선진 사례 벤치마킹을 통한 국내 모듈러 건축 시공 프로세스 제안
신현규1·안용한*
1한양대학교 건축시스템공학과
Modular Building Construction Process Development by Benchmarking International Best Practices
Shin, HyunKyu
1, Ahn, YongHan
*1School of Architecture & Architectural Engineering, Hanyang University ERICA
Abstract :
The purpose of this study is to provide a domestic applicable modular building construction process by benchmarking international best practices. In this study, we derive the risk factors that may occur in performing a modular construction projects and the modular construction management factors through case analysis. In order to effectively respond to risks in performing a modular building projects, we propose the modular building construction process which is separated by a transportation, lifting, assembly steps based on the unit module construction sequence.
It is the key to providing management information and guidelines for the design, production, construction participants by reflecting the information for each step in the process. This study would prevent a potential hazard which may occur in the construction process. Consequently, It could result in saving the entire cost of modular construction project as shortening the project schedule and could improve workability of modular construction.
Keywords :
Modular Construction, Construction Process, Risk Management
* Corresponding author: Yong Han Ahn, School of Architecture &
Architectural Engineering, Hanyang University ERICA, Ansan , South Korea
E-mail: [email protected]
Received April 26, 2016: revised August 4, 2016 accepted September 20, 2016
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 해외 주택 건설은 노동집약적 산업에서 벗어나 기술 집약적인 제조 산업으로 변화를 도모하고 있다. 미국의 경우, 전문건설인력 부족 문제를 해결하고, 건축물의 품질을 향상 시키기 위한 노력의 일환으로 모듈러 공법을 활용한 건축 사 례가 증가하고 있다(MBI, 2015).
국내에서도 모듈러 공법 활성화를 위해 2000년대 초부터 본격적으로 연구가 시작되었으며, 국내 최초로 모듈러 공법 을 활용한 신기초등학교 시범 건립을 기점으로 학교시설 증 축, 군 막사, 오피스, 기숙사, 공동주택 신축 등 다양한 용도 에 모듈러 공법이 적용되기 시작하였다(Cho et al., 2007). 최 근에는 1~2인 가구 증가 등 가구 분화와 청년, 신혼부부 등
새로운 임대수요가 증가와 함께, 모듈러 건축공법을 활용한 수요자 맞춤형 모듈러 임대주택 공급이 상용화 단계에 들어 서고 있는 추세이다(SH, 2015).
모듈러 공법은 기존 현장 중심의 건설 산업을 탈 현장 (Off-site) 중심의 산업으로 유도하는 공업화 기술로, 미국과 일본, 유럽과 같은 선진 기술국에서는 이미 모듈러 공법을 활 용한 주택 시장이 일정 규모 이상을 차지하고 있다(Lee and Kim, 2013). 이는 모듈러 건축 프로젝트 수행 과정에서 발생 하는 문제점을 원활하게 관리하여, 공기와 비용을 절감시키 고 건축물의 품질을 향상시키는 장점을 충분히 확보할 수 있 었기 때문이다(Gibb and Isack, 2003). 하지만, 모듈러 건축 프로세스 진행과정(예를 들어, 모듈 운반, 설치 과정에서 발 생하는 파손 혹은 조립 단계에서 발생하는 시공오차에 의한 공정 지연 등)에서 발행하는 문제를 관리하지 못한다면, 기존 건축공법보다 시간과 비용이 많이 소요될 수 있는 위험을 지 니고 있기 때문에, 각 단계별 위험요인을 관리하는 것이 모듈 러 공법의 장점을 확보할 수 있는 중요한 요인이라 할 수 있 다. 그러나 국내에서는 아직까지 프로젝트 수행 중 발생하는 문제점을 해결하기 위한 충분한 연구가 이루어지고 있지 않 고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 모듈러 프로젝트를 성공
적으로 수행하기 위한 방안으로 모듈러 건축 시공 단계에서 발생하는 문제점을 분석하고 이를 해결하기 위한 방안을 제 안하고자 한다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 국내 모듈러 건축 프로젝트를 수행하면서 발생 가능한 위험요인을 도출하고, 해외 선진 모듈러 건축 사 례를 분석하여, 시공단계의 위험요인에 대한 관리요소를 벤 치마킹함으로써, 국내 모듈러 건축 시공 프로세스를 제안하 는 것을 연구의 범위로 설정하였다.
국내 모듈러 건축 공사를 수행하면서 발생할 수 있는 위험 요인을 도출하고 이에 대한 프로젝트 단계별 발생 원인을 분 석하기 위해 국내외 기존 연구와 문헌 분석 및 전문가 인터 뷰를 바탕으로 내용분석법(Content Analysis)을 실시하였으 며, 모듈러 건축 시공단계 프로세스를 구축하기 위해 단일 사 례연구기법을 활용하여 모듈러 건축 프로젝트를 대표하는 미 국 애틀랜틱 야드 B2 프로젝트(Atlantic Yards B2 Project) 를 면밀히 분석함으로써, 모듈러 건축 프로젝트 수행 중 발생 할 수 있는 위험요인에 대한 각 단계별 관리요소와 시공 프로 세스를 도출하였다. 그리고 국내 모듈러 공법 기술 개발 보고 서(RIST, 2004)에 제시된 모듈러 유닛 현장설치 공법의 건축 공사 수행단계별 관리요소를 분석 및 반영하여 모듈러 건축 시공 프로세스를 구축하였다.
