[비정형 건축 기술 #8] 비정형 건축, 스페이스 프레임의 치명적 한계와 해결책 : 자하 하디드부터 서수원 칠보체육관까지

Intro: 대공간 구조의 가성비 마법, 스페이스 프레임의 이면

 건축 프로젝트를 진행하다 보면 체육관이나 경기장처럼 기둥 없이 넓은 공간을 확보해야 할 때가 있습니다. 이때 스틸의 물량을 획기적으로 절감하면서 구조체를 가장 적은 비용으로 만들 수 있는 방식이 바로 '스페이스 프레임(Space Frame)'입니다.

돔이나 원통형처럼 일정한 곡률을 가진 형상에서는 스페이스 프레임이 훌륭한 선택입니다. 일정한 곡률의 지붕 마감재를 그대로 사용할 수 있기 때문이죠. 하지만, 곡면의 형상 변화가 심하고 지붕 형태가 복잡한 '비정형 건축'으로 넘어오면 매우 불합리한 상황이 발생하게 됩니다.

 

서수원 칠보 체육관 조감도

서수원 칠보체육관(스페이스 프레임 대공간 구조): 직선부재의 연결

 

Challenge: 성냥개비로 완벽한 곡선을 만들 수 있을까?

스페이스 프레임은 본질적으로 '직선 부재'가 연결되어 형상을 만듭니다. 이 직선들을 연결해 비정형 곡률을 완벽하게 구현하는 데는 명확한 물리적 한계가 존재합니다.

스페이스 프레임의 딜레마
구조체로서 스페이스 프레임은 노드(연결점) 간 간격이 넓은 것이 힘을 받는 데 유리합니다. 반면, 그 위에 덮이는 외장재(패널)는 가공, 시공, 운반 등을 고려해 크기가 한정됩니다. 이 두 가지 조건을 동시에 만족시키면서 최적화 설계를 한다는 것은 현실적으로 어려움이 많습니다.

특히 비정형 곡률이 심할 때는 노드 역할을 하는 '볼'이 대형화되거나 연결 부재가 매우 커져야 합니다. 

일반구간의 볼노드 크기(좌)와 예각구간의 볼노드와 연결부재 크기(우)

구조적인 부분인 마감 내부에 있어서 숨겨진다고 할 수 있지만 외장재는 곡률의 정밀도에  매우 민감합니다. 일반 철골대비 철골물량이 대폭 절감되는 장점은 있지만,  비정형 곡면 형상일 때에는 마감 쪽에서 심각한 시공불량이 발생할 수 있습니다.   

실제로 광주 유니버시아드 경기장 역시 이러한 부분에 대한 사전 고려가 충분치 않았기에, 초기 투시도와는 완전히 다른 품질의 결과물이 완성되었습니다. 

 

스페이스프레임 및 마감공사

조감도와 시공품질 비교

 

 

해외의 저명한 비정형 프로젝트를 살펴보면 이 문제를 어떻게 다루는지 알 수 있습니다. 자하 하디드(Zaha Hadid)의 유명한 프로젝트인 '헤이다르 알리예프 문화센터(Heydar Aliyev Cultural Centre)'는 유려한 곡면을 자랑하지만, 스페이스 프레임 노드를 이용해 외장재를 직접 지지하지 않았습니다. 스페이스 프레임의 연결 부재는 내력을 발휘하지 못하기 때문에, 볼 노드에 지점을 만들고 하중을 지지하도록 시스템을 구성해야 합니다.  이 프로젝트에서는 방수층 위에 외장재 고정을 위한 '하지 프레임'을 한 층 더 설치하여 비정형 패널을 시공했습니다.  스페이스 프레임의 수축 팽창(슬라이딩 지점)은 일반철골 구조보다 크기 때문에  방수층을 관통하는 디테일이 스페이스 프레임의 수축 팽창에 의해 손상되어 누수로 이어질 수 있습니다. 

지점부는 일반 철골 구조로 구조 보강

 

방수층 위 하지 프레임을 추가로 설치하여 외장패널 시공

 

대공간 구조 스페이스 프레임의 슬라이딩 지점 디테일(서수원 칠보 체육관)

 

 

Solution: 서수원 제2체육관, DfMA 파사드 엔지니어링으로 해답을 찾다

그렇다면 복잡한 비정형 건축물에 스페이스 프레임을 적용하면서도 조감도와 완벽히 일치하는 결과물을 얻으려면 어떻게 해야 할까요? 칠보 체옥관이 그 해답을 보여줍니다.

수원 제2체육관 역시 메인 구조체는 스페이스 프레임으로 설계되었습니다

스페이스 프레임위 퍼린 (서수원 칠보체육관): 비정형 곡률을 완성하기 위한 별도의 시스템 필요

 

 

하지만 비정형 곡률과 천창 등의 요소들이 혼재되어 있어, 설계된 형상을 스페이스 프레임만으로는 제대로 구현할 수 없었습니다.

