2012년 12월 30일 일요일

LH본사 신사옥 건립공사 비정형부분 3차원 설계 엔지니어링




[PERSPECTIVE]

 [기존 설계 Sub Structure_space frame]


 [변경설계_CNC CURVED TUBE FRAME]

[3차원 경계부분-CNC TWISTED CURVED TUBE]


[CNC TWISTED CURVED TUBE 3D 좌표제어 공법]


[DOUBLE SKIN ROOF_BIPV & PANEL]











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2012년 11월 21일 수요일

국립생태원 생태체험관 비정형 Engineering Process





                                                                                           Image by © SAMSUNG C & T

  

                                                                       

 국립생태원 생태체험관이 건축물과 자연 생태환경과 잘 조화되는 친환경 건축물로 시공되어  개원을 앞두고 있다. 
  
 2011년 7월, 형태상 가장 중요한 비정형 곡면지붕의 솔루션을 제안하기 위해 서천 현장에 갔을  때 철골공사가 한창 진행중있었다.

철골공사_2011.7


Engineering Process

일반적으로  정형건축물에서는 구조 모듈과 마감구조 모듈(Sub Structure)모듈을 고려하거나, 고려하지 않더라도  Sub Structure의 지점간 거리가 일정하기 때문에 크게 문제 되지는 않는다. 하지만 비정형 건축물은 Main Structure와 Sub Structure와의 관계를 고려하지 않고 설계 될 경우  Sub Structure의 부재가 필요 이상 커지고 공사비 상승의 주요 원인이 된다.

  
1. Sub Structure 최적화
 비정형 곡면지붕의 솔루션을 찾기위해서 가장 먼저 진행한 것이  Sub Structure  최적화를 위한 방법을 찾는 것이었는데 ,  Main Structure에 추가 부재를 설치하여  Sub Structure가 일정한 부재 크기가 되도록  설계를 진행하였다.



          Main Structrure+Sub Structure



2. Sub Structure 적용 공법_ CNC T형-Section Form Plate Unit 설치 공법

  다양한 곡률값을 갖는  Sub Structure를 완성하기 위해서는 일반적인 방법인 각파이프 벤딩으로 가공할 경우 곡률의 오차가 심하고, 비정형 곡률의 정확한 형태를 완성시킬 수 없다. 따라서 Sub Structure의 가공은  CNC 레이저를 이용하여 정확한 비정형 단면 형상을 완성되도록 하였다. 그리고  Unit제작 방법에 의해 천장마감과 지붕마감(단열재 포함)을 동시에 가능한 T형 단면을 사용하여 Sub Structure Unit을 완성하였다. 또한  지붕의 형태, 가설, 안전등 여러가지를 검토한 결과  천장마감, Sub Structure, 단열, 방수, 지붕마감까지 된  마감 일체형 지붕 Unit이 시공되도록 하였다.





CNC T형-Section Form Plate Unit 설치 공법  



Roof Unit 목업 


CNC T형-Section Form Plate


Roof Unit 제작


 
 Roof  Unit 설치

 마감 일체형 지붕 Unit이 설치되기 위한 필수조건은 정밀제작 및 정밀시공이다.
현장 철골 실측에 의한 실측 Data를 제작 3D에 반영하여 전체 지붕 Unit의 시공오차가 최소화되도록하여 디지털 모델이 시공모델이 되도록 하였다.
전시관 연결통로 부분의 지붕 마감은 마감 일체형 지붕 Unit으로 시공하기 힘든 구간으로 Sub Structure Unit을 설치한 후 지붕에서 마감공사가 진행되었다.

 
연결 통로 공사


 비정형 건축물의 3차원 설계 엔지니어링은 디자인과 기능등을 고려하여 가장 적합한 공법과 디테일을 설계하고 , 목업과정을 통해서 엔지니어링의 완성도(구조, 제작 및 시공 오차)등을 검토하여 최종 공법으로 적용된다. 따라서 많은 시간, 열정, 노력들이 하나되어 비로소  비정형 디자인이 완성되어 질 수 있다. 






