초고층 건물의 엘리베이터 교통량 시뮬레이션 분석

초고층 건물의 엘리베이터 교통량 시뮬레이션 분석

글. 윤병희(㈜첨성시스템 대표이사)

초고층 건물에서는 무엇보다도 수직운송수단인 엘리베이터 설비를 어떻게 계획하고 설치하는가에 따라서 건축물의 경제성을 확보하는 성패가 좌우된다고 해도 부족함이 없다. 즉, 초고층 건물의 규모 및 용도에 맞는 최적의 엘리베이터 설비를 갖추는 것이라 할 수 있다.

초고층 건물에서 엘리베이터 교통량 분석의 중요성

대체적으로 지상 50층 이상의 초고층 건물은 업무시설, 주거시설, 숙박시설, 상업시설 등의 여러 가지 용도가 함께 존재하는 복합건물로 지어진다. 따라서 초고층 건물의 엘리베이터 교통량은 각 용도별에 맞도록 분석이 되어야 한다. 또한 엘리베이터 교통량을 분석함에 있어서 로비나 복도의 통행에 문제가 없도록 사람들 간의 사회적 거리를 확보해야 하고 엘리베이터 승강장과 카 내부의 사회적 공간을 확보하는 것은 매우 중요한 과제이다.
엘리베이터를 이용하는데 있어서 개인적인 사회적 거리는 밀집된 승강장 공간에서 대기 중인 승객들 간이나 엘리베이터 카 내부에서 쉽게 접촉이 발생하지 않도록 주어지는 간격을 말한다. 즉, 대기 중인 승강장 및 대기열에 해당되는 순환지대에서 사람들 사이를 불편 없이 지나갈 수 있는 정도의 공간을 확보하고 엘리베이터 카 내부에서 서로에게 불쾌감을 주지 않을 정도의 공간을 확보하면서 로비층에서 기다림이 없는 수직 운송설비를 갖추도록 하면서 가고자 하는 목적층까지 지루하지 않게 편안하게 운송하는 것이 엘리베이터 교통량 분석의 최대 목적이다.

엘리베이터 교통량을 분석하는 기본적인 요소

초고층 건물의 엘리베이터 교통량 분석에 있어서 필요한 기본적인 요소는 건물규모, 건물용도, 각 층의 높이, 층별 용도, 각 층의 전용면적, 각 층의 객실 수, 각 층의 세대수, 각 층의 입주인구, 방문자수, 층별 객실의 분포, 도착과 출발 층에 대한 승객의 진입동선 등이다. 특히 초고층 건물은 스카이 로비를 2~4개 가지므로 출발 층이 2~4개가 된다. 그래서 정확한 교통량 분석을 위해서 고층부, 중층부, 저층부 별로 수직 이동에 영향을 주는 요소인 보행자 면적, 보행자 이동 속도, 방향성 흐름, 대기 유형, 환경적 및 법적 요구조건을 면밀히 검토해야 한다.
또한 초고층 건물은 복합적인 용도를 가진 건물이기 때문에 특수한 기능을 가진 엘리베이터의 교통량 분석을 필요로 한다. 즉, 전망대 전용, 더블데크, 트윈, 장비 교체용 대용량 엘리베이터, 피난용 엘리베이터, 비상용 엘리베이터 등에 관한 것 등이 분석되고 적용된다. 국내 초고층 건물의 역사가 그다지 길지 않기 때문에 실제 적용된 사례는 그리 많지 않아서 수송능력 극대화를 위한 설계적인 아이디어가 도입된 건물은 극소수에 불과하다. 대표적인 초고층 건물로 롯데월드타워 123층에 오티스와 미쓰비시 엘리베이터에서 설치한 더블데크 엘리베이터, 여의도 파크원에 티센크루프의 트윈 엘리베이터가 설치 중에 있다. 향후 국내 초고층 건물에는 공간활용 및 수송능력의 극대화를 위해서 활발히 적용될 것으로 예상된다.