이에 위드웍스(WITHWORKS)는 전문적인 파사드 엔지니어링(Facade Engineering) 기술을 투입했습니다.

• CNC T-BAR 시스템 추가: 비정형 곡률 변화가 가장 심한 지붕과 외벽이 만나는 접점 구간에 위드웍스의 고유 솔루션인 CNC T-BAR 시스템을 추가하여 매끄러운 곡률을 구현해 냈습니다

곡률이 심한구간: CNC T-BAR 시스템을 추가하여 비정형 곡면 형상제어

 

• 폼플레이트 공법 적용: 지붕 구간에는 폼플레이트 공법을 적용하여 초기 설계와 일치하는 완벽한 곡률을 완성시킬 수 있었습니다. 

곡률이 완만한구간: 폼플레이트 공법 적용

 

정확한 3D 지붕곡선 (자착식 방수 시트 공사 후)

 

이러한 고도의  비정형 곡률이 정확히 통제되는 공법과 디테일들을 반영한 결과, 수원 제2체육관은 화려한 비정형 외관을 온전히 현실화할 수 있었습니다

완공 후 전경

 

만약  이런 공법들이 적용되지 않았더라면  앞에서 언급한 광주 유니버시아드 경기장처럼 아쉬운 결과를 낳았을 것입니다.  서수원 칠보 체육관도 공사비를 절감하기 위해서 스페이스 프레임을 선택했만 이러한  설계변경(공법적 보완)을 통해 설계의도가 제대로 구현될 수 있도록 하였습니다.   

 

폼플레이트공법 적용 사례-2:  영월 실내 체육관 

폼폼 플레이트 공법을 적용하여 완성된  영월 실내 체육관입니다.

철골부재와  유공 데크(천장마감)가 스페이스 프레임과 같이 직선 세그먼트인 상태에서 외부 형상을 어떻게 정확한 비정형 곡면을 만들수 있을까요.  그 원리는 서수원 칠보 체육관에 적용된 공법과 같습니다.   

 

철골공사에서 공사비를 절감하기 위해서는 직선 세그먼트로 제작하여 설치하는 것이 최선이지만,  마감 공사에서는  일정한 곡률이 없는 형상을 구현하기 위해서는 마감재의 종류에 따러  다양한  공법적인 접근이 필요합니다.  그렇지 않고 적당히 현장에서 각파이프를  벤딩해서 마감재를  시공하게  되면 광주 유니버시아드 사례처럼 디자인 완성도는 떨어지게 됩니다.  

 

새로운 공법을 적용하기 위해서는 시공단계에서도 구조실험을 통한  구조 성능 검증이 필요합니다.   

영월 체육관: 일정한 곡률이 없는 비정형 구형태

 

철골 과 천장용 유공데크 : 직선 데크먼트

철골위 유공데크 설치 후(우, 직선 세그먼트), 유공데크위 폼플레이트 설치(우측, CNC 가공)

 

유공데크위 폼플레이트 설치 디테일 : CNC로 가공된 폼플레이트로 비정형 곡면 형상제어

 

폼플레이트 구조 성능 실험

 

완공 후 전경

 

Result & Insight: AI 시대,  DfMA와 OSC 기술이 건축의 미래를 결정한다

현대의 복잡한 비정형 건축은  구조체 위에 현장 각파이프 벤딩으로 억지로 마감재를 덧씌우는 방식으로 완성되지 않습니다. BIM(건설정보모델링)과 AI가 주도하는 스마트 건설 시대에는, 설계 단계부터 가공과 조립의 정합성을 통합적으로 시뮬레이션하는 DfMA(Design for Manufacturing and Assembly)와 공장 사전 제작 중심의 OSC(Off-Site Construction) 기술이 필수적입니다. 스페이스 프레임과 외장재 사이의 미세한 곡률 차이를 CNC T-BAR나 폼플레이트 같은 최적화된 매개 시스템으로 조율해 내는 것, 그것이 바로 파사드 엔지니어링의 본질입니다.

 

위드웍스(WITHWORKS)는 독자적인 DfMA 솔루션과 혁신적인 파사드 엔지니어링을 통해 건축가의 비전을 오차 없이 현실의 공간으로 완성되도록 하고 있습니다. 복잡한 비정형 프로젝트 앞에서 기술적, 비용적 난제에 부딪혔다면, 위드웍스의 검증된 솔루션 안에서 그 명확한 해답을 찾으시길 바랍니다.

 

 

 

[WW 프로젝트]"하나의 지붕, 두 가지 해법: 서수원칠보체육관의 '하이브리드' 비정형 전략"

 

 

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