332016 상반기호

▶▶ 기술정보 Ⅲ

비정형 건축물의 설계 및 시공 3

글 유상준 ＼ 건축기술팀 차장 ＼ 공학박사 ＼ 전화 02-3433-7734 ＼ E-mail yusangjune@ssyenc.com

1. 머리말

발주처는건축물을통해사람들에게놀라움을주고,잊지못할경

험을통해자신들이기획한건축물의용도와그건축물자체를부

각시킬필요가있다.특히,국제대회의경기장,엑스포전시시설등

이그사례라고할수있다.비정형건축물에대한외장시공특히,

MetalCladding에의한비정형건축물의설계,시공등을사례를

통해알아보고자하며,이를통해다양한형태의건축디자인을현

실화하는구체적인기술사례를공유하고자한다.

비정형건축물에서설계및시공을위한코디네이션에있어서

Design-Engineering이설계와시공을연결하여프로젝트를완수

하는핵심역할을수행하게된다.

DigitalProduct와같은설계프로그램을통해디자인과정에서패

턴화및부재사이즈의최적화과정을진행하나,시공성을고려하

여현장여건,구조등을반영하는ShopDrawing과Testing이필요

하다.

Design-EngineeringManaging을외장패널제작자가수행하는것

이설계자와의협의사항반영,생산,품질및조달일정이효율적

으로관리될수있다.

시공자는발주처의요청에의한디자이너의의사결정이공기에

영향을미칠수있으므로원활한협의System의구축이매우중

요하다.

현장책임자는자재조달,디자인과시공의코디네이션,그리고전반

적인품질관리의효율성을높이기위해외장패널제작자와지속적

인협의가필요하다.

비정형건축물의관리분야및관리목표는다음과같다.

1)기획분야(PM):비정형건축물의진행구상,경제성,리스크최소화

[그림 1] Al Rayyan Stadium and Precincts State of Qatar

[그림 2] 비정형 건축물의 Time Frame Management

2. 비정형 건축물의 공정관리

34 건설기술/쌍용

2) 건축설계분야(Architect) :비정형설계프로그램등설계운영

체계,BIM,공간계획,시방서및관리분석,입면합리화,생산성

고려

3) 협력분야(Sub-Contractor):비용및시간등프로젝트관리목표

의공유,구조계산,전기설비시스템관리,조립계획,생산모델링

4) 시공분야:일정과리스크관리,수량-비용관리,현장코디네이

션,프로젝트관리일원화,필요시관리체계변경,자재발주

5) 운영분야:운영체계설계,시설관리자료체계,관리체계의일원

화,프로젝트운영비관리

6) 프로젝트인프라:BIM시스템구축,사용자교육,프로그램사용

자화,업무자동화,기술개발,소요처별자료형식전환

현재비정형건축물의설계를위해많이사용되는컴퓨터프로그

램은게리테크놀러지에서개발한DigitalProject이며,비정형건축

물의설계과정에서자재생산을고려하여곡면전개및설계를할

수있는3D모델링프로그램이다.그리고,국내대형설계사의3D

기반설계프로세스에서많이사용하고있는Rhinoceos가대표적

이다.

국내에서가장보편적으로사용하는컴퓨터소프트웨어인Auto

CAD와의호환성이매우뛰어나디자인단계에서많이사용되고

있으나,자재의생산과자동화생산까지고려되지는못한다.

따라서,공장에서사용되는금속가공기계,Robot의운용을위

해패널제작과공사용설계도서관리자인Design-Engineering

Manager는생산자동화를위한별도의작업도구인3DStructure

Template을통해,시공사,협력업체,디자이너,패널가공자가각각

필요로하는자료형태를만들어내야한다.

3DStructureTemplate을통해개별적인패널의가공도면생산성

을극대화할수있다.

패널의가공도면은패널생산에서가장많은시간이소요되고,다

량의패널이생산,현장조립되어야하므로,가장중요한공정이라

고할수있다.

DDP(동대문디자인플라자)의외장패널을생산한업체의경우DDP

수행시,1인10시간작업기준으로3D설계프로그램으로가공도면

작성시2장내외이나,자체적인Template을통해약300장의가공

도면을작성할수있었다.

패널의생산성은DDP의경우,1개업체단독진행으로,약4만장을

1년6개월에걸쳐제작했으므로,하루생산량은약70장내외이다.

