최근 컴퓨터 기술의 발달로 인해 복잡한 형태를 가지는 기념비적인 건축물이 설계, 시공됨에 따라 비정형건축에 관한 사회적인 관심이 해외뿐만 아니라 국내에서도 증가하고 있다. 하지만 비정형 구조시스템의 구현하기 위한 기술 및 연구에 대한 사례가 부족하여 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 3D모델링 프로그램과 최적설계를 수행하는 프로그램간의 인터페이스모듈에 대한 연구를 수행하였다. 3D 모델링 프로그램에서 자동 메쉬를 생성하고, 모델링에 대한 정보를 바로 추출하여 최적화를 수행하였다. 결과적으로 개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 형상최적화을 수행하였다.
최근 컴퓨터 기술의 발달로 인해 복잡한 형태를 가지는 기념비적인 건축물이 설계, 시공됨에 따라 비정형건축에 관한 사회적인 관심이 해외뿐만 아니라 국내에서도 증가하고 있다. 하지만 비정형 구조시스템의 구현하기 위한 기술 및 연구에 대한 사례가 부족하여 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 3D모델링 프로그램과 최적설계를 수행하는 프로그램간의 인터페이스 모듈에 대한 연구를 수행하였다. 3D 모델링 프로그램에서 자동 메쉬를 생성하고, 모델링에 대한 정보를 바로 추출하여 최적화를 수행하였다. 결과적으로 개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 형상최적화을 수행하였다.
Recently, due to the advanced computer technology, momental architectures have been designed and built using features that are very sophisticated. People's interest in free-form structural system has increased steadily not only nationwide, but also worldwide. However, there were many difficulties in...
Recently, due to the advanced computer technology, momental architectures have been designed and built using features that are very sophisticated. People's interest in free-form structural system has increased steadily not only nationwide, but also worldwide. However, there were many difficulties in the materialization of free-form structural system owing to the lack of technique and research. To solve this problem, this study performs the interface between the 3D modeling program and the optimization program. In the 3D modeling program, it is possible to automatic mesh generation and immediately to information extraction. It performs the shape optimization. Consequently, this research designs the example model and performs optimization in order to verify the developed interface module.
Recently, due to the advanced computer technology, momental architectures have been designed and built using features that are very sophisticated. People's interest in free-form structural system has increased steadily not only nationwide, but also worldwide. However, there were many difficulties in the materialization of free-form structural system owing to the lack of technique and research. To solve this problem, this study performs the interface between the 3D modeling program and the optimization program. In the 3D modeling program, it is possible to automatic mesh generation and immediately to information extraction. It performs the shape optimization. Consequently, this research designs the example model and performs optimization in order to verify the developed interface module.
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문제 정의
기존의 Auto CAD나 ADINA, MIDAS와 같은 상용프로그램에서 비정형 모델의 설계와 수정하는데 많은 시간을 낭비하였고, 유연한 3D 곡면 모델링을 하는데 어려움이 있었다. 그리하여 본 논문에서는 모델링이 변하더라고 유연하게 대처 할 수 있는 grasshopper를 도식화 하였다. 제안한 grasshopper를 이용하여 메쉬의 자동 생성기법은 형상이 변화더라도 다시 수정 할 필요가 없기 때문에 매우 효과적인 것으로 나타났다.
또한 본 연구에서는 유연한 3차원 곡면 모델링이 가능한 3D 모델링 프로그램과 최적화을 수행하기 위한 해석프로그램을 연계 시켜주는 인터페이스 기법을 소개하였다. 개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 최적화 기법인 마이크로 유전알고리즘(Micro Genetic Algorithm : μ-GA)을 이용하여 형상최적화을 수행하였다.
이때 생성된 메쉬는 1차 곡선이 되며 트러스 또는 입체트러스의 모델이 된다. 본 논문에서는 단층과 복층으로 모델링하여 보았다. <그림 7>
본 연구에서는 마이크로 유전자 알고리즘을 이용한 프로그램을 바탕으로 엘리트 개체를 선별하여 다음 세대에 사용하도록 하여 좋은 개체의 인자를 보존 할 수 있도록 하였다. 그리고 새롭게 생성된 엘리트 개체의 적합도 값이 작을 경우 기존의 엘리트 개체를 유지하도록 하였다.
본 연구에서는 비정형 건축물의 구조시스템 설계를 위한 첨단 디지털 요소기술로서, 행태생성 기법으로 적용되는 파라메트릭 모델링 기법을 이용하여 자동 생성되는 메쉬(mesh)의 정보 활용에 대한 인터페이스 방법에 대하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 비정형 구조시스템의 적절한 부재를 찾기 위해 Krishnakumar가 제안한 마이크로 유전자 알고리즘의 유전 연산자를 수정하여 최적화하였다. 마이크로 유전자 알고리즘을 이용한 최적화 방법은 기존의 단순 유전 알고리즘보다 효율적으로 최적단명을 찾을 수 있다.
