I. 서 론

1997년 고등학교 이하 각급 학교설립 운영규정 이후 필수시설과 권장 시설의 구분이 없어지면서, 기존 학교시설 설비기준령에서 권장 시설이었던 강당과 체육관을 합하여 다목적강당이라 칭하고 있다. 강당, 체육관, 각종 부속실 등 다른 기능을 가진 공간들이 다목적강당이라는 한 시설 안에 복합화되어 나타난다.^[1] 본 연구의 대상 건물인 SH고등학교 강당은 최초 1935년 강당 겸 체육관으로 건립되고 사용되어 왔으나, 건물의 노후화에 따라 더 이상 체육관으로는 사용되지 못하고 체육활동을 제외한 예배, 강연, 그리고 학생들의 특별활동 등을 위한 공간으로 활용되어 오고 있다. 건립 후 80 여년이 경과된 대상 건물은 측면발코니석을 비롯한 주요구조체와 표면마감재들의 노후화에 따른 리노베이션을 필요로 하고 있으나 근대문화유산으로 지정되어 있어 주요구조체 및 외관의 변경을 수반하는 대규모의 개보수는 현실적으로 불가능한 상태이다. 특성교육과 특별활동 교육이 중요시되고 있는 국내 교육과정에서 교육을 위한 다목적 공간으로써 강당의 기능을 중시하는 학교 측의 요구 및 개보수 과정에서의 제약요건들을 감안하여 실의 용도를 다목적 오디토리움으로 설정하였다. 기존공간의 사용과정에서 발견된 음향적인 문제들을 보완하고 향후 공간의 활용계획에 적합한 실내음향조건을 갖출 수 있도록 리노베이션 계획이 수립되어 진행되었으며, 도면 검토 및 현장에서의 실내음향측정을 통해 음향적 문제점들을 파악하고 대안을 수립하였다. 수립된 대안을 적용한 리노베이션 설계안은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 적정성을 검토하였고, 완공 후 성능평가를 통하여 설계목표에의 적합성 및 추가보완 여부를 판단하고자 하였다.

최근 통계조사에 따르면 전체 문예회관시설 중에서 1,000석 이상의 대공연장 시설은 43개소로써 전체의 18 %에 불과하며 대부분은 1,000석 미만의 중공연장과 소공연장으로 구성되어 있다. 각 지자체가 보유하고 있는 문예회관의 경우, 건립 후 경과년수가 10년이 넘는 공연장은 전체의 62 %이고, 20년이 넘는 공연장들이 전체의 34 %에 이르러 크고 작은 규모의 개보수가 필요한 상태이나 이와 같은 기존공간의 음향 개보수 과정에서 참고가 될만한 사례 연구가 많지 않은 실정이다. 본 연구는 문화재로써 많은 제약조건을 갖는 SH 고등학교 강당을 대상으로 문화재로써의 가치는 그대로 보존하면서 교육활동을 위해 요구되는 음향적인 조건들을 만족시킬 수 있는 공연 및 학습시설을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한 초기 음향검토에서부터 대안의 수립 및 적용에 따른 음향성능평가과정을 소개함으로써 음향리노베이션 설계의 참고자료를 제공하고자 하였다.

II. 대상공간개요

2.1 건축개요

SH고등학교 교내(소재지: 전라북도 전주시 완산구 서원로 399)에 소재하는 대상건물(Fig. 1)은 1935년 당시 금액으로 33,000원의 공사비를 들여 강당 겸 체육관 공사를 시작하였고, 지하 1층, 지상 2층의 벽돌조 건물로 1936년 3월에 완공되었다. 강당의 명칭은 건립기금기부자 리차드슨 여사의 남동생인 에그버트 스미스 목사의 이름을 기념하여 “Egbert W. Smith Auditorium”으로 명칭되었다.^[2] 건립 후, 1974년 지붕을 슬레이트 마름모꼴 잇기에서 골슬레이트로 개조하는 개수작업을 포함하는 강당의 부분적인 증축이 이루어졌고, 1994년에는 강당 지붕 보수(굴뚝 철거, 창호 교체, 지붕 개조) 작업이 이루어져 현재의 상태를 갖추게 되었다. 현재는 근대문화유산으로써 등록문화재 제172호로 지정되었다.

Fig. 1.

