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가현 강전
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1 구축정보모델로써디지털마스터모델의건축적용특성에관한연구 A Study on the Digital Master Model as a Design Process in Digital Architecture 최순용 * 김진균 ** Choi, Soon-Yong Kim, Jin-Kyoon Abstract The purpose of this study was to analyze the digital master model as a design process in digital architecture. Digital master model anticipates the widespread adoption of model with architectural design process. Specially, it could be creative processes of digital design as generative design tool, structural analysis and fabrication, constructional production. It is enabling new types of collaborative communication with design process, structural and construction engineers and management. Also, digital master model could be applied to BIM when information models are added. 키워드 : 디지털마스터모델, 디지털제작, 디지털디자인프로세스, BIM Keywords : Digital Master Model, Digital Fabrication, Digital Design Process, BIM(Building Information Modeling) 1. 서론 1.1 연구의배경및목적 1) 현대건축의패러다임은전통적인아날로그적설계방법론에서디지털패러다임에기초를둔디지털설계방법론으로진화하고있다. 이러한배경에는첨단기술및재료의발전과더불어현대도시가매우빠르게변화하고, 수많은건축정보들이쏟아져나오고있는현재상황에건축이새로운공간개념으로현대도시문제를유연하게대처하고자하기때문이라고할수있다. 본연구는디지털설계과정에서중요한역할을하는디지털마스터모델방법론 (DigitalMasterModel Methodology) 에대해알아보고, 그개념과디자인과정에서나타나는건축구축적특성에대해알아보고자한다. 디지털건축에서건축가는 1차적으로공간개념을비트단위로계산되는디지털데이터모델 (3D digital Data) 로생성하게된다. 이렇게생성된디지털데이터모델은형태정보모델 (Master Geometry) 로써디자인프로세스에서마스터모델 (Master Model) 의역할을하게되고, 설계과정, 구조분석, 시공과정에서최적화 (optimizing) 가이루어지며, 각일련의과정에서구축정보모델역할을하게된다. 본연구는디지털건축에서디자인도구이자, 소통수단 * 정회원, 서울대대학원박사수료 ** 정회원, 서울대건축학과교수, 공학박사 으로잡아가고있는디지털마스터모델의개념과구축정보모델로써의특징을분석함으로써디지털건축의실제적구축에더욱접근하고자한다. 아울러디지털마스터모델이구축정보모델에서지능형정보모델 BIM(Building Information Modeling) 2) 과연계되기위해서는추가정보체계가필요함도확인하고자한다. 1.2 연구의방법및절차본연구에서방법은우선전통적인설계방법과는다른접근방식인디지털마스터모델의개념 3) 에대해알아봄으로써, 디지털건축이건축본연의작업과무관한새로운것이아닌디지털패러다임에의해나타나는건축가들의공간탐구의한부분이고, 건축구축행위의일부과정임을확인한다. 다음으로실제로지어진건축물을중심으로, 디지털마스터모델의공간생성및구축프로세스에서건축적적용 2) BIM 은건물의수명주기동안필요한정보를 " 호환가능하고, 재사용가능한 " 방법으로생성하고관리하는프로세스이다. BIM 은설계, 견적, 엔지니어링, 관리시스템을통합하여건설정보의재활용및공유를할수있도록하며, 이를통해참여가간의의사소통증진, 공기단축, 재작업및하자감소, 설계및시공방법의최적화등을가능하게한다. 원종성외, BIM 협업조직및정보관리방식에관한사례연구, 대한건축학회논문집 24(8), ) 디지털마스터모델방법은객체지향적개념을지닌다. Object, 객체란말그대로실생활에있어서하나의구체적인사물을뜻하는것이다. 소프트웨어의규모가커짐에따라기존의프로그래밍방법론이던구조적프로그래밍으로는생산성의저하, 유지보수의어려움등의문제가발생하여. 코드재사용 을높이고, 캡슐화 를핵심으로하여새로이발전한프로그래밍방법론이다. 이종상, BIM 의패러다임, 건설기술, 쌍용 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월 99

유클리드기하학이지배하던시대의형태는플라톤의기본조형모델이당시의주요한조형적언어였다고한다면, 현대건축에서는비유클리드기하학에의한수학적해석모델인넙스모델링 (NURBS Modelling) 을통한비정형, 복잡한공간의해석과디지털화가디지털마스터모델의구축가능성을더해주고있다. 2. 디지털마스터모델 (Digital Master Model) 2.

