3D프린팅 건축, 또 한번 진화. 건설자동화로 생산성 높인다.

이다인 기자 / 기사승인 : 2020-08-20 10:17:53
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미 신생 기업, 경량의 특수 합성석재 개발

자외선으로 즉시 경화…수평 프린팅 가능
바닥과 벽체는 물론 지붕까지 한 번에 완성하는 3D 프린팅 건축 기술이 선을 보였다. 3D 프린터로 지은 20평짜리 단층 주택. 마이티빌딩스 제공

 

 

3D 프린팅 건축 기술이 한 걸음 더 앞으로 나아갔다. 바닥과 벽체뿐 아니라 지붕까지 한꺼번에 프린팅하는 기술이 등장했다. 미국 캘리포니아주 오클랜드의 신생기업 마이티 빌딩스(Mighty Buildings)는 최근 3D 건축 프린터로 벽과 바닥뿐만 아니라 천장, 지붕까지 집의 외관 전체를 3D 프린터로 제작한 두 채의 시범주택을 완공했다. 이 회사의 6m 높이 3D 프린터 빅지(Big-G)는 초당 12cm의 속도로 24시간 안에 32.5㎡(약 10평) 규모의 단층 건물 외관을 완성한다. 침실 1개, 욕실 1개와 간이 주방을 갖춘 65㎡(약 20평)의 주거 건물은 구조 완성에서 설치, 마무리까지 총 5주가 걸렸다.



마이티 빌딩스의 3D 프린터는 천장과 지붕까지 프린팅하는 게 특징이다. 최고경영자 겸 공동 설립자 슬라바 솔로니친(Slava Solonitsyn)은 “전체 건축 과정의 80%를 자동화했다"고 말한다.

 

 

마이티빌딩스의 3D 건축 프린터 시범 장면. 자외선으로 즉시 경화시킨다. 마이티빌딩스 제공

 

 

콘크리트보다 4배 가벼워…건축비 45% 절감

자동화의 비결은 이 회사가 개발한 LSM(Light Stone Material)이라는 이름의 건축재료에 있다. 이 회사는 스타트업 육성 프로그램인 와이콤비네이터(Y Combinator)의 지원 아래 주방 조리대에 사용되는 인조대리석 코리안(Corian)과 비슷한 류의 가벼운 합성 석재를 개발했다. 콘크리트보다 4배나 가볍고 방수, 방화 기능도 갖췄다고 한다. 이 소재를 3D 프린팅에 넣어 노즐을 통해 뽑아내면서 자외선 빛에 노출시키면 즉시 딱딱하게 굳는다. 이렇게 되면 스스로 자신의 무게를 지탱할 수 있게 돼 수평으로 넓혀가며 지붕을 만들 수 있다. 솔로니친은 이 기술을 내세워 2018년 와이컴비네이터 프로그램을 졸업하면서 벤처캐피털로부터 3천만달러의 투자금을 유치했다.



3D 프린팅 주택 건축에서 자동화되지 않은 것은 나머지 창문, 배관, 전기 공사다. 이들 작업은 공장에서 인쇄된 주택이 현장으로 옮겨진 뒤 진행된다. 욕실은 전문업체에 맡겨 별도로 설치한다. 인건비, 재료비 절감 덕분에 마이티 빌딩스의 3D 프린팅 주택 건축비용은 캘리포니아의 일반 주택에 비해 45% 덜 들어간다고 이 회사는 밝혔다.

 

 

3D 프린터로 지은 10평짜리 단층 별채.

 

 

“노동력 대체 아닌 노동력 부족 해소”

마이티 빌딩스는 3D 프린팅 주택은 건축비가 무척이나 높고 건설 인력이 부족한 캘리포니아 같은 지역에서 특히 유용하다고 말한다. 이 회사 지속가능 최고책임자 샘 루벤(Sam Ruben)은 “우리는 노동력을 대체하려는 게 아니라 노동력 부족, 특히 숙련 노동력 문제를 해결하려는 것"이라고 인터넷 미디어 `패스트컴퍼니' 인터뷰에서 말했다.



