1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
원자력발전소는 국내 신형원전 APR1400 (Advanced Power Reactor 1400MW) 2개호기1)를 기준으로 총 사업비 8조 6천억원, 사업기간 10년 이상이 소요되는 대형 국가기 반 시설이다. 또한 총 사업부지 217만m² 2)내 20개 이상의 건 물 및 구조물로 구성되어 있으며, 건설에 필요한 전체도면은 약 6만5천장에 이른다. 따라서 원자력발전소 같은 대형 시 설의 설계에는 설계요건(법규 및 요구사항)을 명확히 규정하 여 일관성 있게 설계가 진행될 수 있는 일종의 가이드라인역 할을 하는 설계기준이 필수적이다. 이를 위해 국내 원전 설
계 시, 미국연방법 10CFR50.2에서 규정한 설계기준(Design Bases)을 설계에 가장 높은 단계의 기준이 되는 설계기준문 서(Design Bases Document 또는 Drawing, DBD)로 작성하 여 인허가 시현성, 설계 일관성 및 도면간의 일치성을 유지 하고 있다. 또한 건설완료 후에도 설계기준문서는 설계변경 및 운영, 관리에 활용된다. 설계기준은 다양한 분야 전문가들 의 분석을 통해 선정되며 이후 DBD로 작성되어 관리되는데, APR1400의 경우 미국 연방법 10CFR50 Appendix A 및 국내 법 원자로시설 등의 기술기준에 관한 규칙에서 규정된 물리 적방호, 화재방호, 환기방호, 내부침수방호, 방사선방호, 내 부배관파단방호, 항공기충돌방호 총 7가지 설계기준이 DBD 로 작성된다. 이들은 기본·상세설계에 직접적으로 영향을 미치는 만큼 체계화된 시스템을 통한 관리체계가 필요하다.
하지만 기존 문서기반 DBD관리 체계에는 통합적인 설계
* Corresponding author: Shin, Jaeseop, KEPCO Engineering &
Construction, 269 Hyeoksin-ro, Gimcheon-si, Korea E-mail: [email protected]
Received October 15, 2018: revised - accepted November 6, 2018
Algorithm-Aided BIM 기반 원전 3차원 설계기준 관리시스템 개발
신재섭*
*
한국전력기술(KEPCO E&C), 원자력본부
Development of AAB (Algorithm-Aided BIM) Based 3D Design Bases Management System in Nuclear Power Plant
Shin, Jaeseop
**
KEPCO Engineering & Construction, Nuclear Division
Abstract :
The APR1400 (Advanced Power Reactor 1400MW) nuclear power plant is a large-scale national infrastructure facility with a total project cost of 8.6 trillion won and a project period of 10 years or more. The total project area is about 2.17 million square meters and consists of more than 20 buildings and structures. And the total number of drawings required for construction is about 65,000. In order to design such a large facility, it is important to establish a design standard that reflects the design intent and can increase conformity between documents (drawings). To this end, a design bases document (DBD) reflecting the design bases that extracted in regulatory requirements (e.g.
10CFR50, Korean Law, etc.) is created. However, although the design bases are important concepts that are a big framework for the whole design of the nuclear power plant, they are managed in 2-dimensional by the experts in each field fragmentarily. Therefore, in order to improve the usability of building information, we developed BIM(Building Information Model) based 3-dimensional design bases management system. For this purpose, the concept of design bases information layer (DBIL) was introduced. Through the simulation of developed system, design bases attribute and element data extraction for each DBIL was confirmed, and walls, floors, doors, and penetrations with DBIL were successfully extracted.
Keywords :
Algorithm Aided BIM, BIM, Design Bases, Nuclear Power Plant
1) APR1400은 경제성 및 운영편의성 향상을 위해 양(兩)호기를 기준으 로 배치되는 특성을 가진다.
2) 육상 192만m², 해상 65만m²(출처: 신고리 5,6호기 공론화 자료집)
기준 관리와 효과적인 후속설계 정보제공에 한계가 있었다.
대규모 시설인 원전에 적용되던 설계기준정보를 문서로 DB 화하고<Fig. 5>, 다양한 분야에서 개별적으로 관리하여 통합 운영이 제한적이었다. 또한 2차원 문서기반의 DBD에 표현된 설계기준 정보를 정확히 인지하고 후속설계에 반영하는데 어 려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 위의 설계기준 관리와 후속설계 정보제공의 문제점을 개선하여, 체계적인 설계기준 관리체계를 구축하기 위해 BIM을 기반으로 하는 3차원 설계 기준 관리시스템 개발을 제안하였다.
