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비정형 건축물의 시공과 BIM기반 설계 방향

위드웍스 김 성 진

1st International Symposium of KIBIM

2011. 11. 18.디지털 건축연구소

http://wworks.blogspot.com

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Contents

1. 디지털 건축연구소 WITHWORKS 소개

2. 비정형 건축의 과거 현재

3. 비정형 프로젝트_ Tri Bowl(인천도시축전 기념관)

4. Optimization, 비정형 시공공법 적용사례

5. 결론: 비정형 프로젝트의 BIM 설계 방향

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WITHWORKS 비정형 참여 PROJECTS

인천도시축전 기념관(Tri Bowl), 아이아크인천공항입구 조형물, 피앤코

국립해양박물관, 정림건축 국립 생태박물관, 삼우설계 River Culture Pavilion, Asymptote

판교 알파돔 시티, DA+정림+건원

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비정형 건축물, Before Digital Era

롱샹교회, 1950~1955 Le Corbusier

시드니오페라 하우스, 1959~1973 Utzon

• 초기예상 공사비: 7백만 불• 총공사비: 102백만불(14배 초과)• 공사기간; 14년(10년 증가)• SHELL GEOMTRY 설계: 7년(12번의 형태 검토해서 지름

75m 구형으로 최적화 형태 찾음)

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비정형 건축물, Before Digital Era

구겐하임 박물관 빌바오, Frank Gehry

• 설계:1991• 공사기간:1993~1997• 3D APPLICATION: CATIA

”Flat pieces cost one dollar, single curvature pieces cost two dollars; double curvature pieces cost ten dollar.The good thing about the computer is that it allows you to keep a close control over the geometry and the budget. It was not just speculation; it was real." (Frank Gehry, 1995)

벤츠 박물관, UN Studio

• 공사기간: 2003 ~2005 (28개월)• 3D APPLICATION: RHINO

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비정형 건축물, Digital Era since 2000

�Design: 자유로운 2방향 곡면

�Construction: 건식화 / 경량화 / 재료의 다양화

British Museum

Gherkin

Zlote Tarasy, Poland

Soumaya, mexicoCentre Pompidou, France Chanel Mobile Pavilion

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비정형 PROJECT의 BIM 설계역할

DESIGN ARCHITECT ASSOCIATE ENGINEERSTRUCTURAL ENGINEER

비정형 부분 BIM 설계 및 엔지니어링

철골 공사 CON’C 공사 CURTAIN WALL FAÇADE & CLADDING

설계단계

시공단계

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

•2D, 3D Geometry 최적화•디테일 설계•비정형 부분 공사비 산정

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비정형 프로젝트: 인천 도시축전 기념관(Tri Bowl)

Image © iArc

•설계: 아이아크•구조설계: 일본 SDG•시공: 포스코건설•발주처: 인천도시개발공사•공사기간: 2008.10~2010.2

•위치: 인천 송도 센터럴 파크•연면적:2892.95 m2

•건물용도: 문화 및 집회 시설•규모: 지하1층, 지상3층•높이: 18.75m•구조: 철근콘크리트구조(포스트텐션)+철골트러스구조, 역쉘구조•마감: AL.아노다이징 + 콘크리트 표면처리

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�STRUCTURE MODEL (CATIA) �FINISH MODEL(RHINO)

Image © iArc

3D MODELLING

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@200간격으로 철근 형상 가공후 현장조립

무거푸집으로 콘크리트 타설(메쉬, 메탈라스, 망 보강)

� TRUSS WALL 공법 목업_1 차 목업 CON’C 공사


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거푸집을 유닛화 시켜 조립하는 방식 @300 간격으로 단면 제작

�UNIT FORM 공법_ 형틀 목업

Image © iArc Image © iArc

CON’C 공사


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CON’C 공사


�DIGITAL FABRICATION FORM 공법

Meiso-no-mori, Ito Toyo

CNC가공 단면

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CON’C 공사


�SHELL CON’C GEOMETRY

2방향곡면(노출)2방향

곡면(노출)

1방향 곡면(비노출, 패널 마감)

각 쉘 마다 시공을 위한 48EA 단면 Geometry 정의(7.5도)

시공 및 검측기준, @높이 3m

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CON’C 공사


코어별 48EA 지오메트리 단면에 의한트러스 제작 후 설치

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CON’C 공사


중앙부 @500X@500 스틸 각파이프지오메트리 프레임 설치

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CON’C 공사


Con’c 마감부분: 거푸집 공법Panel 마감부분: 무거푸집 공법

CON’C SHELL GEOMETRY 기준

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CON’C 공사


�최종 ROOF 철골 트러스 완성 후 con’c 쉘 지지용 시스템 동바리 해체

�CON’C 노출 부분; 거푸집 공법, 비노출 부분(PANEL 마감): 무거푸집 공법

�지상 CON’C 시공기간: 2009. 2~5(4개월)

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외장 PANEL


Image © iArc Image © iArc

•Al. Panel 마감 면적: 3,012 m2

•노출콘크리트 면적: 2,213 m2

•패널 : 2,308 ea•LED : 100 ea

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외장 PANEL


�3D MODELLING & OPTIMIZATION

[패널 디자인3_최종확정] [패널 전개도]

[기존설계 상세도] [변경 상세도] [패널 제작 개념]

