The Korean Housing Association
[ Article ]
Journal of the Korean Housing Association - Vol. 32, No. 6, pp.59-68
ISSN: 2234-3571 (Print) 2234-2257 (Online)
Print publication date 25 Dec 2021
Received 29 Sep 2021 Revised 05 Nov 2021 Accepted 15 Nov 2021
DOI: https://doi.org/10.6107/JKHA.2021.32.6.059

소규모 건축물 옥상외단열(역전지붕) 구조 및 시공법 제안

조경민* ; 신요한** ; 신동일***
*정회원(주저자), 주식회사 플로건축사사무소, 설계연구 실장
**정회원(교신저자), 주식회사 플로건축사사무소, 소장, 건축사
***정회원(공동저자), (주) 티푸스코리아 대표, 건축시공기술사
Proposal of Roof External-Insulation (Inverted Roof) and Construction Method for Small Buildings
Jo, Kyung-Min* ; Shin, Yo-han** ; Shin, Dong-il***

Correspondence to: Shin Yohan, Flo Architects, 48 Seongsooil-ro, Seongdong-gu, Seoul, 04782, Korea E-mail: yhshin@floarchitects.kr

Abstract

Recently, climate issues have been reported more frequently than before. In order to prepare for the rapidly worsening global warming, in the building sector, various methods such as green architecture and zero-energy architecture are being made in line with the Green New Deal policy. For example, various methods of roof utilization have been studied since the early 2000s for the purpose of improving the spatial structure suitable for the purpose of green architecture in urban areas with a high artificial coverage ratio and insufficient usable land area. However, if you look at the current situation after 20 years, due to the insufficient system, lack of financial resources for implementation, passive support measure by government, and lack of design/construction capability, the actual building has rooftop greening, cool roofs, and photovoltaic facilities(for improving urban microclimate, saving energy, ecological advantage) is a reality that is very insufficient. Therefore, this study proposed a design method and construction technology to derive a roof envelope configuration that can be applied not only to new buildings but also to existing old buildings. Through this, we want to spread the construction method that can contribute to reducing energy used and improving the environment in urban areas by freely applying the proven rooftop utilization method.

Keywords:

Roof External-Insulation (Inverted Roof), Flat Roof Assembly, Roof Construction, Rooftop Activation

키워드:

옥상외단열(역전지붕), 옥상단면구성, 옥상시공, 옥상활성화

I. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

전 세계는 현재 폭염, 가뭄, 초대형 산불, 홍수 등 극단적인 기상이변을 경험하고 있다. 21년 8월 IPCC에서 새로 발표한 보고서에서는 20년 안에 지구 평균온도가 산업화 이전과 비교해 1.5도 높아질 가능성이 매우 크다고 했다.1)

이것은 불과 3년 전 발표한 보고서보다도 10년이나 앞당겨진 예측이라 모두에게 큰 위기의식을 심어주었다.

한편 국내의 기후변화는 전 세계 평균치보다 더 극단적이다. 환경부에서 발표한 [한국 기후변화 평가보고서 2020] 에서는 산업화 이후 세계평균지표온도가 0.85도 상승하는 동안, 한국(1912~2017)은 1.8도 상승하였다. 또한 지난 49년간 우리나라 주변 해수표면 수온이 1.23도 상승하여 세계평균 상승치(0.47도)보다 심각했다. 이러한 급격한 기후변화에 대응하기 위해 온실가스 저감을 위한 각국의 노력이 이뤄지고 있으며, 우리나라는 [녹색성장 5개년 계획]하에 다양한 정책 및 제도 수립 등 기후변화에 대응하고 있다.2)

특히 건축물 부분에서 에너지 소비량은 국가 전체 소비량의 25%가량 차지하며, 이중 53%가 가정부분에서 발생한다고 파악되고 있어, 건축분야에서도 다양한 방식으로 온실가스 저감과 친환경적 변화를 꾀하는 중이다.

2020년 통계청 자료에 따르면 건물동수를 기준으로 연면적이 500 m2 미만인 건물은 전체의 85.1%이며, 5층 이하 건물은 96.7%이다.3) 특히, 용도별 비중은 주거용4)이 전체의 63.3%를 차지한다. 이러한 국내 건축물의 비중현황을 토대로, 주거용 소규모 건축물 옥상의 활용가능성에 주목하였다. 소규모 건축물은 건물 외피면적 중 옥상 면적이 차지하는 비율이 고층건물에 비해 상대적으로 높아 옥상으로 인한 에너지 손실 및 획득이 많다. 하지만 제도적으로 500 m2미만의 건물을 에너지 관리 대상에 포함시키지 않고 있어, 사용에너지 저감을 위한 방안 마련이 필요한 상황이다. 또한 도심지역의 고밀화에 따라 사용가능한 토지면적이 부족한 상황에서 주거용 건물의 옥상은 신재생 에너지의 설치나 녹화를 통한 도시미기후 제어, 생태환경의 확보 등 다양한 잠재성이 있다.

본 연구는 주거용 소규모 건축물 옥상을 기후변화 문제에 다양한 방식으로 활용할 수 있도록 단열과 방수측면에서 안정적인 건물외피(옥상)를 구성할 수 있는 방식을 제시하였다. 특히 단독주택의 옥상 시공사례를 통해 시공에 필요한 자재를 소개하고 정확한 설치방법을 기술함으로써 국내 시공현장에서 폭넓게 사용할 수 있는 가이드라인을 제시하는 것을 목표로 하였다.

