1. 머리말

국내의 성능 위주 설계는 허용피난시간(ASET)과 소요피난시간(RSET)의 비교를 통해 건축물의 안전성을 평가하는 결정론적 방법론이 활용되고 있다. 결정론적 방법론은 화재 위험성이 높은 화재 시나리오를 고려하여 건축물의 인명안전을 위해 시간에 대한 인자를 평가하는 것으로서 국내는 일반적으로 시뮬레이션 계산을 통하여 시간을 산정한다. 화재 시뮬레이션의 경우에는 미국 NIST에서 개발한 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 주로 이용하고 있으며 피난시뮬레이션은buildingEXODUS, Simulex 및 Pathfinder 등 다양한 소프트웨어가 사용된다(장근호, 2016).

특히 피난 시뮬레이션의 경우는 1970년대 후반 미국 국립표준사무국(National Bureau of Standard, NBS)의 환경설계 연구부서에서 건축물의 화재로부터 피난안전계획과 대안적 설계를 위한 방법을 마련하기 위하여 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 모델 개발이 진행된 것이 공개된 최초의 연구(Stahl, 1982)이며, 이후 많은 연구자에 의해 개발이 진행되어 현재의 피난 시뮬레이션 시장을 확보하고 있다.

한편, 국내의 피난 시뮬레이션에 관한 연구가 시작된 시점은 1980년대 후반으로, 연구가 활발히 이루어지지는 않았으나 최원영 등(1988)에 의해 컴퓨터 프로그램을 통한 이론적 모델을 개발하는 연구가 진행되었다. 국내에 본격적으로 컴퓨터 피난 시뮬레이션이 연구 분야에 활용된 것은 1995년 영국 에든버러대학의 Tompson과 Marchant가 개발한 Simulex가 국내에 보급된 시점이다(Tompson & Marchant, 1996). 이후 국내는 국외의 다양한 피난 시뮬레이션이 활용되고 있고 성능 위주 설계 도입과 발맞추어 그 활용성이 증대되었다.

2000년대 후반에는 국산화를 위한 국가 연구개발이 진행된 바 있으나 국외의 소프트웨어가 주로 사용되는 것에 비해 국내 소프트웨어가 보급되어 사용된 사례는 매우 제한적이다. 성능 위주 설계, 사전영향성 검토 협의 및 화재위험평가(이하, 성능 위주 설계 등)에 피난 시뮬레이션의 수요가 증가하는 상황에서 연구개발의 방향과 국가정책에 대해 검토가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 이번 글에서는 피난 시뮬레이션 관련 연구 동향에 대해 전반적으로 살펴보고 국내에서 개발된 사례를 분석하여 향후 건축물의 성능 위주 설계 등의 개선 방향을 고찰하고자 한다.

2. 피난 시뮬레이션 연구동향

가. 피난 시뮬레이션의 개발사례

전술한 바와 같이 피난 시뮬레이션은 1990년 후반에 활발히 진행되었다. 미국과 영국을 중심으로 개발이 진행되었고 이후 일본 및 핀란드 등의 국가에서 연구개발이 수행되었다. 피난 시뮬레이션이 활용되는 주된 목적은 소요 피난 시간(RSET)을 산정하기 위한 수단이기 때문에 피난자의 피난 행동 특성에 대한 인자가 중요하게 고려된다.

[그림 1] 화재확산에 따른 소요피난시간(RSET) 및 허용피난시간(ASET)의 개념(BS 9999, 2008)

[그림 1]은 화재확산에 따른 소요피난시간(RSET)과 허용피난시간(ASET)의 개념을 나타낸 것이다. RSET은 화재감지시간, 피난개시시간, 의사결정시간, 피난행동시간 등의 합으로 나타낼 수 있다. SFPE핸드북의 계산방법에서는 식(1)으로 산정한다(SFPE, 2010).

따라서 피난 시뮬레이션은 피난개시시간과 피난 행동 시간에 상당히 큰 영향을 받는다고 말할 수 있다. 피난 개시 시간은 건축물의 용도와 재실자의 특성에 따라 다르게 나타나는데 이에 대한 국내의 연구가 미흡하긴 하나 소방법의 성능 위주 설계에는 피난 지연시간에 대해 정의하고 있다. 이 기준은 SFPE의 내용을 인용한 것으로서 국내의 현실과 부합할지에 대해서는 여전히 논의가 필요한 사항이다. 기준으로 정해져 있기 때문에 성능 위주 설계 등을 수행할 때 값을 그대로 인용하기는 하나 건축물 용도나 재실자 특성에 따라 불합리하다는 의견도 일부 존재한다.

