삼성물산 '비정형 건축 기술세미나'

삼성물산 설계 및 엔지니어링 실무 담당자들을 대상으로 "비정형 건축물의 외피 최적화 설계 및 Digital Fabrication"이란 주제로  5월 27일 강의를 진행하였다.

주요 내용은 다음과 같다.

PART1 디지털 건축연구소 WITHWORKS 소개
          참여프로젝트 소개 및 위드웍스 업무 내용 설명

PART2 비정형 건축의 과거현재 
          디지털시대 이전 비정형건축과 현재 비정형 건축의 차이점

PART3 Digital Fabrication을 위한 외피 최적화(형상, 재료, 구조)
          외피 최적화의 정의 및 필요성 설명

PART4 비정형 건축물의 설계 최적화 사례 검토 
             설계 최적화를 통해 시공된 사례 검토

PART5 비정형 건축물의 Digital Fabrication Process 
           자동차, 선박등의 제조업에 활용되는  Digital Fabrication의
            건축적용을 위한 Process 및 활용방법, Digital Fabrication을 활용한 시공사례 검토

PART6 3차원 좌표제어 시스템 
           3차원 좌표제어 시스템의 개요 , 종류 및 장단점 설명
           
PART7 비정형 건축물의 시공사례(국내, 해외)
          위드웍스가 참여하여 외피최적화 및 Digital Fabrication을 활용하여 완성된 프로젝트 및 해외 사례 설명 

PART8 비정형 건축물의 시공불량 사례
          비정형 건축물의 시공불량사례 원인과 해결방법

       

 위드웍스는 Ecorium(국립생태원 생태체험관) 신축공사 당시 시공사인 삼성물산과 협업하여 비정형 부분의 BIM엔지니어링을 진행하였으며, 이 후 기술제안입찰 프로젝트에 참여하여 비정형 관련 기술들을 공유 하고 있다.

비정형 건축이야기 2_비주얼 목업의 중요성(하)

3. Ecorium(서천 생태원 생태체험관)

   Ecorium의 비정형 지붕은 일반적인 시공방법으로 시공할 경우 시공오차가 많이 발생할 수 있으며, 곡면지붕의 폭이 얇고 높이가  높은 위치에 있기 때문에 시공성에 대한 부분이 반드시 고려되어야 하는 상황이었다.  비정형 곡면을 디지털 수치제어를 통해 완성할 수 있는 방법과 더불어 천정면과 외부 마감면을 동시에 공사할 수 있는 지붕공법을 적용시키는 것이 가장 합리적인 공법으로 판단하고 '각파이프 벤딩'의 기존 시스템에서 'CNC T 형 Section  지붕천정 일체형 Unit공법'  이라는 새로운 공법을 적용시키기 위해 먼저 디지털 패브리케이션 목업과 공법 확인을 위한 1/2 비주얼 목업을  진행 하였다.


  3-1. 공법 설계 및 개요 

[기존 지붕 설계도면]

     

•  기존설계도면 검토: 1)각파이프로 벤딩해서 비정형 곡률을 완성할 경우 곡률이 일정하지 않기 때문에 지붕마감 곡면 curvature의 연속성 확보가 힘듦   2) 데크는 곡률이 완만할 경우나 1방향 곡면일 경우는 문제가 되지 않으나 곡률이 심한 이방향 곡률일 경우 시공성 확보가 되지 않음. 3) 메인철골의 구조 계산시 외장재 지지를 위한 Secondary structure 모듈이 반영되어 있지 않음. 따라서 곡면의 영역에 따라 메인구조와  Secondary structure 간의  관계성 재  검토가 필요함.   

[Main Structure + Secondary Structure]

•  Secondary Structure를 고려한 Main  Structure 최적화 : Secondary Structure의 사이즈를 최적화 시키기 위해서는 지점간 거리가 일정해야 하기 때문에  Main Structure에 추가 철골 부재를 설치함.(Yellow color pipe)  또한 Secondary Structure는 금속 잡철물공사로 CNC 레이저 가공에 의해 제작되기 때문에 톤당 공사비가 일반 철골에 4~5배가 될 수 있으므로 경제성 검토를 병행 하여 구조계산 진행.   

