[논문]창의적 사고력을 이용한 미학적 교량 설계

김남희; 고현무

doi:10.12652/ksce.2009.29.3a.217

창의적 사고력을 이용한 미학적 교량 설계
Aesthetic Bridge Design using Creative Thinking 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.29 no.3A, 2009년, pp.217 - 225

초록
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교량설계문제란 주어진 조건을 만족하는 해를 찾아가는 과정이며, 설계결과의 질적 수준은 개념적 설계단계에서 문제의 제약적 조건을 어떻게 합리적 설계대안으로 연계시키는지에 따라서 현저히 달라진다. 이 논문에서는 아름다운 교량형태를 위해서 창의적 사고력을 이용하여 정성적 교량설계 대안을 생성하는 개념적 설계를 위한 교량형태 생성방법에 주안점을 둔다. 이 연구에서 창의력은 무에서 유를 창조하는 것이 아니라 기존 개념들의 재구성을 의미한다. 이러한 창의력은 역학적 힘과 형태와의 관계를 토대로 이루어지는 구조시스템의 생성질서를 확장시키는 것뿐만 아니라, 건축양식과 같은 예술적 요소를 교량설계와 접목하는 것을 포함한다. 또한, 개념적 설계단계에서 교량형태 생성과정에 시각적 구조해석 결과를 보여주는 정력학적 도해법이 매우 효율적임을 살펴본다. 이 연구에서 제시하는 교량형태 생성방법은 실무자들에게뿐만 아니라 미학적 교량설계 교육에 대한 새로운 교육모델로도 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bridge design is a problem-solving process whose level of design quality strongly depends on how to relate design constraints with feasibile design objectives in conceptual design stage. This paper has focused on how to create bridge shapes using creativity toward better looking bridge appearances in conceptual design stage. The term creativity in this study does not refer to the creation of something from nothing but to the reorganization of existing concepts. Such creativity includes not only enlarging the number of structural forms which is established based on the relationship between form and statics but also combining bridge design with artistic components like an architectural style. Also, this study has investigated the usefulness of graphic statics as a structural analysis tool showing the analysis results visually to generate bridge forms in conceptual design stage. It is expected that the proposed way of generating bridge forms in this study to be used not only for practical purpose but also for educational purpose regarding the aesthetic bridge design serving as a new education paradigm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

먼저 이 연구에서 교량설계에 사용하고자 하는 창의력에 대해 정의한다. 새롭게 정의된 창의력 개념에 부합하는 교량형태 생성에 대한 주요 원리들을 제시한다. 교량형태 생성원리는 구조적 안전성과 시공가능성에 따라서 발전된 교량형태의 기본적 구조시스템을 이용하여 새로운 형태를 생성하는 방법뿐만 아니라, 자연적 여건과 사회·문화적 양식과 결합하는 방법, 비례와 조화의 미학적 원리를 이용하는 방법 및 자연형태의 의태적 모방법을 포함한다.
무엇보다도 개념적 설계와 프로젝트 형태의 학습을 강조하는 새로운 교육패러다임을 공통적으로 제시하고 있다. 이 논문은 아름다운 교량형태를 위해서 개념적 설계단계에서 가정하는 초기 설계대안 생성에 초점을 둔다. 특히 공학적 합리성이 매우 중요한 교량설계에서 창의적 사고력을 이용해서 새로운 교량형태로 발전시켜가는 방법을 제시하는 것이 연구목표이다.
전체적인 힘의 흐름을 고려해서 세부적으로 힘의 흐름과 미학적 비례원리를 이용해서 상세형상을 만들고, 구체적인 형상은 모따기, 색채와 문양을 점차적으로 이용해서 아름다운 형상으로 다듬어 간다. 이 연구에서는 아름다운 교량설계와 관련한 기존의 연구결과(김남희와 고현무 2005, 2006, 2007, 2008)들을 토대로 창의적 교량형태 생성을 위하여 발견한 다음의 4가지 원리들을 제시하고자 한다.
생성된 교량 형태의 이해를 돕기 위해서 실제 교량사례들을 그림에 포함하였다. 이는 기존의 실제 교량들이 정력학적 도해법을 이용해서 개념적 설계를 수행하였는지에 대해서는 조사하지 않았지만, 향후, 유사한 교량형태 설계에 정력학적 도해법을 사용할 수 있음을 보여주고자 한 것이다.
이 논문은 아름다운 교량형태를 위해서 개념적 설계단계에서 가정하는 초기 설계대안 생성에 초점을 둔다. 특히 공학적 합리성이 매우 중요한 교량설계에서 창의적 사고력을 이용해서 새로운 교량형태로 발전시켜가는 방법을 제시하는 것이 연구목표이다. 먼저 이 연구에서 교량설계에 사용하고자 하는 창의력에 대해 정의한다.

