KIEAE Journal

건설 산업에서 발생하는 이산화탄소는 전 세계 총 이산화탄소 배출량의 약 37%를 차지한다[1]. 이에 따라, 건축물의 전 생애주기 동안 발생하는 이산화탄소의 양을 감소시키기 위한 다양한 정책과 기술이 전 세계적으로 도입되고 있다. 특히, 건축물의 설계, 시공, 유지관리, 폐기단계에서 발생하는 오염물질의 양을 정량화하고 그 환경적 영향을 분석하는 전과정평가(Life Cycle Assessment; LCA)의 중요성이 강조되고 있다. 하지만, LCA는 복잡하고 상세한 데이터를 요구하며, 다양한 환경적 지표를 고려해야 하므로 비전문가가 다루기엔 한계가 있다. 이에 건설 산업에서는 건축물의 지속가능성을 고려하여 LCA와 건축물의 정보를 포함하고 있는 BIM(Building Information modeling)을 통합하여 LCA의 접근성과 이해도를 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다. Forth et al.(2023)은 IFC(Industry Foundation Classes)와 BCF(BIM Collaboration Format)를 활용하여, LCA와 연계된 초기 설계 단계에서의 의사결정 지원 시스템을 제안하였다[2]. Röck et al.(2018)은 LCA 데이터와 BIM 데이터를 통합하여 초기 설계 단계에서 건축자재의 환경적 영향을 평가하고, 그 결과를 BIM 모델로 시각화하였다[3]. Wiberg et al.(2019)는 BIM과 ZEB(Zero Energy Building) tool을 사용하여 다양한 설계에 따른 환경 영향을 고려할 수 있는 시스템을 제안하였다[4]. 그러나 이러한 연구는 주로 신축 건축물의 설계 단계에 초점을 맞추고 있으며, 기존 건축물이 환경에 미치는 영향은 충분히 고려하기에 한계가 있다.

국토교통부는 2050년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 88.1% 감축하기 위한 ‘국토교통 탄소중립 로드맵’을 발표하였으며, 기존 건축물의 경우 그린 리모델링을 통한 탄소배출량 감소를 목표로 한다[5]. 국토교통부의 건축물 통계에 따르면, 2017년~2021년 연평균 전체 건축물 7,256,229 동 중에서 신축 건축물은 0.65%이고, 기존 건축물의 비율은 99.35%를 차지한다[6]. 이러한 상황에서, 새로운 건축물을 건설하는 것보다 기존 건축물의 리모델링을 통한 환경적 영향 최소화가 우선적인 과제로 인식되고 있다. 즉, 기존 건축물을 환경적 영향을 고려하여 리모델링하는 것은 탄소 중립 목표 달성에 있어 중요한 전략이 될 수 있다. 특히, 기존 건축물에 사용되는 건축자재 생산과정에서 발생하는 온실가스는 전체 산업부문에서 배출되는 온실가스의 약 11%를 차지한다[7]. 즉, 전체 건축물 중 99% 이상을 차지하는 기존 건축물의 유지관리 단계에서 사용되는 건축자재에 대한 체계적인 관리가 필요하다.

