이는 건물 성능 평가와 최적화를 도모하고 지원하기 위해 시멘틱 웹 기술(Semantic Web Technologies)의 가능성을 탐구하기 위한 연구과제 SEMERGY의 1단계 요약물임.
-  설계 집단에 의한 성능 평가 도구 채택에 관한 기존 연구는 다양한 성능 평가를 위한 입력 정보를 축적하고 제공하기 위해 필요한 엄청난 시간, 노력과 전문지식은 초기 단계에서 건물설계 개선을 위한 그러한 도구들의 적용을 제한함.  

- 심지어 가장 기초적인 성능 조사에도 건물 재료, 설비, 기후조건, 건축법규 등의 속성들에 관련된 대량의 자료들이 필요함.

- 이러한 방대한 자료는 인터넷에서 입수할 있으나 적절한 구조와 형식의 부족으로 그 이용이 어려움.

- SEMERGY 연구 개발 프로젝트는 시멘틱 웹기술의 실행으로 월드 와이드 웹에서 입수할 수 있는, 방대하지만 비구조화된 건물 관련 자료를 입수하여 활용할 목적으로 계획됨.

- 이러한 웹 기반 자료는 다양한 성능 평가 어플리케이션들을 통합한, 유동적인 다목적 디자인 최적화 환경에 유용함.

- 여기서는 프로젝트의 몇가지 주요 도전을 설명하고 채택된 접근법에 대해 논의하고 SEMERGY의 주요 특징들을 제시함.

키워드:. 시멘틱 웹, 건물 성능 모델링, 디자인 지원 시스템, 열

KEYWORDS: Semantic Web, Building Performance Modelling, Decision Support Systems, Thermal retrofit 

- 건축가, 계획가, 건물 과학자들은 건축물의 설계와 개선을 위한 다양한 도전에 직면함.

- 과거에 성능 평가 도구 개발이 입증되고 치열했음에도 불구하고 그들의 실행은 성능 지향적 설계 의사 결정이 아닌 인증 및 사후검증에 제한됨 (Hensen et al. 2004).

- 설계 커뮤니티의 측면에서 성능지향 설계를 위한 의욕 부족은 다양한 경제적이고 기술적 도전에서 비롯될 수 있음.

- 에너지와 환경 성능 조사에 필요한 많은 시간과 전문 지식은 추가비용과 장기간의 설계 과정으로 이끎.

- 클라이언트와 디자이너는 기술 속성, 건물 재료비, 설비 및 제품, 건축 법규와 기준 등을 포함하는 에너지 및 비용 평가, 의사 결정에 필요한 테이터에 대한 불충분하고 비효율적 접근에 영향을 받음.

- 다른 도전들은 계획 오류(planning fallacy) (Kahneman, 2011)와 의사결정과 데이터에 관한 불확실성(Augenbroe 2010)을 포함함.

- DENA (2013)에 따르면 시장 투명성과 정보 기회의 부족은 클라이언트들에게 해로운 두가지 요인들로 고려됨.

- 그와 같이, 이러한 장애 극복을 위한 개발적 시도는 효과적인 데이터 흐름을 보장해야하고 자동화된 과정을 통해 사용자의 노력을 줄리고 속도를 늘이고 문제에 대한 다변량의 고려사항들의 처리가 가능해야 함.

- 건축 설계 커뮤니티의 전문직 구성원들뿐만 아니라 초보 사용자(클라이언트들)에 의해 사용가능한, 웹기반의 의사결정 지원 및 최적화 환경을 제공하여 SEMERGY는 이러한 문제들을 처리함.

- 이 환경은 웹기반 소스들로 부터 반자동 데이터 추출을 위한 시멘틱 웹 기술을 이용으로 성능 지향적 설계에 대한 데이터관련 장벽들을 극복하기 위해 제안됨.

- 건물 프로덕트 데이터의 추출과 이용을 위한 이러한 방법의 적용성은 SEMERGY 환경의 첫 번째 (베타) 배포물에서 예증됨.

