STW.nl
Het Open Technologieprogramma (OTP) is bedoeld voor projecten over de hele breedte van het technisch-wetenschappelijke onderzoek
Een gebouw ontwerpen komt neer op jongleren met eisen die flink met elkaar kunnen botsen. Geen wonder dat het eindresultaat vaak verre van optimaal is. Hèrm Hofmeyer en Michael Emmerich werken aan een computerprogramma waarmee ontwerpers de optimale balans van ontwerpvereisten kunnen vaststellen.Hèrm Hofmeyer: 'We kunnen heel wat energie en materiaal besparen als we het ontwerpproces verbeteren. Foto: Vincen van de HoogenAls u zich tijdens het lezen van dit artikel in een gebouw bevindt, kijk dan eens om u heen. Vindt u het ruimtelijk genoeg of komen de muren op u af? Valt er voldoende licht binnen? En valt, als u de eigenaar of huurder bent, de energierekening u mee of tegen? Wellicht hebben degenen die het gebouw ontwierpen gebruikgemaakt van rekenmodellen om op al die gebieden tot gunstige resultaten te komen. Helaas houden zulke modellen geen rekening met conflicten tussen alle verschillende vereisten. Het resultaat is dan bijvoorbeeld een huis dat energiezuinig is, maar ook  nogal donker. Of juist een heel licht gebouw waarin ’s zomers de airconditioning op de hoogste stand moet.Omdat de eigenschappen van een gebouw sterk op elkaar inwerken, zou het veel beter zijn om alles tegelijkertijd te optimaliseren. Dat is precies het doel dat Hèrm Hofmeyer van de Technische Universiteit Eindhoven voor ogen heeft, samen met informaticus Michael Emmerich van de Universiteit Leiden.Al vanaf 1992 houdt Hofmeyer zich bezig met de ontwikkeling van simulatie- en optimalisatietechnieken voor gebouwen, de laatste jaren in nauwe samenwerking met Emmerich. STW honoreerde onlangs een voorstel van de beide onderzoekers om praktische applicaties te ontwikkelen de werken op basis van gelijktijdige optimalisatie. Met dergelijke applicaties kunnen bouwkundigen, maar ook particulieren die zelfbouw overwegen, de kwaliteit van hun gebouwen sterk verbeteren.OntwerpcirkelBeter bouwen is één ding, het efficiënt aanwenden van bronnen is een andere kwestie die Hofmeyer sterk bezighoudt. ‘40 procent van al het energieverbruik en alle materialen op deze hele aarde zit in de gebouwde omgeving’, zegt hij. ‘Dat is heel wat. En je kunt er zeker van zijn dat het gebouw waar ik nu in zit helemaal niet optimaal is. Ik denk dat we heel wat energie en materiaal kunnen besparen als we het ontwerpproces verbeteren.’Computermodellen kunnen berekenen wat de ideale draagconstructie voor hoogbouw is.In die uitspraak gaat een subtiliteit schuil: Hofmeyers onderzoek richt zich niet alleen op het verbeteren van gebouwen, maar ook op het verbeteren van het ontwerpproces ervan. ‘Ons idee is dat je het ontwerpproces zélf moet modelleren. Je moet je dat als volgt voorstellen: in het begin heb je een ruimtelijk ontwerp van het gebouw – de blokkendoos, als het ware. Dat kunnen wij automatisch omzetten in een constructief ontwerp, ofwel de draagconstructie.Vervolgens kun je dat ‘skelet’ optimaliseren. Maar dat heeft dan weer consequenties voor de blokkendoos. Het kan zodanig botsen dat het ruimtelijk ontwerp moet worden aangepast – het geraamte van een vis past immers niet in een vogel. Ook dat doen wij geautomatiseerd. Wij kunnen die ontwerpcirkel blijven maken, en dat is wereldwijd uniek. Toen Hofmeyer zijn programma draaiende had, leek het toevoegen van extra ontwerpeisen hem de logische volgende stap. ‘We besloten in de eerste plaats de bouwfysica erbij te betrekken: hoe hou je het gebouw warm? Hoe zorg je voor voldoende lichtinval?’ Tegelijkertijd ondernam Hofmeyer stappen om het ‘basisprogramma’ zelf te optimaliseren. ‘Onze vraag was: hoe kun je zo’n ontwerpcyclus in wiskundig opzicht zo goed mogelijk laten verlopen? We wilden dat gedegener aanpakken, met goede wiskunde en goede informatica.’Voor die stap ging Hofmeyer een samenwerking aan met Emmerichs onderzoeksgroep in Leiden. Onze specialiteit is dat we met meerdere doelen kunnen werken’, zegt Emmerich. ‘Dat is bijvoorbeeld bruikbaar wanneer je het energieverbruik van een huis wilt optimaliseren, maar tegelijkertijd een constructief stabiel huis met veel volume wilt.’De resultaten van de computersimulaties doen denken aan de gevel en draagstructuur van het John Hancock Center in Chicago. Foto: ShutterstockHet gaat erom de optimale trade-off te vinden, aldus Emmerich. ‘Oplossingen die te veel naar de ene of andere eigenschap overhellen, vallen af. Uniek aan onze methodiek is dat we een heel breed zoekbereik hebben. We kunnen heel veel gebouwarchitecturen