한편, 건축물에서 발생하는 이산화탄소는 건축자재 생산, 운송, 건축 시공, 폐기과정에서 발생하는 내재 탄소와 건축물 운영단계에서 냉난방, 조명, 전력 사용 등으로 배출하는 운영 탄소로 나뉜다[8]. Patiño-Cambeiro(2017)는 BIM과 Design Builder를 사용하여 기존 건축물의 운영단계에서 사용되는 에너지 성능을 평가하고, 그에 따른 탄소배출량을 분석하였다[9]. Kim(2018)은 기존 건축물의 에너지의 성능을 BIM을 기반으로 분석하고, 에너지 효율성을 높일 수 있는 리모델링 방법을 제안하는 시스템을 제안하였다[10]. Zhao et al.(2021)은 제로 에너지 건물 개념을 기반으로 기존 건축물의 에너지 효율을 높이기 위한 리모델링 방법을 평가하였다. 해당 연구는 사례연구를 통해 건축물의 에너지 소비를 7.52% 줄이고, 이산화탄소 배출을 85.9% 감소시킬 수 있었다[11]. 기존 건축물의 탄소배출량을 줄이기 위해 선행연구들은 주로 운영단계에서의 에너지 사용으로 배출되는 탄소를 중점적으로 고려하였다. 하지만, 기존 건축물의 탄소 배출을 줄이기 위해서는 운영 탄소뿐만 아니라 내재 탄소의 관리도 중요하다. 이와 함께, LCA에 대한 전문지식이 없는 비전문가도 LCA의 접근성과 이해도를 높여 내재 탄소로 인한 환경적 영향을 효과적으로 관리하고 개선할 필요가 있다.

본 연구는 기존 건축물의 리모델링 과정에서 내재 탄소를 고려한 환경적 영향을 평가하기 위해 BIM 기반 리모델링 건축물의 자재별 온실가스 배출량 분석 방법을 제안한다(Fig. 1.). 첫째, 기존 건축물의 BIM 모델을 사용하여 환경 영향 분석을 위한 자재의 양과 비용을 산출한다. 둘째, 산출된 자재의 양에 따라 LCA를 수행하여 온실가스 배출량을 계산한다. 셋째, 자재에 따른 온실가스 배출량을 Dynamo를 사용하여 BIM 모델로 시각화한다.

Fig. 1. 
Overview of proposed method

건축물의 자재 중 외장재는 종류와 특성에 따라 서로 다른 자재 생산단계를 거치며, 리모델링 시 선택되는 외장재에 따라 온실가스 배출량에 큰 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 본 연구는 기존 건축물의 리모델링을 고려하는 대표적인 사례로 외장재 교체 과정을 중심으로 온실가스 배출량을 분석하고자 한다. 대상 건축물은 Fig. 2.와 같이 지상 5층 규모의 벽돌 타일 외장재를 사용한 가상의 건축물로 선정하였다.

Fig. 2. 
Target building for life cycle assessment

본 연구의 목적은 리모델링 과정에서 환경 영향을 고려할 수 있도록, BIM을 기반으로 건축자재의 온실가스 배출량을 분석하는 것이다. 이를 위해, LCA는 외장재를 교체하는 경우에 초점을 맞추어, 다양한 외장재의 환경 영향을 분석한다. LCA의 범위는 건축 자재의 생산단계와 수선 및 교체 단계로 설정하였다. 또한, 한국물가정보[12]에서 제공하는 건축자재의 비용과 한국은행[13]에서 제공하는 산업연관표를 사용하여 LCA를 분석하였다. 분석 기간은 50년으로 설정되었으며, 온난화 지수(Global Warming Potential, GWP)를 환경 영향 평가의 주요 지표로 선정하였다.

건축물의 리모델링 과정에서 외장재의 환경 영향을 평가하기 위해서는, 전과정목록(Life Cycle Inventory; LCI) 분석을 활용하여 건축 자재의 생산단계와 수선 및 교체 단계에서 사용되고 배출되는 모든 원자재를 산출해야 한다. 본 연구는 개별적 산정 방식과 산업 연관 방식을 결합한 혼합방식인 Hybrid-LCA를 기반으로 분석을 수행하였다.

첫째, 산업 연관 방식을 통해 건축 자재 생산단계에서 사용되는 직접 및 간접 에너지원의 양을 계산한다. 직접 에너지원은 자재의 직접적인 생산에 필요한 에너지를, 간접 에너지원은 원자재의 채굴, 운송 등 자재 공급망에 필요한 에너지를 의미한다. 자재 생산에 직접 사용되는 에너지원은 건축 자재의 금액 단위당 직접 사용되는 에너지의 양을 나타내는 에너지 사용 계수(Energy Utilization Coefficient; EUC)와 자재 비용(Material Cost; MC)을 곱하여 산정한다(Eq. 1).