2016년 맥킨지연구소는 캘리포니아주 정부가 주택 공급 부족 문제를 해결하고 집값을 안정시키려면 2025년까지 주택 350만호를 건설해야 한다는 보고서를 냈다. 이 목표를 달성하려면 건축 공사가 전례 없는 속도로 진행돼야 한다. 그러자면 우선 현장에서 집을 짓는 것보다는 1년 내내 공사가 가능한 공장에서 작업하는 것이 더 효율적이라고 마이티 빌딩스는 주장한다. 이 회사의 3D프린팅 주택은 현장 시공이 아니라, 회사 공장에서 구조물을 프린팅한 뒤 트럭으로 옮겨와 나머지 공사를 마무리하는 방식이다.

 

 

20평짜리 3D 프린팅 주택의 내부.

 

 

“단독주택 대량생산 시대 열겠다”

이 회사는 이 3D 프린터를 이용하면 단독주택 대량생산도 가능하다고 말한다. 이를 위해 일반 개인을 대상으로 주택을 한 채씩 공급하는 방식 대신 주택 개발업체와 손잡고 대량 공급하는 방식을 추진하고 있다.



3D 프린팅 건축은 환경 면에서 이점이 많다. 우선 재료가 덜 들어간다. 버리는 재료가 없고 여러 재료를 쓸 필요가 없다. 마이티 빌딩스에 따르면 일반적으로 건축물의 벽체에는 10여 가지 재료를 사용한다. 하지만 마이티 빌딩스는 한 가지 재료만 쓴다. 배관과 전선이 들어갈 통로도 이 과정에서 동시에 만들어진다. 에너지 효율도 높다. 지붕과 바닥과 벽 전체를 한 몸으로 만들어내기 때문에 따로따로 제작해 결합하는 방식에 비해 지붕과 바닥, 벽 사이에 틈이 생기지 않아 열이 새어나가는 것을 막아준다.



현재 이 회사가 제작할 수 있는 집은 10평 원룸(11만5000달러)에서부터 방 3개, 욕실 2개인 집(28만5천달러)까지 6개 모델이다. 건축비는 1제곱피트(0.09제곱미터)당 평균 314달러. 마이티 빌딩스는 당장은 단독주택의 뒤뜰에 지을 수 있는 별채 제작에 중점을 둔다는 방침이다. 올해는 일단 바닥과 벽체 3D 프린팅 기술 적용에 집중하고, 내년부터 지붕까지 합친 완전한 3D 프린팅 주택으로 넘어갈 계획이다.



​3D 프린팅 건축의 진화…2층 주택을 짓다

3주 소요…“재료, 시간, 비용 60% 절약”

 

 

벨기에 안트워프에 들어선 3D 프린팅 2층 시범주택. 캄프시 제공

 

 

한동안 정체돼 있는 듯하던 3D 프린팅 업계에서 얼마 전부터 가시적인 성과를 내기 시작한 분야 가운데 하나가 3D 프린팅 건축이다. 커다란 벽체를 층층이 쌓아올리는 방식이어서 일반 기기나 부품 제조보다 상대적으로 정밀성이 덜 필요하기 때문인 것으로 보인다. 그 가운데서도 활기를 띠고 있는 것이 3D 프린팅 주택이다.



2010년대 후반에 등장하기 시작한 3D 프린팅 주택은 처음엔 둥그런 형태의 작고 단순한 오두막집 정도였다. 하지만 불과 몇년 사이에 서민들에게 저렴한 주택단지를 공급할 정도로 성장해가고 있다. 미국의 3D 프린터 제작업체 아이콘과 멕시코의 비영리 금융기업 에샬이 협력해 진행하는 세계 최초의 3D 프린팅 주택 단지는 50채 규모로, 올해 말 완공을 목표로 공사가 진행 중이다.

