KR101631516B1

KR101631516B1 - 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101631516B1
Application number: KR1020150024905A
Authority: KR
Inventors: 추승연; 우승학; 류정림
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-06-27

Abstract

본 발명은 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리하는 디지털 건축 디자인 시스템에 의해 수행되는 비정형 형태 구축 방법에 있어서, 아날로그 형태의 음원이 입력되면, 해당 음원 소리의 크기를 분석하여 문자열을 변경하여 음원 데이터로 출력하는 파라메트릭 단계; 상기 음원 데이터를 이용하여 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 건축 부재에 적용되는 비정형 형태를 생성하도록 데이터를 재구축하고, 상기 건축 부재의 유형을 선택하는 형태 생성 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행 단계; 상기 선택한 건축 부재의 유형에 맞게 협화 음정을 적용하고, 동적 데이터로 입력되는 상기 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성하는 형태 생성 단계; 및 상기 협화 음정을 적용한 건축 부재를 빌딩 정보 모델링(Building Information Modeling, BIM) 툴에 적용하기 위한 형상 정보와 속성 정보를 입력하고, 각 건축 부재 단위로 3차원 구조형상정보를 출력하는 BIM 적용 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 음악이 적용된 보, 지붕 등의 건축 부재를 BIM 소프트웨어에서 활용하도록 함으로써 음악 이론을 주된 건축 형태를 이루는 부재에 적용하여 다양한 비정형 형태를 구축하고, 개방형 BIM 환경에서 재가공할 수 있도록 하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법은 BIM 소프트웨어에서 건축 부재의 수정이 가능할 뿐만 아니라 건축 부재가 건축가의 의도에 맞는 넙스 곡선으로 입력되고, 건축 디자인의 초기 단계에서 보다 다양한 디자인을 도출할 수 있으며, 향후 개방형 BIM 및 건축 디자인의 통합 솔루션으로 실무화를 지향함으로써 건축 산업의 효율성을 증대시킬 수 있다.

Description

디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법{System for Generating Free Form of Digital Architectural Design and Method thereof }

본 발명은 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음악을 건축 형태를 이루는 범위에 적용하여 다양한 비정형 형태를 구축하고, BIM 환경에서 재가공될 수 있도록 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

건축 기술은 디지털화가 진행됨에 따라 다양한 접근을 통해 발전하고 있지만, 정보 교환 문제가 화두가 되고 있고, 정보교환 문제의 해결 방안의 일환으로 표준 기반 데이터 교환 및 공유를 위한 BIM(Building Information Modeling)이 개발되었다. BIM은 건축물을 디지털 형식으로 생애주기를 생성 및 관리하는 방법으로, 건축 프로세스의 모든 과정을 관리하는 새로운 건축 환경이다.

그러나, BIM에서 건축 프로세스 각 주체별로 이루어지는 정보교환은 BIM의 핵심 기술 중 하나이지만, 현재 국내의 BIM 정보 교환 수준은 제한적이며 특정 소프트웨어를 활용하여 정보를 생성하고 교환되는 수준에 머물러 있다.

특히, 건축 프로세스에서 공통으로 사용하는 표준 정보 모델의 부재로 인해 프로세스간 정보의 연계성 확보가 어려우며, 후행 프로세스에서 기존 정보를 재사용하지 못하는 실정이다.

이에 빌딩 스마트(Building SMART International)는 원만한 정보의 교환 및 활성화를 위해 개방형 BIM을 제시하고 있다. 개방형 BIM은 IFC(Industry Foundation Classes)를 사용하여 건설 산업에서 교환되는 정보의 재사용을 높이는 것이 목적이다.

BIM은 정보 교환과 소프트웨어 측면에서 리틀(Little) BIM과 빅(Big) BIM으로 분류할 수 있고, 리틀 BIM은 특정 상업 포맷(dwg, rvt, pla 등)을 사용하는 방식으로 이종 소프트웨어를 사용하게 되면 정보 교환시 BIM 데이터 호환성에 문제가 발생하여, 이러한 불완전한 호환성은 협업에서 시간, 비용 등의 요소가 다량으로 투입되는 문제가 발생된다.

빅 BIM은 개방형 BIM과 같은 의미로서, 이종 소프트웨어간의 호환성을 높이기 위해 중립 포맷인 IFC를 사용하여 건축 생애 주기에 관한 모든 데이터를 공유할 수 있도록 하여 건설 산업에서 낭비적인 요소를 개선한다.

