서 론

연구의 목적

건축물의 외피 판단은 건축물 에너지성능평가에서 필수적인 과정이다. 건축물을 구성하는 다양한 부재들 중에서 외피에 해당하는 부재를 판단함으로써 해당 건축물이 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서 제시하는 열관류율 또는 단열재 두께 기준을 준수하는지 여부를 파악할 수 있다. 또한 ‘건축물의 에너지절약설계기준’, ‘건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증 기준’, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’ 및 ‘녹색건축 인증 기준’에 따른 건축물 에너지 소요량 평가는 건축물의 외피만을 대상으로 하기 때문에, 건축물의 외피 판단은 건축물 에너지 소요량 평가 전에 반드시 선행되어야 한다. 만약 외피의 판단이 잘못된 경우 설계 기준 만족 여부 판별의 결과에도 영향을 미칠 뿐만 아니라, 건축물 에너지 소요량 평가 결과에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 정확한 외피의 판단은 건축물 에너지성능평가에서 매우 중요하다.

현재 건축물의 외피 판단은 평가자에 의한 수작업으로 수행된다. 우선 평가자는 2차원 도면들을 검토하여 단열재가 포함되어 있는 부재들을 선정한다. 이후, 단열조치 된 부재들을 외기에 직접 면하는 부재와 간접 면하는 부재로 구분한다. 이 과정에서 평가자는 모든 2차원 도면을 대상으로 단열재를 포함하는 부재들을 일일이 육안으로 확인해야 한다. 또한 부재의 위치, 외기와의 인접 여부, 외기에 간접 면하는 모든 경우를 종합적으로 고려하여 단열재를 포함하는 부재를 외기와 직접 면하는 부위 또는 간접 면하는 부위로 구분한다. 이처럼 외피 판단 작업을 평가자가 모든 도면을 분석하여 수행하기 때문에 업무의 생산성 저하가 발생한다. 뿐만 아니라 외기와 직접 면하는 부위와 간접 면하는 부위 구분 시, 평가자의 오판으로 인한 신뢰성 저하의 문제가 발생한다. 이러한 문제점은 건물의 규모가 대형화됨에 따라 더욱 심화될 것으로 예상된다.

BIM 설계가 활성화되면서 건축물 에너지성능평가 작업의 효율성 제고를 위해 BIM으로부터 에너지성능평가에서 요구하는 정보를 자동으로 추출하는 연구가 활발히 이루어지고 있다(김가람과 유정호, 2012; 김인한 외, 2013; 양정임 외, 2014). 최근 김창민 외(2017)에서는 BIM에서 에너지절약형 친환경주택의 성능평가 요구 정보 자동 추출의 한 단계로, 외기에 직접 면하는 부재와 간접 면하는 부재를 구분하는 방법을 제안하였다. 해당 연구에서는 ‘IsExternal’ 속성값이 ‘True’인 경우 외기에 직접 면하는 부재로 판단하였으며, 부재가 난방공간과 비난방공간에 모두 면한 경우에는 외기에 간접 면하는 부재로 판단하였다. 제안된 방법은 외기와 난방공간 사이 또는 난방과 비난방공간 사이에 위치하는 부재에 단열조치를 하는 일반적인 상황의 경우에 외피를 정확하게 판단할 수 있다. 그러나 일례로 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서 제시하는 단열조치 예외 사항인 ‘외기에 간접 면하는 부위로서 당해 부위가 면한 비난방공간의 외피를 단열조치하는 경우’는 고려하지 못하였다.

이에 본 연구에서는 BIM 기반의 설계환경에서 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서의 단열조치 일반사항 뿐만 아니라, 예외사항을 포함하여 건축물의 외피 판단을 할 수 있는 알고리즘을 개발하고자 한다. 이를 통해 건축물 외피 판단에 소요되는 시간을 감소시키고 신뢰성을 향상 시키고자 한다. 뿐만 아니라, BIM을 활용한 건축물 에너지성능평가 자동화에 기여하고자 한다.

연구의 범위 및 방법

본 연구에서의 외피는 국내 기준에 따른 건축물 에너지성능평가의 대상 부위인 벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창호로, 외기에 직접 또는 간접 면한 단열조치 된 부위로 정의한다.

본 연구의 목적 달성을 위하여 Figure 1과 같이 연구를 진행하였으며, 단계별 연구 내용은 다음과 같다. 첫째, 건물을 구성하는 부재들 중에서 외피로 판단될 수 있는 유형을 정리하고 정리된 유형의 특징을 분석한다. 둘째, 외피 판단을 위하여 단열조치 부위 판단 기준을 제시하고, 외기에 직접 또는 간접 면하는 여부 기준을 제시한다. 셋째, 벽, 지붕, 바닥, 창호 별로 BIM 기반의 외피 판단 알고리즘을 도출한다.

