비정형 건축, 겉과 속이 동일한 공간의 비밀
오늘 살펴볼 DfMA 건축 인사이트는 '비정형 다면체 구조-마감 일체화 공법'입니다. 현재 공사 중에 있는 부산 오페라 하우스의 트위스트 공법 역시 구조 모듈과 외장재 모듈을 일체화시켜 외벽 두께를 최소화하고 내외부 공간의 연속성을 극대화한 대표적인 사례입니다. 오늘은 이 매력적이지만 까다로운 공법의 숨겨진 기술적 난제와 해답을 함께 살펴보겠습니다.
구조와 마감을 분리할 것인가, 일체화할 것인가?
비정형 곡면 외장 패널, 커튼월을 시공할 때, 가장 쉽고 빠르게 공사비까지 절감하는 방법은 사실 '구조(체)와 마감(시스템)의 분리'입니다. 구조체가 다소 시공 오차가 발생하더라도 마감(시스템) 과의 간섭만 없다면 공사 진행에 무리가 없기 때문입니다.
하지만 유리 커튼월의 경우 유리의 투명성을 극대화하기 위해서는 멀리온을 지지하는 철골 기둥이나 보를 없애고 커튼월을 지지하는 멀리 온(유리, 스틸, 케이블 등)만으로 유리를 고정해야 합니다. 유리를 통해 내외부 공간이 투명하게 이어져 보이게 하려면 자연스럽게 구조-마감 일체화 공법을 선택할 수밖에 없습니다. 그런데 대공간 구조에서 구조(체)와 마감(시스템)의 그리드와 디테일을 일체화하려면 특수한 엔지니어링이 반드시 병행되어야 합니다.
정형 건축물은 어느 정도 규칙이 있어 구조적인 부분만 해결하면 되지만, 비정형 건축물은 완전히 다른 이야기가 됩니다. 구조뿐만 아니라 지오메트리(형태적 특성)가 만들어 내는 변수들을 깊이 이해해야 하며, 이를 잘못 적용하면 심각한 시공 불량과 하자로 이어지게 됩니다.
가장 큰 문제는 다면체 비정형 유리로 디자인될 때 발생합니다.
유리 간의 각도 변화가 심할 때 구조체의 중심선을 한 점(노드)으로 모으면 유리 마감선이 평행을 이루지 못하게 됩니다. 이럴 경우 정확한 시공위치를 찾기가 힘들기 때문에 시공오차들이 발생할 수밖에 없습니다. 울산 KTX 역사의 대공간 다면체 커튼월 사례처럼 외부에서는 유리 줄눈이 전혀 맞지 않으며, 내부에서도 부재들이 만나는 부분의 시공 품질이 매우 낮아지는 현상이 발생합니다. 이를 단지 전문 시공사의 능력 부족 탓으로만 돌릴 수도 있지만, 설계 단계에서 다면체 비정형을 구현하는 정확한 방법을 알고 적용했다면 이러한 문제를 원천적으로 막을 수 있었을 것입니다.
이런 문제들은 기하학적 원리에 대한 이해 없이 설계, 구조 분리해서 진행하게 되면 원인도 모른 체 예상했던 것과 다른 결과물이 나오게 됩니다. 다면체 디자인은 외피 마감 기준이나 구조마감면 기준에 일정거리를 옵셋 했을 때 한 점이었던 꼭짓점이 기하학적 원리에 의해 여러 점이 형성되게 됩니다. 그런데 외장 공사에서는 구조와 일정한 기준을 가지고 정밀하게 시공하는 것이 시공성 및 공사 품질확보에 중요합니다.
그런데 문제는 외피를 기준으로 내부에서 꼭지점이 다수가 발생할 때 기준점을 한 점으로 모아도 상관없는 형상일 때는 문제가 없으나 유리면과 유리면의 각도가 변화가 심하면 어떻게 될까요. 구조 중심을 한 점으로 맞추면 외피가 맞지 않고, 외피면 기준으로 하면 내측 구조에서 꼭짓점이 없어서 현장 시공이 불가능하게 됩니다. 이런 문제를 완벽하게 해결한 것이 갤러리라아광교의 스마트노드입니다. 유리면을 기준으로 구조면을 옵셋하여 발생한 점들을 모아서 스마트노드를 통해 흡수하는 방법으로 3D 프린팅 기술을 활용한 위드웍스의 혁신적인 DfMA 공법입니다. 이렇게 하면 내측 구조재간의 예각으로 인한 용접 불량 문제도 해결할 수 있고, 비정형 다면체 디자인에서 외피와 구조를 완벽하게 일치시키는 방법입니다.
DfMA를 위한 Facade Engineering
구조-외피 일체화 공법을 실현할 때 가장 먼저 검토해야 할 1순위는 단순한 구조 성능 검토를 넘어, '마감 지오메트리(Geometry)와 구조 지오메트리의 관계'를 정확히 분석하는 것입니다.
디자인의 특성에 따라 구조 지오메트리를 한 점으로 옮겨도 무방한 디자인 형태가 있고, 절대 옮겨서는 안 되는 형태가 있습니다. 정확히 어떤 기준으로 맞춰야 할지는 철저한 Case by Case 분석이 필요합니다.
이러한 디테일과 지오메트리에 대한 명확한 정의 없이 일반적인 상세 도면만으로 설계를 마무리한다면, 결코 시공 완성도를 기대할 수 없습니다. 전문 시공 회사가 현장에서 발견하고 수정해 주면 좋겠지만, 국내 시공 여건상 현장에서의 즉각적인 검토나 수정은 사실상 불가능에 가깝습니다. 결국 설계 단계에서 이 부분이 완벽히 검토되지 않으면 모든 품질 불량과 공기 지연의 책임은 시공사가 떠안게 됩니다.
비정형 다면체 디자인의 마감-구조일체화를 위해서는 DfMA는 필수
설계단계에서 완벽하게 엔지니어링이 되지 않고 적당히 설계를 마무리하게 되면, 도면이 없기 때문에 시공비는 낮아질 수 있습니다. 그런데 품질도 같이 낮아진다는 것을 반드시 명심해야 할 것입니다. 특히 비정형 다면체 디자인에서 마감-구조일체화 공법 적용 시에는 설계단계에서부터 제조, 시공을 고려한 최적화 엔지니어링 반드시 필요합니다.
비정형 건축에서 스마트 건설 기술과 DfMA 기반의 OSC(탈현장 시공) 방식은 단순한 트렌드가 아닙니다. 시공 불확실성을 제거하고 책임을 합리적으로 분배하기 위한 유일한 해법입니다. 현장의 시공자에게 모든 부담을 전가하는 과거의 방식에서 벗어나, 설계 단계에서부터 제작과 조립의 모든 변수를 통제하는 '사전 해결(Pre-solved)'의 패러다임으로 전환해야 합니다. 이것이 AI 시대, 건축이 나아가야 할 올바른 방향입니다.
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