A Study on the Convergence Relativity of the Combining Curved Forms of Tall Buildings

초고층빌딩의 비정형 곡면형태 조합 및 복합관계에 관한 연구

Abstract

Globally, more super-tall buildings tend to be constructed competitively in the social and economic foundations. In the circumstance, this study is aimed at establishing a paradigm of super-tall buildings in terms of their various forms. Symbolizing a city or state, super-tall buildings not only are used as resources of tourism, but play an important role as a characteristic landmark. Therefore, it is necessary to find a curved form for a futuristic perspective. The purpose of this study is to infer the convergence relativity of curved forms among complex and diverse unstructured construction forms. This study used as subjects 50 super-tall buildings among the ranking data selected Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) in order for the basis of constructability related to actual design, rather than the way of recognizing a formative type, in the classification of curved forms into regularized surfaces, developable surfaces, and double-curved surfaces. The results of this study are presented as follows. This classification can be used as a fundamental material which is reasonably involved in the design process pursuing diverse curved surfaces in terms of design of tall buildings.

본 연구는 세계 각지에서 초고층건물들이 사회적, 경제적 기반으로 순위를 경쟁하듯이 증가하고 있는 추세에 있어서 다양한 형태변형의 가능성 가운데 패러다임을 정립하는데 있다. 또한 초고층건물은 도시, 국가를 상징하기 때문에 관광자원으로 이용될 뿐만 아니라 개성 있는 랜드마크적 역할의 중요성을 가지고 미래지향적 곡면 형태를 모색하고자 한다. 본 연구의 목적은 복잡·다양한 비정형 건축형태 가운데 특히 곡선 형태에 대한 세분화를 통해 형태조합 및 복합관계를 유추하는데 목적이 있다. 따라서 곡면형을 정형화곡면, 단방향곡면, 이중휨곡면 등으로 구분하여 조형적 형태를 인지하는 방식보다는 실질적인 설계가 이루어지는 시공성을 근거하기 위해 세계초고층협의회(CTBUH)에서 선정한 순위 자료 중 총 50개의 초고층건물을 연구대상으로 하였다. 이러한 유형 분류는 초고층건축의 설계에 있어 다양한 곡면형을 추구하는 디자인과정에 합리적으로 관여하는 기초적 자료로 활용 될 수 있을 것이다.

I. 서론

1. 연구의 배경 및 목적

건축형태로서 비정형 가운데 복잡한 곡면형상은 디지털 기술의 발전과 건축가의 자유로운 형태 실현 및 다양하고 실험적인 시도들에서 시작되었다. 또한 초고층 빌딩의 곡면형 형태의 다양한 표출은 공간에 영향을 미치게 되면서 새로운 공간의 생성을 도모하게 되었으며 이에 초고층 건축은 근대적 사유와 구조에 대한 해체, 탈경계, 시공간의 개념의 변화, 유동적 사고 등의 디지털적 시점에서 다양한 형태에 대한 해석이 되고 있다. 이러한 시도는 건물의 외부 형태에서의 비정형적인 혁신, 변이, 창조와 함께 건물의 내부 공간도 그 대상으로 한다.

따라서 초고층 건축에 있어서 비정형 형태는 건축 디자인의 창조적인 사고의 관점에서 매우 중요하고 의미 있는 시도라고 볼 수 있으며 건축이 한 시대를 표출하는 매개체로서 한 단계 진화되고 있는 과정이라고 할 수 있다. 이와 같이 유기적 비정형에서부터 다양한 형태의 조합 즉, 곡면형 사각과 원형의 복합적인 형태로써 비정형 건축에 이르는 성장 배경을 기반으로 본 연구는 초고층 빌딩의 곡선형 대상으로 형태 분석하고 세분화하여 형태 조합을 유추하고 향후 방향성을 제안하는데 목적이 있다.

2. 연구방법 및 범위

본 연구범위는 전통적인 방식과는 구분되는 획기적인 시도들이 복잡한 곡면을 지닌 건축적 형태에 활용되고 있으며 기술적인 제약을 벗어나 디자인 과정 전반에 걸친 조절 가능한 곡면형상이 주요한 연구사례가 된다. 따라서 세계 초고층 협의회(CTBUH)에서 초고층 기준을 고려하여 연구대상의 범주를 50층 이상으로 하였고 세계 초고층 순위를 정하는 데이터를 기준하여 1위에서 100위까지 사례 가운데 곡면 형태 초고층 빌딩만을 추출한 결과, 50개의 연구대상이 선정되었다. 연구 방법은 다음과 같다.

