< 요 약 문 >
사업명 도시건축연구사업 총괄연구개발 식별번호 20AUDP-B106327-06
내역사업명 - 연구개발과제번호 20AUDP-B147683-06
국가과학기술
표준분류 EI0307 50% EI0402 20% EI0404 15% EI1203 15%
총괄연구개발
명 세계시장 선도를 위한 초고층빌딩 설계 및 시공 기술 개발
연구개발과제 명 (2세부)
해외진출형 초고층빌딩 실용화 기술 개발
전체 연구개발
기간 2018. 05. 25 - 2021. 06. 30(3년 1.2개월)
총 연구개발비 총 6,242,680 천원
(정부지원연구개발비 : 4,682,000 천원, 기관부담연구개발비 : 1,560,680 천원)
연구개발단계 기초[ ] 응용[ ] 개발[ ✔ ] 기타(위
3가지에 해당되지 않는 경우)[ ] 기술성숙도 착수시점 기준( 4 ) 종료시점 목표( 9 ) 연구개발과제
유형 지정공모 [✔] 자유공모 [ ]
연구개발과제
특성 실용화
연구 개발 목표 및 내용
최종 목표
기존 초고층 건물에 적용되는 1) 구조시스템 및 공법 개선, 2) 첨단 계측관리, 3) 에너지절약형 환경조절 설비 개발 등 초고층 핵심기술의 개선 및 혁신을 통하여 지속가능한 전문가/지식/기술
기반을 구축하고 최근 하향 중인 해외건설수주시장에 재도약하기 위한 글로벌 경쟁력을 구축하여 개발기술의 성공적 해외진출을 최종목표로 함.
전체 내용
§ 강합성코어벽시스템 및 시공법 개발
- 기존 코어벽의 단면코너부를 강판벽기둥으로 보강하는 강합성코어벽과 철근 및 강재를 선조립한 후 벽체를 설치하는 선조립벽체공법을 개발·실용화함으로써 초고층 건물의 내풍·내진구조성능, 아 웃리거-시공성, 시공정밀성, 경제성 등을 전반적으로 향상시키며, 이러한 강합성코어벽 시공을 위 한 거푸집시스템을 동시에 개발하여 고가의 외국산 ACS폼을 대체하고자 함.
§ 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측관리시스템 개발
- 콘크리트 장기거동 최신 재료모델, 기둥 부재 종류별(RC, CFT, SRC) 장기거동 메커니즘, 계측결과 반영 예측해석 정확성 향상 기술, 계측/해석 결과를 반영한 시공보정량 자동산출 프로그램 개발 및 3D 스캔데이터를 활용한 Real-BIM 데이터 구축기술과 계측 관리 시스템을 개발하여 시공 중/
완공 후 안전성 평가 프로그램을 개발하고자 함.
§ 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발
- 초고층건물에서의 높은 풍압에 견딜 수 있는 구조적 안전성과 개방성을 확보할 수 있는 에너지효 율 1등급 수준의 고단열・고기밀 외피시스템 개발을 통하여 냉난방부하를 저감하고, 초고층건물 의 냉난방부하 특성과 공간별 운전요구 차이에 대응할 수 있는 중앙공급 냉난방설비의 개별화, 동종 열매사용 설비의 통합을 위한 냉난방・급탕 통합시스템과 환기 및 공기청정까지 통합된 패 키지시스템 개발・실용화를 통해, 초고층건물에서의 에너지 소비를 저감하고자 함.
4년차
§ 강합성코어벽시스템 및 시공법 개발
- 코너강판벽기둥공법 초안 개발 및 기술신뢰성 검증 - 코너보강 합성코어벽을 위한 거푸집공법 프로토타입 개발 - 선조립벽체공법 초안 개발
§ 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측관리시스템 개발
§ 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발 - 초고층 건물용 중앙공급 열원의 개별화 분배시스템 대안 개발 - 초고층건물용 환기 및 제습냉방 통합시스템 구성개념 도출 - 초고층 외피 구조성능 비교분석 및 개선
- 외장시스템별 고단열/기밀/수밀 성능 비교분석 및 개선
5년차
§ 강합성코어벽시스템 및 시공법 개발 - 코너강판벽기둥공법 구조성능 검증 - 거푸지시스템 성능검증 및 보완 - 거푸집시스템 디테일 개발
§ 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측관리시스템 개발 - 기둥부재 종류별 장기거동 매커니즘 분석 및 해석프로그램에 반영 - 실 구조물 대상 기둥부재 종류별 3차원 시공단계 해석
- 3차원 정보모델 데이터를 기존프로그램에 반영 - 계측관리시스템 개발
§ 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발 - 난방・급탕 통합 package system 개발
- 환기・공기청정 통합 package system 개발 - 초고층 건물용 환기,제습 통합시스템 시제품 개발 - 외피 구조체 구조 안전성 실험
- 케이블 외피시스템 시제품 제작 단열실험 및 목업실험
6년차
§ 강합성코어벽시스템 및 시공법 개발
- 코너강판벽기둥공법 구조성능 검증 및 기술실용화자료 구축 - 거푸집시스템 설계 및 시공지침 구축
- 신조립벽체공법 기술 실용화 및 사업화 자료 구축
§ 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측관리시스템 개발 - 재료모델 검증 실험
- 계측/해석결과를 반영한 시공보정량 자동산출 기술 검증 및 보완 - 계측결과와 해석결과의 비교를 통한 해석프로그램 검증 및 보완 - Real-BIM 계측관리시스템 검증
- Real-BIM 통합엔지니어링 솔루션 개발
§ 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발
- 냉난방・급탕・환기・제습・공기청정 통합 All-in-One Package System 개발 - 초고층건물용 환기,제습,공기청정 통합시스템 성능검증 및 현장적용 - 외피 구조체 설계기술 개발
- 고단열/기밀/수밀성능에 대한 설계기술 개발/상용화
연구개발성과
§ [2-1]~[2-3] & [2-9] 강합성코어벽구조시스템 및 거푸집 공법 - 코너강판벽기둥공법의 설계・시공 지침서
- 거푸집시스템의 설치・해체・안전・품질관리・양중지침서 - 선조립벽체공법의 제작/운반/설치・양중 지침서
- 강합성코어벽의 구조성능・시공성・경제성 평가보고서 및 관련 학술논문 - 시스템 기술 상용화 및 현장적용
§ [2-4] & [2-5] 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측 관리 시스템 개발
- 계측 데이터 자동반영 시공보정량 산출 기능을 탑재한 초고층빌딩 기둥 축소량 예측 프로그램 (S/W)
- 3D 스캔데이터를 통하여 구축된 Real-BIM 데이터의 3차원 정보모델 기능이 탑재된 고급시공단계 해석프로그램
- 3D 스캔 Real-BIM 데이터와 기존의 BIM 데이터를 조합(照合)한 계측 관리 시스템
[2-1] & [2-6]~[2-8] 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발
- 고하중 저항 외피시스템 구조성능평가보고서
- 중앙공급 냉난방열원의 개별 공간 요구조건 대응 공급을 위한 decentralized distribution system 대안
- 동종 열매 사용 설비의 통합을 위한 냉난방-급탕 통합시스템 및 제어전략 - 환기・제습・공기청정 통합시스템 및 제어전략
- 냉난방・급탕・환기・공기청정이 통합된 all-in-one package 시스템 - 통합시스템의 설계 및 운전 매뉴얼
<예상되는 연구개발성과 유형>
구분 논문 특허 보고서 원문
연구시설 ㆍ장비
기술요약 정보
소프트웨
어 화합물
생명자원 신품종
생명 정보
생물
자원 정보 실물 예상성과
(N/Y) Y Y Y N N Y N N N N N
연구개발성과 활용방안 및
기대효과
§ [2-1]~[2-3] & [2-9] 강합성코어벽시스템 및 거푸집 공법
- 아웃리거를 포함한 코어벽 시공성 개선 및 벽체두께 감소로 인한 공사기간단축, 건축가용면적확 대 등 고부가가치의 영향을 검토함으로써 국내건설사들의 해외공사 입찰시 설계 VE (Value Engineering)를 통한 사업성 개선에 활용가능.
