1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

최근 구조물이 중량화, 대형화, 고층화되고 연약지반에서의 특수공사 사례가 빈번해짐에 따라 중․대규모 건축공사 및 토목공사에서 PHC(Pretensioned spun High strength Concrete) 파일 및 강관 파일이 많이 사용되고 있다. PHC 및 강관 파일 공사는 파일을 매입식 또는 타입식 시공법을 통해 지반에 관입시킨 후 파일 상부를 일정 높이로 두부정리함으로써 지반과 구조물의 지지력을 확보하는 공법이다. PHC 및 강관 파일 공사의 작업 프로세스는 크게 1) 매입식 및 타입식 공법을 활용한 파일의 지반 관입, 2) PHC 및 강관 파일 상부의 두부정리, 3) 지반과 상부 구조물의 연결을 통한 지지력 확보의 3단계로 구분할 수 있다. 이 중 PHC 및 강관 파일 상부의 두부정리 프로세스는 파일의 지반 관입 이후 말뚝기초의 시공에서 기초의 레벨을 맞추기 위해 수행되어야하는 필수 작업이다(Hwang et al., 2021; Han et al., 2020).

현재 PHC 및 강관 파일 두부정리 작업은 1) 측량 및 파일 절단선 표시, 2) 파일 절단, 3) 파일 전도 및 인양, 4) 절단된 파일 운반 및 적재, 5) 절단 파일 파쇄 및 보강 철근캡 설치와 같은 프로세스로 진행되지만, 해당 프로세스는 노무자의 안전사고 노출 위험, PHC 및 강관 파일 두부정리 품질의 편차 발생, 작업 생산성 저하, 숙련공 부족과 같은 문제점을 지니고 있는 것으로 조사되었다(Yeom et al., 2018b; Han et al., 2020). 상기 문제점을 해결하기 위해 국․내외적으로 다양한 형태의 PHC 및 강관 파일 두부정리 장비 개발이 수행된 바 있다. 국내 장비들은 대부분 PHC 및 강관 파일 두부정리 작업 프로세스 중 파일 절단 작업만을 기계화의 대상으로 한정하고 있어 재래식 방식 대비 생산성 향상 효과가 미비한 것으로 조사되었다(Shinhan Tech Co, 2008; Cho, 2014; Daegwang ENG, 2015). 또한, 국외의 일부 장비는 측량 및 파일 절단선 표시 작업을 제외한 작업을 기계화하여 현장에 투입되고 있으나(MOTOCUT, 2022a; MOTOCUT, 2022b), 국외 파일 두부정리 장비의 적용 대상은 충진된 소형 원형/사각형의 콘크리트 파일 또는 소형 원형 강관 파일인 것으로 분석되어 국내에 주로 사용되는 중․대구경의 속이 빈 PHC(지름 600mm) 또는 강관 파일(지름 508mm)에는 적용이 어려운 것으로 분석되었다.

본 연구진은 상기 PHC 및 강관 파일 두부정리 작업 및 기존 장비들의 문제점을 인지하고 국내 실정에 맞게 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 프로토타입을 개발한 바 있다(Yeom et al., 2018a; Yeom et al., 2019). 상기 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 프로토타입은 어떠한 노무인력의 지원 없이 굴삭기 1인이 ALL-IN-ONE의 개념으로 1) 측량 및 파일 절단선 표시, 2) 파일 절단, 3) 파일 전도, 4) 절단된 파일 운반 및 적재작업을 순차적으로 수행할 수 있는 로봇이다. 따라서 본 연구의 목적은 개발된 PHC 및 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 현장 실험을 통한 개선 사항을 도출하고 추후 상용화를 위해 요구되는 시장 규모 및 잠재적 고객을 분석하는 것이다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 현재 선행연구(Yeom et al., 2018a; Yeom et al., 2019)에서 개발된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 개발 현황 분석 및 현장 환경 내 실험을 통해 상용화 모델 제작을 위한 개선 사항을 도출하고 PHC 및 강관 파일 두부정리 로봇의 상용화를 위한 시장 규모 및 잠재적 고객을 분석하는 것으로 연구의 범위를 한정한다. 본 연구를 위한 방법은 아래와 같다.

1) PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 개발 현황

2) PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 현장 실험

3) PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 개선 사항 도출

4) PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 공사의 시장 규모 및 개발 로봇의 홍보 및 마케팅을 위한 잠재적 고객 분석

2. PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 개발 현황

2.1 PHC 파일 두부정리 로봇의 프로토타입

선행연구(Yeom et al., 2019)에서 개발된 PHC 파일 두부정리 로봇의 프로토타입은 다음 Fig. 1과 같이 개발되었다. PHC 파일 두부정리 로봇의 프로토타입은 기능별로 PHC 파일 절단 위치를 인식하는 1) 절단 위치 센싱부(Fig. 1(a)), PHC 파일을 절단하는 2) PHC 파일 절단부(Fig. 1(b)), 절단된 파일 인양 및 운반하는 3) 절단된 PHC 파일 핸들링부(Fig. 1(c))의 3가지로 구분된다. 1) 절단 위치 센싱부는 레이저 레벨기로부터 발진된 레이저를 절단 위치 인식 모듈이 인식하여 PHC 파일 절단 위치 정보를 수집하고 2축 각도 센서를 통해 PHC 파일 두부정리 로봇의 자세 정보(X,Y 축 기울기)를 수집할 수 있도록 개발되었다. 또한, 상기 PHC 파일 절단 위치 정보와 PHC 파일 두부정리 로봇의 자세 정보는 굴삭기 캐빈(Cabin) 내부에 설치된 소형 LCD 디스플레이를 통해 굴삭기 운전원이 확인할 수 있다.

Figure 1.

Prototype of PHC pile head cutting robot

2) PHC 파일 절단부는 다음 Fig. 1(d)와 같이 전기 모터에 의해 구동되는 2개의 그라인더 날이 전․후진 프레임에 의해 후진 및 전진하여 PHC 파일의 양 옆을 1차 절단하고 회전 프레임에 의해 140° 회전하면서 PHC 파일의 완전 절단이 가능하도록 개발되었다. 3) PHC 파일 핸들링부는 그랩 및 클로를 활용하여 절단된 PHC 파일을 안정적으로 고정하거나 PHC 파일의 직경 변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 설계되었으며, 좌우에 설치된 2개의 유압 실린더에 의해서 구동되고 굴삭기 유압 용량을 고려하여 0.2~0.6m³ 굴삭기에서 범용적으로 활용 가능하도록 개발되었다. 또한, 굴삭기 연결 장치와 회전형 어태치먼트와의 연결을 통해 PHC 파일 전도 및 인양, 절단된 파일 운반 및 적재 작업이 용이하도록 설계되었으며, 일반 굴삭기 운전원이 별도의 교육 없이 굴삭기 조종 레버를 조작함으로써 구동할 수 있도록 개발되었다.

2.2 강관 파일 두부정리 로봇의 프로토타입

선행연구(Yeom et al., 2018a)에서 개발된 강관 파일 두부정리 로봇의 프로토타입은 다음 그림 Fig. 2와 같이 개발되었다. 강관 파일 두부정리 로봇의 프로토타입은 상기 분석된 PHC 파일 두부정리 로봇 프로토타입과 유사하게 1) 절단 위치 센싱부(Fig. 2(a)), 강관 파일을 절단하는 2) 강관 파일 절단부(Fig. 2(b)), 절단된 파일 인양 및 운반하는 3) 절단된 강관 파일 핸들링부(Fig. 2(c))의 3가지로 구분된다. 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 절단 위치 센싱부와 강관 파일 핸들링부는 2.1절에서 분석된 PHC 파일 두부정리 로봇의 프로토타입과 동일한 역할을 수행한다.

Figure 2.

Prototype of steel pipe pile head cutting robot

강관 파일 절단부는 플라즈마 절단 방식이 적용된 강관 파일 절단장치가 가이드레일을 따라 이동하면서 강관 파일 외주면을 절단하는 방식으로 개발되었다(Fig. 2(d)). 이때 강관 파일 절단부는 가이드 레일 이동을 위한 1개의 구동롤러와 절단부의 탈락을 방지하기 위한 6개의 유지롤러로 구성되어 있어 가이드레일을 따라 안정적으로 주행이 가능하도록 개발되었다. 또한, 강관 파일 절단부의 절단 노즐은 볼캐스터와 스프링을 적용하여 절단대상 강관 파일과 항상 일정한 간격을 유지할 수 있도록 설계되었다.

2.3 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 작업 프로세스

상기 분석된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 자동화 작업 프로세스는 다음 Fig. 3과 같이 1) PHC 및 강관 파일 절단 위치 인식, 2) PHC 및 강관 파일 고정, 3) PHC 및 강관 파일 절단, 4) 절단된 상부 PHC 및 강관 파일 인양 및 적재 순으로 진행된다. 상기 자동화 작업 프로세스는 굴삭기 운전원 1명이 PHC 및 강관 파일 두부정리 작업을 순차적으로 진행할 수 있으며, 인력 중심의 재래식 파일 두부정리 작업을 기계화 및 자동화함으로써 재래식 파일 두부정리 작업에서 발생 가능한 노무자의 안전사고 위험성, PHC 및 강관 파일 두부정리 품질의 편차, 작업 생산성 저하, 숙련공 부족과 같은 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

Figure 3.

