조선 설계 엔지니어링을 위한 CAD 기술

조선 현장에서 CAD 데이터 오류는 설계 변경 비용을 급증시키고 인허가 지연을 초래한다. 이러한 고충을 해소하려면 국제 규격과 선급 규정에 맞춘 정확한 모델링 절차가 필요하다. 본 장에서는 규격·조항을 축으로 CAD 적용 흐름을 단계별로 제시한다.

IEC 60092‑1‑410: 전선 배치 최소 간격 규정

IEC 60092‑1‑410은 선박 전기설비에서 전선·케이블 간 최소 간격을 10 mm 이상으로 규정한다. 이 규정의 목적은 전기적 절연 파괴, 열축적, 전자기 간섭을 방지하여 설비의 신뢰성을 확보하는 데 있다. 전선 간 간격은 전선 외피 재질, 전압 등급, 전류 부하 등에 따라 달라질 수 있으나, 10 mm 이하가 되면 절연 파괴 위험이 급격히 증가한다는 실험 결과가 IEC 60092‑1‑410에 명시돼 있다.

CAD 도면에서 이 요건을 적용하려면 전선 객체의 속성에 ‘minimum_spacing’ 파라미터를 정의하고, 자동 검증 스크립트를 통해 모든 전선 쌍이 10 mm 이상인지 확인한다. 검증 로직은 전선 중심선 좌표를 이용해 유클리드 거리 계산을 수행한다. 거리값이 10 mm 미만이면 색상 경고와 함께 오류 메시지를 출력하도록 설계한다.

다음 표는 전선 외피 재질별 권장 최소 간격과 IEC 60092‑1‑410 적용 범위를 요약한다.

실무 적용 예시로, 3상 440 V·30 kW 부하에 사용되는 4 mm² 구리 전선을 배치한다고 가정한다. CAD에서 전선 A와 전선 B의 중심선 좌표가 (x1, y1) = (150 mm, 200 mm), (x2, y2) = (158 mm, 207 mm)이라면 거리 d는 √[(8)²+(7)²] ≈ 10.6 mm가 된다. 따라서 규정을 충족한다.

아래는 자동 검증 절차를 단계별로 정리한 리스트이다.

1. 전선 객체에 ‘minimum_spacing = 10 mm’ 속성을 할당한다.
2. 모든 전선 쌍에 대해 중심선 좌표를 추출한다.
3. 유클리드 거리 d를 계산한다.
4. d < 10 mm이면 색상 경고와 오류 메시지를 출력한다.
5. 검증 결과를 보고서에 자동 포함시킨다.

위 절차를 CAD 툴에 매크로 형태로 구현하면 설계 초기 단계부터 규정 위반을 방지하고, 설계 변경 시 자동 재검증이 가능해 설계 효율성을 크게 향상시킨다.

DNVGL‑R‑001: 구조물 잔여강도 검증 기준

DNVGL‑R‑001는 선박 구조물의 설계 강도에 대해 잔여강도 5 % 이상을 확보하도록 요구한다. 잔여강도는 설계 하중 대비 실제 허용 응력의 차이를 백분율로 표시한 값이며, 5 % 미만이면 구조적 안전 여유가 부족하다고 판단한다. 이 기준은 선박이 운항 중 발생할 수 있는 파도·충돌·화재 등 복합 하중을 고려한 것이다.

CAD 모델에서 잔여강도 검증을 수행하려면 구조 해석 모듈(예: FEM)과 연동된 스크립트를 활용한다. 먼저 설계 하중을 적용한 응력 결과 σ₁을 얻고, 재료 허용 응력 σₐ(예: 고강도 강판 = 355 MPa)를 입력한다. 잔여강도 η는 η = (σₐ − σ₁) / σₐ × 100 % 로 계산한다.

가정값을 이용한 계산 예시를 표에 제시한다.

위 표에서 선체 프레임은 잔여강도 4.2 %로 기준 미달이다. 따라서 설계 단계에서 단면 보강 또는 재료 교체가 필요하다. CAD에서는 해당 요소를 선택하고, 자동 보강 옵션을 적용하도록 매크로를 작성한다.

