알기쉬운 토목공학

■토목공학의 본질■ 

<토목공학 = 시민공학>

토목공학을 영어로는 Civil Engineering이라 하며, 이를 직역하면 시민공학이라 할 수 있을 것입니다. 즉 인간의 생명유지와 시민생활의 편리성을 위한 공학이라는 뜻입니다. 대부분의 다른 공학이 제품을 생산하고 이를 상품화하여 소비자에게 공급함으로써 생산기술자의 이익을 도모하는 데 반해, 토목기술자가 만든 제품, 예를 들어, 도로, 항만, 공항, 철도, 교량, 상하수도, 댐 등등은 인간생활에 필수적인 제품을 직접 상품화하지 않고 시민들에게 거의 무상으로 이용하게 함으로써 인간의 생활을 편리하고, 쾌적하며, 안전하게 한다는 것입니다. 

<토목공학의 유래>

토목공학의 기원과 역사는 인류역사의 시초와 일치합니다. 원시인류는 자신의 생명을 위협하는 자연재해로부터 피난처를 얻기위해 토목기술을 터득하였습니다. 또 문명의 발상과 더불어 운하와 육지의 길을 만들고, 마실 물을 얻으며 농사에 필요한 물을 확보하였습니다. 현대식 용어를 이용하여 말하면, 택지를 조성하고 주거환경을 개발하며 농경지를 정리한 것이지요. 이후의 토목기술은 자연재해를 방지하고 자연환경을 이용하며 삶의 터전을 유지하는데 응용되었습니다. 한편으로는 지배자의 기념사업과 적의 침략을 방지하기 위한 방편의 마련에도 토목기술은 응용되었으며, 이러한 두 종류의 사업들이 토목기술 발전의 원동력이 된 것도 사실입니다. 이집트의 피라밋이나 중국의 장성, 로마의 도로와 도수관 등은 토목기술의 발전정도와 필요성을 보여주는 좋은 예입니다. 

<용어> 

토목기술자에 대해 Civil Engineer라는 용어가 최초로 사용된 것은 1760년경 영국의 죤 스미튼(John Smeaton)에 의해서 입니다. 그는 진지나 벙커를 구축하고 무기를 제작하는 군공기술자, 즉 military engineer와 구별하기 위해 이 용어를 사용했던 것으로 보입니다. 이 용어를 번역하는 가운데, 사용재료가 주로 흙과 돌 및 나무라는 사실에 착안하여 토목기술자로 사용된 것으로 보입니다. 그러나 현대의 토목재료는 강철과 신소재에 이르기까지 대단히 다양해졌으므로, 원래의 기술취지에 맞는 시민공학 또는 사회기반공학 등으로 명칭을 변경해야 한다는 논의도 진행되고 있습니다. 

<시민생활과 토목공학>

현대의 토목공학을 이해하고 그 분야를 살펴보며, 우리생활과 토목기술의 관계를 알아보기 위해, 서울의 오금동에 살고 있는 홍길동 씨의 하루 일과를 동행 해 보기로 합니다.

아침에 샤워와 세수를 하면서 수도물을 사용하고 전기면도기를 쓰면서, 물과 전기의 공급이 토목기술자의 손으로 이룩된 다목적 댐으로부터 온 것임을 생각해 봅니다. 천연자원으로서 물을 이용하기 위하여 댐을 건설하고, 이로부터 취수탑, 상수생산시설, 상수도 도수관을 거쳐 가정에 물이 공급될 때까지 전과정을 토목기술이 없이는 불가능함을 생각해 보는 것입니다. 공업용수나 농업용수도 여기서부터 얻어진다는 데까지 생각이 미칩니다. 또 토목기술자가 수력발전시설을 건설하고 송전탑을 설계하여 건설함으로써 가정에 전기가 공급됨을 알게 됩니다. 현대의 전기는 원자력발전소로부터도 공급되는데, 원자력발전소의 설계와 건설에도 첨단의 토목기술이 사용되는 것은 잘 알려진 사실입니다.

출근길에 지하철역까지는 자동차를 타고 갑니다. 자동차가 달리는 도로는 토목기술 중 도로공학의 산물입니다. 교통량을 조사하고 예측하며, 노선을 계획하고 차선과 포장의 설계에 이르기까지 전과정이 토목기술에 포함됩니다. 도로에 설치된 교통표지와 신호체계, 교통류의 제어 등은 토목공학의 한 분야인 교통공학에서 연구, 설계, 설치됩니다.

승용차의 창밖으로는 도시의 상징이라 할 수 있는 고층건물, 스타디움 등이 보입니다. 이들의 설계와 건설도 토목공학의 분야이며, 지하차도, 고가도로, 각종교량이 토목기술자에 의해서 계획되고 설계되며 건설됩니다. 한강을 건너면서 강을 가로지르는 교량의 유용함은 물론 그 아름다움에도 잠시 감탄을 보냅니다. 특히 교량 등과 같은 구조물의 계획 및 설계시에는 주변환경과 조화를 이루는 미관이 중요한 고려사항이므로, 토목기술자는 조형미를 예술적으로 창출하는 미적 감각도 갖추고 있습니다.

