[떠오르는 특허 기술⑭] 모듈러 주택(Modular Building)

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2019/08/01 [15:39]

[떠오르는 특허 기술⑭] 모듈러 주택(Modular Building)

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2019/08/01 [15:39]
▲ 모듈러 건축물(okosmostisgnosis.blogspot.kr)     © 특허뉴스

 

모듈러 주택(Modular Building)은 공간디자인, 설계, 부재의 절단·맞춤·이음 등을 포함한 주택 시공 기술에 관한 기술이다. 주거용은 물론 공공시설 건축물 등 다양하게 활용된다. IP타깃이 발간한 기술&시장 리포트를 기반으로 모듈러 주택 분야 특허 기술 트렌드 및 시장 동향을 분석한다. <편집자>

 

모듈러 주택(Modular Building)?

 

모듈러 건축이란 공장에서 건축부재를 사전에 제작하고 현장에 이송해 현장에서 설치하는 프로세스를 갖는 탈현장(Off-Site Consruction) 건축기술이다. 이러한 모듈러 건축물은 현장에서 시공되는 건축물과 달리 공장에서 기본적인 구조물 및 내·외부 마감재가 공장에서 시공되기 때문에 확실한 품질관리가 가능하며, 공사기간의 단축이 가능하다. 또한 모듈러 건축물은 일반 건축물과 달리 현장 시공 단계에 있어서 조립방법에 따라 향후에 해체 및 이축이 가능하다는 특징을 가지고 있다.

 

일반적으로 모듈러 건축의 가장 큰 이점으로는 건축물의 기본 골조와 더불어 전기배선, 배관, 단열 등을 공장에서 생산해 이를 조립한 상태로 현장으로 가져온다는 점이다. 공장에서 건축 부재의 사전 제작이 가능하므로 현장의 시공 기간을 단축할 수 있으며, 부재의 대량 생산으로 인한 건축 비용 절감 또한 모듈러 건축의 장점이라 할 수 있을 것이다. 또한 건축물을 시공하는 현장은 날씨의 영향을 받게 되는데, 모듈러 건축은 공장에서 작업이 가능하기 때문에 계절이나 날씨의 영향을 벗어나 작업이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

 

모듈러 건축에 있어서 설계는 보통 폭 3m, 길이 6~10m, 높이 3.3m 정도로 규격화해 유닛의 크기를 고려해 건축물을 디자인 한다. 또한 모듈러 건축은 건축물의 설계 과정에서 소비자들의 요구를 반영할 수 있으며, 벽체, 창호 등 개인의 취향에 따라 주문생산이 가능하고, 공장설계와 현장 시공 과정에서 생길 수 있는 오차를 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다.

 

이러한 모듈러 건축방식은 컨테이너 방식으로 모듈을 쌓아 올리는 방법과 철골주조의 프레임을 짠 후에 그 안으로 모듈을 끼워 넣는 방법이 있는데, 국내에 있어서 모듈러 건축의 경우는 전자의 방식을 택하는 사례가 많았다.

 

주목받는 공장생산건축(Off-site Construction)

 

공장생산건축의 역사적 역대기는 광범위하게 잘 문서화되었다. 가장 주목할 만한 것은 2008Barry Bergdoll홈 딜리버리(Home Delivery): 현대 거주지 제작에 대한 카탈로그(공장생산식 건축의 역사적 및 동시대적 중요성에 대한 현대 예술 박물관의 전시물)이다. 가장 초창기 형태의 프리패브는 (환경 윤리는 고사하고) 품질과 시간을 다루거나 작업범위와 비용을 관리하기 보다는 오히려 산업적 상품화, 생산 그리고 복제에 관심을 기울였다. 현장을 벗어난 제작의 확장성은 대량-맞춤화 가능성을 지닌 시스템, 자재 및 생산의 통합보다는 붐을 일으킨 주택 시장의 이론적 욕구를 충족하는데 더 많은 중점을 두었다.

 

공장생산건축은 1800년대 집 구조 일부 또는 전체를 사전에 제작해 현장에서 조립, 설치하는 시스템을 사용하면서 시작되었다고 할 수 있다. 하지만, 20세기에 본격적으로 도입하기 전까지는 자재문제, 수요부족, 대량생산 능력부족, 통합적인 시스템의 부재 등으로 적극적으로 활용되지는 못하는 상황이다.

