Ⅰ. 서론

1. 연구의 배경 및 필요성

현대 건축 디자인은 기술의 발전에 따라 과거의 정형화된 형태를 넘어 복잡하고 유려한 비정형 곡면을 적극적으로 도입하고 있다. 특히 공항 건축물은 대규모 공간을 수용하는 기능적 특성과 지역의 상징성을 함께 요구받기 때문에, 독창적인 외관과 개방적인 내부 공간을 구현하기 위한 비정형 대공간 지붕이 주요 설계 요소로 활용되고 있다. 이에 따라 건축 설계 프로세스 역시 3차원 정보를 기반으로 설계의 정합성과 협업 효율성을 높이는 BIM (Building Information Modeling) 환경으로 전환되고 있다.

그러나 실제 설계 현장에서 사용되는 많은 BIM 저작 도구(BIM Authoring Tool)는 표준화된 건축 요소의 생성과 관리에 최적화되어 있어, 곡률 변화가 크고 기하학적 규칙이 복잡한 비정형 지붕을 설계자가 의도한 형태로 자유롭게 생성하고 수정하는 데 한계가 있다. 이로 인해 실무에서는 비정형 모델링은 Rhino, CATIA 등 NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) 기반 형상 모델링 도구에서 수행하고, 도면화와 부재 단위의 속성 관리는 Revit과 같은 객체 기반 BIM 모델 작성·관리 도구에서 수행하는 이원화된 워크플로우가 사용되는 경우가 많다.

이러한 이원화된 작업 방식은 소프트웨어 간 데이터 단절 문제를 발생시킨다. 전문 모델링 소프트웨어에서 작성된 비정형 지붕 형상은 BIM 환경으로 전달되는 과정에서 단순 Geometry로 변환되는 경우가 많으며, 이때 형상 정보와 함께 관리되어야 할 구조 그리드, 주요 부재 위치, 패널 정보, 파일 변환, BIM 재입력, 2D 도면 재작성 등의 절차가 반복되고, 이는 BIM의 핵심 가치인 ‘통합 모델 기반 협업’을 저해하는 요인으로 작용한다.

특히 비정형 공항 지붕은 건축적 조형성뿐 아니라 구조 계획, 패널라이징, 시공성 검토, 도면화 과정이 상호 연계되어야 하므로, 형상 정보와 BIM 정보가 분리될 경우 설계 변경에 따른 후속 업무 부담이 더욱 커진다. 또한 BIM은 설계·시공·유지관리 전 과정에서 활용되는 정보 모델이므로, 지붕면, 패널, 구조 부재 등의 정보가 객체 단위로 축적되지 못할 경우 유지관리 단계로 이어지는 정보 활용에도 한계가 발생한다. 따라서 비정형 지붕 설계에서는 단순히 복잡한 형상을 생성하는 기술뿐 아니라, 지붕 형상과 관련 부재 및 도면 정보를 하나의 BIM 환경 안에서 연계·관리할 수 있는 데이터 중심의 설계 워크플로우가 필요하다.

기존 연구에서는 비정형 건축곡면의 BIM 기반 패널분할 최적화, A-BIM (Algorithm based BIM) 프로세스, BIM 기반 설계협업 개선, 자유곡면 외피의 패널링 및 제작성 검토 등에 대한 논의가 이루어져 왔다[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. 이러한 연구들은 비정형 형상의 생성, 패널 분할 알고리즘, 제작성 및 협업 프로세스 개선 측면에서 중요한 기초를 제공한다. 그러나 실제 공항 지붕 설계 사례를 대상으로 외부 모델링 도구에서 작성된 자유곡면 형상이 BIM 환경에서 정보 객체로 충분히 전환되지 못하는 문제를 확인하고, Revit-Dynamo 기반의 단일 BIM 환경에서 지붕선, 지붕면, 구조 그리드, 주요 구조부 및 패널 정보를 연계·관리하는 실무형 워크플로우를 제안한 연구는 상대적으로 제한적이다.

이에 본 연구는 비정형 공항 지붕 설계에서 발생하는 소프트웨어 간 데이터 단절 문제를 완화하기 위해, Revit과 Dynamo를 활용한 BIM 기반 패러메트릭 디자인 워크플로우를 제안하고자 한다. 본 연구에서의 패러메트릭 디자인은 단순한 형상 자동화 수단이 아니라, 지붕선, 지붕면, 구조 그리드, 주요 구조부, 패널 정보 등을 동일한 매개변수 체계 안에서 연계하여 설계 정보를 단일 BIM 환경에서 일관되게 제어하기 위한 방법론으로 정의된다.