2. 문제의식

건물의 에너지 저감 및 내구성 측면에서 지붕을 외단열로 하는 것이 바람직하다. 하지만 국내 소규모 건축물 시공현장에서는 옥상외단열에 대한 미미한 시공경험/필수자재의 시장형성 미비/건축제도와 관련된 설계상의 문제 등으로 옥상을 외단열로 시공한 사례가 극히 드문 것이 현실이다.

기존 옥상구성 방식은 몇 가지 이유5)로 누름콘크리트를 최상부에 시공하는 것이 가장 큰 문제다. 방수층 위에 시공한 누름콘크리트는 외기 온도변화에 따른 수축팽창으로 균열이 생기고, 장기간에 걸쳐서 방수층까지 균열을 일으키게 된다. 통상적으로 이 문제에 대처하는 방식은 노출방수층을 추가 시공하는 것이었다. 또한 외단열을 적용한 경우에도, 단열재 상부에 누름콘크리트를 적용하여 누름층을 통해 유입된 물이 방수층 위에 고이게 되어 보수가 불가능한 누수문제를 발생시켰다. 이러한 문제들이 누적되어 옥상의 방수는 주기적으로 해야 한다는 선입견이 생기고, 이로 인해 옥상녹화와 같이 안정적인 방수성능이 요구되는 요소는 적극적으로 활용하기 어려웠다.

옥상의 가장 중요한 기능은 방수와 단열이다. 주거용 건축물의 누수문제는 생활의 불편을 넘어, 실내 마감재의 곰팡이 생성 및 실내 습도의 증가 등으로 실내공기질에 악영향을 끼치므로 거주자의 안전에 있어 중요한 부분이다. 또한 거주자가 항상 머무르는 주거용 건물의 효과적인 단열은 실내 열쾌적성을 높이며, 사용에너지를 저감할 수 있는 가장 기본이 되는 요소이다.6) 이 두 가지 요소를 충족시키는 옥상외피를 시공할 수 있는 기술이 있어야 녹색건축에 부합하는 요소들을 옥상에 자유롭게 적용할 수 있다.

3. 연구방법

선행연구를 고찰하여 옥상과 관련된 연구동향을 파악하였으며, 옥상 외피를 구성하기 위한 방식의 이론적 배경을 파악하여 구성단면을 제시하였다. 이론적 개념을 적용한 현장의 사례를 통해 시공방식, 사용가능자재, 시공 시 고려사항을 도출하였다.


II. 이론적 배경

옥상에 관련된 선행연구로는 첫째, 활용 가능한 옥상의 공간적 특성 및 해당하는 건물의 옥상면적을 도출하는 알고리즘 계발 및 산출된 면적을 옥상녹화, 쿨루프, 태양광 등으로 전환했을 시 발생하는 편익을 분석하는 연구. 둘째, 옥상녹화의 효과를 심층적으로 분석한 연구. 셋째, 옥상녹화 이외에 기존 건축물에도 적용 가능한 옥상활용법 연구 등으로 구분된다.

Ko & Cho(2015)는 도심지의 고밀도 건축행위로 인해 가용토지면적이 부족한 현실이고, 이에 서울시 등 광역지자체를 중심으로 건축물 옥상공간 이용활성화를 위한 규정제시와 지원사업을 진행하고 있다고 하였다. 특히, 서울시 옥상녹화 가용 건축물은 25만여 동(중랑구, 관악구, 은평구 등에 밀집분포)으로 서울시 전체 건축물의 약 40%를 차지하며, 옥상 태양광발전 가용 건축물은 총 4만 7천여 동(성북구, 관악구, 마포구 등에 밀집 분포)으로 약 7%를 차지한다고 분석하였다. Kim, Oh, and Lee(2018)는 서울시를 대상으로 옥상녹화와 쿨루프 조성이 가능한 건축물을 선정하고, 조성가능면적을 산정하는 알고리즘을 구축하였다. 이에 따르면 옥상녹화 조성 가능 면적은 서울시 전체 건축물의 옥상면적 중 54.7%, 쿨루프 조성 가능 면적은 96.3%롤 산정되었다.

옥상의 활용 측면에서 가장 많이 연구되는 분야가 옥상녹화와 관련한 것이다. 도시지역의 환경 개선7)(Lee et al., 2009; Kim & Oh, 2015; An, 2016), 사용에너지 저감(kim & Yoon, 2011; Kim et al., 2016; Park et al., 2017; Park, Jung, and Ahn, 2021), 우수저류 및 유출수 제어 효과 분석(Bae et al., 2015; Baek, Yoon, and han, 2016)등 옥상녹화의 장점을 활용하기 위한 요소기술(옥상녹화 유형에 따른 구성요소)개발과 실측데이터를 활용하여 에너지저감 효과를 수치적으로 확인할 수 있는 근거를 제시하였다.

옥상녹화 이외에 에너지절감이나 도시열섬 저감을 위한 대안으로 Song, Kim, and Park(2016)은 쿨루프를 적용한 건물의 여름철 표면온도 및 실내 온도 실측데이터를 통해 실내온도 저감효과를 확인하였고, Kim, Park, and Jeong(2015)은 일반적으로 시공되는 녹색 방수페인트와 쿨루프 및 옥상녹화를 비교하여 쿨루프와 옥상녹화가 효과적임을 확인하였고, 기존건물에는 쿨루프 적용이 용이함을 제안했다.

분석한 선행연구들은 옥상이라는 공간이 안정적으로 시공되어 있는 상태를 전제하여, 그 위에 적용할 수 있는 다양한 방법과 그에 따른 세부 장점까지 도출해 낸 중요한 연구들이라고 생각된다. 다만, 대부분의 국내 주거용 소규모 건축물의 경우 옥상의 누수 문제를 갖고 있어, 이를 보완한 적합한 외피구성에 대한 연구가 필요한 실정이다.


