특별기획 03 - 연구시설의 Flexibility와 시설의 대응
최근 연구시설의 대한 설계에서는 향후 변화에 대응가능한 Flexibility가 큰 테마가 되고 있다.
건축설계 분야에서는 이전부터 만들어진 폐쇄공간 타입의 실험시설(Closed Lab)에 대하여 이러한 변화에 잘 대응할 수 있도록 연구하였으며, 그 결과 외벽 샤프트형과 메카니컬보이드형의 2가지 스타일을 고안해 내었다.
한편 21세기에 들어서면서 생명과학 분야의 연구가 급성장하였으며 이 연구분야의 가장 큰 특징은 여러가지 다양한 분야가 복합적으로 걸쳐진 융합연구라는 것이다.
융합연구에서는 연구자가 다른 문화들과 서로 접촉하는 것을 계기로 연구의 이노베이션을 촉발시킬 수 있다고 인식되고 있으며, 이런 분야에 적합한 연구실의 타입으로서 개방공간 타입의 실험시설(Open Lab)이 생겨났다.
물론, 양자의 성격을 모두 가지고 있는 중간형도 존재하지만, 여기에서는 폐쇄공간 타입(Closed Lab)과 개방공간 타입(Open Lab)을 비교하여 Flexibility에 대한 생각을 정리·이해하는 데에 도움이 되고자 한다.
Closed Lab01
(01 여기에서 언급되는 ‘Closed Lab’은 소규모 공간(室) 형태의 실험시설을 말하며, 이와 대비되는 개념인 ‘Open Lab’은 큰 공간 형태의 실험시설을 가리킨다.)
1) 특징 및 사용방법
전통적인 Lab의 구성방식인 Closed Lab Type은 이전부터 사용해 왔으며, 구획된 각각의 소규모 공간(室)이 연속으로 배치되어 있는 형태이다. 각 실험실은 폐쇄적이며 독립성이 강하고 인접실의 영향을 거의 받지 않는다.
각 연구유닛에는 Closed Lab이 여러개 배열되어 있으며, 각 Closed Lab은 이용자가 자유롭게 구성할 수 있고 또한 자유롭게 바꿀 수도 있다. 별도의 분류에서는 ‘Customized Lab’이라고도 불린다.
이 형태에서의 Flexibility라 함은 ① 자유로운 기기배치와 변경의 자유, ② 여유있는 골격의 계획, ③ Lab 변경시 다른 Lab에 영향을 주지 않음, ④ 당해 실내에서의 공사가능 등을 말한다.
2) Closed Lab Type에 적합한 분야
Closed Lab Type은 실험내용을 근거로 독자적인 실험장치가 많은 물리계나, 화학계에서는 폭발 등의 사고발생의 가능성이 있는 실험분야, 생명과학계에서는 병원체 등의 위험물을 취급하는 실험분야 그리고 분야에 상관없이 연구내용을 기밀하게 취급하는 임대형 Lab 등이 많다.
3) Closed Lab Type의 전형적인 건축·설비 구성
① 환기·공조설비
환기·공조설비는 패키지형 공조기 등의 개별분산형을 채택하여 실별로 대응한다. 패키지형 공조기의 실외기는 실외에 설치한다.
② 실험배기
연구자에 있어서 안전상 중요한 흄후드(FH)나 안전 캐비넷(SC)을 증설할 수 있도록 실험배기의 주(主) 닥터를 실외에서 옥상까지 설치한다.
각 실험실에는 실험배기분의 외기를 도입해야 하기 때문에 개별로 외부에서 외기를 끌어들여 실내에 급기한다.
③ 유틸리티
급수, 급탕, 가스 등의 시설은 외부에 있는 종샤프트에 주관을 설치하며 이를 천장 안에 설치된 배관에서 분기시켜 각실에 공급한다.
④ 배수
수관(竪罐)은 다른 시설과 함께 외부의 종샤프트에 설치된다. 실내에서의 자유로운 기기배치라 하는 것은 배수관이나 설치위치도 자유로워야 하지만 배수관은 바닥 밑(아래층 실험실의 천장안)을 통할 수밖에 없다.
다른 실에 지장을 주지 않기 위해서는 바닥을 이중 슬라브로 해서 배관을 하는 경우도 있지만, 여기에도 Flexibility의 대응이 필요한가에 대해서는 논의가 이루어지고 있다.
⑤ 전기설비
EPS(전기샤프트)는 외벽측에 설치하는 것도 가능하지만 분기 후 실험실마다 분전반을 설치해야 하며, 이 분전반은 사용빈도가 높아 실내에 설치하는 것이 효율적이다. 이 때문에 EPS는 모듈마다 실내에 설치하는 경우가 많다.
4) Closed Lab Type에 적합한 건축스타일
이상의 요건을 만족시킬 수 있는 방법을 모색한 결과, 건물의 구성은 외벽 샤프트형과 메카니컬 보이드형 등 2가지 스타일이 가장 적합하다고 할 수 있다.
