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SMK 기본정보

SMK 기본정보
기술명 3D 스캐닝과 역설계 방식의 스마트 프로세스 및 이를 적용한 프리팹 모듈러 바닥판 개발
개발 배경 및 필요성 ○ 현재 전통적인 건설산업은 현장생산 및 인력의존 그리고 각 시공단계별 정보피드백 단절 등 그 한계를 갖고 있고 특히 지식, 첨단 사업으로 건설사업의 패러다임을 전환하는 스마트 건설기술은 드론 및 일부 건설장비의 자동화에 국한되어 사용되어 지고 있어 그 적용성에 한계가 있음
○ 그 이유로는 구조물에 스마트 건설기술을 적용하기 위해서는 스마트 건설기술 외에 그 기술이 적용가능한 구조물 형식이 융합적으로 개발되어져야 하나 스마트 건설기술을 기존 재래적 구조물형식에 적용하기 위한 기술이 부재한 상태임.
○ 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 국내의 스마트건설기술 적용 범위를 구조물과 시스템으로의 융합/확대 및 2차원 설계도면에서 3차원 정보모델로, 그리고 현장의존성 시공방법에서 프리팹적용이 가능한 스마트건설 프로세스 개발과 이를 실제적으로 적용가능한 스마트 프리팹 바닥판을 개발하고자 함
○ 바닥판의 경우 스마트 프로세스를 적용하기 위해서는 시공 시, 재래식 시공 방법에 따라 시공오차와 환경에 따른 구조적 변형이 발생하고 또한 스마트 건설 프로세스를 적용하기에는 제작환경에 제한이 있음.
- 바닥판의 경우에 거더를 시공한 후 바닥판을 시공할 시 앞서 시공된 거더의 구조적 변형에 의하여 기 제작된 바닥판과의 구조적 오차가 발생하여 구조적 안정성 확보하기 어렵고, 추가적인 건설비용과 시공기간이 증가함에 따라 현장 시공이 어려움.
- 이러한 문제를 해결하기 위해서는 3D스캔을 통한 대상 거더의 형상 정보를 취득한 뒤 역설계(Reverse Engineering)를 적용하여 구조물 일체화가 가능한 모듈러 시스템의 스마트 프리팹 바닥판이 개발되어야 함.
- 프리팹(Pre-fabrication, Pre-fab) 요소기술을 적용하기 위해서는 현장 정보와 실제 구조물 제작 공장과의 정보전달이 원활하여야 하며 이를 통한 현장 현황에 따른 바닥판의 구조적 변경 및 설계가 가능한 유연한 형태의 바닥판 형식의 개발이 필요함.
○ 본 제안에서는 스마트 요소기술 통합 및 개발을 통한 구조물의 안전성 확보 및 건설비용/기간 감소가 가능한 사용성 높은 스마트 건설 프로세스 및 적용가능한 스마트 프리팹 바닥판 개발하고자 함.
기술 개요 ? 건설과 스마트 기술의 매칭은 다방면으로 진보되고, 건설시장에서 규격화, 단순화, 프리캐스트화는 끊임없이 연구화되고 있음.
? 건설시장의 큰 분류인 건축시장은 일정수준 이상으로 연구가 진행되었으나, 토목(인프라)시장은 수많은 변수로 인한 구조물 규격화 난항
? 건설업을 제조업화할 수 있는 스마트 건설의 핵심인 프리팹 기술을 적용하고자 하며, 제조업화를 위하여 3D스캐닝과 역설계 등의 스마트 프로세스 개발
1차년도 기술개요
? 스마트 프로세서가 적용 가능한 프리팹 모듈러 바닥판의 상세 개발 및 강재 거푸집 개발
? 바닥판의 변형을 최소화할 수 있는 운반용 프레임과 인양 방식에 대한 검증
? 프리팹 구현을 위한 대상구조물의 변형 data 확인 및 좌표 Data 변환 과 보정을 통한 3D 캐드도면 작성 모듈 개발
? Data 컨버젼 프로그램을 통해 취득된 설계도면과 실제 구조물의 측정 데이터 비교 및 오차 측정 가능한 역설계 알고리즘 개발
? 스마트 프로세서가 적용된 프리팹 모듈러 바닥판의 종방향 이음부 최적화 연구
? 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 실물크기 구조성능 검증
? 프리팹 모듈러 바닥판 연결부 최적 채움재 성능 평가
- 스마트 기술 도입이 유효한 종방향 이음부 상세 실험체 제작
- 패킹재(실링재, 고무패킹)를 적용하여 재료적 특정의 최적화
- 스마트기술(3D 스캐닝, 역설계) 정보의 반영이 가능한 전단합성부 개발
- 프리팹 구현을 위한 대상구조물의 변형 data 확인 및 좌표 Data 변환 과 보정을 통한 3D 캐드도면 작성 모듈 개발
- Data 컨버젼 프로그램을 통해 취득된 설계도면과 실제 구조물의 측정 데이터 비교 및 오차 측정 가능한 역설계 알고리즘 개발
- 스마트 기술 도입이 유효한 종방향 이음부 상세 최적화 유한요소해석 시뮬레이션
- 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 실물크기 구조성능 검증
- 프리팹 모듈러 바닥판 연결부 최적 채움재 성능 평가

