[논문]건축물 전과정 <tex>$CO_2$</tex> 평가를 위한 BIM 라이브러리 개발

이병호; 홍성욱; 신성우

문제 정의

따라서 본 연구는 BIM 라이브러리 속성정보를 바탕으로 BIM기반 건축물 LCCO₂ 평가를 효율적으로 수행하기위한 탄소배출계수 환산체계를 제안하고 이를 적용한 LCCO₂평가용 라이브러리 개발과 시범평가를 목적으로 한다.
따라서 본 연구는 조달청 표준공사코드 체계를 바탕으로 투입자재관리를 위한 순수자원코드⁸⁾와 BIM 수량산출시 탄소배출계수 원단위와 일치되는 기준단위 환산체계를 자재 라이브러리 속성정보에 추가하여 수작업 없이 투입자재량에 따른 CO₂ 배출량 평가가 가능한 라이브러리를 개발하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 조달청 표준공사코드 중 자재에 대한 코드인 순수자원코드를 자재들의 속성과 일치되는 BIM 라이브러리에 지정하여 속성으로 입력해 주었다. 입력된 순수자원코드와 라이브러리를 서로 연결하여 지정해줌으로서 BIM 모델링 프로그램이 제공하는 기본수량산출기능과 탄소배출계수 환산체계에 의한 라이브러리를 이용하여 투입자재의 자재생산부분에 대한 효율적인 CO₂ 배출량 평가 및 관리가 이루어 질 수 있다.
본 연구는 BIM기반 LCCO₂ 평가기법을 완성하기위한 기초적 단계로써 BIM의 수량산출기능을 활용하여 건축물 LCCO₂평가 중 투입자재량과 직접적으로 관계되는 항목을 중심으로 연구를 진행하였다. 또한 LCCO₂ 평가기법을 위한 라이브러리 개발에 그 목표가 있으므로 실시설계 수준보다 계획설계 수준의 상세수준(Level Of Detail)을 대상으로 연구범위를 한정하였다.
본 연구에서는 건축물 LCCO₂ 평가를 위한 BIM 라이브러리 개발을 위해 그림 1의 연구흐름도에서와 같이 건축물 LCCO₂ 평가기법에 대한 선행연구의 문헌적 고찰을 통해 선행연구와 기존 평가기법에 대한 한계점을 도출하고 BIM 수량산출기능을 활용한 LCCO₂ 평가기법을 설정한다.
본 연구에서는 국내의 일반적인 공동주택을 대상으로 시범평가를 수행하였다. 탄소배출계수 환산체계설정에 따른 라이브러리를 이용하여 건물에 투입된 자재에 대한 CO₂ 배출량 평가를 위해 계획단계 수준의 BIM 모델링을 하였다.