- 선조립벽체공법은 고층건물뿐만 아니라 시공성 및 공사기간 단축이 크게 요구되는 저층형 대형 건물이나 플랜트 건물에도 활용 가능
§ [2-4] & [2-5] 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측 관리 시스템
- 최신 재료모델 및 부재의 장기거동 메커니즘을 반영하여 시공전 예측의 정확성을 향상하고, 시공 중 계측결과를 반영한 예측을 통해 시공보정량을 정확히 산출할 수 있음. 또한 시공 후 유지관리 를 위해 계측 및 해석결과를 활용할 수 있음.
- 3D 스캐닝 및 측량장비 등을 활용한 Real-BIM 데이터 구축기술과 계측 관리 시스템을 개발하여 엔지니어링에 접목 후 기술 패키지 상품화를 통한 건설산업 일자리 및 경제적 부가가치 창출.
§ [2-1] & [2-6]~[2-8] 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템
- 초고층건물에 적합한 고성능 외피시스템이 개발될 경우 외피시스템 기술력향상에 의한 글로벌 경 쟁력을 갖춤으로서 해외진출이 가능.
- 고성능 외피시스템에 의한 에너지 절약으로 건물의 지속적인 경제성 확보에 기여.
- 각 공간의 부하특성과 다양한 운전요구와 무관하게 일괄 공급되는 냉난방설비의 개별시스템화를 통해, 공간별 쾌적 만족도 개선과 부분부하 운전으로 인한 에너지 소비 저감, 수압 감소를 통한 초기투자비 저감 및 내구성 증대 기대
- 냉난방-급탕, 환기-공기청정 통합시스템 적용을 통해, 열원설비의 중복투자 방지 및 활용도 개 선, 운전효율 개선, 설비 점유공간 저감 기대
- 개별화・통합화 시스템은 초고층건물 뿐 아니라, 복합용도 건물 및 저에너지 건물 등에도 적용 가능
연구개발성과의
비공개여부 및 사유 해당없음
연구개발성과의 등록·기탁 건수
논문 특허 보고서
원문
연구 시설·
장비
기술 요약 정보
소프트 웨어
표 준
생명자원
화합물
신품종
생명정보 생물
자원 정보 실물
17 22 27 - - 8 - - - -
연구시설·장비 종합정보시스템
등록 현황
구입기 관
연구시설·
장비명
규격
(모델명) 수량 구입
연월일
구입가격 (천원)
구입처 (전화)
비고 (설치장소)
ZEUS 등록번호
- - - -
국문핵심어
(5개 이내) 강판벽기둥 선조립벽체공법 기둥축소 에너지효율 개별화시스템
영문핵심어 Steel wall Prefabricated
wall construction Column shortening Energy decentralized distribution
목 차
1. 연구개발과제의 개요 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
가. 연구개발 필요성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
나. 연구개발의 목표 및 범위 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
다. 과제의 구성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32
2. 연구수행내용 및 성과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35
가. 추진전략·방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35
나. 추진체계 및 일정 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44
다. 연구 내용 및 결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 67
라. 연구 성과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 78
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 89
가. 계획대비 목표달성도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 91
나. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 117
4. 연구개발성과의 활용계획 및 기대성과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 119
가. 사업화 추진 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 121
나. 추가연구의 필요성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 131
제1장
연구개발과제의 개요
1
1. 연구개발과제의 개요
가. 연구개발 필요성
(1) 구조성능·시공성 개선한 코어벽구조시스템 개발 필요
가) 코어벽 철근 시공
§ 코어벽은 초고층건물 설계/시공에서 핵심이 되는 벽체로서, 아웃리거 및 메가기둥 등과 함께 풍하중·지진하중 등에 저항하는 핵심구조시스템임.
§ 일반적으로 초고층 건물 등 대형건축물을 RC 코어벽으로 설계하는 경우 철근소요량 이 상당하고 철근배치공간이 협소하므로 작업이 복잡하며 공사기간이 증대되고, 고소 화에 따른 작업위험성이 크게 증가함.
§ 초고층 건물 코어벽 시공에서는 많은 양의 대구경철근작업이 소요되며 [그림 1], 대 구경철근의 경우 여러 명의 작업자들이 양중 및 이동에 소요되므로 공사기간 지연 및 인건비 상승이 불가피하며 시공품질 확보를 위해 면밀한 시공관리가 필요함.
그림 2. 123층 롯데월드타워 배근 현장
§ 벽체 내의 철근은 일반적으로 균등하게 배치되므로 풍하중 등의 횡력 저항에 있어
효율성이 떨어짐. 건물의 전후-좌우 양 직각방향 횡력에 효율적으로 저항하기 위해
서는 재료성능이 우수한 강재를 벽체의 코너에 배치하는 것이 효율적이지만, 철근을
사용하는 경우 철근의 직경 및 간격 등의 한계로 인하여 집중배치가 어려움.
공사비의 약 10%를 차지하는 최대 단일 공정이며, 동시 및 후속 공사에 미치는 영 향이 매우 크므로 거푸집공사의 경제성/시공성 향상은 전체공사의 경제성/시공프로 세스를 크게 개선할 수 있음.
§ 초고층건물공사의 경우 코어벽을 외부골조공사보다 선행하여 시공하는 코어선행공법 을 주로 채택하며, 이를 위해 비계-거푸집 자동인양시스템인 ACS가 주로 사용됨.
ACS는 일체화된 비계-거푸집을 미리 시공된 저층의 콘크리트벽에 지지시키고 이를 유압으로 자체 인양시키는 기술로서, 시공속도 및 품질 면에서 우수하지만 조립/해 체/작업자 교육 등에 상당한 시간이 소요되며 자재비 및 임대비용이 고가라는 단점 이 있으며, 코어벽에 수평부재 등 돌출면이 존재하는 경우 원활한 코어벽 연속시공 이 어렵다는 단점이 있음.
§ 초고층건물공사의 거푸집 공법을 선정하는 과정은 코어벽의 형태, 높이, 구조형식 등 에 따라 시공 현장의 여건과 현장경험과 지식을 보유한 전문가에 의해 액티비티 쉬 트(Activity Sheet)를 근거한 시공시뮬레이션에 의거 계약상 공기를 감안 최적의 Daily working cycle을 추출 후 그에 상응하는 거푸집을 선정하여 부위별 거푸집 시스템을 적용하는 것이 가장 바람직함. 그러나 국내의 초고층 공사의 경우 일률적 으로 기존 ACS폼을 사용하고 있음.
§ ACS가 하부구조체(콘크리트벽)에만 지지되므로 하부구조체의 콘크리트 양생상태에 따라 시공안전성에 문제가 있고, 벽체시공의 후공정이 선시공된 콘크리트 벽체의 수 직도 등 시공품질에 따라 좌우되므로 정밀한 계측/모니터링 기술이 요구되며 공사기 간 및 시공정밀도를 확보하는데 상당한 어려움이 있음. 최근, ACS을 사용하는 건설 현장에서 선시공된 콘크리트벽과 앵커볼트의 연결불량(시공오차로 인한 볼트체결불 량)으로 비계-거푸집 일체가 추락하여 인명사고가 발생한 사례가 있었음 [그림 2].
§ 코어 콘크리트벽의 시공오차로 인해 외부기둥으로부터 연결되는 강재보를 콘크리트 벽체에 연결하는 데에 상당한 어려움이 있으며, 벽체 시공정밀성을 확보하기 위해서 고가의 거푸집시스템 사용이 요구됨.
그림 3. 하부 앵커볼트 불량으로 인한 ACS폼 추락 사고
다) 아웃리거 설치로 인한 공사지연 및 벽체시공과의 간섭
§ 초고층 건물의 코어벽 시공을 위하여 ACS (Auto Climbing System)를 사용한 콘크 리트 연속타설공법이 주로 사용됨. ACS는 일체화된 비계-거푸집을 미리 시공된 저 층의 콘크리트벽에 지지시키고 이를 유압으로 자체 인양시키는 기술로서, 시공속도 및 품질이 우수하지만 장비 임대비용이 상당히 고가이며 작업자의 숙련도 및 시스템 고장여부가 공사기간에 영향을 미친다는 단점이 있음.
