Heijmans: “The luxury of having a tool that takes over 80% of the work, quickly becomes your standard”

De dijkontwerptool Wilma op het VIKTOR-platform is een vernieuwde ontwerpomgeving voor de geotechnisch adviseur die ontwikkeld is door de Graaf Reinaldalliantie op het dijkversterkingsproject Gorinchem-Waardenburg.

Automate the boring. Engineer the awesome!

Dijkontwerptool Wilma: een nieuwe, digitale manier van ontwerpen

De innovatie bestaat uit de combinatie van de slimheid en inzichten van de ontwerper en de oneindige rekenkracht van de computer via het platform. In de Wilmatool is de ontwerpsoftware (D-serie en Plaxis) voor de verschillende ontwerpmechanismen integraal gekoppeld en wordt de data conform de BIM-filosofie centraal beheerd. Veranderingen in uitgangspunten of informatie zijn hierdoor zeer snel inzichtelijk te maken waardoor het gemaakte ontwerp snel aangepast kan worden. De flexibiliteit die dat geeft in het ontwerpproces heeft zich binnen het dijkversterkings­project reeds bewezen.

Inleiding

De Graaf Reinaldalliantie is opgericht om de rivierdijk tussen Gorinchem en Waardenburg te gaan versterken. De alliantie bestaat uit het Waterschap Rivierland en de aannemerscombinatie ‘Waalensemble’ bestaande uit Heijmans, GMB en de Vries & van de Wiel. Royal HaskoningDHV is als adviserende partij aan de alliantie verbonden. Dit dijkversterkingsproject is ongeveer 23 kilometer lang en is bijzonder complex qua versterkingsopgave. Niet in het minst door de sterk heterogene bodemopbouw, die aan de noordzijde van Waal in het verleden ontstaan is door de vele oude riviergeulen en opvullingen, de diversiteit aan bodemlagen en de opvulling ter plaatse van oude dijkdoorbraken. Het dijklichaam zelf is eveneens wisselend van opbouw door de aanleg van de dijk door de eeuwen heen en de versterkingen en verleggingen van de afgelopen decennia. Om dit dijktraject aan huidige de veiligheidsnormen te laten voldoen zijn meerdere verbetermaatregelen nodig die samen met de bebouwde omgeving, de bodemgesteldheid en overstap naar het ongedraineerd modeleren het tot een zeer uitdagend project maken.

Initiatief

In de aanbestedingsfase van het dijkversterkingsproject Gorinchem-Waardenburg (GoWa) is bij Waalensemble het initiatief ontstaan om op een slimmere, meer efficiëntere manier de ontwerpberekeningen uit te gaan voeren. Dit op basis van de positieve ervaringen uit eerdere projecten van Heijmans (Wilhelminakanaal, Wintrack) waar met name repeterende ontwerpvraagstukken op doeltreffende manier waren geautomatiseerd. Bij deze voorbeelden is ontwerpsoftware (D-Serie, SCIA, Excel) door middel van uitgangspunten en opgestelde rekenregels gekoppeld waardoor een geautomatiseerd proces is ontstaan. Dit principe is door het dijkversterkingsproject Gorinchem-Waardenburg overgenomen, verder uitgewerkt en onder andere door het beschikbaar komen van het VIKTOR-platform verder geprofessionaliseerd. Het Viktor-platform maakt het mogelijk om op een veel makkelijkere manier en met extra functionaliteit ontwerpsoftware te koppelen dan voorheen mogelijk was bij de eerder genoemde projecten van Heijmans. Gedurende het project is de functionaliteit van de dijkontwerptool in verschillende versies uitgebreid met zettingen en faalmechanismen als macrostabiliteit, piping en overslag gelijktijdig per dwarsprofiel te bereken, voor zowel aanbermingen als dijkverleggingen. Een voorbeeld van een geschematiseerd profiel is weergegeven in figuur 1.

Figuur 1: Een voorbeeld van een door Wilma geschematiseerd dwarsprofiel met een kruinverlegging en binnenwaartse aanberming in een D-GeoStability berekening.

