KR102036415B1 - 외부가 비정형 곡률인 건축물의 곡면형성을 위한 면 및 점 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지붕 등 건축물의 비정형 형상인 외피 부분을 자연스럽게 마감처리하기 위하여 건축물의 기본골조 상부와 외피 마감 사이의 공간을 제어하기 위한 것이다.
본 발명의 건축물 외피 비정형 곡면을 형성하는 방법에는 비정형 건축물 외피의 곡면을 제어하는 방식이 있고, 다른 하나는 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식이 있다.
상기 외피 곡면을 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재를 비정형 건축물의 외피 곡률을 따라 그대로 외피면에 고정시켜 시공하는 공법이고, 상기 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재가 비정형 건축물의 외피 곡면 형상의 모듈로 제작하되, 상기 모듈은 일정한 규격이 아닌 각기 다른 모양의 모듈로 제작되어 설계된 대로 상기 모듈을 시공하게 된다.
본 발명은 건축물 외피 비정형 곡면을 그대로 도면으로 설계한 후 도면의 곡률과 형상 그대로 건축물에 구현되도록 시공이 가능하다. 또한 시공할 때에도 시공자의 숙련도와 무관하게 3D 모델링 및 시뮬레이션 설계한 그대로 건축물 외피의 마감면을 미려하게 시공할 수 있는 방법을 제공한다.
또한 건축물 외피면을 측정하여 패널부재를 제작하기 때문에 손실되는 자원이 없어 자재비용을 크게 절감할 수 있으며, 공사기간을 크게 단축할 수 있는 잇점이 있다.

Description

외부가 비정형 곡률인 건축물의 곡면형성을 위한 면 및 점 제어 방법{.}

본 발명은 외부가 비정형 형상의 곡률인 건축물의 곡면 마감을 위한 면 및 점 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지붕 등 건축물의 비정형 형상인 외피 부분을 자연스럽게 마감처리하기 위하여 건축물의 기본골조 상부와 외피 마감 사이의 공간을 제어하기 위한 것으로 건축물의 규모나 비정형 곡률의 정도에 관계 없이 적용이 가능하다.

일반적으로 건축구조물은 구성재료, 시공방식, 구성 방식 및 구조 형식에 따라 분류된다.

이때, 상기 구성재료에 따른 건축구조물은 목구조(Wooden structure, Timber structure), 벽돌구조(Brickstructure), 시멘트 블록 구조(Cement blockstructure), 철근콘크리트구조 및 철골철근콘크리트구조로 구분된다.

또한, 상기 시공방식에 따른 건축구조물은 조적식구조, 철근콘크리트구조 등의 습식시공(wet construction)과 목구조, 철골구조 같은 건식시공(dry construction)으로 구분된다.

한편, 상기 구성방식에 따른 건축구조물은 부재를 현장에서 제작, 가공, 조립하는 현장시공(fieldconstruction), 공장에서 부재를 제작, 가공하고 현장에서 조립, 설치하는 구조로서 대량생산에 따른 시공비 절감과 공사기간 단축이 가능한 조립식구조(prefabrication structure)로 구분된다.

끝으로, 구조형식에 따른 건축구조물은 라멘구조(Ramen), 곡판구조, 셀구조(Shell), 스페이스 프레임(Spaceframe)구조, 막구조(Truss Membrane Structure)로 구분된다.

한편, 건축구조물을 시공함에 있어 시공업체에서 우선적으로 고려해야할 부분은 공사기간 단축, 시공편의성, 방수 및 방열 우수성 등의 기능적인 측면과 시각적인 미려함을 추구하는 디자인적인 측면이며, 이러한 부분을 감안하여 그에 맞는 시공방법을 채택하여 시공한다.

이에, 근래에는 구조물 모듈이나 패널 등을 공장에서 제작하고, 이렇게 제작된 구조물 모듈이나 패널을 시공현장으로 운반하여 현장에서 간단히 조립,시공하는 개념의 모듈 시공방법이 제안되어 이용되고 있으나, 그러나,시공방법은 가 건물, 정형화된 소형 구조물과 같은 제한적인 범위 내에서 이용할 수밖에 없는 단점이 있었다.

한편, 오늘날의 건축구조물은 정형화된 외형을 갖는 구조에서 전시관, 박물관, 등의 문화시설등의 복잡한 비 정형화된 외형의 구조로 바뀌는 추세이다.

이에, 종래 비정형 건축구조물의 건식 외벽이나 지붕과 같은 곡면외피를 시공하기 위해서는 스틸 파이프나 C형강으로 비정형 형태를 만들고 거기에 외장을 시공한다.

그러나, 종래의 비정형 건축물의 시공방법은 공사기간 지연과 외관이 의도한 대로 미려하게 형성되지 않아 품질이 저하되고 높은 공사비가 소요되는 문제점이 있었다.

즉, 종래 비정형 건축구조물은 시공과정에서 각 주요부의 높이를 검측하며 시공하게 되는데, 이렇게 현장에서 검측과 시공이 이루어질 경우 검측 오류가 발생함은 물론 잘못된 부분이 발생할 경우 철거 후 재시공해야 했기 때문이다.

