일반적으로 모듈러 건축물의 골조 프레임은 강재이며, 형태는 기둥과 보가 있는 박스형 골조가 사용되고 있다⁽¹⁰⁾. 그러나 이 연구에서 제안하는 프리캐스트 콘크리트 모듈러 병동은 구성 및 시공방법이 일반적인 방식과 상이하다. Fig. 1과 같이 U형 벽식 콘크리트 구조체 내부에 내장재인 인필(infill)을 결합하여 적층 후 전면 창호를 조립하는 형태이다. 구조체는 Fig. 2와 같이 6300 mm × 3290 mm × 3000 mm으로 1개의 화장실과 1개의 병실로 구성된다. 병동의 전면은 이중유리로 구성된 창호(2450 mm × 2197 mm)이며, 반대쪽에 출입문(980 mm × 2300 mm)이 위치한다. 병동은 인필 교체를 통해 주거 또는 상업시설로 용도를 변경하여 재사용이 가능하도록 설계하였다.

Fig. 1 
Precast concrete modular ward mockup

Fig. 2 
Mockup building floor plan

목업 건물은 총 6개의 모듈 유닛으로 이루어져 있으며, 2개 층으로 적층하여 구성하였다. Fig. 3과 같이 프리캐스트 콘크리트 구조체의 바닥 슬래브 두께는 210 mm, 벽체 두께는 200 mm이다. 이때, 구조체의 압축 강도는 27 MPa, 단위 중량은 23.5 kN/m³이다. 좌우로 인접한 두 병동 사이에는 2개의 벽체가 구성된다. 내장재인 인필의 천장과 벽체는 라미네이트 가공된 폴리염화비닐(PVC) 단열재로 바닥은 건식난방패널, 바닥마감재 등으로 마감하였다.

Fig. 3 
Infill finishing material and structural connections

병동의 음향성능은 Fig. 4와 같은 위치의 2개소의 바닥충격음과 1개소의 수평 인접한 세대간의 공기전달음 차단성능을 평가하였다. 충격음 및 공기전달음 차단성능 측정은 KS F ISO 16283-1, －2⁽¹¹⁾, 단일수치평가량은 ISO 717-1⁽¹²⁾과 KS F ISO 717-2⁽¹³⁾에 따라 산출하였다.

Fig. 4 
Precast concrete modular ward mockup and acoustic performance measured position

경량충격음 충격원은 Table 1과 같이 탭핑머신(qsource, Qtap), 중량충격음 충격원은 고무공(rion, YI-01)을 활용하였다. 지면으로부터 1.2m 지점의 음압레벨을 5개의 마이크로폰(rion, UC-53)과 주파수 분석기(rion, SA-02)로 측정하였다. 경량충격음은 가중 규준화 바닥 충격음 레벨(L_n,W), 중량충격음은 A-가중 최대 바닥충격음 레벨(L_iA,Fmax)로 나타내었다.

공기전달음 차단성능 측정시 음원실에서 순차적으로 2개 지점에서 무지향성 스피커로 백색 소음을 발생하였을 때, 음원실 및 수음실에 각각 있는 5개의 마이크로폰의 음압레벨을 분석하였다. 벽체의 차단성능은 겉보기 음향감쇠 계수(R’)와 단일수치평가량은 가중 겉보기 음향감쇠계수(R’_w)로 나타내었다.

병원 소음 기준은 환자에게 정온한 환경을 제공하기 위한 실내소음 기준과 병동에서 발생하는 다양한 소음을 차단하기 위한 건축물의 소음차단 기준으로 나눌 수 있다. 국내에서 정하고 있는 병원 소음기준은 미비하여, 국외 기준을 조사하였다.

미국 환경보호국(US EPA)에서는 병동 실내 소음기준으로 낮 시간대 45 dB(L_Aeq), 밤 시간대 35 dB(L_Aeq) 이하를 권고하고 있다⁽⁸⁾. 덴마크는 병실 내부 소음 33 dB(L_den) 이하로, 영국은 낮 시간대 40 dB(L_Aeq,1hr), 밤 시간대 35 dB(L_Aeq,1hr) 및 45 dB(L_Amax,f) 이하 수준을 권고 한다⁽⁶⁾. 아울러 세계보건기구(WHO)에서 제안하는 병실 내 소음기준은 모든 시간대에 등가소음레벨(L_Aeq) 30 dB(A), 밤 시간대 최대소음레벨(L_Amax,f) 40 dB(A) 이하이다⁽⁷⁾.

