비정형구조의 3차원 좌표제어를 위한 CNC Twisted Tube 공법 적용 -대구 대표물문화관(The ARC)를 중심으로- CNC Twisted Tube Method for 3D Coordinate Control Technology for Freeform Structure -Focused on The ARC in DaeGu-원문보기
최근 건축은 정형의 건축물의 외관과 설계 범위를 벗어난 비정형의 설계, 시각화, 3차원 모델 구현이 이루어지고 있다. 일반 정형건축물과는 달리 비정형건축물의 지붕과 외벽은 디자인 중심의 외벽시스템과 배수, 방수의 성능을 지닌 지붕마감시스템으로 설계되고 시공되었다. 그러나 비정형 건축물은 외벽과 지붕의 구분이 없어지고 외피로의 개념으로 통합된다. 또한 건축설계의 디자인 트렌드가 정형에서 비정형의 자유로운 형태로 급변하고 있어 각종 현상설계 및 턴키 등 설계경기의 당선을 위하여 비정형의 건축물이 자주 등장하고 있다. 기존 비정형 건축구조물의 곡면외피를 시공하기 위해서는 스틸 각파이프나 C형강으로 비정형 형태를 만들고 거기에 외장을 시공한다. 그러나 이는 공사 기간 지연과 높은 공사비용이 소요되는 문제점이 있다. 제작, 설치, 검측 후 비정형 패널의 부착 오류, 줄눈의 불일치, 곡면의 직선 시공 등의 오류가 매우 빈번히 발생하고 있다. 이에 본 연구는 3차원 좌표제어 기술의 하나인 CNC Twisted Tube 공법을 적용한 구조체의 시공과정을 면밀히 검토하여 3차원 좌표제어 기술로 비정형 건축물의 구현 방안을 제시한다.
최근 건축은 정형의 건축물의 외관과 설계 범위를 벗어난 비정형의 설계, 시각화, 3차원 모델 구현이 이루어지고 있다. 일반 정형건축물과는 달리 비정형건축물의 지붕과 외벽은 디자인 중심의 외벽시스템과 배수, 방수의 성능을 지닌 지붕마감시스템으로 설계되고 시공되었다. 그러나 비정형 건축물은 외벽과 지붕의 구분이 없어지고 외피로의 개념으로 통합된다. 또한 건축설계의 디자인 트렌드가 정형에서 비정형의 자유로운 형태로 급변하고 있어 각종 현상설계 및 턴키 등 설계경기의 당선을 위하여 비정형의 건축물이 자주 등장하고 있다. 기존 비정형 건축구조물의 곡면외피를 시공하기 위해서는 스틸 각파이프나 C형강으로 비정형 형태를 만들고 거기에 외장을 시공한다. 그러나 이는 공사 기간 지연과 높은 공사비용이 소요되는 문제점이 있다. 제작, 설치, 검측 후 비정형 패널의 부착 오류, 줄눈의 불일치, 곡면의 직선 시공 등의 오류가 매우 빈번히 발생하고 있다. 이에 본 연구는 3차원 좌표제어 기술의 하나인 CNC Twisted Tube 공법을 적용한 구조체의 시공과정을 면밀히 검토하여 3차원 좌표제어 기술로 비정형 건축물의 구현 방안을 제시한다.
Generally, the envelope of a freeform building is composed of a structure made with rectangular or C-shaped steel pipe, and steel or aluminum panel finishes on the structure. However, these construction methods increase material loss and cost and time. There are also numerous cases of misunderstandi...
Generally, the envelope of a freeform building is composed of a structure made with rectangular or C-shaped steel pipe, and steel or aluminum panel finishes on the structure. However, these construction methods increase material loss and cost and time. There are also numerous cases of misunderstanding of design and difficulties in construction, which frequently cause construction errors. Such construction errors decrease construction productivity, resulting in poor construction quality and the need for rework, as well as cost and time overruns. To solve the problem, this study proposes a 3D coordinate control technology for freeform structure implemented through a CNC(Computerized Numerical Control) Twisted tube method, and by extension, develops a BIM-based envelope construction method for freeform building.
Generally, the envelope of a freeform building is composed of a structure made with rectangular or C-shaped steel pipe, and steel or aluminum panel finishes on the structure. However, these construction methods increase material loss and cost and time. There are also numerous cases of misunderstanding of design and difficulties in construction, which frequently cause construction errors. Such construction errors decrease construction productivity, resulting in poor construction quality and the need for rework, as well as cost and time overruns. To solve the problem, this study proposes a 3D coordinate control technology for freeform structure implemented through a CNC(Computerized Numerical Control) Twisted tube method, and by extension, develops a BIM-based envelope construction method for freeform building.
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문제 정의
따라서 본 연구의 비정형 건축물의 3차원 좌표제어 기술은 구조부재와 마감의 시공 정밀도를 향상시켜 건축물의 정확한 형상 구현을 가능하게 함과 동시에 시공 방법 및 시공 물량 최적화, 공기 단축을 통하여 시공비 절감이 가능하다.