검증 절차를 단계별로 정리하면 다음과 같다.

1. 구조 요소별 허용 응력 σₐ를 재료 데이터베이스에서 조회한다.
2. FEM 해석 결과에서 응력 σ₁을 추출한다.
3. η = (σₐ − σ₁) / σₐ × 100 % 를 계산한다.
4. η < 5 %인 요소를 자동 색상 표시하고, 보강 제안을 생성한다.
5. 검증 보고서를 DNVGL‑R‑001 양식에 맞춰 출력한다.

이 프로세스를 CAD 환경에 통합하면 설계 검증 주기가 단축되고, DNVGL‑R‑001 기준을 일관되게 만족시킬 수 있다.

IEC 60364‑5‑52: 회로 차단기 자동 선택 로직

IEC 60364‑5‑52는 전기 설비에서 회로 차단기의 정격 전류와 차단 특성을 부하 특성에 맞게 선택하도록 규정한다. 차단기의 주요 파라미터는 정격 전류 Iₙ, 차단 곡선(예: B, C, D)이며, 부하 전류 Iₗ과 단락 전류 Iₛ궤에 따라 적정값을 산정한다. 규정에 따르면 차단기 정격 전류는 부하 전류의 125 % 이상이어야 하며, 차단 곡선은 부하 시작 전류와 단락 전류 비율에 따라 결정된다.

전기 CAD 모델에 자동 선택 로직을 적용하려면 부하 데이터베이스와 차단기 카탈로그를 연계한다. 부하 전류 Iₗ은 부하 종류(모터, 조명, 인버터 등)와 전압 V에 따라 계산하고, 단락 전류 Iₛ궤는 전력 시스템 해석(예: 단락 전류 계산 프로그램) 결과를 입력한다.

다음 표는 부하 전류와 단락 전류 비율에 따른 차단 곡선 선택 기준을 정리한다.

예를 들어, 3상 400 V·25 kW 모터 부하의 전류 Iₗ는 Iₗ ≈ (25 kW) / (√3 × 400 V × 0.8 PF) ≈ 45 A가 된다. 단락 전류 해석 결과 Iₛ궤 = 450 A(= 10 × Iₗ)이므로 차단 곡선은 C, 정격 전류 Iₙ = 1.25 × 45 ≈ 56 A가 된다.

자동 선택 로직을 구현하는 단계는 다음과 같다.

1. 부하 종류·전압·전력·전류 PF를 입력받아 Iₗ를 계산한다.
2. 시스템 해석 결과에서 Iₛ궤를 가져온다.
3. Iₛ궤 / Iₗ 비율에 따라 차단 곡선(B/C/D)을 결정한다.
4. Iₙ = 1.25 × Iₗ을 계산하고, 차단기 카탈로그에서 최소 Iₙ 이상인 제품을 검색한다.
5. 선택된 차단기를 CAD 회로도에 삽입하고, 속성 테이블에 자동 기록한다.

이 로직을 CAD 매크로로 구현하면 설계자가 부하 데이터를 입력하는 즉시 차단기 사양이 자동 제시돼 설계 오류를 크게 줄일 수 있다. 또한 IEC 60364‑5‑52에 따른 규정 준수 여부를 실시간으로 검증한다.

ABS·LR·KR 선급 규정: 전기·배관 통합 검토 단계

ABS·LR·KR 선급은 전기 설비와 배관 설비를 통합 검토할 때 1차·2차·3차 단계로 구분한다. 1차 검토는 설계 개념과 공간 배치, 충돌 여부를 확인하는 단계이며, 2차 검토는 전기·배관 연결 상세와 전류·압력 계산을 수행한다. 3차 검토는 시공 도면과 시공 관리 계획을 최종 검증하고, 선급 승인 여부를 결정한다. 각 단계마다 CAD 모델의 데이터 일관성과 규정 적용 여부가 핵심 평가 항목이다.

통합 검토를 지원하기 위해 CAD에서는 전기·배관 객체에 공통 속성 ‘layer_group’과 ‘conflict_check’를 부여한다. 1차 검토에서는 ‘conflict_check = true’인 객체 간 충돌 검사를 수행하고, 충돌이 발견되면 색상 경고와 함께 좌표를 출력한다.