                                 [CNC T 형 Section  지붕천정 일체형 Unit공법]

[CNC T 형 Section  지붕천정 일체형 Unit공법 가공 및 조립 개념]

 3-2. 비주얼 목업

[1/2  비주얼목업]

[1/2  비주얼목업]

유닛의 사이드는 커튼월과 3차원으로 만나기 때문에  TWIST로 H-BEAM을 제작하여 3차원 곡면의 좌표제어가 가능하토록 함. 

[1/2  비주얼목업]

비주얼 목업을 통해 곡률에 따른 최종 마감 상태 및 Secondary Structure의 가공성, 정밀도, 용접성능 등의 검토작업을 통해 최종  제작 설계에 반영함.  

3-3. 제작 및 시공 

[레이저 가공, 고려에스티]

[공장제작]

[도장후 현장 반입]

[지붕, 천장마감 일체형 유닛 제작]

[일체형 유닛 인양]

[일체형 유닛 설치]

[일체형 유닛 설치]

[최종 시공 완료]

  새로운 공법을 적용하기 위해서는  디지털 목업만으로  문제점들을 검토하는데 한계가 있기 때문에  반드시 비주얼 목업과정을 통해서 개선해야 할 점들과 제작시 발생하는 문제점, 시공오차들을 체크하여 구조계산, 제작도에 반영하고 Feed back 할  경우 시공시 나타나는 문제점 들을 최소화 할 수 있다.  서천생태원의 경우 비정형 곡면 지붕을 완성하기 위해서 CNC T 형 Section  지붕천정 일체형 Unit공법 이라는 새로운 공법을 찾았고, 디지털목업, 비주얼 목업과정을 통해 제작 및 시공성, 시공품질등을  검증하였기 때문에  어려운 비정형 곡면형상이  성공적으로 완성될 수 있었다고 생각한다. 따라서 비정형 건축물들은  재료와 곡면이 다양하기 때문에 반드시 시공전 비주얼 목업을 통한 검토들이 이루어져야 시공 시 품질확보가 가능할 것이다.


 -위드웍스, 김성진 씀-

비정형 건축이야기 2_비주얼 목업의 중요성(상) 바로가기

Ecorium 건축개요 바로가기

2014 춘계시공학회 발표, '비정형 건축물의 IPD 도입 필요성 검토'

 2014년 춘계 건축시공학회 학술발표대회(2014.5.29~30, 경주)에 “비정형 건축물의 IPD(Intergrated Project Delivery)도입 필요성 검토”라는 주제를  발표한다. 

IPD 분야에 대해서 아직 지식은 얕지만, 비정형 프로젝트들을  하면서 발생했던 문제점들을 원천적으로 해결하기 위해서는 현재의 기술제안 입찰 정도로는 부족하다고 생각한다.

 지금 관급 발주공사 현장에서는 문제가 발생할 경우  발주처, 설계자, 시공자,감리 CM들이 서로 협력해서 좋은 건축물을 완성해 가는 협력자 관계가 아니라, 서로 잘못을 미루고 책임관계를 묻는 정말 이해가 되지 않는 일들이 현장에서 진행되고 있다. 그 원인은 결국 돈이 겠지만, 그 근본적인 문제 해결이 필요한 상황이다.

이번 시공학회 발표 내용은  IPD로 공사입찰이 진행되지는 않았지만, 동일한 프로세스로 시공된 The ARC 사례와 그렇지 못하고 8개월 이상 시공공법을 찾아가면서 어렵게 공사하고 있는 ‘세종시 정부종합청사 3단계1구역’ 공사에 대한 내용을 통해서 그 필요성을 제시하고자 한다.  

