건축물이 유기체처럼 움직인다 … 중앙대 채영호 교수팀, 동적 외장재에 AI 접목 '자율생명체 건물' 실증

중앙대학교는 첨단영상대학원 가상환경연구실(VELAB) 채영호 교수 연구팀이 차세대 건축 외장 기술인 ‘대규모 키네틱 파사드(Kinetic Facade) 예측형 군집 제어 프레임워크’를 개발했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 새 기술을 적용해 실물 축척 모크업(Mock-up·시험용 모형)도 구현했다.

키네틱 파사드는 빛, 온도, 바람 등 외부 환경 변화에 반응해 건물 외피(외장재)가 움직이며 에너지 효율을 조절하는 기술을 말한다. 센서가 외부 환경 변화를 감지하고 제어 시스템이 구동장치를 움직여 외장재 형태를 변화시키는 방식이다. 가령 지붕창문이 블라인드처럼 각도를 조절하거나 회전형 패널이 움직이면서 빛을 차단하는 식이다.

연구팀은 여기에 그래프 신경망(GNN)과 강화학습(RL) 등 인공지능(AI) 기술을 접목했다. GNN은 데이터 간 관계(연결 구조)를 고려해 학습하는 AI 모델이고, RL은 시행착오를 통해 보상과 페널티를 받으면서 최적의 선택을 학습하는 AI 방식이다.

연구팀은 키네틱 파사드에 AI 기술을 접목함으로써 건물 외장재의 각 요소와 주변 환경 간 관계를 실시간으로 분석하고, 에너지 효율을 극대화하는 방향으로 지능형 건축 외피 설계의 새 패러다임을 제시했다.

연구팀은 한 걸음 더 나아가 학습된 AI 정책을 1:30 축척의 하드웨어 프로토타입에 적용해 실증 실험을 진행했다. 실험 결과 경기장 관람석의 태양열 취득을 10.3% 줄이면서 모터의 불필요한 구동을 25.4% 감소하는 성과를 거뒀다. AI가 ‘관람석 복사열 최소화’와 ‘경기장 잔디 복사열 최적화’라는 상충하는 목표를 스스로 조율하는 과정에서 잦은 모터 구동으로 인한 동적 외장재의 고질적 문제였던 기계적 안정성까지 확보했다. 대규모 건물 적용의 가능성도 열었다.

연구팀은 향후 이 기술을 미래형 스마트 시티와 초대형 랜드마크 설계 등 고부가가치 산업 분야로 확대 적용할 계획이다.

이번 연구는 건축물을 디지털로 구현하는 3D 건축정보모델(BIM) 시대를 넘어, AI가 환경을 인지하고 건축물을 유기체처럼 실시간 제어하는 ‘피지컬 AI 건축’ 기술을 실증했다는 점에서 주목된다.

이번 연구 성과는 설계·공학 분야 국제 학술지인 ‘저널 오브 컴퓨테이셔널 디자인 앤드 엔지니어링(Journal of Computational Design and Engineering, JCDE·계산 기반 설계 및 공학 저널)’ AI 특별호에 게재가 확정됐다. 신수철 박사과정(건축사)이 제1저자, 이원형 명예교수, 채영호 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

채영호 교수는 “이번 성과는 복잡한 현실의 딜레마를 AI가 스스로 학습하고 해결해 물리적 공간과 완벽히 일체화되는 진정한 ‘자율생명체 건물(Autonomous Architectural Organism)’ 시대로의 진입을 알리는 신호탄이 될 것”이라고 말했다.

한편 중앙대 VELAB은 지난 2018년 과학기술정보통신부가 소프트웨어(SW) 분야 대학 연구실을 지원하는 ‘SW스타랩’으로 선정됐다.