 

 

2019년 멕시코 시골마을에 지어진 3D 프린팅 단층 주택. 아이콘 제공

 

 

최근 또 하나의 기술 발전이 이뤄졌다. 벨기에 안트워프에 있는 지속가능건축생활센터 캄프시(Kamp C)가 3D 프린터 제작업체 코보드(COBOD)와 함께 대형 3D 건축 프린터로 높이 8미터의 2층 주택을 지어보였다.



두바이에서 지난해 2층짜리 3D 프린팅 오피스가 선보인 적은 있지만 주택 분야에서 2층 건물을 3D 프린팅 방식으로 짓기는 이번이 처음이다. 특히 2층 구조물 전체를 한 자리에서 한꺼번에 완성한 건 처음이라고 캄프시쪽은 밝혔다.

 

 

캄프시가 지은 3D 프린팅 시범주택 내부.

 

실내 구조는 기본적으로 현관과 방 2개, 주방, 욕실로 이뤄져 있다. 여기에 바닥 난방, 태양광 전지판 같은 지속가능하고 에너지 절약형 시설이 추가됐다.



주택의 바닥면적은 90제곱미터로, 벨기에인들이 사는 주택 크기라고 한다. 이 주택을 짓는 데 사용한 3D 프린터는 가로 10미터, 세로 10미터 크기의 보드2(BOD2) 프린터다. 1분에 18미터의 속도로 작동한다. 집을 짓는 방식은 다른 3D 건축 프린터와 다를 바 없다. 특수 제작된 시멘트 혼합물을 노즐을 통해 뽑아내면서 벽체를 층층이 쌓는다. 한 번에 쌓는 높이는 2센티미터다. 벽체가 완성된 다음엔 건설 노동자들이 지붕, 창문 등을 설치하고 주방가구 배치 등 나머지 인테리어 작업으로 공사를 마무리한다.

 

 

밖에서 본 3D 프린팅 2층 주택. 캄프시 제공

 

 

이번 시범주택을 짓는 데 걸린 기간은 3주였다. 캄프시는 앞으로 공사기간을 2일 안팎까지 단축할 수 있을 것으로 전망한다. 프로젝트 책임을 맡은 마레이커 아츠(Marijke Aerts)는 “벽체의 압축 강도는 기존 벽돌보다 3배나 크다"고 밝혔다. 또 섬유, 철망 같은 보강재와 거푸집을 쓸 필요가 없어 재료와 시간, 비용이 약 60% 절약된다고 말했다.

 

 

이탈리아의 3D 프린팅 기술 업체 와스프(WASP)가 2016년에 지은 오두막형 건축물. 와스프 제공

 

이번 3D 시범주택 건설은 유럽의 혁신기술 촉진 프로그램인 C3PO의 일환으로 추진된 것으로, 향후 3D 프린팅 주택의 가능성을 알아보려는 연구 목적으로 지은 것이다. 사람들이 실제 입주하지는 않는다.


토공 공정, ‘단계별 지능화’로 생산성 높인다

 

 

 

 

스마트 건설 바람이 불고 있다. 초연결·지능화를 통해 스마트 건설을 구현하는 것은 건설자동화 기술의 궁극적인 개발 목표다. 이를 위해서는 구조물의 기획 단계에서부터 유지관리까지 전주기에 걸쳐 확보해야 하는 데이터의 종류와 표준을 명확히 설정하고, 데이터의 흐름을 건설 전주기적으로 저장, 관리, 분석, 활용할 수 있는 방안이 고려돼야 한다. 건설의 많은 공정에서 자동화·지능화가 가능한 영역을 설정해야 하며, 이를 위해서는 건설관리, 구조, 도로 등 건설 전 분야 산·학·연 전문가의 역할이 매우 중요하다.



건설자동화연구센터의 올해 핵심 연구과제는



건설자동화연구센터는 주요 구조물 별 건설공사 공정을 검토해 건설 분야 자동화 가능영역을 분석하고, 4차 산업혁명 기술과 접목 가능한 기술 개발을 통해 요소기술을 개발하는 역할을 수행 중에 있습니다.



