서 론
문헌연구
BIM 기반 외피 평균 열관류율 계산 방법
에너지 성능평가를 위한 건물 외피 판단
BIM 기반 형별 성능관계내역 추출
BIM 기반 외피전개도 작성
BIM 기반 외피전개도 작성 프로그램 개발
BIM 기반 외피전개도 작성 프로그램 개요
프로그램 파일럿 테스트
결론
서 론
건물의 에너지 성능을 나타내는 대표적인 지표 중 하나는 외피의 평균 열관류율이다. 외피의 평균 열관류율은 외피를 구성하는 외벽, 창, 문 등의 형별에 따른 열관류율과 면적으로 계산된다. 국내 친환경 인증에서는 평균 열관류율 계산을 위한 형별에 따른 열관류율과 면적의 근거로 형별 성능관계내역 도면과 외피전개도를 각각 요구한다. 그러나 형별 성능관계내역 도면과 외피전개도의 작성이 2차원 도면 기반의 수작업으로 수행되기 때문에 많은 시간이 소요되며 오차가 발생하는 원인이 된다(Kim et al., 2018). 또한, 설계 변경에 따른 반복적인 에너지 성능평가로 인해 이러한 문제는 더욱 심화되고 있다(Park et al., 2018).
건물의 에너지 성능을 나타내는 대표적인 지표 중 하나는 외피의 평균 열관류율이다. 외피의 평균 열관류율은 외피를 구성하는 외벽, 창, 문 등의 형별에 따른 열관류율과 면적으로 계산된다. 국내 친환경 인증에서는 평균 열관류율 계산을 위한 형별에 따른 열관류율과 면적의 근거로 형별 성능관계내역 도면과 외피전개도를 각각 요구한다. 그러나 형별 성능관계내역 도면과 외피전개도의 작성이 2차원 도면 기반의 수작업으로 수행되기 때문에 많은 시간이 소요되며 오차가 발생하는 원인이 된다(Kim et al., 2018). 또한, 설계 변경에 따른 반복적인 에너지 성능평가로 인해 이러한 문제는 더욱 심화되고 있다(Park et al., 2018).
수년간 건설산업에서는 빌딩정보모델링(Building Information Modeling, BIM)에 포함된 정보를 활용하여 반복적으로 수행되는 건축물의 에너지성능 평가 과정을 자동화하기 위한 노력을 지속하여 왔다. 기존 연구들에서는 에너지 시뮬레이션 프로그램 또는 특정 친환경 인증에서 요구하는 정보를 BIM에서 추출하여 제공하는 형태로 수행되었다. 그러나 각종 친환경 인증에서 요구하는 정보를 BIM에서 추출하더라도 관련 증빙을 작성하여 제출해야 한다. 따라서 여전히 친환경 인증 시 가장 많은 시간이 소요되는 형별 성능관계내역 도면과 외피전개도를 수작업으로 작성하고 있는 실정이다.
본 연구에서는 건물 외피의 평균 열관류율을 계산하기 위한 근거 서류인 형별 성능관계내역과 외피전개도를 BIM으로부터 작성하는 방법을 제안한다. 본 연구에서 BIM은 국제 표준인 Industry Foundation Classes (IFC) 파일 형식을 기반으로 한다. 본 연구의 진행 순서는 다음과 같다. 첫째, BIM을 활용한 건축물의 에너지성능 평가 관련 연구 사례를 분석하여 본 연구의 차별성을 제시한다. 둘째, BIM으로부터 형별 성능관계내역과 외피전개도를 출력하기 위한 방법론을 제안한다. 셋째, BIM 기반 외피 평균 열관류율 계산을 위한 외피전개도 작성 프로그램을 개발하고, 두 가지 사례에 대해 결과를 검증한다.
