건축 디자인 분야에서의 솔리드씽킹 인스파이어의 역할


본 기사는 인스파이어 2014에 대한 최신 제품 리뷰로써,
Architosh는 솔리드씽킹 인스파이어를 건축 디자인 분야에 적용하여 그 가능성을 검토하였습니다.

저자: 안써니 프러스토-로블레도(Anthony Frausto-Robledo) AIA, LEED AP

Architectural Design

CAE(computer-aided engineering) 기술을 선도하고 있는 알테어의 소프트웨어 기술이 현재 다년간 건축 작업에 이미 사용되고 있고 SOM(Skimore, Owings & Merrill, LLP) 같은 회사가 채용하고 있지만 아직까지는 건축 분야 적용에 대해 큰 의미를 부여할 수는 없습니다. 하지만 여러 분야에 걸쳐 시장을 선도하는 알테어 ‘옵티스트럭트’는 강력한 구조해석 툴로써 개발 초기 단계에 큰 위력을 발휘하고 있습니다.

건축을 위한 인스파이어

인스파이어가 건축 분야에 기여할 수 있는 중요한 3가지 관점이 있습니다. 첫 번째는 이 툴을 사용하면 흥미로우면서도 예측하기 힘든 유기체적 특징을 갖는 형상을 얻을 수 있다는 것 입니다.(이후 본 문에서 언급) 두 번째는 경량화 구조를 산출할 수 있으며 건축물 규모에 구애 받지 않고 건축에 적용할 수 있습니다. 마지막으로 인스파이어 2014는 건축물의 세세한 구조 디자인에도 적용될 수 있으며 이는 혁신적이고 대단한 일입니다.

* 3 파트에 대한 언급

본 문의 파트1은 인스파이어 2014를 이용하여 어떻게 건축에서 경량화 구조를 산출하는지 보여 줄 것입니다. 파트2는 건축 설계에서 혁신적인 형상을 인스파이어가 어떻게 산출하는지에 대해 실제 사례를 통하여 보여 줄 것입니다. 마지막으로 파트3에서는 상세한 설계 구조를 제시해 주는 흥미로운 솔루션을 리뷰하게 될 것입니다.

파트1: 인스파이어를 이용한 건축 경량화 구조 산출

솔리드씽킹 2014의 최근 리뷰에서는 인스파이어를 이용한 기본적인 작업을 통해서 직관적으로 이해 될 수 있는 건축 구조물 형상을 찾아 내는 과정을 보여 주었습니다.(단순 하중이 가해지는 보의 구조역학)

MORE: Product Review: solidThinking Inspire 2014

건축가는 전반적으로 구조 기술을 다루는 컴퓨터 소프트웨어를 다루는 일에 익숙하지 않습니다. 건축가의 목표는 기술의 원리를 이해하는 것으로, 디자인이 시각적으로 타당하고 물리적으로 신뢰성이 있는지를 파악하는 것입니다. 전통적으로 건축가의 자격은 구조물 전반에 걸쳐 기초적인 수준의 내용을 파악하고 이해할 수 있는가에 관한 것입니다.

오늘날 세련된 컴퓨터 소프트웨어는 구조 엔지니어가 지진 등을 포함한 환경 조건에 대해 구조물의 반응 그리고 힘이나 하중을 시각화 할 수 있도록 해 줍니다. 여기에 사용되는 CAE는 설계 초기 프로세스에 적용되며 디자인의 원리에 대한 이해를 돕고 건축물의 구조적인 신뢰성 평가가 가능하도록 지원하고 있습니다.

이러한 내용을 초기 단계에 인지함에 따라, 건축가는 표현에 대한 자유도를 높일 수 있으며 현실적인 제약에 대한 피드백 시스템을 통해서 개념적인 건축 작업을 진행할 수 있습니다.

이러한 특별한 목적의 용도로 보기에는 곤란한 측면이 있을 수 있지만, 인스파이어2014의 ‘고유모드’해석 기능을 통해서 건축가는 아래 언급된 고층건물의 예와 같이 구조물에 대한 좀 더 깊은 이해를 할 수 있습니다.

