A Study on Guidelines of Evacuation Planning for High-rise Buildings Through Simulation and Survey Analysis

수찬 고; 원호 이

doi:10.9798/KOSHAM.2018.18.1.35

Abstract

With the development of modern technology, the high-rise buildings is steadily increasing, but due to various risk factors of high rise of the buildings, there is general concern about a large-scale loss of life and property in the event of a disaster. Since the existing Building Law and Fire Service Act does not comprehensively deal with the regulations on evacuation safety, it is necessary to provide detailed guidance on evacuation design. The purpose of this study is to propose guidelines that can be applied in the preparation of evacuation countermeasures for skyscraper buildings by supplementing legal standards based on specifications. Based on the performance-oriented evacuation design that was introduced in the 123-storied skyscraper, guide items are derived. This study aims to propose guidelines for the implementation of evacuation planning and disaster response training by reviewing effectiveness of the results of simulations and surveys of simulation participants.

Keywords: High-rise Building, Fire Protection, Refuse Safety Area, Guidelines

요지

현대 건축기술의 발전과 함께 초고층 건축물은 꾸준히 증가하는 추세이나 건물 고층화에 따른 경험치 못한 다양한 위험요인으로 인해서 재난 시 대규모 인명 및 재산피해가 발생될 우려가 있다. 현행 건축법 및 소방법에서 피난안전에 관한 규정들을 종합적으로 다루고 있지 않으므로 국내 상황에 적합한 구체적 피난설계 지침이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 초고층 건축물에 도입한 성능위주 피난설계 내용을 토대로 가이드 사항을 도출하여, 재난상황을 가정한 모의실험(재난대응훈련) 결과와 비교 검토하고, 실험참가자를 대상으로 설문조사를 병행하여 방재적 효용성을 고찰함으로써 사양위주의 법적기준을 보완한 초고층 건축물의 피난대책 가이드라인을 제시한다.

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

현대 건축기술의 비약적 발전과 함께 사업성 확보 및 상징적 관점에서 초고층 건축물은 꾸준히 증가하는 추세이나 건물 고층화에 따른 장애요소로 인해서 피난이 어렵고, 경험치 못한 다양한 위험요인으로 재난 시 대규모 인명 및 재산피해가 발생될 우려가 있다. 현행 건축법 및 소방법에서 피난안전에 관한 규정들을 종합적으로 다루고 있지 않으며 그대로 실무에 적용하기에는 다소 미흡한 부분이 있다. 이에 경험적 데이터를 기반으로 한 합리적이고 구체적인 피난대책 수립이 필요한 실정이다.

본 연구는 사양위주로 규정된 법적기준을 보완하여 초고층 건축물의 피난대책 수립 시 활용 가능한 가이드라인 제시를 목적으로 한다. 수평⋅수직 피난경로에 대해 초고층의 특수성을 고려한 세부적 가이드를 제시하고 비상시를 대비한 재난대응 훈련계획 수립의 기초적 자료를 제안한다.

1.2 연구의 내용 및 방법

기존 법규사항을 조사하여 고찰하고, 국내 123층 규모의 초고층 건축물에 도입한 성능위주 피난설계 내용을 토대로 현행 기준을 보완하는 구체적 방법 및 절차를 도출한다. 실재의 재난상황을 가정한 모의실험(재난대응훈련) 결과를 통해 초고층의 복잡한 피난⋅대피 특성에 대한 영향을 파악하고, 건축물에 적용된 피난설계의 사항과 모의실험 결과를 비교 검토한다. 실험 참가자 및 현장의 방재분야 관리자 대상으로 설문조사를 병행하여 피난과정에 대한 올바른 정보 파악과 대피자들이 보였던 고유의 행동특성에 대한 경험적 데이터를 확보함으로써 도출방안에 대한 방재적 효용성을 고찰한다.

본 연구에서는 재난 발생 시 활용의 빈도가 높고 피해의 규모에 직접적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 주요한 대피경로(피난안전구역, 피난계단, 피난용승강기)에 한하여 검토를 수행하며 각 피난시설에 요구되는 설비적 성능이나 구조적 고려사항은 제외하였다.

1.3 연구의 구성 및 흐름

본 연구는 총 5장으로 이루어지며, 다음과 같다.

제1장 서론에서는 연구의 배경 및 목적, 연구 방법 등을 기술한다. 제2장은 건축물에 도입한 피난설계의 내용 검토와 주요 피난경로에 대한 설치 현황을 정리한다. 제3장에서는 모의실험과 설문조사 분석을 통해서 피난시설에 대한 효용성을 고찰하고, 이 결과를 토대로 제4장에서 피난설계의 수행 및 재난훈련 시 활용할 수 있는 세부적 가이드를 제안한다. 제5장은 결론부분으로 전체적인 연구결과에 대한 요약과 결론을 기술한다.

본 연구의 전체적인 연구 흐름은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Flow Diagram

2. 피난설계 검토

2.1 성능위주 피난설계

건축물이 대형화, 고층화되어 감에 따라 새로운 공간이 창출되어 관련법규에서 일률적으로 정하고 있는 기준만으로는 충분한 안전을 확보할 수 없을 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 구조상 법규의 요구사항을 적용할 수 없는 공간도 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 성능위주 설계(Performance Based Design)라는 선진화된 기법을 이용

하여 법규의 요구사항에 더하여 적절한 안전대책을 강구하고 있다.

성능위주의 설계는 기준 및 법규 위주의 사양설계에서 탈피하여 설계자의 재량을 극대화할 수 있으므로 건물 고유의 특성 고려가 가능하다. 설계의 유연성 및 자유도 증가 측면에서도 강점이 있다. 그러나 설계과정에서 적용된 자료의 근거 제시 및 가정된 조건에 대한 일관되고 지속적인 사후관리가 중요하다. 준공 후에도 건축적 변경사항이 있다면 처음 계획된 성능위주 설계에 부합한지에 대한 확인이 필요하다.

