건설 현장 안전 환경 개선을 위한 설계 안전성 검토 활용 방안

1.1. 연구의 배경 및 목적

지금까지 국내의 건설 현장 안전 재해와 관련하여 많은 연구와 개발이 이루어 졌지만 해마다 건설 현장에서 발생하는 재해는 증가하는 추세이다. 2018년을 기준으로 건설업에서 발생하는 재해자수가 12,289명으로 전체 산업에서 25.5%, 사망자수는 전체 사망자수의 25.2%인 270명이며, 이중에서 중소규모 건설 현장인 5~49인 건설사업장에서 115명의 사망자가 발생하고 있어 타 산업에 비해 안전에 취약함을 보여주고 있다 [1].

지금까지의 연구들은 대부분 재해 요인 분석, 건설 근로자 안전의식 및 행동, 현장 안전관리 실태 등을 분석 및 관리 방안을 제시하는 연구들이었다 [2]. 이러한 현실에 비추어 새로운 개념의 안전관리 기법에 대한 다양한 연구를 통한 재해 저감 노력이 절실한 실정이다.

국외의 경우, 20여 년 전부터 영국, 미국, 호주 등에서 건설현장의 작업자 안전을 확보하기 위해 DfS(Design for Safety, 설계 안전성 검토), PtD(Prevention through Design), DfCS(Design for Construction Safety) 개념들을 발전시켜 현재는 CDM, OSHA, WHS에서 의무 혹은 권장사항으로 건설 현장의 안전성을 향상시키고 있다 [3, 4, 5, 6].

설계 안전성 검토는 시공과정에서 발생할 수 있는 위험을 사전에 제거하여 시공과정의 안전성을 확보하는 기법으로, 국내에서도 2016년 법제화가 되어 시행되고 있지만 적용 및 관련 연구는 미흡하다 [7]. 따라서 설계단계의 설계 안전성 검토와 시공단계의 안전관리를 통합할 수 있다면, 시공과정에서 발생할 수 있는 재해에 대한 대비를 할 수 있고, 계획대비 실적 평가를 통하여 위험요소의 확인 및 평가에 활용할 수 있어 건설 재해 저감은 물론 건설 현장의 안전 환경을 개선하는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 설계단계에서 수행하는 설계 안전성 검토와 시공단계의 안전관리계획을 연계하여 설계 안전성 검토 업무 수행 시, 실적정보를 통하여 계획대비 실적 평가를 가능하게 하고 위험요소 확인 및 평가에 활용할 수 있게 하는 분류체계, 정보모델, 연계모델, 위험성평가모델을 포함하는 프레임워크를 제시하고자 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구는 설계단계에서 수행하는 설계 안전성 검토와 시공단계에서 수행하는 안전관리계획수립을 연계하여 건설 현장의 안전 환경 개선과 재해 저감을 위한 개념적 프레임워크를 제시하는 것으로 연구범위를 한정한다.

연구의 절차 및 방법은 첫째, 설계 안전성 검토, 위험 및 재해 요소관련 선행연구의 고찰을 통해 본 연구의 차별성을 제시한다. 둘째, 고찰을 통해 설계 안전성 검토와 안전관리 요소의 연계요소를 도출하여 연계모델을 정의한다. 셋째, 고찰을 통해 위험요소 평가모델을 재구성하여 정의한다. 넷째, 연계모델과 평가모델 등을 기반으로 하는 개념적 프레임워크를 제시한다.

2.1. 설계 안전성 검토

건설 시공현장에서 작업자의 안전을 확보하기 위해 영국 및 호주 등지에서는 DfS, 미국 등지에서는 PtD로 불리며 CDM 혹은 OHSA, WHS에서 의무 혹은 권장사항으로 이미 시행하여 시공단계 안전성 향상에 기여하고 있다 [3, 4, 5, 6]. 국내의 경우 2016년 건설기술진흥법시행령 제75조의 2에 설계의 안전성 검토 조항을 신설하였다 [8]. 그러나 홍보 및 추가 연구의 미흡으로 널리 알려지지 못하고 있는 실정이다.