Conventional and automated work processes

3. PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 현장 실험

본 장에서는 2장에서 개발된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 현장 실험을 위해 아래 Fig. 4와 같이 테스트베드를 구축하여 현장 실험을 수행하고 상용화 모델 개발을 위한 개선 사항을 도출하고자 한다.

Figure 4.

Test-bed for field experiments of prototype of PHC pile and steel pipe pile head cutting robot (a) Installation PHC pile (b) Installation Steel pipe pile

3.1 PHC 파일 두부정리 로봇의 현장 실험

본 연구에서는 PHC 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 1) PHC 파일 절단 위치 센싱부, 2) PHC 파일 절단부, 3) 절단된 PHC 파일 핸들링부 성능 평가를 구축된 Test-bed(Fig. 4(a)) 내에서 수행하였다. 현장 실험 결과, 1) 절단 위치 센싱부의 경우 PHC 파일 두부정리 로봇에 설치된 절단 위치 인식 모듈이 레이저 레벨기에서 조사된 레이저를 인식 가능한 것으로 분석되며(Fig. 5(a)), 수집된 PHC 파일 절단 위치 정보와 2축 각도 센서의 로봇 자세 정보는 Fig. 5(c)와 같이 굴삭기 운전원이 소형 LCD 디스플레이를 토대로 확인이 가능한 것으로 분석되었다.

Figure 5.

Result of field experiments of PHC sensing unit: (a) PHC pile cutting position recognition using laser leveler (b) Installation 2-axis angle sensor (c) Cutting position display

2) PHC 파일 절단부의 경우 전기 모터에 의해 구동되는 2개의 그라인더 날이 기어모터에 의해 전진 및 회전 하면서 직경 600mm 두께 90mm의 PHC 파일 완전 절단이 가능한 것으로 분석되었으며(Fig. 6(a)), 굴삭기 캐빈 내 PHC 파일 절단부 조작 장치가 비치되어 굴삭기 운전원이 굴삭기 캐빈 내에서 PHC 파일 절단부를 조작 가능한 것으로 분석되었다(Fig. 6(b)).

Figure 6.

Result of field experiments of PHC cutting unit: (a) PHC pile cutting (b) Operating the PHC pile cutting unit and handling unit by the excavator operator in excavator cabin

3) 절단된 PHC 파일 핸들링부는 0.6m³ 급 굴삭기 유압을 활용하여 PHC 파일 고정(Fig. 7(a)), PHC 파일 인양 및 적재 작업(Fig. 7(c))을 안정적으로 수행 가능한 것으로 분석되었으며, 회전형 어태치먼트와의 연결 성능(Fig. 7(b))도 우수한 것으로 분석되었다.

Figure 7.

Result of field experiments of PHC handling unit: (a) Grabbing the PHC pile using hydraulic pressure of 0.6m³ excavator (b) Connection between PHC pile handling unit and rotary attachment (c) Lifting and loading of cut upper piles

3.2 강관 파일 두부정리 로봇의 현장 실험

본 연구에서는 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 1) 강관 파일 절단 위치 센싱부, 2) 강관 파일 절단부, 3) 절단된 강관 파일 핸들링부 성능 평가를 구축된 Test bed(Fig. 4(b)) 내에서 수행하였다. 1) 강관 파일 절단 위치 센싱부는 PHC 파일 두부정리 로봇의 프로토타입과 동일하게 절단 위치 인식 모듈이 레이저 레벨기에서 조사된 레이저를 인식 가능한 것으로 분석되었으며(Fig. 8(a)), 수집된 강관 파일 절단 위치 정보와 2축 각도 센서의 로봇 자세 정보를 굴삭기 캐빈 내 소형 LCD 디스플레이를 통해 확인 가능한 것으로 분석되었다(Fig. 8(c)).

Figure 8.