제안 방법

BIM 모델링 도구는 Revit Architecture를 사용하였고 KBIMS ver.1.0에서 제공된 패밀리를 기준으로 LCCO₂ 평가를 위한 라이브러리를 작성하였다.
배출량을 평가하는 자재로 벽돌과 콘크리트 벽돌(블록)을 분류하였다. 개구부 요소인 창문, 문과 같이 타 자재가 포함되며 수량산출이 특별한 수식으로 환산되는 자재를 복합환산자재 G4 그룹으로 분류하였다. G4 그룹은 기본수량을 통해 얻어진 높이, 폭을 이용하여 라이브러리내에서 복합자재의 각 부분별 수량을 산출하도록 구성되었다.
탄소배출계수 환산체계설정에 따른 라이브러리를 이용하여 건물에 투입된 자재에 대한 CO₂ 배출량 평가를 위해 계획단계 수준의 BIM 모델링을 하였다. 구축된 라이브러리를 BIM 기본수량산출기능인 일람표에 적용하여 제안된 라이브러리 체계의 효율성을 제시하였다. BIM 모델링 프로그램은 Autodesk사의 Revit Architecture를 이용하였다.
또한 시범평가대상은 공동주택 1개동을 기준으로 계획설계 수준의 기본 투입자재항목을 선정하고 제안된 탄소배출계수 환산체계 그룹을 적용하여 필요한 라이브러리를 구축하였다. 구축된 라이브러리를 사용하여 자재생산단계에 한정하여 CO₂ 배출량 평가결과를 도출하였다. 이는 본 연구의 목적이 BIM 라이브러리의 속성정보를 활용하여 BIM 모델링 프로그램의 단순 수량산출기능이 탄소배출계수 환산체계로 적용될 수 있도록 하는 라이브러리의 제안에 있으므로 건설장비의 사용과 전력, 가스 등 유틸리티의 사용, 해체 및 재활용 단계에 따른 CO₂ 배출량 평가 및 LCCO₂ 배출량 전체평가결과는 제외하였다.
그 다음으로 BIM 라이브러리 요소가 2가지 이상의 건축자재를 포함하여 타 재료의 량이 포함되어 계산되는 량을 공제 후 이를 환산을 하여야 하는 분리환산자재 G3 그룹은 공제 시 BIM 기본수량 값 중 면적과 체적에 기준량(정미량)을 적용하여 CO₂ 배출량을 평가하는 자재로 벽돌과 콘크리트 벽돌(블록)을 분류하였다. 개구부 요소인 창문, 문과 같이 타 자재가 포함되며 수량산출이 특별한 수식으로 환산되는 자재를 복합환산자재 G4 그룹으로 분류하였다.
배출량을 산정하였다. 또한 BIM 기반 에너지 시뮬레이션을 실시하여 유틸리티사용부분에 대한 CO₂배출량을 산정하고 기타 부분에 대해서는 간접 추계방식을 적용하여 BIM기반 전과정 CO₂평가를 수행하였다.⁶⁾
또한 시범평가대상은 공동주택 1개동을 기준으로 계획설계 수준의 기본 투입자재항목을 선정하고 제안된 탄소배출계수 환산체계 그룹을 적용하여 필요한 라이브러리를 구축하였다. 구축된 라이브러리를 사용하여 자재생산단계에 한정하여 CO₂ 배출량 평가결과를 도출하였다.
또한 효율적인 LCCO2 평가를 위해 건축물 공사에 대한 공종별 • 자재별 배출량을 분석하여 기본 투입자재항목을 설정한다.
배출량을 산출하였다. 모래와 시멘트 자재는 분리환산자재 그룹에서 배출량이 도출되었고 철근은 G2 그룹인 변환환산자재이지만 본 연구의 범위가 계획설계 수준의 LOD인 점을 고려하여 콘크리트 대비 철근비를 적용하여 산출하였다.¹²⁾
)에서 벽돌자재의 체적을 벽돌개수와 벽돌크기를 통해 산출한 후 공제하면 몰탈의 체적을 산출할 수 있다. 몰탈의 체적(m³)당 사용되는 시멘트(510kg)와 모래(1.1m³) 값을 이용하고 탄소배출계수를 적용하여 시멘트와 모래의 CO₂ 배출량을 산출한다.
평가를 위해 건축물 공사에 대한 공종별 • 자재별 배출량을 분석하여 기본 투입자재항목을 설정한다. 설정된 기본 투입자재에 대해 탄소배출계수 원단위와 라이브러리 속성정보를 비교하여 탄소배출계수 환산체계를 설정한다. 이를 바탕으로 하여 탄소배출계수 환산체계가 적용된 기본 라이브러리 그룹을 제안한다.
아래 그림 2에서와 같이 선정된 기본 투입자재 항목에 대해 BIM 수량산출기능으로 제공되는 단위체계와 각각의 투입자재에 대한 국가 LCI 자재DB등 탄소배출계수 단위을 비교하여 환산체계를 설정하였다. 투입자재의 탄소배출계수 환산체계는 단순 적용과 변환, 일위대가 및 품셈 등 자재구성의 특징에 따라 단위환산을 위해 적절한 수식이 포함된 경우로 구별하고 G1~G4로 명명된 기본 라이브러리 그룹을 제안하였다.
