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문제 정의
- 그러나 국내에서는 비정형 건축의 역사가 오래되지 않았으며, 특히 완공된 사례는 아직까지 드문 상황이며 국내 비정형 건축의 디지털 기술도입은 그 사례나 기술을 해외에 많은 부분 의존하고 있다. 본 연구에서는 최근 들어 급증하고 있는 국내 비정형 건축 사례를 통하여 비정형 건축의 설계 및 시공단계에 적용된 디지털 기술들의 종류와 도출된 문제점들, 그리고 해결방법들을 분석함을 목적으로 하며, 이는 향후 국내 비정형 건축에의 디지털 기술 도입에 기초자료로서 큰 의미를 가질 것으로 생각된다.
- 세 번째 사례인 자하하디드의 동대문 디자인 플라자(DDP)는 서울 중구 흥인문로에 위치한 동대문 운동장 부지에 설립될 디자인산업 전문 종합 지원시설이며, 2013년 7월 완공, 2014년 3월 개관될 예정이다. 이 건물은 거대한 한 판의 비정형 곡면 지붕의 디자인 원형을 유지하는 성공적인 시공과 동시에 경제적인 공사비와 합리적인 패널 제작비를 확보해야 하는 과제를 안고 있는 프로젝트이다.
- 표 1에서 언급된 다양한 디지털 기술들 즉, 형태생성, 부재 제작, 패널 최적화, 시공, 구조계산, 협업 등을 위한 디지털 기술들의 발전은 비정형 건축물의 실현을 가능케하였으며, 현시점에서 이러한 기술들이 국내에서는 어떻게 적용되고 있으며, 대두되고 있는 문제점들은 무엇이며, 어떠한 해결방법을 사용하고 있는지 다음과 같이 세가지 국내 적용사례를 통하여 살펴보았다.
제안 방법
- 즉 주 경기장과 실내체육관의 지붕이 연결되는 비정형 부분에 패턴의 방향이 자연스럽게 연결되지 않기 때문에 삼각형의 절개부분을 이용하여 그림 2에서와 같이 패턴 기준이 정리되었다. Step1에서 면 삼각형 절개부분의 각 변을 기준으로 지붕면을 세 개의 영역으로 나누었으며, step4에서 각 변은 삼각형 각 변의 길이 비율로 등분되었고, 나뉜 등분선은 인접한 지붕 외곽선으로 연결하여 자연스럽게 균등 분할된 패턴 기준선을 만들었다. 마지막으로 Step5-2에서 절개부분은 새로운 패턴 기준선에 맞추어 다시 조정되었다.
- 이중 곡률 곡면의 가전성이 확보되게 되면 패널을 제작하는데 있어서 절단작업 이후 휨작업을 통하여 제작이 가능한 금속 같은 재료인 경우 생산용이성이 확보되기 때문에 중요한 의미를 갖는 것이다. 곡률의 재조정 작업은 각 전개도에서 이루어 졌으며, 전개도 기준선은 곡면을 이루는 아이소 커브 등을 패턴의 기준으로 삼았다.[3] 즉, Gutter 및 골방향에 대해서 전개도상에서 급격한 곡률이 조정 되었으며, 2D에서 조정하여 3D에 반영하는 방식으로 진행되었으며[5], 이러한 가전성의 확보는 지붕재료의 정확한 제작과 시공성을 확보하게 된 것이다.
- 즉, 건축과 구조모델링을 위해서는 Rhino, 구조해석을 위해서는 Midas, 구조객체 모델링을 위해서는 TEKLA가 사용되었다. 구조해석을 위해서는 Rhino에서 형성된 3D 모델링 데이터를 기반으로 3D 기본구조요소 모델링이 이루어졌으며, 이때 구조해석을 위한 최소한의 부재 구조 중심선 모델이 형성되었다. 형성된 모델은 구조해석프로그램에서 인식하기 위해서 Dwg(Dxf)로 변환작업이 이루어졌으며, 이 공통포맷을 사용하여 TEKLA와 Midas에서 구조모델링 재생성과 구조해석 작업이 진행되었다.
