[논문]BIM기반 공동주택 환경성능 및 에너지 해석 시스템 통합 개발

서혜수; 이수현; 임재상; 최철호

doi:10.13161/kibim.2014.4.2.001

BIM기반 공동주택 환경성능 및 에너지 해석 시스템 통합 개발
BIM-Based Integrated Module for Apartment Environmental Performance and Energy Analysis 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.4 no.2, 2014년, pp.1 - 9

서혜수 ((주)포스코건설) , 이수현 ((주)두올테크) , 임재상 ((주)두올테크) , 최철호 ((주)두올테크)

Abstract ▼ AI-Helper

As interest in green building has increased, construction market has evolved through BIM-based architecture also, BIM-based technologies have been developed simultaneously. Due to this aspect, the need of environmental analysis software utilizing BIM data became essential. This study shows that BIM-based integrated module provides objective analysis to proceed quick decision-making for a proposal. In addition to that, this integrated module creates a model through BIM data to analyze and report residential environment and energy consumption such as, daylight, view, ventilation and privacy in order to practically apply the BIM technology from the schematic design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 BIM 정보를 이용하여 주거 환경분석과 더불어, 동일한 모델을 이용하여 에너지 사용량을 분석하고, 그 결과를 리포트하는 시스템의 통합 개발이다. 이 시스템은 Figure 1과 같으며 결과에 대한 정합성을 판단하기 위하여 결과적으로 BIM 기반으로 단지 모델링한 분석 모델을 만들어 환경 분석을 시행하고 그 결과를 보고서로 출력하여 시스템을 검증하였다.
이를 위하여 프로젝트 계획안의 일조, 조망, 통풍, 프라이버시, 에너지 사용량을 분석하고 최적 계획안에 대한 의사 결정을 신속하게 할 수 있도록 객관적인 분석 자료를 제공하여, 계획단계에서부터 BIM기술이 실질적으로 적용될 수 있도록 시스템을 개발하는 것을 목적으로 하였다.
이번 연구를 통해 BIM 데이터를 이용하여 환경 분석을 하는 건물 환경 성능 분석 및 에너지 해석 통합 솔루션 시스템을 개발하였다. 개발된 모듈은 사용자가 BIM 설계를 통하여 만들어진 데이터를 그대로 사용함으로써 한 번의 모델링 작업을 통해 일조, 조망, 통풍, 프라이버시 등 환경성능 분석과 에너지 분석을 수행할 수 있게 되어 업무 생산성이 크게 증대하였고, 이러한 분석 결과를 신속하게 Feed Back할 수 있어 최적의 설계안을 도출하여, 친환경 설계 기술 반영 및 설계 품질 향상을 기대할 수 있을 것으로 예측된다.

