두바이 미래 박물관: 78미터 건축 아이콘의 건설

아랍에미리트(UAE) 두바이에 건설 중인 미래 박물관은 지금까지 지어진 가장 복잡한 구조물 중 하나입니다. 78미터 높이의 건물은 3층 팁디엄 위에 토러스 모양의 셸이 얹혀 있으며, 내부에 7개 층을 수용합니다. 토러스의 외부 파사드는 1,024개의 난연(FR) 복합 패널로 구성됩니다. 스테인리스 스틸로 클래딩된 각 패널은 고유한 3D 형태이며, 성형된 아랍어 서예가 통합되어 있습니다. 흐르는 문자는 셰이크 모하메드 빈 라시드 알 막툼 UAE 부통령 겸 총리, 두바이 통치자의 두바이 미래 비전을 묘시하는 시들을 형성합니다. 이들은 또한 건물의 창문 역할을 하여 기둥 없는 실내로 자연광을 투과시키고, 밤에는 통합된 14km의 LED 조명으로 극적인 효과를 연출합니다.

셰이크 모하메드가 혁신과 발명의 인큐베이터로 구상한 미래 박물관은 세계에서 가장 진보된 건물 중 하나로 간주되며, 사람들이 새로운 기술을 경험하고 연구할 수 있는 장소입니다. 또한 디지털 설계와 더 효율적인 소재의 사용을 통해 경계를 밀어붙이는 건축의 상징이기도 합니다. 파라메트릭 설계는 강철 다이아그리드(diagrid, 2,400개의 대각선으로 교차하는 강철 부재로 된 프레임워크)를 개발하는 데 사용되었으며, 여기에 복합 콘크리트 바닥 슬래브와 17,000제곱미터의 복합 클래딩이 부착됩니다. 후자에는 100만 제곱미터의 다축 유리섬유 및 탄소섬유 강화 에폭시 프리프레그가 사용되었습니다.

두바이 기업 아판 이노베이티브 스트럭처스(Affan Innovative Structures)가 패널의 복합 설계, 제작, 설치 지원을 제공했습니다. "이러한 프로젝트가 수행된 것은 이번이 처음입니다."라고 회사 CEO 아메르 아판 박사(Dr. Amer Affan)는 말합니다. "또한 복합 패널이 이런 복잡한 형태를 통해 여러 건물 기능을 통합하는 데 사용된 것도 처음입니다."

주요 건축가 숀 킬라(Shaun Killa)는 그런 복잡한 외관은 보통 레인 스크린(rain screen)이며, 그 뒤에 방수 시스템을 포함한 건물이 있다고 설명합니다. "이건 좀 더 관대해서 이런 매우 3차원적 형태를 만들 때 좀 더 용이합니다."라고 그는 지적합니다. "하지만 이 건물에서는 엔벨로프(envelope)가 방수, 기밀, 구조, 조명을 모두 담당합니다." 아판은 그런 웅장한 프로젝트에 자기 회사가 규모는 작지만, "기술적 전문성을 활용해 독특한 것을 달성했고, 미래에 건물이 어떻게 지어질지 보여주었다"고 인정합니다.

복잡한 디지털 설계 역량

아판 이노베이티브 스트럭처스는 미래 박물관 엔지니어링 팀으로부터 처음 연락을 받았습니다. "필요한 외부 클래딩 작업을 할 수 있는 회사가 많지 않았습니다."라고 아판은 말합니다. "다른 유일한 경쟁자는 바깥에 알루미늄이나 스테인리스 스틸 패널을 단 일반적인 커튼 월(curtain wall)을 제안했습니다." 커튼 월은 일반적으로 구조용 강철 프레임에 추가해 사용하며, 얇고 알루미늄 프레임이 유리, 금속, 얇은 석재 외부 패널을 지지합니다("건물 엔벨로프: FRP 유닛화 파사드" 참조). 이는 엔지니어링 팀에 의해 너무 어렵고, 통합된 다기능 복합 패널 파사드에서 가능한 것과 같은 외관을 제공할 수 없다는 이유로 거부되었습니다. 따라서 아판 이노베이티브 스트럭처스가 제안한 후자가 프로젝트에 선정되었습니다. "우리는 또한 큰 패널을 만들 수 있는 독특한 기술도 가지고 있습니다."라고 아판은 덧붙입니다. "양방향으로 곡률진 3미터 폭, 9미터 높이까지 가능해 이음매가 적습니다."

