서 론
연구의 배경 및 목적
연구의 범위 및 방법
건물 에너지 성능평가를 위한 외피전개도 요구정보 정의 및 선행연구 분석
외피전개도 요구정보 정의
선행연구 분석
‘건축물의 에너지절약 설계기준’(용) 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘
실 명 정보 추출
부위별 성능내역서 부호 정보 추출
외벽 면적 정보 추출
지붕 및 바닥 면적 정보 추출
치수선 정보 추출
부위별 면적 집계표 정보 추출
‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’(용) 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘
외벽 면적 정보 추출
지붕 및 바닥 면적 정보 추출
결 론
서 론
연구의 배경 및 목적
외피전개도는 건물의 부위별 성능 구분에 따라 면적 정보를 파악할 수 있도록 작성된 도서이다. 외피전개도는 평면도를 기반으로 외벽, 창호, 지붕, 바닥에 대한 면적 정보와 치수선, 방위, 부위별 면적집계표 등의 정보를 포함하고 있다. 이러한 외피전개도는 ‘건축물의 에너지절약설계기준’, ‘건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증 기준’, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’, ‘녹색건축 인증 기준’에 따른 건물 에너지 성능평가 시, 건물의 부위별로 면적 및 열관류율을 파악하기 위해 필수 제출 서류로 요구되고 있다.
외피전개도 작성을 위해서는 작업자가 설계도면을 일일이 분석하여 요구되는 모든 정보를 수작업으로 표현해야 한다. 수작업에는 CAD를 이용하여 외피전개도 작성 대상인 외벽과 창호를 방위 및 구성 자재의 성능에 따라 구분하고, 면적 및 형별성능내역 부호를 표기하는 작업이 포함된다. 또한 최상층 지붕과 최하층 바닥에 해당하는 면적 정보를 표현해야 한다. 외피전개도 작성이 수작업으로 진행되는 과정에서 작업자의 주관적 판단의 오류, 단순 실수 등의 이유로 요구정보 표현이 잘못되고, 이에 따라 건물 에너지 성능평가 결과가 달라질 수 있다. 또한 모든 작업이 수작업으로 진행됨에 따라 외피전개도 작성 업무의 생산성 저하가 발생하고 있다. 때문에 국내 건물 에너지 성능평가 의무 대상을 확대하고 있는 현 시점에서 정확하고 신속한 외피전개도 작성 작업은 더욱 중요하게 요구되고 있다.
이러한 외피전개도 작업의 효율성 제고를 위하여 외피전개도 작성을 지원하는 프로그램이 개발되었다. 해당 프로그램은 AutoCAD로 평면도를 불러와 외피전개도 형태를 쉽게 구현할 수 있도록 개발된 프로그램이다. 해당 프로그램을 사용하면 건물 부위별 성능 구분에 따른 면적 정보를 기존의 방식보다 신속하게 작성이 가능하다. 그러나 작업자가 설계도서를 일일이 분석하여 외피전개도 요구정보를 파악하는 과정은 기존의 방식과 동일하기 때문에, 판단 과정에서 발생하는 시간과 외피전개도 정보의 정확도를 개선하기에는 한계가 있다.
최근에는 국내의 BIM 도입이 증가하고 정부의 녹색성장 정책의 일환으로 BIM적용을 의무화하고 있다(주재성 외, 2011; 송영환 외, 2012). 이에 따라 건물 에너지 성능평가 업무 개선을 위하여 IFC의 정보를 이용한 연구들이 수행되었다(김가람과 유정호, 2012; 김인한 외, 2012; 최중식과 김인한, 2014; 김창민 외, 2017). 해당 연구들은 건물 에너지 성능평가 작업의 개선을 위하여 IFC로부터 성능평가에 필요한 정보를 추출하거나 시뮬레이션 프로그램과의 호환성 향상을 목적으로 수행되었으며, IFC로부터 외피전개도의 일부 요구정보가 추출 가능함을 확인하였다.
