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건설 자동화란 무엇이며 빌딩의 미래를 어떻게 만들어 갈 것인가?

자동화 건설은 업계가 증가하는 인구로 인한 건물과 토목 수요를 안전하게 충족할 수 있도록 하는 가능성을 가지고 있다.
  • 건설 업계는 건축과 토목의 프로세스, 도구, 장비를 자동화하는 건설 자동화를 통해 인구 증가로 인한 글로벌 건물 및 인프라 수요를 안전하게 충족할 수 있다.
  • 건설 자동화를 도입하는 기업들은 대대적인 투자를 통해 공장과 건설 현장에서 프로세스를 자동화하고 로봇, 자율 건설 장비를 투입하고 있다.
  • 대표적인 사례로 호윅(Howick)은 복잡한 롤 성형 부품 생산을 자동화하여 지역 의료센터 건설 기간을 6개월에서 6주로 단축했다.
  • 건설 자동화의 이점으로는 지속 가능성, 노동력 부족 완화, 노동자 안전 개선, 효율 및 생산성 제고, 분석 능력 및 예측 가능성 향상 등이 있다.

자동화 기술의 발전과 채택은 제조업보다 건설업에서 더 느리게 진행됐지만, 이제 자동화 건설 기술이 건설의 디지털 전환 활성화에 중요한 역할을 할 때가 됐다.

건설업의 지속적 발전은 자동 디지털 설계 및 분석 프로세스부터 건설 기록의 자동 생성, 건설 행위에 이르기까지 다양한 형태로 자동화에 의존할 것이다. 건설 프로세스의 자동화는 선진 제조의 모범 사례를 모방하는 탈 현장 프리패브리케이션을 위해 사용되든, 현장 내 건설 로보틱스에 사용되든, 21세기의 두 가지 과제에서 건설업의 성공 여부를 결정할 것이다. 그 과제는 건물 및 토목에 대한 높은 수요와 수명 주기 전반에 걸친 지속가능성의 필요성이다.

건설 자동화는 자동 제조 프로세스가 다른 산업에서 해결을 도왔던 것과 유사하게 기회와 과제를 처리할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 예를 들어 생산 시간, 자재 효율성, 노동생산성, 작업자의 건강과 안전 개선과 더불어 인력 부족, 환경적 영향 감소에 대한 보상 및 새로운 설계 기회 창출 등이 포함된다. 간단히 말해서 건설 자동화는 업계가 증가하는 인구로 인한 글로벌 건물 및 인프라 수요를 안전하게 충족하게 할 잠재력을 가지고 있다. 새로운 기술적 발전과 업계 트랜드는 이제 자동화가 주도할 때임을 시사한다.

a prefabricated window is lowered into place in a building facade.
현장 밖에서 3D프린트로 조립된 콘크리트 틀을 현장으로 이동하는 모습. 건설 산업화의 사례이다.

건설 자동화란 무엇인가?

건설 자동화라는 용어는 건축과 토목에서 자동화된 작업흐름을 사용하는 프로세스, 도구 및 장비를 의미한다. 기존에 수동으로 하던 작업을 자동화하기 위해 도구가 사용되는 경우도 있고, 자동화된 기계로 새로운 프로세스를, 특히 건설을 위해 전환하거나 개발하는 경우도 있다. 건설에서 자동화는 프로젝트의 다양한 단계에서 발생한다. 소프트웨어를 기반으로 한 설계 단계에서 시작하여, 현장 안팎 건설의 자동화된 측면에서 지속되고, 완성된 건물의 시스템 및 에너지에 관해 수집된 데이터를 공유하는 데서 끝나는데, 모두 클라우드를 기반으로 한 실제 모델에서 담아낸다. 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 이러한 통합적 피드백 고리를 실현하기 위해서는 여러가지 핵심 개발 전략이 필요하다. 예를 들어, 협동 로보틱스, 건설 산업화 전략, 새로운 유형의 로봇 및 자동화 기계, 실시간 현장 감지, 피드백 및 개조는 건설에서 자동화를 널리 실현하는 기술 및 전략이다.

건설 산업화(IC)는 제조를 모델로 한 방식으로, 건설 프로세스 내에 자재, 프로세스 및 시스템의 전략적 사용을 정의하는 용어다. 건설 산업화가 건설 자동화와 동의어는 아니지만, 자동화 도구 사용이 늘어나고 건설 산업화 전략이 건설 방식에 급격한 영향을 미치는 현 상황에 이 둘은 근본적으로 연결되어 있다. 현재 건설 산업화라는 용어는 주로 제조 기술의 적용이 건설 환경에 보다 널리 적용된 탈 현장 건설과 관계가 있다.

건설 산업화 프로세스는 제조 프로세스에 주로 사용되었던 기술 및 전략을 사용하여 단일 부품부터 구성재 또는 전체 조립품까지 건물 및 인프라 구성요소를 생산한다. 체적 건설 산업화의 경우, 전체 체적 모듈(예: 호텔 전체)을 공장과 같은 환경에서 제조한 후, 완전한 건물로 조립하기 위해 건설 현장으로 이송한다.

건설 산업화는 제조로부터 시작되었기 때문에 기존 건설에서는 찾아볼 수 없었던 예측 가능한 변수가 제공하는 확실성, 안전성, 품질 보증 등의 이점을 누린다. 또한 고도로 자동화된 선진 제조 기술의 이점을 활용할 잠재력이 있다. 이러한 사실은 새로운 내용이 아니다. 건축 환경의 기원으로부터 그 사례를 찾아볼 수 있다. 하지만 이제는 전례 없는 기술 컨버전스가 이뤄지며 산업 전반에 걸쳐 사용되는 건설 산업화(IC) 전략의 가치와 영향력을 높이고 있다.