제안 방법

도해법을 이용해서 구조물에 작용하는 힘의 다각형을 그리기 위해서는 기본적 약속 사항은 다음과 같다. (1) 시스템 내부장과 외부장을 구분하고, (2) 구조시스템의 모든 부재에 대해서 힘의 벡터를 정의할 수 있도록 외부장에 작용하는 힘과 힘 사이에는 알파벳 대문자를, 내부장이 부재로 구획된 공간마다 알파벳 대문자를 사용해서 부호를 정하고, (3) 하나의 구조시스템에 대해서는 형상과 작용하는 하중에 대해서는 일관성 있는 스케일을 적용한다. 도해법에서 각 부재의 부재력 크기는 힘의 다각형의 기하학적 길이를 재서 구하기 때문에 일관된 스케일을 사용하는 것이 매우 중요하다.
Robert Maillart는 지형적 입지조건이 곡선인 점을 이용해서 곡선형 아치교로 설계하였다. 더욱이, 기존의 데크에서 스팬드럴로, 그리고 아치로 순차적인 하중 전달방식을 효율적으로 발전시키기 위헤서 데크와 아치가 일체화 거동을 하도록 데크보강시스템으로 설계하였다. 따라서 교량길이 37.
종방향 휨은 두개의 사각형 플랜지에 의해서, 횡방향 휨은 사각형 웨브에 의해서, 그리고 축방향 하중은 모든 단면 구성요소가 저항하도록 계획된 것이다. 또한, 곡선교에서 운전자의 가시성을 높이고자 사장교의 윗부부을 넓게 펼쳐줌으로써 기존의 진부한 사장교 형태가 아닌 그 지역에서만 가능한 새로운 엑스트라도즈교의 교량형태로 발전시켰다.
그림 2는 지금까지 축적된 기본적 구조요소를 토대로 다양한 교량의 구조시스템으로 전개하기 쉽도록 구조형태에 대한 생성 질서를 정리하였다. 사실상 구조요소의 분류 기준은 형상 또는 부재의 응력상태, 또는 재료 등 다양할 수 있지만, 이 연구에서는 구조시스템의 개발에 초점을 두고 부재의 응력상태를 기준으로 구성하였다. 즉, 단순압축, 단순인장과, 압축과 인장을 한 단면에서 동시에 받는 휨응력과 삼각형을 구성해서 부재별로 분담하여 인장 또는 압축을 받는 트러스 요소를 기본적 구조요소로 선택하였다.
이 예제에서는 중력방향 하중만을 고려해서 대안을 살펴보았다. 여러 가지 설계대안을 비교선택해야 하므로, 동일한 외력에 대해서 하나의 스케일로 통일하여 힘의 다각형을 작도하였다. 그림 12a의 부채꼴 케이블 배치에 대해서는 그림 12d에, 그림 12b의 하프형 케이블 배치에 대해서는 그림 12e에, 그림 12c의 수정된 하프형 케이블 배치에 대해서는 그림 12d에, 각각 상응하는 힘의 다각형이 주어져 있다.
이러한 창의력은 역학적 힘과 형태와의 관계를 토대로 이루어지는 구조시스템의 생성질서를 확장시키는 것뿐만 아니라, 건축양식과 같은 예술적 요소를 교량설계와 접목하는 것을 포함한 개념이다. 이 연구에서 재정의한 창의력을 바탕으로 4가지 주요한 교량형태 생성의 원리를 정리하였다.
따라서, 개념적 교량형태가 완성되면 그림 1의 제4단계 과정인 구조시스템의 합리성을 살펴봐야 된다. 이를 위해서 구조해석, 모형제작, 콤퓨터 그래픽스 시뮬레이션, 모형 실험 등을 수행해서 구조 및 시공적으로 실현가능한지 여부를 따져본다. 이 연구에서는 개념적 설계단계에서 교량형태의 안전성을 살펴봄과 동시에 설계대안을 생성하는 구조해석적 방법으로 정력학적 도해법(graphic statics)을 이용하기로 한다.
다양한 방법으로 생성된 교량형태는 아직 구조적 합리성이 확보되지 않은 상태이므로, 상세설계를 수행하기 이전에 구조적 타당성을 살펴봐야 된다. 이를 위해서, 교량형태와 힘의 흐름의 상호연관관계를 시각적으로 보여주는 정력학적 도해법을 개념적 설계단계에서 교량형태 생성과정에 적용해 봄으로써, 그 효용성을 살펴보았다. 정력학적 도해법은 기존의 구조해석 도구라는 개념에서 훨씬 확장된 수단임을 알 수 있었다.
사실상 구조요소의 분류 기준은 형상 또는 부재의 응력상태, 또는 재료 등 다양할 수 있지만, 이 연구에서는 구조시스템의 개발에 초점을 두고 부재의 응력상태를 기준으로 구성하였다. 즉, 단순압축, 단순인장과, 압축과 인장을 한 단면에서 동시에 받는 휨응력과 삼각형을 구성해서 부재별로 분담하여 인장 또는 압축을 받는 트러스 요소를 기본적 구조요소로 선택하였다. 일반적으로 대부분의 교량형태는 이러한 기본적 구조요소의 다양한 결합으로 표현할 수 있다.