- 부재제작을 위해서 먼저 플로팅 아일랜드와 화성 종합운동장은 부재 생산을 위한 2D 전개도가 작성되었으며, 전달된 전개도를 이용하여 부재가 제작되었다. 이는 플로팅 아일랜드의 경우는 평판 패널, 화성 종합운동장은 가전면 패널이었기 때문에 가능한 방법이었다.
- [1] 그러나 워낙 굴곡이 심한 비정형 지붕이 하나의 판으로 연결되어 있는 관계로 최적화 과정 이후 패널 사이가 서로 일치하고 않고 들뜸 현상이 심하게 나타나게 되었으며, 이러한 문제점을 해결하는 과정에서 DDP의 BIM팀은 이를 Rhino 시스템의 한계로 규정하고 Digital Project(NURBS 곡면을 정밀하게 다룰 수 있는 CATIA 플랫폼을 기반으로 Gehry Technology 사에서 건축설계 지원 도구로 개발한 3D CAD 시스템)를 도입하여 오류를 수정하기로 결정하였고 자하하디드사무소(ZHL)에 의해 패널 수정작업이 진행되었다. 이때 Digital Project에서 3D 패널 데이터를 구축하기 위해서는 처음부터 Digital Project에서 모든 패널을 재모델링 할 것인지, 라이노에서 구현된 데이터를 이용하여 Digital Project에서 수정작업 할 것인지 두 가지 가능성이 있었으며, 이중 후자를 선택하여 진행하였다. 후자를 선택하게 된 이유는 각 패널에 대한 형상정보와 다른 필요한 데이터들(패널 번호, 위치 및 지리정보, 곡률, 이름, 색상, 조명 유무, 타공 유무, 점검구, 보강여부 등)이 라이노에 이미 모두 내포되어 있었기 때문이었다.
- 형성된 모델은 구조해석프로그램에서 인식하기 위해서 Dwg(Dxf)로 변환작업이 이루어졌으며, 이 공통포맷을 사용하여 TEKLA와 Midas에서 구조모델링 재생성과 구조해석 작업이 진행되었다. 이때, HTML파일을 이용한 온라인 뷰어로 구조디테일 협의를 진행하였으며, TEKLA를 이용하여 3D 철골구조 객체 샵드로잉을 작성하였다.
- 동대문 디자인 플라자(DDP)에서는 복잡한 형상과 불충분한 2D 도면으로 인해 정확한 시공을 할 수 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Digital Project를 사용하여 3D 디지털 모델을 구축하였으며, 이를 이용하여 설계단계의 3D 모델링 분석 및 업데이트를 통한 기본 모델 완성, 건축, 구조, 기계, 전기/통신, 조명, 소방, 토목, 조경 분야 3D 모델링, 가상시공 시뮬레이션 및 4D 시뮬레이션을 통한 공사진도 관리 등이 이루어 졌다. 또한 비정형 곡면 노출콘크리트벽을 시공하기 위해서는 일반적인 거푸집 도면으로는 시공이 불가능 하였으므로 3D 디지털 모델에서 30cm간격의 단면도를 추출하여 거푸집 2D shop 도면(dwg)을 생성하였으며, 이를 통해 비정형 곡면 벽의 시공이 가능할 수 있었다.
- 이러한 특징을 가지는 세 가지 사례에 대한 연구방법은 프로젝트에 참여한 설계 전문가 인터뷰와 문헌연구를 통하여 조사 및 분석하였다.
- 비정형 건축은 그 복잡한 형상으로 인해 시공, 구조 등을 위한 정확한 형상의 이해와 검토에 어려움이 있었으며, 이로 인한 시공의 난해함은 가장 큰 문제점 중의 하나로 드러났으며, 복잡한 형상을 이해할 수 있는 시각적인 자료나 충분한 도면 제공의 필요성이 대두되었다. 이를 위하여 조사된 프로젝트들은 모두 3D 디지털 모델를 활용하여 그 해결점을 찾으려고 노력하였으며, 이는 디자인 전개와 정확한 형상의 이해와 검토, 설계 오류발견 등에 활용되었으며, DDP에서는 가상시공 시뮬레이션, 4D 시뮬레이션을 통한 공사진도 관리, 노출콘크리트 거푸집단면도 생성 등에 활용되었다. 프로젝트마다의 구체적인 적용방법은 다음과 같다.