홍길동씨는 지하철역 부근의 주차장에 주차하고 지하철을 탑니다. 지하철의 설계와 시공이 토목기술자의 손에 의해 이루어졌고, 여기에는 토질 및 기초공학, 터널공학 및 구조공학 등에 관련된 전문토목기술자가 총동원되었습니다. 지하철과 같은 대중교통수단의 계획에는 안전의 문제가 중요합니다. 신속하면서도 안전한 교통수단을 시민에게 제공하여, 시민의 편의를 도모하고 생명을 보호하기 위해서 건설중의 토목기술자는 자신의 생명을 바치기도 합니다. 토목기술자가 만든 발전소에서 얻은 전기의 힘을 이용하여 토목기술자가 만든 지하철의 선로를 따라 전동차가 운행되고 있음을 볼 때, 토목기술은 진정한 시민을 위한 기술임을 실감합니다. 전철이 지상구간으로 나오면 도로와 마찬가지로 교량을 지나고 고가철도를 지납니다. 이 모든 것이 또한 토목기술자의 힘으로 만들어진 것입니다.

한강철교를 지나면서 유유히 흐르는 강물과 강의 양편에 조성된 둑 및 고수부지에서 시민의 휴식공간을 봅니다. 강물의 흐름을 조절하고 홍수시의 피해를 예방하며 강물을 자원으로 활용하는 토목기술자의 노력을 다시 생각하게 됩니다. 이는 토목공학의 한 분야인 수자원공학, 수문학, 하천공학적 기술이 총체적으로 어우러진 것들입니다.

홍길동씨는 업무상 출장목적으로 부산을 가게 되었습니다. 서울에서 부산까지 기차를 이용하기로 하였습니다. 이 기차는 토목기술자가 건설한 철로를 따라 달립니다. 철도는 토목기술 중 측량학, 토질공학, 터널공학, 교량공학 등을 망라한 종합적 기술제품입니다. 측량기술자가 노선계획의 기초를 제공합니다. 측량을 통하여 현장의 상태가 도면 위에 재현됩니다. 평판이나 레벨 및 트랜싯 등의 재래적 측량기기는 물론이거니와, 광파거리계 등과 같은 첨단의 장비도 활용되며, 항공사진측량과 같은 최신의 방법도 동원됩니다. 노선의 결정에는 국토의 종합적 이용이나 주변산업 및 인구구조, 미래의 발전계획 등도 고려됩니다. 결정된 노선에 따라 필요시에는 터널을 뚫어야 할 때도 있습니다. 터널계획에는 터널구간의 토질 및 암반의 조사가 선행되고, 지질학적 지식과 터널굴착의 첨단기술이 동원됩니다. 토목기술자는 지표의 자연환경 및 상태는 물론이거니와 지하의 상황까지도 손바닥 들여다보듯이 훤히 알고 있어야 합니다.

또 노선이 강을 건너거나 산과 산 사이를 가로질러야 할 때는 철도교의 건설이 필수적입니다. 교량의 설계에는 구조공학 기술자가 주된 역할을 하게 되지만, 교각이 설치되는 지점의 지반이나 흐름의 상태가 기초자료로 제공되어야 하기 때문에 토질기술자나 수공기술자의 참여도 없어서는 안됩니다. 교량은 철도의 일부로서도 중요하지만, 건설된 후에는 훌륭한 관광자원이 될 수도 있기 때문에 주변과의 조화를 이루는 미관도 소홀히 할 수는 없습니다. 강을 가로지르는 멋진 교량, 산과 산 사이에 인공미를 더하는 아름다운 교량, 이들을 상상하고 보는 것만으로도 시민을 즐겁게 하고, 이들을 지나면서 내다보는 밖의 경치는 인간생활의 활력소가 되고도 남음이 있지 않겠습니까?

<토목기술자의 노력과 애로>

그림이나 조각의 아름다움 뒤에는 화가와 조각가의 땀이 있고, 즐거움을 더해주는 아름다운 선율 뒤에는 작곡가와 연주자의 노력이 있듯이, 여행의 피로를 풀어주고 편리함을 더해주는 교량, 터널 및 철도의 계획과 설계 그리고 건설에는 토목기술자의 땀과 노력이 스며있습니다. 토목공사의 현장은 산간벽지나 오지인 경우가 많습니다. 또 공사기간도 하루 이틀이 아니라 수개월 또는 몇 년이 걸릴 수도 있습니다. 건설기술자들은 오랜 기간동안을 가족과 떨어져서 생활해야 하는 애로도 있습니다. 마치 망망대해를 항해하는 외항선원이나 원양어선의 선원들처럼, 가족을 그리워하고 불편한 환경속에서 생활하면서도 건설의 땀을 흘리는 토목기술자가 있기 때문에 우리는 편리함과 쾌적함과 생활의 활력을 더할 수가 있습니다.

