1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 범위 및 방법
2. 교량의 변형 관리에 대한 고찰
2.1 수치 사진측량을 이용한 선행연구 고찰
2.2 토탈스테이션을 활용한 선행연구 고찰
2.3 무프리즘 선행연구 고찰
2.4 교량 기하정보 원격측정
2.5 프리즘 기반 교량 검측
2.6 BIM과 3차원 센싱 기술을 활용한 시공관리
3. 시공단계별 거더 변형 분석 및 관리
3.1. 시공단계별 거더 변위 검측 배경
3.2 시공단계별 거더 변위 검측
3.3 변위 분석 자동화
4. 향후 연구 진행 방향 및 결론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
프리팹 공법은 공장제작-현장조립 건설방식으로 기존의 시공 방식의 문제점인 낮은 생산성, 낮은 품질, 높은 제작 원가 등의 문제를 해결하기 위해 해외에서는 이미 활발히 연구가 진행 중이다(Kim et al., 2023). 국내 건설산업에서는 프리팹 공법을 활용한 교량 및 구조물 시공이 점차 확대되고 있으며, 이에 따라 제작·운송·설치 과정에서의 정밀도 확보와 품질 향상이 중요한 과제로 부각되고 있다. 프리팹 바닥판과 거더는 공장에서 제작 후 현장에서 조립되는 특성상 설계와 시공단계 간의 형상 및 위치 오차를 최소화하는 것이 필수적이다(Choi et al., 2024). 그러나 기존의 수작업 위주의 제작 관리와 검측 방식은 효율성과 정확성에서 한계를 보이며, 공정 지연이나 추가 비용 발생의 원인이 되어왔다. 최근에 이러한 한계를 극복하기 위해 교량 거더의 변형 및 처짐을 토탈스테이션을 활용하여 계측하는 연구가 진행되고 있다(Lienhart et al., 2024; Marendić et al., 2025).
프리팹 PSC 거더는 프리스트레스 도입으로 발생하는 솟음이 형상관리에서 가장 중요한 요소이고, 초기 긴장력 도입 이후 시간이 경과 함에 따라 크리프, 릴렉세이션, 건조수축, 콘크리트 강도의 변화 등이 변형에 큰 영향을 미친다(Kim et al., 2022, Park et al., 2010). 특히 프리캐스트 거더는 공장에서 제작 후 현장에서 설치되기 때문에, 제작 단계부터 시공 및 준공 이후까지의 변형 거동을 정밀하게 파악하는 것이 필수적이다. 그러나 기존의 변형 검측 방식은 시공단계별 계측이 제한적이며, 장기거동 변화 추적에 필요한 연속성과 정확성이 부족하다는 한계가 있다. 최근에는 변형률계, 변위계, 가속도계 등의 센서를 부착하여 실시간으로 거동을 모니터링하는 방식이 널리 연구되고 있으나(Park et al., 2021) 센서 기반 방식은 설치 및 유지관리 비용이 높고, 부착 지점의 국소 변위만 측정 가능하다는 한계가 있다. 또한, 장기간 설치 시 센서의 내구성과 측정 신뢰성을 유지하기 위해 주기적인 보정과 교체가 필요하다. 이에 비해 토탈스테이션과 반사 시트 타겟(reflector target Sheet)을 활용한 검측 방식은 초기 설치와 운영이 간단하고, 광범위한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 단일 장비로 여러지점의 변위를 밀리미터 단위의 정밀도로 측정할 수 있으며, 동일한 기준 좌표계에서 시공단계별 변화를 비교할 수 있어서 거더 변형의 분석이 용이하다. 또한, 센서 부착이 어려운 거더의 외부 표면이나 부재도 측정 가능하며, 장비를 현장에 임시 배치하는 형태로 운영하므로 장기적인 장비 유지 부담이 적다. 특히 시공단계별 품질 관리, 준공 검사, 주기적인 정밀 점검 등 특정 시점에서의 고정밀 계측이 필요한 경우 효과적이다. 이에 본 연구에서는 거더의 긴장 후, 거치 단계, 상부 바닥판 시공 이후, 준공 재하 시험 단계에 이르기까지 변위 변화를 정밀 좌표로 기록하고, 이를 기준으로 허용 처짐과 횡만곡 기준을 비교·분석하여 장기적인 구조 안전성 평가와 유지관리 계획 수립에 활용하기 위해 연구를 진행하였다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구는 프리캐스트 거더의 시공 전·후 및 사용 단계에서 발생하는 처짐과 변형 거동을 정밀하게 계측하기 위해 토탈스테이션과 반사 시트 타겟(reflector target Sheet)을 활용한 단계별 검측 방법을 적용한다. 검측 대상은 프리팹 거더가 적용된 교량으로 선정하고 거더별로 시점부, 중앙부, 종점부에 반사 시트 타겟을 고정된 위치에 부착하여 시공단계별로 검측을 수행한다. 검측데이터를 기반으로 시공단계별로 거더의 변형양상을 수치화하여 BIM 모델에 부여한다. 이를 통해 시공 과정에서의 변위 경향을 분석하고, 준공 이후의 장기거동 특성을 분석하여 교량의 안전성과 내구성 평가에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 교량의 변형 관리에 대한 고찰
