1. 서 론
최근 여러 분야에서 주목받고 있는 파라메트릭 디자인 도구는, 형상을 직접 디자인 하는 기존의 방법과 달리 디자인 요소들의 관계가 파라메터에 따라 반응하도록 설정함으로써 파라메터의 조합에 따라 수많은 디자인을 가능하게 한다. 마찬가지로 파라메터에 따라 구조물의 형상을 조절할 수도 있고, 구조적인 속성도 파라메터에 따라 변하게 하면서 수많은 구조적 대안을 생성할 수 있다. 파라메트릭 도구는 정보의 흐름을 제어하는 것으로, 구조해석모델에서도 정보가 될 수 있는 부재의 길이, 간격, 갯수 등 구조물의 형상을 제어하거나, 부재 단면의 종류, 단면의 크기, 강도 등 구조 속성을 조절하거나, 하중, 지지점, 제한조건 등 구조물의 속성을 모두 파라메터에 따라 달라지게 할 수 있다.
본 연구에서는 파라메트릭 구조해석 도구인 StrAuto를 활용하여, 초고층 건물 골조의 중요한 요소인 코어 벽체에 대한 이상적인 최적화를 수행하고, 기존 계획안의 물량 및 디자인 의도와 비교하면서 합리적인 대안 설계 프로세스를 정립하는 실험을 하였다. 이를 통해 StrAuto를 통한 고급 컴퓨팅 기반의 대안을 참고하여 현실적인 대안을 찾아내는 파라메트릭 구조해석 도구의 실용화 방안을 검증하고자 하였다.
기본 설계 과정이 끝난 초고층 건물에 대해, 코어 벽체의 강도와 두께를 파라메터로 설정하고, 최대 변위를 만족하는 대안을 찾으면서 물량을 검토하였다. 내부 분양면적이나 평면이 달라지지 않으면서, 구조적인 성능에 큰 영향을 주는 코어의 물량을 줄이는 방법으로 최소한의 VE를 수행하려고 하였다. 즉, 모든 조건을 동일하게 하고, 코어 벽체의 두께와 강도만을 변화시키면서 수많은 대안에 대한 변위와 물량을 수치적으로 분석하는 것이 이 연구의 목표이다.
2. 대상 프로젝트 개요
2.1 건물 개요
대상 건물은 철근콘크리트 구조로 설계된 53층의 주거타워와 24층의 오피스, 7층의 포디엄으로 이루어진 복합 건물이며, 본 연구에서는 초고층에 해당하는 주거타워를 최적화 대상으로 선정하였다.
구조적인 성능에 대한 요구사항을 만족하면서 코어 벽체의 물량을 줄이는 것을 목표로, 코어 벽체의 두께와 콘크리트 강도를 변화시키면서 대안을 검토하였다.
기본 설계가 끝난 상황에서, 대상 타워의 부피 구성비는 Fig. 2와 같으며, 이 중에서 코어 벽체의 물량은 전체 건물의 약 25.7%를 차지할 정도로 중요한 요소이다. 더 많은 물량을 차지하는 슬래브는 사용성에 직접적으로 영향을 미치는 구조 요소로, 주거 건물에서는 사용성이 다른 용도보다 우선시되므로 변경 요소에 포함시키지 않았다.
2.2 파라메트릭 모델링 컴포넌트
StrAuto는 3차원 자유형상 모델러로 널리 사용되고 있는 Rhino3D의 파라메트릭 디자인 도구인 Grasshopper를 기반으로 개발되었다. 파라메트릭 디자인은 매개변수들을 사용하여 함수 또는 논리적 관계를 정의하고 이에 의해 설계를 제어하는 동적이고 규칙에 기반한(rule-based) 설계방식이다. 즉 고정된 좌표 또는 수치가 아닌 변수를 매개로 설계의 규칙과 논리 관계를 정의하므로, 특정 규칙 하에 기하학적으로는 유연한 수많은 형상 대안들을 생성하는 것이 가능하다.
StrAuto는 파라메트릭 기법에 의해 구조부재의 단면정보를 관리하고 형상을 만들어 내며 이를 구조해석 솔버와 연계 가능한 정보로 가공해낸다. 이러한 원리에 의해 특정 구속조건을 만족시키는 수많은 형상대안을 만들어내는 것이 가능한데 특히 구조부재의 단면속성 및 형상을 변수로 설정하면 세밀한 속성 및 형상 변화에 따른 수많은 대안을 비교 평가하고 최적안을 도출하는 것이 가능하다.
3. 최적설계 프로세스
3.1 설계변수 설정
주거 타워는 두 개의 코어가 저층부에서는 하나의 평면으로 붙어있고, 고층부에서는 두 개의 평면으로 나누어진다. X방향과 Y방향의 벽 두께가 다르게 설정되어 있으며, 대안 평가에서도 두 방향의 벽체 두께를 다르게 변화시켰다.
