3D Scan-to-BIM을 활용한 노후 원전 해체재고량 산정 방법

2.1 해체재고량 산정을 위한 설계정보 확보 절차 및 오류 검증 과정

영구정지된 원전의 설계 도면/도서로부터 해체재고량의 기초자료인 설계정보를 확보하는 과정을 설명한다. 예시로 선정한 철거대상은 발전소에서 많이 사용하고 있는 열교환기(HX)이다. 해당 기기가 설치된 구조물 명칭과 위치는 고리1호기(K1)의 격납건물(DL)의 지하 2층(203)이고, 계통 명칭은 원자로의 냉각에 중요한 역할을 하는 화학및체적제어계통(CS, Chemical and volume control System)이며, 기기 명칭은 과잉유출수열교환기(ELHX, Excess Letdown Heat Exchanger)이다. 상기의 기초정보로 ELHX의 식별번호는 K1-DL203-CS-XHX-28로 분류한다.

철거 대상물은 구조물ㆍ계통 및 기기의 순서로 철거대상의 설계정보를 파악하여 예비물량표에 관련 정보를 순차적으로 기재하였다. 그림 1(a)은 2차원 기초자료인 일반기기배치도(단면도)를 활용하여 철거대상 기기인 ELHX가 어느 구조물(건물)에 설치되어 있는지 파악하는 과정을 설명한다. 그림 1(b)는 일반기기배치도(평면도)를 활용하여 철거대상 기기인 ELHX가 포함된 계통을 확인하는 과정을 설명한다. 그림 1(c)는 철거대상 기기인 ELHX가 포함된 계통의 배관계장도 및 기기목록 등을 검토하여 해체재고량 산정에 필요한 설계정보를 파악하는 과정을 보여준다. 위의 과정을 반복하여 원전 내 모든 구조물ㆍ계통 및 기기의 물량표를 완성한다.

Fig. 1.

Design information acquisition process for selected dismantling items

이후에는 철거 대상물인 ELHX의 설계정보의 오류를 검증하는 과정을 설명한다. 그림 1에서 상술한 ELHX의 예비물량표는 표 1에 표시하였으며, 2차원 도서의 기기목록 설계정보에 따라 부피(Volume)는 255 U.S. gallon (0.9653 ㎥)로 기재하였다.

Table 1.

Preliminary quantities of ELHX

그림 2는 ELHX 설계정보 검증을 위한 현장실사 재고조사 과정과 그 결괏값을 나타낸다. ELHX의 방사능 오염정도 등의 설계정보를 확보하기 위한 현장실사 과정에서 설계정보에 기재된 부피의 오류를 발견하였다. ELHX의 보온재를 제외한 열교환기의 지름은 약 0.2 m이며, 길이는 약 2.5 m로 실제 부피는 0.0785 ㎥였다. 기기목록에 기재된 ELHX의 수치(0.9653 ㎥)가 실제 부피보다 약 12.3배 과대계상된 것이 확인되었다. 상술한 과정 등을 통하여 노후 원전의 기초자료인 2차원 도면/도서의 일부 설계정보에 오류가 내포되어 있음을 알 수 있다.

Fig. 2.

On-site walkdown inspection for ELHX inventory verification

현장실사를 통해 검증한 ELHX 연계 설계정보의 유효성은 3차원 시각화 과정에서도 추가로 확인하였다. 철거대상 기기의 부피에 대한 유효성은 3차원 시각화 자료를 통하여 교차검증할 수 있었으며 그 과정은 그림 3에 도시하였다.

Fig. 3.

3D visualization drawings of ELHX

하지만 해체재고량 산정의 기초자료인 2차원의 도면/도서에 명기된 설계정보 자체의 유효성을 검증하기 위해 모든 철거대상에 대한 현장실사를 수행하는 것은 엄청난 비용과 인력이 투입되어야 한다. 비용과 인력이 투입된다고 하더라도 모든 설계정보에 대한 검증의 효과성도 보증하기 어렵다.

2.2 기능위치에 기반한 분류로 인한 오류 발생

기능위치에 기반한 배관의 물량 분류 단계에서 오류가 발생하는 과정은 그림 4에 설명하였다. 그림 4(a)은 철거대상 배관 4개가 포함된 배관계장도 단순화 도면이며, 그림 4(b)는 실제 현장에 설치되어 있는 배관배치도 단순화 도면이다. 그림 4(b)의 CV-PI-01 배관은 DM201, DM202, DM203, DM204, DM205 5곳 구역에, CV-PI-04 배관은 DM205, DM206 2곳 구역에 걸쳐 배치되어 있다. 기능위치와 물리위치가 다른 배관 2개의 경우는 구역별로 물량을 분류할 때는 기능위치에 기반한 물량표와 차이가 발생할 수 있다.

