한 치의 오차 없이 초고층 건물 쌓아 올린다
-초고층 건물의 안전을 보장하는 시공 중 변위관리 기술-
"시공 전후의 변위를 예측·비교하는 초정밀 프로그램을 통해 초고층 건물의 시공 중 발생하는 미세한 오차까지 잡아낸다"
[연구자 레터]
50층 이상의 높은 건물을 짓는 과정에서 발생하는 미세한 오차는 전체의 안전을 위협하는 요소가 되기도 한다.
‘초고층 건물의 시공 중 변위관리 기술’은 현장공정을 반영한 시공단계 해석 프로그램(ASAP), 확률론적 일별 부재별 변위예측 프로그램과 3차원 레이저 스캔, GPS를 이용한 변위 측량 기술 등을 이용해 시공 중 오차를 줄이고 안전을 보장한다.
또한 초정밀 기술의 국산화로 인해 세계 초고층 건물 시장에서 국내 업체의 수주율을 높이는 데도 기여할 것으로 보인다.
프랑스 남부의 가르 지방에는 로마 시대에 건축한 수도교 ‘퐁뒤가르(Pont du Gard)’가 놓여 있다. 3층으로 쌓아올린 다리 전체의 높이는 50m에 달하며 길이도 270m가 넘는다.
전시에는 장군으로, 평상시에는 건축가로 활동한 아그리파가 이룩한 역작이다. 퐁뒤가르는 수원지에서 50km나 떨어진 대도시 님므(Nimes)까지 깨끗한 물을 전해주기 위해 지어졌다.
놀라운 사실은 전체 낙차가 17m에 불과하다는 점이다. 수로가 1km를 가는 동안 높낮이 차이가 34cm에 불과할 정도로 정확하게 설계하고 공들여 건축했다는 의미다.
2천 년 전 로마제국의 건축 수준은 이렇게나 높았다. 현대에도 건축 기술의 정밀성은 여전하다. 특히 높이 200m 또는 50층 이상의 초고층 건물을 지으려 할 때 수준의 차이가 극명하게 드러난다. 건물을 지어 올릴 때 아랫부분에서 조그만 오차가 발생해도 꼭대기의 상황이 완전히 달라진다.
예를 들어 지표에서 수직선을 1도만 어긋나게 시공해도 500m 높이까지 올라가면 9m 가까운 차이가 발생한다.
게다가 건물을 짓다 보면 건물 자재의 무게, 재료의 특성, 시공 순서에 따라 자연적인 변형이 발생한다. 시공 중 건물 높이가 감소하는 ‘축소량’ 현상이 대표적이다.
변형에 따른 오차 범위는 건물 높이 1m 당 1mm 이내로 작지만, 일반 건물이 아닌 초고층 건물의 안전과 사용에는 심각한 위협이 될 수 있다.
특히 건물 형태가 비정형이거나 편심이 작용하는 경우에는 전체가 한 쪽 방향으로 기울어질 수도 있다.
결국 예상보다 더 큰 힘이 골조에 가해져 구조적 안정성이 저해될 수도 있다.
골조 공사 후에 진행될 바닥 마감, 외장, 창호, 엘리베이터 등을 정확히 시공하는 데에도 어려움이 발생한다.
1990년대 중반 대우건설은 초고층건물의 축소량을 예측하고 보정하는 기술을 국내 최초로 개발한 이래 10여 년 동안 이를 ‘시공 중 변위 관리 기술’로 발전시켜 왔다. 본 연구의 목적은 이 기술을 완성시키는 것이다.
본 연구를 통해서 초고층 건물을 정확하게 시공할수록 해외 기술 의존도를 낮추고 국내 경쟁력을 향상시켜 공사 수주율을 높일 수 있을 것이다.
특히 비정형 건물의 계획 설계와 구조설계의 발전을 유도할 수 있고 엘리베이터, 커튼월, 건물 유지관리 등 연관기술의 동반 성장도 기대된다.
KLCC 타워 전경 및 3차원 레이저 스캔
해외 유수 설계사들이 독점한 기술의 국산화 성공
초고층 건물의 시공은 일반 건물과는 달리 시공 중에도 점검하고 고려해야 할 사항이 많다.
건물의 높이가 줄어들거나 기울어지지 않고 당초 계획된 치수대로 건물을 시공하기 위해 여러 엔지니어링 기법이 사용된다. 건물 골조의 움직임을 제어하고 관리하는 ‘시공 중 변위관리 기술’도 그 중 하나다. 고도의 전문성이 요구되기 때문에 해외의 유수 설계사가 보유한 기술에 의존해야만 했다.