3.2 대안 모듈 설정
대안 평가를 위해 단계별로 모듈을 설정하여 최종 비교자료의 기준으로 삼았다. [모듈1]은 기본계획안으로 코어 벽체의 두께가 한 번만 변하는, 즉 두 개의 코어 벽체 두께 존을 가지는 모듈이다. 벽체의 강도는 바닥부터 최고층까지 동일한 강도가 적용되었다. [모듈2]는 StrAuto를 활용하여 분석한 결과 중 최적 대안을 선정한 것으로, 이상적인 결과를 보여준다. 모두 8개의 벽체 두께 존과 3개의 강도 존으로 구성하였다. [모듈3]은 [모듈2]의 결과를 현실적으로 가능한 방향으로 수정한 것이다. 네 개의 벽체 두께 존과 두 개의 강도 존으로 이루어졌으며, 실시 설계에 적용하였다.
3.3 기본계획의 구조적 속성
기본계획안을 [모듈1]로 설정하여, 비교 평가의 기준으로 삼았다. X방향으로는 1000mm 두께로 시작하여 26층 이상에서 600mm가 적용되었고, Y방향으로는 800mm 두께로 시작하여 26층 이상에서 500mm가 적용되었다. 콘크리트의 압축강도는 FCU60이 사용되었다.
StrAuto는 해석 솔버로 SAP2000을 사용하고 있기 때문에, 실시간 대안 생성 및 비교를 위해서 원자료인 ETABS 모델을 SAP2000으로 변환하였다. 변환한 모델의 최대변위는 바닥에서 211.05m 높이에서 0.380m로 해석되었다. 설계 기준인 0.422m(H/500)를 넘지 않았으며, 약 10%의 여유치가 StrAuto를 활용하여 코어 벽체의 두께를 줄일 수 있는 여지가 된다. 분석 대상에 포함된 코어 벽체의 부피는 12,594m3이며, 이후 다른 모듈과의 비교 기준이 된다.
4. StrAuto 활용 반복 해석 1단계
4.1 벽체 두께 파라메터 설정
[모듈1]의 저층부 코어 벽체의 두께는 1000mm/800mm로 초기 검토 과정에서 1000mm가 다소 과하다고 판단하였다. 800mm부터 시작해도 충분할 것이라는 가설 하에, X방향과 Y방향의 두께를 같게 하고, 300mm두께까지 100mm씩 줄이면서 6개의 존으로 구성하기로 계획하였다.
그리고 각 존은 5개 층마다 나누어질 수 있도록 설정하였다. 존을 나누는 위치는 8층부터 43층까지 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38, 43층에서 나누어질 수 있도록 하였고, 8개 중 5개의 구분선이 필요하므로 모두 56개의 케이스가 가능하다.
즉, 6개의 존이 800mm부터 300mm까지 변하면서 각 존이 5개층 또는 10개층, 15개층, 최대 20개층까지 영역을 가질 수 있도록, 56개의 케이스를 Fig. 7과 같이 설정하였고, T1~T56으로 이름 붙였다.
4.2 벽체 강도 파라메터 설정
[모듈1]은 저층부터 고층까지 모두 FCU60을 적용하였으나, 어느 정도 이상의 층에서는 FCU60이 필요 이상의 고강도이기 때문에 세 단계로 나누어 강도를 적용하기로 하였다.
FCU60, FCU40, FCU35로 구성된 세 개의 존을 만들고 벽체 두께와 마찬가지로 5개 층마다 나누어질 수 있도록 하였다. 존을 나누는 위치는 8층부터 43층까지 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38, 43층에서 나누어질 수 있도록 하였고, 8개 중 2개의 구분선이 필요하므로 모두 28개의 케이스가 가능하다. 이 28개의 케이스를 Fig. 9와 같이 설정하였고, S1~S28로 이름 붙였다.
4.3 StrAuto 반복 해석 1단계 결과 분석
코어 벽체 두께 56개의 케이스(T1~T56)와 코어 강도 28개의 케이스(S1~S28)를 동시에 적용하여, 모두 1,568개의 케이스(Case T1xS1~T56xS28)에 대한 실시간 반복 해석을 진행하였다.
분석 결과는 최대 변위를 나타낸 것으로 세로 방향은 코어 벽체 두께의 변화(T1~T56)를, 가로 방향은 코어 벽체 강도의 변화(S1~S28)를 나타낸다. 즉, 케이스별로 모두 1,568개의 변위의 변화를 한 눈에 살펴볼 수 있다.
