KIEAE Journal

건축 및 건설산업 분야(AEC/FM)에서 건축물의 쾌적성 유지에 사용되는 에너지는 전 세계 이산화탄소 배출량의 40%를 차지한다. 이러한 건축물의 환경성능이 도시 전반에 중요한 영향을 준다는 인식이 세계적으로 확산되면서, 친환경 건축은 필요불가결한 선택이 되어가고 있다. 그럼에도 불구하고, 글로벌 에너지 사용현황을 보면, 한국은 세계에서 8번째로 많은 에너지를 사용하고 있다(Fig. 1.). 뿐만 아니라, 그 사용량이 연차적으로 줄어들고 있는 선진국과 달리, 한국의 에너지 사용량 추이는 점차 증가하고 있는 실정이다[1].

Fig. 1. 
Total Primary Energy Consumption (quadrillions of Btu) ｢ World Data Atlas, 2019｣

따라서, 지구 온난화를 포함한 기후 변화에 맞추어 건축물의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있는 환경성능을 고려한 친환경 설계의 중요성이 점차 부각되는 것이다. 건축물의 생애주기를 고려할 때, 초기 단계에서 디자인 의사결정은 프로세스 전반에 중요한 영향을 준다. 이에, 본 연구는 여러 디자인 대안들이 복합적인 측면에서 다양하게 검토되는 기획 및 계획단계를 대상으로, 프로세스 양방향으로 환경성능의 정량적 분석이 가능한 디자인 기법을 제안하고자 한다.

최근 현대 건축에서 친환경을 위한 패시브 디자인으로서 업무시설에 테라스를 제안하고자 하는 흥미로운 계획안들이 등장하고 있다. 이러한 디자인 트렌드를 반영하여, 본 연구에는 공중 테라스를 지닌 업무시설(Office with hanging terraces)을 분석 대상으로 한다. 이와 관련하여, 업무시설을 대상으로 환경성능을 분석하는 기존 연구들은 많은 반면, 오피스의 여러 층에 걸쳐지는 공중 테라스를 도입한 업무시설의 에너지 사용량에 대한 연구는 전무하다. 따라서, 본 연구는 큐빅 형상의 기본형(prismatic form) 업무시설을 기준으로 공중 테라스가 적용된 오피스의 환경성능을 상대적으로 비교하고자 한다.

이를 위해, 디자이너의 설계 개념에 따라 테라스의 형태 변화가 가능하도록, 본 연구는 건축물 형상을 기하학적으로 정의하는 파라메트릭 디자인(Knowledge based Parametric Design) 방법론을 적용하도록 한다. 디자인 개념에 내재된 조건에 맞추어 변형된 설계 대안들에 대하여 건물 성능 분석 방법론(Building Performance Analysis. 이하 BPA)을 통해 일조 및 에너지 효율의 정량적인 평가를 수행하도록 한다[2].

이들 과정이 프로세스의 양방향으로 디자인 피드백이 가능하도록, 본 연구에서는 파라메트릭 정보체계의 호환성을 고려하여, 단일한 데이터 플랫폼으로 상용 BIM 시스템인 Autodesk® Revit®(이하 Revit)를 활용한다. 파라메트릭 형상 변형이 이루어진 BIM 모델은 성능분석을 위해, 공간의 용도구분에 맞춰 열 환경 조닝(Thermal Zone)이 설정되고 열과 빛 환경의 여러 물성정보들이 부가된 에너지해석모델(Energy Analysis Model. 이하 EAM)로 정의된다. 생성된 EAM 모델과 연계하여 클라우드 인프라에 의해 실시간 환경성능 분석이 가능한 DOE-2 기반의 Green Building Studio®(이하 GBS)를 활용하여 에너지 사용량을 시뮬레이션한다. 이를 통해 본 연구에서는 건축물의 환경성능에 영향을 주는 여러 성능인자별로 정량적인 비교를 통해, 설계 대안들의 상대적인 비교가 가능한 디자인 가이드라인을 도출하고자 한다.

