목조 건물에서 자연의 구조물 사용 방법

목조 건물에서 자연의 구조물 사용 방법

목조 건물에서 자연의 구조물 사용 방법은? 기후 변화에 대한 우려는 건축 부문, 특히 건축 자재의 추출 및 가공에 상당한 관심을 집중시키고 있습니다. 콘크리트와 철강 산업은 함께 전 세계 이산화탄소 배출량의 15%를 차지합니다. 반면에 목재는 자연스러운 형태의 탄소 격리를 제공하므로 목재를 대신 사용하려는 움직임이 있습니다. 실제로 일부 국가에서는 공공 건물을 적어도 부분적으로는 목재로 만들어야 한다고 요구하고 있으며, 전 세계적으로 대규모 목재 건물이 등장하고 있습니다. 이러한 추세를 관찰한 MIT 건축 기술 프로그램의 건축 및 토목 및 환경 공학 부교수인 케이틀린 뮬러 박사는 지속 가능성을 더욱 높일 수 있는 기회를 발견했습니다. 목재 산업이 전통적인 콘크리트와 강철 요소를 대체할 목재를 생산하고자 하는 가운데, 나무의 직선 부분을 수확하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 매듭이나 포크와 같은 불규칙한 부분을 펠릿으로 만들어 불태우거나 갈아서 정원 덮개를 만들면 몇 년 안에 분해되며, 두 가지 접근 방식 모두 나무에 갇힌 탄소를 대기로 방출합니다. 지난 4년 동안 뮬러와 그녀의 디지털 구조 연구 그룹은 외관 개선을 목표로 하는 클래딩이나 마감재가 아닌 구조 부품으로 이러한 폐기물을 건설에 사용하여 업사이클링하는 전략을 개발해 왔습니다. 뮬러가 말하길 재료에 부여할 수 있는 가장 큰 가치는 구조물에서 하중을 견디는 역할을 하는 것이라고 밝혔습니다. 그러나 건축업자가 버진 소재를 사용할 때 이러한 구조적 구성 요소는 고강도 소재의 부피가 크기 때문에 건물에서 가장 배기가스 집약적인 부분입니다. 따라서 이러한 고탄소 시스템 대신 업사이클링된 소재를 사용하는 것은 특히 배출량을 줄이는 데 큰 영향을 미칩니다. 뮬러와 그녀의 팀은 나무 포크, 즉 나무 줄기나 나뭇가지가 두 개로 갈라져 Y자형 조각을 형성하는 지점에 초점을 맞춥니다. 건축 도면에는 직선 요소가 함께 결합된 유사한 Y자형 노드가 많이 있습니다. 이러한 경우 해당 장치는 중요한 하중을 지탱할 수 있을 만큼 튼튼해야 합니다. 여기서 덧붙여 뮬러는 나무 포크는 나무에서 캔틸레버 역할을 하는 자연적으로 설계된 구조적 연결체이며, 이는 내부 섬유 구조 덕분에 매우 효율적으로 힘을 전달할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 의미한다고 말하며, 나무 포크를 가져다가 가운데로 자르면 나무에 종종 3차원 하중 전달 지점을 만들기 위해 서로 얽혀 있는 믿을 수 없는 섬유 네트워크를 볼 수 있습니다. 3D 프린팅을 사용하여 동일한 작업을 시작했지만 복잡한 섬유 방향과 기하학적 구조 측면에서 자연이 하는 일에는 미치지 못한다고 밝혔습니다. 그녀와 그녀의 팀은 트리 포크와 같은 자연 구조와 현재 건축 설계에 사용되는 디지털 및 계산 도구를 결합한 5단계 설계와 제작 워크플로우를 개발했습니다. 난간과 장식용 기능에 천연 목재를 사용하려는 공예 운동은 오랫동안 있어 왔지만, 계산 도구를 사용하면 과도한 절단 없이도 구조적 역할에 목재를 사용할 수 있으며, 이는 비용이 많이 들고 목재의 자연 기하학적 구조와 내부 결정립 구조를 손상시킬 수 있습니다. 