화재진압을 목적으로 설치되는 소화설비 중 가장 많이 사용되는 스프링클러설비는 건축물 내 화재 시 자동으로 화재를 감지해 신속히 화재를 진압할 수 있는 시스템을 갖춘 소화설비다. 스프링클러설비가 정상적으로 작동돼 화재를 진압하기 위해서는 헤드 동작 시 요구되는 방수량, 방수압력이 확보되도록 가압송수장치의 송수량을 정하는 배관구경 결정방식이 가장 중요하다.

배관구경 결정방식

스프링클러설비에 사용되는 배관은 스프링클러설비용 가압송수장치의 송수량을 스프링클러헤드로부터 정격 방수량으로 방수할 수 있도록 배관의 구경이 결정돼야 한다. 배관의 구경을 결정하기 위해 설계하는 방식은 규약배관방식과 수리계산방식이 있다.

규약배관(Pipe Schedule Method)은 배관의 구경에 따라 헤드의 개수를 제한해 설치하도록 하는 설계방식으로 경험상 미리 규정된 관경에 필요한 소요수량을 적용하고 있어 비숙련자도 비교적 쉽게 설계가 가능하다.

국내 스프링클러 배관선정은 대부분 규약배관방식을 적용하고 있으며 NFPA에서는 위험용도별(경급, 중급, 상급위험)로 관경에 따른 헤드수를 규정하는 규약배관을 적용하기도 하나 상급용도의 경우 원칙적으로 수리계산을 해야 한다.

스프링클러설비의 화재안전기준은 배관에 소요수량을 감안해 관경산정을 규정한 대표적인 규약배관방식에

 해당된다.

수리계산방식은 스프링클러설비의 방사압력, 방수량, 유속과 배관의 관경 등을 공학적으로 분석한 수리계산에 의해 배관구경을 산정하는 방법으로 배관의 구경을 선정하는 경우에 가지배관의 유속은 6m/s, 그밖의 배관유속은 10m/s를 초과할 수 없도록 하고 있다.

소화설비에서 다루는 물은 비압축성 유체이며 온도 및 점성을 고려할 필요가 없는 유체인 관계로 마찰손실계산식은 Darcy-Weisbach공식보다 HazenWilliams공식을 많이 사용한다.

수리계산의 필요성

수리계산방식은 규약배관방식 대비 배관설비를 보다 정확하게 분석할 수 있고 알맞은 배관구경을 선택할 수 있게 한다.

국내에서 사용하는 수리계산의 설계목적은 화재안전기준을 근거로 공동주택에서 배관구경을 감소시켜 경제적인 이익을 얻기 위해 건설사를 중심으로 수행해 왔으나 2007년 1월24일 소방시설공사업법 시행령 제2조의2 성능위주설계 대상규정이 법제화된 이후 시행착오를 거치면서 2011년 7월1일부터 대상건축물은 성능위주설계를 실시하게 됐다.

성능위주설계 심의 시 검토의견으로 프로그램에 의한 수리계산을 요청하기 시작했으며 이후에 일부 지자체 소방본부에서는 성능위주설계 가이드라인에 수리계산을 수행하도록 했다.

이때부터 소방설계사무소에서는 수계산에 의한 수리계산보다는 프로그램을 이용한 수리계산을 수행하기 시작했다.

프로그램 수리계산 방법

AUTO CAD(2D)로 작업된 소화설비 평면도를 수리계산 프로그램을 통해 Isometric Drawing 작성 및 장비선정 순서로 진행된다.

수리계산 프로그램을 이용한 IsometricDrawing 수행절차로는 사용하고자 하는 배관의 데이터입력, 소방법에서 요구하는 노즐의 유량, 압력 등의 정보를 순차적으로 입력하는 절차를 수행하고 헤드배치, 가지배관, 교차배관, 수평주행배관 및 소화펌프까지 작업진행과 동시에배관부속, 배관구경 및 배관높이를 입력하는 절차를 수행하고 각 구간별 고유 구간번호를 선정한다.

입력절차가 완료되면 시뮬레이션 결과를 얻기 위해 Calculation을 수행하면 수리계산 Design Date 결과물을 확인할 수 있다. Design Date 장비선정 결과에 따라 최적의 소화배관 선정을 위한 수정 보완절차를 몇차례 진행 후 최적의 배관 및 장비조건을 선정하게 된다.

BIM기반 수리계산 프로그램 개발 필요

조달청은 2020년 1월 ‘조달청 시설사업 BIM적용 기본지침서 v2.0’를 개정, 조달청 시설사업의 계획설계단계, 중간설계단계 및 실시설계단계에 BIM기술을 적용하기 위한 최소의 요건을 정의하고 BIM데이터를 시공단계 및 유지관리단계에도 사용할 수 있도록 BIM업무에 대한 기준을 제공하고 있다.

이처럼 공공발주 사업에서 BIM도입이 확대되고 있으며 일반발주 사업에서도 BIM모델적용이 확대되고 있다.

BIM 연계 3차원 수배관 설계는 기존의 2차원 설계 소프트웨어와 다르게 X, Y 및 Z 좌표를 통한 시각화 및 도면화 기능뿐만 아니라 각 설비기기 및 자재의 데이터를 포함하고 있으며 설계단계에서 공종별간섭이나 단면구성에 대해 정리할 수 있으며 설계단계에서 즉시 확인할 수 있다.

이를 통해 기존 수동방식의 비효율적, 설계오차 등의 문제를 쉽게 해결할 수 있을 것이다.

기대효과

현재 2D도면을 이용하는 외국산 스프링클러 프로그램 수리계산 방법은 배관내 유속에 대한 기준이 해외(NFPA)기준으로 적용돼 국내법 유속(6m/s, 10m/s)확인을 별도로 체크해야 하며 관련 계산서 제출 시 문서가 영문으로 작성된다. 

모든 배관길이 및 분배순서를 수동으로 입력해 작업시간이 길어지는 등 사용자의 편리성 및 정확성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 설계엔지니어의 사용접근이 어려워 프로그램 보편화가 어렵다. BIM이란 3D 모델을 기반으로 설계단계부터배관, 밸브 및 스프링클러 등의 상세정보를 포함하고 있다.

이러한 정보를 활용할 수 있는 BIM 연계 통합 수배관시스템 계산프로그램을 개발해 밀폐형(냉난방)시스템의 최적화된 유량분배, 배관사이즈 및 유량 제어밸브의 선정과 개방형(소화설비)시스템의 소화설비 성능 달성을 위한 수리계산을 할 수 있다.

BIM과 연계한 수리계산 프로그램 개발이 이뤄지면 기존의 수리배관 계산프로그램과는 달리 수리계산방식의 근본 취지인 스프링클러 헤드당 최소 방수압력 및 유량을 특정구역 전체에 균일하게 공급할 수 있는 최적의 설계방법을 어렵고 고가인 외국산 계산프로그램을 사용하는 대신 쉽고 편리한 소방배관 수리계산을 작성할 수 있어 비숙련자도 적합한 설계를 수행할 수 있을 것이다.