첫째, 현재 초고층 건축 현황과 특성을 중심으로 문헌조사와 고찰을 통해 이론적 근거를 제시한다.

둘째, 초고층 건축물의 개념 정리 및 초고층 빌딩의 형태 분류에 대한 분석 요인에 대한 설명을 한다.

셋째, 초고층 건축물의 곡면형에 대한 형태 분류 및 사례 분석을 한다.

넷째, 3장의 내용을 중심으로 현 초고층 곡면형 건축물의 분석된 데이터를 통하여 결론을 도출한다.

Ⅱ. 이론적 고찰

1. 초고층빌딩의 개념

초고층 건축물의 기준은 건축적 의미에 있어서 단순히 수치적으로 정의되기보다는 어떠한 시기에 있어서 비교 판단될 수가 있는 기준이 중요한 요소이며 여기에는 지역, 사회 그리고 문화적인 기준이 상호 연관되어 적용됨을 알 수가 있다 [1]. 그러므로 초고층의 개념은 대도시와 중소도시, 선진국에서 사용하는 범주와 같을 수 없으며 그 사회적 요구나 관점에 따라 다르게 정의되는 개념이라 본다.

이에 따라 초고층은 높이나 층수가 아니라 건축물의 거대성에 의해 어떠한 영향을 받느냐에 달려 있으며 건축물의 계획 및 디자인이 고층의 요소를 가지느냐에 따라서 정의할 수 있다. 국제 초고층 협의회(CTBUH)¹⁾는 높이가 50층 이상인 건축물, 밑변과 높이의 비율이 1:5 이상인 건축물, 횡력저항 시스템 유무의 판단에 의한 건축물을 초고층으로 정의하고 있다 [2].

본 연구에서는 박상준(2019)[3]의 초고층 연구 100 곳의 대상 가운데 곡면형 비정형 건축만을 포함하여 선정한 결과, 50개로 정리되었고 이를 중심으로 연구대상의 범주를 선정하였다.

2. 초고층 빌딩의 현황 및 선행연구

초고층 빌딩의 곡면 형태는 2000년대 중반에 들어 들면서 이중 곡면을 가지는 비정형 빌딩이 증가하기 시작하였다. 2004년 영국 런던의 30st Mary Axe로 시작되었고 이는 179.8m 높이의 로터(rotors) 형태로써 사무실 용도의 건축물이다. 런던의 바람이 잦은 조건에 충돌을 와해하기 위해 곡면 형태를 구성하였고 외부광장과의 소통을 극대화하기 위해 유리 마감재 및 원형 형태에 맞는 Diagrid Structure시스템을 이용함으로서 런 던의 스카이라인을 유지하게 된다.

2005년에 완공된 twist형태인 스웨덴 말뫼의 Turning Torso의 이중 휨 곡면 형태가 유럽에서 나타났다면 아시아의 경제적 수준의 향상으로 인해 집중된 2008년 Taper-C 형태인 베트남 호치민의 Bitexco Financial Tower, MCF (Multiole Curced Form)-Separated Curve 형태인 일본 도쿄의 Mode Gakuen Cocoon Tower가 대표적이다. 그다음이 2015년 완공한 상하이의 센터 빌딩인 128층 632m이 고, 2015년 Jiangxi Nanchang Central Plaza가 완공되어 곡면 형태 비전은 이미 증가되고 있는 추세이다.

위의 분석에서, 선행 연구 분석에 의한 형태 분류는 대다수 연구에서 초고층 형태를 primastic, setback, step, taper, plan, taper-curve, twist, rotors, morph-plan, morph-curve, MCF 등으로 분류하고 있다 [4-9].