Fig. 4.

Piping selection to be dismantled

철거대상 배관의 물량표 현황은 표 2와 같고, 기능위치에 기반하여 그림 4(a)에 따라 작성한 배관의 물량표는 표 3에 정리하였다.

Table 2.

Actual quantity and layout of areas of pipes to be dismantled

Table 3.

Dismantling quantity table for pipes based on functional location

기능위치에 기반하여 분류한 해체재고량은 구역별 철거를 위한 철거공사수행절차서 작성 단계에서 잠재적인 오류가 발생할 수 있다. 다음에 더 명확한 이해를 위하여 기능위치와 물리위치가 상이한 배관 2개 (CV-PI-01 & CV-PI-04) 배관을 기능위치 기반 물량표와 배관 재분류(Re-classification) 과정을 거친 물리위치 기반 물량표를 제시한다.

CV-PI-01 배관은 5개 배관, CV-PI-04는 2개 배관으로 분류하였고, 그 과정은 그림 5에 도시하였다.

Fig. 5.

Piping re-classification to be dismantled

기능위치와 물리위치가 다른 2개 배관(CV-PI-01 & CV-PI-04)은 각각 5개, 2개 배관으로 재분류하였고, 재분류된 물량은 표 4에 명기하였다.

Table 4.

Quantity adjustment of pipe(CV-PI-01) to be dismantled after re-classification

다음으로는 기능위치와 물리위치가 상이 한 배관 2개(CV-PI-01 & CV-PI-04)의 계통 재분류 후 물리위치 기반으로 정리한 물량표는 표 5에 정리하였다. 표 3과 표 5를 비교하면 기능위치와 물리위치가 일치하지 않는 배관의 경우는 물량의 편차가 발생함을 알 수 있다. 만일 DM201 지역만을 대상으로 3차원 스캐닝을 실시할 경우 배관의 길이는 8 m로 집계되며, 기능위치로 산출한 재고량인 40 m와 많은 차이가 발생하게 된다. 기존연구에서는 배관계장도에 기반한 해체재고량을 산정함에 따라 구역별로 물량을 산출할 경우에는 큰 오차가 발생할 수 있음을 알 수 있다.

Table 5.

Dismantling quantity table for pipes based on physical locations

2.3 3D Scan-to-BIM

3D Scan-to-BIM은 레이저 또는 라이다를 활용하여 3차원 스캔한 대상물의 점군자료를 건물정보모델링으로 변환하는 과정 또는 절차를 의미한다. 이 기술은 빠르고 정확하게 부분적으로 흩어진 공간정보를 조합할 수 있다.

3D Scan-to-BIM은 3차원 스캐너를 장소별로 이동 설치하여 스캐닝을 수행하여 벽, 문, 바닥면, 기기, 배관 등의 외부형상에 대한 3축의 위치 정보를 기록한다. 레이저 스캐너는 수백만 개의 점 좌표를 캡처하여 수 분 안에 상세한 3차원 이미지를 생성할 수 있는 비접촉 장치로 주변 환경으로 빛을 반사할 수 있는 회전 거울에 적외선 레이저 광선을 방출한다. 스캐너 헤드가 360도 회전하면서 대상물을 가로질러 촬영하며 레이저 경로에 있는 물체는 적외선을 반사하게 되고 반사되어 돌아온 적외선을 기록하여 3차원 형상의 점군자료를 확보할 수 있다. FARO Focus 330 HDR 제품으로 3차원 레이저 스캐너의 간단한 원리와 확보한 점군자료를 기초자료로 이용하여 역설계를 통해 3차원 모델링을 구축한 예시는 그림 6에 도시하였다(제작사 카달로그 발췌).

Fig. 6.

3D Scanning principle and Scan-to-BIM result

일부 건설산업 선진국에서는 3D Scan-to-BIM 기술을 활용하여 공사 현장 측량을 통한 산지 절토량 파악, 노후화된 건축물의 개보수를 위한 기초자료 확보, 준공된 건축물을 3차원 설계 모델링과의 비교하여 그 차이를 확인하는 준공 검사 등에 활용하고 있다. 그 외에도 건설사업분야의 노후 공공건축물 리모델링 및 제조업 분야의 단종 부품 및 특수 형상 복원 등에서 부분적으로 활용하고 있는 방법으로 알려져 있다.