또한, 종래 비정형 건축구조물은 주요부의 높이 검측이 현장에서 이루어지기 때문에 시공의 정밀도가 현저히 떨어짐은 물론, 이에 따라 설계 의도와는 전혀 다른 건축구조물로 시공되는 문제점이 있었다.

KR 10-0791590 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 건축물의 비정형 곡면 외형이 기준이 되어 설계된 도면의 곡률과 형상을 그대로 유지하는 상태로 시공하여 건축물의 외피를 자연스럽고 미려하게 마감할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 시공자의 숙련도와 무관하게 당초 3D 모델링 프로그램에 의해 시뮬레이션 설계된 상태로 누구나 시공할 수 있게 하여 건축물의 외피면이 설계되 그대로 고품질의 비정형 곡면을 형성할 수 있도록 하기 위한 것이다.

그리고 발주로 가공되어진 부재는 모두 비정형 건축물 외피면에 정해진 자기의 위치가 있어 누구든지 지정된 번호대로 부재를 고정시키기만 하면 되기 때문에 시공이 용이하다.

본 발명의 건축물 외피 비정형 곡면을 형성하는 방법에는 비정형 건축물 외피의 곡면을 제어하는 방식이 있고, 다른 하나는 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식이 있다.

상기 외피 곡면을 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재를 비정형 건축물의 외피 곡률을 따라 그대로 외피면에 고정시켜 시공하는 공법이고,

상기 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재가 비정형 건축물의 외피 곡면 형상의 모듈로 제작하되, 상기 모듈은 일정한 규격이 아닌 각기 다른 모양의 모듈로 제작되어 설계된 대로 상기 모듈을 시공하게 된다. 본 방식은 건축물의 외피 곡면 형상을 잘 표현할 수 있도록 디자인된 각기 다른 모양의 모듈을 지정된 외피 곡면에 결합시켜 시공하며, 이 방식은 각 모듈의 모인 교차점인 3차원의 좌표점 또는 기준이 되는 특정점을 제어해서 외부마감재를 고정하게 된다. 이 방식은 비정형 건축물 마감재를 오픈 죠인트 방식으로 외부 마감을 하거나 자연스러운 외부 곡률모듈을 이용한 이중외피 공법 및 CNC로 제어된 패널의 하부 프레임에 적용된다.

상기 외피곡면을 제어하는 방식과 곡면 및 좌표점을 제어하는 방식 두 가지 모두 기본은 CNC로 (절단)가공한 2차원곡면체가 기본이 되고 다른 2차원곡면체들을 배열하여 건축물의 3차원 비정형 곡면을 완성시키게 된다, 2차원곡면체는 기본적으로 2차원 곡률의 선을 갖게 되는데 2차원곡면체들을 일정한 간격으로 정해진 위치에 배열하여 3차원 비정형 곡률의 면을 형성하게 된다.

건축물 마감구조체의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 곡면을 만드는 방법은 먼저 건축물 외형의 기본 마감골조인 마감구조체가 형성하는 2차원의 면과 건축물 외피면의 마감재가 형성하는 3차원 곡면(지붕 등) 사이의 중간층 공간(사이공간)을 수직으로 Sectioning(단면이 나오도록 절단)하면 일정한 간격으로 다수의 2차원곡면체가 만들어 진다. 상기 Sectioning은 건축물의 비정형 외피면의 곡률, 최상볼록점과 최하볼록점, 그리고 변곡점을 섹션닝을 위한 분석의 기준으로 한다.

상기 2차원곡면체는 철제, 목재 및 석재 등의 플레이트(plate)를 CNC (절단)가공 절단하여 제작하며, 3차원의 곡면을 형성하기 위해 절단면의 외피방향 면에 일정한 간격의 원형 또는 각형의 윙결합홈(31)을 내어 강관으로 각 2차원곡면체를 교차 방향으로 연결해 일체화시킬 수 있도록 제작한다.

2차원곡면체에는 절단면의 건축물 내부 마감구조체(2차원 면) 방향의 2차원곡면체를 고정시킬 수 있는 하부고정체(32)가 설치되며, 상기 하부고정체는 파이프 또는 화스너 철판 등이 사용된다. 상기 2차원곡면체의 단면부피가 커질 경우 단면의 중심부에 홀을 내어 자체 중량을 줄여 줄 수 있다.

건축물 구조체의 가상의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 곡면의 임의의 약속된 점을 제어하는 방법에서 건축물의 비정형 곡면 외피의 가상의 임의의 점(點)을 제어하기 위해서는 건축물 외형의 기본 골조인 구조체가 형성하는 2차원의 면(面, 20)과 비정형 곡면 외피가 형성하는 3차원의 곡면(10) 사이의 중간층을 형성하는 프레임(frame)인 2차원곡면체의 3차원 방향 제어가 필요하다.

상기 2차원곡면체의 3차원 방향 제어를 위해서는 도 11에서와 같이 X,Y면 방향으로 곡면인 XY2차원곡면체(37)에 X,Z면 방향으로 곡면인 XZ2차원곡면체(미도시), 또는 Y,Z면 방향으로 곡면인 YZ2차원곡면체(38)를 설계된 비정형 외피 곡면의 방향에 적합하도록 각각 직각으로 결합하여 X,Y,Z 3방향이 모두 곡면인 XYZ3차원곡면체(39)을 제작하여야 한다.

