안전, 효율적, 구조적인 형태는 자연에 숨어있다. 그러나 이런 형태를 고양시키고 적용, 구조화, 비용효율화로 이끄는 것은 도전이다. 자연의 메카닉을 구조디자인에서 사용하는 것은 구조적인 시스템에 혁신을 가져온다. 이런 태고의 구조적인 시스템은 직관적일 필요없는 흥미로운 미를 표현한다. 자연의 구조적인 시스템은 또한 이해, 요구에 대응, 행동의 변경, 최적의 성능을 보장하는 장치를 통합할 수 있다. 3가지 컨셉적인 구조 시스템은 유기적이고 자연적인 형태를 빌딩 디자인에 사용한 샘플로 간주된다. 첫째로 구조적인 효율과 관련된 대나무의 기하학적인 특성이 검증되고 중국국제무역센터타워에 적용된다. 두 번째로 유기적인 성장 패턴은 트랜스베이 운송타워의 페리미터 구조 프레임을 형성한다. 세 번째 자연의 유전자 알고리즘은 알 샤크 타워의 페리미터 케이블 필리그리를 최적화는데 사용된다.

1. 중국 세계 무역 센터 타워 공모전

대나무의 자연 형성은 유일한 구조적인 특성을 공개한다. 길고 좁은 대나무 줄기는 대나무의 성장기간 동안 큰 잎을 지지하고 반면 수확 후 인공 구조물을 위해 강하고 예측 가능한 재료로 사용된다. 대나무는 수평하중에 효율적으로 반응하여 자연 구조특성과 기하학적인 비율을 보여준다.

대나무는 줄기와 간경(Culm)으로 구성되고 그림과 같이 노드와 인터노드로 형성된다. 노드는 가로막의 위치를 표시하고 새로운 성장 지점을 제공한다. 약간의 직경변화가 노드점에 존재한다. 인터노드는 노드 사이에 존재한다. 인터노드는 속이 비어 있고 간경 벽에 의해 둘러져 빈공간을 형성한다. 간경에서 재료는 줄기의 자연 축으로부터 가장 먼 점에 위치해 가장 큰 휨응력을 제공한다. 그리고 전체 무게를 최소화하는 외부스킨에 존재하는 수직하중을 견딘다.

대나무의 기하학적인 특징은 중국국제무역센터타워의 구조적인 시스템에 적용되었다. 타워는 길이방향으로 8개의 세그먼트로 나누어진다. 수평하중으로부터 구조적인 요구는 타워의 기초에서 가장 높다. 그러므로 인터노드 높이는 중간층과 비교할 때보다 작다. 작은 경간은 응력과 휨응력을 증가시킨다. 타워의 중간 높이를 넘어서면 인터노드의 높이는 직경과 함께 비율적으로 작아진다. 타워의 형태는 수평하중으로 구조적인 요구에 반응한다.

관계는 내외 구조시스템 사이 그림에서 보는 것처럼 공유한다. 바깥 구조시스템은 메가 브레이스 높이와 반응하고 인터노드 길이를 따르고 줄기 벽 섬유를 모방한다. 안쪽 구조적인 시스템은 또한 특화된 대나무 특성을 따른다. 아웃리거는 대나무에 가로막으로써 타워에서 페리미터 구조시스템을 묶어준다. 인터노드 길이는 중간층에서 가장 길고 저층과 고층에서 가장 작다. 가로막 직경은 또한 길이를 넘어 아웃리거 레벨에서 다양하다. 마지막으로 부재의 크기는 벽체두께를 따라 비율적으로 적용되었다.

2. 트랜스베이 운송 타워 공모전

캘리포니아 샌프란시스코에서 트랜스베이 운송타워 공모전에 제안된 디자인은 자연의 형태에 의해 고안되었다. 수학적으로 창안된 형태는 안전, 지속가능, 비용효율적인 시스템으로 설명될 수 있고 지진발생시 최적의 성능을 제공한다. 로그 함수적인 나선형은 (조개껍질, 씨로부터 형성된 형태를 발견할 수 있고 거미줄, 허리케인 그리고 갤럭시에서 발견될 수 있다.) 해석되어 초고층 빌딩에 적용시킬 수 있다.

이런 자연 고유의 형태는 고정된 중앙을 주위로 변하고 중앙으로부터 점차로 후퇴한다. 엔지니어 안토니 미셀은 1900년대 초 그의 연구를 통해 이런 행동을 파악했다. 순수한 캔틸레버의 둥근 선은 고정된 지지점으로부터 특정한 간격과 방향으로 같은 스트레스 힘의 흐름을 표현한다. 이 결과는 가장 적은 재료로 가장 효율적인 캔틸레버 시스템이다. 미셀 트러스 다이어그램은 수학적으로 풀이되고 최적의 페리미터 브레이싱 환경을 설정한 타워형태를 보여준다.