제안 방법

BEM을 생성하기 위해 아래 이미지와 같이 ArchiCAD Worksheet 창에 단지내 건물 최대 층만큼의 Worksheet를 생성하여 BIM 또는 Object 모델에서 자동 추출한 형상을 배치하고, 각각의 벽, 바닥, 천장, 창호에 복합 재질을 매칭하는 UI를 제공한다.
건축법에 명시되어 있는 조건을 만족하면서 보다 확장된 개념을 도입하여, 계산 포인트 설정을 통한 일조 분석 방법(이하‘Point 방식’)과 계산면을 설정하여, 그 면에 대한 음영면적 비율로 일조 여부를 판단하는 방법(이하 ‘Area 방식’)을 구현하였다.
공동주택 주거 환경 및 에너지 분석 시스템의 플랫폼으로 ArchiCAD를 사용하였으며, 분석 시스템은 Add-On으로 개발하여 시스템화하였다.
공동주택의 배치에 따른 세대 단위의 압력차 및 단지 통풍을 분석하기 위한 통풍 분석 모듈을 개발하였다. 통풍 분석 시스템은 전처리부, 해석부, 후처리부로 나누어지며, 전처리와 후처리는 ArchiCAD 기반에서 이루어지고, 해석은 유한요소 분석 시스템에서 이루어지도록 구성하여 개발하였다.
분석 모델을 바탕으로 일조, 조망, 통풍, 프라이버시 및 에너지 분석을 진행하며, 분석된 각종 결과를 DB에서 정리하여 Excel서식 기반으로 보고서를 자동 생성하는 기능이다. 단지 기준, 동 기준 및 세대 기준 등에 따라 7개의 보고서가 출력되도록 연구 개발되었다. 보고서의 예시는 Figure 29와 같다.
통풍 분석 시스템은 전처리부, 해석부, 후처리부로 나누어지며, 전처리와 후처리는 ArchiCAD 기반에서 이루어지고, 해석은 유한요소 분석 시스템에서 이루어지도록 구성하여 개발하였다. 단지대지를 셀 단위로 분할하여 통풍의 풍압, 풍속, 기압차를 산출하고 세대별로 기압 차를 3단계 기준값을 이용하여 분류하여 NICE, GOOD, BAD 중하나의 값으로 DB에 저장된다. 그리고 풍압을 2D와 3D 풍압도로 표현할 수 있다.
에너지 분석 프로세스는 크게 2단계로 나뉘는데 1단계는 BEM (Building Energy Model)을 생성하여 분석 모델의 Geometry 정보와 분석 모델에 없는 재질 정보(열관류율, 두께 등)를 매핑 하는 단계이고, 2단계는 2가지의 에너지 해석 엔진을 가지고 정적 및 동적 에너지를 분석하여 에너지 소비량을 산출하는 것이다.
동 평면도나 단위세대 평면도를 Reference로 놓고, 작업을 진행한다. 유닛 형태를 바탕으로 GDL로 작성된 유닛 객체를 생성하기 위해, 평면도의 외벽라인, 슬라브 라인을 따라 polyline을 생성한다. 이렇게 추출한 polyline을 단위세대(Unit)나 단위코어 (Core)로 등록하여 건물 동의 기본구성요소로 사용한다.
본 연구는 BIM 정보를 이용하여 주거 환경분석과 더불어, 동일한 모델을 이용하여 에너지 사용량을 분석하고, 그 결과를 리포트하는 시스템의 통합 개발이다. 이 시스템은 Figure 1과 같으며 결과에 대한 정합성을 판단하기 위하여 결과적으로 BIM 기반으로 단지 모델링한 분석 모델을 만들어 환경 분석을 시행하고 그 결과를 보고서로 출력하여 시스템을 검증하였다.
조망 분석은 ArchiCAD의 렌더링 기능을 활용한 방식으로, 미리 설정된 특정 색상을 기준으로 렌더링된 이미지를 분석하여, 해당 세대의 천공률, 대지율, 방해율, 경관율을 계산하는 방식을 사용했다. 이런 계산방식은 속도 개선을 위해서 외부프로그램으로 처리했다.
예를 들면, 조망점 설정 시, 고정된 지점이 아니라 카메라의 위치를 사용자가 조정하여 분석할 수 있도록 개발하였고, 환경 설정에 의해 카메라의 화각을 조정할 수 있도록 하였다. 조망 분석은 단지 조망 분석과 사용자 조망 분석이 있으며, 단지 조망분석의 경우는 세대별 분석 방법으로 배치되어 있는 각 세대의 정보를 리스트로 제공하며, 분석을 원하는 동/라인/세대를 선택하여 조망 분석을 수행한다.
조망분석은 조망을 평가하는 기준점³⁾과 기준점에 의해 계산된 조망을 평가하는 천공률, 대지율, 방해율, 경관율 등에 의해 계산⁴⁾하는 것으로 시스템을 개발하였으며, 이론과 현실의 차이를 최소화하기 위해 프로그램에서 다양한 경우의 처리가 가능하도록 개발하였다. 예를 들면, 조망점 설정 시, 고정된 지점이 아니라 카메라의 위치를 사용자가 조정하여 분석할 수 있도록 개발하였고, 환경 설정에 의해 카메라의 화각을 조정할 수 있도록 하였다.
공동주택의 배치에 따른 세대 단위의 압력차 및 단지 통풍을 분석하기 위한 통풍 분석 모듈을 개발하였다. 통풍 분석 시스템은 전처리부, 해석부, 후처리부로 나누어지며, 전처리와 후처리는 ArchiCAD 기반에서 이루어지고, 해석은 유한요소 분석 시스템에서 이루어지도록 구성하여 개발하였다. 단지대지를 셀 단위로 분할하여 통풍의 풍압, 풍속, 기압차를 산출하고 세대별로 기압 차를 3단계 기준값을 이용하여 분류하여 NICE, GOOD, BAD 중하나의 값으로 DB에 저장된다.
프라이버시의 기준점과 평가방법은 선행연구⁵⁾를 통해 산출한 방법에 의해 설계하였으며, 분석 알고리즘과 결과 표현의 정량화를 통해 환경분석 결과와 통합되도록 개발하였다.

