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1. 막구조의 기원 막구조의 초기 형태는 테라 아마타(Terra Amata)라고 불리는 40만년전의 주거 유적에서 픶아볼 수 있다. 테라 아마타는 사냥과 어획 활동을 위한 캠프로 사용되는 것이며, 아프리카, 아시아, 아메리카 지역에서도 발견되고 있다 [그림 2.1](14). 이 돔은 구조적인 효율성과 시공의 간편성, 벽과 지붕이 하나가 되어 최소의 면적으로 최대의 면적을 감싸서 연료와 유지관리에 소모되는 에너지가 최소가 되는 장점을 지니고 있었다.
[그림2.1] 테라 아마타의 형태(14) 테라 아마타의 형태는 작은 나뭇가지를 수평 보에 닿을 때까지 휜 후에 서로 결속시키는 방식에 따라 두가지로 분류한다. 가지를 평행하게 수평으로 연결시키는 경우는 후에 반원형 혹은 로마네스크 아치의 형상이 되며 엇갈리게 결속시킬 경우는 고딕 성당에 사용되는 아치의 형상이 된다[그림 2.2]. 그리고 아치의 형상에 따른 기하학적인 형상은 한 점에서 가지들이 모여서 결속되는 방사형과 아치들이 평행하게 2개의 그룹으로 나뉘어서 연결되는 오쏘고날(orthogonal)형이 있으며 이러한 형태들은 여전히 현대의 장스팬 돔의 큰 두 가지 부류가 되고 있다.
[그림 2.2] 테라 아마타의 구조형태(14) 돔 건축에 사용된 재료는 나무와 갈대 등이었으나 식물이 없는 곳에서는 진흙 또는 진흙을 햇볕에 말려서 구운 벽돌을 사용하였다. 돔의 간단한 시공법은 벽돌을 내부로 쌓아가면서 짓는 것이었고, 벽돌을 쌓는 방법은 돔의 형상에 따라 수직구법과 수평구법이 있었다. 구운 벽돌의 사용은 난방용 화로가 벽돌을 굽는 것에서 유래되었으며 후에는 안과 밖에 유색의 세라믹 타일(ceramic tiles)로 마감을 한 구운 벽돌 방법이 인도의 타지마할과 중동의 모스크 사원에 사용되었다. 돔 구법은 로마의 도시화 과정에서 거대한 공간을 가능하게 하는 기술로 사용되었다. 1900년전에 지름 43.4m의 판테온(pantheon)이 수화성 모르타르를 리브(rib) 단면에 타설한 뒤 양생시키는 방식으로 지어졌다(15). 거푸집으로 사용된 강한 구리가 돔의 부피를 줄이기 위해 돔의 하부에 형성되었으며 테라 아마타에서 나뭇가지로 만들어진 구조 요소가 구리의 링과 리브로 대체되었다. 구리로 된 영구 거푸집을 사용하지 않은 그 후의 돔은 임시 거푸집을 사용하여 돔형상을 구축한 후 마지막으로 머릿돌(key stone)을 끼운 후에 하중을 지탱할 수 있었기 때문에 고딕 시대에 와서 시공이 가능하게 되었다. 테라 아마타는 유목민들에 의해 텐트구조로 발전하였다. 나무골조방식은 조립과 해체에 하루가 걸리므로 유목민에게 부적절하여, 아치의 수를 줄여 중량을 줄였으며 마감이 동물의 가죽으로 대체되었고, 이는 징키스칸의 군대에 의해 아시아와 유럽 전쟁시에 사용되었다. 낙타나 말에 의한 이동의 편리성과 몇 분내의 조립의 간편성을 지닌 검은텐트구조(black tent)가 사막 사람에 의해 만들어져 현재의 유연성 쉘구조와 가장 가까운 역학적 특성을 지니게 되었다[그림 2.3]. 컴퓨터를 이용하여 쉘구조를 더 가법게 만드는 것이 가능하게 되었지만 거푸집과 불투명성의 문제가 남아 있었다. 공기막구조는 테라 아마타의 형식에 단지 표피를 가볍게 만들고 공기로 지지할 수 있게 만든 것이며, 이에 의해 단위 무게당 질량은 테라 아마타와 같고 스팬은 20배정도 증가하였다.
