현재 우리나라에서는 지붕이 열리고 닫히는 구조나 건물은 찾아보기 쉽지 않습니다. 저희는 보다 구조적으로 이를 알아보고 제안하고자 합니다.

해외에서는, 특히 스타디움에서는 눈이나 비에 구애받지 않고 경기를 하기위해 지붕을 열고 닫는 사례들이 있습니다. 대표적인 사례로 2007년 재개장한 웸블리 스타디움부터 벤츠 스타디움, 그리고 최근에 카타르 월드컵을 위해 만들어진 자하하디드의 알자눕 스타디움이 있습니다.

먼저, 지붕을 열고 닫는 방식을 알아보았습니다. 구조적 디자인으로써 Rigid (단단한 형태)와 Membrane (천의 형태)이 있었고, 오프닝 방식으로 Sliding, Rotating, Folding, 그리고 이러한 것들이 종합적으로 결합된 Combined 방식 등이 있습니다.

보통 스타디움과 같이 보다 럭셔리한 공간에서 Retractable Roof가 나타나고 있습니다. 하지만 저희는 보다 일반적인 공간, 일반적인 상황에서 친숙하게 다가 올 수 있는 실용가능한 Retractable Roof를 적용하고 싶었습니다. 그래서 보다 적용하기 쉬운 개폐식 막구조물을 생각하였습니다. 해외에서는 이미 이를 스타디움 뿐만아니라 광장, 마켓, 야외 카페와 같은 공간에서 활용하고 있었습니다.

마침 개폐식 막구조물의 테스트베드로 우리학교가 선정 되었고, 저희는 이를 고려하여 대상지도 우리에게 친숙한 학교 전농관 뒤의 현재 주차장으로 쓰이는 대공간을 덮는 것을 생각하였습니다. 그리고 이에 영향을 받아 이 공간이 주차장이 아닌 카페나 쉴 수 있는 공간의 프로그램과 함께 새로운 개폐식 막구조물이 들어오면 좋다고 생각했습니다.

그러면 이를 어떻게 덮아야 할까라는 고민과 함께 기존의 개폐식 막구조물을 보면 케이블을 이용하고 열리고 닫는 방식에 있어서 다리의 케이블 구조를 참고할 수 있습니다. 현수 구조의 경우 주 케이블을 늘어뜨려 다리, 지금의 개폐식 막구조물의 경우엔 천을, 사장 구조의 경우엔 기둥에서 비스듬히 친 케이블로 다리, 이 경우엔 천을 지지하는 구조입니다. 그러나 최근의 개폐식 구조는 점점 구조를 최소화 시키고 단순하고 깔끔하게 보이는 것을 추구합니다. 그래서 현수구조보다 사장구조를 활용하여 프로젝트를 진행하려 하였습니다.

기존의 개폐식 막구조의 현수구조를 살펴보았습니다. 우선, 지붕을 덮는 천이 존재하며 그 천을 일정한 간격에 따라 잡고있는 캐리지들이 존재합니다. 그러한 캐리지 중 모터의 케이블에 연결되어 작동하는 캐리지를 드라이브 캐리지라 하고 그에 따라 달려오는 캐리지들을 슬라이드 캐리지라고 합니다. 그리고 모터와 연결되어 드라이브 캐리지를 움직이게 하는 케이블을 드라이브 케이블, 그리고 캐리지의 길 역할을 함과 동시에 천과 캐리지의 하중을 지지해주는 구조 케이블을 슬라이드 케이블이라 명칭하였습니다. 여기서는 현수 구조를 이용하여 각 케이블이 케이블을 서로 지지하는 형태를 띱니다.

앞서 이야기한 것처럼 구조를 단순하게 표현하고 싶었는데, 전농관 후면에서의 부채꼴 형태를 사장구조로 그대로 취하기에는 무리가 있었습니다. 그래서 저희는 기존 현수구조에서 케이블 구조를 뒤집어 현수 구조를 없애고 케이블들 자체만으로 지지하면서 보다 단순하게 할 수 없을까 고민하였습니다. 그렇게 저희는 슬라이드 케이블을 아래로 내리고, 드라이브 케이블을 위로 올려 슬라이드 케이블과 드라이브 케이블이 7:3 정도의 힘으로 천을 지지하는 구조를 만들었습니다.

