In industriële bouwconcepten worden doorgaans nieuwe constructies en materialen toegepast om sneller en schoner te kunnen bouwen. Maar hoe zorg je ervoor dat een project uiteindelijk aan alle eisen van de opdrachtgever voldoet? Multi-criteria ontwerpoptimalisatie kan die kans aanzienlijk vergroten, verwacht Siska Valcke van TNO. Samen met collega’s en consortiumpartners onderzoekt ze deze ontwerpmethode in een vooruitstrevend 2D prefab stapelbouwconcept dat biobased en betonnen elementen combineert. 

“Wat we veel zien bij industriële conceptbouwers, is dat hun bouwmethode op het eerste gezicht niet vanzelfsprekend matcht met de vraagstelling vanuit de opdrachtgever.” Aan het woord is Siska Valcke, Senior Scientist Integrator Building Materials bij TNO. “Door gebrek aan inzicht in kosten en baten van nieuwe concepten bij de vragende partijen, kan een duurzaam concept aanvankelijk duurder of onzekerder lijken en wordt alsnog voor een traditionele bouwmethode gekozen. En dat is jammer.
Met onze parametrische ontwerpmethode hopen we de opdrachtgever aan de vraagkant meer inzicht te geven, om op voorhand duidelijk te maken dat het concept aansluit op de eisen.”

Daarnaast kunnen ontwerpende partijen deze aanpak gebruiken om de concepten te optimaliseren, zodat ze zo goed mogelijk aansluiten bij de vraagstelling. Om er alvast waardevolle praktijkervaringen mee op te doen, wordt de ontwerpmethode verder ontwikkeld en getest in een uitdagend project binnen de programmalijn Prefab van Schoon en Emissieloos Bouwen.

Beste van twee werelden

De innovatieve projectpartners BTE, Faay, Heidelberg materials, Van Herpen, Treetek en VBI werken met TNO samen aan de optimalisatie van stapelbouw met 2D biobased en betonnen elementen. Liefst acht emissie-verlagende innovaties van de deelnemers worden geïntegreerd in een totaalconcept voor stapelbouw.

Siska Valcke: “Wij hebben voor dit project ingezet op industriële stapelbouw met 2D-prefabelementen waarbij we eigenlijk het beste van twee werelden willen samenbrengen, namelijk beton- én biobased constructie. We willen prefab-elementen gezamenlijk optimaliseren voor stapelbouw. Belangrijk is dat die elementen zo licht mogelijk zijn – in het kader van emissieloos bouwen en transport – maar tegelijkertijd moeten ze voldoen aan meerdere doelen of criteria: veiligheid, lage emissies over de hele levenscyclus, brandwerendheid, akoestiek en kosten. We kunnen wel heel erg focussen op bouwplaatsemissies, maar als je vervolgens geen rekening houdt met al die doelen, dan sla je alsnog de plank mis.”

Hybride voor hoogbouw

Duurzame hoogbouw is een complexe puzzel, weet Valcke. “Vanaf zo’n tien verdiepingen geldt: hoe hoger je bouwt, hoe groter de impact per vierkante meter. Er zijn voorbeelden van houten hoogbouw, maar er is extra materiaal per vierkante meter nodig om aan constructieve, energetische, brand- en akoestische eisen te voldoen. Beton kan op bepaalde plekken juist efficiënter zijn. Per kilo is het misschien duurder en minder duurzaam, maar functioneel bekeken kan het soms gunstiger uitpakken. Daarom zijn we richting hybride-bouw gegaan. Nu zie je vaak nog aparte ‘scholen’ voor de draagconstructie: volledig beton, volledig hout of volledig staal. Terwijl het er uiteindelijk vooral om gaat hoe je samen tot draagvermogen komt. Voor ingenieurs is het werken met twee materialen geen klassieke aanpak. We brengen twee bloedgroepen samen, en dat gaat nog niet vanzelf.”

Duizenden ontwerpvarianten

TNO heeft inmiddels enkele jaren ervaring met multi-criteria optimalisatie. De methode wordt steeds verder doorontwikkeld voor verschillende toepassingen, zoals het optimaliseren van bruggen op basis van hergebruikte liggers.

