부르즈 할리파(Burj Khalifa)

0. 목차

1. Y자형 단면이 단계적으로 작아진다.
2. 바람에 의한 진동을 건물의 '형태'로 억제한다.
3. 거대한 벽이 건물을 떠받친다.
4. 192개의 말뚝과 받침대가 건물을 떠받친다.
5. '부르즈 할리파' 갤러리
6. '부르즈 칼리파' 세부 사양

1. Y자형 단면이 단계적으로 작아진다.

 '부르즈 할리파(Burj Khalifa)'의 모습은 바로 위에서 보면 단면의 형태가 중싱으로부터 세 방향으로 뻗은 'Y자형'으로 되어 있다. 이 형태는 사막에 피는 '히메노칼리스(Hymenocallis)'라는 꽃의 꽃잎이 중심으로부터 방사상으로 뻗은 데서 힌트를 얻었다고 한다.

 부르즈 할리파의 Y자형 단면은 세 방향으로 뻗은 끝부분이 위로 갈수록 단계적으로 짧아진다. 그 결과 부르즈 할리파는 위로 갈수록 단계적으로 가늘어진다. 이처럼 건물의 윗부분이 아랫부분보다 단계적으로 가늘어져서 계단 모양이 되는 형태를 '셋백(Setback)'이라고 한다. 건물의 단면을 Y자형으로 하면 건물의 안정성을 손상시키지 않고 건물을 가늘게 할 수 있다. 즉 건물의 효율을 효율적으로 높게 할 수 있다. 또 단변의 면적에 대해 측면 면적의 비율을 크게 할 수 있다. 방에서 바깥을 바라보는 전망을 좋게 하는 동시에 햇빛을 충분히 받을 수 있는 것이다. 또 부르즈 할리파의 경우 Y자형 단면의 끝은 동시에 세 방향이 짧아지는 것이 아니라, 한 방향씩 차례대로 짧아진다. 즉, 부르즈 할리파는 나선 모양을 그리면서 위로 갈수록 단계적으로 가늘어지는 것이다. 이 형태가 부르즈 할리파의 특징이다.

 초고층 빌딩 등의 대규모 건축물에는 '의장 설계'라고 불리는 건물의 디자인 설계, '구조 설계'라고 불리는 건물의 강도 설계, '설비 설계'라고 불리는 건물의 설비 설계로 이루워진다. '부르즈 할리파'의 설계는 모두 미국의 건축설계사무소인 '스키드모어, 오윙스 앤드 메릴(SOM: Skidmore, Owings and Merrill)'이 설계했다. 일반적으로 설계비는 건설비의 3~6% 정도라고 한다.

2. 바람에 의한 진동을 건물의 '형태'로 억제한다.

 초고층 빌딩에 바람은 매우 위험한 존재이다. 왜냐하면 건물의 앞에서 불어오는 바람은 건물 뒤에 바람의 소용돌이를 만들어 건물을 진동시키기 때문이다. 이 바람의 소용돌이를 '카르만 소용돌이(Karman's Vortex)'라고 한다. 건물 앞에서 불어와 건물 오른쪽 측면을 지난 바람은 건물의 오른쪽 뒤에 카르만 소용돌이를 만든다. 한편, 건물 왼쪽 측면을 지난 바람은 건물의 왼쪽 뒤에 카르만 소용돌이를 만든다. 카르만 소용돌이'는 건물의 오른쪽 뒤와 왼쪽 뒤에 교대로 발생해 건물을 좌우로 진동시킨다.

 건물은 각각의 건물에 고유한 주기로 진동한다. 이 주기를 '고유 주기'라고 한다. 초고층 빌딩의 고유 주기는 건물이 높아질수록 길어진다. 부르즈 할리파의 고유 주기는 11~12초라고 생각된다. 한편, '카르마 소용돌이의 발생 주기'는 풍속이 빨라질수록 빨라지고, 건물이 폭이 좁아질수록 짧아진다. 초고층 빌딩의 고유 주기와 카르만 소용돌이의 발생 주기가 일치하면, 초고층 빌딩의 진동은 증폭되어 커진다. 이것은 '공진(Resonance)'이라고 한다. 또 초고층 빌딩에서 곤란한 일은 '카르만 소용돌이'의 발생 주기가 건물의 모든 높이에서 비슷한 값이 되어, 이래로부터 위까지 일체가 된 '세로 길이의 카로만 소용돌이'가 발생한다는 것이다. 이렇게 되면 초고층 빌딩의 진동은 급격하게 증폭된다.

