​세종시 정부종합청사 3-1구역

Architects :

시공사 : 

발주처 : 

공사기간 : 

위치 : 

연면적 : 

규모 : 

높이 : 

​외장재 : 

구조 : 

토문건축

일성건설(주) + 남양건설(주)

안전행정부

2012~2014.9

충청남도 연기군 남면 방축리 일원

56,465.87m2

지하1층, 지상8층

38.1m

 AL.4T 복합패널 

철골구조

  세종정부종합청사 3단계 1구역 건립공사에서 위드웍스는 시공단계에 참여하여  건축 및 구조부분에 대하여 BIM설계를  진행하였으며,  3D  설계검토를 통해  공법에 대한 변경이 필요했던 비정형 입체 3D패널에 대해 설계 공법 검토, 대안 공법 설계 및 검증, 디지털 패브리케이션과 3D 스캐닝을 활용한 CNC  제작 및 현장 조립이 가능하도록 하여 시공 품질을 확보하고 제한된 기간내에 완료할 수 있도록 3D 설계 엔지니어링을 진행하였다. 

1. 비정형 외장재 시공을 위한 공법 검토

 비정형 입체 외장 패널은 1방향 곡면으로 면적은 약 3,500㎡ 이었고, 각각의 위치에서 다른 크기의 패널이 시공되어야 했다. 원설계에 적용된 2D 디테일에 따라 모델링 했을때 정형구간은 문제가 없었으나 비정형 구간은 유리 및 스틸프레임들이 Twist 되지 않으면 구현되지 않은 상세도였다. 따라서 설계도면에 적용된 디테일은 정형 건축물에 적용되는 일반적인 상세도였으며, 비정형 패널시공에 적용될 경우 패널의 틈새가 발생하여 누수 등의 시공하자가 예상되었기 때문에 제작 및 시공이 가능한 공법으로 변경할 필요가 있었으며 형태에 가장 부합되면서 경제적인 대안을 찾는 것이 중요한 사항이었다. ​

원 설계 상세도 및 모델링

  또한 비정형 곡면에 설치되는 입체패널은 각 패널이 면하는 위치에 따라 패널 방향이 다양한 각도로 커튼월 프레임에 고정되어야 하는데, 그렇게 하기 위해서는  AL. 쉬트 패널에 일체화 되어 제작되는  AL. 프레임의 형상이 면하는 각도에 따라 달라야 하기 때문에 다양한 AL. 몰드가 제작되어져야 하는 불합리한 부분을 발견할 수 있었다. 따라서 비정형 패널의 다양한 각도제어를 쉽게 제작, 시공할 수 있는 재료 및 공법변경이 필요하였다 

​외벽 부분 상세도

2. 외장재료 및 외벽 시스템의 변경

  기존 설계안에서는 비정형 입면이 다양한 각도로 폴딩되는 디자인을 구현하기 위해서 몰드를 이용하여 각도를 통제하게 되어 있었지만, 위치마다 다양한 몰드를 제작하는 것은 시공비의 상승 이외에도 구현 자체가 어렵다는 문제가 있었다. 따라서 다양한 각도를 자유롭게 통제할 수 있으면서도 시공비가 많이 상승하지 않는 AL. 복합패널로의 재료변경 검토를 진행하였다. AL. 복합패널은 뒷면에 CNC 그루빙을 용이하여 패널을 가공하고 쉽게 접을 수 있는 장점이 있다.  

개별패널 시공 

유닛 모듈 시공대안

외장재 시공공법 검토

 비정형 외벽패널 구간에 대해 축소 모형을 만들어서 시공공법에 대한 검토를 진행하였다. 개별패널로  비정형구간에 시공할 경우 시공품질 확보에 어려움이 있었고, 위치에 따라 패널의 각도가 다르기 때문에 공사 기간의 증가와 코킹에 의한 외벽오염, 누수 등의 시공하자가 예상되었다. 대안으로 입체 유닛모듈 오픈조인트 공법을 대안으로 선택하고 제작방법, 고정디테일 등 구체적인 검토들을  진행하였다.  

