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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.20 No.1 pp.31-40
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2020.20.1.31

Proposal and Design Application of High-Rise Structural System for Combining Autonomous Vehicles and Architecture

Sang-Woo Park*, Sung-Won Yoon**
*Department of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
**School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
** Tel: 02-970-6587 Fax: 02-979-6563 E-mail: swyoon@seoultech.ac.kr
November 7, 2019 December 4, 2019 December 7, 2019

Abstract


The purpose of this study is to propose future-oriented high-rise buildings where the vehicle is parked at the top of the building. At the same time, the vehicle is used as a part of the building along with the advent of the era of autonomous driving. The suspended structure is proposed as a suitable structural system for architectural planning. This system is free to design because there are no limitations on column planning compared to conventional designs. In particular, the low-floor plan can be used as an open space because colums are not arranged in the lower-floors. Thereby opened low-floor plan has advantages that visual perception of the space is improved, noise problems along the side of the street is solved and planning underground parking spaces are easier. These advantages can solve the problem of overlapping columns with vehicle traffic in the building. However, there are some problems that the suspension structure is mainly a formal form and the usable area is small compared to the core area because it is a core-oriented structural system. In this regard, a new structural system was proposed by combining the concept of suspended structure and cable stayed column. Therefore, this paper analyzes the existing style of high-rise housing suspended Structure and proposes a new structural system and the concept of design for autonomous vehicles.



자율주행차량과 건축의 결합을 위한 고층 구조 시스템 제안 및 설계 적용

박 상우*, 윤 성원**
*학생회원, 서울과학기술대학교 건축과, 석사과정
**교신저자, 정회원, 서울과학기술대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2019R1A2C1086485

    1. 서론1

    국내·외에서 자율주행차량에 대한 관심이 증가됨에 따라 건축 계획 분야에서도 미래 자율주행차량과 건축 의 결합에 대한 연구가 진행되고 있다.

    Jung & Lee(2017)는 자율주행차량과 건축이 연계되 었을 때 도시와 건축의 변화에 대한 연구를 진행하였다. 특히 업무 공간, 주거 공간, 공공시설로 나누어 건축 요 소의 용도에 대해 변화될 건축 공간의 모습을 제안하였 다1). 그러나 자율주행차량의 결합이 건축물 전체에 적용 되었을 때 건축물에 나타나는 형태적 변형 및 내부 공간 의 변화와 구조물 전체에 적용 가능한 구조 시스템에 대 한 연구 사례가 부족한 실정이다. 특히 선행 연구에서 제안된 내용을 기존 구조 시스템에 적용할 경우 건물 내 부 자율주행차량의 동선 계획과 지하 및 하부 계획에 문 제가 발생할 수 있다.

    Suspended Structure(이하 SS 구조 시스템)를 이용 한 고층 빌딩은 기존 설계에 비해 기둥 계획 제한이 없 어 자유로운 설계가 가능하다. 특히 기둥이 배치되지 않 아 자유로운 계획이 가능한 저층부는 열린 공간으로 사 용할 수 있으며, 공간의 개방성과 시각적 인지성 향상이 가능하고, 가로변의 소음 문제 해결과 지하 주차 공간 계획이 수월하다는 장점이 있다2). 이러한 장점들을 통해 건물 내 차량 동선과 기둥이 겹치는 문제를 해결할 수 있는 SS 구조 시스템이 자율주행차량의 결합에 가장 적 합한 것으로 판단되었다.

    따라서 본 연구는 기존의 SS 구조 시스템으로 지어진 초고층 건축물을 분석하고, 차량이 상층부에 주차됨과 동시에 건물의 일부분으로 사용되는 미래 지향적 고층 건물 및 SS 구조 시스템의 단점을 보완하여 자율주행차 량 적용에 적절한 구조 시스템을 제안한다.