2.2 피난안전구역

2.2.1 피난안전구역 설치 규정

국내의 건축법 제 50조 2 및 동법 시행령 제34조, 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 제18조, 서울시 초고층건축물 설계 가이드라인 제8조 등에서 초고층 건축물에는 피난 층 또는 지상으로 통하는 직통계단과 직접 연결되는 피난안전구역을 지상층으로 부터 최대 30개 층마다 1개소 이상 설치하도록 규정하고 있으나, 설치 층 규정에 대한 근거 해설이나 피난안전구역의 면적산정에 관한 구체적 방법에 대해서는 명시하지 않고 있다.

2.2.2 피난안전구역의 설치

일반적인 건축물의 피난 동선은 재실층에서 피난계단을 통해 옥외로 나가는 것이다. 그러나 9.11 테러 이후 최근에 건축되고 있는 초고층 건축물의 대부분은 대피 공간 또는 피난 완충공간으로서 피난안전구역을 건축물 중간층에 설치하고 있다.

본 연구의 대상 건축물에서는 20~25개 층 사이 간격마다 대피층을 설치하는 홍콩의 규정에 기반하여 Fig. 2에서와 같이 18~23개 층 마다 총 5개소(22, 40, 60, 83, 102층)에 피난안전구역을 설치하였다. 이는 Table 3 도보에 의한 피난시간 검토 내용과 같이 각 재실층에서 피난안전구역까지 23개 층을 7~8분 시간 내 대피가 가능토록 설치간격을 고려한 것으로 국내 기준보다 강화된 조건으로 피난안전구역을 설치하였다.

Fig. 2

Installation of Refuge Safety Area

Table 1

Determining of Refuge Safety Area

Term	102F	83F	60F	40F	22F	Under 22F	total
Expected Personnel	2,019	872	1,381	1,528	4,172	5,772	15,774
Personnel in Stairs	10% (201)	20% (174)	30% (414)	40% (611)	60% (2503)	100% (5772)	8,967
Personnel in Refuge Area	1,818	698	967	917	1,669	-	6,069
Required Area	509	195.4	270.8	256.8	467.3	-	-
Installed Area	576.3 (113%)	447.0 (228%)	467.4 (173%)	714.5 (278%)	801.5 (171%)	-	-

Table 2

Review of Evacuation Time by Staircase Width and Entrance Door

Term	Staircase width	Entrance Door	remarks
Total Personnel	15,744	15,744	-
Elevator Users	6,069	6,069	-
Staircase Users	8,927	8,927	-
4 Staircase Assumption	2,242	2,242	-
Staircase width	1.5 m	-	-
Stairs Flow Rate	73.5/m.min	-	-
Door Flow Rate	-	50/m.min	-
Evacuation Time	30.5 min	44.84 min	-

Table 3

Review of Evacuation Time by Walking Distance

Term	23 Storied Walking	123 Storied Walking	-
Walking Speed	27.4 m/min	27.4 m/min	-
No. Floors	23 floors	123 floors	-
Story Height	4.5 m	4.5 m	-
Walking distance	9.14 m	9.14 m	-
Distance to evacuation	210.2 m	1124.2 m	-
Evacuation Time	7.67 min	41.03 min	-

피난안전구역의 면적은 아래 산식에 따라 산정하였으며 계산결과에 의해서 Table 1과 같이 층별 면적을 계획하였다. IBC 기준으로 최대수용인원을 산정하고, 가구배치 등의 실 거주 조건을 감안하여 최대 수용인원의 80%로 예상 수용인원을 정하였다. 피난안전구역을 이용하지 않고 피난계단만을 이용하여 대피하는 인원은 상부 층부터 10%, 20%, 30%, 40%, 60%의 비율로 가정을 하고 이를 제외한 후 최종 대피공간 내 수용인원을 산정하였다.

- 예상 수용인원: IBC 2012 재실자 밀도기준에 근거한 최대수용 인원수의 80% 적용 (가구 등을 고려한 실제 거주밀도 고려)
- 피난안전구역면적: 대피공간 수용인원×0.28m²/인
- 피난계단만을 이용하는 대피인원은 123층~102층(10%), 101층~83층(20%), 82층~60층(30%), 59층~40층(40%), 39층~22층(60%)의 비율로 가정하고, 22층 미만에서는 전원 피난계간만을 이용하는 것으로 계획하였다.

2.3 특별피난계단

2.3.1 피난계단 설치 규정

건축법 제 49조 및 시행령 제34조, 건축물의 피난 방화 구조 등의 기준에 관한 규칙 제8조에서 직통계단의 설치기준이 명시되어 있다. 문화 및 집회시설, 종교시설 등에서 바닥면적의 합계가 200제곱미터 이상이거나 공동주택(또는 업무시설) 거실 바닥면적의 합계가 300제곱미터 이상인 건축물에 피난층 또는 지상으로 통하는 직통계단을 2개소 이상 설치하도록 규정하고 있다. 건물용도와 바닥면적에 따른 최소 설치기준만을 명시하고 있으며 세부적 사항은 명시 되어있지 않다.

2.3.2 피난계단의 설치

특별피난계단은 Fig. 3과 같이 일반 건축물에서의 피난계단 유효너비 폭 보다 300 mm가 더 넓은 1,500 mm의 유효너비를 적용했으며 기준의 요구사항 보다 2개소 많은 총 4개소에 설치하였다. 본 연구대상 건축물에서는 피난 흐름율(John J. Fruin, Ph.D)에 따른 피난시간 개념을 도입하여 피난성능 대한 수치적 기준을 구비하였다. 이 경우 또한 피난계단실을

Fig. 3

Specific Fire Escape Stairs (4ea)

이용하는 대피자의 인원수 비율(임의 가정치)을 시간분석에 반영하였다.