2 최순용 김진균 특징들을분석함으로써, 건축설계과정에디지털마스터모델의유용성, 공간탐구와구축의혁신적인모델임을보여주고자한다. 디지털마스터모델 (Digital Master Model) 의구체적이고실제적인구축과정을연구하기위해건축가의작품집과텍스트뿐만아니라, 협업조직인구조컨설팅 (Structure Engineer), 시공컨설팅 (Construction) 회사등의작업에대한텍스트와온라인자료도참고하였다. 유클리드기하학이지배하던시대의형태는플라톤의기본조형모델이당시의주요한조형적언어였다고한다면, 현대건축에서는비유클리드기하학에의한수학적해석모델인넙스모델링 (NURBS Modelling) 을통한비정형, 복잡한공간의해석과디지털화가디지털마스터모델의구축가능성을더해주고있다. 2. 디지털마스터모델 (Digital Master Model) 2.1 디지털마스터모델의개념마스터모델방법 (Master Model Methodology) 4) 은마스터모델파일에서도면 (2D & 3D Drawings) 을추출 5) 해내는방법이라고할수있다. 본연구에서사용되는디지털마스터모델은디지털 3D파일 (Digital 3D Geometry) 로생성된마스터모델을말한다. 본래의마스터모델방법은주로복잡한형상이나기술적으로효율적인작업을하기위해항공기제조나선박건조에주로사용되어왔다. 그림 1. CATIA 로생성된선적의디지털마스터모델을통한구조분석과부재산출도면 이후이방법은디지털패러다임과함께수학적분석, 기술의혁신적인발전과함께복잡하고, 비선형적건축공간구축에디지털마스터모델 (Digital Master Model) 6) 이라는형태로적용되고있다. 또한대규모 CNC머신및 RP 모델 7) 장비의지속적인발전또한디지털마스터모델의구축프로세스에중요한역할을해왔다. 4) 전통적인설계과정에서의도면은물리적모형작업과병행하며, 모델로부터자동생성되는형식이아니라. 다시재생성의과정을거쳐야한다. 5) 추출 ( 抽出 ): 전체속에서어떤물건, 생각, 요소따위를뽑아낸다는의미를내포한다. 본연구에서는전체에서평면을뽑아낸다는의미로쓰인다. 6) 해군의선박제작디자인제작에쓰인 CATIA 의마스터모델은다음과같은특징을지닌다. 첫째, 유체역학과선체모델링, 수치해석, 복원력등을통합적으로계산할수있게해준다. 둘째, 1 차구조디자인과 FEA( 유한요소해석 ) 도동시에할수있게해준다. 셋째, 신속조형기술로모델과제작을할수있게해준다. 넷째, 쉬운변형과유동성을가지고있다. 다섯째, 여러가지디자인뿐만아니라혁신적인개념도창조할수있게해준다. 여섯째, 3D 모델을통해쉬운협력환경을제공해준다는장점이있다고말한다. 7)RP:Rapid Prototype 으로신속하게디지털파일을실물모형제작이가능하게한다. 모형재료는가루형과반투명제질로가공이가능하다. 현재많은대학에서는 Zprinter, 3D Printer 등이도입하고있어아카데미에서도디지털건축의실험작업을가능하게해준다. 그림 2. Frederick Kiesler, The Endless House Project, 유기적공간모형, Toyo ito, Taichung Metropolitan Opera House, 디지털제작기술로제작된 Rapid Prototyping 모형과아래의디지털마스터모델파일 디지털기술은건축가가상상하는것뿐만아니라, 상상할수없는공간까지도형태적으로생성가능 8) 하게한다. 디지털파일에서직접제어가가능한디지털제작 (Digital Fabrication) 기술과구조해석, 시공기술의혁신적인발전등도이러한디지털마스터모델의구축방법의발전에영향을주었다. 디지털마스터모델에서는전통적인평면과단면방식으로는표현이불가능한공간을표현하고, 구현할수있는 3차원도면을생성가능하다. 이는최근현대건축에서많이나타나는비선형의복잡한건축을생성및구축가능하게해주는모델형식이자, 구조와재료, 시공과견적등과같이구체적인건축정보 (Architectural Information) 를산출해낼수있는디지털정보모델 (Digital Information Model) 이라고할수있다. 2.2 디지털마스터모델의형식디지털마스터모델은건축가들에따라다양한유형으로불려지고, 생성되는방식도각기다르다. 본장에서는이러한유형에대해알아보고자한다. 블랍 (Blob) 9) 은디지털마스터모델의추상적형태를지칭하는개념적유형으로서자체적으로유동적공간과동적이미지를내포하고있다. 디지털건축가는이를형태생성단계에서개념적인마스터모형으로사용하게된다. 이와달리, 최근의디지털건축에직접사용되는마스터모형 (Master Geometry) 은블랍의개념을기하학적, 수 8) 이러한공간에대한생성가능성은수학적인발전과도연계된다. 비유클리드기하학의해석은새로운 3d 프로그램 (CATIA, 3D Max, Rhino 3D, Form-Z, Maya 등 ) 을제작가능하게하였고, 이러한소프트웨어는건축가들의새로운공간탐구를위한디지털제도판 (Digital drawing board) 이라고할수있다. 9) Blob 이라는용어는그렉린과마크위글리에의해정의되었다. 100 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월

구축정보모델로써디지털마스터모델의건축적용특성에관한연구 학적으로치환한조형적개념이라고할수있다. 본연구에서는수치적으로, 디지털로변환된마스터모형형태의모델을중심으로건축구축과정에어떻게적용되는지알아보고자한다. 디지털마스터모델방법론에서무엇보다중요한것은각영역별로어떤지오메트릭의표현 (Geometric Representation) 을사용할것인가하는것이다.

게리의빌바오뮤지엄디지털마스터모델파일, 구조의생성, 시공단계의 ( 그림출처 ) Kolarevic, Blanko 디지털성형과시공을가능하게해준다. 디지털마스터모델은연속적인디자인프로세스를가능하게한다.

초기디지털마스터모델 - 유한요소분석모델 - 삼각망철재구조프레임, 곡면형돌출창호와스킨재료프레임형성 ( 그림출처 ) Kolarevic, Blanko, http://www.bollinger-grohmann.de 3.

3.1 공간생성및통합구축도구로써의디지털마스터모델 10) 박정대, 디지털미디어에의한건축디자인프로세스의변화에관한연구, 대한건축학회지 22(1), 2006. 1 아날로그형태의공간생성 (Form-Finding) 작업은구조 건축가 Frei otto가대표적이다.

