[공학] 중세 시대의 성당 건축

중세부터 19세기 초 무거운 하중을 견디는 다리가 등장할 때까지 건축의 주요 혁신은 기념비적인 성당 건축을 통해 이루어졌다. 중세 시대에는 시민 및 가정 건축의 흥미로운 발전도 있었지만, 성당 구조 공학의 놀라운 진화가 가장 중요했다. 이 시기에는 로마네스크 양식과 고딕 양식이라는 두 가지 건축 양식이 발달했는데, 각 건축 양식은 공학적 문제를 제시하고 이에 대한 해결책을 제시하여 발전을 이루었다.

 

가톨릭 미사의 특별한 요구 사항으로 제단 근처에 추가 수용 인원을 확보하고, 제단과 성체를 위한 공간을 마련한 성당 건축이 필요했다. 326년에 완공된 로마의 성 베드로 성당은 가톨릭 건축의 첫 번째 중요한 사례이다. 기본적으로 옛 그레코로만 양식의 바실리카 양식인 성 베드로 성당의 기둥으로 된 본당은 천 년 후의 고딕 양식 성당보다 두 배 넓었지만, 길이와 높이는 거의 같았다. 일반적으로 목조 트러스 지붕이었다. 평면도는 T자형이었으며, 제단 양쪽에서 확장되는 열린 홀에는 날개 부분이 있고, 뒤에는 반원형 후미가 있다. 날개 부분의 돔형 교차 구조가 발명되면서 하기야 소피아의 구조가 탄생했다. 그러나 서양에서는 가톨릭 대성당에 목조 첨탑이 추가되면서 전형적인 중세의 성당이 탄생했다. 이 첨탑은 로마나 동방의 공헌이 아니라 북유럽에서 건너왔다.

 

성 베드로 성당

 

목조 지붕과 탑이 있는 바실리카 성당의 가장 큰 결점은 화재에 취약하다는 점이었다. 우발적이거나 고의적인 파괴로 비참한 화재가 반복되자 8세기부터 기술자들은 내화 석조 둥근 천장으로 성당을 짓고 재건하기 시작했다. 이 최초의 로마네스크 건축은 로마의 아치형 건물이 남아 있는 지역에서 나타났기 때문에 로마 건축이 새로운 형식의 발전에 영향을 미쳤을 가능성이 높다. 초기 로마네스크 양식의 성당에서는 본당의 가느다란 기둥이 석조 둥근 천장을 지탱할 수 없었기 때문에 비교적 좁은 아치형 천장만 사용하였다. 그러나 이후 기둥을 견고한 구조용 교각으로 대체하면서 본당 전체가 아치형 구조로 바뀌었다. 처음에는 본당과 통로의 둥근 천장이 배럴형 둥근 천장이었지만, 엔지니어들은 곧 두 개의 배럴형 둥근 천장이 직각으로 교차하는 그루인형 둥근 천장을 도입했다. 11세기에는 십자형 평면이 4세기 성 베드로 대성당부터 사용되던 T자형 평면을 대체하기 시작했다. 십자형 평면이 채택된 직후 둥근 지붕의 성당과 돔이 도입되었고, 일부 둥근 지붕을 가진 성당의 넓은 둥근 천장은 중세 공학의 승리 중 하나였다.

 

