[논문]건축설계과정에서 Grasshopper 프로그래밍의 효율적 접근에 관한 연구

김민석

doi:10.7315/cde.2016.453

문제 정의

본 연구에서는 건축 모델링의 기본적 사례인 계단 모델링에 대하여 효율적인 Grasshopper 정의 작성을 살펴보았다. 그러나 건축설계실무에서는 설계대안생성과 같은 보다 고도의, 다양한 모델링에의 적용이 요구된다.
본 연구에서는 시각적 프로그래밍 언어이자 환경인 Grasshopper를 활용하는 효율적이고 바람직한 방향의 모색을 목적으로 하여, 바람직한 Grasshopper 정의의 조건을 고찰하고, 계단 모델링 사례를 대상으로 Grasshopper 정의 작성의 다양한 접근법을 살펴보았으며, 이 접근법들을 비교 분석하여 효율적이고 바람직한 Grasshopper 정의 작성의 접근법을 살펴보았다. 그 결과, 대안 4와 같이 직관성을 잃지 않으면서도 리스트 자료구조를 적극 활용함으로써 Grasshopper만의 독특한 반복작업 구현방식에 충실하게 접근하는 방식이 Grasshopper 정의의 가독성(명료성), 단순성, 재사용성(확장성), 유지보수성 면에서 여타 방식에 비해 뛰어남을 알 수 있었다.
한편, Grasshopper가 지니는 일반 프로그래밍 언어와의 차이로 인하여 컴퓨팅 분야에서의 일반적인 프로그래밍 방식과는 다소 다른 접근이 요구되기도 한다. 이에, 본 연구에서는 Grasshopper의 특성을 파악하고 그에 적절한 프로그래밍 또는 스크립팅 접근법을 모색함으로써, Grasshopper 정의 작성에 있어서 일반 건축 디자이너들이 빠지기 쉬운 비효율적 접근을 극복할 수 있는 대안을 제시하고자 한다.
이제 Grasshopper 프로그래밍, 즉 Grasshopper 정의 작성의 실제 사례들을 비교 분석함으로써 보다 효율적이고 바람직한 Grasshopper 정의 작성 방안을 모색하도록 한다. 이를 위하여 건축설계시 자주 등장하는 계단 모델링을 사례로 삼도록 한다.

