2014 삼성물산 비정형건축 세미나

비정형 건축물의 외피 최적화 설계 및 Digital Fabrication
2014. 5
2013. 추계학술발표 대회
디지털 건축연구소 위드웍스

- CONTENTS -
1. 디지털 건축연구소 WITHWORKS 소개
2. 비정형 건축의 과거 현재
3. Digital Fabrication을 위한 외피 최적화 (형상, 재료, 구조)
4. 비정형 건축물의 설계 최적화 사례검토
5. 비정형 건축물의 Digital Fabrication Process
6. 3차원 좌표제어 시스템
7. 비정형 건축물의 시공 사례(국내, 해외)
8. 비정형 건축물의 시공 불량 사례

PART1 디지털 건축연구소 WITHWORKS 소개

인천도시축전 기념관(Tri Bowl), 아이아크
인천공항입구 조형물, 피앤코
국립해양박물관, 정림건축
국립 생태체험관, 삼우설계 River Culture Pavilion, Asymptote
판교 알파돔 시티, DA+정림+건원
WITHWORKS 비정형 엔지니어링 PROCJECTS

WITHWORKS 비정형 엔지니어링 PROCJECTS
LH 진주 신사옥 비정형 부분, 무영건축
세종시 정부종합청사 3단계 1구역 건립공사, 토문건축
Christian Dior, Seoul
광교 호반 주상복합 아케이드, 호반건설
MBC 상암동 신사옥 판매시설, 현대산업개발
베트남 하롱베이 실내체육관, 삼우설계
서울대 원형공연장, 보이드건축

PART2 비정형 건축의 과거와 현재

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)
비정형 건축물의 과거와 현재

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
비정형 건축물의 과거와 현재

 형상 및 패턴이 자유로움
 다양한 외부 마감재
(금속, ETFE, GFRP, UHPC…)
 디지털 패브리케이션을 통한
제작 및 시공
Serpentine Sackler Gallery, London, 2013Mucem Museum, Marseille, 2013
Heydar Aliyev Cultural Center, Azserbaijan,2012 YAS Hotel, Abu Dhabi, UAEPhoenix International Media Center
Beijing, China, 2012
비정형 건축물의 과거와 현재 Shape & Material

METALGRP
GLASS
WOOD
ETFE
UHPC
비정형 건축물의 과거와 현재 Shape & Material

PART3 디지털 패브리케이션을 위한 최적화
(형상,구조 ,재료)

DESIGN ARCHITECT ASSOCIATE ENGINEERSTRUCTURAL 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
 디자인 구현 및 시공품질 확보 / 공기단축 /공사비 절감
디지털 패브리케이션을 위한 최적화(형상,구조 ,재료)

구 분 계획설계 단계 기본설계 단계 실시설계 단계 시공 단계
3D
APPLICATIONS
MAX, MAYA,
SKETCHUP,..
RHINO, CATIA,.. CATIA, RHINO,..
CATIA, DP,TEKLA,
NAVISWORKS,…
내용
[형태 디자인]
-비구조적,
비수학적
-Visualization우선
(Rendering and
Animation)
[비정형 설계 기준 설정]
지오메트리 최적화 및 컨트롤
1)비정형 곡면 분석에 의해 디자인
재구축 작업(1방향, 2방향, FLAT S
URFACE), X1, X2, X3
2)비정형 곡면에 유형 따른 재료검
토(CON’C, 금속패널, 쉬트….)
3)비정형 디자인 구축을 위한 구조
시스템 결정(MAIN, SUB STRUCTU
RE)
공사비, 시공품질과의 관계
종합 검토
[3차원 GEOMETRY 완성]
외부마감, 구조, 내부마감
1)외부마감: 비정형
곡면전개방법에 의한
디테일 및 재료 확정
2)구조: 외부마감과의
상관관계에 의한 구조
형식 및 단면형상 확정
3)내부마감: 내부 디자인 확정
에 따른 비정형 곡
면 디자인의 전개
방식 및 재료, 디테
일 확정
3D GEOMETRY 완성
[BIM모델 활용]
1)BIM모델을 이용하여
전문시공업체별 3차원
설계검토, 간섭체크
등 BIM 설계 관리
2)Geometry 통제 공법 체크
(RC, 철골, 마감 등)
3차원 시공도 작업에 의한
제작 및 시공을 원칙으로
함.
 비정형 설계단계별 3D APPLICATIONS

Surface Geometry Support Load Material Section Fitness Penalty
Best Solution
 Geometry Optimization의 정의 와 목적
1. 3D 비정형 곡면(2-Way Curvature)을 1방향 곡면이나 평면으로 세분화.
2. 공사비 절감, 공기단축, 시공 품질 확보