어느덧 기차는 부산에 도착하였고 홍길동씨는 현지 공장으로 향합니다.

<국토계획과 단지조성>

여러 종류의 공장이 밀집되어 있는 공단을 둘러봅니다. 공단을 조성하기 위해서도 토목기술은 필수적입니다. 공업단지의 입지조건인 공업용수의 확보와 배후수송시설의 건설, 공장폐수의 처리에 이르기까지 토목기술은 개입되어야 합니다. 따라서 공업단지의 조성계획에는 용지정리, 도로계획, 상하수도시설 등 도시계획 및 지역개발의 제요소가 포함됩니다. 홍길동씨는 수출화물의 선적을 확인하기 위하여 항만을 돌아보기로 하였습니다. 

<항만건설>

항만의 건설에도 토목기술자는 참여합니다. 외해로부터 내습하는 파랑을 제어하고 항내의 정온도를 유지함으로써, 정박중인 선박의 안전을 도모하고 태풍이나 해일 등과 같은 자연재해로부터 생명과 재산을 보호하기 위해 방파제를 계획, 설계, 건설, 유지, 보수하는 등 토목기술자의 일은 끊임없이 이어집니다. 이러한 일은 토목공학중의 한 분야인 항만공학, 해안공학의 기술자의 손에 의해 이루어집니다. 

<해양개발>

항만 및 해안공학 관련의 기술자는 시민의 해양 레크레이션을 위한 휴식 및 레져용 친수공간의 건설도 염두에 둡니다. 방파제는 재해방지 목적이외에도 시민의 휴식공간이 될 수 있도록 계획하는 것입니다. 바다에 관련된 산업시설로서 어항이나 양식장들을 설계하고 조성하는 기술은 수산토목의 분야라 할 수 있습니다. 현대는 해양과 해안의 이용기술이 그 어느 때보다도 중요한 시기이므로, 이러한 시대적 요청에 부응하기 위해 해양공학이 토목공학의 중요한 부분이 되고 있습니다. 자연과 인간이 공존하는 곳이거나 인간이 자연의 적정요소를 제어할 필요성이 있다고 생각되는 곳에는 어디에나 토목기술자의 힘이 필요한 것입니다. 해저의 석유비축시설, 해저자원의 개발, 해양 에너지의 이용, 해양공간의 활용 등 해양건설과 관련된 토목기술은 앞으로도 지속적인 발전 가능성이 있는 첨단기술분야라 할 수 있습니다. 바다가 가진 광활한 공간, 바다가 가진 무한한 자원, 바다가 가진 무궁한 가능성, 이 모든 것들이 토목기술자의 노력에 의해 인류의 장래를 밝게 해줄 것입니다. 

<공항건설>

홍길동씨는 부산에서 서울로 돌아오기 위해 비행기를 타기로 하였습니다. 부산의 김해공항으로 나간 홍길동씨는 또 다시 토목기술자의 입김을 느낍니다. 공항과 활주로 등이 토목기술의 제품임을 알게 되었기 때문입니다. 활주로는 특수목적의 도로와 같기 때문에 토목공학의 도로기술자들이 계획, 설계, 건설합니다. 하늘을 날으는 비행기도 착륙한 후나 이륙하기 전까지는 토목기술의 제품인 활주로를 이용해야 합니다. 

<천재해 방지>

비행중에 하늘에서 내려다 본 국토는 대단히 아름다웠습니다. 이륙하자 비행기의 창밖으로 낙동강 하구둑이 내려다 보였습니다. 낙동강 하구의 강물이 바닷물에 의해 염분이 많아지는 것을 방지하며 강물을 효율적으로 이용하기 위해 만든 토목기술의 제품입니다. 생태계의 파괴를 막기 위해서 어도, 즉 물고기가 강과 바다로 오르내릴 수 있는 길도 만들어 놓았습니다. 낙동강의 물길을 조정하고 강변의 토지를 효과적으로 이용할 수 있게 되었습니다. 수자원기술자, 댐기술자, 토질공학기술자, 구조기술자 등이 계획하고 설계하여 시공기술자에 의해 만들어진 것입니다. 홍수통제를 위하여 강상류의 수위를 지속적으로 측정하고, 이 자료는 하구둑의 홍수통제소에 설치된 컴퓨터에 입력되며, 이를 근거로 하구둑의 수문을 조절하게 됩니다. 토목기술자가 첨단장비를 이용하고 이론과 실무를 바탕으로 국민의 생명과 재산을 보이지 않는 곳에서 보호하는 좋은 예가 될 것입니다. 이러한 하구둑은 영산강과 금강의 하구에도 건설되었습니다. 