앞 절에서 구축된 탄소배출계수 환산체계를 적용한 라이브러리와 BIM 기본수량산출기능인 일람표를 이용하여 건축물의 모델링에 사용된 자재들에 대한 자재생산부분 CO₂ 배출량을 평가하였다.
앞에서 설정된 탄소배출계수 환산체계와 관련수식을 BIM 모델링 프로그램의 해당 자재 라이브러리 속성정보에 추가하였다. 기본 라이브러리로는 빌딩스마트 협회가 제공하는 KBIMS ver.
앞에서 제시된 14개의 기본 투입자재항목 중 본 사례 건물에 사용된 11개의 자재에 대해 4가지의 환산 체계라이브러리 그룹분류에 따라 각각의 라이브러리를 구축하였다. 우선 BIM 기본수량산출을 통한 체적(m³)을 그대로 적용하여 탄소배출량을 평가하는 단순 환산자재 G1 그룹에는 레미콘과 모래를 분류하였고, BIM 자동물량산출 값을 탄소배출계수의 단위(kg/CO₂)로 변환할 때 kg단위를 적용하기 위해 비중 값을 이용하는 변환환산자재 G2 그룹에는 철근, 타일, 발포성 폴리스틸렌, 석고보드, 시멘트를 분류하였다.
앞에서 제시된 14개의 기본 투입자재항목 중 본 사례 건물에 사용된 11개의 자재에 대해 4가지의 환산 체계라이브러리 그룹분류에 따라 각각의 라이브러리를 구축하였다. 우선 BIM 기본수량산출을 통한 체적(m³)을 그대로 적용하여 탄소배출량을 평가하는 단순 환산자재 G1 그룹에는 레미콘과 모래를 분류하였고, BIM 자동물량산출 값을 탄소배출계수의 단위(kg/CO₂)로 변환할 때 kg단위를 적용하기 위해 비중 값을 이용하는 변환환산자재 G2 그룹에는 철근, 타일, 발포성 폴리스틸렌, 석고보드, 시멘트를 분류하였다. (그림 4 참조)
위와 같은 방식으로 공동주택 사례의 BIM모델에 사용된 11개 기본 투입자재항목에 대하여 국가 LCI 자재DB를 적용하여 자재별 CO₂배출량을 구하고 합산하여 표 4와 같이 자재생산부분에 대한 CO₂ 배출량을 산출하였다. 모래와 시멘트 자재는 분리환산자재 그룹에서 배출량이 도출되었고 철근은 G2 그룹인 변환환산자재이지만 본 연구의 범위가 계획설계 수준의 LOD인 점을 고려하여 콘크리트 대비 철근비를 적용하여 산출하였다.
설정된 기본 투입자재에 대해 탄소배출계수 원단위와 라이브러리 속성정보를 비교하여 탄소배출계수 환산체계를 설정한다. 이를 바탕으로 하여 탄소배출계수 환산체계가 적용된 기본 라이브러리 그룹을 제안한다.
제안된 기본 라이브러리 그룹별 탄소배출계수 환산체계를 계획설계 수준의 공동주택 기준층 BIM 모델링 사례에 적용하여 시범평가하였다. LCCO₂ 평가 중자재생산부분 평가를 위해 해당되는 11개 투입자재 항목에 대한 라이브러리를 작성하고 조달청 순수자원 코드를 매개변수로 맵핑하여 BIM 모델링 프로그램의 일람표기능을 이용, 단위면적당 458.
조합된 자재들 각 부분들에 대한 수량을 탄소배출 계수 환산수식을 적용할 수 있도록 먼저 계산한 후각각의 수량값에 탄소배출계수를 적용하여 각 부분별 탄소배출량이 산출되도록 한다.
탄소배출계수 환산체계는 자재별 단위환산의 방법이 국가 LCI 자재DB에서 제공하는 탄소배출계수 단위에 따라 달라지고 실제 건축물에서 사용되는 자재들은 단일자재구성이 아닌 여러 자재가 복합되어있는 자재들도 많이 사용되기 때문에 본 연구는 BIM 라이브러리 속성정보에 탄소배출 환산체계를 반영한 기본 라이브러리 구성 설정과 조달청 표준공사코드 중 순수자원코드를 추가하는 제안을 통해 네 가지 기본 라이브러리 그룹을 제안하였다.
본 연구에서는 국내의 일반적인 공동주택을 대상으로 시범평가를 수행하였다. 탄소배출계수 환산체계설정에 따른 라이브러리를 이용하여 건물에 투입된 자재에 대한 CO₂ 배출량 평가를 위해 계획단계 수준의 BIM 모델링을 하였다. 구축된 라이브러리를 BIM 기본수량산출기능인 일람표에 적용하여 제안된 라이브러리 체계의 효율성을 제시하였다.
아래 그림 2에서와 같이 선정된 기본 투입자재 항목에 대해 BIM 수량산출기능으로 제공되는 단위체계와 각각의 투입자재에 대한 국가 LCI 자재DB등 탄소배출계수 단위을 비교하여 환산체계를 설정하였다. 투입자재의 탄소배출계수 환산체계는 단순 적용과 변환, 일위대가 및 품셈 등 자재구성의 특징에 따라 단위환산을 위해 적절한 수식이 포함된 경우로 구별하고 G1~G4로 명명된 기본 라이브러리 그룹을 제안하였다.¹¹⁾ 각 그룹별 환산체계의 특징은 다음 표 3과 같다.