구분 외피 구조 시스템 외피 & 구조 일체화 시스템
외피구조지지 시스템과
주 구조체 시스템
외피구조시스템
+주 구조체 시스템
구조시스템
이미지
구조개요
외피 마감이 구조체가 되는 방식으
로 구조 시스템
(ex. 석조건축물, 성곽)
형상을 결정하는 패턴과 주요구조를 통
합는 구조 시스템 , Grid Shell
주요구조체(1차)와 마감을 위한 구조체
를 분리하는 구조 시스템(ex. 정형 건축
물의 패널 마감)
주요 구조체와 함께 외피마감이
구조재의 성능을 가지는 시스템
용도 석조, con’c shell 구조 비정형 건축물 정형건축물 막구조

[1방향 곡면 패널_U방향 곡면] [FLAT 패널]
 Geometry Optimization Process_ 외장재
• 1단계: 디자인 확정 (2방향 곡면)
• 2단계: 설계단계에서 최적화 진행
-재료, 디테일, 생산크기, 가공방법에 따른 사이즈 결정
-패널형태 결정(triangle, quad, hexa…), 재료 결정
• 3단계: 패널 곡면 유형 및 디테일 결정
-곡면유형: 1방향, 2방향, flat
- 디테일: 더블스킨, 오픈조인트 , 코킹방식…
- 3차원 좌표제어 공법 결정

Geometry Optimization
2-way Curvature Surface Planar Quad Surface
Planar Quad Surface Joint
Design Surface Geometry Optimization-1
Planar Quad Mesh
Geometry Optimization-2

QUAD Pattern Trangle+Diagonla Pattern Trangle Pattern

study model_ Planar quad

 PQ 메쉬에 의한 2방향 곡면 최적화

 평면 패널
 1방향 곡면패널
 2방향 곡면패널
디지털 패브리케이션을 위한 최적화(형상,구조 ,재료) 비정형 곡면

폴딩 형상 : 외피, 구조 모두 하나의 꼭지점
을 만들 경우 서로간 거리가 일정하지 않음.
Imperial War Museum, London
디지털 패브리케이션을 위한 최적화(형상,구조 ,재료) FOLDING

외피 기준에서 구조 기준 설정_꼭지점 기준: 외피
외피면 구조 중심면외피+구조면
구조 Wire Frame
외피기준에서 일정한 거리 값을 같는 구조체를 형성할 경우 마감 꼭
지점 1개에 대하여 구조 절점이 2개 생성됨

구조 기준에서 외피기준 설정_꼭지점 기준: 구조
Geometry Optimization
구조 맞출 경우 외피에 다수의 꼭지점이 생성됨
외피면구조 중심면외피+구조면
FOLDING

Akron Art Museum, Coop Himmelb(l)au

PART4 비정형 곡면의 설계 최적화

•설계자: Jerde Partnership
International,Inc.
•준공년도: 2007
•Atrium Glass Roof Steel 시공:
Waagner Biro AG
•유리: Flat Glass, 4788장
•유리면적:10,240 m2
•곡면유형: 2방향 곡면
•최적화: Triangle Pattern
•디테일: 스틸 커튼월+Node Joint
• 2300개의 접합부 node, 7123개의
각파이프 부재가 사용됨
• 스틸 구조체: 100x200mm 각파이
프 사용 됨. (각파이프 두께가
5~17.5mm로 다양함)
비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass TRIANGLE
 Zlote Tarasy

Fabrication
• 공장에서 BLOCK 단위로 제작 후 현장 설치
• 파이프 가공: CNC 레이저 가공
비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

디테일 및 구조 지오메트리
목업 및 구조 실험, 웰딩 테스트를 통하여 및
연결부 조인트 부재에 대한 검증이 진행 되었
음.
부재의 중심으로 구조 설계되었지만 시공 도
면 작업과정에서 중심으로 할 경우 NODE에
각파이프가 모일 때 만나는 위치가 달라져 유
리 시공이 되지 않기 때문에 유리면을 기준으
로 다시 외피 기준을 수정하여 시공 함.
Curtain Wall비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

GEOMETRY
비정형 곡면을 사각형으로 분할 할 경우 4개
의 꼭지점은 동일한 평면 위에 놓이질 않는다.
특히 유리의 경우는 평면유리로 할 경우 4개
중 1개의 꼭지점에서 커튼월 바와 간격이 생
기게 되고 ,인접한 유리와도 간격이 생기기
때문에 삼각형으로 분할하여 시공하고 있음.
하지만 커튼월바 연결부가 복잡하고 부재 물
량의 증가와 유리의 로스율이 높아지는 단점
이 있다.
GLASS
복층유리로 외부는 8mm강화유리 Low-E 코팅, 공
기층 16mm, 내부는 12mm접합유리(6mm+6mm), 로
시공 되어 있음.