 

Off-site Production 또는 Off-site Construction은 새로운 개념의 건설 방식이 아니라 이미 19181차 세계대전 이후 주택 재건이 가장 시급한 문제로 부각되고, 숙련공과 필수 건설자재의 부족현상이 나타남에 따라 이를 해결하는 대안으로 시작됐다.

 

1940년부터 1960년까지 주택 건설에 많은 변화가 있었는데 그 중에 하나가 Off-site Construction과 같은 개념의 ‘Industrialized building’, ‘Closed’‘Open’의 두 가지 형태 ‘Industrialized building’이다. ‘Closed’는 사전 제작되는 구조용 부자재들을 대량생산하는 것을 말하고 ‘Open’은 쉘(Shell)처럼 큰 부재들을 적은 수로 생산하는 것으로 설계자가 좀 더 독특한 설계를 할 수 있는 기회를 제공했다.

 

일반적으로 Industrialized Building 시스템은 공장에서 사전 제작하는 콘크리트 바닥체나 벽체에 적용해 현장에서 조립하는 공사에 적용했으며, 이러한 공사 방식은 1950년대 중반 도시들을 재건하고 고층 건물을 공사하는데 활용했다.

 

하지만, 고층건물에 이러한 공사방식을 사용하는데 여전히 사회적인 신뢰가 약해 반대가 많았으며, 1968Large Panel을 사용한 22Ronan Point가 붕괴하는 사고가 발생하면서 사회적인 부정적 시각과 의구심이 더욱 증대됐다.

 

모듈러 주택 특허기술 동향

 

Industrialized Building 시스템과 같이 제작된 부재를 현장에서 조립하는 단계를 넘어 1960년대 그리고 1970년대에는 경량재를 사용한 박스 형태의 모듈러 건설방법을 도입하게 되는데 이 방법에는 경량의 목재나 철재를 사용하거나, 사전 제작한 콘크리트 모듈을 사용했다.

 

경량 철골 구조 시스템, 목구조 시스템, 그리고 콘트리트 시스템 등 다양한 방법들이 1980년대까지 시도되고 적용되었으며, 영국의 경우, 목구조 시스템을 선호했으며, Prefabrication이 약 1백만 가구 정도 적용되었고, 이외 적용된 공법은 Cast in-situ concrete, steel gramed house, pre-cast concrete, timber frame 등 다양했다. 2000년대 이후 Off-site Construction은 신기술, 신소재, 공법개선 등을 통해 꾸준히 발전해 오고 있으며, 최근에는 2030년까지 여전히 부족한 주택건설을 해결하는 방안으로 고려되고 있으며 BIM을 활용해 Infrastructure까지 그 활용방안이 적용되고 폭넓게 논의되고 있다.

 

국내 중소기업이 보유한 폴딩구조를 갖는 한옥식 이중 창호(korean-style house way duplex windows and doors having folding structure)’ 특허는 출입구 문틀에 경첩 연결 설치로서 회동 가능하게 개폐가 이루어지는 한옥식 이중 창호 기술이다. 이중 창호는 횡방향으로 하나 이상의 경첩으로 전후 교호되게 연결되어 문틀에 배치된다. 그리고 상하부를 따라 수평 이송 가능한 가이드부재가 구비되며, 레일이 설치되어 문틀의 상하부 길이방향으로 이중 창호가 폴딩되거나 펼쳐지는 형태로 설치되는 것이 특징이다.

 

▲ 폴딩구조를 갖는 한옥식 이중 창호 특허 도면     © 특허뉴스

 

전통 창호에 한지와 유리를 이중구조를 적용한 이중 창호를 폴딩 타입으로 접어지고 펼쳐지는 구조를 갖도록 구성했다. 창호가 갖는 자체 자중 문제로 크기제작 한계를 벗어나 대형 도어가 설치되는 공연장, 박물관, 건물 홀에 마련되는 회의장 등 넓은 출입구에 4짝 혹은 그 이상으로 이중 창호를 시설하고, 이를 유용하게 개폐할 수 있으면서 한옥과 현대식의 인테리어 미감 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.

