[Project] 파라메트릭 시뮬레이션 기반 최적 토지이용 제안 – 보행권을 중심으로

1. 서론

1) 연구 배경 및 목적

 1, 2기 신도시는 학교·생활 편의시설 도보 접근성 저하, 단지·생활권 간 단절, 낮은 공원·녹지 접근성으로 인한 미흡한 보행 환경에 더불어 자동차 중심 설계로 인한 문제점이 지적되어 왔다. 이를 극복하기 위한 3기 신도시 계획이 ‘사람 중심 보행 친화’를 기치로 내걸고 있는 점에서 도시 계획의 보행 환경 조성과 연결성 확보는 가장 중요한 고려 사항 중 하나라고 볼 수 있다. (성현곤, 2019; 윤신희·이세훈, 2021; 백일순·최선영, 2022) 이러한 신도시 조성 사업 중 공공택지지구는 ‘가로공간 중심 공유도시’ 조성을 기치로 가로공간을 생활 중심으로 하여 생활 공간의 유기적 연결성을 강조하고 있다.

 동시에 3기 신도시 계획에 대한 평가 지표 역시 개발되고 있다. (윤정중, 2019 ;박지영 외, 2022; 남성우 외, 2022) 하지만 이러한 평가 지표들은 필연적으로 계획 수립 이후 적용이 가능하다. 중점 사항이 설계 단계부터 반영되지 않을 경우 사후적인 설계 변경이 어렵기 때문에 계획 단에서 평가 기준을 선제적으로 반영하려는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다. (전연수·정재헌, 2024) 또한 지금까지의 도시계획은 경험적 설계와 사후 평가 방식에 많은 비중을 두고 있으며, 계획 초기에 정량적 근거를 확보하기 어려운 한계가 존재했다. (한재원·이수기, 2021) 따라서 보행 환경 조성 및 단지 간 연결성 확보를 중심으로 한 3기 신도시 역시 계획 수립 초기 단계부터 보행권과 단지 및 생활권 간 유기적 연결을 평가하여 반영할 필요가 있다.

 

2) 선행연구 검토

 지구단위계획 또는 건축설계에 시뮬레이션 기술을 적용하는 연구는 지속적으로 이루어졌다. 대부분 파라메트릭 기반 도시설계 연구는 토지이용의 합리화보다 필지와 건축물의 조화, 환경영향평가 등 물리적 최적화에 집중되어 있다. 또한 국외에서 이루어진 연구가 많아 매개변수가 국내 실정과는 달라 적용이 힘든 경우가 많다. (전연수·정재헌, 2024)

 토지이용을 최적화하려는 시도들은 초기 선형 모델부터 비선형 모델까지 다양하게 시도되었다. 초기 Linear Programming 최적화 모델로 도시계획 시스템 문제를 해결하려는 연구가 시도되었다. (Guldmann, 1979) 하지만, 선형 모델은 선형성에서 벗어난 비수치적 복잡성을 반영하기 어렵고, 공간적 상호작용 문제를 다룰 수 없다. (고충석·이병철, 1989; Stewart et al., 2004)

 이에 따라 비선형적이고 복잡한 도시 문제를 다루기 위해 비선형 모델이 도입되었다. 특히 유전 알고리즘을 활용한 문제 해결 시도가 다수 있었다. 박윤선 외(2017)는 유전 알고리즘을 적용해 양평군의 토지이용 최적화를 통해 비교적 넓은 지역에 상충하는 목적들을 달성하는 방법을 제안했다. 하지만 분석단위가 너무 넓고, 토지피복을 개발지역, 농업지역, 산림지역, 수공간으로 제한하여 도시지역 적용이 어렵다는 한계를 가진다. 정종철(2017)은 유전 알고리즘을 이용하여 소규모 토지개발에 따른 문제를 최소화하며 목적을 달성하기 위한 실험적 개념을 제시하였다. 이는 법 중심의 질적 매개변수를 정량적으로 평가할 수 있는 개념적 토대를 제공하였지만 실험적 개념에 그쳤다는 점에서 현실 적용성이 떨어진다.

 본 연구는 3기 신도시의 개발 목적에 따라 계획상 중점 사항과 평가 지표를 매개변수로 하는 파라메트릭 모델 기반 다중 시뮬레이션 비교를 통해 도시 공간을 정량적으로 분석하고 최적의 토지이용을 도출한다. 나아가 실질적으로 적용 가능한 모델을 통해 사람 중심의 지속 가능한 도시 구조 구현에 기여할 것을 기대한다.