시스템을 자세히 비교해보면 다음과 같습니다. 앞서 말한대로 큰 차이는 슬라이드 케이블의 위치입니다. 그리고 캐리지에 따라 천이 펼처지는 것을 볼 수 있습니다.

그러한 캐리지 중 드라이브 캐리지를 자세하게 살펴보면 다음과 같습니다. 왼쪽 모형이 실제로 문정역 프로젝트에서 이용된 드라이브 캐리지이고 오른쪽 모형이 이를 참고하여 저희가 바꾼 구조에 활용할 수 있는 드라이브 캐리지 입니다. 천을 잡고, 드라이브 케이블과 슬라이드 케이블을 통과하고 이을 수 있는 모형입니다.

그렇게 힘을 받는 방향을 살펴보면 현수구조의 경우 수직 하중에 대응하기 위해 케이블로 잡아 당겨 양 끝의 기둥으로 힘을 내립니다. 그리고 저희가 제안한 구조는 보다 단순하게 기둥구조로 내리는 것을 생각했습니다.

앞서 이야기한 것들을 통해 학교 전농관 후면과 함께 50 대 1 모형으로 실제로 구현해보았습니다. 최대한 실제처럼 모델에서도 구현하려고 노력하다보니 만들면서 많은 스터디와 시행착오들이 있었습니다.

먼저 현재 열린공간으로 사용되는 곳에 스터디모델 같은 기둥구조물들 보다 리트렉터블 루프가 파킹되어 있을때도 잘 디자인되어있을 수 있도록 기둥들을 보로 바꾸어 건물을 감싸는 보와 옥상에 추가적인 구조물을 두어 지붕을 버틸 수 있는 구조를 만들었습니다.

지붕을 제단할때에도 실제로는 접히는 곳들에 추가적인 부재와 공학적인 계산이 필요하겠지만 모델에서는 천에 대한 재료와 어떠한 곳에 캐리지가 붙어야하나와 같은 고민들과 함께 최대한 자연스럽게 잘 접힐 수 있게 재단할 방법을 연구했습니다. 드라이빙 캐리지와 슬라이딩캐리지는 어떠한 부재가 좋을까 고민하며 3d프린트로 구현하려했지만 크기가 너무작아 기존에 만들어져 있는 투명 사각비즈를 통해 캐리지를 구현하였습니다.

지붕을 버틸 수 있는 케이블 구조를 위해 저희가 제안한 슬라이딩 케이블에 강한 텐션을 주기위해 앵커링을 만들고 슬라이딩 케이블만큼은 아니지만 힘을 받으며 움직일 수 있는 드라이빙 케이블을 위한 도르래를 만들었습니다.

앵커링을 자세히보시면 아래에 위치하는 슬라이딩 케이블을 위해 구조물의 아래에 단단하게 박은 후 케이블을 통과시켜 묶음으로써 강한 텐션을 준 것을 볼 수 있습니다.

드라이빙 캐이블과 도르래를 자세히 보시면 구조물 위에 도르래를 연결하여 두 도르래를 통해 케이블이 움직일 수 있도록 만들었습니다. 실제로는 도르래가 모터를 통해 동시에 돌아가 케이블을 당기지만 저희는 모델에서 모터를 둘 수 없었기에 움직일 수 있는 드라이빙 와이어를 만들고 추가로 드라이빙 캐리지자체가 움직일 수 있는 추가적인 캐이블을 두어 움직이게 만들었습니다. 실제 모형에서는 위에서 말한 형태보다 추가적인 구조물들이 들어가 있습니다. 모형에서도 케이블의 텐션이 매우 강했기 때문에 필요했던 추가적인 구조보강과 실제로는 모터가 작동되어 드라이빙 캐리지가 연결된 드라이빙 케이블이 움직여야 하지만 모형에서는 모터를 만들기 불가했기에 드라이빙 캐리지에 케이블은 연결하여 움직이게 한 것을 볼 수 있습니다. 감사합니다.