<고속도로>

비행기가 고도를 잡자 창밖으로 시원하게 뻗은 남해고속도로, 구마고속도로, 88고속도로, 경부고속도로 등이 보입니다. 고속도로는 흔히 국가의 동맥이라 말합니다. 몸속의 양분과 산소를 핏줄을 통해 수송하듯이, 국가의 인적, 물적 이동이 고속도로를 통해 이루어지기 때문입니다. 고속도로의 계획과 설계 및 건설도 두말 할 나위 없이 토목기술자에 의해 이루어집니다. 고속도로는 차량의 주행속도가 일반국도나 시가지도로에 비해 훨씬 빠르기 때문에 계획과 설계 및 건설에 세심한 주의와 고도의 기술이 요구됩니다. 도로의 건설과정은 여자의 얼굴화장과 치장에 비유되기도 합니다. 도로의 기초공사는 얼굴화장에서 기초화장에 비유되고, 도로의 포장은 얼굴화장의 메이크업, 도로의 차선 그리기는 얼굴화장의 아이라인이나 입술루즈, 도로표지판의 설치는 귀거리 등과 같은 장식품에 비유된다고나 할까요. 얼굴화장에서 어느 것 하나가 빠지면 화장전체가 망치듯이 도로 건설과정에서도 마찬가지입니다. 얼굴화장이 사람의 얼굴모양에 따라 달라야 하듯이, 도로의 계획도 국토의 종합적 이용형태에 따라 달라집니다. 철도의 경우와 마찬가지로 고속도로에도 교량과 터널이 있습니다. 고속도로는 도로기술자의 최고제품임은 물론, 국토계획기술자, 구조기술자, 교통기술자, 토질기술자 등 토목기술의 전 분야가 종합적으로 참여하여 이룩한 제품입니다. 

<국토의 종합적 조형예술>

여러 강의 상류에서부터 하류에 이르기까지 만들어진 댐, 국토의 구석구석까지 실핏줄처럼 연결된 도로와 철도, 강을 건너는 교량, 산을 가로지르는 터널, 잘 정비된 해안선, 여객선과 어선 및 화물선을 위한 항만, 이 모든 것들이 토목기술의 제품임을 생각할 때, 토목공학은 과연 국토를 대상으로 편리성과 조형미를 창출하는 예술임을 실감합니다. 누군가가 토목공학을 지구조형의 예술이라고 한 말이 과장된 것이 아님을 느낍니다. 홍길동씨는 김포공항을 나오면서, 하루종일 토목기술제품의 서비스를 받았고 또 집에 돌아갈 때도 토목기술자의 서비스를 받겠구나 하고 생각합니다. 여러분 어떻습니까? 토목기술이 시민을 위한 기술이라는데 공감이 되십니까? 토목공학을 시민공학이라고 한 이유를 아시게 되었습니까? 그렇습니다. 토목공학은 시민의 생명보호와 유지, 시민생활의 편리함, 자연환경과의 조화와 조절을 일차적 목표로 삼는 공학입니다. 이제 여러분의 하루하루 생활도 토목기술과 어떻게 관련되는가를 알게 되었을 것입니다. 이제 학문적 견지에서 토목공학을 살펴보기로 합시다. 토목공학의 분야는 너무 넓어서 여러 부분으로 구성되어 있습니다. 그러나 모든 분야에서 공통적으로 적용하는 과정을 살펴보면, 현장 및 주변환경의 조사, 자료의 분석과 영향의 해석, 단위 시설물의 종합적 계획과 상세 설계, 설계도에 따른 시공과 건설, 시설물의 운용과 유지 및 보수, 그리고 최종적으로는 노후시설의 파괴 및 폐기입니다. 각각의 단위과정에서 토목공학의 여러분야가 연계적인 관련성을 가지면서 기술적 성취가 이루어집니다.

■ 토목공학의 학문적 분야 ■ 

이제 토목공학의 학문적 분야를 크게 나누어 설명하겠습니다. 학문적 전문분야를 열거해 보면, 도로와 철도 교통 및 운송공학, 건설재료 및 구조공학, 수리 수자원 및 수공학, 시공 및 건설관리학, 지역 및 도시계획학, 측량공학, 터널과 토질 및 기초공학, 해안 항만 및 해양공학, 환경공학 등을 들 수 있습니다.

<교통 및 운송(Transportation)>

운송이란 사람이나 상품을 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 모든 활동을 의미하며 한 국가 또는 어떤 지역의 경제, 산업 및 문화발전에 큰 기여를 함으로써 이는 국가경제개발의 중요한 요소가 됩니다. 운송에 포함되는 분야는 도로, 철도, 항로, 관로 등이 있습니다.

