최근 많은 건축가들이 파라메트릭 디자인 도구에 관심을 가지고 형태에 대한 다양한 실험을 하고 있는 것과는 달리, 구조 엔지니어들은 이에 적절하게 대응하지 못하고 있다. 현재 파라메트릭 모델과 구조해석 프로그램사이의 자료교환을 가능하게 하는 인터페이스가 없는 것이 주된 원인이다. 따라서 구조 엔지니어들도 자유롭게 파라메트릭 방법론의 장점을 활용한 모델을 생성하고, 그것을 구조해석에 바로 사용할 수 있도록 하는 일이 오늘날 구조계가 당면한 과제이다. 본 연구에서는 파라메트릭 모델로부터 구조해석 모델을 자동으로 생성하는 인터페이스의 실무 적용가능성을 살펴보기 위하여, 파라메트릭 디자인 도구의 특성과 확장성을 검토하고, 라이노를 기반으로 하는 구조해석 모델 생성 플러그인을 개발하였다.
치열한 경쟁 환경 하에서 빠른 시간 안에 고객이 원하는 제품을 생산해야 하는 즉, 시장 출시까지의 시간 (time to market) 단축의 필요성이 더욱 높아짐에 따라, 제품 설계 시에 협업(collaborative) 설계와 편집(configuration) 설계의 중요성이 커지고 있다. 이를 위해서 효율적인 부품 검색 방법이 필요하고, 그 방법의 하나로써 전자 카달로그 (e-Catalog)가 많이 사용된다. 편집설계를 통한 설계 모델 재사용을 위해서는 파라메트릭 정보가 필수적이다. 따라서 전자 카달로그는 파라메트릭 (parametric) 정보가 포함된 CAD 모델 라이브러리를 제공해야 한다. 그러나 제품의 구성에 따라 무수히 많은 조합이 존재하기 때문에, 기존의 방법으로는 파라메트릭 CAD 모델 라이브러리를 구축하기가 어렵다. 예를 들어, 몰드베이스 종이 카달로그의 한 페이지에는 8000만개 이상의 조합이 존재한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 본 논문에서는 파라메트릭 CAD 모델 자동 생성을 위한 테이블 파라메트릭 (table parametric) 방법을 제안하고, 테이블 파라메트릭 모델을 선정하는 방법과 설계 파라메트릭 세트를 구성하는 방법에 대해서 설명한다. 테이블 파라메트릭 방법을 적용하게 되면, 전자 카달로그 시스템의 분류체계와 테이블 파라메트릭 모델의 설계 파라메터 세트 (design parameters set) 와의 매핑을 통해, 모든 조합의 몰드베이스 CAD 모델을 자동으로 생성할 수 있다.
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.
본 연구에서는 변단면을 갖는 FCM(Free Cantilever Method) 교량의 설계 단계에서 교각 위치 변경에 따른 경간장 변화와 그로 인한 박스 거더의 형상을 자동 조정하여 설계단계에서의 효율성 향상을 위해 3차원 파라메트릭 모델링 방법을 적용하였다. 이를 위해 FCM 교량 설계 지침서를 분석하여 경간장 변화와 관련된 매개변수들을 추출하고 이들의 관계를 구속조건으로 정의하였다. 또한, 정의한 구속조건의 적용을 통해 대상교량의 파라메트릭 모델링을 수행하여 그 적용 가능성을 검증했으며 결과로 생성된 교량 모델의 물량산출을 수행하여 모델의 정확성을 검증했다.
특징 형상의 조합으로 표현될 수 없는 자유 형상을 가진 제품이 늘어남에 따라 자유형상을 효율적으로 변형시키는 기법이 필요하다. 여러 가지 자유형상 변형기법(FFD) 가운데에서 자유 형상을 파라메트릭하게 컨트롤하기 위해서는 조정 다각형 기반의 형상 변형 기법이 적합하다. 이에 따라 본 연구에서는 FFD 기법을 적용하여 자유형상 모델을 파라메트릭하게 컨트롤하기 위해 입력 모델에 대한 조정 다각형을 자동으로 생성하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 크게 기본 조정 다각형 생성과 조정 다각형 최적화 단계로 나누어진다. 기본 다각형 생성에서는 1)입력모델을 직교 3방향에 투영, 2)투영된 결과에 대해 2차원 조정 다각형을 생성, 3)2차원 조정 다각형을 조합하여 3차원 기본 조정 다각형 생성의 단계를 거친다. 조정 다각형 최적화 단계에서는 기본 조정 다각형에 에지 및 면 연산자를 적용하여 입력 모델에 더욱 근사하는 최종 조정 다각형을 생성한다. 예제에서는 제안된 알고리즘을 통해 자동으로 생성된 조정다각형을 자동차 모델에 적용하여 모델의 형상을 변화시킨 결과를 보였다.