Het eerste ontwikkelmotief komt voort uit de vraag om de ontwerper te ondersteunen bij het behalen van een hogere kwaliteit van de stabiliteitsberekeningen. De toepassing van het ongedraineerde CSSM-model vergt een schematisering met grensspanningen en een verloop van de effectieve spanning door veranderde waterstanden en eerdere belastingen. Binnen de functionaliteit van de toenmalige beschikbare D‑GeoStability versie 18, vroeg dit om een vergaande opdeling van de grondlagen met aanvullende spanningsberekeningen door de ontwerper. De eerste versie van Wilma is ontwikkeld om een accurate berekening van de spanningen te bewerkstelligen en een efficiënte methode te ontwikkelen om deze resultaten op te nemen in het D-GeoStability model.

Na een succesvolle toepassing van de eerste versie is vrijwel direct de tweede ontwikkeling gestart. De functionaliteit is hierbij uitgebreid tot het centraal beheren van de in- en uitvoer van de verschillende ontwerp­software. Dit is in lijn met de BIM-methodiek voor het borgen van de kwaliteit en het versiebeheer. In een ontwerpanalyse zijn de geotechnische eigenschappen per grondlaag en de afgeleide parameters die middels een rekenmethodiek worden bepaald, altijd afkomstig van Wilma en onafhankelijk van andere ontwerpberekeningen. Het oude en het nieuwe processchema waarbij de ontwerptool centraal staat, is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2: Traditioneel ontwerpproces versus nieuw ontwerpproces met Wilma.

Vanuit deze centrale positie stelt Wilma de invoerbestanden samen en stuurt deze door naar de bestaande ontwerpsoftware, zoals de D-serie of Plaxis. De resultaten uit de ontwerpsoftware worden vervolgens weer via de tool verzameld en gepresenteerd. Door het automatiseren van de gegevens­stroom in het ontwerpproces, is de inspanning voor de ontwerper verschoven van het opstellen van rekenbestanden naar het toezien op de kwaliteitsborging van de berekeningen en het beoordelen van de resultaten.

Ontwerpmethodiek

De grootste winst wordt echter gehaald uit een andere ontwerpmethodiek. De traditionele ontwerp­methode is gebaseerd op de handmatige invoer van dwarsprofielen door een adviseur waardoor er gedwongen door de planning keuzes moeten worden gemaakt hoeveel dwarsprofielen kunnen worden berekend. Bij een complex project als deze dijkversterking betekent dit al snel dat grote vereenvoudigingen nodig zijn om binnen tijd en geld een ontwerp te kunnen realiseren. Eén berekening die maatgevend wordt gesteld voor honderden meters dijk is gebruikelijk. Het ontwerp wordt hierdoor over gedimensioneerd wat in principe vanuit veiligheid niet verkeerd is maar wel leidt tot zware maat­regelen die de omgeving raken en daarmee vanuit stakeholders niet altijd gewenst zijn.

Een nieuwe geautomatiseerde manier van rekenen betekent dat het mogelijk wordt een zeer groot aantal dwarsprofielen door te rekenen, in plaats van één maatgevend profiel. In theorie kan per dijkstrek waar de een andere situatie ontstaat, een dwarsprofiel berekend worden met eventuele varianten. Dit is schematisch weergegeven in figuur 3, waarbij ieder blok een nieuwe situatie weergeeft.

Figuur 3 De schematische keuze voor een maatgevend profiel (rood), dan wel meerdere representatieve profielen (geel).

De mogelijkheid om een groot aantal profielen te kunnen ontwerpen levert de volgende voordelen op:

  1. De adviseur heeft aanzienlijk minder tijd nodig om dwarsprofielen door te rekenen waardoor er meer tijd ontstaat voor het interpreteren en analyseren van resultaten en een vertaling naar het ontwerp. Dit leidt tot een grote efficiency.
  2. Er ontstaat de mogelijkheid om op een eenvoudige manier gevoeligheidsanalyses uit te voeren met allerlei uitgangspunten waardoor een beter inzicht wordt verkregen welke parameter het berekeningsresultaat beïnvloedt. Dit maakt het mogelijk snel gericht aanvullend onderzoek te kunnen doen.
  3. De berekeningen zijn zeer snel aangepast en uitgevoerd. Daar waar in het traditionele ontwerp­proces veranderingen grote gevolgen kunnen hebben voor de raakvlakken van het ontwerp, is dat door alle connecties opgebouwd in Wilma geen probleem meer. Aanpassingen in het ontwerp of uitgangspunten kunnen nu direct voor het gehele tracé worden nagerekend.

