29 jun 2020

Gepubliceerd in Het Financieele Dagblad / auteur: Arend Clahsen

In het ontwerp van het nieuwe Feyenoordstadion berekende de computer voor elk stoeltje een optimaal zicht op het veld. Parametrisch ontwerpen heet dat. En wat in Rotterdam kan, kan elders in de bouw ook. Het FD sprak erover met onze domeinexpert parametrisch ontwerpen Gijs Joosen en met Janko Arts, hoofd adviesgroep Design & Engineering.

In het kort

  • Het nieuwe stadion van Feyenoord, waar later dit jaar een beslissing over valt, is parametrisch ontworpen
  • Bij deze techniek worden met behulp van data, computerkracht en algoritmes veel meer ontwerpopties automatisch doorgerekend
  • Dit levert tijdwinst op en er zijn minder kansen om fouten te maken
  • De efficiëntiewinst biedt niet alleen voordeel bij complexe bouwprojecten, maar kan ook renderen bij infrastructuur-, vastgoed- en allerlei andere projecten

 

Geen Nederlandse voetbalclub die zo met het eigen stadion verbonden is als Feyenoord. Zeg Feyenoord en je zegt De Kuip. Wie in die voetsporen wil treden, moet van goede huize komen, beseften de architecten van OMA bij hun ontwerp voor het nieuwe stadion. De werktitel was dan ook The Perfect Bowl: een stadion met vanaf ieder stoeltje een perfecte zichtlijn. En dat laatste is gelukt, mede dankzij algoritmes en parametrisch ontwerpen; een techniek die het fundament is onder een volgende ontwerprevolutie in de architectuur en de bouw.

Grof gezegd komt parametrisch ontwerpen erop neer dat als er iets aan het ontwerp wijzigt, met behulp van algoritmes automatisch ook allerlei onderliggende en aanverwante informatie opnieuw wordt berekend en ververst. Verander bij het nieuwe stadion de afstand van tribune tot het veld, en de computer berekent opnieuw de positionering van de stoeltjes en de helling van de tribune. Ook wordt direct zichtbaar wat het effect is op de dakconstructie, en hoeveel meer of minder staal nodig is.

190 meter

“Volgens richtlijnen van de Uefa en de KNVB mag geen enkel deel van het veld verder dan 190 meter verwijderd zijn van een zitplaats.”

Flexibiliteit

'De kern zit hem er in dat je niet iedere keer eenmalig alle ontwerpstappen doorloopt', zegt architect Gijs Joosen, domeinexpert parametrisch ontwerpen bij advies- en ingenieursbureau Royal HaskoningDHV. Joosen verzorgde het parametrisch ontwerpproces in nauwe samenwerking met OMA. 'Vroeger had je tweedimensionale bouwtekeningen, daarna kwam het 3D-modelleren waarbij een bouwwerk uit blokken wordt opgebouwd. Bij parametrisch ontwerpen maak je in plaats van dat statische model een vorm die bestaat uit lijnen x, y en z. Verander een van de getallen in x, y of z en de rest verandert mee. Je bouwt flexibiliteit in het ontwerp.'

Die flexibiliteit is volgens Joosen geen overbodige luxe bij een complex ontwerp als dat van het nieuwe stadion, dat in 2025 geopend kan worden als later dit jaar financiële dekking is gevonden voor de investering van circa €440 mln. Joosen: 'Een stadion moet aan flink wat eisen voldoen van de voetbalbonden Uefa en de KNVB. Geen enkel deel van het veld mag verder dan 190 meter verwijderd zijn van een zitplaats. En er zijn strenge eisen aan de zichtlijn van de stoeltjes.'

Zo moet rekening worden gehouden met de horizontale afstand van iedere plaats tot de rand van veld, met de diepte van de zitrij, met de hoogte van de zitrij en met de verticale afstand tussen de ooghoogte van de toeschouwer en het veld. Is de zichtlijn onvoldoende of de afstand tot het verste deel van het veld te groot, dan telt de plaats niet mee in de stadioncapaciteit bij de toewijzing van officiële wedstrijden zoals een Champions League-finale of wedstrijden tijdens een EK Voetbal.


