초보 예비 건축주를 위한 건축구조 가이드 I
건축구조의 특징들
건축주는 주택을 지으려고 마음먹을 때 생각하는 이상향理想鄕이 있기 마련이다. 누구와 함께 살 것인지부터 어떤 외관으로 할지, 인테리어는 어떻게 꾸밀지, 테라스를 만들지, 취미 공간을 어떻게 구성할지 등 남녀가 상대방을 생각하는 이상형만큼 복잡하고 다양하다.
주택을 지을 부지가 정해지면 골조(건축구조) 유형을 선택해야 한다. 집의 뼈대를 어떤 재료와 방식으로 세울 것인가를 정하는 것이다. 일반적으로 건축구조에는 사용 재료에 따라 철근콘크리트조, 목구조, 석구조, 벽돌구조, 시멘트블록구조, 철골구조 등이 있다. 각각의 구조는 장단점을 가지고 있으며, 건축주는 자신이 원하는 집에 가장 적합한 구조를 선택할 수 있다. <전원주택라이프>는 건축주가 이상적으로 생각하는 집에 가장 적절한 구조를 선택하는데 조금이나마 도움이 되고자 한다. 이중 대표적인 건축구조인 철근콘크리트조, 경량 목구조, 중목구조, 한옥, 스틸하우스의 장단점과 적절한 쓰임이 무엇인지 알아보고, 각 구조의 특성이 가장 잘 드러난 주택 사례를 소개한다.
다양한 건축 공법 적용하는 철근콘크리트구조
철근콘크리트구조 건물 완공 전 내부 모습
철근콘크리트구조는 기둥과 보, 내력벽, 슬래브(바닥), 지붕틀, 주계단 등 건축물의 골격에 해당하는 주요 구조부를 철근과 콘크리트를 조합한 구조다. 철근을 설계에 맞게 배열해 거푸집(형틀)을 시공하고 레미콘을 타설한 후, 양생(콘크리트를 수분, 충격 등으로부터 보호하며 완전히 굳히기)해 구조를 형성한다.
재료가 철근과 콘크리트라는 점에 주목하자. 철의 인장력과 콘크리트의 압축강도가 더해져 구조 강성이 매우 뛰어나다. 더불어 내구성, 내화성, 차음성 등 여러 면에서 건축주에게 만족감을 줄 수 있다. 철근콘크리트 시공은 가장 보편적인 방법이기 때문에 건축주 입장에서 시공사를 찾기 쉽고 자재 수급도 용이하다는 장점이 있다.
사실 철근콘크리트는 엄청난 하중을 견딜 수 있도록 개발돼 고층·대형 건물이나 대규모 아파트 단지를 짓는데 적합하지만, 단독주택이나 전원주택에 작품성을 강조하거나 모던한 이미지를 연출하고 싶은 건축주들도 심심치 않게 선택하고 있다.
모든 건축구조와 마찬가지로 철근콘크리트구조도 단점이 있다. 우선 재료적 특성 측면에서 친환경과 거리가 멀다는 점이다. 자재 생산에서부터 운반, 사용, 폐기 등 라이프사이클 전반에 걸쳐 비교적 덜 친환경적이다. 시멘트 독은 오랫동안 남아 거주자의 건강을 해치고, 폐기할 경우 비용이 많이 든다. 평소 환경에 대한 생각이 깊고 중요하게 여기는 건축주라면 지양하는 편이 좋다. 친환경이 거의 모든 산업·경제 활동과 생활·주거 공간에서 제일 먼저 고려되어야 할 것으로 여겨지는 시대에 이런 마음가짐은 필수다.
철근콘크리트 주택은 복잡한 디자인일수록 시공하기 어렵고 건축비가 많이 든다. 지붕은 목구조 방식으로 시공하는 경우가 많은데, 이 때 추가로 재료비가 발생하고, 목수 인건비가 더해져 전체 비용은 오른다.