 아산정책 연구원
•설계자: ㈜아이아크건축사사무소
•시공사: 현대건설
•준공년도: 2010
•유리: 12mm 강화유리
•디테일: 메인 구조일체형
TRIANGLE비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

Detail
• 최적화가 완벽하게 되지 않음
각도에 따른 디테일 미흡
• 제작 및 시공과정에서 오차발생

 30 ST MARY AXE
•설계자: Norman Foster
•준공년도: 2004
•곡면유형: 2방향곡면
•최적화: Triangle + Diagonal
Pattern으로 곡면 최적화
•구조모듈과 외장모듈의 관계성이 고려됨
TRIANGLE+
DIAGONAL

Capital Gate, Abu Dhabi, 2007~2011
18도 경사(서쪽)

 Admirant Entrance Building, Netherlands, 2010
Architect: Fuksas

곡면의 완성도 떨어짐
(시공의 문제가 아니라 설계단계
에서 곡률과 모듈을 통합 검토하
지 않을 경우 발생하는 문제점)

 MY ZEIL, Germany
NODE SHELL 공법비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

구분 Splice Node Connection
End-Face Node Connection
(볼트형)
End-Face Node Connection
(용접형)
상 세
특 징
• 부재와 노드를 이음재로 연결
• 볼트 접합
• 노드와 부재 접합면이 수직
• 볼트접합
• CNC 가공 별모양 노드부재
• 용접접합
적용사례
DZ BANK. Berlin Trade Fair Station. Milan The British Museum. London
 Joint Node System (Steel + Glass System)

•설계자: Renzo Piano
•준공년도: 2005
•규모: 130m x 34m 높이
•유리: 6500장
•구조: GLULAM 구조
•최적화 유형: Quad & Flat
공사비와 시공적인 이유로 곡면유리로 시
공되지 않고 한 평면 내에서 4개의 꼭지점
이 형성 될 수 있도록 하였고, 6mm 오차
범위 내에서 시공이 되도록 전체 3차원 최
적화 설계를 통해 이루어 졌다.
 Peek & Cloppengurg
QUAD+FLAT비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

수평재: 원형파이프, 수직재: 각 파이프

•설계자: Forster and Partners
•준공년도: 2004
•용도: 문화집회시설, 공연장
•최적화: Quad & Flat
*유리의 장변 방향의 결정은 곡률과 관계됨
 Sage Gateshead
QUAD+FLAT비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

•GLASS: 2-WAY CURVED SURFACE+
FLAT SRUFACE
•구조: 철골구조
출입구 부분의 비정형 유리모듈은 단면 수직 높이는
일정하지만 모듈별로 형태는 각각 다르게 적용된 이
중곡면 유리가 사용됨.
 북경 천문관
2-WAY CURVED, QUAD비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Glass

•설계: ZAHA HADID
•최적화: 2방향 곡면
Polyethylene(PE) 연결재에 이방향 곡면유리
를 고정하는 디테일로 시공되었으며, PE 연
결재는 CNC 가공에 의해 제작되었다.
 Nordpark Cable Railway

 EMPORIA
•최적화: 2방향 곡면

 최적화 설계 안됨(구조, 지오메트리)

 새빛 둥둥
 인천아시안게임 ,
계양경기장
 비정형 곡면을 일부만 평면화로 변
경할 때 발생( 평면으로 유리간의
gap이 발생하므로 어쩔수 없이 유리
를 나눠야 함)

Stata Center
Guggenheim-bilbao
비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Panel 1-WAY CURVED
SURFACE
•곡면유형: 1-WAY CURVED SURFACE
•마감재: 1.0T 이하 금속 평이음

비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Panel
•마감재: 1.0T 이하 금속 평이음
•평이음: 2방향 곡면의 곡률이 심한 형상에는
적합하지 않음

 King’s Cross Station
The German National Library
비정형 곡면의 설계 최적화 _ Curtain Wall & Panel TRIANGLE
•곡면유형: 2-WAY CURVED
SURFACE
•최적화: Triangle
•마감재: 3.0T 금속 쉬트 패널
(4T, 6T 복합패널)

DZ BANK, BERLIN
1방향 곡면패널 적용
Stralsund,Baustelle Ozeaneum
BMW WELT
SURFACEC

Sage GateHead
BENZ MUSEUM
SURFACE

DZ BANK, BERLIN
SURFACE
•마감재: 금속 쉬트 패널
•곡률이 심하거나 조형물, 상징적인 곳 이외에는 대부분 공사비 문제로
적용하고 있지 않음(Triangle, Flat Quad+오픈조인트로 최적화 진행)

구분 거푸집공법
(CNC Section Form)
거푸집공법
(Unit Form )
무거푸집 공법
(트러스월 공법)
이미지
특징
CNC 가공된 SECTION FORM을 설
치하여 지오메트리를 형성하는 방
법
비정형 부분을 유닛으로 조닝하여
입체 목재 거푸집을 제작하여 조립
하는 공법
철근 단면을 비정형단면 형태
에 맞게 가공하여 설치하는 공
법
장단점
가장 보편적으로 비정형 CON’C를
시공할 수 있는 방법이나 CNC가공
된 SECION FORM을 재활용 할 수
없으므로 경제적이지 못함.
평면 슬라브 비정형은 가능하나 단
면에 의한 비정형 구현에는 제작비
가 높아져 경제성이 없음
규모가 크거나 복잡한 비정형
형태는 시공성, 경제성이 없음.
시공사례
Meiso-no-mori 장례식장(Ito Toyo) 벤츠박물관(UN STUDIO)
EPFL LEARNING CENTER(SANAA)
光妙 교회
Taichung Metropolitan
Opera House(Ito Toyo)
비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C