Exterior view of SH high school Egbert W. Smith auditorium.

강당은 1 층 객석과 측면 및 후면 발코니를 포함하는 중층으로 구성되어 있으며 ‘ㄷ’자형 평면으로 2층 발코니 객석은 계단식 관람석이 설치되어 있다(Figs. 2 및 3). 좌우 측면발코니석은 목재로 만들었으며 직경 24 mm의 철제 달대를 사용하여 트러스에 매단 구조이며 사용과정에서 안전문제로 부분적으로 철제 기둥을 세워 보강하여 사용하고 있다.

Fig. 2.

Interior view of SH high school Egbert W. Smith auditorium before renovation (above: view from the stage, below: view from the rear seat).

Fig. 3.

Architectural drawings of SH high school Egbert W. Smith auditorium before renovation (above: main floor plan, below: cross-section).

전면부에는 최대폭 10.2 m, 깊이 6.1 m 그리고 최대높이 5.8 m 규모의 무대가 객석 바닥면으로부터 0.82 m 높이에 설치되어 있다(Table 1). 객석 바닥은 무대 전면부터 후벽까지 수평면으로 이루어져 있으며, 표면은 콘크리트 슬라브위 목재마루널의 하부공기층을 갖는 구조로 마감되어 있다. 실내측 천장면은 반자틀 위 12 mm 두께의 합판과 석면 텍스로 마감되어 있으며, 목재 트러스의 수평 보 위에 달대 받이를 걸고 달대로 반자틀을 고정하는 방식으로 시공되어 있다. 반자틀의 단면규격은 60 mm × 60 mm이고 간격은 450 mm이다. 벽체는 벽돌벽 위 회벽 마감 후 수성페인트를 칠한 상태로써, 양측 벽면의 거의 절반에 해당하는 면적은 PVC 이중 창호가 설치되어 있다.

Table 1. Architectural dimensions of the auditorium.

2.2 건축음향개요

기존공간의 음향실태파악 및 음향성능개선안의 수립을 위하여 ISO 3382^[3]에 준한 건축음향측정을 실시하였다. 측정 시 음원은 무대 중앙의 1개 지점에서 12면체 무지향성 스피커를 이용하여 실내에 방사하였고, 수음점은 실 전체의 음향특성 및 음향적 결함의 유무를 파악하기 위하여 발코니석을 포함, 전체 객석 내 균일하게 분포된 총 51개 지점을 대상으로 하였다. 건축음향 성능평가 검토항목은 잔향시간(T₃₀), 언어명료도(D₅₀), 음악명료도(C₈₀) 그리고 저음비(Bass Ratio, BR)를 대상으로 측정 ‧ 평가하였다. 측정은 공실상태에서 실시되었으며, 만석상태의 평가지표인 저음비는 Beranek과 Hidaka^[4]가 제안한 수식을 이용하여 산출하였다.

측정결과, 중주파수 대역 잔향시간(T₃₀)은 2.09 s (500 Hz 및 1,000 Hz 산술평균)로써 강연용으로 사용하기에는 매우 부적절하며(Table 2), 저주파수 대역에서는 1.46 s(125 Hz 및 250 Hz 산술평균)로써 중주파수 대역에 비해 훨씬 짧은 잔향시간을 나타내 음악을 위한 용도로도 부적합한 것으로 평가되었다. D₅₀을 이용하여 평가한 언어명료도는 중주파수 대역에서 0.32로써 해당 용적을 고려할 때 적정 수준에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 특히 저음비는 0.79로써 음악(1.0 ~ 1.3) 및 강연용(0.9 ~ 1.0) 공간에서 권장되는 수준에 미치지 못하는 것으로 평가되었다. 음악전용공연장의 경우, 잔향시간 1.8 s 미만의 공간에서는 1.1 ~ 1.45, 그리고 1.8 s 이상의 공간에서는 1.1 ~ 1.25의 BR값이 선호된다.^[5],[6] 이와 같은 낮은 저음비는 공기층을 갖는 목재 마루바닥과 더불어 상부 천장면을 구성하고 있는 달대 천장으로 인한 저음 흡음에 따른 것으로 분석되었으며, 양 측벽의 많은 면적을 차지하고 있는 PVC 이중창들도 영향을 미치고 있는 것으로 판단되었다. 반면 달대 천장으로 시공된 석면 천장은 노후화 및 누수로 인해 중고주파수 대역에 대한 흡음력이 현저히 저하되어 있는 상태로써 저주파수 대역에 비해 중주파수 대역에서 매우 긴 잔향시간이 나타나는 것으로 분석되었다.