이전에 설명한 발전은 대부분 로마의 구조 기술이다. 중세 엔지니어들이 11세기에 리브형 둥근 천장을 발명하고 나서야 로마 방식에서 처음으로 중요한 진전을 이루었다. 아치형 리브는 둥근 천장과 독립적으로 지어졌으며, 석조 둥근 천장의 격자를 지지하는 역할을 담당했다. 넓은 경간의 둥근 천장은 처지는 경향이 있는데, 중세 기술자들은 이러한 처짐을 방지하려고 후대의 고딕 양식 건축물에서 그 중요성을 입증하게 될 리브를 도입했다. 가장 위대한 로마네스크 건축물 중 하나는 1130년에 완공된 세 번째 클뤼니 수도원이다. 길이가 거의 300피트에 달하는 거대한 건물로, 리브가 있는 둥근 천장이 포장도로에서 거의 100피트 위에 세워졌다. 나머지 구조는 로마네스크 양식이었지만 통로 아케이드에는 뾰족한 아치형 리브, 얇은 석조 격자, 스크린 벽이 있는 전형적인 고딕 양식의 단위 요소 베이가 있었다. 그러나 본당의 큰 둥근 천장은 측면의 하중을 받도록 설계되지 않은 벽에 설치되었다. 정역학 원리에 대한 이해가 부족했던 엔지니어들은 1125년 본당 둥근 천장의 일부가 무너진 후 튼튼한 측면 버팀벽을 만들어야 했다. 분명히 그들은 둥근 천장이 벽의 안쪽에서 수직으로 내려앉을 거로 생각했다.

 

클뤼니 수도원

 

가장 유명한 고딕 양식의 대성당이 있는 파리 지역의 고딕 건축가들은 클뤼니에서 발생한 구조적 오류로부터 이익을 얻은 것으로 보이지만, 버팀벽이 여전히 필요하다는 사실을 즉시 깨닫지는 못한 것 같다. 공중 버팀벽을 처음으로 체계적으로 사용한 것은 1180년경 파리의 노트르담 성당이었지만, 최초의 일관된 고딕 양식의 구조는 1137년에 생 드니 성당에서 시작되었다. 12세기 파리 지역의 엔지니어들은 클루니의 단위 요소 베이가 중요한 구조적 진보라는 사실을 깨달았다. 세기말에 이르러 그들은 경험을 통해 정역학에 대한 중요한 새로운 지식을 얻었고, 상당한 재료의 경제성과 수평적 힘의 균형을 맞출 수 있었다.

 

생 드니 대성당

 

파리 지역의 고딕 양식 성당은 기본적으로 건물을 지탱하는 부재가 100피트 이상 높이의 교각인 건물이다. 이 교각 사이에는 구조적으로 교각에 내장되지 않고 자체 무게만 지탱하는 스크린 벽(대부분 면적이 창문)이 있었다. 교각에는 12세기 초에 동양에서 도입된 구조 장치인 뾰족한 아치가 솟아 있었다. 뾰족한 아치는 하중의 경로에 더 가깝게 따르기 때문에 반원형 아치보다 정역학적으로 더 효과적이다. 따라서 뾰족한 아치에는 내부 응력이 적고 더 작은 돌을 사용하여 만들 수 있다. 같은 이유로 둥근 천장을 지지하는 리브 사이의 격자도 정확하게 자르고 끼워서 맞춘 돌을 사용하면 더 가벼워질 수 있었는데, 일부 통로 격자의 두께는 6인치에 불과했다. 보베(Beauvais) 대성당의 둥근 천장은 포장도로에서 158피트 높이까지 솟아 있다. 고딕 양식의 대성당 지붕은 교각이 받치고 있는 높은 구조 벽 위에 나무 트러스 구조의 비와 눈이 내리는 창고를 세운 형태이다. 지붕은 악천후로부터 내부를 보호하기 위해 둥근 천장 공사를 시작하기 전에 완성되는 경우가 많았다.

 

생 드니 대성당

 

둥근 천장의 무게가 가벼워졌음에도 불구하고 교각은 수직 하중을 기초에 전달하는 데는 완벽하게 적합했지만, 둥근 천장에서 발생하는 측면의 하중을 상쇄할 수 없었다. 중세 엔지니어들은 측면의 하중을 지반으로 전달하기 위해 공중 버팀벽을 발명하여 둥근 천장 지지부의 하중을 흡수했다. 공중 버팀벽은 건물에 가해지는 풍하중과 흡입력에도 대응하는 데 도움이 되었다.