2. 연구의 목적 및 방법

본 연구의 목적은 비정형 곡면 설계 시 발생하는 이원화된 워크플로우와 데이터 단절 문제를 완화하기 위해, 패러메트릭 디자인(Parametric Design) 방법론과 비주얼 프로그래밍(Visual Programming)을 활용하여 BIM 환경 내에서 통합된 설계 워크플로우를 구축하고, 이를 실제 설계가 진행 중인 새만금국제공항 비정형 지붕 설계에 적용한 과정을 제시하는 데 있다. 이는 전문 프로그래머가 아닌 건축 설계자가 복잡한 형태의 생성 및 수정 과정을 논리적으로 자동화하고, 지붕 형상, 구조 그리드, 주요 부재 및 패널 정보를 단일 BIM 환경에서 연계·관리할 수 있는 설계 방법론을 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 연구는 특정 사례 자체의 결과만을 분석하는 단순 사례연구라기보다는, 실제 프로젝트 적용을 기반으로 한 BIM 기반 패러메트릭 디자인 방법론 개발 연구이다. 다만 현재 대상 프로젝트가 진행 중인 설계 사례이므로, 설계 변경 시간, 도면 재작성 횟수, 오류 발생 건수 등 정량적 성과 지표는 프로젝트 완료 이후의 설계 변경 이력과 작업 기록을 바탕으로 추가 검증되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 제안 워크플로우의 적용 과정을 중심으로 데이터 연계성 확보와 워크플로우 단일화의 실무적 의의를 정성적으로 검토한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 방법으로 연구를 진행한다.

첫째, 실제 대규모 비정형 건축물인 새만금국제공항 설계 프로젝트를 사례로 선정하여, 기존 방식의 지붕 설계 과정에서 발생하는 문제점과 한계를 구체적으로 분석한다.

둘째, 패러메트릭 디자인의 핵심 구성 요소인 ‘매개변수(Parameter), 제약 조건과 관계(Constraints & Relationships), 알고리즘 논리(Algorithmic Logic)’를 기반으로 새로운 지붕 설계 워크플로우를 이론적으로 정립한다.

셋째, Autodesk Revit 환경에서 비주얼 프로그래밍 도구인 Dynamo를 사용하여 앞서 수립한 워크플로우를 실제로 구현한다. 이 과정에서 주요 매개변수와 로직을 설정하고, 지붕의 기하학적 형상과 주요 구조 부재를 자동 생성하는 구체적인 과정을 상세히 기술한다.

넷째, 제안된 워크플로우의 실무적 의의를 검토한다. 기존 이원화 방식에서 발생하는 모델 변환, 매개변수 재입력, BIM 재모델링, 2D 도면 재작성 등의 반복 절차를 줄이고, 지붕 형상과 관련 설계 정보를 단일 BIM 환경에서 연계·관리할 수 있는 가능성을 중심으로 평가한다.

Ⅱ. 새만금국제공항 지붕 설계의 과제

1. 새만금국제공항 지붕 설계의 특성

새만금국제공항의 지붕은 ‘자연의 숨결’과 ‘도약의 꿈’을 상징하는 “THE FLYING WAVE”컨셉을 담아, 이를 형상화한 비정형 구조로 설계되었다. 지붕은 크게 조형성, 상징성, 기능성의 세 가지 특성을 반영하여 구현된다(Fig. 1).

Fig. 1.

Perspective View of Saemangeum International Airport

첫째, 조형성은 ‘날아가는 파도’를 형상화한 곡선형 지붕으로 드러난다. 지붕의 선형은 새만금의 지리적 환경과 조화를 이루는 동시에 항공기의 동적인 이미지를 담아낸다. 이러한 유려한 곡선은 단순한 형태적 미를 넘어, 공항의 개방성과 미래지향성을 상징하는 독창적 외관으로 표현된다(Fig. 2).

Fig. 2.

Formal Characteristics of the Roof

둘째, 상징성은 새만금의 ‘자연의 숨결’과 ‘도약의 꿈’을 담아내는 데 있다. 부드럽게 흐르는 선들은 바람과 파도의 이미지를 은유하며, 이러한 선형은 건물의 입면 디자인에 반영되어 지역의 자연성과 미래지향적 비전을 동시에 드러낸다. 이를 통해 공항은 단순한 교통 시설을 넘어, 새만금의 정체성을 상징하는 문화적 아이콘으로 자리매김한다(Fig. 3).

Fig. 3.

Symbolic Characteristics of the Roof

셋째, 기능성은 넓게 펼쳐진 지붕과 내부 대공간 계획을 통해 여객 이용성을 향상시키는 데 있다. 개방감 있는 공간은 여객에게 공항을 이용함에 있어 심리적 여유와 쾌적함을 제공하며, 공간의 가변성을 확보하여 향후 이용객 증가에도 유연하게 대응할 수 있는 공항으로 기능한다(Fig. 4).

Fig. 4.

Functional Characteristics of the Roof

2. 비정형 지붕 구현의 어려움

새만금국제공항의 지붕은 곡률이 일정하지 않은 복잡한 3차원 곡면으로 이루어져 있다(Fig. 5). 이는 단순한 1·2차원 곡선 지붕과 달리, 설계와 시공 전 과정에서 형상 제어, 패널 분할, 제작성 검토, 유지관리 측면의 제약을 발생시킨다.

첫째, 제작 및 시공 비용 측면의 부담이다. 일반적인 곡면은 단순한 패널라이징 기법을 통해 표준화된 모듈을 형성할 수 있어 제작과 시공 계획을 단순화할 수 있다. 그러나 곡률이 일정하지 않은 3차원 곡면은 모듈의 표준화가 어렵고, 이에 따라 맞춤형 부재 제작, 접합부 상세 검토, 시공 오차 대응이 필요하다. 이러한 조건은 설계 초기 단계부터 제작 가능 규격과 시공성을 함께 고려해야 하는 요인으로 작용한다.