제안 방법

‘Point Oriented’ 컴퍼넌트를 아래쪽에 하나 더 생성하고 여기에 계단폭 수치를 입력함으로써 또 하나의 계단 단면을 모델링하였고, 두 개의 ‘Point Oriented’ 컴퍼넌트에서 출력된 꼭지점들을 각각 잇는 선분을 ‘Line’컴퍼넌트로 그려주었다.
다음으로 이미 모델링된 2차원 계단 한 단을 Y 축 방향으로 계단폭만큼 이동복사하고, 위에서 모델링한 계단 한 단의 각 꼭지점에서 계단폭 길이만큼 Y축 방향의 선분을 생성함으로써 3차원 계단 한 단을 모델링한다. 이동복사 작업은 ‘Move’컴퍼넌트, 선분 생성은 ‘Line SDL’ 컴퍼넌트를 활용한다.
대안 1은 계단 단면의 개별 선분들을 아래에서부터 하나씩 순차적으로 작도하는 방식이다. 이 접근법은 계단 단면을 손으로 직접 그리는 과정을 알고리즘화한 것으로, 일반적으로 생각할 수 있는 가장 단순하고 직관적인 방식이다.
대안 3은 대안 1, 2에서의 직관적 모델링과는 달리 주도면밀한 좌표계산을 통하여 일괄적으로 모델링하는 방식이다. 대안 3에서는 계단 단면을 이루는 모든 꼭지점들의 좌표를 계산하여 생성한 후 꼭지점들을 잇는 단면선을 일괄 생성한다. 따라서 이 접근법에서는 각각의 꼭지점 좌표에 대한 세세한 계산 과정이 핵심이다.
일반항 an = ar^n-1에 n 대신 1,2,3,…의 수치들을 입력하면 초항 a, 공비 r의 등비수열이 만들어지는 것처럼, Grasshopper에서도 등비수열의 Grasshopper 정의에 1,2,3,…의 수치 리스트를 변수로 입력하면 반복작업에 의해 등비수열의 리스트가 결과로 도출된다. 대안 4의 접근법은 이러한 특징을 십분 활용하여, 계단 한 단을 모델링하는 Grasshopper 정의를 작성한 후 거기에 변수로 3개 꼭지점의 리스트를 입력하도록 하였다. 또한 3개 꼭지점 리스트를 생성하는 부분에서도 챌판 벡터와 디딤판 벡터에 0,1,2,…의 수치 리스트를 곱하여 챌판 벡터 리스트와 디딤판 벡터 리스트를 수열 생성과정과 같이 만들어냈는데, 이는 정의 전체의 논리와 세부 논리가 정합한다는 면에서 부가적인 의의를 가진다.
첫째, Grasshopper의 특징 및 타 프로그래밍 언어와의 차이점, 그리고 바람직한 Grasshopper 정의의 조건을 고찰한다. 둘째, 특정 건축모델링 사례의 구현을 위한 다양한 Grasshopper 정의들을 제안한다. 셋째, 제안된 Grasshopper 정의들을 비교분석하여 효율적인 Grasshopper 정의를 모색한다.
이를 위하여 건축설계시 자주 등장하는 계단 모델링을 사례로 삼도록 한다. 또한 명료한 비교분석을 위하여 계단 모델링 과정을 (1) XZ 평면 상의 2차원 계단 단면 모델링, (2) 임의의 평면 상의 3차원 계단 모델링의 2단계로 구분하여 진행하도록 한다.
둘째, 특정 건축모델링 사례의 구현을 위한 다양한 Grasshopper 정의들을 제안한다. 셋째, 제안된 Grasshopper 정의들을 비교분석하여 효율적인 Grasshopper 정의를 모색한다. 여기서 Grasshopper 정의(definition)란 Grasshopper 프로그래밍 작업을 통해 만들어진 일종의 소스코드 또는 스크립트를 지칭한다.
이제 Grasshopper 프로그래밍, 즉 Grasshopper 정의 작성의 실제 사례들을 비교 분석함으로써 보다 효율적이고 바람직한 Grasshopper 정의 작성 방안을 모색하도록 한다. 이를 위하여 건축설계시 자주 등장하는 계단 모델링을 사례로 삼도록 한다. 또한 명료한 비교분석을 위하여 계단 모델링 과정을 (1) XZ 평면 상의 2차원 계단 단면 모델링, (2) 임의의 평면 상의 3차원 계단 모델링의 2단계로 구분하여 진행하도록 한다.
계단 한 단을 이동 복사하는 작업이 여기에서의 반복 작업이다. 이를 위해 이동복사에 필요한 벡터 리스트를 생성하고, 이를 활용하여 이동복사 반복작업을 구현한다.
이를 위해 챌판 높이 크기의 Z축 방향 벡터에‘0, 1, 2, …, 6’을 각각 곱한 벡터들을 리스트로 구성하고, 디딤판 폭 크기의 X축 방향 벡터에 ‘0, 1, 2, …, 6’을 각각 곱한 벡터들을 리스트로 구성한다.
지금까지 계단 모델링에 대한 Grasshopper 정의를 4개 대안에 걸쳐 살펴보았다. 대안 1은 직관적 접근으로 인하여 정의가 매우 복잡하고 파라메트릭 디자인에 충실하지 못한 단점이 있었다.
이를 위해 본 연구에서는 다음과 같은 절차로 연구를 수행하고자 한다. 첫째, Grasshopper의 특징 및 타 프로그래밍 언어와의 차이점, 그리고 바람직한 Grasshopper 정의의 조건을 고찰한다. 둘째, 특정 건축모델링 사례의 구현을 위한 다양한 Grasshopper 정의들을 제안한다.