분홍색 바탕에 붉은 글씨로 표현한 영역은 최대 변위가 설계 기준인 0.422m(H/500)를 넘은 케이스들이다. 1,568개 케이스 중 모두 743개의 케이스가 최대 변위 설계 기준을 만족하였다. 연두색~녹색 그라데이션은 최대 변위에 따라 변위가 더 작은 케이스가 녹색이 되도록 표현한 것이다.
확대한 그림에서 케이스 T38xS14의 예를 보면 설계 기준인 0.422m 근처까지 변위가 늘어난 것을 알 수 있다. 이 케이스의 경우, 두께는 800mm부터 300mm까지, 8, 18, 28, 38, 43층에서 줄어들기 시작하면서 6개의 존을 가지고, 강도는 18, 28층에서 변하면서 3개의 존으로 구성되었다. 코어 벽체의 부피는 9,172m3로, [모듈1]의 부피 12,594m3에 비해 약 27.2%가 줄어 들었다.
5. StrAuto 활용 반복 해석 2단계
5.1 벽체 두께 파라메터 설정
1단계 해석에서, X방향과 Y방향의 벽체 두께가 동일하게 적용되도록 하였고, 800mm부터 시작하게 하였다. 1단계 케이스별 상세 분석 결과, 저층부의 벽체들에 더 많은 철근 보강이 필요하다는 것을 알게 되었다.
따라서 저층부의 벽두께를 원래 계획대로 1000mm를 유지하여 재검토하기로 결정하였다. 몇 개의 파일럿 테스트를 통해 1000mm를 사용하면 고층부의 물량이 더 많이 줄어들 수 있을 것으로 기대하였다.
새로운 파라메터는 다음과 같이 설정되었다. X방향으로는 1000mm부터 시작하여 100mm씩 줄이면서 300mm까지 모두 8개의 존으로 구성하고, Y방향으로는 800mm부터 시작하여 X방향의 두께가 달라지는 것과 같은 위치에서 100mm씩 줄이면서 300mm까지 모두 6개의 존으로 구성하였다.
저층부에서 더 민감한 변화를 살펴보기 위하여, 또 고층부의 부피를 더 줄이기 위하여, 2층부터 시작하여 각 존이 4개 층마다 나누어질 수 있도록 설정하였다. 즉, 2층부터 34층까지 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30, 34층에서 나누어질 수 있도록 하였고, X방향, Y방향의 벽체 두께가 14층부터 800mm, 600mm가 시작되지 않도록 3개 케이스를 제외하고, 모두 33개의 케이스를 Fig. 14와 같이 설정하고, T1~T33으로 이름 붙였다.
5.2 벽체 강도 파라메터 설정
1단계 해석과 마찬가지로, FCU60, FCU40, FCU35의 세 개 존으로 구성하였고, 6개 층마다 바뀌도록 설정하였다.
나누어지는 위치는 4층부터 40층까지 4, 10, 16, 22, 28, 34, 40층에서 나누어질 수 있도록 하였고, 7개 중 2개의 구분선이 필요하므로 모두 21개의 대안이 가능하다. 이 21개의 대안을 Fig. 16과 같이 설정하였고, S1~S21로 이름 붙였다.
5.3 StrAuto 반복 해석 2단계 결과 분석
1단계와 마찬가지 방법으로 2단계 반복 해석도 코어 벽체 두께 33개의 케이스(T1~T33)와 코어 강도 21개의 케이스(S1~S21)를 동시에 적용하여, 모두 693개의 케이스(Case T1xS1~T33xS21)에 대한 실시간 반복 해석을 진행하였다.
분석 결과는 케이스별로 모두 693개의 최대 변위를 한 눈에 살펴볼 수 있도록 정리하였다. 세로 방향은 코어 벽체 두께의 변화(T1~T33)를, 가로 방향은 코어 벽체 강도의 변화(S1~S21)를 나타낸다.
분홍색 바탕에 붉은 글씨로 표현한 영역은 최대 변위가 설계 기준인 0.422m(H/500)를 넘은 케이스들이다. 693개 케이스 중 모두 150개의 케이스가 최대 변위 설계 기준을 만족하였다. 연두색~녹색 그라데이션은 최대 변위에 따라 변위가 더 작은 케이스가 녹색이 되도록 표현한 것이다.
확대한 그림에서 T5xS9 케이스는 설계 기준인 0.422m에 가장 근접하게(0.42199m) 변위가 늘어난 것을 알 수 있다. 이 케이스를 [모듈2]의 최적 대안으로 선정하였다. X방향의 코어 벽체두께는 1000mm부터 300mm까지, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 34층에서 줄어들기 시작하면서 8개의 존을 가지고, Y방향의 코어 벽체두께는 800mm부터 300mm까지, 6, 10, 14, 18, 22층부터 줄어든다. 강도는 16, 28층에서 변하면서 3개의 존으로 구성되었다. [모듈2]의 코어 벽체의 부피는 8,648m3로, [모듈1]의 부피 12,594m3에 비해 약 31.3%가 줄어들었다.
