주광 시뮬레이션 분석을 활용한 리모델링 프로젝트의 파사드 디자인 최적화 프로세스
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Abstract
Design methodologies have changed as technologies evolving in the architectural design field. It is possible to identify and apply performance criteria in the pre-construction stage of a building through simulation in fields such as daylight, thermal environment, structure, etc. Sustainable development, considering the comfortable indoor environment and eco-friendly aspects for the occupant, and through this, it will be possible to propose various types of passive design.
In this study, parametric design was implemented using Rhino and Grasshopper, and daylight environment analysis was conducted using ClimateStudio, an building performance simulation program. Furthermore, through a comparative analysis of prior research, the types of exterior shading devices for buildings were classified, and their design characteristics were systematically analyzed. Based on this, a simulation was performed using the implemented shading device and the results are compared and analyzed.
As a result of the simulation, high-performance shading devices were selected from the louver type or panel type according to design type, and the differences and characteristics of each type were compared and analyzed. Additionally, the values from each shading device were compared with values according to LEED standards. This comparison was visualized through ClimateStudio to achieve intuitive results, and LEED credit evaluation was also possible concurrently. When this optimization design process is applied to the actual design stage, it will be possible to propose a high-performing passive shading device design according to the use and conditions of each building.
Keywords:
Parametric Design, Eco-Friendly Facade, Louver System, Passive Design, Daylight Simulation키워드:
파라메트릭 디자인, 친환경 파사드, 루버 시스템, 패시브 디자인, 주광 시뮬레이션1. 서론
1.1. 연구의 배경과 목적
건축물을 디자인하는 과정은 역사적으로 다양한 접근 방식과 양식들을 통해 탐구되고 구성되어 왔다. 건물의 장식적인 요소를 절제하고 기계적인 미학의 구현을 추구한 모더니즘과 잊혀가는 역사적 요소들을 되살려 건축물에 반영하는 포스트모더니즘을 비롯하여 다양한 이념들이 건축계의 발전과 함께해왔다. 이러한 건축에서의 이념과 접근 방식은 다양하나, 공통으로 형태를 만들어낸다는 측면에서 건축가의 직관적인 결정으로 디자인되어 왔다. 건축물의 배치와 형태, 평면과 입면, 인테리어와 창호 그리고 외피에 이르기까지 전반적인 요소를 결정하는 데에는 건축가의 오랜 경험과 역사에서 비롯된 접근 방식이 반영되고 있다[1].
시대가 변하여 기술이 발전함에 따라 그동안 다양한 분야에서 사용되어 온 아날로그적인 수단들이 디지털화되어 사용되고 있다[2]. 건설 산업 또한 시대의 흐름에 발맞추어 새로운 디자인 도구와 시공방식, 신소재에 이르는 발전이 이루어졌다. 특히, BIM(Building Information Modeling)으로 통칭하는 3D 모델링과 다양한 분석 도구들이 등장함에 따라 과거 모더니즘적 디자인 형태의 파괴가 일어난 비정형적 디자인의 시도가 가속화되고 있다[3]. 최근 AI가 등장함에 따라 건축 분야에서의 활용에 관한 연구 또한 계속되고 있다[4, 5]. 이렇게 세계적으로 기술과 디자인 접근 방법의 다양화가 가속되고 있는 가운데, 환경문제와 더불어 지속 가능한 개발에 대한 중요성 또한 강조되고 있다. 이에 앞서 등장한 디자인 도구들을 사용하여 설계 과정 중 시뮬레이션을 통해 과거 건축가의 경험과 직관으로 결정되어 온 친환경 요소의 성능 예측이 가능하게 되었다. 또한, 성능의 예측에 그치지 않고, 다양한 디자인 대안을 생성하고 분석하여 고성능 디자인을 구현하는 방식의 디자인 방법론 또한 적용되고 있다[6]. 이와 관련하여 건축물의 외부 차양장치의 형태와 작동방식에 따른 유형과 디자인 변수에 대한 친환경 시뮬레이션 연구가 계속되고 있으며, 이를 적용한 건축 사례들이 등장하고 있다.
건축물의 입면에서 발견되는 외부 차양장치는 일광을 조절하고 활용하여 건물 에너지 사용량을 저감하는 기능적 목적을 가진다. 특히, 루버의 경우 남향에서는 수평으로, 동-서향에서는 수직으로 설치하였을 때 직사광선 차단에 유리하다는 점이 널리 알려져 있다. 그러나 건축물의 입면 디자인은 기능적인 역할 외에도 시각적 촉각성을 활용한 심미적인 디자인 요소의 역할을 하며, 건물의 이미지 형성에 이바지하거나 때로는 지역의 랜드마크로서의 상징성을 가지기도 한다. 물론, 디자인 요소로서의 외피에만 치우친 건축물은 친환경적이거나 에너지 사용량의 저감에는 한계를 가질 수 있다. 본 연구는 이러한 배경을 바탕으로, 지속 가능한 개발이라는 관점에서 성능과 디자인 다양성을 동시에 추구할 수 있는 외피 디자인 대안이 더 다양하게 존재할 가능성에 관한 질문에서 출발하였다.