III. 옥상외단열(역전지붕)8) 단면구성의 이해

1. 기존 옥상구조의 문제점

국내에서 적용하고 있는 기존 옥상구성 방식의 문제점과 개선 방안, 제안하는 구성법의 상관관계를 요약하면 <Figure 1>과 같다.

Figure 1.

Correlation of Major ItemsSource. by authors

첫째, 방수층이 외기에 노출되면 자외선에 의한 열화 및 외기의 극단적 변화(여름/겨울)에 의한 노화촉진으로 인해 하자발생이 빈번하다.

특히 국내 현황을 보면 <Figure 2>와 같이, 현재도 누름콘크리트를 표준처럼 사용하고 있음을 알 수 있다. 통상적으로 방수층을 보호하고 옥상에 구조물 설치 시 편의성을 위해 누름콘크리트를 적용하지만, 누름콘크리트의 물리적 특성상 하자발생 가능성을 높일 수 있다.

Figure 2.

Common Roof SectionSource. LH Standard Detail (2021), modified by authors

누름콘크리트는 옥상의 외피로 연간 최대 80K의 온도변화에 노출 된다.9) 옥상의 단면으로 고려해보면 누름콘크리트는 수평방향으로 온도에 의한 수축/팽창을 하고, 벽체와 파라펫은 수직방향으로 수축/팽창하게 된다. 이로 인한 코너부분에서의 균열은 당연한 결과이다. 누름콘크리트는 자재의 특성에 대비하여 균열유도줄눈을 미리 시공하는 방식을 사용하지만, 직달일사와 연간 극심한 온도차에 지속적으로 노출되기 때문에 방수층을 보호하는 역할로는 적합하지 않다.

둘째, 현재 설계/시공되는 주거용 소규모 건축물의 옥상은 <Figure 2>의 b)와 같이 내단열이 주로 사용되었다. 앞서 언급한 온도하중에 대한 문제와 더불어, 벽체는 외 단열, 옥상은 내단열로 시공되며 필연적으로 발생하는 열교부위, 직달일사량이 가장 많은 옥상부의 내단열로 인한 에너지 부하 증가 등의 문제를 내포하게 된다. 또한 옥상 슬라브 및 파라펫 구조체가 직접 외기에 노출되어 구조체의 내구성에도 악영향을 미친다.

셋째, 옥상외단열에서는 수분에 대한 저항성이 큰 단열재를 사용해야 하지만, 흡수율이 높은 비드법단열가 주로 사용되었다. 옥상의 환경상 지속적으로 유입되는 수분을 단열재가 흡수하여 단열성능이 저하되고, 단열층에 갇힌 물은 방수층의 취약한 부분을 통한 누수를 유발한다.

2. 옥상외단열 구성 제안10)

제안하는 옥상외단열 방식은 <Figure 3>와 같다. 구조적 측면에서 자외선 차단 및 연간 극심한 온도변화에 대한 방수층 보호, 단열재 하부에 방수층의 수명 증대 등 옥상의 주요 하자 원인을 차단할 수 있다. 더불어 열교차단 및 에너지 사용 저감효과를 기본적으로 확보할 수 있다.

Figure 3.

Layer Composition ProposalSource. by authors

옥상 활용성 증대의 측면에서 구성방식의 제안은 국내 소규모 건축물 시공현장에서 보편적으로 사용되는 방식인 콘크리트 평슬라브를 기준으로 한다.

1) 구조체(지붕슬라브)

콘크리트 슬라브 타설시 상부면의 경사를 배수로 방향으로 확보하는 것이 중요하다. 콘크리트 구체 표면의 경사를 표준시방기준인 1~2%로 맞춰 시공하는 것이 관건이다. 다만 시공현장의 특성상 구체 표면의 경사도를 확보하지 못했다면, 구체 양생 후 표면에 경사를 조성(면고르기)해야 한다.

2) 면고르기

넓은 면적의 옥상은 구조체에서 경사도를 확보하는 것이 작업자의 숙련도에 따라 편차가 크다. 구조체의 경사도가 일정하지 않거나, 매우 넓은 면적의 옥상이라면 수용성 아크릴 수지와 포틀랜드 시멘트를 1대1 비율로 혼합한 폴리머시멘트 모르터를 사용하여 배수 경사도 확보 및 습기차단의 복합적 기능을 수행하도록 한다.

3) 방수층

단열층에 의한 보호로 내구성이 추가적으로 확보되어 다양한 공법의 시공이 가능하지만, 장기적인 내구성의 보장 및 수밀성, 내화학성, 내약품성 등에서 유리한 시트방수(전면접착) 또는 복합방수 적용이 이상적이다. 또한 수직벽체와 만나는 구간에서 옥상 마감레벨 +150 mm 이상 치켜 올리며, 파라펫이 있는 경우 해당 벽체와 상단부의 외벽마감을 덮는 구조로 형성하는 것이 바람직하다.

4) 단열층

독일기준(DIN)에서는 폐쇄형 구조로서 투습저항이 높고 수증기에 강하여 장기적으로 내구성확보에 유리한 쉘구조를 가진 압출법단열재(XPS)만을 옥상외단열 적용에 허용하고 있다. 국내 시판되는 단열재 중에는 가등급 특호인 압출법단열재(압축강도: 25 N/cm2 이상)가 조건에 부합한다. 단열재는 두 겹11)으로 시공하며, 단부의 형태가 단이 있어 별도의 기밀성이 강화될 수 있는 구조가 유리하다. 또한 시공시 하부와 상부의 단열재 이음부가 엇갈리게 설치하는 것이 기밀성 개선에 유리하다.

