국도건설사업 계획단계에서 토공부의 LCA기반 환경부하 산정모델 = An Environmental Load Estimation Model for Road Earthwork in the Planning Phase of National Highway Project Based on LCA

국문 초록 (Abstract)

지난 100여 년간 지속되어 온 고도 사업화는 지구의 평균기온을 0.74℃ 상승시키며 전 지구적 기후변화를 유발함으로써 인류의 안전을 위협해 오고 있다. 이에 대한 대응의 일환으로 2015년 전 세계는 파리협약(Paris agreement)을 체결하였고, 우리나라는 이 협약에서 2030년까지 배출전망치(BAU, business as usual) 대비 37%의 온실가스 감축목표를 제시하였다.
건설산업은 시공과정에서 사용하는 수많은 자재의 생산과정과 건설장비에서 소비하는 에너지로 인해 다량의 온실가스를 배출하고 있다. 따라서, 건설산업의 환경부하 저감을 위한 노력 없이는 우리나라의 온실가스 감축목표를 달성하는 것은 불가능하다. 특히, 우리나라의 SOC(social overhead capital) 시설물 중 국가재정 투자비율이 가장 높은 도로의 환경부하 저감을 위한 노력이 필요하다.
도로의 시공과정에서 발생하는 환경부하를 줄이기 위해서는 시설물을 기획하는 단계에서 경제성 검토와 함께 환경적 검토를 수행하여 친환경 공법이나 자재가 적극적으로 설계에 반영 되도록 하여야 한다. 이를 위해서는 도로의 기획단계와 설계단계에서 환경영향을 객관적으로 평가할 수 있는 방법론이 필요하며, 최근 ISO 14000시리즈에서 제시하는 LCA(life cycle assessment)가 가장 합당한 방법론으로 평가되고 있다.
LCA를 수행하기 위해서는 시설물에 투입되는 자원량에 대한 정보를 확보하여야하나 건설산업의 경우 설계가 완료되기 전에는 이러한 정보를 확보할 수가 없기 때문에 기획단계와 초기 설계단계에서 LCA를 수행하는 것은 불가능하다.
따라서, 이 연구는 도로 시설중 교량과 터널을 제외한 토공부를 대상으로 기획단계와 설계단계에서 가용할 수 있는 정보만을 활용한 LCA 기반의 환경부하 산정모델을 개발하고 그 유효성을 검증하고자 하였다.
도로 토공부의 환경부하 산정모델은 노선에 대한 개략적인 정보만 파악할 수 있는 기획단계에 활용할 수 있는 모델과 가용정보의 수준이 더 높아진 설계단계에서 활용하기 위한 모델로 구분하여 개발하였다.
기획단계 환경부하 산정모델은 과거의 유사한 사례로부터 해답을 도출하는 CBR(case-based reasoning) 방법론을 적용하였다. CBR 기반의 모델에 사용되는 입력변수는 문헌연구를 통해 도로의 기획단계에서 확보할 수 있는 행정구역, 도로높이, 도로등급, 지형, 설계속도, 공사유형, 토공부연장, 토공부면적, 포장두께, 차로수, 도로폭의 11가지 정보로 선정하고, 각 입력변수에 대한 유사도 평가를 통해 가장 유사한 사례로부터 환경부하량을 추정하였다. CBR 방법론을 통해 추정한 기획단계 환경부하량의 정확도는 평균 88.59%로써 양호한 결과를 나타냈다.
기획단계 보다 수준 높은 정보의 확보가 가능한 설계단계 모델은 각 공종이 부담하는 환경부하량을 분석하여 분담비율이 높은 토공, 배수공, 포장공을 대표공종으로 선정하고 이들 공종에 대한 모델을 각각 개발하여 최종 추정값을 합산한 후 나머지 공종의 환경부하량은 비율로써 반영하여 도로 토공부 전체의 환경부하량을 산출하였다.
설계단계 모델 중 토공은 작업물량과 환경부하량과의 불확실성으로 인해 기획단계에서 사용한 것과 동일한 알고리즘의 CBR 기반 모델로 개발하였다. 배수공과 포장공은 표준단면을 이용하여 작업물량을 산출하고, 이를 통해 자원량을 도출함으로써 환경부하량을 산정하는 모델을 개발하였다. 각 대표공종의 모델을 통합하고 나머지 공종을 비율로써 반영한 환경부하량의 최종 산출값을 10개의 사례를 적용하여 검증한 결과 평균 9..78%의 절대오차율과 4.42%의 표준편차를 나타내 정확도가 매우 우수한 것으로 평가되었다.
따라서, 본 연구에서 개발한 국도건설사업 토공부의 환경부하 산정모델은 기획단계와 설계단계에서 친환경성을 고려한 의사결정에 객관적인 근거자료를 제공하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The extensive industrialization that has been implemented for the last century has elevated the mean global temperature by 0.74℃, while also causing global climate change, and it has been threatening the safety of humankind. As a part of its countermeasure, the Paris Agreement was signed by nations across the world in 2015, and our country presented its 37% greenhouse gas reduction goal compared to business as usual (BAU) by 2030.
In construction industry, a significant amount of greenhouse gas is being discharged as a result of energies being consumed by construction equipment, as well as during the process of producing numerous materials that are used in construction. Accordingly, it is not possible to achieve our greenhouse gas reduction goal without making efforts to reduce environmental load in construction industry. In particular, efforts are needed to reduce the environmental load of roads that have the highest rate of national budget investment among social overhead capital (SOC) of our country.
For reducing environmental load that occur in the road construction process, it is necessary to conduct environmental review as well as economic feasibility review in the facility planning phase to allow eco-friendly construction method or material to be applied in design. This requires a method of objectively assessing environmental impact in the road planning & design phases, and the life cycle assessment (LCA) that has recently been presented in the ISO 14000 series is being regarded as the most rational method.
For performing LCA, information on the amount of resources used for facilities is needed, but such information is not available before completing design in the case of construction industry. Accordingly, it is not possible to perform LCA in the planning & early design phases.
