국내외 비정형 건축물 외피시스템 사례 분석을 통한 설계 및 시공시 고려사항 도출 Deduction of Considerations During Design and Construction by Analysing Domestic and Abroad Case Analysis of Freeform Building Envelope원문보기
최근 건설 산업의 디지털화로 인하여 건축 디자인이 정형에서 자유로운 비정형 형태로 변화하고 있다. 특히, 국내에서는 최근 비정형이 디자인 경향으로 도입되어 현상설계, 턴키 등에서 설계 당선을 위한 디자인 요소로 많이 적용되고 있다. 그러나 기존의 정형 건축물의 외벽공법을 비정형 건축물의 외피에 그대로 적용함으로써 누수 및 크랙 등 다양한 하자가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 개선하고 공사기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 도입되고 있다. 이에 본 연구는 비정형 외피시스템 구현을 위한 공법을 국내외 비정형 건축물의 외피시스템 사례 분석을 통하여 실증적으로 시사점을 도출하고 비정형 건축물 외피시스템의 설계와 시공시 고려해야 할 사항을 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 시공성을 고려한 비정형 형태의 설계가 되도록 하여야 한다. 둘째, 2방향 곡면을 정확히 구현할 수 있는 단위 패널 생산 기술의 개발이 필요하다. 셋째, 비정형 콘크리트 외피용 노출 콘크리트 거푸집을 개발하여야 한다. 넷째, 외피 시스템을 부위별로 구분하여 우수처리와 방수를 위한 재료와 공법 특성과 유지관리 방안을 고려하여야 한다.
최근 건설 산업의 디지털화로 인하여 건축 디자인이 정형에서 자유로운 비정형 형태로 변화하고 있다. 특히, 국내에서는 최근 비정형이 디자인 경향으로 도입되어 현상설계, 턴키 등에서 설계 당선을 위한 디자인 요소로 많이 적용되고 있다. 그러나 기존의 정형 건축물의 외벽공법을 비정형 건축물의 외피에 그대로 적용함으로써 누수 및 크랙 등 다양한 하자가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 개선하고 공사기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 도입되고 있다. 이에 본 연구는 비정형 외피시스템 구현을 위한 공법을 국내외 비정형 건축물의 외피시스템 사례 분석을 통하여 실증적으로 시사점을 도출하고 비정형 건축물 외피시스템의 설계와 시공시 고려해야 할 사항을 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 시공성을 고려한 비정형 형태의 설계가 되도록 하여야 한다. 둘째, 2방향 곡면을 정확히 구현할 수 있는 단위 패널 생산 기술의 개발이 필요하다. 셋째, 비정형 콘크리트 외피용 노출 콘크리트 거푸집을 개발하여야 한다. 넷째, 외피 시스템을 부위별로 구분하여 우수처리와 방수를 위한 재료와 공법 특성과 유지관리 방안을 고려하여야 한다.
Recently, architectural design has been changing from formal design to freeform design due to the digitalization of construction industry. Especially, the formal design has been accepted as a design trend recently and applied many times as a design concept in the architectural design competitions su...
Recently, architectural design has been changing from formal design to freeform design due to the digitalization of construction industry. Especially, the formal design has been accepted as a design trend recently and applied many times as a design concept in the architectural design competitions such as turn-key. However, various deflects such as water leak and cracks have been occurred because the traditional construction methods had been applied without any revision or adaptation of the formal construction method for the freeform building construction. Design and construction of freeform building has been developed as an new method in order to solve the problems and minimize the construction duration and cost for the freeform building. Therefore this research deduced the positive implications for developing freefrom envelope by analyzing the domestic and abroad cases and proposed the considerations during design and construction of the freeform envelope as follows. First, the freeform design should consider the constructability for the freeform envelope. Second, manufacturing technology for the two-way curvature of the unit panel should be developed. Third, exposed concrete form method should be developed for the freeform envelope of concrete. Forth, material characteristics, construction method and facility management should be considered in order to manage precipitation and keep water-proof according to the classification of the freeform envelope area.
