2013 한국bim 학회 발표

비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

2013. 11. 29.

2013. 추계학술발표 대회

디지털 건축연구소 위드웍스 김성진

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ECORIUM

The ARC

MBC 상암동 신사옥

세종시 정부종합청사 3단계 1구역


CONTENTS

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•Architect : 삼우설계 + Grimshaw 발주처: 환경부

•시공: 삼성물산㈜ 컨소시엄

•공사기간: 2009~2012

•위치: 충청남도 서천군 마서면 도삼리, 송내리 일원

•연면적: 75,785 m2

•건물용도: 문화 및 집회 시설

•규모: 지하1층, 지상2층

•높이: 35m

•구조: 철골구조

•마감: 링클수지강판 쉬트 마감(평이음, 리브루프)

▣ ECORIUM(국립생태원 생태체험관)




▣ 지붕 형상 및 설계 검토

• 일정한 곡률 없음

• 기존 현장설치 시공공법으로 시공 시 가설비용 증가, 시공품질 확보 불가능 예상

• 디지털 패브리케이션을 활용한 시공 공법 검토


Main truss

T-SECTION FORM PLATE+철골 TRUSS

ㅁ-100x100x 4.5T

하단부 구조 부재 추가

천장 마감: 인터락킹 시스템


▣ 설계 엔지니어링 및 적용 공법

`

100 mm

150m

m

마감+ Sub Structure 일체형 유닛

0.5t 금속 쉬트 평이음 마감



▣ Digital Fabrication Model & Mock Up

Digital Fabrication Model 완성 Mock Up

Feed Back

• Sub Structure 디테일 검토 • 시공성 검토 • 모듈 및 곡면 검토 • 목업의 시공 오차 검토



▣ Digital Fabrication Model


▣ CNC 가공 및 UNIT 제작, 설치

CNC Laser 가공 T-Section 부재 제작 T-Section 조립 및 Unit 제작

Unit 인양 및 설치


▣ 최종 공사 완료


Image © Samsung C & T


•Architect : Asymptote Architecture

•Structural Engineer: Knippers Helbig

•Local Architect: 이가건축

•시공: 대림산업㈜

•발주처: 한국 수자원 공사

•공사기간: 2011.11~2012.9

•위치: 대구광역시 달성군 다사읍 죽곡리 806

•연면적: 5,966.42 m2

•건물용도: 문화 및 집회 시설


•높이: 19.8m


•마감: ETFE + AL.PANEL

▣ The ARC



▣ Geometry Optimization


Before After

HOR & Bracing : 직선(1차) VER: 3차 곡선

ㅁ- Built Up Curved Tube


▣ 3차원 좌표제어 공법(Shell Structure) - CNC Built Up Curved Tube System

Bottom Plate(Parallel to the surface)

스티프너 조립용 Tenon Hole

Top Plate(Parallel to the surface)

Side Plate(1-Way Curve)

좌표 제어용 스티프너

AL. 패널 지지용 Steel Pipe

Tenon Rib Plate



• Node Connection (정밀주조)

• 스틸 파이프 (CNC 레이저 가공)

• Assembly (용접)

▣ 3차원 좌표제어 공법(Sub Structure) -Tenon Joint Node System


• 자유 곡면의 단층 Grid Shell 구축을 위한 Node

Detail (Steel & Glass Design)

• Tenon Joint를 통해 3차원 좌표의 정밀 시공 가능



▣ 외피 디테일



▣ 구조 성능 실험 & Visual Mock Up

Visual Mock Up

구조성능실험-Built up Curved Tube 구조성능실험-Tenon Joint Node System

구조성능실험

Visual Mock UP

• 용접 성능 검토 • 제작 및 시공오차 체크 • Fabrication Detail 확정


▣ 3D Fabrication Modelling & Management

내부 철골구조(TEKLA) Shell Structure(CATIA) Sub Structure(CATIA)

