[공학저널 전찬민 기자] 현재 도심지 경전철의 경간은 대부분 25m~40m로 시공되고 있는데, 이러한 짧은 경간장은 시각적으로 답답함을 느낄 수 있고, 교각 사이의 공간을 활용할 수가 없어 비효율적인 상태로 남게 된다. 하지만, 경간이 길어지면 교각 사이의 공간을 활용해서 유턴 차선, 녹지공간, 주차공간, 시민 문화공간 등 공간의 다양한 활용이 가능해질 수 있다.
현재 신형식 고가구조물이 설치되는 곳이 대부분 도심지이고 차량이 많이 통행하는 곳이기 때문에 교통 영향을 최소화해야 할 필요가 있으며, 안전하고 빠르게 정밀시공할 수 있는 방법을 제시하는 것이 시공에 있어 가장 중요한 사안 중 하나라고 볼 수 있다.
이에 지난 2020년 ‘세계 최장경간(200m급) 경전철 고가구조물 개발 및 검증’ 연구과제가 착수돼 공사 점용 도로 폭을 최소화하며 빠르게 시공하기 위한 전용 기계장치를 연구하고, 육교, 지하차도 등의 간섭에 영향 없이 시공할 수 있도록 기술개발이 진행됐다. 또한, 하부 교각의 경우에는 시공 완료 후 도로점유폭을 최소화하기 위해 1.5m 이내의 기둥이 되도록 단면 사이즈를 제한했고, 부재를 전부 모듈화해 현장시공을 최소화시킬 수 있게 했다.
특히, 기존의 고가구조물 시공은 2D의 설계도를 기준으로 공사 진행에 따른 시공 오차가 다수 발생하고 있는 문제를 해결하고자 BIM 기반으로 스마트 정밀 시공관리하는 기술이 개발돼 이번 과제에서 가장 주목할만한 기술로 손꼽힌다.
기존 고가구조물의 하부 교각은 일정 폭의 도로 점용과 점용된 현장에서의 철근조립과 콘크리트 타설의 무한 반복에 따른 교통, 소음민원, 품질확보가 어렵다. 또한, 주로 새벽에 교통차단 후 크레인 가설하는 상부 설치에 따른 안전상의 위험성과 공사기간 확보의 어려움도 있으며, 바닥판의 경우는 현장 타설에 따른 낙하 위험성이 있음에도 대부분의 시공이 경험에 근거한 시공관리로 이뤄져 변화를 주는데 한계가 있다.
이러한 한계를 해결하기 위해 이번 과제에서 개발된 스마트 정밀시공관리 기술은 3D BIM을 활용하고, 공사 전 시공 오차, 오류 요인 등을 확인하고 제거할 수 있다는 것이 장점이다. 특히, 디지털트윈(Digital Twin) 기법을 활용해 시공관리를 하게 되는데 라이다 드론(LiDAR Drone)과 정밀 스캐너(Scanner)를 활용해 Contour로 확인할 수 있도록 함으로써 가시성을 향상하고 1㎜ 수준의 정밀도로 시공관리를 가능하게 했다.
한편, 신형식 경전철 고가구조물은 구조형식이 Space Truss(입체 트러스)로서, 다양한 부재가 3차원 공간에서 용접 또는 볼트 결합되는 구조다. 이 중에서도 교각부가 있는 지점부 일정구간의 형상은 교량의 길이 방향과 길이 직각 방향 모든 부재가 곡선화, 모듈화돼 있어 정밀시공에 특히 신경을 써야 하는 부분이다.
이에 따라 시공성 향상을 위해 공장 제작되는 요소 단위와 부분조립의 모듈단위, 시공을 위한 부재단위, 시공 후 검측의 모든 과정을 디지털트윈화하고 BIM Data와 정합해 관리하는 스마트 정밀시공관리 기술이 구현됐다.
이러한 스마트 정밀시공관리 기술을 개발한 GS건설㈜는 지난 2019년 기획연구부터 과제 후속 연구까지 총 4년 6개월의 연구 기간에 참여했다. 기획 초기에는 도심지 고가구조물 최대 경간장인 200m와 Nano Tube형태의 구조물 컨셉, 그리고 해외 진출을 위해 필요한 기술확보 연구내용 등을 기획하기도 했다.
또한, GS건설은 구조물의 미학과 기획단계 구조물 컨셉의 구체화를 위해 네델란드 구조물 디자인 기업인 ZJA의 참여를 추진했고, 구조물의 시공성과 경제성 확보를 위한 모듈화 시공, FRP주행로 등을 통한 구조물 경량화, 스마트 정밀시공관리에 주요한 역할을 했다.
GS건설 김도학 책임연구원(사진)은 “토목 공사의 경우 시공관리에 BIM을 활용하는 초기 단계로서, 많은 부분에서 연구가 진행 중이고 실용화되고 있으며, IT기술을 활용하기에 좋은 환경이고, 스마트 시공관리를 위해 발주처와 시공사들도 많은 노력을 하고 있다”며 “연구 개발한 디지털트윈 기반의 스마트 정밀시공관리 기술은 가시성과 정밀도를 향상시킴으로써 오류를 사전에 제거할 수 있어 고품질의 시공과 안전사고 방지, 공사기간 단축 등에 많은 도움이 될 것으로 예상된다”고 말했다.
그는 이어 “가장 주안점이었던 것이 구조물의 디자인이었는데, 일반 시민들이 교량을 배경으로 사진 촬영할 수 있는 멋진 교량을 만드는 것은 연구성과를 통해 이뤄질 수 있다”며 “이번 개발한 신형식 고가구조물은 디자인과 경제성 측면에서 매우 좋은 구조형식으로, 국내 고가 구조물을 계획하는 다양한 경전철 프로젝트에 반영될 수 있도록 노력할 예정”이라고 덧붙였다,
하지만, 현재 해외에서 중국과는 공사비용 경쟁에서 어려움이 있고, 미국과 유럽의 기업들에게는 디자인, 계획 등의 경쟁에서 어려움이 있는 것이 현실이다.
이를 해결할 수 있는 여러 가지 방법 중 하나가 빠르고 정밀한 시공과 경제적인 기술력을 기반으로 하는 것과 디자인이 훌륭한 구조물을 제시하는 것이 우선적으로 필요하다고 볼 수 있다. 현재 UAE 두바이에는 디자인이 훌륭한 다양한 형식의 구조물이 있는데, 이번 연구의 결과물을 적용할 수 있을지에 대한 기대와 관심이 모아지고 있다.
김 책임연구원은 “구조물을 계획하고 시공하기까지에는 여러 단계가 있는데, 그중 연구개발 결과물은 초기단계로, 이를 극복해야 다음의 단계(실용화)를 갈 수가 있다”며 “하지만, 이러한 부분이 가장 어렵고 지원이 필요한 부분이며, 폭넓은 시각에서 업그레이드가 되고 완성도가 높아지는 것 또한 실용화이기 때문에 관련 기관의 적극적인 지원이 필요한 상황”이라고 말했다.
