비정형 건축물의 외장 패널의 선제작과 시공을 위한 역설계 프로세스와 사례 분석을 통한 시사점 도출 Implications Deduction through Analysis of Reverse Engineering Process and Case Study for Prefabrication and Construction of Freeform Envelop Panels원문보기
3차원 이미지스캐닝 기술은 복잡한 비정형 건축물의 외피의 정확한 형상과 위치 데이터를 확보하는데 효과적이다. 3차원 이미지 스캐닝 기술의 세부 과정인 점 군집화, 메쉬표면 분리, 넙스 표면 생성, 파라메트릭 솔리드 모델을 통하여 비정형 건축물의 형상을 구축할 수 있다. 이에 본 연구는 비정형 건축물의 외장재 제작과 시공을 위한 3차원 이미지 스캐닝에 의한 역설계 프로세스와 사례 분석을 통하여 시사점을 도출한다. 본 연구의 결과는 역설계 기술을 사용한 3차원 형상 기술과 설계 요소화 방법을 다양한 건설 프로젝트에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
3차원 이미지 스캐닝 기술은 복잡한 비정형 건축물의 외피의 정확한 형상과 위치 데이터를 확보하는데 효과적이다. 3차원 이미지 스캐닝 기술의 세부 과정인 점 군집화, 메쉬표면 분리, 넙스 표면 생성, 파라메트릭 솔리드 모델을 통하여 비정형 건축물의 형상을 구축할 수 있다. 이에 본 연구는 비정형 건축물의 외장재 제작과 시공을 위한 3차원 이미지 스캐닝에 의한 역설계 프로세스와 사례 분석을 통하여 시사점을 도출한다. 본 연구의 결과는 역설계 기술을 사용한 3차원 형상 기술과 설계 요소화 방법을 다양한 건설 프로젝트에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
3D laser scanning can be used for scanning the freeform surface and building a model from which the measurements could be taken, in order to solve the difficulty with getting access to the exact freeform shape and position data of the complex building envelope. The shape making process using 3D scan...
3D laser scanning can be used for scanning the freeform surface and building a model from which the measurements could be taken, in order to solve the difficulty with getting access to the exact freeform shape and position data of the complex building envelope. The shape making process using 3D scanning is as follows: point cloud, mesh surface segmentation, NURBS(Non-Uniform Rational B-spline) surface generation, and parametric solid model generation. In this research, we review previous studies, reverse engineering notion, importance of reverse engineering usage for freeform envelope, and previous cases in order to identify the detail reverse engineering process for prefabrication and construction of freeform panels using 3D laser scanning technology. Therefore, the purpose of this research is to present a basic information which should be considered during design and construction phase and improve quality and constructibility of freeform building by analyzing the reverse engineering process and case study for prefabrication and construction of freeform panels using 3D laser scanning. The research results will enable 3D shape engineering and design parameterization using reverse engineering to be used in various construction projects.
3D laser scanning can be used for scanning the freeform surface and building a model from which the measurements could be taken, in order to solve the difficulty with getting access to the exact freeform shape and position data of the complex building envelope. The shape making process using 3D scanning is as follows: point cloud, mesh surface segmentation, NURBS(Non-Uniform Rational B-spline) surface generation, and parametric solid model generation. In this research, we review previous studies, reverse engineering notion, importance of reverse engineering usage for freeform envelope, and previous cases in order to identify the detail reverse engineering process for prefabrication and construction of freeform panels using 3D laser scanning technology. Therefore, the purpose of this research is to present a basic information which should be considered during design and construction phase and improve quality and constructibility of freeform building by analyzing the reverse engineering process and case study for prefabrication and construction of freeform panels using 3D laser scanning. The research results will enable 3D shape engineering and design parameterization using reverse engineering to be used in various construction projects.
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문제 정의
우선 최근 제조업, 의학 등의 다양한 분야에서 사용되고 있는 3D 레이저 스캐닝에 의한 역설계의 정의, 방법, 과정을 검토한다. 또한 역설계를 위한 프로그램, 비정형 건축물의 외장재 시공을 위한 측량 방식과 비정형의 형태 구현을 위한 3D 레이저 스캐닝의 중요성을 고찰한다. 이를 바탕으로 3D 레이저 스캐닝을 적용한 모세스 마부히다 스타디움(The Moses Mabhida Stadium), A원형공연장 사례를 살펴보고, 구체적으로 B청사의 역설계와 시공 절차 및 방법을 분석하여 시사점을 도출한다.
