De computer als architect

Lees meer

De computer als architect

Aan nieuwe gebouwen worden steeds meer en strengere eisen gesteld. Ze moeten uiteraard veilig zijn, maar ook energiezuinig, praktisch in te delen en natuurlijk niet te duur. Dat maakt het ontwerpproces uitermate complex. Met de computermodellen van Hèrm Hofmeyer en zijn collega’s, voorzien van geavanceerde algoritmen uit Leiden, wordt het vinden van optimale ontwerpen gelukkig een stuk makkelijker.

Wil je een stevig gebouw, dan is laagbouw het goedkoopst. Maar als de grond duur is, dan moet je de lucht in. En als je alleen maar aan energiezuinigheid hoeft te denken, dan kom je bij een bolvormig gebouw uit. In de praktijk is het lastig om aan alle voorwaarden te voldoen die gelden voor moderne gebouwen, legt Hèrm Hofmeyer uit. “Het eisenpakket wordt steeds groter, en elke aanpassing aan het ruimtelijk ontwerp heeft weer consequenties voor de constructie - en vice versa.”

Sinds het begin van de jaren negentig, toen Hofmeyer afstudeerde bij Bouwkunde, worden in Eindhoven computers ingezet bij het ontwerpen van gebouwen. De constructie van het gebouw - dat deel dat zorgt voor de sterkte en stabiliteit - moet altijd worden doorgerekend om ongelukken te voorkomen. En bij dat rekenwerk is een computer erg handig.

Maar het blijft meestal niet bij één keer doorrekenen. “Je hebt namelijk ook te maken met het ruimtelijke ontwerp - de verzameling van ruimtes en gangen die door de constructie worden gerealiseerd. Zodra je iets in dat ruimtelijke ontwerp aanpast, moet je kijken of de constructie daarvoor nog wel voldoet.” Dat maakt het ontwerpen van gebouwen een zogeheten iteratief proces - waarbij de verschillende stappen telkens opnieuw doorlopen moeten worden, tot het eindresultaat op alle fronten bevredigend is.

Je hebt aan een mensenleven niet genoeg om alle mogelijke ontwerpen door te rekenen

Evolutionair

Hofmeyer en zijn collega’s gaan daarbij een stap verder dan de computer alleen een bepaalde configuratie voor te leggen om door te rekenen: ze laten de computer meteen ook zoeken naar de beste oplossingen. De computer krijgt een set eisen waaraan het uiteindelijke ontwerp moet voldoen en zet aan de hand daarvan eigenhandig een aantal stappen in het ontwerpproces, legt promovendus Sjonnie Boonstra uit. “We nemen daarbij ook het binnenklimaat mee: je moet het gebouw behaaglijk kunnen houden zonder te veel energie kwijt te zijn aan verwarmen of koelen.”

Boonstra heeft voor dat rekenwerk intensief contact met een collega-promovendus van de Universiteit Leiden, Koen van der Blom, en diens begeleider Michael Emmerich. Zij gieten het ontwerpproces in de vorm van zogeheten evolutionaire algoritmes. Deze wiskundige techniek speelt leentjebuur bij de natuur en maakt gebruik van de willekeurige variatie en ‘natuurlijke’ selectie van gebouwontwerpen die ook de evolutie van organismen drijft.

Tekst gaat verder onder de foto.

Pingpongen

Het aantal mogelijke ontwerpen is echter eindeloos en het is ondoenlijk om allerlei willekeurige gebouwvormen door te rekenen. “Zelfs als ze per stuk maar een paar seconden rekentijd in beslag nemen, heb je aan een mensenleven niet genoeg om ze allemaal door te rekenen”, schetst Boonstra de omvang van het probleem. “We sturen de algoritmes daarom bij met onze simulaties van ontwerpprocessen, gebaseerd op bouwkundige kennis, waardoor de zoekruimte behapbaar blijft.”

De promovendus is hiervoor continu aan het pingpongen met zijn Leidse evenknie Van der Blom. Veel via de mail of telefoon, maar minimaal eens per maand zien ze elkaar ook face-to-face. Informaticus Van der Blom geeft aan waar voor hem de winst te behalen is: “Voor de ontwerper is het in één oogopslag duidelijk dat een zwevend gebouw niet werkbaar is, maar een computer rekent eerst rustig verder om er vervolgens achter te komen dat de berekening vastloopt.”

Een simpele regel als ‘elke ruimte moet met de grond verbonden zijn’ zou ook een balkon uitsluiten

Goede regels

Een algoritme moet dus instructies bevatten die vooraf aangeven wanneer een ontwerp niet valide is, zonder enig valide ontwerp uit te sluiten. Daar moet je goed over nadenken, aldus Van der Blom: “Een simpele regel als ‘elke ruimte moet met de grond verbonden zijn’ zou bijvoorbeeld ook een balkon uitsluiten, hoewel daar constructief gezien niets mis mee is. Wanneer er eenmaal een goede regel bedacht is, moet deze ook wiskundig beschreven worden; een computer begrijpt onze taal immers niet. Vervolgens moeten de valide ontwerpen doorzocht worden om het kwalitatief beste ontwerp te vinden.”