현재로서는 비정형 모델과 구조해석을 위한 구조정보 모델 사이의 변환을 가능하게 하는 인터페이스가 없기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 3D모델링 프로그램과 구조해석을 수행하는 프로그램간의 인터페이스 모듈에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
검증예제 결과로부터 상용 디자인 프로그램인 Rhinoceros를 이용하여 비정형의 개발된 자동메쉬 생성기법을 이용하여 손쉽게 유한요소망을 생성할 수 있었다. Grasshopper를 이용하여 생성된 메쉬에 대한 정보를 추출하였다. 하지만 h(상부 트러스와 하부 트러스를 잇는 부재의 길이), H(모델의 총 높이)와 L(모델의 총 폭)의 파라메터를 조절하기 때문에, 원하는 치수의 곡률에 대한 형태를 찾기 힘들다.
단층 입체 트러스를 생성하기 위해 이 논문에서 제안한 grasshopper를 이용하여 자동적으로 생성하였다. v방향으로 파라미터를 4로 같게 하였고, u방향으로는 파라미터를 각각 4와 6인 두가지 예제로 나누어 최적화를 수행하였다. <그림8>
단층 입체 트러스를 생성하기 위해 이 논문에서 제안한 grasshopper를 이용하여 자동적으로 생성하였다. v방향으로 파라미터를 4로 같게 하였고, u방향으로는 파라미터를 각각 4와 6인 두가지 예제로 나누어 최적화를 수행하였다.
비선형적 곡선은 해석함에 있어서 난해할 뿐만 아니라 해석 프로그램 상에서의 기하학적 표현마저 많은 시간과 데이터양을 요구한다. 따라서 비선형적 곡면을 입체트러스의 형태로 재구성하여 비정형 트러스 모델의 정보 교환을 위한 인터페이스 방법을 제안하였다. <그림3>
절점(node)에 대한 좌표, 부재(element) 및 부재의 연결(connectivity)에 관한 정보를 직접 얻을 수 있으며, 이러한 정보를 가지고 형상최적화를 수행한다. 마이크로 유전 알고리즘을 이용한 형상최적화를 수행하기 위해 입체트러스 구조물의 제약조건을 각각의 달리 하여 부재의 허용범위를 고려하였다. 또한 최적화된 결과를 가지고 다시 Rhino로 삽입(Import)하여 최적화된 모델을 확인할 수 있다.
복층 입체 트러스의 패턴 또한 단층 입체 트러스처럼 grasshopper를 이용하여 자동적으로 생성하였다. 단층 입체 트러스와는 달리 상부층과 하부층을 잇는 대각부재가 존재하고 있으며 상부의 단위격자 네 가장자리와 그 중심위치의 아래에 있는 하부의 단위격자 절점을 서로 연결하고 있다.
본 논문에서는 다중 곡률을 갖는 곡선을 이용한 비정형 곡면을 생성하여, 본 논문에 제시된 인터페이스 방법을 이용하여 형상최적화를 수행하였다.
본 논문에서는 복층 입체 트러스에 모델의 총 높이(H)와 상부층과 하부층을 연결하는 대각부재의 길이(h)를 달리 하여 모델을 생성하였다.
Grasshopper를 통해 자동으로 생성된 메쉬의 부재(element)는 해석의 부재로 사용되며, 절점(node)에 대한 좌표 및 부재(element)의 연결성(connectivity)에 관한 정보를 직접 얻을 수 있다. 이러한 정보를 가지고 형상최적화 및 구조해석을 수행한다. 최적화된 결과를 가지고 다시 Rhinoceros로 삽입(Import)하여 최적화된 모델을 초기 모델과 비교할 수 있다.
대상 데이터
본 논문에서는 인터페이스 방법에 대한 검증을 하기 위해 McNeel의 Rhinoceros 3D에서 Grasshopper 플러그인을 플랫폼으로 사용했다.<그림4>
이론/모형
개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 최적화 기법인 마이크로 유전알고리즘(Micro Genetic Algorithm : μ-GA)을 이용하여 형상최적화을 수행하였다.
그리하여 본 연구에서는 비정형 구조시스템의 모델링을 구현하기 위해 Rhinoceros 3D를 사용하였다. 이 프로그램은 넙스(NURBS·Non-Uniform Rational B-Splines)를 기반으로 한 소프트웨어이다.