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2012년 8월 24일 금요일

River Culture Pavilion-3




2012.4.6_템플레이트 빔 설치


2012.5.29_Twisted Tube Column  설치

2012.6.5_Twisted Tube Column+가설 벤트 


2012.6.23_Sub Structure 설치

2012.7.21_ETFE설치용 AL.프레임설치


2012.7.30_지붕마감틀 UNIT 설치


2012.8.17_합판 및 방수공사


2012.8.17_ETFE 설치


2012.8.17_ETFE


2012.9.4_Roof Panel 


2012.9.4_Roof Panel


Project Team , WITHWORKS





 River Culture Pavilion(Architect: Asymptote Architecture)의 공사가 드디어 마무리 되어 간다. 설계단계에서  비정형 부분에 대한 Optimization 설계를 WITHWORKS에서 하였고, 현재 Fabrication Engineering 및 현장 BIM 설계관리  업무를 진행하고 있다. 특히 짧은 시공공기(2012년 9월 준공 예정)에 맞춰 모든 부분의 제작이 한치의 오차도 없이 이루어지고 시공 되어야 하기에  더욱 더 어려운 현장이었다.

외부 마감인 ETFE(시공: 마크막스)를 지지하는 Shell Structure가  ETFE의 좌표를 제어할 수 있도록 하는 공법을 적용하여 전체적인 시공오차를 최소화 시켰다.  국내에서 처음 시공된 Twisted Tube Column  Shell Structure는 처음에는 모험이라 생각하고 시작했는데, 그것이 아니었다면 전체 시공공기와 ETFE마감의 정밀도를 확보하지 못 했을 것이다.  그 공법을  믿고 따라준 설계사무소, 시공사, 발주처 그리고  시공한  뉴텍에게 감사하게 생각한다.
  
 현재 내부 마감공사와 외부 지붕 패널공사가 진행 중에 있으며, 현장의 안전과 마지막 마무리에 최선을 다해 앞으로 대구에서 훌륭한 건축문화 유산을 만날 날을 기대한다.







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2012년 6월 15일 금요일

가상시공 3차원 설계에 의한 시공관리_국립서울미술관 현장




국립서울미술관 






  "가상시공 3차원 설계에 의한 시공관리"라는 주제로 6월 8일  국립서울미술관  신축공사 현장에서 발주처, CM단을 대상으로 강의(강사: WITHWORKS 대표, 김성진)가 있었다.  특히 최근 BIM에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있지만 어떻게 현장에 접목해서 공사를 완성해야 하는지에 대한 사례들이 부족하기 때문에  WITHWORKS에서 진행했던 사례들을 중심으로 이야기 하였다.

  BIM설계는 복잡하거나 이해하기 힘든 건축물을  기존의 2D설계 방식에서 벗어나  3차원 설계를 통해  건축물의 이해를 높이는 것에서 출발하여  설계상의 오류, 시공엔지니어링, 디자인이 부족한 부분에 대한 추가설계 검토 및 변경 등이 이루어지게 한다. 그리고   현장에서 시공되어지는 모든 과정들을 3차원 가상설계를 통해 공사관계자들과의 커뮤티케이션 및 의사결정을 용이하게 하고 시공되는 건축물의 시공품질 및 디자인 완성도를 높이는 것으로 활용될 수 있다. 

또한 시공과정에서의   BIM 설계는 단순한 2D 도면을 모델링하는 정도로 그치는 것이 아니라 건축물의 완성과 동시에 가상시공모델도 같이 완성된다는 개념으로 접근해야만 그 활용도가 높아질수 있다. 따라서 건설회사에서 주체가 되어 BIM을 활용해야  효과적인데  현재 대부분의 시공회사들은 형식적으로 적용하거나, 실제 생각보다 BIM의 활용가 떨어진다는 부정적인 생각을 가지고 있다.  이는 초기 접근할때   BIM 프로그램에 의해 모델링이 나오면 모든 시공이 해결되고(4D, 5D)  공사가 순조롭게 잘 될 것이라는 생각에서  접근 했다가 실제 공사중에  발생하는 수많은 변수와 변화들을  모델링에 적용시키지 못하기 때문이다. 
 따라서  BIM 설계가 단순  3D 모델링에서 탈피하여 가상 시공 3차원 설계를 통해서 공법검토, 디자인 검토, 설계체크 등의 VE가 이루어 질 경우 시공현장에서 그 활용범위는 굉장히 넓어진다.  그래서  BIM에 대한 접근 방법 자체가  달라져야 하며, 가상시공 3차원 설계에 의해 현장에서 최종 설계가 완성되는 개념으로 접근할 경우  효과적으로 활용되어 질 수 있을 것이다.

