4 thema Mogelijkheden van digital engineering 1 1 Vakblad Toekomstbeeld der Techniek , editie 31-5 uit 1981 [1] Verschillende vormen van digital engineering belangrijk hulpmiddel voor constructeur Digital engineering is een ontwikkeling die de ingenieurswereld in rap tempo verandert. De mogelijkheden met interoperabiliteit, automated engineering, parametrisch ontwerpen en generatief ontwerpen zijn legio. Er worden in de praktijk al diverse successen mee geboekt.   "Wat is de invloed van de computer en van de micro-elektronica op het ontwerpen en construeren? Deze vraag is niet op een eenvoudige wijze te beantwoorden. Het betreft hier een omstre - den onderwerp." Zo begint het blad Toekomstbeeld der Techniek , 31-5 uit 1981 [1] (fig. 1). Digital engineering is niet nieuw, blijkt dus wel. We werken al jaren met spreadsheets, eindige-elementenmodellen (EEM), 2D- en 3D-CAD-software en de oudere lezers herinne - ren zich de ponskaarten nog. Maar nu start een nieuwe fase waarin digital engineering veel belangrijker wordt en een prominente plaats inneemt in het constructeursvak. Royal HaskoningDHV werkt hard aan deze digitale transfor - matie. Nieuwe mensen met andere vaardigheden worden aangenomen, huidige werknemers volgen cursussen Python, Grasshopper en Dynamo en een deel van de businessmodellen verandert van projecten naar producten en services. thema Mogelijkheden van digital engineering 7 2018 5   Dit artikel beschrijft de huidige stand van zaken en geeft een toekomstvisie wat betreft digital engineering voor construc - teurs. Dit gebeurt aan de hand van theorie gecombineerd met praktijkvoorbeelden.     Digital engineering We onderscheiden bij digital engineering vier onderwerpen: interoperabiliteit, automated engineering, parametrisch ontwerpen en generatief ontwerpen. De onderwerpen zijn nauw aan elkaar verwant en overlappen deels.   Interoperabiliteit Interoperabiliteit is de mogelijkheid van twee of meer systemen om samen te werken en informatie uit te wisselen [2]. Voor constructeurs is een herkenbaar probleem hierbij de samen - werking tussen Revit en SCIA Engineer. Deze twee pakketten zijn van nature niet verenigbaar met elkaar. Met vergelijkbare programma's is dit meestal niet veel beter, terwijl dit essentieel is om automated engineering, parametrisch ontwerpen en generatief ontwerpen mogelijk te maken. De aanwezige data in beide systemen lijken veel op elkaar. Deze bestaan uit een geometrie met daaraan gekoppeld objecten met metadata. Toch is er nog een vertaalslag nodig. Je kunt het vergelijken met Nederlands en Duits. In beide talen kun je dezelfde informatie geven, maar als je beide talen niet spreekt, is het moeilijk elkaar te verstaan. Voor BIM worden daarom universele talen ontwik - keld zoals IFC.   Automated Engineering Automated engineering gaat over het automatiseren van het ingenieurswerk. Hierbij kan het gaan over stappen in het proces of over een volledig geautomatiseerd product. Een stap in het proces kan bijvoorbeeld zijn de toetsing van een constructief element of het optimaliseren van een doorsnede. Wanneer alle stappen in het proces geautomatiseerd zijn, kom je tot een geau - tomatiseerd product. Hierbij gaat het om bouwtekeningen en documentatie van het ontwerp inclusief toetsingen. In veel projecten ligt het ontwerpproces vooraf nog niet vast. Het ontwerpproces is van nature iteratief met als doel om uiteindelijk het meest waardevolle ontwerp aan klant en stake - holders te leveren. In dit ontwerpproces kunnen ingenieurs zeker hun waarde bewijzen.   Parametrisch ontwerpen Bij parametrisch ontwerpen wordt in plaats van een statisch model een dynamisch model gemaakt. Met behulp van (visuele) programmeertalen wordt de logica van het ontwerp omgezet in een relationeel model, dat kan worden gebruikt om het ontwerp aan de eisen en wensen te toetsen. Het model kan binnen een bepaalde bandbreedte worden aangepast om zo verschillende varianten te kunnen onderzoeken. Deze varian - ten kunnen vervolgens worden beoordeeld. Dit is enerzijds kwantitatief door bijvoorbeeld bij elke variant de kosten te laten bepalen. Anderzijds kan dit ook kwalitatief door bijvoorbeeld gebruik te maken van virtual reality. De klant kan dan door meerdere varianten lopen om te beoordelen hoe hij de ruimten ervaart. Bij parametrisch ontwerp kunnen automated enginee - ring-modules worden gebruikt om het ontwerp te beoordelen.   