tegelijkertijd doorrekenen. Dat doen we met een combinatie van brute rekenkracht en slimme algoritmes die efficiënt gebruikmaken van die rekenkracht.’Eerder werden de rekenmethoden van Emmerich overigens al toegepast in de chemische en farmaceutische industrie. ‘Ook daar moet je verschillende doelen zien te verenigen’, zegt Emmerich. ‘Een medicijn moet werken, maar wel zonder al te veel bijwerkingen te veroorzaken.’Genetische algoritmenEen promotieonderzoek dat in december 2014 onder Hofmeyers leiding werd afgerond, toont in de vorm van duidelijke visualisaties de kracht van die benadering aan. Hofmeyer: ‘Als je een ‘skelet’ van een gebouw in de computer hebt gezet, zal je altijd merken dat er plekken zijn waar het maar heel weinig hoeft te dragen. Die delen kun je dus verwijderen. Het gevolg is dat je op die plekken geen  ruimtes meer kunt hebben. De promovendus heeft onder meer laten zien dat, naarmate je de ontwerpcyclus vaker doorloopt, het gebouw steeds lager wordt.’In een ander voorbeeld blijkt dat wanneer je gefocust bent op windbelasting, het gebouw geleidelijk verbrokkelt tot een losse verzameling lage gebouwtjes. ‘Dat lijkt wellicht triviaal’, zegt Hofmeyer. ‘Maar het is de eerste keer dat we met een volledig rationele, systematische procedure dit soort processen kunnen laten zien. Vooral ook omdat dit verder gaat dan gebouwen. Dezelfde effecten treden ook op wanneer je een auto ontwerpt, of een mobiele telefoon.’In feite verloopt in Hofmeyers methode het ontwerpproces in generaties. Die opmerkelijke  overeenkomst met biologische voortplanting bracht de onderzoekers op het idee om hun  programma te verifiëren met behulp van zogeheten genetische algoritmen.Hofmeyer: ‘We beschreven de ruimte en het skelet van een gebouw in de vorm van een heleboel enen en nullen die samen één gen vormen. Daarna creëerden we een populatie door tussen de individuen kleine, willekeurige verschillen aan te brengen. Vervolgens namen we er een aantal uit om te kijken hoe goed ze waren in constructief, ruimtelijk of ander opzicht. De geslaagde exemplaren lieten we zichzelf voortplanten. Dat wil zeggen dat we ze uit elkaar haalden en de fragmenten met die van anderen combineerden, net zoals de natuur dat doet.’Hèrm Hofmeyer: 'Ik hoop oprecht dat gebouwen, van klein tot groot, energiezuiniger en een stuk optimaler worden. Foto: Vincent van den HoogenNadat de simulatie 180 uur draaide, maakten Hofmeyer en collega’s de balans op. ‘We hadden duizenden gebouwen en konden we duidelijk zien waar de simulatie naartoe ging’, zegt de onderzoeker.‘Het waanzinnig interessante is dat die genetische algoritmen, die op zichzelf helemaal niet intelligent zijn, met dezelfde oplossingen komen als de systematische methode die wij mensen en onze programma’s gebruiken. Ook hier leverde bijvoorbeeld een focus op de wind een laag en verbrokkeld gebouw op.’GebruiksvriendelijkHofmeyer denkt dat er twee ‘utilisatiekanten’ zitten aan zijn werk: een wetenschappelijke en een zeer praktische. ‘We hebben heel goede contacten met architectenbureau De Twee Snoeken, dat verbonden is aan WoonConnect. Dat biedt een soort digitaal bouwpakket waarin mensen zelf kunnen aangeven hoe ze hun huis willen hebben. Het programma adviseert dan over constructie, kosten, noem maar op. We hopen onze module daar over vier jaar aan te kunnen koppelen.’Om toegankelijk te zijn voor een breder publiek, moet het programma nog wel van een gebruiksvriendelijke interface worden voorzien. ‘Dat is nooit de sterkste kant van academici,’ lacht Hofmeyer, ‘en daarom gaat De Twee Snoeken dat doen.’Voor zichzelf ziet hij in de eventuele commercialisering van zijn werk geen rol weggelegd. ‘Ik ben niet van plan een bedrijf op te richten. Daar ben ik helemaal het type niet voor’, zegt Hofmeyer. ‘Mijn doel is tweeledig: ik hoop oprecht dat gebouwen van klein tot groot energiezuiniger en – zowel constructief als ruimtelijk – een stuk optimaler worden. Het gebruik van energie en materialen moet in een wereld met acht miljard bewoners echt omlaag. Daarnaast zou ik het heel mooi vinden als dit soort tools ook in andere ontwerpdisciplines zouden worden gebruikt, om inzicht te krijgen in ontwerpprocessen en die vervolgens te verbeteren.’=====Tekst: Ed CroonenbergFotografie: Vincent van den HoogenDownload dit artikel hier als pdf-bestand.Dit artikel is eerder verschenen in Update, het relatiemagazine van STW. De volledige editie is te dowloaden als pdf-bestand. Liever een gedrukt exemplaar? Stuur dan een e-mail naar redactie@stw.nl. Overige uitgaven van STW zijn te vinden in de rubriek Media.