위의 [그림 1]의 초고층빌딩의 형태 분류는 전체적인 볼륨의 형상을 기준으로 하고 있기 때문에 세부적인 입면의 변화에 대한 설명이 불충분하다. 따라서 박상준 (2019)[3]에 의한 연구에서 곡면형 분류체계, 그리고 초고층 건축형태 분류와 관련한 다양한 행태 분류를 접목하여 보다 명확하며 체계적인 분석을 제안하고자 한다.²⁾

그림 1. 선행연구 초고층빌딩의 형태분류 사례

Ⅲ. 곡면형 초고층 빌딩의 형태분류

1. 분류 및 분석의 방법

분석방법의 유형 분류는 대상 사례 50건에서 나타나는 유형을 기본으로 하여, 평면과 geometry로 분류는 단순 형태 분석과, 곡면 형태를 구성하는 곡면 유형의 종류로 구분하였다. [표 1][표 2] 사례분석에 의하면 대다수 초고층 건축 평면형태(shape)의 경우 대다수 원형의 유형을 보이거나, 사각형 또는 그 이상의 경우 모서리에 곡률을 형성하는 곡면(round) 유형이 나타난다. 삼각 또는 다각의 경우(curve triangle)도 동일한 평면을 구성한다. [표 1]에서는 초고층 빌딩의 형태를 컴퓨터 3d 모델링 프로그램에서 사용하는 기하학 도형 (geometry)과 그 도형을 생성하기 위한 명령어를 기준으로 분류하였다.

표 1. 초고층건축 형태 분류

표2. 초고층건축 형태 분류

2. 분석의 적용 사례

형태분류 및 그 구성에 있어, ortho의 경우 geometry형태와는 상관없이 평면형태(shape)이 그대로 수직으로 돌출되기 때문에 형태에서 평면을 유추할 수 있는 유형이며, perpendicular는 평면을 수직으로 돌출시키는 과정에서 형성되는 자유곡면으로 평면형태(shape)의 한 면만 곡면으로 형성되는 점에서 bend와는 차이가 있다. pure는 geometry가 그대로 드러나는 유형으로 정의한다.

위의 [표 3] Nakheel Tower는 geometry의 cylinder형태가 전체 건축 형태에 그대로 나타나고 있으며, Haiya Business Center와 Burj Mohammed Bin Rashid는 curve의 평면 형태가 그대로 돌출되어 보이고 있으며, Burj Mohammed Bin Rashid는 매스 일부가 절두(截頭)된 truncate의 형태를 나타낸다. River view Plaza A1는 shape이 돌출되는 과정에서 부분적 면이 곡면으로 휘어져 나오는 유형이다.

표 3. 초고층건축 형태 분류

‘setback’은 기준층의 평면이 그룹을 형성하고, 상부 Z 축 방향으로 진행하면서 단계별로 줄어드는 유형이다. 즉, setback은 상부로 갈수록 평면 및 유형의 크기가 변하는 형태이고, ‘stack’은 크기 및 유형의 변화 없이 상부층을 향해 쌓아가는 형태이다. ‘step’은 개체의 크기와 변형에 관계없이 상부층에 가면서 동일한 형태가 수평 방향으로 반복적 및 단계적 변화를 가진다 [5][10]. ‘convergence’의 유형은 상부층으로 갈수록 평면의 크기가 줄어드는 점에선 ‘setback’과 동일한 유형이지만 입면 구성에서는 경사면으로 구분되는 차이점을 가진다.

표 4. 초고층의 높이에 따른 형태 분류

위의 [표 2]의 곡면 유형에서처럼 모든 건축형태에서 나타나는 곡면은 아래 [표 5][11]와 같이 돔형(b), 원통 형(a), 안장형(c)의 세 가지 유형으로 나타난다.³⁾

표 5. 곡면 형태의 구분

곡면형은 원형(circle)과 곡면(curve)으로 평면과 형태를 구성하고 있으며, 1방향 곡면과 2방향 곡면으로 분류된다. 세그먼트 곡면형은 곡면 유형이며 각 면이 접힌 상태로 연결되어 사각면이 아닌 삼각면으로 처리되어 접히거나 꺾여서 표현된다. 단방향 곡면형은 곡면의 휘어짐을 가지며 각 휘어짐의 유형이 단독으로 나타나서 일정한 방향성을 가진다. 따라서 복잡한 형태보다는 간단하면서 심플한 형태를 형성한다고 할 수 있다. 이중 휨 곡면형은 곡면의 휘어짐이 단독으로 나타나는 경우와 휘어짐이 연속적으로 연결되어 곡면의 웨이브를 형성하는 경우가 있다. 또한 곡면의 휘어짐이 x, y, z축으 로 동시에 형성되어 여러 방향 웨이브의 형태를 가진다.

