금속과 석재로 불가능한 3D 형상, GFRC와 UHPC로 완성하다
건축가의 도면 위에 그려진 화려한 2-way 곡면(이중 곡면)은 시공 단계에서 큰 난관에 부딪히곤 합니다. 금속 패널은 탄성 회복 현상으로 정밀한 곡면 유지가 어렵고, 천연 석재는 일정 두께 이하로 얇게 만들거나 대형 패널로 제작할 경우 파손 위험이 급격히 커지기 때문입니다.
이러한 금속이나 석재의 3D 형상 및 두께의 한계를 극복하면서 외장재로서 필수적인 불연 성능까지 확보가 가능한 외장재료가 GFRC( Glass Fiber Reinforced Concrete)와 UHPC(Ultra High Performance Concrete)입니다. GFRC는 계속 사용해 왔던 건축 외장재인데 반해 UHPC가 국내에서 건축 외장재료로 적용되기 시작한지는 10년이 채 되지 않았습니다. 오늘은 위드웍스 프로젝트 사례를 통해 이 두 재료의 기술적 차이점과 효과적인 적용방법에 대해 살펴보려고 합니다.
글로벌 사례로 보는 비정형 파사드의 정수
[GFRC 사례] 더 브로드 뮤지엄 , LA
[UHPC 사례] 루이비통 파운데이션 , Paris
GFRC vs UHPC 기술 비교
| 기술적 특징 | GFRC (유리섬유 보강) | UHPC (초고성능 콘크리트) |
|---|---|---|
| 보강 방식 | 내알칼리성 유리섬유 레이어링 + 스틸하지 프레임 | 강섬유/유기섬유 고밀도 혼입 |
| 패널 두께 | 15mm~20mm (경량화) | 6mm~80mm (구조적 강성 확보) |
| 제조 공법 | 스프레이(Spray-up) 방식(일면 몰드) | 고유동성 정밀 캐스팅 방식(일면 or 양면몰드) |
| 압축 강도 | 40 ~ 80 MPa | 100 ~ 150 MPa |
위드웍스 프로젝트 사례: 재료 최적화 엔지니어링
Case 1. 부산오페라하우스의 UHPC 패널
부산오페라하우스 프로젝트의 가장 큰 숙제는 '석재 디자인의 대형화와 박판화'였습니다. 초기 디자인에 반영된 석재 파사드는 재료 특성상 대형 크기로 제작이 불가능했으며, 박판으로 커튼월 시스템에 적용되어야 했기 때문에 새로운 소재가 필요한 상황이었습니다.
위드웍스는 2013년에 'Super Structure 2020, Super Concrete 활용 건축 구조요소 및 시공기술 개발(연구책임자: 서울대학교 홍성걸 교수)' 연구과제에 참여하면서 UHPC가 석재를 대신해서 혁신적인 외장재로 사용가능하다는 것을 선진국의 기술동향과 해외 프로젝트 사례를 통해 접할 수 있었으며, 서울대학교에서 부산 오페라 하우스 패널 샘플을 6mm 두께로 UHPC로 제작하면서 그 가능성을 확인 할 수 있었습니다. 이후 부산 오페라 하우스의 실시설계단계에 파사드 엔지니어사로 참여하여 UHPC 커튼월 시스템을 완성하였고, 시공단계에서는 비주얼 목업& 랩 목업 과 건축학회 구조실험 검증을 통해 UHPC 성능을 검증을 받은 후 원 설계 디자인을 유지하면서 현재 UHPC로 시공 중에 있습니다.
Case 2. 플레이스원 (삼성동 KEB하나은행), UHPC & GFRC 패널
플레이스원은 3D 곡면 입체 패널(발코니 구간)은 내측 노출과 패널 자체의 구조 성능 확보를 위해 UHPC를, 내측 노출이 필요없는 배면부 평면 & 곡면 파사드 구간에는 UHPC 대비 상대적으로 저렴한 GFRC가 적용되었습니다. GFRC는 인장력 보강과 구조 지지를 위해 스틸 트러스를 일체화하여 제작하기 때문에 UHPC 보다는 더 많은 외벽 공간이 필요하며 내측면이 노출 되지 않는 곳에 적용되어야 합니다. 플레이스원 배면부는 유리창이 거의 없고, 외벽공간이 충분하여 GFRC 적용에는 문제가 없었습니다.
