2014년 11월 14일 금요일

비정형건축 이야기 5_형태, 재료, 공법 최적화 과정

[형태, 재료, 공법 최적화 과정]

  AL.쉬트나 복합패널은 일반 정형 건축물에서도  많이 사용되는 대표적인 마감 소재이다. 복합패널은  0.5T 알루미늄 박판 양면사이에 3T 심재(PVC or 폴리에틸렌)를 넣어 고온으로 접합시킨 소재로 4T와 6T가 주로 사용되고 있다. 

   일반적인 건축물에서는  둘다 적용하는데는 문제가 없으나 비정형 건축물에 있어서는 재료와 디테일에 대한 부분이 반드시 고려되어야 한다. 세종시 정부 종합청사 3단계 1구역의 와플 파사드 외장재의 비정형 와플 파사드의 재료 및 공법 최적화 과정을 살펴 보면 형태와 재료의 최적화가  비정형  건축물의 구현에 있어 얼마나 중요한지 알 수 있을 것이다.  


1. 세종시 정부 종합청사 3단계 1구역의 와플파사드 개요





  •   정형구간, 경사구간, 비정형 구간으로 나누어 지는 와플 구간의 면적은 대략 17,700 m2 이다.  당초 설계의 와플 구간 마감재료는 3T AL. 쉬트 불소수지도장으로 가스켓을 활용한  오픈조인트 조립방식이었다. 


2. 비정형 구간 와플 파사드 Geometry 분석



  •    비정형 구간의 외피는 1방향 곡면 TWIST SURFACE위에 와플형상의 패턴이 Parametric 하게 설계되었고,  와플은 면의 각도와 형상에 지배를 받게 되어 있다. 와플은 수평엣지의 Z Level만 일정하고 나머지 수직, 수평의  각도는 위치 마다 다르다.  


3. 기존 AL. SHEET, 창호 디테일 검토 및 문제점







[모델링을 통한 디테일 검토]
  •   기존 설계디테일 분석: 창문이 향하는 방향이 twist된 바탕면에 평행하기 때문에  유리를 고정하기 위한 스틸 프레임이 twist 되지 않는 한 구현 불가능한 디테일
  • 가스켓을 활용한 세미오픈 디테일: 코킹으로 알미늄 쉬트 줄눈을 마감할 경우 오염에 의해 추후 유지관리가 어렵기 때문에 오픈조인트 디테일 적용되지만, 가스켓의 특징상 수직, 수평이 만나는 위치와 코너부 마감처리가 불량한 사례가 많으며 누수등 하자의 원인이 될 수 도 있다. 

[가스켓을 활용한 오픈조인트 시공사례]

Twist 곡면 와플내부에  설치되는 창호 프레임과 유리를 어떻게 시공해야하는지에 대한 정확한 도면과 시방이 없었으며, 유리를 Twist로 가공 할 경우 엄청난 공사비 증가가 예상되었기 때문에 평면 프레임에 평면유리로 방향을 정리하였다. 

[당초설계, Twist 와플+ 창호+유리]


[AL. 쉬트+몰드 디테일]




















  • 스틸 프레임에 알미늄 쉬트 고정: 알미늄 쉬트 패널후면에 몰드바를 stud 방식으로 고정하여 제작함. 알미늄 쉬트의 각도가 수백가지 이상 나오기 때문에 실제 몰드도 수백가지 이상 제작되어야함.(시공성 및 현실성 없음, 적용불가) 



  • 4. 대안 공법 검토를 위한 Geometry Study

      기존설계의 문제점을 해결하기 위해서는 부분적인 디테일 수정으로는 불가능 한 것으로 판단하고  형태부터 재 검토해서 문제점을 검토하는 방향으로 진행하였다. 기존설계된 도면을 근거로 수평재와 수직재가 분리된  와플 모델을 만들었으며, 수평와플과 수직 와플이 만나는 부분의 꼭지점과 사선부분에 대한 틈들이 발생하여 시공품질 확보가 불가능해 보였다. 와플의 3차원 좌표점을 제어하기 위한 하부 sub structure에 대한 부분도 기존설계로는 시공이 불가능한 것으로 판단 되었다.