비정형 건축물에 관한 관심이 높아지면서 BIM 기반의 비정형 형태 생성에 관한 다양한 방법론이 제기되고 있다. 특히, 음악을 통한 청각적 감동의 크기가 디지털 기술의 발전으로 정량화 및 유형화가 가능해지고 있고, 파라메트릭과 디지털 알고리즘 등과 같이 다양한 디지털 기술을 사용하여 청각적 감동을 다른 감각적 요소로 변형하여 건축 이론과 접목해 형태 생성 요소 기술로 발전시키고 있다.

그러나, 현재의 비정형 건축 분야에서는 디지털 툴을 이용하여 형태의 우연성을 기반으로 디자인을 하는 경우가 많아 불완전한 디자인과 시공간의 괴리에서 오는 위험이 매우 크다. 따라서, BIM 기반의 비정형 형태 생성을 위해서는 시공성을 고려한 현실적 방안이 필요하고, 무엇보다도 청각적 감동을 공간적 감동으로 구현하기 위한 건축적 방법론을 제시하고, 건축 산업 주체별 효율적 협업을 위해 ㅠBIM 모델과의 연계성을 고려해야 한다.

선행기술자료로서, 한국공개특허 제2003-0082662호에 개시된 주택용 벽과 인테리어 벽체 모양을 수시로 바꿀 수 있는 판넬은, 여러 가지 모양으로 만들고자 하는 주택용 벽과 인테리어벽체 모양을 만들 수 있고, 수시로 모양을 바꿀 수 있는 건축용 내장 또는 외장 패널을 제공한다.

종래 기술은 주택용 벽과 인테리어 벽체 모양을 바꾸기 위해 내장 또는 외장 패널에 구획된 형틀에 다양한 형상 모양의 크고 작은 벽돌을 사용자가 직접 시공하거나 철거해야하는 불편함이 있고, 형틀로 구획된 패널로 인해 벽체의 모양을 변경하는데 한계가 있는 문제점이 있다. 또한, 종래 기술은 패널의 물리적 형태가 디지털 디자인 형태와 실시간 정보를 교환할 수 없기 때문에 음악을 통한 청각적 감동을 공간적 감동으로 구현하기 위한 건축적 방법론에 적용될 수 없다는 문제점이 있다.

한편, 한국공개특허 제2001-0076489호에 개시된 센서를 이용한 가상 연주장치는, 사용자의 동작을 감지하여 그에 맞는 미디음을 생성하는 센서를 이용하여 연주되는 곡의 현재의 음악정보를 그래픽으로 시각화하여 디스플레이할 수 있다.

종래 기술은 음악 정보를 시각화하여 인터렉티브한 그래픽 디스플레이부를 제공할 수는 있지만, 사용자가 센서를 착용해야 되는 불편함이 있고 터치를 이용해야 하므로 건축 외피에 단순히 사용자의 동작에 반응하는 그래픽 디스플레이부를 적용하기에 부적합할 뿐만 아니라, 지속적이고 복합적 루프를 통해 물리적으로 외피가 움직이도록 상호 작용해야하는 음악을 디지털 건축 디자인에 적용하는 비정형 형태의 건축 분야에 적용될 수 없다는 문제점이 있다.

음악을 디지털 건축 디자인에 적용하는 비정형 형태의 건축 분야는 본질적으로 디지털 공간과 물리적 공간에서의 구축이 동시에 이루어져야 한다. 이는 건축가가 마이크로컨트롤, 로보틱스 등의 구축을 위한 기술 정보와 형태 제어를 위한 프로그래밍 기술이 없으면 단순히 2D와 3D 디지털 모델만으로 비정형 형태 요소를 생성하고, 실시간으로 다양한 설계요소의 제어가 불가능하므로 디자인과 구축이 어렵기 때문이다.

한국공개특허 제2003-0082662호 " 주택용 벽과 인테리어 벽체 모양을 수시로 바꿀 수 있는 판넬 " 한국공개특허 제2001-0076489호 " 센서를 이용한 가상 연주장치 "

본 발명은 청각적 요소인 음악을 시각적 형태로 변경할 수 있는 형태 생성 알고리즘을 제공하고, 건축 부재에 맞는 형태 생성 알고리즘을 이용하여 음악을 해당 부재에 적용하며, 음악이 적용된 보, 지붕 등의 건축 부재를 BIM 소프트웨어에서 활용하도록 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법을 제공한다.

