탑 다운 공법

현장타설 콘크리트 공법은 25년에서 30년을 주기로 획기적인 발전이 이루어져 왔다.
예를 들면 1946년에 최초의 모듈 거푸집 시스템 (modular forming systme)이 등장했는데, 이는 재사용이 가능한 나무거푸집과 강재를 이용하였다. 트러스를 이용한 Flying deck form이 등장한 것은 1966년이었다. 최근의 역타공법(Top-Down construction) 의 발전은 고층 및 중층의 콘크리트 건물의 시공에 상당한 영향을 줄 것으로 보인다.


탑다운 공법에서 이용하는 기술

탑다운 공법은 콘크리트 보와 바닥 슬래브를 만들기 전에 몇 개 층에 해당하는 가새(brace)로 보강된 철골기둥을 먼저 세워야 한다. 기둥에는 수평 및 수직 가새를 설치하여 건설 중에도 충분한 구조 안정성을 유지할 수 있도록 한다. 기둥은 철골이나 콘크리트로 할 수 있는데, 콘크리트 기둥은 지진하중에 대한 강도를 높여주기 위하여 철골 기둥 내부에 타설(합성기둥)되기도 한다.
먼저 구조물의 모든 기둥이 세워지고, 적절히 가새로 보강된다. 그리고 지붕 거푸집을 만들고, 철근이나 포스트 텐션을 위한 케이블이 설치된다. 그리고 지붕 슬래브 까지 콘크리트를 펌프로 밀어 올리게 된다. 지붕 슬래브가 적절히 양생되고 나면, 거푸집 시스템(decks)은 밑으로 내려져 최상층 바닥슬래브를 타설하기 위한 위치로 이동된다. 콘크리트 타설이 끝나고, 콘크리트 슬래브의 양생이 완료되면, 거푸집 시스템은 다음의 층으로 낮춰지고, 이 과정이 반복된다. 따라서, 콘크리트 건물은 그림 figure 1(a) 와 같이 위에서부터 아래로 만들어지게 된다. figure 1(a)는 한 구획(bay)에 대한 거푸집이 바로 위층에서 매달려 있는 것을 보여주고 있다 figure 1(b)는 지붕 슬래브와 상부의 두 개 층이 시공되어 있고, 거푸집은 다음 층으로 낮춘 상태를 보여주고 있다. 탑다운 공법은 거푸집의 이동이 건물의 내부에서 이루어지고 있기 때문에 인접한 건물의 간섭으로 Flying form을 사용하기 어려운 곳에서도 이용할 수 있다. 따라서, 지난 수년간 탑다운 공법은 건물 영역밖에서의 작업공정을 진행할 수 없는 경우, 지하층의 시공에서 많이 이용되었다.
Figure 1(a) Isometric view of formwork for one bay suspended from the next higher level (FORM-EZE Systems, Inc.)

Figure 1(b) Elevation view of top-down construction forming systme for a 20-story building. (FORM-EZE Systems, INC.)>

탑다운 공법의 시공 순서

Figure 2. Floor layout with typical structural framing. (FORM-EZE Systems,Inc.)

여기서는 20층의 콘크리트 건물을 이용하여 탑다운 공법의 순서를 설명한다. 이 건물은 30m * 30m 의 바닥으로 이루어져 있다. 기초로서는 drilled shaft(철근 콘크리트 케이슨)가 이용되었고, 철골 튜브내에 콘크리트를 타설한 합성기둥이 이용되었다. 보와 지붕 및 모든 슬래브에는 포스트 텐션이 이용되었다. Figure 2는 일반적인 구조평면과 함께 바닥의 배치를 보여주고 있다.
이 건물은 외장재로서 커튼월을 이용하고 있고, 슬래브를 타설한 후 바닥 거푸집을 아래로 내리기 전에 설치를 하는데, 외장재의 시공순서 역시 위에서 아래로 시공된다.
건물의 기둥은 건물의 바닥슬래브를 타설하기 전에 최고층까지 시공된다. 따라서 기둥이 구조물의 바닥이 설치되기 전에 이미 최상층 높이 까지 시공이 되기 때문에 탑다운 공법을 이용하기 위해서는 기둥에 대한 별도의 구조해석이 필요하게 된다. 마찬가지로 수직, 수평에 대한 X형의 가새 역시 필요하다.
그림 3은 가설 가새 시스템을 보여주고 있다. 맨 처음 타설되는 슬래브는 지붕 슬래브이다. 지붕층 콘크리트를 타설하고 난 후 충분히 양생이 되면 지붕층 밑에 있는 다른 슬래브 타설에 앞서 엘레베이터를 지붕층 높이까지 설치한다. 탑-다운의 열 한가지 단계를 소요일수와 함께 아래에 나타내었다.