Figure 1.

Research process

건물 외피의 유형 분석

건물 외피의 유형 정리

본 장에서는 건물 부위 중에서 외피로 판단될 수 있는 유형을 정리하고자 한다. 본 연구에서의 외피는 벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창호로서 외기에 직접 또는 간접 면하도록 단열조치 된 부위이므로, 단열조치 된 부위를 기준으로 유형을 정리하였다. 또한 외피의 유형은 건축물 에너지성능평가를 위하여 실제로 제출된 설계도면들을 분석하여 정리하였다. Table 1은 외피의 유형 정리 결과이다.

벽, 창호는 네 개의 유형(①, ②, ③, ④)으로 정리된다. 외기에 직접 면하는 부위인 경우 외측공간이 외기이며 내측공간이 난방공간(①번 유형) 또는 비난방공간(②번 유형)일 경우이다. 외기에 간접 면하는 부위인 경우 외측공간이 비난방공간이며 내측공간이 난방공간(③번 유형) 또는 비난방공간(④번 유형)일 경우이다. 네 개의 유형 중에서 외측공간이 외기이며 내측공간은 비난방공간(③번 유형)인 유형과 외측공간 및 내측공간 모두가 비난방공간(④번 유형)인 유형은 예외적으로 설계를 한 경우이다. 이는 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에 따르면 거실과 같은 난방공간이 외기 또는 비난방공간에 면할 경우에 단열조치를 하도록 하고 있으나, 예외적으로 외기에 간접 면하는 부위로서 당해 부위가 면한 비난방공간의 외피에 단열조치를 한 경우에는 단열조치를 아니하여도 되도록 하고 있기 때문에 가능한 유형이다.

Table 1. Sorted out cases of building envelope

지붕은 총 두 개의 유형(⑤, ⑥)으로 정리된다. 외측공간이 외기이며 내측공간이 난방공간(⑤번 유형)일 경우에는 해당 지붕은 외기에 직접 면하는 부위로 간주된다. 외측공간이 비난방공간이며 내측공간이 난방공간(⑥번 유형)일 경우에는 외기에 간접 면하는 부위로 간주된다.

바닥은 총 세 개의 유형(⑦, ⑧, ⑨)으로 정리된다. 외측공간이 외기이며 내측공간은 난방공간(⑦번 유형)일 경우인 외기에 직접 면하는 부위의 유형이 있다. 또한 외측공간이 토양(⑧) 또는 비난방공간(⑨)이며 내측공간은 난방공간일 경우인 외기에 간접 면하는 부위의 유형이 있다.

외피 유형의 특징 분석

상기와 같이 외피로 판단될 수 있는 유형을 정리한 결과 총 아홉 개의 유형으로 정리되었다. 아홉 개의 유형 모두 기본적으로 단열재를 포함한 단열조치가 된 부위이다. 또한 ①번부터 ⑨번까지 외피의 유형들을 분석한 결과, 단열조치가 된 부위 중에서 외측공간이 외기인 경우는 모두 외기에 직접 면한 부위임을 판단할 수 있다. 반면 외측공간이 외기가 아닌 경우는 모두 외기에 간접 면한 부위인 것으로 나타났다. 이와 같은 외피 유형의 특징을 이용하여 외피 판단 알고리즘 개발 과정에서 외기에 직접 또는 간접으로 면한 부위를 판단할 수 있다.

외피 판단 알고리즘 정의

외피 판단 작업은 먼저 단열조치 부위를 판단하고, 해당 부위를 기준으로 외기에 직접 또는 간접으로 면한 부위를 판단하는 과정으로 진행된다. Figure 2는 본 연구에서 제안하는 외피 판단 프로세스를 나타낸다. 첫째, 설계도면을 분석하여 단열재가 포함된 건축 부위를 판단한다. 이때 단열재는 난방공간 또는 비난방공간을 외기로부터 차단하는 목적으로 적용된 단열재만을 포함하며, 공동주택에서 결로방지를 위해 적용되는 결로방지재 등은 제외한다. 이를 위해 단열조치 부위 판단을 위한 기준을 제시한다. 둘째, 외기에 직접 면하는 부위와 간접 면하는 부위를 판단한다. 본 연구에서는 외기에 직접 면하는 부위와 간접 면하는 부위를 판단하기 위해 인접 공간을 활용한 기준을 제시한다.

