1. 서론

최근 연구에 따르면, 건설 안전과 관련하여 디자이너(Designer)에게 도움을 줄 수 있는 관련 도구 및 자원이 부족하다고한다. 현재 사용되는 도구들은 문자기반의 Check-sheet type이 종이, 혹은 컴퓨터 프로그램으로 지원되는 정도이다. 하지만, 현재 그 수요가 증가하는 BIM (Building Information Modeling)은 새로운 기능을 제공할 수 있다. BIM을 통한 효과를 극대화 하기 위하여, 본 보고서에서는 현재 존재하는 DfS(Design-for-safety) 도구들에 대한 분석과, 건설안전분야에 적용을 위한 BIM에 대하여 알아보겠다.

2. 연구의 목적 및 방법

이 보고서는 BIM을 DfS 도구와 디자이너(Designer)와 시공자(Constructor)의 초기 협력을 지원 가능하도록 평가하는 도구로서 발전시키는데 목적이 있다. 현재까지 DfS 도구들은 존재했지만, 현재 상용화된 BIM을 이용한 DfS를 사용하게되면 현재 갖고있는 여러 문제점 및 단점들을 극복할 수 있다.

3. 안전을 고려한 계획

3-1. 기존이 연구결과

* 미국 통계청 (The National Bureau of Labor Statistics): 전체 안전사고중에서 건설에 관련된 사고가 23%를 차지한다고 발표했다.

-    The National Construction Agenda: Design 측면이 건설 Project의 안전을 증가시킬 수 있는 여러 요인들을 놓치고 있다는 점을 확인했다.

-    유럽 및 오스트레일리아: PtD(Prevention through Design)을 고용하고 사고발생율을 낮춘다.

-    UK CDM regulations: Project에 관련되는 모든 부분들에 안전과 관련된 책임을 부여했다.

-    오스트레일리아: AU$3 million이상의 모든 관공사 Project의 설계(Design)의 요구조건으로 안전 및 건강(Safety and Health)에 대한 고려가 되도록 의무화했다.

-    The Construction Hazard Assessment Implication Review(CHAIR): 설계(Design)의 각 단계마다 구조적인 검토를 하도록 정했다.

* 위와 같이 비록 건설안전이 건축(Architect)의 책임으로 인식되지 않더라도, 발주처 사이에서 안전에 대한 관심이 높아지고있다.

-    AIA (American Institute of Architects): 미국 연방 Project에서는 설계안 선택과정에서 지속개발가능한 계획(Sustainable Design) 및 안전에 대한 요소를 평가항목으로 설정하고 있다.

-    The Business of Architecture: AIA 연구 보고서에 따르면, 2002년에 완료된 Project중 44%가 계획, 설계, 해체의 전과정에서 건축(Architects)의 역할확대를 고려한다고 했다.

* 비록 미국내에서 PtD에 대한 규제가 부족하지만, 영국의 선도적인 건설회사를(Foster and Partners, ARUP등) 따라 미국 고객들(Intel Corporation, Harvard University, Jacobs Engineering, Bechtel, Washington group, Be&K, Haskell, Parsons등)이 PtD(Prevention through Design) system에 대하여 보이는 관심이 높아지고 있다.

* OSHA(Occupational Safety and Health Administration)는 안전 및 건강(Safety and Health)에 대한 책임을 대부분 고용주(건설회사, General Contractor)에게 둔다. 건설과 계획(Construction and Design)에 대한 영역이 점점 전문화되고, Designer와 시공자의 사전 시공협의(Preconstruction collaboration)가 계약구조의 변경에 따라 점점 줄어들고있다. 건축가와 기술자(Architects and Engineers)들은 거의 건설안전에 대한 교육을 받지 못하고 있다. 따라서 안전을 고려한 계획(Design-for-Safety practice)과 이를 보조하는 도구들에 초점을 맞추고, 과거 특정 건축가와 시공자의 관계를 벗어나 초기단계부터 Designer와 기술자(Engineer)가 협업하는 것에 초점을 맞추어야 한다고 한다.