콘크리트라는 소재는 단열성이 떨어지고 습식일체형 구조로 건식 구조체에 비해 난방비가 많이 든다는 단점도 있다. 또 습식 구조물로 여름 장마철에 실내가 눅눅하고 통풍이 잘 안 돼 곰팡이가 피기도 한다. 최근 이러한 단점들은 단열재, 마감재 등을 활용해 보완이 가능하고 다른 구조와 결합을 통해 극복할 수도 있다. 주택의 뼈대를 철근콘크리트로 올리고, 그 골조 내부나 외부의 마감을 어떻게 하느냐에 따라 집의 미관뿐만 아니라 가치도 달라진다. 최근에는 다양한 건축 공법을 적용한 철근콘크리트주택 사례들도 늘어나는 추세다.
경량 목구조 벽식구조자연에서 온 나무로 짓는 목구조 주택
목구조는 경량 목구조, 중목구조로 나뉘며 한옥도 포함된다. 중목구조는 경량 목구조가 유행하면서, 이와 구별하기 위해 새로 생긴 표현으로 경량 목구조가 나타나기 전 목구조는 대부분 중목구조를 지칭하는 것이었다. 우리나라 전통 가옥인 한옥이 대표적인 예이다.
목조주택은 친환경성이 뛰어난 게 가장 큰 장점이다. 전원주택 분야만 놓고 보면 철근콘크리트 주택보다 자연과 조화를 이룰 수 있는 목조주택을 더 많이 찾는 추세다.
친환경성뿐만 아니라 단열에 유리하고 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 구조로 잘 알려져 있다. 목조주택이 친환경적이라고 평가되는 이유는 땅을 파헤쳐 지형을 훼손하며 채취하는 천연자원들에 비해 채취, 가공, 사용, 재활용, 폐기에 이르는 전 수명 기간동안 환경에 미치는 부담이 적기 때문이다. 지구 환경보존이라는 차원에서 건축주는 뿌듯함을 누릴만하다. 각별히 건강에 신경을 써야 하는 건축주에게도 가장 적합한 건축구조다.
자연스러운 나무 무늬는 시각적으로 심리적 안정을 준다. 열을 흡수해 저장·방출함으로써 실내 온도를 쾌적하게 조절한다. 목조주택에서 생활하면 아토피 등의 피부질환이나 새집 증후군, 호흡기질 등 불편함을 많이 느끼지 않고 더 건강하게 지낼 수 있다는 의학계 의견도 있다.
2019년 국립산림과학원은 제재한 목재도 사람 건강에 좋은 휘발성 유기화합물인 피톤치드 성분을 방출한다는 연구결과를 발표하기도 했다. 가평과 남해의 소나무와 편백나무 원목을 제재해 저온 건조한 뒤, 일정한 크기로 시편을 만들어 휘발성 물질을 측정한 결과, 모노테르펜(monoterpene)과 세스퀴테르펜(sesquitterpene) 등 피톤치드 성분이 85% 이상 나온다는 사실을 확인했다.
목재는 습도가 높을 땐 습도를 빨아들였다가, 낮아지면 품고 있던 수분을 내뿜는 특성이 있다. 에너지 효율이 콘크리트보다 7배, 일반 단열재보다는 1.5배 높다. 따라서 목조주택은 습도 조절이 용이하고 온도의 변화폭도 작아 여름엔 시원하고 겨울엔 따뜻하다.
일반적으로 목조주택은 내구성이 떨어지고 화재 위험성이 높다고 오해하는 경우가 많다. 하지만 목재의 인장 강도는 콘크리트 보다 약 22.5배, 철보다 4.4배 높고 압축 강도는 콘크리트의 905배, 철의 2.1배 높다. 휨강도 또한 콘크리트의 약 400배나 되는 것으로 알려졌다.