Generatief ontwerpen Generatief ontwerp gaat nog een stap verder. Hierbij laat je de computer varianten genereren en beoordelen. Tools als Design Explorer kunnen je helpen de varianten zelf te beoordelen. Indien je de computer de varianten laat beoordelen, zijn kunst - matige-intelligentietechnieken van belang. Als voorbeeld kan bij het ontwerpen van hotels gebruik worden gemaakt van de ratings die bezoekers aan hotels geven. Op basis van deze data kan de computer worden getraind om te leren herkennen wat hotelbezoekers prettig vinden, en dit vervolgens te gebruiken om tot nieuwe ontwerpen te komen. In de praktijk wordt dit nog weinig toegepast en is het ook maar de vraag hoe dit zich precies gaat ontwikkelen. Interoperabiliteit, automated engi - neering en parametrisch ontwerp in combinatie met big data, zullen een basis vormen om generatief ontwerpen mogelijk te maken.     Kiezen voor een parametrisch model Er zijn vier motieven om een parametrisch model op te zetten: vormgeving, productie, optimalisatie en flexibiliteit   Vormgeving Bij complexe vormen, zoals dubbelgekromde vlakken of andere sferische constructies, kan een parametrisch model helpen om snel een 3D-model te genereren. Hierbij worden programma's als Grasshopper en Dynamo gebruikt.   Productie Bij een hoge mate van herhaling van dezelfde soort berekenin - gen, kunnen parametrische modellen het productieproces versnellen. Vooral als er ook automatisch rapporten, tekenin - gen of andere deliverables worden gegenereerd.   Optimalisatie Constructies waarvoor een volledig parametrisch model is gemaakt, zijn vaak geschikt voor optimalisatiestudies. Het aantal variabelen waarmee wordt geoptimaliseerd, moet worden beperkt, omdat de rekentijd exponentieel toeneemt met het aantal parameters. Evolutionaire algoritmes worden ingezet om efficiëntere optimalisaties uit te voeren. Galapagos van Grasshopper is een voorbeeld van een dergelijk algoritme. ir. Koen van Viegen, ir. Robin van der Have, ir. Gijs Joosen, ir. Pieter Schreurs Royal HaskoningDHV Mogelijkheden van digital engineering 7 2018 6 thema eerder beschreven aspecten van digital engineering. Op deze manier kunnen meerdere varianten parallel aan elkaar worden onderzocht. De modellen zijn parametrisch opgezet. Hierdoor is er bij elke wijziging direct een indicatie van het constructief gedrag en de kosten. Met een virtual reality-model kan de architect direct ervaren wat de wijziging doet met de beleving in het stadion. Dit maakt het mogelijk in dit project proactief advies te geven en uiteindelijk samen met de architect tot het gewenste resultaat te komen.   Werken met een centraal model Het werkproces in het project is zo ingericht dat de data uit de verschillende modellen naadloos op elkaar aansluiten. Samen werk je aan één model waar uiteindelijk alle deliverables uit worden gehaald. Ieder teamlid in het project kan de data gebruiken om zijn analyses uit te voeren en de data verder te verrijken. Dit resulteert in een gedistribueerd informatiemo - del, waarbij ieder teamlid wel eigenaar is van een deel van de data.    Flexibiliteit Het bieden van flexibiliteit is waardevol tijdens het ontwerp - proces. Aan het begin van een ontwerpproces is nog veel onduidelijk. Een parametrisch model is handig bij veranderin - gen. Als er wijzigingen optreden, hoeven dezelfde handelingen niet opnieuw te worden uitgevoerd.   Om een goed beeld te krijgen bij interoperabiliteit, automated engineering, parametrisch ontwerpen en generatief ontwerpen, worden twee recente projecten besproken.     Feyenoord-stadion (Grasshopper, Karamba) In samenwerking met architectenbureau OMA werkt Royal HaskoningDHV aan een voorlopig ontwerp voor het nieuwe Feyenoord-stadion (fig. 2 en 3). Het voorlopig ontwerp is nog niet volledig afgerond, maar een inkijk in de werkzaamheden is toch al mogelijk. In het ontwerpproces wordt volop gebruikgemaakt van de 2 Mogelijkheden van digital engineering 7 2018 7 analyses worden uitgevoerd. Hiermee wordt een inschatting gemaakt of er windhinder wordt ondervonden door bezoe - kers van het stadion of in het omliggende gebied. ? Revit-model: via Dynamo wordt een Revit-model gemaakt met alle gebouwdata, waarmee alle tekeningen kunnen worden gegenereerd.   Om een dynamisch model te maken, wordt in dit project gebruikgemaakt van parametrisch ontwerpen. Binnen de modellen wordt gebruikgemaakt van automated engineering om het ontwerp te toetsen en te verbeteren. De data uit de modellen worden uitgewisseld tussen verschillende program - ma's, zodat iedere expert zijn eigen analyses kan uitvoeren. Een volgende stap kan zijn om generatief varianten te genereren door de computer en zo tot nieuwe inzichten te komen. Verschillende aspecten van digital engineering komen terug in het proces om geïnformeerd ontwerpkeuzen te kunnen maken. Dit ondersteunt het ontwerpproces en verhoogt de kwaliteit van het project.   