건설 비용의 변동성, 높은 이자율, 상승하는 인플레이션, 그리고 심화되는 노동력 부족 등의 도전과제 속에서 스마트 건설기술이 2024년 한국 건설 산업의 변화를 이끌고 있다. 이 기술들은 건설 산업을 자동화, 지능화, 지식화하기 위한 방향으로 발전하며, 모듈러 및 제조화, BIM, AI, 로보틱스, VR/AR/메타버스, IoT, 빅데이터, 드론 등을 포함한다. 이러한 배경 하에, 스마트건설기술의 핵심 키워드를 중심으로 이 기술들이 어떻게 건설 산업의 혁신을 주도하고 있는지, 그리고 이들이 건설 프로젝트의 계획 및 설계, 시공, 그리고 유지관리 단계에서 어떤 근본적인 변화를 가져오고 있는지 살펴보고자 한다.

1) 계획 및 설계 단계의 변화와 혁신

  
스마트 건설기술, 특히 DfMA, BIM과 AI의 도입은 설계 단계에서 혁신을 가져왔다. BIM은 프로젝트의 시각화를 통해 설계 오류를 사전에 감지하고, 비용 및 일정 관리를 최적화한다. 그리고BIM과 머신러닝을 결합한 생성적 설계(Generative Design) 방식을 이용하여, 다양한 설계 옵션을 빠르게 도출 함으로써, 사전 타당성 검토 및 평가 과정에 스마트 건설 기술과 그 관련 기법이 적극적으로 활용된다. AI는 정확한 재료량과 최신 단가를 반영한 견적 작성, 건축 구조에 관한 복잡한 엔지니어링 계산, 설계 오류의 영향을 평가, 복잡한 건축 모델링을 단시간 내에 완성할 수 있게 도와준다.  OSC(Off-Site Construction) 건설방식을 적용하는 모듈러 건축의 경우, 'Design for Manufacture and Assembly'(DfMA)라는 개념을 기반으로 설계 초기 단계부터 제조 및 조립의 용이성을 고려하여, 구조 요소를 최적화하는 설계 접근 방식을 적용한다. 설계자와 엔지니어는 스마트 건설기술과 DfMA를 활용하여, 더욱 효율적이고 경제적인 설계안을 마련한다.

2) 시공 단계의 효율성 증대 및 혁신

스마트 건설 기술의 적용은 시공 단계의 패러다임을 혁신적으로 변화시키고 있다. 이러한 변화의 중심에는 Off-Site Construction(OSC)과DfMA의 적용이 있다. 공장에서 사전 제작된 구성 요소의 사용은 건설 현장의 작업량을 크게 줄인다. 이는 현장에서 발생할 수 있는 여러 가지 리스크를 최소화하는 동시에, 작업 환경의 안전성을 대폭 향상시킨다. 사전 제작된 부품은 높은 품질 표준 하에 제조되므로, 현장에서 조립만 이루어짐에 따라 시공 과정에서 발생할 수 있는 오류의 가능성이 현저히 감소한다. 또한, OSC와 DfMA는 시공 시간의 단축에도 기여한다. 이는 건설 프로젝트의 전달 속도를 높이고, 비용 효율성을 개선하는 결과로 이어진다. 이러한 접근 방식은 또한 지속 가능한 건설을 실현하는 데에도 기여한다. 공장에서의 사전 제작 과정은 재료 낭비를 최소화하며, 현장에서의 에너지 사용과 폐기물 발생을 줄인다. 이는 전체적인 프로젝트의 환경적 발자국을 감소시키며, 건설 산업의 지속 가능한 미래로 나아가는 데 중요한 단계를 마련한다.

로봇 기술, AI, 드론, 디지털 트윈, 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술, 3D and 4D Printing 의 적용은 시공 단계에서의 효율성을 대폭 향상시킨다. 로봇 기술은 크게 지상 로봇과 비행 로봇으로 분류된다. 지상 로봇은 주로 반복적이거나 육체적으로 힘든 작업, 예를 들어 벽돌 쌓기, 프리패브 부품 조립, 철근 설치, 구조물 해체 등에 활용된다. 반면, 비행 로봇은 도심 항공 모빌리티(UAM)의 진보와 더불어, 카메라, 레이저 스캐너, 액션 카메라 등을 탑재하여 측량, 점검, 감시 또는 수송 수단으로 사용된다. AI는 기계 학습을 통해 이전 프로젝트의 데이터를 분석하고, 현재 진행 중인 작업의 효율성을 평가하여, 작업 스케줄을 최적화 함으로써, 프로젝트의 진행 상황을 모니터링하고, 예상치 못한 지연을 예측하여 적절한 조치를 취할 수 있게 해준다. 그리고 측정 장비와 통합되어 시설 안전 진단을 수행하며, 실시간 건설 리스크 관리를 통해 프로젝트의 효율성과 안전성을 향상시킨다. 드론을 통한 사이트 감시는 공사 진행 상황을 실시간으로 모니터링하고, 안전 문제를 식별할 수 있게 한다. 디지털 트윈은 실제 건설 프로젝트의 디지털 복제본을 생성하여, 설계와 시공 과정에서의 문제점을 사전에 식별하고 해결하는 데 사용된다. 이 기술은 프로젝트 팀이 실제 현장 작업을 시작하기 전에, 가상 환경에서 다양한 시나리오를 시뮬레이션하고 테스트 가능하게 하여, 프로젝트의 시공성을 개선하고, 예상치 못한 문제로 인한 비용과 시간의 손실을 방지할 수 있게 돕는다.