본 연구의 목적은 실제 건축물 사례에서 사용된 디자인 어휘를 기반으로 한 디자인 구현과 주광 시뮬레이션을 결합하여, 지속 가능한 건축을 위한 파라메트릭 설계 방법론을 제안하는 것이다. 이를 위해 선행연구에서 적용된 실험 변수를 대상 모델에 적용하여, 그로 인해 발생하는 요인을 분석하고, 사례 기반으로 디자인된 파라메트릭 차양장치를 적용하여 실내 빛 환경에 어떤 영향이 발생하는지 시뮬레이션을 통해 확인하고자 한다.
1.2. 연구의 방법 및 범위
본 연구는 Rhino와 Grasshopper를 통해 파라메트릭 디자인을 구현하고, 친환경 분석 시뮬레이션 프로그램인 ClimateStudio를 통해 실내 빛 환경 분석을 진행하였다. 이를 위해 다음과 같은 구체적인 방법을 설정하였으며, Fig. 1.은 해당 연구의 전반적인 흐름을 보여준다.
Process of research
첫째, 파라메트릭 디자인 시스템과 주광 제어 성능 디자인에 대한 이론적 고찰을 진행한다.
둘째, 선행연구를 통해 시뮬레이션에 사용된 변수들과 조건들을 분석한다. 또한, 실제 외부 차양장치의 유형과 건축 사례에 적용된 디자인을 분석하며, 사례에 사용된 디자인 어휘를 분류한다. 또한, 시뮬레이션에 사용할 친환경 분석 프로그램의 특징을 알아본다.
셋째, 사례를 바탕으로 Grasshopper를 통해 파라메트릭 차양장치 유형을 디자인하여 주광 시뮬레이션을 진행한다.
넷째, 시뮬레이션에 사용할 변수 및 물리적인 조건을 설정하여 실내 빛 환경 시뮬레이션을 진행한다. 시뮬레이션에는 ClimateStudio를 사용하여 결과의 시각화 및 친환경 인증 평가를 함께 진행한다.
마지막으로 시뮬레이션의 결과를 분석하여 건축물 외장 차양장치의 성능을 비교한다.
시뮬레이션을 적용할 Testbed는 충청남도 천안시에 위치한 교육 및 업무시설로 설정하였다. 해당 건축물은 하루 중 일광의 영향을 가장 많이 받게 되는 정남향의 건축물로, 일부 처마와 같은 형태를 가진 공간을 제외하면 이중 외피와 같은 건축물의 차양장치가 존재하지 않는 건축물이다. 또한, 외피가 가지는 일광 조절 성능만을 파악하기 위해 주변 지형지물의 간섭이 적은 평지에 위치하며, 식생의 영향 또한 적은 지상 3층의 공간이다. Testbed는 기존 건축물의 특성을 살려 처마의 유무에 따라 영향을 비교하고자 2가지 유형을 대상으로 설정하였다. 이에 따른 Testbed의 규모는 일반형(A타입) 4.1m*7.4m*3m와 처마형(B타입) 4.1m*5.2m*3m이며, Table 1.은 해당 Testbed의 평면과 단면에 대한 다이어그램이다.
Plan and section diagram of testbed
2. 이론적 고찰
2.1. 주광 제어 고성능 디자인
2022년 기준으로 국내 전기 사용량 중 29.09%는 건물에서 사용되었고, 그중 아파트 20.2%, 병원 11.4%, 학교 10.5, 상용 8.5%와 같은 비율로 사용되었다.1) 또한, 2021년 비주거용 건물의 건물 에너지 사용량(TOE, Ton of Oil Equivalent)의 73%는 전기 에너지가 차지하였다2). Mark DeKAY는 그의 저서에서 비주거용 건물에서 에너지 소비를 가장 효율적으로 줄이는 방법으로 인공조명에 사용되는 에너지 일부를 주광으로 대체하여 사용하는 것이라고 언급한다[7]. 다만, 이는 기후의 변화에 영향을 받기에 무분별한 일사 에너지의 사용은 오히려 여름철 건물의 냉방 에너지 사용량을 늘리게 되기에 주광의 조절을 위한 차양장치의 사용을 권장하고 있다.
