일본스러움을 어필하면서 목재로 뒤덮힌 일본 올림픽 신국립경기장 신축공사.

2019년 11월 완공을 목표로 공사가 진행되는 신 국립 경기장. 관중석을 덮고 길이 62m의 한쪽이 형식의 지붕 가구는 나무와 철의 하이브리드 구조이다. 5월부터 실물 크기 지붕 철골 작성 준비를 시작, 작업 절차나 안전 확보 등을 검증한다.

2020년 도쿄 올림픽의 메인 회장이 되는 새 국립 경기장. 관객의 머리 위는 스탠드에 크게 확장된 지붕으로 덮인다. 관중석에서의 조망은 거대한 목조건축과 비슷하다.

프로젝트를 수행하는 타이세이건설, 쿠마켄고 건축도시설계사무소 공동 기업체(JV)에서 디자인 설계를 담당한 건축가 쿠마 켄고 씨는 "일본의 목조의 섬세함을 거대 건축물에도 활용. 새로운 국립 경기장을 찾은 관중은 절과 신사에 온 듯한 느낌이 될 것"이라고 말한다.

한쪽이 형식의 지붕 가구의 트러스는 2개의 상현재와 1개의 하현재, 이들을 입체적으로 연결하는 격자재로 구성된다. 길이는 62m에 이른다. 3층 구조의 관중석을 푹 덮다 크기이다. 지붕의 자중은 관중석 외주 측에 있는 2줄의 지지 기둥으로 버티다.

새 국립 경기장은 관중석의 볼륨이나 지붕의 물매를 제치고 최고 높이를 49.2m에 억제했다. 삼각형 단면의 지붕 트러스가 원주 방향으로 연속 단순한 구조는 반복적인 아름다움과 시공의 합리성을 추구한 결과다.

목재가 주역에게 보이는 지붕 가구지만, 사실은 "목조"가 아니다. 지붕 트러스의 구조는 건축 기준 법상, 철 골조(S 구조)의 취급이다. 건기 법에서 규정하는 장단기 하중에서 생긴 응력은 모두 철골로 부담하는 설계이다. "일본 다움"을 표현하는 경기장은 목재의 활용을 전제로 한 설계였다. 그러나 방화 등의 제한이 있고, 쿠마켄고는 "모든 것을 목조로 구성하는 것은 무리였다"고 말했다. JV에서 다양한 형상의 지붕을 검토한 결과 철골 부재를 집성재로 "나무와 철의 하이브리드 구조"의 지붕 트러스에 도달했다.

목재로 지붕의 풍하중을 억제

관중석으로 벽보가 붙어 약 60m에 이르는 철 골조의 지붕 가구는 그 길이 때문에 과제가 있었다. 그것은 단기 하중에 의한 진동이다. 특히 높은 위치에 설치하는 지붕은 강풍의 영향을 받기 쉽다. 그래서 JV는 철골과 조합하는 목재로 구조체의 기능을 갖게 했다.

타이세이건설 이그제큐티브 펠로로 설계 본부 부본부은 "강풍과 지진 등의 영향으로 지붕이 오르내리는 움직임을 억제하는 궁리가 필요했다. 나무와 철의 하이브리드 구조는 나무 부분이 단기 하중에 의한 변형을 억제하는 강성을 부여하는 역할을 한다"라고 설명한다.

H형강으로 집성재를 조합한 하이브리드 구조의 부재는 격자재, 하현재로 사용한다. 타이세이건설은 지붕 가구에 하이브리드 구조의 부재를 사용하는 것을 상정하고 목재가 얼마나 축력 부담에 효과를 발휘할지를 시험하고 있다.

"강재만 "과 "하이브리드 재료"의 강성을 비교. 그 결과, 하이브리드 재료에서는 격자재로 약 10%, 하현재로 약 25%도 강재만보다 강성이 높았다. 목재는 "섬유의 다발"이기 때문에 섬유 방향에 대한 강성이 높은 성질이 있기 때문이다.

타이세이건설 구조 연구실 나무·강재 담당의 모리타 키미 히코 팀장은 "하현재에 쓴 낙엽송의 목재는 강성 내력이 모두 높은 특성이 있다"고 말했다. 지붕 가구에 사용하는 나무와 철의 체적 비율은 목재 1에 대해서 철골은 0.6. 즉, 목재를 사용한 부위는 더욱 많은 관객의 눈에 비친다. 한편 중량 비율은 압도적으로 철골이 큰 목재의 약 10배로 추산이다.