실시예들 중에서, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템은, 비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리하는 디지털 건축 디자인 시스템에 의해 수행되는 비정형 형태 구축 방법에 있어서, 아날로그 형태의 음원이 입력되면, 해당 음원 소리의 크기를 분석하여 문자열을 변경하여 음원 데이터로 출력하는 파라메트릭 단계; 상기 음원 데이터를 이용하여 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 건축 부재에 적용되는 비정형 형태를 생성하도록 데이터를 재구축하고, 상기 건축 부재의 유형을 선택하는 형태 생성 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행 단계; 상기 선택한 건축 부재의 유형에 맞게 협화 음정을 적용하고, 동적 데이터로 입력되는 상기 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성하는 형태 생성 단계; 및 상기 협화 음정을 적용한 건축 부재를 빌딩 정보 모델링(Building Information Modeling, BIM) 툴에 적용하기 위한 형상 정보와 속성 정보를 입력하고, 각 건축 부재 단위로 3차원 구조형상정보를 출력하는 BIM 적용 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 파라메트릭 단계는, 멀티미디어 프로토타입(Prototype) 제작을 위한 멀티미디어 툴을 이용하여 청각 상태의 음원을 숫자 형태의 문자열로 변경하는 것을 특징으로 한다.

상기 파라메트릭 단계는 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 통신을 통해 실시간 음원 데이터를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 알고리즘 실행 단계는, 상기 UDP 기반의 통신을 통해 입력되는 음원 데이터를 상기 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 사용하기 위해 상기 음원 데이터의 연동 처리를 수행하는 데이터 처리 단계; 및 상기 음원 데이터를 상기 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 비정형 형태를 생성할 수 있도록 데이터를 재구축하고, 상기 건축 부재의 유형을 선택하는 매개변수 선택 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 형태 생성 알고리즘은, 상기 음원 데이터를 UDP(User Datagram Protocol) 입력 컴포넌트를 통해 입력받는 UDP 입력 모듈; 상기 입력받은 음원 데이터를 스플릿(Split) 컴포넌트를 통해 좌우 채널값으로 분류하는 좌우채널 분리 모듈; 상기 좌우 채널값을 점 좌표로 변형하는 좌채널 모듈 및 우채널 모듈; 상기 점 좌표에 가중치를 주어 크기를 변형하는 협화음정 모듈; 및 동적으로 입력되는 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 최적화된 형태 대안을 제시하는 최적화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 최적화 모듈은 유전 알고리즘이 적용되는 갈라파고스를 실행하여 세대간 진화를 통해 형태 대안을 제시하고, 상기 제시한 형태 대안을 통해 비정형 형태의 표현을 제한하는 것을 특징으로 한다.

상기 파라메트릭 단계는 제1 기호 또는 제2 기호를 사용하여 분류된 좌우 채널값을 합병하여 UDP를 통해 출력하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 기호는 콤마(,)이고, 상기 제2 기호는 세미콜론(;)이며, 상기 콤마는 시간 값, 세미콜론은 시간과 시간을 각각 분류하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 협화 음정 모듈은, 완전 1도, 완전 8도, 완전 4도 및 완전 5도를 포함하는 완전 협화 음정을 표현하는 각각의 비율을 설정하고, 장 3도, 단 3도, 장 6도 및 단 6도를 포함하는 불완전 협화 음정을 표현하는 각각의 비율을 설정하며, 해당 협화 음정이 상기 좌우 채널값에 각각 적용되어 음원 데이터가 자연수 형태가 되도록 하는 비율 수치를 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 BIM 적용 단계는 스윕(Sweep) 모델링 방식 또는 로프트(Loft) 모델링 방식을 사용하여 건축 부재의 수정이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 스윕 모델링 방식을 이용하여 보의 형태를 생성하고, 상기 로프트 모델링 방식을 이용하여 지붕의 형태를 생성하는 것을 특징으로 한다.

