Door AI toe te voegen aan parametrisch ontwerpen is Antea Group in staat om binnen één dag duizenden varianten door te rekenen. Wat voor een constructeur wekenlang rekenwerk betekent, is voor een algoritme slechts een kwestie van uren. Hierbij kiest de computer slim met behulp van AI een steeds beter ontwerp waarbij steeds minder grondstoffen worden gebruikt. Dit is duurzamer en goedkoper: het meest optimale ontwerp. “Genetisch ontwerpen is een belangrijke stap in het duurzamer maken van de sector”, zegt adviseur Kunstwerken & Teamleider Parametrisch Ontwerp Simone de Rijke. “Met ‘Genetisch ontwerpen’ realiseren we het optimale constructieve ontwerp met minimale grondstoffen, lagere kosten en een lagere CO2-uitstoot. Dankzij het algoritme is een besparing tot wel 30% minder grondstoffen mogelijk. Dit in vergelijking met een traditioneel ontwerp”, aldus De Rijke.
Ontwikkeling
“Met de ontwikkeling van Genetisch ontwerpen zijn we ongeveer een jaar bezig geweest”, vervolgt De Rijke. “Het idee hiervoor was afkomstig van een van onze constructeurs die al langer met het idee rondliep om het optimaliseren van ontwerpen voor constructies te automatiseren. Hij had zich laten inspireren door de natuur en ontdekte welke mogelijkheden kunstmatige intelligentie bood. Samen met een team bestaande uit twee programmerende ingenieurs en een expert op constructief gebied hebben we de genetische ontwerpmethode ontwikkeld. Waarbij we ons hebben laten inspireren door de natuur met schapen als inspiratiebron. Wij zijn al duizenden jaren bezig met het fokken van schapen waarin we de genen van de schapen met elkaar kruisen zodat een volgende generatie schapen meer wol en meer vlees voor ons creëert. Een principe dat we hebben toegepast bij de ontwikkeling van genetisch ontwerpen van de funderingsconstructie van tunnel-toeritten. Door middel van het combineren van verschillende ontwerpen die steeds doorgerekend worden, komen we tot een slimmer en meer geoptimaliseerd ontwerp dan menselijk haalbaar is.”
Toepassing
De genetische ontwerpmethode wordt bij Antea Group op dit moment toegepast bij het ontwerp van funderingen voor de tunnel-toeritten. Deze bestaan uit een zogenaamde open-moot-constructie: een serie U-vormige bakken die achter elkaar worden geplaatst om van maaiveldniveau op tunnelniveau te komen. Het zijn open moten die vaak gefundeerd zijn met een enorme hoeveelheid aan funderingspalen per moot op diepe zandlagen. De Rijke: “Als ingenieurs weten wij dat zo’n constructie honderden palen nodig heeft maar niet exact hoeveel, hoe groot en op welke plek. Er zijn miljoenen varianten, wat onmogelijk is om allemaal te beschouwen. Het meest optimale plan laat zich daarom niet eenvoudig berekenen. Want, waar begin je en in hoeverre zijn 36 zware diep gefundeerde palen beter dan 50 slanke ondiep gefundeerde palen? En welke configuratie van palen leidt dan tot de beste krachtsverdeling?” Voor een constructeur is het volgens De Rijke onbegonnen werk om honderdduizenden mogelijke oplossingen handmatig door te rekenen. “Maar met Artificial Intelligence kan dit optimalisatieproces, door de computer zelf slim keuzes te laten maken, snel geautomatiseerd voor ons gedaan worden! In de ontwerpfase is het de kunst om een optimaal palenplan te ontwikkelen en hierbij direct ook de optimale palen te kiezen. Het doel daarvan is bijvoorbeeld het maken van een kosteneffectief ontwerp. Niet alleen kunnen palen slanker en korter worden ontworpen, ook bijvoorbeeld ponskrachten en momenten in de vloer vallen lager uit. Een palenplan kan hierdoor stukken goedkoper ontworpen worden wat niet alleen een besparing oplevert in materialen, maar dus ook in CO2 uitstoot. Kortom: Met een automatisch geoptimaliseerd palenplan kan de constructeur zich op andere constructieve aspecten van het ontwerp richten. Hiermee maken we het werk van constructeurs – wiens kennis steeds schaarser wordt – niet alleen leuker, we zetten zijn/haar kennis in daar waar het echt nodig is.”
