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최신 컴퓨터 기술로 생체를 모방한 섬유복합체, ‘부가 파빌리온’

ICDITKE, University of Stuttgart | 슈투트가르트 대학 ICDITKE

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Embedded in the landscape of the Bundesgartenschau (Germany’s biennial horticultural show), the BUGA Fiber Pavilion offers visitors a futuristic architectural experience, after years of biomimetic research at the University of Stuttgart.

2년마다 독일에서 열리는 조경박람회 분데스가텐샤우의 정원에 ‘부가 파빌리온’이 둥지를 틀었다. 부가 파빌리온은 슈투트가르트 대학교에서 수 년간 진행한 생체 모방 연구를 바탕으로 제작한 구조물로, 방문자들에게 미래의 건축이 무엇인지를 생각해 보게 한다.
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이 파빌리온은 자연에서 모방한 건축원리에 최신식 컴퓨터 기술을 적용하면 얼마나 기발하고 참신한 디지털 건축 시스템을 구현할 수 있는지 증명하고 있다. 첨단 섬유복합체를 자동기계장치로 구조화하여, 가벼우면서도 효율적이고, 독창적인 형태를 방문자들에게 선보인다.
생물에서 하중을 지탱하는 구조는 대부분 셀룰로스(섬유소), 키틴, 또는 콜라겐과 같은 섬유복합체와 이를 지지하고 유기적인 연결고리를 유지하는 기지 재료로 이루어져 있다. 효율적인 자원분배를 통해 효과적인 성능을 구현하는 생물학적 구조는 이러한 섬유질 시스템에서 기인한다. 섬유질의 조직, 방향성, 그리고 밀도가 섬세하게 짜여 있으며, 반드시 필요한 곳에만 자원을 공급하기 때문에 각 위치마다 조직이 조금씩 다르게 구성되어 있다.
이러한 생물학적 원리를 건축적으로 표현한 것이 부가 섬유 파빌리온이다. 자연복합체와 근본적으로 동일한 특성을 지니고 있는 유리섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱 등은 자연의 원리를 모방하여 만든 인공복합체이다.
이 파빌리온은 건축설계, 구조기술, 그리고 로봇 제작 기술의 집합체이다. 총 길이가 150km가 넘는 유리섬유와 탄소섬유로 만들어졌는데, 섬유의 배열, 밀도, 그리고 방향성이 구조적으로 조율되어 연결된다. 이 모든 것은 자동 생산이 가능하다.
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The pavilion demonstrates how combining cutting-edge computational technologies, with construction principles found in nature, enables truly novel and genuinely digital building systems. The pavilion’s structure is robotically produced from advanced fiber composites, not only highly effective and exceptionally lightweight, but also providing a distinctive yet authentic architectural expression in an extraordinary spatial experience.
In biology, most load-bearing structures are fiber composites, such as cellulose, chitin or collagen, and a matrix material that supports them and maintains their relative position. The performance and resource-efficiency of biological structures stems from these fibrous systems. Their organization, directionality and density is finely tuned and locally varied in order to ensure that material is only placed where it is needed.

The BUGA Fiber Pavilion aims to transfer this biological principle into architecture. Manmade composites, such as glass- or carbon-fiber-reinforced plastics, are ideally suited for such an approach, because they share fundamental characteristics with natural composites.
The pavilion is made from more than 150km glass and carbon fibers. It required a novel co-design approach, where architectural design, structural engineering and robotic fabrication work in continuous computational feedback. The fiber arrangement, density and orientation of each building component was calibrated, structurally tuned and architecturally articulated, while remaining directly producible.
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The building components’ manufacturing approach was pioneered at the University of Stuttgart: fibrous filaments are robotically placed between two rotating winding scaffolds. The predefined shape of the building component emerges from the interaction of the filaments, eliminating the need for any mould or core. This allows for bespoke forms for each component, without any economic disadvantage, and with no production waste or material off-cuts. During manufacturing, carbon fibers are placed on a lattice of translucent glass fibers where they are structurally needed, resulting in distinctive looking, highly load-adapted, components.

