안녕하세요! 최근에 버크셔해서웨이에서 건설회사를 인수했다고해서 조금 알아봤습니다. AI산업이 가장 침투하지 못한 분야가 건설주고 실제로 병목현상이 가장 큰 분야라고 하더군요. 그래서 이러한 건설시장의 병목현상(AI생태계를 빠르게 쫓아가지 못하는) 해결하기 위해서는 off-site건설에 대한 부각과 플랫폼화가 중요하다고 말했다고 합니다. 그래서 모듈러 건축에 대해서 조금은 알아보고자 합니다. 오늘 쓰는 내용은 A review on modular construction for high-rise buildings(Huu-Tai Thai et al.) 내용을 참고해서 작성하였습니다.
최근 건설 산업에서 가장 주목받는 메가 트렌드 중 하나는 단연 OSC(Off-Site Construction, 탈현장 건설)와 모듈러 공법(Modular Construction)입니다. 공장에서 부재의 70~80% 이상을 정밀 제작한 후 현장에서 조립하는 모듈러 공법은 공기 단축, 철저한 품질 관리, 현장 안전성 확보, 그리고 탄소 배출 저감이라는 강력한 장점을 가지고 있습니다.
하지만 고층 및 초고층 빌딩으로 갈수록 모듈러 공법의 적용은 급격히 제한됩니다. 초고층 모듈러 건축이 직면한 구조적 한계는 무엇이며, 이를 극복하기 위해 구조엔지니어가 반드시 알아야 할 핵심 기술은 무엇인지 대형 학술 리뷰 논문(Thai et al., 2020)의 핵심 내용을 바탕으로 깊이 있게 분석해 보겠습니다.
초고층 모듈러 건축의 3대 구조적 한계
모듈러 유닛은 단일 상자 형태로서는 우수한 강성을 지니지만, 이것이 수십 층으로 쌓여 초고층 구조물을 이룰 때는 전통적인 RC(철근콘크리트)나 라멘 구조와는 완전히 다른 구조적 취약성을 가집니다.
- 횡하중(풍하중·지진하중) 저항성 부족: 건물이 높아질수록 모멘트와 전단력은 기하급수적으로 증가합니다. 독립된 개별 모듈의 집합체는 초고층에서 발생하는 거대한 횡변위(Drift)와 풍진동을 제어할 만한 일체화된 강성을 확보하기 어렵습니다.
- 연쇄 붕괴(Progressive Collapse) 위험성: 예상치 못한 폭발이나 충격 등으로 인해 특정 층의 모듈 유닛 하나 또는 기둥 부재가 파손되었을 때, 상부의 하중이 주변으로 안전하게 재분배(Alternate Path)되지 못하면 구조물 전체가 도미노처럼 무너지는 연쇄 붕괴에 매우 취약합니다.
- 다이어프램(Diaphragm)의 유연성 문제: 각 모듈의 바닥판이 서로 완벽하게 결합되지 않으면, 수평 하중을 코어(Core)나 주 골조로 안전하게 전달하는 다이어프램 거동이 저하되어 예측 불가능한 국부 변형이 발생할 수 있습니다.
고층 모듈러 건축의 3대 핵심 적층 방식 (Stacking Approaches)
공장에서 제작된 3D Volumetric 모듈 또는 2D 패널 시스템을 현장에서 결합하여 고층화할 때, 구조적 안전성을 확보하기 위해 적용되는 적층 방식은 크게 세 가지로 분류됩니다.
- 코어 기반 방식 (Core-based Approach): 수직 및 횡력 저항의 중심이 되는 콘크리트 전단벽 코어나 강재 트러스 코어를 중앙 또는 측면에 먼저 시공한 뒤, 그 주변으로 모듈 유닛들을 배치 및 적층하는 방식입니다. 이 시스템에서 개별 모듈 유닛은 오직 연직(수직) 중력 하중만을 분담하도록 설계되며, 강풍이나 지진에 의한 거대한 횡하중은 코어 구조물이 전담합니다. 따라서 슬래브 및 격막(Diaphragm) 역할을 수행하는 유닛 프레임과 코어 간의 전단 접합부가 횡력을 효율적으로 전달할 수 있도록 매우 강하게 설계되어야 합니다.
