건축 분야에서의 위상 최적화와 적층 제조, 과연 효과가 있을까?

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  위상 최적화와 적층 제조를 결합한 기술은 자동차나 항공우주 산업에서는 이제 일반적이 되었지만, 아직 건축 업계에서는 생소한 기술이며, 거의 사용되지 않고 있습니다. 델프트 대학교(University of Delft)의 건축학과 학생인 바유 프라유디(Bayu Prayudhi)는, 위상 최적화와 적층 제조 기술의 결합이 건축 프로젝트에 있어서 어떤 도움을 줄 수 있을지 알아보기 위해 현재 진행하고 있는 건축 프로젝트의 모델을 재설계하고 설계 과정에서 위상 최적화 방법을 포함시켰습니다. 재설계한 모델은 아제르바이잔(Azerbaijan)의 바쿠(Baku) 국제 공항에 위치한 야외 캐노피였습니다.

  기존의 디자인은 설계자, 기획자, 엔지니어, 컨설턴트 및 기술 전문가로 구성되어, 광범위한 전문 서비스를 제공하는 아럽(ARUP)에 의해 만들어졌습니다. 암스테르담에 있는 아럽의 사무실에서 전문 컨설턴트 한 명이 바유의 프로젝트에 함께 참여했습니다. 그들은 알테어 하이퍼웍스(HyperWorks) 제품 군에 포함된 구조 해석 및 최적화 도구 옵티스트럭트(OptiStruct)와 그 외의 몇 가지 추가 도구를 활용하여 구조를 재설계하고 3D 프린팅 기술을 적용할 수 있도록 설계를 조정할 수 있었습니다.

  이렇게 해서 만들어진 새로운 3D 프린팅 결과물은 약 32%의 잠재적 중량 감소 효과를 가져 왔습니다(약 9 톤의 중량 감소). 그리고 대학 프로젝트의 범위에서 실제로 재설계된 캐노피를 제작할 수는 없었던 바유는, 이렇게 새로운 구조적 접근 방식을 보여주기 위해 해당 모델을 작은 모형으로 만들었습니다. 프로젝트 기간 동안 바유는 그의 스승인 “TU 델프트(TU Delft) 건축공학과의 Dr. Michela Turrin”과 “Dr. Ing. U. Knaack 교수” 그리고 “아럽 암스테르담 빌딩의 수석 엔지니어인 시보 렌(Shibo Ren)”의 도움과 감독을 받았습니다.

  TU 델프트의 건설 및 건축 관련 학과는 1904년에 처음 설립되었습니다. 그 이후로 이 학교의 교수진들은 항상 가장 넓은 범위에서 건축 교육과 연구에 주도적인 역할을 해오고 있습니다. 약 3000여명의 학생과 함께, 수백 명의 연구자, 강사, 교수가 교육을 제공하고 있으며 참여적이고 특색있는 글로벌 환경에서 연구 및 교육을 지원하고 있습니다. 건축 관련 학과 및 건축 연구와 관련된 다양한 전문 협회들이 있습니다. 여기에는 재학생뿐만 아니라 졸업생들을 위한 연구 협회도 포함됩니다.

위상 최적화와 적층 제조 기술, 건축 분야에서도 효과적일까?

  건축가들은 기능, 모양 그리고 비용, 작업 시간, 기술적 한계와 같은 주어진 조건들을 뛰어넘는 혁신을 위해 항상 노력하고 있습니다. 위상 최적화와 적층 제조 기술의 결합과 같은 혁신적인 접근법과 기술의 사용은 새로운 가능성을 열어 놓았지만, 이러한 프로세스가 건축 분야에 활용되기 전에 평가가 될 필요는 있습니다. 신기술에 대한 문제를 아는 것도 중요하므로, 사전 연구를 통해 신뢰할 수 있는 경험을 얻는 것이 올바는 방법일 것입니다.

