본 연구의 목적은 강성 개폐식 대공간 건축물의 비정형 입체트러스를 파라메트릭 기법을 적용하여 모델링을 구현하는데 있다. 개폐식 대공간 건축물은 비선형성 형상을 모델링하거나 다수의 모델을 대안별로 생성, 해석, 검토하는 과정에 많은 시간과 기술이 소요되는 것이 현 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 첫째로, 개발에 사용된 파라메트릭 모델링 전산도구를 소개하고, 강성 개폐식 대공간 건축물의 비정형 입체트러스를 분석하며, 개발한 입체트러스의 파라메트릭 컴포넌트로 모델링을 구현하게 된다. 따라서 지붕이 개폐되는 방식으로 구분한 입체 트러스 종류의 모델링을 구현해 낼 수 있는 컴포넌트를 형상이나 기능에 따른 각각 대안별로 개발하여 효율적인 개폐식 지붕의 모델링을 가능하게 하는 것이 추후 연구사항이다.
본 연구의 목적은 강성 개폐식 대공간 건축물의 비정형 입체트러스를 파라메트릭 기법을 적용하여 모델링을 구현하는데 있다. 개폐식 대공간 건축물은 비선형성 형상을 모델링하거나 다수의 모델을 대안별로 생성, 해석, 검토하는 과정에 많은 시간과 기술이 소요되는 것이 현 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 첫째로, 개발에 사용된 파라메트릭 모델링 전산도구를 소개하고, 강성 개폐식 대공간 건축물의 비정형 입체트러스를 분석하며, 개발한 입체트러스의 파라메트릭 컴포넌트로 모델링을 구현하게 된다. 따라서 지붕이 개폐되는 방식으로 구분한 입체 트러스 종류의 모델링을 구현해 낼 수 있는 컴포넌트를 형상이나 기능에 따른 각각 대안별로 개발하여 효율적인 개폐식 지붕의 모델링을 가능하게 하는 것이 추후 연구사항이다.
The purpose of this study is to implement modeling by applying the parametric technique to the atypical trusses of rigid retractable large space structures. The retractable large space structure requires a lot of time and skill in modeling nonlinear shapes or generating, interpreting, and reviewing ...
The purpose of this study is to implement modeling by applying the parametric technique to the atypical trusses of rigid retractable large space structures. The retractable large space structure requires a lot of time and skill in modeling nonlinear shapes or generating, interpreting, and reviewing many models by alternative. To solve these problems, we introduce firstly parametric modeling tool, secondly, we analyze the connection of atypical three-dimensional trusses of a rigid retractable large-space structure, and finally model it as parametric components of the developed trusses. Therefore, it is a future study to make effective modeling of the openable roof by developing the components that can realize the modeling of the truss classified by the opening and closing method, respectively.
The purpose of this study is to implement modeling by applying the parametric technique to the atypical trusses of rigid retractable large space structures. The retractable large space structure requires a lot of time and skill in modeling nonlinear shapes or generating, interpreting, and reviewing many models by alternative. To solve these problems, we introduce firstly parametric modeling tool, secondly, we analyze the connection of atypical three-dimensional trusses of a rigid retractable large-space structure, and finally model it as parametric components of the developed trusses. Therefore, it is a future study to make effective modeling of the openable roof by developing the components that can realize the modeling of the truss classified by the opening and closing method, respectively.
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문제 정의
궁극적으로 개폐식 대공간 건축물 설계시 필요한 컴포넌트를 개발하여 예제 건물에 대입함으로써 구조모델링 과정에 소요되는 시간을 단축해 주는 것을 목적으로 한다.
그 다음 문제점을 개선할 컴포넌트를 개발하여 예제모델을 통해 구현해 보는 연구내용을 소개하고자 한다.
다음 장에서 개폐식 대공간 건축물에 특화된 기능을 가지는 컴포넌트를 예제모델을 통해 구현해 보고자 한다.
본 논문에서는 개폐식 대공간 건축물의 구조설계를 위한 파라메트릭 모델러의 개발을 목적으로 사례 분석을 통해 구조 설계에 필요한 주요 고려사항들을 도출하고, 이에 대한 설계 기법을 제시하였다.
본 논문은 개폐식 대공간 건축물의 구조설계를 위한 파라메트릭 모델러인 RSAuto의 개발에 관한내용이다.
우선 파라메트릭 설계에 필요한 전산도구 및 설계의 개념을 소개하였고, 선행으로 개발된 일반 건축구조물의 파라메트릭 모델링 및 최적화설계가 가능한 StrAuto를 바탕으로 연구를 진행하였다. 개폐식 대공간 건축물에 특화된 모델러 개발을 위해 사례분석을 통해 개폐방법에 따라 구조시스템 및 비정형 입체 트러스 모델의 특성을 분석하여 구조설계에 필요한 주요 고려 사항들을 도출하였다.