Fig. 5.

Three-Dimensional Curved Lines of the Roof

둘째, 패널라이징의 한계다. 복잡한 곡률을 가진 곡면은 단순한 등간격 분할만으로는 실제 제작 가능한 패널 단위로 전환하기 어렵다(Fig. 6). 패널의 폭과 길이, 곡률 허용 범위, 접합 방식, 방수 성능, 운반 및 현장 설치 조건 등이 함께 검토되어야 하며, 이러한 기준이 반영되지 않을 경우 패널 제작 난이도 증가, 접합부 품질 저하, 시공 오차 발생으로 이어질 수 있다. 따라서 비정형 지붕의 패널라이징은 단순한 곡면 분할이 아니라, 설계 의도와 제작성, 시공성을 동시에 조정하는 과정으로 이해될 필요가 있다.

Fig. 6.

Limitations of Roof Panelization

셋째, 유지관리의 어려움이다. 비정형 지붕은 표준화된 부재보다 위치별 형상과 접합 조건이 다른 부재가 사용될 가능성이 높으므로, 장기적인 유지관리 과정에서 교체나 보수가 복잡해질 수 있다. 특히 곡률 변화가 큰 부위, 패널 접합부, 배수 경로, 지붕 관통부 등은 누수나 균열 등 유지관리상 취약 지점이 될 수 있다(Fig. 7). 따라서 설계 단계에서부터 패널별 위치, 형상, 재료, 접합 조건 등 유지관리에 필요한 정보가 BIM 객체 단위로 관리될 필요가 있다.

Fig. 7.

Maintenance Vulnerable Points of the Roof

이와 같이 비정형 지붕 설계는 조형적 완성도뿐 아니라 제작 가능성, 시공성, 유지관리성을 함께 고려해야 하는 복합적인 설계 과제이다. 따라서 본 연구에서는 지붕 형상, 구조 그리드, 주요 구조부 및 패널 정보를 단일 BIM 환경에서 연계·관리할 수 있는 Revit-Dynamo 기반 패러메트릭 디자인 워크플로우를 통해 이러한 문제를 완화하고자 한다.

3. 지붕 설계와 부위별 설계와의 관계성

비정형의 지붕을 가지는 건축물에서는 지붕 형상이 전체 건축 계획의 기준이 되며, 이에 따라 내·외부 천장, 커튼월, 상부 구조 및 하부 구조 등 관련 부위의 설계가 순차적으로 영향을 받는다. 이러한 부위별 설계 우선순위와 제약 조건 및 관계(Constraints & Relationships)는 Fig. 8과 같이 형성된다.

특히 지붕은 건축 계획 분야의 조형 요소를 결정하는 동시에, 구조 설계 분야의 조형 요소 설정에도 영향을 미친다. 따라서 지붕 디자인이 변경될 경우 관련 마감, 외피, 상부 구조 및 하부 구조의 조정이 함께 요구되며, 비정형 지붕 설계에서는 이러한 부위 간 관계를 사전에 정의하고 일관되게 관리할 수 있는 BIM 기반 패러메트릭 워크플로우가 필요하다.

Fig. 8.

Design Relationship Diagram Based on Roof Design Priority

4. 비정형 지붕 설계의 BIM 정보 연계 한계와 해결방안

BIM은 단순한 3차원 형상 모델이 아니라, 설계·시공·유지관리 전 과정에서 건축물의 형상 정보와 속성 정보를 통합적으로 관리하기 위한 정보 모델이다. 따라서 BIM 모델은 3차원 형상의 시각적 표현뿐만 아니라, 부재별 재료, 면적, 수량, 위치, 시공 및 유지관리 정보 등을 객체 단위로 포함하고 있어야 한다. 그러나 비정형 지붕과 같이 복잡한 곡면 형상을 가지는 경우, 외부 형상 모델링 도구에서 작성된 자유곡면 데이터가 후속 BIM 환경으로 반입되더라도 개별 지붕면, 패널, 구조 부재 등의 정보 객체로 충분히 전환되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

이 경우 형상 자체는 3차원 모델로 확인할 수 있으나, BIM에서 요구되는 객체별 매개변수와 속성 정보가 분리되거나 누락된다. 그 결과 3차원 모델과 2차원 도면 간의 연계성이 약화되고, 설계 변경 시 모델 수정, 도면 재작성, 면적·수량 정보 재입력 등의 반복 작업이 발생한다. 또한 패널별 재료, 접합 방식, 교체 이력 등 유지관리 단계에서 활용되어야 할 정보가 객체 단위로 축적되기 어려워, BIM 전 생애주기 정보 관리 기능이 충분히 발휘되지 못한다.

이러한 문제는 특정 소프트웨어의 성능 한계만이 아니라, NURBS 기반 형상 모델링 도구와 객체 기반 BIM 모델 작성·관리 도구 간 데이터 구조의 차이, 파일 변환 과정에서의 속성 정보 손실, 그리고 형상 정보와 BIM 정보의 분리에서 비롯된다. 따라서 비정형 지붕 설계에서는 단순한 파일 호환 여부보다, 형상 정보가 지붕면, 패널, 구조 부재 등 BIM 객체 정보로 연속적으로 전환되고 설계 변경 과정에서도 유지될 수 있는지가 중요하다.

