프리커트 부재를 활용한 공업화 목조건축

[Wood樂]

프리커트 부재를 활용한 공업화 목조건축 

2006년, 산림조합중앙회 목재유통센터에서 독일산 프리커트 설비를 도입하고, 같은 해 국립산림과학원에서 프리커트 방식에 의한 한국형 목조건축을 지향한 테스트하우스를 축조 실연한 이래 프리커트 부재 활용에 대한 건축업계와 일반인의 관심이 커지면서, 한옥을 비롯한 기둥-보 구조 주택을 시공하는 목조건축 업계에도 프리커트 기술을 적용하는 사례가 늘고 있다.

기계 프리커트 방식의 공업화 목조건축은 사용되는 부재를 공장에서 정밀가공(프리커트)하여 건축현장에서 조립·시공하는 방법을 말한다. 프리커트 부재는 CAD/CAM 알고리즘에 의하여 작성한 건축설계도면과 필요한 구조설계 과정을 거쳐 고가의 프리커트 장비에 의해 가공한 건축재료이다. 현대건축에 적용하는 가공이 비교적 간단한 부재로부터 전통 한옥 등에서 쓰이는 복잡한 형태의 접합부에 이르기까지 3차원 정밀 프리커트 가공이 짧은 시간에 진행된다.

프리커트 방식에 의한 공업화 목구조시스템은 대부분의 목조건축 선진국에서 유용하게 적용되는 기술이다. 유럽에서는 유럽방식 기둥-보 구조의 목조건축 등에 널리 적용되고 있으며, 북미에서는 대규모 상업용 구조용 집성재 건축물뿐 아니라 신축 목조주택의 65% 정도에 적용되어 건축비 절감과 건축 품질향상에 유리한 경골 목조트러스 산업에 활용되고 있다. 가까운 일본에서는 프리커트 방식이 일본재래공법의 목조주택과 구조용 집성재 건축물 등에서도 일반화되어 있다.

기계 프리커트 방식에 의하여 목조주택을 시공하면, 주요 골조공사를 하루 이틀 내에, 지붕을 포함한 외피 시공까지는 일주일 내에 완성할 수 있다. 따라서 프리커트 공법에 의하면 공기단축에 의해 현장 건축비가 대폭 절감되는데다 고도의 목공 숙련도가 크게 요구되지 않는 장점이 있다.

또한 목재 부재의 가공 정밀도 향상으로 주택의 품질 향상이 보장된다. 일본의 경우 프리커트 삼나무 부재로 지은 재래공법 주택의 가격경쟁력이 제고되면서, 서양식 경골목조주택보다 더 싼 건축비로 주택을 지을 수 있게 되었다. 이에 따라 일본재래공법에 의한 목조주택은 가격과 품질에서 경쟁력을 확보하게 되어 소비자의 선호도가 지속되고 있다.

본고에서는 기계 프리커트 방식의 종류와 접합기술에 따른 프리커트 부재의 활용도, 프리커트 부재 생산의 알고리즘, 공업화 목조건축 발전을 위한 제언 등에 대하여 논의하고자 한다. 프리커트 방식의 공업화 목조건축은 최근 국내에서 전개되고 있는 전통 한옥의 현대화와 더불어 국립산림과학원에서 추진하고 있는 한국형 목조건축 개발에도 필수요소로 작용하게 될 것이다.

기계 프리커트 방식의 종류와 특징

기계 프리커트 방식은 크게 3종류로 분류하는 것이 일반적이다. 첫째, 단일기계 프리커트 방식과 둘째 단일기계 NC라인 프리커트 방식, 셋째 NC로봇 복합기계 프리커트 방식 등이 그것이다. 이들 기계 프리커트 방식 중에서, 종합적인 성능과 효율은 단일기계의 NC라인 프리커트 방식이 가장 우수하다. 다음으로 성능과 효율이 우수한 방식은 NC로봇 복합기계 방식이며, 단일기계 프리커트 방식이 가장 불리한 방식이다. 프리커트 방식의 선택은 공장에서 생산하는 부재의 성격과 공장 규모 등 여러 요인에 의하여 합리적으로 결정되어야 한다.