기술의 특장점

기술의 특장점
기존 기술 대비 차별성 ○ 기술의 완성도
- 이미 연구개발이 많이 진행되어온 기존의 프리캐스트 전단면 바닥판은 교량건설 시장에서 활성화되지 않았는데, 가장 큰 이유는 정밀도가 떨어지기 때문이었음. 본 연구개발 대상기술인 스마트 프리팹 모듈러 바닥판은 스마트 기술(3D 스캐닝과 역설계, 프로세스 개선)과 바닥판 구조의 개선 및 검증으로 시장 요구수준에 부합되는 정밀도를 구현하고 미흡했던 기존 기술의 완성도를 혁신적으로 높여주므로서 시장진입 및 활성화를 이끌어 갈 수 있음.
○ 대상기술의 시장 여건
- 현재 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 대상 시장의 총규모는 연간 2,000억을 상회하고 있으며, 추가적인 시장으로서 노후교량 바닥판 개체공사의 수요는 지속적으로 증가할 것임. 그러나 시장의 규모에 비해 경쟁업체의 수는 현재 두군데 밖에 되지 않아서 진입장벽은 매우 낮고, 최근 인건비 상승과 안전문제가 대두되고 공기단축의 요구가 증가함에 본 기술의 수요는 증가하고 있는 추세임.
○ 기술 수요 및 정책 부합성
- 본 연구개발 대상기술, 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 최대 수요기관인 한국도로공사는 현재 스마트건설사업단의 주관기관으로서 프리팹 시장 활성화를 위해 의무적용 및 시범설계를 확대하고 있으며, 2030년까지 ‘건설현장 프리팹化 90% 달성’을 목표로 하고 있음. 한국도로공사의 적극적인 기술적용은 전국 도로관리청 및 지방자치단체에 큰 파급효과를 가져올 것임. 또한 프리팹의 조기 활성화를 위한 ‘첫 고객 되어주기’프로그램은 본 연구개발 성과를 조기에 사업화할 수 있는 초석이 될 것임.
기술 경쟁력 본 연구는 스마트 프리팹 모듈러 형식으로 바닥판 제작이 가능하며, 3D 스캐닝과 역설계를 활용한 프리팹 모듈러 형식의 바닥판을 개발하는 연구로서, 전 세계적으로 유사연구가 수행된 바 없음. 본 기술을 활용할 시, 설계와 현장 사이에서 발생한 오차로 인한 시공지연 현상을 예방할 수 있고, 이러한 이유로 시공 비용이 감축될 것으로 예측됨. 공장 제작 현장설치로 교통(운항) 통행량이 많은 고속도로 및 공항, 종단경사 하향 도심지 도로에 긴급포장으로 시공이 간편하고, 교통 개방 가능 시간을 줄여 새로운 도로의 포장뿐만 아니라 기존 도로의 포장 보수 공사등에 적용하여 교통통제에 따르는 민원을 최소화 할 수 있음. 또한 전문연구인력 양성, 스마트 프리팹 모듈러 기술 이외의 3D 스캐닝, 역설계와 같은 첨단 기술의 토목분야 적용 등이 가능하므로 이에 따른 학문의 발전이 가능함. 이후 다학제간 연계를 통한 창의적인 연구 아이디어의 창출로 전반적 융·복합 연구 발전에 기여할 것으로 기대됨.
경제적 효과 ○ 본 기술 활용 시, 콘크리트 구조물의 효과적인 설계 및 유지관리가 가능해 질 것이며, 이는 콘크리트 구조물의 장수명화(Service life extension)로 이어지게 될 것임. 전체 산업중 이산화탄소 배출량 순위 중, 2위가 시멘트, 4위가 철강산업이며, 전 세계 이산화탄소 발생량중 약 6~8%가 철근콘크리트 구조물 건설에 관련된 점을 감안할 때, 콘크리트 구조물의 장수명화는 이산화탄소 배출량 감소에 효과가 있을 것으로 판단됨. 스마트 프리팹 모듈러 기술과 3D 스캐닝 및 역설계 기술의 융합연구를 통하여 건설 분야의 새로운 성장엔진을 발굴하고 산업구조를 재편할 수 있을 것임.

