최근 상당기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 구현되고 있다. 이는 비정형 건축물의 최적화 설계와 부재화를 통한 공장 생산 시스템과 현장 조립 및 설치 기술로 가능하다. 비정형 건축물의 구현을 위한 연구가 진행되어 왔으나 여전히 비정형 건축물 시공은 설계오류와 시공자의 도면이해 부족, 시공경험 및 공법의 부재 등으로 인하여 시공 품질과 공기, 공사비 증가 등의 잠재적 리스크를 포함하고 있다. 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 상승의 문제점을 해결하기 위한 3D 디지털 설계와 제작 기술을 적용하는 것이 중요하다. 이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다. 궁극적으로 본 연구는 비정형 구조물의 구조검토, CNC(Computerized Numerical Control) 가공에 의한 부재의 정밀제작, 설치, 시공의 오차관리로 최적 시공의 근간이 되는 비정형 건축물 외피 시스템 구현을 위한 최적화 설계 프로세스를 제시한다.본 연구는 비정형 건축물을 구현한 사례를 살펴보고 디지털 설계 프로세스와 적용 프로그램을 살펴본다. 비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다.
최근 상당기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 구현되고 있다. 이는 비정형 건축물의 최적화 설계와 부재화를 통한 공장 생산 시스템과 현장 조립 및 설치 기술로 가능하다. 비정형 건축물의 구현을 위한 연구가 진행되어 왔으나 여전히 비정형 건축물 시공은 설계오류와 시공자의 도면이해 부족, 시공경험 및 공법의 부재 등으로 인하여 시공 품질과 공기, 공사비 증가 등의 잠재적 리스크를 포함하고 있다. 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 상승의 문제점을 해결하기 위한 3D 디지털 설계와 제작 기술을 적용하는 것이 중요하다. 이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다. 궁극적으로 본 연구는 비정형 구조물의 구조검토, CNC(Computerized Numerical Control) 가공에 의한 부재의 정밀제작, 설치, 시공의 오차관리로 최적 시공의 근간이 되는 비정형 건축물 외피 시스템 구현을 위한 최적화 설계 프로세스를 제시한다.본 연구는 비정형 건축물을 구현한 사례를 살펴보고 디지털 설계 프로세스와 적용 프로그램을 살펴본다. 비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다.
Nowadays the widely used media in architecture include visualizations, animations and three-dimensional models. 3D digital methods using active CAM(Computer Aided Manufacturing) and CNC(Computerized Numerical Control) imaging have been developed for accurate shape and 3D measurements in freeform bui...
Nowadays the widely used media in architecture include visualizations, animations and three-dimensional models. 3D digital methods using active CAM(Computer Aided Manufacturing) and CNC(Computerized Numerical Control) imaging have been developed for accurate shape and 3D measurements in freeform buildings. In contrast to a conventional building using auto CAD system and others, the proposed digital optimization method is based on a combination of 3D numerical data and parametric 3D model for design and construction. The objective of this paper is therefore to present digital optimization process for constructability of freeform building. The method can be useful in the effective implementation of an error-proofing process of freeform building during design and construction phase. 3D digital coordinate data can be used effectively to identify correct size of structural and finish members and installation location of each members in construction field. In addition, architects, engineers and contractors can evaluate design, materials, constructability and identify error-proofing opportunities. Other project participants can also include representatives from all levels of management, departments as well as workers and key subcontractors' personnel, if necessary. The 3D digital optimization process is therefore appropriate to serious variations in freeform shape. For future study, the developed digital optimization method is necessary to be carried out to verify the robustness and accuracy for constructability in construction field.