§ 이로 인하여 아웃리거 1개소 설치를 위하여 보통 2~3개월의 공사기간이 소요되며, 일반적 초고층 건물에서는 3~4개소 정도의 아웃리거가 설치되므로, 전체 아웃리거 시공을 위하여 대략 6~12개월가량 공사기간이 추가로 소요되며 이로 인한 막대한 공 사비 상승이 불가피 함. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 벽체 내에 대형의 강재 보강을 간소화하고, ACS폼의 해체와 재조립이 요구되지 않는 구조시스템과 거푸집 공법의 개발이 필요함.
그림 4. 아웃리거 설치부 보강
라) 프리패브 등 스마트건설기술 개발 필요성 증대
§ 최근, 4차 산업혁명을 주도할 기술로서, 프리패브 및 모듈러 건축처럼 비용, 인력, 시간의 효율을 극대화하기 위한 스마트건설기술에 대한 관심과 투자가 크게 증가하 고 있음.
§ 최근, 일반구조물 벽체의 시공성, 안정성 개선과 공사기간 단축을 위해 벽체 내 철근 사용을 최소화하고 거푸집 일체화를 위한 강재앵글프레임을 선조립하는 벽체선조립 공법이 국내 현장에 적용되기 시작함.
§ 국내 건설사들이 대거 진출해있는 싱가포르에서는 많은 외국건설인력을 줄이고, 건설
체공법 등 선조립공법의 현장적용은 지속적으로 확대될 것이며, 이를 통하여 공사기 간 단축, 품질 및 시공성 개선, 고소작업 축소를 통한 안전성 개선, 양중부하 감소, 인건비 감축 등 전반적인 시공프로세스를 개선할 수 있음.
(2) 기존 초고층 기둥축소 장기거동 예측정확성 향상 필요
가) 장기거동 예측 정확성 향상 및 기존 기술 보완 필요 [그림 4]
§ 콘크리트 수직부재에 있어서 크리프나 건조수축의 발생은 콘크리트 품질을 저하시 키는 주요 요인이며 초고층 건축물에서는 시공단계나 유지관리단계에서 콘크리트의 장기거동이 매우 중요한 요소임. 현재 실무에서 사용되는 기둥 축소량 예측평가 또 는 콘크리트 장기거동 예측시스템은 정확도가 떨어져 신뢰성을 얻지 못하고 있음.
§ 시공단계 및 변위 해석 프로그램이 기존연구(초고층빌딩 시공기술 개발에 관한 연 구, 2009.4 ~ 2015.7)에서 개발되어 기존 상용프로그램의 부족한 점이 많이 개선되 었으나 장기거동 최신재료모델 탑재, 실험결과를 이용한 재료모델 구성, 시공 중 계 측결과와 해석결과를 통합한 시공보정량 자동산출 알고리즘 개발 등 개선하기 위한 추가 연구가 필요함.
§ 또한, 초고층 건축물에는 콘크리트와 철골재료가 혼용된 SRC, CFT 구조가 적용되고 있음. 이는 콘크리트로만 이루어진 부재와 다른 장기거동을 나타내며, 이에 대한 명 확한 장기거동 예측이 필요함.
그림 4. RC, SRC 기둥 부재의 수분확산 메커니즘
나) 계측 결과를 반영한 해석 프로그램 [그림 5]
§ 현재 구조물 전체의 종/횡방향 변위에 대한 관리 기술이 부족한 실정이며, 최신 재 료모델을 탑재한 해석 프로그램이 요구됨.
§ 초고층 장기거동 해석과 계측 결과를 연계할 합리적 방법론 부재.
§ 시공단계별 장기거동 예측의 정확도 향상을 위한 3차원 변위 형상 계측기술 개발 및 계측/해석결과를 통합한 시공보정량 자동산출 프로그램 개발이 필요함.
그림 5. 계측 결과를 반영한 해석결과 보정
(3) 기존 계측 및 측량기술
가) 건물 전체와 부재별 변위 및 변형 검토 [그림 6]
§ 현재 시공현장에서는 건물 전체의 변위 및 변형에 대하여 수직 직선을 기준으로 코 어 부분을 계측/측량하여 2D 형식으로 시공의 정밀성을 검토하고 있으나 이는 비정 형 혹은 3차원 변위에 대한 분석이 어렵고 각 입면을 비교하기 때문에 사람의 판단 이 중요하며 여러 번의 프로그래밍 작업을 수행하여야 함. 특히 초고층빌딩의 경우 상당히 어려움. 또한 각 부재별 변위 및 변형에 대하여 각각 하나씩 비교/분석하여 시간 소요가 상당함.
§ 기존에 작성된 BIM 모델과 3D 스캔데이터를 하나의 3차원 정보모델 프로그램으로
통합하여 시공의 정밀성과 준공 후 유지관리를 위한 데이터 후처리 기술이 요구됨.
그림 6. 코어 수직도 분석
나) 주요 구조 부재의 제작 상태 및 시공성 사전 검토
§ 초고층빌딩의 특성상 대형 부재(Outrigger & Belt Truss 등)의 시공성 향상을 위한 3D 스캔데이터 분석 및 현재 시공 상태의 데이터가 필요하나 기존의 측량기술인 광 파기에 의한 분석은 3차원 분석이 되지 않아 많은 오류가 발생함.
§ [그림 7]과 같이 3D 스캐닝을 활용한 3차원 입체 분석을 통해 현장에 설치된 주요 부재의 상태와 공장 제작된 대형 부재의 제작오차를 분석하여 제작 및 시공 상의 오 류를 부재 설치 이전에 확인하여야 함. 또한 시공 상태 분석을 통해 다음 공정에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 확인할 필요가 있음.
그림 7. 대형 철골부재의 3D 스캐닝과 제작오차 등의 시공성 확인을 위한 데이터 분석
(4) 기존 건축물 외장재 시스템의 에너지 효율
가) 외피시스템 에너지 손실
§ 선진국의 경우 전체 사용에너지의 약 30%, 국내의 경우 약 20%가 건물에서 소모되
는 것으로 보고됨. 이중 사용되는 에너지를 제외하고 손실로 없어지는 에너지의 대
부분은 건물의 외피로부터 손실됨. 특히, 초고층 건물의 경우 저층 건물과 비교해 자
연 환기 및 공조에 불리하여 설비에 의존하는 비율이 높아 건물 유지 관리에 많은 비용을 투여함 [그림 8].
§ 외피에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하기 위한 에너지 1등급을 만족할 수 있는 외장재 시스템의 개발이 필요.
§ 초고층 건물에서의 외장재의 파손은 고층건물에서 낙하로 2차 피해의 위험성이 높 음. 초고층 건물에 발생하는 고하중을 지지하기 위해서는 보다 안전한 외피 구조시 스템의 개발이 필요함.
§ 해외시장에서의 경쟁력을 갖추고 해외진출을 위해서 보다 독창적인 외피 시스템의 개발이 필요함.
그림 9. 단열성능 향상 개요
(5) 초고층건물의 열적・유체역학적 특징과 운전요구가 반영되지 않은 일반적 인 건축설비의 적용
그림 8. 에너지 손실요소
§ 초고층건물은 다양한 용도의 공간이 복합적으로 구성되는 대규모 수직적 건물이며, 사용자도 매우 다양하여 행동 패턴이나 건물 점유행태도 다양하게 나타남.
§ 따라서 각 공간별로 다양한 열적 특성을 지닐 뿐 아니라, 설비 요구 및 운전수요도 다양함.
§ 특히, 높은 풍압에 노출되기 때문에 환기 등을 위한 외부로의 개구부나 설비구축을 위한 개구부 설치가 극히 제한적임.
