1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 선행연구 분석
1.3 연구의 범위
2. 안전시설물 배치 적정성 검토 모델 개발
2.1 안전 규정 분석 및 기준 정량화
2.2 검토 모델 구현
2.3 검토 모델 성능 검증
3. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
건설현장 안전사고 예방을 위해 건설현장 안전점검이 중요해지고 있다. 건설현장 안전점검은 ‘건설공사 안전관리 업무수행 지침’에 따라 수행되며, 국토교통부에 따르면 2023년 총 22,500여개의 현장을 점검하였다고 한다(국토교통부, 2024). 건설공사 참여자를 대상으로 한 설문조사에 따르면 이러한 건설현장 안전점검이 사망사고 등 안전사고를 줄이는 데 효과가 있으며, 현장 안전점검이 필요하다고 여기는 것으로 나타난다(국토안전관리원, 2023).
건설현장 안전점검은 한정된 자원을 바탕으로 수행하기에 효율적인 안전점검이 필요하다. 안전점검 계획에 있어서는 현장 정보를 바탕으로 계획하여 그 효율성을 높이고 있다. 국토교통부에 따르면 점검 대상은 전국 약 16만개의 건설현장 중 사고발생 정보, 진행 공종의 위험도 등 건설공사 안전관리 종합정보망(CSI)의 빅데이터를 활용하여 사고 발생 위험이 높은 현장 위주로 선정한다고 하며(국토교통부, 2024), 이와 관련된 연구도 다수 수행되고 있다(Hwang et al., 2022).
현장에 대한 정보를 바탕으로 안전점검을 계획하는 것과 달리, 안전점검 수행에 있어서는 비효율적인 점검이 이루어지고 있다. 효율적인 안전점검의 수행을 위해서는 어디에 위험한 곳이 있고 안전시설물과 같은 안전조치가 되어있는지 등 점검 현장에 대한 보다 많은 정보가 필요하지만, 현재 이러한 정보의 활용이 부족하여 비효율적인 점검이 이루어지고 있다(Zhang et al., 2013). 특히 안전점검 실무자들과의 인터뷰에 따르면, 안전점검 수행기관은 현장의 안전관리자와 달리 점검 대상이 되는 현장의 공정 상태나 위험구역, 안전시설물에 대한 정보가 부족한 것으로 알려져 있다. 그로 인해 현장을 직접 순찰하고 육안으로 검사하게 되는데 이는 현장에서 직접 찾아야 하는 시간소모적이고 제한 시간 안에 수행하다 보니 중요한 점검 구역을 놓칠 위험이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 안전점검 수행기관에게 현장의 안전 정보를 제공하거나 혹은 더 나아가서 수동적인 안전점검을 대체할 수 있도록 건설현장 안전점검을 자동화하는 기술이 필요하다. 그 내용에는 (1) 위험구역의 위치, (2) 위험구역 내 안전시설물의 적정 배치 여부, (3) 배치된 안전시설물의 설치규정 준수 여부를 포함해야 한다. (1) 위험구역의 위치에 관한 연구와 (3) 안전시설물의 설치규정 준수 여부에 관한 연구는 다수 수행되었으나(Zhang et al., 2015; Wang, 2019), (2) 안전시설물이 위험구역 내 적정 배치 여부를 판단하는 배치 적정성에 관한 연구는 부족한 것으로 알려져 있다.
본 연구는 건설현장의 안전시설물이 위험구역 내에 설치 여부 등 배치 적정성을 판단하는 모델의 개발을 목표로 한다. 이를 통해 건설현장 안전점검 수행기관에게 대상 건설현장에 대한 위험구역 위치, 위험구역 내 안전시설물 적정 배치 여부, 배치된 안전시설물의 설치규정 준수 여부와 같은 안전 정보를 자동으로 제공하여, 기존의 안전점검 자동화를 보완하고 효율적인 안전점검 수행을 기대해 볼 수 있다.
본 연구에서는 안전시설물 설치 규정 중 배치와 관련된 내용을 정량화하였다. 이를 통해 적정 배치 여부를 판단하는 알고리즘을 개발하고 검토 모델로 구현하였으며, 임의의 건설현장 데이터로부터 부적정 위험구역을 시각화함으로써 그 성능을 검증하였다.