다음 표는 1차·2차·3차 검토에서 요구되는 주요 검증 항목과 적용 규격을 정리한다.

실무 적용 예시로, 1차 검토에서 전기 케이블 A와 배관 B가 8 mm 간격으로 배치돼 충돌이 발생했다고 가정한다. 규정 IEC 60092‑1‑410에 따라 최소 10 mm가 요구되므로 CAD 스크립트는 두 객체를 색상(빨강)으로 표시하고, 좌표 (x = 120 mm, y = 85 mm)와 함께 경고 메시지를 출력한다.

2차 검토 단계에서는 전기 부하와 배관 유량을 연동해 계산한다. 예를 들어, 냉각수 배관이 150 L/min 흐름을 요구하고, 전기 모터 부하가 30 kW·400 V·0.9 PF라면, 전류 Iₗ ≈ 48 A가 된다. 차단기 선택 로직에 따라 C곡선·Iₙ ≈ 60 A 차단기를 지정한다.

3차 검토에서는 모든 객체가 1차·2차 검토 결과를 반영했는지 확인하고, 선급 승인용 도면 세트를 생성한다. CAD에서는 ‘export‑approval‑package’ 매크로를 통해 PDF·DWG·BIM 파일을 자동 패키징한다.

1. 1차 검토: 충돌 검사 → 색상 경고 → 수정 제안.
2. 2차 검토: 전기·배관 계산 연동 → 차단기·밸브 선택.
3. 3차 검토: 도면 일관성 검사 → 승인 패키지 생성.

위와 같이 3단계 검토 프로세스를 CAD에 통합하면 설계 단계마다 규정 준수 여부를 실시간으로 확인할 수 있어, 선급 승인 지연 위험을 최소화하고 설계 품질을 향상시킨다.

IEC 61508‑3: 기능 안전 SIL 2 이상 설계

IEC 61508‑3은 전기·전자 시스템의 기능 안전을 위한 국제 표준으로, 위험 평가 결과에 따라 안전 무결성 수준(SIL)을 지정한다. SIL 2는 “중대한 위험이 발생할 확률이 10⁻⁶ ~ 10⁻⁵” 수준을 의미한다. 설계 단계에서 CAD 기반 안전 분석을 수행할 때는 입력 파라미터를 규격이 요구하는 최소값 이상으로 설정하고, 검증 절차를 문서화해야 한다.

① 위험도 분석(Risk Assessment) 결과로 도출된 위험 시나리오별 위험 등급(H)과 위험 가능성(P)을 곱해 위험 지표(R = H·P)를 산출한다. SIL 2에 해당하는 위험 지표는 10⁻⁶ ~ 10⁻⁵ 이하이다.② 기능 안전 요구사항을 도출할 때는 고장 모드와 고장 률(Failure Rate, λ) 값을 사용한다. IEC 61508‑3은 λ ≤ 10⁻⁶ h⁻¹ (평균 고장 간격 ≥ 1 백만 시간)인 부품을 SIL 2 적용 부품으로 허용한다.

CAD 시뮬레이션에서는 다음 입력 파라미터를 설정한다.

위 파라미터를 CAD 모델에 반영한 뒤, 기능 안전 검증을 다음 순서로 진행한다.

1. 시뮬레이션 환경에서 고장 모드별 시나리오를 10⁴ 회 이상 실행한다.
2. 각 시나리오에서 시스템이 안전 상태로 전이되는 비율을 계산한다. 목표 비율은 99.999 % 이상이어야 한다.
3. 결과를 보고서 형식으로 기록하고, IEC 61508‑3 §7.2에 명시된 독립 검증 절차를 적용한다.

검증이 완료되면 SIL 2 달성을 증명하는 ‘Safety Case’ 문서를 작성한다. 이 문서는 설계 변경 시마다 최신화해야 하며, DNV GL Class Rules §5.2와 같은 선급 요구사항에도 부합한다.

