KR101032678B1 - 무한 확장성을 갖는 모듈러 건축 구조체 형성을 위한 단위 패널 프레임 및 이를 이용한 건축물 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축물을 구축함에 있어 동일한 형태의 단위 모듈을 반복 연결하여 전체 구조물을 형성하는 모듈러 건축 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서 제공하는 모듈러 건축용 단위 구조 프레임은, 긴 바아(bar) 형태의 부재인 단위 구조재 4개에 의해 전체적으로 직사각형 또는 정사각형 프레임 형태를 갖도록 형성된 패널 프레임으로서, 상기 4개의 단위 구조재는 각각 외측 방향으로 일정한 각도의 경사를 이루는 경사접합면을 가지도록 구성됨과 동시에, 상기 직사각형으로 배치된 4개의 단위 구조재들에서 서로 대향하는 위치에 있는 2개의 단위 구조재는 그 경사접합면의 경사 각도가 외측 방향으로 45도로 상향 경사지도록 구성되고, 다른 2개의 단위 구조재는 경사접합면의 경사 각도가 외측 방향으로 45도로 하향 경사지게 구성됨으로써, 인접하여 연결된 단위 구조재들끼리 그 경사접합면의 경사 방향이 서로 상하 반대가 되도록 구성되어 있는 것에 주요한 구성상의 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명이 적용된 모듈러 건축 시스템에 의하면, 기하학적 원리를 응용한 프레임 형태의 단위 구조체를 수직과 수평으로 연결하여 단위 모듈러 유닛을 구성하고, 이 단위 모듈러 유닛들을 공간적으로 계속하여 무한적으로 확장 연결함에 의하여 구조물의 기본 골격을 원하는 형태 및 크기로 쉽게 구축할 수 있는바, 단순한 조형물에서부터 대규모 건축물까지 다양한 응용이 가능하며, 아울러 기존 모듈러 건축물의 단점인 중복 구조를 최소화시키면서도 구조물의 강도를 향상시 킬 수 있고 시공의 편의성과 신속성을 향상시켜 비용의 절감 효과도 도모할 수 있다.

모듈러 건축, 프레임, 접합, 단위, 유니트, 유닛, 모듈, 확장

Description

무한 확장성을 갖는 모듈러 건축 구조체 형성을 위한 단위 패널 프레임 및 이를 이용한 건축물 구조체 {UNIT PANEL FRAME FOR MODULAR ARCHITECTURE SYSTEM WITH INFINITE EXPANDABILITY, AND BUILDING STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 건축물을 구축함에 있어 동일한 형태의 단위 모듈을 반복 연결하여 전체 구조물을 형성하는 모듈러 건축 시스템에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 기하학적 원리를 응용한 프레임 형태의 단위 구조체를 수직과 수평으로 연결하여 단위 모듈러 유닛을 구성하고, 이 단위 모듈러 유닛들을 공간적으로 계속하여 무한적으로 확장 연결함에 의하여 구조물의 기본 골격을 원하는 형태 및 크기로 쉽게 구축할 수 있는바, 단순한 조형물에서부터 대규모 건축물까지 다양한 응용이 가능하며, 아울러 기존 모듈러 건축물의 단점인 중복 구조를 최소화시키면서도 구조물의 강도를 향상시킬 수 있고 시공의 편의성과 신속성을 향상시켜 비용의 절감 효과도 도모할 수 있는 새로운 모듈러 건축 시스템에 관한 발명이다.

일반적으로 건축물을 구축함에 있어 그 시공기간을 단축시킴과 동시에 건축 물을 간편하게 축조하기 위한 건축 시스템의 하나로서 최근 들어 이른바 모듈러 건축물의 시공이 증가하고 있는 추세이다.

이러한 모듈러 건축물은 건축물을 형성하는 골조를 공장에서 규격화한 크기의 모듈로 제작하여 건축현장으로 이동시킨 후 상기 모듈을 건축현장에서 조립하여 건축물을 축조함으로써 시공 편의성, 경제성, 공기 단축 등을 도모하는 건축 방식을 말한다.

이러한 모듈러 건축 분야에 있어 현재 일본, 유럽 등에서는 다양한 형태의 시스템들이 개발되어 실용화되어 있으며, 기존에 가장 보편적으로 적용되고 있는 대표적인 조립식 모듈 유닛으로는 컨테이너 하우스를 들 수 있다. 상기 컨테이너 하우스 방식은 공장 생산된 박스 형태의 단위 모듈들을 현장에서 상하좌우로 적층 조립하여 전체 건축물을 구축하는 방식으로서 간편한 시공에 의해 공기를 단축할 수 있고 일정수준 이상의 품질 확보가 용이하며 시공과정에서 발생하는 건설 폐기물을 줄일 수 있어 친환경적이라는 등의 장점이 있다.

하지만, 상기와 같은 기존의 컨테이너 하우스 방식에 따르면, 이미 완성되어진 모듈이 박스 형태로 이동됨에 따라 부피를 많이 차지하여 운반의 효율성이 매우 낮다는 문제가 있으며, 특히 단위 컨테이너 모듈의 경우 기본적으로 천장, 벽체, 바닥 구조가 모두 갖추어져 하나의 독립된 박스형태의 단위 공간을 갖도록 제작되는 관계로, 모듈과 모듈이 연결되는 부위에서 인접 모듈 간에 천장과 바닥, 벽체와 벽체끼리 서로 중첩되어 구조체가 이중으로 형성됨으로써 자재의 낭비가 발생하는 문제가 있었다.

