자유곡면형상 건축물의 패널분할과 패널분할 프로세스 연구

Abstract

The geometric challenge for construction of freeform architecture is one of the most important features in contemporary digital architecture. When considering structures with freeform shapes, their smooth surfaces need to be approximated using a finite number of panels. Usually, the panel discretization of freeform structures requires collaboration in a variety of fields such as construction, design, structural engineering, material and panel manufacturing. Therefore, architect's a deeper understanding concerning freeform surfaces plays a substantial role in communication with experts from each fields, and making decisions across the whole design processes. Design information is described based on construction information to realize the form finding experiments by architects, who are required to understand mathematically their own creating surfaces, and to acquire basic knowledge in applicable construction technologies. However, it is not easy for architects to have a leading role in the paneling process due to mathematical complexity of freeform surfaces, quickly advancing construction technologies and uniqueness of existing results. Many architects feel the need for a study on the paneling method from a macroscopic viewpoint. This thesis investigates paneling algorithms and methodologies to realize architectural freeform surfaces, and arranges knowledge information to help architects' understanding of the panel discretization by comparing and analyzing existing paneling methods and processes. The main results of this work are summarized as follows: 1. The existing surfaces are categorized based on understanding of surface characteristics in terms of form-making and constructability, respectively. Based on the proposed classification, architects could consider actual constructability in the initial design stage. 2. Various paneling algorithms and techniques are analyzed based on four classifications: mesh discretization, subdivision, tessellation, and approximation using developable surfaces. 3. This work proposes applicable alternatives of the paneling including the design process at the initial design step of the freeform architectures. This thesis investigates technical requirements and existing results for design and construction of digital architectures. Additionally, this work discusses a role of architect required in the digital architecture. Architects not only create a new form, but also could play a role as an active designer or a decision maker in the overall construction processes. ;현대 디지털 건축에서의 가장 큰 특징은 자유곡면형상에 대한 건축가들의 구축시도들이다. ‘자유곡면형상 건축물’의 경우 패널분할 과정이 필수적으로 요구된다. 특히 외피의 패널분할 과정은 ‘자유곡면형상 건축물’의 구축을 결정짓는 핵심이 된다. ‘자유곡면형상 건축물’의 패널분할은 건축물의 외피 시공, 설계, 시공, 구조, 재료, 패널 제작 등의 다양한 전문가의 협업이 요구되는 작업이며, ‘자유곡면형상 건축물’의 경제성, 시공성 예측을 위해 매우 중요하다. 따라서 건축가들의 자유곡면 특성에 대한 수학적 이해와 패널분할 과정에 수반되는 새로운 수학적 물리적 기술들에 대한 이해는 각 전문가와의 커뮤니케이션과 디자인 전반 의사결정에 중요한 역할을 하게 된다. 건축가의 직관적인 형태실험들이 건축물로 실현되기 위해서는 설계정보가 시공정보화 되어야 하고, 그 이전에 자신이 구현한 곡면에 대한 수학적인 이해와 적용 가능한 시공기술에 대한 기본적 지식이 요구된다. 하지만 곡면속성에 대한 수학적 복잡성과 날로 발달하는 시공기술 및 기존성과들의 특수성으로 건축가가 패널분할 과정에서 적극적이며 주도적인 역할을 수행하기 어려운 상황들이 존재한다. 이로 인하여 자유곡면 건축물의 구축과정에서 건축가의 역할은 형태를 제안하는 것에 그치거나 패널분할 과정에서 대두되는 경제적인 관점의 초기형태 수정이나 패널분할 전문업체에서 제안하는 대안들을 협의하는 역할에 국한된다. 이러한 문제들은 패널분할 연구들이 패널전문가와 엔지니어를 중심으로 이루어진 개별 프로젝트로 존재함으로 인한 기술정보의 미 축적, 설계 시공간의 데이터 단절, 패널분할 기술정보의 높은 진입 장벽, 높은 컨설팅 비용구조와 시스템 부재 등으로 인해 발생하는 문제이다. 따라서 건축가의 이해를 돕는 좀 더 거시적 차원의 패널분할 방법에 대한 연구가 필요하다 할 수 있다. 본 연구는 ‘자유곡면형상 건축Architectural Freeform Surfaces’의 구축을 위해 패널분할Paneling 알고리즘과 방법론의 전개양상을 살펴보고, 기존 패널분할 방법 프로세스와 및 방법론들을 비교 분석 함으로써 향후 패널분할에 대한 건축가의 이해를 돕는 지식들을 정리하였다. 또한 추후 ‘자유곡면형상 건축물’의 구축을 위해 기존 패널분할 방법의 프로세스 및 유형, 그리고 그 방법론들을 건축가의 디자인 의사결정 단계 관점에서 정리하였다. 이러한 목적으로 진행된 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 시공성 관점에서 분류한 곡면의 속성과 형태생성 관점에서 분류되는 곡면의 속성을 비교 분석 함으로써 건축가의 초기 곡면 생성 단계에서 시공성을 개략 검토할 수 있는 곡면분류를 제시하였다. 둘째, 패널분할 설계요소 및 기법들을 비교, 분석한 결과 자유곡면형상 건축물의 패널분할 방법론을 메쉬 이산분할, 하위분할, 모자이크 분할, 전개곡면 으로의 근사화로 분류하였다. 셋째, 자유곡면 건축의 초기 디자인 단계에서 적용 가능한 패널분할 대안들을 설계 프로세스와 함께 제시하였다. 본 연구는 디지털 건축설계와 구축을 위해 필요한 과정과 기술적인 요구 및 현재까지의 성과들을 살펴보았다. 아울러 디지털 건축에서 요구되는 건축가의 역할, 즉 형태를 만드는 것에 국한된 것이 아니라 실제 구축과정에 깊이 관여하면서 의사결정을 하는 디자인 주체로서의 역할과 방법을 고찰해 봄으로써, 자유곡면형상 건축물의 디자인 초기단계에서 건축가가 패널분할을 선택할 수 있는 기초지식들을 제공함에 본 연구의 의의가 있다고 본다.