KIEAE Journal

2019년 국토교통부에서 발표한 ‘2018년 기준 전국 건축물 현황’에서 50층 이상의 초고층 건축물이 107개인 것으로 조사되었으며 현재 건축 중이거나 건축 예정인 건물까지 합하면 앞으로 국내 초고층 건축물 수는 계속 증가할 것이다[1]. 초고층 건축물은 도시 내 좁은 대지를 효율적으로 사용할 수 있는 고밀도 복합개발이 가능하다는 장점이 있음에도 불구하고 화재 발생 시 현재 소방활동 수준으로는 진압의 한계가 있으며 건물 용도의 다양화로 인해 화재위험요소가 잠재적으로 폭 넓게 산재되어 있어 화재 발생 시 일반 저층 건축물에 비해 많은 인명과 재산 피해가 발생할 수 있는 취약성이 존재한다. 이에 초고층 건축물은 적절한 피난 계획과 설비시스템을 통한 초기 화재 진압 및 대응, 화재 위험을 정확하게 감지하고 소화할 수 있는 대책 수립이 일반 건축물에 비해 매우 중요하며 이는 건축계획단계에서부터 반드시 고려되어야 한다.

초고층 건축물의 방재에 대한 국내 법률적 기준으로는 건축법과 2012년부터 시행된 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 의한 특별법이 있으나 초고층 건축물의 피난 관련 기준이 일반 건축물과 크게 다르지 않아 초고층 건축물의 특성을 반영하지 못하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 2012년 소방시설공사업법에 의거하여 30층 이상의 특정 소방대상물에 대해서 의무적으로 성능위주방재설계(Performance Based Design, PBD)를 계획하도록 하고 있으나 아직 성능설계에 대한 구체적인 판단 기준이 모호한 실정이다. 즉, 성능기준이라 하는 것은 사양적 기준의 대체가 아닌 보완 또는 상위개념의 성능을 확보하는 것으로 명시된 법적기준을 토대로 건물의 특성 또는 설계 및 계획 등의 과정에서 사례에 맞게 적용되어야하기 때문에 무엇보다도 건축계획 분야의 법률적 근거의 확립과 개정이 필요한 상황이다.

이에 본 연구에서는 초고층 건축물과 관련된 국내외 피난 관련 법규를 비교 분석하고, 실제 건물 사례의 피난계획을 바탕으로 피난 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 초고층 건축물의 피난 계획 특성과 보완사항을 도출하고 분석하는 과정을 통해 국내 초고층 건축물 피난 기준의 개선방안을 제안하고자 한다.

본 연구는 초고층 건축물 피난과 관련하여 국내 법규와 초고층 건축물이 활발히 건축되고 있는 중국의 건축설계방화규정(GB50016-2014), 미국의 IBC, 싱가포르의 SCDF(Singapore Civil Defence Force)에서 제공하는 피난계획 가이드라인(Code of practice for fire precautions in buildings), 영국 건축법의 Approved Document B. Fire safety, BS(British Standard)와 비교 분석하여 국내 법규의 문제점을 도출하였다. 이 후 실제 설계된 초고층 건축물의 특성을 고려한 피난 시나리오를 작성하여 피난시뮬레이션을 실시, 실제 초고층 건축물의 피난 특성을 도출하여 국내 법규의 개선 사항을 제안하고자 한다.

건물 화재 시 방재 대책은 건축시설을 통해 재실자의 피난을 확보하는 건축 계획적 측면과 피난 설비 설치 등 소화활동에 중점을 둔 소방법적 측면으로 구분된다. 본 연구에서는 설비시스템에 의한 방재 계획은 건축물마다의 개별적인 특성에 따라 달라질 수 있으므로 제외하고, 건물 내에서의 원활한 피난을 위하여 건축계획단계부터 고려가 되어야 하는 건축 계획적 피난설계에 한하여 법규 및 시나리오 분석을 기반으로 연구를 진행하였다.