- 다목적 최적화 과정은 계획과정에서 사용자의 노력과 시간과 비용을 절감시킴.

- SEMERGY는 새로운 성능 평가 도구라기 보다는 건물의 에너지, 환경, 비용 평가를 위한 서로 다른 계산 및 시뮬레이션 방법들(예, Energy Plus 2014, Archiphysik 2014, PHPP 2014)을 통합함.

- SEMERGY는 신축 건물 외에도 건물 개장(改裝) 프로젝트의 평가와 최적화를 위해 고안됨.

- 하지만 기성 또는 새로운 구조물의 최적화의 근본적 차이로 SEMERGY 베타 판은 건물 개장 문제에 초점을 둠.

- 2단계 SEMERGY 과제(수행중)는 신축물의 통합과 기존 전산 모듈들의 개선에 집중하고 있음.

- 이 논문은 주요 도전과 채택된 방법과 함께 SEMERGY 환경의 주요 특징, 개발 과정을 보고함.

- 다음의 논제가 논의됨.

i. 소프트웨어 구조, 목표와 기대효과.

ii. 다양한 요구조건들에 대해 적절한 건축 표현 안(scheme) 만들기

v. 최적 후보들인 적법한 대안 시공물들의 반자동화 확인

vi. 서로 다른 국가들의 전산 방법과 법규들의 향후 통합을 위한 가변적 융통성과 적응성

2. 관련 연구

2.1 경쟁자 분석

- 설계 및 리모델링을 지원하는 몇가지 방법이 존재함: 이 도구는 가격정책(무료/ 오픈소스/ 상용), 스케일(구성재, 건물, 도시), 방법론(단순 계산, 표준화 방법(normative approaches), 시뮬레이션), 기술 실현(브라우저 기반 도구, 다운로드 및 인스톨을 위한 도구, 실행된 기술)에 따라 다양함.

- Cetin and Mahdavi (2010)은 웹 기반 성능 시뮬레이션 도구들의 적용성과 활용성을 연구하고 다양한 도구들을 확인함.

이 연구는 그 이후의 3년에 대해 다시 탐색함.

- 다음의 목록은 SEMERGY 개발 과정에서 지속적으로 수행된 경쟁자 분석에 기반함:

* EnergyGlobe: 가전기기의 에너지 수요를 비롯한 건물 평가 도구 제공 (energyglobe.com)

* Online standard-based Energy-Calculators: 독일과 오스트리아 합작의 오프라인 건물 성능 계산 서비스로 대부분의 서비스가 자동으로 계산하는 것이 아닌 인터넷을 통해 데이터 습득을 용이하게 해주고 실제 계산은 에너지 평가 분야의 전문가들에 의해 수행됨.

* Google Flux (Google 2014): SEMERGY와 유사한 문제를 다루기 위해 고안되어 건물 설계 최적화 방법에 대한 글로벌한 요구의 타당성을 확인함.

2.2 시맨틱 웹 기술

- 시멘틱 웹(Semantic Web)의 개념은 Berners–Lee 외(2001)에 의해 최초로 도입.

- 그 데이터는 웹사이트의 메타데이터의 통합과 다양한 개념과 문서의 연결과 관계 정립으로 웹에서 기계가 인식할 수 있는 포맷(machine-understandable format)으로 제공됨.

- 온톨로지(ontology)라는 용어는 “화법의 공유를 위한 표현 어휘의 명세화: 클래스, 관계, 기능, 기타 오브젝트의 정의물”로 언급됨 (Gruber 1992).

- 이 개념은 그래프 기반 웹지원 데이터 구조로 진화됨.

- “온톨로지컬(ontological)”한 데이터 표현은 새로운 정보에 대한 법칙기반추론과 마찬가지로 복잡한 조회를 가능하게 함.