또한, 구조적으로 볼 때도 개별적인 단위 모듈간의 단순 연결 접합에 의해 건축물이 구성되므로 전체 모듈의 일체화가 어렵고, 아울러, 이미 공장에서 박스 형태로 완성된 기성 모듈을 적층 조립하여 건물을 형성하기 때문에 건축 외관이 단조롭고 실내공간의 변형이 제한적일 수밖에 없어 자유로운 건축 설계가 어렵다는 단점도 있었다.

한편, 상기와 같은 단순 컨테이너형 모듈 방식 외에도 현재 다양한 형태의 모듈러 건축 방식이 개발되어 알려져 있으며, 특히 일본, 유럽 등에서는 다양한 용도의 시스템들이 개발되어 실용화되어 있다. 또한, 이러한 모듈러 건축 분야에 관한 특허 문헌을 살펴 보면, 예컨대 대한민국 등록특허 제10-0694479호, 제10-0805732호에도 모듈러 건축물의 시공 시스템에 관한 개량 기술들이 개시되어 있다. 하지만, 상기와 같은 선등록 특허들을 보게 되면, 기둥, 보, 바닥 슬래브를 포함하는 주요 골조 시스템을 기본적으로 포함하고 필요에 따라 벽체패널, 천정패널 등이 제작시에 일체로 부설되어 일정한 내부 공간을 갖도록 구성됨으로써 하나의 단위 공간 유니트를 형성하고 있는바, 이러한 선등록 발명들 역시 전술한 것과 같은 콘테이너 박스형 모듈러 건축 시스템에서 나타난 근본적인 문제점을 가진다는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명은 기존의 모듈러 건축 방식에서 나타난 문제점들을 해결하귀 위하여 안출된 것으로서,

본 발명은 기존의 모듈러 건축 유니트에서처럼 기둥, 보, 슬래브 등이 포함되어 일정한 단위 공간을 갖는 유닛을 반복 적층하여 구조물을 형성하는 것이 아니라 한가지 간단한 형태의 기본 단위부재 프레임만 가지고 이를 규칙적으로 조립하여 단위 유닛(unit)을 만들고 이 단위 유닛들을 공간적으로 계속하여 확장 연결함에 의하여 구조물을 원하는 형태 및 크기로 쉽게 구축할 수 있는바 단순한 조형물에서부터 대규모 건축물까지 다양한 응용이 가능한 무한 확장성을 갖는 새로운 형태의 모듈러 건축 시스템을 제공하는 것을 그 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 모듈러 건축물을 시공하기 위한 최소 단위체로서 단순한 형태의 기본 구조 프레임을 사용함으로써 기존의 박스형 모듈러 유닛에 비해 운반의 효율성 및 시공 편의성을 향상시킬 수 있고, 설계의 제약을 최소화하여 건축물의 용도에 따라 다양한 건축 외관 및 실내 공간의 변형이 가능한 모듈러 건축 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 비교적 얇은 두께의 강판을 사용하여 구성이 가능하여 무게를 줄일 수 있으면서도 각 모듈들이 결합하였을 때 구조적으로 건축물의 강도가 향상될 수 있음과 더불어, 결합된 모듈 간의 접합부가 하나의 기둥 또는 보를 이루게 됨으로써 자재의 중복을 막을 수 있으면서 공간의 효율성도 향상시킬 수 있는 모듈러 건축 시스템을 제공하는 것 역시 본 발명이 추구하는 기술적 과제의 하나이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 긴 바아(bar) 형태의 부재인 단위 구조재 4개에 의해 전체적으로 직사각형 또는 정사각형 프레임 형태를 갖도록 구조용 프레임을 구성하되, 상기 4개의 단위 구조재는 각각 외측 방향으로 일정한 각도의 경사를 이루는 경사접합면을 가지도록 구성됨과 동시에, 상기 4개의 단위 구조재들에서 서로 대향하는 위치에 있는 2개의 단위 구조재는 그 경사접합면의 경사 각도가 부재 평면에 대해 외측으로 갈수록 45도로 상향 경사지도록 구성되고, 다른 2개의 단위 구조재는 경사접합면의 경사 각도가 부재 평면에 대하여 외측으로 갈수록 45도로 하향 경사지게 구성됨으로써, 인접하여 연결된 단위 구조재들끼리 그 경사접합면의 경사 방향이 서로 상하 반대가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈러 건축용 단위 구조 프레임을 기본적인 구성으로서 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 있어서, 상기 단위 구조재에 마련된 경사접합면은 그 길이방향으로 양 끝단이 일정 각도의 사선으로 절단된 경사모서리를 가짐으로써 전체적으로 긴 사다리꼴의 형상을 이루도록 구성되며, 이때 상기 경사접합면의 길이방향 양 끝단에 형성된 경사 모서리의 절단 각도는