주광(daylight)은 건축 설계에 있어 건물의 형태, 프로그램의 배치, 그리고 창문을 비롯한 외피를 결정하는 데 중요한 고려 대상이다. 적절한 일조량은 심미적 요인을 끼칠 뿐 아니라 실내 빛 환경과 열환경, 즉 건축물의 유지에 필요한 전기 에너지 사용량에 이르기까지 영향을 끼친다. 이에 건축물의 차양 시스템은 과도한 직사광선과 열을 차단하거나 간접광을 실내 깊은 공간으로 끌어들이는 등의 기능을 가지며[8], 이는 건축 역사적으로 각 지역의 기후적 특징에 따라 다양한 형태로 발전해 왔다. 차양장치들의 형태와 명칭은 세계적으로 다양하지만, 기능의 효율성에 따라 유사한 형상을 지니고 있다. 이러한 건축물의 차양장치들은 건축 프로그램의 성격과 지역 기후조건에 따라 최적화되어 일정한 형태로 고정된 경우도 존재하지만, 기상 상황과 사용자의 필요성에 따라 조도를 조정하는 등의 동적인(kinetic) 형태로도 존재한다[9, 10].
2.2. 파라메트릭 디자인
지난 수십 년 동안 컴퓨터 계산 기반 디자인 접근 방식이 등장하며 건축가를 비롯한 디자이너들에게 사용되고 있다. 컴퓨테이셔널 디자인 방법론의 종류로 파라메트릭 디자인(Parametric Design)을 비롯하여 생성형 디자인(Generative Design), 알고리즘 기반 디자인(Algorithmic Design) 등이 있다. 그 중에서 파라메트릭 디자인은 매개변수 또는 매개변수와 관련되거나 표현된 것을 기반으로 한 디자인 방법론이다.
선행연구 분석을 바탕으로 파라메트릭 디자인을 정의하자면 “매개변수와 규칙을 사용하여 제한하는 알고리즘적인 사고를 기반으로 하는 설계 프로세스”로 종합할 수 있겠다[11~13]. 또한, 파라메트릭 디자인은 서로 다른 설계 요소 간의 종속성을 설정하는 연관 기하학 및 토폴로지 관계개념을 사용한다[14, 15]. 즉, 문헌 고찰을 통해 파라메트릭 디자인은 컴퓨테이셔널 디자인 방법론으로 매개변수의 사용을 기반으로 디자인을 상징적으로 설명하는 접근 방식으로 정의할 수 있겠다[16].
3. 선행연구고찰
3.1. 외부 차양장치의 유형과 사례
차양의 기능으로써 루버는 여름철 건물의 냉방부하를 줄이고, 겨울철에는 필요한 주광을 실내로 끌어들여 사용하기에 유리한 요소로 평가되고 있다. 특히, 외부에 설치된 루버는 내부에 비해 복사열의 측면에서 유리하다[6]. 외부 차양장치는 그 형태와 재료, 건축물의 주변 환경 조건과 실의 용도에 따라 다양한 형태로 나타나고 있다. 이는 기하학적인 형태나 작동 방식에 따른 분류가 가능하며, 각 형태에 따라 종속되는 변수 조건 또한 확인할 수 있다[9, 10].
본 연구에서는 유형별 차양장치의 주요 특징과 실제 실내 빛 환경에 어떤 영향을 주는지 차이점을 비교하고자 한다. Table 2.와 Table 3.은 다양한 건축 차양장치 사례들을 해당 기준에 따라 분류한 내용이다. 사례의 선정 기준은 다음과 같다. 첫째, 건축물의 측면에 설치된 차양장치여야 한다. 둘째, 창호와 분리된 이중 외피 구조여야 한다. 마지막으로 정형뿐만 아니라 비정형의 사례도 포함하여 선정하였다. 이렇게 선정된 사례들은 주로 북반구에 위치한 외피 디자인 사례로서, 건축에 사용된 재료와 입면이 바라보는 방향, 디자인의 형태적 어휘와 작동 방식에 따라 분류하였다. 이를 통해 Twisting, Rotating, 그리고 Folding과 같은 형태와 관련된 디자인 어휘로 구분되며, 특정 알고리즘에 의해 디자인된 타공 패널(Perforated Panel)이 독립적 또는 혼합적으로 사용되고 있음을 알 수 있었다. 직사광선의 영향을 받는 남향을 중심으로 동, 서향과 일부 북향까지 적용됨을 통해 일사량 조절의 목적 외에도 프로그램에 따른 건축물 내외부의 시선 조절 및 디자인 어휘의 통일 등 공간적, 심미적인 요소로도 사용되고 있음을 시사한다.
Case of exterior louver design(1)
Case of exterior louver design(2)
또한, 사례에서 도출된 디자인 어휘인 Twisting, Rotating, Folding, 그리고 Perforated Panel의 패턴은 매개변수에 의한 파라메트릭 디자인의 요소로 사용될 수 있으며, 차양장치 모듈의 크기, 간격, 회전 각도와 같은 매개변수를 설정하여 시뮬레이션 모델을 구현할 수 있을 것이다.
3.2. 주광 시뮬레이션
건축에서 빛 환경은 광원에 따라 자연채광과 인공조명으로 나눌 수 있다. 특히, 주광(daylight)은 건축 설계에서 건물의 형태, 프로그램의 배치, 그리고 창문을 비롯한 외피를 결정하는 데 중요한 고려 대상이다[17]. 적절한 일조량은 심미적 요인에 영향을 미칠 뿐만 아니라 실내 빛 환경과 열 환경, 즉 건축물의 유지에 필요한 에너지 사용량에도 영향을 주고 있다[18].