자동화된 건설 산업화 프로세스에서는 데이터가 3D 모델과 기타 디지털 아티팩트로부터 제작을 위해 자동 생산라인으로 직접 이동하기 때문에 전통적인 종이 도면을 없앨 수 있다. 생산 라인에는 산업용 로봇, 오버헤드 갠트리, 컨베이어 또는 자재를 건물 구성재 및 전체 부품으로 완성시키는 기타 자동화 장비가 포함된다. 자동화 기회는 환경, 근로자는 물론 투자수익률(ROI)에 미치는 영향과 관련되어 있기 때문에 이를 평가하는 것이 매우 중요하다. 동료들과 나는 많은 자동차 조립 라인에서 볼 수 있듯이 인간과 기계 간에 신중하게 짜인 협력 관계가 최상의 결과라는 데 동의한다.

건설 자동화의 간략한 역사

로봇이나 자동화 장비가 건설 현장을 날아다니는 것이 머나먼 미래의 일이라고 생각하기 쉽지만, 이러한 도구의 활용에 핵심이 되는 전략은 수천 년간 존재해 왔으며 기계화된 건설 자동화라는 개념은 수백 년간 입증되어 왔다. 탈 현장 건설의 초기 사례인 3세기 중국의 병마용 건설을 위한 프리패브리케이션 기술에서부터 1920년대 베를린의 주거용 조립식 패널 현장 조립까지는 2천년 이상의 시간 간격이 있다.

그러나 로보틱스가 특징인 현대 건설 자동화는 산업용 로봇이 1950년대에 처음 발명되고 1960년대 자동차 산업에서 활용될 때까지 인기를 얻지 못했다. 1960~70년대에는 공장 자동화가 산업 전반으로 뻗어나갔고, 건설 로보틱스가 등장하기 시작했다. 인구 노령화와 젊은 세대의 무관심으로 인해 건설 인력 부족 현상을 겪게 된 일본은 1970~80년대부터 건설 자동화와 로보틱스를 혁신했다. 시미즈 건설(Shimizu Corporation), 오바야시 건설(Obayashi Corporation), 다케나카 건설(Takenaka Corporation)과 같은 일본 건축 및 엔지니어링 기업들은 굴착, 자재 관리, 콘크리트 타설 및 마감, 방화 시공, 토공, 철근 설치 외 기타 건설 작업을 위해 로봇과 원격 조종 기계를 만들었다.

건설업에서는 자동화된 공정 개발과 채택이 느리게 진행됐다. 하지만 오늘날 기업과 정부, 학계 간 협업을 통해 건설 자동화의 활성화가 계속되고 있다.

지나칠 정도로 강력한 노동계의 압박에 의한 몇 가지 사례를 제외하면, 건설업에서 자동화된 공정의 발전과 채택은 너무 비싼 초기 투자와 시행의 복잡성, 무역 분리 및 건설 특화 장비의 부족 등으로 인해 더디게 진행됐다. 하지만 오늘날 기업과 정부, 학계 간 협업을 통해 건설 자동화의 활성화가 계속되고 있다. BIM(빌딩 정보 모델링) 및 인공지능 기반 제너레이티브 설계 접근법에서 얻은 확고한 데이터와 정교한 건축 설계 및 데이터 관리 가능성이 빠르게 진화하는 로보틱스와 사물(IoT)인터넷 기술이 건설의 디지털화 및 제조 기술과의 컨버전스를 촉진한다. 저비용 하드웨어는 설계에서 로보틱스까지의 조립 작업 흐름을 연결하는 새 작업흐름과 결합되어 산업용 로보틱스를 건설 현장으로 옮길 새로운 기회를 제공한다.

건설 자동화 유형

탈 현장 건설 자동화

탈 현장 건설 자동화는 건설 프로세스를 보다 자동화된 현대식 제조와 유사하게 만드는 방식을 의미한다. 프리패브리케이션, 체적 및 조립식 모듈러 건설 및 프리캐스트 등 여러 유사 용어들이 있지만 뜻은 조금씩 다르다. 이 방식은 자동화, 산업용 로보틱스, 디지털 생산 작업 흐름, DfMA(공장 제작 및 조립방식) 전략의 이점을 활용하도록 최적화할 수 있는 탈 현장 및 공장의 친숙하고 관리된 환경으로 건설 프로세스를 옮긴다.

건축업에서 탈 현장 자동화는 자동화된 현장 운영보다 더 일반화되었으며, 제조업과 밀접한 관련이 있어서 제조로부터의 직접 기술 이전이 보다 쉽게 가능하지만 주의 사항이 한 가지 있다. 제조업에서 자동 생산 라인은 일반적으로 부품 크기, 모양 및 조립 순서가 수천 개의 단위에 걸쳐 일정한 대량 생산에서 사용된다. 건물, 도로 및 교량 건설에도 제조된 부품을 조립하는 과정이 있지만, 자재와 공정이 다양하고 구성요소마다, 프로젝트마다 본질적으로 변형이 일어날 수밖에 없기 때문에 툴링(Tooling, 생산 라인의 자동화된 도구 구성)이 어렵다. 생산 라인은 반드시 자동화되어야 할 뿐만 아니라 이러한 변형에 반응할 수 있도록 구성 가능해야 한다.

a prefabricated home takes shape on an assembly line.
탈 현장 건설은 일반적으로 현장에서 이루어지는 프로세스를 따르고, 이를 자동화 산업용 로보틱스, 디지털 생산 작업 흐름 및 DfMA 전략의 이점을 활용하도록 최적화할 수 있는 친숙하고 관리된 환경 내에서 공장으로 옮긴다.

공장 자동화는 큰 비용이 드는 투자이지만, 장기적으로 보았을 때 시간과 비용, 자재를 절약하는 동시에 품질 관리 및 품질 보증을 개선하고 전형적인 건설 프로세스와 관련한 많은 반복 작업을 제거하여 작업자들에게 보다 안전하고 편안한 조건을 제공한다. 공장을 기반으로 한 건설은 환경적 이익을 제공하고, 폐기물 양과 용수 사용을 줄이고, 운용 에너지 및 미세먼지 오염을 감소시키고, 자재 사용, 재사용 및 재활용을 최적화한다.또한 공장 자동화가 자동화된 공정과 결합되면 전 세계적인 건물 및 인프라 수요를 충족하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 가장 활발하게 운영중인 일부 자동화 건설 공장은 사람의 간섭이 거의 없이 24시간 운영되도록 되어 있다. 이는 마치 미국의 리더십 연구 학자이자 선구자인 워런 베니스(Warren Bennis)가 했던 명언과 비슷한 상황이다. “미래의 공장에는 직원이 인간과 개 한 마리, 달랑 둘 뿐일 것이다. 인간은 개에게 먹이를 주기 위해, 개는 인간이 장비에 손대지 못하도록 지키기 위해 있을 것이다.”