    [1차 기존 설계 모형, 1/30]

        2차 모형 작업은 1차 모형작업에서 발견된 문제를 해결하기 위해서 먼저 수평과 수직의 나누어진 와플에서 창호 주위로 모이는 구간을 하나의 유닛으로 하여 주위 네개의 꼭지점에서 3차원 좌표제어를 하여 시공하는 방법으로 시도하였다. 일단 와플의 꼭지점과 사선부분의 시공 품질확보는 가능했고, 3차원 좌표제어를 위한 방법에 대한 공법 개발과 유닛을 만들기 위한 엔지니어링이 필요하였다. 

                                                      [2차 기존 설계 모형, 1/30]

       모형작업과 함께 모델링 작업을 통한 Twist 와플에 대한 대안 검토 작업이 병행 되었는데, 당초 설계안의 Twist 와플은 제작비용이 많이 들기 때문에 원안 디자인을 유지하면서 시공비를 고려한 대안을 찾는 것이 중요하였다. [대안1]과 같이 평면 세그먼트 와플 유닛으로 할 경우 제작은 쉬울 수 있지만 창호 주위 지오메트리가 일정한 연속성을 갖지 못하였다. [대안2]는 삼각형세그먼트 와플유닛을 이용하여 Twist 부분에 대한 제작 및 시공성을 확보하면서 원안인 디자인을 유지할 수 있는 방안이었다. 따라서 [대안2 ]를 최종 확정하고  3차원 좌표제어 공법과 와플 유닛 제작을 위한 재료 및 디테일 검토를 진행하였다.

                            [비정형 와플 Geometry Optimization-1]                               

    [대안2]의 각 와플 제작을 최적화 하기 위해서는  변경안에 대한 수평와플은 평면으로 변경해도 오차변화가 적었고, 수직 와플은 평면으로 할 경우 10mm 정도 꼭지점에서 틈이 발생하였기 때문에 수직와플 구간만 폴딩하는 안을  모델링에서 최종 확정하였다.  

                                         [비정형 와플 Geometry Optimization-2] 

    Twist 구간에 대한 형상 최적화는 창호 및 유리는 Planar로, 와플패널 중 수직구간은 폴딩으로 수평구간은 Planar로 결론을 내리고 그렇게 변경할 경우 창호프레임과 와플패널의 다양한 거리값을 형성하면서 창호 주위에 꺽이는 2차면이  형성되게 되는데 그것은 추가로 반영하여 디테일일 검토하고 제작에는 문제가 없는 것으로 확인되었다.


    [비정형 와플 및 창호, 유리 최적화 모델링]



    5. 와플구간 창호 시스템 

    당초 설계는 오픈조인트+가스켓 시스템이었고 내부는 부분차수벽 시스템으로 만약 외부에서 누수가 조금이라도 발생할 경우 내부로 유입될 수 있는 있었다. 완전한 건식 RainScreen Wall을 구성하기 위해서 전체 차수벽을 설치하고 외부는 가스켓없이 시공가능한 완전한 오픈 조인트 시스템으로 변경이 필요했다.



    [차수벽 시스템 검토]

        

      당초설계된 가스켓 시스템의 누수에 대한 문제점들을 검토하였고, 가스켓이 시공되기 힘든 사선구간에 대한 코킹 처리에 대한 문제점들을 종합적으로 검토하였다. 도면상으로는 가능할지 모르지만 현장의 시공오차, 패널의 제작오차등을 고려한다면 시공불가능한 디테일이었다. 