이에 본 연구에서는 국내 건물 에너지 성능평가 기준에 따른 IFC 기반의 외피전개도 작성 자동화를 위하여 IFC로부터 외피전개도의 요구정보를 추출할 수 있는 방안 및 알고리즘을 개발하고자 한다. 이를 통해 외피전개도 작성에 소요되는 시간을 단축시키고 도서 정보의 정확성을 향상 시키고자 한다.
연구의 범위 및 방법
국내 에너지성능평가와 관련된 기준에는 ‘건축물의 에너지절약설계기준’, ‘건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증 기준’, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’, ‘녹색건축 인증 기준’이 있다. 위 네 가지 기준에서 요구하는 외피전개도는 ‘건축물의 에너지절약설계지준’에 따른 외피전개도와 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도 두 가지로 구분된다. 이에 따라 본 연구에서의 외피전개도는 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도로 정의한다.
또한 외피전개도에서 의미하는 외피는 국내 기준에 따른 건물 에너지 성능평가의 대상 부위인 외벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창호로 외기에 직접 또는 간접 면한 단열조치 된 부위로 정의한다(김준영 외, 2017).
본 연구의 목적 달성을 위하여 Figure 1과 같이 연구를 진행하였으며, 단계별 연구 내용은 다음과 같다. 첫째, 건물 에너지 성능평가를 위한 외피전개도 요구정보를 정의하고 관련된 선행연구를 분석한다. 둘째, 건축물의 에너지절약 설계기준에 따른 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘을 도출한다. 셋째, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준에 따른 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘을 도출한다.
건물 에너지 성능평가를 위한 외피전개도 요구정보 정의 및 선행연구 분석
외피전개도 요구정보 정의
‘건축물의 에너지절약 설계기준’에 따른 외피전개도는 Table 1과 같이 평면도, 실 명, 부위별 성능내역서 부호, 외벽 면적, 창호 면적, 지붕 면적, 바닥 면적, 치수선, 방위, 부위별 면적 집계표를 요구하고 있다.
Table 1. Required information of planar figure in accordance with ‘energy-saving design criteria for buildings’  |
외벽 면적 계산 시 외벽 높이는 해당층 바닥 구조체 윗면과 윗층 바닥 구조체 윗면 사이의 길이이며, 외벽 너비는 해당 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이이다. 창호 면적 계산 시 창호 높이와 너비는 창틀 또는 문틀을 포함한 길이이다. 지붕 및 바닥 면적 계산 시에는 벽체의 중심선을 기준으로 한다.
‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도 또한 Table 2와 같이 평면도, 실 명, 부위별 성능내역서 부호, 외벽 면적, 창호 면적, 지붕 면적, 바닥 면적, 치수선, 방위, 부위별 면적 집계표를 요구하고 있다.
외벽 면적 계산 시 외벽 높이는 해당층 바닥면과 반자 사이의 길이이며, 외벽 너비는 해당 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이와 양 끝 벽체두께를 포함한 길이이다. 창호 면적 계산 시 창호 높이와 너비는 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 동일하게 창틀 또는 문틀을 포함한 길이이다. 지붕 및 바닥 면적 계산 시에는 벽체의 안목길이를 기준으로 한다.
Table 2. Required information of planar figure in accordance with ‘construction criteria of energy-saving eco-friendly housing’  |
‘건축물의 에너지절약 설계기준’에 따른 외피전개도와 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도의 요구정보를 정리한 결과 요구정보 항목은 동일하나 외벽 면적, 지붕 면적, 바닥 면적 산출 방법이 상이하다.
선행연구 분석
Table 3은 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도의 요구정보별로 IFC로부터 추출할 수 있는 방안을 제시한 선행연구를 분석한 결과이다.
Table 3. Whether of suggestion of a method for IFC base extraction per required information of planar figure in the previous research  |
김인한 외(2016)는 IFC로부터 평면도를 추출하는 방안을 제안하였다. 평면도 추출을 위하여 해당 층의 경계 바닥면에서 상부방향으로 1.2 m 기준선에서 BIM 모델을 절단하고, 절단된 선을 수직 하방으로 등각 투영시키는 방식을 제안하였다.