현장 건설 자동화

건설에서 공장 기반 자동화는 몇몇 예외를 제외하고는 제조업으로부터 기술을 이전하는 것이라고 간주할 수 있으며, 자동화된 기계는 제품보다는 건축 요소를 생산하도록 설정되어 있다. 그러나 현장 건설 자동화는 색다르고 독특한 과제와 기회를 제공한다. 장비 개발 및 사용의 직접 이전은 줄어들고 새로운 장비와 프로세스가 필요해지는데, 이는 연구, 신사업, 스타트업에 유망한 분야다. 현장에서 사용하도록 제작된 건설 자동화 기계는 작업 현장으로 이동, 설치, 사용 후 다음 작업으로 이동하기 위해 해체하기 쉬워야 한다. 경우에 따라 토목용 중장비와 같은 기존 장비를 개조하기도 하고, 자동화 또는 반 자동화된 미래를 위해 새로운 장비를 점점 더 많이 생산하기도 한다.

현장 자동화의 일부 초기 사례는 자동 건설 시스템에 맞춰 작동하도록 전문화된 건물 시스템을 만들어 냈으며, 많은 경우 건물의 고유성을 감소시켰다. 오늘날 부품의 다양성을 유지하면서도 표준화된 구성요소를 사용하는 자동화 건설이 다시 시도되고 있다. 예를 들어 콘크리트 보강재를 설치하는 자동화 장비는 작업 현장에서 반복적인 작업을 없애고, 추가 비용 없이 철근 설치에 성능을 기반으로 가변성을 허용하며, 적재적소에 정확하게 자재를 배치하여 폐기물을 줄인다.

보스턴 소재 넥스테라 로보틱스(NeXtera Robotics)는 올리버(Oliver) 건설 현장 스캔 및 설계 로봇 등 현장 건설 자동화 시스템을 만든다. 특정 현장 건설 자동화 기계는 넥스테라에서 개발중인 건식 벽 시공 로봇과 같이 탈 현장 프리패브리케이션에도 적용될 수 있지만, 이러한 기계를 현장에 적용하면 건축업체가 운송 비용을 절약할 수 있다.

다른 기업들도 설계 문제에 집중하고 있는데, 이는 정확도가 필요한 지루한 작업이다. 예를 들어 더스티 로보틱스(Dusty Robotics)는 디지털 모델에서 건설 데이터를 가져오는 모바일 로봇 플랫폼을 활용하여 해당 데이터를 건설 현장으로 이전하고 건설 지침을 건물 자체 바닥에 직접 프린트하여 시간과 노동력을 줄이고 정확도를 높인다.

건설업에서의 로보틱스

로봇, 특히 산업 로봇 팔과 모바일 로봇 플랫폼은 건설업에서 자동화를 둘러싼 대화에서 중요한 역할을 한다. 건설 전용 로봇이 있는 미래를 상상하는 사람도 있겠지만, 현재는 제조업을 기반으로 한 로봇이 건설로 옮겨가고 있다. ULC 테크놀로지스(ULC Technologies)와 같은 기업은 맞춤형 솔루션을 개발하고 산업용 로봇을 건설 현장에 적합한 작업 셀에 통합한다. 예를 들어 이 회사의 도로 공사 및 굴착 시스템(Roadworks and Excavation System)은 현장을 최대한 유지하면서 도로 아래 기반 시설을 수술하듯이 정교하게 자동 수리한다. 코봇(cobot)이라고도 하는 협업 로봇은 다양한 수준의 자율성을 갖추고 사람과 함께 작업하는 로봇이다. 코봇은 일반적으로 중복 보호 장치가 있는 안전 기준이 포함되어 있어서 아무도 다치지 않게 한다. 건설용로봇은 활발한 작업장의 불확실하고 변동성이 큰 환경을 다루도록 맞춤 설계될 수 있다.

현장에서의 인간과 로봇의 협업 사례는 컨스트럭션 로보틱스(Construction Robotics: CR)의 SAM100(반 자율 석공) 벽돌 쌓기 로봇에서 찾아볼 수 있다. 이 로보틱스 시스템은 건설 작업자들과 함께 작동하여 그들의 업무를 보다 빠르고, 덜 힘들고, 반복이 적게 만든다. SAM 100을 사용하여 인간 석공이 현장 설치와 최종적으로 벽 품질 평가를 하는 동안 SAM은 개별 석조 단위를 배포하고 배치한다.

자율 건설 장비

자율주행 자동차가 도로에 등장하기 시작한 것처럼 반 자율 및 자율 건설 장비가 건설 현장에 등장하고 있다. 초기 모델들이 이미 시범 사용되는 가운데 전문가들은 건설용 자율주행 자동차도 결국 보편화될 것이라고 예측한다. 농업과 광업 같은 산업은 오래 동안 장비 자동화 및 원격 조종의 혜택을 보았으며, 점차적으로 이러한 유형의 기계들이 건설업에도 사용되고 있다. 다른 형태의 자동화와 마찬가지로 이러한 장비는 안정성을 개선하고 생산성과 효율성을 높여 줄 잠재력을 제공한다.