본 연구는 비정형 건축물의 외장재 패널의 선제작과 시공을 위한 3D 레이저 스캐닝을 통한 역설계 프로세스와 사례를 분석하여 비정형 건축물의 구축시 고려해야 하는 시사점을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 범위는 비정형 외피의 패널의 제작과 시공을 위해 사용하는 3D 레이저 스캐닝 기술의 역설계 기술과 시공에 국한한다.
역설계 모델과 설계 BIM 모델의 관계성은 구조체와 패널 하지재 공사 중 발생한 오차를 검토함으로써 확인한다. 시방 서상 커튼월 마감재의 시공 공차는 5mm이므로 설계 BIM 모델과 시공 현황의 역설계 모델간의 오차가 5mm 이내로 확인이 되면 외장 패널을 재구축하는 과정이 필요가 없으므로 설계 BIM 모델을 외장재 제작을 위한 모델로 사용한다.
제안 방법
이를 위하여 작업 전과 후에 측량을 실시하여 시공 오차는 절대평균 5mm이내로 최소화하였다. 22kg 중량의 3D 스캐너를 지반이 견고하지 않은 위치에 설치하는 경우에 몇 개의 큰 오차가 발생하여 다시 측량을 실시하였다. 기둥 사이의 간격과 각도가 다양하기 때문에 기둥 사이의 보를 정확하게 연결하기 위한 위치를 선정하는 것은 매우 어려웠으므로 Figure 3과 같이 3D 레이저 스캐닝의 포인트 클라우드를 사용하였다.
3D 레이저 스캐닝을 활용하여 A원형공연장의 비정형의 외장 패널을 설치하였다. 역설계 방법은 철골 및 콘크리트의 포인트 클라우드 데이터를 메쉬 서피스로 형상화하였다.
3D 스캐닝을 시작하기 전에 토탈스테이션으로 3D 스캐닝 데이터와 중첩할 수 있는 기준점 측량을 진행한 후 다음 순서로 3D 레이저 스캐닝과 역설계 프로세스를 진행하였다.
3) 3D 레이저 스캐닝은 공사 중에 진행되기 때문에 공사 전에 충분히 논의되어야 하며 공사 중에 발생할 수 있는 불필요한 부분에 시간과 비용이 투입되지 않도록 주의하여야 한다. 공사 중에 확보한 3D 데이터를 적용한 역설계 모델과 설계 BIM 모델의 오차를 정확히 파악하여 포인트 클라우드, 메쉬 모델, 넙스 모델, 솔리드 모델의 역설계 범위를 설정하고 필요한 부분만 역설계를 할 수 있도록 한다.
시방 서상 커튼월 마감재의 시공 공차는 5mm이므로 설계 BIM 모델과 시공 현황의 역설계 모델간의 오차가 5mm 이내로 확인이 되면 외장 패널을 재구축하는 과정이 필요가 없으므로 설계 BIM 모델을 외장재 제작을 위한 모델로 사용한다. 그러나 Figure 9와 같이 설계 BIM 모델과 3D 레이저 스캐닝 데이터를 비교한 결과, 시공오차가 최대 9cm가 발생하였으므로 역설계 모델을 기준으로 설계를 수정하였다.
편집 작업이 완료된 포인트 클라우드 데이터는 면적인 요소가 아니므로 시공 오차 체크나 시공 현황을 반영하기가 어렵다. 따라서 Figure 8과 같이 전체 포인트 클라우드 데이터를 메쉬 서피스로 모델링하고 기존 BIM 모델의 데이터간의 시공 오차를 확인함으로써 비정형 입체 패널의 재구축이 용이하도록 역설계를 진행하였다.
역설계된 메쉬 서피스 모델과 철골 설계 BIM 모델의 오차는 최대 약 150mm로 검측(Figure 4의 ③ 참조)되어 철골 시공 오차에 맞춰 곡면 형상을 재 수정한 후 하지재와 외장재를 최종적으로 제작하고 시공하였다. 또한 콘크리트의 돔 부분은 일부 구간에서 약 200mm 시공 오차가 발견되어 곡면 형상을 수정한 후 외장재 공사를 진행하였다.
