[논문]3차원 콘크리트 거푸집의 설계 및 시공성 개선

박성준; 당고손; 강휘랑; 심창수

doi:10.13161/kibim.2017.7.1.001

3차원 콘크리트 거푸집의 설계 및 시공성 개선
Design and Constructability Improvement of 3D Concrete Formworks through Analysis of Construction Applications 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.7 no.1, 2017년, pp.1 - 8

박성준 (중앙대학교 토목공학과) , 당고손 (중앙대학교 토목공학과) , 강휘랑 (중앙대학교 토목공학과) , 심창수 (중앙대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Aesthetic design guidelines of bridges were developed in many countries. As iconic structures, bridges need to be attractive and durable as they serve many generations. In this paper, a new design process of concrete structures considering 3D shapes and texture was proposed. The 3D design needs to consider function, economy, advanced technology, tradition and local culture. 3D printers enable the combination of artistic design and engineering design for concrete structures. Parametric modeling with iconic design was utilized to produce 3D formworks. As a pilot project, a railway bridge girder was designed and the proposed technologies were applied. Detail requirements to improve constructability and quality of concrete surfaces were derived. From the pilot applications, design guidelines were suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 구조물의 외관에 특별한 의미를 부여하기 위한 설계 및 시공 방법론, 예시 사례와 이를 통해 도출된 보완점들에 대해 다루었다. Figure 2에 나타난 개념도와 같이 특별한 의미를 부여 할 수 있는 설계 이미지를 3차원 모델로 변환, 3차원 모델 내에서의 거푸집 제작을 위한 분할 방안, 3차원 프린터를 활용한 분할된 모델의 출력, 비정형 디자인을 포함한 거푸집 제작 방안, 비정형 디자인을 포함한 거푸집을 시범타설 부재 및 실제 구조물의 적용하면서 확인된 문제점과 이에 대한 개선사항에 대해 다루었다.
이 논문에서는 기존의 단순한 패턴을 반복하는 거푸집에 대해서 지역 특색 또는 미학적 요소를 가미한 디자인에 대해서 고려하기 위하여 3차원 설계 프로그램의 변수모델링을 활용한 설계방안에 대해서 제시하였다.
이 논문에서는 지역적 특징과 시설물의 성격에 맞는 디자인을 콘크리트 구조물에 반영하기 위해서 필요한 3차원 설계 기술을 제시하고 이러한 설계를 적용하기 위해서 핵심적으로 요구되는 시공성 및 품질관리에 관한 고려사항을 제시하였다. 시범적용하는 과정에서 도출된 문제점을 개선하도록 가이드라인을 제시하고 독창적인 이미지를 제시할 수 있는 콘크리트 면 처리방안을 함께 제시하였다.
경질의 목표물을 출력하기 위하여 연질 재료를 활용하는 사유는 거푸집을 제거하는 과정에서 대상 목표물의 파손을 방지하고 비교적 용이하게 거푸집을 제거하기 위함이다. 이 연구의 최종 목표물은 콘크리트 구조물이고 탈형하는 시점에서 콘크리트는 경화가 이루어진 이후이며, 취성의 성향을 띈다. 탈락 현상을 방지하기 위하여 거푸집은 유동성을 갖는 연질의 재료를 활용하는 것이 유리할 수 있다.

