< B9DAC7FCC1F82DB0C7C3E0B9B C7C1B8B0C6C320B0F8C1A420B5B5C3E220B9D720B0F8B1E22E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "< B9DAC7FCC1F82DB0C7C3E0B9B C7C1B8B0C6C320B0F8C1A420B5B5C3E220B9D720B0F8B1E22E687770>"

정난 여
5 years ago
Views:

1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 12 pp , ISSN / eissn 건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 박형진, 서명배 *, 주기범한국건설기술연구원 ICT 융합연구소 A Development of Work Item and Duration Estimation Method for 3D Printing based Building Hyung-Jin Park, Myoung-Bae Seo *, Ki-Beom Ju Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 요약 3D 프린팅은기존산업에큰변화를일으키고있으며건설분야에도적용되기시작하고있다. 3D 프린팅건설은기존공사기법과는차이가있으므로새로운공사프로세스개발이필요하다. 특히정확한공사기간산정은프로젝트의성공적인수행과직결되어있으므로 3D 프린팅건설에대한공사기간산정기법개발이필요하다. 본연구에서는향후 3D 프린팅이건설에도입되는것을대비하기위해 3D 프린팅건설프로세스및공사기간산정방식을도출한다. 연구의대상은콘크리트타설이가능한 3D 프린팅장비로가정하였으며, 골조공사로한정한다. 도출된프로세스별로유사한건축표준품셈을참고하여 3D 프린팅공사기간을산정한다. 개발된공사기간산정방식은가상의테스트모델에적용되었다. 테스트모델적용결과기존공사기법대비약절반가량공사기간이단축되는것을알수있다. 본연구에서개발된공사기간산정방식은향후 3D 프린팅건설에적용되어사업계획수립에도움이될수있다. Abstract 3D printing is making a huge difference to existing industries and is beginning to be applied in the field of construction. 3D printing construction differs from existing construction techniques. Therefore, new construction processes need to be developed. In particular, the accurate construction duration is linked directly to a successful project. A method for estimating the construction duration for 3D printing construction is necessary. In this study, a 3D printing construction process and duration estimation method were derived to prepare for the future introduction of 3D printing in construction. The scope of the study was assumed to be 3D printing equipment capable of pouring concrete, and limited to a frame structure construction. The developed construction period estimation method was applied to the virtual test model. As a result of applying the test model, the construction duration was shortened by approximately 50% compared to the existing construction technique. The method of estimating the construction period developed in this study can be applied to 3D printing constructions in the future and help establish a business plan. Keywords : Building, Construction Duration, Duration Estimation, Process, 3D Printing 1. 서론 1.1 연구의배경및목적 3D 프린팅기술은 4차산업혁명의주요기술중하나로서기존산업에큰변화를가져오고있다. 3D 프린팅기술은 1990년대초반빠른원형제작 (Rapid prototyping) 이라는명칭으로미국에서상용화되기시작하였으며, 산업전반적으로서서히발전하였으나건축에서쓰인사례는드물었다. 건축은타산업분야에비해몇가지제약이있어 3D 프린팅기술활용이상대적으로불리하다. 부피가커서한번에출력하기위해서는건물규모보다프린터가커야하며, 사람이거주하는구조물이기때문에내 본논문은국토교통부도시건축연구사업연구비지원 (17AUDP-B ) 으로수행되었음. * Corresponding Author : Myoung-Bae Seo (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) Tel: smb@kict.re.kr Received October 13, 2017 Revised (1st November 1, 2017, 2nd November 21, 2017) Accepted December 8, 2017 Published December 31,

건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 구성, 단열성, 구조적강도, 친환경성등까다로운성능을필요로한다. 그럼에도불구하고 3D 프린팅건축은최근해외에서다양한방법으로시도되고있다. 이는 3D 프린팅특성상거푸집및동바리등의가설시스템이필요하지않으므로비정형건축물에소요되는높은건설비용에구애받지않는장점이있다.

이러한 3D 프린팅기반건축을위해서는새로운재료, 3D 프린팅장비의개발뿐만아니라관련법, 제도, 계약방식, 구조지침, 현장관리지침, 공사비및공사기간산정체계등건설공사전반에걸친주요이슈들의정비가필요하다. 특히건설프로젝트에서공사기간은발주자, 설계가, 시공자, 입주자의이해관계및금전적요인과직결되어있다.