Figure 2.

Process of determination of building envelope

단열조치 부위 판단

본 연구에서는 단열재를 포함한 부위를 판단하기 위한 기준으로 건축자재의 열전도율을 선정하였다. 열전도율은 재료가 열을 전달하는 빠르기에 대한 척도이며, 1m 두께의 재료에 대한 열전달 특성을 나타낸다. 열전도율이 낮을수록 열이 빠르게 이동하지 못해 단열성능이 향상 된다. 따라서 단열재로 사용되는 건축자재의 열전도율은 단열재로 사용되지 않는 건축자재 보다 열전도율이 특히 낮은 특성을 가진다.

Table 2는 ‘건축물의 에너지절약설계기준 해설서’에서 제시하는 건축자재별 열전도율을 단열재 이외의 건축자재와 단열재로 사용되는 건축자재로 구분하여 열전도율의 최대, 최소, 평균을 계산한 결과이다. 단열재 이외의 건축자재에서는 동이 370.000 W/mK로 최대의 열전도율을 가지며, 아스팔트 펠트 17 kg이 0.110 W/mK로 최소의 열전도율을 가진 것으로 나타났다. 단열재에서는 미네랄울과 그라스울 보온재 a, b, c가 0.044 W/mK로 최대의 열전도율을 가지며, 경질우레탄폼보온재 중 보온판 2종 1호, 2호가 0.023 W/mK로 최소의 열전도율을 가진 것으로 나타났다. 단열재의 평균 열전도율은 0.035 W/mK로, 비단열재의 열전도율 평균인 23.512 W/mK와 비교할 때 많은 차이가 나타났다.

Table 2. Thermal conductivity of insulation and non-insulation among building materials

Figure 3은 건축자재 열전도율 조사 결과를 바탕으로 열전도율별 건축자재의 개수를 히스토그램으로 나타낸 그림이다. 단열재 이외의 건축자재는 열전도율이 0.110 W/mK에서 370.000 W/mK까지 분포하였으며, 단열재인 건축자재는 열전도율이 0.023 W/mK에서 0.044 W/mK까지 분포하여 단열재인 건축자재와 단열재 이외의 건축자재가 명확히 구분되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 단열재 포함 여부를 판단하기 위한 열전도율 기준은 단열재 이외의 건축자재 열전도율의 최솟값인 0.110 W/mK와 단열재 열전도율의 최댓값인 0.044 W/mK의 중간값인 0.080 W/mK로 설정하였다. 따라서 구성자재 중 열전도율이 0.080 W/mK 이하의 자재를 포함하는 부위는 단열조치 부위인 것으로 판단할 수 있다.

Figure 3.

The number of building materials per each thermal conductivity

그러나 단열조치 부위 판별을 열전도율 0.080 W/mK 이하인 단열재가 적용된 부위로 판단 시 예외인 경우가 발생할 수 있다. 이는 공동주택에 적용되는 결로방지재가 포함되는 경우이다. ‘공동주택 결로 방지를 위한 상세도 가이드라인’에 따르면 결로방지재는 열전도율 0.036 W/mK 이하의 자재를 사용하도록 되어 있기 때문이다. 결로방지재가 적용된 부위는 단열조치 부위에 속하지 않으므로, 본 연구에서는 결로방지재가 적용되는 부위의 공간특성을 이용하여 결로방지재가 적용된 부위는 단열조치 부위에서 제외하도록 하였다. 결로방지재가 적용되는 부위는 외기에 직접 접하는 부위의 벽체와 세대 내의 천장 슬래브 및 바닥이 동시에 만나는 접합부이다. 이는 단열조치 부위와 난방공간과 난방공간에 접하는 부위에 해당하므로, 결로방지재가 적용되는 부위 중에서 난방공간과 난방공간에 접하는 부위는 단열조치 부위에서 제외하도록 하였다.

외기에 직접 또는 간접 면하는 부위 판단

본 연구에서는 부재가 외기에 직접 또는 간접 면하는 여부를 판단하기 위한 기준으로 부재에 인접한 공간을 활용하는 방법을 제안한다. Table 1에서 확인 할 수 있듯이, 부재의 한 면이 외기에 접하는 경우 외기에 직접 면하는 부위로 판단된다. 반면 부재가 외기에 접하지 않고 비난방공간과 난방공간에 접하거나 두 개의 비난방공간에 접할 경우 외기에 간접 면하는 부위로 판단된다. 이처럼 부재가 접한 공간의 특성을 활용하여 외기에 직접 또는 간접 면하는 여부를 판단할 수 있다.