5) 분리층(투습방수층)

상부구조에서 유입되는 우수를 일차적으로 배제하는 목적이고, 동시에 단열층에 발생한 증기압을 상부로 배출할 수 있어야 한다. 즉, 물의 유입은 막고 수증기는 배출시킬 수 있는 특성의 자재(지붕용 투습방수지)를 사용해야 한다.

이러한 자재를 통상적으로 투습방수지라 부르며, 목조주택의 벽체에 사용하는 벽체용 투습방수지와 구분하여 사용해야 한다.

지붕용 투습방수지는 투습저항 0.10×10−9 (m2×S×Pa)/kg 수준과 더불어 방풍성능과 UV저항성능을 갖는 자재를 사용하는 것이 바람직하다.

<Figure 4>은 분리층의 유무에 따른 물의 흐름을 보여준다. 분리층이 없는 경우 수분이 단열재사이를 통과하게 되고 그로 인한 열손실이 발생하지만, 분리층으로 인해 우수의 대부분이 바로 배출될 수 있으며, 단열재 틈으로 유입되지 않아 열손실을 방지할 수 있다.

Figure 4.

Separating Layer Main FunctionSource. BASF Brochure (2016), modified by authors

6) 기타 고려요소

옥상 단면 구성요소 외에 역전지붕이 제대로 작동하기 위해 다음 사항을 고려해야 한다. 첫째, 루프드레인은 <Figure 5>에서 보는 것과 같이 3개의 층에서 배수가 가능해야 한다.

Figure 5.

Roof DrainSource. Sungjin Drain. modified by authors

둘째, 난간 설치 시 고정철물에 의한 방수층 파손과 열교문제를 고려해야 한다. 파라펫의 형태와 외벽의 형태 및 재료에 따라 적용할 디테일을 고안해야 한다. 셋째, 파라펫 측면을 감아 올린 방수층 보호를 위해 단열재 시공을 해야 한다. 파라펫을 통한 열교를 차단시키는 목적과 함께 방수층을 보호하기 위함이다. 파라펫의 하단부는 지속적으로 물의 영향을 받는 부분임으로 이 곳에 시공하는 단열재 또한 압출법단열재(XPS)이다. 통상적으로 옥상 바닥 마감레벨 +150 mm까지는 압출법단열재(XPS)를 사용한다.

3. 옥상외단열 구조 위 활용 방식

하부구조가 안정적으로 구성되었다면, 상부는 쇄석/자갈 포설, 페데스탈 시스템을 활용한 바닥마감, 옥상 녹화, 태양광 설비설치, 각종 설비기기 설치 등 다양한 방식으로 옥상을 활용할 수 있다. 일반적으로 <Figure 6>와 같은 상부구성이 가능하다.

Figure 6.

Various Ways to Use The RooftopSource. by authors

1) 옥상녹화

온실가스 저감 효과 및 도시 내 부족한 녹지공간 확보, 생태계 복원과 도시 홍수 예방, 또한 도시미기후 관리적 측면(열섬현상 저감, 우수유출지연 효과 등)에서 매우 유용한 옥상 활용방식으로 인식되고 있으며, 이에 정책적으로 지원과 함께 활성화하기 위해 녹색건축물 조성 지원법 및 녹색건축물 기본계획 등 제도적 장치를 마련하고 있다. 특히 각 지자체에서도 옥상녹화 활성화를 위한 지원 정책 및 사업을 진행 중이다.

(1) 배수층

옥상녹화에서 배수층은 토양층의 과포화수를 배출시키며 통기층의 역할을 한다. 옥상외단열 구조에서는 투습방수지 및 단열재를 보호하는 기능을 한다. 투습방수지를 통해 배출되는 수증기가 배수층에 갇히지 않도록 조경용 배수판과 같이 통기성 배수판을 사용하는 것이 중요하다.

(2) 여과층

여과층은 토양층의 토양이 흘러내리지 않도록 하는 층으로, 배수층의 투수성이 약화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 토목공사시 사용하는 흰색 부직포를 사용한다.

(3) 토양층 및 식생층

식생성장에 적합한 유기물 토양이 유리하며, 그 외 인공 경량토양 등도 사용 가능하다. 옥상녹화용 식물로는 세덤류와 같은 저관리형 식생이 유지관리 측면에서 합리적이다.

2) 페데스탈 데크

옥상의 일부를 사용자의 편의에 맞추어 사용하기 위해 시공하는 마감 방식이다. 높이조절이 가능한 받침대를 이용하여 석재, 목재 등의 규격화된 재료를 조립하는 건식 마감으로, 마감재 하부로 옥상녹화의 배수층과 같은 역할을 하는 공간이 있어 원활한 배수로 누수위험을 배제하고, 더불어 통기성능으로 지붕면에 열이 축적되는 것을 방지한다.

3) 쇄석/자갈 포설

기능적으로는 분리층과 단열층에 하중을 주어 부압에 의해 손상되는 것을 방지하는 누름층 역할을 한다. 또한 투습방수층을 자외선으로부터 보호하며 누름콘크리트에 비해 낮은 열용량과 통기성으로 열섬저감에 도움이 된다. 옥상을 별도의 용도로 사용하지 않을 시, 유지관리 편의성 측면에서 사용한다.

4) 태양광 패널 설치 및 설비기기 설치

콘크리트 패드를 설치하지 않고 bigfoot 시스템을 활용하여 손쉽게 설치 할 수 있다. 옥상에 설치하는 구조물의 고정장치 설치 시, 방수층을 훼손하지 않고 설치가 가능하여 방수층의 안정성을 확보한다. <Figure 7>에서 볼 수 있듯 접지면적을 넓게 하여 큰 하중을 견딜 수 있게 하는 방식이다. 태양광 패널의 설치 시에는 풍압에 의한 영향을 고려하여 구조물의 하중을 증가시켜야 한다.

