[논문]설계 초기 단계 BIM 형상정보 파라메트릭 연동을 통한 오피스 실내조도 분석

박정대; 조찬원; 전민석

doi:10.5762/kais.2019.20.12.475

초록
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건축물의 생애주기 전반에 걸쳐 중요한 영향을 줄 수 있는 건축물의 성능과 관련하여, 설계 초기단계에서 계획안의 환경성능을 검토할 수 있는 디자인 피드백의 중요성이 점차 부각되고 있다. 그런데, 건설산업 특성에 따른 전문분야 도메인 구분으로 인해, 서로 다른 어플리케이션 사이에서 데이터 호환성의 문제에 따른 제약이 많은 실정이다. 이에, 지식기반 디자인 방법론에 기반하여, 본 연구는 건축물의 형상과 연동 가능한 BIM 객체의 기하정보에 대한 상관관계 정보체계를 제안하도록 한다. 이를 위해, 오피스 건축물의 기획 및 계획설계 단계를 대상으로, 상용 BIM 시스템인 Autodesk Revit을 활용하여 매스 형상에 파라메트릭 제약조건을 설정한다. 나아가, 오피스 매스의 형상정보와 양방향 프로세스로 연동가능하도록, Autodek Green Building Studio 엔진에서 분석가능한 해석모델로 변환함으로써, 파라미터에 의한 형태 변형에 따른 다양한 대안들에 대하여 실내조도 성능을 시뮬레이션한다. 이를 통해, 디자인 조건들을 만족시켜주는 범위 내에서 적절한 환경성능의 검토가 가능한 정량적인 의사결정 방법을 제시하고자 한다.

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The importance of performance-based design feedback is being emphasized when it comes to the potential impact that affects all the lifecycle of the building. However, the latency and disconnection of domain expert in the sector of AEC/FM remain current obstacles between design and performance feedba...

The importance of performance-based design feedback is being emphasized when it comes to the potential impact that affects all the lifecycle of the building. However, the latency and disconnection of domain expert in the sector of AEC/FM remain current obstacles between design and performance feedback. It is hard to utilize performance feedback information for design exploration and support design decision making during the conceptual phase of design. Using parametric design, this paper proposes various design alternatives from a set of rules and constraints defined by algorithms for the geometric configurations of an Office Building. A Building Performance Analysis (BPA) was to developed using Autodesk® Revit® 2019 which integrates Autodesk® Green Building Studio® to predict its sufficient daylighting conditions of the LEED v4's Daylighting Autonomy (DA). The parametric-based performance feedback of this study outlines potential design improvements for further exploration in application to the early design process.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Fundamental of LOD Definitions for Conceptual Design, ⌜Alferieff, D. & Bomba, M, 2019⌟
그림 Fig. 1. Constraints of Revit; Reference Lines & Planes
그림 Fig. 2. Technical Errors of Void & Solid Form Generations in the Revit
그림 Fig. 3. Parametric Descriptions for Terrace Shaped Mass; (a)&(c)Reference Planes as the Constraints, (b)Design Alternatives by the Parametric Variations
표 Table 2. Constraint Formula of If-Statements using the Visual Parameter 'Vis'
표 Table 3. Simulation Settings for the Daylighting Analysis
표 Table 4. Result of DA Visualized as the Graduation Map
표 Table 5. Results of DA Classified by Floor Level

AI 본문요약
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문제 정의

서로 다른 모델링 작업환경 간에 특정한 형상이 잘 넘어가지 않거나, 형상을 생성하는 모델링 방식 및 표현의 차이 등으로 인해 호환성이 떨어진다. 따라서, 디자인 프로세스의 초기과정에서부터 BIM 라이브러리를 적극적으로 활용하기 위해, 본 연구는 기획 (Pre Design) 및 계획설계(Schematic Design) 단계에서 생성되는 건축물의 형상과 연동 가능한 BIM 객체의 기하정보에 대한 상관관계 정보체계를 정의한 파라메트릭 모델링을 수행하고, 이를 토대로 초기 설계안에 대한 일조성능 기반의 정량적인 분석기법을 제안한다.