초고층 건축물의 정의는 각 국가마다 정의하는 바가 다르다. 우리나라는 건축법 시행령 제2조(정의)의 15에서 층수가 50층 이상이거나 높이가 200m 이상인 건축물을 초고층 건축물로 정의하고 있으며, 49층 이하의 고층 건축물은 준초고층 건축물로 구분하고 있다. 한편, 중국은 고층민용건축설계방화규범에서 100m 이상의 높이를 가진 건축물을 초고층 건축물로 정의하고 있으며, 미국은 초고층 건축물에 대한 법규상의 정의 기준은 없으나 NFPA(National Fire Protection Association)의 Chapter 3의 3.3.37.7 및 IBC Code에서 높이 75피트(약 23m)를 초고층 빌딩으로 규정하고 있다. 또한, 싱가포르에서는 Code of practice for fire precautions in buildings의 1.4.99에서 40층 이상의 건물을 초고층 건축물로 정의하고 있다. 이와 같이 초고층 건축물은 층수 또는 높이에 따라 명확히 구분되어 있지 않으며 세계 초고층도시건축학회(CTBUH : Council on Tall Building and Urban Habitat)의 기준인 층수 50층 이상 또는 높이 200m 인 건물이 일반적인 정의로 인정되고 있다[2].

초고층 건축물 화재 특성의 가장 큰 원인은 건물의 수직화이다. 화재 성상은 일반 건축물과 유사하지만 건물의 수직화로 인하여 지상으로 피난이 어려우며 소방대에 의한 화재진압이 거의 불가능함으로써 초기 화재 진압 및 피난이 원활히 되지 않는 경우 많은 인명과 재산 피해가 발생하게 된다. 이러한 초고층 건축물의 화재 특성은 다음과 같다[2].

첫째, 화재하중의 증가이다. 화재하중은 단위 바닥면적에 대한 가연물의 양으로 화재하중의 증가는 연소 속도의 증가 및 대형화재로의 가능성을 높아지게 하는데 초고층 건축물은 에너지 사용량 및 사용 장소와 용도가 다양화되어 있어 화재 위험성이 폭넓게 분포하고 있다.

둘째, 수직적 구조로 인한 화재․ 연기확산이다. 건물 높이에 따른 연돌효과로 인하여 화재 발생 시 불길 및 연기가 승강기 및 계단실을 통해 급격하게 상승 및 확산되어 피해 면적과 인원이 증가될 가능성이 높다.

셋째, 소방 진압의 한계성이다. 초고층 건축물의 화재는 소방 사다리차 높이의 한계와 고층 건물이라는 특성 상 인명 구조 및 화재 진압에 한계성을 갖는다는 점이다. 현재 국내에 도입된 최고 높이의 소방 사다리차는 굴절형으로 70m밖에 되지 않아 50층 초고층 건물 높이의 절반 수준도 되지 않는다.

마지막으로 재실자 피난의 어려움이다. 화재 발생 시 재실자의 수직 대피는 주로 계단으로 이루어지며 이는 초고층 건축물에서도 마찬가지이다. 하지만 고층에서 지상으로 바로 대피하는 것이 어렵고 많은 수용인원이 동시에 계단으로 피난하게 될 경우 대피 속도의 지체 및 패닉현상이 발생될 수 있어 중간 대피층 및 피난안전구역의 역할이 매우 중요하다.

이러한 화재 특성으로 인하여 초고층 건축물은 초기 화재 진압과 재실자의 안전한 대피 계획이 선행되고 동시에 소방 활동이 시작되어야 하며 이에 대한 자세한 기준 및 근거가 법적으로 마련되어야 한다.

건물에서의 피난 방법은 재실자가 위치하는 곳에서 출입문 또는 피난계단까지의 수평피난, 계단 및 승강기를 이용하여 안전한 지역으로 이동하기 위한 수직피난, 옥외 피난과 연결되거나 중간 대피층으로서 역할을 하게 되는 피난안전구역으로 이루어진다. 이러한 피난 방법들에 대한 국내, 중국, 미국, 싱가포르, 영국의 피난계획기준을 비교․ 분석하고자 한다.

초고층 건축물의 피난 관련 법규 체계를 살펴보면, 중국은 초고층 건축물의 피난 계획 기준에 대하여 초고층 건축물의 용도별로 구분하여 제시함에 따라 다른 국가들보다 초고층 건축물의 피난에 대하여 적극적으로 대응하고 있다. 미국과 싱가포르는 초고층 건축물에 대하여 고유한 요구사항을 별도의 장에서 제시하고 이러한 기준은 일반 피난 계획 기준을 함께 따르도록 하며, 영국은 초고층 건축물에 대한 별도의 규정 없이 건축법을 기반으로 성능위주방재설계를 하도록 되어 있다. 국내에서는 보행거리와 피난안전구역에 대해서 초고층 건축물에 대한 별도의 규정을 제시하고 그 외의 피난 계획 기준은 미국. 싱가포르, 영국과 마찬가지로 건축법의 일반적인 기준을 따르도록 되어 있다.

