Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.4 pp.133-140
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.4.133

A Study on the Facade Design Using Scissors System

Seung-Deog Kim*, HyeWon Jung**
*Architectural Engineering, Semyung University
**Architectural Engineering, Semyung University
043-649-1326043-649-1326sabinus@semyung.ac.kr
20171114 20171205 20171214

Abstract

Recently, the interest in the smart buildings is increasing in the architecture field. Among them, a research of facade design using a transformable system that can adjust the effect of the external environment is in progress. One of a typical example of the deployable system is a Scissors system that can change shape by using the geometric conditions of a unit member. Scissors system is a high-tech structural system which can construct the deployable plan and curved space by using the SLE (Scissors-Like Element) consisted of two Bar and Pivot. If the facade is designed by applying Scissors system, it is possible to maximize the performance and aesthetic effect of the structure by using a shape change of the line member. This paper presents a study of deployable facade design applying hybrid-typed Scissors system. A new deployable pattern of facade design is developed by combining Angulated Scissors system and tessellation pattern. Applying the deployable pattern a double skin construction method which is to add an outer wall for design, it raises three dimensional effects and can maximize the artistic essence of the change in shape upon deployment.


시저스 시스템을 적용한 파사드 디자인에 관한 연구

김승덕*, 정혜원**
*주저자, 정회원, 세명대학교 건축공학과 정교수, 공학박사
**교신저자, 학생회원, 세명대학교 건축공학과, 석사과정

초록


    1.서론

    전개 가능한 구조시스템 중 파사드 시스템을 이 용한 디자인은 건축물의 미적 효과를 극대화 시킬 수 있는 중요한 설계 요소 중 하나이다. 현재 파사 드 디자인에는 넓은 조망권 제공을 위해 건물 외벽 을 유리로 마감하는 고정형 커튼월 공법이 많이 사 용되고 있다. 그러나 유리로 외벽 전체를 마감하면 외기에 대한 건물의 단열성이 떨어지며, 건물 내부 는 때에 따라 태양빛에 과다 노출된다. 이 때문에 냉·난방에 대한 에너지 사용량이 크며 실내 쾌적감 이 낮아지게 된다. 이와 같은 고정형 유리 파사드의 문제들을 해결하기 위해, 다양한 첨단 기술을 이용 하여 외부 환경의 영향을 조절할 수 있는 가변형 시 스템에 대한 연구가 진행되고 있다.

    가변형 시스템의 대표적인 예로 단위 부재의 기 하학적 변형 조건을 이용하여 형상을 변화시킬 수 있는 시저스 시스템을 들 수 있다. 시저스 시스템은 구조물의 유동적인 전개가 가능한 가장 기본적인 시스템으로서, 접고 펴는 것이 수월하며 이동이 용 이하여 쉘터 및 전개형 지붕구조물에 적용되고 있 으나, 최근에는 <Fig. 1>과 같이 개폐식 무대 장치 등에 미적 요소를 위한 구조물 등에 적용되고 있다4).

    따라서, 본 논문에서는 시저스 시스템을 적용한 가변형 파사드 디자인에 대한 실용성을 연구하고자 한다. 벽 위에 디자인 용도의 외벽을 추가로 시공하 는 더블스킨 공법에 시저스 시스템을 적용하면, 전 개 시 파사드 디자인의 변화로 미적 효과를 극대화 할 수 있다.

    2.시저스 시스템의 기존 연구1)

    시저스 시스템은 가위 유닛(Scissors-like element) 또는 팬터그래픽 요소(Pantographic element)라고 불리는 하나의 기본 유닛이 연결되어 전개 가능한 구조물을 만드는 구조 시스템을 말한 다. 가위 유닛은 중간 힌지(Intermediate hinge)라고 불리는 피봇(Pivot)을 통해 연결된 2개의 직선 막대 형상의 부재로 구성되어, 부재가 공통 평면에 수직 인 축을 중심으로 회전한다. 2개 이상의 가위 유닛 의 부재 양 끝단의 절점을 회전 조인트(Joint)를 사 용하여 상호 연결하면, <Fig. 2>와 같이 2차원의 변 위를 허용하며, 유닛의 거동에 대해 기하학적 시스 템에 대한 설계가 가능한 구조물을 형성한다. 이때, 전개가 가능하기 위해서는 ‘a+b=c+d’조건을 만족해 야 하며, a, b, c, d는 가위 유닛을 구성하는 부재의 조인트에서 힌지 지점까지의 각각의 길이를 말한다.