1.2 연구의 방법 및 절차
3차원 설계기준 관리시스템 개발을 위해 BIM 소프트웨어 인 Autodesk Revit과 Algorithm programming이 가능한 Dynamo를 활용하여 연구를 진행하였다.3) 국내 신형원전인 APR1400은 8개 층, 약 1,100개의 실(Room)로 구성된 대형 시설물이기 때문에 개발단계에서 실제 원전 모델을 적용하기 에는 개발 장비의 성능 측면에서 무리가 있다고 판단되어, 개 발된 시스템의 시뮬레이션 및 검증을 위해 2개 층, 32개의 실 로 구성된 가상의 건물을 모델링하여 진행하였다. 가상 모델 에 적용된 설계기준(Design Bases)은 3가지(주석 11참조)이 며, 실 번호, 실 이름, 실별 설계기준의 적용 유무는 임의로 부여하여 연구를 진행하였다.
연구의 절차는 위의 <Fig. 1>과 같다. 2장에서는 본 연 구에서 활용할 BIM (Building Information Modeling) 및 Algorithm- Aided BIM 그리고 원자력발전소에서 사용되는 설계기준(Design Bases)에 대한 개념 및 선행연구 고찰을 진 행하였다. 특히 대표적인 선행연구 고찰을 통해 BIM 활용의 장점을 분석하였으며, 설계기준(Design Bases)에 대한 개념 과 현행 설계기준 관리체계의 한계점을 설명하였다. 3장에
서는 3차원 설계기준 관리시스템 개발에 사용된 기본개념 및 시스템의 운용절차 그리고 구성 체계에 대한 내용을 서술하 였다. 4장에서는 개발한 시스템의 시뮬레이션과 검증을 진행 하였다. 가상의 건물을 대상으로 진행하였으며 시각화된 결 과물과 데이터를 결과물로 추출하여, 개발된 시스템의 유효 성을 설명하였다. 마지막으로 결론에서 연구의 한계 및 추후 지속 연구방향을 제시하였다.
2. 배경이론 고찰
2.1 BIM, Algorithm-Aided BIM
BIM (Building Information Model)이란 3차원 정보모델 을 기반으로 시설물의 생애주기에 걸쳐 발생하는 모든 정 보를 통합하여 활용 가능하도록 시설물의 형상, 속성 등을 내재하고 있는 디지털 모형을 의미한다(Kim, 2010). 과정 적 측면에서 본다면 BIM (Building Information Modeling) 은 다차원 공간에서 기획, 설계, 엔지니어링(구조, 설비, 전 기 등), 시공, 더 나아가 유지관리 및 폐기까지 가상으로 시 설물을 모델링하는 과정을 의미하기도 한다(Kim et al., 2013). 이처럼 BIM은 모델 객체들이 고유한 정보를 가지고 있어 다른 분석도구로 정보 교환 및 전달을 통해 구조해석, 에너지분석, 음향분석, 설계적정성 평가 등 다양한 활용이 가능하다.
Chuck et al. (2011)은 BIM의 장점중 하나로 ‘설계의도의 쉬운 검토’를 언급한다. 전문적인 용도의 시설(병원. 연구소 등)은 설계기준을 정량적으로 정의하는 경우가 많은데, BIM 을 활용하여 정량화된 설계기준을 만족하는지 검토할 수 있 다. 질적인 요구사항들(A공간은 B공간과 인접해야 하는 등) 도 3D모델을 사용하여 자동으로 평가 할 수 있다. 대표적으 로, Lee et al. (2010)은 BIM 데이터베이스를 기반으로 공 간 객체를 구성, 분류하는 설계평가도구를 개발하였으며, Security level, AB code, Energy zone, BOMA category 등 다양한 성격의 영역을 기준으로 법원시설에 적용하였다.
Porter et al. (2014)은 BIM의 공간정보를 활용하여 네트워 크기반 멀티에이전트 시스템을 통해 건축물의 물리적보안 평가모델을 개발하였다. BIM이 가지고 있는 공간정보 데이 터를 추출하여 정확하고 설계변경에 유연하게 대응할 수 있 는 정량적 평가도구를 개발하였다는데 의의가 있다.
Fig. 1. Research Flow
3) Revit은 Autodesk사에서 개발한 소프트웨어로서 전 세계적으로 가 장 범용적으로 사용되는 BIM 소프트웨어이다. 본 연구에서는 Revit Architecture 2017을 사용하였다.
Dynamo는 Autodesk사에서 개발한 Visual Programming 소프트웨 어로서 단독 혹은 Revit에 Add-in되어 활용가능하다. 사용자가 직접 BIM 데이터를 가공할 수 있는 Open programming 소프트웨어이다.