본연구에서는 3D 프린팅건축의도입을위한준비과정으로 3D 프린팅건축시예상되는공정들을도출하고각공정별공사기간을산정할수있는방법을제안하고자한다. 1.2 연구의범위및방법 3D 프린팅은기본적으로적층식제조방식 (Additive Manufacturing) 이기때문에수직구조물을한레이어 (Layer) 씩적층하면서시공할수는있으나보, 슬래브와같은수평구조물을지지대없이적층할수는없다.

2 건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 구성, 단열성, 구조적강도, 친환경성등까다로운성능을필요로한다. 그럼에도불구하고 3D 프린팅건축은최근해외에서다양한방법으로시도되고있다. 이는 3D 프린팅특성상거푸집및동바리등의가설시스템이필요하지않으므로비정형건축물에소요되는높은건설비용에구애받지않는장점이있다. 향후일괄적인디자인의공동주택이아니라소비자지향적인개인주택의디자인을만족시켜줄수있을것으로기대하고있다. 또한기존습식공법의콘크리트양생, 거푸집설치및해체등에따른시공시간을줄일수있는생산방식이기도하며, 향후예상되는건설근로자의감소, 안전사고문제등을해결할수있는건설자동화의핵심기술로기대를모으고있다. 이러한 3D 프린팅기반건축을위해서는새로운재료, 3D 프린팅장비의개발뿐만아니라관련법, 제도, 계약방식, 구조지침, 현장관리지침, 공사비및공사기간산정체계등건설공사전반에걸친주요이슈들의정비가필요하다. 특히건설프로젝트에서공사기간은발주자, 설계가, 시공자, 입주자의이해관계및금전적요인과직결되어있다. 짧게산정된공정계획에따를경우, 공사기간막바지에돌관작업으로인한직접공사비의증가및품질저하, 안전사고발생등의문제점이발생한다. 공사기간이너무길게산정되는경우발주처의금융비용증가등이발생한다. 따라서정확한공사기간의산정은프로젝트의성공적인진행을위한중요한요소중하나이다 [1]. 본연구에서는 3D 프린팅건축의도입을위한준비과정으로 3D 프린팅건축시예상되는공정들을도출하고각공정별공사기간을산정할수있는방법을제안하고자한다. 1.2 연구의범위및방법 3D 프린팅은기본적으로적층식제조방식 (Additive Manufacturing) 이기때문에수직구조물을한레이어 (Layer) 씩적층하면서시공할수는있으나보, 슬래브와같은수평구조물을지지대없이적층할수는없다. 지지대를설치하게되면기존의거푸집기반콘크리트타설방식과비교하여강점이사라지게된다. 해외의구축사례를보더라도프리패브 (prefab) 건축처럼공장에서모듈을출력한후조립하는경우에는여러층을구축한사례가있으나현장에서출력하는 3D 프린팅사례는대부분 단층임을알수있다. 따라서본연구에서는현장출력시공사기간을산정하고자하므로단층의구조물을연구의대상으로한다. 3D 프린팅으로건축물의모든부분을시공하기에는아직기술적한계가있다. 특히 3D 프린팅기술은이미규격화되어있는기성품들에비해서는경쟁력이매우부족하기때문에설비공사, 마감공사등에대해서는본연구범위에서제외한다. 골조공사의경우도정형건축물인경우기존공법이경쟁력있지만본연구에서는비정형건축물임을가정한다. 따라서모르타르를출력하는 3D 프린팅기술을적용할수있는골조공사로공사범위를한정한다. 2. 예비적고찰 2.1 건설 3D 프린팅기술동향건축분야의 3D 프린팅기술은미국, 영국, 네덜란드, 중국등에서핵심기술을보유하고있으며최근시범적인시장이형성되고있는단계이다. 중국의윈선社에서는 2012년건설관련 3D 프린팅자체기술을완성하였으며 2014년 4월, 4대의거대한 3D 프린터를이용해상하이공업단지에세계최초로그림 1 과같은 10채의사무실용건물을제작하였다. 제작에사용된대형 3D 프린터의크기는높이약 6m, 가로약 10m, 세로약 40m 가량이며노즐압출방식기술을사용하여적층하였다. 주택 1채의모듈의규모는 15m* 10m*6.5m이고, 각섹터별로제작하여기존의프리캐스트공법과유사한방식으로조립하는방식을사용했기때문에이음새간균열, 누수의문제가남아있다. 기존일반적인주택건설에서필요한공사기간의 70%, 필요한 Fig. 1. 3D printing office building (WINSUN) 201

한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 재료의 60%, 필요한기존노동력의 80% 정도를절약할수있고, 건축폐기물을활용하여시공이가능하다고발표하였다.

