1.1 연구의 배경

정부에서는 신축 건축물의 에너지효율화를 위하여 허가단계에서 건축물의 유형에 따라 의무적으로 준수해야하는 제도를 규정하고 있다. 그 중 건축물의 에너지절약설계기준은 500 제곱미터 이상의 건축물에 대한 의무사항들을 규정하고 있으며, 지시적 항목을 채택하여 취득한 점수를 기준으로 그 적합성을 판단한다.

이 규정에 따라 작성하는 건축물 에너지절약계획서의 에너지성능지표(EPI, Energy Performance Index)는 건축물의 에너지성능에 영향을 미치는 요인을 제한적으로 평가한다는 한계가 있으나, 지시적 조건(prescriptive approach)으로 성능을 평가하므로, 설계과정에서 건축 요소별로 성능기준을 충족시키는 경우에는 설계 완료 후 에너지 성능을 위해 설계변경을 수행하지 않아도 된다는 장점을 가진다(이와 대조적으로 성능적 평가는 보통 설계완료 후 가능하다). 즉, 설계 단계에서 이 규정을 고려하여 디자인을 수행한다면, 모델을 완성하기 이전에 법적 성능기준 만족여부를 예측할 수 있다.

이러한 장점에도 불구하고, 건축물 에너지절약계획서를 통한 에너지성능 검증은 다음과 같은 장애요인을 가지고 있다. 첫째, 건축물 에너지절약계획서의 적합성을 증빙하기 위해서는 많은 근거 도면 작성이 요구되고, 이 과정에서 작성자의 실수 가능성이 있으며, 검토자가 모든 부위를 정확하게 파악하기 어렵다는 물리적 한계를 가진다는 점이다. 둘째, 적합성을 검토하는 과정에서 변경사항이 있거나, 허가 과정 및 다른 심의에서 설계 변경이 있는 경우 누락 내용이 발생하거나, 변경사항이 제대로 반영되지 않아 도면 간 불일치 문제가 발생한다는 점이다. 셋째, 건축물 준공 시 체크리스트 형식으로 작성하여 제출하도록 되어 있는 이행 검토서가 존재하나, 이것이 실제로 적합하게 반영되어 있는지 확인할 수 있는 방법에 한계가 있다는 점이다.

만약 BIM(Building Information Modeling)을 건축물 에너지절약계획서 작성 및 검토 과정에 활용 가능하도록 도입한다면 앞서 제시한 문제를 다음과 같이 해결할 수 있다. 첫 번째로 제시한 문제점은 두 가지 관점의 해결방안이 있다. 먼저 단기적인 해결방안으로는 자동 도면 작성 기능을 활용하여 근거 도면을 쉽게 작성하여 도면 작성에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 그리고 근본적인 해결방안으로는 디자인 과정에서 BIM의 규칙기반 검토기능을 활용하여 도면 작성 없이, BIM에 적용된 규칙의 적정성을 확인하는 검토 방식으로 패러다임을 전환하여 문제를 해결할 수 있다. 이 뿐 아니라 규칙기반 검토 방식은 설계 과정에서의 디자인 자율성을 더욱 보장할 수 있다. 두 번째와 세 번째 문제점은 건설 프로세스 전반에 걸쳐 BIM을 활용하면 해결할 수 있다. 도면 간 불일치 문제는 상호운용성을 기반으로 동기화 모델을 활용한다면, 특정 분야의 변경사항 발생 시 모든 분야에 변경사항을 반영할 수 있으므로 문제를 해결할 수 있다. 준공 시 이행확인 문제는 시공 과정에서 BIM을 활용하여 준공된 건축물의 BIM 모델 확인을 통해 준공성능을 확인하여 해결할 수 있다. 그러나 만약 EPI 검토 목적으로만 BIM을 활용하더라도 규칙기반 모델 검토를 통해 에너지성능에 대한 법적 기준의 타당성을 확인하거나 자동 도면 작성 기능을 통해 에너지절약계획서 및 근거자료를 자동으로 산출할 수 있으므로 현재 발생하는 여러 문제점을 크게 개선할 수 있다.

1.2 선행연구 분석

EPI를 BIM으로 자동화하여 평가하기 위한 선행연구는 다음과 같다.