2. 이론적 고찰
2.1 모듈러 건축2.1.1 모듈러의 의미
모듈러(Modular)라는 용어는 건축분야에서 모듈러 빌딩 (Modular Buildings), 모듈러 홈(Modular Homes) 그리고 모 듈러 하우스(Modular Houses)라는 용어로 많이 쓰이고 있으 며, 프리페브 빌딩(Prefabricated Buildings), 프리페브 하우 스(Prefabricated Houses)라는 용어와 병용되고 있다. 모듈 러 빌딩은 본래 모바일 홈(Mobile Homes)에서 유래되었으나 이와는 분명히 다르게 사용된다. 모듈러 빌딩은 모바일 홈과 달리 바퀴가 달려 있지 않으며, 개별 유닛이 트레일러와 같은 장비를 활용하여 운반된다. 그리고 모듈러 빌딩은 미국 기준 으로 지역 건축 법규(Local Building Codes)를 준수하는 반면 모바일 홈은 HUD Federal Code1)를 준수하기 때문에, 모듈러 빌딩과 모바일 홈은 다르게 사용됨을 알 수 있다(Tomas and Mohammed, 2014).
2.1.2 모듈러 공법
모듈러 공법이란 공장에서 제작된 모듈을 공사현장으로 운 반하여 양중 후 조립하는 건축공법이다. 기존 건축 공법과 달 리 대부분 작업이 현장에서 이루어지지 않고 공장에서 이루 어지므로, 탈 현장 건축공법(Off-site construction)이라고도 한다. 모듈러 건축물을 구성하는 유닛 모듈은 다수의 입방체 로 이루어진 구조체이며, 내부에 각종 내장재, 기계설비, 전 기배선 등이 미리 공장에서 70% 이상 제작되어 현장으로 운 반되기 때문에, 제조 산업과 유사한 프로세스를 따르는 것이 모듈러 건축공법의 특징이다(Lee et al., 2011). 그래서 국내 에서는 모듈러 건축 제조 단계 프로세스에 관련된 연구가 많 이 진행되어 왔다.
2.2 기존 연구 고찰
2.2.1 모듈러 건축 프로세스 분석에 관한 연구 국내 모듈러 건축 프로세스와 문제점에 대한 기존 논문을 분석한 결과, Table 1과 같이 기존 연구에서는 설계, 제작 단 계에서 발생하는 문제점을 도출하고, 그에 대한 개선안을 제 시하거나 프로세스 최적화 방안을 제시하였다.
Table 1. Literature review
Author Contents
Tae-Yoon, Kim, et al.
(2013)
This paper aims to suggest optimized construction process in a factory production stage using the DSM (Dependency Structure Matrix) for modular construction.
Byung-Yoon Bae, et al.
(2012)
This research tried to solve the problem of factory's manufacturing production by applying local Modular Method of Construction to provide suggestions and analyze the profitability with applied conveyor system.
Chang-Jae, Lee, et al.
(2012)
The purpose of this study is We have developed a suitable BIM design process, according to various works of construction, then tried to contribute to supply and activation of the urban-life-housing based on unit modular.
Yung-Ho Lee, et al.
(2012)
This study, as an attempt to improve the design quality of unit modular buildings, points to the problem in manufacturing and field construction, compares and analyzes its causes, and suggests major points to be considered in the early stage of designing the unit modular buildings.
Kwang-Bok Lee, et al.
(2011)
This research proposes the standard operation and construction process of modular system, which enable to optimal system. A case study of reconstructing small-size housing was introduced to support this proposal.
Kim et al. (2013)은 모듈러 유닛의 공장제작 단계에서 프 로세스를 최적화하기 위한 방법론을 제시하였으며, Bae et al. (2012)은 국내 모듈러 회사의 프로젝트를 대상으로 모듈 러 제작 과정 프로세스를 분석하고, 발견된 문제점에 대한 개 선안을 제시하였다.
Lee and Lim (2012)은 유닛 모듈러에 적합한 공정별 BIM 설계 프로세스를 개발하였으며, 그 중 현장 조립 모델링에서 실제 건물이 시공되는 시나리오(RC 기초 구성 → 유닛 모듈
1) HUD Federal Code는 미국 주택도시 개발부(U.S Department of Housing and Urban Development)에서 개정한 연방 규정이다.
러 세대 조합 → 지붕트러스 공사 → 설비 조립 공사 → 건축 마감)대로 프로세스를 구성하였다. Lee et al. (2011)은 국내 적용된 모듈러 공법의 시공사례를 바탕으로 표준공정을 제안 하였으며, 모듈러 공법의 프로세스를 크게 공장제작, 운반, 현장설치의 3단계로 구분하였다.