오늘날의 설계자들이 디지털 도구를 광범위하게 사용하고 있다는 점을 고려할 때, 뮬러는 자신의 접근 방식이 적어도 산업화된 재료 처리 시스템 내에서 잠재적으로 확장 가능하고 잠재적으로 달성 가능하다고 믿습니다. 또한, 트리 포크와 디지털 디자인 도구를 결합하여 새로운 접근 방식은 건축가들이 새로운 형태를 탐구하는 트렌드를 지원할 수도 있습니다. 덧붙여 지난 20년 동안 지어진 많은 상징적인 건물에는 예상치 못한 모양이 있다고 뮬러는 말했습니다. 궁극적으로 나무 가지는 매우 구체적인 기하학적 구조를 가지고 있으며, 때때로 임의의 알고리즘이 아니라 재료 자체에 의해 구동되는 불규칙하거나 비표준적인 건축 형태에 적합하다고 밝혔습니다. 이제부터 본격적으로 목조 건물에서 자연의 구조물 사용 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 먼저 0단계는 출처 찾기, 목표 설정입니다. 연구진은 설계부터 제작까지 과정을 시작하기 전에 나무 포크의 출처를 찾아야 했습니다. 뮬러는 매사추세츠주 서머빌시의 도시 임업 부서에서 20여 종을 포함한 2,000여 그루의 가로수 디지털 인벤토리를 관리하고 각 나무의 위치, 대략적인 줄기 직경 및 상태에 대한 정보를 기록하는 도움을 찾았습니다. 2018년 새 서머빌 고등학교 부지 근처에서 대규모 나무가 벌목되었을 때 임업 부서의 허가를 받아 팀을 이끌었습니다. 현장에 있던 중장비 중에는 모든 폐목재를 멀치로 만들 준비가 된 치퍼도 있었습니다. 대신 근로자들은 의무적으로 폐목재를 연구원의 트럭에 넣어 MIT로 가져갔습니다. MIT 팀은 프로젝트에서 폐기물을 재활용할 뿐만 아니라 대중이 소중히 여기는 구조를 만드는 데도 사용하고자 했습니다. 뮬러가 사는 곳에서는 침입성 딱정벌레 종의 피해로 인해 도시가 많은 나무를 벌목해야 했습니다. 이렇게 행동을 하면 사람들은 당연히 정말 화를 냅니다. 나무는 도시 직물의 중요한 부분으로 그늘과 아름다움을 제공하고 그녀와 그녀의 팀은 벌목된 나무가 이전에 제공했던 대기와 공간 경험을 재현할 수 있는 새로운 기능 구조의 형태로 제거된 나무를 다시 설치함으로써 이러한 적대감을 줄이기를 희망했습니다. 연구진은 출처와 목표를 파악한 후 트리 포크 인벤토리를 사용하여 공간 구조를 만들기 위한 설계와 제작 워크플로우의 다섯 가지 단계를 시연할 준비가 되어 있었습니다. 다음 단계로 넘어가자면 디지털 자료 라이브러리 만들기입니다. 첫 번째 작업은 트리 포크 컬렉션을 디지털 라이브러리로 만드는 것이었습니다. 그들은 고립된 나무 포크를 생산하기 위해 과잉 재료를 잘라내는 것으로 시작했습니다. 그런 다음 각 포크에 대한 3D 스캔을 생성했습니다. 뮬러는 최근 사진 측량과 3D 스캔이 발전함에 따라 일반적인 스마트폰에서 실행되는 앱을 사용하더라도 비교적 저렴한 장비로 개별 트리 포크의 고해상도 디지털 표현을 만들 수 있다고 지적합니다. 디지털 라이브러리에서 각 포크는 한 지점에 세 개의 직선 막대가 하나로 합쳐지는 골격화 버전으로 표시됩니다. 가지의 상대 기하학적 구조와 방향은 구성 요소의 강도를 부여하는 내부 섬유 방향을 결정하기 때문에 특히 관심이 있습니다. 다음 단계는 초기 설계와 재료 라이브러리 간의 최적의 일치점 찾기입니다. 