사그라다 파밀리아 구조 원리: 자연 곡선·쌍곡선 볼트·가지 기둥으로 버팀벽 없이 하중 분산

사그라다 파밀리아 구조 원리: 자연 곡선·쌍곡선 볼트·가지 기둥으로
버팀벽 없이 하중을 분산하는 방법

 

가우디의 사그라다 파밀리아를 보면 “왜 이렇게 곡선이 많을까?”라는 질문이 자연스럽게 떠오릅니다. 이 곡선과 유기적 형태는 장식이 아니라, 수평으로 밀어내는 힘(추력)을 밖으로 빼지 않고 내부 기둥-볼트 시스템 안에서 압축력 흐름으로 정리해 버팀벽(플라잉 버트레스) 없이도 하중을 지반까지 전달하려는 구조 전략입니다.

 

사그라다 파밀리아 구조 원리

 

I. 고딕 성당은 왜 버팀벽이 필요했나

아치와 볼트는 위에서 누르는 힘(수직하중)만 전달하는 게 아니라, 구조적으로 옆으로 밀어내는 힘(수평추력)도 만들어냅니다. 전통 고딕 성당은 이 수평추력을 외부로 빼서, 건물 바깥의 버팀벽·플라잉 버트레스가 받아내도록 설계했습니다.

 

핵심 : “수평추력”이 크면 외부에서 받쳐야 하고(고딕), 수평추력을 내부에서 정리해 버리면 외부 버팀이 줄어듭니다(가우디).

 

II. 가우디의 핵심 아이디어: “힘의 길”에 맞춘 형태

가우디는 “건물을 예쁘게 만드는 곡선”이 아니라, 하중이 실제로 흐르는 경로를 따라 형태를 만들고자 했습니다. 그 결과, 구조가 수평으로 퍼지며 벽을 밀어내기보다, 가능한 한 압축력 중심으로 기둥을 타고 지반까지 내려가게 됩니다. 쉽게 말해, 고딕은 “밖에서 받치는 방식”이라면, 사그라다 파밀리아는 “안에서 정리하는 방식”에 가깝습니다.

 

III. 가지 모양 기둥(트리 컬럼)이 하중을 분산하는 방식

1. 분기(가지) = 하중을 여러 갈래 압축력으로 분산

사그라다 파밀리아의 기둥은 위로 올라가며 나무처럼 갈라집니다. 이 분기는 장식이 아니라 하중 분산 장치입니다. 천장(볼트)과 상부 구조에서 내려오는 하중을 하나의 점에 집중시키지 않고, 여러 분기점으로 나눠 각 가지가 압축력으로 받아 기둥 줄기→기초로 전달합니다.

• 하중 집중 ↓ (국부 과부하 감소)
• 하중 경로 다중화 ↑ (구조 안정성 증가)
• 기둥-볼트 연결이 ‘자연스러운’ 힘 흐름을 형성

2. 기둥이 ‘기울어지는’ 이유: 추력선을 축 안에 넣기

구조에서 중요한 건 “기둥이 완전 수직이냐”보다, 힘의 결과선(추력선)이 기둥의 중심축 안에 머무느냐입니다. 기둥을 살짝 기울이면 수평 성분이 생겨도 그 힘을 기둥의 압축으로 흡수해 외부 버팀벽으로 빼낼 필요가 줄어듭니다.

* 추력선이 축 밖으로 벗어나면 휨(휘어짐)이 커져 불리하고, 축 안에 있으면 압축 중심으로 버텨 유리합니다.

3. ‘이중 비틀림(더블 트위스트)’ 기둥과 좌굴 안정성

기둥 단면이 위로 갈수록 변화하고(다각형→원형), 표면이 비틀리며 연속적으로 이어지는 형태는 기둥의 좌굴(기둥이 휘며 무너지는 현상)과 비틀림에 대한 저항을 키우는 데 도움이 됩니다. 또한 가지로 분기되는 ‘매듭’ 구간에서 힘이 급격히 꺾이지 않도록 부드럽게 힘을 전달하게 만듭니다.

 

IV. 쌍곡선 볼트·하이퍼볼로이드가 구조적으로 유리한 이유

1. “직선으로 만들어지는 곡면(ruled surface)”의 장점

가우디가 즐겨 쓴 하이퍼볼로이드/하이퍼볼릭 패러볼로이드 같은 형태는, 기하학적으로 직선 생성선으로 만들 수 있는 곡면(ruled surface)입니다. 이는 시공 관점에서 곡선을 무작정 깎아내는 방식보다 합리적일 수 있고, 동시에 구조적으로는 곡면의 성질(이중 곡률) 덕분에 얇아도 강한 쉘(shel l)처럼 작동하는 장점이 있습니다.

2. 볼트 자체가 ‘쉘’로 하중을 넓게 퍼뜨림

단순 평면 천장보다, 이중 곡률을 가진 볼트는 같은 두께에서도 훨씬 휘기 어렵고 하중이 한 지점에 몰리지 않게 표면 전체로 응력이 분산되는 경향이 커집니다. 그래서 리브 몇 줄만 과부하가 되는 것이 아니라, 볼트-기둥 시스템 전체가 함께 하중을 공유합니다.

3. 채광구(하이퍼볼로이드 스카이라이트) = 빛 + 자중 감소

상부의 채광을 극대화하면서도, 구조를 무겁게 만들지 않도록 하이퍼볼로이드 기반의 채광구를 적극 활용합니다. 즉, “구멍(채광)”은 장식이 아니라 무게를 줄여 구조 부담을 낮추는 전략이기도 합니다.

 

V. ‘버팀벽 없이’ 가능한 하중 경로를 3단계로 보기

사그라다 파밀리아의 구조 논리를 가장 간단히 이해하는 방법은 “하중이 어디서 어디로 가는지”를 3단계로 보는 것입니다.

[1] 볼트/천장(쌍곡선·유기적 곡면)
        ↓ (쉘처럼 넓게 분산)
[2] 가지(분기) 기둥(트리 컬럼)
        ↓ (여러 갈래 압축력으로 분산)
[3] 기둥 줄기 → 기초(지반)
        ↓
   하중이 지반으로 직접 전달

핵심 요약 : 수평추력을 밖으로 보내지 않고, 기둥의 기울기·분기·곡면 볼트가 만들어내는 압축력 흐름으로 내부에서 해결해 “버팀벽 없는” 공간감을 얻습니다.

 

[바르셀로나 건축의 세계] 사그라다 파밀리아로 본 가우디 건축 - 기계설비신문

 

VI. 정리: 사그라다 파밀리아를 보는 5가지 체크포인트

• 기둥이 수직만은 아니다 → 힘의 결과선(추력선)을 축 안으로 끌어들이려는 설계
• 기둥이 위로 갈수록 갈라진다 → 하중을 여러 갈래로 나눠 분산
• 천장이 ‘곡면 쉘’처럼 보인다 → 얇아도 강한 이중 곡률로 하중을 넓게 공유
• 창과 채광구가 많은데도 구조가 안정적 → 벽이 하중을 덜 맡고, 기둥-볼트가 주 구조
• 외부 버팀벽이 강조되지 않는다 → 수평추력을 내부 구조로 처리하는 방향성

※ 본 글은 “유기적 구조(자연 모방)·가지 기둥·쌍곡선(하이퍼볼로이드) 볼트”가 버팀벽 없이 하중을 분산하는 구조적 논리를 개념적으로 설명한 콘텐츠입니다. 실제 설계·시공·안전 검토는 구조공학 계산과 현대 엔지니어링 검증을 전제로 합니다.