[논문]Algorithm-Aided BIM 기반 원전 3차원 설계기준 관리시스템 개발

신재섭

doi:10.6106/kjcem.2019.20.2.028

Algorithm-Aided BIM 기반 원전 3차원 설계기준 관리시스템 개발
Development of AAB (Algorithm-Aided BIM) Based 3D Design Bases Management System in Nuclear Power Plant 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.20 no.2, 2019년, pp.28 - 36

신재섭 (한국전력기술(KEPCO E&C), 원자력본부)

초록
AI-Helper

국내 신형원전 APR1400 (Advanced Power Reactor 1400MW)은 총 사업비 8조 6천억원, 사업기간 10년 이상이 소요되는 대형 국가기반시설이며, 60년 이상 운영되어 국가경제 및 국민의 안전에 밀접한 영향을 끼친다. 또한 총 사업부지 217만$m^2$내 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 위해 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 전문가들에 의해 문서기반(2차원) 및 파편적으로 관리되다보니 후속설계에 정확히 반영되는데 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서 시설정보 활용성을 높이기 위해 3차원 정보모델인 BIM (Building Information Model)과 Algorithm-aided BIM을 활용하여, 원전의 최소단위 공간인 실(Room)을 기반으로 한 3차원 설계기준 관리하는 시스템을 개발하였다. 이를 위해 설계기준정보층(DBIL)개념을 도입하였으며, 시뮬레이션을 통해 각 DBIL별 설계기준 속성 및 설계요소 데이터가 연동됨을 확인하였으며, DBIL에 연계되는 벽, 바닥, 문, 관통부 등을 정상적으로 추출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Research Flow
그림 Fig. 2. BIM and Security Analysis Heat Map (Porter et al., 2014)
그림 Fig. 3. Visual vs Textural Programing in Dynamo (Source: http://primer.dynamobim.org/)
그림 Fig. 4. Design Bases Document Taxonomy
그림 Fig. 5. Example of Fire Protection Barrier Design Bases Document (Shin, 2018)
표 Table 1. Classification of Design Bases Document (DBD)
그림 Fig. 6. An Overview of the 3D-Design Bases Management System (1.INPUT is outside of the scope in this paper)
그림 Fig. 7. Conceptual Diagram of DBIL (Design Bases Information Layer)
그림 Fig. 8. Algorithm of BIM Based Design Bases Management System
그림 Fig. 9. DBILs (Design Bases Information Layers) in 3D Section View and Attributes
그림 Fig. 10. Colorization According to Design Bases of Sample Building
그림 Fig. 11. Data Extraction Result (from Dynamo to Excel)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이처럼 설계기준은 원전 전체 설계에 큰 틀이 되는 중요한 개념임에도 불구하고 각 분야 전문가들에 의해 2차원 및 개별적으로 관리되다 보니 후속 설계에 정확히 반영되는데 어려움이 있었다. 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 Algorithmaided BIM을 기반으로 시스템을 개발했다는데 의의가 있다.
또한 2차원 문서기반의 DBD에 표현된 설계기준 정보를 정확히 인지하고 후속설계에 반영하는데 어려움이 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.
또한 33개의 문과 26개의 수 직·수평 관통부를 설치하여 이들 건축요소들이 설계기준 정보층(DBIL)과 정확히 연동되는지 확인하고자 하였다.
따라서 실 명인 ‘계단실’과 실 속성값인 ‘2시간’이 DB에 구축된다. 본 연구에서는 설계기준과 속성 값이 DB화 된 이후 적용 가능한 통합시스템 개발을 목적으로 하였기 때문에 가상시설에 대한 입력(INPUT)값은 임의로 설정하고 연구를 진행하였다.

제안 방법

3) 국내 신형원전인 APR1400은 8개 층, 약 1,100개의 실(Room)로 구성된 대형 시설물이기 때문에 개발단계에서 실제 원전 모델을 적용하기에는 개발 장비의 성능 측면에서 무리가 있다고 판단되어, 개발된 시스템의 시뮬레이션 및 검증을 위해 2개 층, 32개의 실로 구성된 가상의 건물을 모델링하여 진행하였다. 가상 모델 에 적용된 설계기준(Design Bases)은 3가지(주석 11참조)이며, 실 번호, 실 이름, 실별 설계기준의 적용 유무는 임의로 부여하여 연구를 진행하였다.
3차원 설계기준 관리시스템 개발을 위해 BIM 소프트웨어인 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 적용하기에는 개발 장비의 성능 측면에서 무리가 있다고 판단되어, 개발된 시스템의 시뮬레이션 및 검증을 위해 2개 층, 32개의 실로 구성된 가상의 건물을 모델링하여 진행하였다.
3차원 정보모델에서 시각화(3D/2D)모델과 설계기준 통합정보 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 역할을 하며, 그 과정은 [Fig.
³⁾ 국내 신형원전인 APR1400은 8개 층, 약 1,100개의 실(Room)로 구성된 대형 시설물이기 때문에 개발단계에서 실제 원전 모델을 적용하기에는 개발 장비의 성능 측면에서 무리가 있다고 판단되어, 개발된 시스템의 시뮬레이션 및 검증을 위해 2개 층, 32개의 실로 구성된 가상의 건물을 모델링하여 진행하였다. 가상 모델 에 적용된 설계기준(Design Bases)은 3가지(주석 11참조)이며, 실 번호, 실 이름, 실별 설계기준의 적용 유무는 임의로 부여하여 연구를 진행하였다.
4장에서는 개발한 시스템의 시뮬레이션과 검증을 진행 하였다. 가상의 건물을 대상으로 진행하였으며 시각화된 결과물과 데이터를 결과물로 추출하여, 개발된 시스템의 유효 성을 설명하였다. 마지막으로 결론에서 연구의 한계 및 추후 지속 연구방향을 제시하였다.
데이터 추출 순서는 DBIL(설계기준정보층), DBIL이 내재한 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.
색상을 기준으로 시각화 하면 후속설계자에 실 및 DBIL에 적용되는 설계기준 속성을 효과적으로 전달할 수 있을 뿐 아니라, 설계변경 및 발전소 운영 중 설계개 선에서 활용이 가능하다. 본 연구에서 가정한 적용 설계기준은 3가지이므로, 이들의 조합으로 부여될 수 있는 설계기준 속성의 개수인 8개의 색상을 지정하여 실 및 DBIL에 색상을 부여하였다.
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.
4]과 같다. 설계요건(Design Requirement)은 원전 건설에 필수적인 관련 법규, 산업기준 등으로 구성되어 있는데, 이를 분석한 기술사양이 설계기준이며, 분석 결과물은 체계적으로 DBD로 작성된다. 이후 DBD를 기반으로 원전의 구조물, 시스템, 기기 설계를 만족시킬 수 있는 기술사양(SSCs Specification) 이 설정되고 설계변수(SSC 설계에 반영되는 설정치 및 한도 값)에 따라 상세설계(계산서, 도면) 및 운전정보에 반영되어 실제 원자력발전소가 건설, 운영된다.
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 진행하였다. 특히 대표적인 선행연구 고찰을 통해 BIM 활용의 장점을 분석하였으며, 설계기준(Design Bases)에 대한 개념과 현행 설계기준 관리체계의 한계점을 설명하였다. 3장에서는 3차원 설계기준 관리시스템 개발에 사용된 기본개념 및 시스템의 운용절차 그리고 구성 체계에 대한 내용을 서술하 였다.

대상 데이터

7]의 개념에 따라 생성되며, 사각형 평면 실은 6개, 삼각형 평면 실은 5개의 BDIL이 각각 생성된다. 본 시뮬레이션에 구축한 가상 건물(32개실)의 경우 총 200개의 DBIL이 생성되었다.
본 연구에서는 각 DBIL과 설계기준 속성, DBIL에 속한 방벽(벽, 바닥)번호, 유관한 실 번 호·이름, 문, 수직·수평 관통부 번호를 데이터베이스화 대상으로 하였으며, 결과물은 [Fig. 11]과 같다.

성능/효과

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 정상적으로 추출되었다.
이를 통해 얻어진 DBIL별 설계기준정보를 활용하여 크게 두 가지 방법으로 기존 원전 설계프로세스를 개선할 수 있다. 첫 번째, 기존 설계 프로세스에서 후속 상세설계 및 설계변경 시 7가지의 설계기준 문서를 각각 확인한 후 설계가 진행되었다면, DBIL DB를 통해 한 번에 설계대상에 적용 되는 설계기준을 확인하여 정확하고 신속한 설계진행이 가능해 질 수 있다. 예를 들어 기존에는 설계개선용 환기용 덕트 개구부를 추가하기 위해 7가지 설계기준문서를 개별적으로 확인한 후 이를 만족하는 관통부 설계가 진행되었다면, DBIL DB을 활용하면 덕트가 설치될 벽에 설정된 DBIL을 통해서 정확하게 후속 설계를 진행할 수 있다.

