De impact van Parametrisch Ontwerp op de Geotechniek

Vijf jaar geleden kwam ik voor het eerst in aanraking met geotechniek, voor een project om het ontwerpproces van hoogspanningsmastfundaties (Wintrack) te automatiseren. Met een achtergrond in de lucht- en ruimtevaart zijn dit vakgebieden die (letterlijk) ver uit elkaar liggen. Eerlijk gezegd was ik er ook vrij arrogant over: hoe ingewikkeld kan het zijn om betonnen fundatie te ontwerpen? Een vliegtuig laten vliegen, dat is echt complex. De afgelopen vijf jaar heb ik veel geleerd over geotechniek, door betrokken te zijn bij tal van projecten vanuit een parametrisch ontwerp perspectief. Hierdoor is die mening flink veranderd en is mijn liefde voor de geotechniek gegroeid.

Learn how to accelerate your digital transformation and start making a difference in the construction and engineering industry

Wat maakt die geotechniek dan zo interessant en uitdagend?

  • Alles is uniek, nergens is de bodemopbouw precies hetzelfde
  • Het gedrag van grond is niet-lineair en heterogeen: daarmee arbeidsintensief om goed te modelleren
  • Onvoorspelbaarheid: je weet nooit precies wat zich onder de grond bevindt en wat de eigenschappen zijn. Je komt er tijdens het bouwproces vaak pas echt achter hoe de grond zich gedraagt.

Door deze omstandigheden is het niet voor niks dat de grootste risico’s bij bouwprojecten vaak te maken hebben met geotechniek. Ook lijken dit niet de ideale omstandigheden voor geautomatiseerd/parametrisch ontwerp. Alles is anders dus weinig repetitie. Of misschien juist wel?

In dit artikel zal ik uitleggen waarom ik er in geloof dat juist door deze eigenschappen er ontzettend veel te halen valt met behulp van digitalisering. In dit artikel bespreek ik:

  1. Het probeem: wijzigingen
  2. Wat is parametrisch ontwerp?
  3. Hoe pas je dit toe in de geotechniek?
  4. Wat is de impact van dit soort tools?
  5. Is er nog wel ruimte voor menselijke interpratie?
  6. Hoe zorg je ervoor dat je dit kunt inzetten op projecten?
  7. Wat is jouw bijdrage?

Het probleem: wijzigingen

Een van de grote uitdagingen tijdens projecten is dat er gaandeweg wijzigingen ontstaan. Hoe groter het project, hoe groter de impact hiervan. De wijziging kan onstaan door externe factoren, bijvoorbeeld vanuit de klant of door aanvullend grondonderzoek. Maar vaak ontstaan er ook simpelweg veranderingen omdat een ontwerpproces niet lineair, maar parallel verloopt. Allerlei verschillende disciplines vergaren meer informatie, waardoor de beoogde oplossing niet meer werkt, of dat er een kans wordt gevonden voor een betere oplossing.

Om dit risico te mitigeren wordt vaak de strategie gekozen om zo vroeg mogelijk zo veel mogelijk vast te leggen. Er wordt heel hard geprobeerd om ervoor te zorgen dat er geen wijzigingen optreden. “First time right” is een populaire uitspraak. Maar is dit echt mogelijk? Is voortschrijdend inzicht niet inherent aan een complex ontwerpproces? En laten we niet een hoop kansen voor optimalisatie liggen als we te vroeg in een proces veel vastleggen?

Ik geloof erin dat je het juist moet omdraaien: zorg ervoor dat je je processen inricht dat je juist om kunt gaan met wijzigingen. Ga ervan uit dat de klant nog 20 keer met een wijziging komt, het grondonderzoek toch anders uitpakt of dat er gaandeweg ideeën onstaan om tot een optimaler ontwerp te komen. Hier komt parametrisch ontwerp om de hoek kijken.

Wat is parametrisch ontwerp?

Bij parametrisch ontwerp wordt snel gedacht aan het parametrisch opstellen van een geometrisch model. Je kunt een bijvoorbeeld een balk definiëren op basis van drie parameters: lengte, breedte en hoogte. Voor complexere constructies kun je dit doen met meer parameters. Naast geometrische parameters, komen er nog een hoop andere parameters kijken bij een ontwerp. Denk aan grondparameters, belastingen, eisen en randvoorwaarden.

Door het parametrisch opstellen van een model zorg je ervoor dat je bij het wijzigen van een parameter, de impact hiervan direct inzichtelijk is. Dit bereik je door processtappen te automatiseren.

