광교갤러리아 | withworks | DfMA

Gwanggyo Galleria

Architects :
시공사 :
발주처 :
위치 :
연면적 :
규모 :
최고높이
외장재 :
DfMA 공법 :

OMA + 간삼

(주)한화건설

한화갤러리아

경기도 수원시 영통구 광교중앙로 124

136,141.64m2

지하7층, 지상12층

74.95m

T41.52 로이복층유리, 대리석

스마트노드 시스템

(스마트노드 수량:647개)

Design Review

광교갤러리아 백화점의 파사드는 보석이 박혀 있는 듯한 매우 독특하고, 비정형 다면체 유리면의 입체적인 형상이다.

모든 유리면은 불규칙한 각도로 서로 만나야 하므로 기존 공법으로는 요구하는 품질을 만족하기 힘들며 설계의도를 구현하기 위해서는 매우 혁신적인 새로운 건축기술이 요구되었다.

유리 내각이 10도 이내, 한 연결점에서 유리를 지지하는 프레임 부재수가 6개 이상, 유리간 꺽임각이 ±90도 등의 조건을 만족시킬수 있는 솔루션이 필요하였다

광교갤러리아 백화점의 비정형 파사드는 기존 공법으로는 설계의도 구현이 불가능하여 3D 프린팅 기술을 활용하여 다양한 형상의 노드들을 제작, 시공하여 짧은 공기 내에 완벽한 품질로 설계의도를 구현한 3D 프린팅 기술이 적용된 건축물이다.

비정형 다면체 지오메트리 중심축 불일치

비정형 다면체의 구조부재 연결부를 시공하기 위해서는 구조부재의 중심축일 일치시켜야 하는데, 이를 위해 마감면에서 일정한 거리로 내측으로 평행한 면을 생성하게 되면 한 점에 꼭지점이 생성되지 않는 다면체 꼭지점 탈락 현상이 발생한다. 이때 임의의 내측 꼭지점을 설정하여 구조 중심점과 중심선을 만들게 되는데 유리간 꺽임각이 심한 다면체일수록 외장재 마감 중심선과 구조 중심선이 평행하게 되지 않고 마감의 지점간 거리가 각각의 위치마다 다르게 되어 비정형 마감재의 선제작이 불가능하게 된다.

또한 현장실측에 의존해서 마감재를 제작해야 하므로 시공품질이 낮아지거나 공기가 지연 될 수 있다. 구조중심축과 마감중심축의 불일치 정형건축물 파사드나 비정형곡면 파사드에서는 구조중심선과 마감중심선이 일치하게 되어 이러한 문제가 발생하지 않지만, 광교갤러리아 백화점과 같은 비정형 다면체에서는 이런 문제가 발생하게 되는데, 유리간의 꺽임 각도변화가 작을 때는 연결 디테일에서 지오메트리에서 발생하는 오차를 흡수할 수 있지만 유리간 각도변화가 심할 경우 디테일에서 조정할 수 있는 한계를 넘어서게 된다.

특히 중심축이 어긋날 경우 시공오차로 인하여 현장실측으로 모든 비정형 유리를 제작, 시공해야 하는데 이로 인해 시공품질 불량, 재 시공, 누수하자등이 발생할 수 있고, 내부에서도 브라켓 연결부들이 노출되기 때문에 시공품질이 매우 낮아 보이게 된다. 광교갤러리아 백화점은 비정형 파사드 내측 시공품질이 중요했기 때문에 중심축이 일치 될 수 있는 공법이 반드시 필요하였다

원설계 디테일( 볼노드)

비정형 다면체의 중심축 일치

광교갤러리아 백화점은 구조프레임에 유리를 직접 고정해야 했기 때문에 한점에 꼭지점을 만들고 꼭지점을 연결하는 부재는 유리중심축과 일치시킬 수 있는 공법이 반드시 필요했다. 약 4,600m2의 비정형 유리를 현장실측 없이 3D 설계 기준으로 공장에서 가공하여 현장조립하는 DfMA (Design for Manufacturing and Assembly) 프로세스를 적용하여야만 공기단축 및 시공품질 확보가 가능할 것으로 판단하였다.