Figure 3. Floor layout with temporary bracing systems.(FORM-EZE Systems,Inc.)

단계	시 공 내 용	소요일수
1	땅에 구멍을 뚫고 철근을 배근한 후 콘크리트를 타설한다. (콘크리트 케이슨)	1 - 10
2	수직관과 브레이스를 설치하고 기둥의 각형강관에 콘크리트를 주입한다. 그리고 데크의 거푸집을 조립한다.(지상에서)	11 - 20
3	크레인을 배치하고 정렬한 후 지붕층 높이에 데크 거푸집을 위치시킨다.	21 - 23
4	철근을 배근하고 포스트 텐션용 케이블을 데크 거푸집 위에 배치한다.	24 - 25
5	지붕층 슬래브의 슬래브를 타설한 후 양생이 되도록 적절한 시간을 준다.	26 - 28
6	텐돈을 당기고나서 거푸집을 내려뜨려 다음 슬래브위치에서 철근과 포스트 텐션용 텐돈을 배치한다. (20층 바닥)	29 - 30
7	엘레베이터 스페이서를 설치하고, 엘레베이터와 기계실, 그리고 지붕층 레벨에서 엘레베이터 장비들을 설치한다. 엘레베이터를 끌어 올린다. 적절하게 보호장구를 설치한 후 승객용 화물용 호이스트로서 엘레베이터를 이용한다.	29 - 31
8	지붕 바로 아래 층 바닥에 콘크리트를 타설한다.	31
9	창문 패널을 설치하고 20층 슬래브에 마감 공사에 필요한 자재를 적재한다.	32
10	20층 바닥의 포스트 텐션용 텐돈을 당긴다. 그 후, 데크 거푸집을 내려서 철근과 포스트 텐션용 케이블을 배치한다. (19층 바닥)	33
11	건물과 각 층에 대하여 8,9,10 단계를 반복한다. (3일주기)	-