    가위 유닛은 중간 힌지(접합부)의 위치를 변경 하거나 부재의 형태를 변형하면, <Fig. 3>과 같이 3가지의 고유한 기본 유형이 만들어 진다.(Translational, Polar, Angulated units)

    첫 번째 유형인 Translational 유닛은 가위 유닛 의 가장 기본적인 형상으로, 모든 부재의 피봇의 위 치가 부재의 중앙에 위치한다. 유닛의 변형 형상은 <Fig. 2>와 같이 전개가 되며, 유닛의 연결 형상에 따라서 Plane unit과 Curved unit으로 구분된다. Plane unit은 모든 부재의 길이가 동일하고 병렬로 평행하게 배치되어 전개 중에도 이를 유지하며, Curved unit은 서로 다른 길이의 부재로 구성되어 부재의 길이 차이에 의해 평면상에서 곡선으로 연 결되어 전개된다.

    두 번째 Polar 유닛은 피봇 지점을 기준으로 부재 의 상ㆍ하 길이 차이로 인해 곡선형으로 연결 및 전 개된다. 이를 이용하여 기존에 셀 또는 돔 형상의 구조물에 대한 개발이 가능하며, Polar 유닛을 적용 한 선행 연구로 다양한 전개 가능한 구조물들이 개 발되어 있다<Fig. 4>.

    Angulated 유닛은 직선 부재로 구성되어 있는 일반적인 가위 유닛과는 다르게 부재의 중앙 힌 지 부분이 각도 β 로 구부러진 형상의 각진 부재 로 구성되어 있다. 각진 부재는 중앙 힌지를 기준 으로 양 끝단의 길이가 같으며, 이 길이를 세미 바 (Semi-bar)라고 한다. Angulated 유닛은 1990년도 에 Hoberman에 의해 발명되어, 일반적으로 Hoberman 유닛으로 알려져 있다.<Fig. 5>

    본 논문에서는 가변형 파사드 디자인을 전개 가능한 구조물에 적용을 위하여 평면상에서 전개 중에 일정한 각도를 유지하며 다양한 변화가 가능한 Angulated 유 닛을 응용하여 여러 디자인을 시도하였다.

    3.시저스 시스템의 응용

    3.1.Angulated unit의 기초 연구1)

    직선 부재로 구성되어 있는 일반적인 팬터그래프 와 다르게, Angulated 유닛은 부재의 중앙 힌지 부 분이 각도 β로 구부러진 형상의 각진 부재로 구성 되어 있다. 각진 부재는 중앙 힌지를 기준으로 양 끝단의 길이가 a로 같으며, 이 길이를 세미 바 (Semi-bar)라고 한다. 이 유닛의 가장 큰 장점은 Polar 유닛과 다르게 각을 이루는 부재가 유닛으로 전개 중에 일정한 각도 γ를 유지하는 것이다. Polar 유닛은 전개 시 Unit lines가 변화하면서 각도 γ도 같이 변화하지만, Angulated 유닛은 전개 시 부재 의 양 끝단이 Unit lines을 따라 움직이면서 각도 γ 를 유지한다. 이때, 부재 형상은 기하학적으로 ‘ α = γ/2’의 조건을 만족해야 한다<Fig. 6>2).

    전개 시 각도 γ를 유지하는 것은 Angulated 유 닛이 닫힌 고리 형상의 구조에서 방사상으로 전개 시에 적용된다. 구조물의 방사상 전개는 선형 배열 을 입증하는 Translational 유닛 또는 Polar 유닛으 로는 불가능하다. <Fig. 7>2)은 Angulated 유닛을 연결한 2차원 구조물의 방사상으로 전개되는 모습 을 보여준다.

    동심원으로 배치한 동일한 각도의 세미 바로 형성 된 Angulated 유닛은 부재 세미 바의 수 또는 Pivot 지점 수가 달라도 부재 길이 변화에 따른 디자인 변 화만 있을 뿐 구조물의 전개 반경은 동일하다. 그리고 3개 이상의 세미 바의 부재로 만들어진 Angulated 유 닛을 Multi-angulated element라고 한다<Fig. 8>.