2.1 수치 사진측량을 이용한 선행연구 고찰
수치근접 사진측량(digital close-range photogrammetry) 기법을 이용하여 철도 판형교의 I형 거더에 발생하는 처짐과 비틀림을 동시에 측정한 연구이다. 기존의 재하 시험과 병행하여 두 방법의 측정값을 비교하여 사진측량의 정밀도를 입증하였고, 접촉식 계측 기술이 고정밀 변형 분석에도 활용 가능함을 보여주었다. 기존 연구들은 주로 단일 카메라를 활용하여 처짐과 같은 1차원 변형만 분석하거나, 실험실 환경에서 모형 구조물을 대상으로 한 경우가 많았다(Albert et al., 2002). 이 연구에서는 실제 운행 중인 철도 교량에서 동종 카메라 2대를 사용하여 3차원 변형을 실시간으로 측정함으로써 현장 적용 가능성을 검증했다는 점에서 차별성을 가진다. 특히 곡선 교량인 예당천 교량에서 S자 형태의 비틀림 변형을 정량적으로 확인한 점은 기존 연구에서 다루기 어려웠던 부분이다. 이 연구는 기준점 좌표 획득에 토탈스테이션(Figure 1)을 병행함으로써 사진측량의 위치결정 정밀도를 향상시켰다. 또한, 고가의 측정 장비 없이 DSLR 카메라와 타겟만으로도 정밀 계측이 가능하다는 점을 실증하였다.
이 연구에서는 기존에 인력점검과 고비용 재하 시험에 의존하던 철도 판형교 I형 거더의 변형 측정을 위해 수치근접 사진측량 기법을 제안하였다. 이를 통해 열차의 반복하중이 I형 거더에 처짐과 비틀림을 동시에 발생시킨다는 사실을 3차원적으로 확인할 수 있었다. 특히 기존 연구가 주로 1차원 처짐만을 분석한 것과 달리, 본 연구는 동종 카메라 두 대를 활용해 비틀림까지 측정 가능함을 입증했다. 따라서 이 방법을 장기적으로 활용하면 판형교의 위험요소를 사전에 발견·관리할 수 있고, 인력점검 시 발생할 수 있는 안전사고를 예방할 수 있다. 또한, 설치와 비용 부담이 큰 재하 시험을 대체할 수 있으며, 간단한 카메라 설치만으로도 교량 변형의 안전도 예측이 가능하였다(Lee et al., 2009).
2.2 토탈스테이션을 활용한 선행연구 고찰
이 연구에서는 서울 지하철 2호선 건대-구의 구간의 노후 PSC I형 거더 고가교를 대상으로, 환경적 요인과 장기 사용에 따른 내구성 저하를 방지하고 구조 성능을 향상시키기 위해 경량화 공법을 적용하고 그 효과를 정량적으로 분석하였다. 특히, 경량화에 따른 구조물의 연직 변위 변화를 정밀하게 측정하기 위해 토탈스테이션을 주요 계측 장비로 활용하였다. 이 연구의 경량화 방안은 세 가지로 구성되었다. 첫째, 기존 콘크리트 방음벽을 경량재 방음벽으로 교체하여 고정하중을 경감하였다. 둘째, 자갈도상을 콘크리트 도상으로 변경하여 유지관리 효율성과 구조 안전성을 향상시켰다. 셋째, 레일과 트라프를 경량화하여 전체 자중을 추가로 감소시켰다. 이러한 단계별 경량화 과정을 거치면서 구조물의 정적 및 동적 거동, 응력 변화, 내하력 변화를 계측 및 분석하였다.
토탈스테이션을 이용한 계측은 거더 중앙 하면과 교각에 프리즘 타겟(reflective sheet target)을 설치한 후, 자동 수평 보정 기능을 갖춘 장비로 각 타겟을 시준하여 변위를 측정하는 방식으로 수행되었다(Figure 2). 계측 지점은 최외측 거더(G1)와 내측 거더(G2)로 설정하였으며, 각 경량화 단계(자갈도상 제거, 콘크리트 도상 타설·경화, 방음벽 교체, 레일·트라프 경량화) 후 3~5회 반복 관측하여 평균값을 산출하였다. 계측은 약 1년 6개월간 장기적으로 진행되었으며, 이를 통해 경량화 전후의 변위 변화를 상세히 기록하였다. 계측 결과, 경량화 전 대비 변위 감소 효과가 확인되었고, 거더 하연의 인장 응력도 감소 되었다. 특히 콘크리트 방음벽을 경량 방음벽으로 교체한 단계에서 큰 처짐 감소가 발생하여 가장 큰 효과를 보였다.