1.2 선행연구 분석
BIM 기반의 건설현장 안전관리는 (1) Preconstruction 단계에 As-planned model을 활용한 안전관리 계획과 (2) Construction 단계에 As-built model을 활용한 안전관리 수행 및 점검으로 구분할 수 있다(Hire et al., 2024). 다수의 BIM 기반 안전관리 선행연구들은 (1) Preconstruction 단계에 적용한 안전관리 계획에 관한 내용으로, 대표적으로 추락사고 위험구역을 탐지하는 연구가 있었다(Zhang et al., 2015). BIM과 공정정보를 활용하여 추락사고 위험구역을 탐지하고 그에 따른 안전난간과 같은 안전시설물의 배치 계획을 자동으로 생성할 수 있게 되었다. 그러나 건설현장 안전점검은 공사 중의 건설현장을 대상으로 점검한다. 공사 전 안전시설물 배치 계획과 별도로, 건설현장에 현재 배치된 안전시설물이 계획에 따라 혹은 규정에 맞게 배치되었는지 확인할 필요가 있다. 따라서 건설현장 안전점검에 있어서 (2) Construction 단계에 적용할 수 있는 연구에 중점을 둘 필요가 있다.
건설현장의 현재 안전시설물 배치를 확인하기 위해 현장 정보를 수집하여 BIM과 연계 할 필요가 있으며, 대표적으로 타워크레인에 설치한 카메라를 활용한 연구가 수행되었다(Yang et al., 2022). Faster-R-CNN을 활용하여 보호되지 않은 개구부를 비디오 프레임에서 발견하고, 행렬연산을 통해 이를 BIM 정보와 결합하여 위험구역을 판별할 수 있게 되었다. 그러나 ‘보호되지 않은 개구부’ 판정에 있어서 이미지 상의 개구부와 안전시설물의 거리 비교만을 활용하였기에 안전시설물 배치 여부는 판별할 수 있어도 개구부 측면 모두를 보호하였는지, 길이나 높이가 적정한지 등 배치 적정성을 판별하기는 힘들다. 이처럼 BIM을 기반으로 안전시설물이 실제 규정에 따라 배치되었는지 적정성을 평가하기 위해서는 보다 정밀한 판정 기준과 추가적인 정보들이 필요하다(Venkatesh et al., 2023).
본 연구는 안전시설물 배치 적정성 검토에 대한 기존 방법의 한계점을 극복하기 위해 안전 규정을 분석하여 컴퓨터가 판독할 수 있는 형태로 정량화하였다. 이를 검토 모델로 구현하여, 건설현장의 현재 상태를 나타내는 BIM에서 구조물과 안전시설물 정보를 활용하여 추락사고 위험구역 내 안전시설물이 적정하게 배치되었는지 판단하는 것을 연구의 목표로 한다.
1.3 연구의 범위
본 연구는 선행연구의 한계점을 보완하기 위해, 안전시설물의 배치 적정성을 평가하는 과정에서 실제 공사 진행에 따른 안전시설물의 설치, 해체 및 이동의 상황을 고려하였다. 이에 따라 연구의 대상은 연구의 활용 방안과 파급효과를 극대화하기 위해 안전난간을 대상으로 연구를 수행하였다. 안전난간은 건설업 재해 유형 중 가장 큰 비중을 차지하는 추락사고에 대한 안전시설물이며, 현장에서 빈번하게 설치, 해체 및 이동되는 주요 점검대상 중 하나이다. 본 연구에서는 이러한 안전난간을 대상으로 배치와 관련된 규정을 분석하고 안전난간 설치필요구역에 대한 기준을 정량화하였으며 이를 통한 배치 적정성 검토 모델을 구현하였다.
연구의 흐름은 (1) 안전 규정 분석 및 기준 정량화, (2) 검토 모델 구현, (3) 검토 모델 성능 검증으로 구성되어 있다. 연구의 프레임워크는 다음과 같다(Fig. 1). 먼저 안전난간 배치 규정을 분석하고 정량화하여 기준에 따라 검토할 수 있도록 모델을 구현하였다. 구현된 검토 모델을 이용하여 건설현장 BIM을 자동으로 점검하고 그 결과를 시각화 및 수치화하여 나타내는 것으로 구성하였다. 본 연구에서는 건설현장의 현재 상태를 나타내는 BIM이 존재한다고 가정하며, 검토 모델에 사용되는 입력 정보는 BIM의 구조물 형상 정보와 안전난간 정보(위치, 규모)가 활용된다. 출력 정보는 검토 결과에 따른 부적정 배치 구역의 시각화와 건설현장 안전조치율 정보를 나타내도록 하였다.
2. 안전시설물 배치 적정성 검토 모델 개발
2.1 안전 규정 분석 및 기준 정량화
본 연구에서는 ‘산업안전보건기준에 관한 규칙 제13조(안전난간의 구조 및 설치요건)’, ‘가설공사 표준시방서: 추락재해 방지시설’, ‘건설공사 안전관리 매뉴얼’을 참고하여 안전난간 관련 규정을 분석하였으며, 안전난간의 배치와 관련된 주요 내용은 다음과 같다. ① 근로자가 추락할 우려가 있는 통로, 작업발판의 가장자리, 개구부 주변, 경사로 등에는 안전난간을 설치하여야 한다. ② 상부 난간대는 바닥면, 발판 또는 통로의 표면으로부터 0.9m 이상의 높이를 유지하여야 한다.