단일기계 NC라인 프리커트 방식에서 기둥 가공을 위한 단일기계 라인 배치 순서의 사례를 들면, 기둥의 가로자르기 기계 → 홈파기 기계 → 측면 가공 기계(보를 얹기 위한) → 볼트 구멍 가공 기계 → 서까래 가공 기계(보에 얹기 위한)의 순으로 기계를 배치하여 부재를 생산하는 방법이 사용될 수 있다. 보의 경우도 이와 유사한 라인을 통하여 프리커트 부재가 생산된다. 프리커트 부재 가공 전문 공장인 노모토사의 사례를 들면, MSR기계로부터 시작하여 각종 CNC루터 및 몰더기와 와이드샌더, 지붕 패널기계의 순으로 배치할 수 있다. 이러한 배치순서는 하나의 사례이기 때문에, 공장에서 프리커트 가공하려는 부재의 종류와 치수, 공장의 생산용량, 용도, 기계 기종, 공장의 여건, 수종 등 여건에 따라 달라질 수 있다.

프리커트 부재를 생산하기 위하여 가장 먼저 수행되어야 할 일은 CAD에 의한 건축도면 작성이다. 이후 건축물의 구조완전성을 검토하기 위한 구조설계가 요구될 수 있으며, 이 구조설계는 MIDAS 등 구조설계 전문 프로그램을 활용하여 진행할 수 있다. 간이계산법에 의한 구조설계는 면적 기준으로 풍하중 내력과 지진 내력, 고정하중 내력, 가새의 양(합판사용 가능) 등의 비교적 간단한 사안에 대한 구조 검토를 수행할 수 있으나, 건축구조기준에 입각하여 필요한 구조설계를 진행하는 것이 원칙이다.

목재 프리커트 가공비 적용 기준에 따라 일본에서 시공되는 목조주택의 목공사 건축비를 분석한 사례를 보면, 목재 자재는 전체 건축비의 10% 내지 12% 정도를 차지한다. 주택의 건축비에서 목공사 건축비는 일반적으로 제곱미터당 115만 엔 내지 148만 엔(35만엔∼45만 엔/평)이며, 주문주택의 경우가 제곱미터당 165만 엔(50만 엔/평)에 이른다. 경골 목조주택과 일본재래공법에 의한 주택에서 주요 구조재인 목재의 비용은 큰 차이가 없다. 구조재인 목재가 차지하는 비율이 적은 편이다. 경골 목조주택의 경우 구조용 목질판재(합판 또는 오에스비)를 사용하기 때문에 건축재료비가 20% 내지 30%만큼 상승할 수 있다.

접합기술에 따른 프리커트 부재의 활용

목조건축의 접합방식은 짜맞춤 접합과 철물 접합으로 나뉜다. 목조주택에 사용되는 접합 철물로는 못과 볼트, 래그나사못, 드리프트 핀 등 다우얼형 철물이 있다. 이들 철물에 추가하여 목조건축의 다양한 구조에 알맞은 판상 또는 주물로 제작한 다양한 종류의 철물이 사용되며, 이들을 사용한 철물접합 기술이 지속적으로 개발되고 있다. 판상 또는 주물에 의한 철물접합의 경우 철물이 목재 외부로 드러나지 않는 삽입형 철물과 목재 외부로 드러나는 노출형 철물을 선택할 수 있다.

노출형 철물을 사용하는 경우 부재의 절단이나 천공, 따냄 등 기본적인 프리커트 가공으로 부재가 완성된다. 반면, 삽입형 철물을 사용하는 건축물의 경우 철물을 접합하기 위한 슬롯 등 복잡한 가공이 추가되기 때문에 프리커트 가공의 필요성이 훨씬 크다고 할 수 있다.

짜맞춤 접합 방식은 문화재를 비롯한 전통 한옥과 일본재래공법에서 많이 사용하고 있으며, 이들 목조건축물에 사용되는 주요 구조부재와 접합부를 가공하기 위하여는 프리커트 가공의 필요성이 훨씬 크다고 할 수 있다. 경우에 따라, 짜맞춤 접합과 철물을 동시에 사용하는 방식의 접합기술을 적용할 수 있는데, 이때 프리커트는 부재와 접합부의 유용한 가공 수단이 되고 있다. 향후 전통 짜맞춤 접합기술을 보유한 장인의 수적 감소와 기술 숙련도의 저하로 인하여 건축현장에서 전통적인 방법으로 수가공에 의존하는 방식은 갈수록 줄어들 전망이기 때문에, 프리커트 방식에 의한 정밀가공 부재의 활용은 비중이 더욱 커질 전망이다.