나선형 곡면의 나선형 운동이라는 것 외의 ‘spiral’은 중심점으로부터 발산되는 곡선으로 중심점 주변으로 회전하여 점차 멀어지거나 그 반대가 되는 2차원 곡선을 의미하고 ‘helix’는 축을 중심으로 하여 축과 거리가 일정하거나 또는 연속적으로 변화하는 3차원 곡선을 의미한다. 즉 ‘spiral’은 반지름이 변이하는 나선 운동을 ‘helix’는 반지름이 고정된 나선운동을 의미한다 [12]. 나선과 비틀림의 유형은 1 방향곡면과 2 방향곡면 유형으로 표출되는 경우가 대부분 나타난다. ‘morph’는 수평의 동일하지 않은 곡선을 서로 연결한 곡면으로서 최하층의 평면 형태는 최상층의 다른 평면 형태로 점진적 변이 하면서 전체적 형태가 변화된다 [13]. ‘MCF-SC, CC’는 곡면의 유형이 1방향과 2방향으로 구분된다. 그 내용은 아래 [표 6][표 7]과 같다.

표 6. 곡면의 형태 구분 (twist)

표 7. 곡면의 형태 구분 (morph)

‘Hyper-boloid’는 쌍곡면을 ‘Para-boloid’는 포물면을 의미하며, ‘curve’의 flection은 휘어진 면을, ‘wave’는 flection이 연결되어 나타나는 연속 곡면을 의미한다. 곡면 유형 건축의 특성상 모든 사례에서 휨의 특성을 보이게 되지만, 본 연구에서는 geometry에서 나타나는 휨은 제외하였다. ‘bend’는 곡률을 가지고 구부러지는 유형, ‘taper’는 곡률을 가진 양측 경사로 정의한다. ‘rotors’는 중심축으로부터 단면의 곡선이 360도 회전하여 형성된 형태이며, ‘concave’는 단면에서 나타나는 오목한 곡면을, ‘convex’는 볼록한 곡면의 유형으로 분류한다.

Ⅳ. 곡면형 초고층 빌딩의 사례고찰

1. 분석대상 선정

박상준(2019)의 초고층 빌딩의 융합적 건축형태 분류와 경향에 대한 연구에서 선정한 사례 100개 가운데 초고층 빌딩 비정형인 곡면형만을 선정하여 50개를 추출하였고 이를 대상으로 정형화 곡면, 단방향 곡면, 이중휨곡면으로 구분하여 사례 분석을 하고자 한다.

2. 연구대상 분석

위의 [표 8]을 대상으로 하여 각각의 곡면 형태를 분석한 결과 아래 [표 9]와 같이 곡면 형태의 특성을 도출하였으며, 동시에 디지털 디자인 도구를 활용하여 그 형태를 생성할 수 있는 명령어를 추출하고 형태 유형과의 관계를 검증하였다.

표 8. 분석대상 초고층 건축

표 9. 연구 분석틀

디지털 디자인 도구의 활용 측면에서 명령어인 ‘ortho’의 형태 유형은 평면의 형태가 그대로 돌출되는 특성이 있기 때문에 돌출(Extrude)와 동일하게 활용된다. 또한 형태의 볼륨을 형성하는 대표적인 명령 ‘FFD’ 5)의 경우 비정형적 형태 전체에 적용될 수 있는 명령어이지만 본 연구사례 Nanjing Olympic Suning Tower(45)와 같이 각 부분의 곡률이 다를 경우에 적용되는 것으로 정의한다. 그 이외의 ‘rotors’를 포함한 경사면 커브의 곡면은 Taper, Stretch, Squeeze 등의 명령어를 통해 생성될 수 있다 [표 9]. 디지털 디자인 도구의 명령어 가운데 ‘Twist’는 비틀림의 형태 유형으로 ‘Boolean’은 형태의 합집합(union)으로, 교집합은 (subtract)으로, 차 집합은 (intersect)으로 형태 유형을 정의하고자 한다. 본 연구의 핵심인 초고층 건축은 비정형 형태인 곡면을 형성하기 위한 명령어로서 대부분 ‘Taper’, ‘Stretch’ 등 수직적인 형태 조합을 위한 명령 5) FFD(Free-Form Deformation, 자유 변형) 형상 주위를 격자로 둘러싸고, 그 격자의 제어점을 조절하여 형상을 변형어를 주로 활용하고 있다 [표 10].

