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DfMA SOLUTIONS

DfMA( Design for Manufacturing & Assembly)는  공장(Off-site)에서  건축자재 및 조립품을 제작한 후 현장에 납품하여 조립을 신속하고 용이하게 진행하는 것으로 혁신적인 건설방법이며,  탄소중립과 국가 온실가스 감축, 건축공사의 품질 및 생산성 향상을 위해서는 DfMA는 미래 건설산업의 핵심 될 것입니다. 

영국, 싱가포르, 홍콩, 미국등 해외 주요국에서는  DfMA를 적극적으로 활용하여 건설산업의 패러다임 변화시키고 있습니다. 

정형 건축물에서는 대개 외장재를 지지하는 부재의 형상이 평면적이고 각도가 일정하다. 덕분에 대부분의 부재는 현장에서 가공하고, 특별히 좌표제어 시스템을 도입하지 않아도 현장에서 시공 기준점을 찾아서 시공하는 것이 가능하지만 비정형 건축물에서 수많은 3D 시공점을 현장에서 정확하게 찾고, 이를 정밀하게 시공하는 것은 불가능에 가깝다.  따라서 완성도 높은 비정형 건축물을 구현하기 위해서는 새로운 방식이 필요한데, 이를 가능케 하는 것 중 하나가  DfMA 솔루션들이다. 

3D 형상 및 좌표제어  주요공법으로 CNC T-BAR 시스템, CNC TWISTED TUBE 시스템, SMART NODE 시스템, UHPC 파사드 시스템 등으로  비정형 프로젝트에 적용하여 성공적으로 완성하고 있다. 

CNC T-BAR SYSTEM
  • 비정형  곡면  지오메트리의  특성에  대응하여 부 재를 비정형 곡률로  제작하는 가장  최적화된  솔루션.

  • 마감재 시공을 위한 어떠한  3D 좌표점도  정확하게 생성 가능하여  비정형  마감재  제작을  위한  현장 실측이  전혀  필요 없음

  • CNC T-BAR는 레이저 용접으로 정밀하게 제작되므로  마감재  시공품질이  매우 높음

  • 특허:  CNC T-BAR를  이용한  3차원 건축  내외장패널의  설치방법  (특허 제10-2106-0168393 )                    

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제작 프로세스
시공 프로세스

 비정형 곡면은 다양한 곡률(curve)의 조합이라고 할 수 있는데, CNC T-BAR 시스템은 이러한 지오메트리의 특성에 대응하여 부재를 비정형 곡률로 제작하는 가장 최적화된 방식이다. 본래 선박이나 항공기를 제조할 때 비정형 곡면을 구현하기 위해 사용하는 형상 제어 방식을 건축에 응용한 공법으로, 비정형 외장재를 3차원 정밀좌표로 제어함으로써 형상을 정확하게 유지하면서 구조적인 역할을 동시에 하도록 한다. 대구 디아크, 서천 국립생태원 생태체험관, 서울 MBC 상암 신사옥 판매시설, 서울대학교 풍산마당, 롯데월드타워 타워동 포디움 등에 적용되었다.

T-BAR는 건물의 각 좌표에서의 형상에 맞추어 만든 T자형 단면 부재로, 시스템을 이루는 핵심 요소다. 마감재를 고정하고 형상을 유지하는 동시에 정확한 위치에 부재를 시공할 수 있도록 기준이 되는 좌표로 역할한다.

 부재 가공 방식도 일반적인 비정형 공법과 차이가 있다. 부재의 곡률이 일정한 경우, 대부분 벤딩 방식으로 부재를 가공한다. 그러나 곡률이 다양해지고 커질수록 제조와 시공 오차가 많이 발생한다. CNC T-BAR 시스템은 기존의 벤딩이 아닌 전개와 레이저 용접 방식을 이용한다. 레이저 용접은 자동차 산업 등 정밀제조업에서 사용하는 방식으로 철판의 두께에 따라 레이저의 출력을 다르게 적용해 제조 오차가 4M 기준 1mm 이내일 정도로 정밀하다. 기존 용접방식보다 비용이 높지만, 용접봉을 쓰지 않고 용접이 가능하다. 또한 용접열에 의한 변형이 없고 작업 속도가 빨라 생산성이 뛰어나다.