Table 2. Unoccupied room acoustic parameters measured in SH high school Egbert W. Smith auditorium before renovation.

실내 측정지점별 Schroeder 곡선을 분석한 결과(Fig. 4), 실의 대부분의 지점에서 2개 이상의 감쇠 형태를 갖는 비선형 감쇠 패턴이 저주파 대역을 중심으로 나타나고 있다. 객석 후열 부위의 경우, 후벽 양측에 위치하여 1 층과 2 층 발코니석을 연결하는 개방형 목재 계단실의 영향인 것으로 분석되었으며, 나머지 지점에서의 비선형 감쇠는 확산성의 결여에 의한 것으로 판단되었다. 무대는 학생들의 다양한 활동들(음악, 연극, 합창 등)을 수용하기에는 규모가 작고, 무대 내부에 부분적 잔향 음장을 조성하며 객석부로 음에너지를 방사하기에 부적합한 형태를 지닌 것으로 평가되었다. 또한 시선 검토 결과, 중반부 이후의 좌석에서는 강연자가 보이지 않으며, 따라서 직접음의 도달이 어려울 것으로 분석되었다.

Fig. 4.

Examples of Schroeder curves measured in SH high school Egbert W. Smith auditorium.

III. 음향리노베이션설계

3.1 음향설계내용 및 성능목표

음향리노베이션 설계는 실의 활용도와 관련한 건축주의 요구사항을 최대한 반영하면서 동시에 기존공간의 음향성능평가결과 나타난 문제점들을 개선하여 그 활용도를 높이고자 하였다.

다양한 용도를 충족시키기 위해서는 가변음향을 고려해야 하며, 본 대상 공간의 경우 제한된 예산 및 공간변형의 제약으로 인해 능동형 가변 및 용적 가변 등의 조절방법은 적용이 불가능하였다. 따라서 도달 ‧ 가능한 범위 내에서 긴 잔향시간을 갖도록 하고 중량 커텐 등을 이용하여 흡음력을 부가하는 방식으로 계획되었다. Table 3 및 Fig. 5는 실의 용도 및 용적을 고려하여 설정한 주요 음향파라메터별 목표값들을 나타낸 것이다.

Table 3. Target ranges of room acoustic parameters for the renovation(mid denotes arithmetic mean of 500 Hz and 1,000 Hz values).

Fig. 5.

Optimum reverberation time at 500 Hz considering volume.

지정문화재로써의 가치를 훼손하지 않는 범위 내에서 개선방안들을 검토하였으나, 노후화 정도가 심해 안전이 우려되는 2 층 측면 목재 발코니석(하부의 지지대 없이 상부의 철재 달대 만으로 지지)은 문화재청과의 협의를 통해 철거하는 것으로 결정되었다. 또한 내부 천장 마감재인 석면 텍스는 철거하고, 철거나 변형이 불가능한 기존 박공지붕 하부의 트러스 구조는 유지하면서 바닥 면적에 비해 상대적으로 부족한 실용적 확보를 위하여 슬랫형 천장구조를 도입함으로써 기존 천장 구조물의 원상태를 복원하고 음향적 기능을 할 수 있도록 하였다(Fig. 6).

Fig. 6.

Architectural drawings of SH high school Egbert W. Smith auditorium after renovation (above: main floor plan, below: cross-section).

강연 및 채플 시 충분한 시선 확보는 무대의 높이를 조절하거나 객석에 경사를 부여하여 이루어질 수 있다. 그러나 본 대상 공간은 직하부 공간들이 연습실과 전시공간 등으로 사용 중에 있으며, 노후화된 건물로써 바닥 슬래브의 구조적인 보강없이 중량의 경사면 객석 설치가 불가능하다. 따라서 기존의 0.82 m 무대 높이를 1.2 m로 증가시켰으며, 이와 같은 무대의 높이 증가에도 불구하고 충분한 시선의 확보가 어려운 객석 후열 블록 10개 열은 각 열 별로 30 mm 씩 증가시킨 경량의 계단형 객석(최후열 높이 300 mm)을 설치하여 시선 및 직접음과 초기반사음을 최대한 확보할 수 있도록 하였다. 벤치 타입의 목재장의자들로 이루어진 객석 의자들은 고정식 공연장의자들로 교체하였고, 따라서 수용인원은 1,000석에서 700석으로 축소되었으나 보다 안정적인 청취 조건을 확보할 수 있을 것으로 예상되었다. 사용된 의자는 앉는 부분만 패드를 설치한 흡음력이 적은 의자를 적용하였다.