    부재에서 세미 바 사이의 각도 변화에 따라 <Fig. 9> 의 (a)와 같이 전개 후의 형상이 다양한 다각형으로 변화가 가능하며, 하나의 전개 가능한 다각형 요소 는 <Fig. 9>의 (b)와 같이 다각형 요소들의 연결을 통하여 네트워크처럼 확장이 가능하다. 또한 같은 다각형 요소라도 다른 각도를 갖는 부재를 혼합하 여 Angulated 유닛을 만들면 전개 과정의 형태가 기존과 다르며 전개 전ㆍ후의 크기 변화가 증가한다3).

    위의 개념들을 이용하여, Angulated 유닛은 평면 상의 구조에서의 다양한 형태 변화가 가능하고, 이 를 통하여 다양하게 변형 및 결합 통한 구조물의 디 자인이 가능하다.

    3.2.Angulated scissors를 응용한 디자인

    위의 장에서 시저스 시스템은 가위 형태의 기본 형상을 이용하여 다양하게 변형이 가능하다는 것을 확인하였다. 이에 Angulated scissors의 기본 형태 를 변형하여 디자인 하였다.

    기본적인 가위 형상은 직선 부재를 교차한 형태 이지만, 부재의 연결 위치인 Pivot의 위치나 부재의 형태에 따라 시저스 시스템의 전개 형상이 변화하 게 된다. 따라서 직선 부재를 곡선 형태의 부재로 변형한 가위 형상을 <Fig. 10>과 같이 Angulated scissors에 적용한다.

    직선 부재를 곡선으로 변형하였을 시 단순한 다 각형이 아닌 물결 형태로 시저스 시스템이 전개되 는 것을 <Fig. 11>의 모형 거동을 통해 확인할 수 있었다. 이는 Angulated scissors가 다각형 형태뿐 만 아니라 다양한 형태로 디자인이 가능함을 알 수 있다.

    Angulated scissors는 부재 팔의 각도에 따라 다 각형 형태로 전개가 되며, 이 다각형을 연결하여 네 트워크로 확장이 가능하다. 이에 다양한 각도의 부 재를 통해 여러 다각형 형태의 Angulated scissors 를 만들었다.

    135° 각도의 부재로 Angulated scissors를 만들면 정팔각형 형태로 전개가 되는 단위 유닛을 만들 수 있는데, 이를 연결하여 네트워크로 확장 시 연결된 4개의 팔각형 사이에 정사각형 빈 공간이 생긴다. 이 빈 공간을 그대로 둘 수도 있지만 정사각형 빈 공간에 정사각형 Angulated scissors를 적용했다. 이때 정팔각형 Angulated scissors와 정사각형 Angulated scissors 부재의 팔 하나의 길이는 동일 하며, 135° 부재와 90° 부재가 겹치는 부분은 한 부 재로 연결한다<Fig. 12>.

    <Fig. 13>과 <Fig. 14>의 비교를 통해 정팔각형 Angulated scissors와 사각형 Angulated scissors 혼 합에서 전개 시 고정된 빈 공간이 생기지 않는 것을 확인할 수 있다.

    정팔각형 Angulated scissors 단위 유닛 4개의 연 결 네트워크와 정팔각형 Angulated scissors 단위 유닛 4개와 정사각형 Angulated scissors 단위 유닛 1개가 혼합된 연결 네트워크를 각각 하나의 유닛으 로 하여, 연결 네트워크로 확장 및 이를 혼합하여 연결 네트워크로 만들었다. <Fig. 15>에서 나타나듯 이 이들의 단위 유닛은 어떻게 연결하여 확장하느 냐에 따라 고정된 빈 공간의 유무와 전개 시의 패턴 디자인이 변화한다.

    4.시저스 시스템을 적용한 파사드 디자인

    본 논문에서는 시저스 시스템을 디자인적 목적 으로 파사드에 적용하고자 평면형의 전개 가능한 구조물을 디자인 하고자 한다. 이에 2차원에서 다양 한 디자인 변화를 줄 수 있는 Angulated scissors를 이용하여 전개 가능한 구조물의 패턴을 디자인 했 다.