Figure 4는 본 연구에서 제안하는 외기에 직접 또는 간접 면하는 여부를 판단하는 알고리즘을 나타낸다. 단열조치 부위로 판단된 부재들 중에서 해당 부재가 외기에 접하는 경우 외기에 직접 면하는 부재로 판단한다. 단열조치 부위로 판단된 부재들 중에서 외기에 접하지 않는 경우에는 외기에 간접 면하는 부재로 판단한다. 이와 같은 방법을 통해 단열조치 된 부위를 외기에 직접 또는 간접 변하는 부재로 구분 가능하다.

Figure 4.

An algorithm to decide whether certain part is exposed to the open air directly or indirectly

BIM 기반의 외피 판단 알고리즘 개발

외피 판단 알고리즘은 BIM 모델 정보의 활용을 전제로 벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창호로 구분하여 개발하였다.

BIM 기반 벽 부위 외피 판단 알고리즘

BIM 기반의 벽 부위 외피 판단 알고리즘은 Figure 5와 같다. Step 1은 단열조치한 벽 부위를 추출하는 단계이다. 벽 마다 구성자재의 자재명을 추출하여, 미리 구축해둔 건축자재별 열전도율 데이터베이스를 통해 해당 자재의 열전도율을 판단한다. 그 다음 구성자재 중 전도율이 0.080 W/mK 이하인 자재를 포함하는 부위는 단열조치 부위인 것으로 판단하여 추출한다.

Figure 5.

BIM-based algorithm for wall to determine possibility as building envelope

Step 2는 단열조치 부위로 판단된 벽을 대상으로 외기에 직접 또는 간접으로 면한 부위를 판단하는 단계이다. 벽은 Table 1에 따라 외측공간이 외기일 경우에 외기에 직접 면한 부위로 판단한다. 본 연구에서는 BIM 모델에서 벽의 외측공간이 외기인지를 판단하기 위하여 벽이 접한 공간의 개수를 이용하였다. BIM 모델에서 외기는 아무 정보가 없는 빈 공간이기 때문에 벽이 1개의 공간에 접할 경우에는 외기에 접한 것으로 판단하였다. 벽이 2개의 공간에 접할 경우에는 2개의 공간이 난방공간과 난방공간, 난방공간과 비난방공간 그리고 비난방공간과 비난방공간에 접하는 경우가 발생한다. Table 1에 따라 난방공간과 비난방공간, 비난방공간과 비난방공간이 접할 경우에는 외기에 간접 면한 부위로 판단하고, 난방공간과 난방공간인 경우에는 단열결로방지재가 적용된 부위로 판단하여 단열조치 부위에서 제외하도록 하였다.

BIM 기반 최상층 지붕 부위 외피 판단 알고리즘

BIM 기반의 최상층 지붕 부위 판단 알고리즘은 Figure 6과 같다. Step 1은 단열조치한 지붕 부위를 추출하는 단계이다. 지붕은 최상층에 위치해 있기 때문에 판단 역시 최상층 모델을 대상으로 하며, 단열조치한 지붕 추출 방법은 벽과 동일하다. Step 2는 단열조치 부위로 판단된 지붕을 대상으로 외기에 직접 또는 간접으로 면하는 부위를 판단하는 단계이다. 지붕은 최상층에 위치하여 외기와 직접 접하기 때문에 외기에 직접 면한 부위로 판단한다.

Figure 6.

BIM-based algorithm for roof to determine possibility as building envelope

BIM 기반 최하층 바닥 부위 외피 판단 알고리즘

BIM 기반의 최하층 바닥 부위 외피 판단 알고리즘은 Figure 7과 같다. Step 1은 단열조치한 바닥 부위를 추출하는 단계이다. 바닥은 층간바닥을 제외한 최하층 바닥만 외피의 범위에 포함되기 때문에 판단 역시 최하층 모델을 대상으로 한다. 단열조치한 바닥 추출 방법은 벽과 동일하다. Step 2는 단열조치 부위로 판단된 바닥을 대상으로 외기에 직접 또는 간접으로 면하는 부위를 판단하는 단계이다. 바닥은 최하층에 위치하여 지면과 접하기 때문에 외기에 간접 면한 부위로 판단한다.

Figure 7.