Nowadays the widely used media in architecture include visualizations, animations and three-dimensional models. 3D digital methods using active CAM(Computer Aided Manufacturing) and CNC(Computerized Numerical Control) imaging have been developed for accurate shape and 3D measurements in freeform buildings. In contrast to a conventional building using auto CAD system and others, the proposed digital optimization method is based on a combination of 3D numerical data and parametric 3D model for design and construction. The objective of this paper is therefore to present digital optimization process for constructability of freeform building. The method can be useful in the effective implementation of an error-proofing process of freeform building during design and construction phase. 3D digital coordinate data can be used effectively to identify correct size of structural and finish members and installation location of each members in construction field. In addition, architects, engineers and contractors can evaluate design, materials, constructability and identify error-proofing opportunities. Other project participants can also include representatives from all levels of management, departments as well as workers and key subcontractors' personnel, if necessary. The 3D digital optimization process is therefore appropriate to serious variations in freeform shape. For future study, the developed digital optimization method is necessary to be carried out to verify the robustness and accuracy for constructability in construction field.
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문제 정의
이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다. 궁극적으로 본 연구는 비정형 구조물의 구조검토, CNC(Computerized Numerical Control) 가공에 의한 부재의 정밀제작, 설치, 시공의 오차관리로 최적 시공의 근간이 되는 비정형 건축물 외피 시스템 구현을 위한 최적화 설계 프로세스를 제시한다.
비정형 건축물 구축을 위한 공법을 결정하고 가상 시공모델을 검토하여 시공 가능성을 파악한다. 비정형 건축물의 골조와 마감 비용을 산정한다.
비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다. 이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다. 궁극적으로 본 연구는 비정형 구조물의 구조검토, CNC(Computerized Numerical Control) 가공에 의한 부재의 정밀제작, 설치, 시공의 오차관리로 최적 시공의 근간이 되는 비정형 건축물 외피 시스템 구현을 위한 최적화 설계 프로세스를 제시한다.
이에 본 연구는 비정형 외피시스템의 구현을 위한 업무 프로세스를 살펴보고 비정형 건축물의 설계 및 시공 프로세스는 프로그램의 특징에 따라 비정형성을 구현할 수 있는 프로그램 도구들을 살펴보았다.
2) 즉, CAM(Computer Aided Manufacturing)과 CNC 로 디지털 제어 기술이 가능한 프로그램과 구현 장비로 디지털 좌표 정보를 근간으로 3차원 물체의 생산이 가능하다.3) 따라서 본 연구는 비정형 건축물을 구현한 사례를 살펴보고 디지털 설계 프로세스와 적용 프로그램을 살펴본다. 비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다.
제안 방법
3) 실시 설계 단계는 RHINO, CATIA, TEKLA 등으로 3차원 구조 형태, 내외부 마감의 기하학적 형태, 외부 마감과의 상관 관계에 의한 구조 형식과 단면 형상을 확정한다.
4) 시공 단계는 CATIA, Digital Project, TEKLA, NAVIS WORKS 등의 프로그램을 활용하여 전문 시공 업체별 3차원 설계 검토, 간섭 체크 등 BIM 설계와 시공 관리를 수행한다. 특히, 비정형 건축물에서는 기하형태가 중요하므로 RC, 철골, 마감 등의 기하형태를 현장에서 실측과 설치가 가능하도록 통제하여야 한다.
시공 단계에서는 구조 설계 검토, 협력업체의 3차원 관리, 시공 중첩 확인 등이 이루어진다. 구조 설계 체크를 수행하고 여러 참여업체와의 3차원 기반 설계 검토와 시공성을 분석하며 중첩 체크를 실시한다.
또한 비정형 곡면에 유형 따라 콘크리트, 금속패널, 쉬트 등의 재료를 검토한다. 그리고 비정형 구조시스템으로 주구조재(Main structure)와 부구조재(Sub structure)로 구현할 수 있는 방안을 제시한다. 이 단계에서는 공사비, 공사 품질, 공사기간 등을 종합적으로 판단하여 고려한다.
대표 물문화관의 실시 설계도면과 3차원 디지털 데이터를 기반으로 분석을 위한 Parametric 3D Model을 구축하고 접합부 및 가공방법에 대한 결함 및 시공성을 분석하였다. Parametric 3D Model은 수치 좌표 정보를 부재가 갖고 있는 3차원 모델이다.
자유롭게 비정형의 형태를 형성하므로 2방향 곡면이 도출된다. 도출된 2방향 곡면 분석(curvature analysis)을 통하여 곡면 스타일을 결정하고 범위를 자동 또는 최대로 조정한다. 곡면 분석은 곡률을 생상도로 표현한다.
