Tri Bowl_인천도시축전기념관
Architects :
Structural Engineer :
Local Structural Engineer :
시공사 :
발주처 :
공사기간 :
위치 :
연면적 :
규모 :
높이 :
외장재 :
구조 :
iArc Architects
일본 SDG
센구조
포스코건설
인천도시개발공사
2008.10~2010.2
인천 송도 센터럴 파크 내
2,892.95 m2
지하1층, 지상 3층
18.75m
AL. 아노다이징패널, 노출 콘크리트
역쉘구조+포스트텐션
Tri Bowl은 2009년 개최된 인천세계도시축전을 기념하기 위하여 아아이크건축에서 설계한 작품으로 2010년 건축문화대상 대통령상을 받은 건축물이다. 3D 설계모델링과 같은 지오메트리로 콘크리트구조체 시공이 이루어져야만 비정형 외장패널을 시공할 수 있기 때문에 "어떻게 비정형콘크리트를 구현할 것인가"가 시공단계에서의 핵심 엔지니어링 사항이었다. 위드웍스는 설계단계에서 외장패널 최적화 설계에 참여하였고 시공단계에서는 비정형 콘크리트 , 비정형 외장재 및 건식 평지붕 구현을 위한 시공 엔지니어링을 현장에서 진행하였다. 실시설계 도면은 비정형 곡면 형상제어를 위한 공법으로 Truss Wall 공법이 적용되었지만, Truss Wall공법을 사용한 국내 비정형 콘크리트에 대한 시공사례들이 없었기 때문에 시공단계에서 CON'C 시공을 위한 공법부터 전면적인 재 검토가 이루어졌다.
Image © iArc
1. Truss Wall 공법
먼저 설계단계에서 적용된 Truss Wall 공법에 대한 시공성 및 시공품질에 대한 검토가 이루어 졌다. Truss Wall 공법은 비정형 형틀 거푸집 없이 형상제어 철근, 와어이 메쉬와 메탈라스를 활용하여 콘크리트를 현장 타설하여 시공하는 무거푸집 공법이다. Truss Wall 공법이 비졍형 거푸집 제작 비용은 절감 할 수 있으나 복잡한 비정형 형태를 철근에 의존하여 시공품질을 완성해 내는 것이 가능할지에 대한 검토가 필요했다.
트러스월 공법 1:1 목업
Truss Wall 공법은 구나 원통형 등 곡률이 일정한 3D형상일 경우는 일정한 모양으로 철근 트러스를 제작하는 것은 가능하지만 트라이볼 처럼 곡률이 일정하지 않는 비정형 곡면에서 수 많은 철근 트러스를 제작하고 조립 시공하는 것은 현실적으로 불가능했다. 비록 목업에서는 일정구간에서 일정한 곡률로 했기 때문에 가능했지만 본공사에서는 만약 비정형 CON'C 시공오차가 제한된 범위를 벗어날 경우 외장패널, 지붕철골 등 다른 공정에 영향을 줄수 있었기 때문에 Digital 3D 설계 모델링 DATA를 의해 정확하게 시공이 되지 않을 경우 현장적용이 어렵다고 판단하고 비정형 곡면 형상제어 공법에 대한 대안 검토를 진행하였다.
트러스월 개념 및 제작 과정
2. 비정형 콘크리트 형상제어공법 및 Digital Fabrication
3D 모델링의 3D 좌표를 정확하게 공법화 시키는 것, 공사비 내에서의 변경, 짧은 시공기간 때문에 변경에 따른 공사기간에 영향을 최소화 시켜야 하는 등 여러가지 조건들을 다 반영한 변경 공법 검토가 필요하였다.
