기술정보Ⅲ 3 비정형건축물의설계및시공 글유상준 \ 건축기술팀차장 \ 공학박사 \ 전화 0234337734 \ Email yusangjune@ssyenc.com 1. 머리말발주처는건축물을통해사람들에게놀라움을주고, 잊지못할경험을통해자신들이기획한건축물의용도와그건축물자체를부각시킬필요가있다. 특히, 국제대회의경기장, 엑스포전시시설등이그사례라고할수있다. 비정형건축물에대한외장시공특히, Metal Cladding에의한비정형건축물의설계, 시공등을사례를통해알아보고자하며, 이를통해다양한형태의건축디자인을현실화하는구체적인기술사례를공유하고자한다. 턴화및부재사이즈의최적화과정을진행하나, 시공성을고려하여현장여건, 구조등을반영하는 Shop Drawing과 Testing이필요하다. DesignEngineering Managing을외장패널제작자가수행하는것이설계자와의협의사항반영, 생산, 품질및조달일정이효율적으로관리될수있다. 시공자는발주처의요청에의한디자이너의의사결정이공기에영향을미칠수있으므로원활한협의 System의구축이매우중요하다. 현장책임자는자재조달, 디자인과시공의코디네이션, 그리고전반적인품질관리의효율성을높이기위해외장패널제작자와지속적인협의가필요하다. [ 그림 1] Al Rayyan Stadium and Precincts State of Qatar 2. 비정형건축물의공정관리비정형건축물에서설계및시공을위한코디네이션에있어서 DesignEngineering이설계와시공을연결하여프로젝트를완수하는핵심역할을수행하게된다. Digital Product와같은설계프로그램을통해디자인과정에서패 [ 그림 2] 비정형건축물의 Time Frame Management 비정형건축물의관리분야및관리목표는다음과같다. 1) 기획분야 (PM) : 비정형건축물의진행구상, 경제성, 리스크최소화 33
2) 건축설계분야 (Architect) : 비정형설계프로그램등설계운영체계, BIM, 공간계획, 시방서및관리분석, 입면합리화, 생산성고려 3) 협력분야 (SubContractor) : 비용및시간등프로젝트관리목표의공유, 구조계산, 전기설비시스템관리, 조립계획, 생산모델링 4) 시공분야 : 일정과리스크관리, 수량비용관리, 현장코디네이션, 프로젝트관리일원화, 필요시관리체계변경, 자재발주 5) 운영분야 : 운영체계설계, 시설관리자료체계, 관리체계의일원화, 프로젝트운영비관리 6) 프로젝트인프라 : BIM시스템구축, 사용자교육, 프로그램사용자화, 업무자동화, 기술개발, 소요처별자료형식전환 3D Structure Template을통해개별적인패널의가공도면생산성을극대화할수있다. 패널의가공도면은패널생산에서가장많은시간이소요되고, 다량의패널이생산, 현장조립되어야하므로, 가장중요한공정이라고할수있다. DDP( 동대문디자인플라자 ) 의외장패널을생산한업체의경우 DDP 수행시, 1인 10시간작업기준으로 3D 설계프로그램으로가공도면작성시 2장내외이나, 자체적인 Template을통해약 300장의가공도면을작성할수있었다. 패널의생산성은 DDP의경우, 1개업체단독진행으로, 약 4만장을 1년 6개월에걸쳐제작했으므로, 하루생산량은약 70장내외이다. 3. 3D 설계를통한자재생산 현재비정형건축물의설계를위해많이사용되는컴퓨터프로그 램은게리테크놀러지에서개발한 Digital Project 이며, 비정형건축 물의설계과정에서자재생산을고려하여곡면전개및설계를할 수있는 3D 모델링프로그램이다. 그리고, 국내대형설계사의 3D 기반설계프로세스에서많이사용하고있는 Rhinoceos 가대표적 이다. 국내에서가장보편적으로사용하는컴퓨터소프트웨어인 Auto CAD와의호환성이매우뛰어나디자인단계에서많이사용되고있으나, 자재의생산과자동화생산까지고려되지는못한다. 따라서, 공장에서사용되는금속가공기계, Robot의운용을위해패널제작과공사용설계도서관리자인 DesignEngineering Manager는생산자동화를위한별도의작업도구인 3D Structure Template을통해, 시공사, 협력업체, 디자이너, 패널가공자가각각필요로하는자료형태를만들어내야한다. Design Team (Shop Drawing & Testing) Engineering Team (Structural Calculation & Thermal Simulation) 표 1 자재가공도의 Template 구축을통한도면생산량증대 Based on one designer Design Quantity per Day (Based on 10 hours work) Working days for 40,000 Pieces Non application of Template About 2 Pieces 20,000 Days It takes 54 years by one designer. 54 design work at the same time based on completion within one year Application of Template & exclusive use program About 300 Pieces 133.3 Days It takes 133 days by one designer 31. BIM의활용 BIM의활용을보면, 1단계로패널제작을위한샵드로잉과정, 2단계로구조, 디자인변경에대한변경사항반영 (Updated), 패널타입분류, 패널및스티프너물량산출, 마지막단계로발주처제출준공도서작성, 패널물량산출로진행단계별로활용된다. 