    [당초설계 디테일 모델링을 통한 문제점 검토-1]



      또한  오픈조인트 시스템(가스켓+몰드방식)에 대한 문제는 꺽임각이 위치마다 다르기 때문에 몰드를 수백가지 이상 만들어야 된다는 것과 일부 몰드로 해결되지 않는 구간은 코킹으로 처리해야 하기 때문에 누수등의 문제점은 부분적인 수정을 통해 해결할 수 없는 상황이었다.


                                                 [당초설계 오픈 조인트 시스템]

     또한 와플 패널을 고정하는 substructure를  twist로 제작할 수 없었기 때문에 비정형 구간에서는 당초 설계된 시스템으로는 적용 불가라는 결론에 도달하게 되었다. 따라서 당초 스틸커튼월 시스템에서 일반 AL. 창호 시스템으로 변경하여 시공시 일부 시공오차가 발생하더라도 충분히 대응할 수 있는 시스템으로 변경하고,  오픈조인트 시스템 및 전체 차수벽 시스템을 적용할 수 있도록 공법 변경을 진행 하였다.    



                                                          [창호프레임 지지 시스템 변경]


    6. SUB STRUCTURE SYSTEM & 3차원 좌표제어 시스템 검토 

        와플 패널을 고정하기 위한 하부 substructure system은 정형구간과 비정형 구간에 대한 검토가 필요했다. 기존 시스템을 3차원으로 모델링 한 결과 수평구간에 대한 일부 부재가 누락되어 있었고 추가 보강이 필요했다. 변경안은 유닛 와플이 시공될 수 있도록 창문측 1차 하지 시스템과 와플을 고정하기 위한 2차 하지 시스템으로 나누고 이를 묶어서 풍하중을 견딜수 있는 입체 트러스 하지틀 시스템으로 대안을 확정하고 엔지니어링을 진행하였다. 



    • 비정형 구간 substructure system
     비정형 구간은 와플 유닛의 3차원 좌표제어를 위한 공법이 같이 고려되어야 했다. 그래서 와플 패널을 고정하기 위한 전면부 2차 하지시스템의 주요 부재를 원파이프로 적용하여 다양한 수직, 수평각도에 대응할 수 있는 시스템이 될 수 있도록 하였다.




    [비정형 구간 substructure system과 와플 유닛 모듈]




    7. 외장재 소재의 적합성, 디테일, 3차원 좌표제어 공법, 제작 및 설치에  대안 검토

    AL. 쉬트를 사용하여 와플을 유닛 방법으로 만들경우 발생할 수 있는 문제점들에 대한 검토를 가 필요하였다. 3T AL. 쉬트를 가공없이 절곡 할 경우 곡률에 의한 틈들이 발생할 수 있었고 만약 V 커팅등 2차 가공을 할 경우 가공비가 상승되고 절곡할 경우 크랙등 2차 문제들의 발생 가능성이 높았다. 가공공장에서 정확한 각도를 절곡한다는 자체가 현실적으로 불가능하기 때문에 당초 설계된 AL.쉬트 소재에 대한 재 검토가  불가피 하였다. 


       

    [3T AL. 쉬트 절곡 샘플]


     설계 원안과 마감재 느낌이 같으면서 가공이 쉽고 다양한 각도에 대한 요구조건을 만족할 수 있는 재료로 4T 복합패널을 선택하였다. 복합패널은 0.5T 알루미늄 박판 양면사이에 3T 심재(PVC or 폴리에틸렌)가 포함되어 있고 꺽이는 부분은 CNC ROUTIING 가공을 할때 3T  심재일부를 남겨 놓고 가공하기 때문에 코너부분이 정밀하게 가공되고 여러번 꺽는 작업을 하여도 크랙이 발생하지 않는 장점을 가지고 있었다. 


         [복합패널의 절곡 가공 샘플]



                                    [복합패널을 활용한 비정형 와플 유닛 제작방법]


     따라서  디지털 목업 검토를 끝내고 Visual Mock-Up 제작 작업을 통해서 변경공법 및 재료에 대한 검증 작업을 진행하였다.  