Modelperspectieven In het project heeft elke discipline zijn eigen perspectief op de data. Dit betekent dat alleen data worden gebruikt die relevant zijn. Als startpunt wordt een parametrisch model gemaakt met het programma Grasshopper. In dit model worden de uitgangs - punten vanuit opdrachtgever en architect vertaald naar een 3D-model. Dit model wordt het coördinatiemodel genoemd. Alle andere teamleden hebben hun modellen relatief aan dit coördinatiemodel gedefinieerd. De opbouw in de modellen is als volgt: ? Constructiemodel: met behulp van Karamba wordt de constructie gedefinieerd relatief ten opzichte van de gridlij - nen uit het coördinatiemodel. Karamba is een EEM-plug-in van Grasshopper. In dit model wordt de constructie geanaly - seerd en geoptimaliseerd. ? MEP-model (mechanical, electrical and plumbing): via Dynamo wordt de ruimte die nodig is voor installaties gere - serveerd. Verschillende configuraties worden tijdens het ontwerptraject onderzocht. ? CFD-model: met Grasshopper wordt een volumemodel gemaakt waarmee Computational Fluid Dynamics (CFD)- 2 Feyenoord-stadion in de avondbron: OMA3 Impressie stadion tijdens een voetbal - wedstrijdbron: OMA 3 Mogelijkheden van digital engineering 7 2018 8 4 EEM-model van NLTH-analyse in DIANA, om een constructie te beoordelen op aardbevingsbestendigheid een eigen Python-package geschreven. Python is vrij gemak - kelijk te leren en ingenieurs in Groningen maken dagelijks gebruik van dit pakket. Na het succes van het pakket voor de NLTH-analyses is hetzelfde ontwikkeld voor de MRS-analyses. Dit was iets complexer omdat SCIA Engineer niet over een Python-shell beschikt zoals DIANA.     Conclusie Digital engineering maakt al lang deel uit van ons vak, maar zal een steeds prominentere plaats innemen. Het ontwerp van het nieuwe Feyenoord-stadion geeft een goed voorbeeld van hoe interoperabiliteit kan worden ingezet om parametrisch te ontwerpen en op die manier flexibiliteit te bieden aan de archi - tect. Verder stelt het parametrische model ons in staat optima - lisaties uit te voeren voor constructiedoorsneden. Het aardbevingsproject in Groningen laat zien dat, bij een hoge mate van repetitie, het automatiseren van het engineeringspro - ces de productie kan vergroten en fouten kan voorkomen.   In de toekomst zullen deze technieken veel vaker worden ingezet tijdens het ontwerpproces. Uiteraard zal het creëren van een onnavolgbare black box moeten worden voorkomen. Het blijft van belang dat de constructeur het proces blijft begrijpen om de constructieve veiligheid te kunnen waarborgen. ?   Aardbevingsproject in Groningen Groningse gebouwen ondervinden schade door aardbevingen veroorzaakt door extractie van gas uit de bodem. Als gevolg hiervan worden honderden gebouwen onderzocht op hun aardbevingsbestendigheid. In het geval dat de gebouwen niet voldoen aan een near-collapse-criterium, wordt een verster - kingsadvies voorgesteld. De Modale Response Spectrum (MRS)-analyses en de Non Linear Time History (NLTH)- analyses worden toegepast om de constructies te beoordelen. Voor MRS wordt het EEM-pakket SCIA Engineer gebruikt en voor NLTH het meer geavanceerde EEM-pakket DIANA (fig. 4). Beide methoden ondervinden een hoge mate van repetitie. De objecten verschillen bij elke analyse, maar de procedures zijn standaard.   Het proces van het maken van een aardbevingsanalyse begint bij een bureaustudie. Daarna volgen één of meerdere inspecties, waarna een 3D-Revit-model wordt opgezet. In dit model zitten al veel van de data die nodig zijn om een berekening te maken. Die data kunnen handmatig worden vertaald in een EEM- model, maar dit kost veel tijd. DIANA is een zeer geavanceerd pakket en dat vraagt veel van de gebruiker. Het handmatig opzetten van het EEM-model is erg foutgevoelig. Het kan gebeuren dat interfaces niet goed worden gedefinieerd of dat bepaalde nodes niet zijn verbonden. De modellen bestaan vaak uit meer dan 100.000 elementen. De berekeningen zelf duren vaak enkele dagen waardoor fouten pas laat worden gevonden. Om dit deel van het proces te verbeteren, is in 2016 besloten het stapsgewijs te automatiseren. Hiervoor is een Python-groep opgezet. DIANA heeft een Python-shell waardoor de keuze voor deze taal voor de hand lag.   Python is een object-georiënteerde programmeertaal. Het is een populaire taal, waar veel packages voor zijn geschreven die door iedereen te gebruiken zijn. Hierdoor kun je met relatief weinig code snel een werkend model maken. Voor dit project is ? LITERATUUR 1 Schönfeld, J.F.P. (1981). Boswijk, H.K., Toekomstbeeld der Techniek 31-5: Micro-Elektronica, Het ontwerp proces. Delft: Delftse Universitaire Pers. 2 Miller, P. (2000). Interoperability: What is it and why should I want it? In: Ariadne 24, 2008: http://www. ariadne.ac.uk/issue24/interoperability/. thema Mogelijkheden van digital engineering 7 2018