한편, 피난 행동 시간과 관련된 부분은 보행속도, 유동 계수 및 상황 판단 등 다양한 인간의 피난 행동 특성이 반영되는 인자이다. 피난 행동 시간은 RSET의 대부분을 포함하는 것이기 때문에 피난 시뮬레이션에서는 길 찾기(A* path finding 알고리즘 등), 상황 판단, 유동 계수 및 군집모델 등의 알고리즘을 이용하여 계산하도록 하고 있다. 또한 시뮬레이션별로 다르지만 연속된 공간을 형성하는 것과 노드(Node) 등을 활용한 정밀격자 방법으로 구성하게 된다.

<표 1>은 피난 시뮬레이션이 개발되고 전 세계적으로 활용도가 높은 것을 정리한 것으로 피난 개시 시간과 피난 행동 특성의 반영에 대한 것이다.1) 제시된 피난 시뮬레이션보다 많은 소프트웨어가 개발되고 있지만, 실제 설계나 평가에 활용되는 것만을 나타내었다.

피난 개시 시간의 경우는 모든 피난 시뮬레이션에서 반영하고 있다. 피난 시뮬레이션 상에서 설정하는 방법은 다르겠으나 일반적으로 구획 별로 여유시간을 설정할 수 있도록 하고 있고, 일반적으로 화재 실이나 화재 층에서는 비교적 빠른 피난 개시 시간이 적용되며 숙박을 하는 용도 등과 더불어 피난 개시 시간이 늦어지는 것을 고려하고 있다. 이 외에 보행속도 등과 관련해서 에이전트 개인별 그룹별 지정이 가능하며 대부분 이에 따른 모델의 계산이 이루어진다. 특히 STEPS의 경우 휠체어의 사용이 고려되고 있는데 STEPS의 보행 알고리즘은 기본적으로 일반 보행을 포함하는 시뮬레이션 모델이기 때문에 다양한 보행 알고리즘을 적용한 것으로 판단된다.

또한 ASET과의 연계 부분(독성정보반영, 가시거리)을 적용하는 피난 시뮬레이션은 building exodus와 FDS+EVAC는 반영되어 있다. 국내에서 활용되는 시뮬레이션은 연계되지 않는 방식(논 커플링 방식)이 대부분 이용되고 있다. ASET이 직접적으로 연계되는 방식(커플링 방식)의 경우는 연기의 농도, 연소생성물, 복사열 등 화재로 인한 위험이 에이전트 피난에 영향을 미치는 것이 특징이다.

에이전트의 보행속도나 이동방식이 변하여 보행속도에 영향이 있고, building EXODUS는 FED모델이나 분당 호흡량(Respiratory Minute Volume, l/min)을 고려하여 독성의 흡입량이나 노출 온도에 따라 에이전트가 사망하는 시스템을 포함하고 있다. 이에 커플링 방식은 다른 커플링 방식에 비해 현실성이 높다고 기술되고 있다(구현모 등, 2019). 커플링 방식이 다양한 영향인 자를 포함하고 있지만, 건축설계 시 다양하게 변화되는 상황에 대응할 수 있을지는 문제가 있다는 의견이 있다(최재필 등, 2006). 하지만 이러한 부분이 기준으로서 허용할 수 있을지에 대한 부분은 반드시 심도 있는 검토가 필요하다.

한편 국내의 경우도 피난 시뮬레이션을 자체 개발한 사례가 있는데 처음 연구된 것은 최원영 등(1988)에 의해 컴퓨터 이론적 모델을 정립하는 연구였으며, 이후 김진수 등(2003)에 의해 지하 공간에 대한 피난 안전성 평가시스템 개발이 진행되었다. 당시에는 컴퓨터 프로그램으로 피난 모델을 계산하는 수준으로 시각화 부분에서는 한계성이 있었다.

최재필 등(2006)에 의해 시각과 거리를 이용한 피난 비용 분석모델을 진행하였고 이 연구에서는 계속 변화하는 건축계획・설계 과정에서 시뮬레이션의 분석 결과를 적용하는 것이 매우 불합리하다고 판단하여 거리 비용과 시지 각 비용의 합으로 피난 비용을 산출하는 모델을 개발하였다. 이후 이동호 등(2007)에 의해 FDS의 계산 결과를 연계한 커플링 방식의 피난 시뮬레이션이 개발되었고, 이 모델은 상용프로그램인 Simulex와 비교하여 연기에 의한 가시도 저하에 따른 민감도를 검증한 바 있다. 또한 정군식(2009)은 피난 거리와 장해(단차, 경사, 통로 폭, 문 및 군집)에 의한 피난 시간 연장을 정량화하는 연구를 통해 평가수법에 대하여 네트워크모델을 개발하였으며, 이를 통해 자립 보행이 가능한 자와 피난 약자와의 결과 검증을 수행하였다.