    테셀레이션(Tessellation)은 한 가지 이상의 도형 을 이용해 틈이나 포개짐 없이 평면이나 공간을 완 전하게 덮는 것으로, 라틴어 ‘Tesslla'에서 유래하여 고대 로마 모자이크에 사용되었던 작은 정사각형 모양의 돌 또는 타일을 의미한다<Fig. 16>.

    테셀레이션은 한 가지 이상의 도형을 배열하여 이루어져 있기 때문에 사용하는 다각형 도형에 따 라서 정규 테셀레이션, 반정규(또는 아르키메데스) 테셀레이션, 펜로즈 타일링 등으로 구분된다. 이 중 에서 반정규 테셀레이션은 두 가지 이상의 정다각 형 도형을 Isogonal 배열로 공간을 완전히 덮는 패 턴이다<Fig. 17>.

    Angulated scissors는 방사상으로 전개되어 완전 히 전개가 된 후에는 고리 형상이 되지만, 꺾인 부 재의 각도에 의해서 고리 형상이 원형이 아닌 정다 각형 형상이 된다. 반정규 테셀레이션은 정다각형 도형만 사용하여 다양한 패턴을 디자인 할 수 있어 서 패턴을 구성하는 정다각형에 Angulated scissors 를 적용하여 전개 가능한 패턴의 구조물을 개발하 였다<Fig. 18>.

    반정규 테셀레이션에 Angulated scissors를 접목 할 시 문제점이 발생하는데, 정십이각형 Angulated scissors와 정육각형 Angulated scissors를 Isogonal 배열을 하면 부재의 겹치는 부분이 생긴다. 이때 부 재가 겹치는 부분을 Gómez D.(2012)의 연구를 참 고하여 1개의 꺾인 부재로 연결하였다. 이와 같은 방법을 통해 2개 이상의 부재가 피봇 지점에서 중 첩되어 구조물의 연결 지점에 단차가 발생하는 것 과, 조인트 연결이 아닌 피봇 연결로 인해 구조물의 전개 시 부재들이 각자 따로 회전하는 것을 방지할 수 있다. 그러나 하나의 부재로 연결된 각각의 다른 정다각형들은 전개 시 회전 반경이 다르기 때문에 <Fig. 19 (b)>와 같이 정십이각형 Angulated scissors가 완전히 닫히지 않게 된다. 즉, 패턴에서 반정규 테셀레이션과 Angulated scissors를 접목한 패턴은 전개 시 부재의 회전 각도가 45°에서 정육각 형 유닛이 최대 닫힌 상태가 되지만, 정십이각형 유 닛의 완전 닫히는 회전 반경 110°만큼 회전되지 않 은 상태이기 때문에 빈 공간이 생기게 된다. 이는 부재에 막을 설치하여 차양을 하는 경우에 완벽한 차양을 하지 못하게 되는 문제가 생긴다.

    이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 Niels De Temmerman(2007)의 논문을 참고하여, 정십이각형 Angulated scissors 부재에 Multi-angulated 요소를 적용하여 전개가 덜 되었을 때의 중심에 빈 공간을 없앴다<Fig. 20 (a)>. 정십이각형 Angulated scissors 부재에 Multi-angulated 요소의 적용하면, 시저스 시스템을 적용한 테셀레이션 패턴은 부재를 45°만 회전시켜도 모든 정다각형 유닛이 닫힌 형상이 되 는 것을 <Fig. 20 (b)>를 통해 확인할 수 있다.

    문제를 해결하기 전‧후의 전개 가능한 패턴을 실 제 모형을 만들어 거동 형상을 확인하였으며, 전개 시 패턴 변화는 <Fig. 21>을 통해 볼 수 있다.

    시저스 시스템을 파사드에 적용하면 <Fig. 22>와 같이 외부에서는 디자인에 다양한 변화를 주고, 내 부에서는 <Fig. 23>과 같이 선 부재의 그림자와 빛 의 움직임을 통한 채광 조절과 시각적 디자인을 할 수 있다.

    5.결론

    본 연구에서는 시저스 시스템을 파사드에 적용하 기 위하여 Angulated scissors를 이용한 평면형 구 조물 디자인을 개발하였다.

    • 1) 시저스 시스템의 유형 중에서 Angulated scissors는 고리 형상을 유지하며 방사상으로 전개 하기 때문에, 평면형의 전개 구조물 중에서 전개 과 정의 형상 변화가 크고 디자인이 다양하다.

