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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 지속가능한 건축물의 설계를 위해 건축가가 보다 적극적으로 친환경건축을 구현할 수 있도록 건축설계 초기단계에서부터 건물의 에너지성능을 객관적으로 예측하고 반영할 수 있도록 BIM기반 친환경건축 설계프로세스의 적용가능성을 모색하는데 그 목적이 있다.
- 따라서 이러한 특징은 설계 초반에서 친환경에 대한 고려를 할 수 있는 시간적 여유와 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단되며 초기설계에 지속가능 개발을 위한 프로세스를 통합할 수 있는 환경을 제공하고 있는 것이다.
- 본 논문에서는 친환경건축물 구현을 목표로 BIM 적용을 위한 다양한 에너지성능분석도구에 대한 조사, 분석을 수행하고, 이를 토대로 BIM기반 통합 설계프로세스의 진행 단계별 에너지분석 요소들의 적용가능성을 검증하였다.
- 본 연구에서 제안한 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 적용한 시범 프로젝트를 통해 그 적용가능성을 검증해 보았다. 에너지성능분석과 관련된 누적 데이터를 얻을 수 있는 실제 건물의 구축된 프로세스를 적용하였다.
- 본 연구에서는 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 구축하고, 실제 건축물 데이터를 기반으로 에너지성능분석을 실시하여 BIM모델의 유효성과 신뢰성을 검증한 후 대안모델을 제시하여 BIM기반 친환경건축 설계프로세스의 적용가능성을 모색하도록 진행되었다.
- 친환경 건축물 인증제도는 지속가능한 개발 철학을 건축분야에 접목하여 각종 개발행위가 환경 친화적이고 지속가능한 사회구현에 기여할 수 있도록 제도적 장치를 구축하는데 목적을 두고 있다. 건축분야의 환경 인증제도를 처음으로 도입한 나라는 영국으로서 1990년대 초반부터 이 제도를 연구 개발하여 현재 상당히 활성화되어 있는 상태이며, 이후 각 국의 평가모델 및 인증제도에 큰 영향을 미치고 있다.
제안 방법
- 2단계로 구축된 프로세스는 첫 번째 단계로 개념설계와 예비설계에서는 매스형태 계획과 환경분석을 통해 친환경 디자인 적용가능성을 테스트 하였으며 두 번째 단계인 예비설계와 상세설계에서는 형상정보에서 객체화된 모델링 정보를 이용하여 에너지성능분석을 하였다. 초기단계에서 디테일 디자인까지 디자인정보는 소멸되지 않고 연속성을 가지고 진행된다.
- 4장에서 구축된 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 활용하여, 개념설계에서부터 환경성능분석을 고려한 대안 제시와 대안 제시 모델에 에너지성능분석을 적용하여 건물의 에너지 소모량을 감소하는 대안을 도출하였다. 그림 12는 구축된 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 활용하여 대안 제시까지 진행한 과정을 보여준다.
- BIM STORM LONDON은 BIM 통합 설계프로세스를 실제 프로젝트에 적용한 사례로 짧은 시간 안에 프로젝트를 완료해야 하는 조건상 설계 초기단계에서부터 디자이너와 환경전문가와의 협업을 통해 친환경 디자인에 접근하였다. 개념설계와 예비설계 단계에서 BIM모델과 친환경 프로그램을 적용하여 객관적인 환경분석이 가능하였다.
- 그림 5는 객체화된 모델링을 이용하여 실내환경을 분석하는 그림이다. BIM 통합 설계프로세스를 이용한 본 프로젝트는 LEED등급판정을 객관적으로 알려주며, 이 건물은 USGBS의 인증을 받아 미래 친환경 건물의 예시로 제시된다.
- 창문, 조명기구 등을 디테일하게 모델링하였으며, 각 실별로 ROOM AREA를 지정하였다. ROOM AREA 작업을 마치면 IES/VE와 연동하여 빌딩의 타입, 실(室) 설비방식 등을 지정하여 에너지성능분석을 한다.
- BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 이용한 시범연구는 실제건물에 2D도면을 기반으로 3차원 모델을 구축하여 분석하였다. Sketch-Up에서 모델링된 매스는 환경분석 프로그램인 ECOTECT와 연동되어 디자인된 건물형태를 통해 디자인 검토, 에너지 효율 및 환경 적합성 검토를 통해 효과적으로 설계에 반영할 수 있도록 객관적 이며 효과적인 정보를 제공해준다. 그림 8은 개념설계 단계에서의 환경분석 진행 과정을 나타낸 것이다.
- Sketch-Up의 간단한 매스형태의 모델링을 ECOTECT과 연동하여 공간구획과 두께, 비열, 밀도 등 재질정보를 입력한 후 대전지역 기후데이터를 이용해 복사 에너지양을 분석한다. 시각적인 변화로 분석결과를 나타내며, 계절 변화에 대한 비교를 통해 어느 시점에 어느 부분에서 난방과 냉방이 요구 되는지 판단 할 수 있다.
- 가스사용량과 심야전기를 사용 했을 때의 계절별 사용량을 비교, 분석, 조사하여 겨울철의 난방사용량과 3차원 모델링을 이용한 겨울철 난방사용량을 에너지성능프로그램으로 분석 후 결과를 비교하여 구축된 설계프로세스의 적용가능성을 검증하였다.
- BIM STORM LONDON은 BIM 통합 설계프로세스를 실제 프로젝트에 적용한 사례로 짧은 시간 안에 프로젝트를 완료해야 하는 조건상 설계 초기단계에서부터 디자이너와 환경전문가와의 협업을 통해 친환경 디자인에 접근하였다. 개념설계와 예비설계 단계에서 BIM모델과 친환경 프로그램을 적용하여 객관적인 환경분석이 가능하였다. 그림 2는 BIM 통합 설계프로세스 적용 단계와 사용된 프로그램을 나타낸 그림이다.
- 표 7은 정남향 배치시 실내조도분석 결과와 남동 향을 배치 시 실내조도분석을 분석한 표이다. 겨울철 낮 12시를 기준으로 기존건물의 실내조도와 대안모델의 각 층별 실내조도분석을 하였으며 분석 결과 각 층마다의 실내조도가 차이가 있었다. 특히 겨울철은 여름철 보다 태양의 고도가 낮기 때문에 2층의 실내조도량이 많은 차이를 나타냈으며, 건물의 평면을 이용해 남동, 남서, 북동, 북서 등 4개의 구역으로 구분하여 일적일사량을 비교하였다.
- 기존건물의 정남향에서 남동방향으로 향을 재배치 후 누적 일사량이 기존 정남향 배치보다 동쪽과 서쪽에 일사량이 더 많이 받아 실내조도량의 대안 모델을 만들어 비교분석해 보았다. 또한 ECOTECT을 이용해 환경분석 후 객체화된 Revit 모델링을 이용해 건물의 에너지성능분석 단계까지 결과 분석을 하였다.
- 넷째, BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 이용하여 실제 건물의 난방 사용량과 시뮬레이션 한 BIM 모델의 에너지사용량을 비교, 분석한 후 적용된 프로세스를 검증한다.
- 그림 3은 예비설계에서 친환경 디자인을 위해 분석한 환경분석 내용이다. 단지 내 누적일사량, 일영분포를 통해 건물외피에 유입되는 일사량 및 일영분석이 가능하여 실내 냉난방 부하 산정 및 식재계획 등에 활용될 수 있고, 기류분포, 풍량분포를 통해 건물형상 및 배치에 따른 기류변화 패턴을 분석하여 문제점 발생여부를 확인하였다.
- 대전지역의 기후에서 일사에 의한 부하량을 줄이고 겨울철에는 일사 획득량을 합산하여 계산되는 +175도의 최적의 향을 제시하였으며 기후데이터의 분석결과를 바탕으로 기존건물과 향을 바뀐 대안 모델의 비교를 해보았다. 기존건물의 배치는 정남향으로 배치가 되어있으며 주변건물의 영향을 받지 않아 건물 정면의 누적일사량이 우수하였다.