Table 1은 주요 비정형 건축 사례에서 활용된 설계도구를 공개 자료를 통해 확인하고, 확인된 설계도구 간 데이터 구조와 파일 변환 방식에 따른 소프트웨어 호환성 및 BIM 정보 연계상 검토 사항을 정리한 것이다. 이는 각 프로젝트의 전 과정을 실증적으로 분석한 결과라기보다는, 공개 자료에서 확인 가능한 사용 프로그램과 그 프로그램 간 데이터 교환 특성을 바탕으로 도면 재작성, 속성 정보 손실, 단순 Geometry 참조, BIM 객체화 한계 등 비정형 설계에서 발생할 수 있는 호환·비연계 문제를 분석한 것이다.

Table 1.

Software Compatibility and BIM Information Discontinuity Review in Free-Form Architectural Cases

Project	BIM Software		Compatibility and  Discontinuity Review	Image
	Roof Design S/W	Substructure S/W
Dongdaemun  Design Plaza (DDP. 2014)[13]	CATIA (Digital Project)	Tekla Structures/AutoCAD	CATIA model →  Tekla conversion: NURBS  simplified to mesh, attribute  loss, and construction  documents redrawn.
Incheon International  Airport T2 [14]	CATIA (Roof / Skylight)	Revit-based Full BIM	CATIA model import  unavailable: Re-modeling in  Revit required, with parallel  drawing management.
Jewel Changi Airport (2019)[15]	Rhino + Grasshopper	Revit, SAP2000	Surface paneling attribute loss:  Imported as simple geometry in  Revit, requiring drawing  revisions.
Kaohsiung Center for  the Arts [16] (2018)	CATIA-based  exterior system (BEMO)	Revit  (interior architecture,  MEP)	3D envelope model not  linked to BIM: Collaboration  based on simplified models  and 2D drawings, with field  verification by scanning.
ARTIC, Anaheim (2014)[17]	Rhino + Grasshopper,  Smart Form, inTENS,  CATIA	Tekla, SAP2000,  Revit/AutoCAD	Membrane-specific S/W output → CATIA integration →  Rhino conversion (IGS/SAT)  → Revit Mass import:  Geometry reference only in  BIM, without attribute or  analysis data linkage.

새만금국제공항 지붕 설계에서도 이러한 데이터 불연속성은 현상설계 단계에서 작성된 Rhino3D 기반 지붕 형상 모델을 후속 BIM 설계환경으로 반입하는 과정에서 확인되었다(Fig. 9). 현상설계 단계의 Rhino 모델은 비정형 지붕의 개념 형상과 디자인 의도를 검토하는 데에는 유효하지만, 이를 Revit으로 직접 Import할 경우 지붕면별 BIM 요소로 분리되어 인식되지 않고 하나의 Generic Model 객체로 선택되는 문제가 발생하였다. 이에 따라 지정한 지붕면에 개별 매개변수를 입력하거나, 지붕면별 면적·부피 등 기초 산출 정보를 BIM 데이터로 직접 활용하는 데 제한이 있었다. 즉, 형상 정보는 전달되었으나 BIM 객체 단위의 정보 구조는 충분히 확보되지 못한 것이다.

Fig. 9.

Case of Non-Separated BIM Objects after Importing Rhino3D Roof Geometry into Revit

물론 3D 모델을 부위별로 분할한 뒤 각각을 BIM 요소(Element)로 변환하고, 필요한 정보를 개별적으로 입력하는 방식도 가능하다. 그러나 설계 변경이 발생할 경우 원본 모델의 수정, 모델의 재분할, BIM 요소로의 재변환, 매개변수 재입력의 순차 작업이 반복된다. 이러한 방식은 형상 검토 단계에서는 활용 가능하지만, 설계 변경이 빈번하게 발생하는 비정형 지붕 설계에서는 시간과 작업 효율 측면에서 한계가 있다.

Open BIM에서는 다양한 소프트웨어로 작성된 모델을 상호 교환하고 활용할 수 있다는 장점이 강조된다. 그러나 실제 설계 현장에서는 단순한 파일 호환만으로는 충분하지 않으며, 형상 정보와 BIM 정보가 설계 변경 과정에서 연속적으로 유지될 수 있는지가 중요하다. 실시설계가 납품된 이후에도 발주자의 요구, 구조 검토, 패널 제작성, 시공성 검토 등에 따라 설계 변경 가능성이 존재하므로, 가공성이 낮은 Import 모델 중심의 워크플로우는 반복 작업과 정보 누락의 위험을 내포한다.

따라서 새만금국제공항의 설계에서는 이러한 한계를 완화하기 위해 BIM을 적극적으로 활용한 비정형 지붕 설계 전략을 채택하였다. Revit과 Dynamo와 같은 BIM 기반 비주얼 프로그래밍 도구를 활용하여 지붕 설계에 필요한 형상 정보와 부재 정보를 BIM 환경 안에서 재구성하고, 설계 변경 시 관련 요소가 연계되어 갱신될 수 있도록 하였다.