Recently, architectural design has been changing from formal design to freeform design due to the digitalization of construction industry. Especially, the formal design has been accepted as a design trend recently and applied many times as a design concept in the architectural design competitions such as turn-key. However, various deflects such as water leak and cracks have been occurred because the traditional construction methods had been applied without any revision or adaptation of the formal construction method for the freeform building construction. Design and construction of freeform building has been developed as an new method in order to solve the problems and minimize the construction duration and cost for the freeform building. Therefore this research deduced the positive implications for developing freefrom envelope by analyzing the domestic and abroad cases and proposed the considerations during design and construction of the freeform envelope as follows. First, the freeform design should consider the constructability for the freeform envelope. Second, manufacturing technology for the two-way curvature of the unit panel should be developed. Third, exposed concrete form method should be developed for the freeform envelope of concrete. Forth, material characteristics, construction method and facility management should be considered in order to manage precipitation and keep water-proof according to the classification of the freeform envelope area.
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문제 정의
따라서 본 연구는 국내외 비정형 건축물의 외피시스템 사례 분석을 통하여 실증적으로 시사점을 도출하고 비정형 건축물 외피시스템의 설계와 시공시에 고려해야 할 사항을 제시하는 것을 목적으로 한다.
최정민 외(2009)은 건축물의 외장재에 대한 설계방법과 시공단계에서 시공품질 확보방안, 시공 하자를 유발시키는 다양한 변수에 대한 대응방안 등이 부족하다고 지적하였다. 비정형 건축물의 설계에 사용되는 Architectural Geometry Control 도구 중 그 활용성이 부각 되는 Bentley 사의 Generative Components를 활용하여 비정형 건축물의 이중 곡률 곡면외장재의 부재생산을 위한 패널화, 제작도면 추출에 대한 연구를 하였다.
이에 본 연구는 국 내외 비정형 외피시스템이 구현된 사례를 분석하여 문제점과 시사점 및 고려 사항을 도출하였다. 다양하게 적용할 수 있는 비정형 외피 시스템을 개발하여 비정형 건축의 문제점을 해결하고, 다양한 비정형 건축이 활성화되기 위해서는 반드시 새로운 기술 개발이 필요하다.
제안 방법
독일 뮌헨의 BMW WELT의 지붕 외피는 Kansai Airport와 마찬가지로 철골구조(건식)에 이중지붕 오픈 조인트 시스템을 사용하였고 스테인리스 마감에 데크플레이트로 방수하였다.(표 5. 참조) 패널은 공장에서 생산하여 현장에 설치하는 공법을 적용하였다.
1방향 패널은 가상 시공 모델로 곡률 및 제작사이즈를 최적화하여 90% 이상을 현장 실측 없이 공장에서 CNC로 가공하여 제작하였다. 패널 설치는 추출한 좌표 데이터값을 이용하여 트랜싯으로 정확하게 디지털 모델과 일치시켜 현장 오차를 최소화하였다.
2방향 곡면 방화 유리를 제작하여 설치하는 비용은 매우 높으므로 다이아그날 형식(Diagonal Pattern)의 메쉬 방식으로 평면 방화 유리를 제작하여 부착하였다. 유리의 제작 크기를 고려하여 곡면 방화 유리 모델링을 평면 유리 형태로 설계를 수정하여 평면 방화 유리를 시공하였다.
2방향 곡면의 패널 설계는 가능하지만 제작상의 이유로 2방향 곡면 패널을 일방향 곡면으로 제작 시공하였다. 그러나 쾌속 조형(Rapid manufacturing)기술과 설계 데이터의 제조 기기로의 전송 및 제작 기술이 가능하여 건설 부품화 생산이 가능하였다.
비정형의 1방향 또는 2방향 곡률 특성을 파악하여 그에 맞는 비정형 외피 재료를 선정한 사례이다. 3개의 Bowl을 연결하는 비정형 건축물로 곡률이 심한 2방향 곡률 부분과 곡률이 심하지 않은 1방향 곡률 부분으로 구분하여 시공하였다. 즉, 2방향 곡률 부분은 형태 구성이 자유로운 노출 콘크리트 공법으로 시공하고 1방향 곡률은 알루미늄 아노다이징 패널로 시공하였다.