Hoe pas je dit toe in de geotechniek?

Voorbeeld: tijdens een project heeft een geotechnisch adviseur een groot aantal modellen gemaakt om zettingsberekeningen te doen voor verschillende snedes voor een grondlichaam. Gaandeweg blijkt door extra grondonderzoek dat de grondparameters anders zijn dan aangenomen. De geotechnisch adviseur moet nu handmatig alle modellen aanpassen en opnieuw bepalen wat de benodigde ophoging is om te voldoen aan de restzettingseis.

Figuur 1: Traditioneel ontwerpproces

Hoe kan dit verbeterd worden door middel van parametrisch ontwerp? Er is dan één centrale plek waar de grondparameters zijn vastgelegd. De geotechnisch adviseur hoeft nu enkel de parameter aan te passen, waarna de modellen met een druk op de knop geüpdatet kunnen worden. Vervolgens kan automatisch de benodigde ophoging worden bepaald, met behulp van een algoritme dat iteratief meerdere sommen maakt.

Figuur 2: Parametrisch ontwerpproces

Het principe is vrij eenvoudig: centraliseer de input, koppel de verschillende berekeningen en presenteer de resultaten overzichtelijk.

Wat is de impact van dit soort tools?

Met VIKTOR hebben we volgens dit principe al veel applicaties ontwikkeld, bijvoorbeeld voor dijken, paalfunderingen, grondlichamen en damwanden. Deze applicaties hebben inmiddels hun waarde bewezen op allerlei projecten. Vaak worden er hiervoor koppelingen gemaakt met geotechnische software, zoals de D-series of Plaxis.

De belangrijkste resultaten van de tools zijn:

  • Tijdsbesparing bij het “saaie” werk, meer tijd om expertise in te zetten
  • Flexibiliteit bij wijzigingen
  • Reduceren van risico’s, door meer berekeningen, gevoeligheidsanalyses en minder kans op fouten
  • Optimaler ontwerp, omdat er meer iteraties of snedes doorgerekend kunnen worden

Is er nog wel ruimte voor menselijke interpretatie

Vaak merk ik dat geotechnisch adviseurs (net als alle ingenieurs overigens, dit zit blijkbaar in ons bloed) sceptisch zijn over automatisering. Dit is een zeer gezonde en begrijpelijk reactie. Geotechniek is een vakgebied waarin de menselijke interpretatie en ervaring essentieel is: deze kennis stop je niet even in een computer of een algoritme. Bijvoorbeeld het automatisch interpreteren van sonderingen naar een bodemopbouw is erg lastig om in 100% van de gevallen helemaal goed te krijgen. Het zal niet binnen afzienbare tijd mogelijk om een geotechnisch ontwerpproces van A tot Z te automatiseren.

Ik merk vaak dat hierop een idee voor automatisering wordt afgeschoten. Omdat er een paar stappen in het proces niet geautomatiseerd kunnen worden, wordt er niks geautomatiseerd. Dit is zonde: je gaat ook niet helemaal te voet van Rotterdam naar Arnhem, omdat je moet overstappen in Utrecht. Ondanks dat stukje lopen ben je toch 15 keer zo snel in Arnhem, dan zijn die twee stukken met de trein toch mooi meegenomen.

Zo kun je ook naar een ontwerpproces kijken. Waar zit het repetitieve (“saaie”) werk, en waar is de menselijk interpretatie en expertise essentieel? De repetitieve stappen in het proces lenen zich vaak erg goed voor automatisering. Een computer is heel goed in heel snel dom werk uitvoeren. Ondanks dat er uiteindelijk nog bepaalde stappen door de mens uitgevoerd worden, kun je het proces drastisch versnellen.

Wanneer dit soort tools goed ontwikkeld worden, geeft het de adviseur juist méér inzicht, in plaats van dat het een black box wordt. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het uit kunnen voeren van gevoeligheidsanalyses of het kunnen doorrekenen van veel meer snedes. Dan zorgt ook hier de combinatie van mens en computer voor het sterkste team.

Hoe zorg je ervoor dat je dit kunt inzetten op projecten?