첫째로 도출한 수치 정보에 기반하여 수많은 부재들을 가상 시공모델(Virtual Construction Model)로 구현하여 시공성을 검토한다. 둘째로는 수치 정보에 기반하여 정밀하게 설계 제작하고 실물 모형(Construction Mock-Up Model)을 구축하여 시공성을 검토한 후 현장에서 설치하고 조립한다.
따라서 구조 최적화 설계 과정을 거쳐 수직 구조 부재는 그림 6과 같이 CNC Twisted Tube로 하고 수평 구조 부재는 원형 파이프로 볼트 조립 후 현장 용접하는 구조로 결정되었다. CNC Twisted Tube는 CNC로 제작된 부재들을 좌표제어용 결속물로 결합시킨 비정형 철골 구조부재이다.
또한 비정형 건축물의 3차원 디지털 최적화 설계 프로세스 적용하여 비정형 건축물의 3D 디지털 수치 데이터 도출 방법을 고찰하였다. 본 연구에서 제안한 내용을 실제 사례인 대표 물문화관(The ARC)의 실시 설계도면과 3차원 디지털 데이터를 기반으로 분석을 위한 Parametric 3D Model을 구축하고 시공성을 검토하였다.
또한 비정형 곡면 전개 방법에 의한 외부 디테일과 재료, 내부 디자인에 따른 비정형 곡면 디자인의 내부 전개 방식 과 재료 결정과 상세도를 작성함으로써 3차원 기하형태를 최종적으로 결정한다.
또한 비정형 곡면에 유형 따라 콘크리트, 금속패널, 쉬트 등의 재료를 검토한다. 그리고 비정형 구조시스템으로 주구조재(Main structure)와 부구조재(Sub structure)로 구현할 수 있는 방안을 제시한다.
또한 비정형 건축물의 3차원 디지털 최적화 설계 프로세스 적용하여 비정형 건축물의 3D 디지털 수치 데이터 도출 방법을 고찰하였다. 본 연구에서 제안한 내용을 실제 사례인 대표 물문화관(The ARC)의 실시 설계도면과 3차원 디지털 데이터를 기반으로 분석을 위한 Parametric 3D Model을 구축하고 시공성을 검토하였다.
본 장에서는 앞서 기술한 내용을 바탕으로 비정형 건축물의 최적화 설계를 구현하고 3차원 디지털 수치 데이터를 활용하고 시공성을 고려한 프로세스를 기술한다. 적용 사례로는 그림 3의 대표 물문화관(The ARC)의 실시 설계도면과 3차원 디지털 데이터를 기반으로 분석을 실시하였다.
3) 따라서 본 연구는 비정형 건축물을 구현한 사례를 살펴보고 디지털 설계 프로세스와 적용 프로그램을 살펴본다. 비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다. 이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다.
일반적으로 비정형 외피시스템의 구현을 위한 업무 프로세스는 프로그램의 특징에 따라 비정형성을 구현할 수 있는 적합한 도구를 활용한다. 설계 단계는 Revit, CATIA, RHINO, TEKLA 등의 3D 엔지니어링 프로그램으로 외피의 2차원과 3차원의 기하학적 최적화와 구조시스템 분석을 통한 상세 설계를 개발한다. 또한 비정형 구조 시스템과 파사드 공사비를 견적한다.
셋째, 3차원 좌표 데이터를 기반으로 구성된 상부와 하부 평행 곡면 플레이트와 측면 2개 플레이트를 CNC로 공장에서 제작하여 구조 부재를 그림 9와 같이 제작한다.
접합부의 상세부분까지 모델링된 3D model을 이용하여 시공 순서 및 접합부 시공과정 중 발생할 수 있는 문제점 등을 사전에 파악하기 위하여 그림 13, 14, 15와 같이 Digital Mock-up을 실시하였다.