로 이루어진다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 모듈러 건축용 단위 구조 프레임에 대한 더욱 구체적이고 바람직한 구성 형태로서, 상기 단위 구조재는, 제1부재면과; 상기 제1부재면에 대하여 135도의 각도를 이루며 절곡 형성된 경사접합면;을 포함하여 구성되며, 상기 경사접합면의 길이방향으로 양 끝단은 일정각도의 사선으로 절취된 경사모서리로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명은, 전술한 구성으로 이루어진 본 발명의 단위 패널 프레임 4개를 연결 조립하여 구성된 구조용 입체 프레임 유닛으로서, 제1 단위 패널 프레임에서 대향하는 위치에 있는 한 쌍의 경사접합면에 제2 단위 패널 프레임과 제4 단위 패널 프레임의 경사접합면을 각각 연결하여 직각으로 단위 패널 프레임들을 연결하고, 상기 연결된 제2 단위 패널 프레임과 제4 단위 패널 프레임의 단위 패널 프레임 사이에 제3 단위 패널 프레임을 경사접합면을 통해 연결하여 전체적으로 육면체 프레임의 형태를 갖도록 구성된 모듈러 건축용 단위 유닛을 본 발명에 대한 또 다른 형태로서 제공한다. 또한, 전술한 구성의 단위 유닛 다수개를 연속적으로 조립 연결하여 건축물 구조체를 구축할 수 있으며, 이때 상기 단위 유닛과 단위 유닛들 간의 결합은 단위 유닛의 일측 경사접합면에 다른 단위 유닛의 일측 경사접합면을 일체로 접합함에 의해 이루어진다.

이상에서와 같은 구성을 갖는 본 발명의 구조 프레임을 이용하여 구축되는 본 발명의 모듈러 건축 시스템에 의하면, 3차원적으로 연결되는 다수의 단위 유닛 내지 단위 모듈들의 연결 조립시 두 개의 모듈 간 접합부에 의해 하나의 단일한 기 둥 또는 보가 형성됨에 따라 기존의 모듈러 건축 시스템에서와 같은 구조요소의 중복을 방지할 수 있고 공간의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 구조적인 측면에서 구조물 내에서 각 모듈들이 결합되는 접합면에 의해 상부의 하중이 하부로 전달됨에 있어, 상부 모듈의 하중이 단순히 하부 모듈의 기둥 부재 등을 통해서만 전달 지지되었던 기존의 방식과는 달리, 본 발명에 따르면 모듈 유니트 간의 기하학적인 접합 메커니즘으로 인하여 상부로부터 가해진 하중이 수평, 수직 성분으로 분할되어 기둥 부재뿐 아니라 보 부재로도 압축력으로서 전이 분포되기 때문에 하중이 일부 구성요소에 집중됨이 없이 구조체 전체로 하중 분담이 일어나므로, 구조적으로 건축물의 강도 및 안정성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 설계적인 측면에서, 본 발명에 따르면 기본 형태의 단위 구조체 프레임을 수직, 수평 방향으로 반복하여 조립하여 단위 유닛을 만들고 이 단위 유닛들을 기하학적인 원리에 의해 공간적으로 계속하여 확장 연결함으로써 구조물을 원하는 형태 및 크기로 쉽게 구축할 수 있어 무한한 공간 확장성을 가지게 되는바, 단순한 조형물에서부터 대규모 건축물까지 다양한 응용이 가능하며 건축물의 용도에 따라 다양한 건축 외관 및 실내 공간의 변형이 가능하다는 장점이 있다.

나아가, 시공 및 경제적인 측면에서 볼 때도, 본 발명에 따르면, 단일한 사각 형태의 기본 구조 프레임만을 가지고 이를 규칙적으로 연결해 나가면서 전체 건축물을 구축하는 방식이므로 시공이 단순화되어 빠른 시간 내에 조립하거나 해체할 수 있으며, 아울러 기존 박스형 모듈들과 비교할 때 자재의 운반 및 보관 면에서 월등히 유리하여 전체적으로 경제성을 극대화시킬 수 있는바, 본 발명에서 제공하 는 모듈러 건축 시스템은 친환경, 공기 단축, 비용 절감 등 미래형 건설시장의 요구에 적극적으로 부응할 수 있을 것으로 기대된다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기본적 원리 및 개념, 기술 구성 및 이를 구체적으로 구현할 수 있는 바람직한 실시 형태 등에 대하여 더욱 상세하게 설명하며, 이러한 상세한 설명을 통해 당업자는 본 발명을 좀더 쉽게 이해하고 실시할 수 있을 것이다.

(1) 기본 개념(concept)

본 발명에서 제공하는 기본 개념은 모듈러 건축 분야에서 단위 모듈들을 조합 구축함에 있어 기하학적 결정구조를 응용하여 공간적으로 무한하게 확장 가능한 구조체를 구축할 수 있다는 것으로부터 출발한다. 즉, 본 발명이 적용된 모듈러 건축 시스템에 따르면 기하학적 결정 원리를 바탕으로 함으로써 어떠한 중간 구성 상태에 대해서도 한 세트 이상의 결정축이 항상 존재하게 되므로 추가의 유닛을 기존 구조체에 이어서 연결하여 구조체를 무한하게 확장해 나가는 것이 가능하게 된다.