[그림 2.3] 검은 텐트(14) 2. 현대적 발달과정 18세기 초기의 장스팬 현수교와 함께 현대의 인장 구조는 발전하기 시작하였다. 그 이전 수 천년간, 극동, 동남아 및 미국의 다리는 로프를 사용해서 지어졌다. 중국에서는 대나무가 쉽게 구할 수 있고 또한 로프보다 강도가 3배 정도 크므로 현수교의 재료가 로프(rope)에서 대나무로 바뀌었고 8개 경간 66m 길이의 다리를 대나무로 세웠다. 철의 발견으로 인해 138m 스팬의 다리를 세웠으며 케이블이 개발되면서 장스팬의 가능성은 더 커지고 이와 함께 막구조도 텐트막구조에서 현수구조, 케이블 네트(cable net)구조로 장스팬화 되어 갔다. 케이블에 의한 대형 스팬 구조물은 두 개의 타원형 아치에 안장형 케이블 네트가 길게 펼쳐진 형태를 갖고 있는 레이라이 에리나(Raleigh Arena)가 1950년 노비키(Novicki)와 데릭(Deitrick)에 의해 설계되고 예일대학 아이스 하키장이 에로 사린(Eero Saarinen), 세버드(Severud), 엘쉬타드(Elstad), 크루(Krue- ger)에 의해 설계되었다. 1960년대에 텐트의 주요 소재가 비닐과 나일론 같은 합성섬유로 바뀌었으며 합성 섬유로의 전환은 막재는 쉽게 찢어지고 반드시 로프로 보강을 해야 한다는 텐트 설계에 대한 관념을 변화시켰다. 더 많은 사람들이 '막섬유의 인장강도는 아주 커서 1cm의 스트립(strip)이 167kg을 지지할 수 있다는 믿음'의 막구조의 꿈을 꾸기 시작하였으며 그것은 거대한 텐트를 만들고 엄청난 공간을 덮는 것을 가능하게 할 것이라는 신념을 갖기 시작하였다(10). 이러한 꿈을 건축화시킨 것이 동경 스타디움(Tokyo stadium)내의 아이스 스케이팅 링크(ice skating rink) 등의 이중곡률형태와 공기로 지지되는 인장막구조의 건설이었다. 공기막구조의 원리는 너무나 참신하였으며 기둥-보의 개념을 전환시켰다. 막구조는 잠재력을 나타내면서 강풍과 폭설에 대한 구조적 저항의 요구가 제기되어 외부 동적압력에 대한 저항은 인정되었고 구조계산법은 계속적으로 새로워지고 보강되었으므로 기존의 현수구조의 계산법과 결합된 공식이 사용되었다. 1960년대는 막구조가 잠재적인 새로운 형태의 구조로 간주되면서 막구조의 새로운 출발점이 되었으며 일본의 텐트구조 연구그룹은 막구조 분야의 기술적인 연구 접근을 소개하였고 이러한 발전의 영향으로 막구조에 과학적인 접근을 세울 수 있게 한 수많은 학자, 연구자의 새로운 접근은 건축가에게 막구조를 건축적 소재로 관심을 가지게 하였다(16). '막구조'라는 용어는 그 당시에는 일반적인 것이 아니었으며, '텐트구조' 혹은 '캔버스 구조'로 불렸고, 급속한 기술의 발전과 함께 막구조로 대체되었다. 동경 엑스포'70은 막구조를 소개시켜 전문가와 일반대중을 놀라게 했다. 직경 4m와 장변 60m인 16개의 이중막을 사용한 세계 최대 유일한 안장형 이중막구조인 푸지그룹 파빌리온과 반경 30m를 구성하는 3m두께의 에어매트로 구성된 버섯 풍선구조, 가이거 박사(Dr. Geiger)에 의해 설계된 케이블로 지지된 세계 최초의 낮은 형상 공기막구조가 전시되었다. 미국 박람회장 공기막 구조의 주변기초는 인장강도에 대한 앵커로 설계되지 않고 모멘트를 최소화하기 위한 압축링 형상으로 구성되었다. 