l 최초의 스카이스크래퍼는 겨우 10층?

다소 생소할 수 있는 스카이스크래퍼라는 용어는 미국 시카고와 뉴욕에서 빌딩 붐이 일었던 1880년대 후반에 생겼다. 최초의 스카이스크래퍼는 시카고에 있는 10층 규모의 주택 보험 빌딩이었다. 이 건물은 금속 프레임을 사용한 최초의 고층 건물로, 현재 지어진 모든 고층 건물의 전조가 됐다.
요즘에는 스카이스크래퍼로 분류되기 위해선 최소 40층이거나 높이가 약 150m(492피트) 이상이어야 한다. 이 같은 높이의 초고층 건물을 짓기 위해서는 바람과 지진을 견딜 수 있는 강한 뼈대, 금속 프레임이 꼭 필요하다.
특히나 지진은 최근 세계 각지에서 발생하고 있어 현대 건축물에 있어 내진용 철의 역할이 얼마나 중요한지 알 수 있다. 포스코는 이미 우수한 기술력으로 건축용 내진 강재를 개발해 생산, 판매 중이다.

l 지구를 내려다보는 두바이 버즈 칼리파

현재 세계에서 가장 높은 건물은 두바이에 위치한 버즈 칼리파다. 2004년 9월 21일에 착공해 빌딩 부의 최상층인 160층을 마무리하기까지 38개월이 걸렸다. 160층까지의 높이는 630m이며, 그 이상은 첨탑으로 구성돼 있다. 2009년 10월에 최종 완공되어 이듬해 1월 4일에 개장했다. 공사비가 무려 15억 달러가 들어간 것으로 알려졌다.
2011년 개봉한 영화 <미션 임파서블 : 고스트 프로토콜>에서 주연을 맡은 톰 크루즈가 특수 장갑을 이용해 아슬아슬하게 외벽을 타던 건물이 바로 버즈 칼리파다. 이 영화를 통해서 부르즈 할리파는 영화 팬은 물론 전 세계에 깊은 인상을 남겼다.

l 잠들지 않는 도시 맨해튼의 상징, 엠파이어 스테이트 빌딩

엠파이어 스테이트 빌딩은 뉴욕의 상징처럼 여겨진다. 뉴욕 맨해튼 5번가 34에서 밤이 되면 다양한 색의 투광 조명이 건물 꼭대기를 환히 밝히며, 낮보다 더 휘황찬란한 모습을 뽐낸다. 엠파이어 스테이트 빌딩은 미국에서 가장 독특하고 유명한 건물 중 하나다.
엠파이어 스테이트 빌딩은 1929년에 착공해 1931년에 완성한 철골 콘크리트의 고층 빌딩이다. 엠파이어 스테이트 빌딩 건설 당시 뉴욕에선 세계 최고 높이의 건물을 세우려는 경쟁이 치열했다. 이 빌딩이 완공되기 전까지 뉴욕에서 가장 높은 건물은 크라이슬러 빌딩이었다. 그 이후 40년 이상 세계에서 가장 높은 건물 자리를 지켜온 엠파이어 스테이트 빌딩은 미국의 국보이기도 하다.
102층 건물에 높이는 381m로 에펠탑보다 81m가 더 높다. 1950년경 67.7m의 텔레비전 안테나가 설치돼 현재 총 높이는 448.7m로 알려져 있다. 86층에 위치한 전망대는 개관하자마자 관람객으로 문전성시를 이뤘다고 한다. 유리 없이 사방이 뚫려있는 전망대에서 바라보는 도시의 야경은 죽기 전에 꼭 봐야 할 세계 역사 유적 1001에 꼽히기도 했다.

l 롯데월드타워 전망대에서 떨지 않아도 되는 이유?