3 구축정보모델로써디지털마스터모델의건축적용특성에관한연구 학적으로치환한조형적개념이라고할수있다. 본연구에서는수치적으로, 디지털로변환된마스터모형형태의모델을중심으로건축구축과정에어떻게적용되는지알아보고자한다. 디지털마스터모델방법론에서무엇보다중요한것은각영역별로어떤지오메트릭의표현 (Geometric Representation) 을사용할것인가하는것이다. 이것은해당프로세스의기본적인속성과함께프로젝트를수행하는개별팀과의관계를복합적으로반영하여전체디지털디자인프로세스를제어할수있는범위내에서결정되어야하기때문이다. 10) 대표적인예로게리의빌바오뮤지엄에서는 3D스캔장비를통해실물모형을디지털데이터 (Digital Data) 로변환한다. 이렇게변환된디지털마스터모델은디자인전개과정에서비선형적이고복잡한형태제어와그림 3. 게리의빌바오뮤지엄디지털마스터모델파일, 구조의생성, 시공단계의 ( 그림출처 ) Kolarevic, Blanko 디지털성형과시공을가능하게해준다. 디지털마스터모델은연속적인디자인프로세스를가능하게한다. 또한, ' 그라츠에온외계형상물 이라는별명을가지는피터쿡의오스트리아그라츠센터 (Kunsthaus Graz, 2003) 는내부메인구조는 RC구조기둥으로, 외부스킨은철재경량구조로이루어진비선형건물이다. 초기형태에대한생성뿐만아니라, 외부스킨의삼각형철재구조최적화모델생성및분석, 반투명외피재료의생성과제작에디지털마스터모델은핵심적역할을하였다. 그림 4. 초기디지털마스터모델 - 유한요소분석모델 - 삼각망철재구조프레임, 곡면형돌출창호와스킨재료프레임형성 ( 그림출처 ) Kolarevic, Blanko, 3. 디지털마스터모델구축정보모델로서의적용사례 본장에서디지털마스터모델이 3차원도면으로써공간생성초기과정에서부터구조설계과정의구조추출과정과해석, 시공단계의거푸집틀의제작과 2차구조로외피재료의연결구조물제작에이르기까지건축구축전반에중요한역할을하고있음을알아볼것이다. 또한내포하고있는조형정보와구축정보가견적, 사후관리시스템으로써의유용한도구로써 BIM적용모델의가능성도확인하고자한다. 3.1 공간생성및통합구축도구로써의디지털마스터모델 10) 박정대, 디지털미디어에의한건축디자인프로세스의변화에관한연구, 대한건축학회지 22(1), 아날로그형태의공간생성 (Form-Finding) 작업은구조 건축가 Frei otto가대표적이다. 그러나 Frei otto의공간 생성은구조설계가가지는형태를공간적으로적용한점 에서는혁신적이나, 인장구조나중력에대응한자연적구 조에서유추한구조와공간형태분야에만한정된다. 그러나혁신적인디지털도구는 건축가가생각하기어려운공간의 형태뿐만아니라, 생각할수없는 공간도생성할수있게해준다. 게 리의 경우처럼 물리적 모형 (Physical Model) 에서 출발하여 3D스캔을 통해 생성되기도 하고, 수학적개념의공간모형 11) 이나파 그림 5. 가우디의추와천을이용한가족성당의인장모형, ( 그림출처 ) Frei Otto, Finding Form 라메트리모형 (Parametric Geometry) 12) 과같은형태로생성되기도한다. 또한공간간의관입, 관통, 상호소통과같은개념의복 잡한관계모형을구체적인형태로구현하는데도사용된 다. 13) B. Franken의버블은 1999년 BMW그룹의국제자동차 전시 (IAA) 에서 태양에너지와수소에너지로움직이는 자동차의개념을설명하는전시공간이었다. 그림 6. B. Franken, Bubble 의초기블랍모형형성과정, 전시공간의형태는두개의물방울형태가서로혼합되는형태를지닌다. 디지털로생성된초기형태는이후계획모형의기준이되었다. 350개의이중휨판넬은 CNC 가공기술로통합적으로생성할수있었다. 이러한형태를실제구축하는데, 350개의크리스탈투명아크릴유리외피가생성되었다. 또한 10mm두께의철판구조는전체적인구조를담당하였다. B. Franken은전체적으로길이는 135m, 폭은 25m, 높이는 18m의형태의 BMW전시장 (Dynaform) 을설계할때, 디지털마스터모델은구조와시공컨설팅팀과의지속적인협업도구역할을하며, 전체프레임단면구조와덮 11)UNStudio 는뫼비우스띠개념 ( 뫼뷔우스하우스, 2000) 이나클레인병 ( 터미널, 2004) 모델을기본개념으로건축공간을생성한다. 12)Parametric Geometry 은몇개의독립적인매개변수를이용한공식에의해정의되는직선, 곡선, 표면의그래픽데이터를처리하는방식을말한다. 파라메트릭모델링이란치수를변경하는것만으로도면의형상및수치를자동으로변경하거나파트형상을작성하는것이다. 이것들의변경은, 관련도형모든것에반영되어실행된다. 한번파트프로그램을작성하면, 파라메트릭모델링에의해변경된파트프로그램은자동으로편집및수정되어지다. BIM 패러다임, 이종상, 건설기술 13) 디자이너들은숫자에연연하지않고, 오직관계만을고려한다. 그러나 CAD 시스템은관계를만들어내지않고, 건축가들이생각하는관계를구체적인숫자와형태로구현해준다. 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월 101

최순용 김진균 그림 7. B. Franken, Bubble. 디지털구조선파생, 시공모델, 철판프레임조립디테일, http://www.bollinger-grohmann.de 개를구성하는외피막구조를생성하기위한디지털표본모델이었다.

그림 11. 이중휨면을구축을위한거푸집시공과정, http://www.designtoproduction.ch 그림 8. B.