이러한 사항을 바탕으로 수평피난, 수직피난, 피난안전구역의 계획 기준을 국외 기준과 비교 분석한 결과에 따른 국내 법규 기준의 문제점을 다음과 같이 도출 할 수 있다.

첫째, 일괄적으로 제시된 기준이다.

국내에서는 보행거리와 복도 폭, 계단의 계획 기준이 건물의 용도 및 인원수와 관계없이 일괄적인 기준으로 제시되어 있다. 수평․ 수직피난계획 중 복도와 계단의 폭은 화재 발생 시 많은 인원이 한꺼번에 이동함에 따라 병목현상이 발생할 수 있으며 이는 곧 다음 피난처로 이동하는데 어려움을 줄 수 있다. 중국, 미국, 싱가포르, 영국에서는 최소 기준을 제시하고 건물의 용도에 따라, 수용인원에 따른 피난용량에 따라 보행거리, 복도 폭, 계단에 대한 계획 기준을 별도로 계산하여 계획하거나 세부 기준을 제시하고 있다. 현재 건물의 바닥면적에 따라 수치적인 기준을 획일적으로 제시하고 있는 국내법은 대규모의 인원이 상주하는 초고층 건축물의 특성을 충분히 반영할 수 없어 효율적인 설계에 어려운 측면이 있으므로 피난 계획 기준을 재실자 밀도 또는 피난용량을 고려한 기준으로 개정할 필요가 있으며 특히 이러한 방법을 고려한 복도 및 계단의 폭, 계단 개수 관련 계획 기준은 원활한 피난을 위한 가장 효율적인 방법이 될 수 있다.

둘째, 피난안전구역에 대한 기준이다.

피난안전구역은 초고층 건축물 피난 계획에 필수적인 부분으로 많은 재실자를 보호할 수 있는 장소이지만 국내 법규의 설치 기준은 다른 나라의 기준에 비해 상대적으로 부족한 수준이다. 먼저 설치 위치를 살펴보면, 중국과 싱가포르가 각각 15층, 20층 이내마다 설치하도록 되어 있는 반면 국내는 30층마다 설치하도록 되어 있어 거의 2배 정도의 차이를 보이고 있다. 화재 발생 시 재실자가 30층 간격으로 설치되어 있는 피난안전구역으로 이동하는 데에는 상당한 시간의 소요 및 체력적으로 문제를 야기시킬 수 있으며 다음 피난안전구역 사이의 모든 재실자들을 수용함에 있어 면적의 한계가 발생할 수 있다. 피난 안전구역의 설치면적에 대하여 건축법 개정과 초고층재난관리법, 소방시설공사업법의 시행에 따라 피난안전구역의 면적 산정 기준을 제시하고 있으나 각 법규마다 면적 산정 기준의 재실자 밀도를 나타내는 용어가 수용인원, 거주밀도 등의 서로 다른 용어를 사용하고 있고 무엇보다 재실자 밀도 기준이 공통된 분류가 아닌 공간 용도 및 정량적 수치 기준이 개별적으로 규정되어 있다. 이에 피난안전구역 설치 개수 및 위치의 기준 강화와 산재되어 있는 초고층 건축물 피난 관련 기준의 통합된 지침 마련 개선이 요구된다.

셋째, 피난에 취약한 장애인들에 대한 고려이다.

미국과 영국의 법규에서는 피난에 취약한 장애인들의 안전한 이동과 보호를 위하여 휠체어 이동 공간을 고려하여 설계하도록 규정하고 있으나 국내에서는 이에 대한 기준이 미비하다고 할 수 있다. 특히 피난에 취약한 장애인들이 유일하게 이용할 수 있는 승강기와 피난안전구역에 대해서 이러한 상황을 고려하여 휠체어의 점유면적 및 이동 공간을 고려한 계획 기준의 마련이 필요하다고 판단된다.

중국을 제외한 다른 국가들도 국내와 마찬가지로 초고층 건축물이 일반 건축물의 피난 계획 기준을 따르도록 되어 있으나, 그 기준을 비교한 결과 국내 피난 계획 기준이 획일적이고 타 국가의 기분보다 다소 완화되어 있음을 알 수 있다. 이에 초고층 건축물의 안전한 피난 계획을 위해서 국내 피난 관련 법규의 강화된 기준 개선이 필요하다.