대상 데이터

26%를 차지하는 것으로 분석되었다.¹⁰⁾ 하지만 BIM 모델링의 경우 철근과 거푸집의 합판 등은 직접 모델링을 통해 수량산출을 하는 것보다 실시설계 단계에서 배근도를 이용한 5D기반 전용 프로그램 등을 통해 산출되는 것이 바람직하기 때문에 계획설계 수준의 상세수준을 고려하여 레미콘, 철근, 형강, 콘크리트 블록, 벽돌, 타일, 발포성 폴리스틸렌, 석고보드, PVC, 금속, 판유리, 철문, 시멘트, 모래 등 14개 자재를 기본 투입자재항목으로 선정하였다. 철근의 수량산출은 계획설계 수준에서 모델링보다 철근비를 적용하여 산출하는 것으로 하였다.
앞에서 설정된 탄소배출계수 환산체계와 관련수식을 BIM 모델링 프로그램의 해당 자재 라이브러리 속성정보에 추가하였다. 기본 라이브러리로는 빌딩스마트 협회가 제공하는 KBIMS ver.1.0 Revit Architecture용 패밀리를 사용하였고 11개 자재에 대해 필요한 정보 또는 수식을 추가하였다.
투입자재의 탄소배출량 평가를 위한 적용사례로서 그림 3과 같이 분당 고층 공동주택단지의 한 개동의 기준층을 선정 하였다. 기준층의 구성은 2세대 1코어 구성이며 세대 당 전용면적은 162.87m², 기준층 전용 면적소계는 325.74m²이다.
평가 중 투입자재량과 직접적으로 관계되는 항목을 중심으로 연구를 진행하였다. 또한 LCCO₂ 평가기법을 위한 라이브러리 개발에 그 목표가 있으므로 실시설계 수준보다 계획설계 수준의 상세수준(Level Of Detail)을 대상으로 연구범위를 한정하였다.
투입자재의 탄소배출량 평가를 위한 적용사례로서 그림 3과 같이 분당 고층 공동주택단지의 한 개동의 기준층을 선정 하였다. 기준층의 구성은 2세대 1코어 구성이며 세대 당 전용면적은 162.

이론/모형

구축된 라이브러리를 BIM 기본수량산출기능인 일람표에 적용하여 제안된 라이브러리 체계의 효율성을 제시하였다. BIM 모델링 프로그램은 Autodesk사의 Revit Architecture를 이용하였다.

성능/효과

제안된 기본 라이브러리 그룹별 탄소배출계수 환산체계를 계획설계 수준의 공동주택 기준층 BIM 모델링 사례에 적용하여 시범평가하였다. LCCO₂ 평가 중자재생산부분 평가를 위해 해당되는 11개 투입자재 항목에 대한 라이브러리를 작성하고 조달청 순수자원 코드를 매개변수로 맵핑하여 BIM 모델링 프로그램의 일람표기능을 이용, 단위면적당 458.64kg CO₂/m²의 평가결과를 보여주었다.
1 절에서 설명된 국토해양부 제정, ‘시설물별 탄소 배출량 산정 가이드라인 (2011)’에서 제안된 단계별 CO₂ 배출량 산정법에 BIM 적용가능성을 요약하면 위의 표 2와 같다. 운용단계의 에너지 소비량을 제외하고 BIM 모델링에서 수량산출기능 및 바닥면적 산출기능을 활용하여 대부분 산출이 가능한 것으로 분석되었다. 하지만 시공단계의 자재생산부분 평가의 기준이 되는 투입자재량은 일반적인 BIM 수량산출방법에 서 단위체계가 체적(m³)과 면적(m²)만을 기준으로 산출되고 있으나 적용되어야 할 자재DB의 탄소배출계수는 투입자재의 종류와 품셈, 일위대가 등의 구성에 따라 중량(kg, ton), 수량(개) 등 자재생산과정에서의 CO₂ 배출량 평가분석을 위해 환산된 단위체계를 포함하고 있으며 창호와 같은 경우 단일 자재량이 아닌, 유리와 창틀, 창문틀 등으로 구별되어 산출되어야 각각의 자재DB 탄소배출계수를 적용시킬 수 있다.