문헌연구
건설 산업에서는 BIM에 포함된 정보를 활용하여 건축물의 에너지성능 평가를 자동화하기 위한 연구가 지속되어 왔다. 특히 EnergyPlus와 같은 에너지 시뮬레이션 프로그램에 BIM에 포함된 정보를 자동으로 입력하는 연구를 위주로 수행되었다. Moon and Kim (2012)은 비틀림 형태 건물의 BIM에서 EnergyPlus에 정보를 입력하는 방법을 제안하였다. 비틀림 형태의 건물을 EnergyPlus에 입력하기 위해 BIM 모델의 형상을 단순화하였으며, 단순화된 모델을 gbXML 데이터 형식으로 변환하였다. Ahn et al. (2012)은 개방형 BIM의 형상정보를 EnergyPlus에 입력하는 인터페이스를 개발하였다. 시뮬레이션 자동화를 위한 입력 변수의 단순화 방안과 형상정보 변환 방법을 통해 자동으로 개방형 BIM의 형상정보를 EnergyPlus와 호환되는 IDF 파일 형식으로 변환하였다. Kim et al. (2013)은 개방형 BIM에서 EnergyPlus에 정보를 입력하는 방법을 제안하였다. 에너지 성능평가를 위한 정보를 획득하기 위해 자재 통합 라이브러리를 구축하였으며, 라이브러리를 활용하여 개방형 BIM과 EnergyPlus 파일 간의 매핑을 수행하였다. Park et al. (2013)은 BIM에 포함된 정보와 Ecotect Analysis, IES/VE, DesignBuilder와 같은 다양한 에너지 시뮬레이션 소프트웨어와의 호환성을 검토하였다. 이를 위해 조달청에서 발간한 ‘시설사업 BIM 적용 기본지침서’에 준하여 실제 사례에 대한 BIM 모델을 작성하고, 작성된 BIM 모델을 gbXML 데이터 형식으로 변환하여 다양한 에너지 시뮬레이션에 활용하였다. 이와 같은 연구들에서는 BIM에 포함된 정보들을 활용하여 건축물의 에너지 시뮬레이션 프로그램에서 요구하는 형상과 속성정보들을 자동으로 입력할 수 있음을 보여주었다.
에너지 시뮬레이션과 별개로 친환경 인증 오류 감소와 시간 절약을 위해 국내 친환경 인증에서 요구하는 정보를 BIM에서 자동으로 추출하는 연구도 수행되어왔다. Oh et al. (2012)은 BIM에서 친환경 예비인증 평가를 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 폐기물 최소화 평가에 대한 BIM 적용 가능성을 검토하고 평가 시스템을 구현하였으며, 개발된 시스템을 활용하여 gbXML 파일로부터 인증 점수를 자동으로 계산하였다. Kim et al. (2015)은 개방형 BIM에서 추출된 정보를 활용하여 에너지성능지표 평가를 자동화하는 방법을 제안하였다. 에너지성능지표 중 평가항목에서 요구하는 정보를 분석하고 개방형 IFC로부터 요구 정보를 추출하였다. Lee and Cho (2013)는 BIM으로부터 에너지절약 계획서 배점을 산출하기 위해 열관류율을 계산하는 방법을 제안하였다. Hong et al. (2016)은 건축부문 BIM에서 에너지성능지표 평가를 위한 정보 체계를 구축하였다. 이를 위해 정보 활용 단계별 각 항목의 요구정보를 정의하고 에너지성능지표 건축부문 평가를 위한 정보활용 프로세스를 도출하였다. Kim et al. (2017a)은 개방형 BIM에서 에너지절약형 친환경주택의 성능 평가에 요구되는 정보를 자동으로 추출하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 친환경주택 성능평가 소프트웨어에서 요구하는 정보들을 분석하였으며, 개방형 BIM으로부터 정보들을 추출하였다. 이처럼 국내에서 시행 중인 각종 인증제도의 결과 도출을 위해 BIM에서 추출한 정보를 활용하였다. 그러나 앞선 연구들에서는 인증을 위한 필수 제출 서류일 뿐만 아니라, 작성에 가장 많은 시간이 소요되는 형별 성능관계내역과 외피전개도 작성을 위한 연구들은 아직 부족한 실정이다.
최근 Kim et al. (2018)과 Park et al. (2018)에서 각종 인증제도에서 요구하는 외피전개도를 BIM으로부터 작성하기 위한 기초연구를 수행하였다. Kim et al. (2018)에서는 개방형 BIM으로부터 외피전개도에서 요구하는 정보를 추출하는 방법을 제안하였다. 또한, Park et al. (2018)에서는 BIM에서 외피전개도를 자동추출할 시 고려사항을 고찰하고, 외피전개도를 표준화하는 방안을 제시하였다. 앞선 기초연구들에서는 BIM 기반의 외피전개도 작성의 가능성을 보여주었으나, 이론에 중점을 두고 연구되었다. 본 연구는 앞선 기초연구들의 후속연구로 외피 평균 열관류율 계산을 위한 BIM기반 형별 성능관계내역 추출과 외피전개도 작성 방법을 제안하고 이를 프로그램으로 개발하여 제안한 방법론의 성능을 검증하고자 한다. 특히, 기존에 제안되지 않았던 외피전개도 작성을 위한 형별 기호 배정과 벽의 폭 보정 방법을 새롭게 제안한다.
