안녕하세요, 복잡한 도면이 쉬워지는 곳, 비정형 엔지니어링 및 파사드 설계 전문 기업 위드웍스(WITHWORKS)입니다.
녹음이 우거지는 싱그러운 5월, 위드웍스는 현대 건축의 미학적 도전을 가능하게 만드는 투명한 예술, '유리(Glass)'를 핵심 테마로 다루고 있습니다. 오늘 소개해 드릴 유리 파사드 기획의 네 번째 주인공은 비정형 엔지니어링과 첨단 디지털 패러다임의 완벽한 융합으로 전 세계의 주목을 받은 싱가포르의 랜드마크, 주얼 창이 공항(Jewel Changi Airport)입니다.
싱가포르 창이 국제공항 중심부에 안착한 주얼 창이(Jewel Changi Airport)는 거대한 온실 정원과 상업시설이 결합한 대형 복합 공간이자, 현대 외장 엔지니어링의 신기원을 이룩한 마스터피스입니다. 전 세계 건축가들과 엔지니어들이 이 거대한 물방울 형상 천장을 바라보며 감탄하는 이유는 단순히 화려함 때문이 아닙니다.
단 한 개의 기둥도 없는 실내 중심부를 만들기 위해 총 무게 6,000톤의 철골 그리드쉘을 공중에 띄우고, 9,000여 장의 비정형 삼각 유리를 정확한 오차 범위 내에 조립해 낸 이면에는, 건축과 기하학, 그리고 제작 가공을 한 줄의 데이터로 묶어낸 디지털 테크놀로지가 자리 잡고 있습니다. 그리고 이 거대한 그리드쉘 구조를 묶어주는 6,000개의 '노드(Node)' 설계에는 비정형 건축의 성패를 가르는 고도의 제조 엔지니어링이 숨겨져 있습니다.
■ Jewel Changi Airport의 핵심 기술 프로필
비정형 엔지니어링 관점에서 주얼 창이 프로젝트의 기하학적 규모와 주요 주체는 다음과 같이 체계적으로 요약할 수 있습니다.
| 구분 | 세부 기술 사양 및 프로젝트 참여 주체 |
|---|---|
| 프로젝트 규모 | 연면적 약 134,000㎡의 초대형 복합 엔터테인먼트 공간 |
| 지붕 구조물 사양 | 비대칭 토러스(Toroid) 형태의 단층 그리드쉘 (장축 200m × 단축 150m) |
| 주요 부자재 수량 | 총중량 6,000톤, 삼각 유리 패널 9,000여 장, 스틸 프레임 14,000개, 솔리드 노드 6,000개 |
| 구조적 지지 솔루션 | 외곽 콘크리트 외벽 링 빔(Perimeter Ring Beam) 및 내부 정원 속의 단 14개 기둥 지지 |
| 레인 보텍스 (Rain Vortex) | 천장 중앙 12m의 원형 개구부(Oculus)를 통해 낙하하는 40m 높이의 세계 최장 실내 인공폭포 |
| 프로젝트 핵심 팀 | Design Architect: Safdie Architects (대표: Moshe Safdie) Structure & Facade Engineer: BuroHappold Engineering (비정형 스틸 글라스 루프) Executive Architect / Structure: RSP Architects Planners & Engineers Pte Ltd |
1. 파라메트릭 데이터 파이프라인: Rhino에서 SAP2000, 그리고 Revit까지
뷰로하폴드(BuroHappold)의 엔지니어링 팀은 설계 단계에서 전통적인 파일 교환 방식의 비효율을 타파하기 위해, 완벽한 디지털 파라메트릭 파이프라인을 구축했습니다.
[단계 1] 디자인 및 인터체인지 (Rhino)
Safdie Architects의 디자인 원형은 라이노(Rhino) 모델링을 매개체로 공유되었습니다. 엔지니어링 정보와 마감 형태 정보를 손실 없이 자유롭게 주고받기 위한 기하학 정보 허브 역할을 라이노가 담당했습니다.