 철근 TRUSS WALL 공법
철근 트러스 월의 구성
- 현장에서 철근을 용접 가공하여 트러스 형태로 구축한 후 철망 거푸집 사이에 콘크리트 타설
- 현장에서 직접 조립되기 때문에 전체 지오메트리 관리가 쉽지 않고 시공오차가 다소 크게 발생
(a) 철근 용접 (b) 철근트러스 조립
(c) 콘크리트 1차 타설 (d) 콘크리트 2차 타설
철근 트러스 월 공법 (인천 엑스포 기념관, 2010)
비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C 무거푸 거푸집

 CNC SECTION 목재 거푸집 공법
- 3D 디지털 모델에서 추출된 수치 값으로 목재를 CNC 가공하여 거푸집 제작
- 최근 가장 보편적인 비정형 콘크리트 시공법. 그러나 CNC 가공된 섹션 거푸집은 전용이 불가
(a) 섹션 거푸집 설치 (b) 하부 목재 거푸집 설치 (c) 철근 배근
Meiso no Mori Funeral Hall, apan, 2006
(d) 콘크리트 타설 (e) 콘크리트 양생 (f) 마감 공법
비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C 목재거푸집

 CNC SECTION 목재 거푸집 공법

[구조 3차원 모델 ]
세명대학교 정문
인천도시축전 기념관
스틸 각파이프 벤딩 Geomtry Control 가설틀 제작, @600
@500x500 스틸 파이프로 가설재 기둥을 세우고 다시 철근
으로 형태를 연결시켜 Geometry Control

[거푸집 공법을 통한 지오메트리 통제 사례 ]
벤츠 박물관, UNSTUDIO
-UNIT FORM

- 대부분의 비정형 프로젝트들은 보편화된 시공법으로 적용하기 어려워, 프로젝트 그 자체에 의존적인
시공법을 개발하여 적용하는 경우가 대부분
- House of Music and Music Theatre(UNStudio, 2008)는 기존 공법들을 응용하여 적용한 사례
 EPS 거푸집 공법+철골구조 형상제어 공법
(a) 철골 구조체 설치 (c) 철근 배근
(d) 콘크리트 타설/양생 (f) 인테리어 마감
(b) EPS 거푸집 설치
(e) 콘크리트 미장마감
비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C EPS 거푸집

비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C
•거푸집: 철제 거푸집
•거푸집 제작기간이 길고 제작비가 고가임
스틸거푸집

4
- CNC milling 장비를 이용하여 3D 디지털 모델을 넘겨받아 비정형 곡면으로 EPS(Expanded
polystyrene)을 성형하여 거푸집으로 사용하는 공법
- 국내의 경우 CNC milling 장비가 고가이고, 대형 비정형 프로젝트에 적용 가능한 성능을 가진 장
비가 없어 비활성화
 EPS 거푸집 공법+PC공법
(a) CNC 장비를 이용하여 성형 (b 곡면 거푸집 완성
Neuer Zollhof Building(Germany, 1999) (c) 철근 배근 및 콘크리트 타설 (d) 콘크리트 패널 완성
비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C PC공법

Phaeno Science Center,
Zaha Hadid
PC공법비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C

Phaeno Science Center, Zaha Hadid
PC패널+ 철골구조
PATTERNING:
PC패널+ 철골구조
거푸집 공법
슬라브 PATTERNIGN:
거푸집 공법
PC공법비정형 곡면의 형상 최적화 _ CON’C

 원안분석
상하 비대칭 상하 대칭으로 구성
비정형 곡면의 형상 최적화 _ 0 0 프로젝트 사례

 원안분석 및 수정안(전문시공업체)
점선구간내 10mm이상의 tolerance가 발생

 대안 검토를 위한 공차 체크
원안보다 더 많은 패널이 10mm이상의
tolerance 값이 발생
전체 패널수 161 장(약 1600x2300mm)

 대안분석-1
패널수를 300장으로 잘게 나누었을때 원안
보다 작은 영역이 10mm내외의 tolerance값
을 가짐(약 1250x1400)
 대안분석-2
패널수를 672장으로 잘게 나누었을때 전체가
10mm내외의 tolerance값을 가짐(약 860x900)
 유리 모듈 조정에 의해 삼각형 유리가 줄어듦