자동 건설 장비는 건물의 개별 부분을 너머 자동화를 확장하고, 업계에서 작업현장을 현장에 있는 공장으로 고려하도록 한다. 샌프란시스코의 빌트 로보틱스(Built Robotics)는 건설 엔지니어링 기업인 블랙&비치(Black & Veatch)와 협업하면서 자율 트랙 적하기, 불도저, 굴착기를 사용하여 자동 트랜칭 시스템을 연구를 통해 재생 에너지 시스템의 공익사업 규모 건설을 가속화하였다. 블랙&비치는 혼다와도 협업하여 태양 에너지 건설 현장에서 자율 작업 차량을 시범 사용했다.

캐터필라(Caterpillar)와 같은 중장비 산업 리더는 현재는 반 자율이지만 향후 완전히 자율화될 가능성이 있는 건설 차량을 연구하고 있다. 예를 들어 캐터필라의 원격 조정 D11T 불도저에는 작업자가 수백 미터 떨어진 트레일러에서 차량을 조종할 때 사용하는 카메라가 장착되어 있다. 캐터필라는 벡텔(Bechtel), 브릭 앤드 모타르 벤쳐스(Brick and Mortar Ventures) 등 기타 기업들과 함께 NASA와 협업하여 현장의 3D 프린팅 건물에 중점을 둔 3D 우주 거주지 프린팅 대회(3D-printed Habitat Challenge)를 주최하였는데, 마침 그 현장이 화성이었다.

호주에서는 다국적 광산 기업인 리오 틴토(Rio Tinto)는 철광석 채광 작업을 위해 100여 대의 자율 주행 트럭과 기타 차량을 투입하였다. 이를 아직 건설 전용이라고 할 수는 없지만, 이 사례는 건설업에서 곧 일어날 일의 전조이다. 리오 틴토의 무인 차량은 정확도와 효율성을 최대화하는 동시에 약 1,609 킬로미터 떨어진 곳에 있는 원격 운전자를 안전하게 보호한다.

보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)는 점검 및 건설 일정 관리에 사용되는 준공 레이저 스캐닝을 포함한 다양한 건설 시나리오용 로봇 플랫폼을 상용화하였다. 4족 자율 보행 로봇 스팟(Spot)은 라이다(Lidar) 스캔 부착물을 사용하여 매일 밤 쉽게 건설 현장을 다니며 매일의 변화를 추적하여 풍부하고 고충실도 포인트 클라우드(point cloud) 데이터를 수집할 수 있다.

새로운 유형, 기술 및 사고방식이 등장함에 따라 건설 현장 자동화의 미래는 밝다. 더 많은 현장 장비가 자동화된다 해도 원활한 진행을 위해서는 숙련된 노동력이 필요하며, 새로운 스테이징 및 시퀀싱 전략에 로봇을 고려해야 한다.

Boston Dynamics' four-legged Spot robot.
보스턴 다이내믹스의 4족 보행 로봇 스팟. 제공: 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics).

건설 자동화 사례

호윅(Howick)

뉴질랜드에 본사를 둔 호윅(Howick)은 40년 이상 최첨단 기계를 제작해 왔으며, 현재는 건설용 골조를 생산하는 정말 강철 롤 성형 기계를 전문으로 하고 있다. 최근 프로젝트에서 윈드오버 컨스트럭션(Windover construction)의 가상 설계 및 건설 팀은 호윅의 X-Tenda 3600(X-텐다 3600) 망원경 강철 형성 기계를 사용하여 매사추세츠주 글로스터에 있는 케이프 앤(Cape Ann) YMCA를 위해 15시간 동안 미리 구멍을 내고 분류한 지붕틀 935개를 제작하였다. 그런 다음 윈드오버는 연결된 3D 모델 데이터를 사용하여 MR 헤드셋 사용자의 시야에 ‘홀로그램 모형’을 적용하는 폴로그램(Fologram)의 혼합 현실(MR) 기술을 통해 한 번에 한 명의 작업자로만 지붕틀을 3일만에 조립했다.  그 결과 프로젝트 기간을 70% 정도 단축하고 비용도 절반가량 절감했다. 윈드오버와 폴로그램 모두 오토데스크 기술 센터(Technology Centers)의 아웃사이트 네트워크(Outsight Network) 회원사다.

호윅의 기계는 강철 코일로부터 복잡한 롤 성형 부품 생산을 자동화하고 부품 내 상세한 조립 지침을 제공함으로써 조립을 단순화하였다. 호윅과 버지니아 테크(Virginia Tech)의 디자인 연구 센터(Center for Design Research)는 잠비아의 외딴 지역에서 이 장비를 사용하여 지역 의료센터 건설 기간을 6개월에서 6주로 단축시키고 있다.

Howick’s precision steel roll-forming machines produce framing for construction.
호윅의 건설용 정밀 강철 롤 성형 기계.

팩토리 오에스(Factory_OS)

캘리포니아주 발레호에 위치한 팩토리 오에스(Factory_OS)가 스마트 팩토리 환경에서 효율성을 최대로 활용하여 지은 다세대 아파트 건물(대부분이 저렴하거나 요양 주택으로 지정됨)은 산업화된 건설의 사례를 보여준다. 이 기업은 33개 스테이션으로 구성된 조립 라인에서 가구를 건설하고 있다. 입증된 제조 기술 및 건설 프로세스를 바탕으로 팩토리 오에스는 기존 현장 건설보다 고품질의 모듈형 주택을 더 빠르고 저렴하면서 폐기물이 적게 배출되도록 건축할 수 있다.

오토데스크 리서치의 한 팀은 팩토리 오에스와 협업하여 설계에서 제작, 조립, 궁극적으로 건물 운영에 이르는 기업의 연결을 개선하여 저렴하고 지속가능한 주택을 가능한 한 효율적으로 생산하고자 하는 야심 찬 프로젝트를 진행중이다.

팩토리 오에스는 QR 코드를 사용하여 모든 부품과 조립품을 추적하므로 벽 부품 하나가 잘려서 나올 때마다 모두 기록하고 추적할 수 있다. 이는 반복성, 품질, 변동성 제거 등 모두 제조업이 미친 영향이다. 벽이 10개가 필요하면 자동 톱이 10개 세트를 잘라내고, 모바일 로봇 플랫폼이 해당 세트를 성형 스테이션으로 옮긴다.

