리브맷 바이오미메틱 아마 파이버 파빌리온 공개 - 지속가능 건축 이정표

완공돼 대중에게 공개된 리브맷(livMatS) 파빌리온은 독일 프라이부르크 대학 식물원에 위치한 바이오미메틱 구조물로, 기존 건설 공법에 대한 실행 가능하고 자원 효율적인 대안을 제시해 건축 지속가능성 향상의 중요한 이정표가 된다. 또한 프로젝트 팀 주장으로는 로봇 와인딩 아마 파이버로만 만든 하중 지지 구조물을 가진 최초의 건물이다. 아마 파이버는 중부 유럽에서 자연 재생 가능, 생분해 가능, 지역 조달 가능한 소재다.

자연 소재·첨단 디지털 기술 결합으로 생태적·표현적 건축 구현

자연 소재와 첨단 디지털 기술의 새로운 조합으로 탄생한 이 파빌리온은 슈투트가르트 대학(독일) '건축을 위한 통합 계산 설계 및 건설(IntCDC)' 우수 클러스터 ITECH 석사 프로그램 건축가·엔지니어 팀과 프라이부르크 대학(독일) '생존, 적응 및 에너지 자율 소재 시스템(livMatS)' 우수 클러스터 생물학자들 간 성공적 학제간 협업에서 나왔다.

팀에 따르면 바이오 영감 파빌리온은 기하학적, 소재적, 구조적, 생산적, 환경적, 미적 요건을 동시 고려하는 새로운 공동 설계 프로세스와 자연 소재에 적용된 첨단 로봇 제조 기술이 어떻게 생태적이면서 표현적인 건축을 생성할 수 있는지 보여준다. 구조적 아마 요소의 독특하고 복잡한 표면 외관은 전통적 격자 세공과 생물학적 시스템을 연상시킨다.

향후 5년간 야외 강의실·연구 발표 장소로 활용

향후 5년간 리브맷 파빌리온은 프라이부르크 대학, 특히 '자연 속에서 자연으로부터 배운다' 컨셉으로 식물원을 연구·교육 장소로 쓰는 이들을 위한 야외 강의실로 쓰인다. 과학자들도 가이드 투어나 워크숍으로 대중에게 연구를 발표할 예정이다.

아마 파이버, 유리섬유 로빙과 유사 기계적 특성에 임바디드 에너지 훨씬 낮음

지난 2년간 슈투트가르트 대학 계산설계·건설연구소(ICD)와 건물구조·구조설계연구소(ITKE) 건축가·엔지니어 팀은 천연 섬유를 건축 자재로 쓰는 잠재력을 연구해왔다. 합성 섬유에 대한 유망하고 지속가능한 대안이라 믿기 때문이다. 리브맷 파빌리온으로 건물 환경 발자국 저감 잠재력과 건설 산업용 재생 가능 소재 제공 외에도 아마 섬유가 유리섬유 로빙과 기계적 특성이 비교 가능해 단위 중량당 유사한 강성을 제공하면서 임바디드 에너지는 훨씬 낮음을 발견했다.

사구아로·가시배 선인장 목재 구조에서 영감받은 네트워크 구조

구조는 생물학 원리(하중 지지 시스템 등)를 자연에서 건축으로 전이하는 장기 연구 협업을 이어간다. 리브맷 파빌리온은 사구아로 선인장(Carnegia gigantea)과 가시배 선인장(Opuntia sp.) 목재 구조에서 영감받았다. 사구아로는 속이 빈 원통형 목재 코어로 특히 가볍다. 개별 목재 요소 간 성장에 의한 그물망 목재 구조로 추가 안정성을 갖는다. 가시배 선인장 납작한 옆가지 조직도 층으로 배열되고 상호 연결된 그물망 목재 섬유 다발로 엮여 특히 높은 하중 지지력을 갖는다. 이런 네트워크 구조를 추상화해 교차 연결 섬유 구조의 기계적 특성을 파빌리온 경량 구조 요소로 전이했다.