목구조를 제대로 파악하고 설계·시공했다면 목조주택은 화재 발생 시 여타 구조에 비해 안전하다. 목재는 표면에 불이 붙는 착화 온도가 매우 높으며, 화재가 발생해도 표면만 탄화되고 목재 내부는 탄화된 부분이 공기 유통을 차단하기 때문에 산소 부족으로 잘 타지 않는다. 일정 두께를 갖고 있는 목재의 연소 속도는 1분에 0.6mm 정도로 굵은 기둥이나 보라면 30분 간 불에 타더라도 표면에서 18mm 정도밖에 타지 않는다. 다시 말해 화재 시 오래 버틸 수 있고 붕괴 위험도 상대적으로 낮다는 얘기다. 수명은 철근콘크리트 주택이 30년인 것에 비해 경량 목구조 주택은 70년으로 평가된다.
각 목구조별 시공법
1 경량 목구조
우리나라에 목조주택이 도입된 시기는 1990년대 초부터다. 전원주택에 대한 관심이 늘어나면서 국내 목조주택의 수는 계속 증가하고 있는 추세다. 주로 북미식 목조주택이 대부분을 차지하며, 이 중 경량 목구조 방식이 목조주택의 85% 이상을 차지한다.
경량 목구조 구조재
경량 목구조는 좁은 간격으로 배치한 규격 치수의 구조부재와 덮개부재(구조용 합판)를 함께 사용해 벽식 구조체를 구성하는 건축 방법으로, 못을 기계로 대량 생산하면서 구조부재를 저렴하게 접합할 수 있게 돼 널리 퍼졌다.
서구에서는 14세기 무렵 목구조 주택이 나타나기 시작했으며 오랫동안 제재 기술과 시공 방식이 발전해왔다. 20세기 들어서면서 혁신적인 건축 소재의 개발과 목재의 과학적인 연구를 통해 일명 공학목재(Engineer Wood)가 개발되면서 친환성과 실용성, 경제성까지 갖춘 목조주택이 출현했다. 현재 대부분의 목조주택은 공장에서 규격화해 만들어 놓은 구조재를 사용한다.
경량 목구조는 시공 방식에 따라 발룬 구조Balloon Framing, 플랫폼 구조Platform Framing, 패널 시스템Core Panel 등 3가지로 구분한다. 발룬 구조는 벽체 스터드Stud(벽체의 뼈대를 구성하는 수직 부재)를 기초에서 지붕까지 한 부재로 연결하는 방식이다. 2층 바닥은 스터드 중간에 끼워 제작한다. 그러나 층간 벽체와 바닥 장선(상판을 받치는 횡목)을 결합하는 방식이라 화염 진행을 적절하게 차단하지 못하고, 스터드 길이가 길어 다루기 힘들다. 발룬 구조의 이러한 단점을 보완해 등장한 것이 플랫폼 구조다. 벽체 스터드를 층별로 나눠 시공하는 방식이며, 현재 대부분 경량 목구조는 플랫폼 구조로 시공한다. 구조 부재 길이가 짧고 가벼워 작업이 쉽고, 평탄한 플랫폼 위에서 벽체를 시공하기 때문에 작업 속도가 빠르고 정확성이 높다. 플랫폼 바닥 구조는 방화막 역할을 해 발룬 구조에서 추가로 소요됐던 방화용 깔판 설치를 위한 인력과 시간을 절감한다. 패널 시스템은 공장에서 벽체를 생산하는 시스템으로 현장에서 조립만 하는 방식이다. 현장 인력을 최소화하고 공기를 줄여 공사비 절감 효과를 얻기 위해 개발된 공법이다.
경량 목구조 벽체시공
2 중목구조
중목구조의 중목은 무거운 하중의 목재를 뜻하며, 주요 구조부가 125mm×125mm(실제 114mm) 이상의 부재를 가리킨다. 경량 목구조와 달리 중목구조는 실내에 기둥과 보 목재가 드러나며 지진에 강한 것이 특징이다.
무거운 목재를 기둥과 보로 접합해 건물 하중이 전달되는 구조 원리는 경량 목구조의 기둥-보 방식과 동일하지만, 구조용 목재가 대단면재로 분류되는 최소한의 규격을 지닌 목재들로 구성된다는 점이 다르다.
