[WW Project] 디아크와 Twisted Tube 시스템

안녕하세요, 위드웍스(WITHWORKS)입니다.

 

2011년부터 2012년까지, 낙동강변에 내려앉은 거대한 은빛 우주선 디아크(The ARC)가 탄생했습니다. 세계적인 건축가 하니 라쉬드(Hani Rashid)가 설계한 이 4대강 대표 물문화관은 설계부터 시공까지 디지털 패브리케이션(Digital Fabrication)을 통합 적용하여 완성한 기념비적인 건축물입니다.

 

오늘은 위드웍스가 어떻게 촉박한 일정 속에서도 비정형 곡면의 한계를 극복하고, 한번도 적용해 본적이 없는  Twisted Tube 시스템의 모험적인 도전을 통해  프로젝트를 완성할 수 있었는지에 대한 기술 인사이트를 공유하려고 합니다.

디아크(설계: Asymptote +이가건축, 시공: 대림산업)

Challenge: 물리적 시간을 넘어서는 동시 공정의 필요성

2012년 당시 디아크는 비정형 곡면과 수입 외장재 등 일반적인 건축 프로세스로는 도저히 정해진 공기 내에 완성할 수 없는 조건이었습니다. 특히 외장 마감재인 ETFE는 독일에서 제작·수입해야 했기에 공기내에 완성해 내기 위해서는 한번도 시도 한적이 없는 도전이 필요했습니다. 

 

보통은 철골 골조를 완성한 후 실측을 거쳐 마감재를 제작하지만, 디아크는 "철골 구조체 제작과 동시에 독일에서 ETFE를 제작"해야만 했습니다. 이를 위해서는 현장 실측 없이 3D 모델링을 기준으로 ETFE를 제작해야 했으며, 철골의 제작,시공 오차를 5mm 이내로 완벽하게 통제해야 하는 극도의 정밀한 공법이 요구되었습니다.

Solution 1:  3차원 좌표 제어의 핵심, 'Twisted Tube 시스템'

초기 디자인은 원형 파이프를 2방향 벤딩 후 용접하는 방식이었으나, 다양한 곡률의 2방향 벤딩은 가공 자체가 불가능했습니다. 위드웍스는 외장재 모듈의 3D 좌표점을 절대축으로 수정하는 것을 원설계사에 제안 했으나 내부 구조체는 국내 제작 환경에 맞춰 변경해도  되지만 외장재 모듈은 절대 변경할 수 없다는 내용을 전달 받았습니다.  짧은 공기에 건축물을 완성하기 위해서 1방향 곡선으로 구조재를 제작할 것을 제안한 것이지만 거절 당하면서 비정형 3D 외장재의 시공 좌표를 정밀하게 제어내기 위한  새로운  솔루션이 필요했습니다.  그 중에서 북경올림픽 경기장(Bird's Nest)에 적용된 개념을 응용한  ‘Twisted Tube 시스템’을 제안하였고 , 한번도 국내에서 시도한 적이 없는 이 공법을 국내 최초로 시도하게 되었습니다.  이러한 모험의 배경은  해외에서 실측없이 모델링 기준으로  제작수입하는 ETFE를  정밀하게 시공 할 수 있도록 구조체를 완성해 내지 못하면 주어진 공사기간 내에  프로젝트가 완성될 수 없었기 때문이었습니다. 

 

북경올림픽 경기장(Bird's Nest)

CNC Twisted Tube 제작 원리

 

 

Twisted Tube의 제작 원리는 위 그림처럼 3차원 형상을 2D 평면으로 전개(Unfolding)하여 CNC로 정밀 커팅한 뒤  Built-up으로  정밀하게 3D 조립이 가능하여 비정형 외장재 시공을 위한 수 많은 3D 좌표를 정밀하게 제어해 낼 수 있었습니다. 

