건축 마감재 중 가장 대중적인 것을 꼽으라면 단연 '알루미늄 시트'와 '알루미늄 복합패널'입니다. 평평하고 반듯한 정형 건축물에서는 두 재료 중 무엇을 써도 큰 문제가 없습니다.
하지만 건물이 춤을 추듯 휘어지는 비정형 건축(Free-form Architecture)이라면 이야기가 달라집니다. 재료의 물성, 두께, 그리고 접합 디테일 하나가 건물의 수명을 결정짓기 때문입니다. 오늘은 세종시 정부종합청사 3단계 1구역의 상징인 '와플 파사드(Waffle Facade)' 의 6개월 이상 걸린 솔루션 개발과정 ( 형상, 재료, 공법), 대형 파사드 유닛 제작 및 시공에 대한 인사이트를 공유하려고 합니다.
Challenge: 비틀린 면 위의 와플, "이대로는 시공 불가합니다"
이 프로젝트의 비정형 구간 면적은 약 17,700㎡. 1방향으로 꼬인 곡면(Twist Surface) 위에 와플 모양의 입체 패턴을 입혀야 했습니다. 당초 설계안은 3T 알루미늄 시트를 사용하여 가스켓(Gasket)으로 시공하는 방식이었는데, 위드웍스가 BIM 시뮬레이션과 비주얼 목업(Mock-up)을 통해 검토한 결과, 심각한 문제들이 발견되었습니다.
- 형상의 불일치: 건물의 면은 비틀려(Twist) 있는데, 창호와 유리를 평평하게 설치하려니 프레임이 맞지 않음.
- 누수 위험: 수직, 수평, 사선이 만나는 복잡한 꼭짓점에 가스켓 시공이 불가능했고, 실제로 1차 목업 결과, 28곳 중 19곳에서 5mm 이상의 오차가 발생함.
- 하지 구조체의 불연속 및 구조성능 부족: 트위스트 면을 맞추기 위해서 외벽 패널 지지용 각파이프가 중간에 잘림(구조 성능 부족)
"형상, 제작, 시공을 고려하지 않은 디테일은 재앙이 됩니다."
위드웍스는 부분 수정이 아닌, 형태(Geometry)부터 재료, 공법까지 원점 재검토를 진행했고, 파사드 디자인에 맞는 공법을 개발하는데 약 6개월의 시간이 소요되었습니다.
Solution: 형상 최적화와 마감 재료의 변경
1. Geometry Optimization (형상 최적화)
제작 및 시공성을 확보할 수 있는 방법을 찾기 위해 축소 모형을 제작하여 검토하여, 제작 비용이 천문학적으로 드는 '곡면 Twist 와플' 대신, 디자인 의도를 해치지 않는 범위에서 '폴딩(Folding)' 방식의 대안을 검토하였습니다. 수평패널은 트위스트가 심하지 않아서 평면으로 패널화 하였으며, 수직 패널의 트위스트가 심한 구간에 폴딩을 적용하여 입체 와플 파사드의 솔루션을 완성할 수 있었습니다.
2. 알루미늄 시트 → 복합패널
당초 설계된 3T 알루미늄 시트는 폴딩을 위해 적합한 소재가 아니었습니다. 알루미늄 시트는 폴딩을 하려면 절곡을 해야 하는데 절곡시 두께에 의해 발생하는 곡률로 인해 틈이 발생하였고 이로 인해 제작 정밀도가 떨어졌습니다. 이에 반해 복합패널은 CNC 라우터를 통해 정확한 위치에서 그루빙으로 절곡 부분을 가공해 낼 수 있기 때문에 절곡면에 틈이 없이 만날 수 있고 입체적인 와플형상의 제작이 매우 용이 했습니다. 따라서 알루미늄 복합패널로 외장 재료를 변경하여 파사드 입체 모듈러 공법을 완성하였습니다.
입체 유닛 패널을 설치하기 위한 하지 시스템은 정형과 비정형을 다르게 적용하여 공사비 증가가 최소화되도록 하였습니다. 비정형 구간은 원파이프를 활용하여 파사드 입체 모듈이 다양한 각도로 원파이프가 만나더라도 취부용 AL. 브라켓을 돌려서 다양한 각도를 받아 줄 수 있도록 디테일을 개발하였습니다. Zahner사의 ZEPPS와 비슷한 원리라고 할 수 있습니다.
3. 3D 스캐닝 역설계, & 공장제작, 현장조립
비정형 건축물은 구조체를 아무리 정밀하게 시공하더라도 현장에서 오차가 발생할 수 밖에 없습니다. 비정형 입체 패널이 창문위치와 정확하게 맞게 고정하기 위해서는 현장에서 정확하게 실측이 필요한데 토털스테이션 측량으로는 수많은 좌표점을 현장에서 검측하는 것은 현실적으로 불가능하여 3D 스캐닝을 활용하여 창문의 시공현황에 대한 DATA를 제작용 3D 모델링(LOD400)에 반영하여 비정형 구간의 입체 모듈패널의 CNC 제작용 도면을 완성하였습니다.
비정형 파사드의 우수한 시공품질은 정밀한 3D 설계를 통해서 가능한 것이지 현장 기술자의 능력으로 완성되는 것이 아닙니다. 비록 설계와 제작과정은 길고 어렵지만 현장에서 진행하는 설치과정은 쉽고 빠르게 할 수 있는 것이 DfMA의 가장 큰 장점이라고 할 수 있습니다.
Result & Insight: 혁신적인 디자인을 위해서는 혁신적인 기술과 공법이 필수
세종 정부청사 프로젝트는 단순한 건축물을 넘어 '디자인의 자유'와 '시공의 정밀성' 사이의 간극을 기술로 메운 도전이었습니다. 약 6개월 간의 공법 개발을 통해 설계의도를 완벽하게 구현할 수 있는 공법을 찾았을 뿐만 아니라 기존 공법의 문제였던 누수 위험을 ' 파사드 입체 모듈러공법(차수벽+오픈 조인트)' 으로 완벽히 해결할 수 있었습니다.
이번 사례를 통해 우리가 얻을 수 있는 인사이트는 명확합니다. "불가능해 보이는 비정형 디자인을 현실로 만드는 힘은 타협이 아닌 진보된 기술을 활용한 혁신적인 공법에 있다"는 점입니다. 현장에서의 임의시공을 없애고 공장 생산 중심의 DfMA(Design for Manufacturing and Assembly)를 실천함으로써, 시공 속도는 빨라졌고 최고의 시공 품질을 확보할 수 있었습니다.
우리는 이번 사례를 통해 혁신적인 디자인이 단순히 도면 위의 선으로 완성되는 것이 아님을 확인할 수 있습니다. 그 선이 실제 건축물이 되기까지, 혁신적인 기술을 도구 삼아 한계를 돌파하려는 엔지니어들의 끊임없는 도전과 치열한 노력이 뒷받침되어야 합니다. 결국 디자인이 하나의 '작품(Masterpiece)'으로 승화되는 지점은 바로 이 엔지니어링과 디자인 본질과 완벽하게 결합될 때 가능해집니다.
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