중목구조 서까래 결속
중목구조는 목재를 구조재와 동시에 집을 꾸미는 용도로도 널리 사용할 수 있다는 장점이 있다. 내부 구조 설계가 자유로운 편으로 큰 창문과 현관을 비교적 제한 없이 만들 수 있고, 지붕 모양도 원하는 대로 선택할 수 있다. 습도가 높은 여름이나 장마철엔 대기 중의 수분을 흡수하며, 습도가 낮은 겨울에는 수분을 발산하기에 실내를 보송보송하게 유지시키는 등 다양한 장점을 가지고 있다.
중목구조는 구조재를 접합해 뼈대를 세우는데, 접합 방식에는 재래식 공법과 철물 공법이 있다. 재래식 공법은 접합 부문에 못을 사용하는 것이 아니라, 구조 설계도면에 맞게 재단해 목재를 잇거나 끼워 맞추는 것이다. 접합 방식에는 ‘이음’과 ‘맞춤’이 있다.
중목구조 기둥-보 접합
이음이란 구조재들을 같은 방향으로 길게 접합하는 것이고, 맞춤이란 구조재들을 직교 방향으로 접합하는 것이다. 이 공법의 단점은 구조재들에 이음 또는 맞춤에 필요한 홈을 가공할 때 단면 결손이 생길 수 있어 수직하중과 횡하중에 취약하다는 점이다. 이러한 단면 결손을 줄이기 위해 구조재들을 전용 철물을 사용해 접합하는 방식이 철물 공법이다. 재래식 공법보다 통기둥뿐만 아니라 다른 접합부에서도 결손이 적어 구조적으로 안전하다.
목구조가 잘 드러난 주방(위)과 거실현대적으로 진화하는 한옥
한옥은 우리나라의 전통적인 건축양식으로 고유의 멋과 정취를 담고 있다. 자연에서 온 재료들로 짓기 때문에 친환경적이고 무엇보다 거주자에게 삶의 여유와 건강을 선사한다. 천연동 한옥을 설계한 조정구 구가도시건축 대표 건축사는 한옥을 ‘마당을 삶에 가까이 두고 나무, 돌, 흙, 종이 등 자연의 소재로 짓는 집’으로 정의한다. 이러한 마음을 갖고 지은 천연동 한옥은 ‘2017년 대한민국 한옥 공모전’ 준공부문에서 한옥 대상을 수상했다.
한옥은 안타깝게도 비대중적이다. 이는 건축비가 비싸고 생활하기에 불편하다는 인식 때문으로 분석된다. 전문가들은 이러한 인식이 잘못됐다고 강조하고 있지만, 그 수요는 늘어나지 않고 있다. 지난 2010년부터 정부가 한옥을 활성화하기 위한 정책을 펴고 있지만, 그 효과도 미미한 수준이다.
건축도시공간연구소 국가한옥센터에서 2013년, 2016년, 2018년에 시행한 ‘대국민 한옥 인식 및 수요 특성 조사’ 결과에 따르면, 한옥에 대한 거주 수요는 2013년 57.5%, 2016년 56.7%, 2018년 29.9%로 지속적으로 감소해왔다. 한옥의 인허가 추이에서도 비슷하게 나타났다. 2011년 한옥 인허가 수는 1,589채였지만 지속적으로 감소해 2018년에는 474채까지 떨어졌다.
은평한옥마을 자함헌 주택 거실
그럼에도 한옥의 보급을 확산하기 위해 정부와 지방자치단체, 학계 등에서 여러 다양한 정책과 연구를 진행 중이다. 시울에만 현재 총 8개(북촌, 경복궁서측, 인사동, 운현궁, 돈화문로, 성북, 은평, 익선동)의 한옥마을을 조성해 운영하고 있다.