김창민 외(2017)는 IFC로부터 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따라 외벽 면적 산출에 필요한 외벽 높이와 방위를 추출하는 방안을 제안하였다. ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외벽 높이는 해당층 바닥면과 반자 사이의 길이이므로 반자 높이와 바닥두께를 각각 추출한 후, 반자 높이에서 바닥두께 만큼을 빼는 방식으로 제안하였다. 방위는 외벽과 관련된 IfcWallStandardCase 엔터티의 속성을 포함하는 IfcProductDefinitionShape 엔터티 중에서 방향과 관련된 IfcDirection 엔터티를 참고하여 추출하도록 제안하였다.
김가람과 유정호(2012)는 IFC로부터 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 적합한 창호의 높이와 너비를 추출하는 방안을 제안하였다. 창호의 크기 추출을 위하여 창과 관련된 IfcWindow 엔터티와 문과 관련된 IfcDoor 엔터티에 포함된 높이와 너비 정보를 추출하도록 제안하였다.
본 논문에서는 IFC로부터 외피전개도 요구정보 추출을 위하여 선행연구에서 수행되지 않은 실 명, 부위별 성능내역서 부호, 외벽 면적 산출을 위한 높이 및 너비, 지붕 면적, 바닥 면적, 치수선, 부위별 면적 집계표에 대한 추출 방안을 추가적으로 제안한다.
‘건축물의 에너지절약 설계기준’(용) 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘
실 명 정보 추출
Figure 2는 IFC로부터 Table 1의 실 명을 추출하기 위한 방안이다. IfcSpace 엔터티는 IFC에서 공간과 관련된 정보를 포함하고 있다. 실 명은 IfcSpace의 속성 정보를 포함하는 IfcRelDefinesByProperties 엔터티 중에서 IfcPropertySet, IfcPropertySingleValue, IfcText 엔터티를 순차적으로 참고하여 추출이 가능하다.
부위별 성능내역서 부호 정보 추출
Figure 3과 Figure 4는 IFC로부터 Table 1의 부위별 성능내역서 부호를 추출하기 위한 알고리즘이다. 부위별 성능내역서 부호는 IFC에서 포함하고 있지 않기 때문에 부위별로 이형을 구분하여 부호를 부여하는 방식으로 하였다.
외벽, 천장, 바닥의 이형 구분은 Figure 3과 같이 구성 재료 및 구성 재료의 두께에 따라 구분하도록 하였다. 이형 구분 대상 객체와 동일한 구성재료 및 구성재료별 두께를 가진 객체가 존재할 경우 해당 객체와 동일한 성능내역서 부호를 부여하며, 동일한 객체가 없을 경우에는 새로운 성능내역서 부호를 부여하는 방식이다.
창호는 Figure 4와 같이 크기 및 열관류율에 따라 구분하도록 하였다. 이형 구분 대상 객체와 동일한 크기 및 열관류율을 가진 객체가 존재할 경우 해당 객체와 동일한 성능내역서 부호를 부여하며, 동일한 객체가 없을 경우에는 새로운 성능내역서 부호를 부여하는 방식이다.
Figure 3과 Figure 4와 같이 성능내역서 부호 추출 알고리즘을 위해서는 IFC로부터 외벽, 천장, 바닥 부위의 구성재료 및 재료별 두께 정보와 창호의 크기 및 열관류율 정보를 추출하여야 한다. IFC로부터 외벽, 천장, 바닥 부위의 구성 재료 및 구성재료의 두께와 창호의 열관류율 정보 추출은 김창민 외(2017)가 제안한 방법과 창호의 크기는 김가람 외(2012)가 제안한 방법을 사용할 수 있다.
외벽 면적 정보 추출
Figure 5는 IFC로부터 Table 1의 외벽 면적을 추출하기 위한 방안이다. 외벽 면적은 IFC로부터 외벽의 높이와 너비를 각각 추출하고, 추출된 값을 곱하여 면적을 산출하도록 하였다. 외벽의 높이 및 너비는 IfcWallStandardCase 엔터티의 속성을 포함하는 IfcRelDefinesByProperties 엔터티 중에서 IfcPropertySet, IfcPropertySingleValue, IfclengthMeasure 엔터티를 순차적으로 참고하여 추출이 가능하다. IfclengthMeasure 엔터티가 포함하고 있는 외벽의 높이와 너비는 Table 1과 같이 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’에서 요구하는 기준에 부합하여 별도의 가공 없이 추출이 가능하다.