 CNC T-BAR는 평면 전개도에 맞춰 CNC 레이저 평판 컷팅기로 철판을 재단한 다음, 형상에 맞춰 레이저로 용접하여 완성한다. 그리고 내·외장재의 종류와 사용 위치에 따라 각각 다른 하드웨어들을 적용해 T-BAR와 패널을 고정한다.

CNC T-BAR 적용 프로젝트

 내·외장재의 종류와 사용 위치에 따라 각각 다른 하드웨어들을 적용해 T-BAR와 패널을 고정한다. 2019년 완공한 원불교 소태산 기념관(외장재 시공: 동양GTS)은 CNC T-BAR 시스템을 적용해 다이그리드 패턴의 알루미늄 비정형 곡면패널을 구현했다. 또 T-BAR에 고정하여 패널을 지지하는 하드웨어로(에디터 추가) 비정형 외장재 고정용 브래킷을 사용해 실리콘을 쓰지 않는 공법으로 시공했다. 이러한 디테일은 현장시공의 정밀도를 높이고, 실리콘 오염부터 외장재를 보호할 수 있어 준공 후 유지관리에도 매우 효과적이다.  그런데 국내나 해외에 사용되고 있는 비정형 곡면 오픈 조인트용 연결 브라켓은 시스템화 되어 있지 않으며 브라켓 주위를 실런트로 마감해야 하므로 품질관리가 힘들고 시공불량으로 인한 누수의 원인이 될 수 있다.

TWISTED TUBE SYSTEM
  • 비정형  곡면의  좌표  및  형상 제어가  가능하고  구조성능이  뛰어나  대공간  파사드의  지지 구조체를  위한  구조 시스템   

  • Twisted Tube 제작 원리: 4 개의 각각 다른 비정형 평면 곡률을 가진 면들이  직각으로 만나서  비틀어지는  형상이  만들어 짐.  

  • 모든 전개면의  긴 방향 면  엣지:  비정형  곡선

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제작 프로세스

 내·외장재의 종류와 사용 위치에 따라 각각 다른 하드웨어들을 적용해 T-BAR와 패널을 고정한다. 2019년 완공한 원불교 소태산 기념관(외장재 시공: 동양GTS)은 CNC T-BAR 시스템을 적용해 다이그리드 패턴의 알루미늄 비정형 곡면패널을 구현했다. 또 T-BAR에 고정하여 패널을 지지하는 하드웨어로(에디터 추가) 비정형 외장재 고정용 브래킷을 사용해 실리콘을 쓰지 않는 공법으로 시공했다. 이러한 디테일은 현장시공의 정밀도를 높이고, 실리콘 오염부터 외장재를 보호할 수 있어 준공 후 유지관리에도 매우 효과적이다.  그런데 국내나 해외에 사용되고 있는 비정형 곡면 오픈 조인트용 연결 브라켓은 시스템화 되어 있지 않으며 브라켓 주위를 실런트로 마감해야 하므로 품질관리가 힘들고 시공불량으로 인한 누수의 원인이 될 수 있다.