특히 황현승 등(2010)과 노세호 등(2011)은 엘리베이터 피난을 피난 시뮬레이션에 반영하는 소프트웨어 개발을 수행하였고, 기존 상용프로그램과의 비교검토를 통해 검증하였다. 이는 초고층 및 지하연계 복합건축물의 재난관리에 관한 특별법의 제정과 함께 국내 초고층 건축물의 증가와 더불어 피난 엘리베이터의 검토를 수행한 것으로 판단된다.

기존의 프로그램이 무장애 공간(Barrier Free Zone)에 대하여 논의되지 않는 점으로 고려하여 이동지연 시간 등을 포함하여 문의 요소 등을 피난 약자에게 별도로 정하는 시뮬레이션인 ‘EVA2D’를 개발된 바 있다(최용석 등, 2011).

또한 소프트웨어 국산화의 일환으로 윤호주 등(2012)은 2/3차원 CAD 공간정보를 토대로 피난 과정에 대한 3차원 가시화가 가능하고, FDS의 주요 결과를 연계하는 ‘K-evac’에 대하여 개발하고 이를 검증한 연구를 진행하였다(윤호주 등, 2012).

이와 더불어 최근에는 기존의 시뮬레이션 알고리즘을 이용하여 인공신경망 모델을 구축함으로써 피난안전을 확보하면서 가장 적정한 실의 크기, 거주 인원 및 출구 폭 등을 결정하는 최적 설계에 이용하기 위한 가장 간편한 모델을 개발한 사례도 존재한다(신동철, 2014). 2015년에는 초고층 건축물에 대해 다양한 상용프로그램을 현장 실험 결과와 비교 검증하는 연구도 진행되었는데 여기서는 국내에서 개발한 ‘Gong Egress’도 함께 검증되었다(최준호 등, 2015).

이처럼 국내에서도 피난 시뮬레이션에 대한 관심이 증가하여 지속적인 개발이 이루어졌으나 실제 건축물의 피난 안전설계에 활용되는 것은 매우 미흡하다. 대부분 국외의 프로그램을 사용하는 것에 초점이 맞추어져 있고, 국내에서 프로그램 개발 이후에 업데이트나 개선되는 사항에 대해서는 미흡한 것으로 판단된다.

나. 피난 시뮬레이션의 연구동향

일반적으로 피난 시뮬레이션은 소요 피난 시간(RSET)을 도출하기 위한 수단으로 활용된다. 이는 건축물의 피난 안전설계가 대안설계, 즉 성능 위주 설계로 전환되는 시점과 매우 유사하다. 컴퓨터의 활용이 증가하면서 과거 수계산 모델이 좀 더 빠르고 정확하게 계산되고 시각화할 수 있다는 점에서 그 수요가 증가한 것으로 생각된다. RSET 예측이 국내에서는 김운형 등(1999)에 의해 처음으로 소개되었으며 거주밀도에 대한 실측 조사를 통해 수집된 결과를 이용하여 사무소 건물에 Simulex를 이용해 피난 시간을 예측했고, 실제 대피 훈련 결과와 비교하여 적정 피난 용량을 결정하는 설계기준 도입에 대해 논의했다.

또한, 이수경 등(2000)은 Greenwich대학에서 개발한 building exodus와 일본 피난 안전검증법 2개의 모델을 비교 대형할인매장의 위험성에 대해 ASET과 RSET의 비교를 통한 결정론적 방법을 연구했다. 최근에도 송영주 등(2019), 전용한 등(2019)의 연구에서도 Pathfinder를 이용해 건축물의 RSET을 예측하고 이를 활용하여 피난 안전평가의 개선 등을 논의했다.

국내에서 피난 시뮬레이션을 이용한 연구 사례2)는 [그림 2]와 같다. 대부분 Simulex가 많이 사용되었으며 2010년부터는 Pathfinder의 사용이 증가하여 대부분의 RSET 산정에 이용되었다. 최근에 연구에서는 대부분 상용프로그램의 활용이 요소기술(보행속도, 유동 계수 및 군집모델 등)을 검증하는 차원에서 이용되고 있으며, 커플링 방식의 building EXODUS 나 FDS+EVAC도 많이 이용되고 있다. 기타로 나타낸 소프트웨어는 자체 개발된 프로그램을 사용한 경우나 FFM, NBMAS, Artisoc, Grid-Flow 등의 상용 프로그램을 이용한 경우를 나타낸 것이지만 활용 횟수가 Simulex, building EXODUS, Pathfinder에 비해 적다.