표 1 자재가공도의Template구축을통한도면생산량증대

Basedononedesigner

NonapplicationofTemplate

ApplicationofTemplate&exclusive

useprogram

DesignQuantityperDay

(Basedon10hourswork)

About2Pieces About300Pieces

Workingdaysfor40,000Pieces

20,000DaysIttakes54yearsby

onedesigner.54designworkatthesametimebasedoncompletionwithinone

year

133.3DaysIttakes133daysby

onedesigner

3-1. BIM의 활용

BIM의활용을보면,1단계로패널제작을위한샵드로잉과정,2단

계로구조,디자인변경에대한변경사항반영(Updated),패널타입

분류,패널및스티프너물량산출,마지막단계로발주처제출준

공도서작성,패널물량산출로진행단계별로활용된다.비정형패널

을생산하기위한패널설계Template으로다음의작업을표준화하

고,DataBase를구축하여생산성향상,관리체계수립을주요목

표로한다.

1) 패널의정의(SingleCurvedorDoubleCurvature,Flat),패널별

생산설치분류코드부여

2)BIM을통한3D모델링작업(도면작업)

3)CAD도면화

4)기존구조물,기전설비간섭검토,중량최소화

5)패널타입분류

6)생산가격견적,발주,생산

7)시공도서제출

3. 3D설계를 통한 자재생산

[그림 3] 자동화된 도면생성 프로세스

Design Team(Shop Drawing & Testing)

Engineering Team(Structural Calculation & Thermal Simulation)

352016 상반기호

Punching도레이져커팅단계에서가공되며,패널의형태를유지

하는Stiffener도동일하게제작한다.사례로소개한동대문디자인

플라자의경우,약40,000장의패널이모두다르게제작되었다.

이와같은3D패널은비정형의SteelForm을생산할때도동일원

리로작용된다.실내의천정재,아트월등에도디자인의도에따라

응용하여적용할수있다.

MultiPointForming장비에의해곡면형성과Stiffener제작에따른

구조보강은외장패널과동일하다.

3-2. 비정형 패널의 생산

패널의생산과정에대해알아보면,곡률을갖는3D패널은다

수의핀이각각높이가조정되어곡선을표현하는MultiPoint

Forming(MPF)에의해제작된다.

패널의사이즈는가로세로2.5mX2.5m가최대사이즈이나,자중,

풍하중등을고려한구조계산을통해최적사이즈를결정한다.

동대문디자인플라자의경우약1.5mX1.2~1.5m를기본판으로제

작하였다.

생산장비를작동시킬수있는각각의패널형태정보를갖고있는

Data를입력시키고,MultiPointForming을가동해4mm알루미늄

원판을압연할수있는틀을만들어찍어내는과정을통해만들어

지고,사면으로잡아당겨전체패널이균일한두께를유지하도록

한다.성형된곡률의3D패널을재단하기위해3DMarkingRobot

과LaserCutting기계를사용한다.

[그림 6] 비정형 3D 패널의 생산과정

① Multi-Point Forming Machine Preparation

④ Atypical panel forming

⑦ 3D Scanning and Laser cutting preparation

⑩ Finished laser cutting

⑬ Fixing stud bolt

② Data Input for atypical panel

⑤ Marking the laser cutting line by marking robot

⑧ Data input for Laser cutting

⑪ Stiffener Fabrication/Welding

⑭ Assembly of Stiffener

③ Operation of Multi-Point Forming Machine

⑥ Finished laser marking line

⑨ Laser cutting

⑫ Stiffener Fabrication/Welding

⑮ Inspection of finished atypical panel fabrication

[그림 7] 비정형 3D Steel Form 생산과정

MPSF Forming

Assembly of Steel Form

Welding Process

Assembly of Steel Form

QC Process

Reinforcement Rod

[그림 4] BIM을 통한 패널설계

[그림 5] BIM을 통한 패널설계

•Panel / C-Bar Structure 3D & 2D Automated Part

•Zinc Plate & Purlin 3D & 2D Automated Part

36 건설기술/쌍용

이과정에서도원설계자에게디자인승인을받아야하므로,별도

의실시설계비가공사예산에반영되어야한다.

4-2. 패널의 구성

3D입체패널의시공디테일은골조면으로부터스페이스프레임

(SpaceFrame),단열방수재,패널로구성된다.

1) Space Frame

먼저스페이스프레임은파이프형태의구조재,구형태의관절

(Node),그리고패널의하중을스페이스프레임으로흘려보내는

챤넬과하중Bar(LoadBar)로구성된다.

표 2 DDP의패널타입(Curved,DoubleCurvature)

SECTIONQTY (EA)

AREA (m2)

RATIO (%)

FLAT 1 CURVEDDOUBLE

CURVATURE

Typical 13,841 9,492 29

29% 22% 49%

1 Curve 9,554 7,455 22

2 Curve 21,738 16,281 49

Total 45,133 33,228 100

표 3 DDP의패널타입:펀칭메탈(PunchingMetal)의구성

SECTION QUANTITY(EA) AREA(m2) RATIO(%)

NON PERFORATION 26,752 17,178 51.7

Ⅱ-TYPE(Φ20) 9,934 8,241 24.8

Ⅲ-TYPE(Φ25) 5,745 4,951 14.9

Ⅳ-TYPE(Φ30) 2,702 2,858 8.6

SUB TOTAL 18,381 16,050 48.3

TOTAL 45,133 33,228 100

2) 단열방수재

하중Bar에서단열구간을고정하는MultiConnector,열전도차단재,

4-1. 패널의 종류와 구성

동대문디자인플라자(DDP)의비정형3D패널공사사례를통해,비

정형금속패널공사의디테일,시공과정을살펴보도록하겠다.