De toekomst van ontwerpen
Deze aanpak is als filosofie breed inzetbaar en daarmee eenvoudig op te schalen. We kunnen algoritmes trainen voor verschillende ontwerptoepassingen. De toekomst is niet zozeer de tool zelf maar de toepassing van dit principe binnen allerlei projecten en voor allerlei objecten. Hiermee kunnen we doorgroeien naar een 3.0-versie van ontwerpen.
De beste variant zal nu niet snel gevonden worden. Genetisch ontwerpen slaagt daar wel in. Hiermee is de revolutie in engineering begonnen. Een nieuwe generatie ingenieurs staat op. In een fractie van de tijd kunnen we slanker en dus duurzamer ontwerpen, ons grondstofverbruik minimaliseren en zo tot een minimale CO2 uitstoot komen. De nu al schaarse kennis in de infra wordt hiermee efficiënter ingezet. Met het oog op het klimaat, de vervangingsopgave en de capaciteitstekorten zijn deze voordelen van enorm belang voor de toekomst van onze samenleving.
Genetisch ontwerpen op een rij
Het gebruik van een genetisch algoritme voor ontwerpwerk is compleet nieuw op de markt. Het stelt ons in staat om ontwerpoptimalisaties te boeken die menselijk niet haalbaar zijn, of tenminste binnen projectkaders praktisch niet haalbaar zijn.
Het gebruik van het algoritme resulteert in een optimaal duurzamer ontwerp met minimaal grondstofgebruik en minimale CO2-uitstoot. Dankzij het algoritme kan er voor het optimum ontwerp tot wel 30% minder grondstoffen nodig zijn dan in een traditioneel ontwerp.
Het maken van en het werken met deze algoritmes vergt diepgaande vakkennis en inzicht van onze constructeurs. De computer kan veel voor ons doen, maar menselijke vakkundige kennis is daarbij onmisbaar. Hoe meer de computer overneemt, hoe beter de mens zijn vak moet verstaan om het algoritme te bouwen, te sturen en te gebruiken. Er is veel meer vakkundig inzicht benodigd voor een goed resultaat. Kwaliteit en inzicht zijn net zo belangrijk als kwantiteit.
Toekomst
“Met deze methode van genetisch ontwerpen staan we aan de vooravond van een nieuwe manier van ontwerpen die steeds weer nieuwe inzichten oplevert en nog verder doorontwikkeld zal worden”, meent de Rijke. “We hebben nu gekozen om ontwerpen te maken met zo min mogelijk grondstofgebruik, maar je zou het ook kunnen sturen op andere parameters zoals stikstofuitstoot wat momenteel erg actueel is, maar ook brug- en bouwconstructies zijn een optie. Ingenieursbureaus zullen slimmer moeten gaan ontwerpen. Anders is het niet meer haalbaar.”
Inmiddels is Antea Group bezig om ‘Genetisch Ontwerpen’ voor andere toepassingen mogelijk te maken. Volgens Antea Group is met Genetisch Ontwerpen “de revolutie in engineering begonnen. In een fractie van de tijd kunnen we slanker en dus duurzamer ontwerpen, ons grondstofverbruik minimaliseren en zo tot een minimale CO2 uitstoot komen. De nu al schaarse kennis in de infra wordt hiermee efficiënter ingezet. Met het oog op het klimaat, de vervangingsopgave en de capaciteitstekorten zijn deze voordelen van enorm belang voor de toekomst van onze samenleving.”