Dit alles resulteert in een kwalitatief beter ontwerp waarbij op basis van de berekeningsresultaten vrijheid ontstaat in het kiezen van een ontwerpoplossing. Het vooraf trechteren van de uitgangs­gegevens om tot een maatgevend profiel samen te stellen is dus niet meer nodig, omdat het maken van de afweging omvangrijker is dan het ontwerpen van een extra profiel. Daarbij komt dat het denkwerk voor de afweging van de verschillende mogelijk maatgevende aspecten behouden blijft in het resultaat van een aanvullend ontwerpprofiel. In figuur 4 is dit schetsmatig als voorbeeld weergegeven waarbij de dijkvakken het product zijn van een maatgevend dwarsprofielen en de witte lijn een mogelijk ontwerpprofiel voorstelt dat zoals is te verwachten meer de aangetroffen bodemopbouw volgt. Omdat het ontwerpprofiel van de witte lijn daadwerkelijk is berekend is het mogelijk een meer gemiddeld ontwerpprofiel te kiezen dat landschappelijk beter past. De robuustheid van het ontwerp is op dat moment bekend.

Figuur 4: De opdeling in dijkvakken met een schematische weergave van de ontwerpopgave.

Een bijkomend positief effect is dat het uitvoeren van aanvullend bodemonderzoek nu loont omdat het makkelijker kan worden verwerkt in het opgebouwde ondergrondmodel. Bij de traditionele ontwerpmethode is aanvullend bodemonderzoek vaak bedoeld als risicobeperking om het ondergrondmodel te verifiëren. Dit voordeel blijft, echter bij de ontwerpmethode met Wilma wordt het aanvullende onderzoek direct meegenomen in de berekeningen en wordt het ontwerp aangepast.

Kwaliteitsborging

De kwaliteitsborging van de ontwerpberekeningen is formeel niet in Wilma opgenomen. De rol van de tool is het samenstellen en opstarten van de berekeningen en het verwerken van de resultaten. Deze ontwerpberekeningen worden altijd met de originele (en dus gevalideerde) ontwerpsoftware uitgevoerd. Een stabiliteitsberekening wordt bijvoorbeeld in D-GeoStability uitgevoerd, waarna de bestanden ook beschikbaar zijn, zodanig dat het er op lijkt dat een collega de berekeningen heeft aangeleverd. Iedere berekening wordt apart opgeleverd vanuit de tool en handmatig gecontroleerd door de ontwerper. Deze werkstroom van de rekenbestanden maakt het ook mogelijk om het ontwerp op te leveren en in te zien zonder over Wilma te beschikken.

De kwaliteitsborging van de ontwerpberekeningen is bewust bij de ontwerper blijven liggen. De ontwerptool maakt het echter wel eenvoudiger voor de ontwerper om de controles uit te voeren. Ten eerste omdat het proces van schematiseren, berekenen en controleren vrijwel aaneengesloten is omdat de doorlooptijd van een ontwerpberekening nihil is. Daarnaast kan Wilma overzichten samen­stellen op de benodigde controlepunten. Hierbij kunnen alle voor het ontwerp belangrijke uitgangspunten en relaties worden gecontroleerd omdat de resultaten centraal zijn opgeslagen en voor iedereen beschikbaar zijn.

Een voorbeeld van een eenvoudige controle is een grafische weergave van de spanningen in de bodemlagen of de toekenning van de stijghoogte aan bodemlagen. Een dergelijk controlescherm is weergegeven in figuur 5. Bij ieder zwart gemarkeerd punt in het ontwerpprofiel zijn de berekende waarden gepresenteerd. De toegepaste rekenwaarden zijn in een oogopslag te controleren omdat de uitgangspunten en rekenregels consequent en eenduidig zijn toegepast door Wilma op basis van het vooraf gedefinieerde protocol. Er zijn geen kwaliteitsverschillen door het opstellen van dwarsprofielen door meerdere adviseurs.

Figuur 5: Een controle scherm in Wilma bij de bepaling van de grensspanningen.