세계에서 5번째로 높은 건물로 기록된 롯데월드타워(555m)는 높이만큼 탁월한 차세대 기술력이 돋보인다. 서울 잠실에 위치한 롯데월드타워 전망대(117~118층)는 세계에서 3번째로 높고, 바닥이 유리 소재로 된 전망대로는 가장 높다. 한 발짝만 떼면 아래로 떨어질 것 같은 아찔함 때문에 전망대에서 다리를 후들거리는 사람들의 모습을 TV쇼를 통해 여러 차례 보았을 것이다.
하지만 두려워할 필요가 없다. 롯데월드타워에는 국내외 최첨단 건설 기술이 총동원되었는데, 포스코의 기술력도 한몫했다. 국내에서는 가장 높은 건물인 롯데월드타워 건축 시 포스코의 120mm 극후물재와 고강도 강재 HSA800 등이 사용됐다. 극후물재는 주로 두께 100mm 이상의 철판을 말하는데, 그동안 국내에서 상용화 되었던 후판의 최대 두께는 80mm 정도였다. 하지만 롯데월드타워에는 120mm의 고성능 극후물재가 필요했다. 이에 포스코는 120mm의 후판을 특별 제작해 총 41,000t을 공급했다.
포스코의 월드 프리미어 제품인 HSA800은 건축용 고성능 강재로 초고층 건축물에 적합한 800MPa급이다. 쉽게 말하면 HSA800의 1mm² 만 가지고도 80kg 무게의 성인 한 명을 거뜬히 지탱할 수 있다.

l 건물이 높아질수록 더 중요해지는 철의 역할

메가시티를 구성하는 초고층 건물을 짓기 위해서는 ‘철’의 역할이 매우 중요하다. 철강재는 건물과 사용자들의 안전을 보호하기 위한 최적의 소재다. 초고층 건물은 지진, 태풍 같은 자연재해나 화재 등으로 인해 사고가 발생할 경우, 위험 범위가 매우 넓기 때문이다.
최근 국내에서도 지진으로 인한 피해가 발생하면서 600Mpa(메가파스칼) 이상의 특수내진용 철근 수요가 커지는 추세다. 가까운 일본의 사례를 토대로 화재에 대비해 최종 마감을 철강재로 바꿔야 한다는 목소리도 높다. 이처럼 안전을 위해서는 ‘철’이 꼭 필요하다.
롯데월드타워에 사용된 포스코 제품인 HSA 강재 역시 태풍과 지진에 강하다. 기존 건축구조용 일반 강재보다 약 1.7배 강하고, 중량은 약 30% 가벼워 초고층 건물에 적격이다. HSA 강재는 초고강도 건축용 강재인 데다 지진에 의해 건물이 받는 진동에너지를 효과적으로 흡수하는 내진용 강재로 주목받고 있다.

지상 최고의 높이 경쟁은 세계 각지에서 현재진행형이다. 앞서 소개한 두바이 버즈 칼리파는 1년 후 사우디아라비아의 제다타워에 세계에서 가장 높은 빌딩 타이틀을 내줘야 한다. 2019년 완공될 예정인 제다타워의 높이는 1000m가 조금 넘을 것으로 알려졌다. 2021년에는 두바이 크릭 타워가 완공될 예정인데, 무려 1300m의 높이가 될 것으로 추정되고 있다.
1년 후 사우디아라비아에서 금속 프레임이 창조하는 인류 최초의 1km대 건축물이 완공되면 새로운 스카이스크래퍼 시대가 열릴 것으로 보인다. 앞으로 초고층 빌딩 건축 시 금속 프레임은 더욱 중요한 역할을 하게 될 것이다. 이러한 초고층 건물은 한정된 도시 공간의 효율성을 높이고, 미래 메가 트렌드인 메가시티를 구성하는 거대한 설치작품으로의 의미도 지닌다.
초고층 건물이 완성되기까지 들어간 많은 사람의 땀과 노력을 생각하며 도시 전경을 감상해보는 건 어떨까? 근사한 음식과 차가 함께 한다면 더 좋을 것이다.

