Het kost een constructeur een jaar rekenwerk, terwijl een algoritme het in een nachtje kan. ‘Genetisch ontwerpen’ levert uitgekookte ontwerpen op voor tunneltoeritten.

Zijn 36 zware en diep gefundeerde palen beter dan 50 slanke en ondiep gefundeerde palen? Zou kunnen, maar er zijn misschien nog wel duizend andere manieren om te komen tot een betere krachtsverdeling en lagere kosten bij het realiseren van een tunnelbak. Alleen is het voor een constructeur onbegonnen werk om de honderdduizenden mogelijke oplossingen en locatieparameters handmatig allemaal door te rekenen.

Wol

Toeritten van tunnels bestaan uit openmootconstructies. Deze U-vormige bakken worden achter elkaar geplaatst en gefundeerd met tientallen palen op diepe zandlagen. De kunst is om daar een optimaal palenplan voor te ontwikkelen om de kosten binnen de perken te houden. Het genetisch algoritme helpt daarbij. Deze innovatieve ontwerptool speelt leentjebuur bij de genetica – vandaar de naam.

De mens kruist al duizenden jaren vee en groenten en is er op die manier in geslaagd steeds betere eigenschappen te selecteren. Vandaar dat tomaten nu meer smaak hebben dan vroeger en schapen meer wol geven. Het algoritme van Antea Group zoekt op een vergelijkbare manier de beste opties voor het funderingsontwerp voor de tunnelmoten, door een parametrisch model aan te sturen. En dat doet het algoritme beduidend sneller dan de natuur.

Simone de Rijke legt het uit:

Als constructeur pas je misschien twee of drie keer het palenstramien en het paaltype aan, maar dan is je tijd op. Dan is de beste variant dus niet bereikt.

Kunstmatige intelligentie stelt ons in staat om de goede eigenschappen van een constructie te blijven mengen tot we het optimum hebben gevonden.

Simone is genomineerd voor de Prins Friso Ingenieursprijs!

Genen

Parameters zoals type, positie, lengte en diameter van palen fungeren in het verhaal als de ‘genen’. Het genetisch algoritme gaat niet lukraak aan het rekenen, maar kruist steeds de beste opties met elkaar. “Hij kiest de beste tunnelmoten uit, kijkt hoe goed ze scoren op de Eurocode-toetsingen en kruist ze weer tot er nog betere moten uitkomen”, legt De Rijke uit. “Zo ga je door duizenden generaties heen in één nacht tijd.” Anders dan bij bestaande parametrische ontwerpmethoden draait het niet alleen om versnelling, maar vooral om verbetering van het ontwerpproces.

Aan het einde van de rit rollen er enkele ontwerpen uit die in potentie ideaal zijn. De computer kan in een mum van tijd vaststellen welke de beste krachtverdeling oplevert. Het is vervolgens afhankelijk van de voorkeuren van de opdrachtgever op welk einddoel wordt geselecteerd. Het ligt voor de hand om te calculeren op kosten- of materiaalbesparing, maar andere criteria zijn ook denkbaar. Heeft de aannemer toevallig nog een stel palen liggen van een vorig project? Dan kan de tool doorrekenen op welke manier die zijn in te passen.

Busonderdoorgang Groningen

Wat het allemaal oplevert in de praktijk? Op station Groningen kwam de besparing van CO2-uitstoot uit op ongeveer 20 procent. De applicatie werd hier gebruikt voor het doorrekenen van de acht tunnelmoten van de nieuwe busonderdoorgang die onder de sporen komt te liggen.

De genetische ontwerpapplicatie berekende dat het aantal palen met 20 procent naar beneden kon. Bovendien bleek een slanker paaltype geschikt voor de klus. Daardoor gingen ook de kosten van de fundering met 30 procent naar beneden. De ponskrachten en momenten in de vloeren bleken dankzij de optimalisatieslag eveneens lager uit te vallen.

Damwandentool

Levert ‘genetisch ontwerpen’ niet altijd een ontwerp op het scherpst van de snede op, zonder restcapaciteit? “Nee, de applicatie zorgt ervoor dat materiaal alleen daar wordt toegepast waar het nodig is”, zegt De Rijke. “De constructieve veiligheid is altijd geborgd.”

En staat de constructeur niet buitenspel als de computer het belangrijkste rekenwerk uitvoert? Zeker niet, de innovatieve tool is ontwikkeld door én voor constructeurs, onderstreept adviesgroepmanager Kunstwerken Erik Deuring. De resultaten kunnen ze op de laptop nakijken of met een 3D-bril op het hoofd nog een keertje visueel doorlopen. “Maar dit gaat zeker niet het constructeurswerk met de helft verminderen. We kunnen vooral duizenden opties méér onderzoeken dan voorheen. We krijgen meer inzicht in onze modellen, daar zit de grote winst”, zegt Deuring. “Bovendien kunnen we constructeurs inzetten waar hun kennis echt nodig is. Dat is prettig in een tijd dat technici schaars zijn.”