- 동대문 디자인 플라자(DDP) 프로젝트의 진행에 있어서 해결해야 할 가장 큰 난제는 거대한 한판으로 이루어진 비정형 곡면 지붕의 패널화(Panelizing) 작업이었다. 이를 위해 자하하디드가 작업한 Rhino 모델링을 기반으로 디자인 요구사항에 따라 Evolute(패널 컨설팅업체)가 Rhino에서 패널 분할과 최적화 과정을 수행하였다. 이때 사용된 패널 최적화 방법은 다양한 이중 곡률 곡면 패널들을 제작비를 좀 더 절감할 수 있는 유사한 정형화된 패널들(평면, 원주면, 포물면, 고리면, 삼차곡면 등)로 대체하는 방법이다.
- 플로팅 아일랜드 프로젝트에서 계획 설계 초기 Rhino에서 구현된 3D 모델은 외부 곡면 형상이 이중 곡률 곡면 형태로 구성되었으며, 이는 부재의 균일화가 불가능한 형태이므로 다양한 부재의 구성으로 인한 시공의 어려움과 공사비의 증가가 예상되었다. 이를 해결하기 위해서 제1섬(Vista)의 경우는 이중 곡률 곡면(double curve)을 단일 곡률 곡면(single curve) 또는 사변형(quadrilateral)으로 변환하는 과정을 거쳐 최적화 작업을 진행하였다. 즉, 이중 곡률 곡면으로 형성된 곡면을 분절된 호(arc)와 직선구간으로 분할하여 이를 이용한 곡면을 재생성 하였으며, 이때 분절구간의 크기는 재료의 특성에 따라 폭과 높이가 결정되었다.
- 동대문 디자인 플라자(DDP)에서는 패널 분할과 최적화 과정을 거쳐 완성된 정형화된 패널들 중 평판 패널과 단일 곡률 패널은 이에 적합한 제작기법을 적용하여 생산되었으나 이중 곡률 패널의 경우는 패널제작의 난해함과 고가의 제작비 때문에 많은 조사와 mock-up 과정을 거쳐 하이드로 포밍 (Hydro Forming, 철이나 폴라아미드 재질 등으로 만든 형틀에 금속판을 대고 수압으로 밀어내서 만드는 방식) 기법에 의해 생산하기로 결정되었다. 즉 패널의 3D 기하학 디지털 데이터를 CNC milling 기계에 직접 연결하여 부재를 제작하는 방법인 CNC 기법에 의해 패널을 제작하였다. 이 방법은 고가의 제작비용을 필요로 하지만 정확한 형상의 곡면 패널을 제작할 수 있는 방법이다.
- 이를 해결하기 위해서 제1섬(Vista)의 경우는 이중 곡률 곡면(double curve)을 단일 곡률 곡면(single curve) 또는 사변형(quadrilateral)으로 변환하는 과정을 거쳐 최적화 작업을 진행하였다. 즉, 이중 곡률 곡면으로 형성된 곡면을 분절된 호(arc)와 직선구간으로 분할하여 이를 이용한 곡면을 재생성 하였으며, 이때 분절구간의 크기는 재료의 특성에 따라 폭과 높이가 결정되었다. 제2섬(Viva)의 경우는 평면적으로는 타원의 형상을 가지므로 같은 반경을 가지는 영역별 중심점이 각각 설정되었으며, 이를 이용한 필요 패널사이즈를 확보하는 등각의 분할이 이루어 졌다.
- 이러한 중요성 때문에 조사된 세 개의 프로젝트 사례에서는 모두 상이한 시스템들간의 파일 호환을 확보하기 위한 인프라 구축에 힘쓰고 있었으며, 그 방법은 사용하는 CAD 시스템의 종류에 따라 차이점을 보이고 있었다. 플로팅 아일랜드와 화성 종합운동장은 데이터의 호환과 공유의 문제 해결을 위해 Dwg, Dxf 파일을 사용하였으며, DDP는 Dwg, Iges, Sat를 그 호환 포맷으로 사용하였다. 프로젝트마다의 구체적인 적용방법은 다음과 같다.