3.1 3D Scan-to-BIM 수행 절차

3D Scan-to-BIM을 활용한 해체재고량 산정의 유효성을 검증한 절차는 그림 7과 같다. 우선 구조물ㆍ계통 및 기기가 적절하게 배치된 건물을 선정한다. 현장 조사를 실시하여 원전의 안전정지 연계항목, 3차원 스캐너 거치 편의성, 3차원 스캔 촬영 불가 구역 존재 여부, 작업자/운전자 출입 빈도 등을 종합적으로 판단한다. 적합성이 확보된 경우에는 후속 과정을 진행하고 부적합 경우에는 스캔 대상을 재선정한다. 대상 건물은 3차원 스캐닝하여 철거대상 구조물ㆍ계통 및 기기의 점군자료를 확보하고 역설계를 수행하여 BIM을 구축한다. 구축한 전산 설계정보를 추출하여 물량표를 작성하고 전통 방식으로 작성한 예비물량표과 비교 분석하여 그 유효성을 검증한다.

Fig. 7.

3D Scan-to-BIM based decommissioning waste inventory procedures

3.2 3차원 스캐닝 대상 선정 및 점군자료 확보

고리1호기 철거 건물 중 3차원 스캐닝 대상은 하기의 4가지 전제조건을 고려하여 선정하였다. 첫째, 영구정지 중인 고리1호기의 안전관련설비의 운전에 영향을 미치지 않아야 한다. 둘째, 구조물ㆍ계통 및 기기가 모두 배치된 구역이어야 한다. 셋째, 운전원과 작업자에게 불편을 미치지 않아야 한다. 넷째, 3차원 스캐너의 잠재적인 오염 발생 가능성이 없는 구역이어야 한다.

위의 전제조건으로 터빈건물 근처의 독립 시설인 그림 8과 같은 복수탈염설비건물을 스캐닝 대상으로 선정하였다. 해당 건물의 3차원 스캐닝 작업은 3명의 측정전문가를 투입하였고, 획득한 점군자료의 전처리/정합/역설계를 통한 3D Scan-to-BIM 구축하기 위한 1명의 계통엔지니어와 3명의 BIM 모델러가 투입하였고, 약 350 Man-Days가 소요되었다. 상기 작업은 Shin and Song[10]과 본 연구의 주저자가 공동으로 참여하였다.

Fig. 8.

Plant building for condensate polishing

해당 건물의 스캐닝에 사용한 3차원 스캐너의 제원은 아래에 명시하였고, 획득한 건물 내부와 외부의 점군자료는 그림 9와 같다.

• 3D scanner 모델명: Leica RTC 360
• 스캔 속도: 2,000,000 pts/s
• 거리 정밀도: 100 m 당 1 ㎜ 오차
• 측정 거리: 최대 130 m

Fig. 9.

Point cloud data of the condensate polishing plant building

점군자료를 활용하여 구조물ㆍ계통 및 기기에 대한 3D Scan-to-BIM 구축단계 중 3차원 역설계 수행 과정은 그림 10에 도시하였다.

Fig. 10.

3D reverse engineering by using point cloud data of the condensate polishing plant building

3.3 3D Scan-to-BIM을 활용하여 작성한 예비물량표

3차원 역설계를 통하여 구축한 BIM을 활용하여 생성한 전산 설계입력 자료에서 기초적인 설계입력 정보를 추출하였다.

각 모델링의 구성 요소를 형상에 따라 구조물ㆍ계통 및 기기로 분류한 후 그 분류 코드에 맞게 물량표를 취합하고 엑셀파일로 정리하여 분석하였다. 각 분류 코드 기준으로 정리한 복수탈염설비건물의 구조물ㆍ계통 및 기기 전체 해체 물량은 표 6과 같다[10].

Table 6.

Scan-to-BIM based decommissioning waste quantity table

표 6의 결과는 2차원 도면/도서의 설계정보와 배관계장도 등을 사용하여 기능위치로 분류한 해체재고량을 구역 기반으로 검증하였을 경우 물량이 -76 % 과소평가부터 +955 % 과대평가 되어 있음을 의미한다. 이를 통하여 3D Scan-to-BIM을 활용한 해체재고량 산정 방법은 물리위치 기반한 물량을 아주 정밀하게 산정할 수 있다.

4.1 해체재고량 산정 방식별 평가

3D Scan-to-BIM을 활용한 노후 원전 해체재고량 산정 방식은 스캐닝을 통해 확보한 점군자료와 촬영 시 확보한 파노라마 사진, 스캐닝 수행 시 기재한 현장 정보 등을 활용하여 역설계를 진행하였다. 상기의 과정을 거쳐 물리위치 기반으로 구축한 3D Scan-to-BIM의 설계정보는 실제 원전의 현황을 모두 반영하였으므로 철거대상 물량의 참 값으로 간주할 수 있다. 2차원 도면/도서에 기반한 역설계 방식으로 산정한 해체재고량과 기능위치에 기반한 3D Scan-to-BIM을 활용한 해체재고량 철거 해체 물량을 재분류하고 단위를 SI units로 변경한 설계입력 정보는 표 7에 정리하였다.