가장 최근 조성된 은평한옥마을에는 전통 한옥의 단점을 개선한 현대 한옥들이 들어서 있다. 전통 건축기법은 유지하면서도 내부는 현대식으로 설계한 것이다. 전통 한옥은 먼저 돌과 흙을 이용해 평지보다 약간 높게 단을 쌓는다. 그런 다음 기초석을 놓고 나무 기둥을 세우면서 시작한다. 여기에 황토를 활용해 벽체를 만든 다음 창을 내고, 이후 지붕을 얹는 순서로 진행된다. 지붕은 서까래와 계판이라 불리는 반듯한 널빤지를 깐 다음, 무게를 분산시키고 균형을 잡아주는 적심목을 차례로 놓는다. 그 사이에 흙을 채워가며 기와를 얹는다. 이런 복잡한 과정을 거쳐 정성으로 완성한 집이 바로 한옥이다.
은평한옥마을 자함헌 주택 주방
현대 한옥은 기존의 한옥 공간에 현대적 디자인을 가미하거나 현대식 생활 패턴에 따라 새로운 공간을 창출하기도 한다. 개인 주차장이 딸린 한옥, 온돌의 한계를 벗어난 2층 한옥, 공간 독립성이 보장된 한옥 등이 나타나고 있다. 이는 새로운 공법을 개발해온 한옥 연구자들의 노력 덕분이다.
최근에 자주 활용되는 한옥 시공법으로 프리패브prefab 방식을 들 수 있다. 공장에서 건축에 사용하는 부자재를 미리 가공하는 방식을 프리패브리케이션prefabrication이라고 한다. 약칭 브리패브라고 하며, 프리패브 공법이라고도 한다. 이 공법에는 이동식 조립주택, 모듈러 공법, 패널 라이징 공법 등이 있다.
은평한옥마을 자함헌 주택 침실
모듈러 공법은 한옥의 구조적 구성 요소인 바닥이나 벽, 천장, 지붕, 대들보와 서까래, 기둥, 문 등을 공장에서 제작해 현장으로 운반, 조립하고 마감하는 식으로 진행된다. 나무를 여러 가지 방법으로 다듬어 뼈대를 만드는 ‘치목’ 과정도 공장에서 이뤄진다. 공장에서 만들기 때문에 부재의 품질이 고르다는 장점이 있지만, 안전을 위해 조립 과정에서는 보다 정밀한 시공이 요구된다.
어느 한 한옥 예찬론자는 “한옥 지붕 위에 풀이 돋아나기 시작하면 기와를 손보아 달라는 뜻이고, 회벽에 작은 금이 가기 시작하면 주추가 약간 기울거나 벌레 먹은 기둥이 조금씩 내려앉고 있다는 뜻”이라며 “한옥은 큰 사고를 미리 예방하는 자가진단 체계를 갖추고 있다”고 주장했다. 한옥에 살면서 문득 자연 현상과 집 구조가 겹쳐 일어나는 마치 집이 살아 숨 쉬는 것 같은 행복한 착각에 빠지기도 한다고도 했다. 전통과 현대가 조화를 이루며 한옥에서 느낄 수 있는 고유함을 경험하고 싶은 건축주라면 충분히 도전해볼만 하다는 생각을 갖게끔 만드는 대목이다.
목구조 장점 흡수한 스틸하우스
스틸하우스 시공
스틸하우스steel house는 주택의 뼈대를 철강재로 세운 집으로 북미의 전통적인 경량 목구조 주택 공법에서 유래했다. 목구조 주택은 제재된 각재를 세워 집의 뼈대를 만드는데, 이때 사용하는 구조재를 나무 대신 철강재를 사용하는 것이 스틸하우스다.
1930년대 미국에서 처음 등장했지만 목재보다 비싼 가격 때문에 활성화되지 못 하다가 1960년대 이후 목재 가격이 상승하자 주목받기 시작했다. 전성기를 이룬 것은 역시나 전 지구적 환경 문제 때문이다. 산림 훼손을 줄일 수 있고 재활용이 가능한 철을 사용한다는 측면에서 매우 친환경적이다.
스틸하우스의 특징은 목구조와 매우 유사하다. 가벼운 재료를 이용하고, 복잡한 공구가 필요 없어 시공이 간편하며 원하는 평면 형태를 자유롭게 표현할 수 있는 목조주택의 장점을 그대로 가지고 있다.