PART5 비정형 건축물의 Digital Fabrication Process

1. 비정형 Digital Engineering Process
피드백
Digital Optimization
BIM Fabrication
1단계
1. 원 설계 마감면 _ 분석
2. 마감면 _ 지오메트리 최적화
3. 공정별 최적화 면 활용
1. 원 설계 하부구조 _ 분석
2. 하부구조 설계 _ 수치제어공법
준공 BIM 모델4단계
1. 준공 _ BIM 모델 완성
2. 유지관리 BIM 모델로 활용
현장 Mock-Up3단계
1. 제작용 3차원 모델
2. 현장 목업
3. 디테일 및 오류수정
4. 공정별 간섭 체크
시공 BIM 모델
업데이트
1. 현장 목업 결과 반영
2. 시공 BIM 모델 업데이트
Digital Mock-Up
BIM 모델 구축
2단계
1. 디지털 목업 _ 가상 시공
2. 구조 검토 _ 부재사이즈 결정
3. 구조 목업 _ 디테일/오류 수정
1. 구조 목업 결과 반영
2. BIM 모델 구축
 Digital Fabrication Process
Digital Engineering Process에 의한 완
성도 높은 건축물 실현

 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 Fabrication의 활용
비정형 건축물의 Digital Fabrication Process
*CNC (Computerized Numerical Control)

 복합패널 CNC 가공 및 제작 PROCESS
AL. 복합패널 가공공장 반입
가공 후 재료 폐기
(재료 손실: 약20~25%)
CNC 가공판 제작(리벳, AL 몰딩 작업) 패킹 및 현장 반입
CNC 라우팅 가공 CNC 라우팅 후 정리

아노다이징 AL. 쉬트 패널 제작과정
AL. 쉬트 원판(50계열) AL. 쉬트 NCT 가공 패널 제작 부재 마킹
패널 용접 패널 제작 완성 아노다이징 처리

가공
조립
현장 설치
아리수 홍보관, 2009

1. CNC LASER CUTTING 2. Part components cutted by CNC
4. Assembly using tenon connections 5. Welding for CNC Curved Tube 6. Production
3. Sorting for Assembly
CNC 레이저 가공에 의한 Twist 구조부재 제작

 목재의 CNC 가공
DDP 내부 천정 Mock-Up

 각파이프는 2방향 곡면에서 곡률에 직각으로 면해서 벤딩 되지 않음
(구,타원체). 1방향 곡면에서만 벤딩 가능 함(원통)
(목재는 CNC가공에 의해 제작가능)
 원형 파이프는 1,2방향 곡면모두 벤딩 가능
[TOP VIEW]
2방향 곡면 위에 각파이 벤딩할 경우 : 꼬임현상
발생하여 제작 불가

금강대학교 원각학술 정보관, 2005
 SUB STRUCTURE UNIT SYSTEM(CNC 레이저 가공), TENON JOINT SYSTEM 적용(기존 각파이프 설계에서 변경)

▣ 비정형 패널의 국내 시공 사례_ CNC 정밀 가공 및 제작, 시공
인천 세계도시축전 기념관(Tri Bowl, 2010) 4대강 대표 물 문화관 (The ARC, 2012)
동대문 디자인 플라자, 2014상암동 MBC 신사옥, 2013

▣ 비정형 패널의 해외 시공 사례_ CNC 정밀 가공 및 제작, 시공
Heydar Aliyev Cultural Center
The German National Library
ZAYED UNIVERSITY

PART7 3차원 좌표제어 공법

비정형 건축물의 3차원 좌표제어 공법
 Space Frame 공법
•Space Frame: 경량으로 대공간을 형성하기 위해서 만
들어진 공법을 응용함.
•복층: 곡률이나 스팬의 비정형일 경우 불합리 함.
•단층: 원파이프를 사용하기 때문에 지점이 길어 질 경우
구조 성능상 불합리함.
•내부 마감재 노출 못함, 입면 패턴 및 곡률에 따라 제한
이 있음

 CNC T- BAR 공법_ 평이음 마감
천장 마감: 인터락킹 시스템
`
100 mm
150mm
서천 생태원 생태체험관

 CNC T- BAR 공법_ 곡면 쉬트 패널 마감
The ARC, 대구
MBC 상암동 신사옥 입면 모듈에 상관없음
 내부 데크 마감재 노출 가능
 하지 물량 최소화

 CNC Twisted Tube 공법

5
 CNC Twisted Tube 적용 사례
북경 올림픽경기장
ZAYED UNIVERSITY, Abu Dhabi

The ARC, 대구
MBC 상암동 신사옥

• Node Connection
(정밀주조)
• 스틸 파이프
(CNC 레이저 가공)
• Assembly
(용접)
 Tenon Node Joint System
• 자유 곡면의 단층 Grid Shell 구축을 위한 Node
Detail (Steel & Glass Design)
• Tenon Joint를 통해 3차원 좌표의 정밀 시공 가능

