공간이 커질수록 설계는 세밀해야하니까, 남다른 구조 솔루션 ‘PoSPACEs’

이에스건축구조엔지니어링(대표이사 황보석)의 이노빌트 PoSPACEs(포스페이스)는 포스코 철강솔루션연구소와 포스코건설, 이에스건축구조엔지니어링이 공동으로 개발해 상용화한 비정형 구조 시스템이다. 일반 커튼월 구조로는 구현하기 어려운 곡선 외장이나 개방감 있는 대공간 지붕, 파사드를 미려하게 마감할 수 있는 최적의 솔루션으로 주목받고 있다.

PoSPACEs는 포스코의 건축 전용 강재 HSA(High performance Steel for Architecture)로 제작한 노드(Node)에 건축가가 원하는 사이즈의 부재를 용접 접합해 제작한다. 중심에 노드를 두고 프레임이 되는 부재들이 뻗쳐 나가는 모양이다. 이때 노드에 용접하는 모든 부재의 각도를 세밀하게 다변 설계할 수 있어, 서울식물원처럼 대공간의 지붕이나 벽을 유리로 마감할 경우 PoSPACEs를 적용하면 획일적인 구성을 탈피한 탁월하고 남다른 곡선 디자인 구현이 가능하다.

서울식물원의 외장 커튼월과 같이 배부른 원통쉘 형태는 단순해 보이지만 기술적으로는 모든 프레임의 연결 각도가 달라 제작과 시공의 난이도가 높다. 또 커튼월은 프레임 설치 후 그 사이사이에 최종 마감재인 유리를 설치해야 하고, 유리를 오차 없이 가공하기 위해 프레임 설치 뒤 부재를 모두 실측하는 작업도 필요하다. 하지만 이노빌트 PoSPACEs는 전용 설계 프로그램을 통한 정확한 설계 제작이 이뤄지기 때문에 부재 실측 없이 유리를 제작할 수 있고 PoSPACEs 자체도 공장에서 완전히 맞춤 제작돼 현장에서는 조립만 하면 되기에, 시공 기간과 공사비 절감 효과가 탁월하다.

건축가의 요구에 따라, 두 가지 타입으로 제작 가능

PoSPACEs는 건축가가 원하는 설계 디자인에 따라 두 가지 타입으로 제작될 수 있다. 노드에 접합하는 부재의 각도가 10° 이하로 작을 경우에는 60mm 이상의 후판을 절단하여 노드를 제작하는데, 이때 노드가 별 모양이기 때문에 ‘Star Type’ 이라고 한다. 별 모양 사이사이에 부재를 용접 접합하는 방식이다. 노드의 소재는 포스코의 HSA500(High performance Steel for Architecture 500)이며, Star Type 부재의 단면 사이즈는 최대 250mm까지 적용 가능하다.

또 다른 타입은 서울식물원에 시공된 ‘Ball Type’이다. 접합하는 부재의 각도가 10°이상으로 클 경우에 이 타입을 사용한다. 노드 소재는 포스코의 HSA500/600이며, 냉각 프레스 성형을 통해 동그란 모양으로 제작한다. Ball Type은 부재의 각도를 10°이상 크게 적용할 수 있으면서, 부재 단면 사이즈는 최대 600mm까지 적용 가능해 더 역동적인 곡률을 표현하기에 적합하다. 또한 노드인 Ball의 속이 비워져 있는 형태로 개발되어, 속이 꽉 채워진 유사 형태의 타 제품 대비 노드 중량을 절반가량 낮추는 강점과 함께 거의 모든 곡면을 실현할 수 있다.

구조 성능은 더 강하게, 하지만 더 가볍게 짓는다

대공간 스페이스 프레임 구조는 트러스 형태의 2-Layer(더블레이어)를 취하는 경우가 많다. 중간 기둥 없이 부재들끼리 하중을 전달하며 구조체를 지지하기 때문에 구조적으로 더 견고한 2-Layer을 따르게 된다. 서울식물원의 경우에도 기존에는 노드와 부재의 접합을 힌지 접합(Hinge Connection, 경첩 접합)으로 한  2-Layer 스페이스 프레임으로 설계되었다. 2-Layer에서 곡면을 형성해야 했기에 부재끼리의 연결이 복잡하고 개방감이 저하될 수밖에 없었다. 또 이 경우 노드 부분은 주물로 제작되어 제작 기간이 길고, 노드와 프레임 자체의 중량도 크기에 시공이 어렵고 시공비도 높아지게 된다.