본 발명은 건축물 외피 비정형 곡면을 그대로 도면으로 설계한 후 도면의 곡률과 형상 그대로 건축물에 구현되도록 시공이 가능하다. 또한 시공할 때에도 시공자의 숙련도와 무관하게 3D 모델링 및 시뮬레이션 설계한 그대로 건축물 외피의 마감면을 미려하게 시공할 수 있는 방법을 제공한다.

또한 3D 모델링가 3D스캔으로 건축물 외피를 측정하여 곡률에 따라 패널부재를 제작하고 각각의 패널부재는 건축물 외피면에 지정된 위치가 있어 지정된 번호대로 가져다 시공하면 되기 때문에 시공방법이 간단하면서, 시공이 완성하였을 때 건축물 외피면이 자연스러운 미감을 가지게 되고, 설계한 대로 디자인이 형성된다.

또한 건축물 외피면을 측정하여 패널부재를 제작하기 때문에 오차에 의한 손실되는 자원이 없어 자재비용을 크게 절감할 수 있으며, 공사기간을 크게 단축할 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명의 건축물 외부면을 시공할 때 형성되는 순차적인 골조 및 외피 모형
도 2는 건축물의 기본 골조 상부와 외부 마감 사이 건축물 모양을 제어할 수 있는 중간층을 나타낸 도면.
도 3은 강관파이프, 각형강관, 철제 형강등을 밴딩가공하여 가공된 부재의 선의 조합으로 임의적인 면을 생성한 것을 나타낸 도면.
도 4는 건축물의 곡률 최상블록점과 최하블록점을 나타낸 도면.
도 5는 3차원의 곡면을 형성하기 위해 절단면의 외피방향 면에 일정한 간격의 원형 또는 각형의 홈을 낸 2차원 곡면체의 모습을 나타낸 도면.
도 6은 2차원곡면체의 위치를 제어할 가이드곡면체를 설치한 것을 나타낸 도면.
도 7은 CNC 가공한 2차원 곡면체의 배열로 3차원 면이 형성된 상태에서 상부에 강관을 설치한 모습을 나타낸 도면.
도 8은 제1의 2차원곡면체와 제2의 2차원곡면체가 서로 교차되는 부분을 암,수로 서로 홈을 내어 장부맞춤으로 껴지도록 CNC가공한 모습을 나타낸 도면임.
도 9는 제1의 2차원 곡면체의 거셋플레이트와 연속 배치되는 제1의 2차원곡면체의 거셋 플레이트를 연결하고 반복적으로 연속 배치하여 설치한 모습을 나타낸 도면.
도 10은 프레임의 2차원곡면체의 3차원 방향제어 방법을 표시하는 도면.
도 11은 XY 2차원곡면체에 YZ 2차원곡면체를 직각으로 결합하여 X,Y,Z 3차원 곡면체의 제작원리를 나타낸 도면.
도 12는 건축물 외피 곡면의 법선 방향으로 건축물 구조체와 지점이 형성되는 선을 일정한 간격을 기준으로 섹션닝하여 하나씩 만드는 모습을 나타낸 도면.
도 13은 곡률이 작아짐에 따라 직각형성 플레이트의 간격이 좁아진 모습을 나타낸 도면.
도 14는 2차원곡면체의 양쪽에 홈을 내어 윙부재를 장부맞춤함으로써 부재의 직각뿐 아니라 임의 방향으로 돌출부를 형성한 것을 나타낸 도면.
도 15는 각각의 2차원곡면체 양쪽에 홈을 내어 윙부재가 결합되어 3차원 곡면체로 결합된 모습을 나타낸 도면.
도 16은 모듈의 교차점에서 3차원 곡면체에 홈을 내서 장부맞춤을 하거나 3차원 곡면체에 다른 3차원곡면체의 연결방향으로 돌출부를 형성하여 연결한 모습을 나타낸 도면.
도 17은 도 17이 결합된 모습을 나타낸 도면.
도 18은 기준이 되는 곳에 배열을 안내할 지점 플레이트와 배열상태를 나타낸 도면.
도 19는 프레임의 3차원곡면체의 모든 부재는 3차원의 방향성을 띄게 되고 비정형외피의 임의의 3차원 좌표점에 연장한 모습을 나타낸 도면.
도 20은 설치 시 중간 기준점을 프레임 또는 구멍을 곳곳에 넣어 각도와 물수평을 측정할 수 있게 하여 정확한 시공을 할 수 있도록 한 모습을 나타낸 도면.
도 21은 3차원곡면형성체의 돌출부의 크기 및 방향 조절로 임의의 작고 협소한 공간의 제어와 부재 거치가 자유로워지는 것을 나타낸 도면.
도 22는 방향성을 갖는 3차원 곡면형성체의 제작 기본 형태를 나타낸 도면.