 부르즈 할리파는 '나선(Spiral)'을 그리면서, 위로 갈수록 단계적으로 가늘어진다. 이 형태에 의해 위로 갈수록 '카르만 소용돌이'의 발생 주기를 짧게 할 수 있다. 부르즈 할리파의 특징적인 형태는 '카르만 소용돌이'의 '발생 주기'를 높이에 따라 어긋나도록 해서, 세로로 가지런한 강한 카르마 소용돌이가 발생하지 않도록 하는 것이다.

부르즈 할리파의 '카르만 소용돌이'

3. 거대한 벽이 건물을 떠받친다.

 부르즈 할리파는 156층 이상은 '철골'이며, 155층까지는 '철근 콘크리트'로 되어 있다. 155층까지의 주요 골격은 건물의 기초부터 이어져 있는 높고 거대한 철근 콘크리트제 '내벽(Internal Wall)'이다. 이렇게 벽으로 된 골격은 부르즈 할리파를 설계할 때 새로 고안된 구조로, '버트레스트 코어(Buttressed Core, 떠받쳐지는 심)'라고 한다. 여기서 말하는 '코어(Core)'란 건물의 중심에 있는, 벽으로 둘러싸인 육각형 공간이다. 이 코어가 세 방향에 있는 다른 벽으로 떠받쳐짐으로써 '버트레스트 코어(Buttressed Core)'라고 명명되었다.

 '철근 콘크리트'는 철골 등에 비해 잘 휘어지지 않으며, 소리가 잘 전달되지 않는다. 바람이나 지진에 쉽게 흔들리지 않으며, 소음도 전달되기 어려우므로 고층 아파트는 철근 콘크리트로 짓는 경우가 많다. 그러나 철근 콘크리트에는 철골 등에 비해 강도가 강도가 그다지 높지 않다는 결점도 있다. 그래서 부르즈 할리파는 구조를 '버트레스트 코어(Buttressed Core)'로 함으로써 수평 방향의 힘과 비틀리는 힘에 강한 건물로 만드는 데 성공했다.

 부르즈 할리파에는 기초와 기둥 사이에 끼워 넣어 지진의 요동이 건물에 전해지지 않도록 하는 '척층 고무' 등의 '면진 장치'나, 기둥과 대들보 사이에 넣어 요동을 흡수하는 '오일댐퍼(Oil Damper)' 등의 '제진 장치'는 설치되지 않았다. 부르즈 할리파의 고유 주기와 일치하는 11~12초 주기의 강한 지진의 요동은 '두바이(Dubai)'에서는 발생하지 않는다고 생각되기 때문이다. 두바이에 이은 4층 이상의 모든 건물은 두바이를 지원으로 하는 리히터 규모(M) 5.5 지진을 견디도록 설계되어 있다고 한다.

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4. 192개의 말뚝과 받침대가 건물을 떠받친다.

 사막 지대에 있는 '두바이(Dubai)'의 지반은 초고층 빌딩 건축에 적합하지는 않다. 왜냐하면 지표에서 지하 몇 m까지는 모래지층으로 덮여 있으며, 그 아래에는 모래가 굳은 사암이나 석회암으로 된 무른 지층이 적어도 90m 정도까지는 계속되기 때문이다. 건물의 기초를 설치하는 데 필요한 단단한 지츰과 암밤이 발견되지 않는 것이다.

 이 문제를 해결하기 위해 부르즈 할리파는 '파일드 래프트(Piled Raft, 말뚝 전면 지지 기초)'라 불리는 기초 위에 지어졌다. '파일드 래프트(Piled Raft)'는 건물의 중량을 '받침대'로 받아서 받침대가 가라앉거나 떠오르지 않도록 말뚝으로 고정하는 기초이다. 예컨대 말뚝의 끝이 단단한 지층에 있지 않아도, 말뚝의 측면과 지반 사이에 작용하는 마찰력으로 건물을 떠받칠 수 있는 것이다. 중량 50만 톤 이상 되는 부르즈 할리파의 '파일드 래프트(Piled Raft)'는 두께 3.7m의 철근 콘크리트제 받침대와 192개나 되는 철근 콘크리트제 말뚝으로 이루어진다. 말뚝은 지름 1.5m, 길이 43m이며, 1개가 3000톤의 중량을 떠받칠 수 있다.