비정형패널을생산하기위한패널설계 Template으로다음의작업을표준화하고, Data Base를구축하여생산성향상, 관리체계수립을주요목표로한다. [ 그림 3] 자동화된도면생성프로세스 1) 패널의정의 (Single Curved or Double Curvature, Flat), 패널별생산설치분류코드부여 2) BIM을통한 3D 모델링작업 ( 도면작업 ) 3) CAD 도면화 4) 기존구조물, 기전설비간섭검토, 중량최소화 5) 패널타입분류 6) 생산가격견적, 발주, 생산 7) 시공도서제출 34 건설기술 / 쌍용
Panel / CBar Structure 3D & 2D Automated Part 1 MultiPoint Forming Machine Preparation 2 Data Input for atypical panel 3 Operation of MultiPoint Forming Machine Zinc Plate & Purlin 3D & 2D Automated Part 4 Atypical panel forming 5 Marking the laser cutting line by marking robot 6 Finished laser marking line [ 그림 4] BIM 을통한패널설계 7 3D Scanning and Laser cutting preparation 8 Data input for Laser cutting 9 Laser cutting 10 Finished laser cutting 11 Stiffener Fabrication/Welding 12 Stiffener Fabrication/Welding [ 그림 5] BIM 을통한패널설계 13 Fixing stud bolt 14 Assembly of Stiffener [ 그림 6] 비정형 3D 패널의생산과정 15 Inspection of finished atypical panel fabrication 32. 비정형패널의생산패널의생산과정에대해알아보면, 곡률을갖는 3D 패널은다수의핀이각각높이가조정되어곡선을표현하는 Multi Point Forming(MPF) 에의해제작된다. 패널의사이즈는가로세로 2.5m X 2.5m가최대사이즈이나, 자중, 풍하중등을고려한구조계산을통해최적사이즈를결정한다. 동대문디자인플라자의경우약 1.5m X 1.2~1.5m를기본판으로제작하였다. 생산장비를작동시킬수있는각각의패널형태정보를갖고있는 Data를입력시키고, Multi Point Forming을가동해 4mm 알루미늄원판을압연할수있는틀을만들어찍어내는과정을통해만들어지고, 사면으로잡아당겨전체패널이균일한두께를유지하도록한다. 성형된곡률의 3D 패널을재단하기위해 3D Marking Robot 과 Laser Cutting 기계를사용한다. Punching도레이져커팅단계에서가공되며, 패널의형태를유지하는 Stiffener도동일하게제작한다. 사례로소개한동대문디자인플라자의경우, 약 40,000장의패널이모두다르게제작되었다. 이와같은 3D 패널은비정형의 Steel Form을생산할때도동일원리로작용된다. 실내의천정재, 아트월등에도디자인의도에따라응용하여적용할수있다. Multi Point Forming 장비에의해곡면형성과 Stiffener제작에따른구조보강은외장패널과동일하다. MPSF Forming Welding Process QC Process Assembly of Steel Form Assembly of Steel Form Reinforcement Rod [ 그림 7] 비정형 3D Steel Form 생산과정 35
4. 시공사례고찰 41. 패널의종류와구성동대문디자인플라자 (DDP) 의비정형 3D 패널공사사례를통해, 비정형금속패널공사의디테일, 시공과정을살펴보도록하겠다. 이과정에서도원설계자에게디자인승인을받아야하므로, 별도의실시설계비가공사예산에반영되어야한다. 42. 패널의구성 3D 입체패널의시공디테일은골조면으로부터스페이스프레임 (Space Frame), 단열방수재, 패널로구성된다. 1) Space Frame 먼저스페이스프레임은파이프형태의구조재, 구형태의관절 (Node), 그리고패널의하중을스페이스프레임으로흘려보내는챤넬과하중Bar(Load Bar) 로구성된다. 