 Tenon Node Joint System 적용사례
The ARC, 대구

 마감재 형상 제어가 안될 경우 발생현상
•곡면의 curvature 연속성 없음.
•시공품질이 불량하고 하자의 원인이 됨

PART6 비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공사례

•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
•마감: 링클수지강판 쉬트 마감(평이음, 리브루프)
▣ ECORIUM(국립생태원 생태체험관)
비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

▣ 지붕 형상 및 설계 검토
• 일정한 곡률 없음
• 기존 현장설치 시공공법
으로 시공 시 가설비용
증가, 시공품질 확보 불
가능 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
150mm
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

리브루프마감_0.5T 링클수지 강판

•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
•높이: 19.8m
•마감: ETFE + AL.PANEL
▣ The ARC

▣ 시공 공정표

▣ 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

▣ 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),
내부 건축+RC(Revit)
Shell Structure(CATIA) Sub Structure(CATIA)
Fabrication Modelling
Management(Navisworks)
Upstands & ETFE (Germany) CNC DATA(Autocad)

1. CNC LASER CUTTING 2. Part components cutted by CNC
4. Assembly using tenon connections 5. Welding for CNC Curved Tube 6. Production
3. Sorting for Assembly

현장반입 Guide Beam 시공 Shell Structure 조립
ETFE 설치
▣ Digital Fabrication & Construction (Shell & Sub Structure)
Sub Structure 조립Roof Structure 조립

가설 벤트 설치
▣ Shell & Sub Structure 시공
Shell+Sub Structure+Upstands AL. Extrusion Profile 설치

▣ Roof AL. Panel 시공

© MakMax
▣ 최종 공사 완료

구조 해석: 설계는 보통 일정한 영역만 진행됨.
시공 시 반드시 정확한 모델링에 의한 구조계산 및 재검토
요망됨(추가: 구조보강 범위 설정)
외피 Surface 재 구축:
GEOMETRY WIREFRAME
외피 Surface 재 구축:
모든 구간의 유리가 평면화
되도록 Planar surface 로 재
구축
▣ 국립해양박물관

•Surface Modelling_glass &
panel
•Mullion & Transom •Steel Structure + Curtain Wall
•Output: CNC 레이저 가공도 •Output: Spread sheet
 STEEL CURTAIN WALL 최적화 PROCESS

Raico사의 그레이징 시스템
 2D 상세도

 2D 단면 상세도_콘크리트 연결부
모델링 기준
모든 위치에서 디테일이
달라짐

철골 구조체와의 고정을 위한 파스너: 각도 및 시공오
차를 흡수하도록 하여함
 2D 단면 상세도_철골기둥 연결부

접합부 디테일 변경: 다양한 각도, 시공오차 흡수
가능한 디테일로 변경, 관절이음 방법
구조 재 검토
 철골 시공 오차 고려한 디테일 적용
 FABRICATION을 위한 BIM 모델 구축

유리 전면 재 재작: 앞뒤 바뀜
멀리언 바 설치 시 경사도 시공 방법 검토 되어야 함.
 MOCK UP TEST

•3D 모델링 및 디테일 완성(테크라 모델링 반영) •접합부 디테일 및 NC 가공 SHOP 완성
•다양한 접합부 발생
•3D 제작 모델링, 제작부재, 현장과의 시공오차 체크
 현장 설치

트러스 하단 부재와 멀리언 부재간섭
(철골 SHOP시 검토부족)
PANEL 공사: 3차원 설계 능력 부족으로 CURTAIN
WALL 공사와 협업이 이루어 지지 못함.
MAIN 시공업체에서 BIM 설계 모델 관리 필요.
(각 공종별 COORDINATION 필요)
 현장 설치 및 문제점 체크

▣ MBC 상암동 신사옥

▣ 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 Structure
의 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

1방향 곡면 패널 실내 천장

▣ 최종 공사 완료

•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 AL
패널 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 & 창호공사STEP1_Sub Structure 설치

▣ 브릿지구간 AL. 패널 유닛 시공 공법
STEP1_입체 Sub Structure 제작 STEP2_전면부 패널설치 STEP3_유닛 인양 및 설치
STEP4_유닛 설치STEP5_내부 마감 패널 설치
3D 스캔 통한
철골 측량

기존 설계
대안 공법
▣ 1차 Mock Up(비정형 구간)

▣ 기존 와플 패널 시스템 1:1 목업 검토
 SUB STRUCTURE 구조 안전성 확보 불가
 제작 및 시공오차 심함( 5mm 이상 오차 발생 부위
28개소 중 19개소 )
 와플 꼭지점 부위 틈 발생, 누수의 원인이 됨
 패널재질: 4.0T 복합패널