△ 이미지 출처 – The Daily Mail / 중국 후난성 지슈의 안자이트 현수교에 도색 작업 모습

도시 교량 건설의 주요 과제는 숙련된 노동력을 확보하는 것, 도시와의 접근성을 용이하게 하는 것, 그리고 환경친화적인 방법을 취하는 것입니다.

이 세 가지 과제 중 숙련된 노동력을 확보하기가 쉽지 않은 현재 상황에서 대규모 교량을 건설하기 위해서 많은 양의 조립식 부품이 사용되고 있습니다. 무겁고 거대한 부품들은 소형 선박으로 운송하며, 대부분의 가벼운 모듈 부품은 혼잡한 도시를 뚫고 지상으로 운송할 수 있습니다.

△ 이미지 출처 – San Francisco Public Press / 샌프란시스코-오클랜드 베이 브릿지 위에 조립식 상판 부품을 올리는 부유식 크레인

더불어 교량의 상판을 조립하는 지역의 주변 인프라로 작업에 방해가 될 수 있기 때문에, 인접 지역 인프라의 가용성도 건설 과정에서 해결해야 할 또 다른 과제입니다. 이를 해결하기 위해서는 먼저 세워진 교각 위에 레일을 깔고 여러 조각의 상판을 순차적으로 올려 밀어내는 압출공법을 사용할 수 있는데요. 압출공법은 부품을 잇는 곳을 확인할 수 있고 현장에서 발행하는 첨접의 용접이나 분할을 최적화해 줄 뿐만 아니라 건설 비용도 줄일 수 있어 부품 제작 공차를 완화합니다.

 

l 규모의 경제에 따른 교량 건설 자재 및 인력 수급

△ 이미지 출처 – The New York Times / 세계에서 가장 긴 항만 대교인 중국의 자오저우 만 대교

메가시티에서의 교량 건설은 크기를 막론하고 필수적으로 요구되는 작업이라고 1편에서도 언급 드린 바 있는데요. 전 세계적으로 늘어나고 있는 신생 메가시티들의 추세를 보았을 때도 교량 건설의 수요는 계속해서 증가할 것으로 보고 있죠. 새로운 교량을 건설하는 경우와 기존 교량을 개선하는 경우를 합쳐 보았을 때 소규모 건설의 횟수가 대규모 건설의 횟수보다 분명하게 많을 것입니다. 그리고 이러한 교량 건설에 대한 모든 투자가 메가시티 내 원활한 교통에 큰 영향을 미치게 될 텐데요.

다른 메가시티들과의 경쟁 속에서 크고 작은 교량 건설 프로젝트를 위한 원활한 건설 자재 및 인력 수급 문제는 도시 교통 인프라 개선에 가장 필수적인 요소가 될 것입니다. 도시에 교량을 건설할 때 교량의 규모는 건설 과정을 결정지으며, 건설 비용에 따라 교량에 사용되는 재료, 노동력, 그리고 특수 장비의 투자 여부는 규모의 경제를 따르기 때문에, 교량 규모에 상관없이 설계의 최적화 달성이나 고급 철강재의 효율적 사용을 통합적으로 고민하는 것이 필요합니다. 이런 교량 건설 과정에서 나타나는 구조재 부족 현상은 더 효율적이고 친환경적인 철강재 사용을 이끌 것으로 보입니다.

l 규모에 따라 최적화된 교량 건설 과정

△ 이미지 출처 – CARLOS FERNANDEZ CASADO S.L / 압출공법이 적용된 교량 상판 건설 과정

소규모 교량 건설에는 대체로 적은 예산이 할당되기 때문에 교량 설계를 최적화하거나 건설 과정을 기계화하는 데 한계가 있어 더 많은 노동력을 필요로 하는 것이 현실입니다. 따라서 소규모 교량들은 규모의 경제를 실현하기 위해 한 번에 여러 개의 교량에 적용할 수 있는 부품을 모아서 준비해야 하는데요.