Table 7.

Comparison between 2D-based digital transformation method with re-classification and 3D Scan-to-BIM for decommissioning waste estimation

3D Scan-to-BIM을 활용한 해체재고량 산정 방법은 2차원 도면/도서 기반 역설계 방법 대비 -76 % - +955 %로 그 편차를 보였다. 재분류 실시로 펌프와 모터는 기기코드에서 계통코드로 변경되고 각각 분기 되었다. 탱크는 탱크/공기건조기/열교환기로 세분화되어 분기 되었으며 계통코드로 변경되었다.

기기번호가 있거나 기능위치와 물리위치가 동일한 기기 등에서는 오차율도 변동되었으나, 기기번호 또는 기능위치가 없거나 기능위치와 물리위치가 상이한 배관 및 구조물 등의 벌크성 기기는 동일한 오차율이 발생함을 파악하였다. 이는 물리위치 기반으로 철거공사를 수행할 경우 벌크성 기기는 2장에서 제시한 방법론에 따라 재분류 엔지니어링 추가 작업을 수행해야 함을 의미한다.

구조물의 물량은 준공 당시 작성한 건설경험집의 소요 물량을 기준으로 평가되었다. 특히 콘크리트의 경우는 원전 전체 물량으로 통합하여 작성하고 복수탈염설비건물의 기초 콘크리트 물량은 따로 배분하지 않은 것으로 파악되었다. 또한 현장실사를 통하여 산정한 지붕 등 육안으로 확인하기 어려운 구역의 구조물의 물량 누락이 추가로 파악되었다.

계통 및 기기 중 오차가 크게 발생한 기기는 배관과 밸브로 파악되었다. 2인치 미만의 배관 피팅류 및 밸브 등은 배관으로 간주하여 물량산정에서 제외한 것으로 파악되었다. 배관 물량은 기능위치 기반으로 정리되어 해당 복수탈염설비건물에서 주 기능을 수행하지 않는 계통(복수계통/급수계통 등)은 건물 내 배관 물량 집계에는 누락되어 큰 오차가 발생한 것으로 파악되었다. 가장 큰 오차가 발생한 케이블트레이의 경우 예비 물량 집계 시 인적오류로 길이 불일치가 발생했던 것으로 파악되었다.

상기와 같이 특정 건물 또는 구역을 대상으로만 물량을 산정할 경우에는 원전 전체를 대상으로 작성한 해체재고량과 큰 편차가 발생할 수 있음을 파악하였다. 3D Scan-to-BIM을 활용한 해체재고량 산정 방법은 기존연구의 문제점인 2차원 도면/도서의 설계정보 오류를 포함하여 기능위치로 분류/집계된 해체재고량의 불일치 현황 및 특정 구역으로 세분한 물량의 편차까지 식별할 수 있는 매우 강력한 방식임이 입증되었다.

4.2 3D Scan-to-BIM을 활용한 재분류 수행

최종해체계획서의 필수 입력자료인 해체재고량은 발전소 전체를 대상으로 작성한 문서로 해체사업의 전반적인 계획에 대한 검토/승인에 필요한 문서이다. 실제 해체공사 수행을 위한 계약문서인 공사설계서와는 그 성격이 상이하다.

원전 해체공사의 경우 일반 건설공사와 달리 공사원가 산출을 위한 국가 공인 표준품셈은 제정되어 있지 않은 상황으로 발주자가 자체 기준에 따라 개별적으로 산정해야 한다[11]. 원전 해체공사는 철거 대상의 오염도별, 재질별, 철거 가능 시기별, 공종별, 구역별, 공사수행 가능 면허별 등의 다양한 기준에 따라 각기 다른 발주단위 구성이 가능하다. 사업의 품질확보와 계약관리의 일관성을 위하여 원전 해체공사를 단일 시공사가 수행하는 통합발주도 가능하며, 국내 해체산업의 고른 발전을 위하여 시기별/구역별/공종별 등으로 구분하여 여러 시공사에게 분리발주하는 것도 가능하다. 또는 철거공사 수행 시기에 따른 계속비계약, 장기계속계약 등의 연차별 분리계약도 가능하다. 이는 2차원 기반의 전통적인 방식을 활용하여 원전 전체를 대상으로 작성한 해체재고량을 다양한 발주방식에 기초 자료로 활용할 수 있도록 수정이 필요하다. 본 연구에서 제안하는 물리위치 기반한 3D Scan-to-BIM을 활용하여 산정한 해체재고량은 시기별/공종별/구역별로 물량을 보다 세분하여도 오류가 발생하지 않는다.