먼저, EPI 근거자료 중 외피의 단열성능 평가와 그 근거자료를 자동으로 산출하기 위한 연구로서 Kim et al.⁽³⁾은 외피 및 외기 관계에 따른 단열 기준의 차이를 판별할 수 있는 알고리즘을 도출하였다. Cho et al.⁽⁴⁾은 Revit의 프로그래밍 도구인 Dynamo를 활용하여 이미 작성된 외피 객체정보로부터 외피정보와 열관류율 정보를 추출하여 그 정확도가 91%, 100% 수준으로 확보될 수 있음을 확인하였다. Kim et al.⁽⁵⁾은 IFC(Industry Foundation Classes) 표준 기반으로 외피전개도 요구정보를 추출하는 방안과 알고리즘을 제시하여 외피전개도를 자동화하는 연구를 수행하였다.

EPI를 자동화하여 평가하기 위한 선행연구로서 Kim et al.⁽⁶⁾은 EPI 건축부문의 요구정보를 분석하여 IFC 표준 기반으로 데이터를 저장하는 방법을 제시하고, 변환 과정의 문제점 및 개선 방안을 제시하여 BIM을 활용한 평가 자동화 프로세스를 제안하였다. Hong et al.⁽⁷⁾은 EPI 건축부문을 자동으로 평가하기 위한 요구정보들을 정리하였다. Kim et al.⁽⁸⁾은 EPI 규칙검토를 위해 IFC 표준 기반으로 데이터 구조화 방안을 제시하고, 작성 기준을 관리하고 활용할 수 있는 체계와 절차를 도출하였다.

앞서 살펴본 바와 같이 EPI 자동화 평가를 위한 다양한 연구가 수행되었으나, 설계 과정에서 BIM 모델을 작성할 때 EPI에 따른 에너지성능의 적정성을 판단할 수 있는 규칙검토나 EPI 항목별 평가를 위해 필요한 모델상세수준이 제시되지 않고, 설계가 완료된 이후에서의 BIM의 EPI 자동화 관점에서만 연구가 수행되었다는 사실을 알 수 있다. 만약 설계 과정에서 규칙검토 등을 통해 EPI의 적정성을 판단할 수 있다면 디자인의 자율성을 더욱 보장받을 수 있을 뿐 아니라, 설계가 완료된 이후 허가 기준을 충족시키기 위해 디자인을 변경해야하는 상황을 줄일 수 있다.

또한 허가 과정의 근거서류를 자동화하는 관점에서 연구가 수행되고 있어, 각 EPI 항목이 목표하는 의도가 반영되지 않는 오류들이 일부 발견되었다. 예를 들어 건축물 외피 평가에 있어서 단열 누락부위 등을 확인하는 절차가 누락되어 있는 점을 들 수 있다.

한편 BIM 환경에서 EPI를 규칙검토로 평가하기 위해서는, 건축설계 프로세스 단계별 모델 상세수준에 따라 검토 가능한 세부사항을 도출하는 것이 필요하다. 이를 위해 설계 절차에 따른 업무 수준을 정의하는 LOD를 활용할 수 있는데, 이는 BIM 도입 초기에는 효율적인 BIM 활용을 위해 실제 세계에서 존재하거나 생성되는 모든 정보 대신 프로젝트에 필요한 정보를 추상화하고 목적에 맞는 모델의 세부 수준을 결정하는 것을 의미하는 모델상세수준으로서의 LOD(Level of Detail)가 사용되었으나, 최근에는 설계 프로세스가 후반으로 진행되더라도 모델이 상세해지지 않는다는 점을 반영하여 단계별 업무에 초점을 맞춘 모델개발수준으로서의 LOD(Level of Development)로 의미가 확장되었다. 이와 관련된 연구동향을 확인하기 위하여 에너지 성능을 두 가지 LOD 관점에서 수행한 선행연구를 검토하였다.

Roh et al.⁽¹⁰⁾은 국내 조달청 BIM 가이드라인과 해외 사례의 모델상세수준 LOD를 비교하여 국내 가이드라인이 가지고 있는 한계를 제시하였다. Cho et al.⁽¹¹⁾은 작성자 입자에서 국내 BIM 가이드라인을 도출하기 위하여 모델상세수준 LOD를 중심으로 국내외 BIM 가이드라인을 분석하여 국내 설계 단계별 BIM 모델 요구사항과 모델상세수준을 도출하였다. Choo et al.⁽¹²⁾은 두 가지 LOD 관점인 업무범위와 모델상세 수준에 따라 에너지 시뮬레이션 기반의 에너지성능분석 요구사항을 정리하고, 이를 다시 에너지 성능 평가용 객체별로 모델링 수준을 구분하여 정리하였다.