따라서, 상기와 같이 기하학적 결정 구조를 응용한 본 발명의 모듈러 건축 시스템에 의하면, 복잡하지 않은 단순 기술을 이용하여 개별 모듈 유닛들을 공간 내에 주기적으로 반복해 놓아 연결하는 것에 의해 다양한 형태 및 규모로 구조물을 구축할 수 있으므로 시공의 편의성 및 공사 기간 단축이 가능하며 설계의 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 이러한 본 발명에 대한 또 다른 장점으로는 하나의 모듈마다 하나의 공간이 형성되던 기존의 모듈러 건축 방식과는 달리, 확장 개념 적용시 모듈 사이사이마다 부가적인 공간이 창조됨으로써 기존 모듈러 건축에 비해 더 적은 수의 유닛을 가지고도 같은 수의 공간을 형성할 수 있으므로, 모듈러 건축 시스템의 중복 구조 최적화가 가능하여 자원의 효율적인 활용은 물론 시공 기간 단축에 매우 유리한 효과를 기대할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명의 기하학적 결정 구조에서의 기본 결정체로는 도7에 도시된 것과 같은 정12면체가 적용된다. 다만, 도7에서 보는 바와 같이 본 발명에서 기초로 하고 있는 정12면체의 경우 본 발명자에 의해 특별히 안출된 것으로서 도형학에서 말하는 엄밀한 의미의 정12면체(즉, 정오각형 12개로 이루어진 입체도형)라고는 할 수 없지만, 동일한 형태의 마름모꼴 12개로 구성되어 있다는 점에서 정12면체와 유사한 점이 있는바, 본 명세서에서는 이와 같은 입체도형의 형태를 유사 정12면체로 지칭하거나 혹은 간략히 정12면체라 지칭하여 설명하기로 한다(즉, 이후 본 명세서 내에서 정12면체라 할 경우 상기와 같이 12개의 마름모꼴로 구성된 도형을 의미한다).

도8은 도7에 도시된 정12면체를 기초로 하여 본 발명에서 응용 구성된 모듈 러 건축 시스템의 단위 유닛에 대한 프로토타입을 보여주는 도면으로서, 이를 얼핏 보면 전체적인 구도가 정육면체 프레임과 유사하여 보이지만, 단순히 사각단면 기둥 및 사각단면 보에 의한 정육면체(또는 직육면체) 형태의 사각 프레임이 아니라 각 수평, 수직부재 모서리부의 외향면이 45도 각도를 이루면서 일정하게 사선으로 깎여 경사면으로 이루어진 구성상의 특징을 가지고 있다.

이러한 본 발명의 단위 유닛을 형성하고 이를 확장해 나가는 기본 원리는 전술한 (유사) 정12면체의 결정 구조를 응용한 것으로서, 이에 대해 첨부한 도면을 참조하여 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도9는 본 발명의 무한 확장 가능한 모듈화 건축 시스템을 구현함에 있어 기초 결정 단위로 사용되는 단위 유닛의 형성 원리를 보여주는 도면으로서, 상기 도면에 나타난 바와 같이 본 발명에서 모듈러 건축에 대한 단위 유닛은 기본적으로 마름모 12개로 구성된 정12면체의 꼭지점 부위를 일정하게 모따기하여 형성된다. 즉, 도9의(a)에 도시된 정12면체의 마름모 4개가 모이는 꼭지점 부위 6군데를 각각 수평 방향 및 수직 방향으로 커팅해 내면 제1 응용형태로서 도9의(b)에 도시된 것과 같은 형태로 변형된다. 이와 같은 모따기 정도를 더욱 크게 하면 도9의(c)에 도시된 것과 같이 일견하여 볼 때 전체적으로 정육면체의 프레임과 유사한 형태로 되며, 상기와 같이 형성된 본 발명의 단위 모듈은 개략적인 외형은 정육면체와 유사해지지만 결정 구조적인 특성 및 결합의 원리는 원래의 도형인 정12면체적 특징을 가진 구조체가 된다.

도10은 이와 같이 기하학적 결정 구조의 원리가 모듈화된 건축 구조 시스템 에 응용되는 과정을 설명하고 있다. 도10에서 보는 것과 같이, 전술한 정12면체에서 응용된 본 발명의 단위 결정 유닛들을 연결함에 있어서는, 기존 모듈러 건축에서처럼 상하 인접 유닛의 측면과 측면, 상면과 하면이 전체적으로 접하도록 수평 또는 수직방향으로 연결(면 대 면이 접합)하는 것이 아니라, 서로 상하 측면에서 모서리끼리만 접하도록 하여 대각선 방향으로 연결 확장한다(즉, 선 대 선으로 접합하는 것으로 볼 수 있다). 이러한 확장 방식에 따르면, 각 유닛들의 측면과 하부에 부가적인 공간이 창출되므로 적은 수의 유닛으로 다수의 공간을 형성할 수 있어 공간 활용 측면에서 유리하다는 장점이 있으며, 구조적으로도 접합면이 45°경사면으로 이루어짐에 따라 인접 유닛으로부터 전달되는 하중이 수평, 수직으로 분산되어 기둥뿐 아니라 보 부재도 압축력을 분담하게 됨과 동시에 전체적으로 각 수평, 수직 부재들이 서로 역학적으로 상호 구속함으로써 더욱 안정된 구조체를 형성할 수 있는 등의 장점이 있다.

도11은 본 발명의 구조 시스템에 있어서 더욱 상세한 조형 원리를 보여 주는 도면으로서, 도11을 참조하면, 본 발명의 시스템에 따른 구조 매트릭스를 형성함에 있어서는 상술한 것과 같이 정12면체적 결정 특성을 갖는 단위 유닛을 제작한 뒤 이 단위 유닛들을 3단으로 적층 조립하여 도11의(e)와 같은 단위 모듈(module)을 형성하고 있다. 상기 3단 단위 모듈은 본 발명을 적용하여 구조 매트릭스를 확장 구축함에 있어 3차원적으로 가장 최소한도의 기본 단위가 되는 모듈로 제시하는 것으로서, 이는 도시된 바로부터 알 수 있듯이 단위 유닛 6개를 3단으로 적층 조립(1 + 4 + 1)하여 구성된다.