역설계 과정은 3D 레이저 스캐닝을 통해서 획득된 포인트 클라우드 데이터를 바탕으로 불필요한 정보를 삭제하고 서로 다른 위치에서 측정한 데이터를 동일 기준 좌표로 정합 하고 병합하여 물체의 표면을 많은 면들의 조합으로 구성한 메쉬 서피스(mesh surface)를 도출한다. 메쉬 서피스를 더욱 부드러운 곡면으로 변환한 넙스 서피스(Non-Uniform Rational B-spline; NURBS surface)를 생성한 후 솔리드 모델을 설계한다. NURBS는 MAX와 Rhino 등의 그래픽 프로그램에서 사용되는 모델링 도구로 사물의 외피에 존재 하는 선만으로 부드러운 곡면을 생성하도록 한다.
3D 레이저 스캐닝에 의한 역설계 기술은 자동차, 선박 등 제조업 분야에서 활용되고 있는 디지털 테크놀로지의 한 분야이며, 건축 시공 분야는 기존 측량 방법에 의해 시공되고 있기 때문에 활용도가 높지 않았다. 본 연구는 비정형 건축물에 적용된 3D 레이저 스캐닝에 의한 역설계 기술과 시공 사례를 분석하여 다음과 같이 4가지의 주요 시사점을 도출하였다.
스타디움의 기둥은 개당 50∼60톤으로 프리캐스트 콘크리트로 공장에서 제작한 후 현장에서 타워크레인으로 인양 하고 기둥과 기둥을 보로 연결하고 조립하는 공법을 사용하였다.
역설계는 기존의 설계 후 물체를 만든 방식과 반대로 물체의 형상 정보를 이용하여 설계한다는 점에서 역설계라고 한다. 역설계 과정은 3D 레이저 스캐닝을 통해서 획득된 포인트 클라우드 데이터를 바탕으로 불필요한 정보를 삭제하고 서로 다른 위치에서 측정한 데이터를 동일 기준 좌표로 정합 하고 병합하여 물체의 표면을 많은 면들의 조합으로 구성한 메쉬 서피스(mesh surface)를 도출한다. 메쉬 서피스를 더욱 부드러운 곡면으로 변환한 넙스 서피스(Non-Uniform Rational B-spline; NURBS surface)를 생성한 후 솔리드 모델을 설계한다.
3D 레이저 스캐닝을 활용하여 A원형공연장의 비정형의 외장 패널을 설치하였다. 역설계 방법은 철골 및 콘크리트의 포인트 클라우드 데이터를 메쉬 서피스로 형상화하였다. 역설계된 메쉬 서피스 모델과 철골 설계 BIM 모델의 오차는 최대 약 150mm로 검측(Figure 4의 ③ 참조)되어 철골 시공 오차에 맞춰 곡면 형상을 재 수정한 후 하지재와 외장재를 최종적으로 제작하고 시공하였다.
역설계 방법은 철골 및 콘크리트의 포인트 클라우드 데이터를 메쉬 서피스로 형상화하였다. 역설계된 메쉬 서피스 모델과 철골 설계 BIM 모델의 오차는 최대 약 150mm로 검측(Figure 4의 ③ 참조)되어 철골 시공 오차에 맞춰 곡면 형상을 재 수정한 후 하지재와 외장재를 최종적으로 제작하고 시공하였다. 또한 콘크리트의 돔 부분은 일부 구간에서 약 200mm 시공 오차가 발견되어 곡면 형상을 수정한 후 외장재 공사를 진행하였다.
본 연구는 다음과 같은 방법으로 진행한다. 우선 최근 제조업, 의학 등의 다양한 분야에서 사용되고 있는 3D 레이저 스캐닝에 의한 역설계의 정의, 방법, 과정을 검토한다. 또한 역설계를 위한 프로그램, 비정형 건축물의 외장재 시공을 위한 측량 방식과 비정형의 형태 구현을 위한 3D 레이저 스캐닝의 중요성을 고찰한다.