   현재 국내 설계, 감리, CM, 시공분야의 현실을 보면 BIM의 실제 효과적인 적용까지는 좀 가야할 길이 멀다고 생각한다.  시공중 도면을 변경하여 시공하는 것이 쉽지 않기 때문에  더 좋은 아이디어와 공법이 있음에도 불구하고 절차상  과정이 복잡하고 자칫 공기에 영향을 줄 수 있기 때문에  설계도면대로  시공되는 경우가 많다.
 하지만 갈수록 건축물의 디자인이 복잡해지고 전문 설계 인력 부족으로 설계 품질이  떨어지고 있는 현실을 생각해 본다면 행정적인 절차보다는 합리적인 프로세스를 통해 소중한 건축물이 완성되어져야 한다고 생각한다.













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2012년 6월 6일 수요일

이데일리TV에 WITHWORKS가 소개되다....





   이데일리 TV에 디지털건축연구소 위드웍스가 소개 되었다. 그동안 진행하였던 비정형 엔지니어링 프로젝트, 가상시공 프로젝트, 공법에 대한 연구들을 이야기 하고, 어떻게 비정형 설계 및 시공관리 프로세스가  이루어지는지 소개되었다.
 일반인들에게는 생소할 수 있는 분야지만,  비정형 건축물의 완변한 구현을 위해  연구하고 노력하는 모습들이 이번 방송을 통해 알려지게 되었다.
  향후 이 분야의 인프라가 더욱더 넓어지고  디지털 설계 및 시공 기술력이 발전해 간다면 현재보다 더 퀄러티 높은 비정형 건축물이 완성될 수 있고 , 디지털 디자인에 대한 다양한 시도들이  더 많아지고 보편화 되어질  것이라고 생각한다.

이데일리 TV 바로가기









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2012년 5월 25일 금요일

광교 호반C1 블럭 아케이드 비정형 3차원 설계 엔지니어링



   광교 호반C1 블럭 아케이드는 최대 스팬 32.5m를 단층 Grid Shell 구조를  적용하여  3차원 기본 설계 엔지니어링을 완성하였다.  구조 및 형태 최적화 과정을 통해서 구조 물량을 최소화 시킬 수 있었고, 모든 부재들이 일정한 길이와 각도 범위를 가질 수 있도록 하여  디자인의 완성도를 높이고 6-Way  Node 디테일이 구현될  수  있도록  하였다.

 위드웍스에서는 자유형상 그리드쉘구조를 완성하기 위해  몇년 전부터 해외 사례들을 연구하였고 , 국내 적용을 위해 3-Way, 4-Way, 5-Way, 6-Way  Tenon Joint 방식의 Node Connection 을 개발 하였다. 또한  다양한 비정형 곡면에 대한  재료, 구조, 곡면형태의 특성에  따라 비정형 Grid Shell 최적화 시킬 수 있는 설계엔지니어링 기술력을  갖추게 되었다.

 국내에는 아리수 홍보관 육각 돔, 여의도 한투 파빌리언대구 River Culture Pavilion등에  독자적으로 개발한 Tenon Joint에 의한 연결부 Node Connection을 적용하여 비정형 그리드 쉘 디자인을 완성하였다.
  
  비정형 그리드쉘의 디자인에 의해 만들어진  공간은 내부와 외부공간의 자유형상을 그대로 느낄 수 있고 구조체의 중량을 최소화 할 수 있는 장점이 있기 때문에 앞으로 디지털 설계 및 제작 기술력과 더불어 더욱더 발전 할 것으로 생각한다.   

[구조 그리드]













     
      






        






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2012년 5월 16일 수요일

River Curture Pavilion-2_ 비정형 부분 3차원 엔지니어링설계 및 시공 엔지니어링-1

River Curture Pavilion은 Asymptote Architecture에서 디자인 한 프로젝트로써 5월 현재 비정형 철골 (Shell Structure) 공사가 진행 중에 있으며,  WITHWORKS는 설계단계에서 비정형 외피에 대한 최적화 설계를 진행하였고, 시공과정에서는 비정형부분의  3차원 설계 관리 업무를 수행 중이다.


1. Shell Structure 설계 최적화

 Shell Structure가 디자인 초기에  3차원 원형 파이프로 되어 있었지만, 비정형 3차원 좌표를 정밀하게 구현하기 위해서 Shell Structure를 이루는 주요 구조체를 Twisted  Tube Column  방식으로  변경하여 엔지니어링 설계를 진행 하였다.
 왜냐하면 원형 파이프는 정확하게 3차원 가공이 어려워 정밀한 치수제어가 힘들고 설계가 가능하다고 해도 시공에서 반드시 문제가 되기 때문에 현재의 가공기술로 최고의 품질이 나올수 있는 방법으로 변경하여 설계를 진행하였다.