이러한 3단 기본 모듈은 상술한 정12면체 결정구조의 기하학적 특징에 의해 3축 방향으로 등방성을 가지고 있으며, 이에 따라, 상기 3단 기본 모듈을 건축 공간의 특성에 맞게 확장 방향을 조절하여 전후좌우, 상하 원하는 방향으로 계속해서 조립 연결함으로써 동일한 형태의 모듈을 가지고도 다양한 형태로 구조 매트릭스 형성이 가능하게 된다. 도11의(f)는 상기와 같은 3단 기본 모듈 6개를 조합(1 + 4 + 1)하여 확장 구성된 구조체를 예시하여 도시하고 있으며, 이때 전체 단위 공간 수는 55개가 형성되어 있는 반면, 사용된 단위 유닛 수는 36개에 불과하여 전체적으로 유닛 사이에 19개의 부가 공간이 형성되어 있으므로 사용된 유닛에 비해 더 많은 공간이 확보됨을 알 수 있다.

한편, 상기 설명에서는 3차원 확장을 위한 기본 단위로서 도11의(e)과 같이 단위 유닛 6개로 조합된 3단 기본 모듈을 제시하고 있으나, 이는 확장 개념 적용시 가장 바람직하게 적용할 수 있는 예로서 제시하는 것으로서, 반드시 이에 한정되어 3단 모듈 단위로만 구조물을 구성해야 하는 것은 아니고, 기본적으로 단위 유닛마다 3축 방향으로 등방성이 존재하는바 원하는 방향으로 개별 단위 유닛을 추가하여 다양한 형태의 구조체를 용이하게 구축할 수 있다.

또한, 도11에 설명된 바와 같이, 상기한 본 발명에 있어서 상기 정육면체 형태의 단위 유닛은 본 발명에서 제공하는 단위 패널 프레임 4개를 조립하여 형성할 수 있으며, 이러한 단위 패널 프레임의 구성 및 구체적인 실시 형태에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.

(2) 구체적인 실시 형태

이하에서는, 당업자의 이해 및 실시를 돕기 위해 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에서 제공하는 무한 확장성을 갖는 모듈러 건축 구조체 형성을 위한 단위 패널 프레임 및 이를 이용한 건축물 구조체에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 단위 패널 프레임에 대한 바람직한 일 실시예를 도시한 사시도로서, 도1을 통해 본 발명의 단위 패널 프레임(10)의 기본적인 구성을 보게 되면 전체적으로 4개의 긴 바아(bar) 형태의 단위 구조재(1)에 의해 대략적으로 정사각형 프레임의 형태를 갖도록 구성된 구조용 부재임을 알 수 있다.

여기서, 상기 본 발명의 단위 프레임(10)을 구성하는 4개의 단위 구조재(1)를 더욱 구체적으로 보게 되면, 각각의 단위 구조재(1)들에는 일정한 각도로 경사진 경사접합면(12a,12b,12c,12d)이 형성되어 있음에 주요한 구성상의 특징이 있음을 알 수 있다. 상기 경사접합면(12a,12b,12c,12d)은 도시된 바와 같이 전체적인 패널 프레임 평면을 기준하여 외측 방향을 향해 일정한 경사를 갖도록 형성되어 있으며, 이 경사접합면과 경사접합면 간의 접합을 통해 다른 단위 패널 프레임들 4개를 서로 일정하게 연결하여 도2에 도시된 것과 같은 모듈러 건축용 단위 유닛(100)을 제작한다.

이때, 본 발명의 주요한 특징에 따르면, 상기 경사접합면(12a,12b,12c,12d)들의 경사 방향은 모두 동일한 방향으로 경사 형성되는 것이 아니라, 도1에서 보는 것과 같이 4각 구도로 배치된 단위 구조재(1)들 중 서로 마주보는 위치에 있는 2개 의 단위 구조재는 그 경사접합면(12b,12d)이 기준 평면에 대하여 외측 방향으로 45도 상향 경사를 이루고, 다른 2개(12a,12c)는 45도로 하향 경사지게 형성되어 있음으로써 돌아가면서 교대로 경사 방향이 상하 반대를 이루도록 구성되어 있음을 알 수 있다.

또한, 상기 경사접합면(12a,12b,12c,12d)에 있어서 양 끝단은 도1 및 도6에서 보는 바와 같이 소정의 각도의 사선으로 절취된 경사 모서리로 형성되며, 이에 따라 상기 경사접합면의 형상은 대략 긴 사다리꼴의 형태를 이루고 있다. 이때 상기 경사접합면 끝단 경사 모서리의 절단 각도는 약 54.7도, 정확하게는

의 각도로 형성된다. 상기 각도는 전술한 바와 같이 정12면체를 기초로 형성된 단위 유닛의 기하학적 분석 및 단순 산술계산을 통해 쉽게 구해질 수 있으며, 상기 각도로 형성될 경우 3개의 단위 유닛의 꼭지점들이 하나의 점에서 만날 때 그 결합점에서 각 단위 구조재의 경사 모서리 3개가 서로 간섭없이 정확히 들어맞게 되므로 구조적으로 취약점 없이 견고한 연결이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기와 같은 구성의 단위 패널 프레임의 실제 제작에 있어서, 기본적으로 본 발명에서 제공하는 모듈러 건축 시스템은 철골 구조에 적용될 것을 예정하여 개발된 것으로서, 이에 따라 상기 본 발명의 기본 부재로 사용되는 단위 패널 프레임 역시 철골재로 생산되는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 본질적인 기술 내용은 철골조라는 구조 재료의 선정에 있는 것이 아니라 기하학적 결정구조를 응용하여 무한 확장 가능한 모듈러 건축 구조를 제공하는 것에 있는 것인바, 철골 부재뿐 아니라 예컨대 프리캐스트 콘크리트 부재나 기타 다른 건축 재료를 사용하는 것도 충분히 고려할 수 있으며, 이러한 재료 변경이 본 발명의 기술 개념을 벗어나는 것이 아님을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