Fabrication Modelling Management(Navisworks)


Upstands & ETFE (Germany)

CNC DATA(Autocad)


CNC 레이저 가공 부재 조립 현장반입 Guide Beam 시공

Shell Structure 조립

ETFE 설치

▣ Digital Fabrication & Construction (Shell & Sub Structure)


Sub Structure 조립



가설 벤트 설치

▣ Shell & Sub Structure 시공

Shell+Sub Structure+Upstands AL. Extrusion Profile 설치



▣ Roof AL. Panel 시공


▣ MBC 상암동 신사옥


Image © 동양 GTS


▣ 3D SCANNER을 이용한 실측 및 DATA 활용


비정형 철골 3D SCAN DATA의 활용

• 철골의 시공오차 체크 (광파기의 경우 측량 오차 발생 가능하며, 형상 을 측량에는 한계가 있음)

• 외피설치를 위한 Sub Structure와 철골 구조체

간의 간섭검토 가능

• 3D Scan한 Point Cloud와 철골 및 Sub Structure의 Fabrication Modelling Data의 상호 비교 검토 가능하여 정확한 Sub Structure Fabrication Modelling 작업 및 수정이 용이함.

• 시공오차에 의한 간섭이 심할 경우 외피 형상 조 정 필요.

3D SCAN DATA (Point Cloud )

Point Cloud + 철골 3D 제작도


▣ 비정형 외피 BIM 설계 엔지니어링

• Sub Structure 구조 검토 및 보강 • 패널링 곡률 검토 및 모듈 수정(곡률 심한 부분)

• 비정형 AL. 패널 디테일 검토 및 추가(엣지, 커튼월 연결부)

3D Printing을 통한 디테일 검증

• 간섭에 따른 디자인 형상 변경 (패널 & Sub Structure 수정)

• 공법변경: Sub Structure의 개별부재 시공에서 Unit 시공으로

• 비정형 AL. 패널 고정용 브라켓 구조 성능 실험 및 응력 검토

CNC 제작을 위한 Fabrication Modelling 진행 가능

(Sub Structure, Al. Panel)

엔지니어링 내용

구조 보강

Sub Structure와 Main 구조 간섭 발생



▣ 비정형 외장 패널 시공 디테일 및 공법

기본 TYPE

AL. 패널고정용 브라켓 Sub Structure Unit 공법 Sub Structure Unit 시공

변형 TYPE 시공 이미지



▣ 비정형 외피 시공

Sub Structure 설치 합판/ EPDM 방수공사

Polar부분 Sub Structure 구조 보강, 간섭에 따른 외피 형상조정 AL. Panel 설치


•Architect : 토문건축

•시공: 일성건설㈜ + 남양건설㈜

•발주처: 행정안전부

•공사기간: 2012~2014. 9

•위치: 충청남도 연기군 남면 방축리 일원

•연면적: 56,465.87 m2

•건물용도: 업무시설


•높이: 38.1m


•마감: AL. Sheet Panel/ 로이복층유리

•건물길이: 약 530m(교량포함)


▣ 세종시 정부종합청사 3단계 1구역



▣ 시공 사진


마름모 형상의 Twist 평면

평행 직선

꼬인 직선

평행 직선

•창호프레임 : Twist 형태로 제작불가

•유리 : Twist 형태로 시공 불가

▣ 설계 검토(창호, 유리프레임)



[ 7F ]

[ 5F ]

[ 3F ]

•비정형 구간 ST’L 파이프와 AL. Profile은 층마다 축이 상이함

•축을 일치시키기 위해서는 스틸 파이프를 트위스트 해야 함

St’l 파이프축

AL Profile 축

St’l 파이프

AL.창호 축방향

▣ 설계 검토(멀리언)



• 수많은 각도에 대응하기 위해서는 압출몰드를 이용한

디테일로 해결 불가

[ A-Section ]

[ B-Section ]

[ C-Section ]