이하 본 발명에 따른 비정형 곡률인 건축물의 곡면형성을 위한 면 및 점 제어 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 건축물 외부면을 시공할 때 형성되는 순차적인 골조 및 외피 모형이다. 가장 하부에 M데크(11)가 배치되며, M데크 위에는 보온재(12)가 덮혀지고, 상기 M데크에 고정되는 하부고정체(32)는 이차원곡면체(30)를 지지하며, 상기 이차원곡면체에는 일정한 간격으로 파이프(16)를 배열하고, 상기 파이프 상부에는 합판(13)을 덮어준다. 상기 합판 위에는 방수시트(14)로 피복하고 상기 방수시트 위에 2차원 면의 외부마감재(15)가 형성된다. 도 1은 본 발명의 건축물 외부 마감 구조를 나타낸 것으로 상기 하부구조를 포함하여 다양하게 변형 가능하게 구성을 적용 가능하게 한다.

도 2에서 보는 바와 같이 건축물의 외부면 모양이 비정형 곡면일 경우 대부분 외형의 기본뼈대가 되는 골조가 형성하는 2차원의 면(20)과 상기 2차원의 면(20) 상부에 형성되는 곡면의 외피가 형성하는 3차원의 면(10) 사이에 공간(이하 '사이공간'이라 한다)이 생기게 된다.

일반적으로 건축물의 곡면 형성방법은 상기 도 3의 사이공간을 강관파이프, 각형강관, 철제 형강 등을 밴딩 가공하고, 상기 가공된 곡면부재(21)의 선을 조합하여 임의적으로 임의곡면(22)을 형성한다.

도 3에서 보는 바와 같이 상기 곡면부재(21) 하방으로 다수의 기둥부재(23)를 세우고 절곡브라켓(24)으로 상기 기둥부재(23)를 기본골조(20)에 고정시키고, 상기 곡면부재를 곡면형상으로 벤딩한다. 이와 같이 임의의 기둥(기둥부재)을 세우고 밴딩을 하여 외피 모양을 형성하기 때문에 외피 곡률은 비슷하게 나올 수 있으나 정밀한 공사를 시행하기 어렵기 때문에 시공자의 숙련도에 따라 품질의 차이가 크고, 설계한 대로 비정형 곡면을 형성시키기 어렵다.

본원발명은 건축물 외피 비정형 곡면을 그대로 설계한 도면의 곡률과 형상 그대로 구현되도록 시공이 가능하고, 시공할 때에도 시공자의 숙련도에 따라 품질이 달라지는 것이 아니라, 당초 건축물 외피 비정형 곡면을 시뮬레이션 설계 및 3D 모델링 프로그램으로 설계된 대로 부재를 가공하고, 가공된 부재는 특정 자기위치가 있어 숙련되지 않은 시공자라도 누구든지 지정된 위치에 부재를 가져다 쉽게 조립하면 되기 때문에 설계된 대로 시공할 수 있어 고품질의 걱축물 외피 비정형 곡면을 시공할 수 있게 된다.

본 발명의 건축물 외피 비정형 곡면을 형성하는 방법에는 비정형 건축물 외피의 곡면을 제어하는 방식이 있고, 다른 하나는 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식, 두가지가 있다. 상기 곡면을 제어하는 두가지 방식은 비정형 건축물의 외피 마감재의 공사유형에 따라 달라진다.

1) 상기 외피 곡면을 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재를 비정형 건축물의 외피 곡률을 따라 그대로 외피면에 평이음 및 돌추이음하는 공법이다.

2) 상기 곡면과 가상의 좌표점을 함께 제어하는 방식은 건축물의 외부 마감재가 비정형 건축물의 외피 곡면 형상의 모듈로 제작하되, 상기 모듈은 일정한 규격이 아닌 각기 다른 모양의 모듈로 제작되어 설계된 대로 상기 모듈을 시공하게 된다. 본 방식은 건축물의 외피 곡면 형상을 잘 표현할 수 있도록 디자인된 각기 다른 모양의 모듈을 지정된 외피 곡면에 결합시켜 시공하며, 이 방식은 각 모듈의 모인 교차점 또는 기준이 되는 특정점인 3차원의 좌표점을 제어해서 외부마감재를 고정하게 된다. 이 방식은 비정형 건축물 마감재를 오픈 죠인트 방식으로 외부 마감을 하거나 자연스러운 외부 곡률모듈을 이용한 이중외피 공법 및 곡면의 CNC로 제적된 패널에 적용된다.

상기 외피곡면을 제어하는 방식과 곡면 및 좌표점을 제어하는 방식 두 가지 모두 기본은 CNC로 (절단)가공한 2차원곡면체가 기본이 되고 다른 2차원곡면체들을 배열하여 건축물의 3차원 비정형 곡면을 완성시키게 된다, 2차원곡면체는 기본적으로 2차원 곡률의 선을 갖게 되는데 2차원곡면체들을 일정한 간격으로 정해진 위치에 배열하여 3차원 비정형 곡률의 면을 형성하게 된다.

<건축물 마감구조체의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 곡면을 만드는 방법>

가. 제작방법

1. 건축물 마감구조체의 2차원 면에서 3차원의 비정형의 마감 외피구조체 곡면을 만드는 방법은 먼저 건축물 외형의 기본 마감골조인 마감구조체가 형성하는 2차원의 면과 건축물 외피면의 마감재가 형성하는 3차원 곡면(지붕 등) 사이의 중간층 공간(사이공간)을 수직으로 Sectioning(단면이 나오도록 절단)하면 설계된 간격으로 다수의 2차원곡면체가 만들어 진다. 도 4에서 보는 바와 같이 Sectioning은 건축물의 비정형 외피면의 곡률, 최상볼록점(26)과 최하볼록점(27), 그리고 변곡점(28)을 섹션닝을 위한 분석의 기준으로 한다.