본 연구에서는 Dynamo Version 2.0.1을 사용하였다.
Algorithm-Aided BIM은 알고리즘을 기반으로 하여 BIM모델을 생성하거나, 평가, 분석 등의 일련의 방법론을 의미한다. 알고리즘 기반 설계는 변수로 설정된 각 요소들 사이의 수학적 관계를 이용하여 복합한 기하학적 요소들과 구조를 의도에 따라 조직하고 영향을 줄 수 있게 하는 방법 론을 말하며(Yi, 2016), 알고리즘 기반 디자인(Algorithm Aided Design), 제너레이티브 디자인(Generative Design), 또는 파라메트릭 디자인(Parametric Design)이라고 불린 다. 여기에 BIM을 기반으로 한 알고리즘 설계 방법론을 AAB (Algorithm-Aided BIM) 또는 A-BIM (Algorithmic- Based BIM)이라고 한다.4) 본 연구에서의 Algorithm- Aided BIM은 BIM기반 모델 데이터를 활용하여 건물을 평 가하고 설계기준 시스템을 개발하는 등 설계보조 도구로서 의 BIM을 지칭한다.
Algorithm-Aided BIM에서 알고리즘을 적용하는 방 법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 Textural Programing으로 설계자가 직접 코딩을 수행하는 방법이 다. 이 방법은 많은 코딩 소스들을 붙이고 변형하는 등 응 용 면에서 유리하지만 설계자가 코딩을 직접해야한다는 점 에서 한계가 있다. 두 번째는 Visual Programing으로 코딩 언어를 직접 입력하는 대신 BIM툴 개발사에서 제작한 시 각화된 소프트웨어 활용하는 방법이다. 예로서, BIM툴인 Autodesk사의 Revit에서 활용 가능한 Dynamo가 대표적이 며 그 예는 <Fig. 3>과 같다.5)
2.2 설계기준(Design Bases)
미국 연방법 10CFR50.26)에 따르면 설계기준(Design Bases)이란 원자력발전소의 구조물, 계통, 기기(Structure, System, Component, SSC)에 의해 수행되는 특정 기능과 주요 설계변수의 설계 값 또는 설계범위를 의미한다. 이 설 계 값은 1) 기능적 목표를 달성하기 위해 일반적으로 받아 들여지는 관행으로부터 도출된 제한치, 또는 2) 구조물, 계 통, 기기가 그 기능적 목표를 만족해야하는 가상사고에 대 한 영향 분석으로부터 도출된 요건을 말한다. 또한 ANSI/
NIRMA CM 1.0 (2007)7)에 따르면 설계기준(Design Bases) 이란 원자력발전소 설계에 필수적으로 요구되는 설계요건 을 만족시키기 위해 구조물, 계통, 기기(Structure, System, Component, SSC) 각각에 적용되는 높은 등급(High-level) 의 기준을 의미한다. 각각의 설계기준은 표준산업기준 (Code & Standard), 일반설계기준, 규제요건, 정량적 평가 및 분석을 통해 설계에 반영된다. 앞서 설명한 두 설계기준 에 대한 정의는 유사하지만 후자는 전자의 개념보다 좀 더 포괄적인 의미로 해석할 수 있다. 결론적으로 설계기준이란 원자력발전소에 요구되는 기능을 만족시키기 위한 기술적 기준이라고 말할 수 있다.
설계기준은 체계적으로 취합되어 하나의 특정 주제문서 또는 시스템으로 문서화 되어 설계기준문서((Design Bases Document, DBD)로 생산된다.8) 이렇게 생산된 DBD는 원 전 설계시 준수해야할 정보를 제공할 뿐만 아니라, 설계변 경, 설계개선 등에 필요한 설계요건을 포함하고 있다. 따라 서 설계진행 및 변경단계에서 설계요건을 벗어나지 않도록 보장하는 기준문서의 역할을 하며, 건설 후 운영 및 유지관 리 과정에서 DBD의 지속적 활용이 가능하다. 이처럼 DBD 는 다양한 단계 및 분야에서 기반정보로 활용되는 만큼 효 과적 활용을 위해서는 작성 초기에 명확한 목적과 활용분야
4) 선행연구에서 저자에 따라 쓰는 용어의 차이가 존재하였는데, 대표 적으로 Harri Humppi (2015)는 Algorithm-Aided BIM (AAB), Sofia Feist (2017)은 Algorithmic-Based BIM (A-BIM)으로 사 용함. 본 연구는 알고리즘을 통한 설계방법이 아니라, 알고리즘을 활용하여 BIM 모델에 설계기준 시스템을 개발하는 것이 목적이기 때문에 도구로서의 의미의 Algorithm-Aided BIM 이라는 용어를 사용함.