시장성

시장성
시장규모 및 성장성 ○ 대상기술의 시장 여건
- 현재 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 대상 시장의 총규모는 연간 2,000억을 상회하고 있으며, 추가적인 시장으로서 노후교량 바닥판 개체공사의 수요는 지속적으로 증가할 것임. 그러나 시장의 규모에 비해 경쟁업체의 수는 현재 두군데 밖에 되지 않아서 진입장벽은 매우 낮고, 최근 인건비 상승과 안전문제가 대두되고 공기단축의 요구가 증가함에 본 기술의 수요는 증가하고 있는 추세임.
○ 기술 수요 및 정책 부합성
- 본 연구개발 대상기술, 스마트 프리팹 모듈러 바닥판의 최대 수요기관인 한국도로공사는 현재 스마트건설사업단의 주관기관으로서 프리팹 시장 활성화를 위해 의무적용 및 시범설계를 확대하고 있으며, 2030년까지 ‘건설현장 프리팹化 90% 달성’을 목표로 하고 있음. 한국도로공사의 적극적인 기술적용은 전국 도로관리청 및 지방자치단체에 큰 파급효과를 가져올 것임. 또한 프리팹의 조기 활성화를 위한 ‘첫 고객 되어주기’프로그램은 본 연구개발 성과를 조기에 사업화할 수 있는 초석이 될 것임.

○ 새로운 기술 변화흐름에 맞추어 건설 분야의 새로운 성장엔진을 발굴하고 산업구조를 재편하는 데 있어 주목받고 있음.
- 세계적으로 3D 스캐닝 기술, 역설계 기술은 정보 및 설계 기술과 함께 향후 수십 년간 과학기술의 핵심적인 분야가 될 것으로 예상되고 있으며, 다른 기술들에 비해 성장세가 매우 가파르나 현재는 부재한 시설물의 복원 및 유지관리를 위해서 쓰이는 실정
○ 세계적으로 3D 스캐닝 기술, 역설계 기술은 정보 및 설계 기술과 함께 향후 수십 년간 과학기술의 핵심적인 분야가 될 것으로 예상되고 있으며, 다른 기술들에 비해 성장세가 매우 가파름.
○ 또한 프래팹 기술은 융합기술 영역을 확대해 나가고 있는 바, 건설분야에서의 프리팹 기술 활용은 피할 수 없는 미래형 기술임.
○ 본 연구에서 제안하고 있는 3D 스캐닝기술과 역설계 개념은 실제도면과 비교하여 구조적 변형을 수치화하고 이와 적합한 관련 구조물을 프리팹으로 설계/제작할 수 있는 기술로 향후 구조물 시공현장에서 단계별 시공시 BIM정보와 상호 비교하여 시공성을 향상 시킬수 있을것이며 관련되어 국내 및 세계에 새로운 시장개척이 가능
○ 본 연구는 3D 스캐닝 및 역설계를 기반으로 스마트 프리팹 모듈러 바닥판 기술을 확보하여 건설과 신기술간의 융합기술 개발을 통해 새로운 건설재료 및 구조물 형식 분야의 성장동력을 확보
응용분야(수요처) ○ 교량 바닥판 공사에 대한 건설문화 혁신 : 프리팹 방식으로 전환
- 전통적인 현장타설 방식을 스마트 프리팹 방식으로 전환
- 교각 및 거더 위에서 이루어지는 고소작업을 지상의 제작공장에서 대부분 시공
- 공사 기간을 단축하여 간접비용 및 사회비용을 절감.
- 프리팹 바닥판의 연결구조를 단순화하고, 구조적 안정성을 확보하여 스마트 기술의 적용이 용이하고 오차발생의 여지를 사전에 제거.
- 스마트 기술을 활용하여 정밀제작 및 안전시공.

