건설 자동화 현황(3)-1
건설 자동화란 무엇인가?
이 글은 Mark Davis(Autodesk Sr. Director) 시니어 디렉터가 쓴 <What Is Construction Automation, and How Will It Drive the Future of Building?>의 일부를 번역 및 요약한 글입니다. 전문 내용은 다음의 링크를 통해 확인하시길 바랍니다.
What Is Construction Automation, and How Will It Drive the Future of Building?
보러 가기> https://redshift.autodesk.com/articles/construction-automation
건설 자동화란? What Is Construction Automation?
건설 자동화라는 용어는 자동화된 작업공정을 사용하는 프로세스, 도구 및 장비를 포괄하는 의미입니다.
기존에 수동으로 하던 작업을 자동화하기 위해 도구가 사용되는 경우도 있고, 자동화된 기계로 새로운 프로세스를, 특히 건설을 위해, 전환하거나 개발하는 경우도 있습니다.
건설에서 자동화는 프로젝트의 다양한 단계에서 발생합니다. 소프트웨어를 기반으로 한 설계 단계(AutoCAD, 3DMax, SketchUp 등의 설계 관련 소프트웨어)에서 시작하여, 현장 안팎 건설의 자동화된 측면에서 지속되고, 완성된 건물의 시스템 및 에너지에 관해 수집된 데이터를 클라우드 기반의 실제 모델 등에 공유하면서 마무리됩니다.
소프트웨어와 하드웨어 모두에서 이러한 통합적인 피드백 연결고리를 실현하기 위해서는 여러 가지 핵심 개발 전략이 필요합니다. 예를 들어, 협동 로보틱스, 건설 산업화 전략, 새로운 유형의 로봇 및 자동화 기계, 실시간 현장 감지, 피드백 및 수정 적용 등은 건설 자동화를 널리 실현하기 위한 건설자동화의 기술 및 전략입니다.
The term construction automation captures the processes, tools, and equipment that use automated workflows to build buildings and infrastructure. In some cases, tools are deployed to automate work that was previously done manually, and in other cases, automated tooling enables new processes to be transferred or developed specifically for construction. Automation in construction can occur at various phases of a project, beginning with the software-based design stage, continuing with automated aspects of off-site and on-site construction, and ending by sharing collected data on the systems and energy use of finished buildings—all captured in cloud-based living models. Several core development strategies are needed to realize this integrated feedback loop, both in software and hardware. For example, collaborative robotics; industrialized construction strategies; new types of robots and automated machines; and real-time in-situ sensing, feedback, and adaptation are among the technologies and strategies that are converging to make automation in construction a widespread reality.
Off-site construction takes processes typically performed on-site and moves them into a factory건설 자동화 유형
오프사이트 건설 자동화
오프사이트(Off-site) 건설 자동화(건설현장 밖에서의 건설 자동화를 의미합니다)는 건설 과정을 현대의 자동화된 제조와 유사하게 만드는 방식을 뜻합니다. 프리패브리케이션(사전 제작), 체적 및 패널식 모듈 건설 및 프리캐스트 등 여러 유사 용어들이 있지만 그 의미는 조금씩 다르며 이러한 것들이 오프사이트 건설 범주에 속합니다.
자동화, 산업용 로보틱스, 디지털 생산 공정, 기존 설비를 활용하여 생산과 조립을 보다 효율적으로 할 수 있게 부품 및 조립품을 설계하는 방식(DfMA:Design for Manufacturing and Assembly) 등은 건설현장 밖에서 최적화된 건설 자동화를 활용할 수 있도록 했고, 친숙하고 통제가능한 환경에서 건설 공정이 가능하도록 했습니다.
건설 산업에서는 현장 자동화보다 오프사이트 자동화가 더 일반화되어 있으며, 제조업과의 근접성으로 인해 제조업으로부터의 직접적인 기술 이전이 더 쉬워졌습니다. 하지만 한 가지 중요한 고려점이 있습니다. 제조업에서 자동화된 생산 라인은 일반적으로 부품 크기, 모양, 조립 순서가 수천 개 단위로 일관된 대량 생산에 사용됩니다. 하지만 건물, 도로 및 교량 건설에는 제조된 부품을 조립하는 과정이 있지만, 자재와 공정이 다양하고 구성요소마다 그리고 프로젝트마다 본질적으로 변형이 일어날 수밖에 없기 때문에 툴링(Tooling, 생산 라인의 자동화된 도구 구성) 이 어렵다는 점입니다. 이로 인해 생산 라인은 반드시 자동화되어야 할 뿐만 아니라 변형이 가능하도록 구성되어야 합니다.