피난계단의 폭과 계단 진입문에 의한 피난시간과 보행거리에 따른 피난시간 분석 결과를 Tables 2와 3에 나타내었다.

피난시간 산정에 있어서 계단 폭에 의한 영향(30.5분)보다 진입 문에 의한 영향(44.84분)이 크므로, 진입 문에 의한 피난시간과 보행거리에 따른 피난시간을 더하고 여기에 추가적으로 피난시작 전 준비시간과 병목현상에 의한 지연시간 등을 합산하여 예상 총 피난시간을 60분으로 산정하였다.

- 예상 총 피난시간 = (44.84+7.67)+α = 60분
- α: 피난을 개시하기 전 상황파악 등으로 준비에 소요되는 시간 및 병목현상에 의한 지연시간

2.4 피난용 승강기

2.4.1 피난용 승강기 관련 규정

건축물의 피난 방화 구조 등의 기준에 관한 규칙 제29조, 서울시 초고층 건축물 설계 가이드라인 제10조 등에서 건축물에 설치하는 승용승강기 중 1대 이상을 피난용승강기의 설치 기준에 적합하게 설치하도록 규정하고 있다. 승용승강기의 경우에 문화 및 집회시설 또는 판매 및 영업시설의 경우 2대, 업무 및 숙박시설, 공동주택의 경우 1대를 설치하지만 3천 제곱미터 초과 시에는 일정 비율에 따라서 가산하도록 되어 있다. 대규모 군집인원에 대한 수직피난 방법, 비상시 승강기 운용방법 에 따른 영향 등을 고려할 세부적 내용이 제시되어 있지 않다.

2.4.2 피난용 승강기 설치

피난용 승강기는 Fig. 4와 같이 비상시 피난안전구역과 피난층을 왕복하며 관리자나 통제요원의 관리 하에 피난자를 구조하는 Life Boat 개념을 적용했다. 체계적인 관리시스템과 안내에 따라 피난안전구역에서 운행하는 피난용 승강기를 이용함으로써 전체 피난시간을 줄일 수 있도록 하였다.

Fig. 4

Evacuation Elevator

피난계단실 이용 대피인원을 제외한 피난안전구역 내 수용인원에 대해서 피난용 승강기로의 대피가 이루어지고 이때 승강기의 용량 및 운행방법에 대한 검토를 통해서 피난소요시간을 산정하였다. 계단을 이용한 예상 총 피난시간 60분 이내에서 승강기를 이용한 피난이 가능하도록 계획하였다.

Table 4에서와 같이 22F의 경우 801.5 m² 면적에 총 1,669명을 수용할 수 있으며, 7대의 비상승강기가 있다. 피난계단과 비상승강기 동시 이용 시 24분 내 대피가 가능하다. 83F의 경우 447 m² 면적에 총 698명을 수용할 수 있으며, 2대의 비상승강기로 51분 내 대피가 가능하다. 102F의 경우는 576.3m² 면적에 총 1,818명을 수용할 수 있으며, 4대의 비상승강기로 54분내에 대피가 가능하도록 계획되었다. 따라서 총 19대의 피난용 승강기가 설치되었고 5개소의 피난안전구역에서 55분내 피난 완료가 가능하다.

Table 4

Installation of Evacuation Elevator

Term	Square Measure	Personnel	No. Installation	Evacuation Time
102F	576.3 ㎡	1,818	4	54 min
83F	447.0 ㎡	698	2	51 min
60F	467.4 ㎡	967	2	55 min
40F	714.5 ㎡	917	4	25 min
22F	801.5 ㎡	1,669	7	24 min
Total	3,006.7 ㎡	6,069	19	54 min

3. 모의실험 및 설문조사 분석

3.1 모의실험

3.1.1 실험 방법 및 내용

실제 완공된 OO 건축물을 대상으로 기 수립된 방재계획의 타당성 및 효용성을 분석하고 재난상황 시 대처활동 점검을 위하여 재난대응훈련을 겸한 피난 및 탈출 모의실험을 실시하였다. Table 5 모의실험 인원현황에서는 성능설계 시 고려한 조건이 일관되게 유지될 수 있도록 계획상 피난인원수와 동수인 2,891명을 83층 이상 고층부에 배정하였다. Fig. 5는 17년 1월 4일 실시된 모의실험 사진을 나타낸다.

Table 5

Personnel in Simulated Experiments

Refuse Safety Area	83~123F Evacuation Personnel			-
Refuse Safety Area	Elevator	Staircase	Total	-
102F	1,818 (90%)	201 (10%)	2,019	-
83F	698 (80%)	174 (20%)	872	-
Total	2,516	375	2,891	-
Expected evacuation time	54 min	60 min	60 min	-

Fig. 5

Simulated Experiments

실험(훈련)에는 Table 6에서와 같이 총 182명이 상황지휘, 안전통제, 피난유도, 소화활동 및 관리지원 업무를 담당했으며, 그 중에서 83층~123층 구간 내 각 층별 평균 2명씩 총 63명을 배치하여 대피유도 및 통제업무를 담당토록 하였다.