압출공법으로 지어진 교량은 공사 중 부가적으로 상판을 지지할 필요가 없어 기존의 도로와 철로에 곧바로 연결할 수 있고, 덧붙여 공사가 이루어지는 지역도 도시 내 기반 시설과 멀리 떨어져 있어서 공사 인부와 일반인들의 위험이나 피해를 최소화할 수 있습니다.

△ 이미지 출처 – Roads and Bridges / 조립식으로 건설되는 미국 펜실베이니아의 교량

대규모 교량 건설 시에는 비교적 넉넉한 예산이 있기 때문에 특수 장비에 더 많은 투자를 할 수 있습니다. 따라서 모듈 부품을 더 쉽고 스마트하게, 친환경적인 방법으로 생산할 수 있죠. 나아가 최종 완성품의 품질과 제품 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 현장 조립에 투입되는 노동력과 도시환경의 보조 인프라 시설에 대한 필요성도 절감시킬 수 있습니다.

 

l 차세대 도시 교량을 위한 새로운 재료

△ 이미지 출처 – 플리커 / 포스트 텐션 방식을 사용한 미국 제임스타운 베라자노 교량

철과 콘크리트는 교량 건설에 가장 많이 쓰이는 재료입니다. 고급 철강을 사용하여 교량을 건설하게 되면 교량의 상부구조 자체의 하중을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 교각과 교량 기초에 들어가는 비용까지도 줄일 수 있습니다. 여기에 새롭게 융합된 시스템과 기계화된 플레이트 파형(plate corrugation)은 부품을 조이는 공간을 늘려주어 따로 용접된 보강재 사용을 줄여줍니다.

콘크리트의 경우, 고급 철강으로 만들어진 철근을 사용해 강도를 높이고 부식을 예방하여 수명이 긴 미래의 도시 교량에 적합합니다. 콘크리트가 굳은 후에 인장하는 포스트 텐션 방식은 이미 매우 효율적이기에, 앞으로의 주요 과제는 새로운 수송관과 부식 방지를 위한 재료를 확보하여 시멘트 주입으로 인한 품질 저하를 방지하는 것이 될 것입니다.

철강 교량과 콘크리트 교량 모두 메가시티의 대중교통 시설의 강제 갑판과 사용하기 적합한데요. 생명주기에 따른 총 비용 분석을 본다면 고급 강철이 콘크리트보다 더 경제적인 선택입니다.

미국에서 최근에 지어진 대규모 교량들은 최소 75년에서 100년까지 유지되도록 설계되었습니다. 재생 가능한 보호재를 사용함으로써 철강 교량 유지 기간의 목표는 쉽게 달성할 수 있지만, 도시 교량의 설계 하중이나 상태의 변화는 쉽게 예측하기 어렵습니다. 이런 상황에서 철강 교량은 콘크리트 교량보다 더 적응력이 높고, 추후에도 쉽게 변형하거나 강화할 수 있어 앞으로 교량 건설에서 철강재가 갖는 가치는 계속될 것으로 보입니다.

※ 마르코 로시그뇰리는 21개국에서 37년 이상의 경력을 쌓은 교량 설계, 건설, 법 공학, 그리고 컨설팅 및 교육 전문가입니다.

△ 이미지 출처 – 플리커

전 세계적으로 몇몇 특정 도시들에 국가 GDP의 대부분이 집중되는 도시화가 지속되는 가운데, 인구 천만 명 이상의 ‘메가시티(Megacity)’가 늘어나고 있습니다. UN 발표 자료에 따르면 2015년 이후 메가시티 수는 2배 이상 증가하였고, 전 세계 메가시티의 80%가 아시아, 라틴 아메리카, 그리고 아프리카에 집중돼 있다고 하는데요. 이러한 메가시티를 구성하는 여러 인프라 시설을 분석한 지멘스 보고서를 보면, 특히 경제적 그리고 환경적 복지에 직접적인 영향을 주는 교통을 가장 큰 관심 요소로 꼽고 있습니다.