표 2 DDP 의패널타입 (Curved, Double Curvature) SECTION QTY (EA) AREA (m 2 ) RATIO (%) Typical 13,841 9,492 29 1 Curve 9,554 7,455 22 2 Curve 21,738 16,281 49 Total 45,133 33,228 100 FLAT 1 CURVED DOUBLE CURVATURE 29% 22% 49% DOUBLE CURVATURE (49%) FLAT PANEL (29%) 1 CURVED (22%) 표 3 DDP의패널타입 : 펀칭메탈 (Punching Metal) 의구성 SECTION QUANTITY(EA) AREA(m 2 ) RATIO(%) NON PERFORATION 26,752 17,178 51.7 ⅡTYPE(Φ20) 9,934 8,241 24.8 ⅢTYPE(Φ25) 5,745 4,951 14.9 ⅣTYPE(Φ30) 2,702 2,858 8.6 SUB TOTAL 18,381 16,050 48.3 TOTAL 45,133 33,228 100 ⅣTYPE ⅢTYPE (8%) (15%) ⅡTYPE (25%) NON PERFORATION (52%) [ 그림 8] 현장의패널설치과정 DDP의외피면적은약 33,000m2이며, DesignEngineering Managing과정에서구조계산, 부재설계를통해 Architect 승인을받아최종적으로시공된 DDP의경우, 평판 29%, Single Curved 22%, Double Curvature는 49% 의펀칭메탈로구성되어있다. 2) 단열방수재 하중 Bar 에서단열구간을고정하는 Multi Connector, 열전도차단재, ❶ TPO(Thermo Plastic Olefin) : 재활용이가능한 열가소성폴리올레핀 을기본으로 UV 안정제, 항균제, 방염제, 최고급안료등을혼합하여뛰어난내후성과초기의열가소성및유연성을장기간유지 36 건설기술 / 쌍용
하중Bar, 패널과단열재의수평위치를잡아주고하중을분산시키는 2mm 아연도금강판, 차음재, 경질우레탄재질의 1, 2차단열재, 방수구간형성을위한합판 (OSB), 고무Sheet, TPO ❶ Membrane Sheet, Top Cone으로구성된다. 3) 패널패널구간은외벽부터 4mm 알루미늄패널, 스티프너 (Stiffener), 하중을분산시키기위한 Cross Cover 및 Cross Bracket으로조립된다. Panel Production Panel Installation [ 그림 10] 패널의 Mock Up 및설치 [ 그림 9] 패널의 Double Space Frame System( 좌 ) 과 Single Space Frame System( 우 ) 곡률이심하지않은외벽마감구간에는 Single Space Frame System 을적용하게되며, Multi Connector 가 Node 의역할을하게 되고, 곡률에따라구형의 Node 로경사도를반영하게된다. 표 4 패널 단열 / 방수 Space Frame 의구성 (Double Space Frame System) SECTION NO. ROOF WALL PANEL INSULATION /WATERPROOF 1 THK 4mm AL SHEET 2 THK 4mm AL CROSS COVER 3 THK 10mm AL CROSS BRACKET 4 TPO CONE THK 2mm 5 TPO MEMBRANE SHEET POLYUREA COATING 6 BUTYL RUBBER SHEET NONE 7 THK 11.1mm OSB NONE 8 THK 114mm PIR (38mm + 76mm) THK 76mm PIR 9 VAPOR BARRIER 10 ST'L 2mm GALVANIZED IRON 11 SECOND Φ38 ST'L LOAD BAR 12 THERMAL BREAK 13 MULTI CONNECTOR 위의 [ 그림 10] 은패널제작과패널설치모습이고, 현장의패널설치는숙련공 1인, 보조 4인으로 Installation Team이구성되며, 각각의부재는고유식별번호를갖고있어, 일원화된코드로관리되고, 현장의설치위치에도같은고유식별번호를부여하여현장관리되었다. 패널의설치를위한소요시간은 Architect의디자인승인, 설계변경등이포함되어준공시점까지진행되었으나, 패널설계기간 133일을포함하여순수패널제작과 Cladding은약 1.6개월이소요되었다. 5. 맺음말설계자의기본설계단계에서자재의특성과가공특성이검토되는 Digital Product와같은설계프로그램을통해디자인과정에서패턴화및부재사이즈의최적화과정을진행하나, 구조적안정성, 시공성등현장여건을반영하기위한 Shop Drawing과 Testing이필요하다. 비정형건축물에서설계및시공을위한코디네이션에있어서, DesignEngineering이설계와시공을연결하여, 프로젝트를완수하는핵심역할을수행하므로, 적합한업체또는관리자의선임이필요하다. 비정형건축물의수행과정에서외장패널과그외장패널이구성되는 Space Frame에대한구조적안정성, 자재공급의안전성을확보하기위한자재업체의조달능력, 수행능력의검증등이면밀하게관리되어야한다. SPACE FRAME 14 C100 50 20 3.2T 15 FIRST Φ48.6 ST'L LOAD BAR 16 NODE 17 MEMBER 참고자료 ❶ GEHRY_TECHNOLOGIES_BROCHURE, Gehry Technologies ❷ Gehry Technologies Facade Design optimization Process, Gehry Technologies ❸ 자문및자료지원 : STEELLIFE Co.(www.steellife.net) 37