Off-site construction automation describes practices that make the construction process more like modern automated manufacturing. Several similar but not synonymous terms fall under the umbrella of off-site construction, including prefabrication, volumetric and panelized modular construction, and precast. These practices move construction processes off-site and into factories, within a familiar and controlled environment that can be optimized to take advantage of automation, industrial robotics, digital production workflows, and design for manufacture and assembly (DfMA) strategies.
Off-site automation in the building industry is more common than automated on-site operations, and the proximity to manufacturing has made direct technology transfer from manufacturing more accessible, with one major caveat. In manufacturing, automated production lines are typically used in high-volume production, in which the part size, shape, and assembly sequence is consistent across many thousands of units. While the construction of buildings, roads, and bridges includes assemblies of manufactured parts, the diversity of materials and processes, along with the inherent variation from component to component and between projects, presents a unique challenge for tooling (the configuration of automated equipment in a production line), and the production line must be automated but also configurable enough to respond to variation.
건설 자동화에 있어서 공장 자동화는 큰 투자가 필요하지만 장기적으로는 시간, 비용, 자원을 절약하는 동시에 품질 관리 및 품질 보증을 개선하고 일반적인 건설 공정과 관련된 많은 반복 작업을 제거하여 근로자에게 더 안전하고 쾌적한 환경을 제공할 수 있습니다.
공장을 기반으로 한 건설은 폐기물 발생량 감소, 물 사용량 감소, 운영 에너지 및 먼지 오염 감소, 자재 사용, 재사용 및 재활용 최적화 등 환경적 이점을 얻을 수 있습니다. 또한 자동화된 프로세스와 결합하면 건물과 인프라에 대한 전 세계적 수요를 충족하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 가장 활발하게 운영 중인 자동화 건설 공장 중 일부는 근무자의 개입이 거의 없이 24시간 내내 가동될 수 있도록 설계되어 있습니다.
Factory automation is a big investment, but in the long run, it can save time, money, and resources while improving quality control and quality assurance and providing safer, more comfortable conditions for workers by eliminating many of the repetitive tasks associated with typical construction processes. Factory-based construction can yield environmental benefits, creating less waste; using less water; reducing operational energy and dust pollution; and optimizing material use, reuse, and recycling. And when combined with automated processes, it will play a major role in meeting the global demands for buildings and infrastructure. Some of the most ambitious automated construction factories are meant to run around the clock with little human intervention.
Image from https://www.digitalschool.ca/현장 건설 자동화
건설 분야의 공장 기반 자동화는 일부 예외를 제외하고는 건축 요소를 생산하도록 자동화된 툴링을 구성하는 제조업의 기술 이전으로 간주될 수 있습니다.
그러나 현장 건설 자동화는 다른 고유한 과제와 기회를 제시합니다. 건설에 필요한 장비를 개발하고 배치하는 것은 직접적인 이전이 아니라 새로운 장비와 프로세스를 필요로 하기 때문에 이는 연구, 새로운 비즈니스 활동 및 스타트업을 위한 새로운 영역이 됩니다.
건설 현장 작업을 위해 제작된 건설 자동화 장비는 작업 현장으로 이동한 후 설치, 사용, 철거하여 다음 작업으로 이동할 수 있을 만큼 사용이 쉽고 휴대성이 뛰어나야 합니다. 토목용 중장비와 같은 기존 장비를 개조하는 경우도 있고, 자동화 또는 반자동화된 미래를 염두에 두고 새로운 장비를 생산하는 경우도 늘고 있습니다.
건설 현장 자동화의 초기 사례 중 일부는 이러한 자동화된 건설 시스템과 함께 작동하도록 특화된 시스템을 구축하는 결과를 가져왔으며, 많은 경우 건물의 고유성을 감소시켰습니다.
오늘날에는 표준화된 요소를 사용하면서 유닛 간의 변형을 지원하는 자동화 시공이 다시 시도되고 있습니다. 예를 들어 콘크리트 보강재를 설치하는 자동화 장비는 작업 현장에서 반복적인 작업을 없애고, 추가 비용 없이 성능에 따라 철근 배치를 다양하게 할 수 있으며, 필요한 곳에 정확하게 자재를 배치하여 낭비를 줄일 수 있습니다.