Figure 7.

Bigfoot System

4. 소결

본 연구에서 제시하는 옥상외단열 구성방식은 옥상에 외단열 외피를 구현하고, 방수층을 자외선과 극심한 온도 변화로부터 보호할 수 있는 공법이다. 즉 1차적으로 건물의 옥상에 건전한 외단열 외피를 구성하여 사용에너지를 절감하며, 옥상누수를 원천적으로 차단할 수 있다. 또한 옥상마감을 다양하게 적용할 수 있어, 옥상 활용의 측면에서 유리하다. 기존 방식과의 주요한 차이점은 <Table 1>과 같이 구조적 특성과 시공상의 차이점으로 정리하였다.

Comparison

방수층 위에 단열재가 놓이는 구성방식을 통해 차별화된 장점을 갖게 된다. 첫째, 누름층이 온도하중에 의해 수축팽창하지 않아, 방수층 손상가능성을 차단한다. 둘째, 외단열을 통해 열교부위 축소, 사용에너지 절감, 온도부하로부터 구조체를 보호한다. 셋째, 방수층을 자외선 등의 영향으로부터 보호하여 열화를 방지한다. 넷째, 상부 마감방식을 자유롭게 적용할 수 있어 각 마감방식에 따른 장점을 활용할 수 있다.


IV. 옥상외단열 시공사례 분석

1. 조사내용 및 방법

<Table 2>와 같이 (주)티푸스코리아에서 최근 시공한 단독주택 옥상의 사례를 바탕으로 인터뷰 및 동사 홈페이지에 작성된 글을 연구하였다.

List of Analysed Housing

또한 옥상외단열을 시공하기 위한 부속자재 중 중요항목에 대하여 국내에서 시판되는 자재를 조사하였다. 이론적인 부분과 시공 시 주요사항을 통합하여 주거용 소규모 건축물 옥상외단열 시공에 필요한 도면을 작성하고 각 구성요소별 시공법을 도출하였다.

2. 시공방법

1) 바탕면

콘크리트 타설시 쇠흙손 마감으로 경사를 확보하며 바탕면을 평활하게 시공하는 방법이 최우선이다. 타설시에 바탕면 시공이 올바르게 되지 않았다면 <Figure 8>과 같이 면고르기 작업이 필요하다.

Figure 8.

Surface TreatmentSource. Tifus Korea, 2021

배수구 방향으로 적정한 경사(약 2~5%)를 확보하고 구조체에 생긴 미세한 균열과 부분적으로 패인 곳은 퍼티로 보수하였다. 어떠한 방수층을 시공하건 방수층의 두께만으로 바탕면의 오목한 부분을 평활하게 만들 수 없으므로, 방수층의 물이 경사를 따라 배수구로 유도될 수 있도록 바탕면을 정확히 시공한다.

2) 방수층

방수층이 단열재 및 상부 마감층에 의해 보호되고 있어 도막방수 및 시트방수 등의 공법이 모두 가능하나, 장수명 보장을 위해 전면접착 복합시트 방식을 추천한다.

방수층의 경우 일정한 두께로 모든 부위가 일률적인 성능을 발휘해야 한다. 하지만 도막방수는 일정한 방수층 두께를 낼 수 없으며, 시공여건 및 작업숙련도에 따라 품질이 균일하지 못하므로 장기적 관점에서 사용하지 않는 것이 좋다.

방수층 공사에서 가장 중요한 부분은 코너부위 보강 작업이다. 구조체 거동에 의한 방수층 파괴가 빈번하기 때문에 삼각형 자재를 이용해 직각부분을 둔각으로 바꿔 방수층이 구조체의 거동에 대응하게 하기 위함이다. 삼각면의 긴 변 길이가 대략 40~50 mm 정도면 되고, 완벽한 접착은 아니어도 된다. 사용하는 재료는 현장의 XPS단열재를 재단하여 쓰거나, 구조체공사시 사용하는 플라스틱 면귀 등이 가능하다. 해외에서는 전용 자재를 판매하지만 국내에는 아직 자재를 구할 수 없어, 작업편의성을 생각한다면 면귀 제품을 구매하여 쓰는 것이 좋다.

바닥과 벽(파라펫 혹은 옥탑의 벽체)연결부위 처리는 한 곳에 집중적으로 여러 겹(3겹 이상)을 시공하면 오히려 그 주위 경계에서 틈새가 많이 발생하여 하자 요인이 된다. <Figure 9>의 c), d)와 같이 코너부위 보강 시, 두 겹이 제대로 부착되게 시공한다.

Figure 9.

Additional Waterproof at CornerSource. Tifus Korea, 2021

코너부분의 방수보강처리 후 <Figure 10>과 같이 바닥 방수층, 벽 방수층의 순서로 시공한다. 전면 프라이머 도포 후 양생이 완료되면 시트를 부착한다. 바닥시트는 벽체에서 100 mm 이상 치켜 올리며, 벽 시트는 바닥 하단까지 내려 시공한다. 시트 간 겹침은 100 mm 내외로 한다.

Figure 10.

Main WaterproofingSource. Tifus Korea, 2021

옥상을 관통하여 설치되는 배관의 주변 방수 또한 중요한 부분이다. 루프 드레인으로 사용되는 슬리브 주변은 <Figure 11>과 같이 시트로 보강하고(a), 관통배관은 그림과 같이 방수시트를 감싸 준다(b).