14) 본건물의구조시스템은이중휨철골프레임구조로써, 용접에의해만들어진구멍이난 15개의비렌딜보를 8m 간격으로배치함으로써전체적으로기둥이없는공간을구현하였다. 이는관람객에게역동적이고, 연속적인공간경험을제공하였다.

디지털마스터모델로부터구조부재와창호추출도면, 형으로꼬여진램프라인 http://www.designtoproduction.ch 으로생성된공간은방문객들에게독특한공간경험을제공하지만, 전통적인평면과단면방식으로는표현이거의불가능하다.

Mercedes Benz Museum, Stuttgart, UN Studio, 2005, 벤츠뮤지엄의디지털마스터모델형성과정, http://www.designtoproduction.

de 한편, 도요이토는대만테청시도심공원축 (Axis) 의끝에위치하는오페라하우스현상설계에서도시속의유동적인연결을위한네크워크 (Urban Networking) 라는개념에걸맞게공간이내외부적, 수직적으로도유동적으로흐르는공간 (Liquid Space)

또한시공과정에서도디지털마스터모델이없이는정확한시공이불가능하다. 그림 12.

4 최순용 김진균 그림 7. B. Franken, Bubble. 디지털구조선파생, 시공모델, 철판프레임조립디테일, 개를구성하는외피막구조를생성하기위한디지털표본모델이었다. 서도연속적으로반영되는데, 이러한복잡한형태는기존의거푸집시스템이나평면제작방식으로는굉장히어려움을가진다. 벤츠박물관에서는디지털마스터모델과 CNC가공으로정확하게사전제작된목재판넬과철판을현장에서정밀시공을함으로이중휨내부공간을정확하게생성, 시공할수있었다. 그림 11. 이중휨면을구축을위한거푸집시공과정, 그림 8. B. Franken, Dynaform 의디지털마스터모델, 막구조외피, 곡면형철골프레임구조 실제시공에서는디지털마스터모델에서추출한내부프레임골조의단면프레임을장방향고정용원형파이프에연결하고, 고정된프레임의양쪽끝과천정그릴부분을유착함으로써구조의안정성을가할수있었다. 14) 본건물의구조시스템은이중휨철골프레임구조로써, 용접에의해만들어진구멍이난 15개의비렌딜보를 8m 간격으로배치함으로써전체적으로기둥이없는공간을구현하였다. 이는관람객에게역동적이고, 연속적인공간경험을제공하였다. 여기서컴퓨터시뮬레이션에의해생성된디지털마스터모델은구조, 재료, 공간의통합설계의중심적역할을하였다. UN Studio의디지털마스터모델은디자인프로세스에서부터시공에이르기까지연속적으로사용되었다. 벤츠박물관에서 3개의코어주위로나선그림 9. 디지털마스터모델로부터구조부재와창호추출도면, 형으로꼬여진램프라인 으로생성된공간은방문객들에게독특한공간경험을제공하지만, 전통적인평면과단면방식으로는표현이거의불가능하다. 여기에사용되어진디지털마스터모델은공간의생성및건물이지어지기까지수천개의평면도와단면도를생성하는데핵심역할을하였다. 그림 10. Mercedes Benz Museum, Stuttgart, UN Studio, 2005, 벤츠뮤지엄의디지털마스터모델형성과정, 또한이중휨곡면인벤츠박물관의외형은내부공간에 14) 한편, 도요이토는대만테청시도심공원축 (Axis) 의끝에위치하는오페라하우스현상설계에서도시속의유동적인연결을위한네크워크 (Urban Networking) 라는개념에걸맞게공간이내외부적, 수직적으로도유동적으로흐르는공간 (Liquid Space) 을만들어내었다. 테청오페라하우스에서생성된곡면은벽과천정, 바닥이일체화되는형상을가지는데, 이런복잡한형상은스케치가아닌디지털도구에의해생성된디지털마스터모델과 RP모형의피드백디자인프로세스를통해구현될수있었다. 또한시공과정에서도디지털마스터모델이없이는정확한시공이불가능하다. 그림 12. Taichung Metropolitan OperaHouse, 2007,Toyo ito, 좌로부터 : 조형매쉬의예각을부드러운곡면으로변형프로세스 - 조형매쉬의점을구조분석에따라변형프로세스, ( 그림출처 ) fromcontroltodesign, ACTAR, 구조파생틀로써의디지털마스터모델자동차전시공간과차량인도서비스공간으로디자인된 BMW센터는한눈에도알아볼수있는더블콘형태의전면매스와구름처럼떠있는지붕매스형태로그림 13. BMW Center, 이루어진다. 내부공간은전 Munich, Coop 체적으로투명성과가변성 Himmelb(l)au, 3D 래티스구조로된지붕모델에을기본개념으로이루어져환기구, 전기배선, 프링쿨러있다. 곡면지붕은 5 5m의등의설비시스템은보트러스로 3차원프레임설치된다. 구조로되어있다. Coop Himmelb(l)au는디지털마스터모델을통해더블콘의환형구조설계와외피재료인유리, 스테인리스판넬의복잡한형태를생성하고, 추출전개도면을생성할수있었다. 15) 디지털마스터모델에서직접메인구조를생성하는 1차모델과삼각형구조조인트방식으로형태와 102 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월

구축정보모델로써 디지털마스터모델의 건축 적용특성에 관한 연구 외피를 담당하는 2차 모델을 추출함을 볼 수 있다.16) 구에 따라 최적화하는 작업을 할 때, 디지털마스터모델을 통해 기울어진 기둥의 구조적 문제와 분석정보를 동시적 으로 시각화, 수치화함으로써 분석, 완성할 수 있었다. 그림 14. BMW Center, Munich, 2007.