BIM 기반 외피 평균 열관류율 계산 방법
본 연구에서는 BIM에서 외피 평균 열관류율 계산을 위한 형별 성능관계내역을 추출하고, 외피전개도를 작성하는 방법을 제안한다. Figure 1은 본 연구에서 제안하는 BIM 기반 외피 평균 열관류율 계산을 위한 순서도를 나타낸다. BIM에는 평균 열관류율을 계산하는 대상인 외피뿐만 아니라, 다양한 부재들이 포함되어 있다. 따라서 우선 BIM의 구성 요소들 중에서 외피에 해당하는 부재들을 판단한다. 외피에 해당하는 부재들이 정해지면, 해당 부재들로부터 IFC에 포함된 구성 자재 정보를 추출한다. 이때, 구성 자재 정보가 같은 경우 같은 형별로 간주하고 형별 기호를 지정해준다. 이후 구성 자재 정보와 외기에 직접 또는 간접 면하는 정보를 바탕으로 실내·외 표면열전달저항을 추가하여 열관류율을 계산한다. 마지막으로 각 형별에 따른 면적 계산을 위한 외피전개도를 작성한다. IFC에서 추출한 형상정보는 외피전개도에서의 면적과 차이가 발생하기 때문에, 본 연구에서는 이를 보정하기 위한 방법을 제안한다.
에너지 성능평가를 위한 건물 외피 판단
개방형 BIM에서 부재를 구성하는 자재 정보를 추출하는 방법은 이미 기존 연구들(Kim et al., 2017a; Ilhan and Yaman, 2016; Lee et al., 2015)에서 다루어 왔기 때문에 본 연구에서는 생략한다. 개방형 BIM에서 부재를 구성하는 자재 정보 추출 후에는 해당 부재의 외피 여부를 판단해야 한다. 본 연구에서는 BIM을 구성하는 부재들 중 외피를 판단하기 위해 Kim et al. (2017b)에서 제안한 방법론을 적용한다. 해당 방법론은 다음의 과정을 통해 외피를 판단한다. 첫째, 단열 조치된 부위를 판단한다. 단열 조치된 부위는 각 부재를 구성하는 자재의 열전도율이 0.080 W/mK 이하인 단열재가 적용된 부위로 정의한다. 둘째, 부재가 접하는 공간의 특성에 따라 외기에 직접 또는 간접 면하는 부위를 판단한다. 제안된 방법을 통해 BIM에 포함된 여러 부재 중 외피에 해당하는 부재만을 판단할 수 있다.
BIM 기반 형별 성능관계내역 추출
형별 성능관계내역을 추출하기 위해서는 우선 부재 별로 형별 기호를 배정해야 한다. 동일 자재들로 구성된 부재들은 동일한 형별 기호로 표현된다. 형별 기호를 배정하는 방법은 다음 Figure 2와 같다. 벽인 경우, 첫 번째 추출한 부재의 자재 구성을 W1으로 정의한다. 이후 다음 부재의 자재 구성에서 동일한 구성이 있는 경우 해당 부재를 동일한 형별 기호를 배정한다. 만약 자재 구성이 다른 경우에는 다음 숫자로 변경해서 형별 기호를 정의한다. 해당 과정을 모든 부재에 대해 반복한다. 본 연구에서는 형별 기호를 벽은 W, 문은 D, 창은 G로 정의한다.
형별 기호 배정이 완료되면, 형별에 따른 열관류율을 계산한다. 본 연구에서는 Kim et al. (2017a)에서 제안한 방법과 같이 ‘건축물 에너지절약 설계기준’에 따른 실내·외 표면열전달저항을 반영한 열관류율 계산한다. 앞서 정의한 형별 기호와 BIM에서 추출한 형별 기호에 따른 자재 구성, 그리고 열관류율 계산 결과를 바탕으로 형별 성능관계내역이 작성된다.