설계 안전성 검토는 “시공과정에서 발생할 수 있는 위험을 사전에 제거하여 시공과정의 안전성을 사전에 확보하는 것”으로 정의할 수 있으며 리스크 분석과 리스크 평가를 포함하는 리스크 관리의 위험요소 관리라 볼 수 있으며 일반적인 절차는 다음 Fig. 1.과 같이 표현할 수 있다.

Fig. 1.

General Procedure of DfS in Korea [17]

Fig. 1.에서와 같이 설계 안전성 검토 절차에서 가장 먼저 대표 설계자와 공종별 설계자가 전문가와 함께 브레인스토밍을 통하여 설계도서 및 사례 등을 참조하여 위험요소를 확인 및 도출하고 위험성 추정 및 평가, 허용여부를 결정한다. 도출된 허용불가 위험요소에 대하여 대안 작성 및 평가를 통하여 저감대책을 수립한다. 또한 잔존 위험요소의 유무를 파악하고 기록하여 시공단계에서 대응할 수 있도록 한다.

Gibb et al.(2004)의 연구에 따르면 설계변경에 따라 사고 저감이 확인된 것이 47%이며, Behm(2005)의 연구에서는 224명의 사망자를 조사하여 이 중에서 47%는 설계 안전성 검토를 적용했다면 피할 수 있는 사고였음을 밝혔다 [4, 5]. 이는 시공단계전에 위험요소를 제거한다면 사고를 저감시킬 수 있음을 확인하는 것으로 본 연구에서는 해마다 증가하고 있는 국내 건설현장에서 재해를 저감시켜 안전 환경을 개선하는 기법으로 활용하고자 한다.

2.2. 안전관리계획 수립

건설기술관리법 제26조의2 제2항 및 시행령 제46조의2, 동법시행규칙 제21조의 3에 의한 안전관리계획서 작성은 토목 및 건축을 포함한 건설공사의 시공 시, 체계적이고 효율적인 건설안전관리를 정착시키고 부실공사를 방지하여 공사 목적물의 품직확보가 이루어질 수 있도록 하기 위한 것으로서, 공사 착공 전에 계획서를 작성하여 안전관리업무를 원활하게 수행하도록 해야 한다 [9].

안전관리계획서의 수립 기준에서 내용은 1. 안전관리계획, 2. 대상 시설물별 세부 안전관리계획(해당 공종 착공 전에 가능)으로 구분된다. 세부 안전관리계획은 가설공사, 굴착공사 및 발파공사, 콘크리트공사 등 공종별로 나누어 관련 설계도서, 안전시공 절차 및 주의사항, 안전점검계획표 및 안전점검표 그리고 필요 시 안전성 계산서를 포함하도록 되어 있다.

또한 건설공사 안전관리 업무수행 지침의 “발주자의 안전관리업무”에서 발주자는 설계시행 단계에서 도출된 위험요소, 위험성, 저감대책을 반영하여 시공자가 안전관리계획서를 작성하도록 규정하고 있다. 따라서 설계안전검토보고서와 안전관리계획서는 서로 연계성이 있어 하나의 통합정보를 기반으로 두 시스템이 공유하는 형태가 가장 바람직하지만 두 시스템이 별개로 발전하여 현실적으로 통합하는 것은 시간을 필요로 한다. 따라서 각각의 시스템에 영향을 주지 않는 범위에서 연계하여 사용하는 것이 효율적이며 향후 통합을 진행하여야 할 것이다. 그러나 아직까지 이를 연계하여 통합 관리하는 시스템이나 진행된 연구는 찾아보기 힘들다.

본 연구에서는 두 시스템의 정보를 동시에 수용할 수 있는 분류체계와 기존 혹은 향후 연구될 기법 및 평가 요소를 쉽게 연계할 수 있는 위험성평가 모델을 제시한다.

3.1. 건설안전 통합정보 분류체계

건설안전정보는 설계정보(도면, 시방서, 내역서 등), 시공정보(공법, 자재, 인력, 장비 등), 법규기준정보(법규) 등으로 구분되며 문서, 도면, 디지털 파일 , 웹사이트 등 다양한 형태의 데이터 집합체이다.