    2. 기존 연구 분석

    2.1 자율주행차량

    자율주행차량이란 운전자가 탑승한 상태에서 운전자 의 제어 없이 목적지까지 주행하는 차량을 의미한다3). 차량 업계는 자율 주행 레벨이 올라갈수록 신체 기능과 감각 기관의 참여 정도가 현저하게 줄어듦에 따라 운전 을 대신할 자율주행차량의 내부 공간 프로그램에 주목 하고 있으며, 여러 연구를 통해 다양한 시도를 하고 있 다3). 사례 조사는 공간 사용에 집중한 콘셉트 카를 중심 으로 진행하였으며, 조사 대상은 벤츠사의 비전 어바네 틱, 볼보사의 360c, 혼다사의 leMobi이다.

    벤츠사는 2019년 CES 2019에서 비전 어바네틱을 새 로운 모빌리티 콘셉트 카로 공개하였으며 <Fig. 1>과 같 다. 구동부와 상부의 공간을 나누어 디자인하여 수요에 따라 사용성을 달리할 수 있도록 구현하였다.

    볼보사는 2018년 360c를 콘셉트 카로 공개하였으며 <Fig. 2>와 같다. 수면 환경, 모바일 오피스, 거실, 엔터 테인먼트 공간 등 4가지 용도의 새로운 사용자 경험을 구현하였다.

    혼다사는 2017년 Tokyo Connected Lab 2017에서 leMobi를 미래형 모빌리티 콘셉트 카로 공개하였으며 <Fig. 3>과 같다. 미래의 생활환경에서 자율주행차량이 집의 일부로 사용되게 함으로써 노인 주거 개선 방안으 로 활용될 수 있도록 구현하였다.

    2.2 자율주행차량과 건축 공간

    Jung & Lee(2017)는 자율주행차량과 건축이 연계되 었을 때 도시와 건축의 변화에 주목하며 건축 요소 내 용도별로 자율주행차량과 건축이 결합된 미래 건축 공 간의 모습에 대해 제안하였다. 이를 <Fig. 4>에 정리하 였다1).

    <Fig. 4>와 같이 미래의 자율주행차량은 건축물 내부 에서 활용될 만큼 충분한 안전성을 가정하기 때문에 도 로와 같은 차량을 위한 별도의 공간이 필요하지 않다. 또한 지하 주차장을 위한 공간이 많이 필요하지 않기 때 문에 지하 공간을 다른 용도의 대공간으로 계획할 수 있 으며, 자율주행차량을 주거 공간의 일부로도 사용할 수 있다1).

    이 외에도 이케아의 스페이스 10과 같은 인테리어 업 계에서 자율주행차량과 공간의 결합에 대한 연구를 지 속적으로 진행하고 있다7).

    3. 자율주행차량 적용을 위한 구조 시스템 사례

    선행 연구를 통한 자율주행차량과 건축의 결합을 위 해 기존의 구조 시스템을 사용할 경우 다음과 같은 문제 가 발생할 수 있다. 첫째, 건축물 내에서 자율주행차량이 수직으로 이동하여 평면적 요소로 사용될 때 수립되어 야 하는 동선 계획이 기둥 등의 요소로 인해 자유롭지 못하다. 둘째, 지하 및 하부 계획에 있어 자율주행차량의 진입과 동선 계획이 자유롭지 못하다8). 이를 나타낸 그 림은 <Fig. 5>와 같다. 따라서 하부가 필로티 구조로 자 율주행차량이 진입하는데 문제가 없고, 건물 내 기둥이 없어서 자율주행차량이 수직으로 이동하여 건축물 내부 에서 이동할 수 있는 SS 구조 시스템이 현존하는 구조 시스템 중 가장 적합할 것으로 판단된다. 이에 따라 자 율주행차량이 적용된 고층 건물을 위한 구조 시스템으 로 SS 구조 시스템의 적용 가능성을 검토하기 위해 사 례 조사를 진행하였다.

    3.1 국외 사례 조사

    국외 사례로 SS 구조 시스템을 적용한 건물 3개동을 분석하였다. 대상 건물은 캐나다 밴쿠버에 위치한 Westcoast Transmission Tower, 독일 뮌헨에 위치한 BMW Headquarter, 남아프리카공화국 요하네스 버그에 위치한 Standard Bank Center이다8). 대상 건물의 제원 은 <Table 1>과 같다.