오토데스크는 오토데스크 Revit(레빗)에서 팩토리 오에스의 설계 목록과의 디지털 연결을 입증하여 다중 규모 BIM 모델, 즉, 현장 전체, 개별 건물, 함께 건물을 만드는 모듈, 모듈을 구성하는 모든 구성 부품까지 제어할 수 있고, 모두 제너레이티브 설계와 연결되어 있는 다목적 설계 최적화를 만들려고 하고 있다. 그 다음에 팩토리 오에스는 인간을 중심으로 한 형태의 자동화를 사용하여 완성된 모듈을 제작하고 각 모듈을 세미 트럭에 실어 지역 건설 현장으로 옮긴다.

건축 현장에서 땅고르기 작업이 완료되면, 작업자들은 토대를 붓고 바닥, 창문, 조명, 가전 제품, 배관 장치 및 실내 마감재까지 모두 완료되면 완성된 모듈을 공장으로부터 배달한다. 모듈은 방수성과 내화성을 갖추고 압축 포장된 상태로 도착한다. 이후 작업자들이 모듈을 한데 고정시키고 시스템과 공공 시설을 연결하면 건물은 입주 준비가 끝난다. 이 새로운 작업 흐름으로 팩토리 오에스는 200~300 유닛에 이르는 다가구 아파트의 설계 및 공장 건설을 단 몇 주 만에 완료하게 될 것이다.

Workers at Factory_OS in Vallejo, CA, carry panels designed for modular homes.
캘리포니아 발레호에 위치한 팩토리 오에스의 작업자들이 모듈 주택을 위해 설계된 패널을 옮기고 있다.

아피스 코르(Apis Cor)

아피스 코르(Apis Cor)는 전통적인 콘크리트 조적 유닛(CMU) 설계를 모방한 벽 건설을 효율적으로 하기 위해, 3D 프린터와 3D 프린팅 혼합물을 개발하여 전통적인 CMU 건축 법을 충족한다.

2019년 말, 아피스 코르는 아랍에미레이트(UAE) 두바이에 있는 640 제곱미터 규모의2층짜리 정부 청사를 3D 프린팅으로 건설했다. 이 기업은 전매특허인 고점성 석고 기반 3D 프린팅 혼합물을 현장에서 생산했다. 그런 다음 크레인을 통해 현장 주위에서 건설 3D 프린터를 움직임으로써 단 세 명의 작업자만 동원하여 건물을 완성했다. 이후 아피스 코르는 전통적인 석조 건물에 비해 절반의 비용으로 최소 8배 빠르게 건축하도록 3D 프린터를 개선했다.

아피스 코르는 오토데스크 기술 센터 아웃사이트 네트워크의 회원이다. 이 회사는 기본적으로 건설 장비를 만들고 현장에서 서비스의 형태로 제조를 수행하는 제조 업체다. 이 시나리오에서는 현장으로 기계를 가져와서 구조물 또는 건물 일부분을 생산하도록 계약할 수 있고, 이후 다른 업무로 넘어갈 수 있다. 제조 협력업체는 설계 매개변수를 제공하고, 장비를 소유하고, 서비스를 제공하는 등 공장이 현장으로 온다는 점을 제외하고는 제품 제조 협력업체와 다를 바가 없다.

아피스 코르는 오토데스크 기술 센터의 또 다른 상주 팀인 구조 엔지니어링 업체 손턴 토마세티(Thornton Tomasetti)와 협업 중이다. 이 회사는 3D 프린팅된 벽의 구조 건전성을 검토하고, 3D 프린팅 건설 표준을 만드는 데 도움을 준다. 일이 잘 풀린다면 산업 협회가 이 표준을 건축 규정으로 받아들일 것이다.

An Apis Cor 3D-printed structure takes shape.
아피스 코르 3D 프린팅 구조물이 구체화되고 있다. 제공: 아피스 코르(Apis Cor).

밤코어(BamCore)

지속가능한 방식으로 수확한 대나무는 밤코어(BamCore)의 맞춤 엔지니어링 중공벽 구조용 목재 시스템의 기초를 구성하는데, 해당 기업은 산업화된 데이터 기반 디지털 건설 도구를 활용하여 현장에서 벽 패널을 빠르고 효율적으로 세운다. 맞춤 제작 및 엔지니어링된 각 대나무 목재 하이브리드 패널은 인접한 패널에 맞게 절삭되고 모든 문과 창문, 조명 스위치 및 콘센트에 맞춰 프리컷된다. 일련 번호 덕분에 정확한 설치가 가능하다. 색상으로 구분된 선은 모든 전선 및 배관선의 위치를 나타낸다.

현장 팀원들은 디지털 건물 모델을 차례로 정리된 애니메이션으로 전환한 프로젝트의 3D 애니메이션 모델을 모바일 앱으로 받아서, 벽을 쉽게 따라 세울 수 있다. 밤코어의 디지털 건설 도구로 만든 프리패브리케이션을 활용하면 건축 시간은 줄고, 오류가 적어지고, 비용이 낮아진다.

건설 자동화의 이점

지속가능성

건설 자동화의 많은 이점이 서로 연관되어 있고 연속적이기 때문에 한 가지 이점을 높이는데 집중하면 추가적인 이점을 경험하게 된다. 자동화는 프로젝트를 더 빠르고 효율적으로 완성하는 데 도움을 주며, 이는 일반적으로 환경적 이점과 보다 지속가능한 건설로 이어진다. 예를 들어 캐나다 밴쿠버에 있는 인텔리전트 시티(Intelligent City)는 조립식 모듈형 주택에 로봇 자동화를 활용하여 생산 효율성을 15% 높이고 건물을 38% 빠르게 완성했다. 또한 폐기물을 30% 줄였다. 글로벌 건설 업체인 스칸스카(Skanska)는 현장 로봇 용접을 사용하여 철근 바스켓을 제작함으로써 품질과 직원 생산성, 안전을 개선했다. 또한 부피가 큰 철근 바스켓 완성품을 건축 현장으로 옮기는 데 드는 비용과 환경에 미치는 영향을 줄였다.

