Productivity Analysis of the Site Installation Stage of Laminated Modular Multi-Family Housing

적층식 모듈러 공동주택 현장설치 단계의 생산성 분석

Abstract

This study was conducted to present useful information on the utilization and productivity analysis of laminated modular multi-family housing. To this end, the process of site installation was investigated and analyzed through a prior study, and the monitoring survey was conducted through the site installation case of an stacked multi-family housing. Based on the above, the results of productivity analysis using the web-cyclone technique were also presented. However, the site installation process has limitations on generalisation because the process is not the same for each construction company, and also limits that require verification through application in the actual site of the web-cyclone model presented in this study.

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

모듈러 건축은 공장에서 구조, 내장재, 각종 설비 등을 설치한 유닛 일부를 완성하고, 현장에서는 최소한의 조립공정으로 건축물을 시공하는 공법으로 조립 및 해체작업이 간단하고, 공사기간을 단축함과 동시에 재사용이 용이하다. 따라서 최근 연구 개발 및 일부 건설공사에서 모듈러 건축은 활발히 적용되고 있다.

현재 미국의 경우 뉴욕 브루클린에 건설을 완료한 애틀랜틱 야드 B2(Atlantic Yard B2) 프로젝트를 통해 32층의 중⋅고층 공동주택을 모듈러 건축을 적용하여 시공하였으며, 한국의 경우에도 서울 강서구 가양동 행복주택을 통해 6층의 저층 공동주택을 모듈러 건축을 적용하여 시공하였다. 또한 2018년 개최된 평창동계올림픽의 레지던스 호텔을 모듈러 건축을 적용하여 시공하였으며, 2019년 4월 초순 강원도에서 발생한 대형 산불로 인한 이재민 피해 복구 지원을 위해 모듈러 건축을 대안으로 적극 검토 및 활용을 고려하는 등 각종 재난 및 재해 지역에서도 모듈러 건축 적용을 활발히 모색하고 있는 실정이다.

최근 모듈러 건축의 건설산업 적용 노력에도 불구하고 여전히 낮은 모듈러 주택 수요 및 열악한 모듈러 주택 제작환경 등의 현실적인 문제들로 인하여 기존 주택형태인 Reinforced Concrete(이하:RC) 건축물에 비해 높은 공사비를 나타내고 있다. 높은 공사비는 모듈러 주택의 보급 확대의 걸림돌로 작용하고 있으나, 모듈러 건축의 특징인 공장제작 및 조립공정의 생산성을 높임으로써 공사비를 저감할 수 있을 것으로 판단된다[1].

현재까지 진행된 모듈러 건축과 관련하여 제기되고 있는 문제들을 해결하기 위한 다양한 노력들이 있어 왔고, 이를 살펴보면 모률러 공장생산 단계의 부재 표준화[2], 공장생산 단계의 인력투입 분석[3], 현장설치 단계의 공정 프로세스 분석[4][5][6][7], 등을 초점으로 수행되었다. 일부 연구들이 모듈러 건축의 경제성 비교 분석[4][8][9], 공사비 절감 분석[4][10] 진행하였으나 현장설치 단계의 구체적인 데이터를 활용한 분석에는 한계점을 지니고 있다. 따라서 적층형 모듈러 공동주택의 현장설치 단계의 투입된 실제 데이터를 바탕으로 생산성을 분석하는 실증적인 관점에서의 연구가 필요하다.

이에 본 연구는 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 단계 공정분석, 작업시간, 투입인원 등을 조사하여 현장에 대한 모니터링을 실시하고자 하며, 또한 웹사이클론 분석 기법을 활용하여 생산성 분석 결과를 제시하여 효율적인 적층식 모듈러 건축의 활용 및 생산성 분석을 위한 유용한 정보를 제공하고자 한다.

상기와 같은 본 연구의 목적을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1) 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 단계에 대한 공정, 시간, 인원을 A사례를 바탕으로 조사 및 도출한다.

2) 상기에서 도출된 현장설치 단계의 주요 요인을 바탕으로 웹싸이클론 기법을 활용한 생산성 분석 결과를 제시한다.