[단계 2] 변수 스크립팅 자동화 (Grasshopper)
뷰로하폴드는 그래스호퍼(Grasshopper)의 맞춤형 스크립트를 작성하여 기하학 표면 위의 14,000개 부재 라인과 6,000개 접합점 노드를 수학적 함수에 의해 자동으로 생성하는 파라메트릭 모델을 정립했습니다. 형상의 지름이나 오큘러스 구멍의 중심 좌표가 바뀔 때마다 전체 구조 형태가 1초 만에 자동 분할 재구성되도록 한 것입니다.
[단계 3] 구조해석 연계 (SAP2000 & OASYS GSA)
그래스호퍼에서 가공된 부재 데이터들은 실시간으로 구조해석 프로그램인 SAP2000 모델링으로 연동 변환되었습니다. 이를 통해 자중, 풍하중, 그리고 열팽창률을 입력하고 정밀 비선형 탄소성 유한요소 분석을 지체 없이 실행했습니다. 구조적 안전성은 OASYS GSA를 활용한 크로스 체크(Cross-check)를 통해 2차 정밀 물리 검증을 확보했습니다.
[단계 4] 빌딩 통합 정보 모델링 (Revit)
구조 및 좌굴 해석을 거쳐 단면의 안전 두께가 완벽히 픽스되면, 해당 라이노 데이터를 기반으로 레빗(Revit) 환경에서 3차원 익스트루전(Extrude) 패밀리를 자동으로 생성하도록 연결했습니다. 이 완전 자동화 파이프라인 덕분에 시공용 도면(Shop drawing) 제작을 위한 인적 입력 오류가 사전에 원천 차단되었습니다.
"BIM을 단순한 3D 가시화 도구가 아닌, 구조 모델과 직접 소통하며 최적 형태를 자동으로 탐색하는 수치 연산 장치(Numerical Engine)로 설계에 적용한 사례입니다."
2. 주얼 창이의 심장, 솔리드 스틸 노드(Solid Steel Node) 제작 공정
주얼 창이의 웅장한 그리드쉘 천창을 지탱하기 위해 엔지니어들이 선택한 연결 조인트는 단단한 금속 덩어리를 깎아 제작한 '솔리드 스틸 노드(Solid Steel Node)'였습니다. 이 연결 솔루션은 비대칭 토러스 지붕의 불규칙한 응력 전달을 제어하기 위해 철저하게 프리-엔지니어링(Pre-Engineering)되었습니다.
■ 6,000개의 유니크(Unique) 형상 가공
비대칭의 유기적 곡선 천장이었기에, 모든 부재가 만나는 3차원 기울기 각도는 저마다 다를 수밖에 없었습니다. 엔지니어들은 일반화된 부품을 설계하려 시도했으나, 가공 기술의 정밀도를 신뢰한 끝에 6,000개의 노드를 단 하나도 형상이 겹치지 않는 100% 개별 디자인으로 제작하여야 했습니다. 각 노드는 중심에 볼트 체결 허브를 위해 사방으로 가지가 뻗은 고유의 입체 스터브(Stub) 형상을 지니게 되었습니다.
■ 독일 MERO사의 3D CNC 다축 밀링 공정
해석 완료된 3차원 노드 파일들은 독일의 정밀 가공사 메로(MERO) 사의 현지 공장으로 직접 전송되었고, MERO 사는 거대한 고탄소강 스틸 블록을 직접 깎아 정밀도를 확보하는 3차원 다축 고정밀 컴퓨터 수치제어(CNC) 밀링 가공 장비를 활용하여, 각각의 부재 각도와 오차 범위가 밀리미터 단위를 넘지 않는 결합용 스터브를 정밀 가공했습니다. 속이 꽉 찬 단일 구조체(Solid) 상태이므로 기하학적 접합 강도는 우수하지만, 원소재가 밀링 하면서 스크랩이 많이 발생하였고 노드가 무거워지는 가공상의 필연적 한계가 존재하였습니다.
■ 현장 조립 가속화를 위한 80/20 법칙
시공을 맡은 Woh-Hup, Yong-Nam 조인트벤처는 50미터 이상 고공 크레인 위에서 수작업으로 일일이 정렬하고 용접하는 리스크를 줄이고자 했습니다. 이에 따라 전체 빔과 노드 연결 부위의 80%는 공장에서 결합 구멍을 미리 정확하게 뚫어서 들여오는 '프리 드릴링(Pre-drilled)' 공법을 적용해 전량 볼트 결합으로 간편하고 단단하게 가공 조립했습니다. 나머지 미세 조정 오차 상쇄가 필요한 20% 지점만 현장에서 정밀 용접하는 방법을 통해 공기를 수개월 단축했습니다.