Table 6

Administrator in Simulated Experiments

Term	Commander	Guide	Safety Control	Fire fighting	Others	Total
Personnel	13	63	46	20	40	182

화재층(화점)은 화재발생이 비교적 높다고 판단되는 3개 용도 시설에 미리 준비하였고, 발생시간도 15시~15시10분 사이에 불 특정인이 화점 선정과 함께 실험(훈련)개시 시점을 결정하도록 하였다. 화재 발생 층에 따라서 최초 대피층과 각 층에서의 대피 유도방식이 달라지도록 구성했으며 화재층 직상부 4개 층부터 우선적 피난을 실시하고 최초 대피자 군이 화재층을 통과한 후 대피신호를 송출하여 잔여층 피난이 개시될 수 있도록 하였다. Fig. 6은 107층의 화점층을 나타낸다

Fig. 6

A Fire Spot

Table 7 모의실험 방법 및 내용과 같이 피난계단과 피난용 승강기를 이용한 동시피난이 실시되었으며 피난계단에서는 인원밀집에 따른 병목현상 등 실제와 유사한 대피상황 시연을 위해 75층 인근에서 5분간 보행속도를 인위적으로 저하시켰다.

Table 7

Simulation Method and Contents

Term	Contents
Date	2017. 01. 04 15:00
Personnel	2,891 (Same layout as Evacuation planned)
Method	• Randomly selected fire time and story • Sequential Evacuation (Fire breaking story and upper 4-story) • Simultaneous evacuation of Stair & Elev. • Evacuation, Guidance, firefighting, Rescue
Contents	• Monitoring Item - Evacuation time per each floors - Time to refuge safety area - Evacuation completion time - Operating condition of fire-fightings
Others	To simulate similar evacuation situation, artificially slow down walking speed

일반 대피자 역할의 참가자에게는 별도 사전 공지 없이 실험장소 도착 후 비표를 제공하여 Fig. 7과 같이 재난상황 시 행동요령을 전달하였다.

Fig. 7

Participants Tables

3.1.2 실험 결과 및 분석

재난상황 발생 후 피난 및 대피유도, 소화, 구조활동을 실시하면서 주요한 모니터링 항목으로 층별 대피시간, 피난안전구역까지의 대피시간, 피난계단 및 피난용 승강기를 이용한 최종 피난 완료시간, 소화 및 제연설비 정상 작동여부 등에 대해서 점검을 실시하였다. 실험의 결과를 Table 8에 정리하였다. 실험결과에 대한 세부적인 분석 내용은 다음과 같다.

Table 8

The Result of Simulated Experiments

Item	Term		Time		Evacuation Time	Remarks (Personnel)
Item	Term		Start	Completion	Evacuation Time	Remarks (Personnel)
1) Evacuation Time per Each Floors	107-111 F		15:09	15:12	3 min	370
1) Evacuation Time per Each Floors	Other Floors		15:11	15:18	7 min	2,553
2) Time to Refuge Safety Area	102F		15:11	-	(8 min)	Refer to Survey
2) Time to Refuge Safety Area	83F		15:14	-	(10 min)
3) Elevator for Evacuation	102F (4ea)	OD-1	15:12	15:44	32 min	11 times (286)
		OD-2	15:13	15:42	29 min	09 times (244)
		PS-1	15:11	15:46	35 min	11 times (264)
		SV-1	15:12	15:43	31 min	11 times (324)
	83F (2ea)	HS-2	15:11	16:14	63 min	23 times (503)
	83F (2ea)	HS-3	15:11	16:14	63 min	24 times (480)
4) Staircase for Evacuation	East staircase		-		66 min	470
4) Staircase for Evacuation	South staircase		-		52 min	352
Total Personnel	-		-		-	2,891

(1) 화재층(107~111층) 구간에서는 피난계단으로의 대피를 3분 내, 그 이외 층에서는 2,553명의 인원들이 7분 내 대피를 완료하였다. 설계 당시 시뮬레이션 검토를 통해서 산정한 각 층별 허용피난시간인 3.2~7.9분 이내에 대피를 완료하였다.
(2) 피난안전구역으로의 대피는 실험 개시 2분 후부터 도착하기 시작해서 8분 내 93.3%, 10분 내 100% 피난을 완료하였다. 피난시간은 설문조사결과를 참조하였으며, 일부 극소수의 인원이 피난안전구역 진입부의 혼잡으로 인해서 경로를 변경하여 계단을 이용한 피난을 실시한 것으로 나타났다. 피난안전구역의 설치 시 전제로 검토한 7~8분 내 대피층 피난완료 조건을 전반적으로 만족하였다.
(3) 승강기를 이용한 피난은 102층 피난안전구역에서 54분, 83층 피난안전구역에서 51분으로 계획하였으나 (Table 4), 실험결과는 102층에서 35분, 83층에서 63분 이 소요되어 계획대비 변동이 발생했다. 이유는 102층 피난구역 인원의 일부가 지정층을 지나쳐 83층으로 이동한 결과로서 83층 피난승강기의 운용 효율이 초과되었음을 알 수 있다.
(4) 피난계단을 이용한 대피자의 피난 완료시간은 66분으로서 설계 시 분석한 예상 총 피난시간 60분과 유사한 수준에서 피난을 완료하였다.
(5) 실험결과를 통해서 피난계획이 실제와 크게 다르지 않다는 것을 확인할 수 있었다.
(6) 피난용 승강기의 운행 효율에서 확인했듯이 대피유도와 관련하여 당초 예측치 못한 사항에 대해서는 훈련 매뉴얼 보완 및 개선이 필요하다.

3.2 설문조사

3.2.1 설문조사 방법 및 내용

모의실험 결과에 대해 구체적 정보파악을 하고, 초고층 건축물에서의 피난 시 특성 및 인간행동에 대한 기초적 자료를 확보하며, 피난설계와 교육훈련에 대한 의견 수렴을 위해 설문조사를 하였다.

17년 6월30일~7월3일에 조사를 실시했고, Table 9 설문조사현황과 같이 모의실험에 직접 참여했던 인원을 대상으로 대피자 35명, 통제 및 피난유도 27명, 상황관제 1명의 총 63명을 대상으로 Table 11과 같이 4개의 카테고리 101문항에 대한 설문응답을 완료하고 분석을 실시했다.

