The ARC_4대강 물문화전시관

Architects :

Structural Engineer :

Local Structural Engineer :

시공사 : 

발주처 : 

공사기간 : 

위치 : 

연면적 : 

규모 : 

높이 : 

​외장재 : 

비정형 적용공법 : 

Asymptote Architecture +이가건축 

Knippers Helbig

동양구조안전기술

대림산업(주)

한국 수자원공사

2011.11~2012.9

대구 광역시 달성군 다사읍 죽곡리 806

5,955.42 m2

지하1층, 지상 3층

19.8m

ETFE + AL. PANEL 

Twisted Tube System, CNC T-Bar System, 

Steel GridShell Node System  

  4대강 대표물문화관인 디아크(The ARC)는 세계적인 건축가 하니 라쉬드(Hani Rashid)가 설계했으며, 설계에서 시공까지 디지털패브리케이션을 통합 적용하여 완성한 건축물이다. 

1. 디자인 검토 및  설계최적화

   정형곡면, 수입 외장재등 여러 가지 요인으로 짧은 공사기간 내에 일반적인 건축시공 프로세스로 완성할 수 있는 건축물은 아니었다. 특히 비정형 외장 마감재인 ETFE는 해외에서 제작, 수입해야 했으므로 더 많은 기간이 필요했으며, ETFE를 시공하기 위한 하부 구조체가 정밀하게 시공되지 않을 경우 재 시공에 의한 공기지연이나 현장실측으로 인한 형상 변경 등 여러 가지 문제점들이 발생할 수 있었다. 

​디자인 초기 구조 프레임 및 3D 형상제어 

  보통 건축공사에서는 철골 구조체를 완성한 후, 마감공사는 실측을 통해 구조체의 시공오차를 확인 후 마감재를 제작, 시공하는 하지만 디아크는 짧은 공기 때문에 철골 구조체 제작과 동시에 ETFE(제작: 독일)를 제작하여 철골 공사완료 후 바로 설치해야지만 정해진 공사기간 내에 공사를 완료할 수 있었다. 따라서 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 현장실측 없이 디지털 모델을 기준으로 ETFE 가공, 제작 해야 하고, 반드시 철골 외피 구조체의 시공오차가 5mm이내에서 통제되어 시공되어야 했기 때문에 자동차 및 항공기의 제작에 이용되는 디지털 패브리케이션을 활용하여 모든 외장재 시공용 구조부재들을 공장에서 CNC로 정밀 제작한 후 현장에서 조립하는 디지털 패브리케이션 기반의 시공 프로세스를 적용하게 되었다.

 

 초기 디자인 단계에서 비정형 외장재를 지지하기 위한 철골 구조체 모델링은 원형 파이프를 2방향 벤딩 후 현장 용접하여 조립하는 방법이었지만 곡률이 다양한 2방향 벤딩 파이프를 가공하는 것이 불가능하기 때문에 설계단계에서부터 제작 방법을 고려하여 3D 모델링이 완성하여야 했다. 디자인에 가장 부합하는 3차원 좌표제어 방법들과 이에 따른 공사비 및 시공사례들을 통해서 3차원 형상제어 방법인 ‘CNC Twisted Tube System’을 확정하였다. 

 

"CNC Twisted Tube System" 

​비정형 곡면 외장재를 설치하기 위한  CNC 제작 기반의 정밀 3D 좌표 제어 시스템 

CNT Twisted Tube System 개념도

  ‘CNC Twisted Tube System’은 국내 적용사례가 없었지만, 3차원 좌표의 정밀 수치제어가 가능하고 짧은 공사기간 내에 제작이 가능하였다. CNC Twisted Tube의 3차원 좌표 제어 개념은 3차원 형상부재의 각 면을 CNC 머신으로 절단 한 후 하나의 부재로 용접하여 다양한 곡률을 가진 3차원 단일 곡면 부재를 제작 방법이다.‘CNC Twisted Tube 공법’은 비정형건축 마감면의 2방향 곡률을 구조 중심면에 투영하여 마감면과 평행한 곡률을 가진 구조체를 만들어 부재의 3차원 좌표를 제어함으로서 철골 부재량을 최소화 하고 구조체의 시공품질 향상과 후속공정의 3차원 좌표 관리를 통해 비정형 곡면 건축물의 정확한 형상구현이 가능한 공법이다. 이미 해외에서는 북경 올림픽 주경기장에서 적용된 사례가 있었지만 국내에는 적용 사례가 없었다. 제작을 위한 3D 패브리케이션 모델링, 구조검증, 부재가공 및 제작관리, 시공좌표관리 등 일반적인 철골공사와 비교 할때 시공과정에서 많은 엔지니어링이 필요한 공법이었지만, 정밀시공, 시공공기 절감, 시공품질 향상 등 여러 가지 장점을 가지고 있었다.

2008 북경 올림픽 경기장

  시공단계에서 ‘CNC Twisted Tube’에 대한 공법을 최종 확정하기 위해 구조성능 실험을 진행하였으며, 이를 통해 Built-Up 부재의 구조 내력, 용접 방법을 검토하여 1:1 목업 제작을 위한 도면을 완성하였다. 또한 정확한 ‘CNC Twisted Tube’ 시공을 위해 가설벤트를 설치하여 철골의 처짐을 최소화 하였으며, 각각의 부재 연결 위치마다 현장 검측을 통해 설계 좌표와 시공 좌표와의 시공오차를 확인한 후 정밀하게 시공하도록 하였으며, 비정형 철골 조립 시 문제점이 발생했을 때는 모델링과 제작부재를 동시에 검토하여 현장에서 작업자들이 임의로 시공하지 않토록 하였다.