콘크리트와모래로이뤄진고유재료를활용하였으며레이어간에접착제를사용하여부착력을높였다.

이를바탕으로필리핀에 3D 프린팅으로호텔을시공한사례도있다.[3] Construction) 프로젝트를통해 2007년이후로줄곧콘크리트 3D 프린팅기술을연구하여왔다.

이는콘크리트원료와적층방식의 3D 프린팅기술을이용해새로운건축물제작공정을개발하기위한시도로서, 3D 프린터기술의무한한가능성에힘입어,

2. 3D printing Castle (Andrey Rudenko) 남부캘리포니아대학교 (University of Southern California)-Behrokh

콘크리트프린팅기술인컨투어크래프팅 (Contour Crafting) 을발표하였다.

[4] 러시아의 APIS-cor 社는현장에서직접프린트하는방식으로집을출력하였다. 이는모듈화하여출력후조립방식이아니므로일체화된건축물이다.

3D 프린팅장비의방식은크레인방식으로중심축을기준으로 360도회전하면서노즐이설치된 Arm을조절하며프린팅한다. 높이조절은원통에서유압방식으로레이어두께만큼올려서해결한다.

3 한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 재료의 60%, 필요한기존노동력의 80% 정도를절약할수있고, 건축폐기물을활용하여시공이가능하다고발표하였다.[2] 미국의건축가인안드레이루덴코는시멘트를활용하여노즐압출방식기반의 3D 프린터장비를개발하여, 약 4개월동안본인의주택뒷마당에그림 2와같은 3.6m 높이의성을제작하였다. 콘크리트와모래로이뤄진고유재료를활용하였으며레이어간에접착제를사용하여부착력을높였다. 루덴코가설계한이 3D 프린터는, 한층당가로 30mm, 세로 10mm의사이즈로원료를압출시켜조형할수있으며용도에따라압출되는사이즈를조절할수있다. 이를바탕으로필리핀에 3D 프린팅으로호텔을시공한사례도있다.[3] Construction) 프로젝트를통해 2007년이후로줄곧콘크리트 3D 프린팅기술을연구하여왔다. 그림 4와같이 2010년에 1톤무게의강화콘크리트벤치를 3D 프린팅하는데성공하였고, 이어서 S자형으로구부러진복잡한형태의콘크리트패널을제작할수있는수준까지개발하였다. 이는콘크리트원료와적층방식의 3D 프린팅기술을이용해새로운건축물제작공정을개발하기위한시도로서, 3D 프린터기술의무한한가능성에힘입어, 건축가에게어떠한복잡한형태도구현해내는상당한수준의디자인자유도를제공할수있게되었다.[5] Fig. 4. Freeform Construction (IMCRC Center) Fig. 2. 3D printing Castle (Andrey Rudenko) 남부캘리포니아대학교 (University of Southern California)-Behrokh Khoshnevis 교수연구팀은기존의노즐압출 3D 프린팅방식을사용하여, 그림 3과같이건물규모약 230평방미터를약 20시간만에지을수있는초대형 3D 콘크리트프린팅기술인컨투어크래프팅 (Contour Crafting) 을발표하였다. 규모를키운노즐압출방식의 3D 프린터로경화속도를조절한콘크리트모르타르를적층시켜거푸집이없이기성건축자재를사용하여로보틱스기술과전통적인건축법을융합하여주거공간을제작하였다.[4] 러시아의 APIS-cor 社는현장에서직접프린트하는방식으로집을출력하였다. 이는모듈화하여출력후조립방식이아니므로일체화된건축물이다. 그림 5와같은약 39평방미터의집을출력하는데단하루가걸렸다고하며비용은 1만달러 ( 약 1,100만원 ) 정도에불과했다. 물론 3D 프린팅출력시간만하루일것으로예상된다. 3D 프린팅장비의방식은크레인방식으로중심축을기준으로 360도회전하면서노즐이설치된 Arm을조절하며프린팅한다. 높이조절은원통에서유압방식으로레이어두께만큼올려서해결한다.[6] Fig. 5. 3D printing residential building (Apis-cor) Fig. 3. Contour Crafting (USC) 영국의러프버러대학교 (Loughborough University) 의 IMCRC 센터에서는프리폼컨스트럭션 (Freeform 이외에도네덜란드의 DUS Architects, 이탈리아의 D-shape 등 3D 프린팅을건축에접목하는다양한연구들이진행되어오고있다. 앞서소개된사례들은대부분민간기업또는대학연구소에서장비와재료를개발한사례들이다. 3D 프린팅을보다건축적인시각에서바라보면기존공법과의연 202