건설 산업을 지속가능한 친환경 산업으로 바꾸려면 많은 노력이 필요하다. 미국 교통 통계국에 따르면 미국 경제 중 건설 및 철거 부문에서 전국 폐기물 흐름의 23% 가량이 만들어진다. 아키텍쳐 2030(Architecture 2030)에 따르면, 글로벌 이산화탄소 배출량 중 거의 40%가 건물에서 발생한다. 다행히도 건설 자동화가 다양한 방식으로 건설업의 지속가능성 계획에 기여한다.

  • 드론과 같은 자동화 기술은 풍력 발전용 터빈이나 태양열 지붕과 같은 재생가능 에너지 시설 건설에 도움이 된다.
  • 탈 현장 모듈형 건설로 재활용은 늘리고 폐자재를 줄여서 자재를 최대한 사용할 수 있다. 탈 현장 모듈을 작업 현장으로 효율적으로 옮기면 작업자가 이동하는 평균 거리를 75%까지 줄일 수 있다.
  • 캐터필라의 순수 전기 26톤 굴착기와 같은 전기 건설 중장비는 장비 하나만으로도 탄소 배출량을 52톤이나 줄일 수 있다.
  • 건설 로보틱스가 사람보다 작업을 더 빠르고 정확하게 수행하는 경향이 있기 때문에 생산 지연을 줄일 수 있고, 따라서 기계를 작동하고 작업 현장을 활동 상태로 유지할 때 발생하는 오염 물질 양이 줄어든다. 로봇의 정확성은 오류 및 재작업으로 인한 자재 낭비 또한 줄인다.

인구 수요를 생각해 보면 주택 위기가 닥쳐왔다고 해도 과언이 아니다. 사람들이 기존 건축 방식으로 계속 건축하려 한다면 지구는 망가질 것이다. 실제로 수요를 충족할 만큼 포틀랜드 시멘트 양을 만들기에는 모래 양이 부족하다.

자동화는 자원 부족 문제 해결을 시작할 수 있는 새로운 재활용 능력 가운데 하나로서 중요한 역할을 수행할 것이다. 예를 들어 영국의 비영리 단체 (WRAP)은 오토데스크와 협업하여 건물의 재활용 판 유리를 호퍼에서 부숴서 녹인 후 깨끗한 새 유리로 만들어 건물에서 나오는 판유리를 재활용하고 있다.

A construction robot assembles lumber structures.
자동화는 프로젝트를 더 빠르고 효율적으로 완성하는데 도움을 준다. 이는 보통 환경에 이익이 되고 더욱 지속가능한 건설을 가능하게 한다.

노동력 부족 격차 감소

ABB 로보틱스(ABB Robotics)와 미국건설업단체연합회(AGC)가 오토데스크와의 파트너십으로 실시한 최근 두 가지 설문조사에서 건설업의 부족한 노동력 규모가 확인됐다.

  • 건설 업체 중 80%가 시간제 기술직 일자리를 채우는 데 어려움을 겪고 있다.
  • 건설 업체의 91%가 향후 10년 동안 기술 위기를 직면할 것으로 예상된다.
  • 건설 기업의 45%가 숙련된 작업자 교육을 위한 현지 파이프라인이 열악하다고 말한다.

건설업에서 노동력 부족을 해결하려면 중고등학교에 직업 교육을 재도입하는 등 다양한 계획이 필요할 것이다. 그러나 건설 자동화 사용을 늘리면 관련 전문가들이 은퇴하고 있는 전통적인 기술에 대한 의존도를 낮추는 동시에 선진 기술을 활용하는 업무에 익숙하고 이를 좋아하는 젊은 인력을 유치하는 복합적인 효과를 얻을 수 있다. 실제로 ABB 로보틱스 설문조사 응답자 중 81%가 향후 10년 내에 건설 자동화 사용을 도입하거나 늘릴 계획을 가지고 있다. 이러한 전략은 기업이 직원들이 100% 효율을 발휘하는 데 필요한 기술을 제공하여 직원을 최대한 활용하도록 돕는다.

하지만 기계가 직업을 자동화하지는 않는다. 작업을 자동화할 뿐이다. 예를 들어 인간은 구멍을 드릴로 직접 뚫는 대신 빠르고 정확하게 구멍을 뚫는 로봇과 협업하고 유지하는 업무를 맡을 수 있다. 그래서 컨설팅 회사 맥킨지 앤드 컴퍼니(McKinsey & Company)는 국가가 기반 시설과 저렴한 주거 공간 개선에 집중한다면 자동화로 인해 일자리가 줄어들지 않고 2030년까지 약 2억 개의 건설 일자리가 추가될 것으로 예상한다.

이러한 이유로 건설 자동화는 건설 회사 및/또는 정부의 보조금을 받아 직장 생활 동안 작업자에게 업스킬링과 리스킬링을 제공하는 평생 맞춤 교육 전략과 함께 이루어져야 할 것이다. AGC/오토데스크 설문조사에 따르면 종합 건설업체의 절반이 이미 경력 개발 프로그램에 참여하고 있다.

또한 대학은 자동화와 관련한 새로운 경력 개발 기회에 대응하고 있다. ETH 취리히, 펜실베니아 대학, 카네기 멜론기타 대학들은 건설업의 자동화된 미래에 특화된 학부 및 대학원 프로그램을 개설했다.

안전성 증가

건설업은 노동자에게 위험한 산업군 중 하나로 알려져 있다. 미국 노동통계청에 따르면, 2019년 미국 건설 노동자의 1.7%가 부상으로 인해 결근해야 했으며, 미국 산업안전보건청(OSHA)에 따르면 미국의 전체 노동자 사망 중 약 20%가 건설업에서 발생했다.

