해비타트, 3D 프린팅으로 보다 빠르고 저렴하게 주택 건설 실현

• 해비타트(Habitat for Humanity)가 미국 아리조나주 템피에서 3D 프린팅을 이용한 첫 번째 주택의 프로토타입을 선보였다.
• 기술은 인건비와 자재 낭비를 줄이는 동시에 신속하게 시공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
• 프로젝트의 혁신 기술로 자원봉사자와 투자자도 유치해 볼 수 있다.

미국 아리조나 템피에서 37.7도의 기록적인 폭염이 연일 이어지면서, 해비타트는 3D 건설 프린터로 회반죽 열을 깔아 첫 번째 3D 프린팅 주택을 만들었다. 이 집은 건평 9.144 x 21.336 x 7.62 미터, 총 거주 공간 159.97 제곱미터로, 침실 3개인 단일 가구를 위한 주택이다.

이 프로젝트는 적절한 가격의 주택을 3D 프린팅의 실행 가능성을 결정하는 데 도움을 줄 것이다. 제이슨 발로우(Jason Barlow) 미국 해비타트 센트럴 아리조나(Habitat for Humanity Central Arizona) 회장 겸 CEO는 “우리가 이 같은 건설 형태에 적용될 지식의 기반에 기여할 수 있기를 바란다”라며, “언젠가 프린터으로 집을 직접 프린팅하는 것이 일반적인 관행이 될 수 있다”라고 말했다.

폭염으로 인해 모든 종류의 건설에서 조건이 열악해졌으며 코보드(COBOD) BOD2 3D 건설 프린터가 작동할 때 추가적인 문제가 발생했다. BOD2 프린터, 프린팅 자료, 프린팅 파일 및 전문 지식을 제공하는 기업인 페리 USA의 애플리케이션 엔지니어이자 프로젝트 리더인 사무엘 헤이거(Samuel Hager)는 회반죽 혼합물과 프린팅 속도는 기상 조건에 꼭 알맞아야 한다고 말했다. 팀이 너무 빨리 진행하거나 혼합물에 물기가 너무 많으면, 벽이 무너질 것이다. 프린팅 속도가 너무 느리면, 회반죽 열이 서로 잘 붙지 않을 것이다. (영하의 온도에서도 혼합물이 만들어지기 어렵다.)

이러한 도전에도 불구하고 2021년 6월 중순에 프린팅이 완료되었다. 해비타트 자원봉사자와 미래 주택 소유자가 전통적인 지붕을 만들고, 바닥재를 설치하고, 문과 캐비닛을 달고, 페인트칠 할 준비를 마쳤다. 프린팅하면서 벽을 매끄럽게 만들 수는 있지만, 해비타트 집의 내부 및 외부 벽은 프린팅된 상태인 물결 모양의 층이 남을 것이다.

합리적인 가격의 주택을 위한 혁신

발로우는 “해비타트는 필요한 사람에게 적절한 가격의 주택을 제공하는 것에 집중하고 있다”라며, “특히 해당 지역에서 시장이 움직이는 방식에 따라, 우리는 늘 더 좋은 집을 짓기 위한 혁신적인 방법을 찾고 있다”라고 밝혔다.

그는 압축토 블록 구조와 재활용 병으로부터 분리한 중합체 및 헴프 블록을 생각했다. 19개월 전쯤, 3D 컨스트럭션(3D Construction)의 클라렌스 맥알리스터(Clarence McAllister) 사장은 발로우에게 페리사의 적층 프로세스를 사용할 것을 제안했다.

해비타트는 이미 기존 방식으로 건설된 주택에 대한 부지와 시의 승인 계획이 있었고, 칸델라리아 디자인 협회를 통해 프린팅된 기술을 사용하여 작업하기로 계획을 수정했다. 칸델라리아는 주문 제작한 주택을 전문으로 한 기업이며, 사장인 마크 칸델라리아(Mark Candelaria)는 해비타트 이사회 속해 있고, 본인 회사의 전문성을 기부했다.

틀에 박히지 않은 기존 방식의 주택

자재, 전문성, BOD2 사용, 및 부지 기부 덕분에 해비타트의 프로젝트는 프로토타입이자 모두에게 학습경험의 역할을 할 수 있었다.

칸델라리아는 페리와의 협업을 통해 기존의 오토데스크 AutoCAD(오토캐드) 파일을 가지고 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)에 넣어 BIM(빌딩정보모델링, Building Information Modeling) 데이터를 제거하고, 페리가 마무리 작업으로 벽을 놓을 때, 프린터의 경로를 지시하는 파일을 생성한다. 이를 정확히 실행하는 것이 중요하다. 칸델라리아 팀 데이먼 웨이크(Damon Wake) 디렉터 겸 매니저는 “일단 프린팅하면 거기에 만들어진다”라고 했다.

한 가지 장애물은 3D 프린팅 건설 규제다. 국제건축법(the International Building Code, IBC)은 이러한 종류의 건설을 아직 다루고 있지 않다. 웨이크는 “규제를 통과하는 구조물을 만들기란 어려운 일이다”라며, “템페시 공무원들과 여러 차례 줌(Zoom) 미팅을 진행했다”라고 밝혔다.

예를 들어, 프린터는 2인치 두께의 평행한 한 쌍의 벽을 사이에 공간을 두고 생산한다. 그러나, 칸델라리아는 지붕을 지지하는 벽 사용을 허가 받지 못했기 때문에, 접착 적층보를 지지하는 벽이 수용하는 범위 내에서 철근 콘크리트 기둥을 추가했다. 구조 엔지니어는 수평 철근 연결부위도 요구했다.