 AL. 복합패널은 CNC 라우터를 이용하여 다양한 각도를 쉽게 가공할 수 있며, 차수벽 +오픈조인트 디테일을 적용할 경우 실런트를 전혀 사용하지 않을 수 있다. 이러한 재료의 특성을 이용하여 다양한 비정형 입체 유닛모듈패,  오픈조인트 외벽 시스템, 형상제어 시스템을 같이 적용할 경우 좋은 결과가 있을 것으로 예상되었다. 

AL. 복합패널 재료적 특성

   입체 유닛모듈 오픈조인트공법의 가장 큰 장점은 최대높이 2m, 최대폭 8.4m 모듈을 하나의 유닛으로 제작 및 시공할 수 있기 때문에 현장에서의 설치 기간을 개별패널 보다 단축시킬 수 있다는 것이다. 유닛모듈 공법은 비정형 구간 패널의 공법 해결을 위해 검토 후 정형 구간에도 같이 적용할 수 있도록 디테일을 통일시켰다

​입체유닛 모듈의  제작 방법 

 입체유닛 패널을 다양한 각도로 설치할 수 있도록 하기 위해서  비정형 패널 구간에서는 패널지지용 스틸트러스를  원파이프로 적용하여(정형구간은 각파이프 적용),   패널과 원파이프 사이에 설치되는 회전형 브라켓을 통해 각 위치마다 입체 패널의 각도를 쉽게 조정하면서 시공할 수 있도록 하였다.  

 오픈조인트를 완벽하게 구현하기 위해서는 RainScreen Wall의 시공이 매우 중요하다 

비정형 ​입체유닛 모듈의  스틸트러스 시스템

비정형 ​입체유닛 모듈의  목업

  오픈조인트를 완벽하게 구현하기 위해서는 RainScreen Wall의 세밀한 시공이  중요한데, 창호 주위에 고정되는 외장패널 고정 피스가 외부에서 고정될 수 있도록 하여 피스를 통해 물이 내부로 들어오지 못하도록 하였다. 

비정형 구간  외벽 상세도

정형구간  외벽 상세도

3. 입체유닛모듈의 제작 및 시공

  CNC Machining은 선박, 자동차등 기계분야에 사용되는 정밀제조 방법으로 최근 비정형 건축물의 증가와 더불어 건축분야에서도 활용 되고 있다. 비정형 외장재의 경우 각 패널마다 일정한 크기가 없고 다양하기 때문에 자동화 기계가공이 가장 합리적인 방법이다.  복합판넬의 가공은 CNC Laser로 절단할 경우 도장이 손상 될 수 있으므로 CNC Router를 이용하여 가공하여야 한다.

 

입체 유닛모듈패널 제작과정은 다음과 같은 순서로 진행되었다

1)Digital Fabrication Model이 완성된 후 각각의 패널에 고유번호를 부여하고 제작용 전개도를 완성 시켜 제작공장으로 발주

2)제작 공장에서는 전개도 파일을 받아서 제작을 위한 추가 홀 작업을 진행한 후 CNC Router 가공을 위한 NC 코딩 Data 생성

3)CNC Router에서 절단작업을 마치면 프레임 몰드와 일체화 시키는 리벳작업 및 1차 패널 조립 완성

4)현장으로 운송하여  2차 조립과정을 거쳐 최종 입체 유닛패널 완성

운송비의 절감과 운송 시 파손을 최소화하기 위해 공장에서 1차 개별 패널들을 조립 후, 현장에서 최종 입체 유닛 패널을 조립하여 완성하였다

CNC 가공

1차 공장조립 - 개별패널

현장 운반

2차 현장조립_입체유닛패널

입체 유닛패널 완성

입체유닛패널의 가공 및 조립

4. RainScreen Wall 및 입체유닛패널의 시공

  비정형구간의 정밀한 시공을 위해서는 하지 트러스부터 정밀하게 조립 시공되어야 했다. 각 층별  수직 스틸 트러스 부재의 경사 위치를 정확하게 제어해 내기 위해  형상제어용 가이드 플레이트를 설치하였다. 정형구간은 하지트러스를 유닛으로 제작하여 정밀도 확보도 확보하면서 빨리 시공될 수 있도록 하였다.

