1. Intro: [5월 테마: 유리 ②] 대영박물관을 넘어, 바르샤바의 물결로
안녕하세요, 위드웍스입니다.
지난 주에는 5월 '유리' 테마의 첫 번째 사례로 대영박물관의 그리드쉘 천장을 살펴보았습니다. 오늘 그 연속선상에서 소개할 두 번째 해외 프로젝트는 2007년에 완성된 비정형 파사드 엔지니어링의 정점으로 평가받는 폴란드 바르샤바의 Złote Tarasy입니다.
바르샤바 중앙역 인근의 이 랜드마크는 마치 거대한 '가상의 천'을 건물 위에 살포시 씌운 듯한 유연한 곡선을 자랑합니다. 평면상 116m x 100m라는 압도적인 규모의 천창이 어떻게 엔지니어링되고 제작, 시공되었는지, ARUP의 기술 리포트를 기반으로 그 이면에 숨겨진 설계엔지니어링 내용을 깊이 있게 검토하고 인사이트를 공유하려고 합니다.
■ 건축개요
건축가 The Jerde Partnership
엔지니어링/시공 ARUP / Waagner-Biro
유리 패널 수 4,788개 (삼각형 메쉬, 전부 다른 규격)
준공 연도 2007년 2월
천창 면적 10,240 m22. Challenge: 단 하나도 같은 모양이 없는 4,788개의 유리 퍼즐
Złote Tarasy 아트리움 천창의 가장 큰 특징은 표준화라는 건축의 상식을 정면으로 거부했다는 점입니다. '가상의 천(Virtual cloth)' 시뮬레이션을 통해 생성된 이중 곡률의 지붕은 4,788개의 삼각형 메쉬로 최적화되었는데, 이 중 단 하나도 모양이 같은 것이 없습니다. 형상을 부더럽게 하기 위해 유리 패널 수량을 늘리게 되면 절점용 노드 및 부재수량이 증가해서 공사비가 올라가기 때문에 형상, 구조, 공사비등을 고려하여 유리사이즈가 최적화되었습니다. (유리 한 변의 최소길이는 약 2.1m)
[스틸 커튼월, 구조 부재 정보]
* 부재 규격: 시각적 일관성을 위해 모든 스틸 부재를 200 x 100mm(RHS)로 통일. * 두께 최적화: 겉보기엔 같지만, 하중에 따라 강판 두께를 5mm에서 17.5mm까지 다르게 설계 됨 * 고강도 강재: S355가 메인부재로 사용되었으며, 응력이 집중되는 핵심 부재에는 S460 고강도 강재를 적용해 슬림한 단면을 유지함. (최대 처짐: 43mm 이하)
*부재 수량: 2300개의 노드, 7123 개의 스틸 부재 (630 ton)
시공사인 Waagner-Biro에서는 유리의 정밀 시공과 비틀림을 줄이기 위해 스틸 파이프 부재의 중심선(구조설계 기준)이 아닌 '유리 패널 하단면(Steel 부재 상단면)'으로 지오메트리 기준을 변경하였습니다. 이는 유리 가스켓 디테일을 단순화 할 수 있었지만, 이로 인해 노드에는 복잡한 비틀림 편심과 추가적인 휨 모멘트가 발생하는 구조적 난제를 해결 해야 했습니다.
광교 갤러리아의 경우 인접 유리면의 각도가 심했기 때문에 구조중심축과 유리마감 지오메트리가 불일치로 인한 문제가 디테일에서 바로 나타났으며 볼노드로는 시공이 불가능하다고 판단하여 유리마감축과 구조 중심축을 일치시키는 디테일에 대한 6개월이상의 디테일 개발 과정을 통해 스마트노드라는 혁신적인 기술이 탄생할 수 있었습니다.
3. Structure: 스스로 숨 쉬고, 설하중을 이겨내는 시스템
내부의 11개의 브랜치 기둥은 3개의 가지로 뻗어 나가며 거대한 하중을 분산합니다. 또한, 기온 변화에 따른 열 스트레스를 조절하기 위해 가장자리 기둥에 '단방향 관절(Articulated joints)' 베어링 시스템을 설치하여 지붕이 자유롭게 팽창·수축하며 스스로 구조재의 수축팽창을 흡수할 수 있도록 설계되었습니다.
설하중을 견디기 위해 스틸 구조체의 부재 크기를 키우지 않고 미니멀한 스노우 펜스(Snow fences)를 설치해 눈의 쏠림을 물리적으로 막아 집중 하중을 2.5 kPa 수준으로 낮췄으며(스노우 펜스 없을 경우 10 kPa), 보행자 안전을 위해 최하단 펜스에는 열선을 배치해 눈을 녹여 배출하는 방식으로 하여 고드름이나 눈덩이로 인한 피해가 일어나지 않도록 했습니다. 아럽은 초기 설계단계부터 비정형 천장 전문 시공사를 참여시켜 공사비 최적화를 위한 설계 엔지니어링을 진행하였으며, 볼팅과 용접의 두 가지 노드디테일을 입찰서에 반영하여 시공단계에서 전문시공업체가 선정되고 난 뒤 두 공법중 한 공법을 선택하여 시공하도록 하였습니다. 전문 시공사로 선정된 Waagner Biro는 용접형 노드를 선택하였고, 이를 구현하기 위한 구조실험등을 진행하여 구조안전을 확인 한 후 아트리움 천창 공사가 진행되었습니다.
