인공지능 기술의 전문가 시스템을 활용한 BIM 기반 친환경 건축 설계지원에 관한 연구

Abstract

산업 발달에 따른 화석연료 사용 및 농업 발전에 따른 기후변화와 지구온난화와 같은 환경문제를 발생시켰다. 특히 1년 내내 공사 중인 건축물들은 환경오염의 주범으로 꼽히고 있다. 건설이 본격적으로 이루어진 1990년대 이후 급속한 도시화로 인한 인구집중과 과밀화가 심화되면서 생태환경 파괴, 각종 환경오염 등을 비롯한 여러 행태의 도시 문제들이 발생하기 시작하였다. 건축은 시공에서부터 운영 및 폐기단계까지 그 자체만으로 환경에 부하를 가하는 행위로서 지속가능한 개발과 발전을 이루기 위하여 환경에 대한 부하를 최소화하기 위한 노력이 필요하다. 건축물은 전체 에너지 소비량의 40% 이상을 유발하고 있으며, 온실가스 총 발생량의 1/3이 건축물에서 비롯되고 있다. 이 중 이산화탄소(Carbon Dioxide, 이하 CO2) 발생량은 38.9%를 차지하고 있다. 건축물에서 이산화탄소(CO2) 배출의 30-50%, 폐기물 배출의 20-50%, 에너지 소비의 35%, 자원소비의 40%를 차지하고 있기에 기후변화에 의한 지구 온난화, 해수면 상승 등 지구환경의 위기의 주요원인으로 지적되고 있다. 국내에서는 의무적으로 녹색건축 인증을 받아야 하는 건축물들이 있으며, 현재까지 약 1만개의 건축물이 녹색건축 인증을 받아 앞으로도 지속적으로 증가할 것이다. 건물의 친환경성의 판단기준이 되는 녹색건축 인증제는 초기설계 단계에서부터 이를 고려한 작업이 동반되어야 한다. 그러나 세부적으로 요구되는 사항과 검토해야하는 많은 항목을 분석하고 데이터 요구사항을 인지하여 효율적으로 적용하기에는 업무수행 과정이 많고 복잡한 문제점이 있다. 또한, 건축물에서 발생하는 CO2 배출량을 절감하기 위해선 건축 설계단계에서부터 신속하고 정확한 산출방안을 도입하여 CO2 배출량을 최소로 하는 건축물 시공이 필요하다. 설계자는 녹색건축 인증제의 요구사항과 CO2 배출량 산출 및 절감 방안의 인지를 기반으로 이를 고려한 건축물 설계를 진행하여야 하는데 이는 많은 데이터를 통합적으로 분석하고 결정해야 되는 문제점이 있다. 이러한 이유로 설계자들은 초기단계에서부터 전문가들의 도움이 필요하게 된다. 하지만 소규모 설계집단은 초기에 전문가의 도움을 받기에 비용적인 측면에서 부담이 된다. 따라서, 녹색건축 인증제 및 CO2 배출량 산정을 기반으로 친환경 건축을 활성화하기 위하여 전문적인 정보에 대하여 효율적인 지원이 가능한 새로운 적용기법을 개발하는 것이 필요하다. 이것은 전 세계의 건축 및 건설 산업에서 활성화하고 있는 BIM(Building Information Modeling, 이하 BIM)으로 능동적으로 대처하여 활용할 수 있다. 하지만 BIM 기반 평가 및 산정을 위한 BIM 모델 구축은 설계자에게 표준화 되지 못한 작업 환경으로 결과 값이 상이하게 제시될 수 있다. BIM 툴은 3차원 모델로부터 에러 및 모순이 없는 도면을 작성하는 기능과 건축부재들의 상호충돌을 자동으로 검출하는 기능 등 약한 수준의 인공지능이 적용된 기능들이 다양하게 사용되고 있으며, 지능적인 측면에서 자동화라는 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 인공지능 및 디지털 기술을 활용하여 전문가의 지식을 사전에 구축하여 친환경 건축물 실현을 위해 요구되는 사항을 인지 할 수 있도록 지원하고자 한다. 이는 친환경 건축 디자인을 실현하기 위해 요구되는 요소들의 인지와 초기 설계단계부터 실시설계단계까지 피드백이 용이하다. 이를 위해 녹색건축 인증제의 평가요소 구조를 파악하고, CO2 배출량 산출 방법을 BIM 템플릿의 활용으로 보다 지능적으로 지원하고자 한다. 본 연구는 인공지능 기술의 활용으로 친환경 건축을 실현할 수 있게 인증기준에서 제시하는 요소를 분석하고 평가할 수 있는 GEBP(Green Expert BIM Platform, 이하 GEBP)기반의 전문가 시스템의 개발로 디자이너의 건축 디자인의 질을 높일 수 있는 환경을 지원하고자 한다. 본 연구는 녹색 건축정보모델링 플랫폼인 GEBP를 활용하여 환경 성능을 고려하여 인공지능 기술 기반 전문가 시스템으로 최적화된 친환경 건축을 실현하는 프로세스 및 평가 환경을 제안하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해 친환경 건축 기준으로 국내에 시행중인 녹색건축 인증제(G-SEED:Green Standard for Energy and Environmental Design)와 CO2 배출량 평가를 사용한다. 따라서 본 연구는 인공지능 기술 기반 전문가 BIM 시스템을 적용한 친환경 건축물의 성능을 평가하는 환경을 구축하고 활용 방안 제시를 건축 설계 프로세스를 기반으로 하고 있으며, 현재 진행되는 인증제도와 CO2 배출량 평가가 체계적으로 수행되어 지속가능한 개발을 이룰 수 있는 새로운 분석방법을 모색하고자 한다.