Table 9

Status of Survey Participants

Sex	Age
Sex	20s	30s	40s	50s	-
Male	2	47	10	2	61
Female	2	-	-	-	2
Total	4	47	10	2	63

Table 10

Role of Survey Participants

Term	Role
Term	Work experience	Commander	Guidance	refugee	total
Admin	10	1	27	-	28
Refugee	-	-	-	35	35
Total	1	1	27	35	63

Table 11

Model Design of Survey

Category	Item	Details
Fire Safety Fire Fighting	Alarm Equipment	Integrated Disaster Prevention System
	Fire Fighting	Fire Fighting, Induction Equipment, etc
	Control Equipment	Management, Maintenance, etc
Evacuation System	Evacuation Facility	Corridor, Staircase, Bottleneck, Induction Maker, etc
	Evacuation Safety Area	Evacuation plan, Installation Area, etc
	Elevator	Lift Facility, Professionalism, etc
Education and Disaster Training	Disaster Training	Evacuation Behavior, Physical Fatigue, Disaster Training, etc
	Evacuation Facility	Announcement, Evacuation Route, Ventilation, etc
	Evacuation Safety Area	Area, Reach Time, Evacuation Safety, etc
	Fire Fighting	Fire Fighting Behavior, etc
Management and Operating	Disaster Prevention Room	Operation of the System, etc
Management and Operating	Management	Personnel Management

Table 10과 같이 모의실험에서 관리⋅통제 업무를 맡았던 168명중 28명이 설문에 참여를 했으며 28명 중 10명은 방재관련 업무에 종사하는 것으로 조사되었다.

3.2.2 설문조사 결과 분석

설문조사의 응답 결과는 1) 모의실험 실시결과에 대한 세부적 고찰, 2) 대피자의 피난중 행동특성 파악, 3) 대상 건축물 피난설계의 적정성 및 피난시설 효용성 분석, 4) 교육⋅재난대응훈련에 대한 중요도파악 등으로 구분하여 분석을 실시하였다.

(1) 모의실험 결과에 대한 고찰

피난 시 대피자들의 전반적인 도보이동 속도에 대한 질문에는 빠르다(35.8%), 적당하다(30.5%), 느리다(33.9%)로 응답하였고, 대피 중 병목현상 발생 횟수에 대해서 1회(16.7%), 2회(31.5%), 3회(22.2%), 4회 이상(18.59%)로 응답하여 미 응답 및 기타 의견을 제외한 88.9%의 인원이 병목현상을 경험했다. 병목현상의 수준 정도에 대해서는 심하다(38.6%), 보통이다(19.3), 약하다(40.4%)로 응답을 하였다.
실험 참가층에서 해당 피난계단실까지의 진입 소요시간을 파악하는 질문에는 5분 이내 86.4%, 7분 이내 100%로 진입 완료하였음을 확인했다.
지정층 피난안전구역까지의 도달시간에 대한 응답에서는 5분 내 62.2% 도착, 7분 내 전체 인원의 84.4% 도착, 8분 이내에 93.3%가 대피 완료하였음으로 나타났다.
1층에 있는 외부공간까지의 최종 대피경로에 대해서는 피난계단을 이용한 인원이 28명(44.4%)이고, 피난용 승강기는 30명(47.6%)이 이용하였다. 미응답 및 기타응답이 5명(8%)로 조사되었다. 설문조사 참여자 중에서는 피난계단을 이용한 인원의 비율이 실험계획 대비 높았다.

화재 발생 후 외부에 있는 대피공간까지 대피 전체에 소요된 시간에 대해서는 Table 12에서와 같이 10분 내(12.1%), 10~20분(15.5%), 20~30분(8.6%), 30~40분(6.9%), 40~50분(13.8%), 50~60분(27.6%), 60분 이상(15.5%)로 조사되었다. 피난용 승강기를 이용한 대피자는 10분~60분 사이 전반적으로 고른 분포를 보였고, 계단 이용 대피자와 승강기 이용 대피자가 50분 이후 동시에 집중되는 상황이 파악되었다.

Table 12

Evacuation Completion Time

Evacuation Time	Personnel	Effective Ratio	Cumulative Ratio
within 10min	7	12.1	12.1
10~20min	9	15.5	27.6
20~30min	5	8.6	36.2
30~40min	4	6.9	43.1
40~50min	8	13.8	56.9
50~60min	16	27.6	84.5
more than 60min	9	15.5	100
no Response	5	-	-
Total	63	100	100

대피 중 지정된 피난안전구역으로 이동했는지의 여부와 미 이동의 경우에 사유를 묻는 질문에는 지정층 이동(80.7%), 지정층 미 이동(19.3%)로 응답했으며, 미 이동의 사유로는 유도원의 통제오류(9.1%) - 대피경로에 대한 인지부족(18.2%) - 선행피난자를 따라서 단순이동(36.4%) 순으로 파악이 되었다.

(2) 대피자의 행동 특성

피난계단을 이용하여 대피를 실시한 28명의 피험자들은 Table 13에서와 같이 대피 시작 5분 후부터 10.7% 인원이 신체 피로를 느끼기 시작했으며, 7분 후 3.6%, 10분후 7.1%, 20분후 35.7%, 30분후 25.0% 인원이 피난에 무리를 느낀 것으로 조사되었다. 피로를 미경험한 피험자는 17.9%였으며 주로 초기에 신속하게 대피를 완료한 경우로 조사되었다. 신체적 피로로 인해서 대피중에 필요로 했던 휴식의 횟수로는 1회 14.3%, 2회 17.9%, 3회 이상 35.7%, 불필요32.1%로 응답하였다.