아판 이노베이티브 스트럭처스는 이 프로젝트에 독보적으로 적합했습니다. 2004년 아판 박사에 의해 설립된 이 회사는 컨셉 설계부터 설치, 건물 유지보수까지 완전한 턴키 솔루션을 제공하며, 매우 기술적인 도전으로 향합니다. 회사 이력에는 킹 압둘라 스포츠 시티 스타디움(사우디아라비아 제다)의 복잡한 기하학적 알루미늄 스크린/클래딩, 야스 몰(UAE 아부다비)의 복합 입구 캐노피와 64개의 복잡한 패턴 유리 및 강철 채광창, 시드라 병원(카타르 도하)의 외부 복합 지붕 등 많은 도전적인 프로젝트들이 포함됩니다. 이 강철, 유리, 복합 조립체에 대한 복잡한 역량은 미래 박물관의 다기능 복합 외장에 정확히 필요한 것이었습니다.

"각 복합 패널 내부에는 아랍어 문자 안에 평평한 유리 [패널] 시스템이 있습니다."라고 아판은 설명합니다. "유리는 패널 안쪽으로 거의 움푹 들어가 있는데, 최대 200밀리미터 깊이까지입니다." 이 움푹 들어간 정도는 건물 상단에서 물이 고이는 걸 방지하기 위해 덜 움푹 들어간 정도에서 하단으로 갈수록 변할 뿐만 아니라, 각 패널 내부에서도 경사지고 줄어들어 문자에 자연스러운 가장자리를 만듭니다. "움푹 들어간 곳의 위치와 가장자리도 패널 내 유리의 위치에 따라 달라졌습니다. 유리는 평평했지만 패널은 곡면이었기 때문입니다."라고 아판은 지적합니다. "이건 디지털 설계와 CNC 가공으로만 가능했습니다." 이 정밀도는 패널이 설치될 때 문자가 패널마다 달라지며, 글자와 단어들이 건물 외부를 따라 올바르게 흐르도록 정렬하는 데도 필요했습니다.

아판에게 유일한 해결책은 아랍어 문자와 움푹 들어간 곳을 각 복합 패널에 성형하는 것이었습니다. "보강재들을 정밀 CNC 가공된 금형에 깔아넣습니다."라고 그는 설명합니다. 다행히 아판 이노베이티브 솔루션즈가 CNC 머신들을 구동하는 데 사용하는 CATIA 소프트웨어(다쏘 시스템즈, 프랑스 벨지-빌라쿠블레)는 복잡한 항공기와 복합 구조물을 설계하는 데 항공우주 산업이 사용하는 3D CAD 프로그램이기도 합니다. 게다가 아판 팀의 28명 엔지니어들은 텍스트라 BIM 소프트웨어, 라이노 3D(Rhino 3D, 로버트 맥닐 앤 어소시에이츠, 미국 워싱턴주 시애틀), 오토데스크 오토캐드에도 능숙합니다. "우리는 모든 도면을 CATIA로 그렸고, 라미네이트 설계도 했는데, 그게 그런 복잡한 가공을 가능하게 했습니다."라고 아판은 말합니다.

그러나 설계는 사소하지 않았고, 다양한 구조적 및 풍하중을 충족해야 했습니다. 예를 들어, 토러스 내부가 풍동 효과를 만들었다고 아판은 설명합니다. 이 패널들은 최대 450kg/m²(92lb/ft²)의 풍하중을 견뎌야 합니다. (참고: 국제건축코드는 미국 플로리다주 웨스트팜비치의 고위험 허리케인 지역에 71lb/ft²의 풍하중을 명시합니다). 미래 박물관의 복합 패널들은 무게를 최소화하도록 맞춤화되었습니다. "패널들은 위치와 하중에 따라 9~13플라이를 사용하며, 이는 다양합니다."라고 아판은 말합니다. 그는 복합 기술 센터(Composite Technology Center, 독일 슈타데), 에어버스 자회사이자 CFK 밸리 ev(독일 슈타데) 무역 기구를 통한 오랜 파트너가 "우리 라미네이트 설계, 처짐, 강성 계산에 대한 제3자 검토를 제공했다"고 덧붙입니다.