<도로(Road & Highway Eng.)> 

도로공학은 토목공학에서 일반으로 다루고 있는 제분야의 지식이 종합적으로 쓰여지며 아울러 정치, 경제 및 사회적인 지식까지도 필요로 하는 분야입니다. 그러나 기술자들은, 정치, 경제 및 사회적인 요인들은 정책 입안자들에게 맡기고 나머지 기술적인 문제만을 취급하는 것이 보통입니다. 도로공학에서 직접적으로 쓰이는 기술적인 지식으로는 교통량을 파악하고 이에 대처하여 노폭(路幅) 및 평면계획을 위한 교통공학의 지식과 도로의 선형관계(線形關係)를 다루기 위한 측량학의 지식, 노반(路盤), 노상(路床)과 표면처리를 위한 토질역학의 지식, 배수처리를 위한 수리 및 수문학의 지식, 포장설계를 위한 역청재와 콘크리트에 관한 지식 및 교량, 암거(暗渠)들의 구조설계에 관한 지식들이 총체적으로 필요한 것입니다. 

<철도(Railroad Eng.)> 

철도공학은 여러면에서 도로공학과 비슷하나 단위하중당 운송비가 가장 저렴하므로 오늘날에 와서는 하물수송은 철도가 전적으로 담당하며 인원수송은 도로로 몰리는 추세입니다. 이 분야는 낡은 선로개수(線路改修), 신규 선로가설, 레일이나 노상(路床)구조의 개선 및 이에 따른 부대시설의 개선을 포함합니다. 세계 여러나라의 대부분의 큰 도시에서는 심각한 교통난을 해소하기 위하여 신속한 대량운송체제를 발전시키고 있으며 이에 따라 지하철 및 전철을 설계하고 건설합니다.

<항로(Airport Eng.)> 

항로공학은 육지를 떠나 호수나 바다를 항해하는 선박이나, 공중을 날으는 항공기 교통에 관련된 공학입니다. 비행장, 활주로 및 이에 관계되는 대합실, 격납고 등과 같은 부대시설의 설계 및 건설을 포함합니다. 또한 우주선을 우주공간에 보내는데 필요한 거대한 발사시설의 설계와 건설도 이 분야에 속합니다. 새로운 항공기나 우주선의 개발과 동시에 토목공학자는 이들을 안전하게 이착륙시키는데 필요한 고도의 기술을 개발해야 하는 것입니다. 

<관로(Pipeline Eng.)> 

관로공학은 대량의 액체, 가스 또는 고체물질의 운송에 관련됩니다. 특히 근래에 와서 석탄도 물과 혼합되어 관로를 통해서 배까지 운송함으로써 수송비를 절감시키고 있습니다. 이 분야의 토목공학은 정확한 측량에 의해 가장 경제적인 노선을 결정하고 설계 및 건설하며 양수장, 발전소 및 이에 따른 부대시설을 설계합니다. 아울러 토질역학, 구조물 설계기술은 이 관로의 설계, 건설 및 운영에 필수적입니다. 기타 일정한 지역에 고정 설치되어 하물이나 원료를 운반하는 벨트콘베이어(Beltconveyor) 및 다른 수송기관의 응용이 불가능한 지역에서 운용되는 가공삭도(架空索道)와 같은 운송기관의 수송노선 및 부대시설의 설계, 건설, 운영은 역시 토목공학의 한 분야입니다. 

<구조공학(Structural Eng.)> 

다음은 구조공학에 대해서 간략히 살펴보겠습니다. 건물, 스타디움과 체육관, 교량, 탑, 부두, 옹벽, 케이블, 아아치, 물탱크, 산업시설물의 지지물, 기타 구조물을 충분한 강도와 강성을 갖도록 설계하는 것은 구조기술자의 책임입니다. 요즈음은 학문의 종합화 과정을 밟고 있어 구조기술자는 자동차, 선박, 항공기는 물론 관로, 원자로 등의 응력해석과 설계를 동시에 책임지고 있습니다. 모든 구조물은 자중, 내용물의 무게, 풍압 등 각종 힘의 작용을 받습니다. 이 힘들은 구조물을 변형, 붕괴 또는 진동하게 만듭니다. 이러한 구조물을 안전하게 하고 투자효율을 증대시키기 위하여 구조기술자는 이 힘들을 저항할 수 있게끔 보, 기둥, 트러스(truss), 슬래브(slab), 기타 구조부재의 골조(frame)를 만듭니다. 구조골조를 구성할 때 구조물의 목적과 용도가 고려되어야 합니다. 또 필요한 구조물이 가능한 최저의 가격으로 마련되어야 한다는 것은 자명한 일입니다. 단적으로 구조기술자의 임무는 구조물에 필요한 강도와 기능을 가장 경제적으로 마련하는 것입니다. 구조골재의 재료는 가격, 이용가능성, 외양 등에 의하여 통상 강철, 철근 콘크리트, 알루미늄 합금, 또는 목재 가운데서 선택합니다. 다음에 개개의 구조부재와 연결의 모양과 크기, 볼트와 리벳의 수, 용접의 양 등을 결정하면서 설계시방서에 준해서 설계합니다. 설계가 완성되면 실제로 건설을 하는 사람에게 자기가 어떻게 하기를 원하는가를 정확히 알려주기 위하여 상세한 시방서와 제도를 해야 합니다. 최종적으로 시공이 적절히 수행되는가 확인하기 위하여 감리하고 조정합니다.