Fig. 2. 
Theoretical framework of the study based on BPA

기획설계(Pre Design)와 계획설계(Schematic Design)에 해당하는 설계 초기단계에서 요구되는 데이터의 표현수준과 관련하여, 본 연구에서는 BIM의 정보표현수준으로서 LOD의 국내 기준에 해당하는 시설물 정보표현수준(Building Information Level. 이하 BIL)을 준용하도록 한다. 국토부 BIM 가이드의 세부지침으로 제안된 (사)빌딩스마트코리아의 ‘BIM 업무수행 시나리오(KBIMS Module 313)’와 ‘시설물 정보표준 수준(KBIMS Module 214)’에서 기획설계와 계획설계를 각각 BIL 10과 20으로 정의하고 있다.

이를 토대로, 본 연구에서는 기획설계 단계인 BIL 10에서 요구되는 형태에 의한 볼륨(세장비 및 높이), 연면적, 층수, 기준층 평면 규모, 외피, 용도구분 등의 정보를 표현해주는 건축물의 매스를 통해 정의하고, 이로부터 규모검토에 필요한 용도별 면적정보도 함께 제공하도록 한다. 또한, 환경성능과 관련된 Green BIM의 LOD 단계별 환경인자에 제시된 주요 분석 항목들에 대하여, 건축물이 입지한 기후대와 기상데이터를 통한 일조환경(Daylighting Analysis)과 에너지 분석(Energy Analysis)을 진행한다[3]. 본 연구의 실내공간 조도성능은 Revit에서 시뮬레이션하고, 에너지 분석을 위한 EAM 모델은 GBS 엔진에서 분석할 수 있도록 XML 형식으로 변환하여 클라우드 서버에 업로드 후 시뮬레이션하도록 한다(Fig. 3.).

Fig. 3. 
Performance Analysis Criteria categorized by LOD ｢ Bahar, Y. et al., 2013｣

초기 설계의 디자인 전개 과정에서 매스에서 개별 부재로 발전되어 가는, 즉 BIL 10에서 20으로 이어지는 프로세스에 대해, 구체적인 BIM 가이드라인이 거의 없는 실정이다. 개방형 BIM의 국제 표준 기구인 BuildigSMRT International이 2017년 BIM Guide Project에 리스트한 북미, 유럽 및 오세아이나 권 81개국 가이드라인들에도 세부적인 지침은 물론, 디자인 피드백에 대해 제시되어 있지 않은 실정이다. 비교적 구체적으로 매스 모델링 지침을 규정한 싱가폴 BCA(Building & Construction Authority)의 ‘HDB(Housing & Development Board) BIM Guide(2015, Version 2.0)’의 경우에도, 기본적인 수준에서의 지침만을 보여주고 있을 뿐이다[4].

이에, 초기 설계단계에서 디자인 프로세스의 양방향으로 데이터의 연속성을 확보할 수 있도록, 본 연구에서는 Revit의 Conceptual Mass 템플릿을 사용하여 기획설계에 해당하는 BIL 10의 매스 형상에 대한 기하학 상관관계를 정의하도록 한다. 매스 형상을 파라메트릭 정의한 패밀리를 Revit의 Project 모드로 불러들인 후, 계획설계의 BIL 20에서 요구하는 벽, 바닥, 지붕, 커튼월 등의 부재단위 모델링을 진행한다. 이들 사이 데이터의 연속성을 통해 Conceptual Mass 모드와 Project 모드를 양방향으로 상호 전환함으로써, 매스 형상의 변형에 맞추어 형상정보를 서로 연동시켜 개별 부재정보에 대한 수정 및 보완이 가능하게 함으로써 디자인 피드백을 지원하는 것이다.

패시브 디자인 요소로서 테라스를 업무시설에 도입하려는 실험적인 계획안들이 등장하고 있는 새로운 디자인 경향에 맞추어, 본 연구는 테라스 오피스를 분석대상으로 한다(Table 1.). 커튼월로 둘러싸여 공기조화에 의존해야하는 일반적인 업무공간과 달리, 외기와 직접 연결되는 테라스를 오피스에 도입하게 되면, 실내공간에 대한 자연채광에 의해 일조환경을 개선할 수 있는 동시에, 자연환기를 보다 적극적으로 도입하는 것이 가능해진다. 이러한 공간 쾌적성은 작업자의 업무효율로 이어짐으로써 에너지 사용량 절감이라는 친환경 건축의 경제적 보상은 물론 공간 심리적 효과까지 기대된다.