타워의 기단부 구조는 근처 터미널 빌딩으로 ‘게이트웨이’를 편리하도록 디자인되었다. 구조적 브레이스는 중력과 수평하중의 흐름을 따르는 동안 힘이 최소화되는 구조에서 오프닝을 형성한다.

타워의 겉표면 셸은 거미줄 같은 디자인에 의해 강하다. 이것은 화재나 다른 천재지변에 의한 파괴시 스스로 안정화하는 특징이 있다. 힘은 구조를 통해 아래 이웃 부재로 흐르고 궁극적으로 기초로 흐르게 된다. 타워의 코어는 거주자를 보호하도록 디자인 되고 비상시 대피의 안전한 통로를 보장한다. 코어벽은 해양구조로부터 고안된 셀룰러 구조 컨셉으로 강화된다. 더블 훌(double hull)벽은 콘크리트가 충진된 강철판 셸을 포함하고 엘리베이터, 계단, 주요한 기계적인 생명안전 시스템을 제공한다. 이것은 또한 최적의 내화성능을 제공한다.

타워는 가장 강력한 지진에 견디도록 디자인 되었다. 타워는 지진이 발생되는 동안 미끄러지도록 디자인된 내진 퓨즈의 혁신적인 열과 통합된다. 퓨즈는 용량을 전달 부하는 유지하고 빌딩은 즉시 정상적인 기능을 하게 된다. 퓨즈 코어와 함께 연결된 페리미터에서 고안된 구조적인 타입은 세계 어디보다 가장 효율적인 시스템을 제공한다. 이것은 구조에 요구되는 재료의 양을 감소시키고 큰 재난에도 견디는 지속가능한 구조시스템을 제공한다.

3. 알 샤크 타워

알 샤크 타워는 아랍에미레이트 두바이에 위치한다. 구조의 평면형태는 9개의 실린더가 묶인 것을 기초로 한다. 기존의 페리미터 기둥이 아닌 케이블지지 페리미터를 사용하였다. 미학적으로 드러난 특성을 개선하기 위하여 건축가와 구조 디자인 팀에 의한 초기 디자인은 헬릭스와 같은 클래식한 기하학적인 원리를 따랐다.

102층 레지던스 타워는 39m×39m의 기준층, 365m의 높이, 거의 10:1의 비율을 갖고 있다. 제안된 구조시스템은 페리미터 나선형 초고강도 아연도금 강철 케이블과 함께 철근콘크리트 시스템으로 구성된다. 측면 시스템은 평행 전단벽과 페리미터 초고강도 아연도금 강철 케이블의 조합으로 구성된다. 페리미터 케이블 시스템은 약 70km 초고강도 아연도금 강철 케이블로 이루어졌다.

케이블 프로필 연구

형태를 눈여겨 보면 자연에서 근거를 두고 있다. 이것은 노틸러스 셸의 성장 패턴, 야자수 가지의 섬유, 힘의 흐름을 모방한 뼈의 구조에 의해 증명된다.

빌딩의 페리미터 외피의 주안점은 어떻게 건물의 형태가 수평하중에 반응하는지 결정하기 위하여 다루어졌다. 분석결과 묶인 실린더 평면을 위해 코너 모듈은 기초에서 수직압력과 꼭대기 근처에서 45도 변이를 보여준다.

케이블 프로필의 결정을 위한 빌딩 페리미터에 주안점은 외부가 단순하고 동일하면 합리적이다. 페리미터는 실제로 분리된 인장케이블의 연속이다. 그러므로 주요 응력연구는 글로벌 페리미터 부하 경로의 합리적인 기초를 제공하나 연구는 최적의 케이블 프로필을 결정하는데 필요하다.

케이블 프로필의 최적화

페리미터 부하경로의 합리적인 기초가 결정되면 연구는 수평하중의 저항을 위한 충분한 케이블 프로필을 개발하는데 있다. 향상된 성능은 유전적인 알고리즘(GA)을 통해 가능하다. GA 최적화는 타워의 높이를 다양화한 피치로 간주한다. 유전적인 알고리즘은 에어로 스페이스, 자동차, 의료산업과 같은 다양한 분야에서 향상된 성능을 위해 사용된다.

충분하고 합리적인 케이블 프로필을 결정하기 위한 초기 노력은 응력의 관찰에서 비롯되고 GA 최적화에 의해 확정된다. 최적화된 케이블 프로필은 주응력 방향과 일치하는 파라볼릭-헬리컬 원리(기초에서 수직적으로 45도 꼭대기로 향하는 구조)를 따른다.

결론

언급된 사례에서 증명되었듯이 발생은 자연에서 관찰되는 주요 테마이고 기존 상태와 효과적인 구조에서 결정된 새로운 형태를 이해할 수 있게 한다. 증명된 구조 시스템과 형태는 합리적인 해결책을 제시하기위해 건축에서 표현될 수 있다.