 

Twsited Tube 제작

Solution 2: 정밀 시공을 위한 가이드 빔과 가설벤트

비정형 철골 부재의 조립은 시작점의 위치 제어가 정밀하지 않으면 아무리 정밀하게 제작한 Twisted Tube도 조립이 되지 않기 때. 위드웍스는 현장의 불확실성을 제거하기 위해 두 가지 핵심적인 시공방법을 추가했습니다. 

 

① 첫 단추를 위한 '가이드 빔 (Guide Beam)'
불규칙한 콘크리트 면 위에 바로 엠베드 플레이트를 설치할 경우 시공오차가 발생할 것을 예상하여 공사는 어렵지만  CNC로 가공된 선 제작된 Built-up 가이드 빔을  콘크리트 역보에 넣어서 일체화 타설하여,  Twisted Tube가 시작될 절대 좌표(x,y,z)를 정밀하게 시공되도록 하였습니다.  

철골 가이드빔 설치

 

② Twisted Tube 처짐 방지를 위한  '가설 벤트'

Twisted Tube 부재를 수평으로 고정하는 원형파이프는 정밀 시공을 위해 가볼팅으로 1차 고정하여 전제적으로 조립이 한  후 본용접할 수 있는 디테일을 적용했는데,  가설벤트는 본 용접 전 Twisted Tube를 지지하기 하고, 조립하는 도중 처짐이나 비틀림이 발생하지 않도록 하여 구조체를 안전하게 받치고, 정밀하게  Twisted Tube 구조체가 설치되도록 하기 위해  구조체  가설 지지공법을 추가 하였습니다. 

 

 

Twisted Tube 부재 조립 및 설치를 위한 가설벤트

Verification: 비주얼 목업 및 구조 실험을 통한 검증 

특수공법을 적용하기 위해서는 아무리 공사기간이 짧더라도 구조실험을 통한 검증은 필요합니다. 따라서  제작전  Twisted Tub에 대한  구조 검증을 진행하여 구조실험을 통한 구조안전을 확인과  비주얼 목업 과정을 통해 독일에서 제작한 ETFE와 Twisted Tube구조체가 잘 맞는지 확인한 후 Twisted Tube와 ETFE가 현장 실측없이 3D 모델링을 근거로 하여 각각 제작이 진행되었습니다.  

▲ Twisted Tube 부재 휨 성능 테스트

 

비주얼 목업

 

ETFE 설치

 

Solution 3: CNC T-BAR 지붕틀 모듈러 공법  & 비정형 AL. 곡면 패널 적용  

 시공기간이 촉박했기 때문에 비정형 AL. 패널의 하지 구조체를 일일 제작 시공하는 것을 불가능하였습니다.  따라서 CNC T-BAR 공법을 활용하여 공장에서 개별 부재는 제작하고  현장에서는 대형 비정형 지붕 모듈러를  조립하는 공법을 적용하였습니다. 다행히   공장에서 제작한 비정형 AL. 패널은 한치의 오차도 없이 정밀하게 조립될 수 있었습니다. 

CNC T-BAR 지붕틀 모듈러 공법

CNC T-BAR 지붕틀 모듈러 설치

 

 

 

지붕 방수 공사

비정형 지붕패널 공사

 

Result &  Insight : 디지털 패브리케이션이 만든 완벽한 구현

디아크는 설계부터 시공까지 디지털 패브리케이션 프로세스를 성공적으로 완성한 결과물입니다. 특히 실측 없는 제작, 통합 모델링 검토, 그리고  모험적인 Twisted Tube공법을 통해 짧은 공사 기간에도 불구하고 비정형 건축의 완벽한 형상을 구현해냈습니다.
결국 디아크와 같이 복잡한 형상의 건축물을 성공적으로 완성하기 위해서 DfMA(Design for Manufacture and Assembly)는 선택이 아닌 필수이며,  14년이라는 시간이 흐른 지금도, 비정형 건축의 완성도를 결정짓는 이 원칙에는 변함이 없습니다.

 

 

 

 

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