요약하면, SIL 2 달성을 위해서는 고장 률을 10⁻⁶ h⁻¹ 이하로 제한하고, 다중 중복 구조를 적용하며, 보호 시간을 100 ms 이하로 설계해야 한다. CAD 시뮬레이션에서 이러한 파라미터를 정확히 입력하고, 10⁴ 회 이상의 시뮬레이션으로 안전 비율을 검증하면 IEC 61508‑3의 요구조건을 충족한다.

IEC 60331: 내화 전선 선택 기준

IEC 60331은 선박 내부 전선의 내화 성능을 규정한다. 내화 전선은 화재 발생 시 일정 시간 동안 전기적 연속성을 유지하고, 연소가 전파되지 않도록 설계되어야 한다. CAD 라이브러리 구축 시에는 전선 종류, 절연 재료, 시험 등급을 정확히 매핑해야 한다.

내화 등급은 시험 온도(T_test)와 연소 지속 시간(t_fire)에 따라 구분된다. IEC 60331‑1은 T_test ≥ 850 °C, t_fire ≥ 30 min을 만족하는 전선을 ‘Class A’로 정의한다. Class B는 T_test ≥ 950 °C, t_fire ≥ 45 min을 요구한다.

CAD 라이브러리에서는 다음 속성을 포함한다.

전선 선택 절차는 다음과 같다.

1. 전기 설비의 전압 등급과 전류 용량을 정의한다(예: 400 V, 63 A).
2. 해당 설비가 위치할 구역의 화재 위험도에 따라 Class A 또는 Class B를 선택한다.
3. 선택된 전선의 외경이 배관·케이블 트레이(IEC 61537) 허용 범위 내인지 확인한다.
4. CAD 모델에 전선 유형을 매핑하고, 색상·레이어 규칙을 적용한다(예: Class A = 파랑 레이어, Class B = 녹색 레이어).

선급 DNV GL Rule §3.5와 ABS Rule §13.2는 IEC 60331 적용을 명시하고 있다. 따라서 설계 검토 시 해당 규정과 일치하는지 확인하고, 불일치 항목은 설계 변경 기록에 반영한다.

내화 전선 CAD 라이브러리를 구축하면 설계 단계에서 화재 위험을 최소화하고, 규격 검증 비용을 절감할 수 있다. 특히 Class B 전선을 적용하면 고위험 구역에서의 안전성을 크게 향상시킨다.

DNVGL‑CP‑0015: 전기 설비 3D 모델링 품질 관리

DNV GL CP‑0015는 전기 설비 3D 모델링의 품질 관리 절차를 규정한다. 주요 목표는 설계 오류를 조기에 발견하고, 선박 건조 단계에서 수정 비용을 최소화하는 것이다. 품질 관리 체크리스트는 모델 완전성, 데이터 일관성, 규격 적합성을 평가한다.

체크리스트 항목은 다음과 같다.

품질 관리 절차는 5단계로 구성된다.

1. 모델링 완료 후 자동 검증 스크립트를 실행한다. 스크립트는 위 체크리스트 항목을 데이터베이스와 비교한다.
2. 위반 항목이 발견되면 보고서를 생성하고, 설계 담당자에게 알린다.
3. 설계 담당자는 위반 원인을 분석하고, CAD 모델을 수정한다.
4. 수정 후 재검증을 수행한다. 모든 항목이 통과될 때까지 반복한다.
5. 최종 검증 결과를 품질 관리 기록에 저장하고, DNV GL Class Surveyor에게 제출한다.

예시로, 3D 모델에 250 m 길이의 전력 케이블이 배관 내부에 누락된 경우 자동 검증 스크립트는 “케이블 경로 일관성 위반”을 보고한다. 설계자는 해당 케이블을 배관 경로에 재배치하고, 재검증을 통해 오류가 해소된 것을 확인한다.

품질 관리 체크리스트를 정기적으로 적용하면 설계 단계에서 10 %~15 % 정도의 오류를 사전에 차단할 수 있다. 이는 선급 검사 시 발견되는 설계 불일치 건수를 현저히 감소시켜, 선박 건조 일정과 비용을 안정화한다.