지붕 및 바닥 면적 정보 추출
Figure 6은 IFC로부터 Table 1의 지붕 및 바닥 면적을 추출하기 위한 방안이다. 지붕과 바닥의 면적은 동일하므로 IFC로부터 바닥 면적만을 추출하였다. Table 1과 같이 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’에 따르면 지붕과 바닥 면적은 벽체의 중심선을 기준으로 산출하여야 한다.
IFC에서 바닥과 관련한 정보를 포함하고 있는 IfcSlab 엔터티에서는 벽체의 안목치수를 기준으로 산출된 바닥 면적 값을 담고 있다. 이에 따라 IfcSpace 엔터티가 포함하고 있는 공간의 바닥 면적을 추출하였다. IfcSpace 엔터티의 바닥 면적은 BIM 구축 시 설정 조건에 따라 벽체의 중심선을 기준으로 산출한 바닥 면적을 담고 있기 때문이다. IfcSpace 엔터티의 바닥 면적은 IfcSpace 엔터티의 속성 정보를 포함하는 IfcRelDefinesByProperties 엔터티 중에서 IfcPropertySet, IfcPropertySingleValue, IfcText 엔터티를 순차적으로 참고하여 추출이 가능하다.
치수선 정보 추출
Table 1의 치수선 정보는 외벽 면적 산출을 위하여 추출한 외벽의 높이 및 너비 정보와 창호 면적 산출을 위하여 추출한 창호의 높이 및 너비 정보를 동일하게 사용할 수 있다. 이에 따라 외벽의 높이 및 너비는 Figure 5와 같이 제안한 방안과 창호의 높이 및 너비는 김가람 외(2012)가 제안한 방법을 사용하여 추출이 가능하다.
부위별 면적 집계표 정보 추출
Table 1의 부위별 면적 집계표 추출을 위해서는 부위별 성능내역서 부호, 외벽 면적, 창호 면적, 지붕 면적, 바닥 면적이 요구된다. 이에 따라 부위별 성능내역서 부호는 Figure 3과 Figure 4, 외벽 면적은 Figure 5, 창호 면적은 김가람 외(2012)가 제안한 방법, 지붕과 바닥 면적은 Figure 6과 같은 방법을 사용하여 부위별 면접 집계표 추출이 가능하다.
‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’(용) 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘
‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도 요구정보 중 평면도, 실 명, 부위별 성능내역서 부호, 창호 면적, 치수선, 방위, 부위별 면적 집계표는 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’에 따른 외피전개도 요구정보와 동일하기 때문에 추출 방안 및 알고리즘 또한 동일하다. 그러나 외벽 면적, 지붕 면적, 바닥 면적은 산출 기준이 상이하기 때문에 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 부합하는 요구정보 추출 방안 및 알고리즘을 개발하였다.
외벽 면적 정보 추출
외벽 면적은 IFC로부터 외벽의 높이와 너비를 각각 추출하고, 추출된 값을 곱하여 면적을 산출하도록 하였다. ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외벽 높이는 해당층 바닥면과 반자 사이의 길이로 김창민 외(2017)가 제안한 방안을 사용하여 추출이 가능하다.
‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외벽 너비는 해당 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이와 양 끝 벽체두께를 포함한 길이이다. 외벽은 Figure 7과 같이 ⓐ 평행하지 않은 인접벽이 1개일 경우, ⓑ 평행한 인접벽이 2개일 경우, ⓒ 평행하지 않은 인접벽이 2개일 경우가 발생하기 때문에 각각의 경우에 따라서 외벽 너비를 추출하였다.