가설 설정
5kN/m²으로 적용하였다. 풍하중은 기본풍속 30m/s, 지표면조도구분 C, 풍속고도분포계수 1.0, 지형계수 1.0, 중요도 계수 1.0으로 가정하였다. 지붕구조물의 주행에 따라서 수직방향으로 충격하중과 수평방향으로 제동력에 의한 하중이 작용한다.
제안 방법
개발한 RSAuto을 이용하여 수평 슬라이딩 개폐 시스템인 예제 모델을 구현해 보았다. 개폐식 지붕 구조시스템의 모델링을 설정된 파라메터들의 변경만으로 구조해석까지 가능하게 되어 구조해석 수행에 걸리는 시간을 단축할 수 있었다.
우선 파라메트릭 설계에 필요한 전산도구 및 설계의 개념을 소개하였고, 선행으로 개발된 일반 건축구조물의 파라메트릭 모델링 및 최적화설계가 가능한 StrAuto를 바탕으로 연구를 진행하였다. 개폐식 대공간 건축물에 특화된 모델러 개발을 위해 사례분석을 통해 개폐방법에 따라 구조시스템 및 비정형 입체 트러스 모델의 특성을 분석하여 구조설계에 필요한 주요 고려 사항들을 도출하였다. 필요한 요소기술을 토대로 컴포넌트를 개발하였으며, 개폐식 대공간 건축물의 비정형 형상 모델링 기능 개폐에 따른 구조적 특성을 반영하여 구조물의 거동을 정확하게 예측하는 기능을 가지고 있다.
두 트러스 간에 이격이 발생하는 이 부분에 구조해석 수행을 위해서는 개폐지붕의 하중이 하부 트러스부재로 전달될 수 있도록 구조적인 요소가 추가되어야 한다. 구조요소로는 탄성연결요소(elastic link)를 이용하여 두 절점을 강성으로 연결하였다. 그러나 지붕이 개폐되면서 지지되는 하부 트러스의 절점이 변화하게 된다.
4단계는 수천의 디자인 대안들을 생성하고 그 성능을 평가하여 최적 안을 결정하는 과정은 컴퓨터에 의하더라도 많은 시간이 소요될 수가 있다. 대안들을 평가하는 작업을 다수의 컴퓨터들에 분배하고 할당함으로써 동시에 수많은 디자인 대안들을 평가하고 검토한다. 이는 기존의 설계방법에서 발전하여 단시간에 최적 설계가 가능하게 한다.
따라서 본 논문에서는 파라메트릭 설계가 가능한 전산도구에 관하여 소개하고, 사례분석을 통해 개폐방법에 따라 구조시스템 및 비정형 입체 트러스 모델의 특성을 분석을 한다.
본 연구에서 개발하는 RSAuto는 일반 건축구조물 대상의 StrAuto가 제공하는 컴포넌트와 설계 프로세스를 바탕으로 하여, 개폐식 대공간 건축물의 설계과정을 지원하는 특화된 기능을 추가적으로 개발함으로써 완성되었다(Fig. 1).
아래 순서와 같이 RSAuto을 이용하여 예제모델의 형상을 모델링하였다. 먼저 XY평면에 전체 구조물의 크기로 사각형을 생성한 후 주 트러스(primary runway truss)에 해당하는 X축 방향으로 곡률(curvature)을 반영한 선(curve)을 만든다.
앞서 기술한 개폐식 지붕 입체트러스를 위한 파라메트릭 모델러에 적용할 요소 기술을 토대로 아래와 같이 컴퍼넌트를 개발하였다.
원안(Table 2)과 비교할 대안은 주 트러스와 부 트러스의 개수를 파라메터로 설정하였고, 비교한 결과 트러스의 개수와 물량 및 처짐의 상관관계에 따라 다음과 같은 결과 값을 나타냈다.
위와 같은 구조해석 프로세스를 통해 구조시스템의 원안의 해석을 수행하였으며(Fig. 10), 최적안을 찾기 위해 설계하중 및 지지조건은 같으나 트러스의 개수 및 형상을 파라메터로 설정하여 원안과 처짐 및 물량을 비교해 보았다.
선(curve)의 양단 절점 정보를 불러와 사용자가 원하는 입체 트러스 형상으로 모델링할 수 있다. 입체트러스의 크기, 종류, 간격, 곡률, 부재의 속성을 파라메터(parameter)로 설정하였다. 또한 입체트러스 간의 교차부는 Fig.
트러스의 개수에 따른 물량과 처짐을 비교해 본 결과 대안 B가 구조적인 성능이 우수하였다. 추가로 대안 B의 트러스 춤(수직재의 길이)을 500mm씩 늘려가며 4개의 대안을 생성하고 비교해 본 결과 대안 2를 최종안으로 정하였다(Table 4).
대상 데이터
3차원 형상 표현을 위한 그래픽 플랫폼으로 라이노세러스(rhinoceros)를 사용하였다.