이 연구에서는 유한요소해석(SAP2000, DIANA)을 병행하여 토탈스테이션 실측값과 비교·검증하였다. 해석 결과와 실측값은 유사한 경향을 나타냈으며, 실제 계측값이 해석 예측값보다 다소 우수한 성능개선 효과를 보였다. 이를 통해 토탈스테이션 기반 변위 계측이 현장 적용성 및 신뢰도가 높음을 입증하였다. 이 연구는 토탈스테이션을 활용한 장기 변위 계측을 통해 고가교 경량화의 구조적 효과를 실증적으로 제시하였으며, 노후 교량의 수명 연장과 유지관리 효율성을 위한 실질적인 기술적 근거를 제공하였다. 특히, 경량화 공법의 효과를 정량적으로 검증하고 이를 해석과 실험을 통해 상호 보완적으로 평가한 점에서 향후 구조물 성능개선 연구의 중요한 참고사례로 활용될 수 있었다(Kim et al., 2011).
2.3 무프리즘 선행연구 고찰
토탈스테이션은 3차원 좌표 측정을 위한 정밀 측량 장비로 일반적으로 프리즘이 필요하지만, 프리즘 설치가 곤란한 지역에서는 활용이 제한된다. 무프리즘 토탈스테이션은 TOF(Time of Flight)와 위상변이(Phase Shift) 측정법을 기반으로, 프리즘 없이도 대상물의 거리를 정밀하게 측정할 수 있어 다양한 구조물 모니터링에 적용 가능성이 높다(Park et al., 2003). 이 연구에서는 교량 변위 측정 시 무프리즘 토탈스테이션의 적용성을 검토하고, 기존 프리즘 방식과의 정확도를 비교하였다. 대상 구조물은 유속이 빠르고 상부구조물이 시공 중인 교량으로 선정하였으며, 각 교대와 교각에 2개씩 관측점을 설치하였다(Figure 3). 프리즘 관측은 고정 장치를 통해 수행했고, 무프리즘 관측은 동일 지점의 상단부를 타깃으로 3일 간격, 총 5회, 각 지점당 10회 이상 측정하였다. 무프리즘 관측 시 프리즘 중심과 타깃 사이에 이격량이 발생하였으며, 이를 보정하여 두 방식의 결과를 비교하였다. 분석 결과, X·Y·Z 좌표의 평균 차이는 약 2~3 mm로, 무프리즘 방식이 프리즘 방식과 비교해 매우 양호한 정확도를 보였다. 이는 근접 접근이 어려운 대형 구조물이나 복잡한 산업시설물에서 변위 측정 시 무프리즘 토탈스테이션이 충분히 대체 수단이 될 수 있음을 시사한다. 무프리즘 방식의 장점은 프리즘 설치 불가능 위치에서도 측정 가능하다는 점, 장비 설치 및 측정 인력·시간 절감 효과, 그리고 대규모 구조물의 3차원 변위 모니터링에 경제성이 있지만, 측정거리 제한, 표면 특성에 따른 측정오차, 환경조건의 영향, 정밀도 한계, 비용문제 등의 단점도 가지고 있다. 이 연구는 무프리즘 토탈스테이션이 교량 변위 측정에서 프리즘 방식과 동등한 수준의 정밀도를 확보할 수 있음을 실험적으로 입증하였으며, 교량 및 기타 사회기반시설의 변위 모니터링 기술 다변화와 효율성 향상에 기여할 수 있는 기초 자료로 활용될 수 있음을 파악하였다(Lee et al., 2006).
2.4 교량 기하정보 원격측정
스캐닝 토탈스테이션(Scanning Total Station, STS)과 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 기반의 원격점검 기술을 활용한 연구이다. STS는 밀리미터 수준의 고정밀 측정이 가능하며, 반사경 없이도 대상물의 기하학적 형상을 비접촉 방식으로 계측할 수 있다. 이 연구에 사용된 Leica Nova MS50 모델은 실험실 환경에서 ±2.4 mm 이하의 오차를 보였으며, 포인트 클라우드 데이터에 RANSAC(Random Sample Consensus)과 WTLS(Weighted Total Least Squares) 알고리즘을 적용하여 부재의 치수를 산정하였다.
STS의 장점은 높은 정밀도와 복잡한 형상의 측정 가능성에 있으나, 측정거리 증가, 반사각 변화, 진동 등의 환경적 요인에 따라 정확도가 저하될 수 있다. UAV는 접근이 어려운 부위의 촬영이 용이하며, 넓은 영역을 단시간 내에 촬영할 수 있다는 장점이 있다. 이 연구에서 촬영한 이미지는 Structure from Motion(SfM)과 Multi-View Stereo(MVS) 기법으로 처리되었으며, 약 90% 이상의 치수 일치율을 확보하였다. 실험 대상은 트러스 철도교로 경간 길이·높이·폭과 일부 부재 치수, 그리고 보수 이력이 있는 W형 비대칭 접합부를 측정 대상으로 선정하였다(Figure 4). STS 측정은 3개 지점에서 반사경 없이 실시하였고, UAV는 약 5m 거리에서 고정밀 촬영 후 이미지를 처리하여 포인트 클라우드를 생성하였다.