광교갤러리아의 비정형 파사드는 계단, 에스컬레이트등 이동 동선을 따라서 외부로 시선을 유도하는 역할을 하기 때문에 내부에서의 시공 품질 확보가 매우 중요했고, 원설계 공법(볼노드)을 적용할 경우 시공품질 확보가 불가능할 것으로 판단하였기 때문에 마감과 구조의 중심축을 일치시킬 수 있는 대안 공법이 반드시 필요하였다

구조중심축과 마감 중심축의 일치

유리면의 각도 분석

대안 공법 검토

1. 밀링노드

대안 노드공법을 찾기 위하여 해외에서 많이 적용하고 있는 플레이트형 노드 과 밀링형 노드를 제작하여 제작성능, 제작기간, 생산성, 시공성 등을 검토하였고, 4개의 부재접합의 정확한 3D 각도를 가공하기 위해서는 CNC 밀링방식이 가장 유리했다.

그런데 CNC 밀링방식으로 노드를 제작해 본 결과 재료 낭비 및 제작기간이 오래 걸렸다. 원소재 100kg를 가공하여 약 40kg의 노드를 생산할 수 있었고, CNC 가공기간이 약 5일로 제조기간과 제조 원가가 높아서 매우 비효율적인 가공 방식 임을 확인할 수 있었다

구조적으로 노드 전체가 솔리드로 채워질 필요는 없었지만 내부를 가공하는데 추가적인 기간과 비용이 발생할 수 있어서 솔리드한 노드를 대안 검토용으로 제작하였다.

4개 부재접합부는 수량은 22% 정도였고 5~8개의 부재 접합부 노드가 대부분이었고 위치와 노드점 접합부의 부재수에 따라 노드 크기가 상당히 커져야 했으므로 밀링가공 방법으로 노드를 제작하는 것은 현실적으로 불가능한 것임을 확인할 수 있었다.

밀링노드

2. 주조노드

다양한 형상과 노드 내부를 비워 내어 무게를 줄일수 있는 유일한 방법은 주조로 노드를 제작하는 것이었는데 주조(Casting)는 대량생산이 가능할 때 효과적이고, 각각 다른 형상을 주조할 경우에는 제작 및 품질관리가 복잡하여 금액이 매우 높을 수 있어 비경제적일 것이라고 생각했다. 하지만 샘플 제작을 하면서 여러 차례 실패는 있었지만 주조노드가 설계조건을 만족시키는 대안으로서 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있었다.

첫 번째 주조용 샘플제작은 사형주조 방법 중 CO2 주조방식으로 제작되었다. EPS폼을 CNC 5축 가공을 통해 패턴을 제작하였고 사형주조(CO2 주조)을 사용하여 제작하였으나 몰드 내부에서 스티로폼이 녹으면서 나오는 가스가 폭발하면서 몰드가 움직였고 몰드 주위로 쇳물이 흘러나오면서 1차 제작은 실패하였다. 일반적인 주조방법으로는 두께가 얇고 형상이 복잡한 주강제품을 주조하는 것은 실패할 확률이 매우 높다는 것을 확인할 수 있었다.

CO2 주조노드

3. 스마트노드

CNC 밀링과 기존 주조 방식으로는 각각 다른 형상의 노드를 제작하는 것이 불가능하다는 것을 확인하였고, 소량다품종 제작에 최적화된 혁신 기술인 3D 프린팅을 활용하여 샌드몰드를 이용하여 주조노드를 제작하였는데 매우 성공적인 결과가 나왔다.

스마트노드 시제품에 대한 제조품질을 확인하기 위해 3D 스캐닝을 이용하여 제조공차를 3D모델링과 비교하였는데 ±1mm로 우수한 품질로 제작되어 파사드 공사 기준인 제조 및 시공공차 ±5mm를 만족시킬 수 있었다

노드 샘플제작은 주조가 용이한 주철을 이용하여 제조하였고, 대안공법으로 충분히 적용이 가능해 보였다. 다만 3D 프린팅 샌드몰드는 제작 비용이 높았기 때문에 스마트노드의 제작 수량을 최소화하여 공사비 증가를 줄일 수 있는 최적화 설계 엔지니어링이 필요하였다.