- 포디움 기반 방식 (Podium-based Approach): 하부의 저층부(주차장, 상가, 기계실 등 대형 공간 필요 구역)를 현장 타설 철근콘크리트(RC)나 철골조 등 전통적인 구조 형태로 구축하고, 상부의 주거용 또는 사무용 반복 구간을 모듈러 유닛으로 올려놓는 방식입니다. 전통적인 구조로 지어진 포디움 슬래브가 일종의 인공 지반이자 전환 슬래브(Transfer Slab) 역할을 하며 상부 모듈의 하중을 기초로 안전하게 전달합니다. 주상복합 건물이나 고층 주거 타워에 매우 적합합니다.
- 인필드 프레임 방식 (Infilled Frame Approach): 현장에서 전통적인 방식으로 주 구조체(기둥과 보로 이루어진 거대한 메가 프레임)를 먼저 시공한 뒤, 프레임 사이의 격자 공간에 완제품 형태의 모듈 유닛을 서랍처럼 끼워 넣는 방식입니다. 주 프레임이 건물의 전체적인 수직·횡안정성을 완전히 보장하기 때문에 모듈 자체의 구조적 부담이 가장 적고 초고층화에 매우 유리하다는 장점이 있으나, 현장 골조 공사와 모듈 삽입 공사가 완전히 분리되어 공기 단축 효과가 다른 방식에 비해 다소 감소할 수 있습니다.
세계 최고층 모듈러 빌딩 사례 분석 (Top Case Studies)
제조 및 재료 기술의 발전으로 최근 전 세계 곳곳에서 초고층 모듈러 프로젝트들이 성공적으로 완공되고 있습니다. 아래 표는 전 세계에서 주목받는 주요 고층 모듈러 빌딩의 구조적 특성을 정리한 데이터입니다.
| Collins House | 60층 | 2019 | 호주 멜버른 | 콘크리트 하이브리드 | 세계 최고층 모듈러 빌딩으로, 2D precast 패널벽과 3D 볼륨 슬래브를 결합한 Hickory Building System(HBS) 공법 적용. 하부 14층은 현장 타설, 상부는 습식 접합(Wet Joint) 공법 사용. |
| J57 Mini Sky City | 57층 | 2015 | 중국 창샤 | 철골조 (Steel) | Broad Sustainable Building(BSB)의 2D 패널화 철골 바닥 카세트 공법을 사용하여 단 19일 만에 초고속으로 현장 조립 완공 (하루에 3개 층 적층). 부재의 90% 이상을 공장 사전 제작. |
| Croydon Tower | 44층 | 2020 | 영국 런던 | 철골조 (Steel) | 완전한 3D 입체형(Volumetric) 철골 모듈러 건물 중 최선두 사례. 코어와 포디움은 콘크리트이며 모듈 기둥은 60mm 두께의 각형강관(SHS) 프레임을 사용. 하부층 기둥 크기 300mm에서 상부층 150mm로 변화. |
| Clement Canopy | 40층 | 2019 | 싱가포르 | 콘크리트 (RC PPVC) | 완전 콘크리트 Volumetric 방식(PPVC) 중 세계 최고층 타워. 1,899개의 모듈이 사용되었으며 코어 기반 방식을 통해 유닛들이 중앙 콘크리트 코어벽에 고강도 습식 그라우팅 접합부로 결합됨. |
| B2 Tower | 32층 | 2016 | 미국 뉴욕 | 철골조 (Steel) | 930개의 경량 철골 3D 모듈 유닛 적층. 강한 풍하중과 지진하중에 저항하기 위해 건물 전반에 걸쳐 가새 철골 프레임(Braced Steel Frame) 외주 구조 시스템을 결합하여 가새 트러스 형태로 연동. |
고층 모듈러 구조 시스템 및 부재 최적화 설계
고층 모듈러 설계를 진행할 때 구조 기술자가 마주하는 가장 큰 문제는 "하부층으로 갈수록 거대해지는 축하중을 유닛 크기 한계 내에서 어떻게 지탱할 것인가"와 "건물의 전체 횡변위(Sway)를 어떻게 제어할 것인가"입니다.