◯◯기념관, BMW WELT, 페라리 월드(아부다비)의 금속 패널은 쾌속 조형, CAM, CNC 기술로 디지털 수치 정보를 활용하여 패널을 제작하고 설치 위치의 좌표 정보에 기준하여 시공하였다. 그러나 1방향 곡률의 패널은 자연스러운 곡면이 형성되고 있지만, 2방향 곡률의 단위 패널은 여전히 부자연스러운 곡면을 형성하고 있음을 알 수 있었다.
결과적으로 그림 4와 같이 비정형 돔의 커튼월 유리마감선과 철골 중심선이 일치되지 않아 시공오차가 심하게 발생하여 철골 브라켓을 탈취 후에 재용접하여 재시공하였다.
◯◯연구원 내부 비정형 자유 곡면을 형성하는 아트리움의 유리 설치 공법은 설계시 비정형성을 구현하기 위한 모듈 설계, 방화 유리 재료의 특성, 철골 설치와 방화 유리 부착 방법이 충분히 고려되지 않고 시공하여 재시공한 사례이다. 기 제작 설치되었던 철골 브라켓과 방화 유리 모듈이 일치하지 않아 철골 브라켓을 탈취한 후 방화 유리에 맞춰 브라켓을 재용접하여 방화 유리를 설치하였다.
셋째, 외장마감재의 규격과 좌표 도면의 수치정보를 확보하였다. 넷째, 법선 방향의 방수층, 주 철골과 하부 철골의 위치 정보를 확보하였다.(황재식 2008)
둘째, 외피면에서 일정하게 오프셋된 면을 만들어 철골사이즈나 설비 등의 간섭여부를 체크하였다. 셋째, 외장마감재의 규격과 좌표 도면의 수치정보를 확보하였다.
국외에서는 Kansai Airport, BMW WELT, 페라리 월드(아부다비)의 외피시스템을 구성하는 패널 공법을 분석하였다. 또한 비정형 건축물의 외피시스템을 구성하기 위한 현장타설 콘크리트 공법으로 CNC(Computerized Numerical Control) 거푸집을 이용한 거푸집 공법, 유닛 거푸집을 이용한 거푸집 공법, 무거푸집 공법을 분석하였다.
수차례의 실물 모형 제작으로 시공성을 파악하고 BIM 설계로 비정형 건축물 외피 시스템 공법을 적용하였다. 방수와 외피의 시스템화 된 알루미늄 아노다이징 오픈 조인트 공법(외벽)과 알루미늄 리브 루프 시스템(지붕)으로 시공하였다. 그러나 재료가 알루미늄으로 시공비가 스틸 리브 루프보다 다소 높은 편이며 노출 콘크리트 마감시 품질 확보에 각별히 신경을 써야 한다.
둘째, 외피면에서 일정하게 오프셋된 면을 만들어 철골사이즈나 설비 등의 간섭여부를 체크하였다. 셋째, 외장마감재의 규격과 좌표 도면의 수치정보를 확보하였다. 넷째, 법선 방향의 방수층, 주 철골과 하부 철골의 위치 정보를 확보하였다.
수차례의 실물 모형 제작으로 시공성을 파악하고 BIM 설계로 비정형 건축물 외피 시스템 공법을 적용하였다. 방수와 외피의 시스템화 된 알루미늄 아노다이징 오픈 조인트 공법(외벽)과 알루미늄 리브 루프 시스템(지붕)으로 시공하였다.
◯◯공항 교통센터는 국내 비정형 건축물의 초기 작품으로 비정형 외피 패널과 방수 공법이 비 시스템화된 지붕마감 구조로 시공되었다. 시공성과 경제성이 떨어지는 이중지붕 오픈 조인트 공법으로 스텐리스 패널로 시공하였다.