Factory-based automation in construction might be considered a technology transfer from manufacturing (with some exceptions), where automated tooling is configured to produce building elements rather than products. On-site construction automation, however, presents different, unique challenges and opportunities. Developing and deploying equipment becomes less of a direct transfer and requires new equipment and processes—a rich area for research, new business activity, and start-ups. Construction-automation machinery made for on-site operation must be portable enough to travel to jobsites, then set up, used, and taken down to move to the next job. In some cases, existing equipment, such as heavy earth-moving machinery, has been retrofitted, and new equipment is increasingly produced with an eye toward an automated or semiautomated future.
Some early examples of on-site automation resulted in building systems that were specialized to work with those automated construction systems and, in many cases, reduced the uniqueness of the building. Today, there is a second go at automated construction that supports variations across units while also using standardized elements. For example, automated equipment that places concrete reinforcement eliminates repetitive tasks on the jobsite; allows performance-driven variability in rebar placement without incurring extra cost; and, by placing material precisely where it is needed, reduces waste.
건설업에서의 로보틱스
로봇, 특히 산업용 로봇 팔과 모바일 로봇 플랫폼은 건설 자동화에 관한 논의에서 중요한 역할을 합니다. 건설에 특화된 로봇의 미래를 상상할 수도 있지만, 오늘날에는 제조 기반 로봇이 건설 분야로 이전되고 있습니다. ULC테크놀로지(ULC Technologies)와 같은 기업은 맞춤형 솔루션을 개발하고 산업용 로봇을 건설 현장에 적합한 작업 셀에 통합합니다.
예를 들어 이 회사의 도로 공사 및 굴착 시스템은 현장의 방해를 최소화하면서 도로 아래 기반 시설을 수술하듯이 정교하게 자동으로 수리합니다. 코봇(Cobot)이라고 하는 협업로봇은 다양한 수준의 자율성을 갖추고 사람과 함께 작업하는 로봇입니다. 코봇은 일반적으로 중복 보호 장치가 있는 안전 기준이 포함되어 있어서 사람을 다치게 하지 않도록 설계되어 있습니다. 건설용으로 제작된 로봇은 불확실하고 시시각각 변화하는 작업 현장의 환경을 탐색하도록 특별히 설계될 수 있습니다.
건설 현장에서 인간과 로봇이 협업하는 사례는 컨스트럭션 로보틱스(Construction Robotics:CR)의 반자율 벽돌 쌓기 로봇인 SAM100(Semi-Autonomous Mason)에서 볼 수 있습니다. 이 로봇 시스템은 건설 작업자와 함께 작동하여 작업을 보다 빠르고, 덜 힘들고, 덜 반복적으로 수행할 수 있도록 도와줍니다. SAM100을 사용하면 인간 벽돌공은 현장 설정과 최종 벽체 품질 평가를 담당하고 SAM은 개별 벽돌 유닛을 분배하고 배치합니다.
Robots, particularly industrial robotic arms and mobile robotic platforms, play a major role in the conversation around automation in construction. One might envision a future with construction-specific robots, but today, manufacturing-based robots are transferred to construction. Companies such as ULC Technologies develop custom solutions and integrate industrial robotics into construction site–suitable work cells. Its Roadworks and Excavation System, for example, conducts automated, surgically precise repairs of under-road infrastructure with minimal site disturbance. Collaborative robots, or cobots, are robots with various levels of autonomy that work alongside people. Cobots typically include safety standards with double-redundant safeguards so that they don’t hurt anyone. The robots made for construction may be specially designed to navigate the uncertain and always-changing environment of an active worksite.
An example of on-site human-robot collaboration can be seen in Construction Robotics’ (CR) SAM100 (Semi-Autonomous Mason) bricklaying robot. This robotic system operates alongside construction workers to make their jobs quicker, less strenuous, and less repetitive. With the SAM100, the human mason owns the site setup and the final wall-quality assessment while the SAM distributes and places the individual masonry unit.
자율 건설 장비
자율주행 자동차가 도로에 등장하고 있는 것처럼 건설 현장에도 반자율 및 자율주행 건설 장비가 등장하고 있습니다. 이미 초기 모델이 시도되고 있으며 전문가들은 건설용 자율 주행 차량이 머지않아 보편화될 것으로 예측하고 있습니다.
