환을 개선하기 위한 교량 정보 모델링 (Bridge Information Modeling: BrIM)의 사용을 들 수 있음. 벤틀리 (Bentley)의 RM Bridge 소프트웨어와 같은 도구들은 교량 제작 및 건설의 2D/3D/4D 시뮬레이션을 통해서 개선된 교량 시공성 및 원활한 프로젝트 처리를 가능케 함.

데이터 관리

개선된 프로세스 및 일정 관리를 위한 자동화 데이터 관리는 GPS, GIS, 컴퓨터, RFID와 같은 추적 기술 및 소프트웨어 등을 포함함. 이 분류의 기술들이 계속해서 개발되고 시행된다면, 현장과 사무실간의 완벽한 데이터 이전이 가능해질 것임. NCHRP 보고서는 여러 주의 교통부에서 사용되는 우수사례들을 파악하였는데, 프로젝트 수행과정에서의 모든 단계들에 걸쳐 정보를 공유할 수 있도록 하는 3D 모델링, 디지털 레코드, GPS 등이 포함되었음. 또한 이러한 기술의 시행에 있어 장애가 되는 사항으로는, 소프트웨어 호환성, 법적 문제, 개념 및 잠재적인 혜택에 대한 이해의 부족 등이 있음.

건설 장비/기계 자동화 (Construction Equipment/Machine Automation)

이 분류는 개선된 품질의 포장을 제공하는 새로운 포장 기계들을 포함함. 또한 HMA 물질의 생산을 감독하고 통제하는 자동화된 기술들이 이 분류에 포함됨.

기계 자동화: 안내/통제

3D 모델과 GPS는 건설 기계 자동화에 핵심임. 3D 구역 계획을 따라 GPS 기술은 기계의 통제 및 불도저의 안내에 사용됨으로써 정확도와 생산성을 향상시키면서 작업비용을 감소시킴. 이는 자동화된 PCC 및 HMA 포장 기술에 사용됨. 다양한 장비 제조사들은 PCC slipform pavers를 마케팅함.

품질 관리 및 재료 시험 (Quality Monitoring and Materials Testing)

주 교통부의 에산 제한으로 인해, 이 분류는 보다 적은 수의 직접 검사로 공사의 품질을 확보할 수 있는 우수한 기회를 제시함. 많은 기술들이 품질 관리 및 품질 확보를 보다 효율적으로 할 수 있도록 하는 것으로 파악됨. 이러한 기술로는, 다른 포장 단면을 평가하는 기술, 균질성, 밀도, 강성, 공극 등을 평가하는 기술을 포함함. 장치의 대부분은 개선된 정확도, 비파과, 연속적인 실시간 측정과 같은 혜택을 제공함으로써 보다 균질하고 오래 지속되는 포장 건설이 가능하도록 함.

예를 들어, SHRP2 Renewal Program은 신속한 검사를 할 수 있게 하는 제품들을 평가하는데, 이에는 고속 지반침투 레이다 (ground penetrating radar), 포틀랜드 시멘트 콘크리트 포장의 실시간 평탄도 측정, 적외선 기술, 연속 굴절 시험장치, 터널 라이닝의 공극, 불연속면, 및 습기 맵핑 도구, 현장 분광기 등이 포함됨.

다른 유망 비파괴 기술들은 품질 및 건설작업의 속도를 개선할 수 있으며, 이에는 적외선 열 맵핑을 통한 수직갱의 무결성 검사, 토양 저항도 측정 (soil resistivity profiling), 및 음향 방출 (acoustic emission) 등이 포함됨.

개선된 건설 작업 및 재료 (Improved Construction Practices and Materials)

이 분류는 공사를 신속히 하고 공사가 교통에 미치는 영향을 줄이는데 상당한 역할을 함. 예를 들어, 프리캐스트 포장, 롤러 압축 콘크리트 (roller compacted concrete: RCC), 웜 믹스 아스팔트 (warm mix asphalt: WMA), 자기 양생 콘크리트, 고성능 콘크리트/철강, 재생 물질, 및 토목 섬유 (geosynthetics)와 같은 우수 사례 및 물질들은 공사 중 비용 및 시간 절감을 위한 대안으로써 제시됨.

침식 통제 분야에서는, 섬유 매트릭스와 재생 물질과 같은 신제품들이 공사 중 및 공사 후에 식생을 다시 설치하는데 사용됨. 이러한 제품들은 전통적인 뿌리 덮개 (mulching) 및 매트 (rolled mats)에 비교해서, 특히 토양이 좋지 않거나 가뭄 및 경사지 환경에서, 더 효과적인 것으로 나타남.