  바유는 건축 분야에서 위상 최적화와 적층 제조의 결합 기술 사용 가능성을 조사하기 위해, ARUP에서 설계한 아제르바이잔의 바쿠 국제 공항의 야외 캐노피를 모델로 선정했습니다. 이 캐노피는 비행기에서 건물까지의 길을 커버하기 위해 지어졌으며, 비행기에 들어가고 나오는 승객에게 피난소를 제공하고 있습니다. 캐노피의 지붕은 417 제곱 미터의 면적을 가지고 있으며, 아래에서 가장 높은 곳 까지의 높이는 9.18 미터, 길이는 29.5 미터입니다. 기존의 구조는 모든 요구 사항을 만족시키기는 했지만, 중량 및 재료 감소 측면에서 더 효율적인 설계가 가능할 것으로 생각했습니다.

  이렇게 캐노피와 같은 건축물은 매력적인 것도 중요하지만, 단단함, 재료 사용, 무게와 같은 부분 역시 중요합니다. 모든 조건을 만족하기 위해, 설계자는 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 기능적으로 효율적이고 혁신적인 모양을 찾는데 도움을 받을 필요가 있습니다.

  이번 연구 프로젝트의 목적은, 위상 최적화와 적층 제조 기술이 제공하는 잠재력을 활용하여, 더 가볍고 구조적으로 효율적인 제품을 개발함으로써, 최적화되고 자유로운 건물의 구조 시스템을 설계하는 것이었습니다.

Delft_SS_120810_Letter_Web3▲ 개발 접근 방식 시연을 위한 물리적인 모형

Delft_SS_120810_Letter_Web4▲ 옵티스트럭트를 이용한 위상 최적화(서로 다른 반복 단계에서 밀도 분포) 및 하이퍼웍스의 메시 작업 결과(표준(왼쪽) 및 최종 노드 설계(오른쪽) 연결 노드 구조)

Delft_SS_120810_Letter_Web5▲ 금속 3D 프린팅 된
프로토타입 노드


위상 최적화와 적층 제조 기술이 만나
여러분을 가볍고 효율적인 건축물 구조로 이끕니다!

  알테어 하이퍼웍스(HyperWorks) 제품 군에 있는 구조 해석 및 최적화 유한요소 솔버 옵티스트럭트(OptiStruct)를 사용하여, 새로운 디자인을 탐색하고, 적층 제조 기술 적용을 위한 준비, 캐노피의 구조적 성능을 최적화하는 동시에 중량과 필요한 재료의 양을 줄일 수 있었습니다. 옵티스트럭트는 특히 적층 제조를 위한, 기능적이면서 시각적으로도 매혹적인 디자인을 제안해 주었습니다. 이 프로젝트에서는 하이퍼웍스 제품 중 전처리를 위한 하이퍼메시(HyperMesh)와 후처리 작업을 위한 하이퍼뷰(HyperView)도 함께 사용되었습니다.

  먼저, 형상을 하이퍼웍스로 가져오고, 발생하는 하중을 적용했습니다. 하이퍼웍스로 가져온 모델은 단일 독립 노드로 만들었으며, 각 힘들은 수동으로 모델링 하였습니다.

  지지 구조 및 프린팅 방향과 같이 적층 제조에서 생기는 제조 제한을 고려하였으며, 노드의 최대 크기는 사용된 3D FDM 프린터의 빌딩 챔버 크기에 의해 제한적으로 결정되었습니다. 또한 연결 빔은 최적화 대상이 아니기 때문에 재설계 대상으로 넣지 않았고, 노드만 포함된 설계 공간이 정의되었습니다.

  이 프로젝트에서 사용할 수 있는 계산 능력이 제한되었기 때문에, 바유는 전체 구조에 대해서는 해석을 할 수 없었습니다. 요소 수, 하중 조건, 그외의 세부 사항으로 인해 전문적인 수준의 컴퓨팅 성능과 클러스터 분산 또는 클라우드 컴퓨팅 환경이 필요한, 매우 큰 FEA 모델로 이어지게 되었습니다. 그래서 바유는, 발생하는 여러 가지 힘의 수치 데이터를 사용하여 하나의 노드에서만 최적화를 수행하고, 이 결과를 토대로 전체 구조 최적화에 미치는 영향을 추가로 평가하기로 결정했습니다.