도 5는 2차원곡면체를 제작하는 방법으로 상기 2차원곡면체는 철제, 목재 및 석재 등의 플레이트(plate)를 CNC (절단)가공 절단하여 제작하며, 3차원의 곡면을 형성하기 위해 절단면의 외피방향 면에 일정한 간격의 원형 또는 각형의 윙결합홈(31)을 내어 강관으로 각 2차원곡면체를 교차 방향으로 연결해 일체화시킬 수 있도록 제작한다.

2차원곡면체에는 절단면의 건축물 내부 마감구조체(2차원 면) 방향의 2차원곡면체를 고정시킬 수 있는 하부고정체(32)를 설치한다.상기 2차원곡면체의 단면부피가 커질 경우 단면의 중심부에 홀을 내어 자체 중량을 줄여 줄 수 있다.

나. 배치방법

1. 도 6에서 보는 바와 같이 2차원곡면체의 배치를 제어하기 위해 비정형 건축물의 곡면 외피의 변곡점 또는 곡면의 시작점이나 곡면의 기준이 되는 곳에 가이드곡면체(40)를 설치한다. 상기 가이드곡면체(40)는 단면을 절단한 플레이트 또는 밴딩 가공한 강관 등으로 설치하며, 2차원곡면체의 결합 위치를 정확하게 알 수 있도록 홈 또는 돌기를 가이드곡면체에 만들거나 측량으로 정확한 위치를 마킹하여 2차원곡면체를 상기 홈 또는 돌기, 마킹한 위치에 고정시켜 설치한다. 가이드곡면체(40)에 고정된 다수의 2차원곡면체(30)는 각 2차원곡면체가 연결된 임의곡면(22)은 가상의 3차원 연결면(곡면)을 형성하고, 상기 가상의 3차원 연결면(곡면)이 건축물 외부 마감재의 면(예: 지붕면)을 형성하게 된다.

2. 도 7에서 보는 바와 같이 상기 가이드곡면체(40)에 고정되어 일정한 간격으로 배치 설치된 2차원곡면체(30)의 외피방향 절단면에 형성된 홈에 강관(42)을 교차 방향으로 연속적으로 끼워 넣어 2차원곡면체를 결속하여 일체화시키면 3차원곡면 프레임이 형성되고, 상기 3차원곡면 프레임에 의해 자연스러운 3차원 곡면이 형성된다. 상기 강관(42)은 2차원곡면체(30)에 직각 등의 방식으로 교차로 연결되어 형성되는 3차원곡면 프레임에 의해 외피 마감재의 3차원 곡면이 형성되도록 곡면 형상의 강관(42)으로 구성될 수 있다. 또한 상기 강관(42)은 강관 형상이 아닌 2차원곡면체 형상으로 제작되어 가이드곡면체에 고정된 2차원곡면체와 교차되는 방식으로 고정설치될 수 있다. 또한 상기 2차원곡면체 및 그와 교차되는 강관, 또는 2차원곡면체 및 그와 교차되는 2차원곡면체가 형성하는 3차원곡면 프레임은 외부 마감재의 형상에 맞게 상부로 볼록할 수도 있고, 하부로 오목할 수도 있으며, 파형의 곡면을 형성할 수도 있다.

상기 강관(42)이 3차원곡면 프레임(Freme)에 합판 또는 철판 등 외부 마감재를 설치하기 위한 하지재(미도시)가 설치되도록 하지재에 따라 강관 위에 CNC(절단)가공한 2차원곡면 철판을 설치하기도 한다.

3. 도 8에서와 같이 Sectioning하여 만들어진 2차원곡면체(30) 및 강관(42)의 교차조합으로 형성되는 3차원곡면 프레임을 보다 정밀하게 제어하기 위한 방법은 제1의 2차원곡면체(30)와 교차되는 제2의 2차원곡면체(35)를 만들고, 제1의 2차곡면체(30)와 제2의 2차원곡면체(35)가 서로 교차되는 부분을 암,수로 서로 홈을 내어 장부맞춤으로 끼워지도록 CNC(절단)가공한다. 이렇게 만들어진 제1의 2차원곡면체와 제 2의 2차원곡면체를 서로 가이드 곡면체로 삼아 연속배치 장부맞춤하여 설치한다.

또는 도 9에서 보는 바와 같이 제1의 2차원곡면체(30)와 제2의 2차원곡면체(35)가 교차되는 면에 거셋플레이트(36)를 설치하고 제2의 2차원곡면체(35)를 분할하여 거셋플레이트(36)에 결합시킨다. 즉, 상기 분할된 제2의 2차원곡면체(35)는 제1의 2차원곡면체(30)와 설계된 간격으로 연속 배치되는 제1의 2차원곡면체에 각각 형성된 거셋플레이트(36)에 반복적으로 연속 고정되어 설치된다.

제2의 2차원곡면체(35)의 역할은 단순히 제1의 2차원곡면체(30)의 간격 조절 등의 목적으로만 사용될 수도 있으며, 이때에는 제2의 2차원곡면체(35)를 굳이 곡면이 아닌 직선으로 만들되 힘을 받게 하기위해 그 단면을 T형 또는 L형 모양을 취하기도 한다.