3. DfMA를 위한 3D 설계 엔지니어링
제공된 공학 분석 보고서 상에 'DfMA(Design for Manufacture and Assembly)'라는 공법 용어가 표면상으로 직접 거론되지는 않았으나, 주얼 창이 공항의 3D 엔지니어링은 설계 초기 단계부터 부품의 완전 가공성(Manufacture)과 고속 현장 조립성(Assembly)을 지향하는 DfMA의 개념을 고려하여 엔지니어링이 진행되었습니다. 위드웍스가 정밀 분석한 주얼 창이의 DfMA 요소는 다음과 같습니다.
① 제조성 설계 (Design for Manufacture)
- 디지털 기하학 데이터와 기계식 CNC 직결: 설계팀(BuroHappold 및 Safdie Architects)은 Rhino 및 Grasshopper로 구축한 정밀 좌표 데이터를 공정 도면 디코딩 없이 독일과 싱가포르의 가공소에 G-code 데이터로 고스란히 이식하여 공장 기계가 원스톱 CNC 절삭에 임하도록 자동화 파이프라인을 구성함..
- 로봇 및 CNC 연계 제조 품질 제어: 독일 MERO사는 입체 3D CNC 장비로 단단한 합금강 노드의 3차원 스터브 각도를 정밀하게 밀링가공했으며, 싱가포르의 제철 제작소(Yong-Nam)에서는 플레이트판의 정밀 자동 절단과 용접 전 과정을 자동화 로봇으로 수행했음.
- 수학적 연속성을 기반으로 한 기하학적 규칙 공유: 5,000개가 넘는 솔리드 노드와 14,000개의 부재는 동일한 기하 형상이 전혀 없었지만, 단 하나의 입체 수학 규칙 세트(Geometrical Ruleset)를 통해 설계를 최적화함.
- 중국 패킹 스터디(Packing Study)를 적용한 유리 절단 최적화: 삼각 유리의 마스터 사각 원판 재단 시 생기는 폐유리 손실을
②조립성 설계 (Design for Assembly)
- 볼팅 가공 80% 확보를 통한 고소 현장성 혁신: 현장의 높은 불확실성과 고공 시공 위협을 낮추기 위해 부재의 80%는 공장에서 접합 구멍을 사전 천공하여 현장반입되었으며, 이를 통해 고소에서의 복잡한 정렬 과정을 단순 볼팅으로 조립하여 현장 용접률은 단 20%로 최소화함.
- 피스 바이 피스(Piece-by-Piece) 3차원 입체 퍼즐 조립: 50,000개가 넘는 전 외장 하드웨어 부재들이 공장에서의 절대 허용 오차 제어하에 균일하게 제작되었으므로, 정밀한 현장조립으로 시공됨.
- 5층 높이의 목업 성능 검증 및 역발상 탑다운 시공 시퀀스: 건설 시작 전에 종합 모의 테스트 5층 목업(Mock-up)과 음압 수압 방수 테스트를 선행 검증했으며, 시공사(Woh-Hup, Yong-Nam, MERO)는 무브블 크래시 덱(Moveable Crash Deck)을 공중에 띄워 심장부인 오큘러스를 가장 먼저 세운 뒤 바깥쪽으로 삼각 격자망을 뻗어 나가는 독특한 역조립 공법으로 시공할 수 있도록 제작설계에 반영함.
⭐️ 국내사례 대형 스마트노드 시스템(노드 높이: 400mm), 부산오페라하우스
창이공항 주얼은 높이 600mm이 노드를 밀링으로 제작하였는데, 노드 내부는 밀링장비가 들어갈 수 없기 때문에 무게가 무거운데도 불구하고 솔리드 노드를 제작하여 설치할 수밖에 없었습니다. 그런데 3D 프린팅 기술의 발전으로 위드웍스에서는 스마트노드를 높이 150mm의 노드를 광교 갤러리아에 적용하였으며, 부산오페라 하우스의 전면 파사드에는 높이 400mm의 스마트 노드를 상용화하는 데 성공하였습니다. 솔리드 노드는 각도, 크기, 무게에 따라 5축 CNC 가공에 한계가 많이 있지만 스마트노드는 3D 프린팅 기술을 활용하여 샌드 몰드를 만들고 고강도 주강을 몰드에 부어서 주조하는 방식으로 제작되기 때문에 형상이나 부재 각도에 영향을 받지 않고 제작할 수 있으므로 활용범위가 매우 넓고 노드와 부재가 직각으로 만나기 때문에 완전용입용접이 가능하여 구조적으로 매우 안전합니다.
