건축술의 발달은 2백층 이상의 초고층빌딩도 가능케 하고 있다. 어떤 기술이 필요한 것일까.
우리나라 최초의 초고층건물인 여의도 대한생명 63빌딩이 완공되어 그 위용과 여러 위락 시설을 공개한지도 3년, 그뒤 럭키금성 쌍동이빌딩의 완공에 이어 최근에는 한국무역센터, 잠실 롯데월드 등 대형의 최신건축물이 등장하고 있다.
이들 건출물들은 그 규모는 물론 외형적인 모습이나 내부설비 등이 첨단의 건축기술로 이루어지고 있어 보는 이들의 감탄을 자아내고 있다. 도대체 어떻게 해서 이같은 건물들이 등장할 수 있는가. 또 과연 인간은 어디까지 건축술을 발전시켜 나갈 것인가.
고층건물의 역사
고층건물의 역사는 지금부터 약 1백년전으로 거슬러 올라간다. 고층건물은 산업사회의 발달로 인구가 도시로 집중하고 이에 따라 더욱 넒은 사무공간이 필요해지면서 등장하게 됐다. 또 과학기술의 발달로 말미암아 새로운 철강기술이 개발되고 철근콘크리트라든가 유리 등의 재료를 사용할 수 있게 된 데에도 크게 영향을 받았다.
최초의 고층건물은 1885년 미국 시카고에 세워졌던 홈 인슈어런스 빌딩(Home Insurance Building)으로 겨우 10층 짜리였지만 현대 대도시의 상징인 고층 사무실용 건물을 가능케 한 하나의 획기적인 구조시스팀을 구체화시킨 건물로 평가된다.
1885년 이전의 대형건물들은 상부층의 하중을 지탱하기 위해 두꺼운 조적벽(masonry wall)을 사용했으나 시카고의 '윌리엄 제니'(William jenny)는 철재와 조적벽으로 건물의 상부하중을 처리할 수 있는 교묘한 기술을 개발했다. '제니'의 구조적 혁신은 몇년 후에 개발된 엘리베이터와 결합되어 미국건축기술의 황금기를 예고했다.
고층건물의 발당상은 대개 3기로 분류된다. 제1기는 1890년대부터 1930년대까지로 도시인구의 팽창과 일정지역의 개발이라는 사회적 조건하에서 미국의 시카고와 뉴욕을 중심으로 전개되었는데, 시각적이나 환경적인 고려없이 경제성과 양적인 팽창에만 관심을 기울였다. 초기의 10층 정도의 건물로부터 20층의 '메이스닉 템플'(Masonic Temple, 1981년 시카고), 50층의 '메트로폴리탄 라이프 인슈어런스 타워'(Metropolitan Life Insurance Tower, 1909년 뉴욕), 60층의 '울워드 빌딩'(Woolworth Building, 1913년 뉴욕), 77층의 '크라이슬러 빌딩'(Chrysler Building, 1929년 뉴욕), 102층의 '엠파이어 스테이트 빌딩'(Empire State Building, 1931년 뉴욕)은 모두 이 시기의 건축술에 의해 세워진 건물들이다.
제2기는 경제공황후 1930년부터 1960년대까지로 고층건물은 무분별한 성장에서 탈피하여 보다 개선된 도시환경의 조성 및 합리적이고 기능적으로 발전된 기술의 뒷받침하에 지속적인 발달을 보게 된다. 주로 알루미늄 커튼월(Curtain Wall, 창문을 포함한 벽의 외장재)과 유리를 주재료로 사용하였으며 대부분 20~50층 정도의 고층건물이었다. 이 시기에 세워진 건물로는 UN빌딩, 체이스 맨하탄 은행 등이 있으며, 유럽에서도 적은 수나마 20~30층 정도의 건물들이 나타나게 되었다.
