건설 산업화의 잠재력을 완전하게 발휘할 수 있게 해주는 DfMA

• DfMA(제조 및 조립을 위한 설계)는 일련의 설계 옵션을 통해 제조 제품과 프리패브리케이션 조립품을 적용 및 최적화하는 방법론으로, 교량에서 호텔까지 모든 시공 방식에 일대 혁신을 불러일으키고 있습니다.
• 건축 환경에 제조 기술을 적용하면 프로젝트에 투입되는 비용, 시간, 복잡성, 불확실성 및 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다.
• DfMA 팩의 선두 주자이자 런던의 선구자적인 엔지니어링 및 설계업체인 Bryden Wood는 다양한 프로젝트에 DfMA 원칙을 적용할 수 있다는 것을 보여줍니다.

폭발적으로 증가하는 인구가 거주하고, 일하고, 생활할 수 있는 수조 달러 규모의 신규 건설 작업이 진행됨에 따라 신속한 건설에 대한 압박이 커지고 있습니다. 하지만 시공 과정은 혼란 그 자체입니다. 팬데믹, 극단적인 날씨, 지정학적 불안이 공급망을 무너뜨리고 납품 일정을 엉망으로 만들 수 있습니다. 기술 부족으로 인해 시간과 예산에 맞게 건설을 추진하는 것도 쉽지 않습니다.

그렇다면 건축·엔지니어링·건설(AEC) 분야의 기업들은 어떻게 대응하고 있을까요? 제작 과정의 시간, 비용, 불확실성을 제거하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 특히 복합 바닥재, 기성품 클래딩, 모든 유형의 볼트 결합 시스템의 발전으로 인해 이미 시공 프로세스가 최대 한도까지 능률화된 경우 더욱 그렇습니다.

많은 경우 해답은 DfMA(제조 및 조립을 위한 설계) 프로세스를 이용해 제조업체의 플레이북에서 한 페이지를 찢어 내는 것입니다. DfMA는 건물 시스템과 전체 건물이 개별적이면서도 연결 가능한 제품으로 결합되는 건설 산업화 및 제조 정보에 기반한 설계 트렌드를 가속화하고 있습니다. DfMA에는 제조된 제품과 프리패브리케이션 조립품을 생산적으로 활용할 수 있는 일련의 설계 옵션이 포함됩니다. 즉, 제조 시설에서 건축 자재 및 조립품을 효율적으로 현장 외부에서 제작한 후 현장에 납품하여 조립을 신속하고 용이하게 진행하는 방식입니다.

런던에 본사를 둔 설계 및 엔지니어링 회사인 Bryden Wood는 DfMA를 초기부터 지지해 온 업체 중 하나입니다. 20년 전부터 이 회사는 대량 생산의 효율성과 확실성을 고도의 맞춤형 시공 비즈니스와 결합하는 접근 방식의 필요성을 인식했습니다.

모든 새로운 구조물에는 조립품이 필요합니다. Bryden Wood에서 던진 질문은 간단합니다. 벽돌 하나 하나, 파이프 하나 하나를 연결해야 하는가? 아니면 사전 제작된 대형 조립품과 모듈을 연결하여 비용을 절감하고 프로세스를 개선할 수 있을까?

거대한 요구, 제한된 역량

Bryden Wood의 글로벌 시스템 책임자인 제이미 존스톤은 말합니다. “모두가 수십 년 동안 이 문제에 대해 논의해 왔습니다. DfMA가 실제로 전면에 나설 수 있었던 것은 건설 인력의 고령화, 지속가능성에 대한 우려, 그리고 전 세계 인구가 2100년이 되면 110억 명에 달하게 될 것이라는 예측 때문입니다. 모든 사람은 주택 및 교육, 의료, 수도, 전기, 데이터 센터를 필요로 합니다. 인류의 요구는 분명하지만, 우리가 이를 실현할 수 있는 역량을 가지고 있는지는 매우 불확실합니다.”