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Result & Insight : '솔리드'와 '3D 프린팅 스마트 노드'의 기술적 한계 돌파
싱가포르의 랜드마크인 '주얼 창이' 공항은 각각 다른 형상의 솔리드형 노드를 정밀제작하여 시공한 사례이고, 그 당시 최고의 엔지니어링 기술과 제조기술을 통해 완성된 매우 좋은 사례임에 틀림없습니다. 그런데 파사드 형상이 더 복잡하고 변화가 심할 경우 밀링으로 노드를 제작하는 것은 한계가 있습니다.
위드웍스(WITHWORKS)의 비정형 건축 전문가의 기술적 관점에서 냉철하게 분석해 보면, 주얼 창이의 노드 설계는 엄청난 양의 스틸 덩어리를 기계로 깎아서 제작하는 '절삭형(Subtracting) 가공 방식'으로 인해 과도한 자재 비용 손실과 함께 **천장 구조물 자체의 자중(Dead Load)이 심각하게 늘어나는 한계를 안고 있습니다.
이 한계를 완전히 극복하고 한 단계 진화시킨 솔루션이 바로 3D 프린팅 기술을 활용한 위드웍스의 스마트 노드(Smart Node)입니다.
■ 속이 가득 찬 '솔리드'와 속이 빈 '중공(Hollow) 구조'의 결정적 차이
창이 주얼의 MERO 노드가 속이 빈 틈 없이 단단한 스틸 덩어리라면, 위드웍스의 스마트 노드는 정밀한 제조 및 구조 엔지니어링을 적용하여 하중이 가해지지 않는 부위는 완전히 비워내는 '중공(Hollow) 구조'를 적용합니다. 제작 기술 자체가 완전히 다릅니다.
| 비교 항목 | 주얼 창이 솔리드 노드 (MERO CNC 절삭) | 위드웍스 스마트 노드 (3D 프린팅 적층) |
|---|---|---|
| 제조 방식 | 탄소강 단단한 대형 블록을 3D CNC 선반으로 깎아내는 절삭가공(Subtracting) | 3D 프린팅 기술을 활용하여 샌드몰드를 제작한 후 쇳물을 붓는 주조방식 |
| 내부 구조 | 빈 공간이 전혀 없이 단단히 뭉쳐진 솔리드(Solid) 구조 | 3D 설계 최적화를 통해 내부가 비어 있는 중공(Hollow) 구조 |
| 중량 제어 | 자중이 무거워 지붕 격자 및 하부 구조 기둥의 보강 설계 추가 유발 | 동등한 인장/압축 성능에서 무게를 50~70% 획기적으로 감량 |
| 원자재 효율 | 블록의 상당량이 깎여 고철 스크랩으로 폐기됨 (재료비 낭비 고비용 구조) | 재료의 낭비가 전혀없으며 샌드몰드도 파쇠하여 재 활용이 가능 함(친환경 고효율) |
이처럼 적층 제조 방식 기반의 중공 구조 스마트 노드를 적용하면, 건축 지붕 구조물의 자체 무게(Dead Load)를 압도적으로 줄일 수 있습니다. 이는 지붕 격자 두께 자체의 슬림화로 이어져 훨씬 넓은 실내 개방감과 미적인 경량감을 동시에 제공하며, 나아가 건축물 하부 지지 뼈대와 기초 기초판의 설계 비용까지 체계적으로 연쇄 감소시키는 혁신을 불러옵니다.
📚 참고 문헌
- Cristobal Correa, P.E., and Craig Schwitter, P.E, "Complex Structural Systems for the Jewel Changi Airport", STRUCTURE magazine, OCT. 2019
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