3. 건설안전을 위한 기술의 개발필요성

* Maloney와 Cameron은 건설안전을 위한 기술을 디자이너의 Capability, Opportunity, 그리고 동기부여로 구분하고 있다.

-    Capability: 지식, 능력, 그리고 잠재위험 분별, 위험평가 수행, 위험을 없애거나 줄이기 위한 계획변경을 제공할 수 있는 것과 관련된 것

-    Opportunity: Project 계약관계와 관련이 되는 것으로서, Designer와 시공자가 협업을 통하여 실제 공법을 통해 구현할 수 있는 것과 관련된 것.

-    Motivation: 실질적인 관례, 그리고 수수료 등 협업을 촉진하기 위해 필요한 것.

-    저자는 BIM이 새로운 기술을 개발하고 더 발전적인 건설안전을 위한 기술이 개발될 것이며, 디자이너가 안전에 관련하여도 참여할 수 있다고 말한다.

3-1) 안전분야의 계획 기술

* 계획 단계에서 안전과 관련된 가장 중요한 것은 위험 분석과 위험 평가이다. 위험인식은 디자인의 복잡성과 빌딩의 규모 때문에 점점 어려워지고 있다. PtD 도구들은 디자이너들이 쉽게 위험을 인지할 수 있도록 하는 지식과 기술을 도와주고, 개선한다. 또한, 시공자와 디자이너가 효율적으로 의사 소통할 수 있도록 도와주며 디자이너들이 건설 project에서의 안전과 건강에 관한 전문성이 부족한 부분을 보충한다.

하지만, 지금은 극소수의 프로그램만이 사용되고 있다. 그중 한 개가 “Design for Construction Safety ToolBox”라는 이름의 프로그램과 같이 Checklist형식이다. 이러한 도구들은 데이터베이스와 연계되어 디자인 검토과정에서 챙겨야 하는 안전관련 요소들을 나열한다. The Design for Construction Safety ToolBox는 사용자가 디자인 특성이나 프로젝트 시스템과 관련하여 위험 정보에서 확인할 수 있도록 도와준다.

다른 형식은 종이 혹은 프로그램으로 작성된 위험평가(Risk Assessment)에 대한 도구이다. 예를들어 the ToolSHed와 같은 도구인데, 이 도구는 온라인 설문조사를 통해 특정 활동이나 재료에 대한 위험 정도를 평가하여 위험분석을 수행한다. 하지만 단순하고 표준화된 계획만이 적용가능 하다고 한다.

또 다른 형식은 구조검토 결과를 정리하는 도구이다. 예를들어 Australian의 CHAIR라는 도구는 건설, 유지관리, 그리고 철거등의 단계에서 자세하고 체계적인 검토가 가능하도록 한다.

마지막 형태는 3D 요소들을 통해 시각화하여 건물 구조와 건설과정에서의 간섭을 체크하는 3D, 4D와 같은 CAD model이다.

몇몇 연구만이 이러한 도구들의 효용성에 대하여 강조하지만, PtD 과정에서의 효용성은 추가적으로 연구되어야 한다. 표 1은 현존하는 도구들의 한계를 보여준다. 현존하는 도구들의 한계점들과 BIM 기술을 실용화할 수 있는 접근방법을 모색해보도록 한다.

3-2) 계획과정의 특성

* 전통적으로 디자인이란, 개념계획 단계부터 시공을 위한 도면작성까지의 일련의 과정을 말한다. AIA (The American Institute of Architects) 혹은 RIBA (Royal Institute of British Architects)에서는 디자인과 시공을 연속적이면서 독립적인 관계로 정의한다. Designer는 계획, 개념 디자인, 계약관계 등에 있어 독자적이고 특정한 기술을 갖고 있는 사람이다. 시공자의 전문적인 능력은 디자인의 의도를 건물 구조로 구현하기 위해서 다양한 공법을 적용하여 여러 한계를 차례로 넘어서는데 있다. 초기에 진행되는 설계변경은, 나중에 변경하는 것보다 Project에 영향을 적게 주거나, 경제적이다. 디자인팀의 설계 도면의 준비를 도와주기 위해서 UK CDM은 계획단계에서 계획 관리자를 할당하도록 한다.