- 연계된 시멘틱 데이터 온톨로지들의 활용은 의학 연구 및 생활 과학 분야에서 이미 잘 정립됨 (W3 2014).

- Shayeganfar (2008)는 다양한 창문 제품들의 사례를 가진 건물 프로덕트 정보 검색과 구조화로 동일한 방식의 적용성을 증명함.

- 다양한 웹 기반 건물 관련 데이터에 대한 기술적 잠재성에 대한 보다 명확한 연구가 SEMERGY 프로젝트에서 추구함 (Mahdavi et al.2012a, 2012b).

- 건자재 데이터의 표현에 대한 노력이 Radinger 외 (2013)에 의해 보고됨: 그들의 프로젝트인 “BauDataWeb”은 건자재 산업에서 e-비지니스를 지원하기 위해 오스트리아 내의 건자재의 유효성과 위치(location)에 대해 시험함.

- 이 과제는 건설 현장 부근의 제품 공급자를 위한 검색을 용이하게 하고 제품 유형과 속성(예, 두께, 열 전도성)에 기초한 제품 검색을 가능하게 함.

- 하지만 이 과제는 기술 및 공학적 관점에서 제품을 다루지 않음.

- 성능 지향형 의사결정 지원 시스템에서는 대안적 디자인의 자동 인식을 위한 복잡한 논리가 요구됨. 

- SEMERGY 과제는 건물의 다양한 성능 분석을 위한 새로운 전산 엔진 개발을 하려는 것이 아니고 기존의 방법과 전산 엔진을 이용하여 유동적이고 확장가능한 환경의 핵심 요소로 구상됨.

- 이러한 핵심은 다목적 최적화 요소인 중심 데이터 모델과 SEMERGY에 플러그인될 수 있는 다양한 요소들의 링크를 만들어 그 기능을 확장하거나 맞춤화하는 세가지 인터페이스들을 통합함.

- 이러한 세가지 인터페이스는 다음과 같음:

1) 추론 인터페이스: 다양한 성능 엔진으로 원할한 처리 제공

2) 시멘틱 인터페이스: 시멘틱 데이터 온톨로로지로 접근을 가능하게 하여 건자재, 법규 등과 같은 웹기반 자원들의 활용을 용이하게 함.

3) 사용자 인터페이스: SEMERGY에 설계와 사용자 선호도의 소통을 가능하게 함.

- SEMERGY 환경의 다양한 구성요소들 사이에 데이터 전달을 용이하게 하고 시멘틱한 데이터 온톨로지 구축을 위한 확고한 틀을 제공하기 위해 건물 표현이 채택됨.

- 이 표현은 다양한 계획된 성능 평가 절차의 요구조건들에 대응할 뿐만아니라 미래의 기능성을 위한 확장을 가능하게 함.

- 기존의 표준 건축모델 조사에 앞서 몇가지 성능 계산 엔진이 입력 정보의 범위와 포맷을 결정하기 위해 역으로 계획됨.

- Building Smart 그룹에 의해 개발된 산업기반클래스 (Industry Foundation Classes (IFC, 2014)와 분석용 BIM 소프트웨어로부터 건물 데이터 전송을 용이하게 하는 그린 빌딩 XML (gbXML, 2014)이 자세히 분석됨.

- IFC 모델은 대부분의 성능 분석 절차들의 기본적 요구인 공간기반 구조의 부족과 IFC로부터 그러한 구조의 처리를 위해 필요한 변환에 대한 고도의 전산처리 비용으로 인해 제외시킴.

- gbXML은 SEMERGY의 기능성에 구조적으로 부합되나 모델 확장 불가능과 모델의 다양한 표현형식은 프로젝트에 부적절했음.

- 이에 Shared Object Model 즉 SOM (Mahdavi 1999, Mahdavi et al. 2002)이 조사됨.

- SOM은 성능 평가 (열, 음환경 등) 분야에서 개발되어 전산과정에서 공간의 표현과 공간 경계 및 속성이 중요하므로 SOM은 건물의 공간 기반의 뷰를 제공함.