Figure 11.

Sleeve & Pipe WaterproofingSource. Tifus Korea, 2020

3) 담수시험

보강시트 상단선을 기준으로 담수하여, 누수확인을 한다. 시공시 하자부위를 체크하기 위해 이 시점에서 시험을 하는 것이 중요하다. 보통 현장에서 공기에 쫓겨 옥상 담수시험을 생략하거나 형식적으로만 시행하여, 추후 옥상 마감 완료 후 재시공하는 상황이 발생한다. 특히나 재시공의 경우 옥상의 마감부분을 모두 걷어내고 하는 것이 적절한 방식이지만, 대체로 실내에서 누수가 되는 부분만 보수하게 된다. 누수로 인해 실내 마감공사 손상 및 추후 다른 부위에서의 누수 우려 등을 방지하려면 반드시 방수층 공사 후 담수시험을 시행해야 한다.

4) 단열층 시공

단열재는 두 겹 시공을 원칙으로 한다. 국내에 판매되는 자재 중 압출법보온판(XPS) 특호13)만이 옥상외단열에 적합한 자재이다. 국내 지붕 단열기준은 열관류율 기준으로 중부 1, 2지역 모두 0.15W/m2·K 이하로, 위 단열재 적용시 200 mm 이상이면 국내 모든 현장에 적용이 가능하다. 200 mm 기준으로 하부는 50 mm, 상부 150 mm 이거나 하부 100 mm, 상부 100 mm 등의 적용이 가능하다.14)

Figure 12.

Two-Layer InsulationSource. Tifus Korea, 2019

단열재 시공 시 중요한 점은 하부와 상부 단열재가 연결되는 부분에 통줄눈이 생기지 않도록 계획적으로 배치하는 것이다. 또한 상부단열재의 두께가 하부단열재보다 두껍게 계획하는 것이 좋다.15) 추가적으로 벽체(파라펫이나 외벽 단열벽체 하부)부위에 단열재를 시공하여 벽체부위까지 연장된 방수층을 보호하고, 파라펫이나 벽체를 통한 열교를 방지해야 한다. 이 경우에도 옥상 마감레벨 +150 mm까지는 우수에 의한 영향을 방지하기 위해 XPS단열재를 사용한다.

5) 분리층(지붕용 투습방수지)

국내에서 수급 가능한 자재로 프로클리마사의 Solitex Mento 300016)이나 유로벤트사의 Maxi17) 등 여러 제품이 있으며, <Figure 13>에 사용된 자재는 프로클리마사의 제품이다.

Figure 13.

Separating Layer

분리층은 앞서 언급된 투습과 방수 기능 외에도 공사기간 중 자외선에 노출 시 대응이 가능하며, 단열재 연결 부위의 틈새를 통한 대류를 막아주어 열손실을 최소화 시켜주는 기능도 한다. 시공은 단열재 위에 얹어 놓는 방식으로, 설치가 용이하다. 다만 연결부위는 100 mm 겹쳐지게 한다. 방수층과 같이 연결부위를 접착할 필요는 없다.

6) 상부 마감

<Figure 14>에 소개한 상부마감 방식은 쇄석(자갈) 포설(a) 및 페데스탈 시스템을 이용한 세라믹 타일 시공사례(b)이다. 옥상외단열의 하부구조에서 분리층은 배수층의 역할을 한다. 분리층 위에 바로 쇄석(자갈)을 포설하게 되면 물이 골재사이에서 정체되어 분리층의 연결부를 통해 단열재 사이로 유입되는 양이 증가하게 된다. 이를 방지하기 위해 설치하는 것이 배수판이다. 분리층 상부면에서 원활한 배수를 위해 배수판의 단면은 30 mm 이상이 되는 제품을 사용한다. 또한 일반적인 보행이 가능하도록 배수판의 내하중성도 고려해야 한다. a)에서 사용한 배수판은 (주)평광산업의 제품으로 일반적인 조경용 배수판의 문제점18) 개선을 위해 선정하였다. 배수판 위에는 골재에서 흙 및 모레 등이 유출되는 것을 방지하는 여과층으로써, 부직포를 사용하였다. 부직포는 토목용으로 나온 장섬유 부직포를 사용해야 한다. 쇄석(자갈) 포설로 마무리하는 경우, 강풍 시 옥상에 발생하는 부압에 의해 쇄석(자갈), 배수판 등이 훼손될 수 있으므로 파라펫 주변으로 누름자재(석판, 보도블럭 등)을 고려해야 한다.

Figure 14.

Finish ExampleSource. Tifus Korea, 2021

페데스탈 시스템은 b)와 같이 페데스탈 설치 후 그 위에 타일이나 석재를 얹으면 완료된다. 페데스탈 자체가 레벨 조절이 가능하여 설치가 용이하다. 페데스탈 위에 각상을 설치하여 목재 데크로 시공이 가능하며, 목재 데크의 경우 타일과 같이 규격화된 제품도 사용 가능하다.

상부에서 마감방식이 다를 때 경계부 처리는 스테인레스 재질의 타공판 재료분리대를 설치하여 쇄석, 자갈, 토양이 흘러나가지 않고, 우수는 배출시킬 수 있도록 한다.

7) 기타사항

옥상외단열에서 층별구성과 더불어 중요한 요소는 배수구와 파라펫 시공 방식이다. 배수구는 <Figure 15>의 a)와 같이 분리층 상부에서도 배수가 될 수 있는 형태로 제작 사용하였다. 3중 드레인의 경우 제품을 판매하는 곳이 거의 없는 실정이다. 시공현장 인근에서 자재를 수급이 용이한 편은 아니지만, 최근에는 3중 배수가 가능한 역전지붕용 드레인을 제작/판매하는 업체가 새로 생기고 있는 추세이다.19)

Figure 15.