The ARC, 대구

세종시 정부종합청사 3단계 1구역 조감도(2014년 9월 준공예정)

  최근 참여한 비정형 프로젝트(관급발주)에서 발주처는 시공자가 시공에 대한 문제를 제기했을 때 설계자에게 그  책임을 묻고 있다. 설계자는 그 문제를 회피하거나 벗어나기 위해서 설계 용역 업무가 완료 되었음에도 불구하고 갖은 노력과 추가 시간을 들이고  있다.  그런데 ‘세종시 정부종합청사 3단계 1구역’의 경우 전문 시공업체, 위드웍스, 파사드 엔지니어 들이 모여서 비정형 파사드 디자인을 해결하는데 반 년 이상의 시간이 소요될 정도로 어려웠는데, 그 문제를 설계자가 다 풀어서 완벽한 도면을 만들어 내라는 자체가  합리적이지 못하다는 것을 느꼈다. 

 따라서 그 근본적인 문제 해결은 설계단계에서 전문 엔지니어, 건설사, 전문 시공사 들과 발주처가 한 팀이 되지 않으면 정말 해결하지 못할 일들이 앞으로 계속 나올 것이고, IPD 도입을 통해  역량있는 BIM 엔지니어나 기술 전문가들을 육성할 수 있고  시공단계에서 지금과 같은 상호 불신 관계에서 상호 협력 관계로 바꿀 수 있는  방법이라 생각된다.

 최근 유찰된  ‘인천국제공항 제2여객 터미널공사 기술제안 입찰’의 경우 경우 대부분 시공사 들이 회피하는 이유는 입찰에 참가하는 순간 전체적인 설계에 대한 책임을 다 시공사에게 떠 넘기면서 시공사가 주최가 된 설계변경은 인정하지 않고 천재지변이나 발주처의 요구조건이 있을 때만 설계변경이 가능하다라고 하면서 공사비는 실행 이하로 책정한 것이 가장 큰 원인일 것이다.  이런 조건으로 입찰하기 위해서는 설계가 완벽해서 변경할게 없는 조건이야만 가능할텐데, 디자인을 보면 시공 난이도가 정말 장난이 아니라는 생각이 들고 과연 설계단계에서 완벽한 설계납품이 되었을까 의문이 든다.

인천국제공항 제2여객 터미널 조감도

IPD는 민간 일반공사에서 부터 시작해서  성공을  이룬다면 관급공사에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 생각한다.
 
   -위드웍스, 김성진 씀-

비정형 건축 이야기 1_비주얼 목업의 중요성(상)

  국내에서는 2010년 부터 디지털 디자인을 기반으로 한 비정형 건축물들이 하나둘 건축되기 시작했는데, 유럽보다는 10~15년 늦게 출발하였다. 어려운 비정형 건축물을 완성하기 위해서는 비주얼 목업을 통한 설계 디테일 검증 및 시공 공법 확정 과정이 중요한데 이에 대한 인식이 아직 부족하다.  BENZ MUSEUM의 경우 시공과정에서 목업을 통해서 비정형 콘크리트를 구축하기 위한  거푸집공법을  검증하였고,  비정형 디자인을  완벽하게 시공할 수 있었던 배경이었다고 생각한다. 국내에서는 그런 과정이 대부분 형식적이거나 생략되기 때문에 품질 확보에 어려움이 있다.
 BENZ MUSEUM과 위드웍스에서 참여한 프로젝트들의 목업을 통해서 비정형 건축물의 시공 솔루션을 찾아갔던 엔지니어링 경험들을 소개하고자 한다.


1. BENZ MUSEUM, 2006

비정형 콘크리트 1:1 비주얼 목업

 트위스트 형태의 비정형 노출콘크리트의 거푸집 제작방법,  시공품질, 정밀도를 목업을 통해서 검증되고, 타설 후 3차원 설계 DATA를 기준으로 시공오차가 얼마나 발생하는지 검측을 통해서 확인할 수 있다. 특히 노출콘트리트가 아니라 외장재가 설치 될 경우 허용오차를 벗어날 경우 형상거푸집의 문제점을 다시 체크 한 후 시공되어야 한다.  

                                시공 도면                      

                          "정말 빼곡하게 표현되어 있는 좌표정보"

 비정형 거푸집 설치 및 콘크리트 타설

 비정형 거푸집 제작방식중 유닛 블록 방식을 적용하여 시공 되었다. 거푸집 형상을 현장에서 제작하는 것이 아니라 공장에서 제작해서 현장에 설치하는 방식으로  정확한 3차원 설계 DATA를 기반으로 만들어지는 Digital Fabrication 방식이다.