Result of field experiments of steel pipe sensing unit: (a) steel pipe pile cutting position recognition using laser leveler (b) Installation cutting postion sensing module (c) Cutting position display

강관 파일 절단부는 전기 모터에 의해 구동되는 1개의 구동롤러와 6개의 유지롤러를 통해 강관 파일절단 장치가 가이드 레일에 따라 이동되며, 절단 장치 내 플라즈마를 활용하여 지름 508mm, 두께 12mm의 강관말뚝을 완전 절단할 수 있는 것으로 분석되었다(Fig. 9(a)). 또한, 굴삭기 캐빈 내 강관 파일 절단부 조작 장치가 설치되어 있어 굴삭기 운전원이 쉽게 강관 파일 절단부 조작이 가능한 것으로 분석되었다(Fig. 9(b)).

Figure 9.

Result of field experiments of steel pipe pile cutting unit: (a) Steel pipe pile cutting (b) Operating the steel pipe pile cutting unit and handling unit by the excavator operator in excavator cabin

3) 절단된 강관 파일 핸들링부는 PHC 파일 두부정리 로봇 프로토타입과 동일하게 0.6m³ 급 굴삭기 유압을 활용하여 굴삭기 운전원이 조종 레버를 활용하여 강관 파일 고정(Fig. 10(a)), 강관 파일 인양 및 적재 작업(Fig. 10(b))이 안정적으로 가능하며, 회전형 어태치먼트와의 연결 또한 가능한 것으로 분석되었다.

Figure 10.

Result of field experiments of PHC handling unit: (a) Grabbing the steel pipe pile using hydraulic pressure of 0.6m³ excavator (b) Lifting and loading of cut upper piles

3.3 현장 실험을 통한 개선 요구 사항 도출

본 연구에서는 해당 프로토타입 로봇을 직접 조작한 굴삭기 운전원과 로봇 제작 업체와의 면대면 인터뷰를 통해 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 개선 요구 사항을 아래 Fig. 11과 같이 도출하였다. Fig. 11(a), (b)와 같이 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 PHC 및 강관 절단부를 작동하기 위해서는 발전기, 에어컴프레셔 등이 필요하고 그것들이 적재할 수 있는 1톤 트럭이 로봇과 함께 이동해야된다. 상기와 같은 문제점으로 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 작업 효율성이 떨어질 우려가 있으므로 발전기와 에어컴프레셔를 모듈화 시키거나 굴삭기 배터리 활용 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한, Fig. 11(c)와 같이 PHC 파일 및 강관 파일 고정, 인양, 적재 작업 시 굴삭기 운전원이 지속적으로 조종 레버를 활용하여 그랩을 고정해야되는 문제점이 있기에 핸들링부의 유압과 굴삭기 유압 사이에 체크벨브를 활용하여 유압이 낮아지지 않도록하여 PHC 파일 및 강관 파일을 지속적으로 고정할 수 있도록 개선되어야 할 것으로 판단된다.

Figure 11.

Improvements derived from field experiments: (a) Power generation to operate PHC cutting unit (b) Power generation and air compressor to operate steel pipe pile cutting unit (c) Hydraulic pressure in handling unit

4. PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 국내 시장규모 및 고객 분석

4.1 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 공사의 시장 규모 분석

국내의 경우 모든 강관 및 PHC 파일 두부정리 공사는 굴삭기 등 건설기계와 인력에 의한 재래식 방식으로만 수행되고 있으며, 현재까지 자동화 방식이 현장 적용된 사례는 전무하다. 먼저 강관 파일은 교량기초 및 터널 지보공에 주로 사용되며, 한국철강협회 강관협의회 통계자료에 따른 구조용 강관의 연간 국내 판매량(2018~2019년 평균)은 2,100,000톤으로써 국내 건설현장에 주로 쓰이는 ∅500mm, 12T, 12m 구조용 강관을 예로써 국내 연간 강관파일 판매량을 본수로 환산해 보면 약 1,190,476본(산출근거; 1.764톤/본)이 출하되어 시공에 이르는 것으로 추정되었다. 또한 종합건설업체의 두부 보강캡 설치를 포함한 두부정리 외주 계약단가가 현재 약 38,000원/본~40,000원/본 정도에 이르고 있음을 고려해 볼 때, 강관 파일 두부정리 공사의 연간 국내 시장규모(금액)는 약 452억원~ 476억원 정도에 이를 것으로 추산되었다.