5) National BIM Report (NBS, 2017)의 조사에 따르면 영국을 기 준으로 설계 소프트웨어별 점유율은 Autodesk Revit: 41%, Graphisoft ArchiCAD: 15%, ..., Bentley Microstation: 2% 로 조사됨.
6) 10CFR50 Domestic Licensing of Production and Utilization Facilities, Section 50.2 Definitions.
7) ANSI/NIRMA CM1.0-2007, Guidelines for Configuration Management of Nuclear Facilities
8) 설계기준을 도면화하여 작성되는 경우, 설계기준도면(Design Bases Drawing, DBD)으로 사용 함. 본 연구에서는 설계기준문서 와 설계기준도면을 설계기준문서(DBD)로 통칭해서 사용함.
Fig. 2. BIM and Security Analysis Heat Map (Porter et al., 2014)
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Fig. 3. Visual vs Textural Programing in Dynamo
(Source: http://primer.dynamobim.org/)
에 대한 고려가 선행되어야 하며, 이후에도 체계적인 관리 가 필수적이다.
설계요건(Code & Standard)으로부터 설계기준 및 DBD 가 원전설계에 적용되는 일련의 과정은 <Fig. 4>과 같다. 설 계요건(Design Requirement)은 원전 건설에 필수적인 관 련 법규, 산업기준 등으로 구성되어 있는데, 이를 분석한 기 술사양이 설계기준이며, 분석 결과물은 체계적으로 DBD로 작성된다. 이후 DBD를 기반으로 원전의 구조물, 시스템, 기 기 설계를 만족시킬 수 있는 기술사양(SSCs Specification) 이 설정되고 설계변수(SSC 설계에 반영되는 설정치 및 한도 값)에 따라 상세설계(계산서, 도면) 및 운전정보에 반영되 어 실제 원자력발전소가 건설, 운영된다.
2.3 적용 설계기준 개요
국내 신형원전인 APR1400은 기본적으로 국내에 적용되 는 관련법에 따라 설계기준에 부합하도록 설계되지만, 동시 에 미국 법령 및 설계기준도 준수하고 있다. 만약 국내 기준 과 미국 기준이 상충하였을 때 국내 기준을 우선하지만, 필 요시 상호보완적으로 적용하고 있다. APR1400은 미국의 관 련 법령인 ‘10CFR50 Appendix A’ 9)와 국내법 ‘원자로시설 등 의 기술기준에 관한 규칙’을 통해 설계기준을 도출하고 설계 에 적용하고 있다. ‘10CFR50 Appendix A–General Design Criteria for Nuclear Power Plants’는 원전 설계에 요구되는 최소 설계원칙을 명시해 놓은 법규로서, 건설 및 운영허가 취득을 위해서는 필수적으로 설계에 반영해야 하는 요건이 다. 국내법규는 원안위 규칙 제15호 ‘원자로시설 등의 기술기 준에 관한 규칙’으로 미국의 것과 내용이 유사하며, 두 법규 모두 품질등급, 다양한 요인에 의한 설계기준, 방사선방호에 관한 기준 등의 내용을 담고 있다. 이 중 원전의 물리적 형상
에 영향을 주는 설계기준은 아래 <Table 1>과 같다.
Table 1. Classification of Design Bases Document (DBD)
No. Design Bases Document
1 Physical Protection Barrier DBD 2 Fire Protection Barrier DBD 3 Ventilation Protection Barrier DBD 4 Internal Flood Protection Barrier DBD 5 Radiation Shielding Barrier DBD
6 Internal Missile Protection Barrier DBD (HELB, High-Energy Line Break)
7 External Missile Protection Barrier DBD (Aircraft Impact)
국내 및 미국법을 통해 도출한 원전의 물리적 형상에 영 향을 주는 설계기준은 총 7가지로 물리적방호, 화재방호, 환 기방호, 내부침수방호, 방사선방호, 내부비산물방호(고에너 지배관파단방호), 외부비산물방호(항공기충돌방호)이며 각 각의 상세 설계기준이 적용되는 실(Room) 및 구역은 정량 적 분석 및 평가를 통해 결정된다. 각각의 설계기준은 DBD 로 작성되어 후속설계에 반영되는데, 대표적으로 화재방호 DBD의 작성예시는 <Fig. 5>와 같다.