국내외에서 패시브 디자인의 구현을 위해 건축 계획 단계에서 컴퓨터 프로그램을 통한 시뮬레이션 기법을 적용하여 실내 빛 환경을 예측하는 연구가 이어지고 있다. 이에 사용되는 시뮬레이션 프로그램으로는 주로 Ladybug, EnergyPlus, Diva(ClimateStudio) 등이 있다. 일조 분석 시뮬레이션을 구동하기 위해서는 물리적 환경의 모델링이 필요하다. 시뮬레이션 대상지의 기후 데이터를 설정함으로 직사광선의 입사각을 절기에 따른 적용이 가능하다. 실내 공간의 규모, 창호의 크기, 실내외 마감재와 차양장치의 마감재까지 일조 환경에 영향을 끼치는 요소의 굴절률, 빛 투과율과 같은 수치의 입력이 필요하다. 또한, 차양장치의 성능 비교를 위해 장치의 폭, 두께, 깊이와 각도까지도 변수로 설정이 가능하다. Table 4.는 선행연구에서 적용된 시뮬레이션 프로그램과 건물의 용도, 고정변수와 독립변수를 기반으로 건축에 적용된 친환경 시뮬레이션에 관한 연구를 최근 연도 순서로 간략하게 나타낸 것이다.
Summary of literature reivew
4. 시뮬레이션
4.1. ClimateStudio
실내 빛 환경을 평가하기 위한 기법은 다양하고 평가 기준과 계산 방식 또한 인증제도마다 상이하다. 본 연구에서는 실험 모델의 파라미터 제어와 빛 환경 분석을 함께 진행할 수 있도록 Rhino의 파라메트릭 모델링을 위한 플러그인인 Grasshopper와 Rhino와 Grasshopper의 환경에서 추가적인 플러그인 형태로 작동하는 ClimateStudio를 활용하여 실시간 대화형으로 결과를 도출할 수 있도록 하였다.
Rhino는 건축 등의 분야에서 널리 사용되는 3D모델링 프로그램으로, 실시간 대화형 파라메트릭 편집기인 Grasshopper가 플러그인 형태로 제공되고 있다. 이와 호환되는 빛 환경 및 에너지 성능 분석 소프트웨어로는 Ladybug와 Honeybee, ClimateStudio 등이 있다. 그중 ClimateStudio는 Solemma사에서 Diva에 이어서 제공하고 있는 시뮬레이션 프로그램으로, 건축 및 건설 부문에서 에너지 효율, 자연채광, 인공조명의 성능, 빛 환경과 열 환경의 시각화 분석을 위한 프로그램이다. 에너지플러스 기후 데이터(EPW)와 빛의 휘도 추적 기술을 기반으로 정확하고 빠른 결과를 제공한다는 것이 장점이다. 또한, LEED와 BREEAM과 같은 친환경 인증제도의 기준이 자체적으로 입력되어 시뮬레이션에 따른 해당 기준의 충족 여부를 점수화하여 제공된다는 특징이 있다.
ClimateStudio를 구동하기 위해 우선 해당 건물의 위치, 즉 지역 기후 데이터를 설정해야 한다. 또한, 건물 환경의 구성요소를 재질 별 고유 반사 값을 적용할 수 있도록 레이어의 구분이 되어있어야 하며, 외부 채광이 들어오는 창에 대한 블라인드값 설정, 바닥 면에 빛이 점유하게 되는 영역에 대한 설정이 기본 적용되어야 한다. 이후 ClimateStudio에서 실행이 가능한 시뮬레이션에는 Site Analysis, Daylight Availability, Annual Glare, Thermal Analysis 등이 있다. 본 연구에서는 실내조도 평가 결과를 얻기 위해 Daylight Availability(주광 가용성 평가)를 사용하였다. 시뮬레이션 결과에 대한 친환경 인증제도 평가 모델로는 LEED v4.1으로 설정하였다. 이를 통해 얻을 수 있는 결과로는 LEED 평가 기준의 Credit, sDA(Spatial Daylight Autonomy), ASE(Annual Sunlight Exposure), avg lux(Mean Illuminance), Blinds Open 등이 있다[35].
sDA는 시뮬레이션에 적용된 바닥 면적 중, 연간 일과시간인 오전 8시부터 오후 6시까지의 최소 조도 기준을 넘어가는 바닥의 면적 비율을 나타낸다[37]. LEED에서는 최소 조도 기준으로 300 lux를 제시하고 있다. sDA 계산은 연중 기상 데이터의 수천 가지 천공 조건에 대한 연간 기후 기반 시뮬레이션을 기반으로 한다. Fig. 2.는 ClimateStudio를 통해 측정된 sDA값의 시각화 이미지이다.
