인공지능(AI)으로 건물의 외양이 변하는 기술 국내 연구진에 의해 구현

스마트팜, 태양광 모듈 등 사회 인프라 건설 응용 기대 

Machine-Learned Facade (위: 정면, 아래: 실제 작동 모습)“Machine-Learned Facade”로 명명된 개발된 인공지능 건축 가변형 파사드 완성 모습 그림설명 및 그림제공 : 아주대학교 이황(건축학과 부교수)

건축은 우리 삶과 아주 밀접한 연관을 갖는 분야이다. 딱딱하고 정형화된 방식의 건축에서 벗어나, 우리 환경에 직접적으로 도움을 주는 새로운 방식의 미래 건축에 대해 관심을 갖고 준비할 필요가 있다. 인공지능(AI)으로 건물의 외양이 변하는 기술이 국내 연구진 의해 구현됐다.

아주대학교 이황 교수연구팀이 인공지능 기술을 통해 재실자의 쾌적성을 실시간으로 예측하여 자동으로 형태를 변경하는 3차원 건축 외피(차양)를 개발했다고 밝혔다.

건물에는 실내 환경의 쾌적성을 위해 외부의 빛, 바람, 온도 등을 일정하게 조절하는 시스템이 적용되어 있다. 그러나 대개 외부 창호 등을 통한 일조·일사 부하가 에너지 절감·재실 쾌적성 조절에 큰 문제가 되는 경우가 많다.

자연의 생명체가 형태 변화를 통해 스스로 환경에 적응하듯, 외부 환경과 직접 맞닿는 외벽 및 창호의 형태 변화만으로도 복잡한 기계설비의 도움을 최소화하고 에너지 사용량 등을 절감할 수 있으나, 관련된 건축 설계 기법 및 건설기술 개발은 매우 부족한 실정이다.

이에 연구팀은 기후변화·탄소중립 시대의 친환경 건축을 디자인적 방식으로 해결하기 위해 로보틱스 및 인공지능 기술을 활용한 ‘키네틱(kinetic) 건축’기법을 도입했다.

* 키네틱(kinetic) 건축: 상황에 따라 요구되는 여러 조건들을 만족시키기 위해 구조, 행태, 재원이 스스로 조정하여 바꿔나가는 것을 기반으로 한 건축.

먼저, 3차원적으로 개폐하는 외장 차양을 다양한 건물 유형에 널리 보급하고 실제 현장에 적용할 수 있도록 개발하기 위하여, 모터의 사용을 최소화하고 구동 방식을 효율화한 메커니즘을 디자인하고 제작하였다.

특히, 삼각형 입체 모듈의 일체화를 통해 제작 및 시공의 복잡성을 획기적으로 낮췄으며, 인공지능을 통해 실시간으로 실내 조도와 시각 쾌적성을 예측해 최적 각도를 찾아 건물 차양 외피가 변형하는 방식으로 운영 소프트웨어의 복잡성을 크게 간소화할 수 있었다.

키네틱 건축으로 불리는 자동으로 움직이는 입체 건물 외피는 일부 해외 사례에서 시도된 바 있지만, 인공지능을 활용한 키네틱 차양 외피를 제어하는 방법을 실제 구현 및 검증한 것은 이번이 처음이다.

이황 교수는 “실용적인 개발을 통해 현장검증을 마친 만큼 스마트팜, 태양광 모듈을 비롯한 기타 사회 인프라 건설에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수 신진연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 건축·건설·토목 분야 최상위 국제(SCIE) 학술지인 ‘오토메이션 인 컨스트럭션(Automation In Construction)’ 온라인판에 2023년 9월 16일에 게재되었다.

