비정형 건축 외장공사의 효율성 제고를 위한 Lessons Learned에 관한 연구 = A Study on the Lessons Learned for Improving Efficiency of Free-Form Facade Construction

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 최근 건설 산업에서 증가 추세에 있는 비정형 건축물의 외장공사에 대한 효율성 제고 방안을 제시하였다. 비정형 건축물은 Prametric Modeling이라 불리는 BIM 모델링 기법의 발달에 의해 실제 구축이 가능한 수치적 해석이 가능해짐에 따라 설계사례가 증가하게 되었고, 한 도시 혹은 국가의 랜드마크로써 건축물이 가지고 오는 사회·문화·경제적 파급효과로 인해 세계적으로 많은 비정형 건축 프로젝트가 추진 중에 있다. 비정형 건축물의 엄청난 파급효과를 대표하는 사례가 스페인 빌바오의 ‘구겐하임 미술관’이다. 빌바오 시(市)는 구겐하임 미술관을 통해 7백만 명의 관광객 유치, 4천명의 고용효과 등을 창출하면서 ‘빌바오 효과’라는 말이 생길 정도로 엄청난 경제적 성공을 거두었다.
하지만 이러한 파급효과에 반해 아직까지 비정형 건축물을 설계자의 의도대로 정교하게 시공하는 기술력이 부족하고, 공사비나 공기 등 많은 부분에서 문제가 발생하고 있는 실정이다. 실제로 MIT Stata Center(2004)의 경우, 시공결함으로 막대한 추가 공사비가 투입되었고, 월트 디즈니 콘서트홀(2003)은 완공까지 투입된 공사비가 초기 공사비보다 250% 증가하였다.
이미 여러 프로젝트를 통해 시행착오를 거치면서 어느 정도 문제점을 파악하고 이를 해결할 방법을 모색할 수 있는 국외보다 국내의 비정형 건축 프로젝트 현실은 더욱 열악하다. 국내의 비정형 건축은 이제 막 시작단계에 불과하여 실제 구축된 사례를 찾아보기 힘들고, 엔지니어링 기술의 대다수를 해외에 의존하고 있을 뿐만 아니라 설계 프로세스나 시공법에 대한 자료조사조차 제대로 이루어지지 않은 실정이다.
이에 본 연구에서는 비정형 건축물의 전체 형태를 이루고 구조 부재의 위치를 결정짓는 외장공사에 대해 Case Study를 수행하여 효율성 저해 요인과 제고 방안을 제시하는 데 목적을 두었다.
구체적인 연구 수행 순서는 다음과 같다.
1) 비정형 건축물의 개념 및 선행연구 분석, 건설 산업에서의 효율성 관련 연구를 분석하여 예비적 고찰을 수행하였다. 또한 비정형 건축 외장 패널의 제작방법에 대한 조사를 실시하여 3단계로 정리하였다.
2) 국외의 비정형 건축 사례 분석을 통하여 국내 사례의 Case Study에서 중점적으로 살펴볼 사항과 효율성을 판단할 지표를 정의하였다.
3) 국내에서 진행 중인 비정형 프로젝트 3곳과 비정형 외장패널의 대표유형 4가지를 적용한 Mock-Up 제작 사례에 대한 Case Study를 실시하여 비정형 건축 외장공사의 효율성 저해 요인을 도출하였다.
4) Case Study 결과와 비정형 건축 프로젝트 관련 전문가 WorkShop을 통해 효율성 제고 방안 4가지를 제시하였다.

국외 비정형 건축 사례를 통해 정의된 효율성 판단 지표는 기술적 지표, 제도적 지표, 사회/문화적 지표, 환경적 지표의 4가지로 구분되었다.
이에 따라 비정형 건축 프로젝트와 관련된 전문가 14인과의 개별 면담, 집단 워크샵을 실시하여 비정형 건축 프로젝트의 외장공사에서 효율성을 저해하는 요인을 도출하였다. 도출된 효율성 저해 요인은 1) 생산자가 배재된 설계 프로세스, 2) 공사비 예측의 불확실성, 3) 설계-생산 간 데이터의 단절, 4) 설계·시공 기술의 지식 공유 기피의 4가지로 대표할 수 있었다.
도출된 효율성 저해요인에 대하여 제시한 제고 방안은 아래와 같다.