초기 설계는 BIM 설계가 아닌 일반적인 방법에 의하여 설계하고 시공성을 파악하기 위하여 시공 실물 모형(Mock-Up)을 수행하였다. 외장 패널 실물 모형에서 트러스월 공법으로 구축된 실물 모형의 콘크리트 구조체 위에 현장에서 실측하여 패널을 가공하는 방법으로 시공하였다.
2방향 곡면 방화 유리를 제작하여 설치하는 비용은 매우 높으므로 다이아그날 형식(Diagonal Pattern)의 메쉬 방식으로 평면 방화 유리를 제작하여 부착하였다. 유리의 제작 크기를 고려하여 곡면 방화 유리 모델링을 평면 유리 형태로 설계를 수정하여 평면 방화 유리를 시공하였다. 이를 위하여 그림 2와 같이 3차원 모델링과 모형을 제작하여 평면 유리의 크기, 개수, 유리를 지지하는 구조 프레임의 설치와 시공방법을 고려하였다.
유리의 제작 크기를 고려하여 곡면 방화 유리 모델링을 평면 유리 형태로 설계를 수정하여 평면 방화 유리를 시공하였다. 이를 위하여 그림 2와 같이 3차원 모델링과 모형을 제작하여 평면 유리의 크기, 개수, 유리를 지지하는 구조 프레임의 설치와 시공방법을 고려하였다.
기존 연구는 비정형 건축물의 외피시스템의 공법을 실증적으로 분석하고 개선하고자 하는 연구가 부족하였다. 이에 본 연구의 수행을 위하여 우선 비정형 건축물을 직접 방문하여 조사하거나 문헌조사를 통하여 분석하고 전문가 심층 상담을 실시하였다.
이에 실물 모형의 검토 후 그림 10과 같이 BIM 설계로 비정형 콘크리트 거푸집 작업을 진행하여 비정형 콘크리트공사 뿐만 아니라 연계된 외피 마감공사의 정밀도를 가진 시공이 가능하게 되었고, 전체 시공 품질을 유지하고 계획 공사 기간을 준수하였다.
이와 같은 비정형 건축물의 사례 조사 결과를 바탕으로 비정형 건축물의 설계와 시공에 대한 전문가들의 심층 면담을 통하여 비정형 건축물의 설계와 시공시 고려해야 할 사항을 도출하였다.
3개의 Bowl을 연결하는 비정형 건축물로 곡률이 심한 2방향 곡률 부분과 곡률이 심하지 않은 1방향 곡률 부분으로 구분하여 시공하였다. 즉, 2방향 곡률 부분은 형태 구성이 자유로운 노출 콘크리트 공법으로 시공하고 1방향 곡률은 알루미늄 아노다이징 패널로 시공하였다.
이에 카티아 프로그램을 이용해서 다음 네가지 측면에서 시공성을 고려할 수 있었다. 첫째, 내외장 패널 형태가 표면에 그려진 1/500의 CAM에 의한 레진 모형을 만들었다.(그림 8.
무거푸집 공법(망 거푸집 공법)은 기존 정형 거푸집의 단점을 개선한 공법으로 비정형 형태에 맞게 철근을 가공 설치한 후 망을 설치하여 거푸집 역할을 하도록 하는 공법이다. 콘크리트 타설 후 잉여수를 배출함으로써 고품질의 콘크리트 강도를 발현하도록 한다. 무거푸집 공법은 거푸집을 제거하지 않고 콘크리트에 매립하므로 콘크리트의 인장 균열을 방지하는 효과가 있다.
대상 데이터
Kansai Airport 지붕의 비정형 형상은 주 철골 구조에 이중지붕 오픈 조인트 시스템을 사용하였다.(표 4.
독일 뮌헨의 BMW WELT의 지붕 외피는 Kansai Airport와 마찬가지로 철골구조(건식)에 이중지붕 오픈 조인트 시스템을 사용하였고 스테인리스 마감에 데크플레이트로 방수하였다.(표 5.