여러가지 많은 공법들을 검토하였으나 요구사항에 대한 조건들을 충족시키지 못했기 때문에 최종 확정된 공법은 목재를 이용한 CNC Section Form Plate 공법을 변형하는 것인데, CNC 가공 대신 각 위치의 곡면 3D 설계 DATA를 바탕으로 하여 현장에서 비정형 목재 Truss를 만들어서 조립하여 형상을 만든 후 거푸집공법이나 무거푸집 공법으로 콘크리트를 타설하는 것으로 확정하였다.
입체 동바리 높이조절 공법
T형 가설 철골 지지 공법
CNC Section Form Plate 공법
입체 UNIT 거푸집 공법
비정형 CON'C 형상제어 공법 검토
목재 형상제어용 부재 제작을 위해서 각 Shell 마다 7.5도 씩 나누어 48개(총 144EA)의 단면으로 정의하였고, 3개의 Shell이 모이는 가운데 구간은 @500X500 그리드의 3D 좌표를 추출하여 스틸프레임으로 가설재를 만들어서 CON'C의 3D 형상좌표를 통제하도록 하였다. 3D 모델에서 추출한 단면 지오메트리 Data를 목재 Truss 및 스틸 Truss 제작, 시공, 검측용 2D 도면 및 좌표도로 전환하여 Shop Drawing이 이루어지도록 하였다.
전체 형상틀 제작을 위한 Fabrication Model
목재 형상제어틀(7.5도)
중앙부 형상제어틀 설치용 Geometry
스틸 형상제어틀(@500x500mm)
비정형 거푸집 형상 제어틀 설계 및 시공
형상제어제와 합판을 설치한후 측량을 통해 시공오차를 체크하였는데, 시공오차가 50mm이상 벗어난 구간에 대해서는 다시 거푸집을 수정하도록하여 정밀하게 콘크리트가 타설 될 수 있도록 하였다.
비정형 프로젝트의 경우 설계단계에서부터 시공을 고려하여 가설공법, 비정형 외벽 시스템까지 완벽하게 검토하면 좋겠지만 현실적으로 불가능하기 때문에 시공단계에서 3D 설계 엔지니니어링을 통한 설계도서 검토가 필요하다. 특히 비정형 외장 공사에서 시공품질을 확보하기 위해서는 Digital Fabrication에 의한 시공공법 적용이 중요한데, 설계단계에서 이러한 내용이 적용되지 않았을 경우 시공단계에서는 시공불량이나 공기 증가로 이어 지게 된다.
트라이볼의 철근콘크리트 공사는 어려운 비정형 곡면 형상제어와 더불어 포스텐션 공사까지 포함되어 있어 무척 시공 난이도가 높았지만 4개월 여 만에 콘크리트 공사가 끝났다. 콘크리트 형상제어 공법을 변경한 것과 3D 모델링 CATIA를 활용을 통해 외장패널 디테일 변경등 여러가지 공사중 변수들을 Parametric 하게 수정, 대응한 것이 시공의 리스크를 줄이고 품질을 높일수 있었던 요인이었다.
CON'c Shell 3D 모델링 by CATIA
콘크리트 타설 완료
3. 비정형 외장패널의 Optimization, Fabrication & Construction
비정형 외장패널이 적용된 부분은 전체 곡면중 1방향 곡면인 구간이었는데, 콘크리트의 시공오차를 더 흡수 할 수 있도록 디테일을 수정하였다. 2차례의 목업을 진행 진행하여 제작 및 시공공법을 확정하였다. 특히 도시축전이전에 외장패널의 설치는 완료 되어 있어야 했기 때문에 3D 설계 모델링을 기준으로 패널 제작설계를 진행하고 콘크리트와 만나는 엣지 구간은 실측하여 패널을 제작하는 방법으로 진행하였다. 콘크리트 시공오차가 심해서 하지트러스와 간섭되는 일부 구간은 콘크리트를 수정한 후 하지 트러스를 설치하였다.