    SS 구조 시스템은 모든 수직 하중을 중앙 코어를 통 해 받기 때문에 프리스트레싱 효과로 수평 하중에 대한 성능이 향상되며 기존에 사용되는 기둥, 보 방식에 비해 좋은 내진 성능을 발휘한다는 장점이 있다. 또한 구조가 단일 코어로 이루어져 예측 가능한 거동을 하기 때문에 복잡한 건물의 설계보다 구조 계획이 용이하다2).

    Westcoast Tansmission Tower의 경우 케이블이 중 심 코어의 아치형 상단부에 연속적으로 연결되어 별도의 접합부 또는 앵커가 필요하지 않아 합리적이다2). 또한 케이블이 주요 부재에 연결되어 하중을 지지하기 때문에 건축물 내부에 기둥이 필요하지 않다. 따라서 SS 구조 시스템은 복잡한 도시에서 하부에 넓은 광장 또는 대공 간을 계획하여 접근성과 편의성을 높일 수 있다9). 이러 한 점에 의해 자율주행차량이 적용된 건축물에서 자율주 행차량의 진입에 대한 동선 계획이 자유로워질 수 있다.

    3.2 국내 사례 조사

    국내 사례로 SS 구조 시스템을 적용한 건물 3개동을 분석하였다. 대상 건물은 고양에 위치한 현대 모터 스튜 디오, 대구에 위치한 대구 주공사옥, 서울에 위치한 아모 레퍼시픽이다.

    <Table 2>의 고양 현대 모터 스튜디오는 9개층 규모, 49.4m 높이의 건축물로 하부층의 전시장 계획으로 인해 지상 5층부터 지상 9층까지 5개 층의 바닥을 SS 구조 시스템으로 사용하였다. 지상 9층까지 코어 벽체를 선행 시공한 후 매달리는 슬라브의 철골 구조를 시공하였다. 이는 저층부 공간 계획 시 기준층 기둥의 간섭이 없으므 로 하부 기둥 배치를 용이하게 계획할 수 있다는 장점이 있다10). 현대 모터 스튜디오 고양은 코어 벽체로부터 11.6~14.9m의 캔틸레버를 사용하였다11).

    <Table 3>의 대구 주공사옥은 13개층 규모, 66m 높 이의 고층 건축물로 SS 구조 시스템이 적용된 타워 부 분은 정방형이다. 지상 6층에서 13층까지 SS 구조 시스 템을 적용하였으며, 지상 4층에서 5층은 단순 중앙 골조 부분으로써 넓은 옥외 휴게 공간으로 활용이 가능하도 록 계획하였다. 지상 13층 높이까지 중앙 골조를 세운 후 최상단 Mega truss에 건물 기둥을 매다는 방식이다13). <Table 3>의 그림과 같이 지상 3층까지는 기존 골조 방 식을 사용하여 ‘ㄴ’ 자 모양으로 건축 면적을 넓혀서 문화 행사 공간 및 직원 복지시설로 계획하였다. 대구 주공사 옥은 코어 벽체로부터 10m의 캔틸레버를 사용하였다13).

    <Table 4>의 아모레퍼시픽은 지하 7층 및 지상 22층 규모, 110m 높이의 고층 건축물로 지붕층에 위치한 Mega truss를 통해 5~11개층을 지지하고 있는 SS 구조 시스템을 사용하였다. 전술한 2가지 사례와 달리 지붕층 의 Mega truss는 캔틸레버 구조가 아닌 트러스 양 단부 코어 벽체 및 Mega column에서 지지되는 구조이다. 또 한 단조로움을 피하기 위하여 세 방향의 입면에 건물 중간을 오픈하여 설계하였다. 이때 개구부 상부에 SS 구조 시스템으로 사무 공간을 구성하여 개구부를 기둥 으로부터 자유로운 옥외 공간으로 사용할 수 있도록 계 획하였다15).