또한 비정형 지붕 설계에서는 건축설계사, 구조설계자, 지붕 전문업체가 서로 다른 설계도구와 검토 기준을 활용할 수 있으므로, 형상 작성 범위와 제작성·시공성 검토 범위가 명확하지 않을 경우 모델 재작성, 정보 재입력, 도면 재작성 등의 이중 작업이 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Table 2와 같이 건축설계사가 BIM 환경에서 작성·관리해야 할 정보와 지붕 전문업체가 검토해야 할 정보를 구분하여, 설계 변경 과정에서의 정보 전달 범위와 협업 기준을 명확히 하였다.

Ⅲ. 패러메트릭 디자인 워크플로우 구축과 Dynamo 노드(node) 활용

1. 패러메트릭 디자인적 사고

패러메트릭 모델링은 BIM 저장소(Product Repository Server), 정보 호환(Interoperability)과 함께 BIM 시스템을 구성하는 기능 중 하나이다[18]. 패러메트릭 모델링의 ‘패러메트릭’은 ‘파라미터(Parameter)’라는 단어에서 나온 것으로, 매개변수를 활용한 모델링을 의미한다. 우리가 접할 수 있는 치수, 구속조건, 공식 등과 같은 매개변수를 사용하여 모델의 형상을 정의하고, 이 매개변수들이 변경되면 모든 요소가 자동으로 업데이트되어 제약된 조건 안에서 형상을 쉽게 바꿀 수 있는 기능이다.

패러메트릭의 디자인적 사고는 매개변수(Parameter), 제약 조건과 관계(Constraints & Relationships), 알고리즘 논리(Algorithmic Logic)의 세 가지로 구분된다.

매개변수(Parameter)는 BIM 모델 내의 모든 객체가 가진 속성값이다. 이것은 객체의 형태, 크기, 재료 비용 등을 정의하는 변수이다. BIM 모델링에서 사용자가 이 매개변수 값을 변경하면, 모델에 즉시 반영된다.

제약 조건과 관계(Constraints & Relationships)는 매개변수들이 서로 어떻게 상호작용해야 하는지를 규정하는 규칙을 의미한다. 이는 BIM 모델의 일관성과 논리성을 보장한다. 제약 조건(Constraints)은 매개변수가 가질 수 있는 값의 범위를 정하고 제한한다. ‘창문의 높이는 벽의 높이를 초과할 수 없다’와 같은 규칙을 정하여 모델링이 그 범위를 벗어나지 않게 한다. 관계(Relationships)는 객체들 간의 종속성을 의미한다. 객체의 관계를 부여해 다른 요소의 변화에 자동으로 적용될 수 있도록 설정한다. 예를 들어, ‘창문은 항상 벽의 정중앙에 위치한다’와 같은 관계를 정리한다면, 창문이 삽입된 벽의 길이가 바뀌면, 창문은 자동으로 중앙에 위치하도록 조정할 수 있다.

알고리즘 논리(Algorithmic Logic)는 이 모든 것을 통합하고 자동화하는 프로세스이다. 매개변수와 제약 조건을 바탕으로 모델링의 변화를 자동으로 계산하고 반영하는 기능이라고 볼 수 있다. 예를 들어, ‘창문의 폭’ 매개변수 값을 1 m에서 1.5 m로 변경하면, BIM 소프트웨어의 논리 알고리즘은 관계(‘창문은 벽의 중앙에 위치해야 한다.’)와 제약 조건(‘창문 폭은 벽 폭보다 작아야 한다.’)을 고려하여 창문의 위치를 자동으로 조정하고, 벽의 남은 길이를 재계산하여 자동으로 업데이트한다.

이 3가지 디자인적 사고는 BIM 모델을 매개변수 기반으로 구성하여, 한 요소의 변경이 다른 모든 연결된 요소에 자동으로 반영되는 상호 연결된 시스템을 구축한다. 이러한 관계 덕분에 BIM은 단순 3D 모델링을 넘어 설계, 시공, 유지관리 전반에 걸쳐 정보를 통합하고, 오류를 줄이며 효율성을 극대화하는 설계 체계를 형성할 수 있다.

새만금국제공항 지붕 설계에서도 이러한 관계성이 나타난다. BIM을 사용하는 지붕 설계 환경에서 패러메트릭 디자인 사고를 적용하기 위한 분석으로 시작하며, 물리적인 부재와 표현 가능한 BIM 모델 요소 그리고 건축의 위계를 이해하는 것이 패러메트릭 디자인의 기초이다. 이러한 건축의 제약 조건과 관계를 분석하여 새만금국제공항 지붕 디자인의 방법을 구축하였다(Fig. 10).

Fig. 10.

Analytical Approach to the Roof Design of Saemangeum International Airport

먼저 지붕과 지붕구조의 매개변수를 만들고, 지붕의 용마루 높이는 Z₁, 처마의 높이는 Z₂로 매개변수를 생성한다. 매개변수를 정한 후 제약 조건과 관계를 부여한다. ‘지붕은 지붕구조를 필요로 한다. → 지붕구조는 하부구조로 지지된다. = 지붕구조와 하부구조는 지붕면보다 높이가 낮아야 한다’라는 모델의 일관성과 논리성을 보장한 후, 알고리즘 논리를 통하여 지붕의 높이 및 형태의 변화를 BIM 소프트웨어 안에서 적용시킬 수 있다(Fig. 11).

Fig. 11.