1.2 선행연구 고찰

현재까지 국내에서 수행되어온 모듈러 건축 및 웹싸이클론 분석 관련 연구들은 다음의 Table 1과 같다.

Table 1. Previous research analysis

상기의 연구들은 대부분 단편적인 사례를 통한 모듈러 건축의 경제성 분석과 단일 공정에 대한 웹싸이클론 분석에 편중되고 있고, 모듈러 현장설치 단계에 대한 생산성 분석에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 모듈러 공동주택에 대한 현장설치 단계를 중심으로 공정을 분석하고, 이에 대한 작업시간, 투입인원을 조사하여 웹싸이클론 기법을 통하여 생산성 분석 결과를 제시한다.

2. 모듈러 공동주택의 현장설치 모니터링

2.1 본 연구의 범위

적층식 모듈러 건축의 프로세스는 크게 공장제작, 운반, 현장설치의 3단계로 구분하고 있으나, 본 연구에서는 현장설치 단계에 대한 모니터링 조사 및 분석을 실시하기 위하여 연구의 범위를 공장제작 및 운반을 제외한 현장설치 단계로 한정하였다.

상기 Fig. 1은 적층식 공동주택의 현장설치 A사례의 이동식 크레인 양중 및 가고정 공정에 대한 모니터링 자료이며, A사례에 대해 2019년 4월 4일부터 4월 7일까지 4일간 진행된 모듈러 현장 설치 단계에 대한 공정을 모니터링하였다.

Fig. 1 Field installation of modular

2.2 현장설치 공정 분석

일반적인 모듈러 유닛의 현장설치 공정은 현장기초, 마감공사, 지붕공사로 분류[2]할 수 있으나, 본 연구에서는 현장기초 공정 완료 및 지붕공사(프레임 설치)는 모니터링 실시기간에 포함되지 않아 연구범위에서 제외하였다. 따라서 본 연구에서는 마감공사를 한정하여 현장설치 공정에 따른 세부공정(Level 3) 분류를 다음의 Table 2와 같이 도출하였다.

Table 2. The process classification of site installation in this study

상기의 Table 2에서 보는 바와 같이 모듈러의 현장설치 공정은 총 9개의 세부적인 작업으로 분류하였고, 상기를 바탕으로 현장설치에 대한 모니터링 조사를 실시하였다.

2.3 현장설치 시간, 인원 조사

상기 2.2 현장설치 단계 공정분석에서 제시한 공정분류를 바탕으로 현장설치 단계의 세부공정에 대한 최소, 평균, 최대 작업시간과 공정에 투입된 인원을 조사하였으며, 이에 대한 내용은 다음의 Table 3과 같다.

Table 3. Site installation phase monitoring of work hours and input workers by process

상기 Table 3에서 보는 바와 같이 현장설치 공정에 대해 Min 값의 최소시간을 기록한 공정은(6) 밸런스빔 해체 공정으로 투입된 인원은 2명이고, 소요시간은 최소 1.2분, 평균 2.2분, 최대 3.0분이 소요된 것으로 조사되었다. 또한 Min 값의 최대시간을 기록한 공정은 (9) 커넥션 플레이트 용접 공정으로 투입된 인원은 1명이고, 소요시간은 최소 46.0분, 평균 52.0분, 최대 60.0분이 소요된 것으로 조사되었다. 상기와 같이 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 시 소요시간은 처음 작업시간이 최대시간으로 필요하게 되지만, 작업 반복진행 및 작업 학습에 따라 최소시간을 기록하는 것으로 조사되었다.

3. 모듈러 공동주택의 생산성 분석

3.1 현장설치 시간, 인원 조사

본 연구의 목적은 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 단계의 공정, 시간, 인원을 바탕으로 생산성 분석 결과를 제시하는 것이다. 이를 위해 반복적인 작업 프로세스를 모델링하고 민감도 분석을 통해 자원 조합에 따른 생산성에 영향을 미치는 요인을 파악할 수 있는 웹싸이클론 분석 기법을 적용하고자 한다.