목업 판넬 검측 리포트(기존 설계 )
1. 수직 수평 치수
NO 모델링 수치 목업 비 교 NO 모델링 수치 목업 비 교
1-1 2006.5 2010.0 -3.5 2-1 2024.6 2033.0 -8.5
1-2 3086.8 3080.0 6.8 2-2 2972.6 2960.0 12.6
1-3 2024.6 2033.0 -8.4 2-3 2059.8 2060.0 -0.2
1-4 3096.4 3090.0 6.4 2-4 2975.7 2985.0 -9.3
1-5 1457.0 1455.0 2.0 2-5 1472.9 1465.0 7.9
1-6 1706.0 1710.0 -4.0 2-6 1679.4 1680.0 -0.7
1-7 1464.6 1445.0 19.6 2-7 1488.1 1470.0 18.1
1-8 1712.7 1714.0 -1.3 2-8 1678.0 1710.0 -32.0
2. 대각선 치수
NO 모델링 수치 목업 비 교 NO 모델링 수치 목업 비 교
1a-1 3723.0 3710.0 13.0 2a-1 3602.0 3605.0 -3.0
1a-2 3655.0 3658.0 -3.0 2a-2 3610.0 3622.0 -12.0
1a-3 836.0 820.0 16.0 2a-3 825.0 815.0 10.0
1a-4 824.0 835.0 -11.0 2a-4 783.0 790.0 -7.0
1a-5 822.0 820.0 2.0 2a-5 798.0 790.0 8.0
1a-6 873.0 883.0 -10.0 2a-6 868.0 885.0 -17.0
3. 검측 오차 분석
5mm 이상 제작 및 시공오차 : 19개소(28개소중)
▣ 기존 와플 패널시스템 1:1 목업 검측 리포트
 시공오차가 많이 발생하여 향
후 시공하자의 원인이 됨.
 최종검토결과: NG

 당초 : 3T AL SHEET 샘플시공
 다양한 각도에 맞게 제작 불가

 AL쉬트 절곡 후 리벳조임
리벳 리벳
대안 [ AL. 복합판넬 ]당초 [ AL. 쉬트 ]
쉬트의 강성으로 인해 현장에서 각도
조절이 불가함 (품질,작업성저하)
복합판넬 정확한 각도조절가능
 복합판넬 절곡 후 리벳조임
정밀성이 떨어짐
▣ AL 쉬트, 복합판넬 절곡

▣ 2차 Mock Up(정형 구간)

▣ 현장 Sub Structure 공사

 기존 와플 패널시스템 1:1 목업 검토
 SUB STRUCTURE 구조 안전성 확보 불가
 제작 및 시공오차 심함( 5mm 이상 오차 발생 부위
28개소 중 19개소 )
 와플 꼭지점 부위 틈 발생, 누수의 원인이 됨

 변경 와플 패널시스템 1:1 목업 검토
 하지틀 제작시 가이드 플레이트 적용
 입체 하지틀 적용
 1개 모듈을 유닛으로 제작 설치함
 오픈 조인트 패널 구현으로
수직 수평 만나는 부위 틈새 문제 해결함
 입체 하지틀 및 차수벽체 설치후 3D 스캔 진행/ 비정
형 유닛 판넬 제작

경사 멀리언 시공을 위한 가이드 플레이트 설
치 (비정형 구간)
가이드 플레이트 적용

 Cone 형태 패널 가공 및 설치

▣ LH 진주 신사옥
LH 신사옥 기술제안

기존: 스페이스 프레임구조 변경: CNC TWISTED STEEL TUBE 구조
CNC TWISTED STEEL
TUBE 부재 설치
CNC TWISTED STEEL TUBE
TRUSS 설치
기존: 스페이스 프레임구조
LH 신사옥 기술제안
 CNC Twisted & Curved Tube

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
CNC. Curved Tube_ 부재 조립도
LH 신사옥 기술제안비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

1. CNC. Twisted & Curved Tube Structure 2. 데크 플레이트 설치
3. 단열재 시공 4. OSB 시공
비정형 곡면 지붕 시공 PROCESS

5. 방수 공사 및 AL. 패널 고정 브라켓 설치 6. AL. 패널 설치

 영월체육관, 2011
M Deck + Form Plate 상세
Sub Structure + M Deck M Deck(유공) M Deck + Form Plate
Form Plate
M Deck
영월 체육관비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

 시공 PROCESS-1
영월 체육관
천창

 시공 PROCESS-2
영월 체육관
 구조성능실험

광주과학관비정형 건축물 시공 및 엔지니어링 사례
광주 과학관, 2011
철골공사 퍼린 및 데크설치
퍼린 및 데크설치 하지

광주과학관비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

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
•높이: 18.75m
•구조: 철근콘크리트구조(포스트텐션)+철골트러스구조, 역쉘구조
•마감: AL.아노다이징 + 콘크리트 표면처리
▣ Tri Bowl

DRAWING비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

SHELL CON’C GEOMETRY
CON’C 공사
2방향 곡면(노출)
2방향 곡면(노출)
1방향 곡면(비노출, 패널 마감)
각 쉘 마다 시공을 위한 48EA 단면 Geometry 정의(7.5도)
시공 및 검측 기준,
@높이 3m