더 많은 건설 프로세스와 작업을 탈 현장 산업화된 건설, 드론, 자율 로봇으로 더 많은 건설 프로세스와 작업을 자동화함으로써 건설업은 낙상, 물체와 충돌과 같은 대부분의 건설 부상 및 사망을 유발하는 위험으로부터 더 많은 사람을 보호할 수 있다. 로봇은 또한 더 크고 무거운 적재량을 감당할 수 있으며, 사람에게 안전하지 않은 공간에서 일할 수 있다.

자동화와 산업화된 건설은 더 많은 건설 프로세스를 통제된 환경으로 가지고 올 수 있으며, 인간의 안전성에 대한 위험도 줄인다

자동화와 산업화된 건설은 더 많은 건설 프로세스를 통제된 환경으로 가지고 올 수 있으며, 인간의 안전성에 대한 위험도 줄인다. 캘리포니아주 새크라멘토에는 사람 없이 1년 내내 소등된 채 운영되는 공장들이 있다. 사람이 없을 때 이 공장들은 매우 안전한 환경이다. 자동화가 사물을 실내에 유지하거나 현장에서 조립을 쉽게 만든다면, 통제할 수 없는 요소로 인한 위험이 줄어든다.

효율성 및 생산 개선

맥킨지 앤드 컴퍼니는 1947년에서 2010년까지 미국에서 건설 생산성은 거의 증가하지 않은 반면 제조업 생산성은 8배 이상 증가했다고 언급했다. 이는 제조를 자동화하려는 부단한 노력이 이뤄졌던 시기와 일치한다. 그 시기가 끝나고도 자동화가 숙련된 노동력 수요를 만들어 냈기 때문에 채워지지 않은 제조 일자리가 여전히 넘쳐났다. 맥킨지는 또한 건설 자동화가 생산성을 높이는 반면 건설 일자리를 줄이지는 않을 것이라고 예측한다. 건설 자동화의 효율성 사례를 보면 그 예측이 맞는 듯하다.

건축 설계 단계에서 자동화를 도입하면 예측 설계와 같은 인공지능(AI) 기능으로 일상적인 작업을 처리하고 설계자는 창의성에 더 많은 시간을 할애할 수 있게 한다. 건설 자동화로 수집되고 디지털로 공유된 데이터는 새로운 방식으로 서로 다른 팀이 협업하도록 돕는다.

그러나 효율성 면에서 가장 큰 도움이 되는 이점은 아마도 실제 건설 현장에서 제공될 것이다. 영국의 사례로는 일크 홈즈(Ilke Homes)가 있는데, 이 기업은 현장에서보다 더 안전하게 공장에서 철골과 모듈형 유닛을 제작하여, 집을 처음부터 건축하는 것보다 더 빠르고 저렴하게 현장에 설치한다. 또한 영국의 컨스트럭션 오토메이션(Construction Automation)은 자사의 자동 벽돌 쌓기 로봇(ABLR)이 더 높은 생산성, 향상된 건강 및 안전 성과, 낮은 비용, 보장된 품질로 벽돌 블록 주택을 짓는다고 말한다.

데이터 수집을 통해 확장된 통찰력 및 분석

본질적으로 건설 자동화는 데이터 흔적을 남긴다. 해당 데이터에 따라 적절하게 분석하고 변경하면 위험을 줄이고, 수익을 높이며, 시간과 자재를 절약할 수 있다. 반대로 부정확하고 온전하지 않거나 일관성 없는 안 좋은 데이터는 2020년 한 해에만 글로벌 건설업에서 약 2,307조원의 손실을 일으킨 것으로 추정된다. 건설 관리 소프트웨어는 데이터를 빠르고 정확하게 변형 및 분석하는 데 도움을 줄 수 있다.

안타깝게도 오늘날 현장의 고객 대부분은 건물을 설계하고 만든 이후에는 다음 프로젝트에 기여할 정보를 거의 보유하지 않는다. 많은 건축 회사들은 자신들의 프로젝트를 눈송이처럼 여긴다. 하나 하나 특별하게 여기고 모두 처음부터 시작한다. 이는 매우 비효율적이다. 만약 모든 건설 프로젝트를 매번 처음부터 시작한다면, 효율적인 자동화를 추진할 정보를 절대 갖지 못할 것이다.

오히려 무엇이 잘되고 잘못되었는지, 기계 면에서 무엇이 실패했으며 사람들이 잘한 부분이 무엇인지 파악하여 향후 프로젝트에 적용할 수 있도록 건설 자동화로부터 충분한 데이터를 수집하여 모든 후속 프로젝트의 효율을 높이는 것을 목표로 삼아야 한다. 이 프로세스를 반복하면 지속적으로 정보가 갱신되어 인공지능과 인간의 협업을 바탕으로 하나 시스템을 개발되고 인간의 지식과 기계의 지식이 모두 더 풍부해지면서 각 프로젝트가 더 큰 성공을 거둘 것이다.

An engineer consults a tablet as he works alongside a construction robot.
수집된 건설 정보를 지속적으로 새로운 프로젝트에 적용하면 인간과 인공지능의 협업이 개선된다.

높아진 예측 가능성과 품질 향상

검사와 허가를 위한 표준 건설 프로세스는 제조업에 비해 비효율적이다. 제조업체가 어떤 예측 가능한 품질 수준에서 무언가를 반복적으로 지을 수 있다고 증명하면, 검사 인증인 UL(Underwriters Laboratories) 인증을 받게 된다. 건설업이 자동화와 산업화된 건설을 더 많이 받아들일수록 반복 가능하고 예측 가능한 좋은 품질의 건축 구성재를 바탕으로 검사 프로세스를 더 줄일 수 있다.

팩토리 오에스가 지역 검사관을 현장에 상주시키고 필요한 경우 공장에 머무를 수 있도록 한 것은 정말 잘한 일이다. 이 검사관들은 팩토리 오에스가 발명하고 표준화한 모든 프로세스를 점검한다.