3. 3차원 설계기준 관리시스템
3.1 시스템 개요
본 연구에서 제안한 3차원 설계기준 관리시스템은 <Fig.
6>과 같이 크게 3단계로 이뤄져있다. 첫 번째는 여러 분야의 설계자가 정량적 분석을 통해 각 설계기준별 분석결과를 도 출하고 이를 하나의 통합 DB에 입력하는 단계이다. 분석결 과는 각 설계기준에 해당되는 실(Room)목록과 해당 실의 설 계기준 속성 값이다. 예를 들어 화재방호에 관한 설계기준
Fig. 4. Design Bases Document Taxonomy
Fig. 5. Example of Fire Protection Barrier Design Bases Document (Shin, 2018)
9) 10CFR (Code of Federal Regulation)은 에너지 분야의 미국 연방
규정으로 인허가와 관련된 기준 및 조건에 대한 기술적 요건을 규정
해 놓은 법규이다(Shin, 2018).
문서를 작성하여 DB화 한다면, 관련기준인 NFPA 10110)에 따라 계단실은 2시간의 방화기준이 설정되어야 한다. 따라서 실 명인 ‘계단실’과 실 속성값인 ‘2시간’이 DB에 구축된다. 본 연구에서는 설계기준과 속성 값이 DB화 된 이후 적용 가능 한 통합시스템 개발을 목적으로 하였기 때문에 가상시설에 대한 입력(INPUT)값은 임의로 설정하고 연구를 진행하였다.
두 번째 단계는 앞 단계에서 구축된 설계기준 DB와 빌딩모 델(BIM)과의 연동단계이다. 계획설계가 완료되면 BIM의 실 (Room)정보를 DB에 내보내 이를 기준으로 설계자들의 분석 이 수행된다. 이후, 설계가 진행되면서 변경 및 개정으로 인한 BIM 모델과 DB와의 주기적인 연동(Mapping & Feeding)이 필수적이다. DB와 연동된 BIM 모델은 3차원 설계기준 관리 시스템을 통해, 최종적으로 시각화(3D/2D) 모델과 설계기준 통합정보 DB로 내보낸다. 이는 후속공정인 시공 및 상세설계 에 활용될 수 있도록 가공 가능한 포맷11)으로 내보낼 수 있다.
3.2 설계기준정보층(DBIL) 개념
3차원 정보모델에서 시각화(3D/2D)모델과 설계기준 통 합정보 DB 결과물을 도출하기 위해서 본 연구에서 제안한 개념이 설계기준정보층(Design Bases Information Layer, DBIL)이다. DBIL은 실(Room)에 부여된 설계기준 정보 를 포함하고 있는 가상의 층(Layer)이며, 실에서 DBIL, 그 리고 벽, 바닥, 문, 관통부 등으로 설계기준을 부여하는 역 할을 하며, 그 과정은 <Fig. 7>과 같다. 연동(Mapping &
Feeding)과정을 통해 실에 부여된 설계기준 정보는 실 주변 의 DBIL로 설계기준 정보를 전달하며, 다시 DBIL은 벽, 천 장, 바닥, 문, 관통부 등으로 설계기준을 전달한다. 실의 물 리적 형태에 따라 실에 종속된 DBIL의 개수는 달라지며, DBIL이 포함하고 있는 설계기준의 수는 실의 성격에 따라 여러 개의12) 설계기준정보를 내포하고 있을 수도 있고, 아무 런 설계기준을 가지고 있지 않을 수도 있다.
3.3 Algorithm-Aided BIM 기반 시스템 구성 Algorithm-Aided BIM 기반으로 개발된 3차원 설계기준 관리시스템의 구성은 <Fig. 8>과 같으며, 과정을 크게 5단계 로 구분할 수 있다. 첫 번째 단계는 BIM 모델에서 실(Room) 데이터와 설계기준 대상 실 및 속성 DB를 동기화(Mapping
& Feeding)하는 과정이다. BIM 모델에서 설계된 실 일람 표를 내보내 분석결과 얻어진 실별 설계기준정보를 매핑 (Mapping)하면 BIM모델의 실에 설계기준 속성이 부여된다.
10) National Fire Protection Association 101, Life Safety Code 11) 본 연구에서는 설계 모델은 .dwg, 통합정보 DB는 .xls을 사용함.
12) 국내 신형원전 APR1400은 <Table 1>과 같이 7개의 설계기준이 적 용된다. 본 연구에서 적용한 설계기준은 3가지로, [F, R, H]로 분류 하여 시스템을 검증하였다.