-3D Volumetric 시스템의 하중 전달 메커니즘
3D 모듈러 유닛은 하중 전이 방식에 따라 하중분담벽 방식(Load-bearing wall system)과 코너벽/코너기둥 지지 방식(Corner-supported frame system)으로 나뉩니다. 고층 건물에서는 평면의 개방성과 가변성을 확보하고, 하중을 명확히 집중시켜 전달할 수 있는 코너기둥 지지 방식이 선호됩니다. 주로 각형강관(SHS) 또는 H형강 기둥이 사용되며, 상부층에서 하부층으로 연속적인 기둥 대 기둥 접합을 통해 축력이 전달됩니다.
-고성능 합성 부재(Composite Chassis)의 도입 제안
층수가 높아질수록 하부 기둥의 단면이 커져 내부 유효 면적이 줄어들고 양중 중량이 증가하는 한계가 발생합니다. 이를 극복하기 위해 싱가포르국립대 Liew 교수 연구진 등은 고성능 합성 모듈 시스템을 제안했습니다. 상부층 프레임은 일반 경량 각형강관(SHS)을 사용하고, 중간층은 강관 내부에 일반 콘크리트를 채운 충전형 강관(CFST) 기둥을 사용하며, 거대한 압축력을 받는 최하부층에는 고강도 강관 내부에 초고강도 콘크리트(High-strength concrete filled steel tubular, CFST)를 채운 하이브리드 합성 기둥을 배치하는 단면 최적화 전략입니다. 여기에 얇은 두께로 장스팬 구현이 가능한 슬림 플로어(Slim floor, 예: Slimdek) 공법과 합성보를 결합하면 모듈 프레임 자체 중량을 최대 40%까지 경량화할 수 있어, 도로 수송 한계(3.4m~3.5m 폭 한계) 및 타워 크레인 양중 능력(일반적인 대형 크레인 한계인 20톤 이내)을 완벽히 만족시키면서도 유닛 스팬을 12m까지 확장할 수 있습니다.
-혁신적 횡력 저항 코어 기술: SpeedCore
고층 모듈러의 대다수는 콘크리트 코어벽을 slipform이나 jumpform 공법으로 먼저 올리지만, 이는 현장 공정을 수반하여 모듈러 특유의 속도감을 저해할 수 있습니다. 최근 미국 시애틀 레이니어 스퀘어 타워 등에 적용되어 혁신성을 입증한 SpeedCore(강판 콘크리트 샌드위치 구조, SC구조)는 훌륭한 대안입니다. 두 장의 구조용 강판 사이에 타이 바(Tie bar)를 촘촘히 용접해 공장에서 모듈형 전단벽 블록으로 제작해온 뒤, 현장에서 볼팅/용접으로 빠르게 조립하고 내부 빈 공간에 콘크리트를 채워 넣는 방식입니다. 거푸집 지지대 배치와 철근 배근 공정이 완전히 생략되므로 코어 시공 속도가 전통 방식 대비 4~5배 빨라져 상부 모듈러 적층 속도와 균형을 맞출 수 있습니다.
구조설계의 핵심: 모듈 간 접합 기술 (Inter-Module Connections Detail)
모듈러 구조설계에서 가장 복잡하고 중요한 요소는 상·하·좌·우 유닛들이 만나는 접합부 상세입니다. 접합부는 현장 조립이 극도로 용이해야 하면서도, 구조 해석 시 가정하는 강성(Rigidity)을 만족하여 건물 일체성을 확보해야 합니다. 현장 용접 방식은 품질 관리가 어렵고 마감 손상이 커 제외되며, 주로 다음의 세 가지 기계적 접합 방식이 연구 및 적용되고 있습니다.