The Spiral	Green Office Building
*Bjarke Ingels Group, New York(US), 2016-, 945000㎡(65-stroy)	Nicolas Laisné Associés, Nice(France), 2015-, 7000㎡
Kojimachi Terrace Office	Kyongnong Headquarter
Nendo, Tokyo(Japan), 2019, 6500㎡(11-story)	Yonmi Architect, Seoul(Korea), 2016, 8500㎡(15-story)

설계 개념에 내재되어 있는 디자이너의 지식을 체계적으로 기술(Parametric Descriptions)하기 위해, 본 연구는 형상들이 서로 조합되는 상관관계를 규정할 수 있도록 기하학적인 제약조건(Geometric Constraints)을 정의한다. Revit에서의 제약조건은 상대 좌표체계로서 참조평면(Reference Plane)을 기준점으로 하며, 다양한 함수(사칙연산, 지수 및 로그, 삼각함수, 절대값 등)는 물론 조건문(Conditional Statements)도 지원하고 있다(Fig. 4.). 이들 제약조건을 구성하고 있는 기본적인 치수 혹은 각도 등의 매개변수(Parameters)를 다양하게 변화시켜 형상 제어를 수행함으로써 여러 설계 대안들을 생성하고자 한다.

Fig. 4. 
Constraints of Revit; Reference Lines & Planes

먼저, 오피스 기준층 외곽선에서 일정한 간격만큼의 안쪽 공간이 테라스로 사용될 수 있다는 전제 하에, 평면의 중심점 (x, y, z)을 기준으로 모서리에서 이격되는 거리(Δ)를 다양하게 변화시키는 디자인 조건을 제안한다(Table 2.). 이를 구현하기 위해, Conceptual Mass 템플릿 중앙의 십자가형 참조평면을 중심으로, 치수등분(Dimension-EQ) 제약조건을 부여한다. 다음으로, 다양한 형상변화를 유도하기 위해, 기준층의 한 변 길이인 a를 기하학적 비율에 따라, 3, 4, 5, 7, 16등분한 간격을 이격 거리의 변수값으로 적용한다. 모든 슬래브에는 파라미터 a라는 매개변수에 의해 제어될 수 있도록 참조평면을 기준으로 구속조건이 부여된 것이다.

Geometric Definition	Formula for coordinate
	p1 = (x－(a/2), y＋(a/2), z) p2 = (x＋(a/2), y＋(a/2), z) p3 = (x＋(a/2), y－(a/2), z) p3 = (x－(a/2), y－(a/2), z) p(n)* = p(n)＋Δ(n) d(n) = a－Δ(n)
p : the corner point of the floor plan a : the side distance of the floor plan n : the number of division for the terrace

#	Type of Floor Plan	Progressive formality
1		(Round((a/7)/100㎜))*100㎜
2		(Round((a/3)/100㎜))*100㎜
		(Round((a/5)/100㎜))*100㎜
		(Round((a/16)/100㎜))*100㎜
3		(Round(((2*a)/16)/100㎜))*100㎜
		(Round((a/7)/100㎜))*100㎜
4		(Round((a/4)/100㎜))*100㎜
		(Round((a/16)/100㎜))*100㎜
5		(Round((a/3)/100㎜))*100㎜
		(Round((a/16)/100㎜))*100㎜

그런데, 비율 등분에 의한 연산 결과는 정수가 아닌 소수가 산출되어 진다. 이 문제에 대하여 Revit에서 제공하는 round 함수를 이용하여 보완한다. 10㎝ 이하 단위의 수치가 발생하지 않도록, Round 함수를 사용하여 슬래브 형상에 사용된 파라미터를 재정의하는 것이다. 예를 들어, 7등분에 의한 ‘a/7’ 파라미터에 Round 함수를 적용하면, 반올림을 통해 100㎜ 단위로 떨어지는 치수를 도출하는 것이 가능해진다.

실내공간의 조도성능을 분석하고자 본 연구는 LEED v4에 제시된 일조성능 인덱스를 준용한다. 즉, ASE 1000/250에 해당하는 면적 비율이 10%를 초과하지 않는 범위에서 sDA 300/50이 55%를 넘으면 2점, 75%를 넘으면 3점을 부여하도록 한다[5].