 CNC T-BAR 시스템에서 T-BAR를 수직·수평으로 조합해 외장재를 지지한다면, Twisted Tube 시스템은 아예 마감재의 형상에 맞춘 구조체를 별도로 만들어 형태의 완성도와 구조 안정성을 더욱 높인다. 설계와 제조 과정이 복잡하지만 철골 부재량을 최소화하고 후속공정에서 3차원 좌표를 보다 정확하게 관리할 수 있어 전체적인 시공품질이 높다. 이를 바탕으로 T-BAR 시스템으로는 구현할 수 없는 구조 디자인에도 적용이 가능하다. 무엇보다 그 자체로 아름답다. 노출할 경우 비정형 곡선의 자유로운 구조미를 드러낼 수 있어 더욱 인상적이다. CNC T-BAR 시스템보다 구조적인 성능이 더 요구되는 곳에 적용하고, 더 나아가 그 자체를 내·외장재로 활용하기도 한다. 기존 벤딩 가공 방식으로 곡면 루버를 제작하는 경우 곡률이 다양해 시공품질을 확보하기가 어렵지만 Twisted Tube 시스템의 개념을 적용하면 구현의 정확도를 크게 높일 수 있다.

TWISTED TUBE 시스템

 이 시스템을 도입해 지어진 대표 건축으로는 중국 베이징 올림픽 주경기장, 미국 시애틀 아마존의 더 스피어스(The Spheres)가 있다. 국내에는 대구 디아크의 외장재 지지 구조, MBC 상암 신사옥 판매시설의 철골 구조, 포스코 스틸 갤러리의 스테인리스 스틸 3D 루버에 적용되었다.

대구 디아크(시공: 동성중공업)는 국내에서는 처음으로 CNC Twisted Tube 시스템을 적용해 지어졌다. 시공 기간이 촉박하여 CNC Twisted Tube가 제작되기 전에 현장실측 없이 3D 설계 자료에 맞춰 비정형 ETFE 외장재를 독일에서 제작해야 했다. 그런데 CNC Twisted Tube 시스템이 설계대로 정밀하게 제작되었기에 재발주 없이 완벽한 시공이 가능했다.

SMART NODE SYSTEM
  • 스마트 노드  시스템은  각각  다른  형상의  노드를   만들기 위해  소량  다품종 생산이  가능한  3D 프린팅 과   조선 산업,  정밀 기계 제조 등에서  사용하는  주조기술을  융복합 시킨 혁신적인 기술임.
  • 창의적인 디자인이 가능하여  생성형  AI 시대에는  반드시  필요한  혁신기술
  • 유리등  비정형  마감재를  실측없이  공장  제작할  수  있으므로  시공공기를  단축하고 시공품질을  향상 시킬 수 있음(높이  400mm까지  상용화  성공)

스마트 노드 시스템은 3D 프린팅 기술을 활용하여 기존 기술의 문제를 해결하는 혁신적인 기술이다. 영국 대영박물관 천창, 독일의 My Zeil, 폴란드의 Zlote Tarasy과 같이 비정형 디자인을 투명하게 구현하기 위해서는 철제 구조 프레임과 부재를 연결하는 노드가 필요하다. 밀링형, 용접형 등 기존의 노드는 유리간 각도 변화가 심하지 않는 곳에서는 크게 문제가 되지 않는다.​

그러나 광교 갤러리아와 같이 노드점에서 부재간 예각과 유리간 각도 변화가 심한 디자인에서는 중심축과 구조 중심축이 일치하지 않아 노드가 비정상적으로 커질 수 있다. 또 유리 시공 시 유리간격이 일정하지 않아 시공품질이 낮아질 위험이 있다. 스마트 노드 시스템은 3D 프린팅 기술을 활용하여 노드의 형상이 아무리 복잡하고 급격하게 변하더라도 자유롭게 제작해낸다. 이처럼 높은 제작 정밀도를 바탕으로 시스템의 조립기간을 줄이면서 시공품질을 확보한다.  