-인장 타이 로드(Tie Rod) 및 강재 박스 접합
수직으로 적층되는 모듈 기둥 코어 내부 또는 외주부에 긴 고강도 나사산 로드(Threaded rod)나 강연선(Pre-stressed tendon)을 관통시켜 최상부에서 인장력을 주어 정착시키는 방식입니다. 수평 전단력은 상하 유닛 사이에 삽입되는 전단키(Shear Key)나 전단 블록(Shear Block)이 저항합니다. 유닛 외부에서 작업이 가능해 내부 마감재를 전혀 건드리지 않는 큰 장점이 있으나, 접합부 고유의 회전 강성이 낮아 강접합(Rigid joint)이 아닌 핀(Pinned) 또는 약한 반강접(Weak Semi-rigid) 거동을 보입니다. 따라서 풍하중에 의한 모멘트 저항이 약하므로 반드시 강력한 전단벽 코어 시스템과 연동하여 사용해야 합니다. 최근에는 상하 유닛 사이에 경사진 강재 상자(Steel Box)를 끼워 넣고 타이 로드로 조여 국부 좌굴을 방지하고 내진 성능을 높인 상세(Sanches et al.) 등이 활발히 연구되고 있습니다.
-특수 주강 커넥터 시스템 (Connector Systems)
공장에서 정밀 주조된 특수 커넥터 블록을 모듈 프레임 코너에 미리 용접해 두고, 현장에서는 고강도 볼트로 빠르고 단단하게 조이는 방식입니다.
- Vectorbloc 시스템: 상부 블록, 하부 블록, 정렬 핀(Registration pin), 그리고 고강도 소켓 헤드 캡 스크루(SHCS) 및 거셋 플레이트(Gusset plate)로 구성된 표준화된 정밀 조립 시스템입니다. 거셋 플레이트가 수평 방향의 인접 모듈을 단단히 묶어주고 수직 볼트가 상하 유닛을 체결합니다. 실험 결과 압축 하중에는 매우 연성적인 우수한 거동을 보이나, 극심한 인장 상태에서는 볼트의 갑작스러운 취성 파단 위험이 있어 인장 연성 능력을 확보하기 위한 볼트 상세 개선 설계가 필요합니다.
- 셀프락(Self-lock) 커넥터: 현장에서 볼트를 조이는 시간마저 아끼기 위해 개발된 기계식 마찰 쐐기 메커니즘입니다. 하부 모듈 접합 상자 위에 정렬용 스터드(Stud) 핀을 세워두고, 상부 모듈을 크레인으로 내리면 스터드가 상부 조합 홀에 부드럽게 박히며 중력과 마찰력으로 자동 고정(Friction self-locked mechanism)됩니다. 볼팅을 위한 작업 공간과 시간이 필요 없어 시공성이 극대화되며, 실험 결과 유로코드 3(Eurocode 3) 기준 강접합부 강성의 약 80%에 달하는 우수한 semi-rigid 성능과 뛰어난 지진에너지 소산 능력을 보여주었습니다.
-현장 볼트 체결 및 원사이드 blind bolt 기술
가장 보편적이고 신뢰도 높은 방식으로, 모듈 기둥 벽체에 시공용 접근 구멍(Access opening)을 뚫어두고 작업자가 내부에서 고강도 볼트를 체결한 뒤 구멍을 커버 플레이트로 용접 마감하는 상세입니다. 단점인 내부 인테리어 손상 문제를 해결하기 위해, 중공형 강관 기둥 외부에서 한 방향 체결만으로 완벽한 정착력을 발휘하는 **블라인드 볼트(Blind Bolt)**와 외부 거셋/연결 플레이트(Connection Plate)를 조합한 상세가 널리 쓰입니다. Lee 및 Cho 등의 연구에 따르면 연결 플레이트의 형상(T형, L형,십자형)을 최적화하고 블라인드 볼트를 전단 영역에 배치할 경우 고층 프레임 모멘트 접합부에 준하는 강접(Rigid)에 가까운 거동을 구현할 수 있으며, 반복 주기 하중 하에서 보/기둥의 국부 좌굴 유도 전까지 볼트 자체의 파괴가 발생하지 않는 높은 안전성을 입증했습니다.