나) 초고층건물에서의 환경조절 설비 적용 특성과 한계
§ 초고층건물의 주요 환경조절 설비는 유지관리 등의 이유로 중앙 집중방식 또는 단순 한 수직적 zoning에 의해 각 공간의 설비요구에 대응하고 있으며, 이 경우 유체를 사용하는 환경조절 설비의 경우 불필요하게 과도한 압력(특히, 수배관에서의 수압)에 노출되며, 이 압력에 대응하기 위한 고압설비가 적용되는 등 비용 증가를 초래하고 있음.
§ 일반건물의 설비시스템을 거의 그대로 적용하고 있어, 초고층건물의 특징에서 기인하 는 열적・유체역학적 특징과 운전요구 등에 대한 개선에 소극적인 대응을 하고 있는 실정임. 이로 인해, 쾌적 및 에너지 절약, 설비 점유면적 및 설비 투자비용 측면에서 개선 가능성을 충분히 내포하고 있음에도 불구하고, 일반적인 수준에서의 개선에 치 우친 설비가 적용되고 있다고 볼 수 있음.
다) 초고층건물 적용을 위한 에너지 절약적 환경조절 설비 요구
§ 초고층건물에서 중앙공급 방식 설비시스템 적용 시, 풍압과 수압에 대응하기 위한 고압용 설비와 초고층건물용 대규모 설비 적용으로 인한 투자비용 및 유지관리 비용 증가, 동시사용율에 따른 운전 효율 저하와 이로 인한 에너지 및 운전비용 증가 문 제를 개선할 수 있는 초고층건물용 설비시스템 개발이 요구됨.
§ 실내 환경조절을 필요로 하는 공간의 수가 방대하고 각 공간의 사용용도 또한 다양 한 초고층건물의 특성 상, 중앙방식 설비시스템의 장점을 유지하면서 각 공간에서 개별적으로 요구되는 다양한 환경조건에 효과적으로 대응할 수 있는 개별제어 성능 의 설비시스템이 필요함.
§ 초고층건물에서 나타나는 주요 환경조절 설비(냉방, 난방, 환기, 급탕, 공기청정) 운 전 요구에 대한 분석과 이에 대한 대응 방안 필요하며, 고기밀/고단열화로 인한 환 경적 요구조건의 재검토가 필요한 시점임.
§ 초고층건물의 고기밀/고단열 설계로 인한 냉난방부하 감소가 고려되지 않은 과도한
설비시스템 적용에 의한 에너지 낭비문제 개선을 위한 에너지 절감형 설비시스템 필
요.
§ 열 부하 감소로 인해 주요 환경조절 설비(냉방, 난방, 환기, 급탕, 공기청정)의 용량이 감소하는 경향을 보이는 반면, 소용량의 다양한 설비의 개별 적용으로 인한 설비 점유면적 증가와 비효율적인
부분부하 운전 등의 문제를 개선을 위한 통합형 all-in-one package system 필요.
(a) 단순 zoning에 의한 설비 적용
(b) 초고층건물 특성을 고려하지 않은 일반적인 건축설비 적용
(c) 초고층건물 환경특성을 고려한 통합시스템의 개념
그림 10. 기존 초고층건물 환경조절 설비 적용 특성[(a), (b)] 및 초고층건물 환경조절 설비 개선 개념[(c)]
나. 연구개발의 목표 및 범위
(1) 연구목표
가) 전통적 코어벽구조시스템 및 공법을 개선하기 위한 강합성코어벽시스템 및 거푸 집공법 개발
§ 초고층 건물에 가장 보편적으로 사용되는 RC코어벽시스템의 설계/시공프로세스의 현황 및 문제점을 분석하고 이를 개선하기 위한 강합성코어벽 시스템 및 거푸집 공 법을 개발하여, 국내외 다양한 코어벽시스템-건물에 적용가능한 지식/기술/전문가 기반을 구축하며, 해외 건설시장 진출을 위한 법·제도를 분석하고 전략을 구체화 함.
본 연구는 초고층 건물 단면 코너부를 고강도 강판으로 보강하는 1) 코너강판벽기둥 공법과 이를 위한 2) 거푸집공법, 그리고 강재 및 철근과 거푸집을 선조립하여 벽체 시공성을 개선하며 저층형 벽체에도 적용가능한 3) 선조립합성벽체공법을 개발하고 자 함.
나) 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측 관리 시스템 개발
§ 콘크리트 장기거동 최신 재료모델, 기둥 부재 종류별(RC, CFT, SRC) 장기거동 메커
니즘, 계측결과 반영 예측해석 정확성 향상 기술, 계측/해석 결과를 반영한 시공보정
량 자동산출 1) 해석 프로그램 개발 및 3D 스캐닝 등을 활용한 2) Real-BIM 데이터
구축기술과 계측 관리 시스템을 개발하여 시공 중/완공 후 안전성 평가 프로그램을 개발하고자 함.
다) 초고층건물 에너지 절감을 위한 설비 및 외피시스템 개발
§ 초고층건물에서의 높은 풍압에 견딜 수 있는 구조적 안전성과, 에너지효율을 개선한 고단열・고기밀 외피시스템 개발을 통하여 냉난방부하를 저감하고, 초고층건물에서의 냉난방부하 특성과 변화 경향, 각 공간별 부하 및 운전요구 차이에 대응하여 개별 공간에서의 공급열매 조건 조절을 가능하게 하는 중앙공급 냉난방설비의 개별화 시 스템 대안을 개발・적용함으로써 각 공간별 열적 요구 충족과 에너지 낭비를 방지할 뿐 아니라 전체 분배설비에 부과되는 과도한 수압을 저감하고자 함. 또한 주요 건축 설비 중 동종 열매를 사용하는 설비인 냉난방과 급탕의 통합시스템, 실내공기질 개 선과 풍압을 고려한 환기・제습・공기청정 통합시스템, 최종적으로 냉난방・급탕・환 기・공기청정이 통합된 all-in-one package 시스템의 개발 및 적용을 통해 에너지 소비와 설비 점유면적을 저감하고자 함.
(2) 연구과제 설명
가) 2-1세부: 강합성코어벽시스템 및 통합 all-in-one package 시스템 개발
① 강합성코어벽시스템 (코너강판벽기둥공법)
§ 제안기술에서는 재료성능이 우수한 고강도 강판벽기둥 (대략 콘크리트 대비 강도 5 배 / 강성 10배)을 코어벽 단면의 코너부에 집중보강하는 강합성코어벽시스템을 제 안함으로써 코어벽의 전반적인 횡력저항성능을 향상시키고 경제적 설계를 가능케 함 은 물론, 철근, 거푸집, 그리고 아웃리거 및 연결보 시공 등 전반적인 시공프로세스 를 개선하여 초고층 건설의 시공성, 정밀성, 안전성, 경제성 등을 향상시키고자 함 [그림 11]. 단면 코너부에 강판벽기둥을 보강함에 따른 이점은 다음과 같음.
§ 코어벽 단면 코너부에 강판벽기둥을 보강함에 따라 기존의 RC코어벽과 비교하여 휨·
압축 저항성능이 크게 향상되며, 그 결과 철근소요량 및 벽체두께를 감소시킬 수 있
음. 특히, 대구경철근의 현장작업량이 현저히 감소함에 따라 벽체시공성이 향상되며
강판벽과 철근배근이 동시작업이 가능하여 공사기간의 단축이 가능함. 또한 구조성능
향상이 필요한 경우에도 콘크리트벽체의 증가 없이 강판의 두께만 증가시키면 되므
로, 추가 철근배치 및 시공성저하가 없으며, 거의 일정한 벽두께를 저층부부터 고층
부까지 사용할 수 있음.
에 대하여 대략 1.5억원/mm 인 것으로 나타남 [그림 12].
§ 코어벽에는 설비를 위하여 많은 개구부가 설치되며, 이 개구부의 결정은 보통 시공 중에 완성되어 설계변경이 필요하고 심지어는 시공 후에 개구부가 설치되는 경우도 있음. 벽체단면 코너부에 강판벽기둥을 보강하는 경우 벽체 중간에 설치되는 개구부 는 벽체 구조성능에 미치는 영향이 거의 없으므로 설계변경에 큰 무리 없이 공사가 가능함.
