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.
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
Reacties