실시예들 중에서, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템은, 비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템에 있어서, 건축부재에 따라 시각적 프로그래밍 언어 기반으로 음악을 이용한 비정형 형태 모델을 생성하여 제공하는 라이노 3D 모듈; 상기 건축 부재의 비정형 형태 모델을 매스 모델링 방식을 통해 BIM 모델로 전환한 후 각 건축 부재의 정보를 활용하여 디지털 건축 디자인에 적용하기 위한 3차원 구조 형상정보를 출력하는 레빗 아키텍쳐 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 라이노 3D 모듈은, 청각 상태의 음원을 숫자 형태의 문자열로 변경한 음원데이터를 제공하는 멀티미디어 툴; 및 상기 멀티미디어 툴을 통해 제공받은 음원데이터를 이용하여 비정형 형태를 생성할 수 있도록 데이터를 재구축하는 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 멀티미디어 툴과 디자인 툴은 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 통신을 통해 실시간 음원 데이터를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 디자인 툴은 상기 음악을 형태로 구현하는 형태 생성 알고리즘을 건축 부재에 맞게 생성하고, 상기 건축 부재에 협화음정을 적용한 후 유전자 알고리즘을 이용하여 음악의 동적 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 레빗 아키텍쳐 모듈은 상기 협화음정이 적용된 건축 부재를 BIM 모델에 적용하기 위해 형상 정보와 속성 정보를 IFC(Industry Foundation Classes) 기반으로 정의하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법은 청각적 요소인 음악을 시각적 형태로 변경할 수 있는 형태 생성 알고리즘을 제공하고, 건축 부재에 맞는 형태 생성 알고리즘을 이용하여 음악을 해당 부재에 적용하며, 음악이 적용된 보, 지붕 등의 건축 부재를 BIM 소프트웨어에서 활용하도록 함으로써 음악 이론을 주된 건축 형태를 이루는 부재에 적용하여 다양한 비정형 형태를 구축하고, 개방형 BIM 환경에서 재가공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

따라서, 본 발명의 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템 및 그 방법은 BIM 소프트웨어에서 건축 부재의 수정이 가능할 뿐만 아니라 건축 부재가 건축가의 의도에 맞는 넙스 곡선으로 입력되고, 건축 디자인의 초기 단계에서 보다 다양한 디자인을 도출할 수 있으며, 향후 개방형 BIM 및 건축 디자인의 통합 솔루션으로 실무화를 지향함으로써 건축 산업의 효율성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템을 설명하는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법을 설명하는 순서도
도 3은 도 2의 음악의 파라메트릭 과정을 설명하는 순서도
도 4는 도 3의 UDP 통신을 통해 출력되는 음원 데이터를 설명하는 도면
도 5는 도 2의 형태 생성 알고리즘을 설명하는 도면
도 6은 도 5의 좌우채널 분리 모듈에 의해 음원 데이터가 분리되는 과정을 설명하는 도면
도 7은 도 5의 최적화 모듈에 의한 갈라파고스의 세대간 진화 형태를 설명하는 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법에 의해 건축 부재 중 보의 형태 생성 원리를 설명하는 도면
도 9는 도 8에 의해 생성된 보에 협화음정을 적용한 형태 대안을 설명하는 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법에 의해 건축 부재 중 지붕의 형태 생성 원리를 설명하는 도면

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템을 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템(100)은, 비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리한다.

이를 위해, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템(100)은 3차원 모델링을 위한 라이노 3D 모듈(110) 및 레빗 아키텍처(Revit Architecture) 모듈(120)을 포함한다.

라이노 3D 모듈(110)은 초기 건축 설계 단계에서 컨셉 모델을 생성하기 위해 건축가들이 비교적 수월하게 사용할 수 있는 소프트웨어를 실행한다. 그리고, 레빗 아키텍쳐 모듈(120)은 빌딩 인포메이션 모델링(Building Information Modeling, BIM)의 설계 프로그램으로 기계 설계와 동시에 3D로 실제 모습을 확인할 수 있는 프로그램이다.

레빗 아키텍쳐 모듈(120)은 부재 정보를 활용하여 면적, 볼륨감, 질감 등과 같은 결과물을 즉시 산출할 수 있다. 여기서, 레빗은 건축, 인테리어를 비롯하여 토목, 기계, 전기, 전자 등 다양한 분야에서 사용되는 프로그램이고, 파라메트릭 기술을 활용하여 매스 모델링과 동시에 필요한 정보(실 면적, 실 볼륨, 재료 질감, 공간 구획 등)들을 모두 만들어 낼 수 있다.

BIM은 기존의 2D 설계 방식에서 3D 설계 방식으로의 툴(tool) 변화뿐만 아니라 건축의 전 생명주기의 정보를 통합하고자 하는 것이다. 기존의 건축 방식은 2D 기반의 건축모델링으로써 건물의 정보를 2차원 기하학적 형상으로 표현하였기에 건물을 완전한 독립체로 표현하는데 한계가 있었으며, 또한 도면들이 개별적으로 작성되었기 때문에 변경 전후의 피드백 작업이 용이 하지 않았다.

