UIA 2017 SEOUL, digital fabrication for complex geometry in architecture

디지털 건축연구소 WITHWORKS
Digital Fabrication for Complex Geometry in Architecture

2
인천도시축전 기념관(Tri Bowl), 아이아크 인천공항입구 조형물, 피앤코
국립해양박물관, 정림건축 국립 생태체험관, 삼우설계 River Culture Pavilion, Asymptote
판교 알파돔 클라우드 브릿지, DA+정림+건원
WITHWORKS 참여 프로젝트

3
LH 진주 신사옥 비정형 부분, 무영건축
세종시 정부종합청사 3단계 1구역 건립공사, 토문건축
Christian Dior, Seoul
광교 호반 주상복합 아케이드, 호반건설
MBC 상암동 신사옥 판매시설, 현대산업개발
베트남 하롱베이 실내체육관, 삼우설계

4
건양대학교 국제회의관 수원 제2체육관, 무영건축 부산 오페라 하우스, Snohetta +일신건축
2022 카타르 월드컵 경기장 기술제안 입찰, 삼성물산서울대 원형공연장, 보이드건축

5
정화예술대학 실습관, 공간건축
김천 한국전력기술 신사옥 마곡 식물문화센터, 삼우설계
KIST 50 주년 기념 조형물, 조호건축 제주 CJ 나인브릿지 파빌리온, 조호건축

6
삼성동 KEB 하나은행 롯데월드타워 포디움, KPF+ 범건축

7
파라다이스 영종도 프로젝트, MVRDV 세종시 클로버 기술제안 입찰, DA그룹+한양
세종아트센터, DMP 세종시 시립도서관, 나우동인

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ARCHITECT ASSOCIATE ENGINEERSSTRUCTURAL ENGINEER
BIM & Fabrication 설계 및 엔지니어링(위드웍스)
철골 공사 CON’C 공사 CURTAIN WALL FAÇADE & CLADDING
시공단계
•각 전문 시공 업체별 3D 관리 및 간섭체크
•공법 검토, 목업 체크, 3D CNC 제작 설계
•3D Scanning & 역설계, Digital Fabrication
•비정형 설계 최적화(형상, 구조, 재료, 경제성)
•구현공법 및 디테일 설계
•디지털 목업
•특기 시방, 예정공사비 산정
설계단계
WITHWORKS 업무내용

1. Digital Fabrication
1.1. 개요
1.2. 필요성
1.3. CNC Machining

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 CNC Machine(Laser, Router, Plasma,…)을 활용한 비정형 3차원 형상제어
 정밀한 수치제어에 의한 제작 및 시공 가능(시공오차 최소화, 시공품질 확보가능)
 현재 항공, 선박, 자동차 산업 등에 다양하게 활용되어 지고 있음
1.1 Digital Fabrication의 개요
*CNC (Computerized Numerical Control)
1. DIGITAL FABRICATION

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1.2 Digital Fabrication의 필요성
▪ 혁신적인 디자인 요구와 디지털 산업기술의 발전으로 비정형 건축물의 지속적인 증가
▪ 현장위주의 건축 방식에서 공장 제작 방식으로의 변화 필요
▪ 기존 정밀제조업기술과 건축이 융복합할 경우 새로운 성장 산업 가능
▪ CNC 가공 및 로봇 기술을 활용할 경우 비정형 건축물의 획기적인 품질 개선 및 생산성 향상 가능
부산영화의 전당 BMW WELT, GERMANY

12
1.2 Digital Fabrication의 필요성
광주 유니버시아드 경기장, 2015

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Digital Fabrication 적용현장 제작 방식
트라이볼, 송도
롯데월드타워 포디움