안전난간 설치 구역과 관련한 ①의 내용은 정성적이기 때문에, 정량적으로 바꾸어 표현할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 산업안전보건기준에 따라 안전난간의 설치필요구역을 ‘바닥의 가장자리를 기준으로 높이 900mm, 폭 400mm, 가장자리 길이에서 400mm를 제외한 길이에 해당하는 직육면체의 구역 중 벽이 없는 곳’으로 정의하였다. 단순히 설치필요구역 내에 존재하기만 해서는 길이나 높이가 불충분할 수 있기 때문에, 안전난간 배치 적정성 판정 기준은 ‘안전난간 설치필요구역의 윗면 및 양 측면 통과 여부’로 설정하였다. 이렇게 설정한 설치필요구역과 배치 적정성 판정 기준은 다음과 같이 나타낼 수 있다(Fig. 2). 벽이 있는 구역을 제외한 모든 바닥의 가장자리에 설치필요구역이 설정되며, 우측에 안전난간을 나타내는 직육면체가 구역의 양 측면과 윗면을 통과하여 적정하게 배치된 예시를 나타낸다.
2.2 검토 모델 구현
2.2.1 검토 모델 알고리즘
앞서 설정한 기준을 바탕으로 안전난간의 배치 적정성을 판단하는 검토 모델 알고리즘을 만들었으며 이는 다음과 같다(Fig. 3). 검토 모델은 구조물 형상 정보와 설치된 안전난간의 위치 및 규모 정보를 입력 정보로 활용한다. 구조물 형상 정보는 설치필요구역 설정에 활용된다. 바닥 구조물의 형상 정보를 추출하여 바닥 가장자리를 찾아내고, 이를 기준으로 높이 900mm, 폭 400mm, 바닥 가장자리 길이에 비례한 정량화한 안전난간 설치필요구역을 설정한다. 안전난간 정보는 안전난간의 배치 적정성 판정에 활용된다. 안전난간의 정보는 ‘ID, 위치(X, Y, Z), 규모(길이 L, 폭 W, 높이 H), 부재 규정 준수 여부’를 변수로 갖는다. 입력한 안전난간이 설치필요구역 내에 적정하게 배치되었는지 판단하여 배치 적정성을 검토한다. 안전난간의 설치필요구역 내 존재 여부 뿐만아니라 윗면과 옆면을 지나치는 적정한 규모를 가졌는지 판별하여, 안전난간이 추락사고를 예방할 수 있도록 적절히 배치되었는지 검토한다.
2.2.2 프로그램을 통한 검토 모델 구현
BIM모델 작성 프로그램은 건설현장에서 자주 쓰이는 Autodesk Revit을 기준으로 하였으며, 검토 모델은 Revit과 연동 가능한 비주얼 코딩 프로그램인 Dynamo를 활용하여 구축하였다. Dynamo를 통해 BIM 형상모델에 안전난간 정보를 자동으로 불러올 수 있어, 안전시설물이 포함된 BIM를 생성할 수 있다. 안전난간 정보는 CSV파일 형식으로 활용하였다. 포함하는 정보는 ‘ID, 위치(X, Y, Z), 규모(길이 L, 폭 W, 높이 H), 부재 규정 준수 여부’를 갖고 있다.
Dynamo를 통해 구축한 검토 모델은 ① 바닥 가장자리 정보 추출, ② 안전난간 설치필요구역 설정, ③ 안전난간 적정 배치 여부 판정의 순서로 정보를 추출하여 건설현장 BIM의 안전난간 배치 적정성을 검토한다. 상세한 순서는 다음과 같다(Fig. 4). ‘Surface.NormalAtParameter‘ 노드를 통해 바닥 구조물의 형상 정보로부터 가장자리 정보를 추출한다(Fig. 4a). ‘Curve.SweepAsSolid’ 노드와 ‘Geometry.DoesIntersect’ 노드를 통해 가장자리를 따라 설치필요구역 지정하고, 벽체와 겹치는 설치필요영역은 제외한다(Fig. 4b). ‘Data.ImportCSV’ 노드와 ‘Geometry.DoesIntersect’ 노드를 통해 안전난간을 직육면체 형태로 간소화하여 불러와 안전난간이 설치필요구역의 양 측면과 윗면을 통과하여 적정하게 배치되었는지 판단한다. 판단 결과 부적정 배치된 설치필요구역은 활성화되어 시각화되며(Fig. 4c) 부적정 구역에 대한 개소 수, 위치 정보를 통해 건설현장 안전점검 수행기관의 의사결정을 도울 수 있다.