현재 건설자동화연구센터에서 중점적으로 진행 중인 연구는 토공 자동화 기술입니다. 스마트 건설기술 로드맵에서는 설계·시공·유지관리단계로 건설 프로세스를 구분하고, 각 단계별 스마트 핵심기술인 드론, BIM, 건설장비 자동화, 가상시공, 사물인터넷, 빅데이터 기술을 접목하고 활용하는 방안에 대한 기술 개발 방향을 설정하고 있습니다.



건설자동화연구센터에서는 이에 발맞춰 건설 공사 중 토공 분야의 자동화 필요·가능 영역을 파악하고 있습니다. 건설, 토목 분야에서 연구할 수 있는 요소기술들을 직접 개발하고 토공 프로젝트의 생애주기에 걸쳐 장비 자동화 기술, 첨단조사기법, BIM, 빅데이터, 가상현실 기술 등을 융합하는 기술 개발을 진행 중입니다.



이처럼 스마트 기술이 융합되는 선도 기술 개발을 통해 토공 공정 단계별 지능화로 토공 생산성을 20% 이상 향상하는 것이 최종 목표입니다.

 

 

 

 

스마트 건설 가상화 시뮬레이션이란



VR 기술을 건설에 적용하기 위해 필요한 BIM To VR 핵심기술들과 최적의 건설 가상화 시뮬레이션 사례들을 구축해, 다양한 BIM 도면을 용이하게 시뮬레이션 할 수 있는 기술을 말합니다. 스마트 건설 가상화 시뮬레이션 지원 시스템 연구를 통해 BIM 기반의 가상건설 시뮬레이션 기술개발을 통해 시공교육, 유지관리, 재난대피 시뮬레이션 등이 가능할 전망입니다.



건축물 3D프린팅 기술의 전망은



건축물 3D 프린팅 기술은 현행 건설 방식을 자동화된 디지털 건축으로 전환하고, 생산자-공급자-소비자가 하나의 디지털 설계를 공유할 수 있는 新건설 기술 패러다임입니다. 이 기술개발을 통해 설계기술, 건축용 3D 프린팅 재료, 장비 기술을 활용해 소형건축물, 비정형 구조재/비구조재 등 새로운 건축 상품을 생산하고 혁신된 건축방식을 활용해 공기단축과 공사비를 절감할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 그 외에도 IoT 기반 시설물 유지관리, 스마트 슈즈를 활용한 지반 다짐도 분석 기술 등 다양한 건설자동화 연구가 센터에서 진행되고 있습니다.



향후 건설자동화연구센터의 계획은



현재 스마트 건설장비 분야로는 건설장비 자동화·무인화, 현장 안전관리와 관련된 연구를 추진 중입니다. 건설장비 자동화·무인화에서는 장비 운영·관제기술 활용을 위한 의사결정시스템, 현장 안전관리에서는 IoT, 웨어러블 장비 기반의 위험정보 예측과 위험공종에 대한 로봇연구 기획을 추진할 계획입니다. 이러한 연구를 진행하기 위해 내·외부의 기계/로봇 분야의 전문가들과 업무 협력을 통해 기술을 개발하고자 합니다.



또한 스마트 팩토리와 연계된 스마트 건설자재 제조 공정에 대한 연구를 추진할 계획입니다. 건설자재 제작 과정은 크게 설계·구조해석·제작 등의 단계로 구성되며, 설계 분야와 연계해 ‘로봇암 운용을 위한 비정형 건설자재의 3차원 모델링’, 구조해석에서는 ‘비정형 건설자재의 3차원 BIM 변환, 구조해석’, 시공 분야에서는 ‘로봇암 운용을 통한 디지털 프리패브리케이션 기반의 건설자재 제조’ 기술에 초점을 맞춰 연구를 추진하고자 합니다.

[뉴스퍼블릭=이다인 기자]

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