Hèrm Hofmeyer

Een optimaal gebouwontwerp dankzij 'het AI-team'

Klimaatverandering, milieuvervuiling en uitputting van grondstoffen dagen ons uit tot het bouwen van betere en slimmere gebouwen. Het ‘AI-team’ kan daarbij een handje helpen. