0. 목차
- 초고층 빌딩'의 기준?
- 건물이 비약적으로 높아진 계기
- 고층 건축물 재료에 요구되는 세 가지 성질
- 위층에 굳이 '견고함'은 필요없다.
- 콘크리트 심을 철 '지팡이'로 지탱한다.
- 빌딩 높이의 한계
- '초고층 빌딩'의 현실적인 문제
- '초고층 빌딩'의 해체 방법
1. '초고층 빌딩'의 기준?
하늘을 찌를 듯이 솟은 아주 높은 고층 건물을 '초고층 빌딩(skyscraper)'이라고 부른다. 그런데 정확하게 어느 정도의 높이, 또는 몇 층 이상이어야 '초고층 빌딩'이라고 부를 수 있을까? 여의도에 있는 '63빌딩'이나 잠실의 '롯데월드 타워'는 '초고층 빌딩'이라고 말할 수 있을까? 2022년 기준 '한국의 건축법'에 의하면, '고층 건축물'은 층수가 30층 이상이거나 높이가 120m 이상인 건축물'로 규정되어 있다. 그리고 '초고층 건축물'은 층수가 50층 이상이거나 높이가 200m 이상인 건축물'로 규정되어 있다.
하지만 세계적으로 통일된 기준은 없으며, 나라마다 조금씩 다르다. 예컨대 일본의 경우, '초고층 빌딩'의 학술적 또는 법률적인 정의 자체가 없다. 과거에 '높이 60m 넘는 건축물을 초고층 건축물로 한다.'는 조문이 있었지만, 2007년 법률 개정 당시 사라졌다고 한다. 따라서 세계적으로 보자면, '초고층 빌딩'의 높이는 절대적인 기준이 있는 것이 아니라, 법률적으로나 인간의 감각으로나 시대와 더불어 높아져 왔다고 할 수 있을 것이다.
2. 건물이 비약적으로 높아진 계기
건물의 높이는 서서히 높아졌을 것이 아니라, 그때까지의 높이 한계를 돌파하는 사건에 의해 한꺼번에 높아졌다. '건물의 고층화'에 결정적인 영향을 끼친 사건은 주로 '철의 사용'과 '엘리베이터의 발명'이다.
- '철'의 사용: 건축물의 고층화에 가장 결정적인 영향을 미친 사건은 '철(Fe)'의 사용이다. 그 상징적인 건축물로는 프랑스 파리에 있는 '에펠탑(Eiffel Tower)'이 있다. 이 철탑은 1889년 파리에서 개최된 만국 박람회에 맞추어 지어졌다. 건설 당시 이 에펠탑의 높이는 312m였다. (현재는 324m) 당시 세계에서 가장 높은 건축물은 미국의 돌로 된 높이 169m의 '워싱턴 기념비'였으므로, 최고 기록을 2배 가까이 경신한 셈이다.
- '엘리베이터'의 발명: 건축물의 고층화에 영향을 미친 또 하나의 사건은 '전동식 엘리베이터'의 발명이다. 중세 유럽에서 높이 100m를 넘는 대성당이 건축된 사실로부터 알 수 있듯이, '철(Fe)'을 사용하지 않고도 100m 정도의 고층 빌딩을 지을 수는 있다. 하지만 건물을 주거용이나 사무용으로 하는 경우, 계단을 통한 상하 이동을 고려해야 하기 때문에 20~30m의 5층 건물 정도가 현실적이었다. 그런데 19세기 말에 '전동식 엘리베이터'가 개발되면서 그 제약이 없어졌다. 그리고 20세기 들어 건축 기술이 향상되면서, 미국을 중심으로 고층화가 단번에 진행되었다. 수십 층 높이의 건물 활발하게 지어지기 시작한 것이다.
3. 고층 건축물 재료에 요구되는 세 가지 성질
고층 건축물의 기본 구조를 만드는 재료에는 3가지 성질이 요구된다. 그것은 바로 '견고함(Strength)'과 '단단함(Stiffness)' 그리고 '끈기(Toughness)'이다.
- 견고함(Strength): '견고함(강도)'이란 문자 그대로 '커다란 압력이 걸려도 견딜 수 있는 성질'이다. 콘크리트의 견고함은 '압축 강도(압축력에 견디는 강도)'로 나타내는 경우가 많으며, '강재(건설 공사 등의 재료로 쓰기 위해 가공한 강철)'은 '인장 강도(잡아당기는 힘에 견디는 강도)'로 나타내는 경우가 많다. 특히 낮은 층의 기둥에는 수십만 톤이나 되는 고층 빌딩의 중량을 떠받치기 위한 높은 강도가 요구된다.
- 단단함(Stiffness): 다음으로 필요한 성질은 '단단함(재료가 주어진 변형에 저항하는 정도)'이다. '강성(rigidity)'이라고도 한다. 같은 구조인 경우, 단단한 소재로 건물을 만들수록 건물이 잘 변형되지 않는다. 고층 건축물은 세로로 가늘고 긴 구조이기 때문에, 아무리 단단한 소재로 만들어도 건물은 휘어지기 쉽다. 즉, 흔들리기 쉽다. 건물 전체를 단단하게 하려면 단단한 재료를 사용하는 것 말고도, 기둥을 굵게 하거나, '경사 지주(골조 사이에 비스듬히 넣는 부재)'를 많이 넣으면 좋다.
- 끈기(Toughness): 건축 재료에는 '끈기(질긴 성질)'가 필요하다. '끈기'란 '밖에서 가해지는 힘에 대해 쉽게 파괴되지 않는 저항력'을 말하는 것으로, '인성(Tenacity)'이라고도 한다. 아무리 단단해도 갈라지면 단번에 부서지는 '도기(earthenware)' 같은 재료를 건축재료로 사용하는 일은 위험하다. 특히 지진이 잦은 나라의 건물에는 '끈기(질긴 성질)'은 매우 중요한 요소이다.
4. 위층에 굳이 '견고함'은 필요 없다.
하지만 단단함 끈기를 모두 갖춘 재료가 고층 빌딩의 위에서 아래까지 모두 필요한 것은 아니다. 높이나 장소에 따라 요구되는 성질이 달라진다. 변형되어도 부서지지 않는 '끈기'가 필요한 것은 아래층에서 위층까지 공통적이다. 하지만 낮은 층의 재료에 특별히 요구되는 성질은 빌딩의 중량을 떠받치기 위한 '견고함'이다. 고층 빌딩이 되면, 견고함보다 오히려 변형되지 않기 위한 '단단함'이 요구된다.
현재 '고층 건축물'에 사용되는 재료는 기본적으로 '철(Iron)'과 '콘크리트(Concrete)'이다. 즉, 요구되는 성질을 철과 콘크리트의 조합으로 실현하게 된다. '고층 건축물'의 골격을 만드는 가장 일반적인 재료인 '철근 콘크리트(RC: Reinforced Concrete)'는 콘크리트에 철근을 여러 개 집어넣어 '끈기'를 높이기 위한 것이다.
고층 빌딩의 낮은 층 기둥에는 일반적인 콘크리트나 '철(강재)'의 3~6배의 강도를 가진 '초고강도 콘크리트'나 '고장력 강재'가 사용된다. '초고강도 콘크리트'는 특수한 제법으로 콘크리트 안의 수분량을 줄여서 재료의 밀도를 높인 콘크리트이다. '고강력 강재'는 철에 미량으로 섞는 성분을 연구해서 강도를 높인 것이다. 낮은 층에는 고강도의 콘크리트나 철을 사용하고, 위쪽 층에는 일반적인 강도의 콘크리트나 철이 사용되는 경우가 많다. 그렇게 함으로써 건물의 위에서 아르기까지 기둥의 굵기를 바꾸지 않고 필요한 강도를 만족시킬 수 있다. 이 밖에도 가느다란 철 섬유를 섞음으로써, 강도를 높인 콘크리트나, '강관(철강으로 만든 관)' 안에 콘크리트를 채워서 강도를 높인 기둥인 'CFT 기둥(Concrete Filled stell Tube)' 등도 개발되어 있다.
4-1. 300m급 이상의 빌딩은 지진보다 바람에 대한 대책이 중요하다.
지진이 많은 지역에 '고층 빌딩'을 지을 때 가장 고려해야 할 사항 중 하나가 바로 '지진의 진동'이라고 생각하는 사람들이 많을 것이다. 높이 300m 이하의 고층 빌딩이라면 그 생각은 기본적으로 옳다. 하지만 높이 300m 정도 이상부터는 '지진의 진동'보다 오히려 '바람의 압력에 의한 진동'을 중시해, '건물 구조'와 '요동에 대한 대책'을 생각해야 한다. 빌딩이 높아질수록 바람을 받는 면적이 늘어날 뿐만 아니라, 상공일수록 '풍속(Wind Velocity)'이 강해진다. 즉, 건물 전체가 받는 '풍압(Wind Pressure)'이 커진다. 도시에서는 지상 100m 부근의 풍속은 10m 부근 풍속의 3배 정도이다. 그렇기 때문에, 건물을 수평 방향으로 흔드는 힘을 계산해 보면, 대략 300m 넘는 초고층 빌딩에서는 '지진의 영향'보다 '바람의 영향'이 강해진다.
건물은 각각 흔들리기 쉬운 주기(1회 왕복하는 데 걸리는 시간)'을 가지고 있는데, 이것을 '고유 주기(natural period)'라고 한다. '고유 주기'는 건물이 높아질수록 길어진다. 즉, 높은 빌딩일수록 서서히 흔들린다. 고층 빌딩의 경우, 건물 높이(m)의 0.02~0.03배가 거의 고유 주기(초)'이다. 예컨대 높이 100m인 빌딩이라면, 고유 주기는 약 2~3초이다.
'고유 주기'는 높이뿐만 아니라, 구조 형식에 따라서도 변한다. '지진의 진동 주기'는 많은 경우, 0.5~2초 정도이다. 그리고 높이가 300~400m인 빌딩의 고유 주기는 기본적으로 6초를 넘는다. 그런데 '지진의 진동 주기'와 '건물의 고유 주기'가 차이 날수록, 그 건물은 지진이 일어났을 때 잘 흔들리지 않는다. 즉, '초고층 빌딩'은 일반적으로 지진으로는 잘 흔들리지 않는다.
'지진의 진동 주기'는 많은 경우, 0.5~2초 정도이지만, '진동의 주기'가 큰 지진도 있다. 거대 지진으로 진동의 주기가 긴 '장주기 지진동(long period earthquake wave)'이 생겨, 고유 주기가 비슷한 고층 빌딩이 크게 흔들릴 가능성이 있다. 서서히 크게 흔들리는 장주기의 흔들림은 엘리베이터 등의 설비를 손상시키거나 내부 사람의 주거 편의성을 떨어뜨린다.
5. 콘크리트 심을 철 '지팡이'로 지탱한다.
지금까지 소개한 것처럼, '초고층 빌딩'은 '건축 재료에 요구되는 성질'이나 '바람의 요동' 등을 고려해서 만들어진다. 요즘에는 외관이 개성적인 초고층 빌딩도 많이 지어지고 있지만, 그 구조는 대부분의 빌딩이 같다. 철과 콘크리트를 사용해 제한된 비용으로 '초고층 빌딩'을 지으려면, 자연히 방법은 한정되기 때문이다. 그 구조란 '철근 콘크리트로 된 심(코어벽)' 주위에 철골 '받침'을 조합시킨 형식이다. 이 구조는 '철근 콘크리트로 된 심(코어벽)'이 흔들려도, 주위에 철골로 끼워진 '기둥'과 '들보'가 그것을 눌러 되돌리는 듯이 지탱해 작용함으로써, 수평 방향의 변형을 억제하는 구조로 되어 있다. '기둥'은 '강관(철강으로 만든 관)' 안에 콘크리트가 채워진 'CFT 기둥' 등이 사용되는 경우가 많다.
이 구조는 건축하기 쉬운 점에서도 매우 합리적이다. '철근 콘크리트로된 심(코어벽)'은 위아래로 이동할 수 있는 유형의 형틀에 콘크리트를 채우면 점차 위로 '성장'한다. 이 코어벽의 상부에 주위의 철골을 끼우는 작업을 하기 위한 크레인을 설치하면, '성장'에 맞추어 크레인도 높은 장소로 이동할 수 있다. 중앙의 높은 장소에 크레인이 있으면, 주위의 철골을 매달아 올려 조립하는 작업이 쉽게 완성된다.
콘크리트 심을 사용하지 않고, 철골을 '트러스(Truss)' 모양으로 끼우는 것만으로, 강도면에서나 경제적인 면에서 400m를 넘는 초고층 빌딩을 지을 수 있다. 하지만 콘트리트 코어벽에 비해, 철골 트러스만으로 건물을 올리는 작업은 '난도(어려움의 정도)'가 높기 때문에, 그다지 선택되고 있지는 않는 것 같다. 2022년 기준, 세계에서 가장 높은 빌딩인 '부르즈 할리파(Burj Khalifa)'도 심과 받침으로 이루어진 구조로 되어있다. 다만 받침 부분은 '철'이 아니라 '콘크리트 기둥'이다.
6. 빌딩 높이의 한계
그러면 '철(Iron)'과 '콘크리트(Concrete)'로 만드는 현재의 건축 기술로, 최대 몇 m 높이의 빌딩을 지을 수 있을까? 현재 기술 수준으로 '철'과 '콘크리트'로 고층 빌딩을 만들면, 약 '1마일(약 1.6km)' 정도가 한계일 것으로 생각된다. 참고로 '부르즈 할리파(Burj Khalifa)'의 높이는 834m이다.
물론 기술적으로는 이보다 더 높은 빌딩을 만들 수는 있을 것이다. 하지만 그 경우에는 건물의 무게를 떠받치기 위해서 바닥이 크게 퍼진 산 모양의 구조가 되어야 한다. 8848m 높이의 에베레스트 산이 존재하기 때문에, 극단적으로 생각하면 바닥을 넓게하여 8000m가 넘는 빌딩도 이론적으로는 실현할 수 있을 것이다. 하지만 이것을 '빌딩(Building)이라 부르기에는 어색하다.
7. '초고층 빌딩'의 현실적인 문제
'초고층 빌딩'의 건축은 기술적인 부분이 모두 해결된다고 하더라도, 여러 가지 '현실적인 문제'가 생긴다.
7-1. 초고층 빌딩은 그다지 경제적이지 않다.
가장 현실적인 문제는 '경제적인 문제'일 것이다. 거대한 빌딩을 지탱하려면, 저층에는 고강도의 콘크리트나 강재가 필요하다. 고층에 사용하는 재료는 가능한 한 가벼운 재료가 필요하며, 외벽재는 상공의 풍압을 견디도록 튼튼해야 한다. 이런 고성능 재료를 쓰려면, 재료비가 높아진다. 또 재료를 위로 운반하는 비용도 늘어나기 때문에, 건축비 총액이 크게 늘어난다. 또 완성 후에 적어도 300층 이상 되는 각 층이 사무실이나 호텔로 모두 활용되어, '투자액이 모두 회수될 수 있을지'도 검토해야 한다.