얇은 구조재로 골격을 형성하지만 하중 부담이 적고, 구조 성능이 우수하기 때문에 뛰어난 강성을 가지며, 지진과 같은 외부 충격 흡수 능력이 탁월하다. 철근콘크리트구조에 비해 공사 기간이 짧고 건식 공법이기 때문에 기후에 구애받지 않고 시공할 수 있으며, 복잡한 디자인을 반영하기 쉬운 편이다.
스틸하우스 골조는 스틸 스터드와 트랙 등을 아연 도금 스크루로 접합해 만든다.
스틸하우스의 주목할 만한 특징은 다양한 외부마감과 내부마감이 가능하다는 점이다. 벽체가 얇은 강판으로 이뤄진 구조이기 때문에 오히려 인테리어를 좀 더 화려하게 꾸밀 수 있다. 건축주의 기호에 따라 다양한 내외장재 선택이 가능하고, 이에 따라 자유롭게 다채로운 공간을 창출할 수 있는 것이 스틸하스만의 특징이라고 할 수 있다. 외부 벽체를 목재나 벽돌로 마감함으로써 구조의 단점을 보완할 수 있다.
스틸하우스는 구조 자체적으로도 여러 가지 장점을 갖고 있다. 먼저, 단열성과 방로성이 뛰어나다. 겨울엔 내부의 따뜻한 열기를 외부로 빼앗기지 않도록 하고, 여름엔 뜨거운 외부의 열기가 실내로 유입되지 않도록 한다. 단열 성능이 좋아야 집에서 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있으며 냉·난방비가 적게 든다. 스틸하우스는 벽체와 지붕, 기초에 단열설계를 충실히 해 우수한 단열 성능을 확보하고 있다. 방로란 벽체의 내·외부에 물방울이 발생하는 결로 현상을 막는 것으로, 스틸하우스에선 열의 이동 경로와 습기의 유입을 차단해 좋은 방로 성능을 확보하고 있다.
내화성도 뛰어나다는 평가를 받는다. 스틸하우스는 벽체와 바닥에 대해 1시간 내화 구조 인증을, 지붕은 30분 내화 구조 인증을 받았다. 차음성도 뛰어난데, 구조적 특성상 스틸하우스에선 바닥과 벽체를 설계할 때 차음재와 보조재를 사용해 차음 성능을 강화하고, 창이나 문과 같은 개구부를 기밀하게 시공해 조용한 주거 환경을 확보할 수 있다.
스틸하우스는 강인한 접합 철물과 수만 개의 스크루로 접합한 저항형 구조다.
스틸하우스는 건식공법으로 시공할 경우, 스틸 스터드를 사용해 제작된 벽체를 현장에서 조립하기 때문에 시공성이 뛰어나다. 시공 순서는 기초 위에 1층 벽체를 세우고 바닥을 설치한 후 2층 벽체를 설치하며, 이 위에 지붕을 얹어 스틸하우스 골조를 완성한다. 현장에서 골조를 조립하는 데 2~3일 정도 소요되며, 골조가 완성된 후 구조용 합판과 석고보드를 사용해 바탕 면을 설치하고, 마감공사를 완료하는 데까지 약 두 달 정도 소요된다.
우리나라는 철강업이 발달해 스틸하우스 자제 보급이 유리한 환경이라는 것도 장점이다. 주재료인 아연 도금 강판을 안정된 가격으로 쉽게 구할 수 있고, 다른 재료에 비해 품질이 균일하고 강도가 높기 때문에 작고 가벼운 자재로 주택을 지을 수 있다. 스틸하우스는 포스코와 포항산업과학연구원, 한국철강협회 주도로 국산 자재의 개발과 KS 규격화, 구조설계 기준 고시, 건설 신기술 인증 등 다양한 기술 지원 사업을 펼치고 있다.
정리 전원주택라이프 편집부 | 자료 전원주택라이프 DB
출처 : 전원주택라이프