1973년에 미국에서 내화성과 내구성, 먼지에 대한 저항성을 가지는 PFTE(Teflon)의 개발로 최초의 영구 막구조물인 La Verne대학 캠퍼스 센터와 드라마 랩(the Campus Center and Drama Lap)이 로스앤젤레스에 지어졌고 케이블로 저항하는 낮은 형상의 공기막 스타디움인 실버돔이 1975년에 미시간의 폰티악에 지어졌고 캘리포니아의 산타 클라라(Santa Clara)대학 체육관이 지어졌다. PVC 코팅 폴리에스테르(polyester)와 스페이스 프레임(space frame)에 의한 장스팬 하이브리드 구조(hybrid structure) 파빌리온이 1981년에 고베 포토피아(Kobe Portopia)박람회에서 선보였고, 막과 스페이스 프레임에 의한 형태구성의 무한성을 보인 국제 축제 파빌리온이 주목을 끌었다. 1981년을 지나면서 가장 큰 막구조 시스템인 사우디 아라비아의 제다(Jeddah) 국제 공항이 지어졌고 1983년에 온타리노(Ontarino)와 토론토(Toronto) 근처의 캐나다 원더랜드(Wonderland)의 거대 야외극장과 밴쿠버의 쉐이드 구조(Shade structure)가 건설되었다. 1985년 이바라기현(茨城縣)의 추쿠바시(つくば市) 과학 박람회에서 선토리(Suntory)파빌리온은 인장 막의 지지를 위한 보와 케이블 개념을 드러냈으며, 추쿠바의 전기 공사파빌리온은 다중 피크의 막구조로 내외의 채광을 이용하였다. 그리하여 막구조 설계의 중요개념의 하나로 야간 막 실루엣의 아름다움이 고려되기 시작하였다. 곡면 프레임과 테프론 코팅 막재가 사용된 내부 실내 수영장인 튜야 선펠리스(Touya Sun Palace)가 호카이도(北海道)에 지어졌으며 목재 이외의 재료와 결합되면서 막구조의 구법은 다양해지기 시작하였고 라산타 야마 스포틴 그린(La Sante Yamaha Sportin Green)이 철골 아치로 지어졌다. 공기막구조 연구위원회 등의 연구결과로 동경돔이 만들어졌으며 동경돔은 낮은 형상을 가지고 80mm의 케이블로 보강된 공기막구조로 통합 시스템에 의해 내압이 자동으로 조절되었다. 이때, 전국적인 TV시스템으로 일본인의 막구조에 대한 인식을 제고시킨 결과, 일본에서는 1988년 이후 막구조의 사용이 급격히 증가하였다(16). 직선적인 골조건물과 나라(なら)의 곡선적인 대지의 부적합성, 기초건설에 의한 대지 손상 문제로 인해서 1988년 나라 실크로드(silk road) 박람회 건축물은 막구조로 지어졌다. 막재료와 케이블이 케이블 트러스에서 사용된 예스(YES)'89박람회의 타카시마-초 게이트(Takashima-cho Gate)는 골조와 공기막 결합의 출발이었으며 기타큐슈(北九州)의 오리노(折尾) 스포츠센터에 형성된 큰 곡면과 치바(ちば)의 나가나 레이스트랙은 스페이스 프레임의 곡면에 테프론 코팅 유리섬유 막을 사용한 것이다. 1990년 아키타현(秋田)에 완공된 아키타 스카이돔은 융설시스템(snow melting apparatus) 연구기술을 이용하여 450kg/m의 설하중에 대한 100m스팬의 제한을 극복하였다. 그리고 1994년 록키 산맥의 이미지를 형상화한 덴버국제 공항이 지어졌다. 다음 [표 2.1]은 세계적으로 유명한 막구조물의 건립시기, 구조방식 및 규모를 나타낸다.