Accordingly, this study aimed to develop and verify the effectiveness of a LCA-based environmental load assessment model only using information available in the planning & design phases for the earthwork of road construction except for bridge and tunnel.
In regards to the environmental load assessment model of road earthwork, it was developed by dividing it into a model that can be used in the planning phase during which only rough information on route can be identified, as well as a model to be used in the design phase with a higher level of available information.
For the environmental load assessment model in the planning phase, case-based reasoning (CBR) method for deducing answer from past similar cases was applied. In regards to the input variables used for the CBR-based model, 11 types of information were selected based on literature review that can be obtained in the road planning phase. Namely, they are administrative district, road height, road division, geographical feature, design speed, project type, earthwork length, earthwork area, pavement thickness, number of lanes and road width. In addition, environmental load amount was estimated from the most similar case based on similarity evaluation of input variables. In regards to the accuracy of the environmental load in the planning phase estimated through the CBR method, it was 88.59% in average, thereby showing favorable result.
In regards to the design phase model for which a higher level of information than the planning phase can be obtained, environmental load taken on by each construction works was analyzed to select earthwork, drainage work and paving work with high percentage of share as major work, while developing respective models for the construction works to add up final estimation values before reflecting in percentage the environmental load of remaining construction works to calculate the total environmental load of road earthwork.
As for the earthwork among the design phase models, it was developed through the CBR-based model with the same algorithm as that used in the planning phase as a result of the uncertainty of work volume and environmental load amount. As for drainage & paving works, work volume was calculated by using standard section through which resource amount was deduced to develop a model for calculating environmental load. The final computation value of environmental load, which combined the models of each major work and reflected remaining construction types, was verified by applying ten cases and it showed mean absolute error rate and standard deviation of respectively 9.78% and 4.42%, thereby showing excellent accuracy level.
Thus, the environmental load assessment model for road earthwork as-developed in this study is expected to be effectively utilized in providing objective basis data in decision-making considering eco-friendliness in the planning and design phases.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구의 배경
• 1.2 연구의 목적
• 1.3 연구의 범위와 방법
• 1.4 선행연구 동향
• 1.4.1 환경부하 측정에 관한 연구
• 1.4.2 LCA를 활용한 환경부하 평가에 관한 연구
• 1.4.3 본 연구의 방향 및 차별성
• 제 2 장 환경부하평가 및 모델개발 이론고찰
• 2.1 환경영향 평가방법론
• 2.1.1 우리나라의 환경영향평가 제도
• 2.1.2 ISO 14000 시리즈 – 환경경영체계
• 2.1.3 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment)
• 2.1.4 국내외 건설산업의 LCA적용 현황
• 2.2 사례 데이터에 의한 추론 방법론
• 2.2.1 사례기반추론(CBR, Case-Based Reasoning)
• 2.2.2 다중회귀분석
• 제 3 장 기획단계 환경부하 산정모델
• 3.1 CBR 기반의 환경부하 산정모델 개발
• 3.1.1 모델의 개발방향
• 3.1.2 CBR 기반 모델의 입력정보
• 3.1.3 CBR 기반 모델의 구성
• 3.2 모델의 정확도 검증
• 3.2.1 국도건설사업 사례 수집
• 3.2.2 LCA에 의한 사례별 환경부하량 산출 및 DB화
• 3.2.3 사례의 적용을 통한 모델의 정확도 평가
• 3.2.4 모델의 정확도 개선
• 제 4 장 설계단계 환경부하 산정모델
• 4.1 설계단계 모델의 개발
• 4.1.1 모델의 개발방향
• 4.1.2 공종별 환경부하 특성과 대표공종
• 4.1.3 토공 모델의 구성
• 4.1.4 배수공 모델의 구성
• 4.1.5 포장공 모델의 구성
• 4.2 모델의 정확도 검증
• 4.2.1 공종별 모델의 검증
• 4.2.2 공종별 모델의 통합
• 제 5 장 사례연구
• 5.1 국도건설사업 사례분석
• 5.1.1 사례 개요
• 5.1.2 환경부하 평가 시나리오
• 5.2 사업수행 단계별 모델의 활용
• 5.2.1 노선선정
• 5.2.2 공종별 대안검토
• 5.2.3 상세설계
• 5.2.4 설계변경
• 5.2.5 환경영향 검토결과
• 제 6 장 결 론
• 6.1 연구결과
• 6.2 기대효과 및 연구의 한계
• 참고문헌
• ABSTRACT
• 부 록 1 : 용어의 정의
• 부 록 2 : LCI 데이터베이스
• 부 록 3 : 사례 데이터베이스
• 부 록 4 : 표준자원 데이터베이스

참고문헌 (Reference)

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