I. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

최근 건축산업에서 OSC(Off Site Construction, 탈현장 공법)에 대한 관심이 증가하고 있다. 이는 건설산업 경쟁력 저하와 관련이 깊다. 국토교통과학기술진흥원에 따르면 우리나라의 기술 수준은 세계 최고 수준 대비 82.1% 정도로 평가되며, 노동생산성은 유럽 선진국의 1/3 수준에 불과하다(KAIA, 2015; Lim, 2021). 이외에도 빈번한 산업재해의 발생과 이에 따른 중대재해처벌법 시행, 코로나19 등 전염병으로 인해 기존 현장 중심의 작업 방식에서 탈현장 공법으로의 전환이 필요하다는 인식이 커지고 있다. 이에 우리나라에서는 OSC 분야에서 국가 R&D 사업이 활발히 진행되고 있으며 그 결과가 지속적으로 소개되고 있다.

OSC 공법의 생산 효율성은 주요 구성재의 부품화 및 표준화를 통해 이루어질 수 있다(Kim, 2024). MC(Modular Coordination; 모듈정합)설계는 표준화의 가장 기본적인 방법 및 도구로, 조립기준면의 간격을 일정한 모듈로 설계하고 이 모듈과 조립기준면을 기준으로 구조체와 인필(Infill) 부품이 정확히 배치되도록 설계하는 방법을 의미한다(Wang & Lim, 2016). 즉, 건축설계 시에는 계획모듈에 맞추어 조립기준면을 설정하고, 자재 및 부품 생산 시에는 설계 표준화 기준에 따른 계획 모듈과 조립기준면을 바탕으로 구성재를 제작하는 방식으로 MC설계를 실현할 수 있다(Wang & Lim, 2016). 그러나 여전히 OSC 분야에서 다양한 공법 유형을 고려한 설계기준이 부재하여 MC설계 및 조립기준면의 활용을 통한 표준화에 어려움이 있다. 국가 단위의 오픈 시스템(Open system)¹⁾ 부재에 따라 자재 및 부품의 규격화 또한 원활히 이루어지지 않아 OSC 시공 효율성 및 호환성 개선이 어려운 상황이다.

OSC 공법에도 다양한 기준면 설정 방안이 있는데, 벽식 공법에서는 구조체의 규격화를 우선 모듈화할 수 있고, 라멘식 공법에서는 내부 인필의 모듈화를 우선할 수 있다. 즉 공구법별로 표준화하는 우선 대상을 어디에 설정하느냐에 따라 조립기준면의 설정방법이 상이할 수 있다. 그러나 현재의 설계도면에서는 거의 구조체 중심선 잡기를 우선시하여 설계하는 실정이다.

이에 본 연구에서는 OSC 효과를 극대화하기 위한 기반 기술로서 공법별로 설계표준화를 위한 조립기준면 활용 방안을 각각의 예시를 통하여 제안하고, 향후 국가단위의 오픈 시스템 구축을 위한 OSC 추진전략을 수립하는데 기초적 자료로서 활용하는 것을 목적으로 한다.

2. 연구의 방법 및 절차

본 연구에서는 OSC 효과를 극대화하는 방안으로 조립기준면을 활용한 표준화 방안을 제안하고자 연구 방법으로 문헌고찰 및 국가 R&D 실증기술 사례에 대한 비교분석을 실시하였다. 구체적인 연구의 절차 다음과 같다. 첫째, 최근 우리나라에서 수행된 OSC 관련 국가 R&D 기술 현황을 파악하고 이를 공구법 및 주요 구조부의 재료를 기준으로 정리하여 OSC 기술 플랫폼을 도출하였다. 둘째, 도출한 OSC 플랫폼을 바탕으로 각 공구법 및 재료별 기술개발 및 실증 사례의 현황을 파악하고, 실증 사례의 설계도면을 분석하여 조립기준면 활용 특징을 상호 비교하였다.

II. 이론적 배경

1. OSC(Off Site Construction)와 모듈러 공공주택

OSC(Off Site Construction, 탈현장 공법)란, 건축 현장이 아닌 공장 등의 장소에서 자재와 부품 등 대부분의 구성부품을 제작 시공하고 이후 현장으로 운반하여 단순히 조립 생산하는 방식을 말한다. OSC에는 다양한 재료와 공법이 해당할 수 있다. 우선 아래의 <Table1>에서 보이는 바와 같이 최근 주택 관련 국가 R&D의 사례를 OSC 공법의 재료 및 공법별 관점에서 분류할 수 있다(Lim, Chung, & Seol, 2021).

Table 1.