농업과 광업과 같은 산업은 오랫동안 장비 자동화와 원격 제어의 이점을 누려왔으며, 이러한 유형의 기계가 건설 분야에도 점점 더 많이 도입되고 있습니다. 다른 형태의 자동화와 마찬가지로 이 장비는 안전 강화, 생산성 향상, 효율성 증대라는 잠재적 이점을 제공합니다.
자동화된 건설 장비는 건물의 개별 부품과 구성 요소를 넘어 자동화를 확장하고 업계에서 작업 현장을 현장의 공장으로 간주할 수 있게 해 줍니다. 샌프란시스코의 빌트 로보틱스(Built Robotics)는 건설 엔지니어링 회사인 블랙 앤 비치(Black & Veatch)와 협력하여 자동 트랜칭 시스템(자동으로 도랑 또는 해자를 파는)을 연구하여 자율 트랙 적하기, 불도저, 굴삭기를 사용, 재생 에너지 시스템의 공익사업 건설을 가속화하였습니다. 또한 블랙 앤 비치는 혼다와 협력하여 태양광 건설 현장에서 자율 작업 차량을 시범운행했습니다.
Just as autonomous automobiles are coming to the streets, semiautonomous and autonomous construction equipment is coming to construction sites. Early models are already being tried, and experts predict that autonomous vehicles for construction will eventually be commonplace. Industries such as agriculture and mining have long benefited from equipment automation and remote control, and increasingly these types of machines are being deployed in construction. Like other forms of automation, this equipment offers the potential benefits of enhanced safety, increased productivity, and higher efficiency.
Automated construction equipment extends automation beyond a building’s individual parts and components and allows the industry to consider the jobsite a factory in the field. Working with construction engineering company Black & Veatch, San Francisco’s Built Robotics used its autonomous track loader, dozer, and excavator to explore automated trenching systems to accelerate utility-scale construction of renewable energy systems. Black & Veatch also teamed up with Honda to test an autonomous work vehicle on a solar construction site.
호주의 다국적 광산 기업인 리오 틴토(Rio Tinto)는 철광석 채굴 작업을 위해 100여 대의 자율주행 트럭과 기타 차량을 투입했습니다. 이를 아직 건설 전용이라고 할 수는 없지만, 이 사례는 앞으로 건설 분야에 어떤 일이 일어날지를 예고합니다. 리오 틴토의 무인 차량은 정확도와 효율성을 최대화하는 동시에 약 1,000마일 떨어진 원격 운전자를 안전하게 보호합니다.
보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)는 검사 및 건설 일정 관리에 사용되는 준공 레이저 스캐닝을 비롯하여 다양한 건설 시나리오를 위한 로봇 플랫폼을 상용화한 바 있습니다. 4족 자율 보행 로봇 스팟(Spot)은 라이다 스캐닝 장비를 통해 매일 밤 건설 현장을 쉽게 탐색하여 매일의 변화를 추적하는 풍부한 고충실도 포인트 클라우드 데이터를 수집할 수 있습니다.
새로운 유형, 기술 및 사고방식이 등장함에 따라 건설 현장 자동화의 미래는 밝습니다. 더 많은 현장 장비가 자동화되더라도 작업이 원활하게 진행되려면 숙련된 인력이 필요하며, 새로운 스테이징 및 순서 전략에는 로봇의 사용이 고려해야 하는 상황입니다.
In Australia, Rio Tinto has deployed a fleet of more than 100 self-driving trucks and other vehicles to work on its iron-ore mining operations. Although it’s not yet a construction application, this example portends what’s on the horizon for construction. Rio Tinto’s driverless vehicles keep their remote operators—about 1,000 miles away—safe while maximizing precision and efficiency.
Boston Dynamics has commercialized a robotic platform for a variety of construction scenarios, including as-built laser scanning for inspection and construction scheduling. Its Spot autonomous quadruped can easily navigate a construction site every night with a Lidar scanning attachment to collect rich, high-fidelity point-cloud data tracking daily changes.
The future is bright for automation on the construction site as new typologies, technologies, and attitudes emerge. Even as more on-site equipment becomes automated, skilled labor is necessary to ensure things run smoothly, and new staging and sequencing strategies must take robots into account.