확장성

산업화된 건설은 구성요소가 표준화되면 대규모 프로젝트를 더 쉽게 만든다. 예를 들어 어떤 건물에 2천 개의 배관 벽 또는 많은 수의 욕실 공간이 필요하다면, 탈 현장 제조업체는 이러한 구성재를 사전에 제작하여 보관했다가 필요할 때 현장에 정확히 배송한다. 이러한 구성재를 얻기 위해 자재, 물품 및 노동력을 기다리지 않아도 되기 때문에 규모가 큰 프로젝트에서 일정을 앞당길 수 있다. 또한 이러한 구성재가 맞춤화 가능할 정도로 표준화되면 건물 프로젝트 규모를 보다 쉽게 확장할 수 있다.

A construction worker checks a building model on a tablet at the jobsite.
건설 자동화는 본질적으로 많은 데이터를 수집한다. 핵심은 해당 데이터를 사용하여 무엇이 잘되고 잘못되었는지, 다음 프로젝트를 위한 프로세스 개선 방법이 무엇인지 파악하는 것이다.

건설 자동화의 미래

제조 업계가 보여주었듯이 자동화가 채택 단계에 접어들면 특정 규모 이상의 기업이 경쟁력을 유지하기 위해서는 자동화를 이행해야만 하는 시기가 찾아온다. ABB로보틱스의 글로벌 설문조사에 따르면 2021년 현재 건설 회사 중 55%만이 로봇을 사용하고 있지만(미국에서는 수치가 더 낮다), 언급된 건설 자동화 도입에 대한 관심과 기술 부족, 건설에서의 지속가능성 개선 요구를 고려하면 자동화 및 로보틱스의 대대적 채택은 머지않아 건설의 표준이 될 것이다. 그러나 이러한 대대적 채택은 어떻게 이루어질까?

우선 건설 자동화는 건설 환경을 형성하기 위해 제조업 기술을 계속해서 건설에 맞게 변형할 것이다. 오토데스크가 팩토리 오에스와 진행한 적당한 가격의 지속가능한 주택 프로젝트는 체적 모듈형 건설을 만들기 위해 선진 제조 기술을 계속해서 모색할 것이다. 오토데스크 기술 센터는 더 많은 자동화 기술을 공장에 적용하기 위해 팩토리 오에스와 함께 혁신 연구소를 개발하는 등 여러 기업과 함께 건설 자동화 혁신에 매진하고 있다.

시미즈(Shimizu)가 가장 최근에 선보인 로봇인 로보 버디 플로어(Robo-Buddy Floor)는 장인이 이중 바닥을 설치하는 것을 돕는 산업용 로봇 시스템이다. 시미즈 스마트 사이트(Shimizu Smart Site)의 또 다른 요소는 세 로봇으로 구성된 팀이다. 한 로봇이 건식 벽과 같은 자재를 위로 올라가는 로봇 엘리베이터로 가져가면 세 번째 로봇이 엘리베이터에서 물건을 내린다. 잘 보면 이것은 자동화 제조 시설이다. 수평이 아니라 수직으로 이동한다는 점이 다를 뿐이다. 시미즈의 시스템은 본질적으로 빌딩 전체를 공장으로 바라본다. 이 상호 연결된 로봇 기술은 건설을 별개의 작업이 아닌 상호 연결된 시스템으로 여긴다.

A robotic system helps craftspeople install raised flooring.
시미즈의 로보 버디 플로어 로보틱 시스템은 장인이 이중 바닥 설치하는 것을 돕는다. 제공: 시미즈.

건설 자동화는 분산 제조와 같은 방향으로 움직이기 시작하였고, 정교한 자동화는 팩토리 오에스처럼 계속 개선되는 모듈형 조립 산업화 건설을 통해 시미즈의 스마트 사이트와 같은 현장 조립을 도와준다. 건설 산업화는 건설 자동화와 구분되는 한편, 건설이 진행되는 방식을 개선하기 위한 자동화 가능성에 중요한 역할을 한다.

생산성, 노동력 부족, 자재 낭비, 생산 시간 등 제조업에서 발생하는 많은 문제점이 건설업에서도 발생한다. 자동화는 제조업이 이러한 모든 문제를 해결하거나 해결하려고 노력한 방식이다. 현재 건설 자동화는 건설 환경 개발에 산적한 문제점을 해결할 준비가 되어 있다.

지난 50년 간 건설 자동화는 크게 성장했으며, 현재 건설업을 괴롭히는 일부 문제를 해결하는 데 기여할 시기가 무르익었다는 점은 분명하다. 건설 자동화는 첨단 기술을 좋아하는 젊은 인력을 유치하여 숙련된 노동력 격차를 해결하는 데 도움을 줄 수 있고, 모든 작업자를 위해 작업 현장을 더 안전하게 만들고 데이터 수집을 통해 통찰력과 분석력을 높일 수 있다. 무엇보다 주택 위기를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 건설은 환경에 좋지 않기로 악명이 높은데, 세계 인구가 증가하면서 자동화 기술, 탈 현장 모듈러 건설, 로보틱스 및 전기 건설 장비처럼 보다 지속가능한 구조물을 설계하고 건설하는 것이 앞으로 많은 세대를 위해 더 나은 세계를 만드는 데 도움을 줄 수 있다.

이 글을 쓰는 데 도움을 준 오토데스크 글로벌 기술 센터 네트워크 팀장인 네이선 킹(Nathan King) 박사와 기술 전문 프리랜서 작가 마커스 로비토(Markkus Rovito)에게 감사의 말씀을 전한다.

필자 소개

오토데스크 리서치의 M&E 산업 미래 시니어 디렉터인 마크 데이비스(Mark Davis)와 그의 팀은 새로운 기술, 차세대 소프트웨어 솔루션 및 몰입형 체험을 조사하고 입증한다. 지난 5년 동안, 팀은 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)에 통합된 제너레이티브 디자인을 개발하기 위해 AI, 시뮬레이션 및 선진 제조에 대한 연구를 진행했다. 이 연구는 메르세데스-벤츠, 필리프 스타르크(Philippe Starck) 및 NASA의 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Lab)와의 프로젝트들에 사용되었다.

Profile Photo of Mark Davis, Autodesk Sr. Director - KR