Table 13

Investigation on Physical Fatigue During Evacuation

Evacuation Time	Personnel	Effective Ratio	Cumulative Ratio	Remarks
after 5min	3	10.7	10.7	-
after 7min	1	3.60	14.3	-
after 10min	2	7.10	21.4	-
after 20min	10	35.7	57.1	-
after 30min	7	25.0	82.1	-
No Experience	5	17.9	100	-
Total	28	100	-

대피유도원이 제공한 안내(피난시설 작동여부, 안전 유의사항 등)에 대해서 82.5%의 인원이 적정했다고 긍정적 응답을 하였다. 유도원의 안내가 대피중 동요를 방지하고 심리적 안정에 도움이 되는지에 대해서는 그렇다(56.1%), 보통이다(22.8%), 아니다(21%)로 나타났다.
상황통제 및 피난유도를 담당했던 관리자를 대상으로 한 설문에서 원할 한 피난을 저해하는 위험요인에 대한 중요도 순위를 묻는 질문에는 지휘소 통제미숙 - 피난시설 용량부족 - 대피자 지시불이행 - 통제자 인원부족 - 대피자 신체적 능력저하 순으로 응답했다.

(3) 피난설계 적정성 및 피난시설의 효용성

재난 발생 시에 어떤 대비방법을 선택할 것인지에 대한 설문에 110층에 거주한다는 가정 하에서는 피난용승강기 이용 63.5%, 피난안전구역 일시대피17.5%, 피난계단 이용 12.7% 순으로 응답하였고, 60층에 거주한다는 조건하에서는 피난용승강기 이용 58.7%, 피난계단 30.2%, 피난안전구역 일시대피4.8%로 응답하였고, 40층에 거주하는 조건하에서는 피난계단 이용 60.3%, 피난용승강기 31.7%, 피난안전구역 일시대피 1.6%로 Table 14와 같이 조사되었다.

Table 14

Investigation of Selection on Evacuation Method

Evacuation Method	Condition of Residence in a Disaster Situation
Evacuation Method	Reside on 110F	Reside on 60F	Reside on 40F
Staircase	12.7%	30.2%	60.3%
Elevator	63.5%	58.7%	31.7%
Refuge safety Area	17.5%	4.8%	1.6%
No Response	6.3%	6.3%	6.3%
Total	100%	100%	100%

방재관련 업무를 담당하고 있는 관리자를 대상으로 한 설문에서 대상건축물에 피난안전구역 5개소 설치가 적정한가에 대해서는 96.4%가 긍정적 응답을 하였으며, 대피 공간 용도로서의 피난안전구역의 설치 면적이 적정한가에 대해서도 그렇다(50%), 보통이다(35.7%)로서 85.7% 비율로 긍정적 응답을 했다.
관리자 대상의 설문에서 피난계단의 폭(1.5m)이 대피에 적정한가에 대해서는 전체 89.3%가 적정한 것으로 응답을 했으며, 세부적으로 매우 그렇다(42.9%), 그렇다(46.4%), 보통이다(10.7%)로 확인되었다. 피난 계단실의 혼잡도 수준을 묻는 질문에는 10점 만점에 평균 6.54점 수준으로 혼잡도를 평가하였다.
피난용 승강기의 크기 및 수용인원에 대한 적정성에 대해서는 70.7%가 긍정적 응답을 하였고, 운행방식에 대해서도 86.4%의 인원이 적정함으로 응답했다. 승강기의 안전성을 묻는 질문에는 10점 만점에 7.5점 수준으로 응답했다.

(4) 교육 및 재난훈련의 중요도
- 실험 시 대피경로에 대해서 충분히 인지를 하고 대피했는지에 대해서는 매우 그렇다(27%), 그렇다(46%), 보통이다(12.7%)로 답변을 하였다.
- 대피 유도원의 전문성을 묻는 질문에 대한 응답은 10점 만점에 평균 7.1점으로 평가했고, 유도원이 매뉴얼대로 잘 안내했는지에 대한 응답에서는 93.2%가 보통이상 이라는 긍정적 응답을 했다.
- 실험에 참여하면서 대피 과정중 전체적으로 느낀 안전성에 대한 평가에서는 10점 만점에 평균 7.05점 수준으로 응답했으며, 모의실험에 대한 전반적인 만족도 평가항목에 대해서는 평균 7.23점으로 평가를 했다.
- 실제 재난 상황시에 사전 대피훈련이 도움이 되겠는지에 대한 질문에 매우 그렇다(29.3%), 그렇다(56.9%), 보통이다(8.6%), 아니다(3.4%), 매우 아니다(1.7%)로 응답하였다.

4. 피난설계 및 재난훈련 가이드 제안

4.1 피난설계 세부 가이드 제안

앞 장에서 기술한 바와 같이 건축물에 적용한 성능위주 피난설계의 사항과 모의실험 및 설문조사 분석 결과를 토대로 피난설계의 수행 및 재난훈련 시 활용할 수 있는 세부 가이드를 제안한다.

4.1.1 피난안전구역의 설치

국내에는 층수에 대한 규정만 명시되어 있어서 건축물별 상이한 층고로 계획될 경우를 대비하기가 어렵다. 피난안전구역의 설치 시에는 대피 시 혼란과 피난 중 안전사고, 병목현상 발생 등 대피시간 지연에 따른 피난의 비효율성을 방지할 수 있어야 하므로 피난안전구역 간 설치 높이에 대한 검토를 도입하거나 피난시간에 대한 검토를 병행하는 것이 바람직하다.

Table 13에서는 신체적 피로를 느끼기 시작하는 시간에 대한 결과를 조사하였다. 응답자의 10.7%는 대피 5분 후부터 신체적 피로를 경험하였다. 피난시간이 지연되면 피난자는 통상적으로 5분 후부터 신체적 피로를 경험하게 된다는 기존 연구(Egan, 1986)와 유사한 결과이다. 안전 측 범위에서 보면, 신체 피로를 느끼기 않고 대피할 수 있는 시간인 5분 이내 위치에 피난안전구역의 설치가 타당할 수 있다.