기존 무대 면적은 강연 이외의 용도로 활용하기에는 부족한 상태(60.1 m²)로써 허용되는 범위 내에서 최대한 무대의 규모를 확장(77.5 m²)하여 연극, 합창 그리고 소규모 오케스트라 공연이 가능하도록 하였다. 또한 기존 공간의 음향성능 평가결과 나타난 저음에너지의 부족 및 확산성의 결여에 따른 문제점들을 확산체 설계 및 마감 구조의 변경을 통해 보완하였다. 객석 후열 계단실에 인접한 지점들에서 나타나는 비선형 감쇠패턴의 완화를 위해 계단실에는 출입문을 설치하여 음에너지의 출입을 최소화하였다.

전술한 개선방안의 적용에 따른 실의 음향성능변화는 상용프로그램인 CATT-Acoustic v.9.0을 이용하여 이루어졌다(Fig. 7).

Fig. 7.

3D CATT-Acoustics model for SH high school Egbert W. Smith auditorium.

3.2 확산성의 확보

장방형 실로써 평평한 면들로 구성된 대상 공간의 특성상 발생 ‧ 가능한 음향적 결함의 최소화 및 기존공간의 음향성능 평가결과 나타난 비선형적 감쇠패턴의 완화 및 균일한 음장의 확보를 위해 확산체를 설계하여 양 측면 벽체에 적용하였다. 확산체는 학생들의 손이 닿지 않는 높이(바닥으로부터 2 m)에서부터 시작되며, 그 하부는 측면반사음의 확보를 위해 평면 반사면으로 마감하였다.

적용된 확산체는 1차원 확산구조로써 200 Hz 이상의 주파수 대역에서 0.5 이상의 난입사 확산계수를 갖도록 설계하였다. Figs. 8과 9는 벽체에 적용된 2 가지 유형의 1 차원 확산구조 단면과 BEM(Boundary element method)^[7],[8],[9]을 활용하여 예측한 2개 확산구조의 확산계수를 각각 나타낸 것이다.

Fig. 8.

Cross-sections of two different types of wall diffusers employed in SH high school Egbert W. Smith auditorium (the numbers on the top of the diffuser section indicate the height of each section in cm).

Fig. 9.

Predicted random incidence scattering coefficients for two different types of wall diffusers used in SH high school Egbert W. Smith auditorium.

3.3 저음확보

대상 공간의 저음부족은 내부 경계면들 중 가장 큰 면적을 차지하는 목재 마루 바닥 및 달대 천장 등의 배후에 존재하는 공기층이 주요 원인으로 분석되었다.

따라서 기존의 목재 마루 바닥을 제거하고 유지관리가 편리한 텍스 타일을 바닥 슬래브 위 접착제로 시공하여 공기층을 제거하였다. 또한 최후열 객석 블록의 계단형 객석 바닥은 철제프레임 위 합판과 텍스타일로 마감하고 하부의 공기층에 의한 저음 흡음을 방지하기 위하여 기존 바닥에서 철거한 폐목재와 건조 모래를 충진하여 하부공기층을 최소화하였다(Fig. 10). 천장의 석면 텍스는 제거하고 슬랫 천장구조를 설치하여 음향적으로 투명한 경계면을 구성하고 시각적 청각적 공간감을 제공하고자 하였다.

Fig. 10.

Raised step floors were applied to the last two seating blocks (10 rows per each block).