비정형 건축물의 시공성 검토는 2차례에 걸쳐 진행된다. 첫째로 도출한 수치 정보에 기반하여 수많은 부재들을 가상 시공모델(Virtual Construction Model)로 구현하여 시공성을 검토한다. 둘째로는 수치 정보에 기반하여 정밀하게 설계 제작하고 실물 모형(Construction Mock-Up Model)을 구축하여 시공성을 검토한 후 현장에서 설치하고 조립한다.
대상 데이터
본 장에서는 앞서 기술한 내용을 바탕으로 비정형 건축물의 최적화 설계를 구현하고 3차원 디지털 수치 데이터를 활용하고 시공성을 고려한 프로세스를 기술한다. 적용 사례로는 그림 3의 대표 물문화관(The ARC)의 실시 설계도면과 3차원 디지털 데이터를 기반으로 분석을 실시하였다.
이론/모형
따라서 비정형 패널 설치의 바탕이 되는 철골 구조의 2방향 bending 원형 파이프를 생산하고 공사 기간 내에 이를 정밀하게 정확한 위치에 설치 및 조립하기 위하여 3차원 좌표 수치제어가 가능한 CNC Twisted Tube 공법을 적용하였다.
프랭크 게리가 설계한 Guggenheim Museum, Weatherhead School of Management, Walt Disney Concert Hall, Center for the Performing Arts, The Lou Ruvo Center는 CATIA 기반의 Digital Project로 설계하였으며 자하디드가 설계한 동대문 디자인 플라자 등에 사용되었다. 이와 같이 비정형 건축물의 설계는 기존 정형건축물의 설계 및 시공 프로세스와 다르게 진행된다.
성능/효과
등경곡선(isocurve)를 생성하여 곡면을 재정의한다. 결과적으로는 3차원 시공 지오메트리를 1방향, 2방향 또는 평면 패널로 생성하여 부재별 디지털 수치 정보를 제공한다. 따라서 비정형 건축물의 디지털 수치 데이터는 부재의 공장생산과 시공의 정확성을 확보하기 위한 매우 중요한 정보가 된다.
본 연구에서 제시한 최적화 설계 프로세스는 디지털 데이터에 기반한 Digital Mock-up이 가능하게 한다. 이는 시공성을 검토함과 동시에 시공시에 발생할 수 있는 문제점을 사전에 파악하고 수정할 수 있다.
후속연구
이는 시공성을 검토함과 동시에 시공시에 발생할 수 있는 문제점을 사전에 파악하고 수정할 수 있다. 완성된 3D model은 3차원 디지털 좌표를 생성하게 되고 부재 제작과 검측의 기본 좌표 데이터로 사용됨으로써 비정형 건축물의 정밀한 시공이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비정형 건축물의 설계와 시공 상당기간과 공사비를 줄일 방법은 무엇인가?
최근 상당기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 구현되고 있다. 이는 비정형 건축물의 최적화 설계와 부재화를 통한 공장 생산 시스템과 현장 조립 및 설치 기술로 가능하다. 비정형 건축물의 구현을 위한 연구가 진행되어 왔으나 여전히 비정형 건축물 시공은 설계오류와 시공자의 도면이해 부족, 시공경험 및 공법의 부재 등으로 인하여 시공 품질과 공기, 공사비 증가 등의 잠재적 리스크를 포함하고 있다.
시드니오페라하우스는 총공사비가 얼마인가?
비정형 건축물의 대표 작품으로 1973년에 완성된 시드니오페라하우스는 총공사비가 102백만달러로 초기 예상 공사비인 7백만불에 비하여 14배가 초과되었으며 공사기간은 14년이 소요되어 10년이 증가하였다. 쉘 구조 최적화 설계에는 12번의 형태 검토로 지름 75m 구형의 형태를 도출하는 데 7년이 소요되었다.
시드니오페라하우스의 공사기간은 몇 년인가?
비정형 건축물의 대표 작품으로 1973년에 완성된 시드니오페라하우스는 총공사비가 102백만달러로 초기 예상 공사비인 7백만불에 비하여 14배가 초과되었으며 공사기간은 14년이 소요되어 10년이 증가하였다. 쉘 구조 최적화 설계에는 12번의 형태 검토로 지름 75m 구형의 형태를 도출하는 데 7년이 소요되었다.
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