한편, 피난 시뮬레이션이 연구 측면 이외에 피난 안전설계에 이용되는 것은 명확하게 확인하기는 어려우나 최근 1~3곳의 설계회사 확인 결과, Pathfinder에 주로 사용되고 있다. 피난 시뮬레이션 활용은 성능 위주 설계 수행 중 설계도면의 변경에 대응하는 수준이나 보고서 작성 시 시각화되는 부분에 초점이 맞춰져 있다. 또한 FDS가 가장 많이 사용되는 이유가 전 세계적으로 검증된 전문성과 함께 한편으로는 무료로 배포되는 특징도 있다.

[그림 2] 피난시뮬레이션을 활용한 연구사례

3. 국내 피난 시뮬레이션에 대한 시사점

국내에 적용되고 있는 피난 시뮬레이션은 대부분 국외 소프트웨어에 의존하고 있으며, 국내에서 개발되었지만, 업데이트 및 고도화 등의 개선이 이루어지지 않는 단점이 있었다. 다변화되고 있는 건축물의 설계나 평가에 국내의 기술로 된 소프트웨어가 적용되는 것은 아직은 어려울 것으로 판단된다. 또한 현재 논 커플링 방식으로 설계되고 있는 성능 위주 설계의 동향에도 커플링 방식의 사용에 대한 검토가 필요하다는 의견이 존재(구현모 등, 2019)하고 있고, 국내의 현실성을 반영한 프로그램 개발에 대하여 정부의 본격적인 투자가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

한편, 현재 연구 동향 결과 일반적으로 피난 시뮬레이션을 이용한 RSET 산정에 초점이 맞춰져 있었으나 요소기술(피난 개시 시간, 보행속도 및 유동 계수 등)에 대한 부분도 지속해서 연구되고 있어 국내 실정을 반영한 제도적 도입이 필요하다. 백소나 등(2016)의 연구에 의하면 부산지역에서 실시된 13건의 성능 위주 설계 사례를 분석한 결과, 피난 개시 시간 계산 방법의 76.9%가 일본의 ‘건축 방재계획지침’을 이용하고 있었고 더욱이 계산방식이 통일되지 않는 문제점을 지적하였다.

보행속도의 경우에도 프로젝트별로 다르겠으나 일반적으로 1m/s의 범위로 정하는 것이 일반적이고 재실자 밀도의 경우도 성능 위주 설계나 사전재난 영향성 검토 협의 등에서 다르게 적용되는 경우가 일부 발생하고 있다. 더욱 명확한 설계를 위해서는 적용되는 에이전트의 연령 및 장애인 비율 등에 대한 피난 특성 연구가 추가로 진행되어 실제 상황에 맞춘 검토가 필요하며 이는 성능 위주 설계를 연구한 연구자들의 공통된 의견이다.

국내의 성능 위주 설계 등은 의무적으로 적용되는 특징이 있기 때문에 피난 시뮬레이션의 이용은 필요한 존재가 되었다. 원천기술 등의 개발이 미흡한 것은 개선이 필요하다. 원천기술에 대한 지속적인 R&D 투자로 국내 현실에 맞춘 기술을 개발하고 산업계에 공개함으로써 보다 다양한 프로그램의 개발이 이루어졌으면 한다.

4. 맺음말

국내의 피난 시뮬레이션에 대한 연구 동향을 살펴본 결과, 국내에서 개발된 피난 시뮬레이션의 계속된 개발이 이루어졌으나 상용화되는 시점에서 다양한 요인들로 인해 지속적인 고도화가 이루어지지 못하였다. 또한 피난 개시 시간과 더불어 RSET의 영향 인자는 아직 국내 현실에 정확한 자료가 미흡하고, 대부분 국외의 기준을 사용하기 때문에 이에 대한 정부 차원에서의 연구개발 지원이 필요하다고 판단된다. 국내 피난 시뮬레이션의 국산화를 이루기 위해서는 모델의 개발도 중요하지만 적용되는 RSET에 영향이 있는 요소기술 등의 원천기술 개발이 필요하며, 특히 ASET과의 연계되는 커플링 방식에 대한 면밀한 검토가 앞으로 계속되어야 할 것으로 판단된다.

참고문헌