 5G와 6G와 같은 첨단 통신 기술의 진보로, 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술이 큰 발전을 이루고 있다. 건설 업계에서 VR과 AR의 적용은 VR과 AR 기술을 이용해 건설 현장을 원격으로 관리하며, 프로젝트의 진행 상황, 품질, 안전 정보 등을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 시각화정보를 제공한다.

3D 프린팅은 3차원 설계를 기반으로, 구조물의 일부나 전체를 자동화된 장비로 제작함으로써,  건설 분야에서 복잡한 형태의 구조물이나 개별 맞춤 부품을 신속하고 정밀하게 구현할 수 있게 해준다. 또한, 재료 낭비를 줄이고 인건비를 절감하는 경제적 이점도 가진다. 비록 대규모 건설 프로젝트에의 3D 프린팅 적용은 아직 초기 단계이나, 향후 건설 산업에 큰 변화를 가져올 잠재력을 지니고 있다. 한편, 4D 프린팅은 3D 프린팅을 바탕으로, 외부 자극에 반응하여 형태가 변화하는 스마트 소재를 사용하는 기술이다. 이 기술은 건축물이나 교량, 도로 등이 스스로 복구 가능한 소재로 제작되게 하여, 유지보수 및 보수 작업의 경제성과 편리성을 크게 향상시킨다.

3) 유지관리 단계에서의 지능적 관리 혁신

  
유지보수 단계에서 로봇 기술, 디지털 트윈, 그리고 VR과 AR을 활용한 메타버스 기술은 건축물과 인프라의 안전 평가 및 전 생애주기 관리 시스템의 개발에 중요한 역할을 한다. 이 기술들은 건축물의 성능 데이터를 실시간으로 분석하여 유지보수의 최적 타이밍을 예측하고, IoT 센서는 건물의 환경과 장비 상태를 모니터링하여 예상치 못한 문제를 사전에 감지한다. 빅데이터는 건축물 운영 이력을 분석하여 유지관리 전략을 최적화하고, BIM은 유지보수 작업을 시각적으로 계획하고 실행하는 데 필수적인 정보를 제공한다. 이러한 기술의 통합적 활용은 유지관리 비용을 절감하고, 건축물의 수명을 연장하는 데 기여한다. 모듈러 건축물에서 이러한 기술의 활용은 특히 유리한데, 이는 구조적 요소가 사전 제작되어 표준화되고, 높은 품질로 제공되기 때문에 유지관리가 더욱 예측 가능하고, 효율적으로 이루어질 수 있기 때문이다. 따라서, 스마트 건설 기술의 활용은 일반 건축물과 모듈러 건축물 모두에서 유지관리 비용을 절감하고, 건축물의 수명을 연장하며, 전반적인 운영 효율성을 향상시키는 결정적인 방법이 된다.

모듈러 건축물유닛 제작모습(M3 시스템즈)

모듈러 오피스건물 -용인시 신갈동 소재(M3시스템즈 제작 설치)

 스마트 건설 기술의 활발한 도입과 발전은 건설 산업을 지속 가능하고 효율적이며 환경적으로 책임 있는 방향으로 전환시킨다. 미래 지향적인 건축 방식의 적용은 새로운 건축물의 창출을 넘어 사회의 환경적 의무 이행과 직결되며, 이는 건설 산업의 미래 전략의 핵심이 된다. 앞으로 적용될 혁신적 기술들은 건설업의 난제 해결과 산업 생산성의 증가에 크게 기여할 것이다. 그러나 스마트 건설의 성공적인 진행을 위해서는 정부의 정책 지원이 필수적이며, 이에 따른 인력 교육, 시범 프로젝트 실시, 그리고 성과 평가가 요구된다.

<본 고는 2024년 3월 국토일보에 기고한 내용을 재편집한 것임>