Drain & Railing

난간 설치용 브라켓은 b)와 같이 파라펫 벽체에 앙카볼트와 용접하여 매입되는 형태로 설치하였다. 금속난간 설치 시 두겁석 상부에 고정하는 형태로 시공하면 설치는 용이하나, 고정부위를 통한 누수의 문제가 있으므로 측면에 설치 후 적절한 방수 처리를 하는 것이 바람직하다.

파라펫의 하부는 <Figure 16>와 같이 하부에 XPS단열재를 시공하고 상부 두겁부위는 방수층을 시공하여, 외벽마감과 파라펫 사이 공간으로의 우수 유입을 차단했다.

Figure 16.

Parapet DetailSource. Tifus Korea, 2021

4. 시공사례 분석 결과

3장의 이론적 배경과 시공사례를 통해 옥상외단열 구성 시 층별자재 및 주요 고려사항을 <Figure 17>과 같이 투상도로 표현하였다.

Figure 17.

Isometric Section ViewSource. by authors

기존 방식(누름콘크리트 타설)과 차별성은 다음과 같다. 첫째, 시공시 펌프카와 같은 장비가 필요하지 않고 누름콘크리트의 유도줄눈 및 실런트 작업 등의 후속 작업이 불필요하다. 둘째, 각 구성층의 재료들을 순서에 맞게 배치하는 방식임으로 시공이 용이하고 방수층 시공 이외의 공정은 숙련공이 아니어도 기준에 맞게 작업이 가능하다. 셋째, 방수층 시공까지의 과정은 동일하지만 그 위의 층을 구성하는 방식은 건식이기 때문에 기상에 영향을 받지 않고 시공할 수 있다. 셋째, 시공 중 방수층 훼손을 최소화하여 방수 안정성을 확보할 수 있다.


V. 결 론

국내 주거용 소규모 건축물 시장에서 옥상을 구성하는 방식에 대한 문제점을 파악하고, 이를 개선하기 위한 이론적 배경 연구와 단독주택 옥상의 시공사례를 분석하였다.

제안한 옥상외단열 구성은 크게 하부구성(구조체-방수층-단열층-분리층)과 상부구성(쇄석 및 자갈 포설, 페데스탈 시스템, 옥상녹화, 태양광발전설비 등)으로 나뉘며, 하부 구성을 정확히 시공한다면 옥상을 거주자의 필요에 따라 다양한 방식으로 활용할 수 있다.

3장에서 파악한 기술적 요소를 구현하기 위한 투습방수지, 3중 루프드레인, 배수판 등 각종 필수자재들의 수급은 이 인터넷을 통해 전국 어디에서든 가능하다. 설계자 및 시공현장에서의 인식 개선만 동반된다면, 본 연구에서 제안한 옥상외단열 방식은 시공성이 용이하여 국내 소규모 현장에서 폭넓게 적용이 가능할 것으로 생각된다.

다만 향후 연구에서는 사용에너지 저감 성능(냉/난방 에너지 사용량 분석), 방수층의 내구성에 대한 지속적 추적 조사, 실내 습열환경의 비교분석(결로/곰팡이 생성)등 실제 건물의 수치데이터를 조사 분석하여 성능을 검증하는 연구가 필요하다.

국내 건축물 중 주거용 소규모 건축물은 높은 비중을 차지하고 있어, 건축분야에서 탄소배출 저감을 위해서는 신축건물 및 기존 주거용 소규모 건출물 옥상의 개선이 절실히 필요하다. 향후 연구에서는 본 연구를 기초로 하여, 기존 건축물 리모델링에 적용하기 위한 고려사항 및 디테일 개발에 관한 연구를 진행할 예정이다. 본 연구가 거주자의 실내쾌적성 향상과 탄소배출 저감에 기여할 수 있도록 주거용 소규모 건축물의 옥상외피 구성의 가이드라인이 되기를 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 21AUDP-B151639-03)