거대한 메가시티 트렌드 속에서 포스코리포트는 메가시티에 더 효율적인 교통 시설을 제공하기 위한 노력과 지속적으로 변화하는 도시 환경을 수용하기 위해 건설해야 하는 교량의 유형에 주목하게 되었는데요. 이에 세계적인 교량 전문가 마르코 로시그뇰리(Marco Rosignoli)의 특별 기고문을 2편에 걸쳐 소개해 드리려고 합니다. 메가시티 트렌드가 철강 비즈니스에 주는 기회 요인과 마르코 로시그뉼리가 말하는 교량 건설의 미래를 포스코리포트로 만나보세요!

l 미래의 도시들

△ 이미지 출처 – 플리커 / 대표적인 메가시티로 꼽히는 도쿄 시내 전경

메가시티는 사람, 상품, 지식, 그리고 돈의 흐름을 자유롭게 만들어주고, 국가의 경제적인 성장에도 이바지합니다. 실제로 많은 거대 도시의 1인당 GDP는 국가 평균치를 훌쩍 뛰어넘고, 더 높은 생산성과 성장률을 보이고 있는데요. 전체 국민의 28%, 국내 GDP의 40%를 담당하는 도쿄와 전체 국민의 16%, 국내 GDP의 30%가 집중되는 파리는 가장 대표적인 메가시티라고 할 수 있죠.

특히 국가 경제뿐만 아니라 세계 경제에도 도시 단위의 직접적인 영향력이 드러나자, 국가가 자국의 도시를 세계적으로 경쟁력 높은 도시로 발전시키기 위한 정책들을 만들어내고 있는데요. 이에 따라 세계 경쟁 구도도 국가 대 국가에서 도시 대 도시로 이동하고 있습니다.

 

l 거대 도시를 위한 거대한 도전들

△ 이미지 출처 – 플리커 /  중국 상해의 러시아워 교통체증

최근 연구에 따르면 메가시티의 경쟁력 향상을 위해 해결해야 할 가장 큰 당면 과제는 교통입니다. 런던이나 뉴욕같이 낡고 노후화된 인프라 시설을 가진 오래된 도시부터, 아직 시스템 수용력이 부족한 과도기 도시, 그리고 인도 카라치와 같이 아직 기본 시설조차 존재하지 않는 신생 도시들까지, 교통과 수송의 문제는 도시의 발달 단계를 막론하고 모든 메가시티가 겪고 있는 문제입니다.

교통체증에 따른 비용은 메가시티의 경제, 고용, 그리고 환경에까지 큰 영향을 미치고 있는데요. 특히 교통체증에 따른 대기오염은 메가시티가 풀어야 할 가장 중요한 환경 문제로 부상했습니다. 최근 도시 연구에서는 물, 전기, 의료, 안전, 보안보다도 교통 시설 투자를 가장 우선해야 한다고 보고 있는데요. 실제 도시 투자 매력도에서도 교통 시설 개선 여부가 중요한 요인으로 작용하고 있습니다.

따라서 메가시티의 교통시설은 환경에는 최소한의 부담을 주면서 수백만 명의 사람들을 가장 경제적으로 이동시킬 수 있어야 합니다. 이런 교통 인프라의 효율화는 도시 삶의 질을 높일 뿐만 아니라 경제적인 번영에도 기여할 수 있겠죠.

l 메가시티의 교통 시설에 대한 투자

△ 이미지 출처 – New York Post /  뉴욕의 괴살 교량 (Goethals Bridge) 시공 현장

교통 시설을 구축하는 데 있어 투자자들의 의견은 두 가지로 나뉩니다. 하나는 ‘새로운 인프라를 건설할 것인가’이며, 또 다른 의견은 ‘기존 시설을 재정비 혹은 재활성화여 효율성을 높일 것인가’입니다.