- 대지, 수자원, 에너지와 대기, 재료와 자원, 실내공기질, 신기술 및 디자인 총 6가지 항목으로 나눠지며 각 범주에서 몇 점을 받았는지 알려준다. 항목별 세부 크레딧은 예, 아니요로 나눠 지정을 해주고 지정된 지표는 건축정보모델링에서 직접 계산한 크레딧을 보여준다.
- 둘째, 건축물의 설계, 시공, 유지관리까지 건물 전 생애주기 동안 에너지분석을 실시할 수 있는 BIM 적용 방안을 제안하고 에너지성능분석 프로그램을 조사한다.
- 기존건물의 정남향에서 남동방향으로 향을 재배치 후 누적 일사량이 기존 정남향 배치보다 동쪽과 서쪽에 일사량이 더 많이 받아 실내조도량의 대안 모델을 만들어 비교분석해 보았다. 또한 ECOTECT을 이용해 환경분석 후 객체화된 Revit 모델링을 이용해 건물의 에너지성능분석 단계까지 결과 분석을 하였다. 표 7은 정남향 배치시 실내조도분석 결과와 남동 향을 배치 시 실내조도분석을 분석한 표이다.
- Project CHICAGO는 앞 사례인 BIM STORM과는 다른 예비설계에서 상세설계 단계까지 객체화된 모델을 이용하여 에너지성능분석을 하는 프로젝트이다. 또한 LEED 친환경 에너지 등급에 접합한 건축물을 계획하기 위해 USGBS인증 프로그램을 BIM 통합 설계프로세스를 활용하여 계획한 사례이다. 그림 4는 Project CHICAGO의 BIM 통합 설계프로세스 적용단계와 사용된 프로그램을 나타낸 그림이다.
- 먼저 기존의 Revit 모델링의 향을 남동향으로 수정하였으며, 에너지성능분석 프로그램인 IES/VE와 연동하여 건물의 에너지 사용량을 분석하였으며 에너지가 얼마나 감소하는지 도출하였다.
- 건물 빌딩 타입과 실(室) 정보는 IES/VE에서 지정하며, 벽의 재질 및 재료, 건물의 타입, 실종류와 난방방식을 선택한다. 선택이 완료가 되면 각 실의 실(室) 정보를 알려주며, 에너지 사용량을 분석하기 위해 난방타입과 난방시간, 연료 등을 지정한 후 대전지역 기후 데이터를 이용하여 건물의 1년 에너지 사용량을 분석했다.
- 설계 초기단계부터 건축물의 에너지성능을 신속하고 정밀하게 분석할 수 있는 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 제안하고, 시범 프로젝트로 실제 건축물 데이터를 기반으로 에너지성능분석을 실시하여 제안된 프로세스 모델의 유효성과 신뢰성을 검증한 후, 대안제시를 통해 친환경건축설계에 적용가능성을 모색하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 셋째, BIM 통합 설계프로세스를 기반으로 건물의 에너지성능을 분석한 설계 사례를 바탕으로 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 제안한다.
- 실내조명분석은 실내조도분석 결과를 바탕으로 실내조명 기구 설치에 대한 연구도 진행하였다. 초기 개념설계에서의 환경분석 결과를 바탕으로 누적일사량분석, 실내조도분석, 실내조명기구 분석까지 정보가 소멸되지 않고 연속적인 관계로 진행된다.
- 앞의 두 사례 조사를 바탕으로 BIM기반 친환경건축설계프로세스를 구축하였다. 구축한 프로세스는 2단계로 구분하였으며, 그림 6과 같다.
- 본 연구에서 제안한 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 적용한 시범 프로젝트를 통해 그 적용가능성을 검증해 보았다. 에너지성능분석과 관련된 누적 데이터를 얻을 수 있는 실제 건물의 구축된 프로세스를 적용하였다. 본 시범 프로젝트에 이용된 건축물에 대한 개요는 표 2와 같으며 그림 7은 실제로 사용된 건물의 이미지이다.