후속연구

본 연구결과를 통해 개발된 건축물 LCCO₂ 평가를 위한 라이브러리는 보다 많은 자재종류와 상세설계 수준의 모델링에 적용할 수 있도록 발전시키는 후속연구를 진행할 예정이다. 또한 운용단계 CO₂ 평가에서 중요한 BIM기반 에너지 시뮬레이션을 자재 라이브러리에서 지원하는 방안과 함께 시뮬레이션 결과를 통합평가하는 BIM기반 LCCO₂평가 프로그램 개발에 대한 많은 연구가 필요하다고 사료된다.
평가기법 개발에 큰 도움이 되리라 예상된다. 본 연구결과를 통해 개발된 건축물 LCCO₂ 평가를 위한 라이브러리는 보다 많은 자재종류와 상세설계 수준의 모델링에 적용할 수 있도록 발전시키는 후속연구를 진행할 예정이다. 또한 운용단계 CO₂ 평가에서 중요한 BIM기반 에너지 시뮬레이션을 자재 라이브러리에서 지원하는 방안과 함께 시뮬레이션 결과를 통합평가하는 BIM기반 LCCO₂평가 프로그램 개발에 대한 많은 연구가 필요하다고 사료된다.
위의 연구결과를 토대로 공동주택 1개동에 대한 시범적용을 실시하여 자재생산단계에 대한 CO₂ 배출량 평가를 실시하고 이에 대한 종합평가와 함께 BIM기반 건축물 LCCO₂ 평가기법을 지속적으로 발전시키기 위한 후속연구를 제안한다.
최근 BIM도입의 어려움 또는 저해요인에 대한 설문조사에 따르면 설계회사 담당자의 66%이상이 BIM 라이브러리 및 컨텐츠 부족을 지적한 현실에서¹³⁾ 본 연구를 통해 제안된 탄소배출계수 환산체계와 라이브러리 적용, 시범적용으로 보여준 자재생산부분 CO₂ 배출량 평가기법은 BIM기반 LCCO₂ 평가기법 개발에 큰 도움이 되리라 예상된다. 본 연구결과를 통해 개발된 건축물 LCCO₂ 평가를 위한 라이브러리는 보다 많은 자재종류와 상세설계 수준의 모델링에 적용할 수 있도록 발전시키는 후속연구를 진행할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상업적인 5D기반 BIM 내역산출 프로그램을 사용할 경우 발생하는 문제점은?	최근 들어 BIM기법의 도입으로 BIM 데이터에 의한 수량산출이 활발해지고 있고 이러한 수량산출기능을 활용하여 LCCO2 평가를 시도하고 있으나 Revit 또는 ArchiCAD와 같은 모델링 프로그램은 효과적인 LCCO2 평가를 위한 BIM 라이브러리를 제공하고 있지 않기에 생성된 수량산출 데이터를 다시 수작업 또는 엑셀 등의 프로그램을 사용하여 CO2 배출원단위를 자재수량데이터에 환산, 적용시켜야 하는 어려움이 있다. 특히, 상업적인 5D기반 BIM 내역산출 프로그램을 사용할 경우, LCCO2 평가에 대한 인식이 부족하여 투입자재량 산출을 위한 라이브러리 작성이 미흡한 채 모든 과정이 진행되면 자재별 수량산출내역은 종전의 방식에 의해서 다시 CO2 배출원단위체계로 전환해야 하는 불편함과 오류가능성이 많아진다.
	ArchiCAD를 사용했을 때 발생하는 어려움은?	최근 들어 BIM기법의 도입으로 BIM 데이터에 의한 수량산출이 활발해지고 있고 이러한 수량산출기능을 활용하여 LCCO2 평가를 시도하고 있으나 Revit 또는 ArchiCAD와 같은 모델링 프로그램은 효과적인 LCCO2 평가를 위한 BIM 라이브러리를 제공하고 있지 않기에 생성된 수량산출 데이터를 다시 수작업 또는 엑셀 등의 프로그램을 사용하여 CO2 배출원단위를 자재수량데이터에 환산, 적용시켜야 하는 어려움이 있다. 특히, 상업적인 5D기반 BIM 내역산출 프로그램을 사용할 경우, LCCO2 평가에 대한 인식이 부족하여 투입자재량 산출을 위한 라이브러리 작성이 미흡한 채 모든 과정이 진행되면 자재별 수량산출내역은 종전의 방식에 의해서 다시 CO2 배출원단위체계로 전환해야 하는 불편함과 오류가능성이 많아진다.
	건축물에서의 전과정 중 시공 단계가 의미하는 바는?	시공 단계는 건축물의 착공에서 준공에 이르는 기간으로 CO2 배출량 평가는 투입자재량에 탄소배출계수 DB, 장비사용에 따른 에너지 소비량에 IPCC 가이드라인 배출계수 또는 한국전력거래소 배출계수를 곱한 각각의 배출량 합산으로 산정한다. 여기서 탄소배출계수 DB는 ‘국가 LCI 데이터베이스 정보망’, ‘탄소 성적표지용 배출계수’, ‘국토해양부 정보망 DB’를 이용하거나 학술적으로 검증된 배출계수를 사용하기도 한다.

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