Design Approach for Saemangeum International Airport

전통적인 방식으로는 설계 변경 시 하나의 요소를 변경하면 관련된 모든 부분을 수동으로 수정해야 하지만, 패러메트릭 디자인에서는 객체 간의 제약 조건과 관계 설정을 통해 하나의 매개변수만 변경해도 연결된 모든 요소들이 자동으로 업데이트되어 업무량과 소요 시간이 단축된다. 디자인 변경에 소요되는 시간을 줄여주기 때문에 반복적인 작업 대신 창의적인 문제 해결에 더 집중할 수 있고, 모든 관계와 제약 조건이 모델 내에 명시적으로 기록되므로, 설계 의도를 명확하게 공유할 수 있다.

또한, 이러한 패러메트릭 디자인 데이터를 추출하고, 외부 소프트웨어를 활용하여 특정 환경적 또는 물리적 조건에 대한 시뮬레이션을 수행함으로써, 다양한 디자인 변형의 성능을 검토할 수 있다. 실제 설계와 엔지니어링 과정에도 직접적으로 적용된다. 패러메트릭 모델의 모든 요소는 속성 정보(재료, 크기, 수량)를 포함하고 있으므로, 이를 기반으로 초기 설계 단계에서 공사비 예측, 자재 발주 및 공정 계획 수립을 지원할 수 있다.

2. 패러메트릭 디자인 워크플로우 구축

새만금국제공항의 지붕 디자인은 Revit과 Dynamo 및 노드(node)를 사용한 워크플로우의 알고리즘을 구현하였다.

1) 지붕선의 작성

새만금국제공항의 디자인 컨셉을 반영하여 지붕 설계 요구사항을 설정하였다.

지붕선 #1의 디자인 특성은 단순하고 예측 가능한 기하학적 조형미를 구현하고, 처마 전체에 일관된 구조적 성능을 부여하기 위해, 모든 제어점을 바탕으로 최적의 단일 곡률을 계산하는 Arc.ByBestFitThroughPoints 노드를 채택하였다.

지붕선 #2의 디자인은 지붕선의 각 부분이 주변 컨텍스트와 상호작용하며 만들어내는 미세한 변화와 율동감을 표현하고, 특정 시간대의 일조량을 정밀하게 제어하는 차양 성능을 확보하고자, 모든 제어점을 정확히 보간(Interpolate) 하는 NurbsCurve.ByPoints를 활용하여 디자인 대안을 탐색하였다(Fig. 12).

Fig. 12.

Seq 1. Creating Roof Lines

2) 지붕면의 작성

Seq 1의 지붕선을 이용한 지붕면을 작성하였다. 지붕 처마 외의 형상 변경을 위한 방법으로 디자인 변경 및 세밀한 형상 조정을 위한 단면선을 추가하였고, 생성된 지붕의 양 끝단은 Seq 1에서 정의된 두 개의 지붕선에 의해 결정되지만, 내부의 형상은 별도로 정의된 단면선들에 의해 제어된다. 각 단면선의 높이와 곡률은 지붕의 배수 성능, 내부 공간의 천장고, 구조적 안정성 등과 연관된 파라미터와 연동되어, 설계자는 복잡한 지붕의 전체 형상을 직관적으로 조정할 수 있고, 설계 단계에서의 변화에 맞춘 조정이 가능해진다(Fig. 13).

Fig. 13.

Seq 2. Creating Grids into Elements

3) 그리드의 요소 전환

두 그리드의 교차점을 추출하여 최종적으로 추출된 교차점 좌표들은 Revit의 ‘어댑티브 컴포넌트(Adaptive Component)’또는 ‘구조 프레이밍(Structure Framing)’패밀리를 배치하는 데 사용되어, 패러메트릭 스터디 모델이 실제 BIM 정보 모델로 자동 변환되는 기반을 마련하였다(Fig. 14).

Fig. 14.

Seq 3. Converting Grids into Elements

4) 주두 높이 지정

지붕의 형상과 구조 그리드의 요소가 정해지면 지붕 구조를 받칠 기둥의 최상단 높이를 계산한다. 지붕 자재(THK 402 mm)의 하단 면에 그리드 커브 교차점을 수직과 원하는 방향(Vector)으로 투영하여 계산하는 방법을 사용하였다. 비정형 지붕의 곡면을 그대로 따를 경우, 모든 기둥과 보의 길이가 일정하지 않기 때문에 설계의 복잡성이 급격히 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 ‘지붕면-offset’이라는 명확한 규칙을 통해 기둥 상부 레벨을 재정의하였다.

Dynamo에서 계산된 각 기둥 주두의 상단점 좌표는 Revit의 ‘구조 기둥(Structural Column)’패밀리의 ‘상단 레벨 구속(Top Level Constraint)’과 ‘상단 간격띄우기(Top Offset)’파라미터를 자동으로 제어하는 데 사용된다. 지붕면의 설계 변경 시 기둥의 길이가 변경사항에 맞추어 자동으로 업데이트되는 통합 워크플로우를 형성하였다(Fig. 15).

Fig. 15.