- 예비설계-상세설계에서는 매스형태의 형상정보를 객체화된 디테일한 모델로 발전하여 기존건물 에너지 사용량에 3차원모델링과 에너지성능분석 프로그램인 IES/VE를 이용하여 프로세스의 유효성을 검증하였다. 그림 10은 형상정보에 객체화 시킨 Revit 모델이며 입면, 단면, 평면 등 도면을 산출할 수 있다.
- 먼저 객체화 하기위해 건물의 벽, 지붕, 슬래브. 창문, 조명기구 등을 디테일하게 모델링하였으며, 각 실별로 ROOM AREA를 지정하였다. ROOM AREA 작업을 마치면 IES/VE와 연동하여 빌딩의 타입, 실(室) 설비방식 등을 지정하여 에너지성능분석을 한다.
- 첫 번째 사례는 환경분석을 이용하였고 두 번째 사례는 에너지성능분석을 한 사례로 이 두 사례는 그 적용단계와 목적이 다르다.
- 겨울철 낮 12시를 기준으로 기존건물의 실내조도와 대안모델의 각 층별 실내조도분석을 하였으며 분석 결과 각 층마다의 실내조도가 차이가 있었다. 특히 겨울철은 여름철 보다 태양의 고도가 낮기 때문에 2층의 실내조도량이 많은 차이를 나타냈으며, 건물의 평면을 이용해 남동, 남서, 북동, 북서 등 4개의 구역으로 구분하여 일적일사량을 비교하였다.
- 팀에서는 온라인상에서 차세대 LEED의 각 크레딧별로 설계의도에 부합하는 요구조건과 전략을 세우며, 개념적 설계에서는 태양궤도와 수질에 자연환경 등에 따라 에너지 절약할 수 있는 배치를 계획한다.
- 환경분석을 통해 에너지절감과 에너지성능 개선대안이 모색되어 예비설계-상세설계에서는 디테일화 된 Revit 모델링을 이용하여 정확한 에너지 사용량을 분석하였다.
대상 데이터
- 표 3은 대전에 위치한 어린이 보육시설의 2005년부터 2008까지의 연료 사용량을 나타낸 것이다. 2005년부터 2007년 11월까지는 LPG 가스연료를 사용하였으며, 2007년 11월부터 현재까지는 설비변경으로 심야전기를 사용하고 있다.
- 대상건물은 2005년부터 2007년 11월까지 가스보일러를 사용하다가 2007년 12월부터 심야전기로 교체를 하였다. 때문에 1월부터 12월까지 LPG사용량이 제일 정확하게 나온 2006년 사용량을 비교하기로 선정하였다.
- 대상건물은 2005년부터 2007년 11월까지 가스보일러를 사용하다가 2007년 12월부터 심야전기로 교체를 하였다. 때문에 1월부터 12월까지 LPG사용량이 제일 정확하게 나온 2006년 사용량을 비교하기로 선정하였다.
성능/효과
- 6) BIM 기반 통합 설계프로세스는 최근 AIA에서 제안하고 있는 개념설계(Co; Conceptualization)-예비설계 (Cd; Criteria Design) - 상세설계(Dd; Detailed Design) - 최종설계(Id; Implementation Documents)로 구분할 수 있다.7) 그림 1은 기존 설계프로세스와 BIM 통합 설계프로세스를 단계별로 비교한 그래프이다.
- ECOTECT의 Weather Tool을 이용하여 대전 지역 기후데이터를 분석 후 태양궤적의 수평투영도를 기본으로 건물의 배치와 태양의 움직임을 확인할 수 있으며 투영도을 통해 건물의 향 변화에 따른 입사 조건을 판단할수 있다. 기후데이터를 분석은 기후조건별 최적화된 건물의 향을 제시하며 건물의 기준으로 하여 냉난방 부하를 줄일 수 있는 최적 값을 제시해준다.