이에 반해 PoSPACEs는 부재가 외력에 의해 휘어질 수 있는 힌지 접합이 아닌 노드와 부재를 완전히 용접하는 모멘트 접합(Moment Connection) 방식으로 제작된다. 때문에 부재가 변형되거나 휘어지는 힘에 저항할 수 있어, 1-Layer 프레임으로도 곡면 구성이 충분히 가능하다. 이로써 구조적인 안정감과 함께 2-Layer와는 비교할 수 없는 개방감이 주어지는데, 이는 PoSPACEs의 부재들을 연결하는 노드 부분이 포스코의 고강도강 HSA로 제작되는 덕분이다. HSA는 강종에 따라 인장강도를 500MPa 이상 보증하면서 굽힘과 용접 시 변형 발생은 최소화한다. 특히 PoSPACEs Ball Type의 경우에는 노드 중량을 획기적으로 줄여, 구조 성능은 강하게 유지하는 동시에 훨씬 더 가벼운 건축물을 지을 수 있게 된다.

실제로 서울식물원의 경우, 포스코인터내셔널이 제안한 솔루션을 통해 기존 2-Layer 구조에서 PoSPACEs를 적용한 1-Layer로 구조 변경을 거쳤다. 덕분에 기존안 대비 상당량의 강재량과 시공기간이 절감되었으며, 포스코인터내셔널은 솔루션 제안부터 설계, PoSPACEs 제작, 시공 전 과정을 이에스건축구조엔지니어링과 함께 하면서 포스코그룹-이노빌트 얼라이언스의 시너지를 톡톡히 보여줬다.

이노빌트 PoSPACEs는 서울식물원, 대구은행 본점 등에 적용되어 건축물 내부에서도 하늘 바로 아래 있는 듯이 탁 트인 공간을 선사하고 있다. 이용자에게는 남다른 미학적 즐거움을, 건축가와 시공사에는 더 경제적이고 뛰어난 성능을 보장하는 PoSPACEs. 앞으로 더 많은 건축물의 구조 솔루션으로 활약하게 될 것이다.

※ 이노빌트 PoSPACEs 제작/시공 문의 : 이에스건축구조엔지니어링 황보석 대표 (02-579-9371)

서울의 새로운 명소, 서울식물원

산이 많이 있지만 실내에서 초록을 느낄 공간은 부족했던 서울에 드디어 대형 식물원이 생겼다. 오랜 시간 공들여 만든 서울식물원이다. 서울시는 2008년 국제현상공모를 통해 삼우종합건축사사무소의 워터프런트 계획안을 당선작으로 선정하고 2013년 조성계획을 발표한 후 2018년 10월 일반 시민에게 일부 시설을 개방하고 2019년 5월 정식 개장했다. 그리고 지난 5월 6일, 코로나19 확산 방지를 위한 사회적 거리두기 지침에 따라 약 두 달간 휴관한 서울식물원이 운영을 재개했다. 그간 식물원에 들쥐가 나타나거나 몇몇 나무가 몸살을 앓거나 하는 작은 문제가 생기기도 했지만 대체로 순탄하게 운영되고 있다. 특히 그간 공공건물에서 기대하기 힘들었던 온실의 아름답고 독특한 생김새로, 임시 개관부터 줄곧 예상을 훨씬 웃도는 인원이 몰리고 만족도도 높은 이른바 핫스폿으로 자리 잡았다. 서울식물원을 봄볕 따뜻한 날 찾았다.

이국적 경험 가능한 유리 온실

서울식물원은 크게 열린숲, 주제원, 호수원, 습지원으로 구성돼있는데 이 중 주제원의 주제정원과 온실이 핵심이다. 온실에 들어가자마자 떨어지는 물줄기가 눈과 귀를 자극하고 커다란 고무나무와 인도 보리수가 주위를 환기시킨다. 낯선 공간에 들어온 느낌을 강하게 받으며 이끌리듯 걷다 보면 열대에서 만날 수 있는 식물들을 하나하나 마주친다. 빅토리아수련이 둥둥 떠있는 연못도 초입에 있는데 많은 사람들이 이 앞에서 사진을 찍거나 대화를 하고 있었다. 자연스럽게 이어지는 유선형 스카이워크를 걸어 올라가며 다양한 식물을 발견하는 일이 즐겁다.