2. Tri Bowl ( 인천 세계도시축전 기념관 ), 2010

     
        2-1. 비정형 콘크리트 1:1 목업

  1차 목업은 설계에 반영된 트러스 월 공법으로 진행되었다.  트러스 월 공법은 비정형 형상구현을 위해서 철근을 단면형태로 가공해서 현장에 설치해야 하는 공법인데, 이는 국내 철근공에게 익숙하지 않는 공법이었으며 정형 곡률이 없는 비정형곡면에 적용하기 위해서는 제작기간과 제작의 정밀도에 문제점이 있었다. 따라서 1차 목업 결과를 토대로 공법변경을 진행하게 되었다.

Con'c 1차 목업

Con'c 1차 목업

Con'c 1차 목업

2차 목업은 비정형 거푸집을 시공하기 위한 좌표제어 공법을 여러차례 검토한 후   CNC Section Form 방식으로 결정하여 시공성 및 경제성을 검토한 후  최종공법으로 시공되었다. 

Con'c 2차 목업 _ CNC Section Form 방식

비정형 거푸집 시공_ CNC Section Form 방식

 특히 각 코어별 48 개 단면을 추출하여 CNC Section Form을 하부에서 제작하고 코어 가운데 망루에서 각 위치 및 거리를 확인한 후 거푸집 작업이 진행 되었다. 

    2-1. 비정형 알미늄 쉬트 패널 1:1 목업

비정형 금속 패널은 일정한 곡률이 없기 때문에 3D 모델링으로 진행된 설계가 시공단계에서 제작오차 및 시공오차들이 발생하기 때문에 비주얼 목업을 통해서 제작방법, 제작 및 시공오차 체크, 시공디테일 검토,  Curvature의 연속성들을 반드시 체크 하여야 한다. Tri Bowl은 두 차례의 목업을 통해서 완벽하게 문제점들을 검토하고 해결한 후 외장패널 공사가 진행 되었다.  

1차  목업

 1차 목업은 트러스월 방식의 콘크리트 목업이 완성된 후 현장에서 실측해서 패널을 제작하였는데, 형상의 완성도와 시공 품질이 제대로 구현 되지 않았다. 2방향 곡면에 대한 최적화 설계와  Digital Fabrication에 의한 제작 프로세스가 없이 시공될 경우  패널 줄눈및 Curvature의 연속성이 없이 시공 된다는 것을 목업을 통해서 확인할 수 있다.  또한 비정형 콘크리트의 시공오차를 고려하여  패널과 콘크리트 면과의 공차를 10cm 더 확보할 수 있도록  Con'c 구조체 설계 변경 및 지오메트리 수정을 시공단계에서 진행하였다.  

  현재 국내에 시공된 비정형 패널의 시공품질이 나오지 않는 가장 큰 이유 중 하나는 하부 지오메트리가 제대로 통제되지 않아 시공오차가 많이 발생할 경우가 대부분이다. 1차목업의 문제점들을 수정 및 보완하기 위해서 2차 목업이 진행되었다.   

2차  목업

 

2차  목업

2차  목업

 2차 목업에서는 패널 최적화 과정을 통한 디지털 설계 Data에 의해 정밀하게 구현 될 수 있도록 비정형 패널 목업이 진행되었다. 그런데 가장 중요한 Curvature의 연속성이 구현되지 못할때 발생하는 갈메기 형상이 발견되었다. 이는  패널 샵 진행 과정에서 사선 곡률을 적용하지 않고 평면곡률을 적용하면서 곡률 차이로 인해 발생한 문제점이었다. 따라서 두 달 이상 작업한 제작 Shop Drawing을 전량 폐기하고 다시 재 작업이 진행되었고, 사선곡률 검토를 위해 패널 제작 Shop Drawing을 랜덤하게 선택하여 검토 과정을 거친 후 비정형 패널 공사가 진행되었다.