- 구체화된 모델링은 LEED 목표, 점수, 그래프 분석 등을 동시에 할 수 있으며 에너지, 탄소배출, 실내환경 등 LEED 목표 결정하며 LEED 목표달성에 적합한부분과 부족한 부분을 건축가에게 전달 해주며, LEED 목표에 부적합한 부분은 모델링을 이용해 수정이 가능하도록 할 수 있다.
- 기존건물에서 가장 취약하던 북동쪽의 실내조도량은 290lux로 실내조도율이 안 좋았으며 변경 후 331lux로 14.1 %의 많은 증가가 나타났다. 북서쪽 변경 전 275lux로 분석되었으며 변경 후 287lux로 4.
- 대안모델은 기후데이터의 분석결과를 바탕으로 향배치를 정남향인 기존건물보다 5도 틀어서 배치해 보았다. 기존건물에서 취약했던 북동쪽에 일사량이 더 많이 받았으며 북서쪽도 개선된 분석효과를 얻을 수 있었다. 또한 누적일사량 분석은 각 향별 건물재료, 단열재 등 재료선택의 제시를 가능하게 했으며 표 6는 정남향으로 배치했을 때의 누적일사량과 정남향으로 배치했을 때 누적일사량을 나타낸 표이다.
- 아래 표 8은 IES/VE를 이용한 기존건물의 에너지 사용량과 남동 향으로 배치 후 에너지 사용량을 분석한 표이다. 기존건물의 에너지사용량은 102,745.5kwh이며 대안 모델을 이용하여 분석한 에너지 사용량은 100.012.8kwh로 주광조도 변화에 따른 연간 에너지 사용량이 2.7% 감소 효과를 나타냈으며 향 별로 벽면의 단열두께, 개구부의 크기 등을 조절한다면 더 많은 에너지 효과를 볼 것이다.
- 대상건물의 2006년 LPG 사용량은 100468.16 kWh이며, IES/VE 분석된 연간 에너지 총 사용량은 158.070 kWh/yr 결과가 나왔으며, Heating 사용량 65%를 계산하면 102,745.5 kWh로 대상건물의 에너지사용량과 약 2.27%의 분석량 오차가 발생하였다. 이러한 차이는 다음과 같은 문제점을 나타내고 있다.
- 개념설계에서 고려된 사항들을 예비설계에서 협업자들의 긴밀한 협업을 통해 설계의 중요사항들이 시뮬레이션 및 분석되며 상세설계에서 그 설계를 결정하고 최종설계는 시공에 필요한 도면 및 정보를 완성하는 단계로 되어있다. 따라서 기존 설계프로세스에서는 기본설계 및 실시설계에서의 업무량이 가장 많은 비중을 차지하지만, BIM 통합 설계프로세스에서는 설계가 진행되어 가는 후반보다는 초기에 업무량이 집중되는 특징을 보여주고 있다.7)
- 조금 더 정확한 에너지 사용량을 감소량과 효과를 알기위해 Revit 모델링에서도 조명을 다시 배치하였으며, IES/VE를 이용한 에너지성능분석 결과 표 10과 같은 결과를 나타냈다. 실내조명 변화에 따른 연간 총 에너지 사용량은 157.250kwh/yr로 분석결과가 나왔으며 Lights 부분에서 기존건물보다 1% 감소하였으며 연간 에너지 사용량은 1.3%를 감소하는 효과를 나타냈다.
- 기존건물에서는 층당 22개의 인공조명등이 설치되어 있으며 전 단계인 실내조도분석 결과를 바탕으로 자연광이 많은 곳과 자연광이 적게 들어오는 곳에 조명을 효과적으로 재배치하였다. 재배치된 인공조명은 층당 14개로 8개가 줄어들었으며 시뮬레이션으로 분석 결과 더 밝은 내부 환경을 제공하면서 인공조명의 개수를 줄여 에너지 사용을 감소하였다.