최근 AEC(Architectural, Engineering, Construction) 산업계의 규모가 대형화 및 복잡해짐에 따라 방대한 양의 정보들을 통합적으로 관리해야 할 필요성이 강조됨에 따라 설계 프로세스 변화의 필요성이 대두되면서 완벽한 협업과 고도의 통합화를 핵심으로 하는 통합 설계프로세스로의 변화가 이뤄지고 있다. 이러한 통합화된 3차원 설계의 필요성을 인식한 AEC 관련업계에서 BIM의 도입을 추진하고 있다.

따라서, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템(100)은 라이노 3D 모듈(110)에서 컨셉 모델을 작성한 후 레빗 아키텍쳐 모듈(120)에서 BIM화할 수 있다. 라이노 3D 모듈(110)은 건축가의 의도에 맞는 비정형 컨셉 모델을 작성하여 ACIS(*.sat) 포맷으로 출력하고, 레빗 아키텍쳐 모듈(120)은 매스 모델링 방식을 통해 BIM 모델로 전환한 후 벽, 창문, 슬라브 등의 요소를 추가적으로 디자인한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법을 설명하는 순서도이다.

도 2를 참고하면, 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법은, 아날로그 형태의 음원이 입력되면 파라메트릭을 통해 멀티미디어 툴인 4V 또는 VVVV를 이용하여 아날로그 상태의 음원 소리의 크기를 분석하여 문자열을 변경하여 음원 데이터로 출력한다.(S10) 여기서, 파라메트릭은 음악을 형태의 재료인 숫자로 변경하는 알고리즘으로서, 청각적 감동인 음악을 시각적 형태로 나타내도록 한다.

파라메트릭을 통해 출력되는 음원 데이터를 이용하여 음악을 형태로 구현하는 형태 생성 알고리즘을 제작하여 실행하는데, 형태 생성 알고리즘은 데이터 처리 과정 및 매개변수 선택 과정으로 분류될 수 있다.(S20)

이때, 데이터 처리 과정에서는 4V에서 출력한 음원 데이터를 입력받고, 음원 데이터의 소리 크기 값을 매개변수화한다. 매개 변수화는 4V에서 생성된 데이터를 그래스호퍼에서 형태를 생성할 수 있도록 데이터를 재구축하는 것을 의미한다. 매개변수 선택 과정에서는 부재 유형을 선택하게 된다.

따라서, 형태 생성 알고리즘은 음원 데이터를 이용하여 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴인 그래스호퍼(Grasshopper)에서 건축 부재에 적용되는 비정형 형태를 생성하도록 데이터를 재구축하고, 건축 부재의 유형을 선택하도록 한다.

형태 생성 알고리즘에서는 선택한 건축 부재의 유형에 맞게 협화 음정을 적용하고, 동적 데이터로 입력되는 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성한다.(S30) 협화 음정을 표현할 수 있는 비율은 아주 다양하지만 대표적으로 1:1(완전 1도), 3:4(완전 4도), 2:3(완전 5도)를 각각 부재에 적용한다.

이때, 형태 생성 알고리즘 협화 음적을 적용하면서 최적화 알고리즘을 적용하여 각 부재의 최적 형태를 구축할 수 있도록 한다.

IFC는 협화 음정이 적용되는 부재를 BIM에 적용하기 위해 형상 정보와 속성 정보를 입력하고, 각 건축 부재 단위로 3차원 구조형상정보를 출력한다.(S40)

도 3은 도 2의 음악의 파라메트릭 과정을 설명하는 순서도이고, 도 4는 도 3의 UDP 통신을 통해 출력되는 음원 데이터를 설명하는 도면이다.

도 3을 참고하면, 음악을 건축 형태에 적용하기 위한 4V에서는 MP3 형태로 입력되는 음악을 파일스트림(FileStream) 컴포넌트를 이용하여 음악에서 나오는 소리를 초 단위로 측정하여 크기가 최소 0에서 44가 되도록 변경함으로써 청각 상태의 음악을 숫자로 변경한다.(S310, S320)

4V는 AsString 컴포넌트를 통해 숫자를 컴퓨터가 인식할 수 있도록 문자열로 변경한다.(S330) 디지털 음원은 기본적으로 2.1 채널, 즉 좌우 채널을 가지고 있으므로, 문자열을 생성할 대 협화 음정 적용을 위해 좌우 채널을 분리하여 작성한다.(S340)

좌우 채널로 분리하여 작성된 음악의 크기 값을 그래스호퍼로 전송하기 위해 UDP 통신으로 출력한다.(S350) 이때, UDP 통신에서는 1회에 2가지 형태의 데이터를 입출력할 수 없기 때문에, 좌우 채널의 크기값을 콤마(,)와 세미콜론(;)을 사용하여 분류될 수 있도록 한 후 좌우 채널의 크기값을 합병한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 그래스호퍼에서 UDP를 통해 입력받는 음원 데이터는 숫자 형태이고, 시산값으로 콤마, 시간과 시간의 분류는 세미콜론은 사용하는 합병 원칙에 의해 합병된 값이다.