BIM 기반 외피전개도 작성
본 연구에서는 BIM에서 추출한 형상정보를 외피전개도에 적합한 형태로 변경하는 방법을 제안한다. 우선 외피전개도에서 요구하는 외피의 치수는 건물의 외곽선이 기준이기 때문에, 개별 부재의 실외 방향의 면을 정의하는 방법이 필요하다. 개방형 BIM에서는 IfcDirection 엔티티에 각 부재에 대한 방향 정보를 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실외 방향의 면을 정의하기 위해서, 우선 개방형 BIM에서 대상 부재의 방향 정보를 추출한다. IfcDirection에서는 부재의 방향을 3차원의 방향 벡터로 정의하며, 방향 벡터에 따라 개별 부재의 실외 방향을 결정할 수 있다. 예를 들어, IfcDirection이 (-1, 0, 0)인 부재의 경우에는 방향이 남쪽이며, 부재의 Y축 최소값을 포함하는 면을 실외 방향의 면으로 정의한다.
벽의 방향을 추출한 이후, 외피 치수에 영향을 주는 대상 부재에 인접한 벽의 위치를 파악한다. 대상 부재와 인접한 벽 간의 위치는 좌측과 우측 그리고 상단과 하단의 조합인 네 가지로 구분할 수 있다. 이때, 상단과 하단의 경우 벽의 방향을 기준으로 정한다. 대상 부재와 인접 부재 간의 관계에 따른 벽의 폭 보정 방법은 다음 Figure 3과 같다. Figure 3(a)는 대상 부재의 좌측과 우측에 인접한 부재들이 모두 하단에 있는 경우를 나타낸다. 인접 부재들이 모두 하단이 있는 경우에 좌측 부재의 최소값과 우측 부재의 최대값을 대상 부재의 폭을 계산하는 기준으로 정한다. 이때 최소값과 최대값은 벽의 방향과 수직한 축을 기준으로 정한다. 다른 경우에도 대상 부재와 인접 부재 간의 관계에 따라 벽의 폭을 정의함으로써 외피전개도를 작성하기 위한 벽의 폭 보정이 가능하다.
BIM 기반 외피전개도 작성 프로그램 개발
BIM 기반 외피전개도 작성 프로그램 개요
본 연구에서 제안한 BIM 기반 형별 성능관계내역 추출과 외피전개도 작성 방법을 기반으로 독립형 프로그램을 개발하였다. Figure 4는 개발된 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스를 나타낸다. 프로그램의 기능은 IFC 파일 입력, 평면도 출력, 외피전개도 출력, 형별 성능관계내역 확인, 평균 열관류율 계산의 다섯 단계로 구성된다. 가장 먼저 IFC 파일 입력 기능을 통해서 개방형 BIM의 경로를 지정한다. IFC 파일이 입력이 완료된 후, 평면도 출력 기능을 통하여 외피만으로 구성된 2차원 평면도를 출력할 수 있다. 이후 외피전개도 출력 기능을 이용하면 평면도를 기준으로 외피전개도를 출력한다. 외피전개도가 출력되면 프로그램 인터페이스 좌측 하단에 형별 기호가 출력되며, 특정 형별 기호를 선택하면 해당 형별의 성능관계내역, 면적, 열관류율을 확인할 수 있다. 마지막으로 평균 열관류율 계산 기능을 통해 외피에 대한 평균 열관류율을 자동으로 계산하여 출력한다. 개발된 프로그램을 통해 사용자는 개방형 BIM 파일을 프로그램에 입력만 함으로써 자동으로 대상 건물의 평균 열관류율의 확인이 가능하다. 그뿐만 아니라 평균 열관류율을 계산하기 위한 근거 자료인 형별 성능관계내역과 외피전개도를 확인할 수 있다.
프로그램 파일럿 테스트
본 연구에서 개발한 프로그램의 성능을 검증하기 위해, 두 가지 BIM 케이스에 대해 파일럿 테스트를 실시하였다. 파일럿 테스트를 위한 BIM 모델은 Autodesk® Revit®으로 작성한 후, IFC 파일 형식으로 저장하였다. 파일럿 테스트에 사용된 BIM 모델은 Figure 5와 같다. 첫 번째 모델은 원룸의 형태이며 두 번째 모델은 공동주택의 한 층에 해당한다.