Classification of National R&D in Housing-related Fields based on Materials and Construction Methods

	Steel frame	Concrete system	Wooden system
R&D related modular houses and construction method	Steel frame modular apartments (Gayang & Dujeong) Rectangular steel pipe rahmen and infill	Dormitory (Gongju) Wall-type construction method	Modular Korean-style house (Hanok) (Yangpyeong) Laminated wood rahmen structure
Related demonstration building images

Source: Lim, Chung, and Seol, 2021

OSC 가운데 하나의 공법으로 자리 잡은 모듈러 주택이란, 현장에서 대부분의 공정을 진행하는 기존의 주택과 달리 자동차 생산 공장과 유사한 공장에서 다수의 레고블록과 같은 입방체로 구성되는 구조체에 각종 내장재, 기계설비, 전기 배선 등을 공장에서 미리 제작 시공하고 이를 현장에 운반한 후 조립하여 최종 완성하는 주택을 말한다(Chung et al., 2018). 고효율성 주택인 모듈러 주택은 구조체와 내･외장, 설비 등을 분리할 수 있는 공법으로서 개보수가 용이하다. 단위 모듈의 조립화로 증･개축 또한 용이하며 신속한 주택공급이 가능하다. 아울러 모듈러 주택은 3R(Recycle, Reuse, Reduce)형 환경친화적 주택으로서 건축구성재의 표준화 및 부품화를 통하여 자원의 유효 이용과 폐기물 대량 배출을 억제할 수 있고 단위 유닛의 주요 구조부재의 설치･해체가 용이하며 재사용이 가능하다(Lim et al., 2019).

모듈러 주택은 건축구성재의 부품화와 표준화를 통해 공사 기간을 단축하고 현장 인건비를 절감할 수 있다. Lim, Seol, and Chung(2020)에 따르면, 모듈러 주택의 현장 작업율은 기존 습식공법의 약 20%에 불과하며, 기존 공법에서 총 공사비 중 인건비 비율이 50인 반면, 모듈러 주택은 인건비 20%, 부재 및 설비비 80%인 고기능, 고부가가치 제품으로 수익성 증대를 기대할 수 있다. 아울러 설계자동화 시스템으로 건축설계, 구조설계, 도면 작성에 소요되는 시간을 절감할 수 있으며, 부품･유닛 DB를 통해 소비자가 요구하는 주문형 주택의 설계 또한 가능하다(Baek, 2020; Lim, Seol, & Chung, 2020). 무엇보다 중요한 것은 경제성을 확보하기 위해서는 표준화가 반드시 전제되어야 한다는 점이다.

강재 중심의 모듈러 주택 공법은 <Table 2>와 같이 적층 라멘조, 적층 벽식, 인필 3가지 공법으로 구분되는데 가양의 모듈러 실증단지는 적층 공법 1개 동, 벽식 공법 1개 동으로 건축되었고 천안 두정 모듈러 실증단지는 이 가운데 적층공법(라멘조)과 인필공법으로 공급된 바 있다(KICT, 2019). 한편, 본 연구에서 다루게 되는 3D 인필을 활용한 PC 모듈러 공법은 적층공법(벽식조)과 인필공법을 융합한 기술로서 설명할 수 있다.

Table 2.

Technical Classification of the Steel Box Modular Construction Method

Laminated method (Rahmen)	Laminated method (Wall-type)	Infill method

2. 조립기준면의 개념

1) 조립기준면의 정의

조립기준면은 구조체와 부품의 절대적 영역을 표시하는 기준면으로 건축 설계와 시공 단계에서 건축구성재의 조립과 표준화를 위하여 공통적으로 적용된다(Lim, Park, & Lee, 2009). 즉, 조립기준면은 OSC 기술과 표준화를 달성하는데 있어서 가장 기본적인 설계 방안의 기준으로 사용되며 이는 시공 현장에서 기준먹줄로 가시화된다. 조립기준면은 자재 및 부품의 제작이나 조립 시 기준면(선)으로서 3방향으로 설정되며, 영역지정, 편영역지정, 위치지정 등을 통하여 건축공간에서 구조체나 자재 및 부품의 위치, 영역 등을 설정한다.

2) 조립기준면 설정

조립식 건축물에 관한 연구개발을 수행하는 일본 프리패브건축협회(Japan Prefabricated Construction Suppliers and Manufacturers Association)에 따르면, 조립기준면 설정 방안은 우선 기둥이나 벽체 등 구조체에 설정하는 것을 원칙으로 크게 위치지정과 영역지정 및 (편)영역지정으로 구분된다. 위치지정은 중심선잡기로 활용되며, 영역지정과 (편)영역지정의 조립기준면 활용은 기준면잡기와 제작면잡기로 세분화된다(Japan Prefabricated Construction Suppliers and Manufacturers Association, 2004).

위치지정을 위한 중심선잡기는 주로 구조체의 위치지정에 사용되며, 영역지정의 기준면잡기는 건축구성재의 영역을 지정하는데 사용된다. 전통적으로 RC 건축물의 구조체는 중심선잡기로 설계되었으나 OSC 등의 건축물이나 구조체에서는 자재 및 부품의 규격화와 부품화가 효과를 극대화하기 중요하기에 기준면잡기로 설계하는 것이 필요하다.