2m 보 형태의 공 간지붕, 6,500톤의 철이 들어간 22,000개의 스틸 구조와 12,000개의 노드로 구성되고, 가로 177m, 세로 177m, 높 이 31m의 대형 구조공간으로 이루어져 있다. 디지털 구 조해석 기술과 디지털마스터모델은 외피 공간의 4,000개 의 다양한 버블구조(최대버블 7.

최적화모델작업을 하고 있는 디지털마스터모델, 기울어진 기둥 시공사진, http://www.designtoproduction.ch 그림 15. PTW, Water Cube, Beijing, 2006. 초기 모델-최적화된 구조모델-노드와 부재 추출모델 ;최적화 소프트웨어: VR(Visual Basic 6.

3 시공구축툴로써의 디지털마스터모델 하디드의 자유로운 4개의 형태로 이루어진 역사 출입 구는 부재의 생성과 제작을 맡은 Designtoproduction팀과 KCAP의 기둥으로 이루어진 숲(Forest of Columns) 연속적인 협업작업을 통해 신속 정확하게 설계할 수 있 었다.

여기서 KCAP는 구조, 시공 컨설팅회사와 협업을 통해 150여 개의 기울어진 기둥을 기능적, 구조적, 시공적 요 15) 3D Surface모델에서 전개도면은 디지털 모델 생성프로그램 인 Form-z의 Unfold, Rhino 3D의 Unroll developable srf 기능 을 통해 쉽게 생성할 수 있다.

5 구축정보모델로써 디지털마스터모델의 건축 적용특성에 관한 연구 외피를 담당하는 2차 모델을 추출함을 볼 수 있다.16) 구에 따라 최적화하는 작업을 할 때, 디지털마스터모델을 통해 기울어진 기둥의 구조적 문제와 분석정보를 동시적 으로 시각화, 수치화함으로써 분석, 완성할 수 있었다. 그림 14. BMW Center, Munich, Coop Himmelb(l)au, 더블 콘의 구조추출도면-스테인리스 판넬의 추출전개도면 -유리부재 추출전개도면 PTW와 중국건축회사의 공동 컨소시엄으로 세계적인 구조설계 및 컨설팅 회사 Arup17)은 베이징의 국립수영장 (WaterCube)에서 건축물의 구조를 담당하게 된다. WaterCube공간은 3.6m의 공간 벽과 7.2m 보 형태의 공 간지붕, 6,500톤의 철이 들어간 22,000개의 스틸 구조와 12,000개의 노드로 구성되고, 가로 177m, 세로 177m, 높 이 31m의 대형 구조공간으로 이루어져 있다. 디지털 구 조해석 기술과 디지털마스터모델은 외피 공간의 4,000개 의 다양한 버블구조(최대버블 7.5m), 부재의 사이즈 조절 과 디테일을 생성가능하게 했다. 여기서 디지털마스터모 델을 통해 정확하고 빠르게 구조부재의 해석과 부재 디 자인을 피드백 방법으로 수행할 수 있었다. 그림 16. KCAP, Groningen Stadsbalkon, Groningen, 최적화모델작업을 하고 있는 디지털마스터모델, 기울어진 기둥 시공사진, 그림 15. PTW, Water Cube, Beijing, 초기 모델-최적화된 구조모델-노드와 부재 추출모델 ;최적화 소프트웨어: VR(Visual Basic 6.0)프로그램을 통해 구조부재의 최적화하였고, 구조분석은 Strand7유한요소프로그램으로 가능할 수 있었다. Watercube, Ethel, 시공구축툴로써의 디지털마스터모델 하디드의 자유로운 4개의 형태로 이루어진 역사 출입 구는 부재의 생성과 제작을 맡은 Designtoproduction팀과 KCAP의 기둥으로 이루어진 숲(Forest of Columns) 연속적인 협업작업을 통해 신속 정확하게 설계할 수 있 었다. 이란 작품은 3,000여 대의 자전거 보관시설로써, 기울어 진 기둥은 공공 공간으로 사용되는 큰크리트 지붕데크를 지탱하게 설계되었다. KCAP가 필요한 기둥의 정확한 개 수, 지름과 기울기 등을 정하는데 기존의 탑-다운 설계방 식으로는 거의 불가능하였다. 여기서 KCAP는 구조, 시공 컨설팅회사와 협업을 통해 150여 개의 기울어진 기둥을 기능적, 구조적, 시공적 요 15) 3D Surface모델에서 전개도면은 디지털 모델 생성프로그램 인 Form-z의 Unfold, Rhino 3D의 Unroll developable srf 기능 을 통해 쉽게 생성할 수 있다. 16) 게리의 바로셀로나 피쉬 설계에서 CATIA프로그램을 이용 하여 1차 구조물은 선형의 트러스 구조물을 만들어내고, 외부 형 태인 스테인리스스틸 외피를 잡아주는 역할을 하는 2차 구조물 은 철제 파이프로 사용하고 있다고 말한다. 또한 1차 구조와 2차 구조물을 연결하는 조정장치는 1, 2차구조물 사이의 길이를 조정 해가면서 외부형태를 만들어주는 형식으로 대부분 현장에서 이 루어진다. 윤용집 외, 2002, 프랭크 게리 건축물의 구조 시스템에 대한 연구, 대한건축학회 학술발표논문집22(1), ) 시드니의 Arup의 CAD담당자인 Steve Pennell은 이 디자인 은 매우 복잡해서 3년전의 컴퓨터였으면 불가능한 디자인이었다 고 말한다. 3D CAD모델로 인해서 한꺼번에 입면, 단면, 디테일 등의 도면을 만들어내서 통합설계가 가능하게 되었다고 말한다. 그림 17. Zaha hadid, Innsbruck 역사출입구, 철재리브구조에 부착된 PE패널, 반투명패널외피마감, 철재리브구조 파생 3D도면 (그림출처) 철제 리브구조와 외부패널을 연결하는 2,500개의 수공 예적 폴리에틸렌(PE)부재는 디지털마스터모델에 의해 디 테일 생성과 부재 생성에 연속적으로 적용, 생성되었다. 그림 18. Zaha hadid, Innsbruck 역사출입구, 디지털마스모델에서 추출된 부재와 연결완충부재의 도면과 디지털 성형제작 이는 통합된 디지털마스터모델을 구축하기 위해 건축 大韓建築學會論文集計劃系 제25권 제4호(통권246호) 2009년 4월 103