6. 모델 수정을 통한 실시설계 적용
6.1 현실 적용을 위한 모델 수정
실시 설계에 8개의 존을 동시에 적용하는 것이 현실적으로 어려우며, 4개 층 단위로 존을 바꾸는 것도 시공상 어려움이 있다. 따라서 [모듈1]과 [모듈2]의 내용을 비교 검토하여 설계와 시공의 합리적인 대안을 작성하는 것이 필요하다.
[모듈2]에서 검토되었던 X방향의 8개의 코어 벽체 두께 존은 4개의 존으로 묶었고, 두께가 1000mm부터 400mm까지 200mm 간격으로 줄어들도록 정리하였다. Y방향은 800mm부터 400mm까지 200mm 간격으로 세 개의 존으로 정리하였다.
두께가 달라지는 위치는 [모듈2]와 마찬가지로 Y방향이 X방향을 따라가도록 하였고, [모듈2]에서 검토된 위치를 평면의 용도 등을 고려하여 1개층씩 위 아래로 조절하여, 9, 25, 35층에서 나누어지도록 하였다. 강도는 25층을 기준으로 위쪽은 FCU35를 아래쪽은 FCU50을 적용하였다.
6.2 실시 설계 적용 모델의 해석 결과
수정된 모델에 대한 해석 결과, 최대 변위가 0.402m로 [모듈1]의 0.381m에 비해 약 5% 증가하였고, 코어 벽체의 물량은 10,315m3로, [모듈1]의 부피 12,594m3에 비해 약 18.1%가 줄어들었다. 개략적으로 설계되었던 [모듈1]과 이상적으로 접근했던 [모듈2]에 비해 시공 가능성 및 평면 계획 등을 고려한 수정 모델을 [모듈3]으로 설정하여 실시 설계에 적용하였다.
6.3 모듈 비교
세 가지 모듈의 코어 벽체 두께 수직 존을 비교하면 Fig. 23과 같다. [모듈1]은 두 개의 존으로만 구성되었고, [모듈2]는 X방향은 8개의 존으로, Y방향은 6개의 존으로 구성되었다. [모듈3]은 [모듈1]과 [모듈2]를 바탕으로 X방향은 4개의 존으로, Y방향은 3개의 존으로 구성하였다.
세 가지 모듈에 대한 비교는 Fig.24와 같다. [모듈1]은 최대 변위가 0.381m로 설계 기준 0.422m 대비 약 10%의 여유가 있었고, 코어 벽체의 부피는 12,594m3였다. [모듈2]는 StrAuto를 활용한 이상적인 모델로, 코어 벽체의 두께를 8개의 존으로 나누어 세밀하게 변화시키면서 최적안을 찾아내었고, 설계 기준에 딱 맞는 0.422m의 변위에 맞추었을 때, 코어 벽체의 물량이 8,648m3까지 줄어들 수 있었다.
[모듈3]은 현실적인 시공가능성을 바탕으로 실시설계에 적용하기 위해 [모듈2]의 결과를 참고하면서, 기본계획의 내용을 검토하여 4개의 코어 벽체 두께 존과 2개의 강도 존을 적용하여, 최대 변위가 약 5% 여유있는 0.402m가 되도록, 물량은 10,315m3가 되도록 모델을 수정하였다.
[모듈2]를 설계 기준에 딱 맞춘 이상적인 모델이라고 가정했을 때, 코어 벽체의 부피가 [모듈1]은 약 46%, [모듈3]은 약 19%정도 추가로 늘어난 것을 알 수 있다.
7. 결 론
본 연구는 기본 계획에서 실시 설계를 진행하는 과정에서 StrAuto를 활용하여 최적 대안을 검토하고, 설계 방향을 설정하여, 직접적으로 실시설계에 StrAuto 해석결과를 반영하였다는 점에서 큰 의의가 있다.
StrAuto는 기본 계획의 구조 속성을 기준점으로, 어느 정도까지 상세계획을 해야 하는지에 대한 한계선에 대해, 수많은 케이스를 빠르게 비교 검토하면서 확실한 가이드라인을 제시할 수 있다는 점에서 실시설계에 크게 활용될 수 있다. 본 연구에서와 같이 StrAuto의 분석 결과를 토대로, 현실적인 시공성과 디자인 요구사항을 반영하여 실시설계를 진행한다면, 보다 합리적이고 명확한 프로세스로 적은 물량으로 구조 성능을 최적화할 수 있는 대안을 작성할 수 있을 것이다.