§ 강판벽기둥을 코어의 코너부에 선시공하고 이를 기준으로 하여 콘크리트벽을 시공할 수 있으므로 콘크리트 벽의 수직도가 개선되며 시공오차를 완화할 수 있고 외부기둥 과의 부등축소 발생을 최소화할 수 있음.
§ 부재접합에 유리한 강판벽기둥을 사용함에 따라서 외부기둥과의 강재 연결보 및 아 웃리거 연결시 시공정밀성의 향상으로 시공성을 크게 향상시킬 수 있음. 특히, 아웃 리거 설치부에 필요한 강재보강이 강판벽에 의해 자연스럽게 해결되어 보강을 최소 화 할 수 있음. 결과적으로, 아웃리거 설치부를 포함한 모든 코어벽 위치에서 거의 동일한 속도로 시공이 가능하여 공사기간을 크게 단축할 수 있음 [그림 13].
그림 11. 코너강판벽기둥공법-코너보강형 합성코어벽 시스템
그림 12. 코어벽 두께감소량에 따른 임대수익 증가율
그림 13. 코어벽 구조의 공사기간-전체공정 관계
§ 강판벽 사용에 따른 강재량 및 용접부 증가는 공사비를 상승시킬 수 있지만, 강판벽 사용에 따른 시공오차 완화, 거푸집 작업 축소(ACS폼 미사용 등), 공사기간 단축 등 에서 비롯된 공사비 감축과, 벽체 두께 감소에 따른 건축면적증가로 인한 장기적 수 익을 고려한다면 경제성은 충분한 것으로 판단됨. 다만, 대단면 벽기둥의 양중부하를 해결하고, 용접부의 시공성개선이 필요함.
§ 본 연구는 위 공법에 대한 초안개발 및 실험・해석적 검증을 수행하며 초고층 설계/
시공 전문가와의 피드백협업을 통해 기존 초고층건물에 적용 및 재설계함으로써 기 술의 성능 및 신뢰성을 검증하고 최종적으로 기술의 실용화를 위한 공법의 설계/시 공지침서를 작성하고자 함.
② 통합 all-in-one package system 개발
§ 각 설비별 별도의 열원설비를 구축함으로써 발생되는 설비 점유면적 증가와 운전・
유지관리 소요 증가, 부분부하 운전 빈도 증가와 이로 인한 설비활용도 저감을 개선
하기 위해, 동종 열매를 사용하는 냉난방과 급탕의 통합시스템 개발과 이 통합시스
템의 에너지 절약적 제어전략 도출 [그림 14].
정 통합시스템과 운전전략 도출.
§ 건물유형과 부하특성을 고려한 각 통합시스템의 설계 process 개발.
§ 개발된 각 통합시스템의 쾌적 및 에너지 절약 성능과 점유면적 저감 효과 분석과 기 술 보완.
§ 냉난방・급탕・환기・공기청정이 통합된 all-in-one package 시스템의 개발 및 적 용을 통해 에너지 소비와 설비 점유면적 저감 [그림 15].
§ 현장 적용 성능평가(pilot test) 및 기술 보완.
§ 건물유형별 통합 all-in-one package 시스템의 설계 및 운전 매뉴얼 개발.
§ 해외 진출을 위한 기술자료 구축.
(a) 냉난방・급탕의 통합시스템 개념 (b) 환기・제습・공기청정 통합시스템 개념 그림 14. 냉난방・급탕 통합시스템 및 환기・제습・공기청정 통합시스템의 개념
그림 15. 냉난방・급탕・환기・제습・공기청정의 all-in-one package system의 구성 개념
나) 2-2세부: 강합성코어벽 적용을 위한 거푸집시스템 개발 & 2-9세부: 강합성코어 벽거푸집 시스템 검증 및 디테일 개발
§ 제안기술에서는 제안된 강합성코어벽시스템의 선행 강판코너벽 기둥을 지지점으로 거푸집을 설치하여 코어벽체의 콘크리트를 타설하는 새로운 형태의 거푸집 시스템을 개발하여 제안기술의 적용성을 증진시키고자 함 [그림 16].
그림 16. 강합성코어벽 시스템 거푸집공법 개념
니라, 매립된 앵커와 콘크리트의 양생 여건 확보여부에 따라 추락안전 사고의 위험 도가 많이 발생하고 있는 시스템임. 이는 개별인양 장치의 과다 소요로 인하여 고가 의 자재비 투입과 더불어 작업의 난이도 역시 높아 인건비작업 상승과 작업시간이 늘어나는 단점이 있음.
§ 이에 따라 본 연구는 거푸집 시스템의 시공성 및 경제성 향상과 일차적인 추락사고 방지에 원천적인 기준을 두고 매립앵커의 지지점을 고강도 강판기둥에 설치함으로써 2차적 사고인 지상으로 추락을 방지할 수 있는 일체형 시스템인 Hanging Roll Back System의 개발을 도모하고자 함.
§ 본 거푸집 시스템은 제안기술인 합성코어벽 시스템과 연계하여 개발하고자 하는 순 수 국내기술로서, 제안기술의 완성도를 높이고 경제성 및 시공성을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 핵심기술로 판단됨.
다) 2-3세부: 선조립벽체공법 개발
§ 선조립벽체는 합성코어벽의 시공성/경제성을 극대화하기 위한 공법으로, 국내에서 개발된 강-콘크리트 선조립기둥공법(Prefabricated Steel-Reinforced Concrete, PSRC)을 코어벽체에 응용 및 개선한 기술임. 초고층 건물의 벽체뿐 아니라, 저층 건 물의 벽체에도 적용이 가능하여 범용성이 우수함.
§ [그림 17]는 선조립벽체공법의 프로토타입으로서 앵글을 단면에 배치하여 콘크리트를 보강하는 상세를 사용하여 공장에서 볼트로 선조립한 구조이기 때문에 강재량을 조 절하기 용이함. 또한 선조립된 모듈 단위로 양중이 가능하기 때문에 양중무게가 감 소함. 현장에서 시공되는 대부분의 강재 간 결합은 볼트접합으로 설계되므로 시공이 용이하며 경제성이 크게 향상되고 품질이 보장됨.
§ 현 국내외 건설시장 트렌드에 따라 공사기간이 비교적 많이 소요되는 습식공법을 최
대한 배제하고, 모듈화하여 손쉽게 시공할 수 있도록 하는 공장 선조립형 합성벽체
공법을 개발하는 것이 본 연구의 목표임. 이를 통해 최근 건설 전반에 모듈화, 현장
작업 최소화 및 작업자 안전성 제고를 추구하고 있는 싱가포르와 그 주변 국가의 건
설시장에 진출할 수 있는 발판을 마련하고자 함.
(a) 강재앵글내부설치공법 (b) 강재앵글외부설치공법 그림 17. 앵글조립형 벽체 상세
§ 싱가포르 건설은 정부주도형으로, 자국기업뿐 아니라 외국기업의 참여가 활발함. 이 는 건설전반의 생산성 제고 및 외국인 노동자에 의존적인 재래식공법을 타파하기 위 해, 기업의 국적에 상관없이 보다 나은 기술력을 지닌 업체를 선정(Price Quality Method 입찰적용 등)하고 정부 가이드라인에 충실하게 공사하는 지 평가하는 체계 적 시스템에 기인함.
§ 싱가포르 정부(Building and Construction Authority, BCA)는 기술력 평가를 위해 적용 공법의 시공성, 구조성능, 안전성, 품질, 미적요소 등을 종합적으로 표준 점수 화함(Buildable Design Score 및 Constructability Score). Buildable Design Score에는 다양한 구조시스템의 적용 및 그 구조미(45점), 다양한 외벽 시스템의 적 용 및 그 건축미(45점), 현장작업을 최소화하고 대부분의 제작공정을 공장에서 이루 어지도록 하는 Design for Manufacturing and Assembly(DfMA) 기술(20점) 항목 이 있음. 이 중 DfMA 기술 항목은 평가 배점이 상대적으로 낮긴 하지만(110점 만점 중 20 점) 재래식 공법의 비중을 점차 낮춰가기 위한 방편으로서 가장 중요시되는 항목임.