- SEMERGY Building Model (SBM, Ghiassi 2013)로 알려진 건물 데이터 표현은 광범위한 성능 (열, 환경, 경제성) 조사에 순응하며 다른 성능 계산(예, 음환경)과의 호환도 가능함.

- SEMERGY 환경 내에서 SBM은 사용자 인터페이스를 통해 얻어진 사용자 제공 자료와 시맨틱 데이터 온톨로지로부터 선별된 데이터에 의해 부분적으로 장착됨.

- SBM의 구조적 개관은 다음 그림과 같음.

1) 계산 파라미터

2) 운영 데이터

3) 물리 데이터-형상(Geomerty)

4) 물리 데이터-시맨틱스 

 - SEMERGY는 전문가와 초보자 모두를 위해 고안됨.

- 따라서, 데이터 입력이 단순하고 빠르고 명쾌한 특장점을 가짐.

- 여러 정보 습득을 위해 웹기반 GUI가 개발됨.

- 유용한 옵션들의 선택에 의해 정보가 입력됨.

- SEMERGY GUI는 사용자들이 간단한 CAD 환경에서처럼 서로 다른 재료 요소들 (예, 외벽, 방화벽, 내벽)을 서로 다른 선들로 그릴 수 있게 해줌.

- 창호도 유사한 방식으로 그려짐.

- 창대(sill) 등의 높이는 수치로 입력됨.

- 평면이 그려지면 SEMERGY는 공간을 인식하여 SBM 형식으로 건물의 3차원 표현을 구축함.

- 사용자는 사전 정의된 목록으로부터 각 공간의 기능을 선택하도록 요청받음.

- 다음 그림은 SEMERGY GUI의 스크린 샷을 나타냄.

- 형상(geometry)와 공간 기능이 정의되면 사용자가 원하는 내용들이 입력됨.

- 관련 데이터의 습득과 입력을 단순화하기 위해 사용자는 전반적인 건물의 시공 유형 선택을 요청받음.

- 사용자는 각 건물 구성요소들(예, 외부 단열재를 가진 벽돌벽 또는 중공벽)에 대한 목록을 보고 그 두께를 수정할 수 있음

- 대부분의 웹 기반 문서들은 인간을 대상으로 제공되어 그 구조가 빈약하고 기계가 활용하기 위해서는 내장된 지식이 요구됨.

- 이러한 방대한 정보를 자동화된 과정으로 이용하기 위해서는 기계가 인식할 수 있는 형식으로 데이터를 재구성 해야함.

- 시맨틱 웹 기술은 기존의 웹 문서들을 웹 데이터로 재구성할 수 있는 기회를 제공함.

- SEMERGY는 건물 프로덕트 정보의 이용가능한 풀(pool)에 초점을 둠.

- 채택된 전략의 성능을 증명하기 위해 주요 웹기반 저장소인 BauBook (BauBook 2014)와 MASEA (MASEA 2014)가 선택됨.

- 이론적으로 시맨틱 웹 방식은 어떤 웹기반 리소스에도 적용될 수 있지만 형식의 불일치와 데이터 공급자 측면에서의 표현은 그러한 결실없는 노력만을 만들어낼 수 있음.

- 따라서, 일관된 형식으로 방대한 데이터 구조를 갖는 데이터 저장소가 데모(demo)를 위해 선택됨.

- BauBook 분류 방식은 참조 클래스 위계와 SEMERGY 온톨로지의 기초로 작용하도록 채택됨.

- SBM 내 재료 표현은 데이터 호환을 보증하는 건물 프로덕트 온톨로지를 위해 채택됨.

- 각 제품과 관계된 데이터는 웹 소스로부터 얻어졌고 부합하는 속성 내에서 조직화됨.

- BauBook와 MASEA의 저장소에 단일 제품이 존재하면 양쪽에서 도출된 데이터가 더 많은 제품 프로필에 합쳐짐.