 

이 책에서 ‘중세 엔지니어’라는 표현을 사용하지만, 고딕 양식의 대성당 건축을 지휘한 사람들은 현대적인 의미의 엔지니어나 건축가가 아니었다. 오히려 그들은 건축을 위한 엔지니어링 및 건축 방향을 제공한 석공 장인이었다. 건축 장인들은 다른 장인보다 최대 서너 배의 임금을 받았으며 상대적으로 사회적 지위가 높았다. 이들 중 다수는 문맹이었고, 모두 도제 방식으로 자신의 직업을 배웠다. 비트루비우스와 같은 원고를 읽을 수 있는 사람은 의심할 여지 없이 소수였지만, 고딕 양식의 대성당 건축을 지휘하려면 비트루비우스보다 훨씬 더 많은 것을 알고 있어야 했다.

 

중세 기술자들이 도면을 위해 종이, 양피지, 목재를 많이 사용했다는 증거는 있지만, 오늘날 이러한 건축 설계도와 시방서는 거의 남아 있지 않다. 하지만 샤를마뉴의 공공사업 책임자이자 전기 작가인 에긴하르트가 800년 직후 설계한 것으로 알려진 스위스 생갈렌 수도원의 평면도가 남아 있으며, 대영 박물관과 여러 유럽 컬렉션에 중세 시대 도면이 남아 있다. 가장 유명한 노트는 13세기 건축가인 빌라르 드 오네쿠르의 작품으로 파리의 국립도서관에 소장되어 있다. 양피지에는 설명 메모와 함께 33개의 스케치가 남아 있다. 빌라르는 자신의 노트를 젊은 건축가들을 교육하기 위한 텍스트로 사용하려고 의도했을 가능성이 높으며, 개인적인 문서가 아니었을 가능성이 높다. 스케치 중 하나는 물속에서 파일(pile)을 톱질하는 장치를 보여준다.

 

중세 건축가들이 건물 전체 또는 광범위한 부분의 모형을 사용했는지는 의문이다. 그러나 그들은 실물 크기의 서식 또는 가짜 모형과 작은 부분의 상세 도면을 지속해서 사용했다. 석공들이 돌을 쉽게 다듬을 수 있도록 나무와 천으로 틀을 만들어 채석장에 보냈다는 증거가 풍부하며, 적어도 두 개의 납 틀이 발견되었다. 라임 대성당의 벽에는 장인들이 건물의 여러 부분을 건설할 때 참고할 수 있는 실물 크기의 도면이 여러 개 있다. 중세 건축가는 도면과 서식을 너무 많이 만들어서 영국에서 ‘트라소르’ 또는 ‘트라싱 하우스’라고 불리는 특별한 건물을 가지고 있었는데, 실제로는 그의 설계 사무실이었다.

 

중세 건축물의 주요 재료는 돌, 회반죽, 철, 목재, 못이었다. 중세 엔지니어들은 작업하는 재료의 강도와 특성에 대한 광범위한 지식을 가지고 있었다. 일부 대성당의 경우 비구조 벽면은 부드러운 돌로 만들어졌지만, 지지벽은 단단한 돌로 만들어졌다. 건축업자들은 때때로 외벽에 내후성 석재를 사용하기도 했으며, 석재의 부식을 방지하기 위해 석회 세척과 같은 여러 가지 방법을 사용하기도 했다. 그러나 회반죽은 상대적으로 비효율적이었으며, 굳는 데 몇 년이 걸리기도 하고 접착력이 부족한 경우가 많았다. 대부분의 고딕 성당에는 연철로 된 꺾쇠, 다웰, 타이로드, 간혹 아이바 체인이 많이 있다. 연철 부품은 녹이 슬지 않도록 수지에 삶아 사용했다. 지붕의 경우 건축업자들은 목재를 사용했고, 연철 못을 사용할 때는 유지에 삶거나 통조림으로 만들어 보존했다. 중세의 건축 도구, 심지어 19세기 초의 건축 도구는 로마 시대의 도구와 거의 다르지 않았다. 하지만 중세 기술자들은 나무와 돌을 돌리는 데 쓰레드 휠 크레인과 선반을 사용했다. 중세의 발명품인 노동력 절감형 수레는 13세기 중반까지 널리 사용되었다.