    8. Visual Mock-Up 

      비정형 건축물을 시공하기 전 Visual Mock-Up을 통해서 시공성과 품질 검토가  이루어 져야하며,  특히 설계단계에서 디테일과 공법에 대한 도면이 부족할 경우는 여러번 검증을 거쳐서 최종 적용 공법을 확정해야 한다.  

    1) 당초 설계 공법 목업(재료: 복합패널)



    [기존 외벽시스템 목업]


    [목업 검측  리포트]


     목업을 통해서 기존 외벽시스템에서 발생할 수 있는 문제점들은 
    1)경사구간에 코킹에 의한 오염성   
    2)와플 수직, 수평엣지가 만나는 구간에 재료 두께에 의해 정확히 만나지 못하기 때문에 틈이 발생함. 차수벽이 완벽하지 않을 경우 내부로 누수될 확률이 높음. 
    3)와플을 형성하는 base surface가 twist 되어 있기 때문에 하부 sub structure가 twist 되지 않을 경우 중간에서 꺽여야 됨. 이는 구조적인 문제를 발생시키고, 현장에서 일일이 통제하기 힘들어 짐.
    4)제작 및 시공오차가 심함. 28개소를 검측한 결과 19개소가 5mm 이상 제작 및 시공 오차를 발생시킴. 

    따라서 기존 시스템으로 시공이 불가하다는 것을 목업과정을 통해서 확인할 수 있었다. 


    2) 대안 공법 목업(오픈조인트 유닛모듈공법 + 입체 truss substructure시스템)
    [입체 truss substructure시스템]


                 [오픈조인트 유닛 모듈공법+전체차수벽 시스템+입체 truss substructure시스템]


     대안공법은 Digital Mock-Up에서 최종 확정된 오픈조인트 유닛 모듈공법+전체차수벽 시스템+입체 truss substructure시스템과 입체 truss의 위치점 제어를 위한 가이드 플레이트 공법을 적용하여 제작되었다.  CNC ROUTER에서 정밀하게 가공되었고, 유닛단위로 제작되기 때문에 전체 와플이 정밀하게 시공될 수 있었다.

     따라서 오픈조인트 유닛 모듈공법으로 최종  결론을 내리고 Fabrication을 위한 세부적인 엔지니어링과 모델링 작업이 진행 되었다.  이후 평면구간에 대한 2차례의 Visual Mock-Up과  Lab Mock-Up을 통해서 디테일 검증 및 품질 검토가 추가로 이루어졌다.  


    6. CNC ROUTER를 활용한 공장 제작 Process

      비정형 건축물의 외장재는 각 패널마다 일정한 크기가 없이 다양하기기 때문에 인력으로 가공한다는 것은 현실적으로 불가능하다. 보통 후도장 쉬트의 경우 레이저 가공기나 NCT를 사용하여 가공 하지만 선도장된 쉬트나 복합판넬은 레이저로 가공할 경우 도장에 손상이 갈수 있기 때문에 CNC Router를 이용하여 가공한다.  
    먼저 현장에서 Fabrication 모델링이 완성되면, 각각의 패널을 넘버링하여 제작용 전개도를 완성 시켜 제작공장으로 발주하게 된다. 제작 공장에서는 전개도 파일을 받아서 제작을 위한 추가 홀 작업등 CNC ROUTER 가공을 위한 NC 코딩 작업을 진행한다. 





      가공 공장에서  1차 조립을  마친 후 현장으로 운송되어  최종조립은 현장에서  유닛 단위로 조립하도록 하여 운송중 판넬 파손이나 운송비를 절감할 수 있도록 하였다.  