또한 역설계를 위한 프로그램, 비정형 건축물의 외장재 시공을 위한 측량 방식과 비정형의 형태 구현을 위한 3D 레이저 스캐닝의 중요성을 고찰한다. 이를 바탕으로 3D 레이저 스캐닝을 적용한 모세스 마부히다 스타디움(The Moses Mabhida Stadium), A원형공연장 사례를 살펴보고, 구체적으로 B청사의 역설계와 시공 절차 및 방법을 분석하여 시사점을 도출한다.
점군 형상을 생성하는 역설계의 도구로는 Geomagic Design, Polyworks, Verisurf Reverse, VRMESH, 3-matic, Leios, PC-DIMS Reshaper 등이 있다. 제품에 따라서 메쉬 서피스 생성, 넙스 서피스 생성, 솔리드 모델로 역설계를 진행하여 형상을 생성한다. 현재까지 포인트 클라 우드를 메쉬 서피스나 넙스 서피스의 형상으로 자동 생성하는 것은 가능하지만 파라메트릭 솔리드 모델로 자동 변환하는 기술은 아직 이루어지지 않고 있다.
Figure 5와 같이 토탈스테이션을 이용하여 주어진 시공 기준점으로부터 선정된 위치의 기준점과 기계점의 위치를 측량 한다. 토탈스테이션으로 3개점 이상의 좌표를 측량하여 3D 스캐너의 설치 위치별 포인트 클라우드 데이터와 그좌표를 중첩하여 스캐닝한다.
대상 데이터
3D 레이저 스캐너는 라이카 Scan Station P20, Scan Station C10을 사용하였고, 작업 대상을 1㎝ 간격으로 스캐닝 하여 정밀한 포인트 클라우드 데이터가 형성될 수 있도록 하였다. 3D 레이저 스캐닝에 대한 누락이나 사각지대가 없도록 작업 범위를 10% 이상 중첩하여 스캐닝을 진행하였다 (Figure 6 참조).
복합 패널을 가공하기 위해 제작 공차가 0.1mm 이내에서 가공이 가능할 정도로 정밀한 CNC 라우터가 사용되었다. 공장에서 입체 패널의 모듈을 조립하면 현장 운반비가 높아지기 때문에 1차 가공된 평면 패널을 현장 반입하여 입체 패널로 제작함으로써 2주간의 짧은 기간 동안에 패널 설치를 완성할 수 있었다(Figure 12 참조)
이론/모형
메쉬 서피스로 형상을 구축하는 역설계는 Trimble사의 RealWork를 사용하였다. 메쉬 서피스 모델을 바탕으로 하지재제작 및 입체 패널의 CNC 가공 작업을 위해 넙스 서피스와 솔리드 모델링 작업이 진행되었으며, 이 작업을 위해서 Rhino 3D와 CATIA가 사용되었다.
메쉬 서피스로 형상을 구축하는 역설계는 Trimble사의 RealWork를 사용하였다. 메쉬 서피스 모델을 바탕으로 하지재제작 및 입체 패널의 CNC 가공 작업을 위해 넙스 서피스와 솔리드 모델링 작업이 진행되었으며, 이 작업을 위해서 Rhino 3D와 CATIA가 사용되었다.
성능/효과
1) 기존의 정형 건축물의 외피 측량에 사용하는 측량 방식을 탈피하여 비정형 곡면의 전체 형상을 측량이 가능한 3D 레이저 스캐닝을 이용하면 3차원 형상 정보를 생성할 수 있다.
3) 3D 레이저 스캐닝은 공사 중에 진행되기 때문에 공사 전에 충분히 논의되어야 하며 공사 중에 발생할 수 있는 불필요한 부분에 시간과 비용이 투입되지 않도록 주의하여야 한다. 공사 중에 확보한 3D 데이터를 적용한 역설계 모델과 설계 BIM 모델의 오차를 정확히 파악하여 포인트 클라우드, 메쉬 모델, 넙스 모델, 솔리드 모델의 역설계 범위를 설정하고 필요한 부분만 역설계를 할 수 있도록 한다.