이론/모형

이 결과를 발전시켜, 임의의 평면 상에 3차원 계단을 모델링하는 Grasshopper 정의를 작성하도록 한다. 접근방식은, 이미 모델링된 계단 단면으로부터 계단 폭만큼 떨어진 위치에 동일하게 한번 더 계단 단면을 모델링하고 각각의 꼭지점들을 잇는 선분을 그리는 방식이다.
이를 발전시켜, 임의의 평면 상에 3차원 계단을 모델링하는 Grasshopper 정의를 작성하도록 한다. 이를 위한 접근방식은, 먼저 임의의 평면 상에 3차원 계단 한 단을 모델링하고, 이를 필요한 단 수만큼 이동복사한다.

성능/효과

본 연구에서는 시각적 프로그래밍 언어이자 환경인 Grasshopper를 활용하는 효율적이고 바람직한 방향의 모색을 목적으로 하여, 바람직한 Grasshopper 정의의 조건을 고찰하고, 계단 모델링 사례를 대상으로 Grasshopper 정의 작성의 다양한 접근법을 살펴보았으며, 이 접근법들을 비교 분석하여 효율적이고 바람직한 Grasshopper 정의 작성의 접근법을 살펴보았다. 그 결과, 대안 4와 같이 직관성을 잃지 않으면서도 리스트 자료구조를 적극 활용함으로써 Grasshopper만의 독특한 반복작업 구현방식에 충실하게 접근하는 방식이 Grasshopper 정의의 가독성(명료성), 단순성, 재사용성(확장성), 유지보수성 면에서 여타 방식에 비해 뛰어남을 알 수 있었다.
대안 1은 직관적 접근으로 인하여 정의가 매우 복잡하고 파라메트릭 디자인에 충실하지 못한 단점이 있었다. 대안 2는 대안 1의 직관성에 효율적 반복작업을 도입하여 대안 1에 비해 명료한 구조를 지니나, 확장성과 재사용성에서는 여전히 취약함을 보였다. 대안 3은 직관적 접근이 아닌 주도면밀한 접근을 보임으로써 역시 명료한 구조를 지니나, 까다로운 리스트처리와 추후 확장성에서의 취약성을 보였다.
대안 2에서와는 다르게 3차원 계단 모델링의 Grasshopper 정의가 명료하게 잘 정리되었고, 그 결과도 가독성 면에서 뛰어나다. 따라서 대안 3은 확장 재사용 면에서 대안 2에 비해 상당히 효과적이라 할 수 있다.
대안 2는 대안 1의 직관성에 효율적 반복작업을 도입하여 대안 1에 비해 명료한 구조를 지니나, 확장성과 재사용성에서는 여전히 취약함을 보였다. 대안 3은 직관적 접근이 아닌 주도면밀한 접근을 보임으로써 역시 명료한 구조를 지니나, 까다로운 리스트처리와 추후 확장성에서의 취약성을 보였다. 대안 4는 직관성과 주도면밀성을 결합하고 반복 작업의 효율성을 추구하여 명료성, 가독성은 물론 추가작업이 쉬워 재사용성, 기능확장, 유지보수성 등이 뛰어났다.
대안 3은 직관적 접근이 아닌 주도면밀한 접근을 보임으로써 역시 명료한 구조를 지니나, 까다로운 리스트처리와 추후 확장성에서의 취약성을 보였다. 대안 4는 직관성과 주도면밀성을 결합하고 반복 작업의 효율성을 추구하여 명료성, 가독성은 물론 추가작업이 쉬워 재사용성, 기능확장, 유지보수성 등이 뛰어났다.
리스트 자료구조를 적절히 활용하여 반복작업이 효율적으로 구현되었고, ‘Int_Count’ 변수가 제대로 활용되어 파라메트릭 디자인에도 충실해졌다.
또한 그림에서 확인할 수 있는 것처럼 ‘Int_Count’의 계단 단수 변수는 활용되지 않고 있다. 이렇게 볼 때 대안 1 접근법은 Grasshopper 정의가 복잡해지고 추후 확장 및 재사용 면에서 취약하며, 파라메트릭 디자인에 충실하지 못한 방식임을 알 수 있다. 이는 반복작업을 위한 알고리즘을 고려하지 않고 단순히 1차원 적으로 알고리즘을 구현한 데에 기인한다.
이처럼 대안 2를 3차원 계단으로 확장시킨 결과, Grasshopper 정의가 다소 복잡해지고 명료성이 저하되었다. 대안 2가 대안 1에 비해 간명하고 효율적인 것은 사실이나, 대안 1에서의 과도한 직관성의 잔재가 Grasshopper 정의의 확장성 또는 재사용성을 약화시킨 것으로 보인다.