부르즈 할리파의 '파일드 래프트(Piled raft)'

5. '부르즈 할리파' 갤러리

5-1. 부르즈 할리파의 꼭대기에서 내려다본 사진

 아래의 사진은 부르즈 할리파의 최고점 높이 829.8m 부근에서 바로 아래를 촬영한 사진이다. '부르즈 할리파'가 완성되기 약 3개월 전인 2009년 10월 상순에 촬영했다. 사진 앞쪽에서 중앙으로 뻗은 하얀색 막대는 표면이 알루미늄으로 도장된 쇠 파이프이다. 지름은 정점 부근에서 약 1.2m, 길이는 약 136m이다. 정점으로 가기 위해서는 이 파이프 안에 있는 사다리를 타고 가야 한다. 물론 일반인은 들어갈 수 없다. 약 83m 아래의 지면 오른쪽에는 부르즈 할리파의 그림자가 보인다. 길을 달리는 차는 쌀알보다 더 작아 보인다. 지면 왼쪽의 푸른색 부분은 인공 호수 '부르즈 할리파 호(Burj Khalifa Lake)'이다. 짙은 푸른색 부분은 분수이며, 분출하는 물은 높이 150m에 이른다. 사진 왼쪽 아래에 보이는 초고층 빌딩은 높이 302.2m의 '디 어드레스(The Adress)'라는 빌딩이다.

부르즈 할리파의 꼭대기에서 내려다본 사진 (2009년 10월)

5-2. 복잡하게 얽힌 벽의 형틀

 아래는 건축 중인 부르즈 할리파를 공중에서 촬영한 사진이다. 복잡하게 얽힌 벽의 갈색 형틀이 보인다. 이 형틀을 위쪽으로 위쪽으로 이동시킴으로써 부르즈 할리파의 크고 거대한 벽이 만들어졌다.

복잡하게 얽힌 벽의 형틀 (Photo: SOM)

5-3. 위로 뻗는 벽

 아래는 건축 중이 부르즈 할리파를 지상에서 촬영한 사진이다. 벽이 위로 뻗어 나가고 있다. 벽의 최상부에 있는 것이 벽의 형틀이다. 벽은 우선 건물의 기초 상부에 높이 몇 m의 벽의 철근을 만드는 것부터 시작했다. 그리고 그 철근 주위를 벽의 형틀로 에워싸고 형틀 안에 콘크리트를 부어서 벽의 최하부를 만들었다. 그리고 이번에는 벽의 상부에 철근을 이어서 벽의 형틀을 위쪽으로 이동시키고 콘크리트를 다시 부어서 벽을 만들었다. 이 작업을 되풀이함으로써 벽을 위쪽으로 늘려 나갔다.

 사진의 벽에 비어있는 구멍은 나중에 출입구 등이 된다. 건물 바닥·천장은 벽이 생긴 후에 만들어진다.

위로 뻗는 벽 (Photo: SOM)

6. '부르즈 칼리파' 세부 사양

세부 사양	내용
소재지	두바이(아랍에미리트)
건설 개시	2004년 1월
완성	2010년 1월
건설비	15억 달러
높이	최고점의 높이: 829.8m
	안테나와 계양대를 제외한 높이: 828m
	가장 높은 전망층인 148층의 높이: 555.7m
층수	지상 163층, 지하 1층
총 바닥 면적	30만 9473m2
재료	철골(156층 이상), 철근 콘크리트(155층까지)
외장	유리와 스테인리스로 된 외장 패널 24348장, 유리는 바깥쪽이 자외선을 반사하는 실버 코딩, 안쪽이 적외선을 반사하는 티타늄 코팅으로 되어 있다.
중량	50만 톤 이상(기초부터 윗부분)
기초	두께 3.7m의 철근 콘크리트제 '받침대'와 지름 1.5m, 길이 43m의 철근 콘크리트제 말뚝 192개
엘리베이터	58기(최상층까지 한번에 간다), 최고 속도 분속 600m, 가장 긴 거리를 운행하는 소방사용 엘리베이터는 1기로, 지상층에서 138층까지의 504m를 운행한다.
용도	사무실 37층(111~121층, 125~135층, 139~147층, 149~154층), 주거 900실(19~37층, 44~72층, 77~198층), 호텔 304실(중앙 홀~16층, 38~39층)
이용자	35000명이 상주하는 것을 상정한다.
주차장	2957대분(건물 주위의 지하)