본 연구는 비정형 건축물 중 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 3차원 좌표제어 기술의 하나인 CNC Twisted Tube 공법1)을 적용한 구조체의 시공과정을 면밀히 검토하여 3차원 좌표제어 기술로 비정형 건축물의 구현 방안을 제시한다.
비정형 건축구조물의 철골 구조체(Twisted Tube Structure)를 3차원 수치제어 기법을 이용하여 제작함으로써, 비정형 건축구조물의 정밀한 시공을 가능하도록 한 지점제어 시스템이 적용된 하부철골을 이용한 비정형 건축구조물의 곡면 외장재 시공을 위한 철골 구조체 및 이를 이용한 비정형 건축구조물 시공방법을 제시한다. 즉, 본 연구는 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 절감이 가능한 CNCTwisted Tube 공법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 일체형 외피 시스템으로 제안한 CNC Twisted Tube 공법을 4대강 대표 물문화관(The ARC)2)에 적용한결과, 비정형 건축물의 외피를 구성(비정형 구조체와 외피 시스템)하기가 용이할 것으로 판단된다.
제안 방법
2008년에 완공된 The Beijing National Stadium의 Curved Box structure 분석을 통하여 향상된 철골 구조체의 비정형 형상을 구현할 수 있는 방안을 모색하고 비정형 건축구조물의 곡면 외장재 시공을 위한 철골 구조체와 이를 이용한 비정형 건축구조물 시공방법을 제시한다.
The Beijing National Stadium의 처마에 표현된 비정형 설계와 시공을 위해서 구부림 박스(curved box) 구조를 적용하였다[8]. 둥지 모양의 구부림 박스 구조는 구조가 외피역할을 하는 데 이는 통제면 또는 참조면(control surface or reference surface)3)을 이용하여 정의하였다.
커브형 박스의 외부 플렌지는 구조 기둥이 비틀어지더라도 통제면과 평행하게 유지할 수 있도록 하였다. 구부림 박스 철골 구조의 단면은 참조면(reference surface)과 중앙선(center line of beam)이 교차하도록 하여 이를 기준으로 부재를 생산하였다.(Figure 2.
구조부재 가조립 후 가설 벤트를 설치하여 조립시 부재 처짐에 대비하고 검측과 용접을 실시하였다. 광파기에 의한 검측 좌표 data는 3D model의 통합 3차원 좌표와 변환작업 없이 현장에서 비교가 가능하여, 시공오차에 대한 수정이 바로 이루어졌다.
외피 하부 구조위에 방수 피복제인 ETFE를 설치한 후 알루미늄 패널을 설치하여 비정형 외피 시스템을 완성한다. 기존 ETFE와 알루미늄 패널 설치는 현장에서 골조가 끝나면 실측을 통하여 수치정보를 확보하고 이에 맞도록 마감치수로 부재를 제작하여 설치하는 작업 순서로 진행되었으나 본 연구에서 제안한 3차원 좌표 정보를 활용함으로써 이러한 수치상의 오차가 없도록 하였다.
대구 대표물문화관의 철골공사를 위한 시공자 선정 후 CNC Twisted Tube공법을 적용한 구조체를 제작한다. 이를 위하여 CNC제작-가공용 3D Model을 구축한다.
비정형 건축구조물의 철골 구조체(Twisted Tube Structure)를 3차원 수치제어 기법을 이용하여 제작함으로써, 비정형 건축구조물의 정밀한 시공을 가능하도록 한 지점제어 시스템이 적용된 하부철골을 이용한 비정형 건축구조물의 곡면 외장재 시공을 위한 철골 구조체 및 이를 이용한 비정형 건축구조물 시공방법을 제시한다. 즉, 본 연구는 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 절감이 가능한 CNCTwisted Tube 공법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
최근 10년간 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비정형 건축물의 구현을 위한 연구가 진행되었다. 비정형 건축의 형태적인 측면에서의 특성과 BIM적용 가능성 제안하고[3] 기존의 비정형 건축물의 사례를 조사하여 건축가의 설계프로 세스, 엔지니어링, 제작 문제를 고찰하고[4], 쾌속조형 (rapid manufacturing)이 건축 부재의 설계와 제작에 미치는 과정을 분석하고[5], CAM(Computer Aided Manufacturing)과 CNC(Computerized Numerical Control) 를 통하여 디지털 정보로 부재를 생산하는 방법[6]에 대하여 연구하였다. 그러나 이러한 방법은 패널 속성을 갖는 형태 생성 프로세스를 구현하는 데는 도움이 되지만 매우 복잡한 기하학적 형태를 설계하고 부재를 생산하고 설치 및 시공하는 것은 매우 어렵다[7].
Figure 9와 같이 마감(ETFE)의 Mock-up과 연계하여 공정간 간섭요소를 사전에 파악하고 공정간 접합상세를 보완하여 제작용 3D Model을 완성한다. 시공자는 본 구조체의 제작 전 현장에서 Mock-up을 통하여 제작 방법을 숙지하고, 부재를 확인한다.