추가적인 복잡성이자 혁신 하나는 패널들이 자체 부착 시스템도 통합했다는 점입니다. "가장자리에서 24플라이가 카세트 같은 부착 형상을 형성해 건물에 연결됩니다."라고 아판은 설명합니다. 카세트 시스템은 외부 클래딩을 부착하는 방법으로, 원래 레인 스크린 타입 설치용으로 개발되었습니다. 유형과 형상은 다양하지만, 카세트들은 일반적으로 건물의 하중 지지 프레임 뒤쪽에 고정되는 평평한 방수 외부 표면을 가능하게 합니다. 미래 박물관의 파사드 패널들은 카세트 가장자리를 형성하기 위해 별도의 조각들이 필요하지 않고, 대신 각 금형에 가공되어 각 복합 패널에 통합되었습니다.

소재, 금형, 패널 제조

아판 이노베이티브 스트럭처스의 10,000제곱미터 복합 제조 공간에는 16대의 수지 주입 머신과 3미터 x 20미터 크기의 유리 상판, 강철 기반 수지 주입 테이블 8대가 있지만, 프리프레그를 사용하기로 했습니다. 왜냐고요? "필요한 FR 성능을 달성하려면 많은 첨가제가 필요해 수지가 걸쭉해지고 주입 시 흐르지 않습니다."라고 아판은 설명합니다. 이 경우 첨가제는 수산화알루미늄(ATH, "무게 없이 내화성 확보" 참조)이었습니다. 그는 계속합니다. "따라서 우리는 노투스 컴포지츠(Notus Composites, UAE 라스 알 카이마)와 협력해 FR 에폭시 프리프레그를 개발했습니다. 주로 유리섬유를 사용했지만, 처짐 이슈가 있는 특정 구간엔 탄소섬유도 사용했습니다." 두바이 민방위청 승인을 받은 노투스 컴포지츠 EPFR-609 프리프레그와 NE11-FR 표면 필름 조합은 NFPA 285, EN13051-1, ASTM E1098 및 E84 Class A 내화 요건을 통과했습니다("내화성 프리프레그 가능하게..." 및 "FRP 건축 자재의 더 나은, 저렴한 스크리닝" 참조).

두바이에서 외부 금속 표면이 여름에 80°C(176°F)에 도달할 수 있기 때문에, 아판은 설명합니다. "우리는 프리프레그를 120°C에서 경화해 헤드 변형에 저항할 충분한 Tg(유리 전이 온도)를 보장했습니다. 따라서 금형은 그 고온을 견딜 수 있는 폴리우레탄 폼으로 가공되었는데, 더 비쌉니다. 서너 가지 다른 폼을 시도했지만, 온도와 진공 압력을 견디면서도 CNC 가공하기 쉽고 빠르게 충분히 부드러운 건 하나뿐이었습니다."

각 금형의 CNC 가공은 12~72시간 걸렸고, 1,024개 복합 패널 각각에 자체 금형이 필요했습니다. 아판 이노베이티브 스트럭처스의 4대 CMS(이탈리아 조뇨) 5축 CNC 머신(최대 33미터 길이, 13미터 너비, 2.5미터 높이)이 박물관의 까다로운 생산 속도를 맞추기 위해 모두 필요했습니다. "한 대가 유지보수로 다운되면 나머지가 병렬로 돌았습니다."라고 아판은 설명합니다.

프리프레그 플라이들은 (불머(Bulmer, 독일 메르슈테텐) 자동 커터를 사용해 절단 및 키팅되었습니다. "패널에 코어를 사용하지 않았습니다. 오늘날과 달리 당시엔 FR 요건을 통과할 수 있는 폼 코어가 없었기 때문입니다."라고 아판은 말합니다. 그런 자동화에도 불구하고, 2015년까지 도달한 250명 직원 인력도 하루 평균 4개 패널을 생산하기 위해 필요했습니다. 6명 작업자 팀, 각각 슈바이저와 효율을 위한 균형 잡힌 기술 세트를 가진 팀들이 패널을 적층했습니다. "보통 프로젝트엔 2~3개 팀이 작업합니다."라고 아판은 말합니다. "하지만 이 생산 일정을 맞추기 위해 주어진 시간에 20개 팀이 작업했습니다."