이와 같이 국내에서는 일반적인 설계절차에서의 LOD 연구와 에너지 시뮬레이션을 통한 설계단계에 따른 에너지성능평가(성능적 평가) LOD 연구가 수행되고 있으나, EPI 규칙 검토(지시적 평가)를 위한 설계단계별 LOD 관련 연구는 부재하는 것으로 확인하였다.

1.3 연구 목적 및 수행 방법

따라서 본 연구에서는 BIM을 활용한 건축 설계과정에서 EPI 항목별 채택 여부 및 배점을 결정할 수 있도록 EPI 성능 검토를 위한 항목을 모델상세수준 LOD로 구분하여 자동으로 생성되어야 하는 정보를 도출하고, 이를 바탕으로 모델개발수준 LOD에 따른 항목채택단계 및 배점확정단계를 제시하여 BIM을 활용한 EPI 규칙평가의 기반을 마련하고자 한다.

이를 위해 수행하는 연구의 수행절차는 다음과 같다.

첫째, EPI 법적 기준에 근거하여 EPI 항목별 배점 기준 및 요구사항을 판별하는 알고리즘을 개발한다. 건축물의 유형에 따라 EPI 배점 기준과 준수해야 하는 의무사항이 달라지기 때문에 EPI 자동평가를 위해서는 해당 건축물이 어떤 유형에 해당하는지 판단이 필요하다. 따라서 이를 위한 판별용 알고리즘을 우선적으로 도출한다.

둘째, 에너지 시뮬레이션 성능평가 관련 모델상세수준 LOD 선행연구를 기반으로 EPI 제도의 요구사항을 매칭하여 모델상세수준 LOD를 구분하여, 자동으로 생성할 수 있는 정보와 사용자가 정의해야 하는 정보를 정의하고, 이를 시스템으로 구성하는 경우 도출되는 단계별 업무를 제시한다.

셋째, 두 번째 단계에서 도출된 내용을 기반으로 모델개발수준 LOD에 따른 EPI 항목을 채택할 수 있는 시기와 배점이 결정되는 시기를 도출한다.

3.1 모델상세수준 및 개발수준에 따른 EPI 점수취득 요구사항 도출

미국 AIA(American Institute of Architects) Document E202-2008에서는 두 가지 LOD를 모두 사용하고 있으며, 모델개발수준 LOD 단계를 100에서 500으로 구분하여 다음과 같이 정의하고 있다. LOD 100은 개념설계단계로서 면적, 높이, 부피, 위치 및 방향을 나타내는 전체 건물 매스를 3차원으로 모델링하거나, 다른 데이터로 표시되는 상태이다. LOD 200은 개념이 구체화되어 대략적인 기하학이 결정되는 단계로서 모델 요소의 대표적인 수량, 크기, 모양, 위치 방향을 사용하여 일반화된 시스템 또는 결합으로 모델링되는 상태이다. LOD 300은 상세한 기하학이 결정되는 설계단계로서 모델 요소를 수량, 크기, 모양, 위치 및 방향 면에서 정확한 구체적인 결합으로 모델링되는 상태이다. LOD 400은 실제 제작 및 시공 수준의 모델링 단계로 모델요소의 완전한 제작 및 결합 상세정보와 함께 크기, 모양, 위치, 수량, 방향이 정확하게 특정되는 상태이다. LOD 500은 실제 준공된 건축물과 동일한 상태이다.

Choo et al.⁽¹²⁾은 미국 AIA Document E202-2008에서 혼용하는 두 가지 LOD에 대해 모델개발수준 LOD는 “모델링 수준에 따른 단계별 업무”로, 모델상세수준 LOD는 “설계프로세스 단계별 모델링 수준을 의미하는 것으로 단계별 모델 요소(Model Element)의 모델링 방법, 입력 데이터, 통합 모델의 활용 등에 대한 구체적이고, 직접적인 모델링 작업의 수준”으로 정의하였으며, 본 연구에서는 여기에서 분류한 개념을 사용한다. 또한 EPI를 규칙기반으로 평가하기 위한 모델상세수준 및 개발수준 LOD를 결정하기 위하여, Choo et al.⁽¹²⁾의 연구에서 수행한 두 가지 관점의 LOD 단계에 따른 일반적인 건축설계 업무와 상세수준을 정의한 설계자의 업무와 디자인 구성요소 내용을 인용하였다. 이를 정리한 결과는 Table 1과 같다.