섹션닝(sectioning)하여 2차원곡면체를 만들 때 2차원의 분할 Section 수가 많아 질수록 형성되어지는 2차원곡면체가 많아지고 Frame의 3차원 곡면은 더욱 정밀해지고 심한 곡면도 자연스럽게 곡면을 형성할 수 있으며, 나아가 3차원 프레임 곡면 위 임의의 지점을 제어하는 것도 가능하다.

<건축물 구조체의 가상의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 곡면의 임의의 약속된 점을 제어하는 방법>

도 10에서 보는 바와 같이 건축물 비정형 외피의 가상의 임의의 점(點)을 제어하기 위해서는 건축물 외형의 기본 골조인 구조체가 형성하는 2차원의 면(面, 20)과 비정형 곡면 외피가 형성하는 3차원의 곡면(10) 사이의 중간층을 형성하는 프레임(frame)인 2차원곡면체의 3차원 방향 제어가 필요하다.

상기 2차원곡면체의 3차원 방향 제어를 위해서는 도 11에서와 같이 X,Y면 방향으로 곡면인 XY2차원곡면체(37)에 X,Z면 방향으로 곡면인 XZ2차원곡면체(미도시), 또는 Y,Z면 방향으로 곡면인 YZ2차원곡면체(38)를 설계된 비정형 외피 곡면의 방향에 적합하도록 각각 직각으로 결합하여 X,Y,Z 3방향이 모두 곡면인 방향성을 갖는 XYZ3차원곡면체(39)을 제작하여야 한다.

가. 제작 방법

1. 건축물 외형의 기본 골조인 구조체가 형성하는 2차원의 면과 비정형 곡면 외피가 형성하는 3차원의 곡면의 중간층(사이공간)을 Sectioning(단면이 나오도록 절단)한 단면으로 다수의 제1의 2차원곡면체(30)를 만들고, 비정형 곡면 외피에서 일정간격 떨어지는 내부 층을 만들어 제2의 2차원곡면체(35)를 만든다(도 12)

상기 제1 및 제2의 2차원곡면체를 만들 때 Sectioning의 기준은 건축물 외피 곡면의 법선 방향으로 건축물 구조체와 비정형 곡면 외피의 지점이 형성되는 선을 일정한 간격으로 하나씩 만든다.(도 12)

2. 건축물 비정형 곡면 외피의 법선 방향(면에 직각으로 형성되는 방향)의 제1의 2차원곡면체와 제2의 2차원곡면체는 플레이트형철제(50)를 각각 일정한 너비로 CNC 레이저가공 절단하여 제작하며, 제1의 2차원곡면체와 제2의 2차원곡면체는 직각으로 결합될 수 있게 제작한다.

도 13에서 보는 바와 같이 직각 형성 플레이트형철제의 결합 위치 간격은 면의 곡률 크기와 방향에 따라 간격이 달라지는데 면의 곡률과 방향의 차이가 심한 경우 직각형성 플레이트형철제의 결합 위치 간격이 좁아진다.

도 14는 상기 플레이트형철제(50)로 제작된 제1 및 제2의 2차원곡면체의 부재가 서로 직각이 되도록 교차 결합하기 위해 두 부재의 교차되는 위치에 결합체(49)을 만들어 결합시켜준다. 그리고 연결부재를 이용하여 제1의 2차원곡면체와 제2의 2차원곡면체가 교차되어 끼워지면 두 곡면체가 항상 직각을 이루어 3차원곡면체가 제작된다.

3. 상기 3차원곡면체는 2차원곡면체들을 교차로 결합시켜 X,Y,Z 방향의 제어가 가능하다. 즉, 도 14 및 15에서 보는 바와 같이 XY2차원곡면체(37)에 YZ2차원곡면체(38)를 연결부재(43)로 연결시키고, 상기 YZ2차원곡면체(38)에는 윙부재(44)를 장부맞춤 방식으로 결합 고정시키되, 상기 장부맞춤 방식의 결합을 위하여 상기 윙부재(44)와 YZ2차원곡면체는 각각에 형성된 윙결합홈(31)을 장부맞춤식으로 삽입하여 고정시켜 준다.

또한 상기 연결부재(43)의 체결홈(33)은 YZ2차원곡면체(38)의 체결홈(33)과 결합하여 XY2차원곡면체(37)에 YZ2차원곡면체(38)를 체결히켜 주게 된다.

상기 XY2차원곡면체(37)에 연결부재(43)를 결합시킬 때 연결부재(43)의 하부에 연결부재돌기(47)가 형성되며, 상기 XY2차원곡면체(37)에는 상기 연결부재돌기(47)가 끼워지는 부재돌기홈(48)이 형성된다.

상기 YZ2차원곡면체(38)에 결합된 윙부재(44)의 하단 중앙부에 윙돌기부(45)가 형성되며, 상기 윙돌기부(45)는 XY2차원곡면체(37)에 형성된 윙부재결합홈(46)에 삽입되어 고정되며, 상기 윙부재결합홈(46)이 윙부재(44)의 방향을 결정한다.