    SS 구조 시스템을 사용한 건축물의 사례 조사를 통해 다음과 같은 내용을 도출하였다. 내부에 기둥이 없기 때 문에 SS 구조 시스템이 사용된 하부를 기둥으로부터 자 유롭게 설계할 수 있으며, 단일 코어로 구조가 단순하여 예측 가능한 거동을 보여주어 구조 계획이 용이하였다. 또한 프리스트레싱 효과로 지진력에 유리한 거동을 보 여 고층 건물 구조로 충분히 사용이 가능한 시스템이다8).

    그러나 SS 구조 시스템은 주로 정형적인 형태에만 사 용되며 코어 중심의 구조 시스템이기 때문에 <Table 5> 와 같이 코어 대비 사용할 수 있는 면적이 좁다는 문제 점이 나타났다. 아모레퍼시픽 본사는 코어 중심 캔틸레 버 구조가 아니기 때문에 장스팬을 사용할 수 있는 것으 로 사료된다.

    4. 구조 시스템 제안

    앞서 설명한 문제점을 개선하고자 SS 구조 시스템의 단점을 보완하여 코어 대비 장스팬과 비정형이 가능하 며 자율주행차량에 적절한 새로운 구조 시스템을 제안 하고자 한다. New Suspended Structure(이하 NSS 구 조 시스템이라 칭함)는 기존 SS 구조 시스템에 장력 기 둥의 개념을 결합하여 전반적으로 <Fig. 6>과 같은 형태 를 가진다. 이러한 형태는 주거 환경적 요소를 반영하여 사용자의 선호 구간에 주거 밀집 군을 만들어 주며, SS 구조 시스템의 장점과 더불어 코어 길이 대비 사용 스팬 이 짧다는 단점을 보완할 수 있다.

    4.1 NSS 구조 시스템의 구조적 개념

    NSS 구조 시스템의 구조적 개념으로 장스팬 캔틸레 버를 장현 기둥의 압축보로 사용하여 인장과 압축으로 만 작용하게 하였다16). 이는 휨 저항을 최소화하고 세장 한 코어의 좌굴을 방지한다. 주요 구성은 비렌딜트러스 와 인장재로 이루어지며 이를 <Fig. 7>에 나타냈다.

    SS 구조 시스템의 장점에 결합한 장현 기둥의 개념은 압축보의 위치와 수에 따라 <Fig. 8>과 같이 구분된다. NSS 구조 시스템은 해당 층의 비렌딜트러스를 압축보 로 사용하여 그림과 같이 다양한 형태를 계획할 수 있 다. 인장재로 보강된 NSS 구조 시스템은 기존 SS 구조 시스템에 인장재를 보강하여 SS 구조 시스템의 장점과 더불어 사용 면적 대비 코어 면적을 줄이며 장스팬과 비 정형이 가능한 개념으로 제안되었다.

    4.2 NSS 구조 시스템 계획 및 크기 산정

    NSS 구조 시스템의 코어 및 스팬 계획을 위해 <Table 1>과 <Table 5>에서 정리한 SS 구조 시스템의 사례 건물 제원을 비교 분석하였다. 비교 대상은 코어 중심 캔틸레버형 SS 구조 시스템을 사용한 고층 건물을 이며, E-6은 코어 중심 캔틸레버형 SS 구조 시스템이 아닌 트러스 양 단부 코어 벽체와 Mega column에서 지 지되는 구조이기 때문에 비교 분석에서 제외하였다. 대 상 건물들의 제원에 따라 캔틸레버와 코어의 제원, 최대 캔틸레버 층의 면적과 코어 면적을 조사하였으며, 최대 캔틸레버 층의 면적 대비 코어 면적의 비율(이하 f/c이 라 칭함)을 <Table 6>에 정리하였다. 대상 건물들은 전 체적으로 정형의 형상을 하였으며, E-1을 제외한 대부 분의 사례 건물은 f/c가 17.5~19.9%로 나타났다. E-1의 f/c의 비율은 10.7%로 높은 효율을 보였다. 이는 평면과 코어 모두 정방형으로 가장 안정적인 형태를 가지기 때 문으로 사료된다.