이론/모형

이 연구에서 정의한 창의력을 이용한 교량설계는 교량자체만을 중점적으로 고려했던 기존 교량설계와는 달리 교량과 주변환경을 총체적으로 고려해서 설계하는 문맥적 교량설계법(김남희와 고현무 2006, 2007)을 이용한다. 그림 1은 기존의 문맥적 설계법의 흐름도에 교량형태의 구조적 합리성을 살펴볼 수 있는 단계를 보완한 것이다.
이를 위해서 구조해석, 모형제작, 콤퓨터 그래픽스 시뮬레이션, 모형 실험 등을 수행해서 구조 및 시공적으로 실현가능한지 여부를 따져본다. 이 연구에서는 개념적 설계단계에서 교량형태의 안전성을 살펴봄과 동시에 설계대안을 생성하는 구조해석적 방법으로 정력학적 도해법(graphic statics)을 이용하기로 한다. 이해를 돕기위해서, 먼저, 정력학적 도해법의 기본개념을 살펴본 후, 교량형태의 생성과정에서 도해법을 이용하는 방법을 설명한다.
일반적으로 근대이후의 교량설계사례에서 건축양식을 반영한 교량형태는 많지 않았다. 이 연구에서는 서양건축양식(Strickland 2007)의 특징을 기준으로 기존 교량형태들을 살펴보았다(김남희와 고현무 2008). 교량형태도 다양한 건축양식을 교량의 구조시스템, 규모와 주변건물의 형태 등을 고려해서 반영하면 아름다운 교량형태로 새롭게 변화를 줄 수 있음이 발견되었다.

성능/효과

그림 12a의 부채꼴 케이블 배치에 대해서는 그림 12d에, 그림 12b의 하프형 케이블 배치에 대해서는 그림 12e에, 그림 12c의 수정된 하프형 케이블 배치에 대해서는 그림 12d에, 각각 상응하는 힘의 다각형이 주어져 있다. 결과적으로 각 설계대안의 구조형상이 부재력에 미치는 효과를 힘의 다각형의 상대적 길이의 비를 가늠해 보면서 설계대안의 평가를 용이하게 수행할 수 있다. 이러한 방법은 그림 12g의 Millau Viaduct(http://upload.
이를 위해서, 교량형태와 힘의 흐름의 상호연관관계를 시각적으로 보여주는 정력학적 도해법을 개념적 설계단계에서 교량형태 생성과정에 적용해 봄으로써, 그 효용성을 살펴보았다. 정력학적 도해법은 기존의 구조해석 도구라는 개념에서 훨씬 확장된 수단임을 알 수 있었다. 실제로 정력학적 도해법이 다양한 설계대안의 생성, 힘의 흐름에 순응하는 교량형태 결정, 형태-역학-재료의 관계를 시각적으로 분석하는 도구 등 여러 가지 방법으로 사용 가능함을 보여주었다.

