구조 최적화가 건축에 꼭 필요한 이유

* Luka Frattari

알테어 AEC(Architecture Engineering Construction) 부문 이사.
이탈리아 카메리노 대학에서 건축과 산업 디자인 박사 학위를 받았다. 박사논문은 위상최적화의 건축 및 산업디자인 적용을 주제로 삼았으며, 이 논문은 그 해 학내 최고논문상을 받았다. 건축 최적화 분야의 최고 권위자이며 국제 컨퍼런스의 단골 연사이기도 하다.
(lfrattari@altair.com)




* 요약
최근 최적화가 많은 관심을 받고 있으며, 이러한 기술이 건축에도 적용될 수 있다면 흥미로우면서도 좋은 기회가 될 것이다. 만약 우주항공과 자동차 산업에 적용되고 있는 최적화 기술을 건축 분야로 이전하여 활용할 수 있다면 기존의 형상화 작업, 모델링, 재료선정 등과 같은 과정을 개선할 수 있을 것이다. 본 논문의 목적은 건축 분야에 구조최적화 기술과 래피드 프로토타이핑 기술을 도입하면 어떤 가능성이 있는가를 검토해 보는 것이다. 먼저 건축계가 직면한 과제를 짧게 정리한 후, 브라켓과 다리의 사례를 통하여 어떻게 우주항공산업 분야의 최적화 시뮬레이션 기술을 건축 영역으로 확장할 수 있을 것인가에 대해 확인하였다.

1. 새로운 방법론에 대한 모색

마감시간, 변경 그리고 상충되는 목표는 건축계가 맞닥뜨리는 도전이다. 최근 건축, 건설은 직관적인 컴퓨터 프로그램 언어로 무장한 어플리케이션, 툴과 같은 큰 변화의 물결에 직면해 있다. 실시간 네트워크를 통한 정보공유 능력도 또 하나의 동력이 되고 있다.

복잡한 프로젝트가 많아지고 요구되는 기능이 증가함에 따라 사용해야 하는 툴의 종류도 증가하고 있다. 개발 프로젝트를 위해 사용해야 하는 어플리케이션의 숫자만 보더라도, 오늘날 건축가는 서로 이질적인 여러 가지 툴을 다루어야 하는 문제에 직면하고 있다. 통합된 소수의 툴 만을 사용하여 이런 문제를 해결할 수 있다면 정말 좋겠지만 이것은 바람일 뿐, 현실적으로는 어려운 일이다.

프로젝트 개발단계에서 각 단계의 팀들이, 그들의 요구에 맞게 커스터마이즈 된 툴들을 사용하는 것은 굉장히 어렵다. 또한 이런 복잡한 프로젝트 해결을 위해 사용되는 서로 다른 소프트웨어, 그리고 복잡한 형상, 구조시스템, 설계변경 등이 동시다발적으로 진행되는 엔지니어링 시나리오들을 조화롭게 통합하는 것 역시 대단히 어려운 일이다. 특별히 구조해석, 도면작성, 설계문서, 리포팅 그리고 프로토타이핑만 하더라도 호환이 가능한 것도 있기는 하지만 실상은 그렇지 않다.

그러므로 툴의 호환성은 해결해야 하는 가장 첫 번째 이슈이며 심미적 및 기능의 통합은 그 다음이 된다. 이러한 환경들이 전체 프로젝트 진행 과정에서 큰 압력으로 작용하는 것이다. 세 번째 문제는 설계 과정에서 해결해야 하는 최적화 시뮬레이션이다. 다시 말해 프로젝트 개발과정 전에 최적화가 가능하다면, 후속되는 반복적인 설계변경 횟수를 줄일 수 있으며, 연속적인 연결작업으로 설계 결과의 품질을 높일 수 있다.
첨언하자면, 아래(그림1)의 다리 예와 같이, 컨셉 단계에서 복잡한 구조물의 최적화가 가능하다면, 설계자는 케이스 스터디를 통해서 다양한 시도를 할 수 있을 것이다.