압출몰딩 변위

압출몰딩 비틀림변위

B

A

C

▣ 비정형 구간 Detail 검토



▣ 비정형 구간 모형을 통한 형상검토


1차_수직+수평 2차_Unit Module

당 초 대 안 1 대 안 2

Twisted Panel Segment Panel Folded Panel

▣ 비정형 패널 대안 검토


•다양한 각도에 대응하기 위한 가공성 있는 재료 필요

(AL.쉬트 패널의 한계 검토)

• AL.복합패널을 CNC Router를 사용하여 가공할 경우 다

양한 각도가공과 정밀 제작 가능 함

Planar 창호프레임과 AL패널 이격 절곡처리

Planar판넬 절곡처리

[ 판넬 전개도 ]

[ AL. 복합판넬 단면 ] 0.5T AL. 박판

6mm

CNC머신에 의한 정밀한 판넬 절단, 절곡 (제작)

3D 스캐너 통한 좌표제어 (시공)

▣ 재료검토



Unit Panel 취부용 AL. 브라켓

각도 및 시공 공차 흡수 디테일

▣ 비정형 구간 Unit Panel 설치를 위한 Sub Structure System



▣ AL. 패널 유닛 시공 공법(비정형 구간)

STEP4_AL. 와플 유닛 설치공사 STEP3_유닛 설치를 위한 Sub Structure

STEP2_차수벽공사 & 창호공사 STEP1_Sub Structure 설치



▣ 브릿지구간 AL. 패널 유닛 시공 공법

STEP1_입체 Sub Structure 제작 STEP2_전면부 패널설치 STEP3_유닛 인양 및 설치

STEP4_유닛 설치 STEP5_내부 마감 패널 설치

3D 스캔 통한 철골 측량



기존 설계

대안 공법


▣ 1차 Mock Up(비정형 구간)


▣ 2차 Mock Up(정형 구간)




▣ 해외 비정형 건축물의 시공 사례

형상 및 패턴이 자유로움 다양한 외부 마감재 (금속, ETFE, GFRP, UHPC…) 디지털 패브리케이션을 통한 제작 및 시공

Serpentine Sackler Gallery, London, 2013 Mucem Museum, Marseille, 2013

Heydar Aliyev Cultural Center, Azserbaijan,2012 Tbilisi Public Service, Georgia, 2012 Phoenix International Media Center Beijing, China, 2012


DESIGN ARCHITECT

ASSOCIATE ENGINEER

STRUCTURAL ENGINEER

비정형 부분 설계 엔지니어링

철골 공사

CON’C 공사

FAÇADE & ROOF INTERIOR

설계단계

시공단계

•각 전문 시공 업체별 3D 관리 및 간섭체크 •구축 공법 변경 및 모델링, 구조검토 •좌표관리

•2D, 3D Geometry 최적화(구조, 재료, 곡면) •비정형 시공 공법 적용 및 도면화 •비정형 부분 공사비 산정

▣ 비정형 건축물의 설계 엔지니어링



CNC Machine(Laser, Router, Plasma,…)을 활용한 비정형 3차원 형상제어

정밀한 수치제어에 의한 제작 및 시공 가능(시공오차 최소화, 시공품질 확보가능)

현재 항공, 선박, 자동차 산업 등에 다양하게 활용되어 지고 있음

▣ Digital Fabrication



1. 비정형 건축물 시공 시 BIM에 의한 설계 엔지니어링은

선택이 아닌 필수(공기절감, 공사품질확보, 공기단축 및 RISK 최소화)

2. 시공 현장에 BIM이 활성화되기 위해서는 형식이 아닌 필요에 의해

사용 되어져야 함. (발주처, 설계사, 시공사… )

3. 시공 BIM의 완성은 시공에 참여하는 모든 관계자의 의견을 반영, 검

토, 적용될 경우가 가장 이상적이라고 판단됨.

▣ 결 론



2013 한국bim 학회 발표

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