구조기술자는 스케치, 제도, 계산, 필기 등의 일을 실내의 책상이나 제도판에서 주로 작업합니다. 구조기술자로서 성공하는데 필요한 특수한 자질 가운데 몇 가지는, 창조적인 상상력, 발명의 재질, 철저성, 그리고 강한 책임감이라 할 수 있습니다.

<토목재료(Construction Material)> 

토목재료는 토목공사에 사용되는 각종 재료를 말하며, 직접 구조물 및 공작물의 건조용 주재료(主材料)로 사용되는 재료는 물론, 주재료에 첨가 또는 부가되어 공사용 가설, 보존, 완충, 및 장식용으로 쓰이는 재료까지 포함합니다.

토목공사란 대개 그 규모가 커서 많은 종류의 재료가 대량으로 사용됩니다. 옛날에는 천연자원인 석재, 목재, 흙 등이 주로 사용되었으나 문명의 발달과 과학의 진보에 따라 구조물의 종류, 공법이 아주 복잡해지고, 재료도 점점 다종다양(多種多樣)한 인공재료가 개발되었습니다. 이러한 재료를 사용함에 있어서 기술자는 반드시 재료의 역학적 안정, 기상이나 물리․화학작용에 대한 저항으로서의 내구성, 경제성 및 기타의 소요물질(所要物質)에 관하여 명확한 지식을 가져야만 하고, 그렇게 함으로써 재료를 적재적소에 사용할 수가 있는 것입니다.

우선 토목구조물의 설계 시공에 있어서는 공사에 알맞은 재료를 선정하고 그 형상, 치수, 품질, 강도 등을 설계서에 표시해야 하며 더우기 재료의 입수방법, 운반수단 및 가격에 이르기까지도 파악하고 있어야만 시공방법을 결정할 수 있습니다. 그러므로 기술자는 공사용 재료의 제법(製法), 형상, 치수, 강도, 내구성 등의 품질과 재료의 기계적 성질, 용도, 나아가서 규격이나 시험법에 대해서도 항상 조사와 연구를 하고, 재료의 개량, 새로운 재료의 개발에 힘써야 합니다.

현재 건설공사에 사용되는 재료로는 목재, 석재, 흙, 시멘트, 콘크리트, 역청재료, 철 및 비철 금속재료, 고분자 합성수지재료 등 이외에도 유기질 무기질 재료가 많이 있으나, 그 중 가장 많이 사용되는 것은 강재, 콘크리트(물+시멘트+잔골재+굵은골재), 흙 등입니다.

<수공학(Hydraulics Eng.)> 

다음으로 수공학에 대해서 알아보겠습니다. 수공기술자는 유체나 가스의 생산, 저장, 운반, 분배, 이용을 위한 시설을 설계 건설합니다. 항로, 홍수조절, 관개, 도시 및 공업용수, 수력발전, 유원지 등에 필요한 저수(貯水)를 위해 적절한 위치를 선택해야 합니다. 선박항로를 개량하기 위하여 수공 기술자는 기존 수로를 직선으로 하고 준설하는 작업을 하며 새로운 운하를 건설하고 갑문(匣門)을 설치하여 항만 부두를 건설합니다.

매년 홍수로 인하여 수많은 인명과 막대한 재산을 잃고 있는 만큼 홍수조절에는 많은 관심을 두게 됩니다. 댐의 건설, 하천개수 등은 홍수조절에 요구되는 것들이며, 이것은 모두가 수공 기술자가 관여할 일들입니다.

우리나라는 사계절 동안에 충분한 물을 공급받지 못하는 곳이 많습니다. 가끔 천수(天水) 대신에 하천이나 호수, 지하수 등을 이용해야 될 때가 많습니다. 어떤 경우에는 지상의 과다한 물을 제거하는 일, 즉 배수를 해야 될 때도 있습니다. 관개, 배수 시설물 등의 구조물을 설계, 건설, 운용하는 것은 수공 기술자의 기능입니다.

댐은 다목적일 때도 있고, 단순히 발전용일 때도 있습니다. 이런 사업은 수공 기술자에 의하여 구상되고 설계 건설되며 운용됩니다.

큰 도시가 발전할수록 막대한 양의 물이 필요해집니다. 상하수도를 위한 저수 우물, 펌프 장치, 배관, 계기 및 하수로 등의 설계 건설에는 수공 기술자의 역할이 큽니다. 수공 기술자는 측량, 지질학, 화학, 미생물학, 수문학, 건설재료, 구조공학, 전기공학 등에 대한 지식을 갖추어야 합니다.