제안 방법

매개변수는 물론 참조평면들 사이에도 상관관계가 정의되어야 한다. 이에 본 연구에서는 참조평면 사이의 거리를 파라미터로 설정한 후, 정의되어진 참조 평면들에 매스 형상들을 구속시키는 방법을 제안한다.
형상이 연동되는 기하정보를 정의해주는 파라메트릭 모델링과 일조분석을 동일한 시스템 내에서 연속적으로 수행함으로써 디자인 프로세스의 연속성을 높일 수 있도록, 본 연구에서는 가장 많은 사용자그룹을 확보하고 있는 Autodesk® Revit® (이하 Revit)을 통해 오피스 형상에 대한 파라메트릭 관계를 정의하고, 분석엔진으로 Autodesk® Green Building Studio® (이하 GBS)를 활용하도록 한다 [2], [3]. 이러한 프로세스를 통해, 파라메트릭 변형에 따른 다양한 설계 대안들을 대상으로 조도분석기법을 제시하여 디자인 검토에 활용 가능한 정량적인 가이드라인을 제공하고자 한다.

대상 데이터

BIM의 모델링 데이터에 대한 디테일 기준(Level of Development. 이하 LOD) 중에서 설계 초기단계에 해당하는 100에서 200를 본 연구의 범위로 한다. 분석 대상 건축물 유형은 국토부의 BIM 국가연구개발사업에서 표준 샘플로 제시되어 있는 오피스를 그 대상으로 한다 [1].
국토부 가이드인 KBIMS의 BIL 10에 제시된 수행업무요소(용도구분, 건폐율, 용적률, 층수, 건물형태)에 근거하여, 본 연구는 오피스 초기 설계단계에서 Conceptual Mass 템플릿을 기반으로 한다. 매스에서 부재단위로의 연속적인 데이터 전환이 가능하도록 해당 템플릿에서 파라매트릭 제약조건을 통해 형상 정의된 오피스 매스 데이터를 Revit의 프로젝트 모드로 변환하도록 한다.
이하 LOD) 중에서 설계 초기단계에 해당하는 100에서 200를 본 연구의 범위로 한다. 분석 대상 건축물 유형은 국토부의 BIM 국가연구개발사업에서 표준 샘플로 제시되어 있는 오피스를 그 대상으로 한다 [1].

이론/모형

테라스 형 오피스 매스를 대상으로 여러 설계대안의 발전과정을 통해 파라메트릭 변형에 따라 실내조도 성능에 대한 정량적 분석을 수행한다. 본 연구에서는 미국 친환경 건축물 협의희(USGBC)의 LEED에서 제시한 실내환경 부문 중 ‘Daylight & Views’ 에서 규정하고 있는 유용조도(Daylight Autonomy. 이하 DA)를 기준으로 한다 [7]. DA는 인공 조명 없이 일조만으로 최소한의 조도를 만족하는 시간 비율로, 적정조도 기준인 300~3000lux를 만족하는 분포비율이 전체 바닥면적(55%이면 2점, 75%이면 3점)에 따라 조도성능을 판단할 수 있다.

성능/효과

3를 제안하고, 조도성능 분석을 통해, 앞서의 대안들과 비교 데이터를 다음의 Table 5로 정리하였다. 결론적으로, 10% 내외의 조도성능이 개선된 디자인 대안을 도출한 것이 확인된 것이다.
먼저, 각 층이 모두 동일한 테라스를 가지도록 기준층 형상이 모든 층에 반복되는 매스 형상을 대상으로 DA를 분석한다. 그 결과, 오전/오후 모두에서 적정조도를 만족하는 면적 비율은 남서향 배치일 때 33.4%, 남동향의 경우는 46.26%의 결과가 도출되었다. 이를 통해, 남동향이 남서향 보다 약 13% 정도의 조도성능을 높일 수 있는 배치로 판단가능하다.
다음으로, 파라메트릭 변형된 형상 중에서 적절한 조도분포를 보이는 설계안을 토대로, 남서향으로 배치한 Alt.1은 30.9%, 남동향 배치인 Alt.2는 45.1%의 결과가 나왔다. 그런데, 모든 층에 테라스를 설치한 매스와 비교해보니, 오히려 실내조도 성능이 더 낮은 시뮬레이션 결과가 나왔다.
26%의 결과가 도출되었다. 이를 통해, 남동향이 남서향 보다 약 13% 정도의 조도성능을 높일 수 있는 배치로 판단가능하다.