현재는 예산, 일정, 그리고 품질등과 관련된 시공성 검토는 Project 목표 일정 (milestones)에 따라서 일정한 주기마다 진행된다. 하지만 여러 연구에 따르면 디자인에서의 안전 관련된 요소들은 크게보면 디자인 단계의 한 과정으로 인식된다. 하지만, 종종 다양한 디자인 검토(Design Review), 시공성 분석(Constructability Analysis), 가치공학(Value Engineering)은 하나의 디자인으로 귀결된다. 예를들어 Project 초기단계에서 이루어지는 검토들은 디자인과 연결되고 이것들은 가치공학과 연계되어 바뀌거나 없어지고, 실제 건설과정이 시작되기 전에 더 좋은 계획안으로 변경되기도 한다. Foster and Partners와 같이 창의적인 그룹은 그들의 Q.A. system을 이용하여 건강과 안전을 고려한 디자인 변경을 분석하고 재검토한다.

이러한 반복적인 디자인 과정을 구성하는 가장 중요한 요소는 다양한 디자이너들간의 책임을 구분하는 것이다. 내부의 디자인팀 (계획, 개념디자인, 계약부서등의 책임이 있는 디자이너에게 고용된 디자이너들), 그리고 외부의 디자인팀 (발주처등에게 계약된 디자이너)으로 나뉜다고 한다. 디자이너를 영구 디자이너, 재료 디자이너, 장비 디자이너, 그리고 임시작업 디자이너등의 4개 디자이너로 구분하였다. 디자인 순서는 일반적으로 입찰단계를 기본으로 건설 액티비티로 복잡한 건물 구성요소를 계획한다. 철골의 제작, 조립, 그리고 설치, 입면 시스템, 기계 및 전기 장비등 제작도면을 그릴 수 있는 디자이너도 요구한다.

3-3) 안전분야의 계획을 위한 BIM의 효용성

CAD (Computer-Aided-Design)는 건축가들이 계획부터 시공을 위한 도서작성까지 더욱 정확한 도면을 보다 빠르고 편리하게 작업할 수 있도록 해주었다. BIM은 초기 디자인 단계부터 발주자가 참여하여 다양한 검토가 가능하도록 해준다. 본격적인 시공단계에서는, IT(Information Technology)가 효율적인 일정, 예산, 품질, 그리고 위험축소 등을 통해 Project의 성공여부에 핵심적인 영향을 미친다. 디자인단계부터 시공단계까지 정보의 전달이 정확하고, 효율적으로 통제된다면, Design-Build등의 Project 진행방식 역시 잘 처리된다. BIM은 CAD 와 관련된 가장 최신의 도구이며, AEC 산업에서 점차 주목받고 있다. 많은 연구결과를 보면, 그들의 독창적인 미학과 디자인으로 유명한 세계적인 디자이너들이 시공성을 높이기 위해 시공자들과 3D로 협업하는것을 알 수 있다. 같은 디자인회사와 엔지니어링 회사는 시공단계에서 안전과 건강 또한 심각하게 고려한다. 이 보고서는 BIM이 디자인팀을 도와서 자동으로 위험인식과 디자인 최적화 과정을 도출하는것을 보여준다.

건축가, 엔지니어(기술자), 그리고 시공자들은 DfS (Design-for-Safety) 혹은 PtD (Prevention Through Design)의 목적을 갖고 많은 프로그램(도구)를 사용한다. 현존하는 컴퓨터 도구들은 3D Visualization, 시공성 검토, 그리고 Digital 생산과 관련되어 다음의 영역으로 나뉜다.