STS는 정밀도, UAV는 접근성과 범위에서 각각 강점을 보이며, 두 기술의 융합은 상호 보완적 효과를 제공한다. STS로 고정밀 치수를 확보하고 UAV로 전체 구조의 상태를 신속히 파악하면, 설계도 대비 형상 차이 분석과 손상 위치 파악을 효율적으로 수행할 수 있다. 이러한 융합 방식은 비계·중장비 투입을 최소화하여 비용 절감과 작업 안전성을 동시에 확보할 수 있다. 결론적으로 STS와 UAV를 결합한 원격점검은 전통적인 접촉식 측정 대비 약 2배의 오차 범위 내에서 교량 기하정보를 확보할 수 있으며, 이는 대부분의 유지관리 목적에 적합한 수준이다. 향후 UAV-LiDAR 등 고정밀 센서의 도입, 악조건 환경에서의 운용 안정성 개선, STS-UAV 데이터 융합 알고리즘의 고도화가 필요하며, 이를 통해 교량을 포함한 대형 인프라의 저비용·비접촉식 유지관리 체계 구축이 가능할 것으로 기대하였다(Olaszek et al., 2024).
2.5 프리즘 기반 교량 검측
교량의 구조적 성능을 평가하기 위한 재하시험은 기존 보수·보강 기술의 효과를 검증하는 핵심 수단으로 널리 활용되어 왔다. 특히, 섬유 보강 플라스틱(FRP)과 같은 신공법 적용 시에는 장기적인 사용성 및 처짐 거동을 정밀하게 계측하는 것이 필수적이다. 전통적으로 사용되어온 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 계측 시스템은 높은 정밀도를 제공하나, 설치를 위한 작업환경에 제약이 많아 교량 접근성이 제한적인 현장에서는 적용에 어려움이 따른다. 이와 같은 한계를 보완하기 위해 토탈스테이션을 활용한 교량 모니터링 방법을 제안하였다. 이 연구에서는 Leica TCA 2003 장비를 이용하여 교량 상부에 설치된 프리즘 타겟의 변위를 계측하였으며, 최대 0.2 mm 수준의 정밀도를 확보할 수 있음을 확인하였다(Figure 5). 특히, 하천 상부나 고가교량 등 LVDT 설치가 사실상 불가능한 조건에서도 토탈스테이션을 통해 비접촉 방식의 계측이 가능하다는 점을 실험적 및 현장적 검증을 통해 제시하였다.
현장 적용 사례를 통하여 토탈스테이션은 LVDT에 비해 설치 시간과 인력이 크게 절감되며, 기후와 현장 조건에 영향을 적게 받아 실용성이 높은 것을 확인했고, 평균 0.05~0.08 mm 수준의 오차로 LVDT 결과와 유사한 변위 값을 도출하여 제한된 접근성을 가진 교량에서 유효한 대안으로 평가되었다. 다만, LVDT와 달리 실시간 연속계측 및 동적 재하시험(dynamic load test) 에 적용하기 어렵다는 점은 한계로 지적되었다. 해당 연구는 토탈스테이션을 활용한 교량 변형 모니터링이 기존 접촉식 계측 장비의 한계를 보완할 수 있는 가능성을 제시한 대표적 사례라 할 수 있다. 이는 향후 교량 계측 연구에서 정확도와 현장 적용성을 동시에 고려한 하이브리드 모니터링 시스템 개발의 필요성을 시사한다(Merkle & Myers, 2004).
2.6 BIM과 3차원 센싱 기술을 활용한 시공관리
이 연구에서는 건설 프로젝트에서 기존의 수작업 중심 시공 진도관리 방식이 가지는 한계를 극복하기 위하여 BIM(Building Information Modeling)과 3차원 센싱 기술을 결합한 시공단계 모니터링 분야의 선행연구를 종합적으로 분석하였다. 2007년부터 2021년까지 발표된 관련 선행연구 46편을 대상으로 문헌 조사를 수행하였고, 스캐닝 환경, 계획모델과 As-built 모델 간 비교, 그리고 객체 인식 성능 지표를 기준으로 분석을 수행하였다. 스캐닝 환경은 실내, 실외, 실내·실외 혼합으로 구분하였으며, 비교 수준은 형상 기반의 3D, 공정 기반의 4D 평가, 기성 내역을 포함한 5D 평가로 구분하였다. 또한, 일부 연구에서는 객체 인식 성능(object recognition performance)을 정량적으로 제시하고 있어, 해당 연구들을 대상으로 메타분석을 수행하여 BIM과 센싱 기술 통합의 효과를 통계적으로 검증하였다.