이를 기반으로 EPI 법적 기준을 고려하여 모델상세수준 LOD에 따른 EPI 건축부문 항목별 수행 요구사항을 도출하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 표에서 (u)로 표기된 내용은 사용자가 직접 정의해야하는 요구사항 (user-defined requirement)이며, 배점을 위해서는 설계자의 의사결정에 따라 수동으로 입력되어야 하는 항목이다. (a)로 표기된 내용은 시스템에서 자동으로 도출되어야 하는 요구사항(auto-defined requirement)이며, 설계과정에서 일정 수준의 모델링이 완성되면 자동으로 확인되어야 하는 항목이다. (ac)는 항목의 배점 확인을 위해 시스템에서 자동으로 계산되어야 하는 요구사항(auto-calculated requirement)이며, 일정 수준의 모델링이 완성되면 관련 항목의 자동으로 배점이 생성 및 확인되어야 하는 항목이다. 이 때, 건축물의 지역, 용도, 건축주는 모델링 시작 전에 입력 및 정의되어야 한다(이 세 가지 요소는 모든 항목의 배점을 결정하는 요인이다).

Table 2에 제시된 모델상세수준 LOD에 따라 시스템을 구성할 경우, 각 단계별 사용자 및 시스템의 요구사항에 따른 단계별 업무는 다음과 같이 정리할 수 있다.

EPI 1번부터 3번까지는 LOD 100에서 사용자가 부재를 배치하면 시스템은 해당 부재의 형상에 따라 지붕, 벽체, 창호인지에 따라 기준 열관류율이 자동으로 결정한다. 200에서는 사용자가 공간을 구체화하면서 부재를 배치하면, 시스템은 해당 부재가 외기 직접인지 간접인지에 따라 단열기준이 자동으로 생성한다. 그 후 사용자는 해당부위의 기준에 따라 단열을 위한 공간박스를 최소단열두께 이상으로 배치하고 시스템은 단열누락 부위를 확인한다. 300에서는 사용자가 공간박스로 배치하였던 부재에 구체적으로 재료를 구성하고 이를 기반으로 시스템은 각 부위의 구체적인 열관류율을 계산하며, 이 과정에서 단열누락이 발생하지 않는지 자동으로 확인한다. 모든 단열재 배치가 완료되면 시스템은 외벽, 지붕, 바닥의 평균열관류율을 자동으로 산출하여 배점한다. 이 절차가 마무리되면 시스템은 시공을 위한 일반적인 상세도를 자동으로 생성한다.

EPI 4번은 LOD 200에서 사용자가 개구부를 디자인하여 창호면적비를 조정하면 시스템은 창호면적비가 50% 미만인지 확인하여 배점가능 여부를 판별하고, 배점이 가능한 경우 열교부위를 도출한다. 300에서는 사용자가 각 열교부위에 대해 단열상세를 설계하면, 시스템은 각 열교부위의 열관류율을 확인하여 열교부위의 평균열관류 율을 산출하여 배점한다. 이 절차가 마무리되면 시스템은 시공을 위한 일반적인 상세도를 자동으로 생성한다.

EPI 5번은 LOD 200에서 시스템이 사용자가 설계한 내용을 기반으로 외기에 직접 면하는 창호를 판별한다. 300에서 사용자가 외기에 직접 면하는 각 창호의 기밀성능을 결정하면, 시스템은 각 창호의 침기율에 따른 등급을 산정하고, 모든 창호의 평균 침기율 등급 계산을 통해 배점한다. 이 절차가 마무리되면, 시스템은 창호 기밀성능의 정보를 창호일람표에 자동으로 반영한다.

EPI 6번은 용도에 따라 두 가지로 나뉜다. LOD 200에서 사용자가 공간 및 자연채광용 개구부를 설계하면, 수영장의 경우 시스템은 바닥면적에 대한 자연채광용 개구부 면적비를 자동으로 산출하여 배점한다. 그 외의 용도에서는 자연채광용 개구부와 외주부 바닥면적을 자동으로 산출한다. 300에서는 사용자가 구체적인 창호의 종류를 선택하면, 시스템이 창호의 개폐면적을 자동으로 산출하여 수영장 외 용도 건축물의 외주부 바닥면적에 대한 자연채광용 창호의 개폐면적을 계산하여 배점한다. 이 절차가 마무리되면, 시스템은 창호 디자인의 정보를 창호일람표에 자동으로 반영한다.

EPI 7번은 LOD 200에서 시스템이 창 면적을 자동으로 산출하고, 300에서 사용자가 창에 적용할 야간단열 장치를 선택하면, 시스템은 전체 창에 대한 야간단열장치의 면적을 자동으로 산출하여 배점한다. 이때 시스템은 해당 장치를 시공하는 일반적인 상세도를 자동으로 생성한다.

