유려한 곡선을 자랑하는 비정형 건축물들이 세계 주요 도시들의 랜드마크로 자리 잡고 있습니다. 마치 물결이 치는 듯한 지붕, 비행선 모양의 둥근 체육관을 보면 감탄이 절로 나오죠. 하지만 도면 위의 화려한 3D 곡면을 실제 물리적인 건축물로 구현하는 일은 '외장재를 어떻게 입힐 것인가'라는 거대한 난제와 마주하게 됩니다.
전통적으로 평이음(Flat Lock)은 지붕이나 평면 외벽을 금속판으로 덮어 방수와 마감을 해결하는 고전적인 방식이었습니다. 하지만 건축의 형태가 3차원 비정형 곡면으로 진화하면서, 평면을 위한 기술이었던 평이음은 가장 다루기 까다로운 디테일 중 하나가 되었습니다. 이번 [비정형 건축 기술 #5]에서는 비정형 곡면을 덮는 대표적인 방식 중 금속 평이음(Flat Seam)에 대한 내용들을 살펴보려고 합니다. 현장에서 발생했던 문제와 이를 극복하기 위한 솔루션을 공유하려고 합니다.
1. 평이음의 딜레마: 2방향 곡면에서의 시공 품질과 누수
곡면을 구현할 때 가장 많이 고려되는 경제적인 방법 중 하나가 금속 평이음(Flat Seam)입니다. 얇은 금속판의 테두리를 접어서 서로 맞물리게 시공하는 방식으로, 유연성이 좋아 어느 정도의 곡면을 따라가는 데 유리합니다.
문제는 단순히 휘어지는 '1방향 곡면(전개 가능한 곡면, Developable Surface )'이 아니라, 가로세로 모두 휘어지는 '2방향 3D 곡면(전개 불가능 한 곡면, Double curvature )'일 때 발생합니다.
평이음을 2방향 곡면에 적용하려면, 패널의 적용 크기에 대비해 건축물의 곡률이 일정 수준 이상(완만한 곡선)이어야 합니다. 평면인 종이를 공에 감싸려고 하면 억지로 구겨지듯, 금속 패널도 허용 범위를 넘어서는 급격한 곡률(작은 곡률 반경)에 억지로 시공하게 되면 다음과 같은 치명적인 문제가 발생합니다.
- 우글거림(Oil Canning) 발생: 금속이 응력을 견디지 못해 표면이 찌그러지고 울퉁불퉁해지며 시공 품질이 현저히 떨어집니다.
- 누수 위험 증가: 억지로 형태를 맞추다 보면 이음매(Seam)가 벌어지거나 손상되어, 모세관 현상 및 강풍을 동반한 우천 시 누수에 무방비로 노출됩니다.
2. 문제 해결을 위한 솔루션: '비정형 곡면 최적화' 및 '형상에 맞는 최적의 재료 및 공법 적용 '
이러한 문제를 완벽하게 해결하기 위해서는 AL. 오픈 조인트 패널과 같이 공장에서부터 3D 곡면으로 정밀하게 가공된 AL. 스티픈드 패널을 사용하는 것이 좋습니다. 하지만 예산과 디자인 의도에 따라 금속 평이음을 꼭 사용해야만 한다면 어떻게 해야 할까요?
비정형 곡면을 구현할 수 있는 형상제어 시스템 없이 각파이프 벤딩이나 세그먼트 구조체 위에 현장에서 임의로 하지 트러스를 임의로 만든 후 평이음 마감을 하게 되면 비정형 곡면의 시공 품질 확보가 불가능합니다.
재료의 한계를 극복하지 못할 경우는 형상을 변경할지, 또는 재료 및 공법을 변경하여 디자인을 유지할지를 결정해야 합니다. 설계단계에서 금속 평이음의 한계를 알고 형상 및 구현을 위한 공법을 적용하게 되면 시공단계에서 시공품질 불량이나 누수로 인한 재시공하는 일은 발생하지 않을 것입니다. 인천남동구민회관의 문제가 된 곡률이 심한 2방향 곡률 구간은 기존 형상을 놔두고 문제를 해결할 수 있는 방법이 없어서 결국 문제가 된 부분의 설계를 변경한 후 재시공하여 공사를 마무리하였습니다.
서울대학교 풍산마당, 2015
서울대학교 풍산 마당은 공사비 절감을 위해 무대 쪽은 평이음을 적용했고, 곡률이 다양한 메인 건물 쪽은 AL. 스티픈드 패널(오픈조인트)을 적용하여 비정형 공법을 최적화하여 설계의도가 구현될 수 있도록 하였습니다.