Hierbij is de strategie om te voorspellen welk ontwerp de grootste kans heeft beter te presteren dan de ontwerpen die tot dan toe geëvalueerd zijn. Op die manier wordt er zo min mogelijk tijd besteed aan het doorrekenen van minder goede ontwerpen.

De moeilijkste stap was om voor meer dan één criterium te optimaliseren. De Leidse informatici werken aan nieuwe algoritmen voor dit soort zogeheten multicriteria-optimalisaties. Hierbij moet volgens Michael Emmerich een ruimte met ontelbaar veel ontwerpalternatieven worden onderzocht op efficiënte oplossingen: “Dat zijn oplossingen die je voor een bepaald criterium niet meer kunt verbeteren zonder een ander criterium te verslechteren. Wanneer je evolutionaire algoritmen hierop toepast, moet je echter niet alleen meer op kwaliteit selecteren, maar wordt ook diversiteit essentieel."

Deze tekst loopt door onder het kader.

Instortende tribune

De samenwerking met Leiden is een voorlopig hoogtepunt in een proces van decennia, dat onderweg al diverse zijdelingse vindingen heeft opgeleverd, aldus Hofmeyer. Hij geeft een voorbeeld: “Een afstudeerder van me kwam er achter dat bepaalde configuraties niet stabiel waren, en dat je ze daardoor niet kon doorrekenen. Die intelligentie hadden we simpelweg niet in ons systeem ingebouwd. Daar hebben we vervolgens samen met die afstudeerder aan gewerkt, met als resultaat een programma om dergelijke situaties te voorkomen."

"Bijna ongelooflijk is dat ik die methode in 2011 op een congres bij de Universiteit Twente presenteerde, en dat een paar uur later en zeshonderd meter verder een tribune in aanbouw van FC Twente instortte met fatale gevolgen. Achteraf bleek dat te komen door een situatie die met onze methode voorkomen had kunnen worden. We hebben uitgebreid over de methode gepubliceerd, maar helaas is hij nog niet vercommercialiseerd.”

Dimensies

Als je optimaliseert voor diverse criteria, krijg je niet één oplossing, maar een hele reeks, legt Boonstra uit. Hij wijst naar een kromme lijn in een grafiek in het artikel dat het team onlangs publiceerde. “Dat is het trade-off front, dat alle ontwerpen weergeeft die optimaal aan twee eisen voldoen.” Een derde eis levert een gekromd vlak met oplossingen: elke extra eis voegt een nieuwe dimensie toe.

“Dat is lastiger te visualiseren”, zegt Hofmeyer. “Maar wiskundig is het niet fundamenteel anders. We zijn nu ook bezig om openingen in de gebouwen te simuleren en willen naar complexere geometrieën toe en het effect van lichtval daarin meenemen. Hiervoor zijn we in gesprek met Evert van Loenen, een hoogleraar hier bij Bouwkunde, die daar veel verstand van heeft.”

Automatisering

De intensieve samenwerking met de informatici uit Leiden leidt tot een systeem dat ontwerpprocessen ondersteunt, waar in de toekomst ook gewone burgers profijt van zullen hebben, vertelt Hofmeyer. “We werken samen met architectenbureau De Twee Snoeken in Den Bosch. Die doen zelf ook veel aan automatisering en hebben een tool ontwikkeld waarmee mensen zelf een nieuwbouwhuis kunnen aanpassen aan hun persoonlijke wensen: WoonConnect.”

Zo kun je met WoonConnect zelf een binnenwand verschuiven, geeft hij als voorbeeld. “Nu rekent WoonConnect nog simpelweg uit wat een aanpassing betekent voor je energiekosten, maar met onze methode kun je een dergelijke tool ook realtime een advies laten geven over de optimale oplossing. Dan krijg je te zien dat je de bewuste wand beter nog een meter verder kunt verplaatsen, omdat dit het gunstigst is voor verwarming, of doordat de constructiekosten dan omlaag gaan.”

WoonConnect

WoonConnect is onze online applicatie voor woning- en gebouwendigitalisering en wijkinnovatie”, aldus Joost van den Buijs, informaticus bij architectenbureau en bouwkundig softwareontwikkelaar De Twee Snoeken. “Gemeenten, verenigingen van eigenaren, corporaties, ontwikkelende bouwers, maar ook huiseigenaren, huurders, fabrikanten en leveranciers zetten de tool in voor woningrenovatie (op het vlak van duurzaamheid, levensloopbestendigheid en comfort) en voor nieuwbouwprojecten.” Bewoners krijgen een digitale sleutel en kunnen eenvoudig zelf bepalen hoe hun woning eruit gaat zien. De tool geeft inzage in de financieringsmogelijkheden of beschikbare subsidies, en laat direct zien welke invloed de gemaakte keuzes hebben op onder andere energiekosten, huurbedrag en energielabel.

WoonConnect is gebaseerd op 3D woning-informatiemodellen en maakt gebruik van een uitgebreide bibliotheek van bouwkundige producten, BouwConnect genaamd. De modellen hebben koppelingen van en naar software voor computer-aided design (CAD) en ondersteunen standaarden uit de bouwwereld. Door de samenwerking profiteert De Twee Snoeken van de fundamentele kennis van de TU/e over achterliggende abstracte modellen. Omgekeerd kan de TU/e de theoretische modellen toetsen aan de weerbarstige praktijk.

Deel dit artikel via je socials