Web-Cyclone’ 방법론은 미국 Purdue 대학의 Halpin 교수에 의해 고안된 반복 작업 프로세스 시뮬레이터 ‘Cyclone’(1974)을 웹 인터페이스에 맞추어 개량한 것으로 불연속사건 시뮬레이션 기법 중 하나로 건설공정의 계획과 분석에 유용하게 쓰이는 순차적 알고리즘 방법이다. 공정의 반복적 시뮬레이션 형태인 사이클론은 Activity, Operation, Work task 등으로 구성되며, 자원 및 작업시간, 공종간 선⋅후행관계를 모델링 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 적용할 웹싸이클론 기법에 대한 내용은 다음과 같다.

첫째, 공장제작 및 현장설치 단계에 대한 공정 프로세스를 모델링 한다. 이를 위해 전체 공정에서 공정지연이 발생하거나 효율이 저하되는 공정을 선정하고, 선행연구 및 현장 관리자 인터뷰를 통해 관리 목표를 설정 후, 세부 작업들 간의 순서와 인력, 장비 등의 자원투입 계획을 설정한다. 둘째, 상기 조건을 바탕으로 시뮬레이션을 실행한다. 이를 위해 싸이클론 모델을 구축하고, 실제 현장과의 차이를 줄이기 위해 모델을 현장과 동일하게 설정하여 세부작업 조정을 통해 주공정을 도출한다. 셋째, 싸이클론 시뮬레이션으로 민감도 분석 및 현장 적용성 평가를 분석한다. 이를 위해 단위 시간당 생산성 분석, 반복 시뮬레이션을 통한 민감도 분석과 추가 자원투입 여부를 고려하여 현장 적용성을 평가한다.

본 연구에서 적용할 웹싸이클론 기법의 모델을 위한 주요 구성요소는 다음의 Table 4와 같다.

Table 4. Element of web-cyclone analysis method

3.2 현장설치 학습효과에 따른 생산성 분석

본 연구의 적층식 모듈러 A사례 현장설치 단계의 모니터링 조사 및 분석을 통해 소요시간 편차(variance)가 존재하는 공종은 최소⋅평균⋅최대값의 삼각분포로 모델의 입력변수로 적용하였다. 또한 현장설치 공정의 웹싸이클론 시뮬레이션을 위해 작업시간을 포함하고 있으며, 구체적으로는 액티비티 타입, 노드 넘버, 공종명, 최소 소요시간, 평균 소요시간, 최대 소요시간을 포함한 모델의 입력값은 Table 5와 같고, 웹싸이클론 모델은 다음의 Fig. 2와 같다.

Table 5. Activity type, activity name, and time required for the site installation process.

Fig. 2 Site installation of modular

상기 Table 5의 입력값을 통해 본 연구에서 구축한 웹싸이클론 모델의 1번의 cycle은 1층(4개의 모듈 유닛)을 조립하는 과정을 의미하며, 본 연구에서 적용한 사례는 5층 건축물이 대상이기 때문에 총 5개의 Cycle로 시뮬레이션을 수행하였다. 1층 모듈 유닛을 조립하는데 소요된 시간은 595.2min (1.2day)이며, 이에 대한 생산성은 약 0.001680 cycle/min으로 분석되었다. 또한 5층 유닛을 조립하는데 소요된 시간은 2,067.1min(3.9day)이며, 이에 대한 생산성은 약 0.002419cycle/min으로 분석되었으며, 이에 대한 결과는 다음의 Table 6과 같다.

Table 6. Time and productivity of site installation process by cycle

※ Day*: The site has nine hours of work per day.

적층식 모듈러 건축의 현장설치의 각 단위 공종에 대해 투입 노무자를 인적자원으로 활용하여 웹싸이클론 모델을 구축하는 경우, 여러 공종 간 자원배정이 지속적으로 변동되거나 작업공간이 변동될 수 있고, 이로 인해 공종의 소요시간이 영향을 받을 수 있으며, 공정 전체의 생산성이 달라질 수 있다.