The pavilion, covering an area of 400 square meters, is enclosed by fully transparent, mechanically pre-stressed ETFE membrane. The primary load-bearing structure is made from 60 bespoke fiber-composite components. At 7.6kg per square meter it is approximately five times lighter than a steel structure.
The pavilion translates technical innovation into a unique architectural experience. The black carbon filament bundles, wrapping around the translucent glass fiber lattice like flexed muscles, create a stark textural contrast, intensified by the gradient from sparse carbon filaments at the top towards a denser application on the slenderest components at the bottom.
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이 방식은 슈투트가르트 대학에서 처음으로 시작했다. 가느다란 섬유가 두 개의 뼈대를 자동으로 감아 연결한다. 모양을 잡기 위해 별도의 형틀 등이 필요하지 않으며, 섬유소의 상호작용이 건물구조물의 형태를 결정한다. 덕분에 자투리 자재나 폐기물이 없어 각 부품을 경제적이고 독자적으로 생산할 수 있었다. 투명한 유리섬유로 짜인 틀 위에 구조적으로 필요한 곳에 탄소섬유를 배치하여 개성 있는 디자인과 하중에 강한 구조물을 완성했다.

파빌리온은 인장응력이 생기는 부분에 미리 압축을 주어 강도를 증가시킨 투명한 프리스트레스 ETFE 멤브레인으로 덮여있다. 기초 내하 구조는 60개의 맞춤형 섬유복합체로 구성되어 있다. 약 400m2의 면적을 차지하고 있으며, 무게는 1m2 당 7.6kg로 철제 구조에 비해 무려 5배나 가볍다.
이 파빌리온은 기술적인 혁신을 색다르게 해석하여 건축물에 적용한 좋은 예다. 검정색의 탄소섬유가 근육처럼 신축성 있는 투명한 유리섬유를 감아 올라 강렬한 질감의 대비를 이루고 있다. 뿐만 아니라 하중을 많이 받는 하부에 탄소섬유가 밀집되어 있는 것을 볼 수 있다.
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Project: BUGA Fibre Pavilion / Project partners: ICD-Institute for Computational Design and Construction, University of Stuttgart _ Prof. Achim Menges, Serban Bodea, Niccolo Dambrosio, Monika Göbel, Christoph Zechmeister; ITKE–Institute of Building Structures and Structural Design, University of Stuttgart _ Prof. Jan Knippers, Valentin Koslowski, Marta Gil Pérez, Bas Rongen; FibR GmbH, Stuttgart _ Moritz Dörstelmann, Ondrej Kyjanek, Philipp Essers, Philipp Gülke; Bundesgartenschau Heilbronn 2019 GmbH _ Hanspeter Faas, Oliver Toellner / Project building permit process: Landesstelle für Bautechnik _ Dr. Stefan Brendler, Dipl.-Ing. Steffen Schneider; Proof engineer _ Dipl.-Ing. Achim Bechert, Dipl.-Ing. Florian Roos; DITF German Institutes of Textile and Fiber Research _ Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Pascal Mindermann / Project funding: Land Baden-Württemberg, Universität Stuttgart, Baden-Württemberg Stiftung / GETTYLAB, Forschungsinitiative Zukunft Bau, Pfeifer GmbH, Ewo GmbH, Fischer Group / Dimensions: 23m diameter / Covered area: 400m2 / Weight of loadbearing fibre composite structure: 7,6kg/m2 / Construction system: 60 load bearing robotically fabricated glass and carbon fibre composite elements, out of 150.000m glass and carbon fibres; transparent, mechanically pre-stressed ETFE membrane / Completion: 2019 / Photograph: ©BUGA; ©ICD_ITKE; ©Roland Halbe