제작면잡기는 건축구성재의 제작면에 기준면을 설정하는 기법으로, 공장 생산되는 건축구성재의 경우에는 적용이 용이하다. 하지만 습식공법으로 건설되는 경우에는 시공 시 발생하는 오차, 공차 등으로 정밀시공을 확보하는 데는 적합하지 않다. 즉 오차가 발생할 경우 일정한 여유가 없으면 기준면을 침범하여 전반적인 조립기준면의 역할이 어렵게 된다.

한편, 기준면잡기는 일반적으로 안목기준면잡기를 말하며, 이는 건축구성재의 위치 및 치수 등을 설정하는 것이다. 건축구성재로 구획되는 건축공간에 기준면잡기를 설정함으로써 자재의 규격화를 도모하는데 유용하다.

3. OSC를 위한 조립기준면의 활용

OSC에서의 표준화 기준으로서 MC설계기준은 내부 안목기준면 잡기를 재료나 공구법에 관계없이 가장 기본적인 원칙으로 갖고 있다. 내부 안목기준면을 적용하는 이유는 KS기준에 근거한 10종의 자재에 대한 우선치수를 적용하기 위함이다. 여기에서 규정하는 각 자재의 표준화 치수는 수평계획모듈(30 cm의 증분치수)과 수직계획모듈(10 cm의 증분치수)과 치수 정합하다. 이때 계획모듈을 표시하는 격자(Grid) 가운데 주요 구조부(기둥, 보, 바닥 등)에 표시되는 경우 이를 조립기준면으로 본다. 이러한 조립기준면이 설정된 후에는 주요 자재 및 부품의 영역이나 위치가 설정된다. 물론 영역이나 위치에 의해 설정되는 경우에는 조립기준면과 대비하여 구성재 기준면으로 불린다.

내부 마감재로서 석고보드는 3 M(30 cm의 증분치수)로서 900 mm × 2,400 mm를 적용하고, 현관의 마감에 적용하는 타일의 경우에는 1 M 증분치수로서 300 mm × 300 mm를 권장한다. 모듈러 주택의 경우 아직도 바닥에 경량 기포 콘크리트 등 습식으로 공사하는 것이 일반적인데 규격화 및 부품화를 위한 건식화 공법이 필요하다. 즉 조립식 온수온돌 판으로서 3 M 증분치수, 900 mm × 900 mm를 권장한다. 조립식 욕실도 모듈호칭치수를 기준으로 규격화를 추진한다. 시스템키친은 KS F 1510의 부품치수를 적용하고 실간을 구획하는 수납벽체 시스템은 우선치수 3 M, 조정치수 1 M 증분치수를 권장한다. 마지막으로 창호로서 창 및 창설치용 틀이나 문의 경우에도 기본치수 3 M, 보조치수 1 M을 권장한다. <Figure 1>은 모듈러 주택의 MC적용 평면에 이러한 우선치수를 적용한 설계 사례를 보여준다. <Figure 2>은 KS F 1510의 규격내용을 정리한 내용으로 향후 모듈러 주택에 적용하는 주요 자재 및 부품의 규격화를 위하여 권장하는 리스트이다.

Figure 1.

Recommended Modular Coordinating Dimension of Materials and Components in Modular Housing Applying Modular Coordination

Figure 2.

10 Types of Specifications for Materials and Components based on KS Standards

이러한 규격치수는 조립기준면을 활용한 설계 표준화와 대응하여 규격화 및 부품화를 위하여 활용된다. 이러한 조립기준면을 활용하여 설계된 단위 모듈에 KS F에서 규정하는 규격치수의 자재 부품이 적용되어 단위 모듈이 제작 및 생산된다. 그리고 이는 업체마다의 특정 접합부 기술에 의하여 조립화가 이루어진다. 즉 표준화, 규격화, 부품화가 조립기준면에 의해 궁극적으로 OSC가 구현된다. 이러한 OSC는 현장에서 실측 및 시공 없이 우선치수 그대로 미리 공장에서 제작되어 그대로 구조체와 자재 및 부품이 조립되는 수준을 말한다.

결국 OSC는 표준화 및 규격화 부품화로서 그 효과가 가시화되며, 이는 조립기준면의 설정과 활용을 통하여 국가적 Open System으로 구현될 수 있다.

III. OSC 9-Matrix 플랫폼 구성기술의 조립기준면 활용

1. OSC 9-Matrix 플랫폼의 제안

OSC를 광의적으로 해석한다면 모듈러와 같이 단지 Box 모듈 형태에 국한하는 개념이 아니며 축조 방식과 패널식 등 다양한 재료와 공법도 OSC 구현을 위한 기술로 포함될 수 있다. 앞서 <Table 1>에서 확인할 수 있듯이 최근 주택 관련 국가 R&D의 OSC 공법은 재료 및 공법에 따라 분류할 수 있으며, 이는 일본 프리패브건축협회의 기술 분류표(<Figure 3> 참조)를 바탕으로 제안된 기준이다.

Figure 3.