본 연구에서 제안하는 건설안전 통합정보분류체계는 안전관리계획서 및 설계안전검토보고서 정보를 효율적으로 수용하기 위해 파셋(facet) 분류법을 적용하여 6개의 파셋, 시설물-생애주기-공간-부위-공종-자원으로 구성된다. 건설안전 통합정보분류체계(Integrated Construction Safety Classification, ICSS)의 개념적 모델을 Fig. 2.에 도시하였다.

Fig. 2.

Integrated Construction Safety Classification conceptual Model

Fig. 2.는 분류를 예시한 것으로 시설물 파셋은 업무용빌딩, 생애주기 파셋은 상세설계단계, 공간 파셋은 업무용 공간, 부위 파셋은 벽, 공종 파셋은 콘크리트공사를 의미한다. 안전관리계획과 설계 안전성 검토 정보는 공종 파셋을 기준으로 연계한다.

3.2. 건설안전 통합정보모델

앞서 언급했듯이 건설안전정보는 설계정보, 시공정보, 법규기준정보 등 다종의 다양한 형태의 데이터들의 집합체로 건설분야의 빅데이터이다. 이를 수용하기 위해 통합정보분류체계를 기반으로 하는 개괄적인 정보모델을 Fig. 3.에 도시하였다.

Fig. 3.

Integrated Construction Safety Information conceptual Model(ICSIM)

Fig. 3.의 정보모델은 시스템의 정보를 총괄적으로 관리하며 본 연구에서 제시하는 개념적 모델은 DfS정보와 안전관리정보를 공종 파셋을 기준으로 연계하여 두 시스템을 효과적으로 통합할 수 있게 하였다. 또한 추가 연구를 통하여 현장의 동선, 작업지침, 작업진행 등의 시공안전정보를 사물인터넷기반의 디바이스를 이용하여 실시간으로 취득, 저장하여 분석 및 예측에 활용할 수 있도록 센서 정보를 포함하였다.

3.3. 건설안전 통합연계모델

앞서 설계 안전성 검토와 안전관리계획을 고찰한 결과 두 시스템의 공통정보인 공종을 기준으로 건설안전 통합정보모델을 중심에 두고 연계가 가능하다. 본 연구에서는 파셋분류를 적용한 통합 연계모델을 Fig. 4.와 같이 제시한다.

Fig. 4.

Integrated Association Model

Fig. 4.에서 보는 바와 같이 파셋분류에 의해 시설물-생애주기단계-공간-요소-작업(공종)-자원(인력, 자재, 장비)로 분류되며 통합모델은 설계 안전성 검토정보와 안전관리정보를 공종으로 연계하는 것을 보여주고 있다.

3.4. 다중 위험성평가모델

국토교통부의 설계 안전성 검토 업무 매뉴얼에 의한 위험성평가는 발생 빈도수와 심각성을 추정하여 위험성 등급을 산정하고 Table 1.의 기준에 따라 위험요소의 허용여부를 결정하고 저감대책 수립을 위한 대안 평가를 수행한다 [7].

Table 1.

Risk Evaluation(4x4 Matrix) [17]

현행 위험성평가는 발생빈도 수준을 4~5단계, 심각성 수준은 4~5단계로 구분하는 매트릭스에 의해 평가하는 데, Table 1.에 위험성 등급에 따른 허용수준을 표시하였다.

Table 1.은 발생빈도와 심각성을 곱하여 산출된 값을 위험성으로 나타내는 표로써, 산출된 위험성이 1~3인 경우는 허용(흰색), 4~6인 경우는 조건부 허용(파랑색), 7이상의 경우는 허용불가(빨강색)로 평가한다는 것을 쉽게 인식할 수 있도록 표로 나타낸 것이다. Table 1.에서 보는 바와 같이 허용불가(빨강색)내의 값으로 판정된 위험요소에 대하서는 위험을 저감할 수 있는 대안 제시를 통하여 저감대책을 수립하여야 한다. 또한 조건부 허용의 경우에도 저감대책을 수립할 수 있으며 그렇지 않은 경우 시공단계에서 검토하도록 해야 한다.