    7. 현장 2차 조립 및 시공


    [현장 반입]



                                               [2차 조립 및 와플 유닛 모듈완성]

        현장에서 2차 조립되면서 스스로의 전개도에 의해서 자연스럽게 각도가 정의되며, 굳이 조립 각도를 찾을 필요도 없고 조립을 위한 특수 몰드도 필요없다. 단지 3D Fabrication, Numbering등 제작 관리가 엄격하게 이루어져야 한다.


    [설치를 위한 이동]


    [와플 유닛 모듈 설치]


      하부에 전체 차수벽 시공과 창문틀 주위에 대한 방수마감이 끝난 후 최종 조립된 와플 유닛모듈이 오픈조인트로 시공되고 있다. 만약 당초 원안대로 와플을 시공한다면 정형구간의 수평, 수직의 줄눈  맞추는 것도 쉽지 않았을 것이다. 


    8. 결론 

       와플구간의 설계검토 부터 시작해서 랩 목업까지 완성하는데 거의 1년의 시간이 걸릴 정도로 많은 시간과 노력을 쏟았고 결국 최적의 시스템을 찾을 수 있었다.  

      1) 형태와 재료와의 관계
          폴딩 형태의 Parametric한 디자인은 AL.복합패널이 가장 최적의 재료임을 확인하였고 폴딩되는 다양한 각은 CNC ROUTER에 의해 가공된 전개도를 서로 맞댐 조립할 경우 다양한 각도도 쉽게 제작할 수 있었다.  


     2)재료와 공법과의 관계
        재료는 시공 방법에 따라 디테일이 달라진다. 특히 비정형 건축물의 경우 오픈조인트 디테일구현은 필수 이기 때문에 공법자체가 일반정형건축물의 코킹 시스템과는 달라야 하며, 시스템이 복잡하기 때문에 충분한 검토와 설계가 필요하다.  

    3)3차원 좌표제어를 위한 하부 SUB STRUCTURE SYSTEM
      비정형 건축물에서 가장 중요한 부분이다. 아무리 판넬을 정밀하게 만들어도 설치할 좌표점 제어가 제대로 이루어 지지 못할 경우 품질확보에 어려움이 있고 공기도 늘어나고 공사비도 증가하게된다. 따라서 디자인 형태, 구조, 시공비를 고려한 최적의 3차원 좌표제어 시스템이 필요하다. 
      
     4) Digital Fabrication 활용의 중요성
      CNC Machining를 활용한 Digital Fabrication은 조선, 자동차, 항공등 정밀제작을 위해 사용되는 기술로 비정형 건축물의 시공품질 확보와 Pre Fabrication을 위해서는 반드시 활용되어저야 하는  기술이다.  설계 단계에서 부터 Digital Fabrication을 고려한 설계와 엔지니어링, 공사비 산정이 진행될 경우 시공단계에서 일어날 많은 혼선들을 줄이고, 제한된 공사기간내에 완성도 높은 건축물 시공이 가능할 것이다. 





      





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    세종시 정부종합청사 3단계 1구역 건립공사 BIM 설계 엔지니어링-1

    조감도


    시공사진 전경-철골 공사중 

    연결통로구간 철골공사

    솔라쉐이딩 파사드 1:1목업



          [건축개요]
    • 대지위치: 충청남도 연기군 남면 방축리 일원 중심행정타운 내
    • 대지면적: 13,072.44 m2
    • 건축면적: 4,462.62m2
    • 연면적: 13,747.57 m2
    • 규모: 지하1층, 지상8층
    • 건폐율: 35.67%
    • 용적률: 117.32%
    • 최고높이: 38.1 m




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    2014년 11월 8일 토요일

    '국내 비정형 건축물의 IPD 도입사례 및 적용방법 검토' 주제발표, 빌드스마트 컨퍼런스



    2014년11월 27일 건설회관에서 개최되는  빌드 스마트 컨퍼런스에서 '국내 비정형 건축물의 IPD 도입사례 및 적용방법 검토'라는 주제로 국내 IPD 도입사례와 적용방법에 대해 발표할 예정입니다.




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