Classification and Types of Prefabricated Construction in Japan

20년 전 당시 일본 프리패브건축협회에서는 콘크리트 계열의 공법이 주로 패널류로 한정되었으며, 목질계에서는 축조 공법이 배제되었지만 철강계에서만 스틸하우스 등으로 축조 공법이 포함되었다(Japan Prefabricated Construction Suppliers and Manufacturers Association, 2004). 한편, 접합 방법 또한 분류 기준으로 제시되는데, 목질계, 철강계, 콘크리트계 모두 볼트와 너트가 공통적인 접합철물로 사용되었다. 이상의 기술 분류를 종합하면, 재료별로 철골계, 콘크리트, 목조계 3가지 주요 재료로 구분하고, 이를 다시 공구법 관점에서 축조공법, 패널공법, 박스공법으로 나누어 분류할 수 있다.

이 기준을 바탕으로 <Figure 4>와 같이 OSC 공구법을 총 아홉 가지의 유형으로 분류할 수 있다. 이를 ‘9-Matrix 플랫폼’으로 명명하는데, 공법기준에서 우측으로 갈수록 프리패브율이 높고 재료 기준에서 아래쪽으로 갈수록 경제성이 높은 특징이 있다. 물론 이는 국내의 자원 및 건설특성을 반영한 것으로 국가별로 기술의 배열순서는 달라질 수 있다. 예를 들어 북미나 북유럽의 경우에는 목재계열이 콘크리트와 비교하여 경제성이 높을 수 있다.

Figure 4.

Composition of OSC 9-Matrix Platform

이러한 플랫폼을 구성하는 OSC 기술은 상호 간의 융･복합을 통해서도 그 효과를 배가시킬 수 있는 특징이 있다. 축조공법, 패널공법, 박스공법 등으로 대별되는 공구법 기술과 목재, 콘크리트, 강재 등 OSC의 주요 재료들이 용도별 공법별로 최적화되어 하이브리드 될 경우 획기적인 건설산업의 발전을 기대할 수 있다. 즉 플랫폼상 강재모듈의 주거공간과 PC모듈의 코어 부위가 하이브리드 된다면 각 요소기술의 특징과 장점을 극대화하여 융･복합시킬 수 있는 모델의 개발이 가능할 것이다. 물론 이때 강재와 PC의 접합부 설계기술 개발이 필수적이다.

2. OSC 9-Matrix 플랫폼의 기술별 실증사례

1) 강재 Box 모듈 공법

국내 최초의 모듈러 공동주택을 공급하기 위하여 한국건설기술연구원은 R&D의 일환으로 2017년과 2019년 서울 가양(30세대), 천안 두정(40세대) 총 70세대 규모의 모듈러 공동주택 단지를 공급 완료하였다(<Figure 5> 참조).

Figure 5.

Demonstration Cases of Modular Apartment

모듈러의 3대 난제인 내화성능, 층간소음, 구조 안전성이 실증 연구를 통해 해결되었으며 기술성과 시공성 그리고 경제성에 대한 객관적 자료가 제시되었다. 그러나 모듈러 공동주택의 공사비가 기존의 공동주택보다 약 130%에 달하며, 프리패브 비율도 예상보다 낮은 50%에 머물러 모듈러의 장점을 살리지 못하면서 현재 공급 확대에 장애가 되고 있다.

2) PC Box 모듈 공법

PC 모듈러는 국내에서 저렴한 재료 중 하나인 콘크리트를 사용하는 경제적인 OSC 공법에 해당한다. 최근 R&D를 통해 U자형으로 제작한 PC 유닛(Shelter, 구조체)에 레고 블록 형태의 인필 박스를 삽입하는 박스형 PC 모듈러 공법이 개발되었으며(KICT, 2020), 이는 지난 2023년 12월 건설 신기술 제971호로 지정받았다. 해당 기술의 주요 목표는 강재 모듈러의 취약점인 경제성을 확보하는 것으로, 모듈정합설계를 통한 PC 유닛과 인필의 설계 표준화, 자재 규격화 및 부품화를 통해 반복 재생산 및 대량생산 시 생산 원가를 저감하는 방안을 마련하였다. 이를 통해 중량화, 낮은 프리패브 비율, 단열성능 미확보 등 기존에 지적되었던 PC의 근본적인 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

박스형 PC모듈 공법의 핵심은 구조체로서 26t 자중을 가진 PC 유닛과 내장 마감재로서 2t 자중을 가진 3D 인필 박스 유닛을 각각 공장에서 100% 제작하고 현장에서의 조합･합치를 통해 초단기간에 완성하여 경제적으로 그리고 시공상 최적의 모듈러 주택을 개발하는 데 있다(<Figure 6> 참조).

Figure 6.

Conceptual Diagram of PC Modular Housing Using Infill Box
Source: KICT, 2020

박스형 PC 모듈러의 대량생산을 통한 원가절감을 위하여 표준화가 필수적이다. 이에 따라 설계 표준화를 위한 모듈 정합 설계기준에 기반하여 단위 PC 유닛은 약 3m×6m 크기로 설계되었으며, 수평 및 수직 계획모듈을 통해 표준화된 모듈러 설계기술을 확보하였다.

