최근 비정형 건축구조물은 건설 산업의 디지털화로 인해 점점 더 복잡한 형상으로 디자인되고 있다. 특히, 외관 및 내부 구성요소들의 단면이 자유롭게 변화되는 곡선 및 곡면의 형태를 띠고 있으며, 그로 인해 곡률을 가진 구조부재들이 빈번히 나타나고 있다. 이러한 구조물의 모형을 작성하고 안정성을 평가를 하는데 있어, 고전적 방식의 유한요소 해석기법이 적용된 상용프로그램들은 신속한 형상 모델링이 불가능하여 생산성 저하를 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 구조해석 통합시스템을 확장하여 비정형 외피 형상을 신속하게 모델링하고, 그 결과물을 이용하여 외피를 구성하는 프레임 구조를 자동으로 생성할 수 있는 전후처리 모듈을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 전후처리 모듈은 스플라인 곡선 및 곡면의 세분화 알고리즘을 적용하여 NURBS곡면의 형상정보를 통해 해석요소를 자동으로 생성하고, 해석 후의 변형 형상을 보다 현실적으로 가시화 시킬 수 있도록 개발되었다. 본 연구를 통해 개발된 전후처리 모듈은 복잡한 곡면 형상을 신속하게 구축하고, 그에 따른 하부 골조시스템의 해석모형을 자동으로 생성할 수 있어 향후 비정형 건축물 설계의 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
최근 비정형 건축구조물은 건설 산업의 디지털화로 인해 점점 더 복잡한 형상으로 디자인되고 있다. 특히, 외관 및 내부 구성요소들의 단면이 자유롭게 변화되는 곡선 및 곡면의 형태를 띠고 있으며, 그로 인해 곡률을 가진 구조부재들이 빈번히 나타나고 있다. 이러한 구조물의 모형을 작성하고 안정성을 평가를 하는데 있어, 고전적 방식의 유한요소 해석기법이 적용된 상용프로그램들은 신속한 형상 모델링이 불가능하여 생산성 저하를 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 구조해석 통합시스템을 확장하여 비정형 외피 형상을 신속하게 모델링하고, 그 결과물을 이용하여 외피를 구성하는 프레임 구조를 자동으로 생성할 수 있는 전후처리 모듈을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 전후처리 모듈은 스플라인 곡선 및 곡면의 세분화 알고리즘을 적용하여 NURBS곡면의 형상정보를 통해 해석요소를 자동으로 생성하고, 해석 후의 변형 형상을 보다 현실적으로 가시화 시킬 수 있도록 개발되었다. 본 연구를 통해 개발된 전후처리 모듈은 복잡한 곡면 형상을 신속하게 구축하고, 그에 따른 하부 골조시스템의 해석모형을 자동으로 생성할 수 있어 향후 비정형 건축물 설계의 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
Recently, free-form buildings have been designed with complex shapes due to digitization of the construction industry. Exterior and interior components of free-form buildings have free cross sections and curved shapes. Therefore, structural members with curvature are frequently seen. In the modeling...
Recently, free-form buildings have been designed with complex shapes due to digitization of the construction industry. Exterior and interior components of free-form buildings have free cross sections and curved shapes. Therefore, structural members with curvature are frequently seen. In the modeling and stability evaluation of these structures, commercial programs using classical finite element analysis are not able to perform rapid shape modeling, resulting in a decrease in productivity. Therefore, in this study, pre- and post-processing modules were developed using a prior study to rapidly model the surface of a free-form building and to automatically generate frame structures that make up the cladding. The developed modules use a subdivision algorithm with spline curves. This algorithm is used to automatically generate analytical elements from the configuration information of NURBS curves. In addition, the deformation after analysis can be viewed more realistically. The modules can quickly construct complex curved surfaces. An analysis model of the frame structure was also automatically generated. Therefore, the modules could contribute to the productivity improvement of free-form building design.
Recently, free-form buildings have been designed with complex shapes due to digitization of the construction industry. Exterior and interior components of free-form buildings have free cross sections and curved shapes. Therefore, structural members with curvature are frequently seen. In the modeling and stability evaluation of these structures, commercial programs using classical finite element analysis are not able to perform rapid shape modeling, resulting in a decrease in productivity. Therefore, in this study, pre- and post-processing modules were developed using a prior study to rapidly model the surface of a free-form building and to automatically generate frame structures that make up the cladding. The developed modules use a subdivision algorithm with spline curves. This algorithm is used to automatically generate analytical elements from the configuration information of NURBS curves. In addition, the deformation after analysis can be viewed more realistically. The modules can quickly construct complex curved surfaces. An analysis model of the frame structure was also automatically generated. Therefore, the modules could contribute to the productivity improvement of free-form building design.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
[6-8] 선행연구들에서 제시된 방식은 기계 설계나 특수한 형태의 단일 구조부재 설계에 적용하기에는 충분하나 다수의 부재로 이루어진 전체 건축 구조물에 적용 시 리소스 사용량이 방대해지는 결과를 초래하므로 그대로 적용하기에는 어려움 따른다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 등매개변수보요소 (Isoparametric Beam Element)를 2~4점점을 사용하여 생성할 수 있도록 고안된 자유 형상 보요소(Free Shaped Beam Element)[9]로 해석요소를 제한하고 모델링된 외피 형상에 따라 해석요소를 자동으로 생성할 수 있는 전후처리 모듈을 개발하여 업무 프로세스 상의 작업부하를 줄이고자 하였다.