최순용 김진균 디자인업체와구조및시공컨설팅회사의협업이무엇보다중요하다는것을보여주는사례라고할수있다. 렌조피아노의 Paul Klee센터는 2차원평면에서출발한웨이브형태를공간적으로구현하고, 이를곡면 I빔스틸구조로제작함으로완성되었다. 18) 여기서디지털마스터모델은실제건축가의스케치에서실제곡면의생성뿐만아니라부재의치수, 물량등을산출하는데사용되었다.

디지털마스터모델에서추출된거푸집모델의각기다른형태와크기의 1,500여개의거푸집틀과 10,000여개의고정쐐기는 CNC가공에의해제작되었다. 거대한곡면슬라브표면을디지털화한디지털마스터모델은실제시공가능하게한중요한디지털지오메트리였다. 그림 19. Renzo Piano, Paul Klee 센터, Bern, 2004.

디지털마스터모델에서거푸집추출과정과시공과정 ( 그림출처 ) http://www.designtoproduction.ch 이와같이디지털마스터모델은곡면이나복잡한시공거푸집제작을위한기본도구로써전통적인콘크리트시공의확장을위해서도중요한도구임을알수있다. 그림 20. Renzo Piano, P&C 백화점, Cologne, 2005.

6 최순용 김진균 디자인업체와구조및시공컨설팅회사의협업이무엇보다중요하다는것을보여주는사례라고할수있다. 렌조피아노의 Paul Klee센터는 2차원평면에서출발한웨이브형태를공간적으로구현하고, 이를곡면 I빔스틸구조로제작함으로완성되었다. 18) 여기서디지털마스터모델은실제건축가의스케치에서실제곡면의생성뿐만아니라부재의치수, 물량등을산출하는데사용되었다. SANAA의 EPFL학습센터설계에서디지털마스터모델은거대한이중휨콘크리트슬라브시공을위한거푸집을제작하는데사용된다. EPFL학습센터의부드럽게휘어진 7,500m2의표면지붕면을시공하기위해 1,500여개의목재박스틀 (Wood formwork) 이사용되었다. 디지털마스터모델에서추출된거푸집모델의각기다른형태와크기의 1,500여개의거푸집틀과 10,000여개의고정쐐기는 CNC가공에의해제작되었다. 거대한곡면슬라브표면을디지털화한디지털마스터모델은실제시공가능하게한중요한디지털지오메트리였다. 그림 19. Renzo Piano, Paul Klee 센터, Bern, 곡면철재빔의구현과도면제작과정 렌조피아노가설계한 P&C 백화점의이중휨입면은곡선목재보와 6,500여개의유리판넬로시공되었다. 실제시공에서는예산상의문제로인해이중휨곡면인사각플랫유리판넬 19) 로대체되었지만, 이중휨곡면의구현과정확한물량산출및제작에디지털마스터모델은핵심적인역할을하였다. 그림 22. SANAA, EPFL 학습센터, Lausanne, 디지털마스터모델에서거푸집추출과정과시공과정 ( 그림출처 ) 이와같이디지털마스터모델은곡면이나복잡한시공거푸집제작을위한기본도구로써전통적인콘크리트시공의확장을위해서도중요한도구임을알수있다. 그림 20. Renzo Piano, P&C 백화점, Cologne, 수직구조부재산출 - 수평구조부재산출 - 유리판넬의 3D 도면 - 시공디테일 - 외부전경 게리의 MARTa 뮤지엄은정확한 3차원디지털마스터모델에서조각같은철재구조지붕의모든요소를디지털마스터모델과 CNC가공에의해제작할수있었다. CNC 머신으로가공된스테인리스스틸판넬들은 2차구조인이중휨래티스셀구조에정확하게연결, 부착, 시공된다. 그림 21. Frank Gehry, MARTa Museum for Furniture, Culture and Art, Herford, 강화벽돌마감사진 - 휘어진 RC 벽시공 - 디지털마스터모델 또한, 디지털마스터모델은휘어진 RC벽타설을위한복잡한거푸집제작에도사용되었다. 이렇게시공된외벽은강화벽돌로마감되어완성되었다. 18) 19) 일반적으로유리판자체를곡면으로만드는방법으로가열된평판유리를원하는형상의몰드 (mold) 위에서식힘으로서곡면유리를생산한다. 그러나구현하고자하는곡면의곡률이일정한경우에만이러한몰드을반복해서사용할수있으며, 곡률이일정치않은경우에는분할해서사용할수있으며, 곡률이일정치않은경우에는분할된곡면마다별도의몰드를제작해야함으로생산비가급격히증가한다. CAD/CAM 기술의발달로수작업으로진행되어왔던곡면몰드를제작하던방법은 CNC 장비를사용하여정밀하게제작할수있으나아직도이러한곡면유리의시장수요가많지않음으로인하여평판유리보다휠씬높은제작비가요구된다. 류창수, 곡면형상과 Glass Skin 구축에관한연구, 대한건축학회논문집 219 호, P 지능형정보모델 BIM으로써디지털마스터모델디지털마스터모델은디자인초기단계부터, 구조, 시공, 견적, 제작등디지털건축의도면을추출할뿐만아니라많은구축정보를가지고있음을알수있다. 이는지능형정보모델 BIM(Building Information Modeling) 개념 20) 과디자인초기단계부터연계될수있음을시사한다. 디지털건축가는기본적으로복잡한형태나비정형건축을작업물을많이다루기때문에디지털마스터모델의연속적인구축프로세스제어를통해디자인을성공적으로이끌어낼수가있다. 21) 또한, 이를통한경제적인이익을극대화는한부서내에서만의 BIM사용으로는한계가있고, 설계자, 건설기술자등다양한프로젝트참여자간의적극적인협업과정보교환을통해야이루어질수있다. 22) 이를위해서는구축정보가지능형정보로변환되기위해서는추가적인정보체계가필요하다. 이렇게될 20) BIM 의정의는 NIBS 에서는 각각다른이해관계자들에의한협업을지원하기위해프로세스에건물의물리적, 기능적특성과관련된정보의삽입, 추출, 업데이트또는수정사항을각각의단계마다수시로반영하기위한파라메트릭기반모델제공 이라정의했고, GSA 에서는 객체기반의기능적인정보모델을통해건물수명주기동안생성되는정보를교환하고, 재사용하고, 관리하는전과정 이라고정의했다. 김재준, 건축기획단계와 BIM, 건축 0806, P.40 21) SOM 은 Freedom Tower 설계에서각분야전문가 (SOM 건축가, 전기및배관엔지니어, 구조엔지니어, 시공매니저, Autodesk 의컨설턴트 ) 로구성된 OIPT(Open Information Project Team) 을조직하고, Master BIM Model 이라는개념을만들었다. 또한이러한 BIM 모델과전체적인정보관리를담당하는 DDD(Digital Design Director) 라는새로운직책을만들어팀원간에정보공유가원활하도록하고, 서로신뢰할수있는양질의설계및공사정보를공유해갈수있도록하고있다. 원종성외, Ibid 22) 원종성외, Ibid P 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월

