3차원 지형공간모델링 기반 설계VE 아이디어 창출 구현 방안 연구 = A Framework for Design VE Idea Generation Based on 3D Geospatial Modelling

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study integrates UAV imagery and 3D geospatial modelling into the design Value Engineering (VE) process to address long-standing limitations in information acquisition during the conventional pre-study phase. The research aims to determine whether 3D geospatial data can support the generation of design alternatives and value propositions that are difficult to obtain solely through design documents and field surveys. Furthermore, it evaluates the potential of data-driven value analysis based on model accuracy verification, procedural quantification, and measurable improvements in value outcomes. Focusing on an urban road infrastructure project, the study conducts an objective assessment of how 3D geospatial modelling enhances the reliability and effectiveness of information acquisition within the VE workflow.
The developed 3D geospatial model provides an integrated representation of terrain morphology, road networks, and the spatial distribution of structures and residential areas. This model functioned as a visual analytical platform that enabled intuitive examination of geometric configurations, roadway and intersection alignments, and potential risk factors during the VE workshop. The photogrammetric outputs achieved a ratio of root-mean-square error to ground sample distance of 1.92, a mean reprojection error of 0.207px, focal length and principal point variations below 1%, and distortion coefficients converging within ±0.01, thereby meeting the relevant USGS accuracy thresholds. These results confirm that the model satisfies the relative accuracy requirements for application in 3D geospatial modelling–based design VE.
A total of 37 VE ideas were evaluated, comprising 31 derived from conventional design reviews and field observations, and 6 generated through 3D geospatial modelling. The overall cost variation was –2.151%, equivalent to a reduction of approximately KRW 4.47 billion. Among these, the six modelling-based alternatives accounted for –1.026% (around KRW 2.13 billion), representing 47.698% of the total savings. The average value improvement increased from 21.088% under the conventional approach to 28.983% when incorporating 3D geospatial information, demonstrating that the technology contributes not only to cost reduction but also to broader improvements in functionality, economic efficiency, and constructability. Representative cases—including tunnel length reduction, intersection realignment, changes in retaining wall methods, and the optimisation of TSP and exploratory horizontal boring—produced simultaneous benefits in traffic safety, construction period, and environmental performance.
Overall, the findings provide empirical evidence that 3D geospatial modelling can restructure the design VE workflow—spanning information acquisition, idea generation, alternative assessment, and value analysis—into a quantifiable, data-driven process. The study also confirms that integrating 3D geospatial data improves the reliability of economic assessments and enhances the consistency of VE decision-making. Nevertheless, the use of a single urban road project imposes limitations on the generalisability of the results. Future research should investigate quantitative relationships between 3D geospatial accuracy indicators (e.g., Root Mean Square Error, Mean reprojection error, Focal length/principal point variation, Distortion coefficients) and VE performance metrics (e.g., Coat Variation Rate to Total Project, CVRt; Value Improvement Ratio, VIR). Despite these limitations, the study lays an important foundation for data-centric design VE and offers a pathway towards an integrated smart VE framework linking 3D geospatial modelling with AI, BIM, and life-cycle costing.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기존 설계VE 준비단계의 정보수집 한계를 보완하기 위해 UAV 항공영상과 3차원 지형공간모델을 설계VE 프로세스에 적용하였다. 연구의 목적은 3차원 지형공간모델링을 활용하여 기존 설계도서 및 현장조사 방식으로 도출하기 어려웠던 설계VE의 아이디어 창출과 가치를 평가하고, 이를 기반으로 데이터 중심 가치 분석을 수행함으로써 3차원 지형의 정밀도 검증, 설계VE 절차의 정량화, 가치 향상 효과를 실증하는데 있다. 본 연구는 도심지 도로 기반시설을 대상으로 UAV를 활용한 3차원 지형공간모델링을 설계VE 준비단계에 적용하여, 정보수집의 정량화와 가치 향상 효과를 객관적으로 분석하였다.
구축된 3차원 지형공간모델은 지형, 도로망, 구조물 및 주거지의 공간 분포를 통합적으로 표현함으로써, 연구대상지의 기하학적 구조와 도로 및 교차로 선형, 잠재적 위험요소를 설계VE 워크숍에서 직관적으로 검토할 수 있는 시각적 분석 기반으로 활용되었다. 또한 평균제곱근오차 대비 지상표본거리 비율 1.92, 평균재투영오차 0.207px, 초점거리/주점 변화율 1% 이하, 왜곡계수 ±0.01 미만으로 수렴하여 USGS 기준을 충족하는 정밀도를 확보하였다. 이는 3차원 지형공간모델링 기반 설계VE에 적용하기 위해 요구되는 상대정밀도를 기준을 충족하는 결과이다.