- 2번째 단계로 다양한 제작자 또는 재판매자(reseller) 웹사이트로부터 비용 데이터가 물리적 속성에 추가됨.

- 재료 프로필은 정기 업데이트와 새로운 정보 습득의 기회를 제공하면서 원래의 데이터 소스와 연결을 유지함.

- 기술적 고려사항이나 서로 다른 건물 구성요소들의 재료 구성과 관련한 제약들과 마찬가지로 사용자의 선호사항을 기반으로 제품 온톨로지는 자세한 재료 정보를 SBM에 장착시킴.

- 이러한 법칙 기반 논리로 SEMERGY는 대안들을 확인한다.

- 대안적 시나리오와 관련된 데이터가 온톨로지로부터 검색되고 최적화 계산을 위한 SBM에 공급됨.

- 건물성능최적화를 위해 SEMERGY는 재료와 시공물에 대한 대안들을 제안할 수 있어야 함.

- SEMERGY의 현재 배포판은 리모델링에 초점을 두어 기존 건물에만 건물성능 최적화가 한정됨.

- SEMERGY는 시공년도를 기초로 건물의 열적 외피에 대한 기정(default) 시공 옵션을 제공함.

- 이것들은 사용자들에 의해 수용되거나 변경될 수 있음.

- 사용자들은 이러한 템플릿들의 세부 내용을 변경할 수 있음.

- 만약 노후된 건물 구성재가 예전에 리모델링에 적용되었다면 기본 평가 과정에서 이에 대한 조정을 고려할 수 있음.

- 부수적으로 사용자들은 시공요소들이 최적화 작업에 포함되어야할지 제외되어야할지를 결정할 수 있음.

- SEMERGY는 사용자 입력 이외에 시공 대안물의 확인을 위한 법칙을 요구함.

- 다음 그림은 바닥 시공에 대한 법칙 기반 최적화 과정을 보여준다.

- 시공 고려사항을 가진 조합물의 적합성을 보장하기 위해 U-값과 방수 디퓨전 값의 계산이 수행됨.

- 요구사항을 충족시키지 않은 조합물들은 대안들 중에서 제거됨. 

- 반자동 건물 성능 평가 및 최적화 분야의 시멘틱 웹 기술의 이용을 위한 노력들을 소개함.

- 건물 프로덕트 데이터의 도출, 재구성, 보완을 위한 시멘틱 데이터 온톨로지의 적용이 SEMERGY 베타 출시판에서 증명됨 (SEMERGY, 2014).

- 개발된 데이터 온톨로지는 사용자 선호도와 기술적 고려사항 기반의 실용적인 건물 구성 대안들을 확인하고 생성하는 정교한 법칙 기반 논리에 따라 사용됨.

- 다목적 최적화 절차는 전반적인 열관련 요구조건, 환경 영향, 비용에 대한 최적화 디자인 해법으로의 접근을 도움.

- 다양한 디자인과 리모델링 옵션의 자동 확인과 자동화된 다목적 최적화는 건물 성능 지향 디자인을 위한 어떤 경쟁적 개발에서도 현재 지원되지 않음.

- SEMERGY는 사용자가 제공한 2차원 도면을 공간 기반의 3차원 건물 표현으로 자동적으로 확장시킴으로써 복잡한 성능 조사에 복잡한 데이터 입력을 줄여줌.

- 이 성과물은 SEMERGY 프로젝트의 1단계 결과임.

프로젝트 2단계는 2014년 6월에 착수되어 다음과 같은 작업에 초점을 두게 될 것임.

1) 신축 건물용 최적화 통합.

2) SEMERGY 환경에 건물 설비의 통합

3) 여름철 과열 및 부분적 건축 법규 준수 사항 검토를 위한 새로운 계산 모듈 통합

4) SEMERGY에 통합된 비용산출기능의 개선 및 보완