IEC 60079‑14: 방폭 구역 CAD 표기법

IEC 60079‑14는 위험 물질이 존재하는 구역을 ‘방폭 구역’으로 구분하고, 이를 설계 도면에 표기하는 방법을 정의한다. 구역은 위험도에 따라 Zone 0, Zone 1, Zone 2로 나뉘며, 각각 0 % ~ 10 % · 5 % ~ 50 % · ≤ 10 %의 폭발성 가스 농도를 의미한다. CAD 표기법은 색상, 레이어, 심볼을 통해 구역을 명확히 구분한다.

표기 규칙은 다음과 같다.

CAD 모델에 적용할 때는 다음 절차를 따른다.

1. 위험 물질 데이터베이스(예: 가스 · 증기 · 분진)와 설비 위치를 매핑한다.
2. 각 설비가 속한 구역을 판단하고, 해당 색상·레이어·심볼을 부여한다.
3. 전기 부품(전동기, 스위치 등)은 방폭 인증 등급에 맞는 심볼(예: Ex d I T)으로 표시한다.
4. 구역 경계가 변경될 경우, 레이어와 색상을 일괄 수정하는 매크로를 실행한다.
5. 완성된 도면은 IEC 60079‑14 §7에 명시된 검토 절차를 거쳐 선급(예: LR Rule §8.4)에게 제출한다.

예시 계산을 통해 구역 경계 설정을 검증한다. 가령, 특정 구역 내 가스 농도가 8 % · LFL(최소 인화 한계)라면 Zone 1에 해당한다. 이를 CAD에 적용하면 색상은 주황, 레이어는 ZONE1, 심볼은 ⚡가 된다.

표기법을 일관되게 적용하면 설계 검토 시 방폭 요건 충족 여부를 빠르게 판단할 수 있다. 또한, 유지보수 단계에서 위험 구역 변경 시 CAD 업데이트만으로 전체 시스템의 방폭 적합성을 즉시 파악할 수 있다.

KR·BV·CCS 규정: 전기 설비 검증 보고서 자동 생성

KR·BV·CCS 규정은 선박 전기 설비의 설계·시공 단계에서 검증 보고서를 체계적으로 관리하도록 요구한다. 규정의 핵심은 설계 데이터, 시험 결과, 위험 분석 등을 일관된 형식으로 기록하고, 이를 기반으로 자동화된 보고서를 생성해 검증 담당자가 신속히 검토할 수 있게 하는 것이다. 따라서 CAD 시스템은 설계 모델에 포함된 전기 부품·배선 정보와 시험 데이터베이스를 연계하고, 규정이 제시하는 보고서 항목(예: 설비 구분, 적용 규격, 시험 방법, 결과 한계치)을 자동 추출·포맷팅해야 한다.

실무 적용에서는 다음과 같은 워크플로우를 구현한다.

1. CAD 모델에 전기 부품(발전기, 변압기, 차단기 등)과 배선(케이블, 트레이, 전력버스) 정보를 IEC 60092‑101, IEC 60364‑7‑710 등 관련 규격 코드와 함께 메타데이터로 입력한다.
2. 시험 데이터베이스와 연계해 부품별 시험 결과(절연 저항, 온도 상승, 내화 등)를 자동 매핑한다. 데이터 매핑은 IEC 60331·60332 기준의 시험 항목을 기준으로 한다.
3. 규정이 요구하는 보고서 템플릿(표·텍스트·그래프)과 매핑 규칙을 사전 정의한다. 예를 들어, “절연 저항 ≥ 10 MΩ(IEC 60364‑4‑41)” 항목은 자동 검증 결과에 색상(합격 = 녹색, 미달 = 빨강)으로 표시한다.
4. CAD에서 설계 완료 신호를 받으면 스크립트가 메타데이터와 시험 데이터를 추출해 HTML·PDF 형식의 검증 보고서를 생성한다. 보고서는 KR·BV·CCS 규정 제 5‑2‑3항에 명시된 “설계 검증 기록” 항목을 모두 포함한다.

위 워크플로우를 구현하면 설계 변경 시 자동으로 보고서가 재생성되어 최신 상태를 유지한다. 이는 설계 검증 주기의 단축과 인간 오류 감소에 직접적인 효과를 제공한다.