건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 계, 관련법 / 제도의개정, 새로운구조지침및구조시스템의개발, 새로운공사비내역및공정표의개발등의연구과정이필요하다. 본연구에서는그중 3D 프린팅시소요되는공사기간을산정하는방식을제안하여향후 3D 프린팅의건축도입시활용될수있도록한다. 3D 프린팅기반골조공사의공정을도출하기전에 3D 프린팅방식을정의해야한다.

방식등이있다. 본연구에서는현재건축물프린팅에가장일반적으로사용되고있는노즐압출방식을가정한다. 또한노즐을움직이는장비의형태는크게겐트리 (gantry) 방식, 델타 (delta) 방식, 크레인 (crane) 방식, 다관절로봇방식으로구분할수있다. 겐트리방식과델타방식은그림 6과같이건물규모보다큰프린터를세우고그안에서한번에출력하는형태이다.

겐트리방식에비해좌표계산이복잡하고중심에서멀어지면하중, 풍압등에의해정밀도에문제가생길가능성이크다. 다관절로봇방식은제조업에서자주사용되는방식이다. 제조업과달리구조물의규모가크기때문에장비가이동하면서출력이가능해야하며, 이를위해 3D 스캐닝및실내좌표확인기술이필요하다. 2.2 기존공동주택건설공기산정방식기존의공사기간산정연구는대부분축적된사례의공정표를분석하여통계적모델로구축하였다.

Types of 3D printing (a)gantry Type (b)delta Type (c)crane Type (d)multi-joint Robot Type 등다양한통계적기법을활용하여공기산정모델을구축하였다 [7, 8].