국내 초고층 건축물 피난 관련 법규 기준 개선방향을 모색하기 위하여 실제 설계된 초고층 건축물의 피난 계획 및 피난 시뮬레이션을 통해 실제 특성을 도출 및 고려하여 개선사항을 제안하고자 한다.

초고층 건축물의 성능위주 피난설계는 기본적으로 사양적 법규 기준을 토대로 건물의 특성에 따라 상위성능을 확보하도록 계획 및 평가되어야하기 때문에 설계자의 혼란을 바지하고 안정성을 확보하기 위해서는 사양적 법규의 정확한 기준 제시가 필요하다. 이에 본 연구에서는 실제 초고층 건축물 사례의 특성과 피난계획을 기준으로 피난 시나리오를 작성․분석하여 피난 관련 기준 개선에 필요한 사항을 도출함으로써 법규의 객관성을 확보하고자 하였다. 사례 분석 건물의 개요 및 적용된 피난계획에 대한 사항은 Table 5.와 같다.

본 연구에서 사용된 피난 시뮬레이션 소프트웨어 SIMULEX는 영국 IES(Integrated Environmental Solution LTD)사에서 제작한 프로그램으로써 재실자들의 피난 행동 패턴에 관련된 현상을 자세히 예측하여 실제와 유사한 데이터인 시뮬레이션 결과를 연구의 기초적인 자료로 활용가능하다[4]. 시뮬레이션은 건축물에서 재실자가 화재 등의 이유로 피난할 때 소요되는 피난시간을 분석하며, 건물 평면을 모델링하고 건물 이용 재실자의 수, 특성, 속도 등을 입력하여 모든 인원의 동시 피난을 전제로 한다. Fig. 1.은 시뮬레이션에서 피난 시 각 개인의 신체를 나타내는 평면이다. Rt는 신체의 반경을 뜻하며, Rs는 어깨 반경, Rb는 신체의 회전반경이다. 피난 시뮬레이션에서의 보행속도는 피난자와 피난계단까지의 최단 동선으로 분석되며 개개인별로 동일한 정상 보행 속도는 0.8~1.7m/s의 범위에서 무작위로 설정된다.

Fig. 1. 
The Definition of a ‘Body’ within Simulex

사람 사이 간격이 가까워질수록 보행 속도는 감소되며 앞지르기, 회전, 옆·뒷걸음까지 모두 표현된다. 계단 하행 보행 시에는 평지 보행 속도의 절반 정도의 속도이며, 계단 상행 보행 시에는 평지 보행 속도의 0.35 정도로 속도이다[4].

건물의 피난에서 가장 안전한 이동은 특별피난계단에 의한 지상으로의 피난이지만 초고층 건축물은 수직적 이동거리가 매우 길기 때문에 본 연구의 피난 시나리오 기본 계획은 피난안전구역으로의 이동을 피난이 완료되었다고 보는 것으로 평가하였다. 피난 기준 인원은 초고층 건축물의 사용 용도를 기준으로 호텔은 최대 재실자수를, 오피스는 평균 이용객을 기준으로 산정하여 진행하였다(Table 6.).

초고층 건축물의 피난 계획은 해당 건축물의 건축 계획 특성에 따라 설계되고 시설을 반영함에 따라 피난 시나리오를 획일적으로 구성하여 적용할 수 없으므로 발화지점 및 피난이동경로 등의 특성을 위주로 Fig. 2.와 같이 구성하고 발화지점은 기계실과 호텔 객실부로 설정하였다. Lotte World Tower와 Shanghai Tower는 피난안전구역이 피난대상 층들의 중앙에 위치하도록 구성하였으며 One World Trade Center와 Burj Khalifa는 피난안전구역 및 피난 완료층이 피난대상층의 하층부에 위치하여 전체적으로 피난동선이 긴 시나리오를 구성하여 피난안전구역의 위치에 따라 재실자 이동에 따른 진출입과 병목현상 유무 등을 통해 안전성을 검토하였다. 추가적으로 피난안전구역에서 피난용 승강기를 탑승하여 옥외로 탈출하는 것을 최종 피난 완료 기준으로 하여 계산식으로 반영하였다.

Fig. 2. 
Evacuation Scenarios

각 건물의 실제 피난 특성을 기준으로 한 피난 시나리오를 예측하여 시뮬레이션 한 결과 Fig. 3.과 같은 피난 이동경로를 나타내고 있으며, 시뮬레이션의 시나리오 및 최종 결과는 Table 6.과 같다.