이미지 기반 기술과 레이저 스캐닝 기술이 시공단계에서 가장 널리 활용되고 있고, RFID(radio frequency identification), UWB(ultra-wide band), GPS(global positioning systems) 기반 연구는 주로 자재 및 장비의 위치 추적을 목적으로 수행되고 있다. 대부분 3D 수준의 평가에 한정되어 있지만, 이미지 기반 기술과 레이저 스캐닝 기술을 활용한 연구는 BIM의 공정 단계를 연계한 4D 시공관리 연구가 다수 수행되었다. 특히 최근에는 단일 센싱 기술을 적용하는 방식에서 벗어나 이미지 기반 기술과 레이저 스캐닝을 결합한 복합 센싱 기법이 증가하는 경향을 보였다.
객체 인식 성능을 정량적으로 제시한 연구를 대상으로 메타분석을 수행한 결과, BIM과 3차원 센싱 기술을 통합한 시공단계 모니터링 적용 시 객체 인식 성능이 통계적으로 향상되는 것으로 나타났다. 객체 인식 성능은 평균적으로 약 10% 이상 개선되는 경향을 보였으며, 이는 BIM 기반 자동 시공관리 시스템의 기술적 타당성을 뒷받침하는 결과로 판단하였다. 다만, 연구 간 분석 방법과 성능 지표 정의가 상이하여 연구 결과를 직접적으로 비교하는 데에는 한계가 존재함을 확인하였다(ElQasaby et al., 2022).
3. 시공단계별 거더 변형 분석 및 관리
3.1. 시공단계별 거더 변위 검측 배경
최근 국내에서는 시공 중 또는 가설 단계에서 거더 교량의 구조적 안전사고가 반복적으로 발생하고 있다. 이외에도 국내에서는 크레인 충돌, 풍하중에 의한 전도, 가설 중 하중 불균형 등 다양한 원인으로 거더 전도·붕괴 사고가 보고되고 있다. 이러한 사례들은 공통적으로 시공단계별 구조 거동에 대한 체계적이고 정밀한 계측이 부족했다는 문제점이 있다. 거더 교량은 장경간화와 대형화가 진행됨에 따라 시공 중 자중, 시공 하중, 환경 하중, 긴장력 손실 등 다양한 요인으로 변형이 발생한다. 이러한 변형은 초기에는 미세하게 나타나지만, 적절한 시점에 감지되지 않으면 전도, 지점부 파손, 부재 파단 등 치명적인 구조적 손상으로 이어질 수 있다. 특히 외측 거더는 시야 확보가 용이하고, 횡방향 안정성 측면에서 취약하여 집중적인 계측이 필요하다.
토탈스테이션과 반사 시트 타겟을 활용한 거더 검측은 이러한 문제를 해결할 수 있는 효과적인 방법이다. 토탈스테이션은 밀리미터 단위의 고정밀 좌표 측정이 가능하며, 반사 시트 타겟을 외측 거더 시점부, 중앙부, 종점부에 부착하여 시공 전·중·후 변위를 정량적으로 추적할 수 있고 이를 통해 처짐 및 변위 변화를 관리할 수 있다. 측정된 데이터는 각종 기준과 비교하여 이상 여부를 즉시 판단할 수 있고, 비정상적인 변위 추세가 발견되면 시공 중단 및 보강 등 예방 조치를 신속하게 시행할 수 있다. 또한, 이러한 계측 데이터는 사고 발생 시 원인 규명과 책임소재 판단에 중요한 증거로 활용될 수 있으며, 준공 이후 유지관리 단계에서도 기준값으로서 장기거동 분석에 기여한다. 축적된 데이터베이스는 향후 교량 설계·시공 표준 개선, 안전기준 강화, 유지관리 정책 수립에 있어 중요한 참고자료가 될 수 있다. 결론적으로, 최근 발생한 국내 교량 사고들은 시공단계별 거더 변형 관리의 필요성을 강하게 시사하며, 본 연구에서 적용한 기술은 구조적 안전성 확보와 사고 예방을 위한 필수적인 기술이라 할 수 있다.
3.2 시공단계별 거더 변위 검측
본 연구에 적용한 토탈스테이션(TS16 IX600)은 각도 측정 장치와 거리 측정 장치(EDM: Electronic Distance Measurement)가 결합된 고정밀 측량 장비로 목표물에 레이저 빔을 발사하여 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 목표물까지의 거리를 계산한다(Park & Hong, 2014). 이를 각도 측정값과 결합하면 대상의 3차원 좌표를 산출할 수 있으며, 오차 범위는 밀리미터 단위로 관리할 수 있다. 또한, 고소작업 없이 지상에서 원거리 측정이 가능하므로 작업자의 안전이 확보될 수 있다.