후속연구

물론 한가지 접근법만이 옳고 나머지가 틀렸다는 식의 결론 역시 위험하다. 다양한 접근법을 고려하여 적용해보고, 가독성, 단순성, 재사용성 등의 여러 관점에서 장단점을 파악함으로써 요구 기능과 상황에 적절한 Grasshopper 정의를 작성해나가야 할 것이다.
그러나 건축설계실무에서는 설계대안생성과 같은 보다 고도의, 다양한 모델링에의 적용이 요구된다. 본 연구의 결과를 바탕으로 추후에는 보다 실질적인 건축설계모델링에의 Grasshopper 활용 효율화 방안을 모색하여야 할 것이다.
Grasshopper 작업 역시 프로그래밍의 일종이므로 보다 전문적인 컴퓨팅 지식과 기술을 갖추는 것이 좋으나, 이는 현실성이 다소 떨어진다. 오히려 이들 비전문가들이 보다 효과적으로 Grasshopper 작업을 할 수 있도록 환경과 지원을 제공하는 것이 필요하고, 본 연구가 그에 대한 토대가 될 수 있기를 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Grasshopper는 어떤 점에서 주목받고 있나?	Zaha Hadid, Patrik Schmacher 등과 같이 저명한 건축가, 디자이너들이 Grasshopper를 건축설계에 적극적으로 활용하는 것으로 잘 알려져 있다. 이른바 파라매트릭 디자인 방법론의 주요 도구로서 전세계적으로 각광 받고 있다. Grasshopper는 시각적 프로그래밍 언어라는 특성 때문에 컴퓨터 비전공자들과 일반 디자이너들도 어렵지 않게 배우고 활용이 가능하다는 장점을 지닌다.
	건축설계 과정에서 널리 사용되는 프로그램은?	근래 Rhino와 함께 Grasshopper가 건축설계 과정에서 널리 활용되고 있고, 그러한 흐름이 점차 확산되는 추세에 있다. Zaha Hadid, Patrik Schmacher 등과 같이 저명한 건축가, 디자이너들이 Grasshopper를 건축설계에 적극적으로 활용하는 것으로 잘 알려져 있다.
	Grasshopper의 장점은?	이른바 파라매트릭 디자인 방법론의 주요 도구로서 전세계적으로 각광 받고 있다. Grasshopper는 시각적 프로그래밍 언어라는 특성 때문에 컴퓨터 비전공자들과 일반 디자이너들도 어렵지 않게 배우고 활용이 가능하다는 장점을 지닌다. 그런데, 이들 일반 디자이너들은 정식으로 컴퓨터 프로그래밍을 배우지 않았기 때문에 프로그래밍 언어의 일종인 Grasshopper를 활용하는 데에서 프로그래밍 전문가에 비해 비효율적인접근을보이는경우가많다.

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