트리처럼 일반적인 건축 설계는 세 개의 직선 요소가 만나 임계 하중을 지탱하는 Y자형 노드로 채워져 있습니다. 따라서 목표는 재료 라이브러리의 트리 포크와 샘플 아키텍처 설계의 노드를 일치시키는 것이었습니다. 첫 번째로 연구진은 특정 트리 포크의 기하학적 구조가 주어진 설계 노드와 얼마나 잘 일치하는지 정량화하기 위한 미스매치 메트릭을 개발했습니다. 뮬러는 구조의 직선 요소를 원래 나뭇가지가 나무에 있던 위치와 정렬하려고 하며, 이를 통해 하중 전달에 최적의 방향을 제시하고 목재 섬유의 고유 강도를 최대한 활용할 수 있다고 설명했습니다. 실제로 정렬이 좋지 않을수록 불일치 메트릭이 높아집니다. 목표는 목표 설계의 노드 중 모든 트리 포크의 전체 분포를 가장 잘 구하는 것이었습니다. 따라서 연구자들은 다양한 포크와 노드 간 분포를 시도하고 각 분포에 대해 개별 포크와 노드 간 불일치 오류를 합산하여 전체 또는 전체 일치 점수를 생성해야 했습니다. 가장 일치하는 점수를 가진 분포는 전체 트리 포크 인벤토리를 가장 구조적으로 효율적으로 사용할 수 있습니다. 수동으로 프로세스를 수행하는 데는 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 1955년에 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 헝가리 알고리즘을 사용했습니다. 뮬러는 알고리즘의 뛰어난 능력은 문제를 매우 빠르게 해결하는 것이며, 이 알고리즘이 매우 일반적으로 사용되는 알고리즘이라고 말했습니다. 실제로 결혼 중매와 같은 용도로 사용되며, 서로 고유한 일치 항목을 찾으려는 두 가지 컬렉션이 있을 때 언제든지 사용할 수 있습니다. 그래서 우리는 알고리즘을 발명하지는 않았지만, 이 문제에 사용할 수 있다는 사실을 가장 먼저 확인했습니다. 연구진은 재고에 있는 나무 포크의 분포 가능성을 보여주기 위해 반복 테스트를 수행한 결과로 재료 라이브러리에서 사용할 수 있는 포크의 수가 한 점까지 증가함에 따라 일치하는 점수가 향상되었음을 발견했습니다. 일반적으로 연구진은 불일치 점수가 가장 낮았으며, 따라서 재료 라이브러리에 포크가 타겟 설계에 노드가 있는 것보다 약 3배 더 많을 때가 가장 좋다고 결론지었습니다. 다음 단계는 설계자 의도와 구조적 성능의 균형 조정입니다. 디자이너의 의도나 선호도를 반영하는 것이었습니다. 이러한 유연성을 허용하기 위해 각 설계에는 막대 길이 및 굽힘 변형률과 같은 제한된 수의 중요한 매개변수가 포함됩니다. 이러한 매개변수를 사용하여 설계자는 설계의 전체 모양 또는 지오메트리를 수동으로 변경하거나 지오메트리를 자동으로 변경하거나 형태하고 있는 알고리즘을 사용할 수 있습니다. 그리고 설계 지오메트리가 변경될 때마다 헝가리 알고리즘은 최적의 포크와 노드 매칭을 재계산합니다. 이에 대해 뮬러는 헝가리 알고리즘은 매우 빠르기 때문에 모든 변형과 설계 업데이트가 정말 유동적일 수 있으며 새로운 기하학적 구조를 변경하면 구조물의 편향, 변형률 에너지 및 기타 성능 척도를 확인하는 구조 분석이 이어집니다. 최적의 일치 점수를 산출하는 자동 생성 설계는 때때로 설계자의 초기 의도에서 크게 벗어날 수 있습니다. 이러한 경우에는 낮은 매칭 점수로 설계 의도의 균형을 만족스럽게 맞추는 대안적인 솔루션을 찾을 수 있습니다. 