    • 2) Angulated scissors의 꺾인 부재의 각도에 의 해 전개 후의 형상이 다양한 정다각형 유닛을 만들 수 있으며, 직선 부재를 곡선형 부재로 변형하여 다 양한 디자인의 응용 가능성을 확인하였다.

    • 3) 시저스 시스템의 정다각형 유닛들은 각각의 연 결을 통해 네트워크 형상으로 확장이 가능하며, 이 점을 이용하여 2가지 이상의 정다각형들 배열인 반 정규 테셀레이션 패턴에 적용하였다.

    • 4) Isogonal 배열을 하였을 때 부재들이 중첩되는 부분은 2가지 이상의 부재들을 하나의 부재로 연결 하여 해결할 수 있다. 그리고 시저스 시스템의 서로 다른 정다각형 유닛들의 전개를 위한 부재의 최대 회전 반경이 달라서 생기는 문제점은 Multiangulated 요소를 적용하여 해결하였다.

    • 5) 전개 가능한 정다각형 패턴은 구조물을 디자인 하는 정다각형의 배열에 따라서 다양하게 디자인 할 수 있다. 이 구조물은 전개 과정으로 건물의 외 부에는 디자인의 다양한 변화를 주고, 내부에서는 선 부재의 그림자와 빛의 움직임을 통한 채광 조절 과 시각적 디자인 효과를 얻을 수 있다.

    본 연구는 디자인적 설계 단계이므로, 앞으로 구 조물의 안정성 검토를 위한 해석 수행과 피봇 지점 의 변화를 통한 3차원 구조물로의 디자인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 2015학년도 세명대학교 교내학술연구비 지원에 의해 수행된 연구입니다.

    Figure

    KASS-17-133_F1.gif

    Hoberman Arch(Salt Lake City, USA)

    KASS-17-133_F2.gif

    Geometrical condition of SLE

    KASS-17-133_F3.gif

    Unit types of scissors systems

    KASS-17-133_F4.gif

    Pinero demonstrates his prototype of a deployable sell(Robbin, 1996)

    KASS-17-133_F5.gif

    Iris Dome(Hoberman, 1994)4)

    KASS-17-133_F6.gif

    Angulated unit

    KASS-17-133_F7.gif

    A radially deployable linkage consisting of angulated units

    KASS-17-133_F8.gif

    Multi-angulated element scissors

    KASS-17-133_F9.gif

    Deployed in the form of a variety of polygons and networks

    KASS-17-133_F10.gif

    Design with curved member

    KASS-17-133_F11.gif

    Network model using a curved member

    KASS-17-133_F12.gif

    Concept angulated scissors regular octagon and square mix

    KASS-17-133_F13.gif

    Regular octagon angulated scissors network connection(135° members)

    KASS-17-133_F14.gif

    Regular octagon with square mixes angulated scissors(135°+90° member)

    KASS-17-133_F15.gif

    Network design using a polygonal arrangement

    KASS-17-133_F16.gif

    Tessellation tile

    KASS-17-133_F17.gif

    Semi-regular tessellation pattern

    KASS-17-133_F18.gif

    Angulated scissors and a semi-regular tessellation grafting

    KASS-17-133_F19.gif

    Angulated scissors and semi-regular tessellation grafting problems

    KASS-17-133_F20.gif

    Problems when the grafting scissors semi-regular tessellation

    KASS-17-133_F21.gif

    Deployable pattern model

    KASS-17-133_F22.gif

    Deployable of facade applied scissors system

    KASS-17-133_F23.gif

    Indoor scene

    Table

    Reference

    1. NielsDe Temmerman (2007) “Design and Analysis of Deployable Bar Structures for Mobile Arc hitectural Applications”, PhD Dissertation, Vrije Universiteit,
    2. LaraAlegria Mira (2010) Design and Analysis of a Universal Scissor Component for Mobile Arc hitecture Applications, Vrije Universiteit,
    3. GómezD (2012) “Estructuras Móviles de Doble Cu rvatura con un Grado de Libertad”, Master's thesis, Universidad Nacional de Colombia,
    4. Hoberman Associates IncAvailable at http://www.hoberman.com,