구축정보모델로써디지털마스터모델의건축적용특성에관한연구 때디지털마스터모델이디자인도구에서시공에이르기까지협업을위한커뮤니케이션정보의틀을넘어기능적이고지능적인정보모델이될수있음을말한다. 베이징 CCTV(2008) 은그러한예를잘보여주는최근예이다. 높이 230m의규모로중국중앙방송국사옥으로써지그재그형식의매스구성은보기에도불안해보인다.

7 구축정보모델로써디지털마스터모델의건축적용특성에관한연구 때디지털마스터모델이디자인도구에서시공에이르기까지협업을위한커뮤니케이션정보의틀을넘어기능적이고지능적인정보모델이될수있음을말한다. 베이징 CCTV(2008) 은그러한예를잘보여주는최근예이다. 높이 230m의규모로중국중앙방송국사옥으로써지그재그형식의매스구성은보기에도불안해보인다. 하지만렘쿨하스와구조회사 ARUP그룹은디지털마스터모델을통해지그재그형매스를성공적으로시공할수있었다. 특히, 시공에있어서는시공단계해석과시공중의변형에대한세밀한고려가필요하였다. 기울어지두타워에서캔틸레버형식으로구조물이시공되고, 이어서두캔틸레버가공중에서접합되는순서로계획되었는데, 이경우캔틸레버가접합되기이전에발생되는부재력에의해발생할수있는오차와예상된과도한부재의변형은디지털마스터모델의구조계획및시공계획에반영되어, 시공시그변형을고려하여부재를제작하고조립하였다. 23) 여기서중요한점은 BIM은디지털마스터모델의상위개념으로써하위개념의상위개념으로의적용과정에서적용시뮬레이션을통하여새로운구조설계와시공공법에대한개발도가능하게함을알수있다. 24) 기위해서는공간생성모델, 구조분석및제작모델, 시공정보모델을넘어지능형정보 BIM되기위한호환모듈, 추가정보체계등에대한후속연구가필요하다. 4. 디지털마스터모델의개념및건축구축프로세스적용유형이상에서보듯이디지털마스터모델은디자인초기의공간형성도구에서구조분석및구조부제디자인도구, 시공의어려움및문제점을해결하는새로운구축도구로써의디지털구축전과정에서중요한도구임을알아보았다. 이러한개념은 BIM과도연계될때, 더욱관리및구축프로세스의효율성을얻을수있다. 이를위해서는구축정보모델에서지능형정보모델로추가재정의틀이요구된다. 또한, 디지털디자인툴이단순한형태만들기가아닌디자인개념을발전시키기위한공간생성도구이자, 구조설계의분석, 제작도구, 건축시공단계에서구축도구이자, 건축가와엔지니어간의협업을위한효율적소통도구가되기위해서는디지털마스터모델이중요함을확인할수있다. 이러한디지털마스터모델이형태정보모델에서통합구축정보로의적용유형과특성을요약하면다음과같다. 그림 23. OMA, CCTV, 디지털마스터모델로부터구조추출과정과 BIM 에의한시공사진 표 1. 디지털마스터모델의개념및건축구축프로세스적용유형 또한 Frank Gehry 설계사무소가자회사로설립한 Gerhy Technology가주도적하여개발한 Digital Project 라는 BIM소프트웨어는 Catia위에건축 / 건설모듈을추가하여, 설계및시공, 유지관리기능을가지고있는사례이다. 독일의 Siemens사의솔리드에지와 UGS는기계분야의소프트웨어이나, 현재여기에건설모듈을추가하는노력을하고있으며, 건설회사 (MAx Bogel사등 ) 와데이터베이스시스템개발사 (Oracle사) 등과협력하여시설물유지관리시스템을개발하여독일과러시아등지에서큰방향을얻고있다. Oracle사에서는 cbim이라는건축정보 ( 형상정보포함 ) 을담을수있는 BIM에특화된데이터베이스시스템을개발하여, 현재전세계적으로다양한 BIM 프로젝트에활용되고있다. 25) 항공기, 자동차, 선박산업분야에서는완성된한개의디지털마스터모델에서여러개의옵션모델을생산한다. 그러나, 디지털건축가는대지조건, 프로그램, 디자인의도에따라매번다른디지털마스터모델을생성해야한다. 이렇게생성된디지털마스터모델이시공성, 경제성을얻 23) 박정근, 이명식, 비정형건축에있어서 BIM 의적용방안에관한연구, 대한건축학회학술발표대회, 52 집, ) 비정형건축물설계, 시공과정에서의기술적문제는 3D 기반과객체기반의특성을가지며자유로운형태의모델링이가능한 NURBS 기반엔지니어링모델러를활용한 BIM 의적용에의해서해결될수있다고주장한다. 박정근, 이명식 Ibid P ) 김인한, 유비쿼터스도시에서의 BIM, 건축 0901, P.28 적용단계 형식 건축구축프로세스적용 구축특성 BIM 과의연계 디지털마스터모델 (Digital Master Model) 형태및공간생성단계 - 형태생성의도구 - 도면생성도구 - 파라메트릭모델생성도구 -RP 를이용한물리적모형제작도구 구조파생단계 Master Geometry 기하학적, 디지털로치환된수학적형태정보모델 -FEM 분석의도구.- 구조부재의설계및요소분석도구 - 구조부재성형및제작도구 시공구축단계 - 비정형시공을위한거푸집틀부재생성도구 - 시공부재제작도면및성형제작 ( 철재및유리부재 ) -1 차구조와 2 차구조의연결부재물성형제작 건축가와엔지니어간의연속적인협업시스템구축을위한기본모델 구축정보모델 지능형정보모델로의호환및변환연구필요 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월 105