1) BIM 기반의 협업체계 구축 : BIM이 필수적인 비정형 건축 프로젝트에 맞는 별도의 협업체계의 구축이 필요하며, IPD(Integrated Project Delivery)와 같이 초기 설계단계부터 프로젝트 전 참여자가 참여할 수 있는 협업체계를 제시하였다.
2) BIM 데이터의 효율적 활용방안의 모색 : 3D로 작성되는 초기 설계 데이터가 2D화 되면서 발생하는 데이터의 손실을 줄이기 위해 비정형의 기하학적 규칙(좌표값 등)을 설계도서에 기록하고 시공사가 이를 해석하여 모델을 재구축하는 방식의 Geometry Rule-based Control Process를 제안하였다.
3) 제작방법 정립을 통한 견적기준의 마련 : 현재 국내에서 적용하고 있는 공사비 산정방법은 비정형 건축의 특성을 반영하기 못하기 때문에 제작방법 혹은 비정형 유형별로 공사비 견적기준을 마련할 수 있도록 제안하였다.
4) 기술지식 축적 및 전문 인력의 관리 : 기술력 우위 선점이나 낮은 기술력의 공개를 기피하는 비정형 관련 전문업체의 문화를 타파하기 위해 국가적 PMIS 도입과 인센티브제도의 도입 등을 제안하여 비정형 건축 관련한 기술 축적이 될 수 있도록 하였다.

본 연구를 통해서 국내 비정형 건축 외장공사에 존재하는 효율성 저해요인을 파악하였고, 그에 따른 효율성 제고 방안을 제시함으로써 향후 비정형 건축 프로젝트에 활용할 수 있는 기초적 정보를 구축하였다. 연구에서 제시한 효율성 제고 방안들이 완벽하게 비정형 건축 프로젝트에 적합한 형태가 되기까지 많은 개선과 발전이 요구되나, 국내 비정형 건축 공사가 걸음마 단계인 것을 감안할 때, 본 연구의 결과는 프로젝트 초기 계획단계에서 활용도가 높을 것으로 예상된다.