4 건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 계, 관련법 / 제도의개정, 새로운구조지침및구조시스템의개발, 새로운공사비내역및공정표의개발등의연구과정이필요하다. 본연구에서는그중 3D 프린팅시소요되는공사기간을산정하는방식을제안하여향후 3D 프린팅의건축도입시활용될수있도록한다. 3D 프린팅기반골조공사의공정을도출하기전에 3D 프린팅방식을정의해야한다. 3D프린팅방식에는노즐압출방식, 파우더에선택적으로레이저를투사하여소결하는선택적레이저소결 (SLS; Selective Laser Sintering) 방식, 액체광경황성수지가담긴수조에서 UV 레이저를투사하여경화시키는광경화조형 (SLA; Stereo Lithography Apparatus) 방식, 프린터헤드에서경화물질을분사하여파우더를고형화하는분사 (Jetting) 방식등이있다. 본연구에서는현재건축물프린팅에가장일반적으로사용되고있는노즐압출방식을가정한다. 또한노즐을움직이는장비의형태는크게겐트리 (gantry) 방식, 델타 (delta) 방식, 크레인 (crane) 방식, 다관절로봇방식으로구분할수있다. 겐트리방식과델타방식은그림 6과같이건물규모보다큰프린터를세우고그안에서한번에출력하는형태이다. 프린터만설치되면직교계좌표로안정적인출력이가능하며전통적으로 3D 프린팅에서가장많이사용되는방식이다. 크레인방식은 T형크레인처럼회전하면서출력이가능하여설치지점을중심으로원형범위내에시공이가능하다. 별도의지지대없이이동성이용이한장점이있으며 2대이상의장비가프린팅구역을나누어출력도가능하다. 겐트리방식에비해좌표계산이복잡하고중심에서멀어지면하중, 풍압등에의해정밀도에문제가생길가능성이크다. 다관절로봇방식은제조업에서자주사용되는방식이다. 제조업과달리구조물의규모가크기때문에장비가이동하면서출력이가능해야하며, 이를위해 3D 스캐닝및실내좌표확인기술이필요하다. 2.2 기존공동주택건설공기산정방식기존의공사기간산정연구는대부분축적된사례의공정표를분석하여통계적모델로구축하였다. 공사기간에영향을미치는주요한영향요소 ( 층수, 세대수, 연면적, 용적률등 ) 을도출하고이를회귀분석, 사례추론분석 (CBR; Case Base Reasoning), 인공신경망 (ANN; Artificial Neural Network), 유전자알고리즘 (GA; Genetic Algorithm) (a) (c) Fig. 6. Types of 3D printing (a)gantry Type (b)delta Type (c)crane Type (d)multi-joint Robot Type 등다양한통계적기법을활용하여공기산정모델을구축하였다 [7, 8]. 이러한모델구축과정에서공기에영향을미치는연간작업불가능일수를산정하는연구 [9] 와안전, 보상, 문화재등다양한외적요소를적용하여공사기간을보정 [10] 하는연구가진행되었다. 국내실무에서는주로 LH 공사에서제시하는공동주택표준공사기간산정기준 [11] 을따르고있다. 이에따르면총공사기간은공사준비기간, 건축공사기간, 공사불능일, 주5일근무등으로구성된다. 공사준비기간은 10 일로지정하고있으며건축공사기간은 6 층이하인경우 185일 +26일 +20*2층이상층수로정해져있으며, 2층이하건축물의전체기간은 230일로고정되어있다. 이러한방식은통계적방식이아니라오랜경험적지식에의해만들어진지침과같다. 향후 3D 프린팅이건설분야에적용됨을가정하여공사기간을산정하는기존연구가부족하다. 특히 3D 프린팅건설은기존사례가거의없으므로실적사례를기반으로한통계적모델구축이불가능하다. 본연구에서는 3D 프린팅프로세스를기반으로하여공정을분할하고, 각공정별로기존공법의공사기간을적용하고새로운공정은기존의유사공정을분석하여적용한다. (b) (d) 3. 건설 3D 프린팅프로세스도출 3.1 기존골조공사시공프로세스 골조공사를대상으로기존건설공사의표준화된작업분류체계 (Work Breakdown Structure, WBS) 는크게거 203

Activities of concrete structure work Detail Activity Duration Concrete curing and slab form remaining 6days Inked string work 1day Delivering/assembling wall reinforcement 1day Disassembling wall

