공기막 구조
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건축에서 공기구조물을 공기 hall이라 부른다. 이 구조는 공기압으로 버티고 기인장된 막으로 구성된다. 공기가 지지요소이기 때문에 공기 hall은 모든 구조물 중에서 가장 가볍다. 공기구조의 발달은 가스와 뜨거운 공기로 가득 채워진 Montgolfier의 기구(1783)로 거슬러 올라간다. 공기 홀은 내부 기압이 약한 기구가 지면에 붙어 있는 것 처럼 보여질 수도 있다. 우리의 최신 지식으로 볼 때 내부 공기압으로 tent를 만드는 아이디어는 처음 영국 자동차 생산가인 Frederick William Lanchester가 1917년 특허 낸 110339에서 볼 수 있다. 그가 어떻게 그런 생각을 했는지 알 수 없으나, 그는 공기만으로 지지되는 막 뿐 아니라 고정되거나 떠다니는 풍선을 이용해 rope와 그물을 써서 막에 응용할 생각도 했었다. 그러나 그 당시의 그의 아이디어나 작품들이 건축계에서 그리 주목을 받지 못했다. 내부 공기압을 사용한 tent의 혁명적 아이디어는 생각해 볼만한 것이다. 의심스럽기도 하고 건전한 건물과는 거리가 있지만 그렇게 심한 것도 아니었다. 공기 홀은 가장 가벼운 구조물이다. 기술적으로 얘기하자면 공기홀은 기둥으로 지지된다기보다 공기압으로 지지되는 막으로 된 tent 구조라고 할 수 있다. 과거에는 공기를 지지요소로서, 중요한 건축 자재로서 생각하지 않았다. 그러나 공기 홀은 지난 100년간 건축기술에 있어 매우 드문 기초적 혁신 중의 하나이다. tent와 볼트(쉘을 포함), 기둥-보 구조에 있어 견줄만한 혁신이 나올 수 있을 지는 의문이다. 공기홀의 개발과 실현은 1950년 미국의 Walter Bird의 연구와 동시에 베를린의 Otto의 연구와 계획에 의한다. 그들이 자신의 일을 시작해 나갈 때 아무도 Lanchester의 이전 업적을 알지 못했다. Walter Bird는 조종사이자 항공기술자였다. 1950년도 미국정부는 대륙 북쪽 특히 알래스카와 캐나다의 광역 레이더 보호막을 계획 중이었다. 매우 큰 접시모양의 안테나가 세워졌으나 바람과 눈, 혹한에 영향받기가 쉬웠다. 이 안테나를 딱딱한 돔으로 덮으려는 계획은 플라스틱 마감인 철재, 알루미늄, 격자 쉘들의 조합에 기초한 R. Buckminster Fuller 팀의 소위 radoms(radar domes) 건물을 만들었다. Walter Bird는 주변에 정착시킨 공기막을 제안했었다. 그의 아이디어는 공장건물을 위해 지면에 정착된 홀이 아닌 package의 플라스틱 bag처럼 공장을 공중에서 덮고 그것을 팽창시키는 보호 덮개로 만들어졌다. 극단파를 받는데 있어서 장애가 되는 어떤 작은 금속도 없앤 장점이 있다. 이 첫 레이더 돔은 1954년 완성되었다. Walter Bird는 공기 홀과 pole을 쓴 tent 생산의 세계적인 선두가 된 Birdair라는 회사를 설립했다. Walter Bird와 거의 같은 시기에 Otto는 그를 알지 못한 채 독자적으로 1952년 초 알루미늄 막을 팽창시키는 연구를 추진해갔다. (저서: Das hangende Dach) 그는 Stromeyer Zelte를 위한 tent를 개발하고 만들었는데 내부압력을 높이면 기둥 없이도 tent가 설 수 있다는 것을 실험했다. (예: 외부공기를 주입함으로) 그는 바람의 주입, 또는 바람이 없을 때는 강제 fan으로 내부 기압이 유지되면 기둥 없이도 지지가 가능하다는 결론에 이르렀다. 그의 바람으로 지지되는 tent의 제안은 1956-57년으로 거슬러 올라간다. 그는 각각 직경 800m의 3개의 돔으로 된 공장을 위해 공기돔을 처음 계획했다.(저서: C. Roland, 'Frei Otto', Spannweiten) 두 번째 제안은 Stromeyer 계획을 위한 것인데 1958년 Rotterdam의 Floriade를 위한 전시관이었으나 지어지지는 않았다. 1958-61년에는 Otto와 그의 동료들 Siegfried Lohs, Dieter Frank, Ewald Bubner와 수학자이자 구조 기술자인 Rudolf Trostel과의 긴밀한 협조로 광범위한 기초적 연구가 수행되었다. 핵심 저서인 'Zugbeanspruchte Konstruktionen Band 1'(인장구조물 1편)이 완성되었는데 여기서 공기적으로 인장된 막구조물이 거대한 공간을 만든다고 했다. 1962년에 나온 이 저서에는 오늘날 알려진 거의 모든 공기 구조물의 계획과 아이디어들이 들어있다. -정사각형, 각형, 임의의 대지 모양, 떠다니는 구조물, 내부 하수시설을 갖춘 온실과 수영장, 토지를 덮는 무제한 넓은 영역, 댐, 재해보호 시설, 물 또는 흙이 채워진 구조 등 .... 그 후 기간에는 개발과 발명보다 실습이 주가 되었다. 미, 영, 독, 프, 일은 약 20,000개에 달하는 창고 건물, 스포츠 시설,(수영장, 실내 테니스 코트, 스테디움의 지붕), 온실, 전시장 등을 만들었다. 몇몇 중요한 프로젝트를 제외하고는 기본적인 지식과 선구자적 기술자들 없이 지어졌다. 그래서 폭풍 등으로 인한 많은 손실을 입었는데 예를 들면, 1968년 북유럽의 약 200여 개의 공기홀이 태풍으로 무너졌다. 어떤 것들은 폭설로 인해 공기주입 fan에 연결된 전기 공급이 중단되었거나 눈이 공기 주입구를 손상시켜 무너졌다. 그러나 공기홀은 점점 발달해왔다. 대규모 공기홀은 매우 특이한 기후에서도 세워졌다. 악천후 지역에서도 세울 수 있는 거주와 작업을 위한 대규모 rope 건물('Das hangende Dach'에서 이미 구상된)에 대한 아이디어를 만들었고 공기홀 덕택으로 현실화에 보다 가까워졌다. 1970년 오사카 Expo의 미국 관은 그 예이다. 길이 142m, 너비 83m의 타원형 전시관을 덮는 이 막은 얕은 곡면이 32개의 rope 그물로 지지되어 만들어졌다. tent 건물의 실험장인 이 세계 박람회에서 Otto가 처음으로 지적한 많은 기술적, 계획적 가능성이 처음으로 실현되었다. 1970-71년 Otto의 Warmbronn 작업실에서 당케 겐조, 오브에럽 팀과 더불어 2km의 주거 단지를 덮을 수 있는 'City in Antarctica'라는 프로젝트를 계획했다. 이 프로젝트는 Alberta의 광물 유사(油砂)지역인 캐나다 '북위 58도' 계획의 선구가 되었는데 실현화를 염두에 두었으나 결실을 맺지 못했다. 막을 지지하고 인장을 일으키는데 물 또는 다른 액체를 공기대신 사용할 수 있다. 물탱크와 수탑, 댐, 유수 처리시설, 움직이는 둑 등이 이 구조로서 가능하고 벌써 지어지고 있다. 이 경우 덮개는 비워진다. 원리상 고압으로 지지되는 구조물에 적용하는 것과 똑같은 법칙을 따른다. 내부 보강재, bracing, 프레임, 당김줄들은 만들어지고 구조요소가 된다. 이 구조물들은 온실에 쓰여지는데, 예를 들면 무너지지 않을 만한 내부의 낮은 압력으로 땅에 고정된 것이다. Otto는 'Airfish'프로젝트 연구의 일부로 공기적으로 지지되는 모양과 구조를 실험했고 공기 역학적 성질이 우수한 여러 가지 형태를 고안했다. 이 기구들은 소위 딱딱한 재료가 없는 기구라고 하는데, Airfish 1에서 3까지는 막으로 구성되어 딱딱한 부분을 줄였다. Airfish 1의 꼬리날개와 탑승칸은 여전히 딱딱한 재료가 들어갔지만 뜨거운 공기를 주입하도록 고안된 Airfish 3은 탑승칸도 유동적인 구조로 계획했다. Airfish 3은 항공기 제작사로부터 장거리 여객선으로 적합한 지 타진할 것을 의탁 받았다. 승객칸도 포함해 디젤 엔진을 뺀 모든 부분이 딱딱한 재료를 쓰지 않고 공기로 인장된 것이다. 첫 작업 후 몇 년이 지나 1982년 IL에서 'Lufthallen hand buch IL15'를 출간했다. Stuttgart의 공기구조에 대한 연구는 물로 채워진 막에 집중되었다. 이 작업은 '자연구조물'에 대한 공동 연구 프로그램 230의 기초연구의 일부로 총괄적인 자연에 대한 더 나은 이해를 목표로 했다. 공기구조 기술의 형태 찾기 과정에 대한 체계적인 연구와 개발은 생명의 기원과 자연계의 형태 생성과정에 대한 연구에 있어 괄목할 만한 진전을 가져왔다. 기본 세포, 모든 기관과 생명체들은 pneu 또는 pneumatic construction에서부터 비롯된 것이다. 딱딱한 부분이라도 살아서 성장하는 부드러운 부분은 그들의 근본적인 모양을 유지해 간다. 예를 들면 단단한 나무들도 pneus처럼 부드럽게 자라고 껍질을 가진 조개, 게 그리고 동물의 뼈도 그렇다. (저서: 'Naturiliche Konstruktionen', 'Gestaltwerdung', 'Der umgekehrte Weg') 구조 시스템으로서의 'pneu'는 자연 생물의 형태를 설명해줄 수 있다. |