1) 도면작도 (2D Drafting), 2) 3D 모델링 (Rhino, Maya), 3) BIM 소프트웨어 (Revit, ArchiCAD, MicroStation) 4) 4D CAD (VICO, Synchro, NavisWorks), 5) 간섭검토 (NavisWorks), 6) 디자인 프로그램 (CATIA, Pro/Engineer, SolidWorks)

이러한 프로그램에 대하여 연구에 참여하는 대학들도 많다. 비록 연구의 중심이 안전에 집중되어있지않다해도, 연구의 주제는 컴퓨터의 지원(Computational Support)이 PtD의 다른 각도의 가능성을 보여준다. 이것은 다섯개의 영역으로 분류될 수 있다. 1) 모델검토(Solibri 소프트웨어가 PtD와 연계되어 자동으로 코드 일치를 검토), 2) 가상 사진제판 (제조분야에서 사용되는 DELMIA와 같은 도구를 사용하여 계획과 시공의 시각화를 통합하는것) 3) 가상 세계 (사용자정의, Second와 같은 실시간 다사용자 환경) 4) 종합적인 디자인 분석과 최적화 도구 (geometry models와 분석도구 통합을 위한 Phoenix 통합 ModelCenter과 AnalysisServer) 5) 중개매체기반의 모델링 도구들 (모델링 시스템안에 숨겨진 안전과 시공지식자체적인 학습 매게체 적용, 이러한 접근은 가상세계환경과 통합될 수 있다.) 아래 표2는 Design-for-Safety를 위한 컴퓨터의 지원을 디자인 검토와 모의실험(Simulation) 두 개의 영역으로 나누어서 보여주고 있다. 아울러 모의실험 영역은 특정 과정 구분레벨의 모델링 안전 요소의 다양한 가능성을 보여준다.

아래 표 3에서는 안전의 적용과 개선을 위한 도구로서 BIM도구를 제안한다. 디자인 검토 도구로서는 위험 정의와 그 위험을 지리학적 좌표계를 사용하여 사용자 정의를 발전시킨다. 현재의 4D 모델링 도구는 Delmia가 할 수 있는 자세한 분석과 안전에 대한 시나리오 평가등에 있어 대안을 분석하고 시각화하는 부분에 있어, 건설장비와 작업자의 통합에 대한 기능이 부족하다.

4. 결론

PtD 도구로서의 BIM은 건설 작업자의 안전을 개선시키며, 디자이너와 시공자 모두에게 이익을 준다. 저자는 건축가/엔지니어와 시공자가 코드와 같이 정의기반 안전정보 데이터베이스를 통하는 등의 자동화된 체크리스트를 이용하여 프로젝트 초기단계에서 BIM을 이용하여 협력할 수 있다고 했다. 게다가 건설과정의 시각화는 시공자가 초기에 위험을 인지하고, 디자인팀과 의사소통을 통하여 디자인을 변경하고 낮은 공사비와 안전한 공사를 수행할 수 있다고 했다. 게다가 계획시공팀과 통합되어 위험을 인지하기 쉽고, 특수한 작업환경의 복잡성을 다룰 수 있는 더 발전된 PtD도구들이 필요하다고 했다. BIM을 실무에 적용하게되면, 어떻게 BIM이 PtD를 지원하고 통합하는지에 대한 검토가 가능하게 될 것이다. BIM과 컴퓨터 도구들은 다양한 디자인 이해관계자들에게 위험인식, 그리고 안전요소에 대한 빠른 평가가 가능하도록 도와줄 것이다. 이러한 도구들은 피드백시스템과 연결되어 디자인 결정과 디자인 변경이 안전에 미치는 영향들에 대해 고려할 수 있다. 또한, 저자는 안전과 관련된 디자이너의 책임부족을 지적했다. 미래의 연구에서는 디자인 지식의 확장을 위해서 디자이너가 사용할 수 있는 도구의 측면에서 서술이 필요하다. 이러한 영역은 실무와 BIM 도구가 통합된 새로운 연구에서 다루어질 것이다.

▣ 원문제목 : Research needs for Building Information Modeling for Construction Safety