- 구조해석을 위해서는 Rhino에서 형성된 3D 모델링 데이터를 기반으로 3D 기본구조요소 모델링이 이루어졌으며, 이때 구조해석을 위한 최소한의 부재 구조 중심선 모델이 형성되었다. 형성된 모델은 구조해석프로그램에서 인식하기 위해서 Dwg(Dxf)로 변환작업이 이루어졌으며, 이 공통포맷을 사용하여 TEKLA와 Midas에서 구조모델링 재생성과 구조해석 작업이 진행되었다. 이때, HTML파일을 이용한 온라인 뷰어로 구조디테일 협의를 진행하였으며, TEKLA를 이용하여 3D 철골구조 객체 샵드로잉을 작성하였다.
대상 데이터
- 첫 번째 사례는 플로팅 아일랜드(Floating Island)로서 2011년 5월 완공되었으며, 한강 반포대교 남단 서래섬과 잠수교 사이에 꽃을 형상화하여 조성된 3개의 인공섬으로 구성된 수상 복합문화 레저시설로서 시공성과 경제성 확보가 필요하였던 프로젝트이다. 두 번째 사례는 화성종합운동장 (Hwaseong Stadium)으로 경기도 화성시에 있는 스포츠 경기장 종합 단지로서, 2011년 10월 1일에 완공되었다. 주 경기장과 실내체육관의 상이한 높이와 구조 시스템을 갖는 두개의 매스를 연결하는 하나의 비정형 지붕을 성공적으로 해결해야 했던 프로젝트이다.
- 이러한 이유로 패널 최적화 과정을 거쳐 작성된 시공성이 확보된 패널들은 Rhino의 3D 모델에서 전개도를 추출한 후 Dwg 또는 Dxf로 변환되어 부재 생산 공장으로 전달되었다. 또한 기울어진 곡면 철골기둥들은 각 층마다 상이한 기둥중심을 갖게 되므로 Grasshopper 기술(Rhino의 플러그인)을 활용한 기둥중심 3차원 좌표를 추출하는 모듈을 작성하여 구조해석과 구조 샵드로잉을 위한 디지털 데이터가 확보되었다.
- 본 연구에서는 분석 대상 사례로 두 개의 완공된 프로젝트와 현재 공사가 진행 중인 세 가지 프로젝트를 선정하였다.
- 주 경기장과 실내체육관의 상이한 높이와 구조 시스템을 갖는 두개의 매스를 연결하는 하나의 비정형 지붕을 성공적으로 해결해야 했던 프로젝트이다. 세 번째 사례인 자하하디드의 동대문 디자인 플라자(DDP)는 서울 중구 흥인문로에 위치한 동대문 운동장 부지에 설립될 디자인산업 전문 종합 지원시설이며, 2013년 7월 완공, 2014년 3월 개관될 예정이다. 이 건물은 거대한 한 판의 비정형 곡면 지붕의 디자인 원형을 유지하는 성공적인 시공과 동시에 경제적인 공사비와 합리적인 패널 제작비를 확보해야 하는 과제를 안고 있는 프로젝트이다.
- 첫 번째 사례는 플로팅 아일랜드(Floating Island)로서 2011년 5월 완공되었으며, 한강 반포대교 남단 서래섬과 잠수교 사이에 꽃을 형상화하여 조성된 3개의 인공섬으로 구성된 수상 복합문화 레저시설로서 시공성과 경제성 확보가 필요하였던 프로젝트이다. 두 번째 사례는 화성종합운동장 (Hwaseong Stadium)으로 경기도 화성시에 있는 스포츠 경기장 종합 단지로서, 2011년 10월 1일에 완공되었다.