상기와 같은 방법으로 XY2차원곡면체와 YZ2차원곡면체를 고정시키고, YZ2차원곡면체와 윙부재를 고정시키면 윙부재를 결합시킬 때 직각 뿐만 아니라 임의의 방향으로 윙부재(44)를 결합시킬 수 있어, 상기 2차원곡면체들이 교차결합된 3차원곡면형성체(60)는 X, Y, Z 방향 어느쪽으로도 곡면을 자연스럽게 형성시킬 수 있다.

나. 배치방법

1. 건축물 비정형 외피가 곡면으로 되어 있어도 비정형 외피 곡면을 지지하기 위한 대부분의 건축물 외피 마감구조체는 외피의 표면을 따라가지 않기 때문에 제1 및 제2의 2차원곡면체가 교차 결합하여 제작된 3차원곡면체는 비정형 곡면 외피의 표면을 그대로 따라가도록 배치된다.

2. 건축물 마감구조체 형상의 정확한 위치 값을 적용하기 위해 상기 마감구조체를 지상레이더로 측정하고, 측정된 데이터값을 원래의 구조체 3D CAD 및 3차원 곡면형성체의 설계된 배열를 비교하여 차이점을 수치화하고 분석하며, 그 분석결과로 배열의 기준점을 정하게 된다.

3. 외피구조의 3차원 곡면의 모듈과 방향에 따른 배열을 통해 3차원곡면 모듈의 교차점에서 3차원곡면형성체(60)가 서로 연결함으로써 3차원프레임(61)이 형성된다. 상기 3차원곡면형성체(60)는 XY2차원곡면체에 YZ2차원곡면체 또는 XZ2차곡면체를 고정시켜 제작된다. 상기 YZ2차곡면체 또는 YZ2차원곡면체에 윙부재를 연결시켜 3차원곡면형성체(60)를 제작할 수 있다.

연결방법은 도 16 및 17에서 보는 바와 같이 모듈의 교차점에서 연결하고자 하는 3차원곡면형성체(60)의 각 결합지점에 윙결합홈(31)을 내서 장부맞춤을 하거나 3차원곡면형성체(60)에 다른 3차원곡면형성체의 연결방향으로 연결부재를 통해 연결이 가능하다.

4. 도 19에서 보는 바와 같이 건축물 구조체의 가상의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 임의의 약속된 점을 제어하기 위하여 건축물의 변곡점 또는 면 시작점 또는 곡면의 기준이 되는 지지점에 배열을 안내할 가이드플레이트(65)를 설치한다. 상기 지지점 가이드플레이트(65)의 경우 구조의 곡률 등을 계산하여 3차원적 곡면형성체 프레임(Frame)의 가장 구조적인 지지점이 된다. 상기 지지점의 가이드플레이트(65)에 3차원곡면형성체(60)를 설계 기준에 따라 설계된 간격으로 배치한다.

5. 가이드플레이트(65)를 설치한 후 외피의 모듈과 방향에 따라 섹션닝(Sectioning)된 3차원곡면형성체(60)를 설계된 간격으로 배열하게 된다. 이렇게 배열된 3차원곡면형성체(60)의 모든 프레임(Frame) 부재는 도 19에 보는 바와 같이 3차원의 방향성을 띄게 되고 비정형외피(66)의 임의의 3차원 좌표점에 연장할 수 있게 된다.

또한, 원하는 3차원곡면형성체(60)의 프레임 부재를 생성하며 비정형외피(66)의 패널(67)과의 직접적인 연계로 호환성 있게 좌표 생성 및 제어가 가능하다.

*

6. 상기 3차원곡면형성체(60)를 가이드플레이트(65)의 정해진 위치에 배열할 때 미리 설계된 돌출부(68)의 방향을 절대 공간에서의 수평, 혹은 수직으로 돌출 함으로써 현장 설치 시 중간 기준점을 3차원곡면형성체(Frame, 60)의 필요한 곳에 넣어 더 정확한 시공을 가능하게 한다.

7. 도 21에서와 같이 비정형 외피(66)의 곡률이 심하거나, 혹은 공간이 작은 엣지부분은 3차원곡면형성체(Frame, 60)에 형성되는 윙부재(44) 크기 및 방향 조절로 임의의 작고 협소한 공간의 제어를 용이하게 할 수 있다.

8. 이러한 3차원곡면형성체(60)로 형성된 프레임(Frame)은 비정형 외피(66)의 곡률, 면적, 길이 등의 데이터추출이 가능하다. 도 22에서 보는 바와 같이 3차원곡면형성체(60)의 하부에는 하부고정체(32)가 형성되어 있어 상기 3차원곡면형성체를 외피구조체 등에 고정시켜 준다.

또한 3차원곡면형성체(60)의 XY2차원곡면체(37)는 양쪽 끝단에 YZ2차원곡면체와 나란히 각파이프(69)를 형성시켜 상기 각파이프 높이만큼 이격되게 내부에 구조물을 설치할 수 있도록 할 수 있다.

