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 파빌리언,  대구 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]

• Architects: HAEANN Architecture
• 시공사:  호반건설
• 아트리움 3차원 설계 엔지니어링: 디지털 건축연구소 WITHWORKS
• 마감: ETFE
• 주요구조: Grid Shell

• Past and Future of Grid Shell Structures By Celine Paoli

     
      

        

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.