제너레이티브 디자인으로 콘크리트 양식이 더 강하고, 가볍고, 더 지속가능해진다

건축 기법의 주요 혁신은 그리 자주 찾아오지 않는다. 세상을 바꾼 이 같은 혁신의 예로는, 기자의 대피라미드, 프랑스의 퐁뒤가르 수도교, 르 코르뷔지에의 플로팅 슬래브(floating-slab) 디자인, 그리고 후버 댐이 있다. 콘크리트는 수 세기 동안의 설계 혁신을 통해 인간이 만든 구조물의 든든한 자재가 되었다. 그러나 3D 프린팅 및 인공지능(AI)과 같은 새로운 기술이 콘크리트를 더 가볍게 해주고, 내구성을 향상시켜줄 뿐만 아니라, 가장 중요한 요소로 꼽히는 지속가능성까지 달성할 수 있어, 오래된 공식과 기법도 이에 따라 발전하고 있다.

구조 엔지니어인 마르코스 실베이라(Marcos Silveira)는 그의 팀과 지속가능한 콘크리트 건설 기술을 발전시키는 데 도움이 되기를 희망하는 혼 스트럭처(Hone Structures)라는 프로젝트를 주도하고 있다. 혼 스트럭처는 강화 콘크리트 구조물에 제너레이티브 디자인(generative design)을 적용하는데, 콘크리트 깊은 보(deep beam)의 개념 증명부터 시작하여 자재 절약 및 프로세스의 다른 잠재적 이점을 탐색한다.

상파울루 대학교와 캐나다 윈저 대학교에서 박사 과정 중인 실베이라와 그의 팀 동료 가브리엘라 비반(Gabriela Vivan)은 캐나다 토론토 오토데스크 기술 센터(Autodesk Technology Center)에서 AEC(Architecture, Engineering & Construction)를 위한 제너레이티브 디자인 AEC 인텐시브 레지던시(Generative Design for AEC Intensive Residency)에 참석하여 컨셉을 개발한 후 보스턴의 로봇 전문가들과 협력하여 강화 콘크리트를 구축하고 3D 프린팅에 대해 배웠다. 실베이라는 이 프로젝트가 그의 박사 학위 논문의 “살아 숨 쉬는 응용”이며, 제너레이티브 디자인, 인공지능 및 로보틱스를 사용하여 “강화 콘크리트 구조물의 설계 및 시공 프로세스를 재구성하는 것을 목표로 한다”라고 말했다.

실베이라는 전통적인 콘크리트 설계 및 시공과 관련하여 “정확히는 문제가 있는 것이 아니라, 설계자의 경험과 전통적인 제조 공정의 한계를 바탕으로 하기 때문에 한계가 있는 것”이라고 말했다. 대신, 혼 스트럭처의 접근법은 유한요소분석(FEA)에 의해 콘크리트 구조가 어떻게 동작하는지를 관찰한 다음, 계산기법을 사용하여 콘크리트 구조를 재형상화하고 적절한 지점에서 강화한다. 그는 “기본적으로 우리는 설계 부하를 다양한 단계로 나눈다. 복잡한 형상을 나타내기 위해 동등한 트러스를 제안하고 계산(스트럿-타이 접근법)하는 대신, 각 부하 단계를 분석하여 보강이 필요한 가장 약한 부분을 이해한다”라고 말했다.

팀은 윈저 대학의 구조 실험실에서 여러 가지 콘크리트 형태를 만들고, 압력을 가하기 위해 유압 프레임워크에 부착하고, 테스트를 기록하기 위해 카메라를 사용하여 DIC(digital image correlation, 디지털 이미지 상관) 시스템을 적용하고, 추후 특정 힘 조건 하에서 변형률과 응력을 분석할 수 있게 했다. 그런 다음, 구조성능과 다음 요소 배치에 사용되는 재료 사이의 관계를 더욱 개선하기 위한 새로운 코드 라인을 구상하기 위해 제너레이티브 디자인 알고리즘으로 돌아갔다.

이 프로세스는 재료 절감으로 직접 전환되었다. 실베이라는 “이는 설계 프로세스의 기반이 응력이라는 것을 의미한다”라고 하며, “응력은 힘을 영역별로 나눈다. 응력 측면에서 강도를 높이면 면적을 줄일 수 있고, 면적을 줄이면 내부 재료의 양을 줄일 수 있다”고 말했다.

이는 비정형적이고 불규칙적인 형태의 제너레이티브 디자인 알고리즘 트러스 특성으로 이어졌다. 이상하지만 최적이다. 혼 스트럭처는 알고리즘에 의해 생성된 1,000개 이상의 모델에서 선택된 피스에 대해 10개의 주요 설계를 생산하였다. 팀은 위상 최적화(topology optimization)를 제너레이티브 디자인 접근법의 트리거로 사용하기 시작했다. 다시 말해, 요소는 작은 요소로 분할(FEA 프로세스)된다. 주어진 요소 상의 응력과 성능을 이해함으로써, 조합했을 때 전체 피스의 성능을 알 수 있는 계산을 산출할 수 있다. 부하의 각 단계에 대해 알고리즘은 전체 세트의 구조성능을 손상시키지 않고 어떤 작은 요소를 제외할 수 있는지를 분석하였다. 그 후, 알고리즘은 설계 목표를 달성할 때까지 계속해서 실행되었다.