모든 구조물은 특별한 주파수 대에서 진동이 발생할 수 있으며 공기흐름과 같은 동하중도 구조물의 진동을 유발할 수 있습니다.(참조: 아래 그림 01, 고층건물 모델 사례) 현재, 해석 툴을 이용하여 변위, 안전율, 항복여부, 인장/압축, 최대 전단응력, 폰미세스 응력 그리고 주응력을 시각적으로 관찰할 수 있으며 이 모든 것이 솔리드씽킹 인스파이어2014에서 구현이 가능합니다.

INSPIRE1▲ 01-개념 단계의 고층 구조물에 대한 고유모드 해석

높은 건물의 개념 설계 단계에서 건축가는 이런 종류의 해석을 수행할 수 있습니다. 본 문의 고층 건물 사례에서는 실제 규모의 건물을 채택하여 횡방향 바람에 의한 하중을 고려, 해석을 수행하고 건물의 움직임과 어떤 이유로 움직이는지를 파악할 수 있습니다.

인스파이어 2014에서는 실제 이런 건물이 존재하지는 않겠지만 속이 꽉 찬 솔리드로 가정하여 해석을 수행, 건물의 고유진동 모드가 어떻게 발생하는지를 검토하였습니다. 해석 결과는 이 특별한 형태의 건물이 어떻게 구부러지고 비틀어지는 지를 보여줍니다.(참조: 아래 동영상)

▲ 고유모드 해석 기능을 이용한 주파수 해석 결과로 횡하중 가진에 따른 건물의 다양한 움직임을 보여줍니다.


기본적인 트러스 구조를 가지는 지붕 문제

좀 더 실질적인 문제로 단순 하중을 받는 보를 다룬 적이 있습니다만,(which we recommend to read also) 이번에는 트러스 형태의 지붕 문제를 다루어 보도록 하겠습니다.

이 지붕 구조는 먼저 구조의 해결책으로 트러스 구조를 가정하고 구조물이 차지하는 볼륨을 설정합니다. 지붕의 폭은 24인치로 가정하고 지붕의 상단에 표면에 수직한 방향으로 하중을 부여하며 ‘설계 공간’에는 직접적으로 하중이 작용하지 않도록 하는 것이 좋습니다. (참조: the related product review for more info on a “design space” in Inspire 2014.)

INSPIRE1▲ 02 – 기본적인 트러스 구조 지붕 문제

INSPIRE1▲ 03 – 첫 번째 최적화 결과. 목표는 설계 공간 내에서 중량 30% 절감.

하중 블록은 ‘설계 공간’ 상단에 균일하게 분포하도록 하였는데 블록의 두께는 특별한 의미가 없지만 본 해석에서는 두께를 얇게 설정하였습니다. 다음으로는 지붕(트러스)의 양 끝단에 하중 지지부를 설정하였습니다.(그림 02)

하중을 부여하기 위하여 loads/supports 툴이 사용되었습니다. 단위 면적 당 작용하는 하중은 실제와 유사하게 설정 되었으며 상단의 하중블록(모델의 회색부분)에 가하였습니다. 다음으로 최적화가 수행되며 결과는 그림 03에 도시하였습니다. 여러분들이 보는 바와 같이 하중블록 형상은 변하지 않지만 ‘설계 공간’은 중량 최적화가 수행되었습니다. 결과는 복합재 구조 형상을 띠고 있으며 이것이 인스파이어가 제안한 최종 형상입니다.

우리가 관심을 가지는 것은 무게가 최적화된 결과 형상으로 아치 타입의 트러스 구조 입니다. 다음 단계로는 최적화 결과를 실제 적용이 가능하도록 좀 더 다듬어 디자이너가 원하는 트러스 구조로 수정하는 것입니다.