따라서 웹싸이클론 모델을 통한 시뮬레이션 분석결과 (시간당 생산량, 공정 완료시간, 투입자원 사용효율 등)의 신뢰성을 확보하기 위해 각 공종에서 현장의 작업공간이 변동되는 조건을 현실적으로 모델링에 반영해야 한다. 민감도 분석은 웹 싸이클론 모델의 분석과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 각 공종에 적용함으로써, 그 결과에 따라 발생할 수 있는 모든 종류의 결과를 검토하는 과정이라 할 수 있다. 소규모 공장제작에 의해 완성되는 모듈러 제작 특성상, 재료 및 장비는 거의 고정된 변수라는 점을 고려할 때, 불확실성으로서 조정할 수 있는 요인은 주로 인력이라 판단된다. 본 연구에서 구축된 웹싸이클론 모델을 대상으로 인적자원 변수의 변화(증⋅감)를 통해 결과를 비교 분석하는 민감도 분석(Sensitivity analysis)을 실시하였다.

상기 과정을 통해 현장설치 공정에 대한 인적 자원 투입 대안별 단위시간당 생산성 변화추이를 조정 및 분석하여 최적의 인력투입 대안을 제시하고자 하였다.

본 연구의 모듈러 현장설치 공정의 웹싸이클론 모델은 공정을 양중과 적층 두 가지 파트로 나누어, 각 파트에 투입되는 자원을 대상으로 민감도 분석 수행하였다. 양중파트에는 임시고정의 세부공종과 적층파트에는 커넥션플레이트 용접의 세부공종을 선정하였으며, 이에 대한 분석결과는 다음의 Table 7과 같다.

Table 7. Work types subject to sensitivity analysis (Assembly process)

양중 및 적층 공정에 대해 민감도 분석을 수행한 결과 양중에서는 임시고정 3명, 적층에서는 커넥션 플레이트 용접 2명을 투입하는 대안이 생산성 0.003133(cycle/min)으로 가장 좋은 것으로 분석되었고, 이는 다음의 Table 8과 같다.

Table 8. Sensitivity analysis results(Site installation)

상기의 웹싸이클론 분석을 통해 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 공정의 민감도 분석결과 원안 작업일수는 3.9일로 분석되었으나, 민감도 분석 후 3.0일로 분석되어 원안 대비 24.21% 약 1일의 생산성이 개선되는 것으로 분석이 되었으며, 이는 다음의 Table 9와 같다.

Table 9. Productivity improvement through sensitivity analysis

4. 결론

본 연구는 적층식 모듈러 공동주택의 활용 및 생산성 분석에 유용한 정보를 제시하기 위하여 수행되었다. 이를 위해 선행연구를 통해 현장설치에 대한 공정을 조사 및 분석하였으며, 적층식 공동주택의 현장설치 사례를 통해 모니터링 조사를 실시하였다. 또한 웹싸이클론 기법을 활용한 생산성분석 결과를 제시하였다. 상기와 같은 과정을 통하여 수행한 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 문헌 및 선행연구를 통해 적층식 모듈러 공동주택의 현장설치 공정에 대해 총 9개 세부공정을 도출하였으며, 이를 통해 적층식 공동주택의 현장설치 사례에 대한 최소, 평균, 최대 작업시간과 투입된 인원에 대해 모니터링 조사를 통해 도출하였다.

둘째, 상기의 적층식 공동주택의 현장설치에 대한 공정, 시간, 인원을 바탕으로 웹싸이클론 분석 기법을 적용하여 생산성을 분석하였고, 이를 통해 민감도 분석결과 원안 대비 약 1일의 생산성이 개선되는 것으로 분석되었다.

본 연구는 적층식 모듈러 공동주택의 생산성 분석을 위해 수행되었다. 그러나 현장설치 공정에 대한 내용은 건설회사 마다 공정이 동일하지 않아 일반화에 대한 한계점이 있다. 또한 본연구에서 제시한 웹싸이클론 모델의 실제 현장에서 적용을 통한 검증이 필요한 한계를 갖고 있다.