평이음은 정확한 외장줄눈을 설계에서 통제하는 방식이 아니고 0.6mm 내외의 금속 시트를 절곡해서 이어 나가는 방식이기 때문에 한 장의 크기가 제한적입니다. 반면 3mm AL. 스티픈드 시트 패널은 줄눈간격을 크게 할 수 있는 장점과 줄눈을 디자인적으로 통제할 수 있고, 특히 3D 비정형 곡면을 정밀하게 구현할 수 있는 장점이 있습니다. 평이음은 가공 및 시공 디테일이 단순하여 공사비가 덜 들기 때문에 예산이 제한적이거나 곡면이 완만한 대형 외벽 & 지붕에 적합합니다.
서수원 칠보체육관, 2015
서수원 칠보체육관은 공사 중 설계변경을 통해 비정형 형상을 평이음으로 완벽하게 구현한 사례입니다. 스페이스 프레임과 데크가 부재 및 재료의 성격상 직선 세그먼트로 설치되고 난 뒤 일반적인 각파이프 벤딩으로 공사하게 되면 다양한 곡률을 갖는 비정형 형상을 구현하는 것은 불가능합니다. 따라서 곡면이 심한 외벽구간은 CNC T-BAR 시스템을 통해 위치마다 다른 곡률이 적용되도록 했으며, 지붕구간은 폼플레이트 공법을 데크 시공한 레이어 위에 설치하여 완만한 곡률을 완성하고 그 위에 합판 및 방수층을 시공한 다음 평이음으로 시공하도록 시공 공법을 변경하였습니다.
바탕면이 3D 비정형 곡률을 완벽하게 잡아주지 못하면 평이음 만으로 비정형 곡률을 구현하는 것은 한계가 있습니다. 완만한 곡률은 세그먼트로 시공된 구조체 위에 3D Point 곡률로 디자인과 비슷하게 구현할 수 있지만, 곡률이 심한 구간은 현장에서 임의로 시공하는 할 경우 비정형 곡률의 품질확보는 불가능합니다.
칠보체육관은 스페이스 프레임등 메인 구조체의 간섭이나 시공오차를 검토하기 위해 3D 스캐닝과 역설계를 진행하였고, 역설계다한 현황 3D 스페이스 프레임 모델링위에 CNC T-BAR와 폼플레이트가 설치될수 있도록 엔지니어링을 진행한 후 최종 3D 제작설에 반영하였습니다. 3D 제작설계(LOD400)를 통해 완성된 CNC T-BAR와 폼플레이트는 공장에서 제조해서 현장에서 조립하였기 때문에 지역의 중소규모 건설사였음에도 불구하고 우수한 시공품질로 완성할 수 있었습니다.
서천 국립생태원 생태체험관, 2012
국립생태원 생태체험관은 비정형 곡면 형상을 구현하기 위한 공법으로 각파이프 벤딩으로 원설계에 적용되어 있었는데 벤딩방식으로는 위치마다 다른 비정형 곡면을 구현이 불가능했기 때문에 CNC T-BAR를 활용하여 비정형 곡면을 구현할 수 있도록 설계변경을 진행하였습니다. 정확한 비정형 곡면 형상이 완성된 후 합판 및 방수층 마감 후 원래 설계된 평이음과 파사드 모듈러 시스템을 적용하여 비정형 곡면을 완벽하게 구현할 수 있었습니다.
3. Insight: 재료의 한계를 뛰어넘는 엔지니어링의 힘
경제성과 유연성을 갖춘 금속 평이음 공법은 비정형 건축에서 매력적인 선택지입니다. 하지만 2방향 3D 곡면에서는 억지로 패널을 휘어야 하는 한계 때문에 곡면이 심한 구간에서는 우글거림과 이음매의 벌어짐으로 인한 누수라는 치명적인 약점을 노출하게 됩니다. 이 문제를 해결하는 열쇠는 겉으로 보이는 '외장재' 자체보다 그것을 지탱하는 '3D 곡면 설계 최적화'와 이를 구현하기 위한 'DfMA 형상제어 공법'에 있습니다
평이음은 재료 및 가공 두께의 한계로 3mm AL. 오픈조인트 패널과 같이 대형크기로는 제작할 수는 없지만 공사비 측면에서는 비정형 곡면 마감재로 충분히 고려할 수 있으며, 3D 설계 엔지니어링을 통해 비정형 곡면을 정확하게 제어할 수 있는 공법(CNC T-BAR, 폼플레이트)을 적용한다면 평이음의 마감 품질은 훨씬 좋아질 수 있습니다.
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