3) 목조 Box 모듈 공법

한옥은 현장 기능공과 목수들에 의존하는 전통적인 현장산업으로 건축비는 지역 및 재료선택에 따라 차이를 보이지만 일반적으로 3.3 m²당 약 1,000만원에서 1,300만원까지 소요된다. 이는 국토교통부의 기본형 건축비(3.3 m²당 418만~432만원: 기준 60 m²초과~105 m² 이하)보다 약 2.5배 높은 수준으로, 한옥에서도 현장산업의 비중을 낮추고 공장생산 비율을 높이려는 시도가 이루어지고 있으며 모듈러 공법이 한옥에도 적용될 필요성 또한 제기되고 있다.

이에 2009~2012년 국토교통부 국가 R&D로서 단층 조립식 한옥에 대한 원천기술 개발 및 특허 등록되었으며, 2019~2021년에는 단층 조립식 한옥 기술을 기반으로 구조용 집성재(GLT)를 활용한 2층의 중층 모듈러 한옥이 구현되었다(KICT, 2021; Lim, Chung & Seol, 2022)(<Figure 7> 참조).

Figure 7.

Multi-story Modular Korean style House (Hanok) Using GLT (2019 Construction Safety Expo/Ilsan KINTEX)

중층 모듈러 한옥은 공장에서 기둥과 보 부재를 제작하고 박스 모듈 형태로 구성하여 현장에서 이를 적층 조립하는 공법으로, 모듈은 3 m × 6 m 정규격 모듈 3개와 half 모듈 1개로 구성되어 총 3.5개 모듈로 건축된다(<Figure 8> 참조). 이 공법은 구조 안전성이 검증된 구조용 집성재를 활용하여 국내 목재 간벌기 수요를 충족시키는 동시에 철골조 모듈러를 대체할 수 있는 경제적인 시스템으로 평가된다.

Figure 8.

On-site Assembly of Korean Style House (Hanok)

IV. 표준화를 위한 OSC 9-Matrix 플랫폼 구성기술별 조립기준면 적용방안

조립기준면은 OSC를 구현하기 위한 가장 중요한 기본설계 방안이나 건축물의 용도, 규모, 마감 공법 등에 따라 상이하다. 본 연구에서는 OSC 9-Matrix 플랫폼의 축조/패널/Box식 공구법 중 가장 프리패브 비율이 높은 Box식을 대상으로 재료별 조립기준면의 활용 방안을 비교하였다. 강재, 콘크리트, 목조 3가지 유형의 박스 모듈 사례를 통하여 조립기준면의 설정 방안을 살펴보고 상호 비교하였다.

1. 강재 Box 모듈(공동주택)의 조립기준면 적용방안

강재 박스식 모듈러 공동주택은 2017년 준공된 가양동의 모듈러 아파트가 해당된다(Lim et al., 2019). 설계기준에 의하면 모듈러주택의 평면계획은 300 mm의 증분치수로 구획되는 수평계획모듈 격자에 따른다. 단, 구조대는 기둥과 기둥이 만나는 부위로서 100 mm의 증분치수를 원칙으로 한다.

구조대 내에는 세대내 간막이 벽을 위한 보조 조립기준면을 설정한다. 유닛모듈 간의 접합부가 위치하는 구조대를 1 M(100 mm)의 증분치수로 설정한다. <Figure 9>과 <Figure 10>은 구조대가 설정된 설계기준을 적용한 설계사례로서 각 유닛모듈의 안목치수는 단변방향 3,000 mm, 장변방향 6,000 mm로서 모두 30 cm의 증분치수에 만족한다. 이때 거실과 방 사이의 실간 간막이 벽의 두께는 200 mm이며, 구조대 내의 보조조립기준면 상에 위치하여 설계기준을 만족한다.

결국 구조대를 기둥주위에 설정하여 이를 마감재로 확보하고 실 내부 공간을 30 cm의 증분치수로 설계하였다. 여기에서 구조대 내부는 100 mm의 증분치수로 보조 조립기준면이 설정될 수 있는데, 구조대의 전체 치수를 100 mm의 증분치수로 설계하는 것이 중요하다. 모듈과 모듈이 만나는 구조대에 설정되는 간막이 벽은 100 mm의 보조 조립기준면을 설정하여 여기에 간막이 벽을 설치 시공하여 최대한 실 내부 공간의 모듈화를 확보하고자 하였다. 물론 여기에서 구조대에 100 mm의 보조 조립기준면을 설정하는 것이 중요하다.

결국 강재모듈러 아파트의 조립기준면 설정의 경우에는 기둥의 주위에 제작면잡기를 적용하였다.

Figure 9.

Floor Plan Example with Applied MC Design Standards

Figure 10.