여기서, 공간일광자율(Spatial Daylight Autonomy. 이하 sDA)은 연간 점유율 시간동안 바닥 면적 중 50% 이상이 300lux를 초과하는 면적의 비율을 말하며, 연간광노출(Annual Sunlight Exposure. 이하 ASE)는 연중 250시간 이상 직사광선이 1000lux를 초과하는 바닥 면적의 비율이다.

앞 장의 파라메트릭 모델링을 통해 생성된 5가지 유형의 평면에 대하여, 층고 4M에 커튼월 스팬드럴 1M를 적용하여 단위 평면의 일조 시뮬레이션을 수행한 결과, 5개 유형 모두가 LEED의 sDA/ASE를 동시에 만족시키지는 못하고 있다(Table 4.).

sDA 300/50		ASE 1000/250			sDA/ASE
%	300/50	%	Pass		%	Points
98	3 pt	30	No		0	none
					Floor Type A
98	3 pt	28	No		0	none
					Floor Type B
79	3 pt	21	No		0	none
					Floor Type C
75	3 pt	23	No		0	none
					Floor Type D
84	3 pt	22	No		0	none
					Floor Type E
90	3 pt	21	No		0	none
					Floor Type F

그렇지만, Type F의 경우, 가장 낮은 ASE 비율이 측정되었고 비교적 균일한 sDA 조도분포를 나타내므로, 해당 유형에 대하여 일사량을 낮추는 방안으로 스팬드럴의 높이에 변화를 주도록 한다. 이를 통해, 높이 파라미터가 1200이 될 때 sDA/ASE 인덱스가 3점을 획득할 수 있는 일종성능을 발휘함을 확인하였다.

sDA 300/50		ASE 1000/250			sDA/ASE
%	300/50	%	Pass		%	Points
79	3 pt	19	Yes		79	3
74	2 pt	14	Yes		74	2

본 연구에서는 BIL 10의 매스로부터 형상 연동하여 추출한 개별 부재들에 대하여, BIL 20에서의 열 환경 분석에 요구되는 여러 물성정보를 속성값으로 부여한다. 서울의 위치정보를 토대로, Revit의 ‘개념 매스 및 부재 단위’ 에너지 분석 모드에 의한 시뮬레이션 환경을 다음과 같이 설정하도록 한다.

열 환경이 서로 다른 공간인 평면상에서의 코어와 단면상에서의 설비공간(Interstitial Space) 조닝을 별도로 구분해주며, 커튼월 스펜드럴의 높이와 동일하게 천정을 구획한다. 설비공간에 대해서는 필요조도(Plenum Lighting Contribution) 만을 20% 설정하고, 그 외 열 환경 속성은 부여하지 않는다.

BIL 10 단계에서 먼저 일반적인 오피스 형상인 입방체(Prismatic Form)를 고려하여, 정사각형을 기준층 평면으로 26층 규모의 매스를 생성한다. 이 매스 형상과 연동시킨 BIL 20 단계에서 평면의 중앙에 코어를 배치하고 커튼월, 내벽, 바닥, 천정 등의 부재 단위 모델링 객체에 열 환경 물성정보를 아래의 표와 같이 설정 한 후 에너지 분석을 위한 해석모델인 EAM로 변환하도록 한다(Table 6.).

앞서 5가지 평면 유형에 대한 일조 시뮬레이션에서 적절한 조도 성능에 의해 선정된 Type F을 높이 방향으로 조합하도록 한다. Type F를 수직으로 적층시킨 매스를 대안(Iteration) A로 하여 입방체 형상의 기준 모델(Code Baseline)과 함께 시뮬레이션을 구동한다. 그 결과, 대안 A에서 에너지사용강도(Energy Utilization Intensity. 이하 EUI)가 ASHRAE 90.1 값 대비 2% 낮은 값이 도출되었다.

건축물이 연간 사용하게 되는 전체 에너지를 연면적으로 나누어 상호 비교할 수 있는 인덱스가 EUI 이다. 파라메트릭 모델링된 EAM 모델에 대한 시뮬레이션 결과치인 EUI 값의 검증을 위해 ASHRAE 90.1의 EUI와 비교해보니 오차 범위 내에서 유사성이 확인되었다. 즉, 동일한 업무시설의 비슷한 환경조건을 지닌 오피스들의 에너지 사용 평균치를 토대로 ASHRAE 90.1 기준에 맞추어 산출한 EUI에 근사하는 데이터로서의 검토 과정을 걸친 것이다[6].