계획부터 완공까지 철저하게 컴퓨터로 매만진 ‘인공적’이고 ‘미래적’인 비정형의 공간을 사람들이 마치 산을 오르듯 이리저리 산책한다는 사실이 새삼 재미있다. 완만한 경사의 다리를 건너다보면 어느새 2층에 다다르는데, 위에서 온실 공간을 전체적으로 볼 수 있기도 하지만 그보다 시간이 흘러 나무가 더 자라면 이 다리에 서서 코앞의 잎사귀와 꽃을 볼 수 있을 것이라는 기대가 든다. 건축가도 그것을 의도했다. 열대의 도시를 지나 지중해에서 빼놓을 수 없는 올리브나무와 커다랗게 우뚝 선 모습이 저마다의 상상을 불러일으키는 어린왕자 속 바오밥나무를 구경하다 보면 출구로 나오게 된다.

건물은 배경, 식물이 주인공

▲ 이미치 출처= 서울식물원 홈페이지

온실은 투명한 철골 건물인데 흔한 돔 형태가 아니라 오히려 정수리가 오목하고 주변으로 갈수록 높아지는 그릇 모양이다. 중앙에 희귀하고 커다란 식물을 배치하게 마련인 돔 스타일을 벗어나 공간을 보다 전체적으로 활용할 수 있게 가장자리의 층고를 높였다. 곳곳에 눈길을 끄는 식물을 분산해 배치했다. 지름이 100m, 높이는 28m에 이르니 규모가 워낙 커서 12개의 도시로 구성하고 스카이워크를 올라가는 식으로 동선을 제시하지 않을 수 없었을 것이다. 그럼에도 분산형 설계와 레이아웃으로 보다 풍부하고 입체적인 경험이 가능해졌다. 이 거대한 유리 건물을 흰색 철골 10개가 바깥에서 붙잡는 구조다.

[Architect’s Pick : 이노빌트 PoSPACEs]

설계를 맡은 더시스템랩의 김찬중소장은 메인 구조체인 철 기둥에만 시선을 집중시키고 다른 요소가 되도록 눈에 띄지 않게 만들고 싶었다고 한다. 흰 기둥보다 가까이에서 관람객이 접하게 되는 온실 외벽을 보면 이러한 의도가 읽힌다. 삼각형과 역삼각형이 반복하며 교차하는 폴리곤이 건물 전체를 이루고 있는데 존재감을 드러내지 않는다. 3,180개의 삼각 창으로 둥그런 외벽을 완벽하게 구현하기 위해 크기와 모양이 조금씩 다르고 일부는 개폐가 가능해 환기를 돕는다. 무려 5,654m²의 넓이에 달하는 유리 외벽에 쓰인 것은 포스코 이노빌트 라인업 중 하나인 PoSPACEs(포스페이스)로 기존 자재로는 어려웠던 대규모 비정형 커튼월에 적합한 고성능 제품이다.

건물을 멀리서 보면 흐릿한 유리의 실루엣만 보이기를 원했던 김찬중소장은 PoSPACEs(포스페이스)에 대해 “꽤 복잡한 프로파일을 일일이 지정했는데 말끔히 정밀제작할 수 있었고, 공장에서 생산을 완전히 마치고 현장에서 조립만 했기에 시간과 비용을 절약할 수 있었다”고 밝혔다. 수천 개의 유리면이 3차원으로 미세하게 꺾이면서 모여서 둥그런 하나의 대공간을 만들어내기에, 건축가의 계산대로 정확하게 맞아떨어지는 자재를 신중하게 골랐다. 위아래로 다양하게 변하는 각도에 면밀히 대응하는 부재로 이노빌트 PoSPACEs가 거의 유일한 대안이었다. 중심에서 여러 방향으로 팔이 뻗어나가는 Ball Type의 포스페이스를 유리 외벽 전체적으로 적용했다. 또한 포스코의 건축용 고강도 강재 HSA(High performance Steel for Architecture)를 사용, 경량화가 가능해 가늘고 가벼운 느낌을 표현할 수 있었다.

식물원은 동물원보다 편안하다. 식물과 사람이 평등한 공간이다. 관람객은 휴식과 여가를 얻고, 식물은 잘 자라야 한다. 식물을보존하고 연구하는 기관이기도 하다. 서울식물원 안의 풀과 나무는 여닫히는 삼각 유리창으로 들어오는 빛과 바람과 물기를 맞으며 오랜 시간 살아갈 것이다. 개장한지 이제 일 년 남짓인 서울식물원의 성취를 평가하긴 아직 이르지만 새로운 대공간 구조 시스템의 가능성을 보여준 건축 자재는 확실히 하나의 혁신으로 보인다. <글=김나래 사진=송유섭>