제조 단계

1단계 폴리우레탄 폼이 정밀 금형으로 밀링됩니다. 모든 제조 단계 이미지 출처 | 아판 이노베이티브 솔루션즈

2단계 유리섬유/에폭시 프리프레그가 금형에 손으로 적층됩니다.

3단계 프리프레그 적층물이 진공 백킹되어 120°C 오븐에서 6시간 경화됩니다.

4단계 탈형된 패널들이 스테인리스 스틸 마감 접착 본딩을 위해 준비됩니다.

5단계 스테인리스 스틸 육각형들이 본딩되고 기계적으로 FRP 패널에 고정됩니다.

6단계 마감된 패널들이 설치를 위해 들어 올려집니다.

7단계 각 패널이 고유한 3D "유니버설 조인트"를 통해 조정됩니다.

8단계 각 패널이 고유한 3D "유니버설 조인트"를 통해 조정되어 매끄럽게 정렬된 외부 파사드를 달성합니다.

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적층물들은 손으로 깔고, 진공 백킹되어 20미터 길이, 8미터 너비, 3미터 높이의 오븐에서 6시간 경화되었습니다. "각 CNC 머신마다 자체 오븐이 있었습니다."라고 아판은 말합니다. "한 경화 사이클에 많은 패널을 몰아넣지 않았습니다. 대신 각 패널이 준비되면 즉시 경화해 가능한 한 높은 생산 흐름을 유지했습니다. 그런 다음 패널들을 탈형하고 3D 스캐너로 제작된 패널이 CATIA 파일과 일치하는지 확인했습니다. 전체 품질 관리 시스템에 따라 공정의 모든 단에서 디지털 파일과 대조 확인해야 했습니다."

마감된 패널들은 스테인리스 스틸 외부 마감을 받았습니다. "스테인리스 스틸은 각 패널에 접착 본딩된 후 기계적 패스너로 고정되는데, 그 자체가 예술입니다."라고 아판은 말합니다. "금속은 3D 패널 위에 드레이프되도록 작은 육각형으로 절단되었습니다. 육각형 그리드는 곡률 정도에 따라 패널마다 달랐습니다. 본딩에 경험과 자신감이 있지만, 건물 수명 동안 단 하나의 육각형도 떨어질 위험이 없어야 했습니다. 따라서 모든 단일 육각형이 부착되어야 했는데, 단일 패널에 200~300개 부착이 필요했습니다." 마감된 패널들은 현장으로 보내져 설치되었습니다.

NASA 지원, 이슈 없는 설치

설치는 실제로 건물 시공사 BAM 인터내셔널(네덜란드 고우다)이 완료했습니다. "우리는 패널 다루는 방법을 돕기 위해 설치 감독자만 제공했습니다."라고 아판은 말합니다. "각 패널을 들어 올리는 방식이 핵심입니다. 패널들은 건물 내 각자의 특정 위치에 충분히 강하게 설계되었습니다. 하지만 기존 건물 방식의 카세트 걸기처럼 최소 두 개의 리프트 포인트를 통해 특정 방식으로 들어 올려야 합니다."

아판이 독보적으로 해결할 자격이 있었던 추가 이슈가 있었습니다. "각 패널이 강철 구조물 위에 앉으면서도 매끄러운 표면을 형성하려면, 깊이, 방향, 곡률을 3D로 조정할 수 있어야 했습니다. 즉, 3자유도 일종의 유니버설 조인트가 필요했습니다. 1985년 캘리포니아 NASA에서 학생으로 우주 정거장 구조물 감쇠 연구를 했습니다. 핵심은 셔틀이 도킹할 때 각 구조물을 움직이고 조정해 진동이 빠르게 감쇠되게 하는 것이었는데, 소음 제거와 비슷합니다. 그 기술을 패널 부착과 설치 시 조정에 사용했습니다."