후속연구

제안한 시스템을 기반으로 원전에 설치되는 수 만개의 관통부 설계 자동화에 활용 가능하며 기존 설계된 관통부, 문, 구조물 등의 설계 적정성 평가에도 적용할 수 있을 것이다. 더 나아가 원전의 설계 뿐만 아니라 설계기준 개념이 적용되는 대형건축물, 그리고 플랜트 시설로 영역을 확장한다면 더욱 폭넓은 활용이 가능할 것이라 예상한다.
기존에는 2D기반의 도면에 설계기준이 통합되지 못한채, 각각의 도면으로 생산되어 체계적 관리가 어려웠다. 따라서 후속 설계나 설계변경을 진행함에 있어 시각화된 도면 및 3D 다이어그램 등을 통해서 효과적인 설계정보 전달 도구로 활용할 수 있다.
본 연구에서 제안한 시스템은 설계기준에 따라 구조물 상세설계 및 문, 관통부 등에 정확한 설계기준 속성을 반영함으로서 설계요건에 부합하고 신뢰성 있는 원자력발전소의 설계에 일조할 것으로 예상한다. 제안한 시스템을 기반으로 원전에 설치되는 수 만개의 관통부 설계 자동화에 활용 가능하며 기존 설계된 관통부, 문, 구조물 등의 설계 적정성 평가에도 적용할 수 있을 것이다.
마지막은 실 공간과 DBIL을 설계기준의 속성에 따라 시각화 하는 단계이다. 색상을 기준으로 시각화 하면 후속설계자에 실 및 DBIL에 적용되는 설계기준 속성을 효과적으로 전달할 수 있을 뿐 아니라, 설계변경 및 발전소 운영 중 설계개 선에서 활용이 가능하다. 본 연구에서 가정한 적용 설계기준은 3가지이므로, 이들의 조합으로 부여될 수 있는 설계기준 속성의 개수인 8개의 색상을 지정하여 실 및 DBIL에 색상을 부여하였다.
앞서 BIM모델의 실과 설계기준 DB 동기화를 거쳐 BIM 모델 실에는 설계기준 속성이 자동 부여되어 있어, 이에 따라 색상이 자동 부여 되며 도면 우측에 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 있다. 기존에는 2D기반의 도면에 설계기준이 통합되지 못한채, 각각의 도면으로 생산되어 체계적 관리가 어려웠다.
본 연구에서 제안한 시스템은 설계기준에 따라 구조물 상세설계 및 문, 관통부 등에 정확한 설계기준 속성을 반영함으로서 설계요건에 부합하고 신뢰성 있는 원자력발전소의 설계에 일조할 것으로 예상한다. 제안한 시스템을 기반으로 원전에 설치되는 수 만개의 관통부 설계 자동화에 활용 가능하며 기존 설계된 관통부, 문, 구조물 등의 설계 적정성 평가에도 적용할 수 있을 것이다. 더 나아가 원전의 설계 뿐만 아니라 설계기준 개념이 적용되는 대형건축물, 그리고 플랜트 시설로 영역을 확장한다면 더욱 폭넓은 활용이 가능할 것이라 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BIM이란 무엇인가?	BIM (Building Information Model)이란 3차원 정보모델을 기반으로 시설물의 생애주기에 걸쳐 발생하는 모든 정보를 통합하여 활용 가능하도록 시설물의 형상, 속성 등을 내재하고 있는 디지털 모형을 의미한다(Kim, 2010). 과정적 측면에서 본다면 BIM (Building Information Modeling)은 다차원 공간에서 기획, 설계, 엔지니어링(구조, 설비, 전 기 등), 시공, 더 나아가 유지관리 및 폐기까지 가상으로 시설물을 모델링하는 과정을 의미하기도 한다(Kim et al.
	DBD관리 체계의 후속설계 정보제공의 한계점은 무엇인가?	하지만 기존 문서기반 DBD관리 체계에는 통합적인 설계기준 관리와 효과적인 후속설계 정보제공에 한계가 있었다. 대규모 시설인 원전에 적용되던 설계기준정보를 문서로 DB화하고 [Fig. 5], 다양한 분야에서 개별적으로 관리하여 통합 운영이 제한적이었다. 또한 2차원 문서기반의 DBD에 표현된 설계기준 정보를 정확히 인지하고 후속설계에 반영하는데 어려움이 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.
	원자력발전소는 국내기준 어떠한 시설인가?	원자력발전소는 국내 신형원전 APR1400 (Advanced Power Reactor 1400MW) 2개호기1)를 기준으로 총 사업비 8조 6천억원, 사업기간 10년 이상이 소요되는 대형 국가기반 시설이다. 또한 총 사업부지 217만m² 2)내 20개 이상의 건물 및 구조물로 구성되어 있으며, 건설에 필요한 전체도면은 약 6만5천장에 이른다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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