Lee et al. (2012)는 모듈러 건축물의 제작단계와 시공단계 에서 발생하는 문제점을 도출하고, 그 원인을 분석하여 모듈 러 건축 설계 초기 단계의 고려사항을 제시하는 것을 주요 연 구 내용으로 다루었으며, 여기서 나타난 공정별 문제 사례를 분석한 결과, 총 24가지의 문제 사례 중 20가지의 문제 사례 가 운반, 양중, 현장 시공(조립)단계에서 발생하였음을 보여 주었다. 해당 논문은 설계자가 모듈러 건축물을 설계할 때, 모듈의 제작, 시공단계를 고려해야 한다는 연구결과를 나타 내는 동시에 모듈러 건축 공정에서 제작, 운반, 양중, 현장 시 공(조립) 프로세스에 대해 전반전인 이해가 필요하다는 점을 내포하고 있다.
2.2.2 모듈러 공법 위험요인에 관한 연구
모듈러 건축에 관한 국내 기존 논문과 문헌 고찰을 통해 국 내의 기존 모듈러 공법을 활용하는데 발생했던 문제점과 위 험요인을 분석한 결과, 총 60가지의 요인을 도출할 수 있었 다. 그리고 해당 요인들에 대하여 모듈러 건축 프로젝트의 업 종별 전문가 면담을 통해 Table 2.와 같이 분류 기준을 만들 고, 각 단계별 발생 원인에 따라 총 21가지 위험요인으로 재 분류하였다.
Table 2. Modular project stage caused construction problems
Type stage Note
Ⅰ A Design Construction problems caused by design errors
Ⅱ B Manufacturing Construction problems due to manufacturing errors
Ⅲ
C TransportationConstruction problems occurred in transportation process
D Lifting Construction problems occurred in lifting process E Assembly Construction problems occurred in assembly process
Ⅳ F Others Previous project planning stage
Table 3. Experts interviewed information
Participant Type Division Career Country
P1 Academic University over 5 years
Korea P2 Research Research Institute over 10 years P3 Research Research Institute over 10 years P4 Industry Construction over 10 years P5 Industry Manufacture over 5 years P6 Academic University over 10 years
United State P7 Industry Construction Management over 15 years P8 Industry Manufacture over 5 years
P9 Industry Design over 5 years
P10 Industry Construction over 10 years
재분류된 21가지 위험요인이 설계단계(A), 제작단계(B), 시공-운반단계(C), 시공-양중단계(D), 시공-조립단계(E), 프로젝트 기획 이전단계(F)중 어떤 단계와 관계되는지 알아 보기 위해 Fig. 1.과 같이 각 프로세스와 위험요인 간 관계 도를 나타내었다. 그 결과, 설계단계(A)와 관련된 위험요인 은 8가지이며, 대부분 모듈러 공법의 제작, 시공 단계를 고 려하지 않은 설계기법에 의한 위험요인으로 분석되었다. 제 작단계(B)와 관련된 위험요인은 10가지이며, 모듈 제작비용 에 관한 요인, 제작공장 내의 공정관리 요인, 모듈 품질 확보 미흡 및 생산성저하와 관련된 요인들로 분석되었다. 시공- 운반단계(C)는 6가지, 시공-양중단계(D)는 5가지, 시공-제 작단계(E)는 6가지의 위험요인이 도출되었으며, 프로젝트 기 획 이전단계(F)에서 발생할 수 있는 위험요인은 모듈러 건축
Fig. 1. Modular construction barriers cause by stage
Table 4. Barriers cause on modular construction stage
Type Cause
C
1 Module damage due to bad weather 2 Delays due to transport sequence error 3 Vehicle change according to the site conditions 7 Tolerance occurs due to insufficient management 12 Lake of modular construction worker’s capacity 20 No manual of modular building construction stage
D
4 Module damage due to cranes capacity excess 5 Tilt of the module during lifting
7 Tolerance occurs due to insufficient management 12 Lake of modular construction worker’s capacity 20 No manual of modular building construction stage
E
6 Mismatch between unit module and foundation 7 Tolerance occurs due to insufficient management 8 Failure to secure the module junction accuracy 9 Deformation of joints
12 Lake of modular construction worker’s capacity 20 No manual of modular building construction stage
에 관한 인식 부족, 발주방식의 한계 등 경제적, 사회적, 정 책적 문제에 대한 요인으로 7가지가 도출되었다. 설계단계 와 제작단계에서 발생되는 위험요인은 결과적으로 시공단계 의 작업량과 시공 정밀도에 영향을 주기 때문에, 시공단계에 서 발생하는 위험요인에 대한 관리방안이 설계, 제작 단계에 서 원천적으로 고려되어야 함을 알 수 있었다. 이에 따라, 본 연구에서는 Table 2의 여섯 단계 중 시공단계에 해당하는 C (Transportation), D (Lifting), E (Assembly)에 발생 가능한 위험요인을 Table 4과 같이 구분하고, 각 요인에 대한 관리방 안을 모색하였다. 하지만 국내에서는 모듈러 건축 시공단계 에서 발생하는 위험요인을 사전대응 할 방안이 마련되어 있 지 않은 실정이므로, 본 연구에서는 해외 선진 사례를 분석함 으로써 시공단계 위험요인에 대한 관리방안을 도출하고, 시 공 과정 중 위험요인이 발생하는 단계를 예측할 수 있도록 모 듈러 건축 시공 프로세스를 도출함으로써, 위험요인을 사전 에 방지하는 것을 목적으로 하였다.