기존에 인프라가 존재하고 유동인구가 많은 메가시티에서는 완전히 새로운 건설에 투자하기보다 기존에 있는 교량을 부분 철거하고 낡은 철재를 우수한 신규 강철로 교체하는 등의 유지 보수 작업에 대한 공공투자가 활발해질 것으로 보입니다. 이 경우, 환경에 미치는 영향은 최소화하면서 공간 수용력에서는 순이익이 발생하는데요. 재건 과정에 들어가는 에너지 비용을 부분 절감할 수 있게 됩니다.

구체적으로 살펴보면, 전통적인 도로나 도로 교량에 대한 신규 투자는 감소하고 있습니다. 대신 대중교통 시스템, 식품과 공공서비스를 위한 전기 지상 운송수단, 대중교통 요지에서 지역구를 잇는 경전철, 그리고 도시를 공항, 항구 그리고 다른 메가시티와 연결하는 고속 열차와 같은 친환경적인 분야에 대한 투자가 증가할 전망입니다. 이와 더불어 개별 교통수단이 환경에 미치는 영향을 고려해 볼 때, 더욱 친환경적이고 새로운 대중교통에 대한 투자 역시 우선적으로 고려될 것으로 보입니다.

l 미래의 교량, 그리고 교량 건설의 미래

△이미지 출처 – 위키피디아 /  홍콩의 스톤커터교(Stonecutters Bridge)와 컨테이너 항구

미국 도시 내에 교량들은 대부분 2차 세계대전 이후 철재 부족 현상으로 최대한 가볍게 건설하는 것이 목표였습니다. 경량화를 위해 교량에 구멍을 뚫고 장지간 트러스(long-span truss)로 각 구역을 연결하는 구조였는데요. 이렇게 건설된 교량은 넓은 표면을 손수 도색해야 하고 끊임없이 유지 보수 공사가 필요하여 경제적으로 매우 비효율적이었습니다. 심지어 상태가 양호한데도 불구하고 보수 비용을 감당하지 못해 교량을 철거하는 사례도 발생했죠.

교량의 수명을 최대한 보장하면서 유지 보수 비용은 최소화하기 위해서 차세대 교량이 고안됩니다. 차세대 교량은 플레이트 거더(plate girder)와 교체 가능한 재료를 사용하여 여러 개의 보호층을 이루며 건설됐는데요. 최근에는 교량 건설에 고급 철강재 사용이 늘어 첨접(field splices), 수평 가새(lateral braces) 그리고 보호를 위한 철강 표면에 사용되는 소재 비중이 감소하고 있습니다.

△ 이미지 출처 – Knight Architects / 압출 공법으로 건설되는 영국의 Stratford Town Centre Link

철은 조립식 생산을 가능하게 해주면서 교각과 교량 기초 설계를 단순화시키고, 쉽게 재활용할 수도 있어 교량 건설에 핵심이 되는 재료입니다. 특히 콘크리트와 비교하면 철은 무게 대비 강도가 훨씬 높아서 더 효율적인 모듈 교량 설계를 가능하게 하는데요. 최근 철강 기술의 발달로 철재 교량은 점점 더 강해지고 가벼워지고 있습니다.

메가시티가 늘어나면서 새로운 교량을 건설하거나 기존 교량을 재건하는 등 교량 건설의 수요가 자연적으로 증가하고 있는데요. 특히 복잡한 거대 도시 환경 속에서 최소한의 비용으로 최대한 빠르게 건설하는 방식을 찾아야 합니다. 이러한 니즈에 맞춰 더 깨끗하고 친환경적이면서 가장 효율적인 교량 건설을 위한 철강재의 진화는 앞으로도 계속되어야 하겠고요.

※ 마르코 로시그뇰리는 21개국에서 37년 이상의 경력을 쌓은 교량 설계, 건설, 법 공학, 그리고 컨설팅 및 교육 전문가입니다. 로시그뇰리의 ‘메가시티 트렌드와 교량 건설의 미래’ 이야기는 2편에서 이어집니다.