존스톤은 그 격차를 좁히기 위해서는 심각한 경로 수정이 필요하다고 말합니다. 충분한 사람을 위해 충분한 물건을 충분히 빨리 만드는 것이 가능하더라도 현재의 접근 방식은 지구를 망칠 것이기 때문입니다.

그는 이렇게 말합니다. "우리가 건설해야 하는 것과 그것을 제공하는 역량 사이의 간극이 너무 커서 이를 실현하기 위해서는 중간을 잇는 기술적인 보정이 필요합니다. 업계에서는 오랫동안 이러한 문제에 대한 직접적인 언급을 피해왔습니다. 지금 달라진 점이 있다면 BIM(빌딩 정보 모델링)의 빠른 도입과 팬데믹 기간 동안 우리가 목격한 산업의 디지털화가 사람들의 생각을 변화시켰다는 점입니다."

Bryden Wood는 지난 수년간 주요 프로젝트에 BIM을 적용해 왔으며, 그 가운데 가장 핵심적인 이니셔티브는 런던의 히드로 공항과 개트윅 공항 확장, 엘리자베스 라인(이전의 크로스레일) 프로젝트를 통해 런던의 동부와 서부를 연결하는 대규모 “빅 딕(big dig)”입니다. 각 프로젝트에서는 외부 제조와 현장 내 조립 방식을 통합한 설계 방식을 활용했습니다.

주문 제작형 건설

이 회사는 히드로 공항과 개트윅 공항 프로젝트에서 공간 사용을 극대화하기 위해 게이트와 비행기가 밀집되어 있는 각 공항의 터미널 "탑승교" 간의 교통량을 완화하고 개선할 수 있는 계획을 수립했습니다. 그러기 위해서는 1.5킬로미터(약 1마일)가 넘는 새로운 통로를 설치해야 했습니다.

Bryden Wood의 설계 및 설치 계획에는 여행객의 불편을 최소화하기 위해 각 공항 인근에 통로 전체 구간을 현장 외부에서 건설할 수 있는 제조 시설을 세우는 작업이 포함되었습니다. 각 구간이 완성되자 현장에서 간단한 조립을 위해 공항까지 짧은 거리를 이동했습니다.

엘리자베스 라인 프로젝트의 경우, Bryden Wood는 복잡한 토트넘 코트 로드, 리버풀 스트리트, 화이트채플 역에서 도시 하부에 새로운 철도 터널을 연결하는 패널을 제작하는 작업을 맡았습니다. DfMA 전문성을 활용하여 Bryden Wood의 설계자와 엔지니어들은 현장 외부에서 패널을 제작해 현장에서 신속하게 조립할 수 있도록 했습니다.

사무 공간에 대한 새로운 접근 방식

개발업체인 Landsec과 공동으로 건설한 런던의 Forge 상용 복합 단지에는 더 샤드 타워와 테이트 모던 미술관 사이에 10층 규모의 사무실 블록 두 개가 포함되며, 강 건너편에는 세인트폴 대성당이 있습니다.  존스톤은 이렇게 말합니다. “런던에서 굉장히 멋진 구역이지만, 장소의 측면에서 볼 때는 매우 제한이 많습니다. 따라서 건축학적으로 건물의 위치를 매우 민감하게 반영해야 했습니다. 수많은 관계자들의 참여가 없다면 런던의 이 지역에서 건설을 진행할 수 없기 때문에, 대규모 구성요소로 이루어진 건물을 시공한다는 건 불가능한 일로 여겨졌습니다."

이 프로젝트를 위한 Bryden Wood의 주요 혁신안은 원래 영국의 신축 교도소를 위해 개발된 플랫폼 시공 시스템을 사무 공간에 적용하는 것이었습니다. Bryden의 모듈식 플랫폼은 동일한 방법론을 사용하여 현장에서 조립되는 제품 기반의 표준화된 사전 제작 구성요소입니다. 이것은 한 가지 유형의 프레임이나 섀시를 제작해 여러 자동차 모델에 적용하는 현대식 자동차 생산 방식과 유사합니다. 플랫폼은 각 층의 공사 기간을 크게 앞당겼습니다.