선행 연구를 통해 개발된 통합시스템의 주된 기능은 곡선 및 곡면 부재의 해석요소를 효율적으로 생성하기 위한 모델링 기능으로 곡선형상의 기하정보로부터 등매개변수보요소(Isoparametric Beam Element)를, 곡면 형상의 기하정보로부터 다수의 6자유도 쉘요소(Shell Element)를 생성한다. 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 통합시스템을 확장하여 입면 형상에 따라 비정형 구조부재들을 사용하는 프레임구조를 자동으로 생성하고 안정성 검토를 수행하기 위한 기능 구현 방법을 제시하고자 한다.
후처리 모듈은 설계된 외피를 구성하는 프레임 구조의 해석결과를 가시화시켜주기 위하여 개발되었다. 후처리 모듈의 시각화 기능은 절점 변위에 따른 변형 형상, 변위 Contour, 부재력에 대한 Contour로 구성된다.
제안 방법
1) 본 연구에서 개발된 전후처리 모듈은 스플라인 곡선 및 곡면의 세분화 알고리즘을 적용하여 NURBS곡면의 형상정보를 통해 해석요소를 자동으로 생성하고, 해석 후의 변형 형상을 보다 현실적으로 가시화 시킬 수 있도록 개발되었다.
본 연구에서 개발된 전후처리 모듈의 인터페이스는 WPF(Windows Presentation Foundation)를 이용하여 양방향 데이터 바인딩이 가능하도록 구현하였다. 구조해석을 위한 솔버는 Fortran으로 구현하였으며, 3차원 형상을 표현하기 위한 그래픽 엔진으로는 OpenGL의 C# 라이브러리인 SharpGL을 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서 개발된 전후처리 모듈의 인터페이스는 WPF(Windows Presentation Foundation)를 이용하여 양방향 데이터 바인딩이 가능하도록 구현하였다. 구조해석을 위한 솔버는 Fortran으로 구현하였으며, 3차원 형상을 표현하기 위한 그래픽 엔진으로는 OpenGL의 C# 라이브러리인 SharpGL을 사용하였다.
이론/모형
본 연구에서 전후처리 모듈의 곡선 및 곡면 부재의 그래픽 처리 방식은 NURBS(Non-Uniform Rational B-spline)를 기반으로 하고 있다. NURBS 곡선 및 곡면을 렌더링하기 위해 필요한 좌표정보는 Fig.
따라서, 생성된 NURBS곡선 및 곡면의 형상정보를 통해 곡선 및 곡면 내부의 접점을 추출하여 해석요소의 기하정보로 변환하는 과정을 거쳐야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 스플라인 곡선 및 곡면의 순환적 분할 알고리즘을 적용하였다.[10-11]
성능/효과
2) 전처리 모듈에서는 곡면을 세분화시키면서 내부곡선들의 접점들을 추출하는 작업이 이루어지며, 후처리 모듈에서는 변형 형상을 곡선 형태로 가시화 시키기 위해 절점 변위 해석결과를 이용하여 제어점을 역으로 산출하는 작업이 이루어진다.
3) 본 연구에서 개발된 전후처리 모듈은 제어점을 이용한 NURBS기반의 모델링 방식을 통해 곡면 외피형상을 쉽게 구축할 수 있으며, 스플라인 세분화 알고리즘을 활용하여 외피를 구성하는 프레임 구조를 자동으로 생성할 수 있어 기존의 방식에 비해 해석모형 생성 시간을 단축할 수 있다.
Table 1에 나타난 결과를 통해 고전적 방식의 모델링 방식에 비해 개발된 전후처리 모듈을 이용하여 해석모형을 생성하는 방식이 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. Sap2000의 경우, 필요한 절점은 N1~N5로 5개의 절점이 필요하며 x, y, z좌표를 입력하기 위해 15번의 입력행동이 발생한다.
본 연구를 통해 개발된 전후처리 모듈을 통해 곡선형 프레임 구조의 해석모형을 생성할 경우 고전적 모델링 방식에 비해 신속한 형상 구축이 가능하다. 이를 비교하기 위해 Fig.