제3기는 1960년대 이후의 시기. 이 시기는 새로운 구조시스팀의 발달과 더불어 각종 건축재료 및 시공기술의 발전과 경제적, 사회적인 욕구에 따라 과거의 전통을 딛고 다시 초고층건물이 많이 나타나게 되었다. 또한 주간에만 건물이 사용되고 야간에는 텅비어 버리는 공동화현상(空洞化現象)을 막기 위해 '건물의 도시화'라는 명제하에 복합용도의 건물 및 초고층 공동주택이 출현하여 새로운 전환기를 맞게 되었다.
구조방식에서도 제2기의 커튼월 개념을 지양하고 외부 내력벽, 튜브(Tube)구조, 프리캐스트 콘크리트(공장에서 미리 만들어놓은 콘크리트제품)등의 발달이 이루어졌다. 이 시기의 대표적인 건물로는 시카고의 지상 1백층, 높이 3백35m인 '존 핸콕 빌딩'(John Hancock Building, 1969년)을 들 수 있는데 사무실과 주거 그리고 레크리에이션의 용도가 포함된 복합건물로 도시내의 도시라는 새로운 개념을 낳게 한 건물이다.
또한 1973년에 뉴욕에 세워진 세계무역센터(World Tarde Center, 110층)는 세계에서 두번째로 높은 건물로 구조적으로 새로운 개념인 튜브구조 시스팀을 도입했다.
1974년 시카고에 세워진 세계에서 제일 높은 '시어즈 타워'(Sears Tower)는 1백10층, 높이 4백43m로 묶음튜브시스팀을 도입한 건물. 하층부, 주층부, 상층부에 따라 평면형태 및 구조가 단계적으로 줄어드는 형태로 초고층건물의 위용을 자랑하고 있다.
한편 국내에서는 1970년에 3·1빌딩(31층, 높이 1백10m)이 김중업에 의해 설계된 후 로얄호텔, KAL빌딩이 설계, 시공되었다. 그뒤 1980년대에 들어서서 롯데호텔(39층)과 63빌딩(63층), 국제그룹본사사옥(30층)등 고층건물이 들어서게 되었다. 최근에는 한국무역센터 사무동(55층)과 호텔동(33층)이 완공되었으며 또한 잠실 롯데월드의 복합건물이 완공단계에 있는 실정이다.
고층건물의 구조상의 문제점
고층건물의 설계자들이 해결해야 할 가장 기본적인 과제는 경제적이면서도 예상할 수 있는 모든 환경조건 아래서 안정성을 확보하는 문제이다.
고층건물은 항상 2가지 기본적 힘을 받고 있다. 즉, 중력에 의한 수직방향의 힘과 지진이나 바람에 의한 측면방향의 힘인 횡력이다. 이중 수직뱡향의 힘은 철재와 콘크리트에 의한 기둥으로 축력을 아주 강하게 저항할 수 있어 2백층 이상의 건물에서도 큰 뭍제가 안되고 있다.
결국 고층건물의 구조적 안정도를 결정짓는 열쇠는 횡력이라고 하겠다. 이를 여하히 견딜 수 있게 하느냐에 달려 있는 것이다. 30~40층 정도의 고층건물은 기둥과 보에 의한 골조에 벽을 적당히 배치함으로써 구조족인 안정성을 확보할 수 있다. 그러나 층수가 증가될 경우, 바람이나 지진에 의해 건물에 작용하는 힘은 건물높이에 따라 기하급수적으로 증가하므로 적절한 설계로 대책을 세우지 않을 경우 이 힘은 빌딩을 바닥에서 붕괴시키거나 그 축을 뒤틀리게 하여 조절이 불가능할 정도로 진동이 심해 기울어지든가 두조각으로 파괴돼버리고 만다.
구조공학적인 관점에서 보면 초고층건물은 그 높이 자체보다는 종횡비(縦橫比), 즉 높이와 작은 변(폭)의 비율에 의해 최소한의 부지가 결정된다. 한 예로 시어즈 타워의 기준층의 폭은 62.4m, 높이 4백5m로 종횡비가 6.5:1이다. 높이가 7백20m인 건물에서 종횡비를 6:1로 정하면 기준층의 한변의 길이는 1백20m가 필요하게 된다. 일반적으로 초고층 건물에서의 종횡비는 구조적인 안정성을 고려하여 5~8:1로 정하고 있는 실정이다(세계무역센터 6.9:1, 존 핸콕 빌딩 7.9:1, 63빌딩 6:1).