5 한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 푸집공사, 철근공사, 기계공사, 전기 / 통신공사, 콘크리트타설공사등으로구분된다. 거푸집공사는먹매김, 벽거푸집해체 / 설치, 슬래브거푸집해체 / 설치, 계단및코어거푸집해체 / 설치등하위액티비티로다시분류된다. 다른공사들도모두하위액티비티로분류될수있으며한국콘크리트학회 (2003) 에서제공한골조공사의액티비티별공종및표준공사기간 [12] 은표 1과같다. Table 1. Activities of concrete structure work Detail Activity Duration Concrete curing and slab form remaining 6days Inked string work 1day Delivering/assembling wall reinforcement 1day Disassembling wall form 1day Disassembling stair and core wall form 1day Wall mechanical/electronic/communication 1day Delivering/assembling of wall form 2days Disassembling/assembling slab form 2days Delivering/assembling stair and core wall form 4days Delivering/assembling of slab reinforcement 1(2)days Slab mechanical/electronic/communication work 1day Cleaning/test/finish concrete pouring 1day 표 1에나타난액티비티들의공사기간을모두합하면 22일이지만 동시 작업 가능한액티비티와 주요공정 (Critical Path work, CP) 을분리하여공정표를작성하면 그림 7과같이 12일의작업기간이된다 [6]. 먼저슬래브 위의거푸집설치지점에먹매김을한다. 두번째로복합 철근중외벽에면한철근을배근하고세번째로외벽의시스템거푸집을끌어올려설치한다. 네번째로복합철근중남은철근을배근하고, 다섯번째로전기, 상하수도, 통신등의설비를매설한다. 여섯번째로안쪽벽거푸집을설치하고, 일곱번째로슬래브거푸집을설치한다. 여덟번째로슬래브아래에동바리를설치하고, 아홉번째로슬래브철근을배근한다. 열번째로슬래브와벽에콘크리트를타설하고양생한다. 이후일정기간양생을진행하면윗층에서동일한작업과정을반복한다. 다년간의현장경험이있는실무전문가들의의견에따르면이러한과정은특별한공기지연사유가없는경우 9일 -12일이소요된다고하였다. Fig days typical floor structural work schedule[6] 3.2 3D 프린팅건축공정도출본연구에서는 2장에서언급한 3D 프린팅방식중가 장일반적이고안정적인겐트리방식을가정하였으며, 델 타방식은지지대를세우고고정하는등거의유사할것 으로판단된다. 크레인방식과다관절로봇방식은크레인 방식보다공정프로세스가간단할것으로판단되므로용 이하게수정가능하다. 본연구에서는 3D 프린팅장비전문가 3 인, 3D 프린 팅재료전문가 2 인, 공동주택시공전문가 2 인에대해 자문및면담조사를통해 3D 프린팅으로건축물시공 시필요한공종을도출하였다. 이를통해소형주택 (10m * 10m * 3m) 을기준으로 3D 프린팅골조공사를진행 하는시나리오를구축하였다. 초기시나리오는본연구 진이작성하였으며두번의전문가면담을통해보완하 였다. 그림 8 에서보는바와같이기본적인부지정리이후 3D 프린팅장비및재료배합및이송장치를설치할지 점을확인한다. 3D 프린팅장비설치공사는철골세우기 공사와유사하다. 재료믹서기와이송관을 3D 프린팅장 Fig. 8. 3D printing process for construction 204

6 건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 비의노즐에연결한다. 이후입력된 3D 모델정보에따라노즐이움직이며모르타르를타설하게되며, 구조적안정성을위해중간에보강재를설치하고, 개구부는가시설물을설치하여안정적으로 3D 프린팅출력이될수있도록한다. 출력이종료되면 3D 프린팅장비를해체하고노즐및재료이송장치를청소하게된다. 4. 3D 프린팅기반공기산정방식개발 4.1 주요공정의개략공사기간산정 3장에서도출한 3D 프린팅주요공정별공사기간산정을위해한국건설기술연구원에서매년발표하는건축공사표준품셈의자료를이용하였다. 3D 프린팅공정의경우기존표준품셈에없는공정은전문가검토를통해유사한공정을선정하였다. 예를들어 3D 프린팅겐트리지지대의정확한설치지점확인을위해현장시공시먹매김을하게된다. 또한겐트리기반 3D 프린팅설치는철골기둥세우기와유사한작업이므로공사에필요한인부나물량이동일하다고보았다. Table 2. Analysis of similar work Work for 3D printing Similar standard work Check point to build Marking for structural Build to 3D printer Erect steel frame Connecting material mixer - Concrete extrusion - Install rebar Assemble rebar Install shore structure Install shore structure Disassemble 3D printer Erect steel frame Cleaning to nozzle Cleaning site 각공정에대한공사기간산정방식은다음과같다. 구조부먹매김은 m 2 당주택 이므로본연구의대상이 10m*10m이므로 100m 2 이다. 따라서 0.9인이필요하다. 이를 1인 8시간근무에적용하면 7.2시간이필요한것이되며, 2인일경우 3.6시간이된다. 이러한방식으로 3D 프린팅공종별공사기간을산정할수있다. 다만구 축하고자하는대상규모와투입하고자하는인력에따라공사기간이달라지므로이를사전에정의하여야한다 D 프린팅출력기간산정건축물 3D 프린팅의공사기간을산정하기위해서가 장중요한인자는노즐의이동속도, 적층두께이다. 본 연구에서는 3D 프린팅장비에종속된파라미터로노즐 직경, 적층두께, 초당압출량등 3 가지로정의하였다. 압출량과노즐직경에따라노즐의이동가능거리가산정 된다. 예를들어 1 초에 100mm 3 의압출량이고노즐의직 경이 25mm 인경우, 노즐의넓이가 490.6mm 2 이므로노 즐이동거리는초당 203.8mm ( 약 20cm) 가된다. 노즐이동속도 = 압출량 / 노즐넓이 ( 식1) 건물의규모에따라공사기간이달라지므로벽체길이 와층고값이필요하다. 또한적층두께에따라레이어의 수가달라지며홑벽, 겹벽, 트러스등의구조타입에따라 총이동길이가달라진다. 해외사례의경우보통겹벽으 로출력하고보강재를삽입하거나, 트러스구조로시공하 여자체적인구조력을확보하는경우가많다. 예를들어 건물의벽체길이 40m, 층고 3m, 레이저의적층두께를 20mm 라고가정하면식 (2) 에따라 74,293 초가소요되게 되고, 이를시간으로환산하면 20.6 시간이된다. 장비운 용시간을 8 시간으로한정하면 2.58 일이소요됨을알수 있다. 콘크리트출력기간 = 벽체길이 ( 층고 / 적층두께 ) 구조타입에따른가중치 ( 식2) 4.3 테스트적용본연구에서개발한 3D 프린팅주요공정의공사기간 산정방식을그림 9 와같은가상의테스트모델에적용하 였다. 테스트모델의전체벽길이는 52m, 층고는 2.5m 로설정하였다. 본연구의범위에맞게수직벽체를대상 으로하였다. 벽은트러스구조로 45 도각도로이어지는 구조로정의하였다. 3D 프린팅장비는겐트리방식의장 비이며그림 9 와같이 4 개의기둥이받치고있는형태이 다. 상단에박스형태의프레임이설치되며프레임을이 동할수있는노즐이설치된다. 위와같은가정사항들을 정리하면표 3 과같다. 205