반사 시트 타겟은 반사율이 높은 특수 재질의 반사판으로 다양한 입사각에서 들어오는 빔을 안정적으로 반사할 수 있다. 특히 교량 현장과 같이 외부 환경 요인(직사광선, 바람, 습도)의 영향을 많이 받는 조건에서도 안정적인 측정 성능을 보인다. 기존에 사용하는 프리즘은 부피가 크고 거더에 고정 설치해야 하지만, 반사 시트 타겟은 얇고 가벼운 스티커 형태라서 거더 표면에 간단히 부착할 수 있다. 거더에 한 번 부착하면 장기간 사용이 가능하므로 프리즘에 비해 안전성이 우수하고, 설치 비용이 저렴해서 다수지점에 부착하여 계측할 수 있는 장점이 있다.
거더는 제작, 운반, 거치, 상부 슬래브 타설, 동적 재하시험 등 여러 공정 단계를 거치며 다양한 하중과 환경 요인에 노출되므로, 단계별 변형을 체계적으로 측정하는 것이 장기적인 거동 분석과 구조물 성능 평가에 필수적이다. 검측 대상 교량은 양평이천 고속도로 건설공사 2공구의 부항교로 선정하였고, 경간별 외측 거더를 측정 대상으로 선정하였다. 외측 거더는 측량 시 시야 확보가 용이하고, 장비 설치와 측정 과정에서 간섭을 최소화할 수 있다. 측정 대상 거더는 양평 방향과 이천 방향의 3개 경간을 선정하였고(Fig 6), 경간별로 시점 단부, 중앙부, 종점 단부에 반사 시트 타겟을 부착하여 총 3개소 2방향의 측정 지점을 확보하였다(Fig 7). 1경간과 5경간은 교대 날개벽으로 인해 시야가 확보되지 않아 검측 대상에서 제외하였다.
거더 강선의 긴장은 대부분 야적장 부지에서 진행되므로 공간제약에 따라 거더와 거더 사이로 1명~2명 정도 이동할 수 있는 공간만 유지되기 때문에 거더 검측 시에는 중앙부에 측량기를 설치하고 지점부 검측 시 레이저가 반사될 수 있도록 수직 방향의 타겟을 거치하여 측량한다(Figure 8). 또한, 측량 시에는 거더의 전도방지를 위해 새워둔 각재가 타겟의 시야를 방해하여 시야 확보를 위한 측량기 재설치시간이 길어지므로 이 기술의 적용을 위해서는 야적장 위치별로 충분히 시야 확보가 되는 곳에 외측 거더가 배치되도록 하여 검측할 수 있는 공간을 확보하는 것이 중요하다.
검측 데이터는 거더의 시점부와 종점부를 기준점으로 설정하고 중앙부의 솟음량 및 횡방향 변위량을 측정한다. 거더의 형상에 따라 지점부와 중앙부의 타겟 설치 높이가 다르게 적용될 수 있으므로 설계도를 참고하여 타겟 부착 위치를 결정해야 한다. 부항교에 적용된 거더는 중앙부 하단의 헌치 높이를 고려하여 Z 방향으로 시점부 및 종점부의 부착 위치와 동일한 높이를 적용하고 솟음, 처짐, 횡방향 변위를 측정한다. 실제 야적장에서는 지반의 경사에 따라 거더의 경사가 반영되므로 이를 보간법으로 수정한 데이터를 비교분석 해야 한다. 또한, 거더가 거치되면 좌표도 변경되기 때문에, 거더 별로 시·종점 지점부를 기준점으로 지정하고 변위량을 측정해야 비교검토가 가능하다. 시점과 종점의 구분은 부항교 선형 Station의 진행 방향을 기준으로 결정하였다. 거더의 변형 방향을 결정하면 가로보 설치 시 발생할 수 있는 횡만곡의 위험을 사전에 방지하거나 설치 과정에 도움을 줄 수 있기 때문이다.
거더 변형 검측의 첫 번째 단계로 거더 긴장 후에 각 타겟 지점의 좌표를 측정하여 기준 좌표(Reference Point)로 설정한다. 이 단계는 제작 후 초기 변형 상태를 파악하고, 이후 단계에서 발생하는 변형을 비교하기 위한 기초 데이터로 사용된다. 두 번째 단계는 거더를 교량 받침 위에 거치한 직후 측정한다(Figure 9). 이 과정에서는 운반 및 거치 과정에서 발생할 수 있는 변형이나 변위의 변화를 확인할 수 있다. 세 번째 단계는 상부 슬래브의 바닥판 타설이 완료된 시점에서 측정한다. 이 단계에서는 추가 하중에 의한 처짐 변화와 구조적 반응을 관찰할 수 있다. 네 번째 단계는 교량 동적 재하 시험 단계에서 최종 측정을 수행한다. 실제 하중 환경에서의 거더 변형 상태를 확인함으로써, 전체 시공 과정에서 발생한 누적 변형과 최종 구조 상태를 평가할 수 있다. 검측은 단계별 측정데이터를 정리하여 변위 값을 산출하고, 허용 처짐 및 횡만곡 기준과 비교하여 구조적 안전성을 평가한다. 현재 교량의 시공단계는 프리캐스트 바닥판 설치 과정에 있어 거더 긴장 후, 거더 거치 후, 바닥판 거치 후의 3단계를 기준으로 거더의 변형을 검토하였고, 마지막으로 시공이 완료되면 재하시험 단계의 변형을 검토할 예정이다.