10 : 3차원면 11 : M데크 12 : 보온재
13 : 합판 14 : 방수시트 15 : 외부마감재
16 : 파이프 17 : 지붕용데크 18 : 지지브라켓
20 : 2차원면 21 : 곡면부재 22 : 임의곡면
23 : 기둥부재 24 : 절곡브라켓 26 : 최상블록점
27 : 최하블록점 28 : 변곡점
30 : 2차원곡면체, 제1의 2차원 곡면체 31 : 윙결합홈 32 : 하부고정체 33 : 체결홈
35 : 제2의 2차원곡면체 36 : 거셋플레이트 37 : XY2차원곡면체
38 : YZ2차원곡면체 39 : XYZ3차원곡면체 40 : 가이드곡면체
41 : 고정부 42 : 강관 43 : 연결부재
44 : 윙부재 45 ; 윙돌기부 46 ; 윙방향홈
47: 연결부재돌기 48: 부재돌기홈 49 : 결합체
50 : 플레이트형철제 60 : 3차원곡면형성체 61 : 3차원프레임
65 : 가이드플레이트 66 : 비정형외피 67 : 패널
68 : 돌출부 69 : 각파이프

Claims (5)

1. 비정형 건축물 구조체의 외형 골조가 형성하는 2차원 면과 비정형 곡면 외피가 형성하는 3차원 곡면 사이 중간층을 형성하는 프레임(frame)인 2차원곡면체의 3차원 방향 제어방법에 있어서,
   상기 2차원곡면체의 3차원 방향 제어는 X,Y면 방향으로 곡면인 XY2차원곡면체(37)에 X,Z면 방향으로 곡면인 XZ2차원곡면체, 또는 Y,Z면 방향으로 곡면인 YZ2차원곡면체(38)를 설계된 비정형 외피 곡면의 방향에 적합하도록 각각 직각으로 결합하여 X,Y,Z 3방향이 모두 곡면인 방향성을 갖는 XYZ3차원곡면체(39)을 제작하되,
   상기 XY2차원곡면체(37)에 YZ2차원곡면체(38)를 연결부재(43)로 연결시키고, 상기 YZ2차원곡면체(38)에는 윙부재(44)를 장부맞춤 방식으로 결합 고정시킬 때 윙부재(44)와 YZ2차원곡면체는 각각에 형성된 윙결합홈(31)을 장부맞춤식으로 삽입하여 고정시키며,
   상기 연결부재(43)의 체결홈(33)은 YZ2차원곡면체(38)의 체결홈(33)과 결합하여 XY2차원곡면체(37)에 YZ2차원곡면체(38)를 체결시키고,
   상기 XY2차원곡면체(37)에 연결부재(43)를 결합시킬 때 연결부재(43)의 하부에 연결부재돌기(47)가 형성되며, 상기 XY2차원곡면체(37)에는 상기 연결부재돌기(47)가 끼워지는 부재돌기홈(48)이 형성되며,
   상기 XY2차원곡면체와 YZ2차원곡면체를 고정시키고, YZ2차원곡면체에 윙부재를 결합시킬 때 직각 뿐만 아니라 임의의 방향으로 윙부재(44)를 결합시킬 수 있어, 상기 2차원곡면체들이 교차결합된 3차원곡면형성체(60)는 X, Y, Z 방향 어느쪽으로도 곡면을 자연스럽게 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 2차원곡면체의 3차원 방향 제어방법
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 YZ2차원곡면체(38)에 결합된 윙부재(44)의 하단 중앙부에 윙돌기부(45)가 형성되며, 상기 윙돌기부(45)는 XY2차원곡면체(37)에 형성된 윙부재결합홈(46)에 삽입되어 고정되며, 상기 윙부재결합홈(46)이 윙부재(44)의 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 2차원곡면체의 3차원 방향 제어방법
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 비정형 곡면 외피가 형성하는 모듈과 방향에 따른 배열을 통해 3차원곡면 모듈의 교차점에서 3차원곡면형성체(60)가 서로 연결됨으로써 3차원프레임(61)이 형성되며,
   상기 연결 방법은 상기 3차원 곡면 모듈의 교차점에서 연결하고자 하는 3차원곡면형성체(60)의 각 결합지점에 윙결합홈(31)을 내서 장부맞춤을 하거나 3차원곡면형성체(60)에 다른 3차원곡면형성체의 연결방향으로 연결부재를 통해 연결하며,
   상기 3차원곡면형성체(60)는 XY2차원곡면체에 YZ2차원곡면체 또는 XZ2차곡면체를 고정시키고,상기 YZ2차곡면체 또는 YZ2차원곡면체에 윙부재를 연결시켜 제작하는 것을 특징으로 하는 2차원곡면체의 3차원 방향 제어방법
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 비정형 건축물 구조체의 가상의 2차원 면에서 3차원의 비정형 외피 임의의 약속된 점을 제어하기 위하여 건축물의 변곡점 또는 면 시작점 또는 곡면의 기준이 되는 지지점에 배열을 안내할 가이드플레이트(65)를 설치하고,
   상기 지지점 가이드플레이트(65)는 구조의 곡률 등을 계산하여 3차원적 곡면형성체 프레임(Frame)의 가장 구조적인 지지점이 되며, 상기 지지점에 설치된 가이드플레이트(65)의 설계 기준에 따라 3차원곡면형성체(60)가 설계된 간격으로 배치시키는 것을 특징으로 하는 2차원곡면체의 3차원 방향 제어방법
   
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