Forge에는 강철 및 콘크리트 하이브리드 프레임 내부에 폭 9미터(29.5피트)의 구성품이 사용됩니다. 기본 보(primary beam)에는 제반시설 및 서비스를 위해 사전 제작된 균일한 절단부가 있습니다. 바닥부터 바닥까지 이어지는 플랫폼 기둥은 표준화되어 있으며, 상부의 하중을 수용하기 위해 지면과 저층에는 보다 두꺼운 기둥이 적용됩니다.

존스톤은 말합니다. "각 프로젝트마다 새로운 시스템을 개발하는 대신, 어디에든 사용할 수 있도록 IKEA/레고 같은 구성요소 키트를 만들 수 있었습니다. 각 구성요소는 다른 구성요소에 서로 끼워 맞춰지고 연결됩니다." 그는 또한 플랫폼 접근 방식을 적용하면 설계자들이 건물의 디지털 모델을 자동으로 생성할 수 있다고 설명합니다.

"우리가 몇 가지 핵심 매개변수를 연결하자 건물을 정의하는 데이터 세트가 자동으로 생성되어 BIM 모델의 기반이 되었습니다. 속도가 아주 빨라서 건물에 변경이 있을 때마다 돌아가서 모델을 조정하는 대신, 새로 모델을 생성하기만 하면 되었고 약 20분 정도 걸렸습니다. 생산성의 측면에서 획기적인 전환점이었습니다."

정확성과 시간 절감 측면에서 향상된 점도 인상적이었습니다. 표준화된 플랫폼이 사전 제작된 상태로 도착하기 때문에, 마무리 작업에서 대체로 발생하는 공차 문제를 해결하고 조정하는 데 소요되는 시간과 재료가 거의 0으로 줄었습니다.

이러한 건물 구성요소의 제품화와 제조 정보를 바탕으로 한 설계를 통해 Forge 복합 단지는 일반적인 방식으로 건축되는 건물보다 내재 탄소를 30%나 줄일 수 있었습니다. 그 결과 영국 그린 빌딩 협의회(UK Green Building Council)의 넷제로 사무실 기준을 충족하는 최초의 건물이 되었습니다.

모든 것을 가능하게 하는 BIM

존스톤에게 BIM이 없다면 이 모든 것이 불가능했을 것입니다. "BIM은 나름의 방식으로 협업을 진행할 수 있게 도와줍니다. 과거에는 문제점들이 2D 도면에 숨겨져 있어 현장에서 발견될 때까지 파악되지 않을 수 있었습니다. BIM을 사용하면 공간적인 측면에서 훨씬 효율적인 조정이 가능합니다. 또한 상세한 3D 모델이 만들어지고 나면, 이를 수천 개의 도면으로 바꿔 현장의 개개인에게 전달하는 일이 어리석은 일이라는 걸 알게 됩니다."

존스톤에 따르면, 엘리자베스 라인 프로젝트가 좋은 예가 될 수 있습니다. 설계의 모든 측면이 Autodesk Revit에서 먼저 모델링되었으며, Dynamo로 수백 개의 제작 및 조립품 옵션을 자동으로 모델링했습니다. Bryden Wood는 Autodesk Navisworks를 사용하여 조립 프로세스를 최적화하고 가장 효율적인 납품-조립 시퀀스를 생성했습니다.

그는 말합니다. "이러한 디지털 도구 사용법을 터득하기 전까지 업계에서는 DfMA를 완전히 적용할 수 없었습니다. BIM의 보급은 새로운 작업 방식을 가능하게 하는 기술적, 문화적인 변화입니다. 이러한 근간이 형성되면, DfMA이 더 많이 도입될 것입니다.”