11
(a) 트러스 월 공법 (b) 가설철골 공법 (c) T형 철골 공법 (d) 스틸 거푸집 공법 (e) CNC 목재거푸집공법
 시공 전 검토공법
 적용 공법

@200간격으로 철근 형상 가공후 현장 조립
무거푸집으로 콘크리트 타설
(메쉬, 메탈라스, 망 보강)
 TRUSS WALL 공법 목업_1 차 목업
CON’C 공사비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

코어별 48EA 지오메트리 단면에 의한
트러스 제작 후 설치

중앙부 @500X@500 스틸 각파이프
지오메트리 프레임 설치

CON’C 공사
Panel 마감부분: 무거푸집 공법 Con’c 마감부분: 거푸집 공법
CON’C SHELL GEOMETRY 기준

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)

3D MODELLING & OPTIMIZATION
[패널 디자인3_최종확정] [패널 전개도]
[기존설계 상세도] [변경 상세도] [패널 제작 개념]
CNC 제작 가능한 최대
크기로 Paneling하여
Panel 제작 개수를 최소
화 함
사선곡률적용
(1방향)
Sub structure
(segment)
외장 PANEL비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례

MOCK UP
[1차 MOCK UP_3차원 설계 전] [2차 MOCK UP]
외장 PANEL비정형 프로젝트: 인천 도시축전 기념관(Tri Bowl)

수평줄눈: 20mm
수직줄눈: 15mm
외장 PANEL
하지: Segment(flat)
패널: 1방향 곡면

건식 평 지붕 공사
외장 PANEL
트러스 설계변경: 수직 수평 트러스 개념에서 사선 트러스 개념으로 변경
콘크리트 쉘 링 빔 + 철골 디테일
지붕 배수 시스템 및 디테일 : 재 검토 후 설계 변경

ROOF
엠베드 플레이트
우수용 배수 설비
포스트 텐션 정착구

Tri Bowl
 시공 PROCESS

Chanel Mobile Art Pavilion
Zaha Hadid, 2006
Tokyo, Hong Kong, New York, London
Paris, Moscow
비정형 건축물의 BIM 설계 엔지니어링 및 시공 사례 Chanel Pavilion

내부 마감 Geometry 합판 폼 설치(CNC가공)

King’s Cross Station, London, 2011

ZAYED UNIVERSITY, Abu Dhabi

Phoenix International Media Center, Beijing

Interior
The Burj Khalifa Ceiling
Project team Skidmore Owings and Merrill (SOM), Imperial Woodworking
Company (IWA), ICON Integrated Construction, and Gehry
Technologies/New York (GT)
Architect Skidmore Owings and Merrill (SOM)
Location Dubai, UAE
Status Complete
Materials Maple veneer, MDF core
Process CATIA/Digital Project Knowledgeware, study of material bending
limits, automated veneer sorting, unitized panel fabrication and
installation
공장제작

PART8 비정형 건축물의 시공불량 사례

인천 남동 문화예술회관, 2011
 설계단계: 재료, 곡률에 대한 최적화 설계 부족, 곡
면 형상제어 공법 없음
시공단계: BIM 모델 활용 및 검토 부족
(Geometry 통제 안됨)
비정형 건축물의 시공 불량 사례

피스 보강시공
곡면부 면꺽임
THK. 0.8 이리듐 SHEET (평이음)

아산정책연구소, 2010
[2방향 곡면]
[Flat Surface, Wireframe]
[Flat Surface, Joint Detail]

인천도시축전 기념관
*등고 라인 적용하여 각 파이프 제작
*내부 마감재 변경: 인조대리석에서 미송 목재
(설계: 지오메트리 도면 및 디테일
검토 부족, 시공비 상승)

패널은 곡면, 두겁은 직선 시공 상황 곡면패널 R: 최대 48m
두겁 재시공 3차원 모델을 통한 레이저 가공
세그먼트 시공으로 철거 후
곡면 두겁으로 재 시공

부산 영화의 전당비정형 건축물의 시공 불량 사례

 2014 인천아시안 게임, 계양경기장
패널과 커튼월이 만나는 부분에 경계
정확한 경계 기준이 없거나 시공오차가 많이 발생할 경우
시공 품질 저하의 원인이 됨
곡면형상제어
-곡면형상제어 안됨, 시공오차 심할 때 곡면 평활도 떨어짐

 곡면 구현 안됨, 시공품질
조잡함, 오픈 조인트 폭 일
정하지 않음
 비정형 형상제어를 위한 공
법 적용이 적용안 됨
 2014 인천아시안 게임, 십정경기장

▣ 비정형 패널의 국내 시공하자 사례, 충남도청
 곡면 구현 안되었음(세그먼트 처리)
 3차원 제작 설계 및 CNC 정밀 가공 안됨
 기존 정형 평면 패널 시공 일위대가가 적용 됨

▣ 북서울 꿈의 숲 전망대

THE END
디지털 건축연구소 WITHWORKS

2014 삼성물산 비정형건축 세미나

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