모듈러 건축 프로젝트의 공장 모듈제작 생산성 향상을 위한 BIM 기반 4D 시뮬레이션 프레임워크 개발

Abstract

건설프로젝트는 다양한 참여자들의 협업체계로 구성되며, 장비, 인력, 자재 등 다양한 자원이 투입되는 복잡한 구조를 가진다. 또한, 날씨, 계약, 민원 등의 예측하기 힘든 외부 변수들은 시공공정과, 비용, 그리고 건축물의 품질까지도 영향을 미치게 된다. 이러한 프로젝트 내외부 변수는 프로젝트의 생산성을 좌우하는 중요한 리스크로 작용하게 되는데, 이를 해결하기 위해 모듈러 건축(Modular Construction) 공법의 활용이 점차 늘어나고 있다. 모듈러 건축이란 외부요인에 대한 제어가 가능한 공장환경에서 건설 자재들을 활용하여 모듈을 제작하고 현장으로 운송하여 크레인으로 인양 및 설치하는 방식을 의미한다. 따라서 현장공정에 선행되어 전체 프로젝트 생산성에 매우 큰 영향을 미치는 공장의 모듈제작 공정은 세밀하고 정량적인 생산성 관리가 필요하다. 공장 제작공정의 생산성 관리와 관련한 다양한 기존의 연구는 주로 수학적 분석, heuristic 방법론, 시뮬레이션 방법론 등에 치우쳐져 연구되어 왔으나, 수치적 해석에 의존하고, 다양한 변수들의 동시고려가 불가능한 알고리즘을 제안하여 장비, 공장, 인력, 자재 등의 다양한 변수들을 복합적으로 고려하지 못하거나, 실무에 적용하기에 공장의 제반요건을 충족시키지 못하는 연구들이 대다수이다. 모듈을 제작하는 공장의 생산성 관리를 위해서는 관리자와 노무자에게 제공되는 정보의 신뢰도와 객관성이 확보되어야 하며, 직관적, 가시적, 종합적 정보표현이 가능한 방법론이 필요하다. 특히, 이러한 양질의 정보 생산을 위한 자원소모량을 최소화할 수 있어야 한다. BIM 기반 4D 시뮬레이션은 3차원 그래픽과 자원 요소들을 공정 스케쥴과 균등하고 균일하게 연계시켜 CPM 플랜 혹은 공정표 정보를 4D 화면으로 제공해주는 방법이다. 특히, construction virtual prototyping 기술을 4D 모델에 연계시켜 실제적인 컴퓨터 그래픽 시뮬레이션을 수행할 수 있는 생산 수준 4D 시뮬레이션(Operation Level 4D Simulation) 생산 수준 4D 시뮬레이션(Operation Level 4D Simulation) : Huang et al.(2007)은 construction virtual prototyping 기술을 4D 모델에 연계시켜 실제적인 컴퓨터 그래픽 시뮬레이션을 수행할 수 있는 생산 수준 4D 시뮬레이션 개념을 제안하였음. 방법론은 다양한 자원 요소와 건축물 객체, 공정 등의 상관관계를 분석해줌으로써 건설현장의 레이아웃 분석과 동적 분석(dynamic analysis)가 가능하다. 즉, 기존의 공정관리에서 수행할 수 없는 공정과 주변환경, 장비, 공간, 사람 간의 관계에서 발생하는 다양한 계획을 반영할 수 있다. 이에 본 연구에서는, 공장 모듈제작공정의 생산성에 영향을 미치는 공정, 물량, 품질 등의 3요소 관리를 위한 생산 수준 4D 시뮬레이션 프레임워크를 제안하고자 한다. 연구방법론으로 채택한 싱글 케이스 스터디를 통해, 사례 프로젝트의 개별 객실 모듈을 BIM 모델링한 후, 공정, 자재 물량, 품질 등의 3가지 생산성 요인을 관리하기 위한 특화된 기능을 구현하였다. 이를 통하여, 4D 시뮬레이션이라는 이점을 기반으로, 기존의 2D 제작도서, 공정순서도, 시방서, 작업일보 등 재래식 문서가 제공하는 정보 수준에 비해 가시성이 뛰어나고 정확한 정보를 도출할 수 있다. 제작자는 가시적이고 조합된 공정, 물량, 품질 등의 4D 정보를 통해 모듈제작 공정을 디테일하게 계획할 수 있으며, 제작작업에 활용되는 자재, 장비, 동선 등에 대한 사전파악이 가능하다. 또한, 관리자는 자재의 물량정보를 공정별로 파악할 수 있어 기성, 입고 및 야적, 선가공 및 조립계획에 물량정보를 활용할 수 있게 된다. 마지막으로, 도면-모델이 연계된 4D 뷰(View)를 통해 제작오류 및 재제작을 방지하여 공기 지연, 품질 하락, 비용 낭비 등의 리스크를 사전에 제거할 수 있다.