Fig. 6. An Overview of the 3D-Design Bases Management System (1.INPUT is outside of the scope in this paper)
Fig. 7. Conceptual Diagram of DBIL (Design Bases Information Layer)
이를 통해 얻어진 BIM 모델상의 설계기준 속성은 벽, 바닥, 문 등에 설계기준을 입력하기 위한 변환과정을 거치게 된다.
두 번째 단계는 BIM 모델에서 설계기준정보층(DBIL)을 생성하는 과정이다. 기본적으로 DBIL은 <Fig. 7>의 개념에 따라 생성되며, 사각형 평면 실은 6개, 삼각형 평면 실은 5 개의 BDIL이 각각 생성된다. 본 시뮬레이션에 구축한 가상 건물(32개실)의 경우 총 200개의 DBIL이 생성되었다.
세 번째 단계는 앞 단계에서 생성한 DBIL을 기반으로 벽, 바닥에 부여된 설계기준 속성, DBIL에 영향을 주는 실, 문, 수직·수평관통부에 부여된 설계기준 속성 등을 추출하는 단계이다. 이러한 요소들에 부여된 설계기준 속성을 추출하 는 방법은 Dynamo의‘List.FilteredByBoolMask’노드를 활 용하여 진행하였다. 이는 전체 DBIL리스트와 전체 벽 리스 트, 바닥 리스트, 문 리스트, 수직·수평관통부 등을 입력하 여 동등성을 가지는 요소를 필터링하여 추출하는 방법이다.
DBIL에 영향을 주는 실이란 DBIL의 속성을 발생시킨 실과 이와 접해있는 실의 리스트를 말한다. 예를 들어 외벽에 위 치한 DBIL은 하나의 실에만 영향을 받지만, 실내의 두 실 사 이에 위치한 DBIL은 2개 이상의 유관한 실 리스트를 가진다 (<Fig. 11>의 5번째 열).
네 번째 단계는 앞에서 얻어진 DBIL과 이와 연계된 실, 방
벽(벽, 바닥, 천장)정보, 문, 관통부 등의 정보를 추출하여 데 이터베이스화 하는 단계이다. 본 연구에서는 각 DBIL과 설 계기준 속성, DBIL에 속한 방벽(벽, 바닥)번호, 유관한 실 번 호·이름, 문, 수직·수평 관통부 번호를 데이터베이스화 대 상으로 하였으며, 결과물은 <Fig. 11>과 같다.
마지막은 실 공간과 DBIL을 설계기준의 속성에 따라 시각 화 하는 단계이다. 색상을 기준으로 시각화 하면 후속설계자 에 실 및 DBIL에 적용되는 설계기준 속성을 효과적으로 전 달할 수 있을 뿐 아니라, 설계변경 및 발전소 운영 중 설계개 선에서 활용이 가능하다. 본 연구에서 가정한 적용 설계기준 은 3가지이므로, 이들의 조합으로 부여될 수 있는 설계기준 속성의 개수인 8개의 색상을 지정하여 실 및 DBIL에 색상을 부여하였다.
4. 시스템 시뮬레이션
4.1 공간구분 및 시각화
개발한 3차원 설계기준 관리시스템을 통해 공간구분 및 시각화한 결과는 <Fig. 9>와 <Fig. 10>과 같다. Dynamo 를 통해 생성한 DBIL과 설계기준 속성을 BIM 소프트웨어 (Revit)에 부여하면 <Fig. 9>와 같이 3차원 빌딩모델에서
Fig. 8. Algorithm of BIM Based Design Bases Management System
DBIL을 확인 할 수 있다. 또한 DBIL을 선택하면 이에 부 여된 설계기준 속성을 바로 확인 할 수 있다. 이를 통해 설 계자는 3차원 빌딩모델과 DBIL 및 설계기준 속성을 동시 에 확인할 수 있어 상세설계 및 설계변경 시에 설계기준 오 적용으로 인한 설계오류를 방지할 수 있다. <Fig. 10>은 본 연구에서 개발한 시스템을 적용·시뮬레이션하기 위해 만 든 가상시설의 2층 평면이다. 앞서 BIM모델의 실과 설계기 준 DB 동기화를 거쳐 BIM 모델 실에는 설계기준 속성이 자 동 부여되어 있어, 이에 따라 색상이 자동 부여되며 도면 우 측에 색상과 설계기준 속성의 범례가 자동 생성됨을 확인할 수 있다. 설계자는 이를 통해 해당 평면에 5개의 설계기준이 적용됨과 특정지역에 어떠한 설계기준을 적용받는 실들이 모여 있는지 등을 확인하여 후속 설계에 이를 활용할 수 있 다. 기존에는 2D기반의 도면에 설계기준이 통합되지 못한
채, 각각의 도면으로 생산되어 체계적 관리가 어려웠다. 따 라서 후속 설계나 설계변경을 진행함에 있어 시각화된 도면 및 3D 다이어그램 등을 통해서 효과적인 설계정보 전달 도 구로 활용할 수 있다.