성능/효과
검증예제 결과로부터 상용 디자인 프로그램인 Rhinoceros를 이용하여 비정형의 개발된 자동메쉬 생성기법을 이용하여 손쉽게 유한요소망을 생성할 수 있었다. Grasshopper를 이용하여 생성된 메쉬에 대한 정보를 추출하였다.
이때 grasshopper를 도식화 하여 자동적으로 메쉬(Mesh)가 생성되도록 하였다. 메쉬생성과 연관되는 파라미터를 넘버 슬라이드 바(Number Slide Bar)를 이용하여 조절하여 모듈을 원하는데로 생성이 가능하고, 생성된 메쉬는 크기는 일정한 것을 확인 할 수 있다. 그때 생성된 메쉬는 1차 곡선이 되며 트러스 또는 입체트러스의 모델이 된다.
생성된 메쉬에 대한 정보를 가지고 마이크로 유전알고리즘을 이용한 형상최적화를 수행하였고, 그 결과를 다시 Rhinoceros에 삽입하여 최적화 된 모델을 에서처럼 확인할 수 있었다.
생성된 메쉬에 대한 정보를 가지고 마이크로 유전알고리즘을 이용한 형상최적화를 수행하였고, 그 결과를 다시 Rhinoceros에 삽입하여 최적화 된 모델을 <표2>에서처럼 확인할 수 있었다. 이를 통하여 본 논문에서 제안된 인터페이스 기법에 대한 효율성을 검증할 수 있었다.
그리하여 본 논문에서는 모델링이 변하더라고 유연하게 대처 할 수 있는 grasshopper를 도식화 하였다. 제안한 grasshopper를 이용하여 메쉬의 자동 생성기법은 형상이 변화더라도 다시 수정 할 필요가 없기 때문에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 하지만 본 논문에서는 곡률에 대한 정밀도를 표현하기에는 미비한 부분이 있습니다.
후속연구
개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 최적화 기법인 마이크로 유전알고리즘(Micro Genetic Algorithm : μ-GA)을 이용하여 형상최적화을 수행하였다. 하지만 3차원 곡선을 직선 부재로 바꾸어 해석하기 때문에 곡선에 대한 정확한 해석을 수행할 수 없으므로, 추후에는 NURBS곡선에 대한 해석이 가능한 Isogeometric analysis를 보다 심도 깊은 연구가 진행될 필요성이 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이 논문에서 제안한 grasshopper를 이용하여 자동적으로 생성한 이유는?
단층 입체 트러스를 생성하기 위해 이 논문에서 제안한 grasshopper를 이용하여 자동적으로 생성하였다. v방향으로 파라미터를 4로 같게 하였고, u방향으로는 파라미터를 각각 4와 6인 두가지 예제로 나누어 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 비정형 구조시스템의 적절한 부재를 찾기 위해 수정하고 최적화한 것은?
본 연구에서는 비정형 구조시스템의 적절한 부재를 찾기 위해 Krishnakumar가 제안한 마이크로 유전자 알고리즘의 유전 연산자를 수정하여 최적화하였다. 마이크로 유전자 알고리즘을 이용한 최적화 방법은 기존의 단순 유전 알고리즘보다 효율적으로 최적단명을 찾을 수 있다.
비선형적 곡면을 입체트러스의 형태로 재구성하여 비정형 트러스 모델의 정보 교환을 위한 인터페이스 방법을 제안한 이유는?
비정형 구조시스템은 비선형적 곡선으로 이루어져 있다. 비선형적 곡선은 해석함에 있어서 난해할 뿐만 아니라 해석 프로그램 상에서의 기하학적 표현마저 많은 시간과 데이터양을 요구한다. 따라서 비선형적 곡면을 입체트러스의 형태로 재구성하여 비정형 트러스 모델의 정보 교환을 위한 인터페이스 방법을 제안하였다.
참고문헌 (10)
Robert McNeel & Associates(2006), "User Manual for Rhinoceros (Ver 4.0) - NURBS modeling for Windows"
최현철 (2010), "비정형 파라메트릭 디자인의 파라메트릭 구조해석 최적화", 대한건축학회, 제 54권 제 10호, pp 65-68
전유창 (2009), "건축 설계와 시공의 최적화를 위한 도구로서의 파라메트릭 디자인", 대한건축학회, 제 53권, 제 4호, pp22-26
박정대 (2008), "'비정형' 형상의 디지털 재현", 대한건축학회, 제 52권, 제 4호, pp36-38
이상진 (2010), "CAGD를 이용한 프리폼 이산화 공간구조물의 유한요소망 자동생성기법", 한국공간구조학회논문집, 제 10권, 제 2호, pp77-86
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