 

국내 개인이 보유한 가구식 건축물의 맞춤식 공법 및 전통한식 구조(tailor-made manufacturing method for furniture-style buildings and traditional korean-style structure)’ 특허는 가구식 목조건축물을 표준화, 묘듈화에 의한 공업화 건축물의 제작과 시공을 위한 기술이다. 우선, 선정된 지면을 시공하여서 된 상기 기초면 위에 주춧돌을 설치 후 토대목을 설치하면서 기초 옹벽면과 주춧돌 위에 토대목을 설치하는 단계가 있다. 또 토대목 위에 건물의 기둥을 세운 뒤 외벽체를 기둥과 토대목에 조립 고정하는 단계와 토대목을 고정 후 전기 배선 단계와 기둥홈에 외벽체를 홈에 연결하는 단계가 존재한다.

 

▲ 가구식 건축물의 맞춤식 공법 및 전통한식 구조 특허 도면     © 특허뉴스

 

여기에 기둥과 외벽체 위에 보아지와 창방을 조립하고, 외벽을 형성하는 단계와 주두를 설치 후 대들보를 설치하고 장혀를 조립해 처마도리를 설치하는 단계와 처마도리 위 설비홈에 각종 전선관을 매설하는 단계가 뒤를 잇는다. 동자주와 중량을 설치하고, 처마도리 위 및 중도리, 중도리를 장혀와 함께 끼우는 단계 이 위에 장혀, 서까래 판넬을 설치하는 단계 단열 지붕판을 설치하는 단계 덧지붕판을 설치 후, 기와 지붕판을 설치하는 단계 등이 존재한다.

 

이를 통해 설치되는 전통 한옥은 기둥과 벽면 및 서까래와 지붕틀 등이 순서에 의해 조립되므로 상호 맞물림에 의하여 공간에 허실이 없이 시공되고, 상부 구조의 하중 경감으로 구조재의 부담을 줄여 변형이 없다. 시공 후에 발생하는 수직하중이 기둥과 벽체 전체로 분산되는 안정된 구조이며, 조립식 부자재의 규격화로 공업화 제작에 의한 대량생산과 시공이 간편해 건축 공기가 단축되는 장점이 있다.

 

모듈러 건축 시장 전망

 

모듈러 건축은 프리패브 건축시스템(Prefabrication building system)의 한 종류로 공장에서 부품, 자재 등을 3차원 입체 모듈형태로 미리 만들어 현장에서 모듈을 조합·적층시켜 건립하는 건축물의 생산 및 시공방식을 일컫는다. 프리패브 건축기술의 선도국가 중 하나인 영국은 전후 복구를 위해 프리패브 시스템 기술을 개발 했으며, 90년대 이후 엔지니어링 기술 향상 등으로 시장이 성장되어 2013년 기준 20~30억 정도로 전체 영국 건설시장의 2%를 점유하고 있다. 영국의 프리패브 건축시장은 2000년대 이후 고층 주거시설, 호텔, 병원 및 민간투자 공공시설 등의 수요가 지속적으로 증가해 연간 25% 성장을 하고 있다.

 

▲ 국내 모듈러 주택 건축 시장 규모(국가건축정책위원회)     © 특허뉴스

 

미국은 2011년 기준 약 $50억 규모의 프리패브 건축시장이 형성되어 있으며, 정주형 건축물(Permanent building)42%, 이동형 건축물(Relocatable building)58%를 점유하고 있다. 일본의 프리패브 주택 실적은 연간 12~15만호로 전체 주택의 15% 내외를 차지하고 있다.

일본의 프리패브 주택의 단가는 타 공법에 비해 높지만, 공기가 현저히 짧고 소비자의 만족도가 매우 높게 나타난다.

 

글로벌 프리패브 건설시장 규모는 2011$650억에서 2012$901억으로 약 39%가 증가했으며, 아시아가 시장 확대를 견인하고 있다. 세계 최대 프리패브 시장은 2011년 유럽에서 2012년 아시아로 변경되었으며, 아시아지역의 프리패브 시장의 65%가 중국으로 그 성장세가 눈에 띄게 증가했다. 국내의 모듈러건축은 2003년 학교시설의 증축공사를 시작으로 처음 도입되었으며, 군시설, 업무시설, 주택, 기숙사 등 다양한 용도로 모듈러 시스템이 적용되고 있다.

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