3. 사례 분석
3.1 애틀랜틱 야드 B2 프로젝트 분석
본 연구에서 연구 대상으로 선정한 애틀랜틱 야드 B2 프 로젝트는 미국 뉴욕 브루클린에 모듈러 시스템을 이용한 32 층 규모의 중·고층 모듈러 건축 사례로, 세계에서 가장 높 은 모듈러 건축물이며 대다수 모듈러 건축 사례들을 대표하 는 프로젝트이다. 또한, 모듈러 건축의 중고층화를 시도하 면서 저층 사례에서 알 수 없었던 새로운 위험요인을 분석 할 수 있었기 때문에, 본 사례를 대상으로 연구를 진행하였다 (Table 5). 해당 사례를 분석하기 위해 현지를 방문하여 프로 젝트 참여기업과 담당자(Project Manager, Safety Manager, Transportation Corporation, Modular Company, CM corporation 등)와 만나 본 프로젝트의 모듈러 공법에 대해 논의하였으며, 관련 자료를 수집하였다. 또한, 모듈러 건축에 관한 전문서적과 유사 프로젝트 보고서를 수집·분석하였으 며, 이를 바탕으로 시공단계 관리 요소와 프로세스를 벤치마 킹하고, 국내 모듈러 전문가 의견을 반영하여 모듈러 건축 시 공 프로세스를 구축하였다.
Table 5. Atlantic yards B2 project
Bird’s eye view Synopsis
Building site : Brooklyn N.Y Principal use : Dwelling house Building area : 32.330㎡
Number of stories : 32 stories Maximum height : 98m Number of modules : 930 Unit Commencement date : 2012. 12
※ Source : SHoP Architect
3.2 시공 프로세스 단계별 관리 요인 분석 B2 프로젝트의 시공과정은 큰 범위에서 국내의 저층 모듈 러 건축 시공과정과 유사하게 유닛 모듈을 제작 공장에서 공 사현장으로 운반하고, 이를 양중, 조립하는 순서로 진행된다.
그러나 B2 프로젝트의 경우, 유닛 모듈의 품질을 우선시하여 공장에서 출하되기 전에 검수를 받고, 운반 후 현장에서도 품 질관리사(Quality Control Manager; QC)에 의해 검수 받는 다. 양중 단계에서도 유닛 모듈이 하중에 의해 뒤틀리거나 파 손되지 않도록 부속자재(Attachment)를 활용하여 모듈 수평 을 조절하였으며, 조립단계에서는 시공 정밀도 향상을 위해 NYC 주도로 모듈러 건축 공사 전문가 양성 교육을 이수한 노동조합원을 고용하여 공사를 수행하였다. 이를 바탕으로, B2 프로젝트 시공 프로세스를 보다 면밀하게 분석하기 위해 단계별 관리 요인을 도출하여 Table 6.에 나타내었으며, 시공 프로세스를 운반, 양중, 조립의 3개의 공정과 계획→점검→
실행→확인의 4단계 프로세스로 나누어 각 단계별 관리요소 를 분석하였다.
B2 프로젝트의 운반단계에서 모든 유닛 모듈은 DOT 규제 에 따라 ‘Wide Loads’ 운반 규정을 준수하며 운반된다. 미국 의 도로 법규는 제한사항이 많기 때문에, 모듈을 보다 효율적 으로 운반하기 위해서 야간운행(Nighttime Delivery)과 주간 운행(Daytime Delivery)으로 구분하여 운반 계획을 수립하였 으며, 이에 따라 야간에 운반된 유닛 모듈이 현장에서 대기할 수 있도록 Fig. 2와 같이 배치계획을 세우고, 오전 작업이 시 작되면 모듈이 바로 양중될 수 있도록 운반 프로세스를 계획 하였다.
Fig. 2. Module transportation protocol (Source : ESD)
모듈러 건축은 공법 특성에 따라, 유닛 모듈의 품질을 확 보하는 것이 프로젝트를 성공으로 이끄는 요인이 될 수 있다.