① 외벽 샤프트형
상기의 요건을 실현하기 위하여 외벽에는 수평방향의 각층마다 발코니를, 수직방향의 평면 모듈마다 종샤프트를 설치한다. 보통 발코니와 종샤프트는 외관상 밖에서 보이지 않게 설치되므로 건축적으로 깔끔하게 마감된다.
이른바 Flexibility를 확보하기 위한 외벽 디자인으로 외관을 보면 연구소인 것을 알 수 있다( 그림 5 참조).
② 메카니컬 보이드(설비중정)형
건축플랜에서 큰 중정을 만들어 여기에 기기보관 장소나 덕트, 배관에 종샤프트를 배치하여 외기를 도입하는 장소로 이용한다. 이 경우에 외벽은 배관·덕트나 옥외기의 영향을 받지 않고 자유롭게구성할 수 있다( 그림 6 참조).
5) Closed Lab Type의 Flexibility
연구유닛 측면에서 보면 기기를 자유롭게 레이아웃할 수 있으며, 갱신하는 것도 자유롭기 때문에 Flexibility가 높다고 할 수 있다.
하지만 실험의 니즈가 변할 때에는 갱신공사가 필요하며, 연구유닛 자체가 변하면 전면적인 갱신이 필요하게 되어 비용도 늘어나게 된다.
또한 각 유닛에 할당된 실험실은 권리확보를 위해서 실이 비어도 반환되지 않고 고정화되는 경향이 있어 시설 전체가 비효율적으로 운영된다는 보고도 있다.
게다가 자주 바뀌는 연구유닛의 인원수 변화에 대해서는 작은 실이기 때문에 대처를 잘하지 못하고, 각실의 연구자 밀도의 균형도 맞지 않는 경우도 생기게 된다.
갱신공사는 각실내에서 하게 되지만 공사의 소음이나 진동을 완전히 차단할 수 없기 때문에 인접하고 있는 실험실의 실험내용에 따라 공사에 커다란 제약을 받을 수 있는 가능성도 배제할 수 없다.
Open Lab
1) 특징 및 사용방법
최근 증가하고 있는 것이 큰 실 타입이며, Open Lab이라고도 불리어진다.
구획이 없는 큰 실에 실험벤치가 나열된다. 같은 실을 다인원이 사용하기 때문에 연구자간에 교류가 일어나며 서로 자극을 주고 받는 등 이노베이션에 공헌하는 타입이라고도 말할 수 있다.
구역별로 케미컬, 바이오 등의 연구목적으로 구분을 하며, 목적 구분내의 각 벤치는 그 연구목적에 따라 범용성이 높은 설비를 설치하여 어느 누구라도 그대로 사용할 수 있도록 한다. 이 개념은 Generic Lab이라고도 불린다.
각 유닛에는 스페이스(벤치)가 배정되며, 니즈에 맞게 벤치의 배치만을 바꿀 수 있으므로 시설의 갱신은 필요하지 않다.
예를 들어, 연구유닛의 연구자가 늘어나면 벤치를 늘리고, 새로운 다른 분야의 연구자가 투입되면 그 분야의 구역에 벤치를 배정하면 된다.
따라서 같은 연구유닛의 연구자가 떨어진 장소에서 연구하는 경우도 있으며, 연구유닛의 집약에는 리더가 주체하는 미팅이 중요한 역할을 한다.
2) Open Lab Type에 적합한 분야
이 타입은 분야융합형 연구가 주인 바이오계, 화확계에 적합하다. 또한 기밀 보유 면에서 대응이 쉬운 기업의 연구소에 채용되는 경우가 많다( 그림 8 참조).
3) Open Lab Type의 전형적인 건축·설비 구성
벤치는 당초의 건축현장에 맞추어 사용방법 및 최적의 효율로 배치되며, 원칙적으로 이 배치는 바뀌지 않는다. 주요한 설비는 천장 내에 주관을 통해 필요에 따라 각 연구벤치에 연결하여 공급한다. 특히 가스는 개별 봄베를 두어 공급한다.
① 환기·공조설비
실험실의 공간이 크고 설비도 범용적으로 설치되기 때문에 센트럴 방식으로 대응하는 경우가 많다. 센트럴 방식은 한곳에 모아진 풍량이기 때문에 배기에서 열회수 하기 쉽다.
각실에서는 열부하와 급배기 밸런스에 따라 급배기량을 제어하는 VAV(가변풍량) 방식이 적합하다.
② 실험배기
위험물 흡인방지의 대응은 분산형(Closed Lab)과 같지만, Open Lab 의 경우는 인접되어 있는 다른 연구에서 위험성의 영향을 받을 수도 있기 때문에 한층 더 깊은 배려가 필요하다.
장래의 FH(Fume Hood)나 SC(Security Cabinet)의 증설에도 대비하여 매니폴드 덕트(Manifold Duct; 집약덕트)를 설치하며 증설시에는 여기에 덕트를 접속하도록 한다.
