강도 높고 안전한 구조물, 인스파이어로 만들다.

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이미지 제공 디지털 스튜디오(DIGITAL STUDIO)



“인스파이어의 구조 최적화를 이용하여 초기 단계에서 좀 더 나은 모델을 구성할 수 있었으며, 동시에 강도과 안정성도 확보할 수 있었습니다.”

다이스케 히로세(Daisuke Hirose)
Archicomplex 이사, Studio X 매니저,
도쿄 DIGITAL STUDIO 교수

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한 놀라운 전시물이 도쿄 디자이너 위크 2013(TDW 2013) 기간 동안 많은 관람객의 주의를 끌었습니다. 이 구조물은 다름 아닌 알테어 구조 최적화 소프트웨어 ‘인스파이어’를 이용한 것으로, 전시물의 안정성을 확보할 수 있도록 하여 복잡한 형상을 만들어 낼 수 있었습니다. 이 프로젝트는 콜롬비아 대학의 Studio-X와 도쿄 DIGITAL STUDIO의 협업으로 진행이 되었습니다. 전시물의 컨셉은 구조물의 안정, 불안정성 측면에 초점을 맞추어 ‘전시물의 재료를 어떻게 줄일 수 있을 것인가’ 하는 것이었습니다. TDW 2013에서 디자인 위원회로부터 호평을 받은 바로 이 ‘Soft-Kill Pavilion-X’ 는 3개의 기업으로부터 상을 받았고, 학교 전시에서도 준우승을 차지하였습니다.


불안정 속에서의 안정

댄서의 동작에서 영감을 얻은 이 구조물은 얼핏 보기에는 불안정해 보이지만 실제로는 안정적인 움직임을 보여주는 것으로 ‘불안정 속의 안정’ 이라는 컨셉이었습니다. 다름 아닌 인스파이어 덕분에 DIGITAL STUDIO는 전시물의 안정성을 확보하면서 동시에 형상의 최적화를 달성할 수 있었고, 또 점진적으로 재료의 소요량을 줄이면서 사용되는 부재의 숫자를 최소화하는 디자인을 채택할 수 있었습니다.

3D 모델링 툴을 이용하여 초기 형상을 확정한 후에 인스파이어를 이용하여 구조 최적화를 수행하였고, 최적화 된 결과는 다시 3D 모델링 툴을 이용하여 다듬어져 전시 구조물이 파이프 형태를 가질 수 있도록 하였습니다. 파이프는 다축 레이져 커터를 이용하여 절단하였으며 다시 조립과정을 거쳤습니다.

도쿄 디자이너 위크 2012 에디션에서 DIGITAL STUDIO팀은 인스파이어를 사용하여 2D 플라스틱 판넬을 이용, 최적화 된 모델을 제작하였습니다. TWD 2013 에디션에서 DIGITAL STUDIO는 스틸 파이프를 이용하여 현장에서 신속하게 전시물을 제작하였으며, 개선된 디지털 제작 방법을 적용하였습니다.

구조물의 일부에 대해서는 구조 최적화 수행 과정에서 soft-kill 옵션이 적용되었으며, 이는 초기 형상이 왜 거칠고 단순한 형태인지를 설명해줍니다. 연속해서 육면체 밑부분에 반원 형상에 구멍을 뚫어 4개의 다리를 설치하였습니다. 이어서 전체 육면체를 비틀어서 최종 형상을 만들어냈으며 최적화를 수행할 준비를 마쳤습니다. 최적화 모델에 역동성을 부여하기 위하여 4개의 민감한 다리와 지붕을 용융시켜 댄서의 동작을 정확하게 묘사하였습니다. 이것은 ‘근심’이라는 순간적인 느낌을 보여주며 역동적인 공간성을 표현하기에 충분했습니다.

인스파이어의 초기 컨셉 제안. 실마리를 풀어내다.

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초기 형태 :
디자인 스페이스와 자중 하중 및 횡 방향 하중 적용

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인스파이어를 사용한 최종 최적화 결과

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2013 도쿄 디자이너 위크에서의 시상식

인스파이어에서 초기 형상에 대한 최적화 작업을 준비하기 위해서는 조건이 필요하며, 먼저 주어진 하중 조건을 모델에 적용하여 응력 결과를 산출해야 합니다. 먼저 DIGITAL STUDIO는 풍압과 지진 영향을 반영한 단순한 가정을 설정하여 구조적인 문제를 검토하였으며, 이를 위하여 4가지 횡하중을 모델에 적용, 바람과 지진의 영향을 시뮬레이션 하고 최종 응력 결과를 산출하였습니다. 횡하중에 대한 4가지 서로 다른 해석을 수행하였으며 실제 동적 거동을 가지는 가정을 기초로 한 해석을 수행, 실제와 유사한 조건들을 재현하여 이 때의 응력치를 계산하였습니다. 그리고 최종적으로 4가지 해석에 대한 결과들을 서로 조합하여 최종 최적화 모델을 만들어냈습니다.