따라서 시공단계에서 발생할 수 있는 모듈의 변형 및 파손을 최소화하기 위해서는 유닛 모듈에 가해지는 응력을 줄이는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. B2 프로젝트를 분석해보 면 Fig. 3에 나타난 것과 같이 유닛 모듈을 양중 하기 전, 모 듈을 안전체인(Safety Chain)에 걸고 체인에 연결되어 있는 도르래를 이용하는 모습을 확인할 수 있다. 이와 같은 방법을 활용하는 이유는, 양중 과정에서 모듈에 가해지는 응력을 최 소화하고 변형 및 파손 위험에 대한 리스크(Risk)를 감소시키
Table 6. Modular construction process management factors
Stage Construction Phase
Transportation Phase Lifting Phase Assembly Phase
Planning
Equipment plan
Type of Trailer
Flatbed trailer Single-drop deck Double-drop deck
Site analysis
Site location Lifting point Ground condition Egress / entrance site Obstructions Weather & season
Foundation
& core plan
Foundation type
Piled Foundation Raft Foundation Strip Foundation Pad Foundation
Consideration
Module size Module weight Transport cost Legal limitation
Egress/entrance Core type
Separate Braced Core
Braced Core Load Bearing
Select lifting equipment
Type of crane
Crawler crane Hydraulic crane Truck crane Tower crane Luffing crane Component
Packing material
Safety chain Packing materials
Rout plan
Consideration
Legal route Distance Driving time JIT delivery Night time travel Holiday travel
Consideration for equipment
Module size Module weight Crane Radius Crane capacity Field condition Lifting height Equipment cost
MPT Plan
Fences around site
Foot pedestrian pathway Foundation construction Module Erection Restriction
The maximum legal dimensions Vehicle height limitation Weight restrictions Legal restrictions Highway Rules
Attachment
Spreader bar Balance beam Rigging Chain hoist Scheduling Delivering Module
per Day
Escort plan
Escort driver position plan Communication method Required equipment Required paper
Lift procedure Critical lift procedure General lift procedure
Consideration for assembly
Tolerance Sequence assembly
Driver Resources
Medical Certificate Driver Vehicle Inspection Cargo Securement Prohibition on Engine Idling Traffic Tickets
CDL Information Qualified Access Highways NY City Information
Scheduling
Specification / Drawing One cycle lifting Storage / Yard
Whether condition Operation Plan
labor supply, crew management resource management Risk assessment
Preparation/
Inspection
Inspection equipment
Equipment status checks
Emergency brake Low pressure warning device Wheel status Handle status
Crane setting
Safety inspection
Checklist
Preparation assembly Inspection safety rails Confirmation assembly position
Inspection Packaging
Packaging
specification Product warranty
Preparation site
Power cables caution Removing obstacles Ensuring lifting space Packaging
status
External damage Leak check Inspection
modules
Check the defects on module
Shipment order confirmation Pre-meeting Work orders
Confirm sequence lifting Inspection
Accessories
Accessories specification
Check fixed state equipment-module
Taking over Inspection defects on module
Action
Safety instructions
Traffic regulation
Environmental pollution control Escort vehicle communication Vehicle breakdown measures
Attaching the rigging
Center gravity of lifting Attachment safety check
Assemble module
Welding method Bolting method
Consideration for transport
Transportation rout check Check the road construction Vehicle entrance path
Pedestrian and traffic management Just-in time delivery
Lifting module Precaution on the lifting
Precaution
Collision and damage Tolerance management Collision and damage Tolerance management Communication Communication with worker
Check Taking over
Inspection defects on module Checking the module setting The module condition
Inspection defects on ex/
interior materials
Check whether repair is need or not
Checking the balance
기 위함이기 때문에, 올바른 부속자재(Attachment)를 선정 하는 것도 모듈의 품질 확보를 위한 대응 방안이 될 수 있다.
Fig. 3. Safety chain attachment (Source : Ahn)
유닛 모듈을 양중하고 조립 위치에 내리는 과정에서도 유 의해야 할 사항이 있다는 점을 반드시 숙지해야 한다. 일반 건축공사와 달리 모듈러 건축 공사는 크레인에 가해지는 하 중이 10ton 이상이므로, 작은 충격에도 모듈이 파손될 위험 이 상당하다는 것을 예상할 수 있다. 이러한 이유로 모듈을 정착시키는 과정 발생하는 충격을 흡수하기 위해, 안전체인 을 이용한 모듈 정착 방법을 활용해야 한다(Fig. 4).
Fig. 4. Module lifting for B2 project (Source : Ahn)
모듈이 정착된 이후, 작업자는 모듈이 정확한 위치에 정착 되었는지 확인하고, 모듈의 파손 혹은 변형이 있는지 확인하 여야 한다. 만일 모듈의 정착 위치가 어긋나거나 모듈이 파 손될 경우, 모듈을 교체하거나 재양중을 해야 하므로 숙련된 전문가를 통해 정확한 위치를 측정하여 모듈을 정착 및 조립 하여야 한다. Fig. 5는 B2 프로젝트에서 발생한 시공오차 발 생 사례를 나타내고 있다. 양중 및 조립단계에서 시공 정밀 도를 확보하지 못할 경우, Fig. 5와 같이 미관상 오점을 남 길 수 있으며 이러한 요인들이 반복되어 누적될 경우, 상층 에서는 모듈 조립이 이루어지지 않는 위험이 발생할 수 있다 (SKANSKA, 2014). 이러한 오차(Tolerance)를 해결하기 위 해서는 현장 작업자의 숙련도도 중요하지만, 설계 및 제작 단 계에서 현장 오차를 고려한 설계도와 제작도(Shop Drawing)
를 작성하는 것도 매우 중요하기 때문에, 설계, 제작 단계부 터 시공 프로세스를 정확하게 파악하는 것이 필요하다.