도 5는 도 2의 형태 생성 알고리즘을 설명하는 도면이고, 도 6은 도 5의 좌우채널 분리 모듈에 의해 음원 데이터가 분리되는 과정을 설명하는 도면이며, 도 7은 도 5의 최적화 모듈에 의한 갈라파고스의 세대간 진화 형태를 설명하는 도면이다.

도 5를 참고하면, 형태 생성 알고리즘(500)은 UDP 입력 모듈(510), 좌우채널 분리 모듈(520), 좌채널 모듈(531) 및 우채널 모듈(532), 협화음정 모듈(540) 및 최적화 모듈(550)을 포함한다.

UDP 입력 모듈(510)은 UDP 입력 컴포넌트를 이용하여 4V에서 출력되는 음원 데이터를 입력받는다. 그래스호퍼는 플러그인인 파이어플라이(FireFly)를 이용하여 입력을 받는다. 파이어플라이는 마이크로컨트롤 제어를 위한 어플리케이션으로 그래스호퍼의 인터페이스에서 사용할 수 있고, 외부와 통신이 가능하도록 UDP 입출력을 지원한다.

좌우채널 분리모듈(520)은 데이터 분리를 위한 스플릿(Spilt) 컴포넌트를 이용하여 좌우 채널값을 분리한다.

좌채널 모듈(531) 및 우채널 모듈(532)은 형태를 생성하기 위해 좌채널 값 및 우채널 값을 점좌표로 변형한다.

협화음정 모듈(540)은 점좌표에 가중치를 주어 크기를 변형한다. 건축부재에 협화음정을 적용하는 이유는 대부분의 경우 소리 파일은 좌우 채널에 크기가 동일하기 때문이다. 형태 생성 알고리즘의 기본 원리는 좌우 채널의 2개의 음이 함께 울렸을 때 잘 어울리는 두 음 사이의 거리이며, 협화음정은 서로 잘 어울리는 음정인 완전 협화음정(완전 1도, 완전 8도, 완전 4도, 완전 5도)과 음의 어울림이 약한 불완전 협화음정(장3도, 단 3도, 장 6도, 단 6도)으로 구성된다.

좌우채널 분리 모듈(520)을 거쳐 협화음정 모듈(540)에 입력되는 음원 데이터는 도 6에 도시된 바와 같이 소수점 4째 자리까지이다. 따라서, 협화음정 모듈(540)은 완전 5도를 적용할 경우에 좌채널에 2000, 우채널에 3000을 적용하여 소수 형태의 음원 데이터를 자연수 형태로 적용한다. 협화 음정 모듈(540)은 소수 형태의 음원 데이터를 건축 부재에 적용할 경우에 소수값은 형태 변화가 적어 시각적으로 확인이 어렵기 때문에 자연수 형태가 되도록 한다.

최적화 모듈(550)은 음악의 시작시점부터 종료시점까지 지속적으로 입력되는 동적 데이터를 정적 데이터로 변환하기 위해 갈라파고스의 유전 알고리즘을 적용한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 갈라파고스는 진화의 논리를 이용한 최적화 알고리즘으로서, 세대간 진화를 통해 형태 대안을 제시한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법에 의해 건축 부재 중 보의 형태 생성 원리를 설명하는 도면이고, 도 9는 도 8에 의해 생성된 보에 협화음정을 적용한 형태 대안을 설명하는 도면이다.

도 8 및 도 9를 참고하면, 보의 형태 생성 원리는 스윕(Sweep) 방식이고, 스윕 방식은 단면을 경로에 따라 연속적으로 그리는 방식이다. 경로를 이루는 선은 제어점으로 선의 형태를 제어할 수 있는 넙스이다. 제어점의 높이값(Z축)dp 음악을 파라미터에 적용하여 형태를 제어한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 보의 협화 음정을 적용한 형태는 협화 음정을 완전 1도로 적용한 경우, 완전 4도로 적용한 경우, 완전 5도로 적용한 경우마다 보의 형태가 달라짐을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법에 의해 건축 부재 중 지붕의 형태 생성 원리를 설명하는 도면이다.