Visualization of sDA results
ASE는 연중 태양으로부터의 직사광선에 노출된 조도값이 기준치 이상의 과도한 바닥의 면적 비율을 의미한다. LEED에서는 최소 1,000lux의 조도가 연간 최소 250시간 이상 노출되는 바닥 면적의 비율로 기준을 제시하고 있다. sDA에서는 사람이 생활하는 데 필요한 최소한의 조도를 제시하고 있다면, 반대로 과도한 조도는 현휘의 발생으로 생활에 불편함을 초래할 수 있다. 또한, 과도한 직사광선은 열에너지를 포함하고 있기에 실내 냉방 에너지 부하가 높아지기 때문에 제어할 필요가 있다. LEED v4.1의 평가 기준에서는 sDA값을 기준으로 점수가 적용될 뿐만 아니라, ASE 비율이 10%를 초과하는 경우에는 현휘를 해결할 수 있는 디자인이 고려되었는지 여부 또한 확인하고 있다. Fig. 3.은 ClimateStudio를 통해 측정된 ASE 데이터의 Rhino 인터페이스에서 시각화된 이미지이다.
Visualization of ASE results
LEED의 Daylight 부분에서 친환경 건축 인증 자격을 부여하는 포인트 수이다. 포인트는 해당 시뮬레이션에 적용된 모든 공간에서의 일광 자율성(sDA)을 기반으로 평가되며, 각 평가 기준은 Table 5.와 같다[36].
Points for spatial daylight autonomy, LEED
avg lux값은 연중 모든 시간 동안 시뮬레이션에 적용된 바닥 면적에 대한 평균 조도값을 의미한다. 조도는 밝기를 의미하며, 바닥뿐만 아니라 벽 등 대상 면의 단위 면적당 도달하는 빛의 양을 측정한 값이다. Fig. 4.는 Rhino 인터페이스에서 시각화된 연간 평균 조도 측정 결과 이미지이다.
Visualization of avg lux results
Blinds Open 값은 태양의 영향을 받는 시간 동안 블라인드에 의해 음영 처리되지 않은 창 영역의 백분율이다. 즉, 해당 수치는 외부에 대한 시야와 연관이 있으며, 수치가 낮을수록 블라인드가 사용된 면적의 비율이 더 높으며 외부에 대한 시야가 줄어든 것을 의미한다. 이는 ASE와 마찬가지로 건물의 향, 고정형 차양장치, 벽면에 대한 개구부 크기 비율과 같은 요소에 의해 변화가 생길 수 있으며, 이는 Fig 5.와 같이 Rhino 모델링 중 창문 등 개구부 부분에서 실시간으로 확인할 수 있다. 본 연구에서는 고정형 차양장치 디자인 대안을 통해서만 변화되는 값을 확인하기 위하여 블라인드에 대한 변수를 고려하지 않았다.
Visualization of blinds open results
4.2. 시뮬레이션 세팅
ClimateStudio를 통해 빛 환경 시뮬레이션을 진행하기 위해서는 몇 가지 조건을 설정하여 입력할 필요가 있다. 이는 시뮬레이션을 통해 밝히고자 하는 내용에 따라 다소 차이가 존재한다. 본 연구의 목적은 건축물 외부 차양장치 사례에서 나타나는 어휘와 이에 따른 차양장치 디자인의 유형이 실내 빛 환경에 끼치는 영향을 알아보고, 이를 통해 외부 차양장치의 설계 단계에서 고려 및 응용하기 위함에 있다. 이를 위해 선행연구에서 도출된 요소들을 바탕으로 다음과 같은 시뮬레이션 세팅을 진행하였다.
Testbed의 크기와 주변 환경 등 물리적인 요소를 설정이 필요하다. 본 시뮬레이션에서 사용된 Testbed는 충청남도 천안시에 위치한 교육 및 연구시설로, 정남향의 조건과 주변 환경의 간섭이 적은 위치에 있어 차양장치의 종류에 의한 결과의 비교에 유리하다. 해당 건축물 지상 3층의 업무공간 중, 처마의 유무라는 형태적 특성을 가진 두 공간을 Testbed로 적용하였다.
이후 실내 공간을 이루고 있는 요소 및 외부 차양장치의 마감재를 설정이 필요하다. 벽, 바닥, 천장과 같은 요소는 실내로 유입되는 빛을 흡수 혹은 반사하게 되고, 이는 마감재의 종류 및 색상에 따라 반사율에 변화가 존재한다. ClimateStudio에서는 대표적인 재질에 대한 정보를 제공하고 있으며, 그중 실제 사용된 마감재와 비슷한 재질로 Table 6.과 같이 설정하였다. 차양장치의 경우 사례에 따라 재질이 다른 부분이 있었으나, 디자인 어휘와 형태에 따른 변수를 중심으로 확인하기 위해 동일한 재질로 설정하였다.