가치 분석은 기존 설계도서·현장방문 방식의 31건과 3차원 지형공간모델링 기반 6건 등 총 37건의 아이디어가 적용되었다. 분석 결과 총공사비 대비 증감율은 –2.151%(약 44.7억 원 절감)로 나타났으며, 이 중 3차원 지형공간모델링 기반 6건은 –1.026%(약 21.3억 원)으로 전체 절감액의 47.698%를 차지하였다. 또한 평균 가치향상도는 기존 방식의 21.088%에서 3차원 지형공간모델링 기반 정보수집 적용 시 28.983%로 증가하여, 본 기술이 단순한 공사비 절감을 넘어 기능·경제성·시공성 등을 포괄하는 복합적 가치 향상에 기여함을 확인하였다. 특히 터널 연장 단축, 교차로 선형 직선화, 옹벽 공법 변경, TSP·선진수평보링 축소 등은 교통안전, 공기, 환경영향을 동시에 개선한 대표적 사례로 분석되었다.
결론적으로 본 연구는 3차원 지형공간모델링 데이터를 활용하여 설계VE의 정보수집–아이디어 창출–대안 평가–가치 분석을 정량적 데이터 기반 절차로 재구성할 수 있음을 실증적으로 입증하였다. 또한 3차원 지형공간모델링이 경제성 분석의 신뢰도와 설계VE 대안 평가의 일관성을 강화하는 효과도 확인되었다. 다만 연구 대상이 도심지 도로 1개 사업에 한정된 점은 일반화의 한계로 남아 있으며, 향후에는 3차원 지형의 정밀도(평균제곱근오차, 평균재투영오차, 초점거리/주점 변화율, 왜곡계수)와 VE 평가지표(총공사비 대비 증감율, 가치향상도 등) 간 상관성을 정량적으로 분석하는 후속 연구가 필요하다. 그럼에도 본 연구는 데이터 기반 설계VE 체계의 실질적 가능성을 제시하였으며, 향후 3차원 지형공간모델링–AI–BIM–LCC를 통합한 스마트 VE 프로세스 구축의 기반을 마련하였다는 점에서 중요한 의의를 갖는다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = ⅶ
• Ⅰ. 서 론 = 1
• 1. 연구 배경 및 목적 = 1
• 2. 연구 동향 = 5
• 3. 선행 연구의 한계점 = 7
• 4. 연구내용 및 방법 = 10
• 5. 연구의 범위 및 한계 = 12
• Ⅱ. 이론적 배경 = 13
• 1. 설계VE 개념 = 13
• 1.1 설계VE 정의 = 13
• 1.2 VE Job plan = 14
• 1.3 아이디어 창출기법 = 20
• 1.4 아이디어 평가 = 22
• 1.5 가치 분석 = 25
• 1.6 LCC = 26
• 2. 3차원 지형공간모델링 개요 = 27
• 2.1 3차원 지형공간모델 생성 = 27
• 2.2 GIS와 3차원 지형공간모델 = 32
• 2.3 BIM과 3차원 지형공간모델 = 33
• 2.4 정보수집 단계에서 설계VE 적용 = 34
• 3. UAV 기술 개요 = 36
• 3.1 UAV 데이터 취득 방식 = 36
• 3.2 UAV 데이터 처리 기법 = 36
• 3.3 보간법 = 47
• 3.4 데이터 정밀도 평가 방법 = 48
• Ⅲ. 실험 및 고찰 = 53
• 1. 정보수집 = 54
• 1.1 연구대상지 선정 = 54
• 1.2 3차원 지형공간모델링 기반 설계VE 정보수집 = 56
• 1.3 UAV 촬영 조건 = 57
• 1.4 3차원 지형공간모델 생성 = 59
• 1.5 아이디어 정보수집 = 62
• 2. 아이디어 창출 = 63
• 2.1 설계VE 개요 = 63
• 2.2 준비단계 = 67
• 2.3 분석단계 = 72
• 2.4 실행단계 = 76
• 3. 분석 결과 = 77
• 3.1 3차원 지형공간모델링 = 77
• 3.2 아이디어 창출 = 84
• 4. 정보수집 비교 검토 및 고찰 = 96
• 4.1 기존 설계VE = 96
• 4.2 3차원 지형공간모델링 = 98
• 4.3 성과의 비교 검토 = 100
• 4.4 고찰 = 102
• Ⅳ. 결론 = 104
• 참 고 문 헌 = 106
• ABSTRACT = 113