4) 비정형의 패널 제작은 CNC 방법을 적용하여 정밀하게 제작하여야 한다. 최신의 디지털 테크놀로지와 적합한 설계 프로그램을 활용하여 역설계와 시공의 과정이 유기적으로 연결되고 통제가 될 수 있어야 한다.
기둥 사이의 간격과 각도가 다양하기 때문에 기둥 사이의 보를 정확하게 연결하기 위한 위치를 선정하는 것은 매우 어려웠으므로 Figure 3과 같이 3D 레이저 스캐닝의 포인트 클라우드를 사용하였다. 기둥이 설치된 후 3D 레이저 스캐닝으로 기둥을 측량하여 정확한 기둥의 3차원 좌표 데이터를 확보함으로써 기둥과 기둥 사이를 연결 해주는 비정형의 파사드의 실시 설계, 조립, 설치 정보로 활용할 수 있었다.
후속연구
본 연구는 비정형 건축물의 외장재 패널의 선제작과 시공을 위한 3D 레이저 스캐닝을 통한 역설계 프로세스와 사례를 분석하여 비정형 건축물의 구축시 고려해야 하는 시사점을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 범위는 비정형 외피의 패널의 제작과 시공을 위해 사용하는 3D 레이저 스캐닝 기술의 역설계 기술과 시공에 국한한다.
본 연구의 사례 분석에서 살펴본 바와 같이 기존의 측량과 설계, 시공 방식으로는 비정형의 건축물을 구축하는 것이 매우 어려우므로 기존 방식을 탈피하여 새로운 기술을 적용 하여 복잡한 형상의 건축물을 구축하는 데 활용하여야 할 것이다. 특히 B청사의 사례 분석과 같이 3D 레이저 스캐닝에 의한 역설계와 시공은 기존 방법 보다 효과적이며 규모에 상관없이 복잡한 형상의 건축물의 설계와 시공이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 레이저 스캐닝 활용 시 어떤 장점이 있는가?
최근 문화재의 복원이나 플랜트, 토목 공사에서 정확한 구조체의 형상 정보를 취득하기 위하여 3D 레이저 스캐닝을 활용하고 있다. 이와 같이 비정형 건축물에서도 주요 구조체의 점군(point cloud)의 형상 데이터를 기반으로 설계와 비정형 패널의 선제작(prefabrication)으로 시공시 공기 및 공사비 절감 효과와 시공 품질을 향상시킬 수 있다[9]. 따라서 최근 많이 구축되고 있는 비정형 건축물을 대상으로 3D 레이저 스캐닝을 이용한 역설계(reverse engineeing)와 시공 방법에 대한 실증적 연구가 필요하다.
비정형의 외관 설계는 어떻게 이루어지고 있는가?
비정형의 외관 설계는 기존의 설계 범위를 벗어나 파라메트릭한 형태, 시각화, 3차원 모델로 이루어지고 있다[1]. 디지털 산업의 기술 발달과 더불어 건축 디자인도 파라메트릭한 형태로 변화함에도 불구하고 시공시 기존 공법을 적용함으로써 품질 불량, 공기 지연 등의 문제가 발생하고 있다.
시공시 기존 공법 사용할 때 어떤 문제가 발생하는가?
비정형의 외관 설계는 기존의 설계 범위를 벗어나 파라메트릭한 형태, 시각화, 3차원 모델로 이루어지고 있다[1]. 디지털 산업의 기술 발달과 더불어 건축 디자인도 파라메트릭한 형태로 변화함에도 불구하고 시공시 기존 공법을 적용함으로써 품질 불량, 공기 지연 등의 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비정형 건축의 형태적인 측면에서의 특성과 BIM 적용 가능성[2] 기존의 비정형 건축물의 사례를 조사하여 건축가의 설계프로세스, 엔지니어링, 제작 문제를 고찰[3], 쾌속 조형(rapid manufacturing)이 건축 부재의 설계와 제작에 미치는 과정을 분석[4], CAM (Computer Aided Manufacturing)과 CNC (Computerized Numerical Control) 기술을 통하여 디지털 정보로 부재를 생산하는 방법[5], 비접촉 레이저 3차원 스캐닝 기반 BIM을 이용하는 노후화 시설물의 모니터링[6], 레이저 스캐닝을 통한 시설물의 역설계[7]에 대한 연구가 진행되었다.
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