후속연구

문맥적 설계법의 가장 큰 특징은 교량설계 초기부터 도로의 선형계획을 위한 지형특성뿐만 아니라 교량형태결정에 영향을 미칠 지역적 특성(예, 상업지역, 농업지역등)과 주변 건축물의 건축양식, 지역 사회의 문화적 특징을 고려하여, 교량설계를 위한 미학적 질서 원리를 설정하는 것이다. 또한, 설계 중간과정에 구조 시스템에서 상세에 이르기까지 미학적 분석을 수행하여 설계초기에 설정한 미학적 질서원리가 일관성을 유지될 수 있도록 한다.
정력학적 도해법은 교량의 형태와 힘의 흐름을 서로 맞물려서 시각적으로 표현할 수 있으므로 구조적 힘의 흐름과 재료에 적합한 부재설계에 매우 효과적이기 때문이다. 이 연구에서 미학적 교량설계를 위해서 제시하는 일련의 방법들은 미학적 교량설계 교육에 대한 새로운 교육모델로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
실제로 정력학적 도해법이 다양한 설계대안의 생성, 힘의 흐름에 순응하는 교량형태 결정, 형태-역학-재료의 관계를 시각적으로 분석하는 도구 등 여러 가지 방법으로 사용 가능함을 보여주었다. 이 연구에서 제시하는 교량형태 생성 방법은 실무자들에게뿐만 아니라 미학적 교량설계 교육에 대한 새로운 교육모델로도 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
(4) 자연형태의 의태적 모방으로 다양한 형상을 개발한다. 이상의 교량형태생성과 원리들을 이용해서 얻게되는 새로운 교량형태는 설계에서 요구되는 기본적 하중조건에 대해서 구조적으로 합리적인지 살펴봄으로써 구조적 안전성이 확보된 교량형태로 보완해야한다. 따라서 그림 1에서 제시하였듯이 교량형태 구조의 스케치단계 이후에 간단히 정력학적 개념을 이용해서 구조적 타당성을 살펴보는 과정이 필요한 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	창의력의 사전적 의미는?	사전적인 의미로 ‘창의력’은 새로운 생각이나 방안을 만들어 내는 힘이라고 정의한다. 이때 ‘새로운’이라는 단어 때문에 수 많은 교량설계자가 커다란 부담을 느께게 된다.
	기본적 하중에 대한 구조적 안정성 확보를 우선시하는 개념적 설계단계에서 유용한 구조해석기법으로 정력학적 접근법인 도해법을 강조하는 이유는?	또한, 기본적 하중에 대한 구조적 안정성 확보를 우선시하는 개념적 설계단계에서 유용한 구조해석기법으로 정력학적 접근법인 도해법을 강조한다. 정력학적 도해법은 교량의 형태와 힘의 흐름을 서로 맞물려서 시각적으로 표현할 수 있으므로 구조적 힘의 흐름과 재료에 적합한 부재설계에 매우 효과적이기 때문이다. 이 연구에서 미학적 교량설계를 위해서 제시하는 일련의 방법들은 미학적 교량설계 교육에 대한 새로운 교육모델로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
	교량설계문제란?	교량설계문제란 주어진 조건을 만족하는 해를 찾아가는 과정이며, 설계결과의 질적 수준은 개념적 설계단계에서 문제의 제약적 조건을 어떻게 합리적 설계대안으로 연계시키는지에 따라서 현저히 달라진다. 이 논문에서는 아름다운 교량형태를 위해서 창의적 사고력을 이용하여 정성적 교량설계 대안을 생성하는 개념적 설계를 위한 교량형태 생성방법에 주안점을 둔다.

참고문헌 (17)

김남희, 고현무(2005) 고대 교량에 나타난 미학적 개념: 교량 미학의 뿌리를 찾아서, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제25권, 제6A호, pp. 1061-1069.
김남희, 고현무(2005) 교량설계와 황금률, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회.
김남희, 고현무(2006) 미학적 교량설계를 위한 문맥적 접근법, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회.
김남희, 고현무(2007) 교량의 색채설계에 대한 연구, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회.
김남희, 고현무(2007) 아름다운 교량형태를 위한 미학적 설계법, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제27권, 제4A호, pp. 535-546.
김남희, 고현무(2008) 아름다운 교량설계: 교량조형 설계원리, KBRC TRS 009, 교량설계핵심기술연구단, 서울대학교.
Allen, E. and Zalewski, W. (1998) Shaping Structures: Statics,
Billingtion, D.P. (2003) The art of structural design a swiss legacy,
Honigmann, C. and Billington, D.P. (2003) Conceptual design for

상세보기
Dym, C.L., Agogino, A.M., Eris, O., Frey, D.D., and Leifer, L.J.
Frederick Gottemoeller. Bridgescape: The Art ofDesigning Bridges
Schlaich, Mike (2006) Challenges in education-conceptual and
Smoley, C.K. (1906) Graphic Statics and Bridge Trusses, International
Strickland, Carol (2007) Annotated Arch: A Crash Course in the
Tzonis, A. (1999) Santiago Calatrava: The Poetics of Movement,
Tzonis, A. and Lefaivre, L. (2001) Santiago Calatrava’s Creative Process: Sketchbook, Birkhauser.
彩山和雄 (2004) “橋의 造型學”, 朝倉書店.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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