본 연구는 친환경 건축 설계 분야의 효과적인 지원방법을 BIM을 활용한 평가 환경을 제안하는 연구이다. 국내에 시행중인 녹색건축 인증제의 공동주택 및 CO2 배출량은 KS I ISO 14040에서 제시한 제외기준과 국토해양부, 지식경제부, 환경부에서 개발하고 환경산업기술원에서 관리하는 국가 LCI(Life Cycle Inventory, 이하 LCI) DB를 사용하여 평가 및 산정하는 것을 연구의 범위로 정한다. 본 연구에서 개발된 시스템은 Microsoft가 개발한 Visual Studio 2015에서 C#의 개발언어를 사용하여 BIM 저작도구인 Autodesk RevitⓇ에서 기본적으로 제공되는 SDK(Software Development Kit, v4.0.3)를 이용하여 Revit 2015의 Plug-In 형태로 구축하였다. 또한, 웹기반 머신러닝 스튜디오인 Microsoft Azure를 활용하여 사례기반 예측 모듈 알고리즘을 구축하였다. 이를 위해 본 연구는 다음과 같은 방법으로 진행되었다. 첫째, 서론에서는 연구의 배경 및 목적, 범위 및 방법에 대해 살펴본다. 둘째, 이론적 고찰을 통해 인공지능의 기술, 지식 표현 및 전문가 시스템 그리고 BIM 기반 친환경 건축에 대해서 고찰한다. 셋째, 친환경 건축의 지원 방법을 위한 BIM 기반 평가 환경인 GEBP의 개념 및 구조, 필요성을 도출하여 녹색건축 인증제와 CO2 배출량 평가 방법을 분석하여 이를 지식베이스로 구축하고 추론기반 룰 셋을 설정한다. 넷째, 건축 프로세스에서 GEBP의 평가 방법을 파악하여 BIM 기반 친환경 건축 설계를 위한 전문가 BIM 시스템을 구현한다. 다섯째, 전문가 BIM 시스템을 적용한 건축물을 평가 및 산정하여 시스템을 적용한다. 마지막으로 개발된 GEBP의 특징을 파악하고 보완점을 개선하여 향후 발전계획을 수립한다.

친환경 건축을 위해서는 설계단계에서부터 접근해야 하며 건축과 관련된 정보를 데이터베이스와 연계하는 3차원 설계 도구인 BIM을 통해 실현 가능하다. 본 연구에서는 친환경 설계의 여부를 판단할 수 있는 인증제도인 녹색건축 은증제 및 CO2 배출량을 BIM 기반으로 평가 및 산정할 수 있도록 지원하는 것을 목적으로 BIM 기반 전문가 시스템인 GEBP를 제안하였다. GEBP는 녹색건축 인증제 평가항목을 기준과 CO2 배출량 산정을 위한 라이브러리 제공 및 가이드 역할을 하는 GEBPⓘ와 녹색건축 인증제 평가 및 CO2 배출량 산정 시스템인 GEBPⓞ로 구분된다. GEBPⓘ를 통하여 BIM 모델링 후 특정 정보를 추출한 후 GEBPⓞ를 통하여 BIM 정보를 데이터베이스화하여 녹색건축 인증제 항목을 평가하여 최종 인증등급을 확인하고 CO2 배출량 산정값을 확인할 수 있다. 녹색건축 인증제의 총 41개의 항목 중 9개의 항목과 9개의 자재에 대한 CO2 배출량 산정을 BIM 기반 데이터로 BIM 저작도구 Plug-In에서 바로 평가가 가능하도록 시스템화 하였다. 설계자는 구축된 GEBP 환경에서 BIM으로 설계하고 G-SEED의 세부항목별 결과와 CO2 배출량 산정값을 BIM 환경에서 시각적으로 제공받아 사용자가 원하는 등급 및 점수기준과 CO2 배출량의 목표에 도달 할 수 있도록 빠른 의사결정을 할 수 있다.

현재 본 연구에서 구축된 전문가 시스템 플랫폼의 범위는 공동주택으로 한정되어 있으나, 향후 공동주택의 특정 용도가 아닌 녹색건축 인증제 평가를 시행하는 다른 건축물의 용도에 대한 평가방법에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한, 녹색건축 인증제의 세부항목별 첨부 자료들을 출력할 수 있도록 GEBP에 구축하여 예비 및 본인증의 단계에서 좀 더 용이하게 인증 받을 수 있도록 추가적인 연구의 진행이 필요하다.