◯◯기념관은 비정형 건축물의 비정형 형태를 사전에 수차례 검토하고 설계자와 시공자, 협력업체 전문가들이 의논한 결과에 기반하여 설계하고 시공한 성공적 사례로 판단된다. 비정형의 1방향 또는 2방향 곡률 특성을 파악하여 그에 맞는 비정형 외피 재료를 선정한 사례이다. 3개의 Bowl을 연결하는 비정형 건축물로 곡률이 심한 2방향 곡률 부분과 곡률이 심하지 않은 1방향 곡률 부분으로 구분하여 시공하였다.
페라리 월드(아부다비)의 지붕은 스틸 리브 루프 시스템을 사용하였다.(표 6.
이론/모형
◯◯기념관의 패널 공법은 표 2와 같이 지붕에 알루미늄 리브루프 시스템과 외벽에 알루미늄 아노다이징 오픈 조인트 공법을 사용하였다. 하부구조는 철골구조와 콘크리트 구조로 구성되며 방수는 알루미늄 리브 루프 방수와 지붕에는 알루미늄 리브 루프 하부에 시트 방수로 보강하였다.
◯◯스포츠 콤플렉스의 외피시스템은 자유 곡면 처리가 가능한 Scarf roof system 공법을 적용하였다. 밀폐형 구조로 다양한 금속을 사용할 수 있고 후레싱과 거터가 불필요하며 시공이 매우 간단하다.
초기 설계는 BIM 설계가 아닌 일반적인 방법에 의하여 설계하고 시공성을 파악하기 위하여 시공 실물 모형(Mock-Up)을 수행하였다. 외장 패널 실물 모형에서 트러스월 공법으로 구축된 실물 모형의 콘크리트 구조체 위에 현장에서 실측하여 패널을 가공하는 방법으로 시공하였다.
성능/효과
비정형 패널이기 때문에 각 패널의 위치마다 경사도가 다르고 크기가 다르므로 전문시공업체는 시공품질보다는 공사비 절감과 편의상 기존 시공법으로 COPING부분을 시공하였다. 따라서 패널과 COPING간의 시공오차가 발생하였고 우수에 의한 누수 문제, 디자인의 완성도가 떨어져 전면적으로 재시공 되었다.
조사한 결과를 바탕으로 비정형 건축물의 전문가들과의 심층 면담을 수행함으로써 비정형 외피시스템의 공법과 문제점, 고려 사항을 도출하였다. 비정형 외피시스템 설계 및 시공시 고려해야 할 사항을 크게 4가지로 다음과 같이 정리하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정형 건축물의 외벽은 어떻게 설계 및 시공되고 있는가?
일반적으로 정형 건축물과 달리 비정형 건축물은 외벽과 지붕의 구분이 없고 외피시스템의 개념으로 통합된다. 정형 건축물의 외벽은 일반적으로 디자인을 결정한 후 외벽시스템을 결정하고 지붕마감 시스템은 배수, 방수 등의 기능에 맞추어서 설계 및 시공되고 있다. 그러나 비정형 건축물은 지붕과 외벽의 구분이 없어지면서 각각의 독립적인 기능을 통합하는 외피의 성능을 갖추어야 하므로 시스템화 된 설계와 외피 공법이 필요하다.
비정형 건축물이 시스템화 된 설계와 외피 공법이 필요한 이유는 무엇인가?
정형 건축물의 외벽은 일반적으로 디자인을 결정한 후 외벽시스템을 결정하고 지붕마감 시스템은 배수, 방수 등의 기능에 맞추어서 설계 및 시공되고 있다. 그러나 비정형 건축물은 지붕과 외벽의 구분이 없어지면서 각각의 독립적인 기능을 통합하는 외피의 성능을 갖추어야 하므로 시스템화 된 설계와 외피 공법이 필요하다.
국내에서 비정형 형태가 디자인 경향으로 도입되어 현상설계, 턴키 등에서 설계 당선을 위한 디자인 요소로 많이 적용되고 있는 배경은 무엇인가?
최근 건설 산업의 디지털화로 인하여 건축 디자인이 정형에서 자유로운 비정형 형태로 변화하고 있다. 특히, 국내에서는 최근 비정형 형태가 디자인 경향으로 도입되어 현상설계, 턴키 등에서 설계 당선을 위한 디자인 요소로 많이 적용되고 있다.
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