후속연구
상기 전술된 바와 같이 본 연구를 통해 개발된 전후처리 모듈은 고전적인 해석모형 저작 방식에 비해 신속한 형상 구축이 용이하며, 복곡률을 가진 복잡한 형상의 곡면 또한 손쉽게 생성할 수 있어 향후 비정형 건축물 외피를 구성하는 프레임 구조 설계의 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전후처리 모듈을 개발한 이유는 무엇인가?
최근 비정형 건축구조물은 건설 산업의 디지털화로 인해 점점 더 복잡한 형상으로 디자인되고 있다. 특히, 외관 및 내부 구성요소들의 단면이 자유롭게 변화되는 곡선 및 곡면의 형태를 띠고 있으며, 그로 인해 곡률을 가진 구조부재들이 빈번히 나타나고 있다. 이러한 구조물의 모형을 작성하고 안정성을 평가를 하는데 있어, 고전적 방식의 유한요소 해석기법이 적용된 상용프로그램들은 신속한 형상 모델링이 불가능하여 생산성 저하를 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 구조해석 통합시스템을 확장하여 비정형 외피 형상을 신속하게 모델링하고, 그 결과물을 이용하여 외피를 구성하는 프레임 구조를 자동으로 생성할 수 있는 전후처리 모듈을 개발하였다.
비정형 건축구조물이 복잡한 형상으로 디자인되는 원인은 무엇인가?
최근 비정형 건축구조물은 건설 산업의 디지털화로 인해 점점 더 복잡한 형상으로 디자인되고 있다. 특히, 외관 및 내부 구성요소들의 단면이 자유롭게 변화되는 곡선 및 곡면의 형태를 띠고 있으며, 그로 인해 곡률을 가진 구조부재들이 빈번히 나타나고 있다.
전후처리 모듈로 무엇을 할 수 있는가?
따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 구조해석 통합시스템을 확장하여 비정형 외피 형상을 신속하게 모델링하고, 그 결과물을 이용하여 외피를 구성하는 프레임 구조를 자동으로 생성할 수 있는 전후처리 모듈을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 전후처리 모듈은 스플라인 곡선 및 곡면의 세분화 알고리즘을 적용하여 NURBS곡면의 형상정보를 통해 해석요소를 자동으로 생성하고, 해석 후의 변형 형상을 보다 현실적으로 가시화 시킬 수 있도록 개발되었다. 본 연구를 통해 개발된 전후처리 모듈은 복잡한 곡면 형상을 신속하게 구축하고, 그에 따른 하부 골조시스템의 해석모형을 자동으로 생성할 수 있어 향후 비정형 건축물 설계의 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
Han-Guk Ryu, "Deduction of Considerations During Design and Construction by Analysing Domestic and A broad Case Analysis of Freeform Building Envelope", Journal of KJCEM, vol.14, no.4, pp.84-96, July, 2013. DOI: https://doi.org/10.6106/kjcem.2013.14.4.084
Se-Hee Park, "A Study on the Pre and Post Processing Module Development Based on NURBS for Structural Analysis of Freeform Members", p.1-211, Hannam University, 2016.
Sung-Jin Jung, Se-Hee Park, "A Development of NURBS-Based Pre and Post Processor for Structural Analysis of Free-Shaped Beam", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol.16, no.10, pp.6673-6678, 2015. DOI: https://doi.org/10.5762/kais.2015.16.10.6673
Myung-Sik Lee, "[special issue] BIM Based Structural Design in Free Form Architecture", Journal of Architectural Institute of Korea, vol.55, no.12, pp.77-87, 2011.
Chel-Ho Choi, Sang-He Yoon, Kyung-Mee Whang, Sang-Yoon Chin, Su-Won Yoon, "[special issue] BIM Case Study : Sung Kwun Kwan Unvi. Digital Library Project", Journal of Architectural Institute of Korea, vol.52, no.4, pp.66-68, 2008.
Michael Schwedler, "Integrated structural analysis using isogeometric finite element methods", p.1-209, Bauhaus-Universitat Weimar, 2016.
B. Philipp, M. Breitenberger, I. D'Auria, R. Wuchner, K.-U. Bletzinger, "Integrated design and analysis of structural membranes using the Isogeometric B-Rep Analysis", Journal of Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol.303, pp.312-340, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.02.003
Sara Almstedt, Puria Safari Hesari, "Isogeometric analaysis of curved beams and thin shells", p.1-82, Chalmers University of Technology, 2017.
Sung-Jin Jung, Min-Sub Lee, Se-Hee Park, "A Development of General 3-D Curved Beam Element for Structural Analysis of Free Form Building", Journal of Architectural Institute of Korea, vol.27, no.8, pp.65-72, 2011.
Donald Hearn, M. Pauline Baker, Warren R. Carithers, "Computer Graphics with OpenGL", pp.492-522, Pearson Education Korea, 1999.
Edward Angel, Dave Shreiner, "Interactive Computer Graphics", pp.598-603, Hongreung Science Publishing, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.