Case 3. 파라다이스 시티, GFRC 패널
파라다이스 시티는 초기 설계 당시 15mm였던 GFRC 패널은 대형 비정형 곡면의 편차와 구조적 안전성 확보를 위해 최종적으로 30mm 두께로 시공되었습니다. GFRC 패널은 하부 스틸 트러스가 대형화 패널을 위한 구조재 역할을 하므로 곡면의 깊이가 깊을 수록 더 많은 하지 트러스 물량이 필요하게 되며, 하지 트러스로 인해 내부 노출은 불가능합니다. GFRC는 일면 몰드를 사용하여 스프레이 방식으로 제작하는데, 개별 패널 마다 다른 몰드를 제작해야 할 경우 양면몰드로 타설방식으로 제작하는 UHPC패널 보다 몰드 제작비가 훨씬 절감 될 수 있습니다.
Case 4. 세종 엠브릿지, GFRC 패널
현재 국내에 시공되고 있는 GFRC 패널은 중국에서 제조 후 국내로 수입되고 있습니다. 특히 해외에서 조달할 경우, 설치 후의 상태뿐만 아니라 해상 운송의 진동과 현장 인양 시의 하중 집중으로 인한 파손을 막지 위해서는 추가 보강 설계가 반드시 필요합니다. 이 현장의 경우도 엣지부분에 GFRC 보강 부족으로 운반중 파손이 발생한 사례가 발견 되었으므로, 대형 패널의 경우 설계 단계에서 운반 및 인양을 고려한 설계엔지니어링이 패널의 품질에 많은 영향을 줄 수 있으므로 매우 중요한 부분입니다.
GFRC 패널
Case 5. 젠틀 몬스터: UHPC 패널 최적화
마감재의 정밀 시공과 시공성을 위해서는 패널크기의 최적화가 반드시 필요합니다. 위드웍스에서는 접합부 디테일, 설치위치 등을 고려하여 UHPC 패널 한 장당 무게를 35kg 이하가 되록 파사드 모듈을 변경하여 정밀 시공과 시공의 효율을 높일 수 있도록 하였습니다. ( 750mm x 1500mm x 20T(55.13kg)에서 600mm x 1200mm x 20T (35.4kg) 로 변경)
또한 언더컷 앵커를 사용해서 20mm UHPC패널을 고정하게 되면 구조성능확보에 어려움이 있어서 선매입 앵커 방식을 적용하여 일정한 구조성능이 확보될 수 있도록 UHPC 오픈 조인트 디테일을 완성하였습니다. 외벽, 천장, 지붕 등에 동일한 콘크리트 재료를 적용하면서 최소 외벽공간으로 정밀한 시공이 필요한 곳에서는 UHPC가 최적의 마감재일 것입니다.
그런데 UHPC는 철근대신 강섬유나 유기섬유를 혼입하여 강도를 높이는데, 패널이 얇을 수록 섬유를 균등하게 하면서 제조하기 위해서는 고도의 제조 기술력이 필요하며 구조성능의 불확실성을 제거하는 것이 가장 중요한 부분입니다.
Result & Insight
최적의 비정형 솔루션: 현명한 공법 선택의 기준
비정형 파사드 프로젝트에서 GFRC와 UHPC는 용도가 겹칠 수 있으나, 재료의 역할과 성능을 고려한 신중한 선택이 요구됩니다. 단순히 심미적인 부분을 넘어 생산 방법, 몰드의 유형, 구조적 성능, 내외부 노출 조건 등을 면밀히 검토해야 합니다. 파사드 형상 전체가 다를 경우는 각 패널마다 각각 다른 몰드를 제작하여야 하므로 1면 몰드만으로 형상 완성이 가능한 GFRC가 경제적일 것이며,
몰드를 반복적으로 사용 가능한 입면 패턴이거나 외벽 두께가 크리티컬하고 정밀 시공해야 하는 커튼월에는 UHPC가 더 적합할 것입니다. 특히 UHPC는 재료비가 GFRC보다 휠씬 높기에 UHPC를 적용하기 위해서는 두께를 최소화하는 정밀 엔지니어링이 필수적이며, 젠틀 몬스터 사례와 같이 패널 최적화는 시공성과 시공품질에 영향을 주기 때문에 반드시 검토햐여야 할 사항입니다.
💡 핵심 인사이트: 디자인 의도는 '설계 단계의 DfMA'에서 결정됩니다
비정형 건축의 완성도는 설계자의 의도가 현장에서 왜곡 없이 구현되느냐에 달려 있습니다. 이를 위해 설계 초기 단계부터 제조(Manufacturing)와 조립(Assembly)을 전제로 한 DfMA 프로세스로 진행하는 것이 핵심입니다. 각 재료의 노출 여부, 운반 환경, 그리고 시공자의 작업 반경까지 고려한 엔지니어링을 선행할 때, 디자인이 의도한 파사드를 가장 경제적이고 안전하게 구현할 수 있습니다.