- 첫 번째 실제건물에서의 LPG 사용량의 부정확한 정보와 두 번째로 IES/VE에서의 계절별, 시간대별 에너지사용의 지정불가와 세 번째로 건물의 타입이 보육시설이나 프로그램의 빌딩타입에는 보육시설이 없어 학교나 다가구주택으로 지정해야하는 문제점을 가지고 있었다.
후속연구
- BIM 통합 설계프로세스는 건물의 생성에서부터 폐기에 이르기까지 건물의 정보를 보유하고 있으며 기존의 2D 도면의 에너지성능 분석의 한계를 극복하고 초기단계에서부터 환경분석, 에너지성능분석 등 3차원 모델링을 통한 시뮬레이션으로 추상적인 정보가 아니라 구체적인 분석 자료와 시각적인 분석으로 친환경 디자인의 객관적인 대안의 평가를 가능케 할 것으로 판단된다.
- 창문의 크기와 높이에 따라 1층 루버는 2～3층 보다 길게 나왔다. 계절에 따라 루버의 모양과 차양 길이가 자동으로 조정되며 기후 특성과 조건에 따라 루버를 효과적으로 설치할 수 있을 것이다. 여름철 강력한 일사량은 냉방 에너지 소모량을 촉진하며 상대적으로 일사량이 많이 나왔으며 루버를 설치로 비교적 실내로 들어오는 일사량이 약해져 냉방 사용 시 에너지 절감 효과에 큰 역할을 할 것이다.
- ECOTECT의 Weather Tool을 이용하여 대전 지역 기후데이터를 분석 후 태양궤적의 수평투영도를 기본으로 건물의 배치와 태양의 움직임을 확인할 수 있으며 투영도을 통해 건물의 향 변화에 따른 입사 조건을 판단할수 있다. 기후데이터를 분석은 기후조건별 최적화된 건물의 향을 제시하며 건물의 기준으로 하여 냉난방 부하를 줄일 수 있는 최적 값을 제시해준다.
- 다섯째, 제안된 BIM기반 친환경건축 설계프로세스를 이용한 설계대안의 도출을 통해 그 적용가능성을 모색한다.
- 따라서 에너지 효율적 설계요소들을 추출하고 적용할 수 있도록 시뮬레이션을 실시함으로써 건축의 친환경성을 증대할 수 있을 것으로 예측된다.
- 따라서 향후, 초기단계에서부터 BIM기반 친환경건축설계프로세스를 적용하여 에너지성능 향상에 도움이 될 수 있는 건물 형태를 계획하고 환경전문가와 협업하여 에너지 손실을 최소화시키고 절감 효과가 큰 친환경건축물을 구현하는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구를 진행하면서 파악한 문제점으로는 실제 건물과 에너지사용량의 정확한 정보부족과 에너지성능분석 프로그램의 기후 데이터의 정확성과 계절별, 월별로 구분된 분석이 아닌 연간사용량이 분석되어 오차가 나타났으며, 에너지성능분석 프로그램 분석 선택사항에서 빌딩타입의 종류와 연료타입이 부족하여 빌팅 타입별 효과적인 설비 방식과 에너지 최소사용량을 분석 할 수 없었다.
- 계절에 따라 루버의 모양과 차양 길이가 자동으로 조정되며 기후 특성과 조건에 따라 루버를 효과적으로 설치할 수 있을 것이다. 여름철 강력한 일사량은 냉방 에너지 소모량을 촉진하며 상대적으로 일사량이 많이 나왔으며 루버를 설치로 비교적 실내로 들어오는 일사량이 약해져 냉방 사용 시 에너지 절감 효과에 큰 역할을 할 것이다. 하지만 겨울철에는 태양의 고도가 낮기에 실내자연채광이 부족한 현상이 일어날 수도 있다.
- 첫째, 각 나라별 건물 에너지성능 중심으로 에너지효율 관련 제도가 개정되고 있는 국제적 흐름과 방향을 살펴보고 에너지효율 관련 기준과 에너지성능 요소간의 연계성을 검토해본다.
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