IV. 완공후 음향성능평가

4.1 평가개요

대상 공간의 건축음향 성능평가는 내부마감이 완료된 시점에서 실시하였다(Fig. 11). 음원은 무대 중앙의 1개 지점에서 12면체 무지향성 스피커를 이용하여 실내에 방사하도록 하였다. 측정 시 음원은 e-sweep 신호음을 이용하였으며 전체적인 과정은 ISO 기준^[3]에 준하여 실시하였다. 수음점은 균일하게 분포된 총 30개 지점을 대상으로 하였다(Fig. 12). Table 4는 측정에 사용된 장비들을 나타낸 것이다. 본 연구에서 건축음향 성능평가 검토항목은 잔향시간(T₃₀), 저음비(BR), 언어명료도(D₅₀), 음악명료도 (C₈₀), 음의 세기(G) 그리고 측면에너지비(LFC)를 대상으로 측정 ‧ 평가하였으며, 측정은 공실 상태에서 실시되었다.

Fig. 11.

Interior view of SH high school Egbert W. Smith auditorium after renovation (above: view from the stage, below: view from the rear seat).

Fig. 12.

Measurement positions for evaluating the acoustics of the auditorium after renovation.

Table 4. Equipment used for the measurement.

4.2 음향성능평가결과

대상 공간의 리노베이션 완공 후 측정 ‧ 분석결과, 잔향시간은 500 Hz 대역에서 기존 1.98 s에서 1.47 s로 감소하였으며 저주파수 대역(125 Hz 및 250 Hz 산술평균)의 잔향시간은 1.20 s에서 1.73 s로 증가하였다(Fig. 13). 반면 고주파수 대역(2,000 Hz 및 4,000 Hz 산술평균)에서는 2.03 s에서 1.20 s로 감소함으로써 리노베이션을 통해 잔향시간의 주파수 패턴이 크게 개선되었음을 알 수 있다. 중고주파수 대역의 잔향시간 감소는 이전의 목재장의자를 패드가 있는 공연장의자로 교체함에 따른 것으로 분석되었다. 고주파수 대역의 저음비는 기존 0.8에서 1.13으로 증가되었고 위치별 편차도 감소함으로써, 바닥 및 천장구조의 개선을 통해 저음 에너지를 확보하고 확산체의 적용을 통해 공간분포도 개선된 것으로 평가되었다.

Fig. 13.

Measured T₃₀ and BR in SH high school Egbert W. Smith auditorium (room average ± standard deviation).

언어명료도 및 음악명료도의 분석결과(Fig. 14), 중주파수대역(500 Hz 및 1,000 Hz 산술평균)의 D₅₀은 기존 32 %에서 41 %로 향상되었으며, C₈₀ 또한 –1.18 dB에서 1.05 dB로 향상되어 목표한 수준의 명료도를 확보하고 있는 것으로 분석되었다.

Fig. 14.

Measured D₅₀ and C₈₀ in SH high school Egbert W. Smith auditorium (room average ± standard deviation).

LFC를 이용하여 측정한 공간감의 분석결과(Fig. 15), 모든 주파수 대역에서 0.20을 상회하는 것으로 나타났으며, 중주파수 대역에서는 0.24로써 음악공연 등에서 적정한 수준의 공간감을 얻을 수 있을 것으로 평가되었다. 반면 G 값을 이용하여 측정 ‧ 평가한 음의 세기는 중주파수 대역(500 Hz 및 1,000 Hz 산술평균)에서 0.77 dB로써 목표한 수준에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이는 실의 길이가 42 m에 달하는 반면, 강한 반사음을 제공하기 어려운 슬랫 형태의 천장면과 측벽면을 따라 설치된 확산구조로 인해 객석의 후반 부위에 충분한 초기반사음의 확보가 어렵기 때문으로 분석되었다.

Fig. 15.

Measured LFC and G in SH high school Egbert W. Smith auditorium (room average ± standard deviation).

V. 결 론

본 연구는 문화재로써 많은 제약조건을 갖는 SH 고등학교 강당을 대상으로 초기 음향검토에서부터 사용자의 요구조건 및 문제점들을 고려한 대안의 수립 그리고 대안들의 적용에 따른 음향성능평가과정 및 그 결과를 분석함으로써 음향리노베이션 설계의 참고자료를 제공하고자 하였다. 개선방안들의 적용결과, 실의 잔향특성과 언어명료도 및 음악명료도가 개선되었음을 확인하였다. 그러나 라우드니스는 목표한 수준에 미치지 못하였으며 이는 천장에 적용된 슬랫형 구조가 강한 반사음을 제공하지 못하기 때문인 것으로 분석되었다.