도 10을 참고하면, 지붕의 형태 생성 원리는 로프트(Loft) 방식을 사용하고, 로프트 방식은 선과 선을 연결하여 곡면을 생성한다.

이때, 형태 생성 알고리즘은 로프트(Loft), 디바이드(Divide), 익스플로드(Explode), 아이템(Item) 및 라인(Line)을 포함하는 형태 생성 컴포넌트를 이용하여 지붕 형태를 생성한다.

로프트 컴포넌트는 경로와 경로를 연결하여 곡면을 생성하고, 디바이드 컴포넌트는 면을 UV 형식으로 분할하며, 익스플로드 컴포넌트는 분할된 면을 분해하고, 아이템 컴포넌트는 면의 점을 정의하며, 라인 컴포넌트는 정의된 점과 점을 연결하여 선을 만든다.

형태 생성 알고리즘은 로프트 컴포넌트를 이용해 곡면을 생성하고, 생성된 곡면을 디바이드(Divide) 컴포넌트를 이용하여 UV로 해석한다. 지붕 형태의 프레임을 완성하기 위해 해석한 곡면을 UV 단위별로 분할하고, 다이아그리드 형태로 선을 연결한다.

이때, UV는 파라메트릭 방정식에서 3차원 공간의 표면을 매개변수적으로 표현할 때 사용하는 방식으로서, 3차원의 표면을 2차원(U, V)에 의해 정의되는 매개변수적 평면의 변형으로 여겨질 수 있다.

IFC 생성은 그래스호퍼에서 생성된 형태를 지오메트리(Geometry) GYM BIM을 사용하여 IFC 출력할 수 있는데, 지오메트리 GYM BIM은 그래스호퍼의 플러그인으로 그래스호퍼에서 생성된 형태를 보, 기둥, 벽, 슬라브 등의 주요 부재 단위로 IFC 출력한다. IFC 생성은 하기한 표 1에 기재된 IFC 생성 컴퍼넌트를 이용하여 그래스호퍼에서 생성된 형태를 IFC 2X4로 출력한다.

이와 같이, 본 발명은 음악을 디지털 건축 디자인에 적용하기 위한 BIM 기반의 형태 생성을 위해, 따라 넙스(NURBS) 기반의 디자인 어플리케이션인 라이노 3D 모듈에서 제공하는 그래스호퍼와 BIM 어플리케이션인 레빗 아키텍쳐 모듈을 활용하한다. 따라서, 본 발명은 음악의 디지털 형태 구현 측면에서 다양한 부재를 적용할 수 있지만, 주요 부재인 보와 지붕을 선정하여 음악적 요소를 적용한 후에 생성된 건축 부재의 형태를 BIM 소프트웨어에서 재사용하기 하기 위해 형상 정보와 속성 정보를 IFC 기반으로 정의한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110 : 라이노 3D 모듈
120 : 레빗 아키텍쳐 모듈