또 하나 고려해야 할 사항은 층간변위 즉 건물의 높이에 대하여 횡변위를 어느정도로 할 것이냐는 점이다. 예를 들어 바람이나 지진이 건물에 작용시 건물의 유연성으로 인해 지나칠 정도로 흔들리게 되면 거주자들이 배멀미현상을 일으키게 되며 벽에 금이 가는 현상이 발생한다. 또한 엘리베이터는 축(軸)의 한쪽으로 밀어붙여져 정지되거나 덜그럭 거리게 된다. 따라서 미국에서는 높이에 대한 건물 최상부 변위의 비를 1/500로 정하고 있다.
그러나 1/500로 할 경우, 구조적으로 안정감은 있으나 비경제적이라 일반적으로 1/350~1/400로 처리하고 있는 실정이다. 즉 높이가 2백35m인 63빌딩의 경우 최상부의 변위는 60cm 정도의 흔들림으로 설계를 했는데 이는 대개 1/350범위에 드는 값으로 국내에서는 대개 이범위의 값을 기준으로 고층건물이 계획되고 있다.
1930년대의 엠파이어 스테이트 빌딩 등 초기의 고층건물들은 각층의 무게를 지탱하면서 풍압력을 받도록 큰 기둥과 경사기둥을 철골 프레임으로 엮은 건물들이다. 그러나 이러한 방법은 매우 비능률적으로 엠파이어 스테이트 빌딩은 높이가 같은 최근의 빌딩보다 m²당 2배나 많은 철재를 사용했다.
지난 20년 이상 고층건물 공학자들은 횡력을 부담하는 부재를 건물의 중심에서 외부로 옮기는 혁신적인 착상을 개발해왔다. 이 결과가 1960년대초 방글라데시 출신의 '칸'(F.R.Khan) 등에 의해 발표되었다. 칸은 외벽의 강성을 높여 고층건물이 마치 땅속에 박힌 거대하고 속이 빈 튜브형태의 캔틸레버(cantilever, 한쪽은 고정되고 다른 한쪽은 고정되지 않은 구조)처럼 될 때 횡력에 대한 최대 강도가 확보된다고 계산했다.
튜브구조는 상자형 건물의 창문면적이 벽판면적의 50% 미만인 경우를 의미하며, 50%를 넘으면 라멘구조 혹은 다른 구조로 일컬어진다. 보통 라멘구조는 외력(外力)이 작용하면 기둥과 보가 연결돼 힘을 받게 되나, 튜브구조는 건물전체가 통째로 힘을 받게 되므로 그만큼 견디는 힘이 강해져 고층건물에 유리하다. 이러한 튜브형 구조방식에 의해 세계 제2의 고층건물인 세계무역센터가 출현하게 되었으며 이와 유사한 묶음튜브형식(단일튜브구조를 여러개 모아 하나의 큰 구조로 만듦)에 의해 세계제일의 시어즈 타워가 탄생하게 되었다. 이와 같은 시스팀에 의해 세워진 건물들은 경제적인 건물로도 인정받고 있다. 또한 시카고의 존 핸콕 빌딩(100층)은 트러스튜브 형식을 택한 대표적인 건물로, 각 측면에 45˚각도로 엄청난 크기의 X자형 브레이스 5개를 형성하여 횡력을 분담하도록 처리한 구조이다.
최근 크게 발전한 국내기술수준
한편 국내에서는 초기에 외국기술에 의하여 고층건물의 설게나 시공감리가 행히진 것이 사실이나, 차츰 국내외의 공사활성화에 따라 기술이 축적되고 해외에서의 고급인력유치 등으로 대부분의 작업이 국내기술진에 의해 처리되고 있는 실정이다. 그러나 1979년 한국최초의 초고층건물인 63빌딩의 설계 및 시공시에는 초고층건물에 대한 경험 부족으로 국내 대학과 일본의 교수 그리고 시공 회사의 자문하에 구조 및 시공상의 기술적인 문제점이 매월 1회씩 토의되었다.