그러나 본 연구에서의 피난안전구역 도달시간에 대한 실험 및 설문 결과를 유념해서 살펴보면, 화재발생 2분후부터 도착해서 8분 이내 93.3%가 대피를 완료했음을 확인할 수 있다. 이는 산술적으로 계산된(4.5m 층고 건물에서 층 당 평균 대피시간은 약 20초임) 23개 층 피난 소요시간 7분 40초와도 유사한 결과를 나타낸다. 즉, 5분경과 후부터 일부 대피자는 신체 피로를 느끼기 시작하나 신체적 피로 현상이 피난상의 무리로까지는 이어지지 않고 층당 평균 대피 속도를 유지하면서 신속하게 피난을 완료했음을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해서 피난 소요시간 7~8분 내 설치 시 조건에도 안전성을 확보할 수 있다고 판단된다. 해외(홍콩)의 피난안전구역 설치 규정에 기반하여 Table 15에서와 같이 최대 25개 층 마다 1개소 이상 설치 하되 피난시간 검토를 병행하는 방안을 제안한다.

Table 15

Proposal for Installation of Refuge Safety Area

Term	Contents
Legal Standard	• Install at least one per up to 30 Floors
Reference	• Install one per 20 to 25 Floors (Hong Kong)
Proposal	• Install at least one per up to 25 Floors • Review Evacuation Time in Parallel (set up to allow within 7~8 Minute)

Table 16

Proposal for Determining of Refuge Safety Area

Term	Contents
Overseas Criteria	• (Number of Residents above the Evacuation Safety Area×0.5)×0.28
Proposal	• Apply Adjustment Coefficient • (Number of Residents above the Evacuation Safety Area×Adjustment Coefficient)×0.28

4.1.2 피난안전구역의 면적 산정

현행 기준은 초고층 건축물에서의 대피자 행동심리 및 승강기를 이용한 피난효율에 대한 특성고려가 어려우므로 개선할 필요가 있다.

층별 대피방법 선택에 관한 설문조사 결과를 보면 Table 14에서와 같이 상층부로 갈수록 피난계단을 이용한 대피비율이 감소하고 피난안전구역 및 피난승강기를 이용한 대피비율이 증가하였다.

또한, 상층부로 갈수록 외부 공간 대피장소로의 수직 피난거리가 증가함에 따라서 피난계단에 비해서 피난승강기를 이용한 대피의 효율이 높다는 점을 고려해야 한다.

Table 1에서와 같이 피난계단 이용 대피 비율을 가정하여 수용인원을 적정하게 분산함으로써 대피공간의 면적 산정 시 합리성을 도모할 수 있다. 실험에서의 결과와 설문조사에 근거하여 일정부분 그 타당성이 확인되었다.

Table 16에서와 같은 피난안전구역 면적산정 방안을 제안한다. 조정계수의 활용이 가능하며, 피난안전구역 윗 층의 재실자수×조정계수×0.28m² 의 식으로 산정한다. 설계 시 적용한 조정계수를 Table 17에 나타내었다. 조정계수 적용 시 해외기준 대비 상층부로 올라갈수록 피난안전구역의 요구 면적비율이 증가하므로 고층부에서의 피난안전성 향상 및 승강기를 이용한 피난효율의 증대를 기대할 수 있다.

Table 17

Calculation of Adjusting Coefficient

Term	Coefficient based on Percentage of Staircase Utilization
Term	102F	83F	60F	40F
Design	10%	20%	30%	40%
Survey	12.7%	-	30.2%	60.3%
Overseas Criteria	0.5	0.5	0.5	0.5
Proposal	0.72 (0.8×0.9)	0.64 (0.8×0.8)	0.56 (0.8×0.7)	0.48 (0.8×0.6)
Area Ratio	0.72/0.5 (140%)	0.64/0.5 (128%)	0.56/0.5 (112%)	0.48/0.5 (96%)

Table 18

Proposal for Installation of Specific Fire Escape Staircase

Term	Contents
Legal Standard	• Based on the Usage and Area of the Buildings
Proposal	• Review Capacity and Evacuation Time • Installation based on Evacuation Capacity Review

40층에서의 응답결과(60.3%)는 설계시 가정비율(40%)와 차이를 보이고 있는데, 재난 발생 시에는 대피인원의 통제가 설계시 조건을 따라서 이루어지고, 각 피난시설의 검토가 가정 비율에 의해 진행되므로 피난 안전성 확보에는 무리가 없을 것으로 판단한다.

4.1.3 피난계단

국내 기준에는 피난계단 및 피난용승강기 설치 시 참조할 별도의 수용인원 규정을 두고 있지 않으므로 개선할 필요가 있다. 피난용량 계산을 위해서 계단 및 승강기를 이용하는 수용인원에 대한 적정한 고려가 필요하며, 아울러 테러와 같은 특수 재난 시를 대비하여 건물 전 층의 피난 상황을 고려한 피난시간 검토의 도입이 필요할 것으로 판단된다.

피난계단의 설치 검토에는 Table 18에서와 각 피난시설별 수용인원 적용 조건을 일관성 있게 반영하고, 2.3.2장에서 기술한 바와 같이 피난계단 폭과 피난 문, 보행거리에 따른 피난시간을 분석한다. 피난계단 용량 산정의 검토과정을 통해서 적정성을 확인하고 대상 건축물별 특성을 고려한 예상 총 피난시간의 산정으로 일종의 성능기준 수립이 가능하므로 관리의 기준으로 활용할 수 있다.