표 10. 형태생성을 위한 도구의 활용의 예

3. 소결

flection은 대표적인 곡면 형태의 유형으로 전 사례에 공통적으로 적용되어 있지만, mass의 기본 유형에 적용되어 있지 않고 별도의 유형으로 적용되어 있는 사례는 international commerce center, ASE center R6, riverview plaza A1에서 대표적인 유형으로 나타난다. 평면 ‘shape’에서는 곡면의 대표적 유형인 ‘circle’이 많이 보이고, 삼각형이나 다각형 평면의 경우 모서리에 곡률을 형성하는 ‘curve’ 유형으로 나타난다. ‘shape’의 경우 그 평면 형태가 그대로 돌출되는 ‘ortho’로 나타난다. ‘ortho’는 사례에 23개로 나타나고, ‘geometry’가 건축 형태에 그대로 나타나는 ‘pure’ 유형은 16개로 나타난다. 초고층 건축의 대표적 유형으로 나타나는 ‘twist’의 경우 8 사례에서 나타났으며, ‘morph’의 유형은 6 사례에서 보이고 있다.‘ flection’과 ‘wave’의 유형인 ‘curve’는 9 사례에서 나타난다. 형태에서 곡면 볼륨의 ‘rotor’, ‘convex’, ‘concave’는 13건의 사례에서 보이고 있다.

[표 11]에서 보면 대부분 곡면에서 1방향이 가장 많은 64%를 보이며 고층 형태 구성에서 convergence 48%, 형태 분류에서는 ortho 46%이며 곡면 유형에서는 rotor 26%를 보인다. 사례 가운데 가장 낮은 고층 형태 구성에서 step은 2%로 나타났다. 또한 곡면 구분은 1, 2방향에서 대부분을 나타난다고 볼 수 있으며 곡면 유형에서는 rotor가 가장 높은 것에 비해서 twist 16%, morph 12%, curve 18%, 그리고 hyper-boloid 12%로 비등한 비율로 나타났다.

표 11. 곡면유형의 분포

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 초고층 빌딩 곡면형 건축의 융합 형태 분류를 위하여 Kare Vollers가 주장하는 초고층 건축의 기하학적 분류를 차용하여 분석한 결과, 곡면형은 전체적인 볼륨의 형상을 기준으로 하고 있기 때문에 세부적인 입면의 변화에 대한 설명이 불충분하다. 이에 박상준(2019)의 초고층 빌딩의 융합적 건축형태 분류와 경향에 대한 연구에서 선정한 사례 100개 가운데 초고층 빌딩 비정형인 곡면형만을 선정하여 50개를 추출하였고 이를 대상으로 정형화 곡면, 단방향 곡면, 이중 휨 곡면 등 구분하여 사례 분석을 통하여 다음과 같이 결론을 도출하였다.

첫째, [표 11]에서 보듯이 건축 형태 조합은 곡면 1방향이 64%로서 대부분 사례에서 나타났고 형태 조합의 복합(convergence)은 48%이고, 나머지 형태 조합은 ortho 46%로 순서대로 나타났다. 이를 통해 초고층 빌딩 비정형 곡면 형태의 형태 조합은 복합 즉, convergence가 대부분 나타나는 경향을 볼 수 있다. 또한 곡면 유형에서는 rotor가 26%로서 소수 보이고 있음을 알 수 있다.

둘째, 복합적으로 나타나는 초고층화에 따라 평면의 유형은 단일 곡면형 사각형과 원형의 유형이 많이 보이고 있으며, 평면 형태가 변화하는 복합 평면의 유형도 함께 보인다. 건축적 매스는 단일형의 유형이 많이 보이고 있으며, 복합형의 경우 동일한 유형이 반복되는 트위스트(twist) 형으로 나타난다.

결과적으로 초고층 빌딩의 비정형 곡면 형태 조합은 복합(convergence)이 증가하는 것으로 유추할 수 있으며 이는 형태적 복합 관계가 형성되기 때문에 건물의 내·외부에도 영향을 미치는 결과를 가진다. 향후 초고층 빌딩의 곡면형 건축형태는 고도화, 전문화되어 디지털 형상화를 통해 극변하는 다양함과 복잡한 형태를 구축해 갈 것이고 이에 관하여 대응하기 위해 진화해가는 다각도의 접근이 요구된다. 이러한 유형 분류는 초고층건축의 설계에 있어 다양한 곡면형을 추구하는 디자인과정에 합리적으로 관여하는 기초적 자료로 활용될 수 있을 것이다