Fig. 3. 
Evacuation evacuation route

시뮬레이션 결과, Lotte World Tower는 재실자들이 피난안전구역으로 대피 완료하기 까지 약 8분의 대피시간이 필요하였으며, 피난안전구역에서 10m/s 속도의 피난용 승강기로 피난 완료층인 1층으로 대피할 경우 소요시간은 약 37분이다. 실제 피난 시 재실 인원이 피난안전구역까지 전체 대피하기 전에 피난용 승강기가 가동되므로 최종피난완료시간은 약 40분 내외로 판단된다. Shanghai Tower의 외부공간으로 대피하는 시나리오에서는 12분 내외로 피난안전구역으로 대피한 재실자들이 상기 적용한 조건의 피난용 승강기로 피난 완료층인 1층까지 피난할 경우 소요시간은 86분으로 최종완료는 약 88분 내외로 판단된다. Shanghai Tower는 더블데크 승강기 시스템을 적용하였으므로 실제 피난시간은 이보다 단축될 것으로 예상된다. One World Trade Center는 재실자들이 피난안전구역으로 대피하는 시간이 20분이며, 피난용 승강기로 1층까지 피난하는 시간은 34분으로 최종완료시간은 약 38분 내외로 판단된다. 마지막으로 Burj Khalifa는 42층의 피난안전구역까지 약 28분, 피난용 승강기로 피난 완료층인 1층으로 이동할 경우 115분이 소요되어 약 116분 내외를 최종완료시간으로 판단하였다.

이는 초고층 건축물의 피난안전구역과 피난용 승강기를 활용한 외부피난완료의 특성에 의한 것으로 실제 고층에 위치한 피난안전구역의 경우 더 많은 시간이 필요한 것으로 판단된다. 특히 Fig. 4.와 같이 각 층에서 피난계단까지의 이동에 따라 병목현상이 발생하고 피난안전구역 또는 외부로의 이동이 가능한 피난계단의 긴 이동경로에서도 Fig. 5.와 같은 병목현상 및 각 층에서의 진출입 등의 문제가 발생할 수 있다.

Fig. 4. 
Evacuation congestion of residents in Shanghai Tower

Fig. 5. 
Staircase entry and exit in One World Trade Center

초고층 건축물의 피난안전구역은 피난의 목적지가 될 수 있지만 최종적인 안전 확보는 피난의 완료인 외부 탈출이기 때문에 고층부에 위치하고 피난자의 수가 많은 경우 상당한 시간이 필요하다. 또한 피난용 승강기 역시 사용의 제한 및 이동에 따른 대기시간 등이 발생하게 되어 이를 고려한 피난 및 방재계획이 필요하다. 이와 같이 저층부에 비해 고층부에서 피난 완료층인 1층으로의 이동시간이 길기때문에 피난용 승강기의 특성에 대한 명확한 기준과 승강기와 직결된 직통계단의 확보가 필요함을 시사하며 전체적인 초고층 건축물 계획에서 반드시 함께 고려되어야 한다.

시뮬레이션 프로그램의 특성상 피난을 위한 이동 알고리즘에 있어 다양한 피난계획 및 재실자의 판단에 의해 다른 경로 등을 선택하지 않고 정해진 피난안전구역으로 최단거리만을 사용하여 이동하게 되어 병목현상, 진출입문제 등이 동반되어 실제와 다소 차이가 발생할 수 있으나 이동경로가 되는 특별피난계단의 특성과 재실자의 진입형상에 따라 대동소이 할 것으로 판단된다. 시뮬레이션 결과 피난용 승강기에 의한 최종 피난의 최대시간은 Burj Khalifa의 116분 내외로 피난안전구역의 내화구조 2시간 범위 전제 조건 내에서 안전하다고 예측할 수 있다. 그러나 이것은 피난안전구역 자체의 구조적 안전성을 확보했다는 의미일 뿐 연기 등에 의한 인간의 호흡 안정성 및 화재에 의한 패닉 상태 등의 추가적인 특성이 고려되지 않은 결과이기 때문에 실제 건축물 화재 시에는 이러한 요소가 함께 발생하게 되어 피난요구시간이 상당히 증가할 가능성이 높다. 따라서 원활한 피난과 안전성을 확보할 수 있도록 사양적 법규 기준의 강화가 필요하다.