Layers and materials
이렇게 설정된 실내 공간 내로 직·간접적으로 유입되는 빛의 양을 측정하기 위한 평면을 설정하여야 한다. 이는 재실자의 작업 환경과 연관되어 있으며, 책상의 높이와 유사하게 약 762mm가량 이격된 높이로 설정하였다. 또한, 조도 측정 평면 상부로 빛을 감지하는 센서 그리드의 간격 설정이 가능하다. LEED의 Daylight Credit의 경우 센서의 간격이 2피트를 넘지 말아야 한다는 기준이 있으며, 이에 본 시뮬레이션에서는 그 최대 거리인 609.6mm의 간격을 기준으로 사용하였다.
ClimateStudio에서 실내 빛 환경 시뮬레이션에 사용할 기후 데이터의 설정이 필요하다. ClimateStudio에서는 EnergyPlus의 기후 데이터 파일인 EPW(EnergyPlus Weather Format)을 연결하여 제공하고 있으며, Testbed가 위치한 충청남도 천안시의 기후 실측 데이터인 KOR_HN_Cheonan.471450_TMYx.2004-2018을 적용하였다. 해당 데이터에 대한 상세 내용은 Table 7.과 같으며. Fig. 6.은 Grasshopper에서 ClimateStudio를 통해 해당 지역의 기후 데이터를 적용하였을 때 Rhino 화면에 시각화된 Sky Dome의 형태와 6월 25일 15시 태양의 위치에 대한 이미지이다.
Summary of EPW data
Sky dome of EPW data and testbed Type_B
시뮬레이션에 사용할 차양장치의 유형은 사례에서 사용된 형태와 같이 크게 루버형과 패널형으로 나누어 적용하였으며, 이는 시뮬레이션 결과 비교를 위해 세부적으로 구분하였다. 루버형의 경우 비교분석을 위한 기본 형태로 단면의 형태에 따라 직사각형과 타원으로 나누었으며, 이를 다시 회전 각도에 따라서 0°와 남향의 조건에서 건물의 에너지 사용량에 최적화된 값인 31°로 나누어 적용하였다[6]. 변형된 형태로는 각각 Rotate와 Twist형으로 제작하였으며, 이 두 유형의 회전 각도는 0°~31°를 가지도록 동일한 곡률로 제작되었다. 사용된 루버는 깊이 320mm, 두께 20mm로 적용하였으며, 루버 블레이드 간의 간격은 사각형과 타원형에서는 400mm를 적용하였다. Rotate와 Twist형에서는 31° 회전을 적용한 루버의 x-z평면상 개방률과 비슷한 60%대를 유지할 수 있도록 200mm 간격으로 축소하여 적용하였다.
패널형의 경우 접히는 축의 속성에 따라 Fold형과 Origami형으로 구분하였으며, Origami형은 다시 타공의 여부에 따라 구분하였다. Fold형의 기본 모듈은 Table 2.의 Luanda Multisports Pavilion(2013), Origami형의 차양장치는 Table 3.의 Hospital de Navarra Biomedical Research Center(2011) 사례의 형태를 참고하였다. Fold형의 기본 패널 모듈은 폭 420의 패널이 건물 높이에 따라 수직으로 연결되어 있으며, Grasshopper의 Curve 프로파일에 따라 0°~37°의 회전을 통해 Fold된 형태를 가지고 있다. Origami형의 기본 모듈은 밑변 350mm, 높이 1,500mm의 삼각형 패널 4개가 x-y 평면상 45°, 90°, 45° 각도로 접혀 이어졌으며, x-y 평면을 기준으로 반사된 형태를 가진다. 추가로 타공된 평면형 타입은 Origami된 각도의 영향을 비교하고자 x-z 평면에 수평 투영된 타공을 유지하며 평면형의 패널을 추가로 제작하였다. 타공은 한 층을 기준으로 중심부에서 가장자리로 갈수록 작아지는 형태로 제작하였으며, 가장 큰 타공은 12mm, 가장 작은 타공은 4mm의 지름을 가진다.
차양장치와 창문 유리 표면까지의 거리는 Louver Type의 경우 회전축, 즉 블레이드 단면의 무게중심까지의 거리가 1m를 유지하도록 이격하여 설치하였고, Panel 타입의 경우 유리와 가장 가까운 지점의 거리가 1m를 유지하도록 적용하였으며, Testbed Type B의 경우 처마 끝에서부터의 1m를 이격하여 설치하는 방식으로 적용하였다. Table 8.은 건축물의 외부에서 바라본 차양장치의 이미지이다.
Images of test model
4.3. 시뮬레이션 결과 비교분석
설정한 조건을 바탕으로 시뮬레이션을 실행한 결과는 Table 9.와 Table 10.과 같이 나타났다. 전반적으로 LEED v4.1에서 제시하는 Credit 3point의 sDA 조건을 충족하였으나, 일부 유형에서는 10% 이상의 ASE값이 도출되었기에 현휘의 해결을 위한 디자인 요소의 검토가 필요한 것을 알 수 있었다. 본 시뮬레이션의 결과에 대한 세부적인 비교군은 다음과 같이 적용하였다.