3D 패널링
1차 목업
2차 목업
유닛 모듈 제작 및 설치
비정형 곡률 패널은 패널의 상하부 곡률이 다르기 때문에 롤밴딩으로 제작하는 것이 아니라 패널 후면에 고정하는 스티프너에 의해 상하부 비정형 곡률이 다르게 적용되어한다. 그런데 2차 목업에서 적용된 패널곡률 값이 패널 경사 방향의 곡률로 제작한 것이 아니라 Z 방향 평면곡률이 적용되면서 패널들 끼리 Tangency하지 않는 문제가 발견되었다. 따라서 패널제작을 위한 Shop drawing 을 전면 재수정하여 경사 곡률을 적용하여 본 공사용 패널 제작이 이루어 질 수 있도록 하였다. 패널 제작은 CNC 머신을 이용하여 패널의 각 부분을 정밀하게 가공한 후 뒷면에 스티프너를 용접하여 1차 제작한 후 아노다이징 처리하여 현장에 설치하였다.
비정형 외장 패널의 제작 및 설치
4. 건식 평지붕의 설계 변경
건식으로 평지붕을 시공한다는 것은 누수의 위험 때문에 검토해야할 내용이 많다. 구배를 많이 줘서 가운데를 올리게 되면 평면디자인의 설계 개념이 훼손될 수 있었으므로 평지붕의 느낌을 최대한 유지하면서 원할하게 우수가 되도록 거터 및 우수관 계획을 다시 하였다.
건식 지붕 상세도
2단거터 개념을 적용하여 전체 곡면 엣지에 거터를 두고 철골 사선방향으로 트러스 세개의 모듈 마다 ( @10.8M) 거터를 설치하여 폭우가 와도 우수가 신속히 빠져 나갈 수 있는 시스템으로 변경하였으며, 중앙부에 우수용 설비 파이프를 설치하여 엣지와 가운데에서 동시에 우수될 수 있도록 하였다. 또한 거터 내부에 스노우 멜팅을 설치하여 눈에 대한 피해가 없도록 하였다. 거터 폭이 넓어서 열선을 2열 설치하도록 추천했는데 예산 관계로 1열만 설치한 것이 아쉽지만 이정도로 보완한 것만 해도 다행이라고 생각한다.
건식 지붕 공사
5. 시공불량 및 재시공
외벽패널과 지붕공사의 전문시공사가 나누워 지면서 비정형 패널의 최상단 COPING 부분에 대한 공사영역이 지붕공사로 넘어가면서 문제가 발생했다. 지붕공사를 맡은 시공사에서 COPING 제작을 직선세그먼트으로 제작하면서 비정형 곡면으로 설치된 패널과 시공오차가 많이 발생하게 된 것이다. 거의 절반 이상이 설치된 상황에서 철거하는 것은 거의 불가능 한 일이지만, 비정형 콘트리트 시공과정과 비정형 외장 패널의어려운 제작 시공과정을 통해 전체적으로 시공품질을 확보했는데 마지막 COPING 구간을 대충해서 마무리 하는 것은 그동안의 고생을 의미없게 만드는 것이기 때문에 시공사에서도 그 부분을 인정하고 CNC 가공을 통해 정밀하게 비정형 COPING 패널을 제작하여 교체하는 것으로 하였다.
COPING시공 불량
COPING 철거 후 재 설치
6. 시공완료
2010년 이후 국내에서도 많은 비정형 건축물들이 시공되어 지고 있지만 Tri Bowl 같은 비정형 건축물은 찾아 보기 힘들며, 2008년 당시 비정형건축물에 대한 시공경험과 참고할 수 있는 자료들이 거의 없는 상태에서 이렇게 우수한 품질로 완성할 수 있었다는 것은 대단한 도전이었고 성과일 것이다. 비정형 콘크리트 구축 공법, 비정형 금속 패널의 제작, 건식지붕 등 각 부분에 대한 설계변경의 필요성을 인식하고 발주처, 건축가, 시공사, 엔지니어들이 같이 고민을 하고 문제를 해결 했기 때문에 좋은 결과로 이어졌다고 생각한다.