저감대책 수립 시, 대안이 복수일 경우에는 최적대안 선정 평가를 수행해야 한다. 이때 대안은 안전관리, 미관, 기능, 기술, 비용, 시간, 환경 항목에 대한 가중치를 설정하고 각 항목별 평가 값에 가중치를 곱하여 항목별 평가를 수행하고 이들을 총합하여 평가하며, 총점이 가장 높은 대안을 선정하도록 하고 있다 [7].

그러나 항목 및 항목 가중치의 경우 평가자의 기술적 지식 및 주관적 판단에 영향을 많이 받을 가능성이 있어 정량적 근거 및 평가 항목의 추가와 삭제가 쉬워야할 필요가 있다. 평가 가중치의 정량적 근거를 위해 신원상(2017)은 연구를 통하여 철근콘크리트공사의 주요 직종별 중점관리 영향요인을 도출하고 재해 발생형태 및 영향요인에 대한 재해강도를 제시하였다 [2]. 그러나 재해강도를 정량화한 것에는 의미가 있으나 모든 공종으로 일반화시키는 것은 어려워 추가 연구가 필요하다. 또한 하선근(2018)은 인명사고 및 보상지급액을 이용하여 넘어짐, 떨어짐, 깔림 및 뒤집힘 등과 같은 사고원인별 위험도를 분석하여 제시하였는데 이는 사고의 발생 빈도수 산정 시 가중치로서 활용할 수 있을 것이다 [10].

그러나 고찰한 바와 같이 사고 원인별, 공종별 발생빈도, 심각성 등에 대한 정량적 분석 및 데이터가 많지 않아 아직까지 위험성 평가의 정량적 근거로 사용하기에는 미흡하다. 따라서 향후 많은 연구를 통하여 도출된 새로운 평가방법, 정량적인 데이터를 쉽고 빠르게 안전성 평가에 적용하려면 이를 구현하는 효과적인 알고리즘이 필요하다.

Table 1.의 허용범위를 벗어나는 위험요소에 대하여 대안을 작성하여 저감대책을 수립할 때에 위험성 평가를 위한 알고리즘을 표시하면 Fig. 5.와 같으며, 이는 다음과 같이 설명된다.

Fig. 5.

Alternative Evaluation Algorithm

step 0, 대안을 작성한다.
step 1, (식1)을 이용하여 항목을 평가하고 항목별 가중치를 곱한 후, 모든 항목을 반복하면서 대한에 대한 평가를 하고 합산한다.
step 2, 모든 대안을 step 1과 같이 반복 평가하고 (식2)를 이용하여 최고점인 대안을 선택한다.
step 3, (식3)을 이용하여 선정된 대안에 대한 위험성 평가를 수행한다.

Fig. 5.에 도시한 알고리즘에서 사용하는 수학적 모델을 정의하면 (식1), (식2), (식3)과 같다. 여기에서 (식1)은 대안 평가를 위한 식으로 평가 항목별 가중치 값(wi)과 평가 값(ei)을 곱하여 평가 값을 산출하고 각 항목을 모두 더한 값이 대안의 평가 값이 된다.

Hear, E_alternative : Alternative evaluation value
       w_i : ith Weight
       e_i : ith Evaluation value

Hear, S_alternative : Best alternative
       E_alternative : Alternative evaluation value

Hear, R_Salternative : Selected alternative Risks
       S : Severity
       L : Likelihood