프리커트 부재 생산 공정의 알고리즘

CAD/CAM에 의해 기계 프리커트 부재를 생산하는 공정은 컴퓨터 기반 설계 과정과 컴퓨터 기반 부재가공 과정의 큰 범주로 구분할 수 있다. 컴퓨터 기반 설계는 건축설계에 구조설계 즉, 부재와 접합부의 안전성 검토가 포함된다. 컴퓨터 기반 부재가공은 가공도면을 작성하고 이에 따라 프리커트 가공하는 과정이다. 이들 과정은 개별 소프트웨어 또는 설비를 이용하여 서로 독립적인 작업으로 진행되지만, 각 과정 사이의 연계와 호환성 확보를 통해 전체 프로세스의 효율성과 완성도가 결정된다. 현재 목조건축 시장에서 사용 중이거나 향후 사용 가능한 CAD/CAM 프로그램과 설비, 전체 흐름도, 부재생산 기술 자료 분석을 통해, 향후 산업에서의 활용도를 고려하여 건축설계를 위한 소프트웨어(AutoCad), 구조안전성 검토 및 구조설계를 위한 범용 프로그램(Midas Gen), 프리커트 부재가공을 위한 설비(Hundegger)를 구축하는 방법을 적용할 수 있다.

프리커트 가공 장비의 부재 생산 공정에서 사용되는 개별 소프트웨어 및 소프트웨어 상호간의 연계 및 호환을 위해 hsbCAD 등의 인터페이스가 구축되어야 한다. 이들 프리커트 가공 시스템을 갖추어야 비로소 CAD/CAM에 의한 기계 프리커트 부재 생산 통합 알고리즘을 구축하였다고 말할 수 있을 것이다.

공업화 목조건축 시장 활성화를 위한 제언

기계 프리커트 방식에 의한 목조주택 산업 활성화를 위하여는, 새로운 기술 개발 및 적용이 가능한 부품의 표준화와 설계 상세, 시공공정 관리의 확립, 전문 인력의 양성이 선결되어야 한다. 또한 프리커트 부재의 가공시스템 구축과 기계 프리커트 부재 생산 공장을 설립하는 데 초기 투자비용이 크기 때문에, 목조주택 시장이 일정 부분 이상으로 성장하여 한 개 공장에서 연간 최소 수십 동에서 수백 동의 주택분에 해당하는 매출 규모의 확보가 필수적이다. 따라서, 목조주택 산업을 진흥하기 위한 프리커트 공장 설립 및 목조주택 산업 확대를 뒷받침하기 위한 정부의 정책적 배려가 매우 중요하다 하겠다.

최근 정부의 저탄소 녹색성장 정책 추진을 위한 그린홈 200만 호 건설계획에 목조건축이 기여할 수 있을 것으로 보이며, 이를 위한 구체적인 지원 방안도 마련되어야 할 것이다. 프리커트 방식의 공업화 목조건축은 국토해양부에서 추진하는 전통 한옥의 현대화 정책과 지방자치단체에서 시행하는 한옥 문화사업의 핵심적인 실천 전략에 반영되어야 할 것으로 생각한다. 이러한 관점에서 기계 프리커트의 산업화를 위하여는 프리커트 부재에 대한 브랜드화 전략도 필수적이다. 목조주택의 건축재료에 지역산 목재임을 나타내고 우리나라 대표 수종으로서의 소나무와 낙엽송 등의 브랜드화를 위한 전략적 접근이 필요하다 하겠다.  

 프리커트 공장 전경

 복합기계 프리커트 방식

 프리커트 부재

 프리커트 부재의 철물 접합

 단일기계 라인 프리커트 방식

 프리커트 부재의 철물 접합부 내력 시험

 프리커트 부재가공 공작도

 AutoCad를 사용한 건축설계

 Midas Gen을 이용한 구조설계

 프리커트 기둥-보 부재의 조립 장면 (테스트하우스)

 테스트하우스 전경 (국립산림과학원 구내)

 조감도 (산림생산기술연구소 구내)

글·사진 / 박문재(국립산림과학원 목재성능과) 

[좋은등대]

보로 가야지^^

[대천명]

새상이바곘으니,한옥짖는겠도...조금은...

[청출목수]

자료 감사합니다..

[돌검]

손수 치목한 것보다야 느낌이 덜 하겠지만, 단가는 많이 낮출수 있겠네요. 물론 설계가 치밀해야겠지만, 한옥짖는 것도 머지않았길