스마트노드 제작 방법

스마트노드 샘플제작

스마트노드 품질검사

스마트노드 앤지니어링 & 제작 프로세스

대안공법인 스마트노드 시스템의 시공품질을 확인하고 설계변경을 결정하기 위하여 비주얼목업이 진행되었다. 지오메트리가 복잡한 구간을 선정하여 평면구간 석재를 포함한 134.6 약 m2가 설치되었으며, 스마트노드 시스템 및 비정형 유리 면적은 87.6 m2였다. 비정형 유리는 현장실측 없이 3D 모델링을 기준으로 선 제작 후 현장 설치되었고 스마트노드와 CNC 레이저 컷팅으로 정밀하게 제작된 연결부재는 메인 철골 구조체에 직접 설치되었다.

지점부를 제외한 파사드구조 전체가 강접합이었기 때문에 연결부 현장 용접에 많은 시간이 걸렸고, 시공기간을 줄이기 위해 본공사 때는 대형블록 공법을 적용하여 일부구간만 현장에서 용접하도록 하였다. 비주얼 목업에 대한 시공 품질을 확인한 OMA 설계담당자는 스마트 노드 공법 및 그 시공품질에 대해 매우 만족스러워했으며, 스마트노드 시스템은 최종 설계변경 승인을 받고 제작에 들어 갈수 있게 되었다

비주얼 목업

대형블록 인양을 위한 시공엔지니어링

비주얼 목업 과정에서 모든 스마트노드와 연결부재의 연결부분을 용접한다는 것은 제한된 공기 내에 시공이 불가능하다는 것이 확인되었기 때문에 전체 비정형 파사드를 42개의 대형 블록으로 나누고 이를 현장에서 조립하는 것이 아니라 외부에서 선조립하여 현장에서는 최종 설치하는 시공방법으로 인양엔지니어링을 진행하였다.

인양 시 스마트노드와 구조프레임의 구조적인 변형이 발생하지 않토록 인양지점에 대한 구조설계를 진행하여 그 결과 값에 따라 인양지점을 정하여 인양하도록 하였다.

메가블록 설계

메가블록 설치 엔지니어링

메가블록 제작

메가블록 운반

시공완료

시공 난이도가 매우 높은 비정형 유리 파사드 약4,600m를 7개월 내에 우수한 시공품질로 마칠 수 있었던 것은 스마트노드 시스템과 대형블록 공법을 적용했기 때문이다. 현장 실측 없이 비정형 유리 1,652장중 1,642장을 BIM 모델을 활용하여 제작 되었고, 10장인 0.6% 만 다시 제작되어 재시공 되었다.

광교 갤러리아 백화점은 비정형 유리 파사드를 구현하기 위해 밀링등 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 3D 프린팅 기술을 사용하여 647개의 각각 다른 형상의 3D 프린팅 몰드로 제작된 스마트노드에 의해 완성될 수 있었다. 스마트 노드 시스템은 제조 및 시공오차가 5mm이내에서 정밀하게 제작될 수 있었기 때문에 약 4,678m2 (1,652장)의 비정형 삼각형 유리는 현장 실측 없이 3D 설계 데이터를 활용하여 제조되었고, 7개월의 짧은 시간 내에 완성도 높은 비정형 유리 파사드가 완성되었다.

비정형 철골 구조체의 연결절점 등 복잡한 접합부 디테일에 스마트 노드를 활용한다면 용접량을 최소화하고 직각방향으로 용접이 가능하므로 구조 성능확보에 매우 유리하며, 현장제작을 최소화하기 때문에 제작기간 단축 및 시공품질 확보에도 매우 유리하다.

3D 프린팅등 4차산업혁명기술은 현재 급속도로 기술이 발전하고 있으며, 건축분야에서는 아직 금액이 높아서 많이 활용되고 있지는 못하지만 기존 제조 방식 및 건축 공법의 한계를 극복할 수 있는 매우 혁신적인 기술이므로 앞으로 건설을 변화 시키고 선진화 하는데 매우 효과적이 것이라고 생각한다.

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