BIM-based algorithm for slab to determine possibility as building envelope

BIM 기반 창호 부위 외피 판단 알고리즘

BIM 기반 창호 부위 외피 판단 알고리즘은 Figure 8과 같다. Step 1은 단열조치한 창호 부위를 추출하는 단계이다. 창호는 단열재 포함여부로 단열조치 부위 판단이 불가능하나 창호가 소속해 있는 벽의 정보 추출이 가능하다. 따라서 창호가 소속된 벽의 단열조치 판단 여부를 확인하여, 단열조치 부위인 벽에 속한 창호를 추출한다. Step 2는 단열조치 부위로 판단된 창호를 대상으로 외기에 직접 또는 간접으로 면한 부위를 판단하는 단계이다. 창호의 외기에 직접 또는 간접 면한 부위의 판단은 단열조치 판단 방법과 동일하게 창호가 소속된 벽의 외기 직접 또는 간접 면한 부위 정보를 확인하여, 이를 따르도록 한다.

Figure 8.

BIM-based algorithm for window and door to determine possibility as building envelope

결 론

본 연구에서는 건축물 에너지성능평가 시 필요한 외피 판단 작업의 자동화를 위해, BIM 기반의 외피 판단 알고리즘을 제안하였다. 본 연구의 주요 내용은 다음과 같다.

(1)건물 부위 중 외피로 판단될 수 있는 유형을 정리한 결과, 벽과 창호 부위는 네 가지 유형, 지붕 부위는 두 가지 유형, 바닥 부위는 세 가지 유형으로 정리 되었다. 아홉 가지의 모든 유형을 분석한 결과, 해당 부위의 외측공간이 외기인 경우는 모두 외기에 직접 면한 부위이며 외기가 아닌 경우는 모두 외기에 간접 면한 부위인 것으로 나타났다.

(2)단열조치 부위를 판단하기 위한 기준으로 건축자재의 열전도율을 선정하였다. 건축자재별 열전도율을 조사한 결과, 단열재 이외의 건축자재와 단열재인 건축자재의 열전도율의 범위는 명확히 구분되는 것으로 나타났다. 이에 따라 단열재 포함 여부를 판단하기 위한 열전도율 기준은 단열재 이외의 건축자재 열전도율의 최솟값과 단열재 열전도율의 최댓값의 중간값인 0.080 W/mK로 설정하였다. 따라서 구성자재 중 열전도율이 0.080 W/mK 이하의 자재를 포함하는 부위는 단열조치 부위인 것으로 판단하였다.

(3)외기에 직접 또는 간접 면하는 여부를 판단하기 위한 기준으로 부재에 인접한 공간을 활용하는 방법을 제안하였다. 단열조치부위로 판단된 부재들 중에서 하나의 공간에만 인접한 부재의 경우 외기에 직접 면하는 부재로 판단하였다. 단열조치 부위로 판단된 부재들 중에서 비난방공간에 하나라도 인접하는 경우에는 외기에 간접 면하는 부재로 판단하였다.

(4)BIM 기반 외피 판단 알고리즘은 벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창호로 구분하여 개발하였다. 벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥의 단열조치 부위를 판단하는 방법은 동일하며, 구성자재의 자재명을 추출하고, 미리 구축해둔 건축자재별 열전도율 데이터베이스를 통해 해당 자재의 열전도율을 판단한다. 그 다음 구성자재 중 열전도율이 0.080 W/mK 이하인 자재를 포함하는 부위는 단열조치 부위인 것으로 판단하여 추출한다. 창호는 단열재 포함 여부로 단열조치 부위 판단이 불가능하여, 소속된 벽의 단열조치 판단 여부를 확인하여 따르도록 하였다. 지붕 부위는 최상층에 위치하여 외기에 직접 접하기 때문에 외기에 직접 면한 부위로 판단하였으며, 바닥 부위는 최하층에 위치하여 지면과 접하기 때문에 외기에 간접 면한 부위로 판단하였다.

외피 판단 작업 시 본 연구에서 제안한 방법을 활용하면, 평가자가 직접 설계도면을 분석하여 수작업으로 진행하던 업무가 자동으로 처리되기 때문에 업무의 생산성을 증대시킬 수 있다. 또한 평가자의 주관적 판단 개입으로 인한 실수가 발생하지 않아, 건축물 에너지성능평가 업무의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

본 연구에서는 외피 자동 판단에 필요한 기준을 수립하고, 이를 기반으로 BIM 기반 외피 판단 알고리즘을 제안하였다. 본 연구는 이론적인 알고리즘의 제안을 범위로 하고 있으며 아직 실제 BIM을 대상으로 검증은 수행되지 않았다. 추후 연구에서는 다양한 주거 또는 비주거 BIM에 적용하여 제안된 알고리즘의 성능을 검증할 계획이다.