건축가는 복잡한 곡선 디자인을 위한 새로운 초능력을 얻습니다.

건축가는 자체 하중을 견딜 수 있는 표면에 높은 우선순위를 둡니다. 시각적으로 매력적인 일부 예는 쉘로 알려져 있으며 전통적으로 철근 콘크리트로 만들어졌습니다. 그러나 현대 건축가들은 비용, 낭비, 시각적 투명성 부족으로 인해 콘크리트를 제한하는 데 관심이 있습니다. 이로 인해 금속, 유리 또는 목재의 교차 곡선 요소를 사용하여 내부 지지대 없이 넓은 영역에 걸쳐 있는 그리드쉘에 대한 관심이 높아졌습니다.

Gridshell이 ​​관심을 받는 이유

Gridshell은 기둥 없이 넓은 공공 공간을 덮는 데 매우 적합합니다. 기차역 입구, 복원된 유서 깊은 안뜰, 공공 광장 등의 장소에서 볼 수 있습니다. 주목할만한 예로는 대영 박물관의 Great Court, 네덜란드 해양 박물관의 유리 지붕, 뉴욕의 Moynihan Train Hall 등이 있습니다. 이러한 구조는 그리드쉘이 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주지만 디자이너에게는 만들고 싶은 다양한 모양을 효율적으로 관리할 수 있는 표준 계산 도구가 부족했습니다.

도쿄 대학의 Masaaki Miki와 엔지니어링 회사 Thornton Tomasetti의 Toby Mitchell은 이러한 격차를 해소하기 위해 협력했습니다. 그들의 새로운 알고리즘은 구조적 신뢰성을 유지하면서 복잡한 형상을 지원하는 이상적인 격자 모양을 식별합니다.

Gridshell 설계의 오랜 과제 해결

그리드쉘 프로젝트가 존재하더라도 많은 기하학적, 기계적, 제작 및 건설 요구 사항으로 인해 대부분의 고객이 이를 추구하기가 어려워졌습니다. Miki와 Mitchell은 이미 하나의 계산 프레임워크 내에서 이러한 많은 문제를 해결할 수 있는 NURBS 기반 시스템을 도입했습니다. 그러나 두 가지 주요 제한 사항이 남아 있습니다. 이전 방법은 매우 불규칙한 모양으로 인해 어려움을 겪었고 필요한 계산 시간이 실용적이지 않았습니다. 업데이트된 방법은 이러한 장애물을 제거하여 보다 효율적인 작업 흐름을 생성하고 대규모 건축가 및 설계자 그룹이 고급 그리드쉘 형태 찾기를 실현할 수 있게 해줍니다.

“이 프로젝트는 주로 콘크리트로 만들어진 쉘 구조에 대한 관심으로 2020년에 시작되었습니다. 전통적인 디자인은 압축력을 통해 자체 무게를 전적으로 지탱하는 모양을 목표로 하지만 이로 인해 표현력이나 조각성이 제한됩니다.”라고 Miki는 말했습니다. “우리는 압축력과 인장력을 모두 고려하여 쉘을 설계하는 새로운 방법을 찾기 시작했습니다. 보다 현대적인 금속-유리 그리드쉘에 접근 방식을 적용하여 기계적 신뢰성, 미적 측면 및 구성 용이성의 균형을 맞추는 방법을 개발했습니다. 최근 계산 속도가 향상됨에 따라 엄격한 방법을 사용하여 이러한 복잡한 조건을 해결할 수 있게 되었습니다.”

NURBS를 사용하여 정밀도와 속도 향상

새로운 방법의 가장 큰 장점은 NURBS 표면에서 직접 작동한다는 것입니다. 수천 개의 삼각형 조각을 사용하는 메시 기반 접근 방식과 달리 NURBS는 곡선 표면을 부드럽고 연속적이며 수학적으로 정확하게 표현합니다. NURBS는 이미 건축 설계에 널리 사용되고 있으므로 이 방법을 기존 워크플로우에 통합하는 것은 간단합니다. 연구팀은 건축가가 익숙한 소프트웨어 내에서 접근 방식을 사용할 수 있도록 인기 있는 NURBS 중심 CAD 프로그램인 Rhinoceros용 플러그인을 만들었습니다.

이 방법은 NURBS 표면의 응력 분포를 나타내며 처리 속도를 98%까지 높이는 새로 개발된 알고리즘을 사용합니다. 이러한 개선으로 인해 고급 GPU가 필요하지 않으며 기하학적 및 구조적 요구 사항을 모두 충족하는 모양을 생성할 수 있는 보다 접근 가능한 방법을 제공합니다. 생성된 그리드쉘은 중력 하에서도 안정적인 상태를 유지하며 조립이 실용적인 금속 및 유리 구조를 지원합니다.

“우리는 실제 문제를 해결하고 있기 때문에 우리가 개발한 여러 테스트 방법을 통해 솔루션을 엄격하게 검증해 왔습니다.”라고 Miki는 말했습니다. “테스트 결과 메서드의 실패가 드러났을 때 스트레스가 많았습니다. 하지만 이제 모든 솔루션이 테스트를 통과했기 때문에 우리는 완전히 행복합니다.”

향후 방향

현재 연구는 금속 및 유리 그리드쉘에 초점을 맞추고 있지만, 팀은 앞으로 복합 목재 그리드쉘을 포함하도록 기술을 확장할 계획입니다.

이 연구는 노무라 재단, JSPS 과학 연구 보조금(KAKENHI, 보조금 번호 23K17784) 및 JST ASPIRE(보조 번호 JPMJAP2401)의 일부 지원을 받았습니다.