○ 프리팹 시공에 대한 스마트 플랫폼 제시 : 프리팹 방식의 구현
- 제작여건 및 현장조건을 반영하는 데이터를 제작공장에 제공하므로서 정밀시공이 가능하도록 기시공 오차를 극복하고 공장에서의 제작 오차를 미연에 방지.
- 프리팹 바닥판에 대한 3D 스캐닝 및 역설계 기법의 최적화
- 현장 데이터를 제작공장 뿐만아니라 감독자 및 시공책임자에 공유하여 신속하고 합리적인 의사결정이 되도록 시스템 제공
- 바닥판 이외의 프리캐스트 제품에 대한 스마트 기법 활용의 성공적 모델 제시

○ 교량 바닥판 공사에 대한 국내시장 선점 및 확대
- 프리팹 방식으로 전환하고 스마트 기술을 성공적으로 적용하여 교량 바닥판에 대한 프리캐스트 시장진입과 선점 및 과점이 가능함.
- 스마트 프리팹 바닥판에 대한 기술 및 시장선점은 연관된 분야로 기술과 시장을 확장할 수 있는 사업적 거점이 된다. 그 예로는 가설 장비 기술, 거더 제작기술, 방호벽 제작 기술, 프리캐스트 교각 기술 등이 있음.

○ 해외에 교량 전문건설 기술사업으로 확대
- 해외에 없는 독창적인 스마트 프리팹 바닥판 제품을 기술적인 거점으로 활용
- 스마트 프리팹 바닥판 제품과 연관된 거더, 장비 등으로 교량 전문기술 사업화

○ 스마트 건설 프로세스 플랫폼을 개발함으로써 향후 바닥판외 전체 교량의 시공단계별 적용 확대
- 건설분야가 아닌 건설장비에 국한된 스마트 건설분야에 전체 시설물을 대상으로한 플랫폼 개발으로 스마트건설분야의 새로운 패러다임을 제시
- 이에 따른 스마트 건설기술과 상호적합한 스마트 시설물을 개발로 새로운 건설시장 개척 및 사업화

연구성과 정보

* 지재권현황
순번 발명의 명칭 출원번호 관리현황
1 응력전달이 균일한 교량 상부 구조 및 그 시공방법 10-2021-0089420 (주)상보
2 3D 스캐닝과 역설계 방식의 스마트 프로세스 및 이를 적용한 프리팹 모듈러 바닥판 개발 10-2021-0154952 (주)에스티이앤지
3 프리팹을 위한 실제구조물 3D 스캔 및 역설계 데이타 변환 프로그램 저작권 등록 (주)에스티이앤지

시공실적 및 시제품 현황
시공실적 및 시제품 현황 스마트 프로세서가 적용 가능한 프리팹 모듈러 바닥판의 상세 개발 및 거푸집 개발

- 스마트 프로세서가 적용 가능한 프리팹 모듈러 바닥판의 상세 개발 및 실험체 제작
- 프리팹 모듈러 바닥판의 강재 거푸집 개발
- 프리팹 구현을 위한 대상구조물의 변형 data 확인 및 좌표 Data 변환 과 보정을 통한 3D 캐드도면 작성 모듈 개발

기술준비도(TRL) 기술개념확립  연구실환경검증  시제품제작  실제환경검증  신뢰성평가  상용품제작
R&D 수행이력 사업명 국토교통기술사업화지원
과제명 3D 스캐닝과 역설계 방식의 스마트 프로세스 및 이를 적용한 프리팹 모듈러 바닥판 개발
총연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31
총연구비 545,900,000원
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