특히 구조시스팀은 칸에 의해 제안된 벨트트러스방식을 사용하였으며 이 방식은 최근 건설된 무역협회 건물에도 채택된 바 있다. 이때 문제됐던 내용은 ▲건물설계시 구조적인 문제로서 풍압력의 분포상태조사, 즉 풍동실험의 실시가 필요 ▲창문유리, 알루미늄 샤시의 실물 실험에 의한 창문의 강도 및 투수성, 기밀성 조사 및 커튼 월의 설계 ▲얇은 철판이나 두꺼운 철판(50mm이상)에 대한 용접기술의 결여 ▲모래지반에 기초타설시 필요한 장비에 대한 지식 등이 거론된 바 있다.
그뒤 무역센터 건물을 시공할 때는 63빌딩 현장에서 경험을 쌓은 기술진 대부분이 그대로 흡수되어 소정의 기일내에 훌륭히 공사를 끝낼 수 있었다. 또한 잠실 롯데월드 현장은 건물의 용도가 복합적인 요소인 것외에는 구조적으로나 시공적으로 우리 기술로 충분히 커버할수 있는 상태다. 특히 중앙부 60m의 원형트러스가 정밀시공에 의해 이루어진 것은 특이할만한 기술로 생각된다.
그간 수차에 걸친 풍동실험과 커튼월의 실물실험 등이 외국기술진에 의해 처리되었으나 이제는 국내에서도 가능하게 되었으며 두꺼운 철판(厚板)을 용접할 수 있는 기능공의 양성, 국내의 후판생산 등에 우리 기술의 많은 발전이 있었던 것으로 판단된다.
현재 우리나라의 대부분의 건물에 대한 건축기술은 상당히 고도화된 기술이 축적되어 있는 상황이나 일부 클린품(Clean room)의 설계나 프리캐스트 콘크리트공법의 고층화는 아직 해결되지 못한 문제점을 일부 안고 있다. 현 시점에서 특히 문제가 되는 것은 주구조체에 필요한 콘크리트의 고강도화, 철재의 고강도 및 철재의 내화성재료 개발, 경량 콘크리트의 개발 등은 시급히 처리되어야 할 기술적인 문제라고 생각된다.
2백층짜리 초고층 건축 계획
하늘을 향한 인간의 집념, 높이 솟고 싶은 욕망은 계속해서 더욱 높은 건물을 짓기 위한 준비를 갖추게 하고 있다. 가볍고 강도높은 건축자재, 혁신적인 구조시스팀, 고속 엘리베이터의 개발로 1백50층 내지 2백층 이상의 건물이 기술적으로 가능하게 되었다. 시카고에 세워질 2백10층, 뉴욕에 세워질 서로 연결된 4개의 2백층짜리 건물을 비롯하여 대여섯개의 초고층건물이 현재 설계중이거나 완료된 상태에 있다.
그러나 이러한 거대한 구조물이 주위환경에 미치는 충격에 관한 우려는 건물 규모만큼이나 큰 것으로 되어 있다. 한예로 2백층(약 7백20m)의 초고층빌딩은 90만m²의 면적(사무실 호텔 객실 상점 등 다양한 용도)에 약 10만명의 인원을 수용하게 되므로 도시의 몇개 블럭을 커버할 정도의 용지가 필요하게 된다.
이같은 규모는 자체 전화국과 우체국, 발전소, 하수처리시설 등이 필요하고 엄청난 물과 전기를 소비하며 또한 방대한 일상용품의 공급과 경영관리도 필요하게 되는 '수직도시'가 될 것이다. 또한 2백층짜리 초고층건물은 지진과 강풍에 흔들리고 기온의 변화에 따른 팽창과 수축등 고층건물의 모든 문제가 확대되는 어려운 점을 안고 있다.