이 경험을 바탕으로 웨이크는 무하중 벽에 기존 뼈대와 건식벽체를 사용하는 것이 더 빠르고 저렴하다고 생각했다. 또한 불규칙한 내부 벽 표면이 캐비닛 설치를 더 복잡하게 만든다는 점도 지적한다.

웨이크는 “프린터가 빨리 작동하는 것만 문제가 아니라, 모두에게 빠른 작업이 되어야 한다”라고 하며, “이 기술이 건설업에서 유용하려면 기술의 장점과 단점을 파악해야 한다”라고 강조했다.

손익 분석: 3D 프린팅 주택은 얼마나 사용할 만 한가

3D 프린팅 건설을 지지하는 사람들은 이 기술이 인건비와 자재 낭비를 줄이는 동시에 더 빨리 건설할 수 있는 잠재력이 있다고 말한다. 또한 콘크리트 덩어리는 구조물을 에너지 효율적으로 만들고 지진과 악천후를 잘 견딜 수 있게 할 수 있다. 치솟는 목재 가격과 숙련된 노동력 부족으로 인해 3D 프린팅은 더 매력적으로 보인다.

CNN에 따르면, SQ4D는 최근 매각한 미국 뉴욕 주 리버헤드(Riverhead) 주택이 기존의 건설보다 50% 저렴하고 10배 더 빠르게 지어졌다고 주장했다. 마이티 빌딩(Mighty Buildings)은 미리 프린팅된 주택과 패널이 있는 모듈러 주택을 판매하며 그 과정에서 낭비되는 자재를 95% 줄일 수 있다고 주장한다. 팔라리 그룹(Palari Group)은 마이티와 협력하여 캘리포니아 랜초미라지(Rancho Mirage)에 15가구 공동체를 건설할 계획이며, 건설 기간이 절반 정도 감소할 것으로 예상한다.

빈곤 지역 사회를 위한 공공 지원 주택 건축업체인 뉴 스토리(New Story)는 2019년 텍사스 오스틴(Austin)에 시범 사업을 시행했으며, 해당 기술을 사용하여 주택 당 약 295만원(2,500 달러)의 비용을 절약할 수 있었다고 추정했다.

3D 프린팅한 적절한 가격의 주택, 미래의 흐름되나?

해비타트는 건설이 완료될 때까지 프로젝트 비용을 계산할 수 없을 것이다. 그렇다 해도, 이 건설 방법의 참신함 때문에 전통적인 건설과 비교하기가 어려울 것이다.

“지금 보는 모든 프로젝트는 프로토타입이다”라고 3D 컨스트럭션의 맥알리스터 사장은 말했다. 그는 또 “우리가 경쟁력이 있는지 여부는 아직 결정되지 않았다”라고 덧붙였다.

페리 사의 엔지니어 헤이거는 해비타트 프로젝트가 표준 스틱빌트(stick-built) 건설과 경쟁할 것이며, 미래의 프로젝트는 훨씬 저렴할 것이라고 말했다. 그는 “비용을 낮출 수 있는 여지가 많이 있지만, 더 적은 수의 인력으로 더 빨리 진행 가능하다는 사실을 알고 있다. 알맞은 조건에서는 하루 만에 프린터를 배달하고 설치할 수 있다. 우리는 2주 안에 작업을 마치고 철수할 수 있다고 믿는다”라고 밝혔다.

해비타트 주택 건설은 보통 25~30명의 자원봉사자가 필요하며 건설 기간이 몇 주 걸리지만, 헤이거는 BOD2를 사용하면 컴퓨터 앞에서 프린팅 속도를 조정하는 사람 한 명과 펌프 앞에 자재의 품질을 확인하는 사람 한 명, 총 두 명만 있으면 된다고 말했다. 그래서 해비타트가 25명의 인력을 한 집에 배치하는 대신, 헤이거는 “인력 2명, 펌프, 프린터로 같은 양의 일을 같은 기간이나 심지어 더 짧은 시간 내에 할 수 있다”라고 밝혔다.

발로우는 “건설 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다면, 적절한 가격의 주택뿐 아니라 모든 주택의 판도가 뒤집힐 수 있다”라고 말했다. 또 “다섯 개 정도의 2층 타운하우스를 한 번에 연속해서 프린팅할 수 있게 되면, 이 기술이 우리에게 가장 적절한 시점이 될 것이다”라고 전했다.

칸델라리아의 웨이크는 프로젝트가 새로운 것이기 때문에 대중으로부터 많은 흥미와 관심을 불러일으킬 것이라고 덧붙였다. 그는 “설계자의 관점에서 이 기술을 효과적으로 만들고…더 나은 대안이 되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 기술이 단순히 참신해서가 아니라, 다른 건설 기술에서는 얻을 수 없는 것을 생산하기 때문에 이 기술을 활용하는 것에 대한 확신을 가져야한다”라고 말했다.

이 프로젝트가 가진 또 하나의 귀중한 측면이 있다. 해비타트는 항상 더 많은 후원자와 자원봉사자를 필요로 하는데, 발로우는 이 기술이 해비타트에 관심이 많지 않던 기술 업계의 사람들의 관심을 끌 수 있기를 희망한다.

발로우는 “그 프로젝트는 원대한 실험이었다”라며, “어쩌면 이로 인해 새로운 문이 열릴 수도 있다”라고 밝혔다.