간접 에너지원은 에너지 사용계수(EUC), 생산유발계수(Leontief inverse matrix; (I-A)^-1), 자재비용(MC)을 곱하여 산정한다(Eq. 2). 생산유발계수는 특정 산업부문이 1원 단위로 변화할 때 관련된 모든 산업부문에서의 직간접적인 변화의 정도를 나타낸다. 즉, 생산유발계수를 통해 건축 자재 생산단계에서 다양한 산업에 의해 사용되는 간접 에너지원을 산출할 수 있다[12].

둘째, 개별 적산 방식을 통해 LCI 데이터베이스를 기반으로 직간접 에너지원의 생산 및 연소 과정에서 발생하는 환경 영향 물질을 산정한다. 이처럼, Hybrid-LCA를 기반으로 건축 자재별로 생산, 수선 및 교체 단계에서 사용되고 배출되는 환경 영향 물질의 양을 계산할 수 있다.

리모델링 건축물의 잠재적인 환경 영향을 평가하기 위해, 전과정 목록분석을 통해 산출된 다양한 물질들을 환경 영향으로 변환해야 한다. 변환하는 과정은 분류화, 특성화, 정규화, 가중화로 총 4단계로 구성되어 있다. 본 연구는 4단계 중 필수단계인 분류화와 특성화를 기반으로, 리모델링 건축물의 환경 영향을 평가한다. 분류화는 전과정 목록분석을 통해 산출된 물질들을 환경 영향 범주별로 분류하는 과정이며, 특성화는 물질들이 해당 환경 영향 범주에 미치는 영향을 정량화하는 과정이다. 이 과정에서는 각 물질에 대한 특성화 계수(Characterization Factor; CF)를 전과정 목록분석을 통해 산출된 배출량(Emissions; E)과 곱하여 특성화된 환경 영향(Environmental Impacts; EI)을 산출한다(Eq. 3). 특성화 과정을 통해 산출된 환경 영향은 건축 자재에 따라 Excel 형식으로 출력된다.

LCA를 통해 산출된 환경 영향을 BIM 모델로 시각화하기 위해, 시각화 대상요소들을 탐색하는 과정이 필요하다. Excel data에는 건축자재에 따른 환경 영향이 정량적 수치로 정리되어 있다. 이 정보를 바탕으로 건축자재의 명칭을 BIM과 매치하여 BIM 모델 내에서 해당 건축자재들을 찾아낸다. 이후, Excel 데이터와 매치 된 건축자재를 포함하는 BIM 객체를 탐색한다. 이를 통해, 시각화를 적용할 대상을 선정할 수 있다. Fig. 4.는 Excel 데이터에서 외장재 중 벽돌을 포함하고 있는 BIM 객체를 나타낸다.

Fig. 4. 
BIM objects for visualization

건축물의 환경 영향을 정량적 수치로 나타낸 결과를 BIM 객체별로 시각화하기 위해, 색상변경 과정이 필요하다. RGB는 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 색상 채널을 조합하여 0에서 255까지의 값으로 다양한 색상을 생성하는 색상 표현방식이다. 본 연구는 RGB를 통해 BIM 모델의 시각화를 수행하기 위하여, 환경 영향 값의 범위를 0에서 255까지의 범위로 설정하였다. 0에서 255까지의 범위에 따라 실제 환경 영향 값을 변경하여 BIM 객체에 시각화를 수행할 수 있다. Fig. 5.는 색상변경을 위한 parametric algorithm에 사용된 노드들을 나타낸다. 해당 노드들을 통해 Excel 데이터로부터 추출한 환경 영향 수치를 BIM 객체로 시각화하여 건축자재별로 환경 영향 정도를 비교할 수 있다.

Fig. 5. 
Dynamo node