제안 방법

두 번째로 단순한 포물선인 2차 함수 그래프가 아닌 2n차 함수를 활용하여 곡선의 기울기 값을 부분적으로 조절 할 수 있다. 세 번째 방법으로는 해당 곡선에서 E점을 획득하고 세밀한 곡률의 표현이 필요한 위치에 따라서 E`점 또는 E``점을 추가하여 추세곡선을 생성한다. 마지막 과정으로는 정의된 규칙에 따라서 생성된 곡선들을 연결하여 1개의 등고선 형태의 평면을 획득한다.
이 논문에서는 구조물의 외관에 특별한 의미를 부여하기 위한 설계 및 시공 방법론, 예시 사례와 이를 통해 도출된 보완점들에 대해 다루었다. Figure 2에 나타난 개념도와 같이 특별한 의미를 부여 할 수 있는 설계 이미지를 3차원 모델로 변환, 3차원 모델 내에서의 거푸집 제작을 위한 분할 방안, 3차원 프린터를 활용한 분할된 모델의 출력, 비정형 디자인을 포함한 거푸집 제작 방안, 비정형 디자인을 포함한 거푸집을 시범타설 부재 및 실제 구조물의 적용하면서 확인된 문제점과 이에 대한 개선사항에 대해 다루었다.
미학적 설계를 구현하기 위해 2차원 이미지로부터 3차원 모델로 전환하는 방법론과 이에 대한 프로그램 소스를 제안 및 검증하였다. 제작된 모델의 형상을 구현하기 위해 3차원 모델을 패널라이징 하는 방법론을 제시하고 3차원 프린팅 기술을 적용하였다.
설계가이드라인에서 제안하는 내용은 시범타설한 부재와 모델을 비교하여 문제점이 발생하는 구간의 원인을 분석하였으며, 이에 따라 다음과 같은 제한이 필요하다.
이 논문에서는 지역적 특징과 시설물의 성격에 맞는 디자인을 콘크리트 구조물에 반영하기 위해서 필요한 3차원 설계 기술을 제시하고 이러한 설계를 적용하기 위해서 핵심적으로 요구되는 시공성 및 품질관리에 관한 고려사항을 제시하였다. 시범적용하는 과정에서 도출된 문제점을 개선하도록 가이드라인을 제시하고 독창적인 이미지를 제시할 수 있는 콘크리트 면 처리방안을 함께 제시하였다.
두 번째로 거푸집과 유사한 크기의 물체를 제작하고 이에 CNC 머신(컴퓨터 수치 제어 가공기기)을 활용하여 표면을 가공하여 거푸집을 제작할 수 있다. 이 논문에서는 3차원 모델을 구현하기 위한 거푸집 제작방법론으로 3차원 프린터를 활용하였으며 Figure 5는 비정형 3차원 거푸집을 제작하기 위한 제작 절차에 대해서 나타냈다.
제안된 방법론을 검증 및 보완사항을 도출하기 위하여 시범타설한 부재를 제작하였다. Figure 10은 시범타설한 부재로부터 발견된 문제점을 4가지 경우로 분류하여 나타냈다.
제안된 비정형 거푸집을 시범타설, 실제 교량의 급속교체 현장에 적용하여 발생하는 문제점에 대하여 분석하였고 이를 토대로 향후 보완할 사항들에 대하여 제시하였다.
제작된 모델의 형상을 구현하기 위해 3차원 모델을 패널라이징 하는 방법론을 제시하고 3차원 프린팅 기술을 적용하였다. 제작된 3차원 디자인 패널을 활용하여 미학적 형상을 지니는 거푸집을 제작하는 방안을 제시하고 검증하였다.
미학적 설계를 구현하기 위해 2차원 이미지로부터 3차원 모델로 전환하는 방법론과 이에 대한 프로그램 소스를 제안 및 검증하였다. 제작된 모델의 형상을 구현하기 위해 3차원 모델을 패널라이징 하는 방법론을 제시하고 3차원 프린팅 기술을 적용하였다. 제작된 3차원 디자인 패널을 활용하여 미학적 형상을 지니는 거푸집을 제작하는 방안을 제시하고 검증하였다.
이를 해결하기 위하여 3차원 프린터를 활용하여 제작한 거푸집을 복제하기 위한 방안이 필요하다. 최초의 미학적 형상을 적용한 거푸집을 생산하고 해당 거푸집에 다시 폴리우레탄 계열의 용액을 타설하여 콘크리트 구조물과 동일한 형상을 가지는 패널을 제작한다. 이 후 이를 활용하여 목표하는 구조물에 알맞은 재질의 거푸집을 양산 할 수 있으며 목표하는 구조물의 규격이 유사하다면 복제를 위한 패널을 통하여 재생산이 가능하고 해당 패널의 종류가 누적된다면 발주자에게 다양한 디자인을 제공 할 수 있다.
Figure 7은 3차원 프린터로 출력된 패널을 해당위치에 배치하고 폴리우레탄 계열의 용액을 타설한 사진이다. 패널과 패널 사이에 생기는 접합면이 거푸집에 이음 선으로 표현되는 현상을 방지하기 위하여 패널을 정확한 위치에 배치하고 타설하기 이전에 접합면에 접합용 용액을 활용하여 일체화한다. 일체화 된 이후 패널 사이의 접선에 해당되는 부분을 사전에 성형하여 이음선이 그대로 표현되는 현상을 방지할 수 있다.

성능/효과

전체적인 형상 또는 이를 인식하는 점에 대해서는 차이가 없으나 Figure 16 (b)와 그림 (c)에서 나타나듯 개별 요소에 대해서 검토하면 다음과 같은 차이를 확인 할 수 있다. 각각의 제한 값을 통해 시공성을 상승시킬 수 있고 목표 구조물의 품질관리를 비교적으로 용이하게 할 수 있다.
이 연구에서 제안된 방법론을 적용하였을 경우, 발생되는 문제점의 근본적인 문제점은 콘크리트를 수직으로 타설하여 발생되며 타설하는 높이에 따라 문제점이 증폭 될 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 제안된 방식에 따라 비정형 변수모델을 구축 및 거푸집을 제작하고 수직으로 타설하지 않고 수평 타설하면 해결할 수 있다.

