[논문]비정형 대공간 구조물의 구조해석을 위한 파라메트릭 모델링

김치경; 이상수; 최현철; 이재철

비정형 대공간 구조물의 구조해석을 위한 파라메트릭 모델링
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김치경 (선문대학교 건축공학과) , 이상수 (창소프트 아이앤아이) , 최현철 (창소프트 아이앤아이) , 이재철 (동명대학교 건축공학과)

비정형의 대공간 구조물은 대량의 부재가 규칙성을 가지고 공간상에서 반복되는 패턴을 가지는 특징이 있다. 이러한 특징은 기존의 구조해석 모델러로부터의 접근을 어렵게 하는 반면, 관계성과 규칙성을 논리적으로 모델링함으로써 최종 모델을 생성해내는 파라메트릭 모델링 방법에는 매우 적합하다. 본 연구에서는 이전의 연구를 통해 개발된 파라메트릭 구조해석 모델링 툴인 STRAUTO을 이용해 전형적인 비정형 대공간 구조물인 용인시민체육공원 주경기장의 모델링에 파라메트릭 모델링 기법을 직접 적용해 봄으로써 이 새로운 접근법의 적합성과 효율성을 검토해 보았다.

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문제 정의

한편, 오늘날 설계분야에서 새롭게 각광받으며 등장하고 있는 파라메트릭 모델링 기법은 비정형적 형상에 구애받지 않고 반복적이고 규칙적인 대량의 부재들을 생성해 낼 수 있는 혁신적인 방법론으로서, 이런 특징을 가지는 비정형 대공간 구조물의 설계 및 해석을 위한 모델링 작업에 매우 적합할 것으로 판단된다. 따라 서, 본 연구에서는 최근에 국내에서 설계된 전형적인 대공간 구조라고 할 수 있는 용인시민체육공원 주경기장의 해석을 위한 모델링 작업에 파라메트릭 모델링 기법을 적용하여 이 새로운 접근법의 적합성과 효율성을 검토해 보았다.

제안 방법

파라메트릭 모델링 방식은 대공간구조의 특성에 잘 맞아, 모델링 작업의 효율성을 매우 높일 수 있지만, 대표적으로 사용되고 있는 파라메트릭 모델링 도구들은 단지 기하학적 형상의 작업에만 사용할 수 있을 뿐, 아직 구조 해석을 위한 모델링 기능은 지원하지 않는다. 본 연구에서는 구조모델의 파라메트릭 모델링을 위해 STRAUTO라는 Rhino/Grasshopper 기반의 플러그인 시스템을 개발했으며, 이를 이용해 파라메트릭 구조모델을 위해 필요한 다양한 컴포넌트들 - 요소, 하중, 구속조건, 솔버 등- 을 조합하여 사용함으로써 구조모델을 매개변수화하고 해석작업을 자동화할 수 있었다.

대상 데이터

용인시민체육공원의 주경기장은 RC로 된 하부 구조와 철골로 이루어진 상부구조를 가지고 있으며, 상부구조는 용을 모티브로 한 역동적인 형상의 자유곡면으로 이루어진 전형적인 비정형 대공간 구조체이다. 본 연구에서는 전체 구조체 중 상부의 공간트러스 구조체만을 적용 대상으로 삼았다.

이론/모형

본 연구에서는 자체적으로 개발한 파라메트릭 구조해석 모델링 도구인 STRAUTO를 사용하여 이를 비정형 대공간 구조물인 용인시민체육공원 주경기장의 상부구조 해석모델링에 적용해 보았다. 파라메트릭 모델링의 강점을 잘 적용할 수 있는 대공간 구조물의 특성으로 인해, 기존의 방식으로는 수 주일 이상 걸리던 해석 모델 작성 작업은 1주일 이내에 모든 작업을 끝낼 수 있을 정도로 생산성이 향상되었으며, 추가적으로 다양한 변경에 유연한 모델을 얻을 수 있었다.

성능/효과

용인시민체육공원 주경기장의 메인 트러스 구조물은 동일한 규칙을 사용하는 나뭇가지 모양의 공간 트러스의 반복이지만 외피의 형상이 비정형적 곡면으로 되어 있으므로, 기존의 방식으로는 하나하나의 부재를 수작업으로 입력하는 고된 작업을 반복해야 하기에, 숙련된 작업자도 수 주일 이상을 요하는 작업이다. 동일한 작업을 파라메트릭 모델링 기법으로 하게 되면 단 한 번의 규칙만 입력한 후, 각 위치마다 반복 적용하도록 모델링하면 되므로 작업의 능률을 크게 향상시킬 수 있었다.
파라메트릭 모델링의 강점을 잘 적용할 수 있는 대공간 구조물의 특성으로 인해, 기존의 방식으로는 수 주일 이상 걸리던 해석 모델 작성 작업은 1주일 이내에 모든 작업을 끝낼 수 있을 정도로 생산성이 향상되었으며, 추가적으로 다양한 변경에 유연한 모델을 얻을 수 있었다. 이러한 생산성의 향상과 생성된 모델의 유연성은 다양한 대안의 검토를 용이하게 함으로써 보다 높은 성능을 가진 구조물의 설계에 많은 도움이 됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 자체적으로 개발한 파라메트릭 구조해석 모델링 도구인 STRAUTO를 사용하여 이를 비정형 대공간 구조물인 용인시민체육공원 주경기장의 상부구조 해석모델링에 적용해 보았다. 파라메트릭 모델링의 강점을 잘 적용할 수 있는 대공간 구조물의 특성으로 인해, 기존의 방식으로는 수 주일 이상 걸리던 해석 모델 작성 작업은 1주일 이내에 모든 작업을 끝낼 수 있을 정도로 생산성이 향상되었으며, 추가적으로 다양한 변경에 유연한 모델을 얻을 수 있었다. 이러한 생산성의 향상과 생성된 모델의 유연성은 다양한 대안의 검토를 용이하게 함으로써 보다 높은 성능을 가진 구조물의 설계에 많은 도움이 됨을 확인할 수 있었다.

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