브라켓 문제

다음 예제는 상단부 하중을 지지하는 브라켓으로 건물 구조에 많이 사용됩니다. 먼저 하중을 전달하는 지지블록이 모델링이 되어야 하며 이 구조물은 하중을 전달하는 기능도 있지만 햇볕을 차단시키는 차양 기능도 가지고 있습니다.(회색으로 보이는 부분) 하지만 햇볕 차단 기능이 모델링에 포함되는 것은 아닙니다.

첫 번째 그림은 ‘설계 공간’을 보여주며(그림 04 황갈색 부분) 하중은 상단 블록 부분에 작용하며 하중 지지부는 브라켓 하단부 측면에 부착되어 벽과 바닥에 지지 됩니다.

INSPIRE1▲ 04 – 햇볕 차단 타입의 하중 조건 생성. 브라켓은 ‘설계 공간’으로
설정.

INSPIRE1▲ 05 – 첫 번째 해석을 통해 산출된 최적화 형상.

INSPIRE1▲ 06 – 수정된 최적화 형상. 바닥부 지지는 필요없음.

설정된 ‘설계 공간’ 만으로 하중 지지가 가능할지 또 최적화 결과 산출이 가능할지 알 수 없으므로 먼저 벽면 하단에 위치한 지지구조로 해석을 진행하였으며 결과는 흥미로운 트러스 구조를 보여주고 있습니다.(그림 05) 하지만 그림5에서 최적화 형상 상단부의 응력이 크고 전체적인 형상도 바람직하지 않아 동일한 하중조건에서 벽면부 지지구조를 변경하여 다시 최적화 해석을 수행하였습니다.(그림 06)

최적화 결과는 좀 더 흥미로운 형상을 보여주며 하단부 지지구조는 삭제되었고, 벽면 상단부 지지 부분에는 중량이 증가하는 경향을 나타내고 있습니다. 전체적인 형상은 아주 산뜻한 구조이며 벽면 하단부 지지 형상은 대단히 흥미롭습니다. 이 형상을 기본으로 건축가는 햇볕 차양의 스틸 브라켓 형상을 개선하게 되는데 이는 계절에 따른 적설 하중 변화 등 여러 가지 상황을 고려해야 하기 때문입니다.

인스파이어를 활용하여 좀 더 흥미로운 형상을 가지는 건축 구조물을 살펴 보도록 합시다.

혁신적인 구조의 건축물

저자가 평가 기간이나 적용 소프트웨어, 리뷰 작성을 고려할 때 좀 더 매력적인 형상을 가지는 건축 구조를 산출하는데는 물리적인 한계가 있으므로 솔리드씽킹에서 제공한 다른 예를 살펴 보았습니다.

버스 정류소 구조물

다음 사례는 유럽에 있는 사용자가 보내 온 것으로 솔리드씽킹이 제공한 것입니다. 구조물은 보강재를 포함한 콘크리트 구조물로 생물체 형상을 가지고 있으며 외계 구조물 같기도 합니다. 아래 사진에서 보듯이 여러분들은 햇빛을 뒤집어 쓴 아름다운 유기체 형상의 구조물을 볼 수 있습니다.(참조 그림 07)

INSPIRE1▲ 07 – 보강재를 포함한 콘크리트 재료의 버스 정류장으로 솔리드씽킹 인스파이어2014를 사용하여 디자인.
(이미지 제공: Aarhus School of Architecture, Denmark. All rights reserved. The school used OptiStruct for the design.)

실제 적용된 형상으로 일반적인 버스 정류장 지붕과는 확연히 다른 모습을 보여주고 있습니다.(참조: “Product Review: solidThinking Inspire 2014”, Architosh, 22 Jan 2015)

솔리드씽킹 인스파이어를 이용한 최적화를 위해서, 먼저 디자이너는 지붕 평판을 포함하는 적절한 설계 공간을 설정하고 지면 부분에 대한 볼륨을 제거하게 됩니다.(그림 08) 다음으로는 무작위로 지지부를 선택하게 됩니다. 위에서 실제 적용된 버스 정류장 구조물은 지지부가 3곳으로 아래의 두 번째 그림을 참조하십시오.(그림 09)

INSPIRE1▲ 08 – 최적화 이전, 버스 정류장 볼륨으로 설정된
‘설계 공간’

INSPIRE1▲ 09 – 엔지니어와 건축가에 의해 첫 번째로 수행된 중량 최적화 결과로 최적화 과정의 시작이며 이후 추가적인 형상 변경이 검토됨.

