4D프린팅과 매트리얼 프로그래밍을 활용한 어댑티브 빌딩 파사드

Abstract

본 논문은 키네틱 메커니즘을 기반으로 한 어댑티브 빌딩 파사드(adaptive building facade; AF)의 단점인 전력 소비, 복잡한 구성요소와 유지관리, 소음 및 진동 등을 해결하고자 추가 전력 없이 외부 환경에 따라 스스로 움직이는 형상기억합금(shape memory alloy; SMA)과 형상기억고분자(shape memory polymer; SMP)를 결합한 형상기억복합재(shape memory composites; SMC)로 간단하고 가벼운 AF 모듈을 제안한다.

SMC를 사용한 AF 디자인은 선인장의 기공 개폐 메커니즘을 생체 모사한 수학적 모델로 비정형 건축물에 실제 적용 가능한 크기로 제시하였다. AF SMC 모듈에 사용되는 재료는 열역학적 테스트를 통해 물성을 파악하였다. 이를 통해 SMA를 고온에서 열처리하여 프로그래밍하고, 4D프린팅 기술을 통해 SMP를 프로그래밍한 뒤 두 재료를 결합하여 AF SMC 모듈로 제안하였다.

AF SMC 모듈은 구성모델을 기반으로 한 1D, 3D시뮬레이션을 통해 움직임을 예측하고, 축소모형을 제작하여 변이온도에 따라 형태가 변하는 것을 확인하였다. 또한, 일조·에너지 시뮬레이션을 통해 AF SMC 모듈이 일조와 태양복사를 제어하여, 에너지를 낮춰 건물 성능을 높일 수 있음을 입증하였다. 본 연구 결과를 통해 AF SMC가 실제 건축에 적용되었을 때, 조도 조절 및 에너지 성능을 개선함으로써 어댑티브 건축에서 SMC가 유용성을 갖고 있음을 보여준다.