따라서 각 층에 대한 시공 소요일수는 3일이다. 콘크리트 케이슨이 타설된 직후부터 시작하여, 수직 붐이 있는 이동가능한 크레인과 breakover jib이 약 3주마다 필요하게 된다. 그리고 철근, 포스트 텐션용 텐돈 그리고 창문 패널을 들어올리기 위해서 두 개의 25-30톤의 수압크레인이 필요하다. 합성기둥에 콘크리트를 채우고, 각층의 바닥 슬래브를 타설하기 위해서 콘크리트 펌프도 필요하다.
앞의 예에서 20층 건물이 6개월만에 완전히 지어졌다. 기존의 시공절차를 이용한다면 (flying form) 이런 형태의 건물은 일반적으로 12개월 정도는 걸린다. 따라서 적절히 설계된 고층 콘크리트 건물은 탑다운 공법을 이용할 경우, 기존의 공법을 이용하는 것보다 더 적은 비용으로 더 빨리 건물을 완성시킬 수 있게된다.
탑다운 공법에서 반드시 합성기둥을 사용해야 하는 것은 아니다. 철골기둥이 사용될 수도 있다. 탑다운으로 설치되는 외벽 창문 역시 탑다운 공법에 꼭 필요한 것은 아니다. 그러나 Deck form을 위한 비계가 설치되어 있는 동안에 외벽 창문을 설치하는 것은 공사수행에 필요한 전체적인 공기를 줄일 수 있다. 외부 창문을 설치하는 것은 여러가지 공정을 수행하는 기능공들이 슬래브 콘크리트를 타설한 후 즉시 각 층에서 투입되어 층을 완성할 수 있도록 해주고, 결과적으로 공기를 줄일 수 있도록 한다.
모든 데크 거푸집은 지상에서 조립된다. 그러면 크레인이 지붕층 높이에서 데크 거푸집을 매달고 있게 된다. 데크가 매달리게 되면 기둥과 데크사이에 filler strip이 설치된다. 슬래브 콘크리트는 철근과 포스트 텐션용 텐돈이 설치된 직후에 타설된다.
그림 4(a) 에서 4(d)는 탑다운 공법의 시공과정을 보여주고 있다. 그림 4(a)는 지붕 슬래브 아래에서 다음층 바닥으로 데크를 내려보내기 위하여 데크를 내리는 첫 단계를 보여주고 있다. 그림 4(b)는 최상층의 바닥 슬래브를 만들기 위한 데크의 정렬을 보여주고 있다.
그림 4(c)는 최상층 바닥에서 그 아래층으로 데크를 내리는 장면이다. 이러한 과정이 그림 4(d)와 같이 다음 층, 다음 층으로 반복된다.

(좌) Figure 4(a) Intial lowering of formwork from roof slab (우) Figure 4(b) Positioning formwork suspended from the roof level for placement of the 20th-floor slab. (FORM-EZE Systems, Inc.)

(좌) Figure 4(c) Positioning formwork suspended from 20th-floor level for placement of th 19th-floor slab. (FORM-EZE Systems, Inc.) (우) Figure 4(d) Positioning formwork for the next lower floor, suspended from the upper floor. (FORM-EZE Systems, Inc.)

탑다운 공법의 장점

 
        탑다운 공법은 인접한 건물이 있어서 시공에 필요한 공간이 마련되기 힘든만큼
 
건물이 밀집한 지역에서 세워지는 고층의 콘크리트 건물에 적합하다. 해변이나 강변에
 
(특히 항구에서) 오래된 건물이 있는 경우가 있는데, 이러한 건물은 현재 요구되는 
 
주차공간을 가지고 있지 않다. 이러한 건물이 해체되고 현재의 법규에 맞도록 다시
 
지는 경우, 주차공간을 건물의 하부에 두게 되는 경우가 많다.
 
        이러한 상황에서는 종종 지하수와 지내력이 문제가 된다. 이러한 문제를 해결
 
하기 위한 방법으로 건물주위로 슬러리 월을 이용하여 작업영역에 물이 없도록
 
해주고 있다. 탑다운 공법은 지하 주차공간의 굴토와 시공에 가장 적합한 방법중의 하나이다.
 
지상과 지하에서 탑다운 공법을 이용하면 건물의 재건축이 경제적으로 이루어지게 된다.
 
        탑다운 공법은 구조적, 경제적으로 몇 가지 장점을 지니고 있다.
 
 1. 경제적인 재료를 이용한다. : 콘크리트, 철근, 포스텐션용 텐돈
 
 2. 일반적인 거푸집 시공 방법에 비하여 공기가 짧다.
 
 3. 공기가 짧아짐에 따라 인건비가 줄게되고, 거푸집의 설치에 더 적은 노무자가 소요된다.
 
 4. 크레인 장비와 굴삭비용이 최소화됨에 따라 공사비가 절감된다.
 
 5. 탑다운 공법의 중요한 장점의 하나로서, 각층의 슬래브에 포스트 텐션을 도입할 경우,
 
    각 층당의 공사주기가 짧아진다.
 
 6. 각 층은 다른 층에 대하여 독립적이다. 따라서, 하부층에서 상부층을 다시 
 
    받쳐줄 필요가 없다.