8 최순용 김진균 5. 결론 참고문헌 본연구를통해서살펴본디지털마스터모델의개념과건축구축프로세스의적용유형을요약해보면, 개념적모델인블랍 (Blob) 의형태에서수학적, 기하학적, 디지털로치환된형태정보모델을디지털마스터모델이라고할수있다. 이러한디지털마스터모델은건축프로세스를통해구축과정을거치게된다. 우선형태및공간생성단계에서는형태생성도구, 도면생성도구, 파라메트릭모델생성도구, RP를이용한물리적모형의제작도구로적용된다. 또한구조파생단계에서는구조부재의설계및요소분석도구, 구조부재의성형및제작도구로적용되고, 시공단계에서는비정형시공을위한거푸집틀생성및시공부재, 1차 2차구조물간의연결부재물등의제작에적용되는특징을보인다. 이는기본적으로건축가와엔지니어간의연속적이고, 통합적인협업을가능하게하는프로세스모델이라고할수있다. 초기의형태정보모델은건축구축과정을거치면서구축정보모델로적용, 활용되는특징을지니게된다. 아울러이러한구축정보모델이설계단계에서부터완공후에도적용시킬수있는 BIM이되기위해서지능형정보체계로의변환이필요하다. 이를위해서는추가적인정보체계도필요함을알수있다. 현대산업에서기술과재료는하루가다르게발전하고혁신된다. 이와발맞추어최근의 BIM연구분야에서시공과견적, 사후관리연구는활발하게일어나고있다. 이와더불어건축가도디자인초기단계에서부터설계프로세스전체적인 BIM 적용방안으로디지털마스터모델을고려해볼수있을것이다. 현대건축에서복잡하고비선형을디자인하고, 이를공간으로구축시키기위해서는건축가의역할이통합프로세스를이끌기위한마스터빌더 (Master Builder) 로써의능력의중요성을말해준다. 살펴본바와같이, 디지털마스터모델의분석을위한구조컨설팅회사, 디자인, 시공단계의분야의컨설팅팀에대한수요가급증하고, 중요해질것이라고예상할수있다. 1. Kolarevic, Blanko, Architecture in the Digital Age-Design and Manufacturing, Spon Press, Mark Gelernter, Source of Architectural Form, Manchester University Press, Frei Otto, Finding Form, Axel Menges, Michael Meredith외, Fromcontroltodesign,ACTAR, Ethel, Watercube, Sanford Kwinter, Dynamic Forces: Coop Himmelb(L)Au, Prestel, 윤용집외, 2002, 프랭크게리건축물의구조시스템에대한연구, 대한건축학회학술발표논문집22(1), 박정대, 디지털미디어에의한건축디자인프로세스의변화에관한연구, 대한건축학회지 22(1), 류창수, 곡면형상과 Glass Skin 구축에관한연구, 대한건축학회논문집 219호, 박정근, 이명식, 비정형건축에있어서 BIM의적용방안에관한연구, 대한건축학회학술발표대회, 52집 이종상, BIM의패러다임, 건설기술, 쌍용 원종성, 이정주, 이강, BIM협업조직및정보관리방식에관한사례연구, 대한건축학회지 24(8), 김인한, 유비쿼터스도시에서의 BIM, 건축 김재준, 건축기획단계와 BIM, 건축 ( 接受 : ) 106 大韓建築學會論文集計劃系제 25 권제 4 호 ( 통권 246 호 ) 2009 년 4 월

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