Table 19

Proposal for Installation of Evacuation Elevator

Term	Contents
Legal Standard	• Based on the Usage and Area of the Buildings
Proposal	• Review Capacity and Evacuation Time • Installation based on Evacuation Capacity Review

4.1.4 피난용 승강기

피난용 승강기의 설치는 Table 19와 같이 피난계단과 피난용 승강기를 병행 사용하는 동시피난 조건을 적용하여 수용인원을 고려하고, 피난시간 검토를 통해 적정 승강기 설치 및 운행방법을 계획할 수 있다.

2.4.2에서 기술한 바와 같이 피난계단에서의 예상 총 피난시간(60분)과 동일 수준에서 피난이 가능하도록 승강기를 설치하고, 승강기 용량에 따른 비상시 세부 운행계획을 수립하여 피난안전성을 확보한다.

4.2 재난대응훈련 매뉴얼 가이드 제안

성능위주 피난설계에 있어 설계 시 정립한 개념 또는 가정한 조건들에 대해서는 비상 상황 시 최종적 대응 단계까지 일관된 처리로 시설 운용이 될 수 있도록 관리되어야 한다.

Table 20 피난용 승강기를 이용한 대피시간 비교표에서 계획 대비 실시결과의 차이점을 나타내었다. 대피자 유도 및 통제에 있어서 예측치 못한 상황으로 인해서 102층 피난안전구역에 수용되어야 할 일부의 대피자가 83층 피난안전구역으로 이동하였고 이런 결과로 102층의 피난시간은 계획대비 감소하고, 83층의 피난시간은 당초 51분에서 66분으로 증가되었다. 계획한 사항을 정확하게 준수할 수 있는 상황통제 및 대피유도가 매우 중요함을 알 수 있다. 대피경로 숙지를 위한 재실자 교육이 마찬가지로 중요함을 설문조사를 통해서 확인하였다.

Table 20

Comparison of Evacuation Time Using Elevator

Elevator		Plan			Execution result
Elevator		Person	Operating	time	start	finish	time
102F	OD-1	468	18	54min	15:12	15:44	32min
	OD-2	468	18	54min	15:13	15:42	29min
	PS-1	391	17	54min	15:11	15:46	35min
	SV-1	491	17	54min	15:12	15:43	31min
83F	HS-2	349	16	51min	15:11	16:14	66min
83F	HS-3	349	16	51min	15:11	16:14	66min

결론적으로 설계 시 적용한 각 피난시설별 수용인원은 피난용량 검토로 이어지고 피난 안전성 확보에도 직접적 영향을 주게 된다. 따라서 재난대응 훈련의 매뉴얼에는 수용인원에 대한 층별, 피난시설별 세부적 명시가 정확히 반영되어야 하며 비상시 대피유도는 이러한 명시 조건을 정확히 이행해야 한다. 설계 시 유의사항을 훈련계획 수립 시 반영하기 위해서 방재계획 전문가 및 설계 참여자의 충분한 의견수렴이 필요하다. 또한, 상황지휘 및 대피유도원은 훈련계획 숙지를 통해 전문성을 확보할 수 있어야 한다. 아울러, 재실자에 대한 반복적 피난 행동요령 교육 및 훈련이 필요할 것으로 판단된다.

5. 결론

123층 규모 초고층 건축물에 적용한 피난설계의 내용을 바탕으로 피난시설의 세부적 설치 방법에 대해서 제시하고, 그에 따른 방재적 효용성에 대해 모의실험 및 설문조사 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 초고층 건축물의 피난설계 수행 시 참고할 수 있는 세부적 가이드를 아래와 같이 제안한다.
- • 피난안전구역 설치 시 피난시간에 대한 검토를 병행하며, 7~8분 이내 대피가 가능토록 최대 25개 층 마다 1개소 이상 설치한다.
- • 피난안전구역의 면적 산정은 적정 조정계수 활용이 가능하며, 피난안전구역 윗 층의 재실자수×조정계수×0.28m² 의 산식으로 산정한다. 조정계수에는 각 피난시설별 수용인원을 적정 비율로서 고려할 수 있다.
- • 피난계단 및 피난용승강기는 동시피난을 고려하고 각 시설별 수용인원 및 적정 피난시간 검토를 수행하여 설치한다.
(2) 비상시 통제시스템 및 재실자 훈련의 정도가 안전성 확보에 있어 매우 중요하므로 재난대응훈련 매뉴얼에 참고할 기초 자료를 아래와 같이 제시한다.
- • 피난설계 시 적용된 개념과 가정 조건이 비상시 최종적 대응단계까지 관리될 수 있도록 재난훈련의 계획수립 시 방재전문가 및 설계참여자의 의견수렴이 필요하다.
- • 피난시설별 수용인원 산정의 결과와 피난시간에 대한 검토사항은 훈련 세부계획에 정확히 반영토록 하며 이를 근거한 대피 및 통제가 이루어지도록 매뉴얼에 명시되어야 한다.
- • 상황지휘, 대피 유도원 및 재실자에 대한 비상시 행동요령 숙달이 중요하며 이를 위한 반복적 교육 및 훈련이 필요하다
(3) 본 연구에서의 모의실험(훈련)은 실제 재난 시와 최대한 유사한 환경에서 진행되었으나 긴급 상황 시연에 일부 한계가 있을 수 있다. 유도원의 통제 재촉에도 불구하고 소수의 참가 인원은 진지하지 못한 태도로 임했고, 훈련이라는 가정 하에 진행되었기 때문에 병목현상이나 일시적 혼잡 상황에도 다소 여유 있는 대처가 가능하여 심리적 동요가 완화된 측면이 있다. 실제 재난 시 혼란상황에서의 피난행동과 심리상태에 대한 추가적인 연구와 검토가 뒤따라야 한다.

모의실험 및 설문조사 분석을 통한 초고층 건축물의 피난대책 가이드라인 연구