교량 건설에서의 개발은 가속 교량 건설 (Accelerated Bridge Construction: ABC)을 위한 사전 제작 (prefabricated) 교량 부재의 사용을 포함하는데, 이에는 프리캐스트 포스트 텐션 콘크리트 상판 패널, 프리캐스트 프리스트레스 콘크리트 거더, 프리캐스트 피어 캡 및 교대 기초 (abutment footings) 등이 포함됨. 임시 교량은 프로젝트의 진행을 신속히 하는 동안 환경에 주는 영향을 최소화하기 위해 사용되는 기술임. 일부 사례에서는, ABC와 임시 교량은 설계 및 전반적인 공사의 시간에 많은 영향을 끼치지 않기도 하지만, 차선의 봉쇄를 수 일 또는 수 시간으로 줄일 수 있도록 해 줌.

파형 강관 암거 (corrugated steel pipe culverts)를 재생하는 혁신 기술들에는, CIPP (cured-in-place pipe) 라이닝 및 고밀도 폴리에틸렌 파이프 (HDPEP) 라이너를 사용하는 슬립라이닝 (sliplining) 시스템이 있음. 2009년 FHWA의 LIFE를 위한 고속도로 프로그램의 일환으로, 몬태나 주 교통부는 개착이 없는 (trenchless) CIPP와 HDPEP 기술을 시연하였음. 이 시연을 위해서 차선 봉쇄도 필요 없었기에 교통에 전혀 영향을 끼치지 않았음. HDPEP를 사용하여 유사한 시연이 텍사스 주 교통부에 의해서 성공적으로 수행되었음.

나쁜 지반환경 하에서 제방 건설을 신속히 하는 여러 기술도 가용한데, 이에는 혁신적인 지반 개선 방법의 사용, 지반공학적 물질 및 시스템의 사용, 새로운 공사에서 현장 물질의 재사용, 및 토목섬유와 지반 안정화의 사용이 포함됨.

파악된 다른 기술로는, 도시나 난공사 환경에서 신속한 제방 공사를 가능케하는 현대적인 기초 시스템의 사용이 있음. 예를 들어, 문제성 있는 토량을 가진 도시 환경에서 주 간 프로젝트의 재건설동안, 다른 제방/기초 시스템이 평가되는데 이는 기계적으로 안정화된 토류 (mechanically stabilized earth: MSE) 벽 (walls)과 팽창 폴리스티렌 (expanded polystyrene: EPS) 지오폼 (geofoam)을 포함함. EPS 지오폼은 대부분의 토양이나 경량 채움재보다 가볍고 강한 폼 플라스틱임. 설치가 쉽고 빠르며 수직방향으로 건설하는데 사용될 수 있음.

FHWA의 Every Day Counts 이니셔티브의 일환으로, 토목섬유 보강토 (Geosynthetic Reinforced Soil: GRS)가 교량용 제방 건설에 추천됨. GRS는 여러 층의 토목섬유 보강재와 압축된 입자상 채움재로 구성됨. 이는 소규모 단경간 구조물을 위한 GRS 통합 교량 시스템으로 진화되었으며, 보강토 기초, GRS 교대, 및 GRS 통합 접근법으로 구성됨.

공사구역의 교통 관리 분야에 있어서도 공사구역의 안전을 향상시키고 교통통제를 원활히 하기 위한 경고, 구역 식별, 및 운전자 안내를 제공하는 다양한 시도들이 이루어짐. 사용 중인 가장 혁신 기술들 중 하나는 지능형 교통체계 (ITS)를 교통상황에 유동적으로 대응할 수 있도록 하는데 적용하는 것임. 이에는 다양한 메시지 사인 (Variable message Signing: VMS), 휴대가능한 교통 탐지기 및 카메라, 및 마이크로 시뮬레이션을 통한 리인포스먼트 러닝 (Reinforcement Learning)이 포함됨. 또다른 혁신으로는 도로포장 재생 전략에 대한 공사 분석 (Construction Analysis for Pavement Rehabilitation Strategies: CA4PRS) 소프트웨어 프로그램인데, 이를 통해 프로젝트 제약사항 내에서 재생 혹은 재건될 수 있는 고속도로의 길이의 최적 추정치를 얻을 수 있음. 마지막으로, 생산성 및 안전을 증가시킬 수 있는 이동 장애물 시스템 (mobile barriers systems)과 같은 교통 통제 기술들에 대한 연구가 진행 중임.

개발 및 시행 계획 (Development and Implementation Plan)

시행에 있어 현재의 장애물은 다양한데, 시방서의 부족, 잠재적인 혜택에 대한 무지, 사용자의 기술적 지식 부족, 펀딩의 부족에서부터 담당기관의 절차적 이슈까지 해당됨. 추가적으로, 일부 기술들이 유망기술로 분류된 이유는, 다양한 물질 및 현장 환경에서 여전히 종합적인 검증 및 보정이 필요하기 때문임. 이러한 장애물을 극복하기 위한 매커니즘으로는, 일반적으로 워크숍, 모델 시방서, 선도 기관, 및 고속도로 계약자와 관련 기관 및 교통부에 혜택을 확실히 보여줄 수 있는 추가 연구가 필요함.