AI기반 빌딩의 자동-최적화설계 연구 완료 쾌거

AI는 신기술 차원을 넘어 산업계와 사회에 혁신적인 변화를 이끌어 국민 삶의 질을 향상시키고, 국가경쟁력을 강화할 수 있는 4차 산업혁명의 핵심동력이다. 인공지능 기술은 제조업, 의료, 금융, 교육, 물류 등 다양한 산업 분야에 적용되어 산업 혁신을 이끌고 있다.

황인상 기자 his@

홍원기 경희대학교 건축공학과 교수의 행보가 화제다. 최근 주목을 받고 있는 홍원기 교수는  AI기반의 건축공학, 특히 AI기반의 빌딩구조 자동화-최적설계에 관한 연구를 국가와 연구재단의 지원을 받아 완료하는 성과를 거두었다. 

엔지니어 개입이 최소화된 빌딩의 최적-자동설계 가능해져
홍원기 교수가 개발한 AI기반 빌딩의 자동-최적화설계는 자율주행 자동차와 유사하다. 즉 운전자의 개입 없이 주행이 가능한 자동차와 유사하게, 엔지니어의 개입이 최소화된 빌딩의 최적-자동 설계가 이제 가능해진 것이다. 홍원기 교수는 “이번 연구를 통해서 고층 빌딩구조의 자동설계, 더 나아가 고층건물의 건설에 배출되는 이산화탄소 및 건설 물량의 최소화가 AI를 통해서 구현이 가능해졌다”고 강조했다. 즉 지금까지는 엔지니어 각각의 경험과 판단에 의존하던 시공코스트 최소화, 온실가스 배출량의 조절 등이 이제는 인공지능에 기반 하여 수학적으로 구현이 가능하게 되었다는 의미이다. 이번 연구의 경우 논문과 저서의 심사과정에서 심사위원들의 “stepping-stone over the design of the next generation”와 같은 긍정적 평가를 받기도 했다. 우리가 목도하듯이 AI는 거의 인류의 전 분야에서 우리의 미래에 큰 희망을 던져주는 화두이다.

▲ 홍원기 교수

구글, 각종 논문집 등을 검색한 바로는, 홍원기 교수 연구가 “인공신경망과 유전알고리즘 등 AI에 기반 한 자동화된 빌딩구조의 최적 설계” 분야에서는 세계최초의 업적 중 하나로 사료된다. 그간 홍원기 교수는 인류에게 큰 도약의 발판을 제공한 라그랑주 승수법을, 오늘날 자연과학과 공학분야 등 디지털 빅데이터가 존재하는 분야에 더욱더 적극적으로 활용할 수 있는 방법은 없을까?를 두고 고심해왔다. 라그랑주 승수법은 설계타깃에 대해서 최대값, 최소값을 찾는 가장 훌륭한 방 법 중의 하나로 이탈리아 태생의 수학자 및 천문학자인 조제프 루이 라그랑주(Joseph- Louis Lagrange)가 개발해낸 이후로 경제학, 자연과학, 공학 분야에서 널리 활용되어 왔다. 라그랑주 승수법(Lagrange multiplier method)은 제약조건이 있는 최적화 문제를 풀기 위해 개발된 방법이다.

홍원기 교수는 “21세기에 지대한 영향을 미치며 혜성과 같이 우리 곁으로 다가온 인공지능을 바라보게 되었다”면서 “이 둘은 접점이 전혀 없을까 하는 고민과 함께 설계타깃과 설계를 제약하는 제약조건을 빅데이터로 표현할 수 있도록 융합이론(AI 기반 Hong-Lagrange 방법)을 개발하였다”고 밝혔다. 홍원기 교수는 이번 연구를 통해 디지털 빅데이터가 생성될 수 있는 공학, 이학, 사회학, 경제학, 의학 등의 분야에 글로벌 플랫폼을 제공하고자 하였고, AI 기반 Hong-Lagrange 방법을 적용하여 AI 기반 데이터 공학(AI-based Data-centric Engineering, AIDE)을 개선했다. 아울러 홍원기 교수는 인공지능 기반에서 철근콘크리트 구조, 프리스트레스 콘크리트 구조, 철골구조, SRC 구조 및 고층 프레임 등에 대해 한 개 또는 다수 개의 목적함수를 설계 타깃으로 규정하고, 그 결과를 최적 설계로 구현하였고 국문판과 영문판으로 출판하기도 했다.