만약 여러분들이 ‘와우, 하지만 최종 최적화 모델(그림 09)은 좀 더 경량화를 시켜야 하는데’ 라고 생각하더라도 여러분은 이제 혼자가 아닙니다. 인스파이어는 재료가 콘크리트인지 목재인지를 결정하거나 계산해 주지는 않습니다. 하지만 금속재나 플라스틱 재료는 적용이 가능하며 이 재료들은 일반적으로 산업체에서 많이 적용되는 재질입니다.

만약 여러분들이 재질을 고려해야 한다면 콘크리트 재료 물성치를 인스파이어 재료 라이브러리에 입력을 해야 합니다. 하지만 실제 콘크리트는 강철빔이 콘크리트 내에 포함되는 구조입니다. 인스파이어에서 이런 부분을 고려해야 한다면 이는 인스파이어가 인공지능을 가지고 있어야 한다는 의미이므로 현실적인 적용은 곤란합니다. 인간이 가진 지능이 요구되는 부분은 최적화 이후의 다음 단계가 될 것입니다.

INSPIRE1▲ 10 – 인스파이어가 찾아낸 최종 버스 정류소 구조물 형상.
(이미지 제공: Aarhus School of Architecture, Denmark. All rights reserved.)

최종적으로 산출된 콘크리트 버스 정류소 구조를 이해하기 위해서 디자이너는 구조 엔지니어의 도움을 받아야 합니다. 보강 구조를 가지는 콘크리트 구조물은 시각적으로도 경량 구조임을 알 수 있고 위의 사진에 나타난대로 아주 아름다운 형상을 보여주고 있습니다.(참조 그림 10)

인스파이어의 건축물 예제

솔리드씽킹 인스파이어는 그 차체 만으로 독특한 형상이나 형태를 만들어 낼 수 있으며 공공시설이나 건축 엔지니어링에 사용할 수 있습니다. 넓은 간격을 가지면서 힘을 지탱해야 하는 구조물이라면 트러스 구조가 효과적이며 인스파이어는 이런 문제에 대한 해결책을 제시할 수 있습니다.

▲ 동물 다리와 유사한 형태를 보여주고 있는 다리 구조물의 동영상. 아름다운 모습을 보여주며 구조물의 재료를 강철, 목재나 콘크리트를 어떻게 적용할 것인가에 대한 영감을 제공합니다.



위에 예로 든 다리에서 설계 공간은 많은 고민과 숙고를 통해서 설정되며 목적은 경량 최적화 구조를 가지면서 트러스트 구조로 디자인 하는 것입니다.

동영상에서 보여주는 구조물의 끝단 형상에서, 하중 블록을 지지하는 높은 수직형태의 다리가 아주 우아한 형상을 띠고 있음을 볼 수 있습니다. 우측의 하중을 지지하는 다리들은 생물학적 형태를 가지고 있으며 개나 말의 뒷다리를 연상시킵니다.

상세 건축 디자인을 위한 인스파이어

솔리드씽킹 인스파이어2014는 건축가가 상세한 구조 설계를 할 때도 유용하게 사용될 수 있으며 여러 가지 상황들을 고려할 수 있습니다.

예를 든다면, 건축가가 원하는 특별한 디자인에 대해서 구조물을 제작하여 제공해줄 곳이 없다는 것입니다. 또 다른 문제는 건축가로서 당신은 고객이 원하는 시스템을 상상할 수 있지만 그것이 현실 속에 존재하는 것이 아니며 새로이 창조해야 하는 대상입니다. 혹, 당신이 그리는 건물 시스템이 현실 속에 이미 존재하는 것이라도 건축가가 원하는 새로운 버전은 경량화가 이루어진 아름다운 그 무엇이 되어야 한다는 것입니다.