코어리스 필라멘트 와인딩으로 폐기물 제로·모듈러 프레임 재사용

프로젝트 팀이 개발한 코어리스 필라멘트 와인딩 공정으로 하중 지지 건축 요소를 생산한다. 이 적층 제조(AM) 접근법에서 로봇이 와인딩 프레임에 섬유 다발을 정밀 배치한다. 이로써 섬유 배향, 정렬, 밀도를 부품 구조 요건에 정확히 맞춰 목표 보정·건축적 조음이 가능하다고 한다. 생물학적 영감처럼 미리 정의된 부품 형상이 와인딩 프레임 내 섬유 간 상호작용으로만 부상해 추가 몰드나 코어가 필요 없다. 또한 폐기물이나 오프컷이 발생하지 않는다. 같은 모듈러 와인딩 프레임을 모든 기하학적으로 다양한 요소에 재사용할 수 있다. 이는 기존 건축 자재 대비 우수한 소재 효율과 높은 하중 지지력으로 이어진다.

천연 섬유 생물학적 변동성, 계산 설계·로봇 제조 워크플로에 새 도전

천연 섬유와 생물학적 변동성은 계산 설계·로봇 제조 워크플로, 머신 제어에 새로운 도전을 안겼다. 이 공동 설계 워크플로는 처음에 합성 균질 소재용으로 개발됐으나 이제 아마 섬유 소재 특성에 맞게 적응해야 했다. 통합 계산 설계 모델 조정으로 이종 소재 특성이 개별 부품과 전체 구조 설계·계획에 반영됐다. 천연 섬유의 특정 기계적 특성으로 로봇 제조 공정 재구성도 필요했다.

리브맷 파빌리온은 방수 폴리카보네이트 스킨으로 덮여 있어 기상 보호뿐만 아니라 섬유를 직사 자외선, 비·눈 습기로부터 보호한다.

15개 아마 파이버 부품·총 1.5톤·46㎡ 커버·독일 건축법 준수

리브맷 파빌리온 하중 지지 구조는 로봇 프리팹된 15개 아마 파이버 부품(연속 방사 천연 섬유 독점 사용)과 구조 상단 섬유 캡스톤 요소로 구성된다. 요소 전체 길이는 4.50-5.50m, 평균 무게 105kg. 전체 섬유 구조 무게 약 1.5톤으로 46㎡ 면적 커버. 최종 설계는 독일 건축법과 구조 허가 요건, 풍하중·설하중 포함 하중 조합 준수.

계산 공정, 로봇 제조, 새 소재 시스템 연구 개발은 슈투트가르트 대학 ITECH 학생들과 ICD/ITKE 연구원들 학제간 팀이 수행했으며, 천연 섬유 부품 첫 프로토타입 시리즈 제작으로 검증됐다. 생산 데이터는 프로젝트 산업 파트너 피브르 GmbH(슈투트가르트, 독일)로 전달돼 15개 구조 부품 생산에 사용됐다.

이 프로젝트는 ICD/ITKE 슈투트가르트 대학 연구원·학생 팀이 설계·실현한 성공적 실험적·혁신적 빌딩 데모스트레이터 시리즈를 잇는다. 또한 프라이부르크 대학 리브맷 우수 클러스터와 슈투트가르트 대학 IntCDC 우수 클러스터 간 이미 성공적 협력을 더욱 강화한다. IntCDC는 디지털 기술로 설계·건설을 재고해 건축 환경이 직면한 생태적, 경제적, 사회문화적 과제 해결을 목표로 한다. 리브맷 비전은 자연과 기술을 결합해 최첨단 환경·에너지 기술 개발이다. 파빌리온은 생물학적·기술적 소재 간 유사점·차이점 부각, 바이오영감이 건축 등 기술 분야에 제공하는 가능성 제시 포인트가 된다.