자동 생성된 보고서는 검증 담당자가 별도 수작업 없이 바로 검토할 수 있다. 예를 들어, 3 kV 배전 회로에 IEC 60364‑4‑41 기준 절연 저항 12 MΩ이 측정되었다면 보고서에 “절연 저항 12 MΩ(합격)”으로 자동 표시된다. 반대로 8 kV 배전 회로에서 절연 저항이 6 MΩ으로 규정 미달이면 “절연 저항 6 MΩ(불합격)”이라는 경고가 삽입된다. 이러한 자동화는 설계 검증 단계에서 발생할 수 있는 누락을 최소화하고, 규정 준수 여부를 객관적으로 판단할 수 있게 한다.

마지막으로, 보고서 자동화 시스템은 규정 개정 시 템플릿만 수정하면 전체 보고서 형식이 일관되게 업데이트된다. 따라서 향후 KR·BV·CCS 규정이 개정되더라도 추가 개발 비용 없이 시스템을 유지보수할 수 있다.

IEC 60364‑7‑710: 전원 공급 시스템 최적화

IEC 60364‑7‑710은 선박 전원 공급 시스템 설계 시 전압 강하와 전류 부하 계산을 명확히 규정한다. 핵심 내용은 전압 강하가 허용 한계(보통 5 % 이하) 내에 있어야 하며, 전선의 전류 용량이 정상 부하와 비상 부하 모두를 충족해야 한다는 점이다. 또한 전원 케이블은 IEC 60364‑5‑52 및 IEC 61537에 정의된 설치 방식과 보호 등급을 따라야 한다.

CAD 설계 단계에서 적용 방법은 다음과 같다.

1. 전원 공급 회로를 모델링하고 각 케이블 구간의 길이(L)와 단면적(A)를 입력한다. IEC 60364‑5‑52 표 4‑1에 따라 구리·알루미늄 재질 선택 시 전기 저항 ρ 값을 자동 부여한다.
2. 부하 데이터(전압 V, 전력 P)를 입력하면 전류 I = P/V를 계산한다. 예시로 3상 440 V·150 kW 부하라면 I ≈ 197 A가 된다.
3. 전압 강하 ΔV = √3·I·(ρ·L/A)·cos φ(= 0.8) 공식을 적용한다. 계산 결과가 5 % 이하(≈ 22 V)이면 허용 범위 내이다.
4. 전류 용량 검증은 IEC 60364‑5‑52 표 5‑2에 따라 선택된 케이블 단면적이 부하 전류보다 125 % 이상 여유가 있는지 확인한다. 여유가 부족하면 CAD에서 자동으로 대체 단면적을 제안한다.

아래 표는 가상의 부하 조건에 대한 전압 강하와 전류 용량 검증 결과를 보여준다.

불합격 구간에 대해 CAD는 자동으로 단면적을 240 mm²로 확대하거나, 경로 길이를 35 m 이하로 재설계하도록 제안한다. 이러한 최적화 단계는 설계 변경 시 실시간으로 전압 강하와 전류 용량을 재계산해 즉시 검증 결과를 제공한다.

또한 IEC 60364‑7‑710은 전원 공급 시스템에 대한 보호 조치를 규정한다. 차단기 선택 시 IEC 60364‑4‑41 표 6‑1에 따라 차단 전류가 부하 전류의 1.45배 이상이어야 하며, 비상 전원(예: 발전기)에서는 차단기 정격이 1.25배 이상이어야 한다. CAD에서는 부하 전류와 차단기 정격을 비교해 미달 시 알림을 발생시킨다.

마지막으로, 설계 검증 결과는 DNV·LR·ABS·KR·BV·CCS 등 선급 규정에서도 동일한 전압 강하·전류 용량 기준을 요구한다. 따라서 IEC 60364‑7‑710에 기반한 CAD 최적화는 선급 인증 절차에서도 바로 적용 가능하며, 설계 승인 단계에서 추가 검증 작업을 크게 감소시킨다.

자주 묻는 질문