공간이 커질수록 설계는 세밀해야하니까, 남다른 구조 솔루션 ‘PoSPACEs’

이에스건축구조엔지니어링(대표이사 황보석)의 이노빌트 PoSPACEs(포스페이스)는 포스코 철강솔루션연구소와 포스코건설, 이에스건축구조엔지니어링이 공동으로 개발해 상용화한 비정형 구조 시스템이다. 일반 커튼월 구조로는 구현하기 어려운 곡선 외장이나 개방감 있는 대공간 지붕, 파사드를 미려하게 마감할 수 있는 최적의 솔루션으로 주목받고 있다.

PoSPACEs는 포스코의 건축 전용 강재 HSA(High performance Steel for Architecture)로 제작한 노드(Node)에 건축가가 원하는 사이즈의 부재를 용접 접합해 제작한다. 중심에 노드를 두고 프레임이 되는 부재들이 뻗쳐 나가는 모양이다. 이때 노드에 용접하는 모든 부재의 각도를 세밀하게 다변 설계할 수 있어, 서울식물원처럼 대공간의 지붕이나 벽을 유리로 마감할 경우 PoSPACEs를 적용하면 획일적인 구성을 탈피한 탁월하고 남다른 곡선 디자인 구현이 가능하다.

서울식물원의 외장 커튼월과 같이 배부른 원통쉘 형태는 단순해 보이지만 기술적으로는 모든 프레임의 연결 각도가 달라 제작과 시공의 난이도가 높다. 또 커튼월은 프레임 설치 후 그 사이사이에 최종 마감재인 유리를 설치해야 하고, 유리를 오차 없이 가공하기 위해 프레임 설치 뒤 부재를 모두 실측하는 작업도 필요하다. 하지만 이노빌트 PoSPACEs는 전용 설계 프로그램을 통한 정확한 설계 제작이 이뤄지기 때문에 부재 실측 없이 유리를 제작할 수 있고 PoSPACEs 자체도 공장에서 완전히 맞춤 제작돼 현장에서는 조립만 하면 되기에, 시공 기간과 공사비 절감 효과가 탁월하다.

건축가의 요구에 따라, 두 가지 타입으로 제작 가능

PoSPACEs는 건축가가 원하는 설계 디자인에 따라 두 가지 타입으로 제작될 수 있다. 노드에 접합하는 부재의 각도가 10° 이하로 작을 경우에는 60mm 이상의 후판을 절단하여 노드를 제작하는데, 이때 노드가 별 모양이기 때문에 ‘Star Type’ 이라고 한다. 별 모양 사이사이에 부재를 용접 접합하는 방식이다. 노드의 소재는 포스코의 HSA500(High performance Steel for Architecture 500)이며, Star Type 부재의 단면 사이즈는 최대 250mm까지 적용 가능하다.

또 다른 타입은 서울식물원에 시공된 ‘Ball Type’이다. 접합하는 부재의 각도가 10°이상으로 클 경우에 이 타입을 사용한다. 노드 소재는 포스코의 HSA500/600이며, 냉각 프레스 성형을 통해 동그란 모양으로 제작한다. Ball Type은 부재의 각도를 10°이상 크게 적용할 수 있으면서, 부재 단면 사이즈는 최대 600mm까지 적용 가능해 더 역동적인 곡률을 표현하기에 적합하다. 또한 노드인 Ball의 속이 비워져 있는 형태로 개발되어, 속이 꽉 채워진 유사 형태의 타 제품 대비 노드 중량을 절반가량 낮추는 강점과 함께 거의 모든 곡면을 실현할 수 있다.

구조 성능은 더 강하게, 하지만 더 가볍게 짓는다

대공간 스페이스 프레임 구조는 트러스 형태의 2-Layer(더블레이어)를 취하는 경우가 많다. 중간 기둥 없이 부재들끼리 하중을 전달하며 구조체를 지지하기 때문에 구조적으로 더 견고한 2-Layer을 따르게 된다. 서울식물원의 경우에도 기존에는 노드와 부재의 접합을 힌지 접합(Hinge Connection, 경첩 접합)으로 한  2-Layer 스페이스 프레임으로 설계되었다. 2-Layer에서 곡면을 형성해야 했기에 부재끼리의 연결이 복잡하고 개방감이 저하될 수밖에 없었다. 또 이 경우 노드 부분은 주물로 제작되어 제작 기간이 길고, 노드와 프레임 자체의 중량도 크기에 시공이 어렵고 시공비도 높아지게 된다.

이에 반해 PoSPACEs는 부재가 외력에 의해 휘어질 수 있는 힌지 접합이 아닌 노드와 부재를 완전히 용접하는 모멘트 접합(Moment Connection) 방식으로 제작된다. 때문에 부재가 변형되거나 휘어지는 힘에 저항할 수 있어, 1-Layer 프레임으로도 곡면 구성이 충분히 가능하다. 이로써 구조적인 안정감과 함께 2-Layer와는 비교할 수 없는 개방감이 주어지는데, 이는 PoSPACEs의 부재들을 연결하는 노드 부분이 포스코의 고강도강 HSA로 제작되는 덕분이다. HSA는 강종에 따라 인장강도를 500MPa 이상 보증하면서 굽힘과 용접 시 변형 발생은 최소화한다. 특히 PoSPACEs Ball Type의 경우에는 노드 중량을 획기적으로 줄여, 구조 성능은 강하게 유지하는 동시에 훨씬 더 가벼운 건축물을 지을 수 있게 된다.

실제로 서울식물원의 경우, 포스코인터내셔널이 제안한 솔루션을 통해 기존 2-Layer 구조에서 PoSPACEs를 적용한 1-Layer로 구조 변경을 거쳤다. 덕분에 기존안 대비 상당량의 강재량과 시공기간이 절감되었으며, 포스코인터내셔널은 솔루션 제안부터 설계, PoSPACEs 제작, 시공 전 과정을 이에스건축구조엔지니어링과 함께 하면서 포스코그룹-이노빌트 얼라이언스의 시너지를 톡톡히 보여줬다.

이노빌트 PoSPACEs는 서울식물원, 대구은행 본점 등에 적용되어 건축물 내부에서도 하늘 바로 아래 있는 듯이 탁 트인 공간을 선사하고 있다. 이용자에게는 남다른 미학적 즐거움을, 건축가와 시공사에는 더 경제적이고 뛰어난 성능을 보장하는 PoSPACEs. 앞으로 더 많은 건축물의 구조 솔루션으로 활약하게 될 것이다.

※ 이노빌트 PoSPACEs 제작/시공 문의 : 이에스건축구조엔지니어링 황보석 대표 (02-579-9371)