2.3 검토 모델 성능 검증
2.3.1 환경 설정 및 결과 분석
앞서 구축한 검토 모델을 임의로 작성한 건설현장 BIM 정보와 안전난간 정보를 통해 검증해 보았다(Fig. 5). 검증에 사용된 임의의 건설현장 BIM은 바닥과 벽체로 이루어진 구조물이며 전체 구조물 중 현재 6층 바닥까지 완성된 상태를 가정하였다. 규모는 가로, 세로 각 10m, 각 층 높이는 3m의 6층 바닥까지 총 15m로 설정했고 1층부터 5층까지는 한쪽 벽만 없고 6층은 모든 벽이 없으며 6층 바닥에 가로, 세로 각 4m의 개구부가 존재하는 상태로 설정했다. 따라서 안전난간 설치필요구역으로 볼 수 있는 가장자리는 총 12개소이다. 안전난간은 이보다 하나 적은 11개로 설정하였으며, 2층에 미설치, 5층에 길이 부족, 6층에 이격 과다의 총 3가지 설치 부적정한 경우를 설정하였다(Fig. 5a). 안전난간 배치 적정성 검토 모델이 정상적으로 작동할 경우, 안전난간 부적정 설치구역 3개소를 자동으로 찾아낼 수 있어야 한다. 작동 결과 안전난간 부적정 설치구역 3개소를 올바르게 찾아내고 이를 시각화한 것을 볼 수 있다(Fig. 5b). 또한 전체 설치필요구역 대비 적정 설치구역 갯수를 비교하여 해당 현장의 안전조치율을 수치화한 것을 볼 수 있다.
2.3.2 고찰
본 연구의 결과물은 정량화된 배치 규칙에 따라 위험구역의 위치와 위험구역 내 안전시설물 배치 여부를 자동으로 탐지 및 시각화하여 안전점검 수행기관의 점검 효율을 높일 수 있다. 하지만 현재의 검토 모델에는 몇가지 한계점을 가지고 있어 개선이 필요하다. 첫번째는 복잡한 구조물에서 적용할 수 있도록 개선이 필요하다. 바닥 시공이음과 같이 구분된 바닥이 수평으로 만나는 경우, 혹은 추락 위험 기준 2m 이내의 단차의 경우 등 복잡한 구조물의 경우 본 연구의 검토 모델의 성능이 저하된다. 두번째는 다양한 안전시설물에 대해 적용할 수 있도록 개선이 필요하다. 현재 안전난간을 대상으로 하였지만, 그 밖에 개구부 막음장치 및 추락 방호망 등 다양한 안전시설물에 대한 배치 규정 반영이 필요하다. 추후 수행할 연구에서는 이러한 내용을 반영하여 보다 보완된 검토 모델을 개발할 수 있을 것이다.
본 연구의 결과물 중 수치화된 안전조치율 정보는 추후 연구를 통해 현장 안전관리 방법을 확장할 수 있을 것으로 기대된다(Fig. 6). 여러 현장을 점검하는 경우 안전조치율을 비교하여 우선적으로 점검할 현장을 선정할 수 있으며, 시간에 따른 안전 조치율 변화를 분석하여 특정 공정이나 시점과 같은 조건에서 안전관리 수준을 예측하는 등 안전관리에 관한 새로운 통찰을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
3. 결 론
본 연구는 안전점검 수행기관의 점검 효율화를 위해 필요한 안전점검 자동화에 있어서, 안전시설물 배치 적정성 자동 검토 모델을 개발하여 기존의 안전시설물 설치 규정 중 배치 검토를 보완하였다.
건설현장 추락사고 예방에 있어서 주요 점검 대상 중 하나인 안전난간을 대상으로 검토 모델을 개발하였으며, 안전난간과 관련된 규정을 분석하여 안전난간 설치필요구역을 정량화하였다. 설치필요구역에 따른 안전난간 적정 배치 판별을 위해 알고리즘을 설계하고 Dynamo를 활용하여 검토 모델을 구축하였으며, 임의의 구조물과 안전난간 정보를 통해 정상 작동 여부 및 성능을 검증하였다. 현재 구축한 검토 모델은 다양한 안전시설물, 복잡한 구조물, 복합적인 안전시설물 설치 방식에 따라 검토 결과가 부정확해질 수 있는 한계점이 있어 개선하고 있다. 본 연구를 통해 안전시설물이 부적정하게 배치된 구역을 자동으로 판별할 수 있게 되어, 건설현장 안전점검 시 점검자에게 조치가 필요한 구역에 대한 정보를 제공하여 점검 누락의 위험과 시간 소모를 줄이는 등 효율적인 점검에 기여할 것으로 기대된다.