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​​​ 유리를 스마트 노드 시스템에 결합하기 위해서는 고정용 디테일이 필요한데, 형상이 다양하고 꺾임각이 각기 다른 유리를 구조체인 스마트 노드 프레임에 고정하기 위해서는 일정한 단면의 알루미늄 프레임을 유리하단에 설치한 후 특수 경첩형 고정 브래킷을 사용하여 유리 간에 발생하는 다양한 각도들을 자연스럽게 어하도록 하는 것이 디테일의 핵심이다. 이 정첩형 브라켓은 각도를 제어하는 역할이 아니라 유리 중심각에 맞게 정확하게 조립된 스마트노드와 스틸프레임의 다양한 각도를 쉽게 대응하면서 조립할 수 있도록 한 고정방식이다

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SMART NODE 엔지니어링 및 제조 프로세스

​​​  광교 갤러리아 백화점의 비정형 유리 파사드를 구현하기 위해 647개의 스마트 노드를 사용했다. 스마트 노드는 3D 프린터를 이용하여 제각기 다른 형태로 몰드를 제작한 후 주강을 주조하여 완성하였다. 스마트 노드 시스템의 제조 및 시공오차는 5mm이내에서 통제되었으며, 약 4,678m2 (1,778장)의 비정형 유리는 현장 실측 없이 3D 설계 데이터를 바탕으로 제조되었다. 7개월의 짧은 시간 내에 완성도 높은 비정형 유리 파사드를 완성할 수 있었던 것은 스마트 노드 시스템을 적용한 덕분이었다. 비정형 철골 구조체의 연결절점 등 복잡한 접합부 디테일을 위해 스마트 노드를 활용다면 제작기간 단축 및 시공품질 확보에 매우 효과적일 것이다

광교 갤러리아
​부산 오페라하우스 VMU & PMU
​SMART NODE 시스템 연구개발 성과
  • 소형 스마트노드 (중소기업벤처부 연구과제):  광교갤러리아에  적용된  높이 150mm  스마트노드의  구조성능을  실험하고  검증 함 (2021)

  • 대형 스마트노드( 대한건축학회 연구과제): 부산오페라 하우스에  적용을  위해  높이 400mm  스마트노드의  구조성능을  실험하고  검증  함(2023)

  • 광교 갤러리아,  부산 오페라 하우스  프로젝트에서  구조실험과  목업 제작을  통해  실증하고  상용화  함

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SMART NODE
국제학술논문
(구조)

"Behavior of Hollow Structural Section Branch-to-Casting Node Connections for
Free-Form Grid Shell Structures" 

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SMART NODE
국제학술논문
(제조 및 시공)

"Additive manufacturing (3D Printing)-applied construction: Smart
node system for an irregular building façade"

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UHPC FACADE SYSTEM
  • UHPC는 탄소중립에 효과적인  고성능 콘크리트  소재 임 (철근 대신 강섬유, PVA섬유 사용)
  • 초고층 주거 건축물의 외벽 현장타설CON’C를  대체할 수 있는 혁신적인 재료 임
  • 석재, 금속으로 구현이 불가능한  비정형 곡면 디자인에 효과적으로 대체 적용이 가능 함 (구조재 및 마감재로 사용가능)
UHPC 프로젝트
​UHPC FACADE  시스템 연구개발 
  • 2013~2017   Super concrete 활용 건축구조요소 및 시공 기술 개발 (연구주관: 서울대학교, 홍성걸 교수, 참여기업:  위드웍스외  3개사 )
  • 2021~ 2023  형태의  한계를  극복한  3D 프린팅 몰드와  두께 10mm 혁신적 UHPC를  이용한  비정형  프리폼  건축물 외장패널 기술 실용화 플랫폼 개발   (RS-2021-KA161326, 연구주관: 위시스테크놀로지,  공동연구기관: 세종대학교, 위드웍스,  아주산업,  선원건설)
  • 2024~ 2026    DfMA건설시장 확보를 위한 차세대 UHPC-BIPV 마감재 겸용 영구 거푸집 기술 상용화 
                           (RS-2024-00410886 , 연구주관: 위시스테크놀로지,  공동연구기관: 세종대학교)
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UHPC 구조실험

 UHPC 
국제학술논문

"Effects of fatigue behavior on the performance of composite UHPC panel
under high and low-cycle wind loads"

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