 

2. 연구방법

1) 연구 대상지

 연구 대상지는 인천계양 공공주택지구로 하였다. 총 면적은 약 3.33㎢이며, 약 17,000호의 주택과 약 41,700명의 인구 수용을 목표로 한다. 공공주택공급 확대와 수도권 서북부 균형 발전을 목적으로 지정되었으며, 주요 계획 방향은 친환경 녹지 중심 도시 구조, 공공성 중심 주거단지 구성에 있다. 전체 면적 중 약 50% 이상이 주거 용지이고, 공원 및 녹지 면적은 1인당 약 18.8m²로 높은 수준의 녹지 보급 계획을 가진다. 인근에 인천 1호선 박촌역과 신도시 내부를 통과하는 S-BRT로 교통 접근성을 확보하고, ICT 및 디지털 콘텐트 중심의 업무 기능, 주거 기능을 동시에 배치하여 자족 기능을 확보한다. 이를 바탕으로 북부 산업 클러스터, 서부 박촌 역세권, 중앙 S-BRT 복합 환승센터에 각각 특별계획구역을 설치하여 도시의 핵심 축 기능을 유도한다. 또한, 도심을 통과하는 ‘계양벼리’ 공원을 통해 보행 환경과 연결성을 확보한다. 근린(자족) 시설과 공공 시설은 모두 집적을 원칙으로 한다.

 인천 계양신도시를 적용 대상지로 선정한 이유는 다음과 같다. 첫째, 계양신도시는 3기 신도시 중 가장 먼저 발표된 선도 지구로, 개발이 타지구에 비해 빠르게 진행되고 있다. 이에 따라 토지이용계획 등 주요 개발 자료에 접근이 상대적으로 용이하다. 둘째, 계양신도시는 면적이 약 3.33㎢로 3기 신도시 중 규모가 작은 편에 속하고 주거, 업무, 상업, 녹지 기능이 복합적으로 작동하는 자족형 도시로 계획되었다. 작은 공간 내에서 각 용도의 적합도 합을 최대화하면서 서로가 복합적으로 작동해야 함을 의미한다. 이러한 조건은 한정된 공간 조건 내의 최적의 토지 이용을 찾아야 한다는 점에서 넓은 지역 보다 본 연구의 테스트 베드로 적합하다. 마지막으로, 계양신도시는 도심 인접성과 공항철도 및 GTX-B 등 대중교통 기반의 접근성을 바탕으로 ‘직주근접형 자족도시’를 표방하고, 도시 내부 연결성은 선형 공원 ‘계양벼리’를 통해 확보한다. 정량적 평가가 수월하고 기능이 강조된 도시 외부 교통에 비해 도시 내부 연결성은 평가가 힘들고 기능이 덜 강조되었다. 본 연구를 통해 보행 환경의 정량적 평가와 ‘사람 중심’의 3기 신도시 개발 방향성 실현 대안을 기대할 수 있다.

 

2)   연구 모형

(1) 모형 개요

 본 연구는 파라메트릭 시뮬레이션 모델을 통해 계획 단계에서의 토지 이용 최적화를 목적으로 한다. 3기 신도시 계획의 주안점, 특히 보행 환경과 연결성을 중심으로 한 유기적 설계를 중심으로 평가 기준을 매개변수로 두고 토지 이용 시뮬레이션을 시행한다.

 연구 대상지역을 10*10(m2)의 Grid 형태로 변환하여 가상 공간을 만든다. 가상 공간 상 구획에 랜덤으로 용도를 부여한 뒤, 적합도 평가를 통해 평가 점수가 높은 토지이용계획 후보를 반복적으로 구한다. 시뮬레이션을 통해 구한 계획 후보들의 패턴을 추출하여 최적의 토지이용계획 안을 제안한다.

< 그림 1 연구 모형 알고리즘 >

(2) 초기 조건

 연구 대상지 중 북부 산업 클러스터와 서부 박촌 역세권은 초기 조건에서 제외한다. 두 구역은 명확히 정해진 용도가 있고, 토지 이용이 단일 용도로 정해졌기 때문에 최적화 여지가 적다고 판단하였다. 따라서 북부와 서부를 제외한 구역을 초기 조건으로 설정하고 모형을 적용하였다. 도로의 경우 사업 대상지 외부와 연결되는 중심도로와 간선도로만 초기 고정 값으로 사용하였다. 특별계획용지 역시 초기 고정 값으로 두었다.

< 그림2 초기조건 -사업대상지 >

< 표1 초기조건 -용도 및 면적 비율 >

  본 연구에서는 토지 용도를 7가지로 분류한다. 연구의 목적이 큰 틀에서의 토지이용계획을 제안함에 있기 때문에, 용도를 단순화하여 제안하기 위해 기존 계획의 용도지역을 6개로 압축하고 초기 값인 미개발용지를 더해 토지를 총 7개 용도로 구분한 뒤, 고유 값을 아래와 같이 부여한다. 이 때, 고유 값은 명목 변수이다. 각 용도별 면적 비율은 기존 계획을 따른다.

 <그림3> 은 위 정의한 초기 조건들을 적용하여 초기 가상공간을 구현한 결과이다. 초기 공간은 고정 값인 특별계획구역과 간선도로, 미개발 용지로 구성된다.

< 그림3 초기 가상공간 >

(3) 적합도 평가 지표

 초기 가상공간 상 미개발 용지에 주거, 자족, 학교, 공원녹지가 배치된다. 이 때 토지의 용도 별로 적합도 평가가 이루어지며, 적합도 평가 점수 합이 가장 높은 토지 이용계획을 최적의 토지이용으로 판단한다. 적합도 평가 지표의 수립 근거는 3기 신도시 개발 계획 및 계양신도시 지구단위계획 상 중점 사항을 정량 지표로 변환하여 적용하였다.

