Bouwen met algoritmes: op zoek naar het ideale ontwerp
Hoe kunnen computers helpen bij het ontwerpen van optimale gebouwen? Promovendus Koen van der Blom maakt algoritmes die rekening houden met allerlei verschillende bouwkundige eisen, om zo tot de beste compromis te komen. En dat is nog best lastig: ‘Algoritmes begrijpen niet uit zichzelf dat een gebouw dat in de lucht zweeft niet praktisch is.’ Promotie 11 december.
De perfecte balans
‘Het ontwerpen van gebouwen gebeurt meestal door meerdere experts uit verschillende bouwkundige disciplines,’ vertelt Van der Blom. ‘Iedere expert heeft zijn eigen eisen. De aanpassingen van een expert in discipline A, die kijkt naar de draagkracht van het gebouw, kunnen wellicht een negatieve invloed hebben op discipline B, de temperatuurregeling.’ Van der Bloms algoritmes moeten het makkelijker maken gebouwontwerpen al in een vroeg stadium te optimaliseren voor verschillende eisen. ‘Ze zoeken naar de perfecte balans, wat zorgt voor betere ontwerpen. Dit bespaart ook een hoop tijd: in een latere fase duurt het namelijk veel langer om het ontwerp aan te passen.’
Een complex probleem
Het ontwerpen van zulke algoritmes is behoorlijk complex. Dat komt volgens Van der Blom door meerdere factoren. ‘Allereerst gaat het dus om een zogenaamd multi-criteria probleem. Dit betekent dat we oplossingen moeten vinden die een afweging maken tussen verschillende eisen.’ Van der Blom keek hierbij naar zowel structurele ontwerp (zoals draagkracht en materiaalbesparing), als het bouwfysisch ontwerp (verwarming en koeling).
Het tweede aspect is de wiskundige omschrijving van het probleem. Van der Blom: ‘Die bestaat uit een combinatie van heel verschillende onderdelen. Om elk onderdeel tegelijk efficiënt te doorzoeken, was er dus een complexe combinatie van meerdere zoektechnieken nodig.’
De laatste moeilijkheid is omgaan met restricties. Deze restricties zijn nodig om te garanderen dat de gevonden oplossingen bruikbaar en valide zijn. ‘De algoritmes begrijpen niet uit zichzelf wat een goed of slecht gebouw is’, legt Van der Blom uit. Hierdoor proberen ze zonder verdere instructies ook dingen die voor mensen vreemd zijn. Een gebouw dat in de lucht zweeft is voor de computer bijvoorbeeld geen probleem, maar dat willen we uitsluiten omdat het praktisch niet kan.’ Hoewel zulke oplossingen vaak toch niet van hoge kwaliteit zijn, en dus niet als uiteindelijke oplossing uit de bus komen, kost het wel tijd om ze te evalueren. ‘Dus we sluiten ze uit om tijd te besparen. Die tijd gebruiken we om een groter aantal valide gebouwen te doorzoeken.’
Stapsgewijs naar de praktijk
De zoektocht naar de juiste methode begon bij standaard algoritmes. Van der Blom: ‘Daarna keken we stapsgewijs wat er niet goed werkte, bijvoorbeeld het doorzoeken van grote aantallen invalide ontwerpen, en daar zochten we dan een oplossing voor. Door langzaam complexiteit toe te voegen en te weten dat de basis goed werkte, konden we elke keer een goede oplossing zoeken voor één nieuw probleem.’
Voor het onderzoek werkte Van der Blom samen met bouwkundigen van de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Ook hebben we onze algoritmes getest bij een architectenbureau (De Twee Snoeken). Dat was voorzichtig positief: de algoritmes werken, maar we moeten nog een aantal praktische problemen oplossen voordat we ze echt kunnen toepassen in de praktijk.’