14
Digital Design
Digital Manufacturing
Construction & Management
Fabrication Engineering &
Construction Document
• 형상디자인(Rhino, 3D
MAX, MAYA,…)
• 형상최적화 , 디테일 설계
• 디지털 목업( 공법검증)
• 설계도서 완성(도면, 시방서 ,
내역서)
• 설계용 3D 모델링
• Mock-Up
• 제작용 3D 모델링 (CATIA)
• 마감재, 구조재 공장제작
(CNC 가공 및 단위 부재 제작)
• 구조실험
• 3D SCANNING 및 역설계(시공현황 반영)
• 현장 조립 및 설치
• 시공완료
설계단계시공단계

15
1.3 CNC Machining _CNC PIPE LASER CUTTING

16
1.3 CNC Machining_CNC LASER WELDING

17
1.3 CNC Machining _CNC LASER WELDING

18
1.3 CNC Machining _CNC Milling

19
1.3 CNC Machining_Routing

20
1.3 CNC Machining_3D Printing

21
1.4 CATIA 자동화 제작설계
기준 모델링
자동화 설계 Template
3D 제작 모델링 완성 CNC 가공용 2D 제작 전개도(T-BAR, Panel)
▪ 곡률에 따라 다양한 형상제어제와 비정형 패널을 개별부재로 설계하지 않고, CATIA 자동화 설계시스템을
적용하여 정밀도와 생산성을 높임. 모든 요소들을 볼트 조립함으로써 시공품질 확보가 가능함.

22
파라 메트릭 3D 모델링
• 그리드 최적화 및 Surface 재 구축
• 도면 및 시공 디테일 검토
• 시공 공법 검토
• 패널 제작 방법 검토
• 비정형 패널 제작 샘플
• 1차 스캐닝: 구조체 및 패널 주변
3D 레이저 스캐닝(1차) 3D 레이저 스캐닝(2차)
• 2차 스캐닝: Sub Structure 시공 후
• 포인트 클라우드 데이터를 넙스
데이터로 역설계(As-Built Model)
김천한전기술 신사옥1. DIGITAL FABRICATION
1.5 3D Laser Scanning & 역설계 프로세스

23
제작 발주용 패널 3D 모델링
• 최적화 된 surface 및 그리드를 3D
스캐닝 현황에 맞도록 수정
• 제작을 위한 줄눈, 디테일 반영
파라 메트릭 3D 모델링
• CNC 가공용 2D 도면 완성
비정형 곡면패널 설치
3D Laser Scanning & 역설계 프로세스1. DIGITAL FABRICATION

24
1.5 3D Laser Scanning & 역설계 프로세스
조형철골
비정형구간 1
비정형구간 2
Cloud Points ‘세종시 정부종합청사 3단계 1구역’

2. 비정형 3D 좌표제어 시스템
3D Geometry Control System
2-1. CNC T-BAR SYSTEM
2-2. CNC TWISTED TUBE SYSTEM
2-3. CNC NODE JOINT SYSTEM

26
2. 비정형 3D 좌표 제어 시스템
▪ U,V 의 각 위치별 부재를 다양한 곡률로 제작하여 현장 조립하는 공법
▪ CNC Laser Cutting 가공으로 부재를 제작하기 때문에 오차없이 정밀하게 제작 가능
▪ 비정형 내외장 마감재 시공을 위한 구조재로 사용 가능
[서천국립생태원 생태체험관]
▣ CNC T-BAR SYSTEM의 개요
2.1 CNC T-BAR SYSTEM

27
-비행기, 배의 곡면 제작 방법을 건축 공법화 하여, 일정간격마다 다른 단면 형상과 곡면 마감재
를 CNC로 가공 조립할 경우 정확한 비정형곡면 형상 구현 가능
CNC 가공
▣ CNC T-BAR SYSTEM의 적용 원리