시카고에 건설할 계획인 2백층 건물은 모서리를 단계적으로 베어낸 듯한 모습으로 각 모서리에 세워진 굵은 경사기둥(diagonal column)은 방송송신탑 버팀줄(guy line)의 모양과 응력상태를 본딴 것으로 건물이 어느 방향으로든 흔들리기 시작하면 곧 수직상태가 되도록 고안한 구조시스팀이다.
'르 메쉬리에'연구소(Le Messurier Associates)는 시카고의 '머피 잔'연구소(Murjphy-Jahn Associates) 작품인 사우스웨스트 타워은행(Bank of the South-west Tower)에 새로운 구조시스팀을 도입하였다. 82층짜리인 이 은행은 휴스턴에 세워질 예정인데 높이 3백66m, 기준층 한변의 길이가 49.5m로 종횡비는 7.4:1로 계획된 건물이다.
이는 사진과 같이 큰 트러스를 중심부의 네 모서리에 설치하고 이를 둘러싼 튜브에 고정시켜 안쪽과 바깥 둘레쪽의 튜브가 한 구조체로서 횡력을 받게 한 시스팀이다. 이렇게 강화된 9층짜리 구조모듈 8개가 건물 안쪽에 차례로 쌓아 올려져 전도력(転到力)을 감당하기 위해 넒은 간격으로 세워진 8개의 육중한 콘크리트 기둥에 연직하중 전부를 전달 시키게끔 한 구조이다.
한편 휴스턴에 건설할 계획으로 고안된 5백층짜리 건물은 모두 16개의 삼각형 튜브로 조립된다. 이 시스팀은 뉴욕소재 건축회사 '에머리 로스 앤드 선스'(Emery Roth & Sons)의 설계담당 '로버트 소벨'(Robert Sobel)의 사장이 제안한 것으로 이 모듈형 튜브가 아직까지는 초고층건물에 적용될 수 있는 최상의 기법이라고 얘기하고 있다.
이는 한변이 60m인 삼각기둥 형태의 튜브형 모듈 16개를 묶어 구성하는 것이다. 고강도의 강철구조재로 만들어진 이튜브들은 한변이 2백40m인 거대한 삼각 조립체로 한데 묶여지도록 한 구조방식이다. 그러나 이 건물에 가해질 엄청난 크기의 횡력을 감당하기 위해서는 도심의 서너블럭을 차지할만큼 넓은 부지가 필요하다. 또한 삼각형으로 묶여진 각 튜브는 건물이 높아짐에 따라 높이가 달라져 단계적으로 끝나며 하나만이 정상부 높이까지 그대로 계속되는 시스팀으로 시어즈 타워 모듈과 비슷한 형태를 나타낸다.
이외에도 다른 여러 구조시스팀의 개발이 추진되고는 있으나 초고층건물이 주변의 도심환경에 주는 중대한 영향 등 여러 여건으로 당분간 2백층 정도의 초고층화만이 진전되리라 생각된다.
첨단건축과 신소재 개발
건축물이 이처럼 고층화되고 있으나 그 구조체의 재료가 신소재로 바뀔 가능성은 별로 없다. 다만 강도증가를 위한 개발은 필요한 것으로 판단된다.
콘크리트는 지극히 용도가 넓은 건축자재로 대개 그 강도가 150~300kg/cm²이나 최근에는 그 강도를 높여 고층화에 많이 활용되고 있다. 즉, 약 500~1,000kg/cm²까지의 콘크리트가 초고층 건물 현장에서 사용되고 있는 것은 획기적인 일이다. 그러나 국내건물에 활용된 콘크리트 압축강도는 최대 400kg/cm²정도로서 앞으로 이 이상의 콘크리트 강도실현은 당분간 어려울 것으로 보인다.