이론/모형
- 동대문 디자인 플라자(DDP) 프로젝트에서는 건물 모델링, 수정 및 조율작업을 위해 3dm(Rhino), 2D CAD 도면을 위해서는 Dwg(AutoCAD), 3D 모델링을 위해서는 Digital Project(CATPart)가 사용되었으며, 상이한 프로그램 간의 상호 파일호환을 위해서는 Rhino와 AutoCAD 간에 Dwg, Rhino와 Digital Project간에 Iges, AutoCAD와 Digital Project간에 Sat 파일형식이 사용되었다. 즉, 지붕 패널화 작업과정에서 Rhino에서 구현된 각 패널을 Iges로 Digital Project에서 import한 후 패널 사이가 일치하는 않는 들뜸 현상은 시공단계에 각 패널별로 수정작업이 이루어 졌다.
- 플로팅 아일랜드(Floating Island) 프로젝트는 기본설계에서 실시설계까지 각 분야별 상이한 소프트웨어들의 사용으로 인한 데이터의 호환과 공유의 어려움을 해결하고 3D 모델링 데이터의 산업생산까지의 연속성을 확보하기 위하여 처음부터 Dwg 또는 Dxf를 공유파일 형식으로 지정하여, 공유 포맷으로의 변환이 가능한 소프트웨어를 k여 사용하도록 하였다. 즉, 건축과 구조모델링을 위해서는 Rhino, 구조해석을 위해서는 Midas, 구조객체 모델링을 위해서는 TEKLA가 사용되었다. 구조해석을 위해서는 Rhino에서 형성된 3D 모델링 데이터를 기반으로 3D 기본구조요소 모델링이 이루어졌으며, 이때 구조해석을 위한 최소한의 부재 구조 중심선 모델이 형성되었다.
성능/효과
- 둘째, 파일 호환성 확보 여부가 비정형 건축의 구축에 있어서 성공여부를 결정짓는 중요한 요소 중의 하나임이 드러났다. 상이한 소프트웨어들 간의 불완전한 데이터 호환은 프로젝트 전체 업무의 효율성을 저하시키며 정확한 데이터 전이를 확보하지 못함으로 인해서 정확한 시공을 보장하지 못할 수 있기 때문이다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Digital Project를 사용하여 3D 디지털 모델을 구축하였으며, 이를 이용하여 설계단계의 3D 모델링 분석 및 업데이트를 통한 기본 모델 완성, 건축, 구조, 기계, 전기/통신, 조명, 소방, 토목, 조경 분야 3D 모델링, 가상시공 시뮬레이션 및 4D 시뮬레이션을 통한 공사진도 관리 등이 이루어 졌다. 또한 비정형 곡면 노출콘크리트벽을 시공하기 위해서는 일반적인 거푸집 도면으로는 시공이 불가능 하였으므로 3D 디지털 모델에서 30cm간격의 단면도를 추출하여 거푸집 2D shop 도면(dwg)을 생성하였으며, 이를 통해 비정형 곡면 벽의 시공이 가능할 수 있었다.[4]
- 셋째, 비정형 건축은 그 복잡한 형상으로 인해 시공, 구조 등을 위한 정확한 형상의 이해와 검토 또는 설계 오류의 발견이 어려운 문제점이 있었으며, 이를 위하여 플로팅 아일랜드와 화성 종합운동장의 경우는 3D 디지털 모델을 활용하여 해결하였으며, 시공의 난해함과 콘크리트 공사를 위한 거푸집 도면작성의 어려움이 발생 된 DDP의 경우 3D 디지털 모델을 활용한 가상시공 시뮬레이션 작성과 3D 디지털 모델로부터의 자동 노출콘크리트 거푸집 단면도 생성 기능을 활용하여 이러한 문제점을 해결하였다.
- 최초의 설계에 따르면 유리 1면당 R값을 4개씩 가졌던 이중 곡률 유리패널을 유리 1면당 R값을 1개씩 가지는 단일 곡률 유리패널로의 보정화 작업이 진행된 것이다. 이로서 모든 유리패널은 단일 곡률 곡면으로 대체되었고 부재제작의 용이성과 경제성을 확보하게 되었다.