28
3D 모델링 2D 전개도 CNC Laser Cutting
& Welding
완성
▣ CNC T-BAR SYSTEM의 제작 프로세스

29
구분 CO2용접 로봇 레이저 용접
이미지
검토
▪ FULL 용접시 제작 변형 발생 심함 양면 모살 용접)
▪ 용접공에 의해 수작업으로 용접해야 함으로 일일 제
작 물량이 제한적 임 (1.4ton, 9명/ 1일)
▪ 레이저를 이용하여 모재를 녹여서 일체화 시키는
방식
▪ 국부열로 용접되기 때문에 용접으로 인한 변형이
없음
▪ 로봇으로 용접하므로 균일한 품질 유지가 가능하고
제작 속도가 빠름
▪ 일일 최대 제작: 3~5ton
▣ CNC T-BAR SYSTEM의 제작 방법

30
DDP
MBC 상암 사옥
Arnhem Central Transfer Terminal
▣ CNC T-BAR SYSTEM의 비정형 패널 고정용 브라켓 시스템

31
2.2 NODE JOINT SYSTEM for Steel Glass Roof & Facade
구분 Splice Node Connection
End-Face Node Connection
(볼트형)
End-Face Node Connection
(용접형)
상 세
특 징
• 부재와 노드를 이음재로 연결
• 볼트 접합
• 노드와 부재 접합면이 수직
• 볼트접합
• CNC 가공 별모양 노드부재
• 용접접합
적용사
례
DZ BANK. Berlin Trade Fair Station. Milan The British Museum. London

32
2.2. NODE JOINT SYSTEM
Zlote tarasy

33
CNC Curved Tube
( Main structure )
Straight Pipe structure
( Sub structure )
Straight curtain wall Frame
( For glazing )
Straight wire cable
(For interior skin )
Point bracket
( For curtain wall Frame )
Interior skin
Point bracket
(For wire cable )
* Point bracket - on both sides of the Main structure
Exterior skin
2.3. TWISTED TUBE SYSTEM
“부산 오페라 하우스”

34
Bottom Plate(Parallel to the surface)
스티프너 조립용 Tenon Hole
Top Plate(Parallel to the surface)
Side Plate(1-Way Curve)
좌표 제어용 스티프너
AL. 패널 지지용 Steel Pipe
Tenon Rib Plate
2.3. TWISTED TUBE SYSTEM

35
디아크
Phoenix International Media Center

3. 비정형 3D 패널의 제작
3.1. METAL SHEET PANEL
3.2. UHPC, GFRC PANEL
3.3. 3D PRINTING PANEL
3.4. 3D Glass

37
▣ 곡면 최적화_롯데월드타워 포디움
: 곡면패널적용
: 곡면패널적용(평면-곡면 완충부분)
: 평면적용
NT 패널 (곡면)
NT 패널 (평면)

38
3.1. AL. 쉬트 패널 (2-WAY CURVED )
ALC 블록 3D 밀링 AL. Sheet 가열_가열로
Hot Stamping_멀티프레싱 가공완료(1차)
▪ 상온 멀티 프레스 방법은 형상복원이 발생할 수 있음 (Spring Back 현상)
▪ HOT Stamping + 멀리 프레싱 프로세스를 통해 정밀한 비정형 곡면 완성 가능. (최대: 1.1m x 2.2m)

39
▣ 2- WAY CURVED PANEL
인천공항 T2 전면시설

40
3.2. AL. Composite Panel for Folded Design

41
구분 GFRC 패널 UHPC 패널
이미지
압축강도 30~60Mpa 120~150Mpa(PVA섬유 혼입 시)
제작방법 스프레이 적층 타설
스틸 보강재 필요함 필요 없음
몰드 1면 1면(평판) 또는 양면(입체)
적용 1면 마감 양면 마감에 유리
적용사례 Broad Museum, 뭄바이 국제공항 Mucem Museum, 삼성동 KEB 하나은행
3.3. UHPC, GFRC패널

42
3.3. UHPC & GFRC패널
제작 모델링 CNC 밀링 FRP 보강거푸집 타설, 탈형, 면처리, 도장

43
영종도 파라다이스 프로젝트 1:1 MOCK-UP

44
GFRC
UHPC
삼성동 KEB 하나은행

45
3.4. 3D GLASS + CNC T-bar
CJ 제주 나인브릿지 파빌리온, 조호건축
T-BAR
T-BAR

46
▣ 세종 정부종합청사 3-1구역

47

48
▪ 2중 곡률 AL. 트랜섬: 품질 불량, 단열확보 안됨.
▪ 내측에 패널 설치하여 마감 처리 함.
➢ AL. 커튼월에서 해결 안됨, 다른 시스템 필요