Figure 6과 Figure 7은 두 가지 BIM 케이스에 대한 파일럿 테스트 결과를 나타낸다. 그림과 같이 대상 건물의 외피전개도가 평면도와 함께 출력됨을 확인할 수 있다. 외피전개도에는 외기에 직접 또는 간접으로 닿는 외피만 포함되어 있으며, 외벽, 문, 창이 출력되었다. 각 형별에 따라 색상과 기호가 지정되어 외피전개도에 포함됨을 확인할 수 있다. 또한 형별 성능관계내역에는 사용자가 선택한 형별에 대한 재료, 두께, 열전도율, 열전도저항, 면적, 열관류율이 출력된다. 또한, 평균 열관류율에서는 각 형별에 따른 부위, 외기에 면하는 유형, 기호, 열관류율, 면적이 출력됨과 함께 평균 열관류율 계산 값을 출력한다. 특히 Figure 7과 같이 상대적으로 평면이 복잡한 형태의 건물도 외피전개도가 출력됨을 확인할 수 있다.
프로그램에서 도출된 결과의 정량적 오차를 분석하기 위해, 평균 열관류율 도출을 위한 항목들을 수작업으로 계산한 결과와 프로그램으로 도출한 결과를 비교하였다. 평균 열관류율 도출을 위한 항목들로 형별에 따른 열관류율과 면적으로 결정하였다. 다음 Table 1은 비교 결과를 나타낸다. 표에서 확인할 수 있듯이 수작업으로 도출한 결과와 본 연구에서 제안한 방법을 통해 도출한 결과에 차이는 없었다. 다만 면적에서 발생한 오차는 면적 계산 시 반올림에 따른 오차인 것으로 판단된다.
Table 1. Comparison results of envelope area and average U-value
결 론
본 연구에서는 건물 외피의 평균 열관류율을 계산하기 위해 BIM을 기반으로 한 형별 성능관계내역 추출과 외피전개도 작성 방법을 제안하였다. 이를 위해 기 수행된 기초연구 결과를 기반으로 한 BIM 기반의 평균 열관류율 계산 프로세스를 제안하였다. 또한, 형별 성능관계내역 작성을 위한 형별 기호 배정 방법과 외피전개도 작성을 위한 외벽의 폭 보정 방법을 새롭게 제안하였다. 특히, 외벽의 폭 보정 방법의 경우 개방형 BIM에 포함된 방향 정보와 인접 부재 간의 관계를 활용하는 방법을 새롭게 제안하였다. 제안된 방법은 프로그램 형태로 개발되었으며, 서로 다른 두 가지 BIM 케이스를 대상으로 프로그램 검증을 위한 파일럿 테스트를 수행하였다. 정확도 검증은 수작업과 프로그램에서 도출된 외피 면적과 평균 열관류율을 비교를 통해 수행되었다. 검증 결과, 반올림으로 발생하는 일부 오차를 제외하고는 수작업과 프로그램에서 도출된 결과가 일치하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 제안한 방법을 통해 반복적인 업무를 감소시킴으로써 인증을 위한 서류 준비 시간 감소와 함께 인증의 신뢰도가 향상될 것으로 기대한다. 또한, BIM을 통해 건축물의 에너지와 관련된 인증 자동화가 가능해짐으로써 BIM 설계 활성화에 기여할 것으로 판단된다. 학술적으로는 외피전개도 작성에 적합한 치수를 계산하기 위해 개방형 BIM에 포함된 부재의 방향 정보와 부재 간의 관계를 이용함으로써, BIM을 다양한 분야에 활용할 수 있는 기반을 마련하였다. 본 연구에서 제안한 치수 계산 방법은 외피전개도 작성 외에 건물의 외피 치수가 필요한 다양한 연구에 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 국내 인증제도에서 요구하는 자료 중 형별 성능관계내역과 외피전개도에 한정하여 자동으로 작성하는 방법을 제안하였다. 그러나 형별 성능관계내역과 외피전개도 외에도 조명 밀도 산출서와 같은 도서가 인증에 필요하다. 추후 연구에서는 형별 성능관계내역과 외피전개도 이외에 조명 밀도 산출서와 같이 인증에 필요한 서류를 BIM에서 자동으로 생성하는 방법을 제안할 계획이다.