(식1)에서 사용하는 평가항목은 국토교통부의 “설계 안전성 검토 업무 매뉴얼”에 안전관리, 미관, 기능, 기술, 비용, 시간, 환경의 6개로 정의한다 [7]. 추가로 하선근(2018)의 사고원인별 위험도를 평가항목 및 가중치로 적용한다면, 깔림 및 뒤집힘(2.74), 넘어짐(2.44), 떨어짐(1.33), 부딪힘 및 물체에 맞음(0.576), 무너짐(0.130)을 모두 적용할 수도, 일부만 적용할 수 있을 것이다. 즉, 물적/인적 피해 구분에 따라 그에 대응하는 항목들만 적용하는 방법으로 물적 피해가 붕괴이면 무너짐을, 인적피해가 추락에 의한 것이면 떨어짐을 적용하면 될 것이다. 그러나 하선근(2018)의 위험도를 곧바로 평가항목의 가중치 값으로 사용하기에는 문제가 있다. 가중치의 범위가 0부터 1사이의 구간이기 때문에 위험도를 0부터 1사이의 구간 값으로 변환 후에 사용해야 한다. 위험도를 가중치로 변환하기 위해 본 연구에서는 이군재(2013)의 연구에서 건강성능 평가항목의 등급화를 위해 사용했던 정규화 방법인 식 4를 사용한다 [11]. 또한 위험도 값이 최소 0.130(무너짐)부터 최대 2.74(깔림 및 뒤집힘)까지의 구간에서 값이 형성되며, 최솟값을 갖는 무너짐은 가중치 구간으로 변경하면 0이지만 0이 아닌 일정 값을 갖도록 하기 위해 최솟값은 0으로 정의한다.

Hear, f(x) : Normal distribution
          x : Give Value
       Min : Range Minimum
       Max : Range Maximum

따라서 (식4)를 이용하여 위험도를 가중치로 환산하면 다음과 같다.

■ 깔림 및 뒤집힘 : 2.74 → 1
■ 넘어짐 : 2.44 → 0.89
■ 떨어짐 : 1.33 → 0.49
■ 부딪힘 및 물체에 맞음 : 0.576 → 0.58
■ 무너짐 : 0.130 → 0.05

(식2)는 위험 저감을 위해 제시된 대안에서 최적대안을 구하는 모델로 본 연구에서는 대안 평가 값 중에서 제일 높은 점수를 받은 대안을 최적 대안으로 선정하는 방법을 사용하기 때문에 대안 평가 값 중에서 최대를 찾는 수학적 모델로 정의한다.

(식3)은 선정된 대안에 대하여 위험성 평가를 수행하는 데 필요한 모델로 대안의 발생 빈도수와 심각성을 곱하여 위험성을 산출한다. 최종 위험성 평가는 산출된 값에 따라 Table 1.에서와 같이 허용, 조건부허용, 허용불가로 판정하게 된다.

Fig. 6. 은 이해를 돕기 위하여 위의 (식 1)~식(3)을 그래프로 표시한 것으로 (식1은) c) Evaluate alternative side, (식2)는 b) Best alternative side, (식3)은 a) Risks side에 일대일로 대응된다.

Fig. 6.

Side of the multi matrix risk assessment model

Fig. 6.의 그래프들을 육면체로 개념화시켜 표현하면 Fig. 7.의 다중 위험성평가 개념적 모델로 도시할 수 있다.

Fig. 7.

Multi matrix Assessment conceptual model

육면체 각각의 면은 위험성평가, 대안평가, 항목 가중치 평가 등으로 정의하여 기본적으로 6개의 면을 설정할 수 있고 대안들에 대한 평가와 같은 부분은 한 면에서 다층으로 정의할 수 있다.

본 연구에서 제시한 다중 위험성평가 모델의 효율성을 입증하기 위해 지상 10층, 지하 4층 규모의 업무시설 신축공사의 가시설공사를 대상으로 도출된 위험요소에 대한 대안 평가를 수행하였으며 평가한 결과는 다음과 같다.

■ 위험요소 : 흙막이 가시설 구조물 Strut 무너짐
■ 위험성평가
    ◽ 물적/인적 피해 추정 : 무너짐(붕괴)/작업자 깔림 사망
    ◽ 발생빈도 : 2
    ◽ 심각성 : 4
    ◽ 위험등급 : 8

상기 위험요소에 대한 저감대책으로 다음과 같이 2 개의 대안을 제시하였다.

■ 대안 1 : 장경간 Strut의 수평 연결재 추가 설계
■ 대안 2 : 어스앵커 공법으로 변경

제시된 대안에 대한 평가에는 본 연구에서 제시한 모델의 효율성을 입증하기 위해 현행 가중치 항목에 하선근(2018)의 연구에서 도출된 깔림과 무너짐의 위험도를 추가하였다. 즉, 물적 피해에 대해서는 무너짐(붕괴)에 해당하는 무너짐 항목을, 인적피해인 작업자 깔림 사망에 대해서는 깔림 항목을 추가한다. 대안 평가는 (식1)을 활용하여 평가하므로 (식1)의 가중치 개수 i가 기존 6개에서 8개로 늘어나며, 사례에서는 깔림과 무너짐 항목의 가중치 값이 각각 1과 0.05이다.