Artist’s impression van Het Nieuwe Stadion. Credits: OMA/LOLA.

Monnikenwerk

Normaal is het al monnikenwerk om bij iedere ontwerpwijziging dit soort zaken opnieuw langs te lopen, zelfs bij een 'Brits' stadion met rechte tribunes langs het veld. Bij het ovale ontwerp van het nieuwe stadion is het meer dan monnikenwerk. Door de gebogen ovale vorm heeft ieder stoeltje een eigen zichtlijn en afstand tot het veld.

De rekenkracht van de computer is dus meer dan welkom. Omdat voor ieder stoeltje bekend is aan welke eisen het moet voldoen, is daar een rekenmodule voor te schrijven in ontwerpprogramma's als Grasshopper of Autodesk Dynamo, legt Joosen uit. Dit zogenoemde script rekent en wijzigt op de achtergrond mee als in het ontwerp een aanpassing wordt doorgevoerd. En zo is het hele stadionontwerp aan een digitaal veld van scripts verbonden. Of het nou gaat om de staalconstructie van de opbouw en het dak, de omgangen met de voorzieningen of de tribunes en de hoogtes van de traptreden. Alles rekent op de achtergrond mee.

'Het grote voordeel is dat je sneller kan rekenen en aanzienlijk meer ontwerpopties kan doorlopen en tot veel betere keuzes komt', zegt Joosen. Met een digitale hittekaart laat hij zien hoe dat uitpakt bij de stoeltjes. In het huidige ontwerp zijn alle stoeltjes donkergroen. Perfecte zichtlijnen dus op iedere plek, ook in de bovenste ring in de ronde hoeken. Maar bij een bepaalde verandering is er direct een ongewenste uitkomst: flink wat stoeltjes kleuren lichtgroen of geel. Niet doen dus.

“De werktitel was The Perfect Bowl: een volmaakte zichtlijn voor elk stoeltje in het stadion”

Onderbuikgevoel

Volgens Janko Arts, hoofd adviesgroep Design & Engineering bij Royal HaskoningDHV, leveren dit soort dingen een enorme winst op in het ontwerpoverleg voor klanten. 'Je haalt het onderbuikgevoel weg uit discussies. Je kan vrijwel direct laten zien waarom iets wel of niet werkt, zoals bij de stoeltjes. Of dat een bepaalde constructieve oplossing mogelijk is, maar dat er dan meer materiaal nodig is en de bouwkosten zullen toenemen. Zo kom je tot beter beredeneerde keuzes waarin veel meer mogelijkheden de revue hebben kunnen passeren.'

Parametrisch ontwerpen leent zich niet per se alleen voor complexe bouwprojecten, vertelt Joosen. Het levert ook meerwaarde bij types projecten waar herhaling in zit, bijvoorbeeld bij datacentra. 'Van buiten zien die er anders uit, maar in essentie zijn ze precies hetzelfde. De white space met servers is maatwerk, maar vrijwel alles er omheen is repetitie en te automatiseren. Voor de installatietechniek, de constructieve berekeningen of de aanpalende kantoorruimte kun je scripts schrijven die opnieuw te gebruiken zijn. Zo maak je de omslag van project- naar productdenken.'

Breder front

Vanwege dat voordeel wordt parametrisch ontwerpen dan ook al over een breder front toegepast. Arts: 'Dat gaat bij ons van het ontwerp van golfbrekers tot dijkversterkingen, bruggen, tunnels tot gebouwen als stadions en alles er tussen in.' Bij het versterken van de Waaldijk tussen Gorinchem en Waardenburg is het ontwerp parametrisch opgezet. 'Zo konden we de ontwerpen sneller in 3D visualiseren, wat weer hielp in het participatie- en communicatietraject met alle betrokkenen.'