최대 2mx8.4m 입체유닛 패널은 인양시 형상변형을 없애기 위해 운반용 가설틀에 입체패널을 고정한 후  크레인으로 운반용 가설틀을 들어올려 시공되는 위치에서 최종 분리하는 방법으로 대형 입체 패널을  시공하였다. 

 

​ 만약 원설계도면대로 개별패널 방식으로 외장 패널을  시공했다면 시공품질 저하, 시공하자, 공기지연등 여러가지 문제점들이 발생할 수 있었을 것이다. 

형상제어용 가이드 플레이트 설치_비정형 구간

차수벽 설치용 ​유닛 트러스 제작

차수벽 공사 및 입체 유닛모듈설치

Rainscreen Wall 및 입체유닛패널의 시공

5. 3D Laser Scanning 및 역설계의 활용

  3D Laser Scanning은 현재 문화재 복원 및 관리, 플랜트, 토목 구조물의 변형 및 유지관리 등에 사용되고 있는 Cloud Point 방식의 측량방법이다. Total Station등 기존에 사용되는 측량방식은 점 위주의 측량으로 비정형 곡면이나 불규칙한 형상의 실측 Data를 대량으로 확보하는데 어려움이 있다.  비정형 건축물은 제작이나 시공과정에서 시공오차가 발생할수 있으므로  정확한 실측 Data를 바탕으로 외장패널의 제작이 이루어져야 시공품질을 확보할 수 있다. 만약 3D 스캐닝이 공사내역에 포함되어 있지 않으면 시공중  추가 비용이 발생할 수 있지만, 비정형 외장패널의 시공 품질을 위해서는 반드시 필요하다. 특히 비정형 곡면에서 이질재료들이  만나는 부분에서 3D  Scanning을 통한 현황 Data를 제작설계에 반영하게 되면  시공성 및 시공품질이 좋아질 수 있다. 

 3D Laser Scanning 및 역설계를 통해  제작설계된  비정형 구간의 입체유닛패널 면적은 약3,500m2 였으며, 2주의  짧은 기간 내에  가장 시공하기 어려운 외장패널공사가 마무리 되었다.  따라서 비정형건축물의 외장공사에서는 이러한 Digital Fabrication Process를 어떻게 그리고 얼마나 잘  활용하느냐에 따라 프로젝트의 결과가 달라질 수 있다. 

3D Laser Scanning

3D Laser Scanning & 역설계 프로세스

6. 시공완료

 국내에서  현재 설계되고 있는 비정형 건축물의 대부분은 설계단계에서 디자인을 구현하기 위한 공법이나 내역들이 누락되고 있다. 비정형 건축물을 구현하기 하기 위해서는 가설계획, 장비계획, CNC가공에 의한 특수 제작방법에 따라 공사비, 시공품질 차이가 발생하게 되는데 설계단계에서부터 이러한 부분에 대해 충분한 검토가 필요하다.  다행히 세종정부종합청사 3-1 구역은 시공 초기 비정형 외장설계도면에 문제점들을 발견하고,  6개월간의 공법 설계와 검증을 통해 가장 효과적인 공법으로 공사가 진행될 수 있도록 하였다. 

이 프로젝트를 통해  비정형 입체 파라메트릭 파사드에  적합한 외벽시스템을 찾았으며,  다양한 방식으로 응용 가능할 것으로 생각한다. 

​시공 동영상

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