Steel Modular Housing Floor Plan (Gayang case)

2. 콘크리트 Box 모듈(PC 음압병동)의 조립기준면 적용방안

콘크리트 PC모듈의 공법은 모듈러 음압병동에 적용되었다(KICT, 2022)(<Figure 11> 참조). 표준화의 궁극적인 목적인 자재 및 부품의 규격화를 위하여 인필 박스 내부의 철저한 안목치수 설정을 최우선으로 한다. 즉 설계기준에 의하면 모듈러 음압병동의 인필 박스 평면계획은 300 mm로 구획되는 수평계획모듈 격자에 따른다. PC모듈의 외경을 3,500 mm(운송최대 제한치수)으로 가정한다면 벽체 두께(150 mm × 2) 그리고 인필벽체의 벽두께(90 mm × 2) 그리고 틈값(10 mm × 2)으로 설계하면 인필 내부 마감기준 안목치수는 30 cm의 배수로 설정될 수 있다(<Figure 12>, <Figure 13>, <Figure 14> 참조).

<Figure 15>은 구조대가 설정된 설계기준을 적용한 설계사례로서 각 PC 단위모듈의 내부에 설치되는 인필의 안목치수를 일정한 모듈로 설계하는데, 안목치수는 단변방향 3,000 mm, 장변방향 6,000 mm를 기준으로 규격화한다.

Figure 11.

Components of PC Module Negative Pressure Ward S(Shelter).C(Cladding).I(Infill)

Figure 12.

Cross Section of PC Module

Figure 13.

Main Section of PC Module

Figure 14.

Plan View of PC Module

여기에서 인필의 외곽치수를 3,000 mm로 설정하여 인필을 단위 부품으로 보고 조립기준면을 외곽면에 설정하는 방안도 검토될 수 있다. 그러나 이때 ‘KS F 1510’에서 규정하는 우선치수와의 정합관계도 검토되어야 한다.

외곽치수로서 PC모듈러 음압병동의 치수를 고려한다면 다소 협소할 수 있는데 이를 해결하기 위해 300 mm의 증분치수 다음의 치수로서 3,300 mm으로 규격이 커질 수 있는데 이때 PC 단위 모듈의 외곽치수가 도로교통법 상 위배되지 않도록 설계되어야 한다.

결국 PC모듈의 조립기준면 설정의 경우에는 인필의 내부에 기준면을 설정하여 편영역지정의 안목치수를 확보하면서 구조체인 PC모듈의 외곽에도 조립기준면을 편영역지정으로 규격화를 확보하였다.

Figure 15.

MC Design for Negative Pressure Bed and Application of Joint Reference Plane

3. 목조 Box 모듈 (중층 한옥) 의 조립기준면 적용방안

목조박스 모듈의 가장 대표적인 예가 중층 한옥모듈이다(KICT, 2021; Lim, Chung, & Seol, 2022). 2010년에 진행되었던 당시 신한옥연구단에서는 단층의 한옥을 대상으로 MC설계를 진행하였다. 당시의 MC설계는 일자형태로 설계 프로토타입이 제안되어 2개의 기둥이 결합되는 부위에 불연속 복선격자를 설정하고 나머지 공간은 수평계획모듈 300 mm의 증분치수로 설계되었다.

다음 <Figure 16>의 사례는 기둥이 외부로 돌출되어 외부에서 기둥을 볼 수 있어 의장적인 측면이 강조되었다. 여기에서 중요한 것은 내부 공간을 수평계획모듈 30 cm의 증분치수로 설계되어야 했던 것이다.

Figure 16.

How to set Joint Reference Plane of the Korean style House

한편 이후 2018년 시작된 국가 R&D의 중층 모듈러 한옥의 경우에는 구조용 집성목 GLT를 사용하여 “ㄱ”자형의 한옥으로 설계되어 기둥의 장변과 단변이 직각으로 교차하는 경우가 발생한다. 그러나 이러한 경우에도 불연속 복선격자를 사용하여 최대한 내부 공간에 일정한 수평계획모듈 300mm의 증분치수를 유지하는 것으로 설계하였다. 그러나 이 경우에는 기둥이 돌출되어 기둥이 외부로 돌출되는 2010년의 신한옥 MC와는 차이가 있다. 따라서 내부로 돌출되는 기둥에 의하여 구조존에 해당하는 부분에서 비모듈 공간이 발생한다. 즉 실제 내부 공간에서 일정한 계획모듈을 확보하는데 한계가 있다.

그러나 <Figure 17>에서와 같이 안방과 거실의 내부안목치수를 일정한 수평계획모듈의 치수로 확보하기 위하여 간막이 벽을 적절하게 배치하여 2,900 mm(주방)/3,000 mm(안방)/6,000 mm(거실+주방)의 모듈치수를 확보하였다.

Figure 17.

MC Applied for Design Standardization 1st Floor Plan of Multi-story Modular Korean Style House (Hanok)

결국 중층한옥의 조립기준면 설정의 경우에는 목조기둥의 위치지정을 위하여 중심선잡기를 적용하는 동시에 기둥의 주위에 제작면잡기를 적용하였다.