'Wat we met parametrisch ontwerpen kunnen, wordt steeds uitgebreider en omvangrijker', bevestigt Jurjen Haitsma, programmamanager Digital bij Arcadis, Nederlands grootste advies- en ingenieursbureau. Naast vorm en stabiliteit worden ook tijd en kosten als parameters gebruikt. Bij Arcadis groeit het aandeel parametrisch ontwerpen van de infrastructurele projecten (wegen, bruggen, tunnels, dijken) richting de 50% schat hij in.

Haitsma: 'Bijvoorbeeld bij bruggen kun je een aantal parameters opgeven zoals de verkeersklasse, de breedte, de overspanning en nog een aantal zaken. Dan kan de computer meerdere ontwerpen genereren. Als besloten wordt om de brug slechts met een overspanning uit te voeren - zodat die in een weekend over een snelweg te monteren is - genereert de computer diverse scenario's voor de constructie. De opdrachtgever kan dan een betere afweging maken tussen kosten en hinder.'

Parametrisch ontwerp wordt bij Arcadis in alle drie de divisies gebruikt: zowel bij Infrastructuur, Water en Milieu en Gebouwen. Een toepassing die Haitsma aanhaalt is bijvoorbeeld bij de haalbaarheidsonderzoeken van appartementencomplexen. 'Bij een hoogbouwproject kun je de techniek gebruiken om rekening te houden met de hoeveelheid daglicht. Zo kan de positionering van het gebouw, de verdeling en indeling van de appartementen geoptimaliseerd worden.' Niet onbelangrijk aangezien appartementen met een balkon op het zuiden meer waard zijn dan met een balkon op het noorden. 'Je kan binnen de opgegeven ruimte in korte tijd meerdere ontwerpen maken van het maximale aantal appartementen met zon, afgezet tegen de uitvoerbaarheid.' Lees: de bouwkosten.

"De grote uitdagingen in de bouw- en vastgoedsector maken hulp van data en AI onontbeerlijk”

Optimale synergie

Joosen - 'achter het scherm opgegroeid en tijdens mijn studie alleen met computers bezig geweest, soms tot irritatie van mijn hoogleraren' - deelt zijn kennis met collega-architecten. Voor de BNA, de Branchevereniging Nederlandse Architectenbureaus, geeft Joosen regelmatig de masterclass parametrisch ontwerpen, samen met architect Pim van Wylick. Net als Joosen is Van Wylick al jaren in de ban van digitale innovatie. Als eind-twintiger was hij verantwoordelijk voor het ontwerp van de buitenzijde van het Vogelnest, het olympisch stadion in Peking. Zonder parametrisch ontwerpen was het opengewerkte uiterlijk van dat stadion niet mogelijk geweest.Een aantal jaren geleden richtte Van Wylick het bedrijf Planalogic op vanuit de overtuiging dat nieuwe ontwerpmethodes een grote efficiëntieslag op bij project- en gebiedsontwikkeling kunnen bieden. Het digitale platform van Planalogic kijkt niet alleen naar het ideale constructief ontwerp, maar neemt ook het gebruik van grondstoffen, energieverbruik en -opwekking, kosten en bijvoorbeeld privacy mee. Met andere woorden: hoe bereik je als ontwikkelaar op al die terreinen de optimale synergie tussen die terreinen?

“De manier waarop wij nog hebben leren werken hoort bij een wereld die aan het verdwijnen is. Alles is arbeidsintensief en duur heel lang.”

Generatief ontwerpen

Bij Planalogic hoeft de ontwerper de parameters niet iedere keer zelf te veranderen, de computer gaat binnen bepaalde grenzen zelf aan de slag met algoritmes en kunstmatige intelligentie en genereert per project miljoenen ontwerpoplossingen. Bij dit generatief ontwerpen kan de opdrachtgever vervolgens de beste of de geschiktste opties kiezen. 'Bij de projecten die we tot nu toe hebben gedaan is een efficiëntieslag van 10% tot 20% behaald', aldus Hugo Jager, partner bij Planalogic. Het kan gaan om projecten van tientallen woningen tot binnenstedelijke locaties met hoogbouw, mixed-use en duizend tot 1500 woningen. Voor het digitale platform maakt het niet uit.