ClimateStudio daylight availability simulation result by louver types
ClimateStudio daylight availability simulation result by panel types
루버형 차양장치 중 각도의 변환이 없는 기본 형태에서는 ASE값이 사각형 15.48%, 타원형 17.86%로 10%가 초과하는 값이 도출되었다. 31°의 각을 가진 루버의 경우 4.76%, 5.95%로 LEED v4.1에서 요구하는 Credit 3Points에 적합한 결과가 나왔으며, Rotate, Twist형에서도 동일하게 1.19%로 기본 루버 형태보다 더 낮은 값이 도출됨을 확인할 수 있었다.
패널형 차양장치에서도 전반적으로 100%에 가까운 sDA값이 도출되었다. ASE값의 경우 Fold형에서 16.67%로 가장 높이 측정되었으며, 이는 동-서향으로 열려있는 개방률이 다르기에 연평균의 결과가 아닌 시간대에 따른 결과로 비교하였을 경우 다른 결과가 도출될 수 있을 것이다. 또한, 정남향의 조건이 아닌 동향 혹은 서향의 조건에서 보다 유리한 결과를 얻을 수 있을 것이다. Origami형 또한 마찬가지로 11.90%의 ASE값이 측정되었고, 타공이 적용된 디자인 유형에 비해 Solid한 개체로 이루어졌기에 시야와 관련해서도 불리한 조건을 가질 것으로 판단된다.
타공이 적용된 차양장치는 x-z평면에 투영하였을 때 동일한 타공률을 가지고 있으며, 이를 평면형(Flat)과 입체형(Origami)으로 구분함은 패널의 각도에 따른 실내 조도 차이를 위함이었다. 이 두 디자인의 경우 그 차이가 다소 극적이진 않았으나, A-Type을 기준으로 입체형이 평면형에 비해 sDA값은 97.62%로 2.38% 낮고, ASE값은 2.38%로 1.19% 높게 측정되었으며, 연평균 조도의 값은 1,115lx로 평면형의 1,130lx보다 낮게 측정되었다. 이러한 현상을 미루어 보아 입체형의 연중 조도값에 대한 편차가 평면형에 비해 적게 나타났을 것이라 해석할 수 있었다.
본 시뮬레이션에 사용된 건축물은 기존 외장형 차양장치가 없이 설계된 건축물이었다. 해당 건축물의 입면 중 상층부의 매스가 처마와 같은 역할을 하는 공간이 있다는 특징이 있었고, 이를 구분하여 기본 A-Type에 처마형 B-Type으로 적용하여 시뮬레이션을 적용하였다. 그 결과 B-Type에서 sDA값은 100%로, ASE값은 0%로 모든 유형에서 동일한 값이 측정되었고, 연평균 조도의 측면에서도 A-Type에 비해 400lx (Louver-Rotate)부터 1,366lx (Louver-Ellipse-Normal)까지 차이가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 차양장치가 없는 때에도 이미 ASE값은 0%를 유지하며 연평균 조도 값에 2,794lx만큼 차이가 존재하고 있었다. 이를 통해 적용하고자 하는 외장형 차양장치 외에 기존 건축물에 차양의 역할을 해주는 처마 혹은 입면의 형태나 향의 조건이 존재한다면 외장형 차양장치의 밀도, 즉 개방률을 보다 넓히는 방식으로 변수를 주어, 다양한 입면 디자인의 계획이 가능할 것임을 확인할 수 있었다.
본 시뮬레이션에 적용된 모든 차양장치 디자인 중 sDA와 ASE, 개폐율을 바탕으로 판단된 최적의 결과는 sDA 100%, ASE1.19%가 측정된 Panel-Origami-Perforated와 Louver-Twist 유형이 있었다. 루버형에서 연평균 조도가 1,695lx로 측정됨과 달리 패널형에서는 1,130lx가 측정되었다. 이는 두 유형에서 모두 최소 300lx를 충족하지만, 루버형에서 만족하는 최소 조도가 패널형보다 높게 측정되었다는 것으로 해석할 수 있었다.
루버형의 경우 x-z 평면상 개방률을 60%대로 맞추어 제작하였지만, 패널형의 경우 그보다 낮은 개방률을 가지고 있었다. 특히 타공을 적용한 패널형 모델의 경우 32.09%를 유지하며 3 Points의 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 활용하여 건축가는 설계 과정 중 건축물과 실의 용도나 건축물 인근의 물리적인 조건에 따라 실내 공간을 가리는 비율을 조절하여 디자인에 적용할 수 있을 것이다. 즉, sDA와 ASE의 유효 범위를 맞추며, 이에 따라 개구부의 개방 비율과 연평균 조도값을 조절하는 자유로운 적용이 가능하다. Fig. 7.은 건축물 외부에서 바라본 대표적인 두가지 유형의 차양장치의 렌더링 이미지이다.