국제적으로 병동을 대상으로 적용하는 공통된 평가지표와 이에 따른 평가기준은 미비하다. 그러나 주로 잔향시간, 공기 전달음 및 충격음 차단성능(경량충격음), 도로교통소음과 설비기기 소음을 차단하기 위한 기준을 정하고 있다⁽⁶⁾. 이 연구에서 대상으로 하고 있는 바닥충격음과 공기전달음 차단성능을 알아보면, 침실과 침실, 통로와 침실 사이의 차단성능 기준을 정하고 있다. 또한 수직 또는 수평으로 인접한 공간을 대상으로 한다. 유럽에서는 나라별 각기 다른 기준을 적용하고 있으나, 예로 노르웨이와 덴마크에서는 침실간 공기전달음 차단성능 기준(R’_w)은 ≥ 48 dB, 충격음 차단성능(L_n,w)은 ≤ 58 dB으로 정하고 있다⁽⁶⁾.

모듈러 병동 목업의 경량충격음 차단성능은 Table 2와 같다. 경량충격음 차단성능의 단일수치평가량은 1번 병실 52 dB, 2번 병실 54 dB으로 나타났다. 두 병실의 성능차이는 주로 Fig. 5과 같이 125 Hz 대역의 음압레벨에 의해 발생하는 것으로 나타났다. 중량충격음 차단성능을 Fig. 6에 나타내었다. 단일수치평가량은 1번 병실은 62.8 dB, 2번 병실은 63.6 dB로 나타났다. 두 병실간의 중량충격음 차단성능 차이는 경량충격음과 같이 125 Hz 대역에서 발생하였다. 건축물의 사용목적과 구조 형식은 상이하나, 슬래브 두께가 210 mm인 벽식 철근 콘크리트 공동주택에서 측정한 중량충격음과 비교하였을 때⁽¹⁴⁾, 63 Hz와 125 Hz 대역의 음압레벨은 비슷한 수준이나, 250 Hz와 500 Hz의 음압레벨이 약 10 dB 가량 높은 것으로 나타났다.

Fig. 5 
Light-weight floor impact sound

Fig. 6 
Heavy-weight floor impact sound

유럽국가 정하고 있는 병동소음의 충격음 기준은 경량충격음으로, 중량충격음에 대한 기준은 미비하다. 경량충격음 규제 기준(L’_n,w)이 가장 높은 나라는 이탈리아로 기준은 53 dB 이하이며, 이 연구에서 대상으로 하는 병실은 각각 52 dB, 54 dB로 기준을 일부 만족하는 것으로 나타났다.

두 개 세대의 바닥충격음 차단성능을 측정한 결과, 경량충격음과 중량충격음 모두 2번 병실이 1번 병실에 비해 성능이 낮은 것으로 나타났다. 이러한 원인은 제작과정 및 시공시 발생하는 차이로 보인다. 프리캐스트 콘크리트 모듈러 건축물에서 균일한 음향 성능을 확보하기 위하여 품질 및 시공 정밀도에 따른 측정 결과를 확보하여야 하며, 향후 모듈러 건축물의 음향성능 편차를 파악할 필요가 있다.

수평 인접한 병실간 공기전달음 차단성능을 Fig. 7에 나타내었다. 125 Hz ~ 250 Hz 대역에서의 차단성능은 40 dB 내외인 것으로 나타났으며, 500 Hz 이상 주파수 대역에서 주파수가 높아짐에 따라 차단성능이 향상되는 것으로 나타났다. 단일수치 평가량(R’_w )은 51 dB으로 나타났다. 이는 유럽 국가에서 정하고 있는 공기전달음 차단성능 기준을 대부분 상회하는 수준이다.

Fig. 7 
Apparent sound reduction index (sound insulation) between wards

추가적으로, 측정된 부재의 공기전달음 차단성능을 바탕으로 인접한 병실에서 사람 목소리가 발생할 때 전달되는 음압레벨을 식 (1)과 같이 산출하였다⁽¹¹⁾.

여기서, L_p1은 음원실에서의 음압레벨, S는 병실간 벽체의 넓이(m²)이고, R’은 주파수대역별 겉보기 음향감쇠계수(dB), A₂은 수음실의 등가흡음력(m²) 이다. L_p1은 음원실에서 발생하는 소음원의 음압레벨이다.

사람 목소리는 ANSI 3.5에서 제시하는 주파수대역별 음압레벨을 적용하였으며⁽¹⁵⁾, 이때 1 m 지점에서 음압레벨은 73.7 dB(A) 정도이다. 인접한 병실 내부에서의 예측되는 소음레벨은 24.8 dB(A)으로 나타났으며, 이는 WHO에서 제안하는 등가소음레벨 기준인 30 dB(A)를 만족하는 수준으로 나타났다.