Seq 4. Defining Column-Head Heights

5) 주요 구조부 작성

Seq 4에서 생성된 투영된 주두 간 보(Beam), 가새(Bracing)를 연결하고 기둥을 작성한다. 이 단계에서 구조 그리드 교차점과 투영점을 연결한 선은 기둥의 위치가 되고, 구조 그리드 투영점 간 연결은 보의 위치가 된다. 위 단계에서 사용된 Structural Framing.BeamByCurve 노드는 선(Curve) 정보뿐만 아니라, 부재 유형(Type), 레벨(Level) 등의 BIM 속성을 함께 입력받아 완전한 BIM 객체를 생성한다. 이 워크플로우가 단순한 모델링 자동화를 넘어 BIM 데이터 관리의 효율성을 높이는 과정이다.

다만 본 연구에서 제시한 구조 그리드, 주두 높이, 보·가새·기둥 생성 과정은 구조해석 결과나 부재 안전성 검토를 의미하는 것이 아니라, 지붕 형상과 구조 기준선을 바탕으로 BIM 구조 요소를 자동 배치하고 갱신하기 위한 설계 자동화 범위에 해당한다. Dynamo에서 산출되는 좌표, 커브, 레벨 및 offset 값은 Revit 구조 요소 배치를 위한 입력값으로 사용되며, 부재 단면 산정, 하중 검토, 구조 안전성 검증은 별도의 구조해석 및 구조설계 검토를 통해 수행되어야 한다(Fig. 16).

Fig. 16.

Seq 5. Creating Primary Structural Members

6) 패널화

워크플로우에서는 설계 단계 및 시공 단계까지 고려하여 시공이 가능한 형태와 크기로 지붕면을 분할한다. 패러메트릭 모델링을 통해 생성된 자유로운 곡면은 그 자체로 시공이 불가능하기 때문에 제작 및 시공이 가능한 작은 단위의 패널(Panel)로 분할하는 ‘패널라이제이션’ 과정이 필수적이다. 이 과정에서 어떤 분할 알고리즘을 선택하는가는 미학적 결과뿐만 아니라, 구조적 효율성, 제작 방식, 최종적인 건축 비용에까지 지대한 영향을 미친다. 패널라이제이션 방법 중 가장 직관적인 사각형 계열 분할 방식을 통해 지붕면을 분할하였다.

PanelSurface.ByQuads 노드는 곡면의 UV 방향에 따라 생성되는 가장 기본적인 사각 패널 격자로 논리가 단순하고 예측이 가능하다. 패널의 개수가 적어 시공 및 관리가 용이하며, 시각적으로 정돈되고 안정적인 느낌을 줄 수 있다. 단일 곡률(Singly-curved)을 가진 원통형이나 압출형 곡면, 또는 곡률의 변화가 완만한 비정형 면에 적합하다. 이 노드를 통해 새만금국제공항의 지붕 또한 패널라이제이션 과정을 거쳐 지붕면을 분할하였다(Fig. 17).

다만 본 연구에서의 패널라이징은 비정형 지붕 형상을 단순히 일정 간격으로 분할하는 과정이 아니라, BIM 기반으로 생성된 지붕 형상을 실제 제작 및 시공 가능한 단위로 전환하는 과정이다. 이를 위해 설계자는 지붕 전문업체와의 협의를 통해 적용 가능한 지붕 재료, 공법, 제작 가능 규격, 접합 방식 및 유지관리 조건 등을 검토하였으며, 그 결과를 패널 분할 방향과 크기 설정에 반영하였다. 특히 비정형 지붕은 곡률 변화와 패널 크기에 따라 제작 난이도, 접합부 구성, 방수 성능, 시공 오차 대응 방식이 달라지므로, 설계 초기 단계에서 형상 계획과 제작성 검토가 병행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 Table 3과 같이 지붕 전문업체와의 협의를 반영한 패널라이징 검토 기준을 설정하였다.

Fig. 17.

Seq 6. Panelization

Table 3.

Review of Roof Panelization Materials and Fabrication Feasibility

Category	Aluminum Panel [19]	GFRP/GRC Panel [20]	UHPC Panel [21]
Product Form
Standard Width	1,000/1,250/1,500 mm	1,310 mm	152/1,524 mm
Fabrication Length	Up to 6 m	2,500/3,100/3,600 mm	1,219/3,962 mm

7) 지붕면 다듬기(Refining & Trimming)

패널화를 완료한 지붕을 새만금국제공항 지붕 디자인 컨셉에 맞는 형태로 완성한다. 불필요한 부분을 제거하여 원하는 형태를 얻는 ‘절삭 가공(Subtractive Manufacturing)’의 개념과 유사하다고 볼 수 있다. Revit 프로그램 환경에서 솔리드(Solid) 또는 면(Surface)을 잘라내어 형상을 완성하려면 보이드(Form)가 필요하다. 상황에 맞는 최적의 알고리듬(노드(node))을 선택하여 설계 단계에서 구현하고자 하였던 최적의 지붕 디자인을 도출해낸다(Fig. 18).

Fig. 18.

Seq 7. Refining & Trimming

8) 지붕측면 부위 작성

마지막 단계로 지붕 측면 부위를 작성하면 설계 디자인 컨셉에 맞는 형태를 완성할 수 있다. 지붕선을 이용한 지붕 측면(Fascia 또는 Soffit) 노드를 사용하여 작성한다. 지붕 측면 마감은 시공성을 고려한 크기로 분할되어야 하고, 일관성과 적응성을 고려한 두 가지 노드의 선택적 사용이 따른다(Fig. 19).