Selected high performance design of exterior shading device
5. 결론
5.1. 결론 및 시사점
본 연구는 지속 가능한 건축을 위한 방법으로 건물 외부 차양장치 디자인의 다양화와 이로 인한 실내 빛 환경의 상관관계를 알아보고자 하였다. 이를 위해 사례분석을 통해 건물 외부 차양장치의 디자인 어휘 유형을 조사하였으며, Rotate, Twist, Fold, Perforated와 같은 디자인 어휘를 추출하였다. 추출된 어휘를 바탕으로 Rhino Grasshopper를 활용하여 파라메트릭 디자인 모델을 구현하였다.
각 디자인 어휘에 따른 결과를 비교하기 위해 기본 형태의 루버와 패널형 외피도 함께 구현하였다.
해당 실험 모델의 빛 환경 시뮬레이션을 위해 ClimateStudio를 사용하였으며, sDA, ASE 수치를 중심으로 비교 분석하였다. 시뮬레이션에 사용된 기상 데이터는 Testbed의 위치와 같이 충청남도 천안시의 기상 데이터를 활용하였다. Testbed의 물리적 조건으로는 정남향의 소규모 업무, 연구 및 교육시설을 대상으로 하였으며, 처마의 유무에 따른 두 가지 모델을 사용하여 차양장치 밀도의 차이를 활용한 디자인 변형의 가능성을 비교하고자 하였다. 이렇게 측정된 시뮬레이션 결과는 ClimateStudio를 통해 시각화되었으며, 친환경 인증제도의 기준에 따른 결과와 함께 비교할 수 있었다.
본 연구에서 사용된 Solemma사의 ClimateStudio는 Rhino와 Grasshopper 두 환경에서 모두 사용이 가능한 플러그인 소프트웨어다. ClimateStudio는 시뮬레이션 결과를 즉각적으로 시각화되어 제공하며, 보고서 형태로 출력이 가능하고 세부 데이터 결과의 추출도 가능하여 관련 전문가와 디자이너에게 유용한 친환경 분석 도구이다. 또한, EnergyPlus에서 제공하는 EPW 파일로의 즉각적인 접근이 용이하며, 시뮬레이션 설정 과정 중 재질에 대한 라이브러리도 갖추고 있어 건축가가 기초적인 친환경 분석에 쉽게 접근할 수 있다.
이와 같은 디자인 과정을 통해 건축가는 Rhino와 파라메트릭 모델링 프로그램인 grasshopper의 환경 내에서 ClimateStudio를 사용하여 주광 시뮬레이션 분석의 결과를 실시간으로 시각화할 수 있다. Grasshopper의 매개변수 조정 내용이 실시간으로 반영되어 차양 성능을 고려한 파사드 디자인이 가능하며, 시각화된 자료를 통해 디자이너뿐만 아니라 클라이언트와 프로젝트 참여자들의 직관적인 이해도를 높일 수 있을 것이다.
5.2. 연구의 한계점 및 향후 연구 방향
본 시뮬레이션은 사례를 기반으로 추출된 차양장치 디자인 어휘를 토대로 외장형 차양장치를 모델링하고 실내 빛 환경에 미치는 영향을 비교하였다. 이번 시뮬레이션은 정남향의 조건을 가진 기존 건축물을 대상으로 진행되었으나, 동향 및 서향, 동남향, 서남향, 혹은 비정형 건축물과 같이 연속적인 각도의 변화를 가지는 건축물로 대상을 변경하여 시뮬레이션을 진행할 수 있을 것이다. 동일한 프로세스와 스크립트를 적용하여 친환경 분석 결과를 도출하고 시각화할 수 있을 것이다. 또한, 본 시뮬레이션에서는 차양장치의 재질을 동일하게 설정하여 진행하였으므로, 재질의 설정에 따른 차양장치의 성능 비교 실험도 가능할 것이다.
빛 환경 분석에 사용된 차양장치의 세부 치수는 Grasshopper에서 파라미터를 사용하여 몇 가지 치수를 대표적으로 적용하였다. 이러한 디자인 과정에서 기존의 설정 방법 외에도 Galapagos나 Octopus와 같은 최적화 및 자동화 생성형 프로그램을 적용하여 디자인 유형을 도출하는 것이 가능할 것이다. 나아가, 본 연구의 시뮬레이션에 사용된 차양장치 모델은 모두 고정형의 차양장치로 한정하였으나, 후속 연구에서는 동적인 외피(Kinetic Facade)로 디자인을 발전시킬 수 있을 것이다. 또한, 시뮬레이션에 사용된 차양장치 모델은 모두 고정형이었으나, 해당 디자인 어휘는 동적인 외피, 즉 Kinetic Facade로 변형이 가능할 것이다.
Acknowledgments
이 논문은 2024년도 교육부의 재원으로 중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2019R1A6A1A03032988)
Notes
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