 



2. Sub Structure 설계 최적화
Sub Structure는 ETFE 쿠션을 고정하기 위한 역할을 하는데, 정확한 좌표 및 각도 통제가 이루어 지지 않을 경우 ETFE 쿠션 설치가 어렵게 된다. 따라서 디자인 초기 원형 파이프 구조에서 4-Way Node Braket과 CNC 레이저 가공된 스틸각파이프에 의해서 3차원 좌표와 각도가 통제 가능하도록 디테일을 적용하였다.
 4-Way Node Braket은 Tenon Joint에 의한 용접방식으로  비정형 Steel-Glass Grid Shell 구조 구현을  위해서 WITHWORKS에서 특허 낸 Node Braket 방식이다. 
Sub Structure는  스틸 각파이프 부재를 2가지 type(100x50x4t, 6t) 으로 통일시키고 Shell Structure 중 브레이싱 부재에 고정되는 지점을 삭제하여 시공이 용이하도록 하였다.



3. Template Beam
 Shell Struture(Twisted Tube Column)가 정확하게 시공 될 수 있도록 CNC 레이저에 의해 가공된 Template Beam을 콘크리트 보 내부에 설치 하도록 설계하였다.
Template Beam의 역할은 Twisted  Tube Column의 베이스 플레이트 및 연결 플레이트를 정확하게 제어하여 시공오차를 최소화 하기 위해서 도입하였다

비정형 형태의 경우 곡률에 대한 정보 값이 없기 때문에 벤딩으로 가공하기 보다는 CNC가공에 의해 조립하는 것이 시공의 정밀도를 높일 수 있다.
비정형 지오메트리는 그 형태를 이루는  최외곽의 3차원 좌표를 정확하게 구현 하는 것이 형상 구현에 있어  중요한 요소이다.
따라서 Template Plate는 콘크리트 빔에 묻혀서 보이지 않지만 Shell Structure를 정확하게 구축하는데  중요한 역할을 하고 있다.



4. Shell Structure & Sub Structure의 구조 실험
Twisted  Tube Column와 4-Way Node Braket 시스템에 대한 용접 및 구조 성능 검증을 위하여 한양대학교  초대형 구조 실험실에서 구조 실험을 진행하여 그 결과를 바탕으로 접합부의 연결방식, 용접에 대한 기준을 확정하고  본 제작에 들어가도록 하였다.



                                     ( Photo ©Total ENC)

5. ETFE  1:1 현장 목업 (Shell Structure & Sub Structure 포함)
 비정형 시공 과정에서 가장 중요하게 다루어야 할 부분 중에 하나로 형식적인 절차가 아닌 실제 구현하기 전 단계에서 문제점을 파악하고 개선하기 위한 과정이어야 한다.
ETFE 쿠션 설계를 담당한 독일에서는   가장 문제 발생의 확률이 높은 부분을 목업하자고 제안해 왔고 , 목업전  3차원 모델링 상에서 발생할 수 있는 문제를  사전에  협의 하여 수정한 후  최종 현장 목업이 이루어지도록 하였다.


                                                    ( Photo ©MakMax)



6. Shell Structure 지지용 가설 Bent 설계
Shell Structure가 수평 및 가새 부재에 의해 완전 용접되기 전까지 처짐이 발생하지 않토록 가설 Bent를 설치하여 지지하도록 하였다. 비정형 건축물에서 구조체를 지지하기 위한 가설공사는 중요한데,  설계과정에서  제대로 반영되지 않아 누락되는 경우가 많으며 이는 시공 품질과 바로 연결 될 수 있다. 







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2012년 3월 1일 목요일

River Culture Pavilion-1, 2012




[Shell Structure 최적화-1_Twisted  Steel Column]

[Shell Structure 최적화-2]

[Sub Structure 최적화]
[Roof Structure]



[Shell Structre+Sub Structure Detail]

[ETFE]





      [건축개요]
  • 대지위치: 대구광역시 달성군 다사읍 죽곡리 806번지 외 2필지 
  • 대지면적: 109,619 m2
  • 건축면적: 4,462.62m2
  • 연면적: 5,963.06 m2
  • 규모: 지하1층, 지상3층
  • 건폐율: 4.07%
  • 용적률: 3.13%
  • 최고높이: 19.8m






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