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▣ 형상과 재료 최적화_ 국립 세종도서관

50
3.5. 3D PRINTING PANEL

51
EGG-SHAPED PAVILION, BY MICHIEL VAN DER KLEY, 4,760 Pieces

4. Digital Fabrication 적용사례

53
-적용시스템: CNC T-BAR 유닛시스템+0.5T 링클수지 강판(평이음)
`
125 mm
200mm
각 파이프 벤딩 기존설계
변경
4.1 국립생태원 생태체험관, 서천
4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

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Main truss
T-SECTION FORM PLATE+철골 TRUSS
ㅁ-100x100x 4.5T
하단부 구조 부재 추가
천장 마감: 인터락킹 시스템
▣ 설계 엔지니어링 및 적용 공법
`
100 mm
150mm
마감+ Sub Structure 일체형 유닛
0.5t 금속 쉬트 평이음 마감
국립생태원 생태체험관4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

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▣ CNC 가공 및 UNIT 제작, 설치
CNC Laser 가공 T-Section 부재 제작 T-Section 조립 및 Unit 제작
Unit 인양 및 설치

56
▣ 최종 공사 완료
Image © Samsung C & T

57
서울대학교 풍산마당
4.2 서울대학교 풍산마당
-적용시스템: CNC T-BAR + 3T AL. 쉬트 패널(오픈조인트)

58
[3D 스캐닝 DATA] [역설계]
켄틸레버 및 경사철골 변형 5CM 발생
콘크리트 구조체
1. CNC T-BAR 형상제어 시스템

59
서울대학교 풍산마당4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

60
서울대학교 풍산마당4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

61
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
‘3D Point Bracket’
Detail of ‘3D Point Bracket’
Adjustable range: 0~30˚
Maximum
55mm Height
Adjustable
MAIN
Parallel to ‘Z’ axis
Sub
Various Axis (Twist)
① Panel Fix Clip
② Fix Nut
③ Flattener Mold(Upper)
④ Twisting Body
⑤ Flattener Mold(Lower)
⑥ Bolt
⑦ Nut (Height Adjusting)
⑧ Sleeve
⑨ Bracket Bridge(Height Adjusting)
⑩ Truss Bracket(Injection Manufacture)
비정형 패널 고정용 3D 브라켓 시스템4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

62
철골구조 스페이스 프레임
철골구조
4.3 수원 제2체육관
-적용시스템: CNC T-BAR + 0.5T AL. 쉬트 평이음 & NONE SEAMING SYSTEM

63
▣ 공법 최적화
수원 제2체육관2. CNC T-BAR, 3D 형상제어 시스템 시공사례
곡면제어용 CNC- T BAR 추가설치
곡면제어용 CNC- 폼 플레이트 설치
곡면제어용 CNC- T BAR

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 변경 후 상세도
곡면제어용 CNC- T BAR 추가설치
곡면제어용 CNC- 폼 플레이트 추가설치
펄린(스페이스 프레임 공사)
수원 제2체육관4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

65
2. CNC T-BAR, 3D 형상제어 시스템 시공사례 수원 제2체육관

66

67
수원 제2 체육관 고척돔 경기장

68
4.6 롯데월드타워 포디움
- 적용시스템: CNC T-BAR + 10T 컴팩트 패널

69
곡면 구간( 코너 )
➢ 곡면 구간, 직선구간의 범위 설정을 위한 최적화 모델링 필요
(곡면형상, 재료, 공사비, 시공성 고려)
▣ 초기 설계목업의 시공품질 검토
4. DIGITAL FABRICATION 적용사례 롯데월드타워 3D 포디움