지난 두 회 동안 살펴보았던 예들은 다른 목적과 이유를 가진 상이한 프로젝트들이었음에도 불구하고 지오메트리의 특성 및 특정 상황에서의 거동을 미시적인 층위에서 이해한 뒤 이를 파라메트릭 모델로 변환하고 거시적인 층위에서의 설계 최적화에 사용했다는 점에서 공통점을 찾을 수가 있습니다. 또한 이러한 개념적 특성상의 공통점으로 인해 사용하였던 기술적인 방법 또한 미분방정식의 개념을 차용하는 유사성을 보였습니다. 하지만 그러한 내부참조를 통한 recursive process를 이용한 설계 최적화에 관한 이야기가 처음 몇 회에 걸쳐서 이야기 드렸던 '파라메터 및 파라메트릭 툴'의 개념을 명확히 전달하는데 조금 어려움이 있지 않았나 하는 생각이 듭니다. 그런 의미에서 오늘을 시작으로 몇 회에 걸쳐서 살펴볼 내용들은 좀 더 실용적이고 때로는 즉물적인 층위에서의 파라메트릭 툴의 사용에 초점을 맞추려 합니다.
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.
이 논문에서는 CATIA, PRO-E 등의 CAD에서 3D 모델을 생성할 때 사용하는 파라메트릭 솔리드 모델링 기법에서 일반적으로 사용하는 방법보다 모델링 데이터의 용량을 크게 줄일 수 있는 방법에 대하여 고찰한다. 3D 파라메트릭 솔리드 모델링 기법은 기본적인 상세 솔리드들을 생성하여 부울(Boolean) 연산으로 이들을 조합하여 복잡한 형상(geometric object)을 만드는데 이 과정에서 많은 부울 연산이 수행된다. 그런데 각각의 상세 솔리드들의 크기가 필요 이상으로 크게 만들어 짐으로써 생성된 모델의 데이터 용량이 방대하게 되고 생성시간에도 영향을 미친다. 여기에서는 실무 경험을 바탕으로 처음에 생성된 상세 솔리드의 불필요한 부분을 제거하여 부울 연산에 알맞은 크기로 변경하여 모델링 데이터의 용량을 줄이는 방법을 제안한다.
파라메트릭 어레이란 매질의 비선형성을 이용하여 작은 크기의 방사판에서 고지향성 저주파음을 발생시키는 현상을 말한다. 이러한 파라메트릭 어레이의 유용성을 높이기 위해 저주파 음향 빔 조향 연구가 진행 되고 있으며, PD(Product Directivity) 모델을 이용하여 빔 조향 현상이 간편하게 예측되고 있다. 그러나 PD 모델은 준선형 조건에서 가우시안 음원만 적용이 가능하며, 저주파 음향 빔 폭의 예측 정확성이 떨어진다. 본 논문에서는 PD 모델의 한계를 극복할 수 있는 파라메트릭 어레이의 빔 조향 특성 예측 방법에 대해 연구하였다. 이를 위해 파라메트릭 어레이 현상 예측에 널리 사용되는 KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuzentsov) 방정식의 수치 해석 알고리즘을 개선하였다. 그리고 전기적 조향 조건을 적용하여 빔 조향 특성을 계산, 실험 결과와 비교 하였다. 그 결과 개선된 알고리즘을 이용하면 준선형 조건에 해당되지 않는 파라메트릭 어레이 음원에서도 저주파 빔 조향 특성 예측이 가능함을 확인하였다.
변단면을 갖는 FCM(Free Cantilever Method) 교량의 초기 설계단계에서 설계변경에 따른 반복적 작업에 대한 효율성 향상을 위하여 박스거더의 종방향 형상을 자동조정할 수 있도록 하는 파라메트릭 모델링 방법을 연구하였다. FCM 교량의 종방향 형상을 표현하기 위한 매개변수를 정의하였으며, 기존 FCM 교량의 설계 시 적용된 매개변수의 통계치 적용을 통해 매개변수들 간의 내재적, 외재적 구속조건 및 함수관계를 정의하였다. 정의한 구속조건 및 관계를 적용한 파라메트릭 모델링 구현을 통해 그 적용 가능성을 검증하였으며, 기존 설계된 교량을 대상으로 파라메트릭 모델링을 수행한 결과로 생성된 3차원 교량 모델의 콘크리트 물량과 대상교량의 설계문서 상의 물량 비교를 통해 모델의 정확성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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