후속연구

기획 및 계획설계 과정에서 수행되는 규모검토에 이를 적용하게 되면, 오피스의 실내조도 성능에 적절한 설계대안을 도출해내기 위한 피드백을 통해 디자인 의사결정을 지원해주는 것이 가능할 것이다. 이어지는 후속 연구에서는 BIL 20에 해당하는 입면 디자인으로서, 최대 적정조도 범위를 넘어서는 DA 비율이 나타난 평면유형에 대하여, 이를 최소화할 수 있도록 커튼월 스팬드럴의 위치에 대한 파라메트릭 변형 및 조도분석을 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블록 조합형이란 무엇인가?	(2) 블록 조합형(Blocked Shaped Mass) : 블록 형상들을 다양하게 조합하는 방식으로 오피스 매스를 생성하는 디자인 논리를 적용. 이를 위해, 디자인 대안을 생성할 수 있는 형태생성이 가능하도록 기본 형상에서 다른 형상을 빼내는 부울 연산(Boolean Operation) 연산을 적용.
	건축설계의 초기 단계에는 어떤 프로그램이 활용되는가?	건축설계의 초기 단계는 디자인 개념에 따라 다양한 설계 대안들을 발전시키는 과정에서 형태생성이 용이한 모델링 프로그램들이 활용되고 있다. 그런데, 이들 어플리케이션과 상용 BIM 시스템 사이에서 데이터를 변환할 때 여러 제약이 따른다.
	형태생성이 용이한 모델링 프로그램의 단점은 무엇인가?	그런데, 이들 어플리케이션과 상용 BIM 시스템 사이에서 데이터를 변환할 때 여러 제약이 따른다. 서로 다른 모델링 작업환경 간에 특정한 형상이 잘 넘어가지 않거나, 형상을 생성하는 모델링 방식 및 표현의 차이 등으로 인해 호환성이 떨어진다. 따라서, 디자인 프로세스의 초기과정에서부터 BIM 라이브러리를 적극적으로 활용하기 위해, 본 연구는 기획 (Pre Design) 및 계획설계(Schematic Design) 단계에서 생성되는 건축물의 형상과 연동 가능한 BIM 객체의 기하정보에 대한 상관관계 정보체계를 정의한 파라메트릭 모델링을 수행하고, 이를 토대로 초기 설계안에 대한 일조성능 기반의 정량적인 분석기법을 제안한다.

참고문헌 (7)

buildingSMART Korea, OpenBIM based Korea BIM Standard and IT-Environment. Available Form: http://kbims.or.kr/sub/Default.aspx (accessed Sep. 20, 2019)
Autodesk Inc.: Autodesk Revit 2019. Available From: https://knowledge.autodesk.com/support/revit-produ cts/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2018/ENU/Revit-Model/files/GUID-A0FA7A2C-9C1D-40F3-A808-73CD0A4A3F20-htm.html (accessed Sep. 20, 2019)
Autodesk Inc., 2013. Autodesk Green Building Studio: Building Performance Analysis. [Online] Available From: https://gbs.autodesk.com/GBS/ (accessed Sep. 20, 2019)
Dmitri Alferieff, Michael Bomba, "Level of Development (LOD) Specification Part I & Commentary for Building Information Models and Data", BIMForum: The US Chapter of buildingSMART International, pp.13-16, Apr. 2019
buildingSMART International, Welcome to the BIM Guides Project, Available Form: http://bimguides.vtreem.com/bin/view/Main/ (accessed Sep. 20, 2019)
Building and Construction Authority, Housing & Development Board (HDB) BIM Guide Vs2 Final, Singapore, Singapore, pp.60-66, Jul. 2015.
U.S. G.B.C., LEED v4: The future of green building is here, U.S. Green Building Council, 2016

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