연쇄붕괴 방지(Progressive Collapse) 및 구조적 강인성(Robustness) 설계
모듈러 건축은 기본적으로 불연속적인 유닛들이 집합된 형태이므로 폭발, 화재, 차량 충돌 등 예기치 못한 극한 하중으로 인해 특정 기둥이나 단일 모듈 유닛이 손상되었을 때 건물 전체가 도미노처럼 무너지는 연쇄붕괴(Progressive Collapse)에 취약할 수 있습니다. 따라서 구조 설계 시 강인성(Robustness) 평가가 필수적입니다.
-직접 설계법: 대체 하중 경로법 (Alternative Load Path, ALP)
국제 설계 기준(GSA, UFC, Eurocode 1)에서 가장 권장하는 확정적이고 직접적인 설계법입니다. 해석 모델 상에서 임의의 주요 수직 기둥(예: 최하부 모퉁이 기둥)이 완전히 소실되었다고 가정한 후, 상부 하중이 주변 프레임으로 안전하게 재분배되는지 평가합니다. Chua 등의 40층 모듈러 타워 연쇄붕괴 시뮬레이션 결과에 따르면, 특정 기둥 탈락 시 상부 모듈 프레임의 바닥 보가 하중을 매다는 현수 작용(Catenary Action)과 벽체 프레임의 트러스 작용(Truss/Vierendeel Action)이 활성화되며 거대한 하중 재분배 통로가 형성됩니다. 모듈러 건물은 유닛의 중첩으로 인해 기본적으로 구조적 중복성(Redundancy)이 매우 높기 때문에, 접합부의 전단 및 인장 성능만 충분히 뒷받침된다면 연쇄붕괴를 매우 효과적으로 저지할 수 있습니다. 최악의 붕괴 유발 시나리오는 건물의 단부 모퉁이 유닛 전체가 손상되어 캔틸레버 거동을 해야 하는 상황이며, 이때 상하 유닛 간의 수직 결속력이 붕괴를 막는 최후의 보루가 됩니다.
- 결속력법 (Tying Force Method)에 의한 최소 기준
영국 표준 및 유로코드에서 제안하는 간접 설계법으로, 모듈 간 구조적 통합성을 위해 최소한의 결속력을 확보하도록 규정합니다. 구조 해석 결과 상세 평가에 따르면, 수평 방향 접합부는 해당 모듈 유닛에 작용하는 총 계수 하중의 최소 26% 이상인 수평 결속력을 확보해야 하며, 상하 수직 방향 접합부는 총 계수 하중의 최소 40% 이상을 견딜 수 있는 인장 결속력을 확보하도록 정량적인 기준이 제시되어 있습니다. 이는 기둥 탈락 시 격막 수평 작용과 현수 인장 메커니즘을 유도하기 위한 최소한의 공학적 장치입니다.
고층 모듈러 해석 모델링 및 시공 오차 고려 기술
일반 건축물은 전체 구조가 일체화된 연속체로 해석하지만, 모듈러 빌딩은 유닛 간 불연속면과 접합부의 반강접(Semi-rigid) 특성을 해석 모델링에 반드시 유기적으로 반영해야 합니다.