③ 설비시설
천장 안에 주관(主管)을 설치하여 천장에서 필요한 장소로 공급한다. 천장 안에는 개수, 증설공사를 위한 배관공간과 작업공간을 확보한다( 그림 9 참조).
④ 배수
벤치나 싱크의 위치를 최적인 위치에 설치하며, 장래에도 위치는 옮기지 않으므로 바닥 아래의 배관에는 지장을 주지 않는다.
⑤ 전기설비
Closed Lab Type과 같으며 실험실마다 분전반이 필요하기 때문에 각 모듈에 EPS(전기샤프트)와 분전반을 설치한다.
4) Open Lab Type에 적합한 건축스타일
센트럴 방식의 설비이기 때문에 건축계획상에서 적절한 위치에 여유 있는 샤프트를 설치하는 것과 샤프트까지의 덕트·배관의 경로를 확보하는 것이 중요하다.
이것이 확보가 된다면 외벽에 미치는 제약이 없어지며, 건축적으로 자유로운 디자인이 가능하다.
5) Open Lab Type의 Flexibility
Open Lab Type의 Flexibility에 대한 컨셉은 각 연구분야에 충실한 연구공간을 미리 준비해 놓고 연구니즈에 따라 그 공간을 사용하는 방식으로 Closed Lab Type과는 완전히 다르다.
시설의 갱신이 적으며 실험실이 고정화되지 않아 시설 전체를 효율적으로 이용할 수 있다. 하지만 이것이 실현되려면 시설 전체를 컨트롤할 수 있는 관리부서가 필요하며, 관리부서가 존재하지 않으면 운용이 불가능하다.
또한 설계초기 당초에 범용적인 설비를 완비해 놓아야 하기 때문에 건설비가 많이 발생되는 경향이 있다.
두가지 Type의 공통적인
Flexibility 확보방법
1) 높은 층고
실험실의 기능을 지지하는 부분(환기·공조, 전기, 물, 가스 등)은 천장 위에 설치되며, 천장 위 공간이 확보되어 있으면 개수나 신기능에 대응하기 쉽다. 높은 층고는 연구시설로서의 Potential과 Flexibility를 높여준다고 할 수 있다.
2) ISS(층중간 설비공간)
ISS는 층고를 높게 하여 천장 위에서 보행가능한 공간을 확보하여 배관공간, 기기설치, 보수, 개수·갱신 등을 보다 효율적으로 작업하기 위해 설치된다.
유명한 소크연구소는 슬라브가 콘크리트로 되어있는 완전한 층으로 구성되어 있지만, 최근에는 천장 위에 Catwalk(보행복도)를 만들어 보수작업등을 가능케 하는 간이설치가 늘어나고 있다.
일상적인 보수작업이나 부분적 갱신 작업은 천장 내에서 작업하기 때문에 실험실의 이용상의 Flexibility는 향상된다.
특히 동물실험실과 같은 필터교환이나 전구교환 등의 작업이 필요한 시설에서는 효과가 크다. 그러나 일상적으로 보수작업이 많지 않은 경우는 ISS의 설치의 의미에 대하여 충분히 검토하는 것이 좋다.
3) 분산 Lab 서포트
Lab 서포트는 주실험실 근처에 부속된 공간으로, 첫번째 목적은 연구자의 공동이용을 들 수 있다. 공동이용 설치의 예로는 배양실, 저온실, 공동기기실, 폐기물 보관실, 냉장고 등이 있다.
기기를 공동으로 이용함으로써 자신의 연구벤치에 기기를 별도로 설치할 필요가 없으며, 주실험실의 벤치에 여유가 생겨 실험실의 Flexibility가 증대되는 효과가 있다.
두번째로는 특수 니즈에 대응 가능한 개별실험실을 마련하여 주실험실이 고정화되는 것을 피하고 실험실 운용의 Flexibility를 확보한다.
4) 설계 적재하중의 할증
보통 실험실의 바닥 적재하중은 300~500kg/㎡으로 설계되지만, 질량분석기 등 중량이 큰 기기가 배치되는 경우는 이것에 대응할 수 있는 적재하중을 늘려 설계한다.
장래에 자유롭게 중량기기를 설치하기 위해서는 각실의 설계 적재하중을 늘리는 것이 보통이지만, 모든 실의 설계하중을 늘리는 것은 건설비가 증대되는 문제가 발생한다.
어디까지 예측해서 대응할지에 대해서는 예산과의 관계를 생각하여 판단하는 것이 바람직하다.
맺음말
상기에서는 연구시설이 가져야 할 Flexibility에 대하여 양극단의 2가지 스타일을 비교하며 서술하였다. 어느 것을 채용해야 할까에 대해서는 이용자(연구자, 관리자)나 운용체제에 의해서 결정되어야 한다.
물론 양자의 스타일을 가진 중간형의 선택도 있을 수 있지만, 제일 중요한 점은 명확한 방침과 그것에 가장 잘 대응할 수 있는 계획을 세우는 것이 누구든지 사용하기 쉽고 효율적인 연구시설을 만들 수 있을 것이다.