Notes
1) IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
2) 저탄소 녹생성장 기본법 제정(2010)에 맞추어 중앙행정기관의 장은 녹색성장 국가전략, 녹생성장 5개년 계획을 수립함. 현재 제3차 녹색성장 5개년 계획이 시행 중. 녹색성장위원회 http://www.greengrowth.go.kr
3) 국토교통부(내부행정자료) 건축물 현황(층별/면적별) 통계
4) 단독주택(단독, 다중, 다가구주택 등), 공동주택(아파트, 연립, 다세대주택 등), 통계청 용어정의
5) 첫째, 최근 발간된 LH “주택기술-2021-10” 표준상세도를 보면 여전히 옥상에 누름콘크리트 적용되어 있고, 소규모 건축물 설계도서의 대부분은 옥상단면상세도를 첨부하지 않음(설계기술미흡). 둘째, 내단열 옥상 시공시 거푸집 상단에 단열재를 시공하는 것이 수월하다는 인식이 있고, 소규모 건축물의 시공 계약관계를 보면 단열재 부착공사를 형틀거푸집공사에 포함시켜 일체타설하는 방식이 보편적이며, 단열재설치를 별도의 공정으로 분리하여 계약할 경우 공사비 상승의 요인이 되므로, 통상적으로 골조공사 형틀목수의 작업범위로 묶어서 비용을 절감하려고 함(기존방식고수). 셋째, 옥상 위에 각종 구조물(태양광, 설비기기, 난간 등)을 설치하기 위한 시공기법 부재로 인해, 누름콘크리트를 적용하는 것이 시공편의성이 높다는 인식이 있음(시공기술미흡). 넷째, 옥상외단열 방식 적용을 위한 부속자재 수급이 어렵고, 관련 자재를 사용하는 시공자가 드물어 시장이 형성되지 못함(자재수급의 어려움).
6) LH. 연구지원 2014-19호. “공동주택 결로 종합대책 방안 연구” 제 2장 결로와 곰팡이의 발생 및 대응수준 참고
7) 열섬완화, 대기오염 개선, 온열환경 개선, 동식물의 서식환경 제공 등
8) 본 논문에서는 역전지붕(IRMA, Inverted Roof)을 “옥상외단열”로 표기 함.
9) BASF SE (2016). Flat Roof Insulation-Inverted Roof. 본문내용 중 Fig. 5 표면온도 측정결과 참고.
10) 각 층별 기능에 대한 설명은 “옥상녹화부분에서의 IRMA(역전지붕)활성화를 위한 방안연구”(Lee & Kim, 2004), “역전지붕형 녹화옥상시스템 개발 방향에 관한 연구”(Kim & Lee2004)의 내용을 참고하여 작성함.
11) 이음부분을 교차되게 설치하여 기밀성을 높이고, 분리층(투습방수지)를 통과한 소량의 수분이 내부에서 동결되지 않게 외기쪽의 단열재 두께를 하부보다 두꺼운 것으로 시공한다.
12) 18년 경과된 옥상녹화외단열 시공현장의 단열재를 분석한 결과, 밀도,셀구조의 폐쇄성,압축강도, 수분함유율, 열전도율에서 경시변화가 미미했으며, 단열재 하부의 방수층은 상태가 매우 양호했다. Axel c. Rahn, Deutsches Ingenieur Blatt, DIB, Oktober (2001)
13) 자재 주요 특성: 열전도율 -0.027 W/m2·K 이하, 압축강도 -25 N/cm2 이상)
14) 단열재는 요구 두께로 제작구매가 가능하지만, 구매가 용이한 두께를 파악하기 위해서는 해당 현장의 내부 마감까지 고려하여 적정 단열재 두께를 계산해야 한다.
15) 두 겹의 단열재에서 외기와 접하는 상부단열재를 더 두껍게 사용하여 단열층에서도 외단열 개념을 활용한 것이다. 이를 통해,단열재로 침투한 소량의 물이 동결되는 것을 방지할 수 있다.
16) Sd(투습저항값)<0.05m, 방수성능 10m, UV저항기능=5개월
17) Sd (투습저항값)<0.02 m, 방수성능 10 m, UV저항기능=4개월
18) 조경용 배수판은 토양층의 물이 정체되는 것을 방지하기 위해 개구율이 높게 제작된다. 그렇기 때문에 대부분의 제품이 내하중에 취약하다.
19) 성진드레인 제품 중 SJRD-1010, 1020, 1030 등

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Figure 1.

Figure 1.
Correlation of Major ItemsSource. by authors

Figure 2.

Figure 2.
Common Roof SectionSource. LH Standard Detail (2021), modified by authors

Figure 3.

Figure 3.
Layer Composition ProposalSource. by authors

Figure 4.

Figure 4.
Separating Layer Main FunctionSource. BASF Brochure (2016), modified by authors

Figure 5.

Figure 5.
Roof DrainSource. Sungjin Drain. modified by authors

Figure 6.

Figure 6.
Various Ways to Use The RooftopSource. by authors

Figure 7.

Figure 7.
Bigfoot System

Figure 8.

Figure 8.
Surface TreatmentSource. Tifus Korea, 2021

Figure 9.

Figure 9.
Additional Waterproof at CornerSource. Tifus Korea, 2021

Figure 10.

Figure 10.
Main WaterproofingSource. Tifus Korea, 2021

Figure 11.

Figure 11.
Sleeve & Pipe WaterproofingSource. Tifus Korea, 2020

Figure 12.

Figure 12.
Two-Layer InsulationSource. Tifus Korea, 2019

Figure 13.

Figure 13.
Separating Layer

Figure 14.

Figure 14.
Finish ExampleSource. Tifus Korea, 2021

Figure 15.

Figure 15.
Drain & Railing

Figure 16.

Figure 16.
Parapet DetailSource. Tifus Korea, 2021

Figure 17.

Figure 17.
Isometric Section ViewSource. by authors

Table 1.

Comparison

Item Common section Suggestion
1. Structural characteristics
Waterproofing
protection
X Defected by ballast concrete O Permanent
protection by
insulation.12)
Exposure UV-rays, sunlight,
temperature change, etc.
Thermal
bridge
X Parapet/ballast concrete O Reduction by
insulation
Applying
greenroof
Additional work needed
(root penetration barrier,
drainage layer, etc.)
O Right away
Installation of
other structures
Waterproofing is defected by
anchoring.
(additional reinforcement
needed)
O No damage to the
waterproofing
2. Under construction
Waterproofing
protection
X Get damaged when placing
wire-mesh/concrete
O No risk factors
when post-processing
Work schedule
after
waterproofing
X Depends on weather O Not depends on
weather
Quality &
proficiency
Relation
O Difficulty in forming a slope
(Need proficiency)
X Easy to install

Table 2.

List of Analysed Housing

Contents Information
2021.08. Bitgaram-dong, Naju-si. Housing.
Gravel Finish
2021.04. Pangyo-dong, Bundang-gu. Housing.
Gravel Finish + Pedestal System(Ceramic tile)
2020.12. Bulgwang-dong, Eunpyeong-gu
Housing Remodeling, Gravel Finish
2020.12. Jeollabul-do, Iksan-si
Wood Deck Finish