앞서 제시한 방법을 이용하여 제시된 사례의 대안을 평가한 결과는 Table 2.와 같다.

Table 2.

Evaluation for Alternatives

대안 선정을 위해서는 (식2)를 이용하며 여러 대안 중에서 가장 높은 점수를 받은 대안을 선정하기 때문에 본 사례에서는 Table 2.에서 보는 바와 같이 대안 1 및 대안 2의 평가 값이 각각 20.10, 17.15이다. 따라서 위험요소 “흙막이 가시설 구조물 Strut 무너짐”에 대한 저감대책으로는 총점이 더 높은 대안 1을 선정하게 된다.

대안 선정이 끝나면 선정된 대안에 대해서 위험성 평가를 다시 하며 본 사례에서는 위험 저감 대책으로 선정한 안에 의해 발생 빈도는 그대로 이지만 심각성이 현저히 줄어들므로 발생 빈도는 2, 심각성은 4에서 2로 평가되었다. 따라서 위험등급이 8에서 4로 줄어들었으며 Table 1.에서와 같이 조건부허용에 속하므로 저감대책으로서 인정될 수 있다.

본 연구에서 제시한 사례의 “흙막이 가시설 구조물 Strut 무너짐”에 대한 설계 안전성 검토 결과를 정리하면 다음과 같다.

■ 위험요소 확인 단계에서 확인된 위험요소
　 □ 위험요소 : 흙막이 가시설 구조물 Strut 무너짐
　 □ 위험성평가
　 　 ▪ 물적/인적 피해 추정 : 무너짐(붕괴)/작업자 깔림 사망
　 　 ▪ 발생빈도 : 2
　 　 ▪ 심각성 : 4
　 　 ▪ 위험등급 : 8

■ 저감대책으로 제시된 대안
　 □ 대안 1 : 장경간 Strut의 수평 연결재 추가 설계
　 　 ▪ 대안 평가 값: 20.1
　 □ 대안 2 : 어스앵커 공법으로 변경
　 　 ▪ 대안 평가 값 : 17.15

■ 선정된 대안에 대한 위험성 평가
　 □ 발생빈도 : 2
　 □ 심각성 : 2
　 □ 위험등급 : 4 (조건부 허용)
　 □ 위험요소 저감대책 : 장경간 Strut의 수평 연결재 추가 설계
　 □ 위험요소 관리주체 : 설계자
　 □ 위험요소 저감대책 가정/제3자에 의한 저감대책 : 설치 시, 떨어짐 방지 대책 실시
　 □ 잔여위험요소 유무 : Yes
　 □ 위험요소 보유자 : 시공자
　 □ 안전관리문서 : 반영

이상과 같이 본 연구에서 제시한 다중 위험성평가 모델을 이용하여 쉽고 빠르게 평가 항목을 추가하는 것을 사례를 통하여 살펴보았다. 본 사례에서는 기존 연구의 결과인 사고원인별 위험도를 평가 항목의 가중치로 사용하는 것을 예시하였지만 안전 재해와 관련한 통계정보나 기타 다른 연구 결과를 앞에서 제시한 수학적 모델로 변환하여 적용할 수 있을 것이다.

본 연구에서 제시한 다중 안전성평가 모델은 현행 설계 안전성 검토가 평가자의 기술적 수준 및 경험에 의해 평가될 수밖에 없으므로 객관적인 평가를 위해 평가 기준 및 평가치가 객관적인 정량화가 필요함을 인지하고 이를 쉽고 빠르게 적용할 수 있도록 개념적으로 제시한 것이다.

본 연구는 향후 부분적인 상세 연구나 타 연구의 결과를 이용하여 설계 안전성 검토의 객관성을 확보할 수 있는 방법론을 제시 한 것이다.