Fig. 5. Module exterior wall construction error (Source : VECTORBLOC)
기본적으로 현장에서 모듈을 조립하기 위해서는 제작 공 장에서 유닛 모듈을 현장으로 운반하기 전에 현장 기초 공 사가 완료되어 있어야 한다. B2 프로젝트의 경우에는 프로 젝트 초기 단계부터 모듈 공장 구축 문제로 모듈 제작 일정 이 지연되어, 현장 기초공사 일정에 큰 영향을 주지 않았지 만, 모듈 공급이 지연됨으로써 현장 조립 일정에 문제가 발생 하였다. 이러한 점을 감안한다면, 모듈 제작 일정과 현장 작 업 간 프로세스 연계의 필요성을 시사하고 있음을 알 수 있다 (SKANSKA, 2014).
B2 프로젝트 기초공사는 말뚝기초(Piled Foundation) 공 법을 활용하였으며, 코어 형태는 분할 가새 골조(Separate Braced Frame)를 이용하여 고층부의 횡력을 저항할 수 있도 록 구성 하였다(Fig. 6). 이러한 코어 형태는 중고층 모듈러 건축물을 건설하는데 중요한 설계요소가 될 수 있으며, 조립 단계에서 발생할 수 있는 오차(Tolerance)를 잡아 줄 수 있는 요소가 되므로, 국내 모듈러 건축물의 중고층화를 위해서는 B2 프로젝트의 분할 가새 골조(Separate Braced Frame)를 활용한 모듈러 설계 기술을 벤치마킹하는 방안도 고려할 필 요가 있다.
Fig. 6. Separate braced frame (Source : SHoP)
B2 프로젝트에서 사용된 유닛 모듈은 실내 인테리어, 기 계, 전기, 외장재 공정이 대부분 공장으로 편입되어 공장제작 률이 상당히 높으며, 모듈을 제작하는 인력은 NYC의 전문가 육성 교육을 받은 숙련공이기 때문에, 유닛 모듈의 완성도가 상당히 높은 것으로 평가받고 있다.
Fig. 6. B2 Project unit module (Source : Fieldcondition)
Fig. 7. Internal configuration unit module (Source : SHoP)
4. 모듈러 건축 시공 프로세스 제안
본 연구에서는 국내 모듈러 건축 프로젝트에서 발생하는 위험요인을 조사하고 해외 선진사례 분석을 통해 도출한 관 리요소를 벤치마킹함으로써, 국내 적용 가능한 모듈러 건축 시공 프로세스를 제안하는 것을 목적으로 한다. Fig. 8은 플 로우 다이어그램(Flow Diagram)을 활용한 모듈러 건축 시공 시공프로세스를 나타낸다. 이는 유닛 모듈이 시공되는 순서 를 기반으로 운반, 양중, 조립단계로 구분되며, 프로세스 내 에서 각 단계별 고려사항을 반영함으로써 설계, 제작, 시공 참여자에게 관리정보와 가이드라인을 제공하는 것이 핵심이 다. 모듈이 시공되는 순서에 따라 각 액티비티를 입력하고, 액티비티 별 관리요소를 출력하여 설계단계(Design) 혹은 제 작단계(Manufacturing factory)에 피드백(Feedback)할 수 있도록 구성하였으며, 필요에 따라 해당 액티비티에 필수정 보를 입력할 수 있도록 프로세스를 구축하였다. 본 프로세스 를 통해 각 단계별 모듈러 건축 시공품질에 악영향을 주는 주 된 요인을 사전에 방지하고, 시공 정밀도를 확보함으로써 결 과적으로 모듈러 건축의 품질과 프로젝트 공기단축 및 비용 절감을 도모할 수 있을 것이다.
4.1 모듈 운반 프로세스
모듈 운반 프로세스는 사전현장조사를 기반으로 장비 및 경로 계획을 우선으로 한다. 모듈 운반 장비는 현장의 진입로 와 모듈 크기에 가장 큰 영향을 받기 때문에, 설계단계에 운 반 장비 제한사항을 반영할 수 있도록 출력정보를 제공할 수 있도록 하였으며, 설계단계에서는 모듈 크기가 결정된 이후 이를 바탕으로 도로규제와 제한사항을 고려한 운반경로를 계
획할 수 있도록 입력정보를 제공함으로써. 설계-시공 간 피 드백 정보를 활용할 수 있도록 구성하였다. 장비/경로 계획 이 완료된 이후 운반 차량 및 부속장비 그리고 운전자 정보에 대한 안전점검이 필수적이므로, 이에 대한 정보가 관리자에 게 제공될 수 있도록 Fig. 8의 안전점검(Safety Inspection)과 같이 출력정보를 나타내었다. 선진사례에서는 에스코트 차량 활용 제도가 발달되어 있어 너비 4m이상의 모듈도 운반 가 능하였으나 국내에서는 에스코트 차량 활용이 제한적이므로, 추후 제도적 장치가 마련된다면 시공 프로세스에 구체적으로 반영될 필요가 있을 것이다.