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4. Construction: 129개의 유닛제작과 노드 조인트 구조 성능 실험
아트리움 천창 구조체는 7000개가 넘는 부재들의 제작 및 조립오차를 최소화 하기 위해 129개의 유닛으로 사전 제작하는 프리패브 공법을 적용하였습니다. 특히 설치 후 자중에 의해 처짐이 발생할 것까지 계산하여, 노드의 위치를 원래 설계보다 더 높게 들어 올려 제작 및 시공하도록 하였으며, 정밀한 유닛트 제작을 위해 지그를 이용하여 정밀한 수치제어를 통해 유닛이 조립되도록 하였습니다.
각각 다른 크기와 형상의 노드, 연결부재, 유리를 정밀하게 제작하기 위해 3D 모델에서 정보를 추출하여 CNC 컷팅, 로봇등 정밀제기술을 활용하여 개별 부재 및 유닛을 공장에서 제작한 후 현장에서 설치하도록 하여 고공에서의 현장 용접이 최소화 되도록 하였습니다. 또한 브랜치 기둥의 정확한 시공을 위해 가설을 설치하고 브랜치 끼리도 브레이싱을 설치하여 임시 고정한 후 스틸 구조틀과 브랜치가 연결되고 난 뒤 가설 지지재를 해체하여 정밀한 지오메트리가 구현되도록 하였습니다. 유닛 사이에 연결 되는 부재만 현장에서 용접하여 일체화하였으며, 구조체 인양 및 설치에 7개월이 소요되었습니다.
또한, 설계의 신뢰성을 입증하기 위해 2003년 오스트리아 그라츠 공대에서 ' 노드의 구조성능 실험'이 진행되었스며, 최대 하중을 가했을 때 노드 연결부가 아닌 스틸 부재 자체가 먼저 변형됨으로써, 복잡한 비정형 접합부의 구조적 안정성을 확인한 후 부재 및 노드 제작이 진행되었습니다. 고강도 부재인 S460은 부재 수량이 많지는 않았지만 예열을 통한 용접을 진행하고 용접부에 대해서는 육안검사, 자분탐사검사, 초음파 검사를 통해 엄격한 구조성능 검사가 이루어졌습니다.
공장제작과정에서는 복잡한 도면만큼이나 실제로 제작에 어려움으로 인해 매우 도전적이었으며, 특히 용접에 대한 어려움이 많았고 용접을 검사하는 데 있어서도 제한적이거나 비효율적인 부분이 많아서 물리적인 한계들이 있었다고 합니다. 실제 예각으로 노드와 스틸 부재들이 만나는 부분에서 일정한 용접품질을 확보하는 것은 현실적으로 어려움이 많다는 것을 Złote Tarasy 프로젝트를 통해 알 수 있습니다.
[광교 갤러리아, 스마트노드 접합 디테일]
광교 갤러리아의 비정형 커튼월 파사드에 적용한 스마트노드는 부재들과 노드가 예각으로 만나지 않고 직각으로 접합되게 함으로써 용접부에 완전용입용접을 통해 완벽한 구조성능이 확보될 수 있도록 하였으며, 유리면 간 각도가 최대 +45~ -45도(90도)까지도 구현이 가능하도록 개발되었습니다.
5. Result & Insight: 기술의 진보가 만드는 더 높은 완성도
Złote Tarasy 는 비정형 건축이 단순한 화려함을 넘어 정교한 3D 엔지니어링의 산물임을 보여준 도전적인 프로젝트입니다. 4,788개의 서로 다른 유리가 하나의 흐름을 완성하기까지 보여준 엔지니어링과 정밀제조 기반의 시공 방법은 오늘날 우리에게 많은 영감을 줍니다..
위드웍스(WITHWORKS)의 기술적 통찰:
과거 Złote Tarasy 는 기하학적·구조적 복잡성을 해결하기 위해 구조부재 상단면을 설계와 시공의 기준점으로 설정했습니다. 하지만 이는 유리면과의 각도가 더 커질 경우 유리 마감면의 미세한 오차를 완벽히 통제하기 어렵게 만드는 한계가 있습니다.
- 유리 마감면 기준 설계: 위드웍스는 Smart Node 기술을 통해 복잡한 지오메트리와 비틀림 편심 문제를 완벽하게 해결하였음.
- 품질의 차이: Smart Node 기술을 통해 '유리 마감면'을 제작 및 시공의 최종 기준으로 설정할 수 있으며, 결과적으로 시각적 연속성이 훨씬 뛰어난 고품질의 비정형 파사드를 완성할 수 있음.
"Beyond Structure, Toward Value." 기술은 상상을 현실로 만드는 도구를 넘어, 그 결과물의 품질을 결정짓는 핵심입니다. 위드웍스는 Złote Tarasy 가 열어준 비정형의 길을 우리만의 진보된 솔루션으로 더욱 정교하게 다듬어가고 있습니다.
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📚 참고 문헌
- Darren Anderson외 (1/2008). "Złote Tarasy, Warsaw, Poland ". The Arup Journal 1/2008 .
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