또한 패널들이 건물의 방수 씰도 제공하므로, 패널 사이 간격이 없어야 했습니다. "패널들이 직접 맞닿으면 갈라질 수 있습니다."라고 아판은 설명합니다. 캔틸레버 6층 전시 구역에 1.5톤의 높은 활하중이 있어 강철 구조물이 실제로 움직이기 때문입니다. "우리는 패널 사이에 정밀한 간격을 유지했고, 이건 특수 가스켓으로 채워졌습니다." 이 가스켓은 팽창할 만큼 부드러우면서 하중을 견딜 만큼 단단해, 건물의 미적 외관을 가능하게 하면서 씰링 기능을 제공했습니다.

그런 솔루션들은 이점이라고 아판은 말합니다. "구조 배경에서 왔기 때문에 많은 소재들을 결합할 수 있습니다. 이건 매우 중요합니다. 복합소재는 우리가 쓰는 수많은 소재 중 하나일 뿐입니다. 이건 단순한 복합소재 프로젝트가 아니었습니다." 결과가 말해줍니다. "설치가 잘 진행됐고, 전혀 이슈가 없었습니다."라고 아판은 말합니다. 패널이 맞는지 확인할 방법은 디지털 파일에 대한 적합성을 보장하는 것뿐이었습니다. "아직까지 맞지 않거나 잘못된 모양이거나 단어가 틀린 패널은 없었습니다."라고 BBC 기사에서 엘리자베스 베인스(Elizabeth Bains)가 부로 해폴드(Buro Happold) 프로젝트 매니저 볼리(Bauly)의 증언을 인용했습니다.

미래의 모듈러 건설

"우리는 전체 과정을 함께 관리했습니다."라고 아판은 덧붙입니다. "우리 회사 내 팀워크도 핵심적이었습니다. 설계와 적층 그룹들이 서로 조율해야 했습니다. 이만큼 큰 일은 해본 적 없지만, 도전을 좋아합니다."

안타깝게도 코로나19가 타격을 입혔습니다. "팬데믹 봉쇄 직전에 이 일을 마쳤습니다."라고 그는 말합니다. "이제 30명 미만으로 줄었습니다. 황폐합니다. 하지만 이건 우리만이 아니라 모두에게 영향을 미쳤습니다." 그럼에도 아판은 미래와 지속가능성 및 혁신을 달성하는 데 복합소재가 할 역할에 대해 희망을 봅니다. "특히 두바이와 GCC(걸프협력회의)에서는 사람들이 새 아이디어를 시도하려 합니다. 이건 건축과 건설의 미래를 보여주는 겁니다."

그가 강조하는 그 미래는 모듈러 건설 시스템을 사용할 수 있는 사람들을 위한 것입니다. "코로나19가 실제로 이걸 가속화하고 있습니다. 회사들이 모듈로 지어 현장으로 보낼 것입니다. 이건 비효율을 현장에서 공장으로 이동시키고, 통제와 품질을 높입니다. 현장에선 모든 사람들을 조율해야 합니다. 시간 낭비, 다른 하도급업체 기다리기. 날씨와 작업 중단에도 의존합니다. 공장 제작은 이 모든 걸 제거합니다. 강하고, 가볍고, 내구성이 충분해 운반과 설치가 쉽기 때문에, 복합소재는 이런 유형의 모듈러 건설을 가능하게 하고 원하는 어떤 형태든 만들 수 있습니다."

아판은 모듈러 건설이 수년간 크루즈 선박에 사용되어 왔다고 말합니다. 각 선실이 난방/에어컨, 전기, 배관 시스템까지 완비된 채로 미리 만들어지고, 레고 블록처럼 배의 강철 프레임에 조립됩니다. "각 모듈이 이미 완비되어 있으면 얼마나 많은 시간을 절약할지 상상해보세요. 지금 복합소재로 고층 건물을 이런 방식으로 짓는 프로젝트를 보고 있습니다."라고 그는 말합니다. "FR 수지가 있으면 이전에는 금속이 필요했던 부품들이 필요 없습니다." 작년 뉴욕시에서 이런 방식으로 완공된 메리어트 호텔을 인용하며, 아판은 덧붙입니다. "그 건물은 강철과 목재였지만, 우리는 복합소재로 지을 수 있습니다."