70
세그먼트 용접
벤딩 가공
➢ 세그먼트용접이나 벤딩가공 방식은
오차발생으로 정밀 수치제어가 안됨
롯데월드타워 3D 포디움4. DIGITAL FABRICATION 적용사례

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CNC T-BAR SYSTEM
➢ 전개 모양이 다른 마감재를 정밀하게 설치하기 위해서는
수직, 수평의 변단면 속성을 가지도록 하지재를 제작 하여야 함.
(변단면 부재: CNC CUT & Welding 부재 제작 )

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▣ 3D Fabrication Modeling_CNC T-BAR, Form Plate, Reveal, NT Panel
CNC T-BAR(수직)
CNC T-BAR(수평)
Form Plate
리빌
NT Panel
(타공, 비정형, 평면)

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CNC 로봇 레이저 용접
(리빌)
3D측량 & 레이저 스캐닝
(현장조립)CNC 레이저 자동화 가공
CNC Cutting & 로봇 레이저 용접
CNC T-BAR
2차 구조부재
CNC 라우터
(NT 패널)

74
1 단계_ Secondary Structure & CNC T-bar
설치
2 단계_ 리빌 설치
3 단계_ 고층부 NT 패널 설
치
4 단계_ 엣지패널 &
저층부 NT 패널
설치
▣ 전체 시공 프로세스

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▣ 3D Fabrication Modeling_CNC T-BAR
PLANGE
WEB
보강재
리빌 고정용 홀
▪ 크기: T-200X125X8T(SM490)
▪ 수량: 3,542EA(9,587.01M)
▪ 제작 방법: CNC Laser Cutting & Robot Laser
Welding
▪ 제작 기간: 3개월 (시공: 4개월)

76
▣ 3D Fabrication Modeling_Form Plate
Compact Panel Adjust 고정용 홀
▪ 크기: 8T X W150(SM490), T-4.5TX 150X100(3D Curved)
▪ 수량: 3,435EA(9,640.41M)
▪ 제작 방법: CNC Laser Cutting & Robot Laser Welding

77
▣ 3D Fabrication Modeling_Reveal
▪ 크기: ㄷ-100X100X1.2T(SUS304, Mirror Fin.)
▪ 수량: 1,619EA(3,339.88M)
▪ 제작 방법: CNC Laser Cutting & Robot Laser
Welding

78
▣ 3D Fabrication Modeling_NT Panel( Stiffened type & Round Punched type)
전면_타공 Hole 가공
후면_Stiffened Rib 고정용 홀 가공
AL. 3T CNC 가공
▪ 종류: 10T Compact Panel(W/Al. 3T Stiffened Rib )
▪ 수량: 17,934EA(8,181.49M2, Stiffened Panel: 6,614ea, 타공 Panel:
6,640ea)
▪ 제작 방법: CNC Router

79
▣ 3D Fabrication Modeling_NT Panel( Stiffened type Type)

80
▣ 3D Fabrication Modeling_Edge Panel
▪ 규격: 1.6T 아연도강판 위 분체도장
▪ 수량: 80EA(250.13M)
▪ 제작 방법: CNC Laser Cutting & Welding
▪ 제작 기간: 0.5개월 (시공: 1개월)
Part
A
Part
B

81
▣ Fabrication _엣지패널
검토용_1차 제작
검토용_2차 제작

82

83

84
DIGITAL FABRICATION SOLUTION, WITHWORKS
3D Printing Panel(SLA)
CNC T-BAR
GFRP
GFRC+GFRP
3T AL. Sheet 2-WAY CURVED PANEL
3T AL. Sheet 1-WAY
CURVED PANEL

85
Parametric Design &
Complex Geometry
Structural
Analysis
3D PRINTING
3D Scanning
Digital Technology
+ Architecture
CNC Manufacturing &
Pre Fabrication
Digital Fabrication
맺음말

UIA 2017 SEOUL, digital fabrication for complex geometry in architecture

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