현재 국내 각 연구소 및 대학의 실험실에서 900kg/cm²정도는 나오고 있으나 새로운 유동화제(流動化剤)나 고성능 감수제(減水剤) 및 섬유보강시멘트의 개발로 고강도 콘크리트를 실현하지 않고는 철근콘크리트 건물의 고층화가 어려울 것으로 여겨진다. 일본은 실험실에서 압축강도 2,500kg/cm² 이상을 뽑고 있으며 장래에는 4,000kg/cm²를 최종목표로 연구에 몰두하고 있다.
한편 강재(鋼材)는 국내에서 4,000~5,000kg/cm²짜리를 사용하고 있으나 일본에서는 15,000kg/cm²의 강도를 가지면서 450˚C의 열에 90%의 강도가 유지될 수 있는 강재의 개발을 서두르고 있다는 소식이다.
신소재의 건축재료로 연구되고 있는 것으로는 아르미 발포제(發泡剤)를 사용한 방음재료, 가볍고 얇은 섬유보강 콘크리트, 철의 녹을 방지하기 위한 불소수지, 공기막(空氣膜)구조에 사용되는 데프론 코팅제, 배관류, 철골의 내화피복제, 판넬히팅에 주의해야 할 내용, 경량이면서도 고강도의 콘크리트 등을 들 수 있다.
앞으로의 건축전망에 대하여
고층건물은 19세기말에 생겨난 이래 끊임없이 발전해 머지않아 2백층 정도의 건물이 등장할 것으로 기대되며 21세기에는 건물높이 1마일 정도의 건물실험도 가능하리라 전망해본다.
첨단의 건축물에는 최근들어 뉴미디어로 표현되고 있는 지능형 빌딩(Intelligent Building)이 출현되고 있다. 이는 통신, 컴퓨터 및 센서 등의 최첨단기술을 조합하여 건물전체의 환경유지에서 부터 전화 통신 데이터처리까지를 일괄처리하여 거주성이나 경제성의 면에 있어서 건축소유주나 임대자에게도 아주 효율적인 건물관리가 실현되도록 한 빌딩으로서 이와 같은 건물의 출현니 앞으로 많아질 것으로 예상된다.
또하나 미래건축으로서 언급할 것이 이른바 공기막 구조다. 1889년 빠리박물관의 기계궁은 아치로서 스팬이 1백m를 넘고 있으나 최근에느 철골 및 공기막 구조에 의해 2백m를 넘는 구조물이 많은 나라에서 나타나고 있다. 올림픽공원내의 체조경기장이 바로 공기막 구조로 처리한 것으로 특수한 천과 천 사이에 공기를 불어넣은 것이다. 이런 구조는 앞으로 전천후 체육시설 등에 많이 활용될 것이다.
철근콘크리트셸 구조는 앞으로 2백m의 스팬이 가능하며 철골셸구조라면 2백50m, 공기막 구조로는 3백m 즉 원형이면 7ha, 직사각형이면 10ha를 덮을 수 있는 구조물이 가능하리라 생각된다. 수백m 스팬, 수십, 수백ha를 덮는 공간이 형성되면 이것은 벌써 건축의 개념을 벗어나게 되는데 이때 창조된 건축공간은 거꾸로 환경을 내포하게 되고, 그내부는 또다시 건축을 내포하게 되면서 공기막 구조는 거대화될 것이다. 이 인공기후공간은 사람이 살지 못하는 황무지나 한랭지에 푸른 숲의 천국을 형성하게 될지도 모른다.
마지막으로 생각해볼 수 있는 것은 농업 특히 수경재배와의 관련성이다. 수셩재배법은 흙을 떠나 농사짓는 방법이므로 결국 건축과의 총합적인 성능이 요구된다. 즉 수경은 배관농업으로 그 시설이 수도공사의 영역과 겹치게 된다. 수경과 공기막 구조의 조합은 기후가 나빠 이용할 수 없는 건물옥상을 온길로 만들 수 있다. 이로부터 농민은 시설농업의 기술자로서 도시주민이 되며 도시풍경도 온화한 분위기로 될 것이다. 공기막 구조와 수경기술의 결합으로 만들어지는 도시계획은 지금까지와는 전혀 다른 도시를 형성하게 될 것이다.