그런데, 대안 A에서는 다른 변형 없이 단순한 적층방식의 기하학적 조합으로 인해 본 연구의 분석 대상인 테라스가 생기지 않는다. 이에, 본 연구에서는 Type F의 평면을 다양한 방식으로 조합하여 여러 층에 걸쳐 공중 정원 테라스가 생성되도록 파라메트릭 변형을 수행하고, 적절한 EUI가 산출된 매스 형상으로서 대안 B를 도출하였다. 이 때, 프로젝트의 요구사항으로서 건축물의 규모를 동일한 조건으로 맞출 수 있도록, 본 연구의 파라메트릭 매스 형상은 유사한 연면적을 유지하도록 제약조건을 부여하였다.

이들 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 공중 테라스를 적용한 매스 형상인 대안 B의 경우에도, 기준 모델과의 상대적인 비교에 있어, 거의 유사한 수준의 에너지 사용량이 예측된 것을 확인할 수 있다. 이는 패시브 친환경 디자인 요소로서 테라스를 고층의 업무시설에 도입하더라도, 기존 입방체 형상의 오피스와 비교 가능한 수준의 환경성능을 가질 수 있음이 정량적으로 확인된 것이다(Table 7.).

	Code Baseline (Prismatic Form)	Iteration A Type F Form	Iteration B Mixed Form
EAM
Floor Height | Ceiling	4m | 3m (Spandrel 1M)	4.0m | 2.8m (Spandrel 1.2M)	4.0m | 2.8m (Spandrel 1.2M)
Area	1681㎡(45387㎡)	1906㎡(49549㎡)	1804㎡(456064㎡)
Level	26	26	26
Perimeter Depth	14.5m	4.85m~12.75m	4.88~12.9m
EUI (ASHRAE 90.1)	768.03MJ/㎡/yr	756.84MJ/㎡/yr	767.27MJ/㎡/yr
EUI (As Model)	752.39MJ/㎡/yr	742.39MJ/㎡/yr	751.89MJ/㎡/yr
Energy Savings over Baseline	n/a	↓1.3%	↓0.6%

다음 단계로 본 연구에서는 대안 B를 대상으로 환경성능에 영향을 주는 주요 인자들에 대하여 다음과 같은 세부적인 에너지 분석을 수행하였다.

배치(Building Orientation)는 45도씩 회전시켜 모두 8가지 방위를, 창면적비(Window-to-Wall Ratio. 이하 WWR)는 4개의 입면별로 50%와 70%의 8가지 경우를, 침기량(Infiltration)은 0.17~2.0ACH의 6가지 값을, 조명효율(Lighting Efficiency)은 0.3~1.9W/sf의 5가지 값을, 장비부하(Plug Load Efficiency)는 0.6~2.6W/sf의 5가지 값을, 일조제어(Daylighting & Occupancy Control)는 조명제어와 센서제어의 사용 유무 4가지 경우를, 공조설비(HVAC Type)는 ASHRAE에서 제시한 7개 설비 시스템별로, 사용시간대(Operating Schedule)는 24/7, 12/7, 12/6, 12/5의 4가지 경우를 설정하였다.

이를 통해, 에너지 소비량에 영향을 주는 정도를 정량적으로 확인해보면, 장비부하(-20.4%~+22.83%), 사용시간대(-10.21%~+25.95%), 조명효율(-18.11%~16.35%), 공조설비(~29.05%~0%), 침기량(-3.31%~+7.84%), 창면적비(-2.05%~+4.78%), 일조제어(-6.67%~0%), 배치(-1.89%~0%)의 순으로 환경성능 인자들의 상대적인 위계를 도출하였다(Fig. 5.).

Fig. 5. 
Performance Analysis Results from Energy Simulation (Iteration B – Mixed Form)

흥미로운 것은 초기 설계 단계에서 패시브 디자인과 밀접한 상관성을 지니는 배치와 창면적비의 영향이 상대적으로 높지 않게 나왔다. 배치의 경우, 가로와 세로가 동일한 정사각형의 평면유형을 회전시키는 방식으로 비교적 복잡하지 않은 매스 형상 때문으로 유추된다. 창면적비의 경우에도 수평 띠 형식의 커튼월 스펜드럴이 수평방향으로만 일정하게 둘러싸고 있기 때문으로 분석된다.