4. 조립기준면의 적용방안 비교분석

OSC의 조립기준면 설정 기준의 최종 목표는 주요 자재와 부품의 규격화이며, 마감 기준으로 안목치수를 30 cm의 증분치수로 하는 것을 기본으로 한다. 따라서 강재, 목재, PC모듈러 모두 마감 기준 안목치수의 설정을 최종 목표로 삼게 된다. 즉 모듈러 건축물의 공구법이나 주요 구조부 재료에 관계없이 동일한 자재 및 부품을 적용할 수 있도록 표준화와 규격화 및 부품화를 통하여 이른바 Open System을 구축하는 것이다.

앞서 살펴본 3가지 박스형 모듈의 조립기준면 활용 사례를 바탕으로, 조립기준면을 구조체에 적용하는 방안으로서 표준화, 규격화, 부품화를 어떻게 확보하는 가를 비교해보고자 한다.

<Table 4>를 보면 우선 강재 모듈러 공동주택의 경우, 2개의 강재 기둥이 접하는 위치에서 두 기둥을 묶어 하나의 구조대로 설정하고 외측면에 조립기준면을 설정한다. 이는 PC모듈과 비교하였을 때 벽체와 기둥의 차이만 있을 뿐이며 근본적인 의미는 유사하다. 단지 강재 모듈에서는 구조대에 보조 조립기준면이 추가로 설정되어 내부 간막이를 위치시키는 조항이 추가된다는 차이가 있다. 조립기준면의 설정방법은 기둥이 마감재로 덮여있고 이들 마감재와 마감재간의 치수를 모듈치수로 확보한 것이 중요하기 때문에 조립기준면 설정방법의 경우 내부 안목기준면 잡기로 설정하였다.

한편 중층 모듈러 한옥의 경우에는 강재 모듈러와 거의 유사하지만, 구조대에 내부 간막이 벽체를 위한 별도의 보조 조립기준면을 설정하지 않고 경우에 따라 목조기둥이 구조대의 외곽으로 도출되는 의장성이 중요할 수 있기에 마감으로 목조기둥을 완전히 마감하지 않았다는 측면에서 강재 모듈러와 차이가 있다. 조립기준면의 설정방법은 구조체의 제작면이 그대로 노출되어 제작면 잡기와 기둥의 위치지정이 중요하고 이를 모듈로 설정하는 것이 중요하다면 2가지 기준면 잡기가 혼합되어 적용할 수 있다. 또한 중층 모듈러 한옥의 경우 평면 및 규모계획의 특성상 내부 간막이가 설정되는 사례가 많지 않은 점이 고려되었다.

결국 모듈의 제작성에 따라 기둥이 외부로 돌출되는 경우와 내부로 돌출되는 경우가 있을 수 있는데 본 연구에서는 내부로 돌출되는 경우여서 기둥의 돌출된 부분으로 완전한 내부공간의 안목치수를 완벽하게 확보하기에는 한계가 있다. 그러나 최대한 내부공간의 안목치수를 확보하기 위하여 기둥의 주위에 조립기준면을 설정한다. 이때 벽체 패널이나 바닥재(조립식 온수 온돌패널 등) 그리고 천정재 등 모든 내부 마감재 등의 표준모듈호칭치수를 적용하는 것은 불가능하지만 보조재 등을 활용하여 최대한 표준모듈 호칭치수를 적용하고 이를 통해 규격품의 비율을 높일 수 있다.

Table 4.

Classification of Joint Reference Plane of the Box Type Construction Method

	Steel / Modular Apartments	Wood / Multi-story Modular Hanok	Concrete / PC Module
How to Set Up the Reference Plane	Set up the inside reference plane (Double grid in the structural zone)	Centerline setup + manufacturing plane setup (Discontinuous double grid in the structural zone)	Set up the inside reference plane (structure zone discontinuous double line)
Structural Material and Method	Steel (Area specified) Rahmen	Wood (Location specified) Rahmen	Concretes (Area specified) Wall-type
Location of the Reference Plane	Set up the reference plane around the column +  The internal finish reference plane	Set up the reference plane around the column	Infill Box interior material finish (Internal space inside dimension)
Effect of Material Modularization	Medium (Securing the inside dimension)	Small (Impossible internal finish inside dimension)	Large  (Securing the internal infill inside dimension)
Related Drawings	Set up structural zones on the perimeter of the columns	Set up reference planes at both the positions and areas of the columns	Set up reference planes based on the clear dimension of the infill interior walls, and the PC structure modules with a 10 cm offset on the exterior

마지막으로 PC모듈의 경우는 앞의 2가지 공법과 달리 벽식공법이며, 최우선으로 인필 박스의 내부 마감재 안목기준면을 설정하여 자재 및 부품의 규격화를 도모한다는 것이 특징이다. 그리고 여기에 기술적인 치수로 인필의 벽체와 PC모듈의 치수가 더해지면, 시공오차를 위한 틈값이 포함되어 최종 PC모듈의 외곽치수가 결정되어, 가능한 10cm의 증분치수로 제안할 수 있다.