Claims

비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리하는 디지털 건축 디자인 시스템에 의해 수행되는 비정형 형태 구축 방법에 있어서,
아날로그 형태의 음원이 입력되면, 해당 음원 소리의 크기를 분석하여 문자열을 변경하여 음원 데이터로 출력하는 파라메트릭 단계;
상기 음원 데이터를 이용하여 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 건축 부재에 적용되는 비정형 형태를 생성하도록 데이터를 재구축하고, 상기 건축 부재의 유형을 선택하는 형태 생성 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행 단계;
상기 선택한 건축 부재의 유형에 맞게 협화 음정을 적용하고, 동적 데이터로 입력되는 상기 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성하는 형태 생성 단계; 및
상기 협화 음정을 적용한 건축 부재를 빌딩 정보 모델링(Building Information Modeling, BIM) 툴에 적용하기 위한 형상 정보와 속성 정보를 입력하고, 각 건축 부재 단위로 3차원 구조형상정보를 출력하는 BIM 적용 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제1항에 있어서,
상기 파라메트릭 단계는, 멀티미디어 프로토타입(Prototype) 제작을 위한 멀티미디어 툴을 이용하여 청각 상태의 음원을 숫자 형태의 문자열로 변경하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제1항에 있어서,
상기 파라메트릭 단계는 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 통신을 통해 실시간 음원 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제3항에 있어서,
상기 알고리즘 실행 단계는,
상기 UDP 기반의 통신을 통해 입력되는 음원 데이터를 상기 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 사용하기 위해 상기 음원 데이터의 연동 처리를 수행하는 데이터 처리 단계; 및
상기 음원 데이터를 상기 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴에서 비정형 형태를 생성할 수 있도록 데이터를 재구축하고, 상기 건축 부재의 유형을 선택하는 매개변수 선택 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제1항에 있어서,
상기 형태 생성 알고리즘은,
상기 음원 데이터를 UDP(User Datagram Protocol) 입력 컴포넌트를 통해 입력받는 UDP 입력 모듈;
상기 입력받은 음원 데이터를 스플릿(Split) 컴포넌트를 통해 좌우 채널값으로 분류하는 좌우채널 분리 모듈;
상기 좌우 채널값을 점 좌표로 변형하는 좌채널 모듈 및 우채널 모듈;
상기 점 좌표에 가중치를 주어 크기를 변형하는 협화음정 모듈; 및
동적으로 입력되는 음원 데이터를 정적 데이터로 변환하여 최적화된 형태 대안을 제시하는 최적화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제5항에 있어서,
상기 최적화 모듈은 유전 알고리즘이 적용되는 갈라파고스를 실행하여 세대간 진화를 통해 형태 대안을 제시하고, 상기 제시한 형태 대안을 통해 비정형 형태의 표현을 제한하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제5항에 있어서,
상기 파라메트릭 단계는 제1 기호 또는 제2 기호를 사용하여 분류된 좌우 채널값을 합병하여 UDP를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제7항에 있어서,
상기 제1 기호는 콤마(,)이고, 상기 제2 기호는 세미콜론(;)이며,
상기 콤마는 시간 값, 세미콜론은 시간과 시간을 각각 분류하도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제5항에 있어서,
상기 협화 음정 모듈은,
완전 1도, 완전 8도, 완전 4도 및 완전 5도를 포함하는 완전 협화 음정을 표현하는 각각의 비율을 설정하고, 장 3도, 단 3도, 장 6도 및 단 6도를 포함하는 불완전 협화 음정을 표현하는 각각의 비율을 설정하며, 해당 협화 음정이 상기 좌우 채널값에 각각 적용되어 음원 데이터가 자연수 형태가 되도록 하는 비율 수치를 결정하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제1항에 있어서,
상기 BIM 적용 단계는 스윕(Sweep) 모델링 방식 또는 로프트(Loft) 모델링 방식을 사용하여 건축 부재의 수정이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
제10항에 있어서,
상기 스윕 모델링 방식을 이용하여 보의 형태를 생성하고, 상기 로프트 모델링 방식을 이용하여 지붕의 형태를 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 방법.
비정형 건축물의 각 건축 부재에 비정형 형태를 생성하기 위한 복수의 소프트웨어를 내장하고, 각 소프트웨어간에 연동을 위한 프로토콜 또는 데이터 포맷을 변환 처리하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템에 있어서,
건축부재에 따라 시각적 프로그래밍 언어 기반으로 음악을 이용한 비정형 형태 모델을 생성하여 제공하는 라이노 3D 모듈; 및
상기 건축 부재의 비정형 형태 모델을 매스 모델링 방식을 통해 BIM 모델로 전환한 후 각 건축 부재의 정보를 활용하여 디지털 건축 디자인에 적용하기 위한 3차원 구조 형상정보를 출력하는 레빗 아키텍쳐 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템.
제12항에 있어서,
상기 라이노 3D 모듈은,
청각 상태의 음원을 숫자 형태의 문자열로 변경한 음원데이터를 제공하는 멀티미디어 툴; 및
상기 멀티미디어 툴을 통해 제공받은 음원데이터를 이용하여 비정형 형태를 생성할 수 있도록 데이터를 재구축하는 시각적 프로그래밍 언어 기반의 디자인 툴을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템.
제13항에 있어서,
상기 멀티미디어 툴과 디자인 툴은 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 통신을 통해 실시간 음원 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템.
제13항에 있어서,
상기 디자인 툴은 상기 음악을 형태로 구현하는 형태 생성 알고리즘을 건축 부재에 맞게 생성하고, 상기 건축 부재에 협화음정을 적용한 후 유전자 알고리즘을 이용하여 음악의 동적 데이터를 정적 데이터로 변환하여 해당 건축 부재의 형태를 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템.
제15항에 있어서,
상기 레빗 아키텍쳐 모듈은
상기 협화음정이 적용된 건축 부재를 BIM 모델에 적용하기 위해 형상 정보와 속성 정보를 IFC(Industry Foundation Classes) 기반으로 정의하는 것을 특징으로 하는 디지털 건축 디자인의 비정형 형태 구축 시스템.