이하에서는 당업자의 용이한 실시를 위해 상기에서 예시하여 설명한 본 발명의 모듈러 건축용 단위 패널 프레임을 실용적으로 제조 생산하는 방법 및 이를 이용하여 구조물을 구축하는 과정 등에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명의 무한 확장 가능한 모듈러 건축 시스템을 적용하기 위해 도1에 도시된 것과 같은 단위 패널 프레임(10)을 제조함에 있어서 처음부터 도1에 도시된 것과 같은 프레임을 공장에서 완성하여 현장에서 조립하는 방법도 있을 수 있으나, 생산, 운반 및 시공 효율성을 더욱 높이기 위해서 공장에서는 기초 단위 부재로서 단위 구조재 부재만을 생산하고 이를 현장 반입하여 패널 프레임, 단위 유닛 등을 제작하고 조립 시공하는 것이 더욱 바람직하다.

이러한 바람직한 조형 방식에 따를 경우, 본 발명에 따른 모듈러 건축물을 구축하는 전반적인 순서는, 도11에 도시된 것처럼, 단위부재(단위 구조재) -> 단위 패널 프레임 -> 단위 유닛 -> 3단 모듈 -> 확장 모듈 구조체 -> 응용 건축물의 순서로서 전체 구조물이 시공된다.

도6은 단위 패널 프레임(10)의 한 변을 이루는 단위 구조부재로서의 단위 구조재(1)를 분리하여 보여주는 도면으로서, 상기 단위 구조재(1)는 기하학적 원리가 응용된 모듈러 유닛의 결합방식을 구현하기 위해서 도시된 것과 같이 전체적으로 제1부재면과(11) 상기 제1부재면(11)에 대하여 135도의 각도를 이루며 절곡 형성된 경사접합면(12)을 포함하여 구성되어 있으며, 상기 경사접합면(12)의 길이방향으로 양 끝단은 일정각도의 사선으로 절취된 경사모서리로 형성되어 있음을 알 수 있다.

상기 단위 구조재는 일정한 길이와 넓이의 고강도 강판을 도6의(b)에서와 같이 내부각도 135도로 절곡하여 제조되는데, 이와 같이 절곡되어진 상단부(12)의 양 모서리(12',12")를 약 54.7도로 절단하여 경사접합면을 형성하며, 절곡되어진 하단부 제1부재면(11)의 양 모서리(11',11")는 45도로 각각 절취함으로써 단위 구조재(1)를 제조한다. 한편, 단위 패널끼리 및 모듈러 유닛 간의 연결 결합이 가능하도록 135도로 절곡된 경사접합면에는 볼트 결합공(14)을 일정 간격으로 천공 형성한다.

이때 상기와 같은 단위 구조재의 제조는 공장 생산 기본 부재로서 롤 포밍(Roll Forming) 및 롤 벤딩(Roll Bending) 성형에 의해 생산될 수 있으며, 이와 같이 생산된 단위 구조재(1)는 현장으로 운송되어 단위 패널을 형성하는 기본 단위 부재로서 사용된다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따르면, 공장에서 선재(線材) 형태로 생산된 단위 구조재를 현장으로 운반하여 조립 사용하는바, 기존의 박스형으로 공장 생산된 모듈러 건축 유닛과는 달리 운송이 편리하고 현장 내 적재 공간도 적게 차지하는 장점이 있다.

다음으로는, 전술한 바와 같이 동일한 단면 형태로 생산된 단위 구조재 4개를 현장 조립하여 대략 사각 평면 형태의 단위 패널 프레임(10)을 제작한다. 구체 적으로 보면, 도6에 도시된 단위 구조재(1) 제1부재면(11)의 끝단 45도 절취면(11',11")을 맞대어 용접하되, 제1부재면에 대해 135도로 절곡된 경사접합면(12)의 상하 경사 방향을 서로 마주보는 부재끼리 같은 방향으로 하고, 직각 연결된 단위 구조재의 경사접합면은 그 경사 방향이 상하 반대가 되도록 연결한다. 상기와 같이 4개의 단위 구조재를 연결하면 도1에서 보는 것과 같이 인접하여 연결된 단위 구조재들끼리는 돌아가면서 그 경사접합면의 경사 방향이 서로 상하 반대가 되며, 이와 같이 조립된 단위 패널 프레임(10)들을 연결하여 단위 유닛을 제작하고, 이 단위 유닛의 규칙적인 반복 연결에 의해 전체 구조물을 확장 구축할 수 있다.