대상 데이터

본 연구개발에서 EnergyPlus를 동적 에너지 분석 엔진으로 사용하였다. EnergyPlus는 기존 해석 도구인 DOE-2와 BLAST, COMIS의 장점을 통합하여 개발된 에너지 분석 도구이다.
분석 모듈의 개발 및 검증을 위해 사용한 개념 모델은 포스코건설에 최초로 BIM 모델링이 적용된 프로젝트인 A단지를 대상으로 실시하였다.

데이터처리

조망 분석은 ArchiCAD의 렌더링 기능을 활용한 방식으로, 미리 설정된 특정 색상을 기준으로 렌더링된 이미지를 분석하여, 해당 세대의 천공률, 대지율, 방해율, 경관율을 계산하는 방식을 사용했다. 이런 계산방식은 속도 개선을 위해서 외부프로그램으로 처리했다. 이렇게 계산된 개방률을 3단계 기준값을 이용하여 분류하여 NICE, GOOD, BAD 중의 하나의 값으로 DB에 저장된다.

이론/모형

지형 생성부분은 수치지형도를 기반으로 ArchiTerra (지형 생성을 위한 Add-on)을 이용하여 지형 메쉬를 생성한다.

성능/효과

모델링에서는 BIM 모델의 정보를 활용하여 많은 부분 자동화를 하여 업무 생산성을 크게 향상시켰다. 그러나 2D 설계 도면보다 많은 정보를 지닌 BIM정보를 이용하기 위해 다음과 같은 프로세스로 분석을 위한 모델링이 단순화 처리된다.
이러한 모델링 중복의 문제점을 해결하기 위해 BIM 데이터를 직접 활용할 수 있는 시스템 개발이 필요하게 되었으며, 3D 설계 데이터를 직접 사용할 수 있는 시스템을 통해 분석 결과의 정확성 확보와 환경성능이 우수한 계획안 도출이 가능해 질 것으로 전망되었다.