모듈 장비와 부속장비에 대한 안전점검이 이루어진 후에는 유닛 모듈에 대한 품질관리가 필요하다. 모듈을 운반하기 전 유닛 모듈의 파손이나 변형 등을 점검할 필요가 있으며, 특히 제작단계에서 허용되는 오차범위를 준수하는지 확인하여야 한다. 모듈 크기에 대한 허용오차는 조립단계에서 시공 정밀 도에 영향을 주는 주된 요인이므로 품질관리자의 특별한 주 의가 요구된다. 운반 프로세스의 모듈 적재단계에서 현장 모 듈 조립순서와 도로 상황에 대한 정보제공이 필요하다. 현장 모듈 조립순서는 공장 반출 순서와 같은 의미로 해석될 수 있 으므로, 현장상황에 대한 정보가 운반단계에도 제공되어야 한다. 적재된 모듈이 현장으로 운반되는 동안 운전자는 안전 교육(Safety Training)정보를 바탕으로 도로규범과 규정 속 도를 준수하여야 하며, 양중 프로세스에 따라, 적시운반(JIT Delivery)이 가능토록 운반-양중 프로세스간 상호연관성을 고려하여야 한다.
4.2 모듈러 양중 프로세스
모듈 양중 프로세스도 운반 프로세스와 마찬가지로 사전 현장조사를 기반으로 장비/양중 계획을 우선으로 하고, 양중 장비 계획 시, 지반 조건, 작업 반경, 모듈 무게, 양중높이, 양 중위치 등 현장조건과 양중조건에 대한 정보가 제공되어야 한다. 프로세스 내에서 양중 부속장비 정보는 양중 작업 시 유닛 모듈의 충격을 최소화할 수 있는 장비가 제공되어야 하 며, 이에 따른 양중고리 계획은 설계 조건과 양중 조건 모두 고려하여 의사결정이 이루어져야 한다. 장비/양중 계획을 완 료한 이후, 현장 관리자는 위험관리를 통한 위험요인평가서 를 작성할 필요가 있다. 계획된 양중 작업에 대한 예상되는 문제를 사전에 검토함으로써, 사고를 예방하고 유닛 모듈의 품질을 향상시킬 수 있으며, 나아가 설계단계에 피드백 정보 를 제공할 수 있기 때문이다.
품질관리 이후, 양중 장비 설치 및 안전점검을 수행하고 모 듈을 인수하기 전, 사전 회의 및 현장 정리단계에서 현장 작 업자의 안전교육(Safety Training)을 실시하여야 한다. 이는 모듈러 건축 품질 향상에 직접적으로 영향을 주는 요소이고 안전사고도 예방할 수 있으므로, 국내 모듈러 건축 프로세스
Fig. 8. Modular construction process
에 필수적으로 반영되어야 할 부분이다.
유닛 모듈을 운반 차량으로부터 인수할 때에는, 모듈 상태 를 점검하는 단계가 필요하다. 모듈 상태 점검 시, 운반 관리 자와 양중 관리자가 함께 점검하여야 하며 모듈 파손 시, 현 장 보수 가능 여부를 판단하여 조치를 취해야 한다. 현재 국 내에서는 모듈 파손에 대한 책임구분이 모호하기 때문에 이 를 결정할 수 있는 기준마련이 필요한 실정이다.
모듈을 양중하기 위한 양중고리와 크레인 연결단계에서는 모듈 평형 확인여부가 필수적이며, 본 프로세스에서는 체인 호이스트(Chain hoist)를 활용한 평형조절방안을 제안하였 다. 해당 부속장비를 활용할 경우, 모듈이 양중 혹은 정착될 시 발생할 수 있는 충격 하중을 흡수할 수 있기 때문이다. 양 중단계에서 발생하는 모듈의 파손과 변형은 조립단계에 악영 향을 주는 주된 요인이므로 모듈이 조립 위치에 정착되기 전 까지 품질을 확보하는 것이 양중-조립 프로세스를 원활히 진 행할 수 있는 핵심 요인이라 할 수 있다.
4.3 모듈러 조립 프로세스
모듈 조립 프로세스는 일반 건축공사와 마찬가지로 기초공 사를 기점으로 시작된다. 현장조건에 따른 기초 형태를 결정 하고, 모듈러 건축 설계 조건에 따라 코어 공사 여부를 결정 한다. 이때, 모듈러 기초공사 계획상 현장 작업자에게 제공되 어야할 정보는, 첫 유닛 모듈의 현장 반입 일정과 조립 순서, 환경 영향 정보, 보행자 계획, 허용오차 등이 있으며, 조립 계 획 단계에서는 자재 반입정보와 인력 관리 정보 등이 제공되 어야 한다. 모듈러 조립 계획 시 현장여건에 따라, 설계단계 에 반영되어야 할 사항은 출력정보를 통하여 제공하도록 하 고, 변경된 조건에 따라 조립 단계에 피드백(Feedback)되도 록 프로세스를 구성하였다.