라이노는 정밀한 3차원 곡면 모델링을 제공할 뿐만 아니라 강력한 인터페이스API(application programming interface)를 통하여 3차원 형상과 모델링 기능을 활용한 추가 기능 개발이 가능하다(McNeel, 2006). 파라메트릭 모델링 엔진으로는 그래스하퍼(grasshopper)를 도입하였다. 그래스하퍼는 전술한 라이노에 플러그인 되어 동작하는 비주얼 프로그래밍 언어이다.
성능/효과
개발한 RSAuto을 이용하여 수평 슬라이딩 개폐 시스템인 예제 모델을 구현해 보았다. 개폐식 지붕 구조시스템의 모델링을 설정된 파라메터들의 변경만으로 구조해석까지 가능하게 되어 구조해석 수행에 걸리는 시간을 단축할 수 있었다. 추후 개발한 기술을 다른 유형의 개폐식 시스템에 적용하여 검증하는 연구가 필요하다.
두 번째, 전체 구조물 거동 및 성능에 큰 영향을 미치는 트러스의 교차부(접합부)는 다양한 유형으로 이뤄진 입체트러스의 부재수와 각도에 따라 매우 복잡한 형태로 접합된다. 따라서 교차부에서 다양한 설계변수를 고려한 분석이 이뤄져야 하며, 파라메트릭 설계 기법을 적용이 가능하도록 교차부 자동 생성 알고리즘이 필요하다.
필요한 요소기술을 토대로 컴포넌트를 개발하였으며, 개폐식 대공간 건축물의 비정형 형상 모델링 기능 개폐에 따른 구조적 특성을 반영하여 구조물의 거동을 정확하게 예측하는 기능을 가지고 있다. 또한 상용 구조해석 프로그램과의 연동 모듈, 대안 생성 및 평가 모듈로 플랫폼을 구성하여 완성되었다.
초기 원안과 최종안(대안 2)의 결과 값을 비교해 보면 물량은 약 4%, 최대 처짐량은 약 6% 감소하였다. 또한 Table 5는 트러스의 유형별로 구분하여 물량을 비교해 본 결과 값을 나타낸다.
트러스의 개수에 따른 물량과 처짐을 비교해 본 결과 대안 B가 구조적인 성능이 우수하였다. 추가로 대안 B의 트러스 춤(수직재의 길이)을 500mm씩 늘려가며 4개의 대안을 생성하고 비교해 본 결과 대안 2를 최종안으로 정하였다(Table 4).
후속연구
개폐식 지붕 구조시스템의 모델링을 설정된 파라메터들의 변경만으로 구조해석까지 가능하게 되어 구조해석 수행에 걸리는 시간을 단축할 수 있었다. 추후 개발한 기술을 다른 유형의 개폐식 시스템에 적용하여 검증하는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파라메트릭 설계는 무엇인가?
파라메트릭 설계(parametric design)는 설계 의도(design intent)와 그에 따른 설계 성과(design response) 사이의 연관성을 파라메터(parameter)와 규칙으로 표현하고 정보화하는 설계 패러다임이다. 이는 건축설계를 비롯하여 다양한 분야에서 복잡한 형상 또는 구조물을 표현하고 처리하기 위하여 활용되고 있으며, 점차 적용 범위도 확대되고 있다.
구조설계 분야에서 파라메트릭 설계 도입이 활성화 되지 않는 이유는 무엇인가?
하지만 건축물 구조설계를 위한 관련 설계도구 및 기술은 상용화되지 않은 상황이며 엔지니어나 일부 프로젝트에 제한적으로 적용 되고 있다. 구조설계 분야에서 파라메트릭 설계 도입이 활성화 되지 않고 있는 것은 구조계획, 구조해석, 성능 검토, 부재 상세 설계 등 전문적인 구조설계 업무를 지원하는 설계도구 개발이 미진하기 때문으로 판단된다. 그러므로 파라메트릭 모델링과 최적설계 시스템 개발은 기존의 범용 구조설계 기술 환경을 기반으로 하여 적용하기 위한 필요한 요소기술들을 개발하여 파라메트릭 구조설계 프로세스를 구축하는 방법이 필요하다.
파라메트릭 설계는 어디에 활용되는가?
파라메트릭 설계(parametric design)는 설계 의도(design intent)와 그에 따른 설계 성과(design response) 사이의 연관성을 파라메터(parameter)와 규칙으로 표현하고 정보화하는 설계 패러다임이다. 이는 건축설계를 비롯하여 다양한 분야에서 복잡한 형상 또는 구조물을 표현하고 처리하기 위하여 활용되고 있으며, 점차 적용 범위도 확대되고 있다. 하지만 건축물 구조설계를 위한 관련 설계도구 및 기술은 상용화되지 않은 상황이며 엔지니어나 일부 프로젝트에 제한적으로 적용 되고 있다.
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