본 공법을 적용한 대구 대표 물문화관(The ARC)은 철골조의 비정형 건축물로서 10개월의 촉박한 공기로 진행되었다. 이는 본 연구에서 제안한 CNC Twisted Tube공법을 이용한 비정형 철골 구조물 구축을 위하여 3차원 좌표제어 기술과 정밀한 공장 제작과 현장 설치로 가능하였다.
대구 대표물문화관의 철골공사를 위한 시공자 선정 후 CNC Twisted Tube공법을 적용한 구조체를 제작한다. 이를 위하여 CNC제작-가공용 3D Model을 구축한다. 이는 CATIA 프로그램으로 설계되며 설계된 결과는 Figure 4, 5와 같다.
대상 데이터
본 공법을 적용한 대구 대표 물문화관(The ARC)은 철골조의 비정형 건축물로서 10개월의 촉박한 공기로 진행되었다. 이는 본 연구에서 제안한 CNC Twisted Tube공법을 이용한 비정형 철골 구조물 구축을 위하여 3차원 좌표제어 기술과 정밀한 공장 제작과 현장 설치로 가능하였다.
이론/모형
1) 구조 및 시공방법 최적화를 위하여 Digital Fabrication 기법을 통하여 원설계의 종합분석 후 3차원 좌표 제어가 가능한 CNC Twisted Tube 공법을 적용하였다.
구조체의 본은 CNC기법을 통하여 제작한다. 제작용 3D model을 통하여 강판과 강봉을 각각 구분하고 CNC Laser Cutting에 필요한 NC File을 생성한다.
또한 기존 비정형 건축구조물은 주요부의 높이 검측이 현장에서 이루어지기 때문에 시공의 정밀도가 떨어지고 설계자의 의도와는 다른 형태로 시공되는 문제점이 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 CNC Twisted Tube 공법을 제시하였다.
따라서 비정형 패널 설치의 바탕이 되는 철골 구조의 2방향 bending 원형 파이프를 생산하고 공사 기간 내에 이를 정밀하게 정확한 위치에 설치 및 시공 하기 위하여 3차원 좌표 수치제어가 중요하다. 이에 The ARC에 CNC Twisted Tube 공법을 적용하였다.
성능/효과
2) CNC Twisted Tube 공법을 적용한 구조부재는 디지털 최적화와 Mock-up 과정을 거치면서 시공성에 대한 검증을 통한 정밀 제작과 조립 시공을 가능하게 하였으며, 철골부재의 물량 최적화를 실현하였다.
즉, 본 연구는 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 절감이 가능한 CNCTwisted Tube 공법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 일체형 외피 시스템으로 제안한 CNC Twisted Tube 공법을 4대강 대표 물문화관(The ARC)2)에 적용한결과, 비정형 건축물의 외피를 구성(비정형 구조체와 외피 시스템)하기가 용이할 것으로 판단된다.
후속연구
현재 비정형 건축물의 설계 프로세스는 단계별로 비정형 설계와 시공을 구현하기 위한 도구들도 다양하다. 이에 대한 내용과 프로세스 최적화에 대한 내용은 본 연구의 범위에서 벗어나며 향후 연구로 진행할 계획이다. 최적화 구현을 위하여 Figure 4, 5, 6은 CATIA 프로그램을 통하여 수치정보를 도출한 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비정형건축물의 지붕과 외벽의 특징은?
최근 건축은 정형의 건축물의 외관과 설계 범위를 벗어난 비정형의 설계, 시각화, 3차원 모델 구현이 이루어지고 있다. 일반 정형건축물과는 달리 비정형건축물의 지붕과 외벽은 디자인 중심의 외벽시스템과 배수, 방수의 성능을 지닌 지붕마감시스템으로 설계되고 시공되었다. 그러나 비정형 건축물은 외벽과 지붕의 구분이 없어지고 외피로의 개념으로 통합된다.
최근 건축의 특징은?
최근 건축은 정형의 건축물의 외관과 설계 범위를 벗어난 비정형의 설계, 시각화, 3차원 모델 구현이 이루어지고 있다. 일반 정형건축물과는 달리 비정형건축물의 지붕과 외벽은 디자인 중심의 외벽시스템과 배수, 방수의 성능을 지닌 지붕마감시스템으로 설계되고 시공되었다.
일반적인 비정형 건축구조물의 곡면 외피를 시공하기 위한 구조체를 구성하기 위한 공법은 어떤 문제점이 있는가?
일반적으로 비정형 건축구조물의 곡면 외피를 시공하기 위한 구조체는 스틸 각파이프나 C형강으로 비정형 형태를 만들고 거기에 외장 시스템을 연결하여 외피를 구성한다. 이러한 공법은 공사 기간 지연과 추가 공사비가 발생한다.
참고문헌 (8)
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