  이 과정에서는 기존의 3D 모델을 사용할 수 없었기 때문에, 근사 및 가정을 기반으로 재구성해야 했습니다. 우선 모든 노드의 총 중량을 더한 후 평균 값을 냈습니다. 원래의 구조와 재설계된 구조 사이의 자세한 중량 및 비용 비교에 대한 연구는 여전히 많이 이루어져야 했습니다.

  바유는 시뮬레이션 결과를 토대로, 새로운 캐노피 설계가 약 32% 중량 감소로 이어져 지붕의 총 질량이 34.9톤에서 23.7톤으로 감소할 것으로 예상했습니다. 동시에 캐노피가 덮는 전체 면적은 417 제곱 미터에서 423 제곱 미터로 오히려 증가했습니다. 또한, 쿼드 판넬 설계는 벌크 볼륨면에서 삼각형 디자인에 비해 연결 세부 요소의 필요한 양을 줄였으며 유약 제조 효율을 높이는 데 도움이 되었습니다. 바유는 프로젝트를 마무리하기 위해 실물과 같은 경험에 구조의 특성을 더 잘 이해하는데 도움이 되는 작은 모델을 제작했습니다. 이 서브 프로토타입 모델의 목적은, 목표하는 학생의 무게를 지탱하는 것이었습니다. 노드는 1:4의 비율로 구성되었으며, 치수는 대략 100mm로 셋팅했습니다. 이 모델은 3D 프린팅 서비스 제공업체인 쉐입웨이즈(Shapeways)에서 프린팅 했습니다. 금속 3D 프린팅은 직접 레이저 소결 대신에 청동 분말이 주입된 40%의 스테인레스 스틸 분말의 바인더 분사로 작업이 이루어졌습니다.

건축 분야에서도 효과 만점!

  바유는 알테어의 옵티스트럭트를 사용하여 적층 제조 용 맞춤 최적화된 구조를 생성할 수 있었습니다. 바유는 총 질량은 크게 줄어들고 전반적인 강성은 향상된 새로워진 디자인을 제시했습니다. 위상 최적화와 적층 제조 기술의 결합은 경량화는 물론, 작업 시간을 줄이고 전반적인 기능을 향상시켰으며 간단한 연결 부품에 대해 더 쉽고 빠르게 설계할 수 있도록 도와주었습니다.

  연결 부품의 단순화는 현장에서 더 빠르고 쉽게 업무를 처리할 수 있도록 조립 공정을 이끌어내는 효과도 보여주었습니다. 이로 인해 조립된 큰 구조 부품을 운반할 필요가 줄어들었습니다. 그리고 위상 최적화와 적층 제조 기술로 전체 공사 시간이 크게 단축되어 공사 비용도 절감할 수 있습니다.

  또한 위상 최적화와 적층 제조 기술로 만들어진 디자인은 경량화와 관련하여 기존의 설계되는 부품 및 방식과 비교되어서는 안된다는 것을 보여주었습니다. 전체 구조와 적용된 프로세스를 살펴보면, 위상 최적화와 적층 제조 기술의 사용은, 설계에서 실제 건축 작업에 이르기까지 전체 건축 프로세스 과정을 변화시켜 재료 절감, 개발 및 건축 작업에 대한 시간과 비용을 절약할 수 있으며, 동시에 더 좋고 예술적으로도 뛰어난 결과를 얻을 수 있습니다.

  “전체 구조와 적용된 프로세스를 살펴보면, 위상 최적화와 적층 제조 기술의 사용은, 설계에서 실제 건축 작업에 이르기까지 전체 건축 프로세스 과정을 변화시켜 재료 절감, 개발 및 건축 작업에 대한 시간과 비용을 절약할 수 있으며, 동시에 더 좋고 예술적으로도 뛰어난 결과를 얻을 수 있습니다.”

바유 프라유디(Bayu Prayudhi),
델프트 대학교 건축학과 학생



* 산업
– 건축학, 건축공학, 토목 공학, 교육

* 과제
– 건축 프로젝트에서 위상 최적화와 적층 제조 기술 적용의 효과

* 알테어 솔루션
– 최적화 작업을 위해 하이퍼웍스 제품군 및 옵티스트럭트 사용

* 효과
– 재료 사용 감소로 작업 시간 및 비용 절감
– 더 좋고 예술적으로도 뛰어난 결과

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