모델 구성에는 인스파이어를 이용하였습니다. 모든 다각형의 중심점은 서피스 상에 표현이 되며 3,000개가 넘는 점들이 추출되어 최적화 된 모델을 따라서 선을 구성하고, 이를 다시 파이프 형태로 만들어 최종 제작이 이루어졌습니다. 구성된 모델은 인스파이어에서 여러 조건을 충족하도록 만들어진 최적화 구조이므로 당연히 충분한 구조 강도를 확보할 수 있었습니다. 다양한 각도로 산출된 최종 모델을 이용하여 마지막으로 파이프를 적재적소에 위치시켰습니다.

파이프 접합 프로세스는 3D CAD에서 진행되며 용접 공법은 적용되지 않았습니다. 접합 방법은 2가지 타입의 파이프를 연결하기 위하여 핀과 소켓의 구조를 가지는 결합부에 파이프를 끼워서 조립을 하였습니다. 조립 과정은 조인트를 만들기 위하여 구조물의 특징이 고려되어야 합니다. 끼워지는 암(female)파이프는 제작도 단순하고 낮은 인장하중을 받지만, 숫(male)파이프는 높은 인장/압축력이 작용하여 구성이 쉽지 않았습니다.

조인트의 복잡성은 다축 레이져 커터를 이용하여 해결되었으며, 가공 기계를 이용하여 일본에서 제작이 되었습니다. 모두 36개의 스틸 파이프가 절단되었으며 각각의 조인트와 파이프에 번호를 매겨 전시물을 쉽게 조립할 수 있도록 하였습니다.

조립과 분해 과정도 시험적인 방법을 검토가 되었습니다. 예를 들어, 실물 모형 상의 파이프가 부드럽게 결합되지 않을 수 있고 또 어떤 파이프들은 깊은 소켓으로 인해 파손이 발생할 수도 있습니다. 또한 조립과정의 공차 부족으로 조립에 많은 시간이 소요되는데 이런 작업은 사람의 수작업으로 진행하기에는 곤란합니다. 모형 제작은 최종 모델을 개선하기 위해서 필요한 작업이었습니다.

3개의 기업으로부터 수상. 학교 전시에서 준우승 차지!

DIGITAL STUIDO는 학생 발표 행사 동안 많은 방문객들에게 이 작품을 선보였으며, 도쿄 다자이너 위크 2013에도 전시되었습니다. 아시아 부분 수상작 선정을 위하여 67개 작품이 학교 전시에 출품되었고, 이 프로젝트는 최종 발표에서 상위 8개 작품에 포함되었습니다. “Soft-Kill Pavilion”3개의 기업으로부터 상을 받았으며 학교 전시에서도 준우승을 차지하는 쾌거를 달성하였습니다.

DIGITAL STUDIO에 따르면, 인스파이어의 주요 기능을 이용하여 쉽게 작업할 수 있었으며, 구조와 재료, 하중, 제약조건을 설정하는데 아주 직관적이었다고 합니다. 그리고 복잡한 모델에서 필요없는 부분이 자동적으로 계산이 되어 엄청난 시간을 절약할 수 있었습니다. 인스파이어는 배우기도 쉽고 사용도 쉽습니다. 프로젝트 수행기간 동안 DIGITAL STUDIO는 인스파이어의 최적화 기술로 인간 뼈의 성장을 연구한 결과가 실제와 동일하다는 것을 발견했습니다. 동일한 최적화 원리를 구조 최적화에도 쉽게 적용할 수 있었으며, 결과적으로 구조 역학에 대한 전문적인 지식이 없어도 최적 형상을 얻을 수 있고, 복잡한 형상의 최적화 결과를 실제 구조물에 적용할 수도 있었습니다.



* 업종
– 건축 공학

* 과제
– 보다 복잡한 공간에 대한 고급 구조 최적화

* 알테어 솔루션
– 인스파이어를 사용하여 2013 도쿄 디자이너 위크를 위한 혁신적인 건물 제작

* 효과
– 설계 최적화를 이용한, 혁신적인 건축 양식에 대한 새로운 정의
– 건물 성능의 개선을 위한 구조 설계 연구
– 경량 설계로 조립 시간과 재료 낭비를 줄임

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