Voor een goede verificatie van de werkprocessen van Wilma zijn bij de ontwikkeling van de tool verschillende testen ingebouwd met het Viktor-platform. Hiermee wordt op de achtergrond gecontroleerd of de routines die Wilma uitvoert, altijd verlopen conform de geotechnische specificatie. Deze testen bestaan grofweg uit drie categorieën:

  • Vuistregels, hierbij worden de evidente ontwerpregels gecontroleerd. Doordat Wilma standaard­regels toepast kunnen tegenstijdigheden ontstaan, waardoor de schematiserings­stappen conform de ‘ontwerpregels’ juist zijn maar de schematisering als geheel geotechnisch onjuist is. Een voorbeeld van een dergelijke test is het aflopen van de stijghoogte naar het achterland.
  • Reële modeleringen met volledig uitgewerkte schematiseringen van berekeningen en koppelingen. Bij het doorlopen van deze testen moeten de routines steeds dezelfde resultaten geven.
  • Edgecases met uitzonderlijke gevallen om de routines van het schematiseren te testen. Bij deze testen worden vanuit geotechnisch- en waterbouwkundig oogpunt onrealistische situaties voorgelegd. Hiermee wordt geborgd dat de routines en vuistregels robuust zijn en nieuwe uitzonderingen opgemerkt worden.

Door continu te testen met zowel reële modeleringen die verwacht worden binnen het project, als met edgecases wordt het gedrag van de tool voorspelbaar, zodat de kwaliteitscontrole zich richt op uitzonderingen. Deze uitzonderingen vormen vervolgens weer een aanvulling op de ontwerp­routines. Bij het stelselmatig uitwerken van deze uitzonderingen in een ontwerpregel ontstaat een beter onderbouwde ontwerpmethodiek en wordt het percentage met uitzonderlijke gevallen verder teruggedrongen. Deze doorgaande ontwikkeling van de ontwerptool met het invoegen van uitzonderlijke gevallen heeft ertoe geleid dat de ontwerpcapaciteit kwadratisch is toegenomen. Deze toename is gebaseerd op het verschil tussen het aantal ontwerpprofielen per adviseur in de verkenningsfase en de planuitwerkings­fase.

Conclusie

Door het toepassen van de functionaliteit van het VIKTOR-platform is het mogelijk gebleken een uitgebreide geautomatiseerd rekentool voor dijkversterkingen te ontwikkelen, genaamd Wilma. Het ontwikkelen en toepassen van de tool is op het project mogelijk gebleken ondanks de grote tijdsdruk op het project. De toepassing van de tool heeft direct meerdere voordelen opgeleverd op het project op het gebied van automatisering van taken tot goed databeheer. Het geotechnische ontwerpproces is nu voor ongeveer 80% geautomatiseerd in Wilma. Maar naast het directe rendement in productie is de ontwerpvrijheid om meer te kunnen onderzoeken en de snelheid van werken een goede bijkomstigheid.

Op dit moment wordt de tool verder ontwikkeld voor meer geotechnische functionaliteiten en toepassingen in het gehele ontwerpproces. De mogelijke toekomstige uitbreiding van de functionaliteit van de tool kan worden gezocht in het uitbreiden van de tool op het vlak van rekenen in the cloud maar ook op het toevoegen van IoT data uit sensortechnologie in dijken. Beide lijken voor nu ver weg, maar gaan vroeg of laat de civiele wereld verrijken.

Follow us on LinkedIn

More To Explore

Customer cases

DMC: “Create more insights for the customer at Xbloc”

Delta Marine Consultants (a subsidiary of the organisation BAM) has developed a special concrete breakwater element called Xbloc. These concrete blocks are placed on a breakwater to protect them. DMC has developed tools to determine the layout of the Xblocs on the breakwater. However, these layouts are unique for every case.

Customer cases

WTOP: “An algorithm makes designing noise barriers much faster”

Everyone probably recognises the noise barriers found along (rail) roads. At WTOP infrastructure, they specialise in the design and engineering of noise barriers along roads and railways. In 2014, WTOP infra switched to designing and drawing in 3D. It became increasingly clear how important it is, especially for more complex projects, to deliver complete 3D designs as soon as possible so that they can be incorporated into BIM.

Do you want to boost your business?

Drop us a line and keep in touch