반면, 국내의 경우 PHC 파일은 소규모 건축물을 제외한 주거용 시설(아파트, 오피스텔, 도시형생활주택 등), 물류센터, 지식산업센터, 반도체 공장, 업무시설, 종합병원, 교육시설. 백화점, 관공서, 문화집회시설 등 대부분의 건축물 기초공사에 널리 활용되고 있는 것으로 조사되었다. 2013년(1월~12월)¹⁾ ｢한국원심력콘크리트공업협동조합｣의 PHC 파일 연간 출하량 통계자료(1,992,424본/년)와 최근 10년간 ｢국토교통부 내부행정자료(e-나라지표)｣에서 2013년 대비 2015년 주택건설실적 통계자료(Fig. 12)를 근거로 국내 연간 PHC 파일 소요 물량 최대치를 추정해 보면 약 3,464,672본이 출하되어 시공에 이르는 것으로 조사 및 분석되었다. 따라서, 현재 국내 건설공사에서 두부보강캡 설치를 포함한 PHC 파일 두부정리 외주 계약단가가 약 38,000원/본~40,000원/본에 이르고 있음을 고려해 볼 때, 국내 PHC파일 두부정리 공사의 연간 시장규모는 약 1,520억원~1,600억원 정도일 것으로 추정되며, 앞으로 공공/민간 공동주택 공급 확대정책 등을 감안해 볼 때, 향후 5~10년간 PHC 파일 두부정리 공사물량은 지속적으로 증가되어 그 시장규모는 약 2,000억원/년 내외에 이를 것으로 예상된다. 한국원심력콘크리트협동조합에 의한 PHC 파일 연간(1월~12월) 출하량(본/년) 자료는 2013년도 자료가 유일하기에 이를 최근 10년간 주택건설실적과 연계하여 국내 PHC 파일 연간 출하량을 추정함.

Figure 12.

Housing construction performance(MOLIT, 2022)

4.2 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 고객 분석

PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 자동화 기계의 홍보, 마케팅 및 유통을 위한 주요 고객은 아래 Fig. 13과 같이 ①종합건설업체, ②공공발주기관, ③기술제안서 용역업체⋅CM업체로 구분할 수 있다. 물론 PHC 파일 두부정리 공사의 실질적 생산주체는 국내 파일기초공사 전문건설업체이기에 이 또한 주요 고객일 수 있으나, 업체 대부분이 보수적이고 영세하여 개발 자동화 기계를 도입하기에는 한계가 있을 것으로 사료된다.

Figure 13.

Promotion, marketing, distribution, and sales spread strategy of PHC pile and steel pipe pile head cutting robot(3-way speedy spread strategy)

따라서 스마트 건설기술의 확산 관점에서, 파일기초공사를 전문건설업체에게 직접 발주(①) 혹은 건설공사를 종합건설업체에게 직접 발주(②)하거나 입찰 시 합사 과정 등을 통해 종합건설업체와 협업하여 기술제안서 상에 신기술을 제안(③)하는 상기 3 주체를 대상으로 본 연구를 통해 제시된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇을 홍보 및 마케팅해 나가는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 특히, 국내 공공공사를 직접 발주하는 국토교통부 및 지자체, 공공기관(LH, SH, GH 등)은 자동화 공법을 도입하고 공사시방서 개정 등을 통해 이를 건설현장에 직접 적용케 하는 주체일 수 있으므로 개발 기술의 확산 관점에서는 매우 중요한 Target customers라 할 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 개발된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 프로토타입의 현장 실험을 통해 개선 요구사항을 도출하고 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 상용화를 위해 요구되는 시장 규모 및 잠재적 고객을 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.

현장 실험 결과, PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇은 1) PHC 파일 및 강관 파일 절단 위치 인식, 2) PHC 파일 및 강관 파일 고정, 3) PHC 파일 및 강관 파일 절단, 4) 절단된 상부 파일 인양 및 적재 작업이 굴삭기 운전원이 All-in-one 형태로 수행 가능한 것으로 분석되었다. 굴삭기 운전원과 로봇 제작업체와의 면대면 인터뷰를 통해 발전기 및 에어컴프레셔의 모듈화, PHC 파일 및 강관 파일을 지속적으로 고정할 수 있는 솔루션 필요의 두 가지 개선 요구사항이 도출되었다.

PHC 파일 및 강관 파일의 두부정리 시장 규모 분석 결과, PHC 파일 두부정리 공사의 연간 시장 규모는 약 1,520~1,600억원으로 추정되며, 강관 파일 두부정리 공사의 연간 시장 규모는 약 452~476억원 정도로 추산되었다. PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇의 고객은 1) 종합건설업체, 2) 공공발주기관, 3) 기술제안서 용업업체․CM 업체의 3 주체로 도출되었다.

추후, 도출된 개선 요구사항이 반영된 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇 사업화 모델이 개발되고 지속적인 현장 검증이 수행될 경우 현장 적용성이 높은 PHC 파일 및 강관 파일 두부정리 로봇이 건설 현장에 도입될 것으로 기대된다.