도2는 전술한 단위 패널 프레임(10)에 의해 구성된 단위 유닛(100)을 도시한 사시도로서, 상기 단위 유닛(100)은 본 발명의 모듈러 건축 시스템을 적용하여 전체 구조체를 구축함에 있어 최소 공간을 형성하는 단위 모듈러 건축 유닛으로 사용된다. 상기 단위 유닛(100)은 도3에 도시된 분리 사시도에서 보는 것과 같이, 전체적으로 4개의 단위 패널 프레임(10)을 조립 연결하여 구성될 수 있으며, 기준이 되는 제1 단위 패널 프레임(10-1)에서 대향하는 위치에 있는 한 쌍의 경사접합면(10-1b)(10-1d)에 제2 단위 패널 프레임(10-2)과 제4 단위 패널 프레임(10-4)의 경사접합면(10-2d)(10-4b)을 각각 연결하여 직각으로 단위 패널 프레임들을 연결하고, 상기 제1 단위 패널 프레임(10-1)의 맞은 편에 제3 단위 패널 프레임(10-3)을 역시 경사접합면을 통해 돌아가면서 연결함으로써 전체적으로 정육면체 프레임의 형태를 갖도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 단위 패널 프레임(10)은 도2에서 볼 수 있는 것 과 같이, 정육면체 프레임 형태에서 각 수직재들의 경우 2개의 경사접합면이 결합되어 하나의 복합 기둥부재를 형성하고 있으며, 상하단부의 수평재 상측 및 하측으로는 각각 경사접합면(12)이 45도 경사진 상태로 안쪽 방향으로 모아지는 형태로 구성되게 된다. 따라서 상기 미결합 상태인 수평재의 경사접합면(12)들에 다른 단위 유닛을 각각 4개까지 연결하여 매트릭스를 확장할 수 있으며, 이때, 아무리 많은 단위 유닛들을 연결하여 복잡한 형태의 구조체를 구축한 상태라도 구조체 외곽에 위치한 단위 유닛에는 항상 앞에서 설명한 것과 동일한 형태로 미결합된 경사접합면이 존재하는바 계속해서 동일한 방식에 의해 추가의 단위 유닛을 연결하여 건축물을 무한하게 확장해 나갈 수 있게 된다.

도4는 이와 같이 단위 유닛들을 결합해 나가는 과정을 예시해 보여 주는 도면이다. 도4에 도시된 예에 따르면, 기초가 되는 단위 유닛(10A)의 수평재 상단 경사접합면(10-4a)에 다른 단위 패널 프레임(10-5)의 경사접합면(10-5a)이 수평으로 결합되고, 수평을 이룬 단위 패널 프레임의 다른 경사접합면(10-5b)에 또 다른 단위 패널 프레임(10-7)의 경사접합면(10-7b)이 결합되어 수직으로 세워진다. 한편, 기초가 되는 단위 유닛(10A)의 다른 90도 방향으로 수평 결합된 단위 패널 프레임(10-6)의 일측 경사접합면(10-6b)에는 다른 단위 패널 프레임(10-8)이 수직 결합되고, 이 단위 패널 프레임(10-8)의 일측 경사접합면(10-8a)과 기 설치된 단위 패널 프레임(10-7)의 경사접합면들(10-7a)이 만나 결합됨으로써 공간을 형성하게 된다. 이와 같이 도4는 전술한 형태의 결합이 계속 반복되어 공간이 확장됨과 동시에 건축물 전체의 구조 강도가 증가되는 본 발명의 특징을 설명하고 있다.

도5는 도4에 도시된 확장 방식에 따라 조립 구성된 최소 3차원 입체 구조체로서의 단위 모듈을 도시한 도면으로서, 도5에 도시된 바와 같이 상기 3차원 단위 모듈은 전술한 단위 유닛 6개를 조립하여 구성(1단:1개; 2단:4개; 3단:1개)되어 있다. 도1에 도시된 3차원 단위 모듈의 전체적인 구성을 더욱 자세히 살펴 보면 모듈 중심에 있는 공간으로부터 전후좌우 및 상하 3 개축 6 방향으로 각 단위 유닛들(100-1 ~ 100-6)이 배치된 구성으로서, 이러한 구성 형태로부터 볼 때 어느 방향으로든 계속해서 단위 유닛의 추가 연결을 통해 3차원적으로 공간을 확장해 나갈 수 있음을 쉽게 예측할 수 있다.

특히, 도5에 도시된 3차원 기본 단위 모듈에 나타난 것과 같이, 중앙에서 3축 각 방향으로 뻗어나간 각각의 단위 유닛들을 볼 때 그 뻗어나간 방향의 외곽측으로는 미결합 상태의 경사접합면(12)이 항상 일정한 형태(45도 절곡되어 모아지는 형태)로 존재하고 있음을 확인할 수 있으며, 이 미결합 경사접합면(12)에 전술한 기존 모듈에서의 결합 방식과 똑같은 방식으로 추가의 단위 유닛을 연속 연결함으로써 건축 공간의 특성에 맞게 확장 방향을 자유롭게 조절하여 동일한 형태의 모듈이 결합되면서도 다양한 건축 외관의 형성이 가능함을 알 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같은 본 발명에 따른 기하학적 원리를 응용한 모듈화 건축 시스템에 의하면, 다수의 단위 모듈들의 적층 조립시 단일한 구조를 이용하여 연결해 나가는 단순한 시공 방식으로 빠른 시간내에 건축물을 조립하거나 해체할 수 있고, 특히 본 발명에 따른 단위 모듈러 유닛 및 확장된 기본 3차원 단위 모듈 의 경우 기하학적 결정구조를 응용함에 따라 3축 방향으로 등방성을 가지고 있어 전후좌우 및 상하 원하는 방향으로 무한하게 추가 유닛을 조립 연결할 수 있으며 이에 따라 동일한 형태의 모듈의 규칙적인 반복 조립만으로 다양한 형태의 건축물을 구축할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형 실시가 가능할 것이다. 예컨대, 본 발명의 단위 패널 프레임을 제작함에 있어 정사각형 형태 이외에도 직사각형의 형태로 하여도 발명의 실시에는 문제가 없으며, 단위 구조재의 구체적인 형태에 있어서도 예시된 형태 이외에 본 발명의 근본적인 구성 특징을 포함하는 한도에서 다른 형태로 설계 변경하는 것이 충분히 가능한바, 이러한 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