4.2 데이터 추출 결과 및 활용
가상 시설물에 대한 시뮬레이션 결과, 추출한 데이터는
<Fig. 11>과 같다. 좌측은 Dynamo 상에서 얻어진 데이터 결과물이며, 이를 엑셀로 추출한 결과는 오른쪽 그림과 같 다. 데이터 추출 순서는 DBIL(설계기준정보층), DBIL이 내 재한 설계기준 속성13), DBIL이 속한 방벽(벽, 바닥, 천장 슬 라브)번호, DBIL과 영향이 있는 실(번호, 이름)이며, 이외에 DBIL상에 위치하여 설계기준 속성이 전달되어야 하는 문, 수직·수평 관통부 등을 추출하여 DB화 하였다.
이를 통해 얻어진 DBIL별 설계기준정보를 활용하여 크게 두 가지 방법으로 기존 원전 설계프로세스를 개선할 수 있 다. 첫 번째, 기존 설계 프로세스에서 후속 상세설계 및 설 계변경 시 7가지의 설계기준 문서를 각각 확인한 후 설계가 진행되었다면, DBIL DB를 통해 한 번에 설계대상에 적용 되는 설계기준을 확인하여 정확하고 신속한 설계진행이 가 능해 질 수 있다. 예를 들어 기존에는 설계개선용 환기용 덕 트 개구부를 추가하기 위해 7가지 설계기준문서를 개별적으 로 확인한 후 이를 만족하는 관통부 설계가 진행되었다면, DBIL DB을 활용하면 덕트가 설치될 벽에 설정된 DBIL을 통해서 정확하게 후속 설계를 진행할 수 있다.
Fig. 9. DBILs (Design Bases Information Layers) in 3D Section View and Attributes
Fig. 10. Colorization According to Design Bases of Sample Building
13) DBIL의 설계기준 속성은 알파벳으로 DB화 하였는데, 화재방호는
‘F’, 방사선방호는 ‘R’, 고에너지배관파단방호(HELB)는 ‘H’로 표기
하였다. 만약 두 개 이상의 설계기준이 적용되는 경우 FR-, -RH,
F-H, FRH 등으로 알파벳 조합을 통해 DB화 하였다.
두 번째, DBIL DB를 통해 기 설계된 모델의 설계 적정 성을 평가할 수 있다. 예들 들어 Door의 설계적정성 평가 를 위해서 Door를 기준으로 리스트를 정렬하여 적용되는 DBIL 속성과 비교를 통해서 Door의 상세설계가 설계기준 을 만족하는지 검증할 수 있다. 예를 들어 ‘Fire protection + Radiation shielding’설계기준 속성을 지닌 DBIL 상에 일 반문으로 설계되었다면 방화 및 방사선 차폐기능을 갖춘 문 으로 설계변경을 진행할 수 있다.
5. 결론
국내에서 개발된 한국형 신형경수로인 APR1400의 경우 약 1,100개의 격실로 이루어진 대형시설이다. 또한 기본·상 세설계에 직접적으로 적용되는 설계기준은 7가지로서14), 이 들은 복합적으로 적용되어 후속 설계에 영향을 미친다. 대표 적인 후속 설계의 예로, APR1400에 설치되는 관통부과 문 의 개수는 각각 약 45,000개15)와 약 1,100개16)로서 이들은 설 계기준에 따라 상세설계가 좌우된다. 또한 방사능 차폐구역 에 설치되는 콘크리트 벽과 슬라브의 두께는 방사능방호 설 계기준의 차폐기준에 따라 그 두께가 결정된다. 이처럼 설 계기준은 원전 전체 설계에 큰 틀이 되는 중요한 개념임에도 불구하고 각 분야 전문가들에 의해 2차원 및 개별적으로 관 리되다 보니 후속 설계에 정확히 반영되는데 어려움이 있었 다. 따라서 본 연구에서 원전의 최소단위 공간인 실(Room) 을 기준으로 설계기준을 3차원으로 관리하는 시스템을 제안 하였다. 특히 원전 시설정보 활용성을 높이기 위해 3차원 정 보모델인 BIM (Building Information Model)과 Algorithm- aided BIM을 기반으로 시스템을 개발했다는데 의의가 있다.