7-2. '엘리베이터의 대수'와 '거주 공간'의 딜레마
위층으로 가기 위해서는 초고속 엘리베이터도 필요하다. 현재 세계 최고속 엘리베이터의 상승 속도는 1분에 1000m 정도이다. 중간에 멈추지 않아도 1000m 위의 층까지 가는데 1분 이상 걸리는 셈이다. 만약 200층 이상이라고 하면, 여러 대의 엘리베이터를 효율적으로 설치하지 않으면, 엘리베이터를 기다리는 시간이 매우 길어진다. 그런데 또 엘리베이터의 대수를 많게 하면, 거주 공간이 좁아지는 딜레마가 생긴다.
7-3. 그 외의 현실적인 문제
또 '유리창 청소'나 '물을 위로 올리는 일', '배수(Water Distribution)', '에어 컨디셔닝(Air-Conditioning)', '재난시의 피난 경로', '벼락에 대한 대책' 등 건물이 높아짐에 따라 해결해야 할 일들이 크게 많아진다. 인류 역사상 가장 높은 빌딩을 만드는 일은 멋져 보이기는 하지만, 현실적인 효율성을 생각하면 그다지 합리적이라고는 볼 수 없을 것 같다. 층 건물의 높이 한계가 생기는 것은, '기술적인 문제'라기 보다 '효율성의 문제'라고 생각된다.
20세기에는 '초고층 빌딩'을 두고 경쟁을 하는 분위기가 있었다. 하지만 현재에는 500m를 넘는 '초고층 빌딩'을 두고 경쟁하는 분위기가 많이 사라졌다. 건축물의 높이를 다투는 시대는 일단락되었다고 할 수 있겠다. 이미 말했듯이, 현실적인 측면에서 지나치게 빌딩이 높아지면, 오히려 불편해지기 때문이다. 그래서 요즘은 높이 그 자체보다는, '디자인'이나 '환경 성능' 등의 기능면이 중요시되는 분위기다. 앞으로 건축물은 높이보다는 '질(Quality)'의 향상에 더 초점을 두고 발전할 것으로 생각된다.
8. '초고층 빌딩'의 해체 방법
초고층 빌딩의 수명은 매우 길다. 건물의 구조 자체는 적어도 100년 이상 버틸 수 있다고 한다. 그렇기 때문에 100m 이상의 빌딩이 해체된 예는 세계적으로도 적으며, 이제까지의 해체 이유 중 대부분은 '노후화'가 아니라, 아직 사용할 수 있지만 새로운 빌딩을 짓기 위해서였다.
종래의 빌딩 해체 방법은 해체된 자재를 건물 밖에서 크레인 등을 사용해 지상으로 내리는 것이 일반적이었다. 그런데 종래의 방법으로 초고층 빌딩을 해체하는 것은 100m 정도라면 그런대로 할 수 있겠지만, 200m가 넘는 높이에서는 곤란하다.
그래서 일본의 '다이세이 건설(Taisei Corp)'에서는 빌딩 내부에서 해체 공사를 하는 새로운 공법을 개발하였다. 먼저 빌딩 내부에 세로 구멍을 뚫는다. 이 구멍을 사용해 내부에 설치한 크레인으로 해체된 자재를 지상으로 내린다. 그리고 위에서 몇 층분에 '뚜껑'을 씌운다. 뚜껑은 잭으로 떠받치며, 그 상태에서 뚜껑 내부의 층을 해체해 간다. 해체가 완료되면 잭을 내리고 뚜껑을 걷는다. 이때 밖에서는 건물이 줄어드는 것처럼 보인다. 뚜껑의 무게는 1000톤 이상 되므로, 뚜껑을 걷는 작업은 안전 확인을 하면서 분속 수 cm의 속도로 신중하게 한다. 뿐만 아니라 해체된 자재를 크레인으로 내릴 때 강하하는 에너지를 사용해 발전해, 생산된 전기를 크레인의 중력이나 조명 등에 이용할 수 있다. 이처럼 소음 등을 내지 않고 발전까지 획기적인 해체 방법은 세계적으로 주목되고 있다. 앞으로는 세계적으로 초고층 빌딩의 해체가 늘어날 전망이라서, 이러한 해체 기술이 세계에서 활약할 것으로 기대된다.