7 한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 Table 3. Assumption of Test Model Category Assumption Scope Concrete Work 3D Printing Type Gantry Type Nozzle diameter 25mm Nozzle speed 200mm/sec Length of Wall 52m Thickness of layer 20mm Floor to floor hight 2.5m Wall Type Truss structure(45 ) 통해수평 20cm마다, 수직 20cm마다 D22 이형철근하나씩설치하는것으로가정하였다. 이를 52m 길이, 층고 2.5m에적용하면총 3,120개의철근이설치된다. 각철근의길이는벽체의두께보다조금적은 28cm로가정하여 D22 이형철근의물량은 874m이며톤으로환산하면 2.7톤이다. 콘크리트출력속도는벽길이 52m, 층고 2.5m를식 (1) 과식 (2) 에적용하면 22.3 시간이산정된다. 이를하루 8 시간작업으로고려하면 2.79일이된다. 최종적으로테스트모델에소요되는 3D 프린팅시공시간은 8.71일이다. 그러나 3D 프린팅타설과보강근설치, 개구부가설물설치는동시에이루어질수있는작업이므로이를중복제외하면 6.44일이된다. 이는기존콘크리트시공공법이 12일소요됨을감안하였을때약절반가량공사기간이단축됨을알수있다. 5. 결론 Fig. 9. Test model and 3D printer image 이러한테스트모델과 3D 프린팅장비로가정하여앞서도출한 3D 프린팅시공프로세스별로공사기간을표 4와같이산정하였다. 보강근설치의경우 3D 프린팅타설도중작업자가보강근을출력물사이에고정하는형식이므로비교적간단한철근작업이다. 따라서건축공사표준품셈중 철근조립 ( 간단 ) 의철근공품인 0.75(ton) 로정의하였다. 보강근은전문가의견수렴을 본연구에서는 3D 프린팅의건설분야적용을위해공사기간산정방식을제시하였다. 이를위해기존콘크리트시공공법을분석하고 3D 프린팅방식이적용되었을때의시공프로세스를도출하였다. 도출된프로세스별로기존의표준품셈체계와비교하여유사한공사를매칭하여공사기간을산정하였다. 테스트모델을적용하여개발된 3D 프린팅시공프로세스공사기간산정방식을적용한결과기존콘크리트타설공법대비약 46% 의공사기간을단축하는것으로나타났다. 3D 프린팅을실제로시공한것이아니기때문에많은 Table 4. Estimated duration for test model 3D printing process Similar work Quantity Standard Input Estimated Quantity Labor labor Duration Check point to build Marking for structural 130(m 2 ) 0.009(m 2 ) Build to 3D printer Erect steel frame 1.6(ton) 0.46(ton) Connecting material mixer Concrete extrusion - 52m * 2.5m Install rebar Assemble rebar 2.7(ton) 0.75(ton) Install shore structure Install shore structure 4.8(m 2 ) 0.05(m 2 ) Disassemble 3D printer Erect steel frame 1.6(ton) 0.46(ton) Cleaning to nozzle Cleaning site 10(m 2 ) 0.15(m 2 ) Total