엘리베이터 교통량 분석을 위한 기법에 대한 고찰

엘리베이터 교통량 분석에 적용되는 기술은 서비스의 양을 결정하는 수송능력과 서비스의 품질을 결정하는 평균 운전간격이다. 수송능력이란 유동인구 중에서 엘리베이터를 이용하는 승객이 특정한 피크타임 5분 동안에 그 서비스를 필요로 하는 정도를 %로 표시하는 것이고, 평균 운전간격은 엘리베이터가 한 번 왕복 주행을 하는데 걸리는 시간을 한 Bank에 있는 카의 수로 나눈 값을 말한다.
전통적인 계산 기법에서 보면 엘리베이터는 클수록 많은 사람이 한꺼번에 탈 수 있다. 즉 카의 크기가 커지면 수송 능력이 증가함을 확인할 수 있다. 수송능력을 도착비율로 생각해보면 건물 내 유동인구의 몇 퍼센트가 피크타임 5분 동안에 엘리베이터를 이용해서 원하는 곳에 도착할 수 있는지를 분석하는 것이다. 일반적으로 업무시설에서 관찰해보면 약 15%가 실제 엘리베이터를 사용한 표준적인 비율에 해당되며 피크타임에 수용되는 총 유동인구의 정확한 추정 값으로 결정적인 분석의 기초로서 사용된다. 만일 조사된 값이 정확하지 않으면 아무리 중간 계산 프로세스가 상세하고 분석이 신중하게 행해지더라도 결과는 정확하지 않게 된다.

지금까지 건축설계자들은 중요한 수치임에도 불구하고 건축법에 기인하여 급하게 임의적으로 선택해 엘리베이터 속도, 용량, 대수를 결정하고 적용해왔다. 일반적으로 건물주들은 건물을 짓기 전에 건물의 규모와 용도를 결정하고 건축설계를 진행하기 때문에 엘리베이터 전문가인 컨설턴트는 타당한 추정 값을 얻을 때까지 다양한 조사와 질문을 해야 하고, 만일 확실한 입력 값을 얻지 못할 것 같으면 그 정보를 사용해서는 안 된다. 이런 기본적인 숫자정보의 정확한 입력 값을 입력하지 못한다면 건물 준공 후의 결과는 뻔하다.
엘리베이터 교통량 분석의 오류를 제거하기 위한 기법으로는 전통적인 계산방식과 컴퓨터 시뮬레이션 분석 방식이 있다. 초고층 건물은 다양한 인구가 복잡하게 거주하고 이동하므로 기존의 계산방식으로는 결과에 대한 오차범위가 너무 크기 때문에 시뮬레이션 방법으로 분석하여 적용한다.

교통량 분석을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 기법

초고층 건물의 엘리베이터 교통량 분석을 위해서 사용하는 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어 기술은 Microsoft Visual C++ 운영체제인 객체지향 프로그래밍을 사용하여 매우 빠르고 효과적인 소프트웨어로 분석 실행하고 있다. 프로그램 개발자는 수학적인 공식을 도입하여 시뮬레이션 프로그램을 지속적으로 향상시키고 있으며, 객체지향 프로그래밍으로 객체의 변수와 함수를 함께 그룹화 시키고, 엘리베이터 용량 및 속도와 같은 변수와 출발과 관련된 함수를 사용하여 필요한 만큼의 엘리베이터 속도와 인승과 대수를 결정하도록 했다.
엘리베이터 운동학을 기초로 개발된 시뮬레이션 프로그램은 분산제어, 속도제어, 승객제어가 가능하며 운전이 끝나면 승객의 대기시간 및 운행시간에 대한 세부정보의 제공이 가능하며, 더블데크나 트윈 엘리베이터 같은 새로운 엘리베이터 시스템 간의 긴밀한 호환이 가능한 프로그램으로 30가지의 결과물이 도출된다.
신기술인 더블데크와 트윈 엘리베이터의 시뮬레이션을 위한 확립된 기술은 하나의 승강로에 여러 대의 복수 엘리베이터가 최소 2차원 구조의 운전시스템으로 교통량 분석이 가능하도록 프로그램화 되었으며, 더블데크 및 트윈 엘리베이터를 경우에 따라서 시뮬레이션 분석하고 결정하는 것이 가능하다.

">[그림 1] 인간 타원형

[그림 2] 계단 투영면적에서 두 사람의 승객이 중첩되는 모양

[그림 3] 엘리베이터 시뮬레이션 결과