“Het doel binnen dit SEB-project is om met een parametrisch model die verschillende gebouwcomponenten bevat, zowel beton als biobased, gelijktijdig te optimaliseren voor meerdere criteria. Dat doen we door het gebouw te parametriseren. Met de partners werken we aan een 2D-stapelbouwconcept met een betonnen fundering, kanaalplaatvloeren, CLT-wanden of vloeren, biobased gevels en compleet afgewerkte binnenwanden, inclusief vlasisolatie. We kijken dus niet alleen naar de constructie, maar naar het complete gebouw, inclusief alle materialen en afwerkingen. De verschillende combinatiemogelijkheden en elementtypes zetten we om in ontwerpvariabelen, die we als draaiknoppen in het parametrisch model opnemen. Aan die draaiknoppen koppelen we de doelstellingen. Vervolgens ga je het ontwerp optimaliseren met behulp van een algoritme, dat duizenden varianten genereert waarvoor telkens inzichtelijk is, hoe je scoort op de verschillende doelen. Met deze methode maken we het engineeringproces een stuk transparanter en kan er gezamenlijk worden afgewogen op de doelen.”

Nieuwe verbanden ontdekken

De ontwerpmethode levert nieuwe, vaak verrassende inzichten op merkt Valcke. “In die duizenden resultaten ga je relaties ontdekken tussen die verschillende doelen. Zo kan het zijn dat, door een constructie iets zwaarder te maken, het ontwerp onder aan de streep toch duurzamer wordt. Doordat je zoveel varianten genereert, zie je alle mogelijkheden en leg je nieuwe verbanden bloot die je intuïtief niet zou veronderstellen. Milieu en kosten blijken dan ineens niet altijd op gespannen voet te staan. Dat ontdek je pas als je de volledige oplossingsruimte overziet. Terwijl in een klassiek ontwerpproces de selecties soms al snel vooraf worden vastgezet op basis van één doel of criterium. Het stimuleert dus om je blik te verruimen en alle opties open te houden voor een optimaal resultaat.”

De uitdaging die Valcke ziet, is dat we die draaiknoppen wel moeten beperken, we kunnen niet oneindig parametriseren. Daarbij springen we soms heen weer tussen detailniveaus om het effect van een bepaalde innovatie goed te overzien.”

Van onderzoeksmethode naar tekentafel

Hoe moet deze multi-criteria-aanpak van ontwerpoptimalisatie uiteindelijk zijn weg naar de bouw vinden?

“In dit project gebruiken we deze manier van ontwerpen vooral als onderzoeksmethode om te laten zien wat er allemaal mogelijk is. Als we daarmee bewustwording creëren, is ons eerste doel bereikt.

In een nieuw Emissieloos Bouwen-project, ‘Team Modulair: optimalisatie en opschaling lichtgewicht modules voor hoogbouw’, willen we deze aanpak ook toepassen om 3D-modules voor hoogbouw te optimaliseren. Daarbij werken we ook samen met softwareontwikkelaars, aannemers en architecten. We willen deze technologie blijven inzetten als onderzoeksmethode voor het optimaliseren van innovaties. Maar daarnaast willen we in dit soort projecten verkennen of deze aanpak marktpartijen en opdrachtgevers ook regulier kan ondersteunen voor het afwegen van complexe keuzes tijdens het ontwerpproces.”

Efficiënter en flexibeler ontwerpproces

Volgens Valcke moet multi-criteria optimalisatie er uiteindelijk aan bijdragen dat we efficiënter en flexibeler gaan bouwen. “In het begin kan zo’n aanpak wat vertragend werken, omdat je het ontwerpprobleem in kaart moet brengen en parametriseren. Maar uiteindelijk win je tijd door op voorhand zoveel mogelijk informatie mee te wegen en ingrijpende aanpassingen achteraf te voorkomen. Bijvoorbeeld omdat op het laatste moment blijkt dat een product innovatie toch niet kan worden toegepast in die bepaalde projectcontext. Ook wordt het besluitvormingsproces transparanter. Onze aanpak genereert op voorhand verschillende opties met inzicht in de doelen, waardoor stakeholders hun blik zullen verruimen. Ze zullen nieuwe mogelijkheden verkennen en minder star vasthouden aan een bepaald doel of criterium.

En minstens zo belangrijk: je blijft wendbaar. Elk jaar verschuiven prioriteiten in de bouw en soms botsen eisen met elkaar. Door deze aanpak hou je aan de voorkant de flexibiliteit om mee te bewegen.”