비정형 외장 패널 시공

  
   
* 이미지 참조: BUY ME A MERCEDES-BENZ, Actar 




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국내 비정형 건축물 시공불량 사례-2

 Coop himmelblau가 설계한 '부산영화의 전당'(2011년 준공)은 한때 누수등으로 인한 부실공사로 언론의 주목을 받은 적이 있었다.
  Coop himmelblau가 설계한 독일 BMW WELT(2007년 준공) 보다 훨씬 역동적이면서 비정형의 화려한 외관을 자랑하는데, 그 만큼 완성하기 위한 시공의 난이도 역시 높다는 뜻이다. 하지만 시공 수준은 그 기대에 못 미치는 작품으로  완성되었으며, 특히 브릿지 비정형 패널 마감이 5년전에 준공한 독일  BMW WELT와 비교해보면 쉽게 시공품질의 차이를 확인할 수 있다. 실제 비슷한 건물이 있었는데도 불구하고 세계적인 건축가가 디자인 한 작품을 이정도 수준에서 대충 마무리하고 있는 국내 건축 시공의 현실은 설계 및 시공단계에서 엔지니어링과 기술이 뒷 받침되지 않으면 완성될 수 없다는 교훈을 남긴다.

더블콘과 Ceiling 이음부 시공 불량

줄눈 시공품질 및 평활도 불량

와이어고정 및 엣지 디테일 시공불량

*독일, BMW WELT

BMW WELT, GERMANY

BMW WELT, GERMANY

국내 비정형 건축물 시공불량 사례-1_2014 인천 아시안게임 경기장

1. 2014년 인천 아시안 게임,  십정 경기장

•  시공불량 : 오픈조인트 패널 줄눈폭 일정하게 제어안됨. 곡률이 일정하지 않음. 평면패널로 인한 품질 저하.

2. 2014년 인천 아시안 게임, 계양 경기장(공사 마무리 직전에 찍은 사진)

   

• 시공불량: 커튼월과 금속패널 모듈 시공오차 많이 발생, 줄눈폭 일정하지 않으며 일부는 현장에서 재 제작한 패널도 있음. 커튼월 유리 일부는 planar quad로 할 경우 곡률이 심한 부분은 1개의 지점에서 들뜸현상이 크게 발생하기 때문에 어쩔수 없이 유리를 삼각형으로 가공하여 설치했음.  

3. 검토 내용

  최근 2014년 인천 아시안 게임을 위해서 최근 완공한 건물으로 비정형 외피에 대한 곡면 시공 품질이 멀리서 보면 그럴듯 하지만 가까이에 가면 수준이하로 마무리 되었다.  제한된 공사비와 공기가 가장 큰 이유라고 볼수 있지만, 시공 전 충분한 검토와 시공시  3차원 설계 엔지니어링과  CNC를 활용한 디지털 패브리케이션등을 통해서 시공되었다면 이런 결과물은 나오지 않았을 것이다. 

 특히 '비정형 외장패널의 공사비 일위대가가 적절하게 반영되었는지',  ' 비정형 패널 시공을 위한 시공공법이  적합하게 적용되었는지' 여부는 시공품질에 많은 영향을 미치기 때문에  시공시  반드시 시공사는 외피에 대한 설계 검토 와  공사비 및 일위대가 검토, 적용된 시공 공법의 검토를 통해서 시공품질을 미리 예측하고 필요시 설계 변경이 이루어져야한다.   

대부분 디자인은 비정형 곡면으로 하고 설계납품단계에서 공사비를 줄이기 위해  평면패널 대가로 적용시켜 납품하기 때문에 시공품질이 저하되는 원인이 된다. 

2방향곡면, 1방향 곡면, 평면패널의 각 시공비는 패널가공방법이 다르기 때문에 당연히 공사비에 차이가 난다. 하지만 곡면 방식만 바꿔놓고 패널 간격등  추가적인 엔지니어링이 진행 되지 않을 경우 시공 완성도와 품질이 급격히 떨어지기 때문에 설계단계에서는 반드시 재료, 곡면방식,  곡률에 따른 모듈 최적화 설계, 형상제어 공법이  공사비와 같이 병행되어 검토되어야 한다.
그렇게 않을 경우 투시도와 전혀 다른 결과물이 시공된다.