본 연구에서 개발한 Algorithm-Aided BIM기반 3차원 설계기준 시스템 검증을 위해서 가상의 건물(2개 층, 32개 실)을 대상으로 3개의 설계기준(화재방호‘F’, 방사선방호‘R’, 내부배관파단방호‘H’)을 임의로 부여하여 개발한 시스템 의 시뮬레이션을 진행하였다. 또한 33개의 문과 26개의 수 직·수평 관통부를 설치하여 이들 건축요소들이 설계기준 정보층(DBIL)과 정확히 연동되는지 확인하고자 하였다. 시 뮬레이션 결과, 200개의 DBIL이 생성되었으며 각 DBIL별 설계기준 속성 및 설계요소 데이터가 추출됨을 확인하였다.
또한 DBIL에 연계되는 벽, 바닥, 문, 관통부 등도 정상적으 로 추출되었다.
본 연구에서 제안한 시스템은 설계기준에 따라 구조물 상 세설계 및 문, 관통부 등에 정확한 설계기준 속성을 반영함 으로서 설계요건에 부합하고 신뢰성 있는 원자력발전소의 설계에 일조할 것으로 예상한다. 제안한 시스템을 기반으 로 원전에 설치되는 수 만개의 관통부 설계 자동화에 활용 가능하며 기존 설계된 관통부, 문, 구조물 등의 설계 적정 성 평가에도 적용할 수 있을 것이다. 더 나아가 원전의 설계
Fig. 11. Data Extraction Result (from Dynamo to Excel)
14) ① 물리적방호 방벽(Physical Protection Barrier)’, ‘② 화재방호 방벽(Fire Protection Barrier)’, ‘③ 내부침수방호 방벽(Internal Flood Protection Barrier)’, ‘④ 방사선방호 방벽 (Radiation Shield Barrier)’, ‘⑤ 환기방호 방벽(Ventilation Barrier)’, ‘⑥ 내 부배관파단방호 방벽(HELB Protection Barrier)’, ‘⑦ 항공기충돌 방호 방벽(Aircraft Impact Protection Barrier)
15) APR1400 노형인 신한울 1,2호기를 기준으로 설계된 관통부는 약 45,000개임. 통상 원자력발전소는 경제성을 고려하여 양(兩)호기로 설계되는데, 양호기에 중복 설계되는 관통부의 감안하여 실제 관통 부의 개수를 산정하면 약 71,000개임.
16) 양호기 기준으로 중복설계를 감안하면, 원자력발전소에 설계되는
문의 개수는 약 1,700개임.
뿐만 아니라 설계기준 개념이 적용되는 대형건축물, 그리고 플랜트 시설로 영역을 확장한다면 더욱 폭넓은 활용이 가능 할 것이라 예상한다.
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요약 :
국내 신형원전 APR1400 (Advanced Power Reactor 1400MW)은 총 사업비 8조 6천억원, 사업기간 10년 이상이 소요되는 대 형 국가기반시설이며, 60년 이상 운영되어 국가경제 및 국민의 안전에 밀접한 영향을 끼친다. 또한 총 사업부지 217만m²내 20개 이상의건물 및 구조물로 구성되어 있으며, 건설에 필요한 전체도면은 약 6만5천장에 이른다. 이러한 대형시설의 설계를 위해서는 설계의도를 명확히 규정하여 일관성 있게 설계가 진행될 수 있는 일종의 가이드라인 역할을 하는 설계기준이 필수적이다. 이를 위 해 설계기준(Design Bases)을 반영한 설계기준문서(Design Bases Document 또는 Drawing, DBD)를 작성하여, 설계 일관성 및 도면간의 일치성을 유지하고 있다. 하지만 설계기준은 원전 전체 설계에 큰 틀이 되는 중요한 개념임에도 불구하고 각 분야 전문 가들에 의해 문서기반(2차원) 및 파편적으로 관리되다보니 후속설계에 정확히 반영되는데 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서 시 설정보 활용성을 높이기 위해 3차원 정보모델인 BIM (Building Information Model)과 Algorithm-aided BIM을 활용하여, 원전 의 최소단위 공간인 실(Room)을 기반으로 한 3차원 설계기준 관리하는 시스템을 개발하였다. 이를 위해 설계기준정보층(DBIL)개 념을 도입하였으며, 시뮬레이션을 통해 각 DBIL별 설계기준 속성 및 설계요소 데이터가 연동됨을 확인하였으며, DBIL에 연계되 는 벽, 바닥, 문, 관통부 등을 정상적으로 추출하였다.
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