다음에 정의해야 할 문제는 활 모양의 지붕 시스템으로부터 하중이 유입되는 사각형 브라켓 입니다. 하나의 브라켓에는 4장의 판넬들이 한 곳 모인 모서리 중앙에 하중이 집중되는 형태로 서로 이어져 연결되는 구조를 가집니다.(참조 그림 11)

INSPIRE1▲ 11 – 평면 형태의 굽은 지붕 시스템은 네 모서리에 하중을 지탱할 수 있는 브라켓이 필요하며
그 중앙에 하중이 작용합니다.

위의 그림에 보듯이 브라켓 공간은 노란색으로 표시되어 있으며 단순한 사각형 볼륨을 가지고 있으며 이는 설계 공간으로 아래 그림 12의 적갈색 부분 입니다. 다음 단계에는 하중과 힘을 정의해야 하며 빨간색 화살표의 방향이 힘의 방향을 나타내고 있습니다.(참조 그림 12~13)

INSPIRE1▲ 12 – 설계 공간은 적갈색으로 표시되어 있으며
두 방향으로 정의된 제어 평면을 포함하고 있습니다.

INSPIRE1▲ 13 – ‘설계 공간’에서의 중량 최적화 결과,
무게 절감 량이 큼.

결과에서 보듯이 최종 형상은 두 축을 기준으로 서로 대칭되는 형상을 가지고 있습니다.(참조 그림 12) 다음으로 최적화 계산이 이루어지며 노란색 형상은 최적 형상으로 설계 공간에 비해 아주 작고 경량화 비율이 대단히 큽니다.(참조 그림 13)

이렇게 최적화 된 형상은 한번 더 정확한 응력 계산이 이루어지고 형상을 다듬어 최종 결과를 얻게 됩니다. 그리고 이 모델은 CAD 파일로 변환되어 설계자나 해석 엔지니어에게 전달됩니다. 이 단계는 다음 단계인 디자인 단계로 솔리드씽킹 이볼브를 사용하여 진행됩니다.

INSPIRE1▲ 14 – 솔리드씽킹 이볼브를 이용하여 완성한 최종 모델. 이볼브는 인스파이어의 자재 제품.

최종 모델은 중량 최적화가 이루어진 모델과 형상적으로 유사하며 형상을 좀 더 다듬고 양산에 적합하도록 수정된 모델입니다.

맺는 말

솔리드씽킹 인스파이어 2014는 건축 작업에도 활용할 수 있음이 명확해졌습니다. 오늘날 건축은 컴퓨터 기술을 타고 빠르게 발전하고 있으며 디자인 단계에서 건축가와 엔지니어는 공동 작업을 통해서 솔루션을 만들어내고 있습니다. 이는 건축 프로세스에서 건설과 양산 단계에도 적용이 됩니다.

INSPIRE1▲ 15 – 혁신적인 스킨을 가지는 고층 건물의 최종 이미지. 구조물의 유리창은 고층 건물의 표면과 일치하는 형태를 가짐. 하지만 인스파이어는 솔리드 형태의 구조가 하중을 어떻게 지지할 것인가에 대한 정보를 제공.

CAE 소프트웨어 기술은 빠르게 발전하고 있습니다. 알고리즘은 엔지니어링의 발전에 기여하고, 클라우드 기반의 전산 리소스는 건축가와 엔지니어가 좀 더 빨리 그리고 편하게 평가와 최적화, 시뮬레이션을 진행할 수 있게 하며 반복적인 설계 프로세스에서 통합된 결과를 도출해 내고 있습니다.
오늘날 인스파이어 2014와 같은 CAE기술이 건축 설계 단계에 사용되는 소프트웨어 툴로 이전 됨에 따라 건축가는 좀 더 다양한 시도를 할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술을 통해서 건축가는 그들의 아이디어를 구조와 연계하여 시각화 할 수 있으며 궁극적으로 건축의 자유도를 높이고 건축 분야에서 혁신적인 결과를 얻는데 많은 기여를 하게 될 것 입니다.

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