<건설 기술(Construction Technology)> 

시공 및 건설에 관여하는 공사 기술자는 넓은 의미로서 건설자이고, 크고 다양한 모든 기술사업의 건설에 책임을 집니다. 간단한 것도 있지만 큰 교량, 댐, 터널, 항만시설, 관개시설 등과 같은 큰 사업은 매우 복잡합니다.

공사 기술자는 공사업자가 될 수도 있고, 감리 기술자가 될 수도 있습니다. 이 직업에 성공하려면 각종 건설재료의 종류, 성분, 성질 등에 익숙해야 합니다. 또한 측량, 수리․수문학, 전기공학, 구조설계, 위생공학, 도로공학, 물리, 화학, 지질학 등에 철저한 기초 지식을 함양해야 합니다. 또한 건설장비의 종류와 용도를 알고 운용할 수 있어야 합니다. 흔히 재정, 법률, 경제, 노사관계 등의 넓은 지식을 필요로 합니다. 건설작업 개시 이전에 최소의 경비로 계획된 공기내(工期內)에 능률적으로 공사를 완료하기 위해서는 합리적인 공정계획과 공사비를 정확히 추정하지 않으면 안됩니다. 그러기 위해서는 재료와 장비의 가격, 장비의 능력, 노동자의 능력 등을 알아야 합니다.

공사 기술자는 지하, 지표면, 지상은 물론 수중, 수면, 수상에서도 작업합니다. 즉 상수도, 하수도, 하수처리장, 도로, 기초, 댐, 발전소, 교량, 스타디움, 운하, 제방, 배수시설, 관개시설, 비행장, 항만, 터널, 철도 등을 건설하는 것입니다. 이러한 건설 기술자가 되기 위해서는 초년기에 설계의 지식과 경험을 먼저 쌓는 것이 좋습니다.

<측량학(Surveying Eng.)> 

측량학은 지구 표면상의 제점(諸點) 상호간의 상대적 위치 혹은 절대적 위치를 측정하여, 일정한 기준에 의한 수치표시, 또는 지도를 제작하거나, 이들의 결과를 현지에 측설(測設)하는 작업을 총괄하는 학문입니다. 여기에서 지구 표면상이라 함은 수중, 지중, 또는 공중 등 우리들이 실측할 수 있는 모든 부분을 포함하며, 지형, 물체의 형태, 길이, 면적, 체적 등의 측정, 계산들이 모두 측량활동에 포함됩니다.

원래 측량학은 천문학, 물리학, 수학 특히 기하학과 삼각법에 밀접한 관계를 가지고 이들이 기초가 되는 응용과학이며, 실용가치를 요구하는 면에서는 그 기술의 숙련이 각별히 요청되는 분야입니다.

무릇 인간의 제반활동이 모두 토지에 기초를 두고 있으므로 측량학은 특히 토목공학에서는 제반분야의 기본를 이루고 있는 분야입니다.

초보적인 거리측정으로부터 각종 형태의 건설공사를 위한 기준점 및 규준틀의 설치, 토지의 경계설정과 분할 그리고 여러 종류의 지도제작 등이 모두 측량사의 책임입니다. 또한 측량과 지도제작에 있어서 정확성은 그 성과로 보아 생명과 같으며, 대규모 수리공사, 고속도로건설, 우주계획들에서는 대단히 높은 정확도가 요구됩니다. 특히 우주계획에 있어서 전파망원경의 설치와 방향조준을 위해서 고도의 정밀성이 요구되며 우주여행과 인공위성의 추적 등을 위해서도 마찬가지입니다.

<측량기술의 첨단화>

광학기구와 항공기의 발달은 지상에서 접근하기 곤란한 지역의 측량을 가능하게 했을 뿐 아니라 광범위한 지역을 신속하게 적은 비용으로 측량함으로써 크게 공헌하고 있습니다. 전자기술(電磁技術)의 발전으로 레이다를 이용하여 장거리를 신속히 측정하고, 최근에 와서 레이저 광선의 개발로 전자계산기와 병용(倂用)한 측량기술이 사용되고 있습니다. 아폴로 계획에서 레이저 광선을 이용하여 달과 지구간의 거리를 사상(史上) 가장 정확하게 측정하였음은 주지할 만한 사실입니다.

이와 같은 임무를 수행하기 위하여 측량학에서 취급되는 부문을 열거하면,

(1) 측량에 사용하는 기계와 기구들의 구조, 사용법, 검사, 조정법, 유지수리 등 측량기계    학에 관한 사항

(2) 측량지에서 답사와 실측작업의 방법과 그 성과의 기입법 등 소위 외업에 관한 사항

(3) 작업현장으로부터 얻은 모든 관측자료를 실내에서 계산하고 그 정확도를 조사하며, 또    측량 결과에 의하여 지도를 제작하고, 그 면적 또는 체적 등을 계산하는 방법 등 소위    내업에 관한 사항들이 있습니다.