§ 기존의 주된 DfMA 기술은 강재 모듈러 시스템이었지만 내화 및 진동의 문제가 계속
제기되고 있어, 현재는 PC 모듈러 시스템 적용이 추세임. 그러나 PC 모듈러는 그
무게로 인하여 고-양중용량 타워크레인 적용을 전제로 하며, 100% 건식화가 불가능
함. 따라서 내화 및 진동에 유리하고 상대적으로 경량인 강-콘크리트 합성구조 모듈
시스템이 대안으로 떠오르고 있으나, 싱가포르 내에 합성구조 기술력이 미흡한 상황
임. 이러한 전반적 상황은 공장선제작이 가능한 선조립기둥공법이 싱가포르 JTC
Logistics Hub 공사적용에 유리하게 작용하였고, 본 제안공법(선조립벽체공법) 또한
싱가포르 적용이 가능할 것으로 판단됨.
Score와 Constructability Score를 만족시킬 뿐 아니라 추가 Score 를 획득할 수 있도록 하는 것에 연구 초점을 둠. 또한 실대형 목업실험(full-scale mock-up test) 을 수행하여 본 공법을 의도한 대로 시공할 수 있는지, 공기단축/작업안전성/시공성 이 재래식 공법에 비해 얼마나 향상되는지를 확인하고, 해외 시장적용 시 발생할 수 있는 리스크 요인(제작/운송/양중/설치)을 사전에 제거 및 개선할 수 있도록 하고자 함.
<경제적 기대효과>
§ PSRC 선조립 벽체공법은 기존공법(RC벽체, PC벽체 등)과 달리, 공장에서 선조립되 는 벽체로서 현장 철근 배근 작업이나 가설재 없이 거푸집을 설치하여 벽체 자체가 자립 가능한 공법임.
§ 이에 따라 현장 고소작업에 따른 추락사고와 같은 사고리스크, 현장작업 시 필요한 인부 인건비, 자재물량, 운반/현장양중무게 등을 감소할 수 있으며, 선조립에 따른 벽체 품질 확보, 시공성 향상을 통해 공기 단축이 가능하여 경제성을 확보 할 수 있 는 공법임.
그림 18. 선조립 PSRC 벽체공법 경제적 기대효과
<조달프로세스>
§ 초고층 현장은 일반적인 현장관리 방법과는 달리, 계약, 발주, 공정별 의사소통 문 제, 대지 여유 공간 협소, 자재적치, 수직/수평 동선 공간 확보가 용이하지 않음. 특 히, 짧은 공기 내 도심지 대형공사를 수행함에 있어 건설자원의 전반적인 관리가 중 요함.
§ 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 많은 부분을 공장 생산하고, 운반과 양중을 고려 한 단위로 처리하여, 입고와 동시에 현장 양중하여 시공하는 시대적 요구에 대처할 필요가 있음.
§ 이에 대한 선조립 PSRC 벽체 공법의 경우, 기술개발, 구조설계 및 제작/시공의 전
단계 원스톱 솔루션을 구축하여 계약/발주/공정간 의사소통 문제를 한번에 해결하고 적시생산(Just In Time 이하 JIT)을 통해 고품질 제품 시공 현장 조달 및 공기단축 확보 가능
§ 센벡스(기술권자)가 특허 기술 실시권을 센구조연구소(구조설계)에 주어 적합한 구조 설계 실무 수행을 통해 센코어테크(제작/시공)은 기술지원 받아 시공사 발주자에게 자재납품 및 현장시공
그림 19. 선조립 PSRC 벽체공법 전단계 원스톱 솔루션>
<양중 시스템>
§ 기존 재래식 RC벽체나 PC벽체의 경우, 콘크리트 타설 제작으로 인해 양중무게가 증 대하여 운반과 함께 현장에서의 양중문제가 발생함. 이와 달리, 선조립 PSRC 벽체 의 경우, 공장에서 현장 선조립하여 모듈 단위로 강재량 조절이 가능하여 양중무게 를 유동적으로 조절 가능함. 또한 현장에서 양중 될 자재에 비해 가설장비 과다투입 방지하여 장비 대여 및 임대수익 비용 감소가 가능함.
§ 공장 선조립 시스템으로서, 자재 적재장소 최소화 및 현장 내에서 수직/수평에 대한 동선, 양중장비 사용 최소화 할 수 있음.
<적용가능 프로젝트>
§ 현장 작업으로 인건비 상승, 사고리스크 상승, 짧은 공기, 자재 적재장소 부족, 현장 설치 가설재, 운반/현장 양중 문제점이 우려되는 대형 물류창고, 대형 공장, 도심지 고층 건물 등의 프로젝트에 적용 가능함.
기술 공법 주요 적용분야 수요처
업무/산업 시설 건설 시공사
라) 2-4세부: 초고층빌딩 장기거동 해석프로그램 개발
§ 콘크리트 수직부재에 있어서 크리프나 건조수축의 발생은 콘크리트 품질을 저하시키 는 주요 요인이며, 초고층 건축물에서는 시공단계나 유지관리단계에서 콘크리트의 장 기거동이 매우 중요한 요소임.
§ 이 연구에서는 최신 재료모델과 시공 보정량 자동 산출 알고리즘이 탑재된 해석 프 로그램을 개발하고자 함 [그림 18].
§ 기존의 해석 프로그램은 RC 부재만을 고려하는 것이 일반적이나, 개발될 해석 프로 그램은 RC, CFT, SRC 기둥 및 벽체와 수평부재의 장기거동 특성(수분확산의 차이), 현장 공정 등을 모두 고려한 3차원 변위예측이 가능함.
§ 현재까지는 시공 중 계측결과와 해석결과가 시공보정을 위해 통합되지 못하고 개별 적으로 적용되고 있음.
§ 이 연구에서 개발되는 해석 프로그램은 해석과정에 실시간 계측결과를 반영하여 정 확성이 높은 예측결과를 제시할 수 있으며, 이를 통해 정밀한 시공보정이 가능할 것 으로 판단됨.
§ 계측 시스템 현장적용 대상 실 구조물에 대한 3차원 장기거동 해석을 수행하고, 계 측 데이터와의 비교를 통해 프로그램 검증 및 개선.
그림 20. 장기거동 정밀예측 해석 프로그램 개발
마) 2-5세부: BIM 데이터 구축기술 및 계측관리시스템 개발
§ 시공 중 시공정밀도 향상 및 준공 후 유지관리를 위한 3D 계측 및 측량데이터의 활 용 현황분석
§ 초고층 빌딩에 적용 가능한 3D 스캐닝 계측 및 측량기술을 개발하고 데이터의 정합 /최적화/모델링 등의 후처리에 필요한 알고리즘 개발. 이 알고리즘을 이용하여 3차 원 정보모델 프로그램을 개발하고 고급시공단계 해석프로그램(ASAP)의 3차원 정보 모델 데이터 입력 툴로 탑재
§ BIM 모델을 3D 스캔데이터와 비교하여 건물 전체 또는 각 부재의 변위/변형을 검토 하고 안전성을 평가하는 프로그램을 개발 [그림 19].