6-1. 건축&설계

건축&설계	내용
소유자·개발자	에마르 프로페르티즈(Emaar Properties, 아랍 에미리트의 부동산 개발회사)
의장 설계	스키드 모어, 오윙스 앤드 메릴(Owings and Merrill: SOM, 미국의 건축설계사무소)
구조 설계	스키드 모어, 오윙스 앤드 메릴
설비 설계	스키드 모어, 오윙스 앤드 메릴
건설	'삼성물산(한국의 상사·건설회사)', '아랍테크(아랍 에미리트의 건설회사)', 베식스(Besix, 벨기에의 건설회사)' 외
외장	파이스트 글로벌 그룹(Far East Global Group, 중국의 외장 전문회사), ALT(중국의 외장 전문회사)
풍공학	로언 윌리엄스 데이비드 앤드 어원(RWDI: Rowan Williams Davis & Irwin Inc., 캐나다의 풍공학 관련회사)
엘리베이터	오티스 엘리베이터(Otis Elevators, 미국의 엘리베이터 회사)

6-2. 소비&대책

소비&대책	내용
물	1일 평균 94만 6000L의 물을 사용한다.
냉방	최대 36000kW의 전력을 필요로 한다. 만약 얼음을 사용해 냉방하는 경우, 24시간에 1만 톤의 얼음이 필요하다.
응축수	공기가 냉방 장치에 냉각될 때 공기 중의 수증기가 응축해 물이 된다. 응축하는 물의 양은 1년에 약 5700만 L에 이른다. 이것은 올림픽에서 사용하는 풀 20개의 양에 해당한다. 응축한 물은 지하의 저수조에 모여 정원 등에 사용된다.
전력	최대 36MW(메가와트)의 전력을 필요로 한다. 이것은 100W 전구 36만 개를 점등시키는 전력에 해당하며, 인구 20000명의 도시가 소비하는 전력과 비슷하다. 비상용 전원으로 5기의 발전기를 인접한 건물에 갖추고 있다.
바람 대책	건물 윗부분이 아랫부분보다 단계적으로 좁아져, 계단 모양이 되도록 설계되어 있다. 건물 폭을 높이에 따라 바꿈으로써, 바람의 소용돌이 발생 주기를 높이에 따라 피하고 바람에 의한 진동을 억제한다. 또 건물의 각을 매끄럽게 함으로써 바람의 힘을 억제한다. '제진 장치'는 설계되어 있지 않다.
지진 대책	부르즈 할리파가 진동하기 쉬운 흔들림의 주기는 11~12초라고 생각된다. 11~12초 주기의 강한 지진 요동이 두바이에서 발생하는 일은 없다고 생각된다. 두바이에 건설한 4층 건물 이상의 모든 건물은 두바이를 진원으로 하는 리히터 규모(M) 5.5의 지진에 견디도록 설계되어 있다. M 5.5를 넘는 지진이 두바이에서 발생하는 일은 없다고 생각된다. 면진 장치나 재진 장치는 설계되어 있지 않다.
재해 대책	거의 25층마다 있는 설비층에 피난 장소가 설치되어 있다. 화재가 발생했을 때 엘리베이터를 사용하지 못해도, 계단을 사용해 설비층으로 이동해 피난할 수 있다. 피난 장소는 기압을 높이 유지할 수 있어서, 연기나 불꽃이 침입하지 못하게 할 수 있다. 또 설비층은 연기나 불꽃이 설비층을 넘어 위아래의 층으로 번지지 않도록 만들어져 있다. 단 사람도 설비층을 넘어 이동할 수는 없다. 빌딩에 남은 사람은 5500kg까지 운반할 수 있는 소방사용 엘리베이터로 구출한다. 평상시에 이 엘리베이터는 화물 운반 등에 사용된다.