다음 단계는 빠른 절단을 위한 기계 코드 자동 생성입니다. 트리 포크의 구조적 기하학과 분포가 마무리되면 실제로 구조물을 구축하는 것에 대해 생각해 볼 때입니다. 조립 및 유지보수를 간소화하기 위해 연구진은 인접한 직선 목재와 더 잘 어울리도록 끝면을 다시 자르고 남은 나무 껍질을 잘라 썩고 불에 취약한 부분을 제거하여 나무 포크를 준비합니다. 이 과정을 안내하기 위해 주어진 트리 포크를 할당된 노드에 맞게 만들고 껍질을 벗기는 데 필요한 절단 부분을 자동으로 계산하는 맞춤형 알고리즘을 개발했습니다. 목표는 가능한 한 적은 재료를 제거할 뿐만 아니라 복잡하고 시간이 많이 걸리는 가공 공정을 피하는 것입니다. 이에 대해 뮬러는 너무 적게 자르면 중요한 구조 재료를 너무 많이 잘라낼 수 있지만 우리는 영원히 걸릴 것이기 때문에 백만 개의 작은 조각을 만들고 싶지 않다고 설명했습니다. 이 팀은 오토데스크 보스턴 기술 센터 빌드 스페이스의 시설을 사용하며, 로봇은 MIT의 그 어떤 시설보다 훨씬 크고 처리가 모두 자동화되어 있습니다. 각 나무 포크를 준비하기 위해 로봇 팔에 장착하여 컴퓨터에서 생성한 지침에 따라 다양한 방향으로 전통적인 띠톱을 통해 관절을 밀어냅니다. 로봇은 또한 구조적 연결을 위해 모든 구멍을 뚫습니다. 이에 대해 뮬러는 모든 것이 예상대로 정렬되도록 보장하기 때문에 도움이 된다고 밝혔습니다. 마지막 단계는 사용 가능한 포크와 선형 요소를 조립하여 구조물을 구축하는 것입니다. 정확히는 구조물을 조립하는 것으로 나무 포크 기반 조인트는 모두 불규칙하며, 프리컷의 곧은 나무 요소와 결합하는 것이 어려울 수 있습니다. 하지만 모두 라벨이 붙어 있습니다. 이에 대한 뮬러의 의견으로는 기하학에 대한 모든 정보는 조인트에 내장되어 있으므로 조립 프로세스가 정말 저기술이며, 마치 어린이 장난감 세트와 같고 관절의 지침에 따라 모든 조각을 조립하기만 하면 된다고 밝혔습니다. 특히 그들은 MIT 캠퍼스에 임시로 마지막 구조물을 설치했지만, 뮬러는 이 구조물이 결국 건설할 계획인 구조물의 일부에 불과하다고 지적합니다. 프로세스를 사용하여 설계하고 제작한 12개의 노드가 있었고 팬데믹으로 인해 약간 중단되었지만 연구진은 캠퍼스 내 활동이 재개됨에 따라 약 40개의 노드를 포함하고 서머빌의 쓰러진 나무가 있는 자리에 야외 정자로 설치될 전체 구조물의 설계 및 구축을 완료할 계획입니다. 또한, 뮬러는 연구를 계속할 예정입니다. 계획에는 더 큰 재료 라이브러리, 일부는 멀티브랜치 포크로 작업하고 3D 스캔 기술을 정확한 섬유 방향과 밀도를 포함하여 나무 포크의 상세한 기하학적 표현을 자동으로 생성할 수 있는 컴퓨터 단층 촬영 스캔 기술로 대체하는 것이 포함됩니다. 그리고 병행 프로젝트에서 다른 재료 공급원과 함께 공정을 사용하는 방법을 모색하고 있으며, 한 사례 연구에서는 철거된 목재 골조 주택의 재료를 사용하여 12개 이상의 측지 돔을 건설하는 데 중점을 두고 있습니다. 뮬러에게 지금까지의 작업은 이미 건축 설계 프로세스에 대한 새로운 지침을 제공하고 있습니다. 디지털 도구를 사용하면 설계 옵션의 구체화된 탄소 또는 미래 에너지 사용을 분석하는 것이 쉬워졌습니다. 지금까지 목조 건물에서 자연의 구조물 사용 방법에 대해서 알아봤습니다. 뮬러와 그녀의 팀이 연구하고 있는 것이 참으로 놀랍지 않나요?