기초 공사가 완료된 이후에는 품질 검사를 통해 시공 정밀 도를 확인할 필요가 있다. 최하층 모듈의 경우, 기초 시공 정 밀도와 모듈 제작정밀도에 따라 기초접합부 혹은 지반 설비배 관과 모듈 배관 접합부에서 오차가 발생할 수 있기 때문에, 모 듈 조립마다 정밀한 검사가 요구된다. 모듈의 층수가 높아지 면, 안전작업을 위해 난간이 설치되어야하며, 조립방법에 따 라 가시설물의 시공여부를 판단하여 계획단계에 반영하여야 한다. 모듈을 조립하는 단계에서 모듈러 건축물의 품질을 결 정짓는 요인은 작업자의 숙련도와 허용오차 관리이다. 따라서 조립 단계에서 제공되어야 할 정보는 각 부위별 허용오차와 숙련된 노동인력이지만, 아직까지 국내에서는 모듈러 건축의 허용오차에 관한 기준이 마련되어 있지 않고, 모듈러 공사 교 육 프로그램도 활성화되어 있지 않기 때문에 이에 대한 대응 방안이 필요한 실정이다. 따라서 본 프로세스에서는 각 모듈 이 조립될 때마다 시공 정밀도를 측정하여, 설계도와 제작도 에 허용치를 반영할 것을 제안하며, 이에 대한 실시간 정보 제
공을 위해 BIM과 같은 시각적 도구를 활용한 품질관리 방안 을 고려하여야 할 것이다. 시공 정밀도를 확보를 위한 오차 조 정 단계이후, 실내마감, 바닥마감, 전기공사, 설비공사, 외장 공사 순으로 조립 프로세스를 나열하였으며, 이는 공장제작률 에 따라 작업량이 상이하므로, 공장제작-시공 프로세스간 상 호연관성을 고려하여 모듈러 시공 계획을 세워야 할 것이다.
5. 결론
모듈러 건축 공법의 가장 큰 장점은 프로젝트의 시간과 비 용을 절감하는 것이다. 그러나 공사 프로세스에 대한 이해가 부족하여 공사 진행과정에서 품질을 저해하는 위험들이 지 속적으로 발생한다면, 모듈러 건축공법에 대한 활용도가 줄 어들게 될 것이다. 본 연구에서 도출한 모듈러 건축 프로세스 는 시공단계로 한정하여 구성되었지만, 운반, 양중, 조립공사 에 대한 시공계획은 모듈러 설계, 제작 단계와 상호 고려되어 야 한다. 그러나 아직까지도 모듈러 설계, 제작 단계에서, 시 공단계에서 이루어지는 작업 상황을 충분히 반영하지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이에 대한 개선방향을 제시하기 위해 플로우 다이어그램을 활용한 모듈러 건축 시공프로세스 를 제안하였다. 이를 바탕으로 모듈러 건축 설계 및 제작 단 계부터 시공단계에서 발생하는 위험요인과 관리정보를 반영 함으로써, 피드백(Feedback)된 정보를 토대로 체계적인 모듈 러 시공 계획을 세울 수 있을 것이다. 그리고 모듈러 시공과 정에서 발생할 수 있는 잠재적인 위험요인을 사전에 방지하 고, 공사를 효율적으로 관리함으로써 모듈러 공법의 장점인 전체 공사비를 절약하고 프로젝트 일정을 단축시킬 뿐만 아 니라 모듈러 건축의 시공성도 향상시킬 수 있을 것이다. 현재 국내에서 모듈러 건축에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지 만, 모듈러 시공 단계에서의 발생하는 위험요인에 대한 대응 방안이 구체적으로 마련되고 있지 않다. 따라서 본 연구결과 인 모듈러 건축 시공 프로세스를 기반으로 각 단계별 발생 가 능한 위험요인과 대응 방안 대한 연구가 이루어진다면, 국내 모듈러 건축 산업이 더욱 활성화 될 것이라 생각한다.
감사의 글
본 연구는 2016년 국토교통부 주거환경연구사업 모듈러 건 축 중고층화 및 생산성 향상 기술개발의 연구비 지원에 의한 결과의 일부임(과제번호: 16RERP-B082884-03).
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요약 :
본 연구의 목적은 모듈러 건축 프로젝트를 수행하는데 발생할 수 있는 위험요인을 도출하고, 해외 선진사례 분석을 통해 도출 한 관리요소를 벤치마킹함으로써 국내 적용 가능한 모듈러 건축 시공 프로세스를 제안하는 것이다. 본 연구를 수행하기 위해 해외 대표적인 모듈러 건축 사례인 미국 애틀랜틱 야드 B2 프로젝트를 분석하고 내용분석법을 통해 모듈러 건축 시공 단계에서 발생할 수 있는 위험요인을 도출하였다. 본 연구결과인 모듈러 건축 시공 프로세스를 기반으로 모듈러 건축 설계, 제작 단계부터 시공 단 계에 발생되는 위험요인을 고려하여 관리한다면, 시공 과정에서 발생할 수 있는 잠재적인 위험요인을 사전에 방지하고, 시행착오 를 줄여 모듈러 건축 시공성도 향상시킬 수 있을 것이다. 또한, 모듈러 건축 프로젝트를 효율적으로 관리함으로써 모듈러 공법의 장점인 공기 단축 및 공사비 절감을 실현하고, 결과적으로 시공품질을 확보하여 모듈러 건축 활성화에 기여할 수 있을 것이다.
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