[표 2.1] 세계의 유명한 막구조
3. 막구조의 미학 프랭크 로이드 라이트(Frank Loyd Wright)는 '새로운 미학은 새로운 기술의 발전과 분리될 수 없으며 철로 인한 장스팬으로 오픈 플랜 건축을 개발하게 되었다(17)' 고 하였다. 19세기 유럽의 빅토리아풍에서 양식과 장식의 부족으로 느꼈던 수정궁(Crystal Palace)은 파사드(facade)에서 힘의 흐름을 읽을 수 있기에 중요성을 가진다. 지난 10년간, 세계의 심한 경제적 압박이 효율적인 건설을 가속화시켰고 기술과 인구의 급격한 증가로 건축물의 주기는 더욱 빨라져서 초기 투자비가 낮고 신축 가능한 건축의 시공을 가속화시켰으며, 민주주의 원리의 발전으로 시공자의 안전성 등의 요구가 제기되었다. 고대의 건축물들은 일반적으로 단순함과 최소의 재료로 구성되어 있었으며 중세 양식의 변천 과정 속에서 변화하였고, 산업혁명 이후 기계주의에 입각한 모더니즘의 생성과 국제주의 건축의 양상, 동시에 초현실주의를 바탕으로 한 건축이 다른 맥을 이어갔다. 오토 와그너 등은 기계주의를 내재한 건축 구성과는 달리 철로써 생명체를 표현하려 하였으며, 현대에 와서는 키쇼 구로가와 등이 신바이오시스(synbiosys), 메타볼리즘(meta- bolism) 등으로 제 3의 환경적 건축을 표현하려 하였다. 자연의 의미는 중세 철학자들이 살던 시대의 자연의 원형인 거시적인 개념으로 인지되고 있었으며 근대 이후에 역사와 과학, 사회가 변화하였지만 순수 철학자들에 의해서 해결될 수 없는 문제로 남겨져 있었고, 모든 분야의 과학자, 기술자에 의한 연구결과, 자연의 생물학적 근본 구성단위가 막인 것으로 발견되어 새로운 미학적 수사법의 원형(metaphor)으로 막이 사용될 가능성이 나타나기 시작하였다(18). 일반적인 구조체가 마감재에 가려서 보이지 않고, 텍스쳐가 더 편안하고, 촉각적으로 느껴지는 것과는 달리 막구조의 구조적 요소인 폴(pole), 케이블(cable), 스트러트(strut), 지붕, 벽 표면과 모든 접합부는 힘을 전달하는 기능으로 내, 외부에서 구조적으로 명확하게 보이며 형태로서 동시에 공간이 되어 뫼비우스의 파라다임이 실현되며 빛과 열과 소리를 거르는 역할을 할 수 있다. 자연의 파괴와 보존의 3단계 파라다임의 첫 번째 위치에 있는 건축에서 최소의 에너지, 최소의 재료, 재생 가능 등의 문제를 해결할 수 있으며, 자연과 융화될 수 있고, 시공시의 위험요소가 적으며, 인력이 적게 소요되는 막구조는 사회의 발전과 자연의 보존이라는 모순적 역할을 가진 건축가와 기술자들에게 문제 해결의 실마리가 될 수 있다. 이러한 기술 집약적 개념이 새로운 미학의 기본이 되고 있으며, 19세기의 수정궁과, 막구조, 텐서그러티 구조, 조립과 움직임이 가능한 구조, 쉘구조, 하이브리드 구조 등의 새로운 기술은 건축에 대한 미학과 공간에 대한 감각을 바꾸어 놓았으며 건축에서 아방가드(avant-garde)로 존재하고 있다(17). |
<테라 아마타의 형태>
<재래식 돔 구법>
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