1

2. 형상 최적화, 구조 최적화, 소재 최적화: 어떤 것이 우선인가

자연에서, 이런 3가지 측면은 유전적 알고리즘 측면의 생물학적 구조를 보더라도 복합적, 연속적으로 일어난다. 재료와 구조와 형상은 생물학적으로 엄격하면서도 상호보완적으로 연결되어 있다. 하지만 눈(雪)의 결정을 보더라도 형상, 구조, 재료의 연결성이 모호하다. 건축에서도 이 셋 중에 어느 것을 우선으로 해야 하는지는 쉽게 결정하기 힘들다. 그러면 어떻게 이 세가지 요소를 잘 조합하여 자연의 법칙에 맞게 적용해야 할 것인가.

발전된 구조 최적화 기술이 효과적일 수 있다. 현재 이 기술은 자동차, 우주항공산업에서 연비개선에 괄목할만한 성과를 보여주고 있으며, 건축분야로 이전되는 초기 단계이다. 레이저 소결(selective Laser sintering), 적층제조(Additive Layer Manufacturing), 래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping)과 같은 기술은 몇 년 전만 하더라도 상상도 할 수 없었지만, 지금은 사용 범위가 확대되고 있으며 대부분의 부품 설계에 사용되고 있다. 상상을 벗어난 형상이 오히려 성능을 최대화하면서 중량을 최소화 할 수 있다는 것은 놀라운 일이다. 최적화 형상 자체만 하더라도 대단히 매력적이다.: 형상 자체에 독특한 아름다움이 있다. (그림2,3,4)

그림4

이러한 이유로 나는 박사과정에서 자동차/우주항공산업에서 사용되는 기술을 건축분야에 접목시켰으며, 박사학위 논문 주제의 케이스 스터디로 다리 최적화를 채택하였다. 이 케이스 스터디는 CAD, CAE, RP(rapid prototyping)만을 적용하였지만, 최적화 된 복잡한 뼈 형태의 구조는 미학적인 요구까지도 만족시킬 수 있었다.

3. 페가수스(다리) 하이라이트

알테어의 범용 해석 소프트웨어는 두 가지 주요 부재인 50m 길이의 다리 하부와 지붕 구조의 형상 정의에 사용 되었다. 프로젝트는 먼저 단순 설계공간을 정의하고 작용하는 표준하중과 제약조건을 설정하는 것으로 시작하였다. (그림 5,7) 다음으로 구조 최적화를 통하여 최적화 된 다리 형상을 산출하였다. (그림6, 8)

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적용된 최적화 기술은 위상 최적화(Topology Optimization)이며, 이 기술을 통하여 하중을 지탱하는 최적화된 재료 분포(형상)을 산출할 수 있었다. 이를 이용하면 사용자는 손쉽게 최적화 작업을 설정할 수 있고, 특별한 어려움 없이 위상에 대한 최적의 결과를 얻을 수 있을 것이다. 자동차/우주항공산업에서의 최적화 경험이 없어도 누구나 쉽게 접근할 수 있는 것이다. 첫 번째 단계에서 위상 최적화를 통하여 최적화된 일차 형상을 산출하였으면, 다음 단계는 사이즈 최적화를 통하여 중공 컬럼에서 스틸 플레이트의 정확한 두께를 알아내는 일이었다. (그림9) 그리고 최종적으로 다리의 표준 성능을 만족할 수 있도록 최종 형상을 결정하였다. (그림10)

그림2

그림3

4. 결론

페가수스 다리에서 보여준 유기적인 구조는 보는 이들이 시각적으로 충분한 아름다움을 느낄 수 있도록 별도의 디자인 작업이 이루어졌다. 3D프린트로 제작된 다리 모형을 통해서 설계자는 형상을 명확하게 인지할 수 있었고(그림12,13), 디지털 제작과정을 용이하게 할 수 있었다. 페가수스는 복잡한 캐스트 스틸 조인트를 원하는 곡률을 반영하여 유연하게 연결하였다. 현재까지는 축소 프로토타입에 의존하는 수준이지만, 이것만으로도 복잡성, 심미성 그리고 최적구조 관점에서 아주 훌륭한 작품이라 생각된다. 이 디자인의 접근방법은 유전적 알고리즘을 따랐으며, 결과적으로 기존 다리 구조와 차별되는 특별하고 우수한 결과를 도출해낼 수 있었다.

그림11

5. 감사의 글
한국 건축계에 저의 글을 소개할 수 있는 기회를 주신 서울시립대 황지은 교수님께 특별한 감사의 말씀을 드립니다.
(이 원고는 2014년 2월호 대한건축학회지에 소개된 글입니다.)