1:1 목업

 독일에서 진행한 ETFE 제작 및 설치를 위한 패브리케이션 모델링과 국내에서 제작 시공하는 하부 구조체 모델링간의 오류가 발생하지 않토록 하기 위해서 제작 전 디지털 패브리케이션 모델링을 통합 검토하여 오류들을 최종 수정한 후 ETFE 및 비정형철골 제작을 진행하였다. 시공 전 각 공종별 패브리케이션 모델링의 통합관리 되지 않을 경우 시공 시에는 수정하는 것이 불가능하기 때문에 신중하게 크로스 체크가 이루어졌다.

Digital Fabrication Modeling

2. CNC TWISTED TUBE 제작 및 시공

​  CATIA를 통해 3D제작용 모델링이 완성되면 CNC Laser 절단을 위한 2D 도면을 생성하게 되고,  파이프 부재는  3D DATA를 바로 CAD/CAM 프로그램으로 보낼 수 있다. 각 부재 마다 각각 다른 형상들의 제작 부재들을 생성해야 하기 때문에 3D 자동화 제작설계 프로세스가 반드시 필요하다.  

CNC  Twisted Tube 제작

 CNC 머신으로 정밀하게 가공 제작된 비정형 철골 부재의 정밀조립을 위해서는 시작점의 위치제어가 중요하므로, 콘크리트 테두리 보 내부에 CNC로 가공된 가이드 빔을 설치하여 외장재 시공을 위한 비정형 철골의 시작점 좌표를 정확하게 시공되록 하였다. 

가이드 빔 설치

 CNC Tiwsted Tube 설치

 3. ETFE

  ETFE 시공을 위한 하부 구조체 (CNC Twisted Tube System & Steel Grid Shell Node System)의 제작 및 시공 기간은 3개월 이었으며 이러한 특수 공법들을 활용하여 시공했기 때문에 공사기간을 줄이면서 정밀한 시공이 가능하였다. 따라서 최종 마감재인  ETFE 는 어려움 없이 쉽게 진행할 수 있었는데, 당시 독일에서 온 ETFE 수퍼바이저의 말에 따르면 철골 구조체가 이렇게 정밀하게 시공된 사례는 손꼽을 정도라고 이야기를 했다. 

     

ETFE  CONSTRUCTION DETAIL

Steel Grid Shell Node System & ETFE  시공

4. CNC T-BAR SYSTEM 

  각 위치마다 크기가 다른 지붕 마감용 비정형 금속패널 시공을 위하여 CNC T-BAR 시스템을 적용하였으며, 개별 부재로 시공할 경우 공사기간이 길어 질 수 있었으므로 유닛공법으로 제작설치하여 시공의 정밀도를  확보하면서 제한된 짧은 공기내에서 시공할 수 있도록 하였다. 또한 CNC T-BAR 사용함으로써 비정형 오픈 조인트 금속 패널 제작을 위한 별도의 실측 없이 3D 모델링 기준에 의해 비정형 패널 제작을 동시에 진행할 수 있었다. 이는 기존 정형건축물의  패널 제작 및 설치 방법과 완전히 다른 방식이라고 할 수 있는데,  정밀하게 제작되는 CNC T-BAR를 통해 모든 패널 고정용 3D 좌표들이 정확하게  통제 되기 때문에 별도의 현장 실측이 필요없게 되며, 이는 비정형 건축물의 시공기간을  단축하고 시공 품질을 높이는데 매우 중요한 부분이다.  

   지붕구간의 오픈조인트 금속패널은 설계단계에서부터  곡면 최적화를 통해  패널 줄눈 계획을 진행하였으며, 하부 철골 구조와  지붕 CNC T-BAR 모듈의 고정지점 계획도 같이 고려하였으므로 시공단계에서  설계변경 없이 공사가 원할하게 진행할 수 있었다.  따라서 비정형 건축물을 시공단계에서 설계변경없이  효과적으로 시공해 내기 위해서는 반드시 설계단계에서 부터  비정형 3D설계 엔지니어링이  이루어져야 효과적일 것이다. 

지붕 오픈조인트 금속패널 시공을 위한 CNC T-BAR 유닛 공법 시공

Open Joint Al. Sheet 패널 설치 

5. 시공완료

   디아크 프로젝트가 성공적으로 완성될 수 있어던 가장 큰 배경은   Digital Fabrication을 기반으로 한 모험적인 공법들을 적용하였기 때문에 가능했다.  국내 자동차, 선박등 정밀 제조업에서 일반적으로 사용하고 있는 CNC 장비를 활용한 정밀 제작방법들이 국내 건축에서는 인식의 부족, 공사비의 한계, 전문 인력의 부족등 여러가지 요인으로 인해 보편적으로 보급되기 까지 많은 시간이 걸릴 것이다. 하지만 현대건축의 흐름인 파라메트릭 디자인을 구현하기 위해서는 Digital Fabrication을 기반으로 한  건축공법들이  필수적이므로 이러한 신기술의 다양한 활용을 통해 각 분야의 경쟁력과 기술을 확보하여야 할 것으로 생각한다.    

(2012. 9)

WITHWORKS Architects & Engineers Inc.

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