중단면 집성재가 목재의 주역

도쿄 신 국립경기장에서 사용되는 목재는 일반적인 "중단면 집성재"(단면 단변 7.5cm이상, 장변 15cm이상)이 주가 된다. JV에서는 지붕 가구를 설계할 때 목재의 특징을 내기 위해서 대단면 집성재(단변 15cm이상, 단면적 300㎠(제곱 센티미터) 이상)도 생각했다.

그러나 단면 집성재는 제작공장이 한정된다. 시공 측에서도 "대단면 집성재는 중하기 때문 시공에 시간이 걸린다"라는 목소리이다.

2016년 12월부터 시작된 새 국립 경기장 본체 공사의 전체 공기는 36개월. 2018년 2월부터 개시 예정인 지붕 공사는 프로젝트 진행에 있어 핵심적인 공사이다. 일본 전국의 집성재 공장이나 프리 컷트 공장을 활용할 수 있는 중단면 집성재를 이용하기로 했다. 이용하는 집성재의 최대 치수는 단면의 단변이 12cm, 장변에서 45cm이다.

나무와 철의 하이브리드 구조에서는 성질이 다른 2개의 부재의 일체화를 접착제를 쓰지 않는다. 목재의 강성이 인장과 압축의 양쪽에 듣는 것 같은 느낌과 철골은 부재의 축 방향으로 끄는 볼트로 접합한다. 부품은 너트에 풀린 차단제를 이용한 낙하 방지 볼트로 설치한다. 지붕에는 강풍 등의 외력이 반복되며 때문에 지붕 전체의 품질 향상에 낙하 방지 볼트를 채용했다.

연결 볼트는 전통 건축의 복구 등에도 채용된다. 도쿄 신 국립경기장은 유산으로 도쿄 올림픽 이후에도 수십 년간 활용하는 건축물이다. 시간을 고려한 끝에 JV는 장래에 유지 관리가 더 쉽게 지도록 배려하고 물리적으로 목재와 철골을 유지 방법을 선택했다.

지붕 공사는 동일 단면의 지붕 유닛을 순차적으로 설치하는 형태로 진행한다. 1개의 지붕 트러스는 3개의 유닛으로 나뉘어 관중석의 원주 방향에 108줄에 걸쳐서 설치한다. 지붕 트러스는 길이 60m 평면 형상에 따르고 폭을 바꾸고 있다. 메인과 뒤의 관중석는 지붕 트러스의 근원에서 약 7.2m, 첨단부에서 약 6.3m. 양쪽의 관중석 측은 각각 약 7.1m와 약 3.1m로 했다.

유닛을 관중석 안팎에 배치한 대형 크레인으로 인접 유닛을 고력 볼트로 접합하다. 2015년 11월 기술 제안서에 따르면 지붕 가구에 조명 기구 등을 넣은 1유닛의 무게는 최대 약 50톤이 된다.

지붕 공사가 시작되는 것은 옛 국립 경기장의 아오야마의 문이 있는 방향에서다. 시계 방향과 시계 반대 방향의 2반으로 나뉘어 작업을 진행한다. 1반당 하루 1유닛을 받을 계획이다. 설치한 지붕 유닛의 분, 크레인의 가동 범위가 좁아지므로 설치는 공정 후반 정도로 어려워진다. 1유닛의 땅 반에는 9일이 걸린다. 지붕 공사 기간에도 지상 몸체 공사와 외장 마무리 공사가 동시 진행한다. 부지는 한정되어 있으므로 땅 반을 진행 속도의 향상은 목하의 과제이다.

시작된 실물 시제작 실험

발주자인 일본 스포츠 진흥 센터(JSC)는 5월 중순부터 건설 예정지의 남쪽에 공간을 쓰고 지붕 유닛의 실물 크기 목업에 의한 시공 검증에 들어갔다. 품질과 안전을 양립하면서 짧게 지붕 공사를 끝내기 위한 수법을 가다듬는다.

JSC 신 국립 경기장 설치 본부의 시모노 히로시 총괄은 "실물 크기 유닛은 2개 작성한다. 유닛의 접합 작업도 순서를 확인하고 안전하게 빨리 시행할 방법을 검증하고 싶다"라고 설명한다.

나무와 철의 하이브리드는 시공에 세심한 배려가 필요하다. 철골이 충돌하면 목재가 손상되기 때문이다. 완성된 스타디움의 경관뿐만 아니라 시공 현장에서도 일본적인 섬세함이 요구되고 있다.