후속연구

이번 연구를 통해 BIM 데이터를 이용하여 환경 분석을 하는 건물 환경 성능 분석 및 에너지 해석 통합 솔루션 시스템을 개발하였다. 개발된 모듈은 사용자가 BIM 설계를 통하여 만들어진 데이터를 그대로 사용함으로써 한 번의 모델링 작업을 통해 일조, 조망, 통풍, 프라이버시 등 환경성능 분석과 에너지 분석을 수행할 수 있게 되어 업무 생산성이 크게 증대하였고, 이러한 분석 결과를 신속하게 Feed Back할 수 있어 최적의 설계안을 도출하여, 친환경 설계 기술 반영 및 설계 품질 향상을 기대할 수 있을 것으로 예측된다.
더 나아가 BIM설계가 점차 확대되어 향후 공동주택 설계 자체가 BIM으로 이루어질 경우를 대비해 이에 부합하는 환경 및 에너지 성능을 평가할 수 있는 BIM기반의 시스템 개발이 필요하다.
향후 본 연구개발에서 개발된 BEM을 활용한 에너지 분석 결과와 Design Builder 등 일반적으로 사용되는 에너지해석 모델링 기법과의 비교 분석을 통해 프로그램 검증 작업을 추가적으로 연구해야 할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 다양한 다른 응용프로그램들과의 데이터호환 문제 역시 앞으로 해결해야 할 과제로 진행해야 될 것으로 판단된다.
향후 본 연구개발에서 개발된 BEM을 활용한 에너지 분석 결과와 Design Builder 등 일반적으로 사용되는 에너지해석 모델링 기법과의 비교 분석을 통해 프로그램 검증 작업을 추가적으로 연구해야 할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 다양한 다른 응용프로그램들과의 데이터호환 문제 역시 앞으로 해결해야 할 과제로 진행해야 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스파이렐 기어는 어떤 소재로 제작되는가?	오일청정기의 모터에 부착되어 있는 스파이렐 기어는 고온의 오일에 대한 내식성, 기계적강도 및 내마모성이 요구되므로 알루미늄 및 규소가 함유된 동합금으로 제작되고 있다. 이와 같은 스파이렐 기어의 소재는 주로 일본으로 부터 수입 하여 가공 제작하고 있으며 수입소재를 사용하여야 하기 때문에 소재비용에 대한 부담이 크고, 또한 열간 단조 및 복잡한 열처리과정이 수반되어 제작경비가 많이 소요되므로, 다양한 형태의 스파이렐 기아 개발을 위해서 원가비용이 증대 하는 문제점이 있다.
	스파이렐 기어 제작에 사용되는 소재의 문제점은 무엇인가?	오일청정기의 모터에 부착되어 있는 스파이렐 기어는 고온의 오일에 대한 내식성, 기계적강도 및 내마모성이 요구되므로 알루미늄 및 규소가 함유된 동합금으로 제작되고 있다. 이와 같은 스파이렐 기어의 소재는 주로 일본으로 부터 수입 하여 가공 제작하고 있으며 수입소재를 사용하여야 하기 때문에 소재비용에 대한 부담이 크고, 또한 열간 단조 및 복잡한 열처리과정이 수반되어 제작경비가 많이 소요되므로, 다양한 형태의 스파이렐 기아 개발을 위해서 원가비용이 증대 하는 문제점이 있다. 따라서 스파이렐 기아 소재를 국산화하여 소재의 원가를 절감할 수 있는 새로운 제품개발 능력을 확보할 필요가 있다고 생각된다.

참고문헌 (7)

Ko Dong-Hwan (2010), "A Study on BIM-based Sustainable Design Process using Building Performances and Energy Efficiency Evaluation", Transactions of Architectural Institute of Korea v.26 n.09, pp.271-278.
Moon Hyeun-Jun, Choi Min-Seok, Ryu Seung-Ho, Park Jin-Woo (2009), "Building Performance Analysis Interface based on BIM", Transactions of Architectural Institute of Korea v.25 n.10, pp.271-278.
Park Soo-Hoon, Ryu Jeong-Won (2007), "The Analysis of View and Daylights for the Design of Public Housing Complexes Using a Residential Environment Analysis System Integrated into a CAD System", Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers vol.12 no.2, pp.137-145.
Lee Jin-Sook, Park Chan-kyu, Jin Eun-Mi, Kim Won-do, Kang Young (2001), "Framing the Prediction-formulas for Analyzing the Grade of the Visual Privacy Disturbance of the Residents in the Multi-family Housing", Transactions of Architectural Institute of Korea v.17 n.9.
Kim, Kwang-Ho, Kim, Byung-Seon (2004), "A Study on the Viewpoint to Evaluate the View in the Apartment Unit", Transactions of Architectural Institute of Korea v.20 n.1.
Kim, Kwang-Ho, Kim, Byung-Seon (2005), "The Conceptual Contemplation and Evaluation Variables For the Development of the Model to Evaluate the View in the Apartment Unit", Transactions of Architectural Institute of Korea v.21 n.8.
LBNL (2013), "Getting Started with EnergyPlus", LBNL.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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