    4.2.1 NSS 구조 시스템의 코어 계획

    NSS 구조 시스템에 따라 계획된 해당 건물은 <Fig. 9> 와 같이 자율주행차량이 적용된 주거용 고층 건물에 적 합한 복도형이므로 기존 고층 건물에 비해 사용 면적이 많이 넓지 않지만 복도형 계획에 맞게 장스팬이 가능하 도록 계획하였다. NSS 건물의 코어 계획은 코어 높이가 가장 높고 가로, 세로 15m의 정사각형으로 되어있는 E-3의 코어 제원을 기준으로 하였다. 형태는 다방향에 안정적인 원형으로 하여 지름 15m의 이중 튜브 코어로 계획하였다.

    주거 모듈은 <Fig. 9>와 같이 코어를 중심으로 4방향 으로 계획되며, 중앙부 실린더는 엘리베이터 샤프트로 이용된다8). 차량의 수직 동선은 <Fig. 7> 및 <Fig. 9>와 같이 코어 외부를 통해 계획되었으며 <Fig. 7>의 링빔을 따라 계획된 레일을 이용해 방향을 바꾸어 목적지로 이 동할 수 있다.

    4.2.2 NSS 구조 시스템의 스팬 계획

    f/c는 사례 건물 중 가장 효율적인 E-1의 f/c =10.7%를 기준으로 하여 10.0%로 맞추었으며, 이에 따 라 층 면적을 산출하였다. f/c=10.0%에 따라 산출된 최 대 캔틸레버 층의 면적 1590.4m2를 만족시키기 위해 <Fig. 9>와 같이 모듈 계획에 따라 정해진 10m를 기준 으로 40m의 장스팬을 계획해야 한다. 하지만 실효성 확 인이 불가하기 때문에 앞서 비교 분석한 SS 구조 시스 템 사례의 코어 면적 대비 스팬 길이와 캔틸레버 사례를 참고하여 40m를 코어 길이 대비 130%인 20m 스팬으 로 2개 층을 계획하였다. f/c=10.0%에 따라 산출된 층 면적에 의해 스팬을 나누어 2개 층으로 계획된 해당 건 물은 13층으로 계획된 E-1 대비 200%인 26층으로 계 획되었다. 이는 E-1의 f/c를 통해 산출한 층 면적과 E-1의 코어 제원보다 보수적인 E-3의 코어 제원을 이 용한 계획을 통해 수직 하중에 대한 고려를 하였으며, 코어 계획 시 적용한 E-3의 건물이 34층으로 계획된 것 을 바탕으로 NSS 건물의 높이 산정 근거를 확인하였다. 기존 SS 구조 시스템 사례의 제원을 바탕으로 계획하였 으며, 이에 장력 기둥 개념을 도입하면 처짐 및 장스팬 에 대해 구조적으로 개선될 것으로 판단하였다.

    5. 설계 적용

    5.1 주거 모듈 계획

    자율주행차량은 이동 수단뿐만 아니라 공간으로 간주 되며 주거의 일부로 사용된다. 이로 인해 차는 더 이상 이동 수단이 아닌 건축 공간이 될 수 있다1). 주거의 3가 지 요소인 Living(L), Dining(D), Kitchen(K)과 더불어 Vehicle(V)이 주거 요소로 사용되며, 이를 조합한 주거 모듈의 요소별 계획은 <Fig. 10>과 같다8). 기존 방식과 달리 최소 필요 공간만을 건축하고 레일을 따라 탈·부착 되는 차량을 통해 공간을 효율적으로 사용함으로써 건 축 면적을 최소화할 수 있다.

    5.2 상가 모듈 계획

    상가 모듈 계획에도 자율주행차량을 공간과 결합해 사용하여 가변적 공간을 위한 계획을 하였으며 개념도 는 <Fig. 11>과 같다.