<토질 및 기초공학(Soil & Foundation Eng.)>

토질 및 기초공학분야를 전문으로 하는 기술자는 구조물을 지지할 기초를 설계하는 문제, 흙을 건설재료로서 사용하는 문제, 비탈면의 안정을 해석하는 문제. 토류구조물(土留構造物)이나 지하구조물을 설계하는 문제, 기타 특수한 문제 등을 다루게 됩니다.

지구표면 또는 지하에 설치되는 인간생활의 시설물이 흙과 접하게 되므로, 토질공학은 모든 토목공학의 근간이라해도 과언이 아닙니다. 흙의 물리, 화학적 성질과 역학적 현상을 파악하고 이를 이용하는 기술은 토질기술자의 책임입니다.

<해양공학(Offshore Eng.)> 

해안, 항만 및 해양공학은 해안역의 보호와 개발, 항만과 해양의 이용방안을 다루는 분야입니다. 해양으로부터 오는 재해 방지를 위한 방파제의 계획, 설계 및 건설과 해양의 에너지자원 활용문제, 해양공간의 개발이용문제, 선박의 정박, 하역 등을 위한 항만설계 등이 다루어집니다. 바다에서 일어나는 제현상, 즉, 조류, 해류, 파랑 등을 파악하여 이들로부터의 재해를 방지함은 물론 나아가서는 이들을 효과적으로 이용할 수 있는 방안을 강구하는 토목공학의 한 분야인 것입니다. 

<환경공학(Environmental Eng.)> 

환경공학은 급수, 하수처리, 지표수 및 지하수의 오염통제, 식품가공 위생, 주택 및 공장지대의 환경위생, 유해곤충과 설치류 동물의 박멸, 배관, 공기오염통제, 냉난방 및 환기, 조명, 공공시설과 수영장의 위생, 방사능의 오염방지 등 제 분야에 걸친 사업 및 계획에 관한 조사, 보고, 설계, 통제, 운영, 관리를 수행하는 학문입니다.

인구의 증가와 도시로의 집중현상은, 안전하고 충분한 음료수의 공급, 가정오수나 공장폐수의 처리, 대기오염, 방사능오염방지 등의 여러가지 문제들을 해가 거듭할수록 어렵게 만들고 있습니다. 그러므로 환경공학의 중요성은 점점 높아지며, 이 분야의 많은 연구와 관심이 필요함은 재언할 필요가 없다 할 것입니다.

■토목공학의 다른분야■

이상과 같이 간략히 설명한 분야 외에도, 극지공학, 관개배수공학, 도시계획학 등 여러가지 토목공학의 분야가 있습니다. 이러한 분야들 중의 일부는 독립하여 공학체계를 이루고 있는 분야도 있습니다. 예를 들어 대학의 환경공학과, 도시공학과, 해양공학과, 농공학과, 조경학과, 교통공학과, 건설공학과 등이 좋은 예가 될 것입니다. 

■ 토목공학의 정의와 미래상■ 

지금까지의 이야기를 종합하면 다음과 같이 토목공학을 정의할 수 있습니다.

1) 토목공학은 사람이 자연의 극심한 조건 즉, 눈, 바람, 비, 추위, 심한 더위 등으로부터 보   호받기 위한 구조물을 만드는 인간생활의 기반기술입니다.

2) 토목공학은 인간의 생명유지에 필요한 물, 공기를 공급하고 정결하게 유지하는 응용과학   입니다.

3) 토목공학은 인간에게 적성(敵性)인 환경을 친근한 것으로 변환시키고 유지보존하며 편리   한 것으로 만들어 인류문화 발달에 전념할 수 있게 하는 전문기술입니다.

4) 토목공학은 자연의 힘과 자원을 인류에게 유용하게 만드는 예술과 과학의 결합체입니다.

5) 토목기술자는 이러한 목적을 달성하기 위한 인공적 구조물과 건설방법을 계획, 발전시키   고 또 이런 과정을 감리(監理)하기 위하여 특별히 교육받고 경험있는 사람을 말합니다.

자연과 환경이란 개념은 이제 우주까지를 포함하게 됩니다. 과거에도 인류의 생명 유지를 위해 공헌하여 왔고 현재에도 인간생활의 근본적인 편의성을 위해 땀을 흘리고 있듯이 미래에 인류의 활동범위가 우주로 확대되는 한 토목공학은 우주에서 생명의 유지, 인류의 발전을 위해 공헌하지 않을 수 없을 것입니다.

시민생활의 편의를 위한 토목공학은 여러분의 관심속에서 발전됩니다. 적극적인 기술투자와 참여가 이루어 질 수 있도록 성원을 부탁드립니다. 감사합니다.

※ 자료출처 : 대한토목학회(http://www.ksce.or.kr/), ‘초보자를 위한 토목공학’