홍원기 교수의 연구는 기둥, 보등의 단순구조체로 출발하였고, 세계최초로 인공신경망과 유전알고리즘 등 인공지능을 기반으로 고층건물의 구조설계 최적화를 자동화하기에 이르렀다. 이 연구결과는 2024년 10월 세계유수 출판사인 Taylor and Francis (CRC press) 에서 <AI-based Optimized Design of Structural Frames (with application to practical building designs)>라는 저서의 타이틀로 출판되어 아마존에서 판매되고 있다. 또한 홍원기 교수는 세계 최초로 RC 및 프리스트레싱된 건물의 총괄 설계 소프트웨어 (AI-FRT; 유전 알고리즘 기반)를 개발하였고 상용화 예정 기업과의 기술이전 계약을 체결하였다.

인공지능 기반한 연구로 건축공학계의 새로운 패러다임 제시
홍원기 교수가 거둔 연구 성과는 국제적으로 참고문헌을 찾기 어려운 분야에서 이룩된 성과이기에 그 의미가 남다르다. 총 120 여개 SCI(E) 논문 중 인공지능 기반 논문 총 19편을 발표한 바 있다. 뿐만 아니라 국내외에 인공지능 기반 서적을 8권을 출간, 지난해 대한민국학술원 2023 우수학술도서 선정에 이어 2023년도 토목학회 저술상을 수상하는 쾌거도 거두었다. 특히 그가 출간한 영문 서적 5권은 NASA, MIT, Stanford, princeton, UC Berkely, UCLA, 대영도서관(영국), KAIST, 경희대학교 등 전 세계 유명 700여 대학 도서관에 입고되어 있으며 앞으로도 입고도서관은 세계적으로 계속 늘어날 것으로 예측된다. 

뿐만 아니라 지금까지 93여 건의 특허(인공지능 기반 특허 2건 포함)와 69건의 디자인 특허를 보유하고 있으며 PC부재의 전체 길이에 걸쳐 삽입된 철골부재(H형강, T형강)의 일부를 상부로 돌출시켜 슬래브와 일체화되는 비정형 프리캐스트 합성보(건설신기술 제860호), 흙막이용 H-pile과 U-bar를 이용한 건축물 지하합성 벽체시공법(건설신기술 제313호)등 국내 신기술과 AC407 Structural Composite Hybrid Systems (SCHSs) Consisting of Structural Steel, Precast Concrete and Cast-in-place Concrete—Approved February 2009 등 미국 신기술 인증을 취득했다. 이러한 공로를 인정받아 홍 교수는 건설부 장관상, 기초연구 우수성과 인증패를 비롯해 부총리 겸 교육부 장관상을 수상하기도 했다. 최근까지 AI 관련 다수 언론보도 및 한국건설엔지니어링협회에 AI기반 구조설계 관련 장기 칼럼을 기고한 바 있는 홍 교수는 현재 유튜브 채널 ‘인공지능 빠르고 쉽게 배우기’를 운영 중이다. 

고층빌딩 설계의 미래
홍원기 교수는 인공지능을 활용하여 Pareto Frontier라는 수학적 개념을 기반으로 다중의 설계목표를 동시에 만족하도록 하는 자동화-최적설계 방법을 개발하였다. 이는 건설 분야와 구조공학 분야에서는 아직 시도되지 않는 세계 최초의 방법으로서 학문적으로도 큰 의미가 있는 접근 방식이다. 이제 인공지능 기반의 설계방식을 통해 정부, 소비자 등 각 이해 단체의 공동 설계 목표들을 동시에 구현할 수 있을 것이다. 이와 같이 건설 분야와 구조공학 분야에 활용될 수 있는 혁신적인 설계방식은 경제․산업적 측면에서 획기적인 변화를 야기할 수 있을 것이며 인프라 구조물의 설계, 시공, 유지관리 등을 효율적으로 개선할 수 있을 것이다. 더 나아가 탄소중립 기반 구조설계를 구현함으로써 기후 위기 시대의 해법을 제시할 수 있을 것으로 기대되며 사회적 측면에서 바람직한 전환점을 인류에게 제공할 수 있어서 파급효과는 대단히 클 것으로 기대된다. NM