Op AI gebaseerde ontwerpondersteuning voor efficiënte gebouwen
De constructie, exploitatie en sloop van gebouwen vertegenwoordigen ongeveer 40% tot 60% van de totale energie- en hulpbronnenuitgaven in Europa. Het spreekt voor zich dat het verbeteren van de materiaal- en energie-efficiëntie in de bebouwde omgeving bijdraagt aan het oplossen maatschappelijke uitdagingen zoals klimaatverandering, milieuvervuiling en uitputting van hulpbronnen. Met behulp van AI-technieken en optimalisatietechnologie kan het promotieonderzoek van Sjonnie Boonstra ontwerpers ondersteunen om invloedrijke beslissingen te nemen in de vroege stadia van het ontwerp van een gebouw, gericht op het verbeteren van materiaal- en energie-efficiëntie.
In de beginfase van het ontwerp van een gebouw heeft een ontwerper enkele ideeën en een ontwerpopdracht waarin de doelen en beperkingen van het gebouw worden gedefinieerd. Uiteraard is de ontwerper in dit stadium nog niet op de hoogte van materiaalkosten of de energie-eisen van het uiteindelijke ontwerp. De ontwerpideeën en -beslissingen in deze voorbereidende fase hebben echter de grootste invloed op deze aspecten. Stel je bijvoorbeeld voor wat de impact van de vorm en oriëntatie van een gebouw op de vraag naar verwarming en koeling is.
AI-technieken en optimalisatie kunnen helpen bij het verkennen van ontwerpmogelijkheden, maar zelfs de modernste optimalisatiemethoden kunnen in de vroege fase van een ontwerpproces niet omgaan met de enorme hoeveelheid ontwerpmogelijkheden. Dit is de uitdaging Sjonnie Boonstra, samen met zijn collega Koen van der Blom van de Universiteit Leiden in hun promotieonderzoek aangingen.
Methoden gebaseerd op expertsystemen
Ze richtten zich op het minimaliseren van het materiaalgebruik en de vraag naar verwarming en koeling van een gebouwontwerp door de ruimtelijke indeling en afmetingen van een gebouw te veranderen. In Eindhoven ontwikkelde Boonstra verschillende methodes op basis van zogeheten expertsystemen: conformalisation, automated grammars, spatial modifications, zoning, and structural stabilization. Deze kunnen samen veelbelovende reeksen ontwerpmogelijkheden vinden door een methode die de wederzijdse invloed van verschillende disciplines op een ruimtelijk ontwerp simuleert, zogenaamde co-evolutionaire ontwerpprocessen.
In Leiden ontwikkelde van der Blom state-of-the-art optimalisatiemethoden die zijn toegespitst op het vroegtijdig bouwen van ruimtelijk ontwerp. Boonstra creëerde vervolgens een nieuwe hybride methode door de simulaties en de optimalisatiemethoden te combineren, waarbij optimalisatie wordt gebruikt om de veelbelovende ontwerpmogelijkheden te verkennen die door de simulaties worden gevonden. Met deze hybride methode is het nu mogelijk om effectief een veel groter aantal ontwerpmogelijkheden te verkennen en te suggereren.
Open source toolbox
Om zijn onderzoek te realiseren ontwikkelde Boonstra een open source toolbox met als doel de ontwikkeling van ruimtelijke ontwerpen voor nieuwbouw te ondersteunen via ontwerp- en optimalisatiemethoden. Deze toolbox bevat verschillende methoden om een ruimtelijk ontwerp van een gebouw te beschrijven, geautomatiseerde technieken voor het genereren en evalueren van een ruimtelijk ontwerp van een gebouw voor verschillende disciplines, en tools om ontwerpen te visualiseren en gegevens te analyseren.
Boonstra ontdekte dat deze tools mogelijk ook andere toepassingen hebben, zoals ontwerpondersteuning. In dat licht ontwikkelde hij een nieuwe methode voor het efficiënt genereren en voorstellen van geoptimaliseerde structurele ontwerpen, die ontwerpers kunnen helpen om optimale materiaallay-outs te vinden voor het structurele ontwerp van een gebouw.
Het onderzoek is een veelbelovende stap op weg naar een betere ondersteuning van voorlopig ontwerp. De ontwikkelde methoden zijn al succesvol toegepast in een ontwerpomgeving die in de praktijk wordt gebruikt. Bovendien zijn de tijdens het onderzoek gegenereerde gegevens verwerkt door dataminingtechnieken om nieuwe ontwerpregels te ontdekken, die zowel in de gesimuleerde co-evolutionaire ontwerpprocessen als in de praktijk kunnen worden gebruikt.
NWO financiert een vervolg PhD-project, gericht op het opnemen van meer ontwerpaspecten zoals de mate waarin daglicht een rol speelt, het verkennen van een nog geavanceerder scala aan ontwerpmogelijkheden en gebruikersinteractie.
Titel proefschrift: Multi-disciplinary optimization of building spatial designs: co-evolutionary design process simulations, evolutionary algorithms, hybrid approaches. Begeleiders: dr.ir. H (Hèrm) Hofmeyer, prof.dr.ir. A.S.J. (Akke) Suiker, dr.ir. M.T.M. (Michael) Emmerich. Andere betrokken partijen: NWO-TTW, De Twee Snoeken.
Dit artikel is een ingezonden bericht en valt buiten de verantwoordelijkheid van de redactie.