EPI 8번은 LOD 200에서 시스템이 남측과 서측의 창 면적을 자동으로 산출하고, 300에서 사용자가 창의 구체적인 규격을 선택하면 시스템이 남측 및 서측의 투광부 면적을 산출한다. 그 다음 사용자가 각 창에 적용할 구체적인 차양장치를 선택하면 시스템은 각 차양장치의 SHGC 값을 산출하고, 그 값이 0.6 이상인 차양장치의 투광부 면적에 대한 면적비를 자동으로 산출하여 배점한다.

EPI 9번은 LOD 200에서 시스템이 방위에 따른 창 면적과 일사량, 냉난방부위의 외피면적을 자동으로 산출한다. 300에서는 사용자가 창의 구체적 규격을 선택하면 시스템이 각 방위에 따른 투광부 면적을 산출한다. 그 다음 사용자가 구체적인 차양장치를 선택하면 시스템은 창 및 차양 특성을 반영하여 각 방위별 태양열 취득을 산출하고, 건축물 외피면적당 평균 태양열 취득을 자동으로 산출하여 배점한다.

EPI 10번은 LOD 200에서 사용자가 공동주택 주동 출입구 또는 모든 세대 현관문에 방풍실 또는 회전문 설치를 위한 공간박스를 배치하고, 300에서 각 문의 상세를 결정하면 시스템이 주동 출입구 또는 모든 세대 현관문이 방풍구조를 판별하여 자동으로 배점한다.

EPI 11번은 LOD 100에서 사용자가 공동주택 동별 높이와 인동간격을 고려하여 배치하고, 200에서 구체적인 높이를 결정하면 시스템이 인동간격비를 자동으로 산출하여 배점한다.

EPI 12번과 13번은 LOD 100에서 사용자가 공동주택 지하주차장 계획 여부를 결정하고, 지하주차장이 없는 경우 시스템은 13번을 자동을 배점한다. 지하주차장이 있는 경우에는 LOD 200에서 사용자가 지하 1층 주차장에 300 ㎡ 마다 2 ㎡ 이상의 채광용 개구부를 배치하고, LOD 300에서 사용자가 주위 밝기에 따라 전등군별로 자동점멸 또는 스케줄제어가 가능하도록 조명설비를 배치하면 시스템이 12번을 자동으로 배점한다.

EPI 배점계획은 LOD 300에서 완료된다. 그러나 실제로 시공 및 성능 구현을 위해 다음 단계에서 수행해야 할 내용은 다음과 같다. LOD 400에서는 설계단계에서 계획한 내용이 실제 환경에 적합하게 시공될 수 있도록 시공여건에 맞는 재료의 제작 및 시방서를 제작하고, 이를 따라 시공한다. LOD 500에서는 최종적으로 시공된 내용을 모델에 반영하여 모델과 실제건물을 일치시킨다. 이를 통해 건축물의 실제 EPI 성능이 자동으로 산출되며, 별도의 이행검토서 없이 최종 BIM 모델을 통해 EPI 적정성을 확인할 수 있다.

이와 같이 이 절에서 도출된 모델상세수준 LOD에 따른 EPI 배점 요구사항은, 설계 프로세스의 관점에서 모델상세수준 및 정보의 설정주체에 따라 사용자, 시스템(관련 정보, 배점)으로 구분된 업무절차로 표현될 수 있으며, 이는 BIM에서 EPI 규칙검토를 수행하기 위한 시스템 요구사항의 기초정보로 활용할 수 있다.

3.2 모델개발수준에 따른 EPI 점수취득 의사결정 및 배점 시기 도출

제3.1절에서 개발한 모델상세수준(Level of Detail) 및 단계별 업무를 기반으로 모델개발수준(Level of Development)에 따른 EPI 점수 취득을 위한 의사결정 및 배점 산출 시기를 확인할 수 있으며, 이는 Table 3과 같다. 이를 통해 모델개발수준에 따른 EPI 항목별 점수 취득 여부를 결정해야 하는 시점과 선택한 항목의 점수를 확정하는 시점에 대해 참고할 수 있다. 이는 건축가가 EPI 점수 취득을 고려하여 디자인할 수 있는 체크리스트가 된다.

또한 Table 3에 정리된 EPI 건축부문의 항목별 점수취득의 특징을 살펴보면, 단순 장치에 대한 점수 취득은 비교적 설계가 많이 진행된 단계에서 채택이 가능하지만, 디자인에 영향을 미치는 항목의 경우 설계초기 단계에서 점수 취득 여부를 결정해야 하고, 배점이 결정됨을 확인할 수 있다.