Volgens Van Wylick zijn de uitdagingen voor de bouw- en vastgoedsector groot en is de hulp van data en kunstmatige intelligentie onontbeerlijk. 'Er is een enorm woningtekort en de sector heeft grote klimaatimpact. Van de CO2-uitstoot is 36% afkomstig uit de gebouwde omgeving. Van de Sustainable Development Goals van de Verenigde Naties zijn er acht direct of indirect van toepassing op vastgoed, en ze hebben allemaal onderlinge relaties. Ga energiezuiniger bouwen en aan de andere kant van de tafel valt er iets af. Of het wordt minder betaalbaar.' Een computer kan die optimale balans wel vinden waar een mens dat niet lukt, wil hij maar zeggen.

'De manier waarop wij nog hebben leren werken is perfect voor een wereld die aan het verdwijnen is', zegt Van Wylick. Hij wijst op het doorsnee ontwikkeltraject. Daarbij wordt een architect ingehuurd, moet een gemeente zijn zegen geven, wordt het ontwerp uitgewerkt, blijken de bouwkosten te hoog, moet het ontwerp opnieuw gewijzigd worden, wordt definitief akkoord gegeven en dan pas kan de bouwer er verder mee aan de slag. 'Het is arbeidsintensief en duurt daardoor heel lang. Die twee bij elkaar maken het kostbaar en dan heb je pas een of enkele varianten. Wij doen het slimmer. Bij generatief ontwerpen genereren we met vrij weinig arbeid, in een korte doorlooptijd miljoenen resultaten op basis waarvan de opdrachtgever een afweging kan maken.'

Volgens Jager en Van Wylick kan een traject dat normaal vier maanden duurt, worden verkort tot een week of vier, vijf. En er zijn letterlijk meer opties. 'Bij een woningbouwproject bleek dat bij een ontwerpvariant voor slechts €16.000 aan extra bouwkosten het aantal vierkante meters toenam van 186 m2 naar 222 m2. Dat is geen gangbare oppervlakte, maar tegen die relatief lage bouwkosten is er wel een uniek en aantrekkelijk product dat aangeboden geworden.'

Bouwpakket

En zo rekent het programma meer zaken door. Hoeveel woningen er op een ontwikkelingslocatie passen, hoe er op de daken voldoende zonnepanelen geplaatst kunnen worden, of de bewoners niet te veel in elkaars achtertuin kijken en hoe de ramen zo geplaatst kunnen worden dat er amper energie verloren gaat. Of zoals laatst bij een project is doorgerekend: of de wijk zo energiezuinig is en zoveel energie opwerkt en opslaat dat deze helemaal zelfvoorzienend wordt. Jager: 'De wijk kan off the grid worden gebouwd, zonder aansluiting op het net.'

Joosen verwacht dat de efficiëntie in de keten ook op andere vlakken omhoog kan. 'Nu wordt een ontwerp door de bouwer omgezet naar BIM (het 3D-model waar Joosen eerder over sprak, red.) en gaan inkopers en calculatoren op zoek naar het passende materiaal voor de juiste prijs. Maar bij een parametrisch ontwerp kun je ook rechtstreeks een koppeling maken met de staalbouwer die de staalbuizen voor bijvoorbeeld het stadion op maat snijdt. Het enige wat hij nodig heeft is een excelsheet met nummers. Die nummers kun je als een soort bouwpakket gebruiken bij de montage op de bouwplaats. Een groot deel van het tekenwerk kun je automatiseren. In negen van de tien gevallen kun je straks gewoon een datapakketje doorsturen.'

Lees het artikel op de site van FD.

Auteursrecht is voorbehouden aan Het Financieele Dagblad.