나아가, 이상에서는 모듈러 건축 분야에 본 발명을 적용하는 것을 기준으로 설명하였으나, 상기와 같은 기하학적 원리를 응용한 본 발명의 구조체 형성의 개념은 단순히 건축 분야에 한정되지 않고 단위 구조체를 반복 연결하여 전체 구조체를 이루는 모든 분야, 예컨대, 조립식 가구 유닛이나 블록 조립완구 분야(예: 상품명 LEGO) 등 다양한 분야에 응용하여 적용이 가능하다.

도1은 본 발명에 따른 단위 패널 프레임에 대한 바람직한 일 실시예를 도시한 사시도이다.

도2는 본 발명의 단위 패널 프레임 4개를 결합하여 구성된 단위 유닛을 도시한 사시도이다.

도3은 도2에 도시된 단위 유닛을 분리하여 단위 패널 프레임들의 결합 상태를 보여주는 분리 사시도이다.

도4는 본 발명에 있어 단위 유닛들을 결합해 나가면서 구조체를 확장하는 과정을 보여 주는 도면이다.

도5는 도4에 도시된 확장 방식에 따라 조립 구성된 최소 3차원 입체 구조체로서의 단위 모듈을 도시한 도면이다.

도6은 단위 패널 프레임의 한 변을 이루는 단위 구조부재로서의 단위 구조재를 분리하여 보여주는 도면이다.

도7은 본 발명의 기하학적 결정 구조에서 기본 결정체로 사용되는 정12면체의 형태를 보여주는 도면이다.

도8은 도7에 도시된 정12면체를 기초로 하여 본 발명에서 응용 구성된 모듈러 건축 시스템의 단위 유닛에 대한 프로토타입을 보여주는 도면이다.

도9는 본 발명의 모듈화 건축 시스템을 구현함에 있어 기초 결정 단위로 사용되는 단위 유닛의 형성 원리를 보여주는 도면이다.

도10은 본 발명에 있어서 기하학적 결정 구조의 원리가 모듈화된 건축 구조 시스템에 응용되는 과정을 설명하는 도면이다.

도11은 본 발명의 구조 시스템에 있어서 더욱 상세한 조형 원리를 보여 주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 단위 구조재 10 : 단위 패널 프레임

11 : 제1부재면 12 : 경사 접합면

100 : 단위 유닛

Claims (6)

1. 긴 바아(bar) 형태의 부재인 단위 구조재 4개에 의해 전체적으로 직사각형 또는 정사각형 프레임 형태를 갖도록 형성된 구조용 부재로서,

   상기 4개의 단위 구조재는 각각 외측 방향으로 일정한 각도의 경사를 이루는 경사접합면을 가지도록 구성됨과 동시에,

   상기 4개의 단위 구조재들에서 서로 대향하는 위치에 있는 2개의 단위 구조재는 그 경사접합면의 경사 각도가 외측 방향으로 45도 상향 경사지도록 구성되고, 다른 2개의 단위 구조재는 경사접합면의 경사 각도가 외측 방향으로 45도 하향 경사지게 구성됨으로써, 인접하여 연결된 단위 구조재들끼리 그 경사접합면의 경사 방향이 서로 상하 반대가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 단위 패널 프레임.
2. 제1항에 있어서, 상기 경사접합면은 그 길이방향으로 양 끝단이 일정 각도의 사선으로 절단된 경사모서리를 가짐으로써 전체적으로 긴 사다리꼴의 형상을 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 단위 패널 프레임.
3. 제2항에 있어서, 상기 경사접합면의 길이방향 양 끝단에 형성된 경사 모서리의 절단 각도는

   

   인 것을 특징으로 하는 단위 패널 프레임.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 단위 구조재는, 제1부재면과; 상기 제1부재면에 대하여 135도의 각도를 이루며 절곡 형성된 경사접합면;을 포함하여 구성되며, 상기 경사접합면의 길이방향으로 양 끝단은 일정각도의 사선으로 절취된 경사모서리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단위 패널 프레임.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 단위 패널 프레임 4개를 연결 조립하여 구성된 구조용 입체 프레임 유닛으로서,

   제1 단위 패널 프레임에서 대향하는 위치에 있는 한 쌍의 경사접합면에 제2 단위 패널 프레임과 제4 단위 패널 프레임의 경사접합면을 각각 연결하여 직각으로 단위 패널 프레임들을 연결하고,

   상기 연결된 제2 단위 패널 프레임과 제4 단위 패널 프레임의 단위 패널 프레임 사이에 제3 단위 패널 프레임을 경사접합면을 통해 연결하여 전체적으로 육면체 프레임의 형태를 갖도록 구성된 모듈러 건축용 단위 유닛.
6. 제5항에 기재된 단위 유닛 다수개를 연속적으로 조립 연결하여 구축된 건축물 구조체로서, 상기 단위 유닛과 단위 유닛들 간의 결합은 단위 유닛의 일측 경사접합면에 다른 단위 유닛의 일측 경사접합면을 일체로 접합함에 의해 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 모듈러 건축물 구조체.

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