건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 가정사항이포함되어있으므로향후건설 3D 프린팅기술개발에따라가정사항을줄여나가는연구과정이필요하다. 또한공사기간산정뿐만아니라원가산정도프로젝트수행을위해매우중요한요소이다. 향후 3D 프린팅건설시원가산정에대한연구가필요하다.

Jeun, A Study on Estimation Model of Construction Duration for Public Construction, Korea Journal of Construction Engineering and Management, vol. 6, no. 6, pp. 142-151, 2005.

, 31, 2017) [4] Controur Crafting, http://contourcrafting.com/(accessed Oct., 31, 2017) [5] IMCRC Center, http://imcrc.org/ (accessed Oct., 31, 2017) [6] Apis Cor., http://apis-cor.

8 건축물 3D 프린팅공정도출및공기산정방식개발 가정사항이포함되어있으므로향후건설 3D 프린팅기술개발에따라가정사항을줄여나가는연구과정이필요하다. 또한공사기간산정뿐만아니라원가산정도프로젝트수행을위해매우중요한요소이다. 향후 3D 프린팅건설시원가산정에대한연구가필요하다. References 박형진 (Hyung-Jin Park) [ 정회원 ] 2009 년 8 월 : 서울시립대학교대학원건축공학과 ( 공학석사 ) 2015 년 8 월 : 서울시립대학교대학원건축공학과 ( 공학박사 ) 2016 년 2 월 현재 : 한국건설기술연구원박사후연구원 [1] B. S. Kim, J. G. Jeun, A Study on Estimation Model of Construction Duration for Public Construction, Korea Journal of Construction Engineering and Management, vol. 6, no. 6, pp , [2] WINSUN, Available From: (accessed Oct., 31, 2017) [3] Aundrey Rudenko, Available From: stom.com/ (accessed Oct., 31, 2017) [4] Controur Crafting, Oct., 31, 2017) [5] IMCRC Center, (accessed Oct., 31, 2017) [6] Apis Cor., Oct., 31, 2017) [7] C. W. Koo, A CBR-based Hybrid Model for Predicting Construction Duration and Cost based on Project Characteristics in Multi-Family Housing Projects, University of Seoul, [8] D. K. Seol, D. Y. Kim, D. Y. Kim, S. C. Jeong, Y. K. Huh, Determination Model of Optimum Construction Duration of Apartment Structural Frameworks, Journal of architectural institute of korea, vol. 32, no. 12, pp , DOI: [9] I. W. Choi, O. K. Kim, A Study on Construction Duration Considering Qualitative Element, Journal of architectural institute of korea, vol. 18, no. 2, pp , 1998 [10] H. S. Koo, B. C. Choi, A Study on the Estimation of Construction Period Considering Weather Factor in Building Construction, Journal of architectural institute of korea, vol. 15, no. 11, pp , [11] Korea Land and Housing Corporation, Construction Standard Specification, [12] Korea Concrete Institute, Standard Concrete Specification, < 관심분야 > 건설 3D 프린팅, 가상현실, BIM, 건설관리 서명배 (Myoung-Bae Seo) [ 정회원 ] 2001 년 2 월 : 조선대학교전자계산학과 ( 공학석사 ) 2003 년 2 월 현재 : 한국건설기술연구원 ICT 융합연구소수석연구원 2016 년 4 월 현재 : 한국건설기술연구원극한건설연구단 < 관심분야 > 건설정보, BIM, 가상현실, 3D 프린팅건설, 극한건설 주기범 (Ki-Beom Ju) [ 정회원 ] 1998 년 2 월 : 단국대학교대학원건축계획과 ( 공학석사 ) 2006 년 2 월 : 서울시립대학교대학원건설관리과 ( 박사수료 ) 1992 년 3 월 현재 : 한국건설기술연구원선임연구위원 < 관심분야 > 3D 프린팅건설, 건축, 건설관리, BIM, 가상현실 207