그림 21. 3D 스캔데이터와 BIM 데이터를 조합(照合)한 계측 관리 시스템 개발
바) 2-6세부: 건물 외피구조체의 구조설계기술 개발
§ 초고층 건물에 적용 가능한 고하중(설계풍압)지지가 가능하며, 개방성을 확보할 수 있는 외피 구조체 개발 [그림 20]
§ 알루미늄 커튼월 및 보편적인 외피 시스템별 구조체에 대한 구조해석 결과에 대한 비교 분석
§ 고하중지지 가능한 각종 시스템별 구조해석 비교
§ 공정의 단순화 및 개방성 / 구조성능이 확보된 시스템의 구조해석 및 실험을 통한
안전성 확인
사) 2-7세부: 고단열/기밀/수밀 외피시스템 설계기술개발 및 상용화
§ 일반적인 알루미늄 커튼월 등 다양한 외피 외장 시스템별 단열성능을 비교 분석하여 개선/보완 방법 분석 [그림 21]
§ 전문기관을 활용한 개선된 디테일 도면 작성 및 시제품 제작을 통한 조립성 및 시공 성 확인
§ 단열해석 및 공인인증기관의 단열실험을 통해 에너지 효율 1등급성능의 확인
그림 22. 공정의 단순화와 개방성 증대
그림 23. 단면형상의 단순화로 단열 성능 강화
§ 외장 시스템별 기밀 / 수밀성능 비교 분석하여 기존 시스템의 문제점 보완 및 개선 안 도출
§ 기밀 / 수밀성능 향상을 위한 개선된 디테일에 대한 도면 작성
§ STM E-286 및 331에 맞는 실물 목업 테스트를 통해 기밀 / 수밀성능의 확인
아) 2-8세부: 환기 및 제습냉방 통합시스템 개발
§ 초고층건물 외부 풍압 분석
§ 높이에 따른 풍속 및 내외부 압력 차 분석(CFD)
§ 압력 차에 의한 냉난방부하 및 공기유동 분석
§ 풍압 및 냉난방부하를 고려한 설비시스템 개념 설계
§ 초고층건물 환기 및 냉난방부하 특성 분석
§ 풍향 및 높이에 따른 환기 대응방안 수립
§ 공간 향 별 냉난방 공급 및 제어 방안 수립
§ 초고층건물에서의 설비 풍압을 고려한 환기・냉난방부하 대응 방안 검토
§ 초고층건물용 환기 및 제습 통합시스템 개념 설계
§ 중앙 열원과 말단 공기유닛을 조합한 복합시스템 고안
§ 제습 및 전열교환 환기의 통합시스템 개념 및 계통 도출
§ 시스템 현장적용 및 성능 검증
다. 과제의 구성
연구개발과제(연구단) 연구개발과제(2세부)
과제명
세계시장 선도를 위한 초고층빌딩 설계 및
시공기술 개발
과제명 해외진출형 초고층 빌딩 실용화 기술 개발
주관
연구기관 단국대학교 산학협력단 협동
연구기관 서울대학교 산학협력단 주관
연구책임자 정 란 협동
연구책임자 박 홍 근
공동연구기관 및 참여기업
2-1세부과제 (서울대학교)
2-2세부과제 (호서대학교)
2-3세부과제 ((주)센벡스)
2-4세부과제 (명지대학교)
과제명
강합성코어벽시 스템 및 통합
all-in-one package 시스템 개발
과제명
강합성코어벽 적용을 위한 거푸집시스템
개발
과제명 선조립벽체공법
개발 과제명
초고층빌딩 장기거동 해석프로그램
개발
§ 강합성코어벽시스템 구조성능 검증 및 설계프로세스 개발
§ 냉난방·급탕·환기·공 기청정 통합
all-in-one package 시스템 개발
§ 강합성코어벽
거푸집시스템 개발 및 성능검증
§ 거푸집시스템 실용화를 위한 상세개발 및 설계지침 작성
§ 연구내용 영구 거푸집 활용 선조립합성벽체 모듈화 시스템 개발 및 구조성능 검증
§ 단위모듈 자동화설계 프로그램 개발
§ 기둥부재 종류 별 장기거동 해석
§ 계측 결과를 활용한 높은 정확성 확보
§ 시공보정량 자동산출
2-5세부과제 ((주)동양구조안전기술)
2-6세부과제 (신한대학교)
2-7세부과제 ((주)시티월이엔지)
2-8세부과제 ((주)휴마스터)
과제명
BIM데이터 구축기술 및 계측관리시스탬
개발
과제명
건물 외피구조체의 구조설계기술
개발
과제명
고단열/기밀/수 밀 외피시스템 설계기술개발 및
상용화
과제명 환기 및 제습냉방 통합시스템 개발
§ 3D 스캔데이터를 활용한 Real-BIM 데이터 구축기술 개발
§ 정밀안전성 평가를 위한
계측관리시스템 개발
§ 초고층 건물의 에너지 절감과 구조적 안정성을 확보한 외피시스템 개발
§ 에너지효율 1등급 만족하는 고효율 외피시스템 개발
§ 고기밀/수밀성 외피시스템 개발 및 성능 검증
§ 환기 및 제습 통합시스템의 시제품 제작
§ 환기 및 제습 통합시스템 성능 검증
2-9세부과제 (해강산업(주))
단순참여기업 ((주)지우구조 기술사사무소)
과제명
강합성코어벽 거푸집시스템 겁증 및 디테일
개발 2-6 신한대학교
§ 강합성 코어벽 참여기업 거푸집 시스템 실용화 및 사업화
제2장
연구수행내용 및 성과
2
2. 연구수행내용 및 성과
가. 추진전략·방법
(1) 초고층 글로벌 R&BD센터와의 협업 등 기술개발 전략
가) 강합성코어벽시스템 및 거푸집공법 개발
§ 성능검증 – 프로토타입 설계적용 – 목업실시 – 재산권확보 - 국내현장적용 – 국외 현장적용 순으로 진행할 예정.
§ 기술개발 : 기술 초안개발후 기존 초고층건물에 대한 재설계를 통하여 시범설계에 적용. 국내외 초고층 설계 및 시공전문가의 협력과 자문으로 기술개발 수행
§ 성능검증 : 실험 및 해석검증실시 후 결과를 국내외 학술지에 보고
§ 목업실시 : 목업을 실시하여 실제 시공상 발생할 수 있는 문제점 보완
§ 프로토타입설계적용 : 실제 설계된 기존 초고층 건물에 시범설계를 적용하여 경제성·
시공성·구조성능 등 평가
§ 지적재산권 확보 : 관련 특허 신청
§ 국내현장적용 : 비교적 현장적용이 용이한 국내 고층건물에 적용
§ 해외현장적용 : 해외현장 적용실적 및 다수의 국내현장적용 경험이 풍부한 ㈜센벡스 의 영업과 기술력을 이용하여 선조립벽체공법을 추진
나) 기둥축소 장기거동 정밀예측 및 계측관리시스템 개발
§ 초고층빌딩 글로벌 R&BD센터는 초고층 건물 장기거동 예측 해석 프로그램과 계측
관리 시스템이 연계된 패키지 상품을 홍보하여 국내뿐만 아니라 국외의 시공 및 설
계사에 판매 또는 의뢰를 받으며 시장으로부터의 피드백을 연구개발 주체인 연구 기
관에 전달하여 기술 보완을 지속적으로 수행할 수 있을 것으로 판단됨. 또한, ㈜동양
구조안전기술이 구조설계를 담당한 여의도 파크원(지상69층/지상53층), 삼성동 현대
자동차 신사옥(GBC 타워, 지상105층)과 인천 청라시티타워(448m)에 실제 국내 초고
층 건설현장에 적용함으로써 개발된 기술의 보완 및 검증을 수행한 후 국외 인적 네
트워크(T.Y. Lin International Group, 베트남 IBST/ICIC 등)를 활용하여 국외 초
고층 건설현장 적용을 추진.