- 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 세 개의 사례에서 비정형 곡면 패널의 최적화 작업은 적극적으로 도입되고 있었으며, 또한 프로젝트의 목적, 즉 경제성 또는 심미성(원형곡면의 유지)에 따라 그 방법이 다르게 적용되고 있었다. 즉 부재제작의 용이성과 공사비 절감에 가장 큰 목적을 둔 플로팅 아일랜드의 경우는 이중 곡률 곡면을 평판 유리 패널로 변환하는 최적화 작업을 통하여 그 경제성을 확보하고 있었으며, 화성 종합운동장은 전개가능한 패널 재료의 사용과 더불어 패널의 가전면화로 비정형 곡면을 최적화하여 경제성을 확보하고 있었다. 이와는 다르게 동대문디자인플라자(DDP)는 디자이너의 의도와 심미성에 비중을 크게 두어 디자인된 비정형 곡면의 원형을 최대한 유지하면서 패널의 형태를 생산비를 절감 할 수 있는 패널로 대체하는 최적화 방법을 사용하고 있었다.
- 이와는 다르게 동대문디자인플라자(DDP)는 디자이너의 의도와 심미성에 비중을 크게 두어 디자인된 비정형 곡면의 원형을 최대한 유지하면서 패널의 형태를 생산비를 절감 할 수 있는 패널로 대체하는 최적화 방법을 사용하고 있었다. 즉 생산비 절감을 위한 평판 패널로의 대체 보다는 최대한 원형곡면에 가깝게 곡면 패널들을 정형화된 패널들로 대체하는 작업을 시도하였으며, 그 결과 처음에는 이중 곡률 곡면 패널이 상당 부분이었던 것이, 평판 34%, 단일 곡률 패널 27%, 이중 곡률 곡면 패널 39%로 최적화될 수 있었다. 즉 앞의 두 사례만큼 경제성을 확보할 수는 없었지만, 디자인된 원형곡면을 최대한 유지하면서 패널 생산비를 최대한 절감하려는 최적화 방법의 적용사례라고 할 수 있겠다.
- 첫째, 비정형 곡면은 그 규모와 형태적 특성상 정형적인 건축의 공사비보다 월등히 높은 비용을 필요로 한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 세 개의 사례에서 비정형 곡면 패널의 최적화 작업은 적극적으로 도입되고 있었으며, 또한 프로젝트의 목적, 즉 경제성 또는 심미성(원형곡면의 유지)에 따라 그 방법이 다르게 적용되고 있었다.
후속연구
- 넷째, 부재제작사의 3D 데이터 수용이 현실적으로 어려운 경우가 많다는 한계점이 발견되었다. 즉 3D로 설계가 이루어지고 3D 디지털 마스터 모델이 작성되더라도 3D 데이터를 사용하여 부재제작이 가능한 업체가 아직은 드물다는 점이다.
- 이상으로 국내 비정형 건축 사례를 통하여 비정형 건축의 설계 및 시공단계에 적용된 디지털 기술들의 종류와 도출된 문제점들, 그리고 해결방법들을 분석하여 보았으며, 이는 앞으로 비정형 건축을 시도하려는 많은 건축가와 시공사들에게 문제점에 대한 사전 인식과 해결방안에 대한 기초자료로서 큰 의미를 가질 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 제시된 문제점들에 대한 다양하고 효율적인 해결방법에 관한 후속 연구를 통해 더욱 효율적인 비정형 건축 설계 및 시공 기술의 확보가 가능해 질 수 있을 것이다.
- 이상으로 국내 비정형 건축 사례를 통하여 비정형 건축의 설계 및 시공단계에 적용된 디지털 기술들의 종류와 도출된 문제점들, 그리고 해결방법들을 분석하여 보았으며, 이는 앞으로 비정형 건축을 시도하려는 많은 건축가와 시공사들에게 문제점에 대한 사전 인식과 해결방안에 대한 기초자료로서 큰 의미를 가질 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 제시된 문제점들에 대한 다양하고 효율적인 해결방법에 관한 후속 연구를 통해 더욱 효율적인 비정형 건축 설계 및 시공 기술의 확보가 가능해 질 수 있을 것이다.
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