그 결과, 전통적인 인간 주도 설계 프로세스에서 사용될 재료의 단지 55%만 사용하는 깊은 보를 마련했다. 재료 절감 가능성을 증명한 후 이어진 논리적 단계는 더 나은 재료 과학을 탐구하고 적층 제조를 통합하여 전체 공정을 더 스마트하게 (그리고 더 친환경적으로) 만드는 것이다.

미국 연방 고속도로 관리국에서 사용하는 초고성능 콘크리트는 기존 혼합물보다 더 단단하고 비싸다. 그러나 일반 콘크리트보다 적은 양이 필요하며, 제너레이티브 디자인이 제공하는 재료 절감으로 더욱 저렴하게 사용할 수 있다. 또한 더 지속가능한 거푸집을 사용하여 더 많은 비용과 자재를 절약할 수 있다.

3D 프린팅와 같은 기술은 제조 프로세스를 변화시키고 있다. 콘크리트를 직선으로 제약하는 전통적인 거푸집은 이미 시대착오적인 것일 수 있다. 연구는 콘크리트 구조물 내부의 철근을 3D 프린팅하는 작업을 빠른 속도로 이어가고 있다. 동시에 실베이라는 작은 규모로 철강을 프린팅하는 회사들의 연구가 항상 복잡한 콘크리트를 위한 철골 구조물의 문을 열고 있다고 말했다. 다른 회사들은 더 가볍고 더 강한 탄소–섬유 화합물로부터 철근을 만드는 것을 실험하고 있다.

혼 스트럭처는 개념을 증명하기 위해 제너레이티브 디자인 알고리즘 및 로봇 빌더를 사용하여 강화 콘크리트 육교를 설계하고 있다. 이 구조를 개발하면 팀은 현재 기술의 한계를 뛰어넘는 모양, 형태 및 크기로 작업할 수 있다.

실베이라는 “표준 거푸집으로 작업할 때는 모양이 특정하게 제한되기 때문에 설계 프로세스에서 이러한 제한 사항을 사용해야 한다”라며, “앞으로 철근 케이지의 설계는 현재의 조립 기술에 국한되지 않고 성능의 요구에 의해 결정될 수 있다”고 강조했다.

그는 육교가 혼 구조물이 작업한 모든 사항에 이상적인 응용이라고 말했다. 왜냐하면, 회사의 연구에서 나오는 프리스트레스드 콘크리트는 건설업계에서 기존에 사용하던 것과는 매우 다른 모양으로 형성될 수 있기 때문이다. 그는 “이 응용은 강화 콘크리트 세계에서 적층 제조 및 제너레이티브 디자인에 대한 일부 패러다임을 깨뜨릴 좋은 기회가 될 수 있다”라고 말했다.

목표는 2~3년 이내에 프로젝트를 완료하는 것이다. 이 육교는 무엇이 가능한 가를 보여줄 수 있을 뿐만 아니라 방법의 한계, 기회, 특이성을 보여주는 교육 도구가 될 것이다.

실베이라는 이러한 기술을 세계 모든 곳에서 다양한 구조에 적용할 수 있다고 말했다. 그는 “우리의 목표는 건물 전체, 고층 건물, 금속 건물을 생산하는 것이다. 인공지능을 사용하여 구조적 요소의 위치를 설계하면, 아주 멀리까지 갈 수 있다“라고 전했다.

이러한 유형의 혁신은 물리적으로 상당히 다른 모습의 세계로 이어질 수 있다. 기존 디자인 관행을 통해서는 불가능한 선택을 제공하는 알고리즘이 건축을 부분적으로 주도할 것이기 때문이다.

실베이라는 “앞으로 우리는 이 접근법을 사용하여 건축과 요소의 위치를 결정할 수 있다. 따라서 모양은 현재와 매우 다를 것이고 성능은 훨씬 나아질 것이다”라고 밝히며, “수천 개의 솔루션으로 작업이 가능하게 되면, 성능을 향상시키고 재료의 양을 줄이기 위해 노력할 수 있는 지점을 찾을 수 있다”고 덧붙였다.

3D 프린팅 및 로보틱스가 건설 속도를 더 빠르게 하면서, 제너레이티브 디자인은 재료를 절감하고 건물 구성요소를 개선하기 위한 새로운 패러다임을 창출할 것이다. 혼 스트럭처 같은 프로젝트는, 건설이 새롭고 지속가능한 삶을 제공하기 위한 모든 단계를 충족하고 있다.