Fig. 19.

Seq 8. Creating Fascia and Soffit Elements

9) 결과물 도출

앞서 구축한 Revit-Dynamo 기반 워크플로우를 통해 지붕선 작성, 지붕면 생성, 구조 요소 전환, 패널화 및 지붕면 다듬기 과정을 순차적으로 수행하였으며, 그 결과 최종 비정형 지붕 형상을 도출하였다(Fig. 20). 또한 지붕면 다듬기 및 트리밍 과정에서 형상 조건과 적업 목적에 따라 적절한 Dynamo 알고리듬 노드를 선택할 필요가 있으며, 이에 대한 주요 노드와 적용 조건을 Table 4에 정리하였다.

Fig. 20.

Final Output

Ⅳ. 결론

본 연구는 새만금국제공항의 비정형 지붕 설계를 사례로, 기존의 분절된 설계 워크플로우에서 발생하는 BIM 데이터 불연속성과 설계 변경 대응의 비효율을 완화하기 위해 Revit과 Dynamo를 활용한 BIM 기반 패러메트릭 디자인 워크플로우를 제안하였다. 특히 현상설계 단계에서 작성된 Rhino3D 기반 지붕 형상을 Revit으로 직접 삽입한 사례를 통해, 외부 형상 데이터가 BIM 환경에서 개별 지붕면 단위의 정보 객체로 충분히 분리되지 않는 한계를 확인하였다. 이로 인해 면별 매개변수 입력, 기초 산출 정보 활용, 설계 변경에 따른 정보 갱신 과정에서 반복적인 수작업이 발생할 수 있으며, 이는 본 연구에서 제안하는 BIM 기반 패러메트릭 워크플로우의 필요성을 뒷받침한다.

현재까지의 연구를 통해 도출된 결과 및 기대효과는 다음과 같다.

첫째, 비정형 지붕 설계에서 외부 모델링 소프트웨어와 BIM 소프트웨어 간 데이터 불연속성 문제를 구체적으로 확인하였다. Rhino3D 등에서 작성된 자유곡면 형상은 BIM 환경으로 반입될 때 단순 Geometry 또는 Generic Model 객체로 인식되는 경우가 있으며, 이 경우 형상 정보와 BIM 객체 정보가 분리된다. 따라서 비정형 지붕 설계에서는 단순한 형상 반입이 아니라, 지붕선, 구조 그리드, 주요 구조부 및 패널 정보를 BIM 환경 안에서 재구성하고 관리할 수 있는 워크플로우가 필요하다.

둘째, 패러메트릭 디자인 3요소인 매개변수(Parameter), 제약 조건과 관계(Constraints & Relationships), 알고리즘 논리(Algorithmic Logic)를 기반으로 한 통합 워크플로우는 설계 변경에 대한 대응성을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 Revit과 Dynamo를 활용하여 지붕선, 지붕면, 구조 그리드, 주두 높이, 주요 구조부를 단계적으로 생성하고 제어하였다. 이를 통해 하나의 설계 요소 변경이 관련 형상 및 구조 요소에 연동될 수 있도록 구성하였으며, 반복적인 재모델링과 매개변수 재입력 업무를 줄일 수 있는 가능성을 확인하였다.

셋째, 패러메트릭 디자인을 통한 패널라이징은 비정형 지붕 형상을 실제 제작 및 시공 가능한 단위로 전환하는 데 활용될 수 있다. 본 연구에서는 지붕 전문업체와의 협의를 통해 적용 가능한 재료, 제작 가능 규격, 접합 방식, 시공성 및 유지관리 조건을 검토하였으며, 이를 패널 분할 방향과 크기 설정에 반영하였다. 이는 패널라이징이 단순한 곡면 분할 과정이 아니라, 설계 의도와 제작 가능성, 시공성을 함께 검토하는 실무적 과정임을 보여준다.

본 워크플로우는 설계 초기 단계에서 시공성 검토 단계에 이르는 과정을 단일 BIM 환경에서 일관되게 관리할 수 있는 가능성을 보여준다. 이는 BIM의 핵심 가치인 ‘통합 모델 기반 협업’을 비정형 지붕 설계에 적용하기 위한 하나의 대안이 될 수 있으며, 형상 정보와 도면 정보, 부재 정보의 정합성을 높이는 데 기여할 수 있다.

다만 본 연구는 현재 진행 중인 실제 설계 사례를 대상으로 한 방법론 개발 연구이므로, 설계 변경 시간, 도면 재작성 횟수, 오류 감소율 등 정량적 성과 지표를 제시하는 데에는 한계가 있다. 향후 프로젝트 진행 과정에서 축적되는 설계 변경 이력, 모델 수정 기록, 도면 갱신 과정, 협업 검토 자료 등을 기반으로 제안 워크플로우의 효과를 정량적으로 검증할 필요가 있다. 또한 패널 제작 및 시공 단계에서 발생하는 실제 오차, 공정 효율, 유지관리 데이터와의 연계를 추가로 분석한다면, BIM 기반 패러메트릭 디자인 방법론의 실무 적용성을 보다 구체적으로 평가할 수 있을 것이다.