향후 연구에서는 더 많은 비정형 프로젝트에 대한 사례조사를 통해 보편적 데이터로써

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study is proposed ways to improve efficiency of Free-Form facade construction that increasing trend in the construction industry. Free-Form building design is increased by development of prametric Modeling(one of BIM techniques) that can be numerical analysis. And many Free-Form architecture project is in progress around the world because of its social·cultural·economical ripple effect. The typical example of great ripple effect is 'guggenheim museum' in Bilbao, Spain. They are successful that attract 7 million tourist and create 4,000 employment. So many people called this success "Bilbao Effect".
But construction technique(as designed) is insufficient and many problems like cost, duration to build the Free-Form buildings. MIT Stata Center(2004) have to pay many additional cost to fix the defects of building, and the construction cost of Walt disney concert hall(2003) was increased 250% than early stage cost estimation.
Domestic situation is worse than overseas that they have solution through the trial and error in Free-Form project. Domestic Free-Form architecture is in infancy and there is no complete case. And many of Free-Form project depend on overseas engineering technique.
In this Study, draw obstacle factors and provide ways to improve efficiency through case study about Free-Form Facade construction.
Detailed research oder is below.
1) Free-Form building's fundamental concept & precedent study, and precedent study analysis on the efficiency in the construction industry for preliminary considerations. And investigate the manufacturing methode of Free-Form panel.
2) Define efficiency judgment index & check point in domestic case study through overseas case analysis.
3) Draw the obstacle factors through the case study that are 3 in progress cases and 1 Mock-Up case.
4) Provide ways to improve efficiency of Free-Form building through experts workshop and case study's results.
Defined efficiency judgment index are technical index, institutional index, social/curtural index, and environmental index. There are many factors by detailed efficiency index.
Based on this index and factors, perform the experts workshop and talked with 14 people, and then draw the obstacle factors of Free-Form building's Facade. The obstacle factors are 1) Design process without manufacturer, 2) Uncertainty to predict construction cost, 3) Data severance between design-manufacturing, 4) Avoid knowledge sharing.
Provided ways to improve efficiency according to drew obstacle factors.
1) Build the cooperation system based on BIM : BIM is essential to build Free-Form building, so we provide cooperation system like IPD that can be cooperated all participants in project on early stage.
2) Seek the efficient utilization methode with BIM data : Provide Geometry Rule-based Control Process that record irregular geometry rules(including coordinates) on the design books and contractors interpret it and reconstruct the model.
3) Prepare the estimation standard by Setting up the manufacturing method : Domestic methods of estimating can't reflect the Free-Form characteristic. So we provide estimation standard by manufacturing method or Free-Form types.
4) Technical knowledge accumulation and experts management : Introduce national PMIS and incentive program to accumulate technical knowledge on the Free-Form buildings.
Through this study, grasp the obstacle factors existing in the Free-Form facade construction. And set up basic data for using Free-Form building project by providing ways to improve efficiency. They need to upgrade completely suitable for Free-Form buildings. But consider that domestic Free-Form construction situation is in the initial step, the results of this study are expected to be a higher usage in the early planning stage of the project.
Further study is going to be performed that can be used for universal data through more case study on the Free-Form building project. And facade construction as well as whole construction of Free-Form building's study seeking ways to improve efficiency have to be performed.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 연구의 방법 및 범위 3
• 3. 연구 흐름 5
• II. 예비적 고찰 7
• 1. 비정형 건축 관련 선행연구 7
• 1) 비정형 건축물의 특징 7
• 2) 패널화(Panelization)의 기존 연구 8
• 3) 기타 비정형 관련 연구 9
• 2. 건설 산업에서의 효율성 10
• 3. 국외사례를 통한 효율성 범주의 설정 12
• 1) 구겐하임 미술관(스페인, 빌바오) 12
• 2) EMP(미국, 시애틀) 14
• 3) British Airway London Eye(영국, 런던) 17
• 3. 비정형 AL패널의 제작방식 20
• III. Case Study(사례연구) 24
• 1. 동대문 디자인 플라자&파크 24
• 1) 프로젝트 개요 24
• 2) 외장 설계 25
• 3) 패널 분석 및 패널화(Panelization) 27
• 4) 패널 제작방법 30
• 5) 외장 제작비용 분석 33
• 2. 인천 세계도시축전기념관(Tri-Bowl) 34
• 1) 프로젝트 개요 34
• 2) 외장 설계 34
• 3) 외장 패널의 제작 37
• 3. 일산 킨텍스 제2전시장 40
• 1) 프로젝트 개요 40
• 2) 외장 설계 및 시공 41
• 4. 비정형 대표유형을 적용한 Mock-Up부재의 제작 43
• 1) Mock-Up 설계 개요 43
• 2) 외장 설계 44
• 3) Mock-Up의 제작 46
• 4) 제작비용 분석 48
• 5. 소결 49
• IV. 비정형 외장공사의 효율성 저해 요인 50
• 1. 생산자가 배제된 설계 프로세스 51
• 2. 설계-생산 간 데이터 단절 52
• 3. 공사비 예측의 불확실성 53
• 4. 설계시공 기술지식 공유의 기피 54
• V. Lessons Leaned를 통한 효율성 제고 방안 55
• 1. BIM 기반 비정형 건축 협업체계의 구축 55
• 2. BIM데이터의 효율적 활용방안의 모색 58
• 3. 제작방법 정립을 통한 견적기준의 마련 61
• 4. 기술지식 축적 및 전문 인력의 관리 62
• Ⅵ. 결 론 64
• 1. 연구결과 및 기대효과 64
• 2. 연구의 한계 및 향후 연구 66