거더 긴장 후 측정단계에서는 중앙부에서의 솟음량이 30 mm~50 mm 사이에서 발생하였고, 거더 거치 후에 10 mm 내외로 증가하는 양상을 보였으며 바닥판 거치 후에는 줄어드는 경향을 보였다. 횡방향 변위에서는 거더 긴장 시에 발생한 변위 방향(+, -)에 따라 거더 거치 후에 발생하는 횡방향 변위의 방향은 대체로 유사했으며, 변위값은 35 mm 이하의 값을 유지하여 횡만곡에 대한 안전성은 기준에 만족하는 것으로 파악되었다. 이러한 변형의 원인은 구속조건의 변화, 설치 과정에서의 변형, 콘크리트 크리프, 건조 수축 등 다양한 원인에서 발생할 수 있지만 이러한 변형의 양상을 파악하는 것만으로도 위험요소를 사전에 제거할 수 있어서 유지관리 계획의 핵심자료가 될 수 있음을 확인하였다.
3.3 변위 분석 자동화
시공단계별 거더 변형 관리는 그 중요성에도 불구하고 현재까지는 대부분 수동 측정과 정리 방식에 의존하고 있다. 토탈스테이션과 반사 시트 타겟을 활용한 정밀 좌표 계측 방식은 단순하면서 우수한 정확도를 보이지만, 분석 과정에서 반복적인 인력 개입이 필요하며, 시공단계별 데이터의 연속성과 실시간성 확보에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하고 계측 결과의 활용도를 높이기 위해, 변위 분석의 자동화 시스템 도입이 필요하다.
변위 분석 자동화의 핵심은 측정값의 실시간 수집과 자동 변위 계산, 기준값과의 비교분석을 일괄적으로 수행할 수 있는 시스템 구축에 있다. 본 연구에서는 사용자가 필요에 따라 수시로 타겟 검측을 진행하고, 시공단계에 따라 누적된 데이터를 자동 처리 및 시각화하는 방법에 대해 검토하였다. 현장에서 계측된 구조물 거동 데이터를 체계적으로 관리하고 분석하기 위하여 엑셀 기반의 표준 입력 문서를 구축하였다. 현장 계측 결과는 사전에 정의된 입력 양식에 따라 검측 포인트별로 정리하여 입력하도록 하였으며, 이를 통해 계측 데이터의 형식과 항목을 표준화하였다. 이렇게 저장된 데이터는 전용 분석 프로그램에 업데이트되도록 구현하고, 기준 좌표와 시공단계별 계측 데이터를 자동으로 연계하여 검측 포인트별 변위 및 처짐을 분석하도록 구성하였다. 이를 통해 수작업 계산에 따른 오류를 최소화하고, 시공단계별 구조 거동을 신속하게 파악할 수 있다. 또한, 검측 포인트의 명칭을 정의하여 누적 데이터를 관리할 수 있도록 체계를 마련하였다. 동일한 검측 포인트에서 시공이 진행될 때마다 계측된 데이터가 프로그램에 입력되면 자동으로 누적 저장되도록 설계함으로써, 거더 지점별 이력 관리가 가능하다. 이러한 방식은 특정 거더 지점에서 발생하는 변형의 시간적 변화와 시공 단계에 따른 거동 특성을 추적·분석하는 데 효과적인 것으로 판단하였다.
현장에서는 거더 지점부를 고정단으로 지정하고 중앙부의 변형을 검토하는 상대변형 검측 방식으로 진행하였다. 이는 거더 거치 및 시공 과정에서 지점부의 변위보다 중앙부 처짐이 구조 안전성에 더 큰 영향을 미친다는 점을 고려한 것이다. 상대변형 방식은 절대 좌표기반 계측에 반해 현장 여건의 제약을 덜 받으면서도 시공단계별 거더의 변형 경향을 비교·분석하는 데 유리한 방법으로 판단하였다. Figure 10은 시공단계별 횡방향 변위와 처짐의 변화를 그래프로 시각화한 결과를 나타낸 것이다. 연구 수행 단계에서 현장 방문 가능 기간이 제한적이었기 때문에 계측 데이터의 수량에는 한계가 있었으나, 그래프 분석 결과 거더가 교각 위에 거치되는 시공 단계에서 변위 및 처짐값이 허용치에 근접하는 경향을 보였다. 이에 따라 해당 시공 단계가 전체 공정 중 구조적 위험도가 가장 높은 단계로 검측되었으며, 집중적인 계측과 관리가 필요함을 확인하였다.
Figure 11은 현장에서 측정된 계측 데이터를 구조물의 위치정보와 연계하여 시각화한 결과로 사용자가 거더의 변형 상태를 직관적으로 검토할 수 있도록 구현한 이미지이다. 설계 도면과 제원을 기반으로 BIM 모델을 작성하고, 거더별로 사전에 정의된 검측 위치를 모델 내에 반영하였다. 이를 통해 실제 현장에서 계측된 변위 데이터를 거더의 공간적 위치와 정확하게 대응시켜 표현할 수 있도록 하였다.