 계양신도시 지구단위계획 지침에 따르면 공공주택, 학교, 커뮤니티 시설을 보행권 내 배치하고 선형 공원 ‘계양벼리’ 주변에 교육시설을 배치한다. 모든 시설은 집적 배치를 원칙으로 한다. 도시 중점거점 특별계획구역은 다층의 동선이 집적된 점층적 스카이라인의 입체도시 조성, S-BRT 등 신교통수단 및 간선도로 입체복합개발이라는 목적성을 가지고 있다.

 이를 바탕으로 용도 별 평가 기준을 수립한 결과는 다음과 같다. 자족 용지는 집적 효과를 위한 자족 용지 간 연결성이 기준에 포함되었다. 자족 용지가 업무 기능을 수행하는 공간이라는 점에서 차량과 교통 수단을 통한 접근성 역시 기준에 포함하였다.

주거 용지는 특별계획용지, 교육시설, 커뮤니티 시설, 공원녹지, 자족시설 모두에 대한 접근성이 좋아야 하기 때문에 이들 시설 및 용지에 대한 접근성을 평가지표로 사용하였다.

 교육 시설과 공원녹지는 주거 용지의 맥락을 준용하여 전체 주거용지 대비 도보 3분 반경 내 주거 용지 비율을 평가 기준으로 사용하였다. 이들 시설의 반경 거리는 지구단위계획에서 밝힌 기준을 바탕으로 설정하였다.

 이 때, 도보 접근성 계산은 네트워크 거리를 통해 계산한다. 일반 토지의 경우 성인 도보를 기준으로 Grid 1칸(10m)을 통과하는데 걸리는 시간을 약 6초로 가정하고, 도로는 통과 시간을 그 두 배로 상정하여 계산하였다.

 교육시설의 경우, 학교보건법과 학교시설사업촉진법에 기반한 교육평가에서 학교용지를 확보할 때 교통 접근성 및 주변 도로 환경을 평가 요소로 삼는다. 또한 계양 신도시 지구단위계획에서 교육시설 연접 도로에 픽업 차량 진입을 돕는 설계를 포함한 점에서 교육시설의 차량 접근성을 평가 기준으로 사용하였다.

< 그림 4 최적 토지이용 후보 >

< 그림 5 최적 토지이용 패턴 >

< 표 3 평가기준 별 평가내용 >

 최적 토지이용 패턴을 바탕으로 세부 조정을 거쳐 산출한 최종 가이드 라인은 다음과 같다.

< 그림 5 최종 토지이용 가이드라인 제안 >

4. 결론

 기존 도시계획에서는 도로망이나 기존 간선 체계를 기반으로 블록을 획일적으로 설정하고, 이후 도보 접근성이나 기능 연계성 등의 문제를 보완하는 방식이 일반적이었다. 이로 인한 생활권 단절, 미흡한 보행 환경은 차량 중심 도시 구조 확산의 원인으로 지목된다. 이를 극복하기 위해 3기 신도시를 포함한 최근 도시계획은 보행권을 중심으로 연결성을 강화한 ‘사람 중심 도시’를 표방한다. 계획의 목적 달성 정도를 파악할 수 있는 평가 지표 역시 다수 개발되었지만, 평가는 필연적으로 설계에 후행할 수밖에 없는 한계를 가졌다.

 본 연구는 파라메트릭 기법을 활용해 도시 설계 단계에서 목적에 따른 최적의 토지이용을 가능하게 하는 시뮬레이션 모형을 제안한다. 토지 용도 별 지향점을 매개변수로 사용하여 계획 상의 지향점을 선행적으로 반영하여 기존 후행적으로 이루어지던 평가 과정을 설계와 동시에 수행해 시간과 비용 절약과 더불어 효과적인 목적 달성을 가능하게 한다. 또한, 본 연구 결과는 고가의 전용 시스템 구축 없이도 기존 작업환경에 쉽게 연동 가능한 파이썬 기반 프로그램으로서, 도입의 기술적·경제적 부담이 낮다. 특히 적용 대상지와 목적에 따라 초기 입력 값과 매개변수를 조정하여 다양한 상황에 적용할 수 있다는 점에서 높은 활용성을 가진다. 장기적으로는 이러한 알고리즘 기반 설계 시스템이 스마트시티, 디지털트윈, ESG 도시계획 등과 결합하여 차세대 도시 설계 표준 또는 설계 공모의 가이드라인, 평가 기준, 검토 매뉴얼 등 제도적 정착으로 발전할 것을 기대한다.

기술적 한계로 인해 polygon 형태가 아닌 10*10(m2) Grid 형태로 시뮬레이션을 수행한 점, 분석 단위가 필지가 아닌 구획 별로 이루어졌다는 점은 한계로써 작용한다. 이는 추후 기술적 발전과 추가 연구를 통해 보완하여 보다 세밀한 분석이 가능할 것을 기대한다.