메커니즘 디자인 (좌), 실내 시각쾌적성 AI 예측운영 결과 (우)

1. 연구의 필요성

○ 마치 살아있는 자연과 같이 주변 환경이나 상황에 반응하여 움직이는 건물은 건축가들이 오랫동안 상상해왔던 관심사이다. 특히, 건물의 파사드는 건물의 형태와 미적인 외관을 결정하는 가장 중요한 부분으로서 건축가 장누벨의 프랑스 파리의 아랍세계연구소(Institut du monde arabe) 및 아부다비의 Al Bahr Towers 사례에서 볼 수 있듯이, 일반적인 기계 시스템을 활용하여 변형하는 차양 파사드(이하 키네틱 파사드)를 실제 건물에 구현하려는 노력이 세계적으로 지속되고 있다.

○ 본 연구자는 2018년 선행 연구를 통해 키네틱 파사드(창호, 외벽 등 건물의 외장 요소 일체)의 외부 기후에 반응한 형태적 변화를 통해 일조·일사 유입 등을 조절하는 방식으로, 복잡한 기계설비의 도움 없이 냉난방 부하를 줄여 제로에너지 상태에 가까운 건물을 만들 수 있음을 입증한 바 있다.

○ 키네틱 파사드의 건축미학적, 과학적 관심과 장점에도 불구하고 일반적인 건물에서 이를 설계하고 구현하기에는 상당한 어려움이 있다. 건축적으로 잘 알려지지 않은 복수의 전자기 모터, 센서, 회로 등의 복잡하고 값비싼 전자-기계적 구성을 필요로 하는 동시에, 임베디드 시스템을 건축공간적인 표현요소와 일체시켜야하는 디자인 문제가 공존하기 때문이다.

○ 그밖에 키네틱 파사드의 상용화에 있어 핵심적인 문제는 움직임의 제어를 위한 적절한 S/W이다. 키네틱 파사드를 원하는 방식으로 제어하기 위해서는 변형된 상태에 따른 실내외 환경변화에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 필수적이나, 계산 비용이 매우 크고 느리다는 단점이 있다. 시시각각 변화하는 환경에 최적화된 형태변화를 위해서는 예측 기반의 회로 제어가 필요하나, 이 부분에 대한 연구가 실질적으로 이루어지지 않았다.

2. 연구내용

○ 본 연구의 핵심은 AI가 건물요소와 일체화되어 인공지능으로 움직이는 건축을 가변형 차양 파사드 디자인에 적용하여 실제로 구현한 점이다.

○ H/W측면에서 키네틱 파사드의 입면을 벌집모양의 육각형 기하학 패턴으로 분할하고, 구동체 모듈과 디자인 모듈을 구분하여 설계와 제작을 간소화하였다. 모터와 기어메커니즘 사용을 최소화하는 동시에, 구동부를 입면 구조체 내부에 삽입함으로써 복잡한 기계장치가 외관상 드러나지 않도록 하였다.

○ 3차원으로 열리고 닫히는 차양각도에 따라 실외 조도와 실내 현휘를 AI 통해 실시간으로 예측하고 재실자의 시각 쾌적성 확보를 위해 키네틱 파사드 변형을 최적화하였다. 이를 위해 다양한 딥러닝과 머신러닝 알고리즘 등의 성능을 비교하고, XGBoost 모델을 적용하여 매우 빠른 시간 안에 형태제어를 할 수 있는 S/W시스템을 개발하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 인공지능기법을 3차원 건물외피의 설계 및 운영에 적용하여 기후 반응형 건축을 구현한, 건축학 분야에서는 세계적으로도 선도적인 사례이다.

○ 제안된 디자인과 기술을 건축물에 적용하여 다양한 형태의 움직이는 건물을 구현할 수 있으며, 간단한 제작방식의 디자인을 통해 실내 냉방부하를 줄임으로써 장기적으로 기후 변화 대응 문제 해결과 탄소 저감에 도움을 줄 것으로 기대한다. AI기반 가변형 건축 메커니즘은 건물뿐만 아니라, 태양광 패널 각도 최적화, 도로 차폐벽 등 건조 환경을 구성하는 각종 도시 인프라 시설에 활용될 수 있다.

한국연구재단 홍보실 제공