4차 산업혁명 기술(IoT, AI, BIM, 3D 프린팅 등)을 활용한 스마트 교량의 개념과 건설 및 유지관리의 혁신적 발전 방향 doc_id CNTS-00120002887_3

교량의 손상이나 결함은 차량 주행과 이용자의 안전에 큰 영향을 주므로 각 도로관리 주체는 시설물의 유지관리 관련 법률과 시행령, 지침 등에 따라 정기적으로 교량의 상태를 점검하고 있다. 그러나 손상을 적절한 시기에 인지하지 못하는 경우도 있으며, 점검이나 보수를 위해 교량의 통행을 전면 차단해야하는 경우도 종종 발생한다. 스마트 교량은 유무선 센서, 통신, 네트위크 등의 사물인터넷 기술과 인공지능 등을 이용하여 교량의 상태와 건전도에 대한 정보를 자동으로 측정하고 예측해서 도로관리자나 주행 차량에 관련 정보를 전달할 수 있는 교량을 일반적으로 의미한다. 또한 구조적인 문제가 발생하는 경우 스스로 감지하고, 균열을 스스로 보수할 수 있는 자기치유형(Selfhealing) 콘크리트나 도장과 같은 스마트 재료도 스마트 교량의 주요 요소가 될 것이다. 미래의 도로 교량은 4차 산업혁명 기술과의 융합을 통해 스마트 교량으로 진화할 것이며, 건설 및 유지관리의 생산성과 효율성도 크게 향상될 것으로 기대된다. 스마트 교량은 손상, 노면상태 등을 스스로 인식하고, 차량이나 관리자한테 정보를 실시간으로 전달할 수 있는 기능을 갖게 된다. 교량의 설계, 건설 및 유지관리에 관련된 모든 정보는 디지털트윈과 연계되어 지속적으로 관리될 것이다. 교량의 스마트화는 자율주행자동차가 운행하는 미래도로의 안전성 및 사용성 확보에 크게 기여할 것이다. 스마트 교량을 실현하기 위해서는 교량 엔지니어들이 4차 산업혁명에 따른 기술 변화를 적극적으로 수용해야 하며, 타 분야 엔지니어들과의 소통과 협업이 필요하다. 또한 현재는 교량 관리 주체에서 아웃소싱 등을 통해 필요 기술을 주로 개발하고 있지만, 향후에는 혁신적인 기술과 아이디어를 보유한 스타트업 기업들이 스마트 교량 관련 기술을 개발하고 제공할 수 있는 생태계의 구축과 정책적인 지원이 활발해져야 한다. BIM(Building Information Modeling)은 BIM은 자재, 공정 및 공사비 등이 입력된 3차원 입체모델로 시뮬레이션을 통해 설계, 시공 및 유지보수 등을 수행, 오류·결함을 최소화하여 생산성을 배가할 수 있고 유지보수·안전관리 프로그램 등의 기초자료로 사용될 수 있는 “BIg Data”이다. BIM은 기획단계에서는 노선, 환경 및 경제성 등 타당성 검토, 설계단계에서는 공법선정, 가상 시뮬레이션 등 설계완성도 극대화에 활용될 수 있다. 시공단계에서는 정밀 시공, 공정관리 및 투명한 사업비 집행이 가능하며, 유지관리 단계에서는 시설물 점검·진단시 자재, 사용연한 등 속성정보를 제공한다. BIM 기술의 활용으로 기존의 2차원 도면 환경에서는 달성이 어려웠던 기획, 설계, 시공, 유지관리 단계의 사업정보 통합관리를 통해, 설계 품질 및 생산성 향상, 시공오차 최소화, 체계적 유지관리 등이 이루어질 것으로 기대되며, 이와 같은 이유로 선진 국가의 정부 및 건설회사에서도 BIM 기술을 도입하고자 많은 노력을 기울이고 있다. 우리나라의 경우, 건축분야 중심으로 활용 중이나, 건설 프로세스 전반에 적용되기 보다는 설계 과정에 국한하여 부분적으로 적용되고 있다. 3차원 설계데이터를 활용하여 소형 구조체나 부품, 실물 모형을 적층으로 만들어 내는 3D 프린팅 기술도 건설산업분야에서 주목하는 4차 산업혁명 기술 중 하나이다. 합성수지, 고무, 고분자 물질 등이 3D 프린팅의 재료로 주로 활용되지만, 콘크리트와 같은 기존의 건설재료를 활용한 3D 프린팅 건설 관련 연구개발이 우리나라뿐만 아니라 기술 선진국을 중심으로 다양하게 수행되고 있다. 스페인, 중국, 미국 등에서는 3D 프린팅을 이용하여 소형 콘크리트 교량을 이미 건설하였으며, 네덜란드에서는 2018년에 강재 교량을 건설하였다. 3D 프린팅 기술을 활용하면 기존 건설 기술로는 구현하기 어려웠던 다양한 형상을 보다 용이하게 구현할 수 있으며, 구조적으로 최적화된 형상을 구현할 수 있다. 향후 건설에 적합한 재료의 개발과 응용이 활성화되고 프린팅 장비의 대형화와 비용의 문제가 해결되면 보다 폭 넓게 교량건설에 활용할 수 있을 것이다.