Het ontwikkelen van dit soort applicaties kost natuurlijk tijd en geld. Vaak is de ontwikkeltijd beperkt omdat op een project een planning gehaald moet worden. Dit maakt het uitdagend: de ontwikkeling vergt in eerste instantie een investering. Niet alleen van ontwikkelaars, maar juist ook van een specialist die (in een Product Owner rol) sturing moeten geven aan de ontwikkeling. Er is dus extra effort nodig in het begin ten opzichte van het traditionele ontwerpproces. De rol van de geotechnisch adviseur verandert daarnaast ook: je gaat een deel van je tijd ontwikkelen, of samen met een ontwikkelaar aan het werk om tot een goede applicatie te komen. De planning zal ingericht moeten worden op deze procesverandering. De betrokkenheid van de specialist bij de ontwikkeling is ook cruciaal om het black box gevoel weg te nemen: de specialist begrijpt wat er geprogrammeerd is.

Het helpt natuurlijk ook om ervoor te zorgen dat je niet vanaf scratch begint met het ontwikkelen van een applicatie als een project start. Dit kun je doen door buiten projecten om applicaties te ontwikkelen, die inzetbaar zijn op verschillende projecten. Of door bouwblokken te ontwikkelen, die je op een project snel kunt samenstellen of uit kunt breiden.

We hebben gemerkt dat verschillende partijen behoefte hebben aan dezelfde soort applicaties. Vanuit dit oogpunt is het initiatief ontstaan om met verschillende partijen samen tools te ontwikkelen: de eerste applicatie die gezamenlijk ontwikkeld is voor grondlichamen. Op deze manier wordt de investering verdeeld over verschillende partijen en de business case voor automatisering sterker.

Daarnaast hebben wij vanuit VIKTOR het initiatief genomen om een aantal basis tools voor geotechnisch adviseurs te ontwikkelen, onder de noemer GeoTools. De eerste versie is gemaakt op basis van de input van verschillende geotechnisch adviseurs. Met deze applicatie kun je:

  • Sonderingen interpreteren naar een bodemopbouw met verschillende methodes
  • De sonderingen visualiseren op een kaart en in 3D
  • Op een centrale plek de grondparameters definiëren
  • Dwars- en langsprofielen maken op basis van de sonderingen
  • D-Series modellen genereren op basis van de profielen en grondparameters

Er valt uiteraard nog veel meer te zeggen over parametrisch ontwerp binnen de geotechniek. Daarom nemen wij jullie graag verder mee in het onderwerp:

  • Collega Roeland Weigand heeft een blog geschreven over een verbeterd filteralgoritme dat hij ontwikkeld heeft waardoor geotechnisch adviseurs in staat zijn een beter inzicht te krijgen in de feitelijke bodemopbouw
  • Samen met Jacco Haasnoot (CRUX), Ritchie Vink (CEMS, zuster van CRUX) en Rob van Putten (Waternet) heb ik meegewerkt aan een artikel over digitale bouwblokken in de geotechniek. Door domeinkennis toegankelijk te maken en slim te combineren met digitale technologie komen we sneller tot betere resultaten.
  • Kevin van Giessen heeft een blog geschreven over de totstandkoming en werking van de GeoTools applicatie waarover ik hierboven al iets verteld heb.

Deze artikelen zullen de komende weken gepubliceerd worden.

Wij zijn op zoek naar input!

We streven ernaar dat we met de GeoTools een waardevol stuk gereedschap kunnen leveren wat het werk van iedere geotechnisch adviseur makkelijker én leuker maakt. Hiervoor hebben we input nodig vanuit specialisten. Dus mocht je geïnteresseerd zijn in de applicatie, kun je hiervoor direct met mij contact opnemen via een persoonlijk bericht.

Daarnaast ben ik erg benieuwd naar de ervaringen die jullie hebben met parametrisch ontwerp en automatisering binnen de geotechniek. Mocht je feedback, ervaringen of ideeën hebben, graag je reactie onder dit stuk!

Follow us on LinkedIn

More To Explore

Blog

Digital building blocks for geotechnical engineering

The digital transformation is currently leaving no sector untouched. The combination of using data and digital technologies cleverly also offers many opportunities in the Construction and Infrastructure sectors. The benefits seem obvious. Subject-matter specialists no longer have to make manual repetitive calculations or analyses. This saves time and is more efficient, which reduces costs. Automation offers the possibility to not only calculate a greater number of scenarios, but also more quickly, with better quality and fewer risks as a result. At the same time, the digital transformation does not always run smoothly. Developments are taking longer than planned and expected, and adoption is slow. Sometimes it looks like a minefield. But how do you unlock this potential as a sector? A toolbox with digital building blocks that offers usable solutions is already providing geotechnical engineering with the answer to many digital challenges.

Do you want to boost your business?

Drop us a line and keep in touch