DDP의외피면적은약33,000㎡이며,Design-Engineering

Managing과정에서구조계산,부재설계를통해Architect승인을

받아최종적으로시공된DDP의경우,평판29%,SingleCurved

22%,DoubleCurvature는49%의펀칭메탈로구성되어있다.

4. 시공사례 고찰

[그림 8] 현장의 패널설치 과정

❶TPO(ThermoPlasticOlefin) :재활용이가능한‘열가소성폴리올레핀’을기본으로UV안정제,

항균제,방염제,최고급안료등을혼합하여뛰어난내후성과초기의열가소성및유연성을장

기간유지

DOUBLE CURVATURE(49%)

FLAT PANEL(29%)

1 CURVED(22%)

NON PERFORATION(52%)

Ⅱ-TYPE(25%)

Ⅲ-TYPE(15%)

Ⅳ-TYPE (8%)

372016 상반기호

3) 패널

패널구간은외벽부터4mm알루미늄패널,스티프너(Stiffener),하중

을분산시키기위한CrossCover및CrossBracket으로조립된다.

위의[그림10]은패널제작과패널설치모습이고,현장의패널설

치는숙련공1인,보조4인으로InstallationTeam이구성되며,각각

의부재는고유식별번호를갖고있어,일원화된코드로관리되고,

현장의설치위치에도같은고유식별번호를부여하여현장관리되

었다.패널의설치를위한소요시간은Architect의디자인승인,설

계변경등이포함되어준공시점까지진행되었으나,패널설계기간

133일을포함하여순수패널제작과Cladding은약1.6개월이소요

되었다.

설계자의기본설계단계에서자재의특성과가공특성이검토되는

DigitalProduct와같은설계프로그램을통해디자인과정에서패

턴화및부재사이즈의최적화과정을진행하나,구조적안정성,시

공성등현장여건을반영하기위한ShopDrawing과Testing이필

요하다.비정형건축물에서설계및시공을위한코디네이션에있

어서,Design-Engineering이설계와시공을연결하여,프로젝트를

완수하는핵심역할을수행하므로,적합한업체또는관리자의선

임이필요하다.비정형건축물의수행과정에서외장패널과그외

장패널이구성되는SpaceFrame에대한구조적안정성,자재공

급의안전성을확보하기위한자재업체의조달능력,수행능력의

검증등이면밀하게관리되어야한다.

참고자료

❶GEHRY_TECHNOLOGIES_BROCHURE,GehryTechnologies

❷GehryTechnologiesFacadeDesignoptimizationProcess,GehryTechnologies

❸자문및자료지원:STEELLIFECo.(www.steellife.net)

하중Bar,패널과단열재의수평위치를잡아주고하중을분산시키

는2mm아연도금강판,차음재,경질우레탄재질의1,2차단열재,

방수구간형성을위한합판(OSB),고무Sheet,TPO❶Membrane

Sheet,TopCone으로구성된다.

곡률이심하지않은외벽마감구간에는SingleSpaceFrame

System을적용하게되며,MultiConnector가Node의역할을하게

되고,곡률에따라구형의Node로경사도를반영하게된다.

표 4 패널-단열/방수-SpaceFrame의구성

(DoubleSpaceFrameSystem)

SECTION NO. ROOF WALL

PANEL

1 THK4mmALSHEET -

2THK4mmALCROSSCOVER

-

3THK10mmALCROSSBRACKET

-

INSULATION/WATERPROOF

4 TPOCONE -

5 TPOMEMBRANESHEETTHK2mmPOLYUREACOATING

6 BUTYLRUBBERSHEET NONE

7 THK11.1mmOSB NONE

8THK114mmPIR(38mm+76mm)

THK76mmPIR

9 VAPORBARRIER -

10ST'L2mmGALVANIZEDIRON

-

11SECONDΦ38ST'LLOADBAR

-

12 THERMALBREAK -

13 MULTICONNECTOR -

SPACE FRAME

14 C-100×50×20×3.2T -

15FIRSTΦ48.6ST'LLOADBAR

-

16 NODE -

17 MEMBER -

[그림 10] 패널의 Mock Up 및 설치

Panel Production

Panel Installation

5. 맺음말

[그림 9] 패널의 Double Space Frame System(좌)과 Single Space Frame System(우)