각 공구법의 기대효과를 정리하면 우선 강재 모듈 공법의 경우에는 RC코어와 접합되는 경우 내진성능을 확보할 수 있어 중고층 이상의 공동주택에 유리하다. 그리고 목조모듈의 경우에는 비용이 상대적으로 고가이나 의장성이 요구되는 한옥 등의 건축물에 특화되어 있다. 한편 PC모듈의 경우 일정한 모울드를 전제로 대량 반복 생산하는 경우 전반적인 비용 절감을 기대할 수 있다.

결국 OSC 구성기술의 조립기준면 설정방법은 특정한 공법에 대하여 고정적인 조립기준면을 설정하는 것이 아니다. 즉, 자재 및 부품의 일정한 치수 규격화에 최종목표를 두고 결정하되, 건축물의 용도와 의장성 그리고 시공성 및 생산성 등을 종합적으로 고려하여 최종적으로 가장 합리적인 방법을 선택하여 결정하여야 한다.

물론 향후 후속 연구에서는 이에 대한 정량적인 효과를 조사 분석하는 과정이 필요하다.

V. 결 론

지금 우리의 건설 산업 현장은 국내 기능공 부족, 과다한 건설폐기물, 소음분진의 발생에 따른 각종 민원, 건설현장 노사분규 등 다양한 현장산업의 폐해로 몸살을 앓고 있다.

특히 정부는 산업재해 방지를 위한 국가적인 노력을 경주하고 있다. 전체 산업재해 사망자의 51%가 건설현장에서 발생하며, 이 가운데 추락사가 60%를 차지하고 있다. 이러한 산업재해를 미연에 방지하기 위한 OSC 기술은 우리가 관심을 갖아야 할 분야라고 생각된다.

본 연구에서는 최근 OSC 관련 실증 결과와 내용을 정리하였고 OSC 효과를 극대화시키기 위한 방안으로서 표준화를 위한 방안을 제안하였다. 표준화 구현을 통하여 규격화와 이를 통한 부품화, 조립화 및 공업화의 단계로 발전시켜 나가야 한다. 이를 위한 구체적인 설계기술이 조립기준면 설정방안이다. 조립기준면은 OSC의 공법 및 용도에 따라 그 설정방안이 상이하고, 이는 궁극적으로 자재의 규격화와 부품화를 도모하기 위함이다. 즉 모듇러 건축물의 공구법이나 주요 구조부의 재료에 관계없이 동일한 자재 및 부품을 적용할 수 있도록 하는 이른바 Open System을 구축하는데 의미가 있다.

그러나 우리에게 OSC 기술은 아직 걸음마 단계이나 이것이 향후 로봇이나 3D 프린팅, BIM 설계기술, 드론기술 더 나아가 AI기술 등과 접목되어 활성화된다면 그 효과는 매우 크게 다가올 것으로 의심치 않는다. 또한 OSC 기술은 상호간의 융･복합을 통해서도 그 효과를 배가시킬 수 있는 특징이 있다. 축조공법, 패널공법, 박스공법 등으로 대별되는 공구법 기술과 목재, 콘크리트, 강재 등 OSC의 주요 재료들이 상호 하이브리드 될 경우 획기적인 건설산업의 발전을 기대할 수 있다. 즉, 국내 주거수요를 충족하는 85 m² 규모의 중대형 평면 및 중고층 모듈러 공동주택 개발을 위하여 9-Matrix 플랫폼 기반 기술 융･복합이 이루어져야 할 것이다. 예를 들어 우리나라보다 앞서 PC모듈러 공법을 적용하여 초고층 공동주택인 피나클 앳 덕스톤과 애비뉴 사우스 레지던스를 시공한 싱가포르의 3D 박스형 콘크리트 모듈러 공법 PPVC(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction)과 단열과 기밀 등 주거환경 성능이 확보된 우리나라의 인필 기술의 융･복합 연구가 추진될 수 있는 하나의 사례가 될 것으로 기대한다.

그러나 지금의 OSC는 현장의 작업을 특정 생산설비나 기계의 도움 없이 단지 인력에 의해 천정에는 단순 크레인 정도가 구비되는 공장에서 현장에서와 동일한 형태로 생산하는 수준이어서 OSC 및 스마트 기술의 특성과 효과를 기대하기 어려운 실정이다. 이에 대한 자본투자와 제도적 지원 등이 필요한 시점이다. 앞에서 제안된 9-Matrix 플랫폼은 향후 공구법과 재료의 융･복합 기술을 개발하는데 체계적인 추진기반으로서 활용할 수 있으며, 중복연구와 무분별한 R&D 투자를 예방하고 향후 체계적인 추진일정과 조직적인 시스템을 근간으로 하는 플랫폼기술로서 활용 및 발전하기를 기대한다.