미국의 SOM, LERA, TT와 영국의 Arup 등 만이 이 기술을 보유하고 있으며, 전 세계 거의 모든 초고층 건물 시공에 독점적으로 관여하고 있다.
SOM은 두바이에 건설된 세계 최고층 건물 ‘부르즈 칼리파’와 9.11 사태가 벌어진 뉴욕 세계무역센터 지점에 지어질 ‘프리덤 타워’의 시공에 참여했다. LERA는 동남 아시아에서 활동 중이며, Arup은 중국의 100층 이상 초고층 건물 대부분을 담당하고 있다.
이에 비해 우리나라는 초고층 건물의 축소량 예측에만 집중되어 있을 뿐 시공 중 변위 보정 기술을 보유한 업체는 전무한 상황이다.
본 연구성과를 현장에 적용한 결과, 초고층 건물의 시공이 용이해지고 마감비와 재료비도 절감되는 것으로 나타났다.
특히 초고층 건물의 변형량 측정 기준을 다양한 공정시점으로 구별함으로써 골조의 변형을 정확히 보정할 수 있었다.
또한 수평부재와 수직부재의 변형량을 동시에 고려하기 때문에 대칭 구조뿐만 아니라 비대칭 구조의 초고층 건물을 점검할 때도 유용하게 쓰인다.
각 층의 골조 타설시점을 기준으로 이전과 이후의 변형량을 계산해 공정별 보정량을 산출하므로 각 마감 공정과 설비 공정 중에 발생하는 개별적인 변형량을 고려해서 보정이 가능하다. 본 기술은 2011년 국내 특허 등록을 마쳤고 2012년에는 미국 특허에도 등록되었다.
말레이시아 쿠알라룸푸르의 58층 KLCC 타워와 IB 타워, 인천 송도의 33층의 I-타워에도 시공 중 변위관리 기술 및 3차원 레이저 스캐너를 활용한 정밀 측량 기술이 적용되었다.
성능기반형 최적보정법 알고리즘
고부가가치 기술로 수입대체와 수출증대 효과 기대
지금까지는 랜드마크의 특성을 지니는 초고층 프로젝트를 우리나라 업체가 수주해도 시공 중 변위관리 엔지니어링만큼은 해외 업체의 기술을 빌려야만 했다.
그러나 이번 연구성과 덕분에 국내 기술만으로도 초고층 건물을 정확히 시공할 수 있게 되었고 해외 유명 설계사에 값비싼 용역비를 지불하는 일도 줄어들 것으로 기대된다. 실제로 2007년부터 인천 송도에 짓고 있는 동북아무역타워(NEATT)는 대우건설 기술연구원이 시공 중 변위 예측과 보정 업무를 담당했다.
구조 감독사로 선정된 Arup의 까다로운 특기시방 규정을 무난히 통과했다. 말레이시아 쿠알라룸푸르의 KLCC 타워 현장에서도 3차원 레이저 스캐너를 동원해 건물 전체의 정밀 측량을 실시함으로써 시공 중 변위 관리 기술의 정확성을 입증한 바 있다. 과거와 비교하면 엄청난 변화가 아닐 수 없다.
본 기술이 국내외에 미칠 경제적인 효과도 기대할 만하다. 우선 수입대체와 수출증대 효과가 높아진다.
초고층 건물 프로젝트 수행 시 5억 원 이상의 수입대체 효과가 있으며 계측장비와 측량장비까지 국산화한다면 수출증대 효과도 거둘 수 있다.
둘째로 생산성 향상에 따라 비용도 절감된다. 공기를 단축하고 원가를 절감하는 효과뿐만 아니라 예상치 못한 변위가 발생해 공사가 중단되는 일을 방지할 수 있다.
시공 중 실시하는 모니터링을 준공 후까지 연장하면 건물의 수명을 늘릴 수 있고 보수와 보강에 필요한 비용도 절약이 가능하다.
셋째로 부가가치 창출과 시장 활성화 효과가 발생한다. 정밀시공 엔지니어링과 제품화로 건설 산업에 있어 고부가가치를 얻어낼 수 있다.
또한 기존에는 토목 분야에 비해 수요가 미비했던 건물 모니터링 시장도 계측, 통신, 전산 분야를 접목시킨 새로운 기술로 인해 활성화될 것으로 기대된다.
3차원 시공단계 해석 소프트웨어(ASAP)의 사용자 인터페이스
이 누리집은 대한민국 공식 전자정부 누리집입니다.