다) 초고층 건물 외피시스템 및 환경설비시스템 개발
§ 건축적 방법에 의한 부하저감 방안으로써 초고층건물용 고기밀・고단열 외피시스템 을 개발하고, 해당 외피시스템의 실용화 및 해외진출을 위해, 전문기관(영국 바스대 학)에 의한 시뮬레이션 성능평가 → 목업평가 → 현장적용 평가를 거쳐, 기술적 자료 와 신뢰성 확보
§ 감소된 부하와 초고층건물의 열적・유체역학적 특성에 의해 주요 환경조절 설비에 요구되는 조건을 고려한 개별화시스템 및 냉난방・급탕, 환기・제습・공기청정의 통 합시스템을 개발하고, 시뮬레이션 평가와 실험평가, 현장적용 평가를 통해 기술 실용 화 및 해외 진출을 위한 기술적 근거와 설계 및 운전전략 확보
(2) 선행기술 보유기관 연구연계 및 최고전문가 활용
참여기관 연구실적 및 전문성
2-1세부 서울대학교
§ 서울대학교 박홍근 교수 연구팀은 본 제안기술과 관련된 선행기술로서, 강판벽에 대한 연구를 선도적으로 수행해 왔으며, 국내학술지에 6건, ASCE(미국토목학회)지에 6건을 발표하였음. 선조립공법에 대해서는 기둥설계기술개발 및 상세개발, 보-기둥접합부개발, 기둥내진성능에 대한 실험적 검증을 수행해 왔으며, 관련된 기술을 ASCE에 5건 발표하여 세계적으로 이 분야의 기술을 선도하고 있음.
§ 서울대학교 여명석 교수 연구팀은 복사냉난방, 신재생에너지 설비 등 에너지 절약적 설비 및 Zero Energy Building 관련 연구수행 경험이 풍부하며, HVAC system, hydronic distribution system, 환기 및 실내공기질 관련 분야에도 많은 know-how를 축적하고 있음. 또한 초고층건물 관련 프로젝트 수행 경험도 있어, 본 연구의 성공적인 수행에 중요한 역할을 할 수 있을 것임. 또한 주식회사 휴마스터는 제습냉방 및 건식제습에 선도적인 기술을 보유하고 있으며, 유사 제품에 대한 기술이전 실적을 보유하고 있어, 제품의 개발과 실용화·해외진출을 위한 기술기반 마련에 기여할 수 있을 것임.
2-2세부 호서대학교
§ 호서대학교 홍건호 교수 연구팀은 콘크리트구조 시스템 및 재료관련 연구를 선도적으로 수행하여 왔으며, 특히 실용화 관련 연구를 통한 기술이전 등의 실적을 보유하고 있으며, 최근 5년간 SCI 8편, 학진등재지 12편 등 논문실적도 꾸준하게 발표하고 있음. 또한, 거푸집 시스템의 설계를 위한 콘크리트구조기준, 건축구조기준, 콘크리트 표준시방서 및 건축공사표준시방서 등의 집필책임자로 활동하였으며, 가설협회의 자문위원으로 거푸집 관련 다양한 경험을 보유하고 있음.
2-3세부
㈜센벡스
§ 선조립벽체공법의 선행기술로서, 선조립공법을 최초 개발하고 이를 국내외 다수현장에 적용한 ㈜센벡스를 참여기관으로 활용하여, 기술의
사업화/해외진출확장성/적용가능성을 극대화함.
§ 최근, 싱가포르 JTC Logistics Hub 건설수주를 기반으로, ㈜센벡스의 계열사인 센-싱가포르법인(SENSG)과 더불어 싱가포르 건설사업 다수에 선조립 합성기둥-보 시스템을 제안하였고, 입찰진행 중에 있음.
§ 국내외 구조설계/시공 분야의 최고 전문가로 구성된 자문단을 운영하여, 기존기술 대비 제안시스템에 대한 성능을 객관적으로 평가하고 개선점을 효과적으로 창출하며, 글로벌 건설시장 진출에 필요한 경험적/실무적 지식을 연구에 적극 활용하고자 함.
참여기관 연구실적 및 전문성
2-4세부 명지대학교
§ 콘크리트의 장기거동실험과 해석연구를 지속적으로 수행해 왔음. 기둥 부재별(RC, CFT, SRC) 장기거동 특성에 대한 실험 및 예측 해석 연구, 초고층 건물 외에 교량 주탑, 교각 등에 대한 장기거동 해석을 수행하였으며, 국내외 총 17 건의 논문을 발표하여 세계적으로 이 분야의 기술개발을 선도하고 있음.
2-5세부
㈜동양구조안전기술
§ (주)동양구조안전기술은 前건축구조기술사회장이자 現세계초고층학회
한국대표인 정광량 대표이사(공학박사, 건축구조기술사)를 필두로 다수의 국내 초고층 건물의 구조설계를 완료 또는 진행하고 있으며 대표이사가 구성한 전문가들의 글로벌 네트워크를 활용하여 개발된 계측 관리 시스템을 국외에 초고층 건물에 적용이 가능함.
2-6세부 신한대학교
§ 신한대학교 박현수 교수 연구팀은 건축물 외장재 관련 연구 수행으로 2014년 중소기업청 「산학연기술개발사업」과 2016~2017년 중소기업청
「상용화기술개발사업」을 각각 수행하였으며, 외장재 관련 연구성과를 국내 논문집 2건을 발표하여 이 분야의 기술을 선도하고 있음.
2-7세부
㈜시티월이엔지
§ ㈜시티월이엔지는 기업부설 연구소를 기반으로 외피시스템 개선을 위해 금오공대 및 신한대학교와 연계하여 다양한 연구 활동을 하고 있으며, 내풍압 관련 석.박사의 연구진을 확보함으로서 건축물 외피의 내풍압 성능에 관한 다양한 연구활동을 하고 있음.
2-8세부
㈜휴마스터
§ 휴마스터 대표는 데시컨트 냉방기술을 개발하여 대기업에 기술이전한 실적이 있으며, 지역냉방 공급기술로 상용화가 진행되고 있음
§ 데시컨트 제습 기술분야에서 소재 및 엔지니어링 기술에 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 에너지효율이 탁월한 데시컨트 제습기인 휴미컨 상용화를 추진하고 있음
2-9세부 해강산업㈜
§ 거푸집 공사와 관련하여 국․내외 시공실적이 풍부하고, 연구개발 실적을 겸비한 ㈜해강산업을 2차년도 검증단계부터 공동연구기관으로 활용하여 개발시스템의 해외진출을 시도함. 참여기업인 ㈜해강산업은 자체 ACS거푸집 시공기술 보유와 더불어, 다수의 거푸집 공사에 참여한 실적을 가지고 있어, 본 연구결과의 사업화/해외진출확장성에 크게 도움이 될 것으로 기대됨.
성명 국명 소속 직급 전공 초청
활용기간 활용내용 소요경비 Ahmad
Abdelrazaq 레바논 삼성물산(주) 부사장
건축구조
(석사) 6개월
코너강판벽기 둥공법의 구조설계적용
성 검토
80만원/회
김종호 국내 ㈜창민우구
조컨설턴트 대표 건축구조
(석사) 6개월
코너강판벽 기둥공법의 구조설계적 용성 검토
80만원/회
강선종 국내 ㈜태영건설 부사장 건축시공
(석사) 6개월
코너강판벽 기둥공법의 시공적용성
검토
80만원/회
이승기 국내 ㈜엔코어 대표
이사 산업공학과 6개월
3D 데이터의 AR/VR데이 터 활용방안
40만원/회
박순전 국내 ㈜롯데건설 기술
연구원장 건축구조 6개월
초고층건물 시공단계 구조 검토
40만원/회
송영훈 국내 ㈜한양건설 상무 건축구조 6개월
초고층건물 시공단계 구조 검토
40만원/회
조근훈 국내 ㈜현대건설 상무 건축공학 6개월
초고층건물 시공단계 구조 검토
40만원/회
김성진 국내 ㈜위드웍스 대표
이사 건축학 6개월
초고층건물 BIM설계
데이터 활용방안
40만원/회
주영규 국내 고려대학교 교수 건축공학 6개월
초고층건물 설계시 기둥축소량
적용 검토
40만원/회
김진근 국내 KAIST 명예
교수
건축구조
(박사) 6개월
장기거동 및 구조관련 해석자문
40만원/회
하태훈 국내 ㈜대우건설 수석
연구원
건축구조
(박사) 6개월 해석프로그
램 검증 40만원/회
엄태성 국내 단국대학교 교수 건축공학 6개월
선조립벽체 설계지침
자문
40만원/회