-접합부 회전 강성을 고려한 프레임 해석
실무 설계 시 범용 프로그램(ETABS, SAP2000)을 사용할 때 상하 유닛 접합부를 단순히 'Pinned'로 처리하는 경우가 많으나, 이는 실제 기둥의 유효좌굴길이 계수(K factor)를 지나치게 보수적이거나 불안전하게 산정하게 만드는 요인이 됩니다. 기둥의 정밀 안정론 해석(Li et al.)에 따르면 Semi-rigid 접합부의 비선형 모멘트-회전 곡선(M-φ curve) 데이터를 기반으로 한 스프링 요소(Link/Spring Element) 모델링이 필수적입니다. 또한, 개별 유닛 내 바닥 다이어프램(Diaphragm)의 유연성 및 강성을 정확히 반영해야 전체 건물의 수평 횡변위(Global Sway)와 비틀림 거동을 정밀하게 예측할 수 있습니다.
-누적 시공 오차(Tolerance)와 가상 수평하중(Notional Load)
공장 제작 오차 및 현장 거치 시 발생하는 유닛의 수직도 어긋남(Out-of-verticality, 통상 층당 h/500 한계)은 층수가 올라갈수록 누적되어 구조물에 추가적인 기하학적 2차 모멘트(P-Delta 효과)를 유발합니다. 일반 현장 타설 RC 구조물은 해석 시 축하중의 0.5%를 가상 평방향 하중(Notional Horizontal Load)으로 재하하여 오차 효과를 간접 반영하지만, 중저층(12층 이하) 모듈러 코드(Lawson et al.)에서는 이보다 2배 높은 1.0%의 가상 수평하중을 적용하도록 권장합니다. 이는 모듈 조립 특유의 초기 변동성을 고려한 안전장치입니다. 다만, 본 논문에서 강조하듯이 강력한 철근콘크리트 코어벽이 수직 기준선 역할을 해주는 고층 모듈러 빌딩의 경우 코어 정렬에 맞춰 시공 오차 제어가 가능하므로, 유로코드 3 규정과 동일하게 0.5%의 가상 수평하중을 적용하여 경제적인 설계를 유도할 수 있습니다.
결론: 구조엔지니어를 위한 미래 설계 패러다임
모듈러 초고층화의 성패는 전통적인 토목·건축 공학적 직관을 넘어, 제조 공학(Manufacturing)과 구조 역학의 정밀한 하이브리드 결합에 달려 있습니다. 향후 모듈러 시장을 선도하고자 하는 구조기술자들은 다음의 기술 트렌드와 연구 방향에 주목해야 합니다.
- 합성 구조(Composite Chassis)의 적극적 채택: 순수 철골조 유닛의 단점인 내화·차음·진동 문제를 해결하고 하부층 압축력을 완벽히 제어하기 위해 콘크리트 충전 강관(CFST) 및 슬림 플로어 합성 슬래브 시스템 설계 기술을 내재화해야 합니다.
composite chassis (Liew et al) - 스마트 기계식 접합부 상세 개발 및 규격화: 현장 볼트 체결 노동력을 최소화하면서 높은 모멘트 회전 강성을 제공하는 셀프락(Self-lock) 계열의 스마트 기계식 접합 장치에 대한 비선형 해석 및 실험적 검증 데이터 확보가 시급합니다.
self-lock connector - 고급 비선형 섬유 힌지(Fibre Hinge) 컴퓨터 해석 기법: 3D Solid 유한요소 해석은 실무 설계 오피스에서 계산 비용이 너무 과하므로, 재료·기하 비선형성, 콘크리트 구속 효과(Confining effect), 강재 국부 좌굴 및semi-rigid 접합부 거동을 동시에 모사할 수 있는 정밀한 1D Fibre 요소 기반의 고속 매트릭스 해석 프레임워크를 정립해야 합니다.
- 모듈러 전용 한계상태설계법(Code) 제정 동참: 기존 AS 4100, AISC 360, Eurocode 3 등 일반 구조 기준을 짜깁기하여 적용하는 현재의 한계를 넘어, 양중·운송 시 발생하는 단기 동적 하중 상세 및 누적 시공 오차 메커니즘을 반영한 모듈러 전용 구조설계 가이드라인 및 코드 수립에 구조 공학계의 적극적인 참여가 요구됩니다.