    차량 동선을 이동부와 결합부로 나누어 지하에 배치 하여 계획하였다. 이는 기존의 상점뿐 아니라 <Table 7> 과 같이 이케아의 공간 연구소인 스페이스 10에서 제안 하는 이동식 상점, 카페 등의 소규모 상가에 일부 공간 을 활용할 수 있어 수요에 따라 공간을 효율적으로 사용 할 수 있다7).

    5.3 자율주행차량을 위한 고층 빌딩 계획

    앞서 제안된 개념을 바탕으로 자율주행차량을 위한 고층 빌딩을 <Fig. 12>와 같이 계획하였다. NSS 구조 시스템을 적용하여 내부 차량 동선을 자유롭게 계획하 였으며, 장스팬 캔틸레버를 이용하여 기존 SS 구조 시스 템보다 더 많은 주거 유닛을 수용할 수 있도록 하였다. 또한 층간 옥외 공간을 배치하여 주거 환경의 증대와 차 량의 동선 계획을 용이하게 하였다.

    6. 결론

    본 연구를 통해 자율주행차량을 건축적으로 해석하고 건축물에 적용하기 위해 자율주행차량이 결합되어 변화 될 미래의 고층 건물을 예측하였다. 이에 적용 가능한 구조 시스템을 제안하고자 기존 Suspended Structure (SS 구조 시스템)로 계획된 사례의 제원과 특징을 조사 하여 비교 분석하였다. 또한 SS 구조 시스템의 장점과 장현 구조 개념을 결합한 New Suspended Structure (NSS 구조 시스템)를 제안하고 사례 조사를 통해 SS 구 조 시스템에서 나타나는 단점을 보완하였다. 이를 통해 자율주행차량을 위한 건축물의 기초적인 설계안을 제안 하였으며 주요 내용은 다음과 같다.

    • 1) SS 구조 시스템을 적용하여 지하 및 하부 공간을 다양하게 사용할 수 있으며, 자율주행차량의 동선과 저 층부의 오픈된 공간을 계획하는데 유용하다. 그러나 SS 구조 시스템은 주로 정형적인 형태에만 사용되며 코어 중심의 구조 시스템이기 때문에 코어 대비 사용 가능한 면적이 좁다는 문제점이 나타났다. 이를 해결하기 위해 SS 구조 시스템과 장현 기둥의 개념을 결합하여 NSS 구조 시스템을 제안하였다.

    • 2) NSS 구조 시스템은 SS 구조 시스템이 가지고 있 는 장점을 통해 자율주행차량을 위한 적절한 구조 시스 템으로 사용될 수 있다. 사용 면적 대비 코어 면적이 커 서 평면 활용이 비효율적이라는 단점은 장력 구조와 결 합하여 보완할 수 있다. 장력 구조와의 결합은 수요에 맞는 유닛의 조합에 따라 생기는 장스팬의 휨 저항과 코어의 좌굴을 방지하고, 구조적 안정성을 증대시킬 수 있다.

    • 3) 기존 건축 방식과 달리 필요에 의해 탈·부착되는 차량을 건축에 적용하면 공간을 가변적으로 사용함으로 써 최소한의 필요 면적만 건축할 수 있다. 이는 경제적 으로 합리적일 뿐만 아니라 대지를 효율적으로 사용할 수 있다.

    감사의 글

    본 논문을 위한 2019년도 한국연구재단 개폐식 돔 지 붕의 풍하중 산정 및 평가 기법 개발(과제번호 NRF-2019R1A2C1086485) 지원에 감사 드립니다.

    Figure

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    Benz Vision URBANETIC4)

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    Volvo 360c5)

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    Planning problems1)

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    Elevation plan

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    Structure diagram

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    Structure diagram17)

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    Variable space diagram

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    Perspective view render

    Table

    International case study

    Goyang Hyundai Motorstudio12)

    Daegu Head Office of Korea National Housing Corporation14)

    AMOREPACIFIC Head Office Building15)

    Span by suspended structure

    Comparison analysis of SS system and NSS system

    Interior proposed by Space107)

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