후속연구

구조물의 가시거리가 비교적 가까워 시각적으로 높은 품질이 요구되는 경우 앞서 제안한 방법을 통하여 제공되는 품질 이상이 필요할 수 있다.
이 연구에서 제시한 3차원 프린터를 활용하여 거푸집을 제작하는 과정만을 반복하여 거푸집 1조씩을 생산한다면 기존 거푸집 대비 제작에 소요되는 시간과 단가에서 이점이 존재하지 않는다. 이를 해결하기 위하여 3차원 프린터를 활용하여 제작한 거푸집을 복제하기 위한 방안이 필요하다.
Figure 3은 대상 구조물에 특별한 의미를 부여하기 위한 적절한 설계 이미지를 채택하고 이를 대상 구조물에 적용하기 위하여 최적화된 3차원 변수모델링 과정을 나타낸 개념도이다. 이 연구에서는 말의 형상을 한 이미지를 채택하였지만 경우에 따라 다양한 형태의 디자인을 채택 가능하며, 추가적으로 디자인의 누적이 이루어진다면 디자인 모음집까지 제공이 가능하다.
최초의 미학적 형상을 적용한 거푸집을 생산하고 해당 거푸집에 다시 폴리우레탄 계열의 용액을 타설하여 콘크리트 구조물과 동일한 형상을 가지는 패널을 제작한다. 이 후 이를 활용하여 목표하는 구조물에 알맞은 재질의 거푸집을 양산 할 수 있으며 목표하는 구조물의 규격이 유사하다면 복제를 위한 패널을 통하여 재생산이 가능하고 해당 패널의 종류가 누적된다면 발주자에게 다양한 디자인을 제공 할 수 있다. 이 논문에서 Figure 8의 거푸집에 폴리우레탄 계열의 용액을 타설하여 Figure 9와 같은 거푸집 양산용 패널을 제작하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교량에 있어서 미적설계의 개념은?	교량 구조물은 시설물 중에서도 많은 사람들의 시선을 받고 있기 때문에 다양한 미적 설계 가이드라인들이 제시되고 있다(NSW, 2012; MDOT, 1995). 미적설계는 교량이 위치한 주변 자연과 경관에 대한 고려, 형태와 비율, 힘의 흐름과 새로운 기술적 표현, 강도와 내구성, 구조부재간의 관계, 표면과 색감 등이 종합적으로 고려되어야 하는 창의적인 작업이다. 이러한 미적설계는 기술의 발전, 주변 지역 사람들의 문화와 전통의 변화, 교량이 위치한 지역의 성격변화에 따라서 자유롭게 변화될 수 있고 상징성을 갖춰야 한다.
	미적설계가 요구하는 것은?	미적설계는 교량이 위치한 주변 자연과 경관에 대한 고려, 형태와 비율, 힘의 흐름과 새로운 기술적 표현, 강도와 내구성, 구조부재간의 관계, 표면과 색감 등이 종합적으로 고려되어야 하는 창의적인 작업이다. 이러한 미적설계는 기술의 발전, 주변 지역 사람들의 문화와 전통의 변화, 교량이 위치한 지역의 성격변화에 따라서 자유롭게 변화될 수 있고 상징성을 갖춰야 한다. 이러한 부분들이 이전에는 제시된 가이드라인에 따라 고려되지만 주로 경관설계 차원에서 구조형식의 변화나 미적 설계가 우선적으로 고려되지 못하는 후속 작업으로 이루어졌다.
	bridges for people, bridges by people의 개념은?	NSW의 가이드라인에서 제시한 사항에서“bridges for people, bridges by people” 개념이 있다. 첫 번째 항목은 구조물이 위치한 지역의 주민들의 시각에서 어떤 시각적, 사회적, 문화적 상징성을 가질 수 있는지를 고려하는 것이다. 두 번째 항목은 설계를 하는 구성원인 엔지니어와 디자이너의 협업을 통해서 창의적인 결과물이 도출되도록 한다는 것이다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
Phil Wiedemann, Architectural Precast Concrete Color and Texture Selection Guide, Precast / Prestressed Concrete Institute.
Park, S. J., Shim, C. S. (2014). Intelligent Design and Rapid Construction Technologies for Bridge Pier, Korea Concrete Institute conference, 26(1).
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Intelligent Design and Rapid Construction Technologies for Bridge Pier.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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