CNC 제작가능한최대크기로 Paneling하여Panel 제작개수를최소화함

사선곡률적용(1방향)

Sub structure

(segment)

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외장 PANEL


�MOCK UP

[1차 MOCK UP_3차원 설계 전] [2차 MOCK UP]

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외장 PANEL


�아노다이징 패널 제작과정

AL. 쉬트 원판(50계열) AL. 쉬트 CNC가공 패널 제작 부재 마킹

패널 용접 패널 제작 완성 아노다이징 처리

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외장 PANEL


수평줄눈: 20mm수직줄눈: 15mm

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외장 PANEL


�건식 평 지붕 공사

�트러스 설계변경: 수직 수평 트러스 개념에서 사선 트러스 개념으로 변경

�지붕 배수 시스템 및 디테일 : 재 검토 후 설계 변경

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ROOF


�건식 평 지붕 공사

엠베드 플레이트우수용 배수 설비

포스트 텐션 정착구

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ROOF


패널은 곡면, 두겁은 직선 시공 상황 곡면패널 R: 최대 48m

두겁 재시공 3차원 모델을 통한 레이저 가공

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ROOF


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내부 마감


*지오메트리 통제에 의한 시공 못해냄( 외벽기준에서 적당하게 시공함, 공기부족 등)-시공품질, 디자인 퀄러티 확보 안됨

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내부 마감


�지오메트리 통제 안된 시공

*등고 라인 적용하여 각 파이프 제작*내부 마감재 변경: 인조대리석에서 미송 목재

(설계: 지오메트리 도면 및 디테일검토 부족, 시공비 상승)

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국내 비정형 부분 BIM설계 및 활용의 문제점

현재 설계에서 완성된 BIM 모델이 시공에서 활용되어 지지 못함.

1. 설계 단계

-설계 단계에서 비정형에 대한 Optimization 부족(곡면, 구조, 재료)

-비정형 구축을 위한 공법, 디테일 미 적용( Sub Structure Unit system, Tenon joint system, Double skin system,…..)

2. 시공단계-시공과정에서 BIM모델을 통한 시공 관리 및 시공성 검토 부족

(비정형의 정도가 심할 수록 반드시 시공 전 가상시공모델을 통한 시공성 검토 ,

공법 검토가 이루어져야 함)

-건축물 완성과 함께 BIM모델도 같이 완성시킨다는 개념으로 접근해야 함.(메인 시공사는 각 공종별 3차원 모델을 취합하고 통합 관리하는 체계필요)

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Optimization, 비정형 시공공법 적용사례

�인천 공항입구 조형물, 2010

� 문제점-구조부분: 디테일, 시공을 고려하지 않은 설계(구조 최적화 부족)-3차원 모델로는 가능

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�금강대학교 원각학술 정보관, 2005

� SUB STRUCTURE UNIT SYSTEM(CNC 레이저 가공), TENON JOINT SYSTEM 적용

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�OO 문예회관, 2011

� 설계단계: 재료, 곡률에 대한 최적화 설계 부족, 시공단계: BIM 모델 활용 및 검토 부족(Geometry 통제 안됨)

� 시공불량( 2방향 평이음 부분): 철거 후1방향 곡면으로 수정, 돌출 이음으로 변경

�평이음을 2방향 곡면에 적용할 경우시공품질이 불량 함

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�국립해양박물관, 2011

모델링 기준

모든 위치에서디테일이 달라짐

[기존 커튼월 설계 상세도]

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�접합부 디테일 변경: 다양한 각도, 시공오차 흡수가능한 디테일로 변경,관절이음 방법

�구조 재 검토: 설계 시 일정구간 만 검토 됨

�국립해양박물관, 2011

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�국립 생태박물관, 2011

`

125 mm

250mm 8

t

[T BAR_CNC 제작] [UNIT 조립] [UNIT 설치]

[기존 설계 상세도][구조 Frame]

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�Zlote Tarasy, Poland

�King’s Cross Station, London

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�30 St Mary Axe(Gherkin) , LONDON

�Weltstadthaus Peek & Cloppenburg, Germany

�비정형 곡면을 Planar quad로 최적화�6500장 평면 유리를 6mm 오차내에서 흡수 할 수 있도록 디테일 구성(공사비 절감)

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가공

조립

현장 설치

�아리수 홍보관

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결 론

1. 설계단계의 BIM 모델이 시공단계에서 활용 되어져야 함. -설계단계 BIM 모델: 재료, 형태, 디테일, 공사비 등이 고려된 최적화

모델 완성.

-시공단계 BIM 모델: 설계단계의 BIM 모델이 시공전문업체에서제작 및 시공 기준으로 연결 되도록 하여야 함.

MAIN 시공사는 각 전문업체의 3차원 시공 모델을 통합 관리

2. BIM 모델은 비정형 구축을 위한 공법이 적용되어져야 함. -공사비 절감, 공사 품질 확보 가능 (단순히 형태를 모델링 하는 것이 아님)

3. BIM APPLICATIONS-시공단계에서 여러 개의 프로그램이 사용되어 짐. (RHINO, CATIA, DP, TEKLA, REVIT,….)

-협업 및 호환 체계에 대한 연구 필요 (IFC, CIS, DWG, IGS, STEP, 3DS…)-BIM 활용 주체에 따라 다양한 결과물들이 제공 될 수 있어야 함.

Thank you

http://withworks.blogspot.com

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