Figure 8은 Figure 7과 같이 세 가지 유형에 대하여 외벽 너비를 추출하기 위한 알고리즘이다. Figure 7 ⓐ의 경우 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이와 평행하지 않게 인접한 벽체 두께 길이의 반을 합산하여 추출한다. ⓑ의 경우 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이만을 추출한다. ⓒ의 경우 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이와 평행하지 않게 인접한 두 벽체 각각의 두께 길이의 반을 합산하여 추출한다.
벽체의 양 끝 중심선 간의 길이는 Figure 5와 동일한 방안으로 추출이 가능하며, 양 끝 벽체두께를 추출하기 위한 방안은 Figure 9와 같다. 벽체 두께는 IfcWallStandardCase 엔터티의 속성 정보를 포함하는 IfcRelDefinesByProperties 엔터티 중에서 IfcWallType, IfcPropertySet, IfcPropertySingleValue, IfclengthMeasure 엔터티를 순차적으로 참고하여 추출이 가능하다.
지붕 및 바닥 면적 정보 추출
Figure 10은 IFC로부터 Table 2의 지붕 및 바닥 면적을 추출하기 위한 방안이다. 지붕과 바닥의 면적은 동일하므로 IFC로부터 바닥 면적만을 추출하였다. Table 2와 같이 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따르면 지붕과 바닥 면적은 벽체의 안목길이를 기준으로 산출하여야 한다.
IfcSlab 엔터티에서는 벽체의 안목치수를 기준으로 산출된 바닥 면적 값을 담고 있으며, 바닥 면적은 IfcSlab 엔터티의 속성 정보를 포함하는 IfcRelDefinesByProperties 엔터티 중에서 IfcPropertySet, IfcPropertySingleValue, IfcAreaMeasure 엔터티를 순차적으로 참고하여 추출이 가능하다.
결 론
본 연구에서는 국내의 건물 에너지 성능평가 시 필요한 외피전개도 작성의 자동화를 위해, IFC 기반의 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘을 제안하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
(1) ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외피전개도의 요구정보 항목은 평면도, 실 명, 부위별 성능내역서 부호, 외벽 면적, 창호 면적, 지붕 면적, 바닥 면적, 치수선, 방위, 부위별 면적 집계표로 동일하나 외벽 면적, 지붕 면적, 바닥 면적 산출 방법이 상이하다.
(2) 외피전개도 요구정보 중 부위별 성능내역서 부호는 IFC에서 포함하고 있지 않기 때문에 부위별로 이형을 구분하여 부호를 부여하는 방식으로 하였다. 외벽, 천장, 바닥 부위는 구성 재료 및 구성 재료의 두께에 따라 구분하도록 하였으며, 창호는 크기 및 열관류율에 따라 구분하도록 하였다.
(3) ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따른 외벽 면적은 IFC로부터 높이와 너비를 각각 추출하고, 추출된 값을 곱하여 면적을 산출하도록 하였다. 그러나 IFC 엔터티가 포함하고 있는 외벽의 높이와 너비는 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에서 요구하는 기준과 상이하다. 이에 따라 외벽 높이는 반자 높이에서 바닥두께 만큼을 빼는 방식으로 산출하였으며, 외벽 너비는 해당 벽체의 양 끝 중심선 간의 길이와 양 끝 벽체두께를 포함하여 추출하였다. 외벽 너비는 발생할 수 있는 세 가지 외벽 형태에 따라 각각 추출할 수 있는 알고리즘을 함께 제안하였다.
본 연구에서 제안한 IFC 기반의 외피전개도 요구정보 추출 방안 및 알고리즘을 통하여 외피전개도 작성 업무의 자동화 가능성을 확인하였다. IFC 기반의 외피전개도 작성 업무의 자동화가 구현되면 기존의 수작업으로 진행되는 방식에 비하여 건물 에너지 성능평가 결과의 정확도를 제고시킬 수 있을 뿐만 아니라 작업 속도를 향상시킬 수 있다.
본 연구는 외피전개도 작성 자동화를 위하여 IFC로부터 외피전개도의 요구정보를 추출할 수 있는 방안 및 알고리즘까지 제안을 하였으며, 이후 제안한 알고리즘을 사용하여 IFC 기반의 외피전개도 작성을 자동화하는 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.