계측 데이터는 각 검측 포인트에서 측정된 X, Y, Z 방향 변위로 구성되며, BIM 모델 내에서 이미 정의된 거더별·위치별 검측 포인트를 기준으로 자동 매핑되도록 구현하였다. 이와 같은 자동 매핑 방식은 시공단계별로 취득된 변위 데이터를 구조물의 위치정보와 연동하여 관리할 수 있도록 하여 시공 단계에 따른 거더의 변형양상을 연속적으로 분석할 수 있게 하였다.
Figure 11에 제시된 시각화 결과를 통해 거더별 및 위치별 변위 분포와 변형 경향을 직관적으로 확인할 수 있으며, 특정 시공단계에서 변위의 방향과 위험 단계를 쉽게 식별할 수 있다. 이러한 시각화 방식은 단순 수치 기반 검토에 반해 구조 거동에 대한 이해도를 높여주며, 시공 관리자 및 의사결정자가 위험 구간을 신속하게 인지할 수 있도록 지원하는 장점이 있다. 또한, 본 연구에서는 계측된 변위를 BIM 모델에 변수기반으로 반영하고 변형된 형상의 거더 모델을 생성하여, 이를 바닥판 거더와 함께 검토함으로써 시공 과정에서 발생할 수 있는 오차를 사전에 파악하는 가능성을 확인하였다. 특히 PSC 바닥판의 경우 전단포켓 부위에서 허용 오차 기준이 엄격하게 적용되므로, 거더 변형을 고려한 접합부 검토를 통해 시공 중 발생할 수 있는 간섭 및 시공 불량 가능성을 사전에 제거함으로써 재시공이나 공기 지연을 예방하는 데 효과적이다.
향후에는 변위 분석 자동화 체계를 기반으로 인공지능 예측 시스템의 도입을 고려하고 한다. 시공 단계별로 축적된 거더 변형 데이터를 학습 데이터로 활용하여 머신러닝 모델을 구축할 경우, 특정 시점에서 발생 가능한 변형 패턴을 사전에 예측하고 구조적 위험을 조기에 감지할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 거더의 전체 생애주기 동안 구조 안전성을 체계적으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 시공 중단이나 보강 조치의 필요 시점을 자동으로 판단하는 지능화된 시공관리 체계로 확장 가능할 것으로 기대된다.
4. 향후 연구 진행 방향 및 결론
본 연구에서는 토탈스테이션과 반사 시트 타겟을 활용한 정밀 계측 기법을 통해 프리캐스트 PSC 거더의 시공단계별 변형 거동을 분석하고, 이를 BIM 기반 시공관리 체계로 확장할 수 있는 적용 가능성을 검토하였다. 거더 긴장 후, 거치 후, 상부 바닥판 시공 후, 재하시험 단계에 이르는 전 시공 과정에서 취득된 변위 데이터를 동일 기준 좌표계에서 관리함으로써, 시공 단계에 따른 거더 변형 특성을 정량적으로 도출할 수 있었다. 시공단계별로 계측된 거더의 연직 처짐 및 횡방향 변위를 BIM 모델의 거더 위치정보와 연계하여 관리함으로써, 기존의 수치 중심 검토 방식에서 벗어나 공간 정보 기반의 변형 관리가 가능함을 확인하였다. BIM 모델 내에 거더별, 위치별 검측 포인트를 사전에 정의하고, 현장에서 취득된 계측 데이터를 자동 매핑함으로써 시공 단계에 따른 변형 이력을 체계적으로 축적할 수 있으며, 이를 통해 거더의 변형 거동을 연속적으로 추적 및 분석할 수 있는 기반을 마련하였다.
계측 결과에서는 거더 거치 단계에서 처짐 및 횡방향 변위가 허용 기준에 가장 근접하는 경향을 보여 해당 단계가 구조적 위험도가 가장 높은 시공 단계임을 확인하였다. 시공 중 발생 가능한 구조적 위험요소를 사전에 파악하고, 공정관리나 위험관리를 적시에 결정할 수 있어 BIM 기반 변형 관리가 효과적인 도구가 될 수 있음을 시사한다.
종합적으로 본 연구는 시공단계별 거더 변형 계측 데이터를 BIM과 연계하여 관리함으로써, 구조물의 형상 정보와 거동 정보를 통합적으로 활용할 수 있는 시공관리 방안을 제시하였다. 향후에는 시공 단계별로 축적된 BIM 연계 변형 데이터를 기반으로 자동화된 변위 분석 시스템과 인공지능 기반 예측 모델을 도입함으로써, 시공 중 구조적 위험을 사전에 예측하고 대응할 수 있는 지능형 BIM 기반 시공·유지관리 체계로의 확장이 가능할 것으로 판단된다.
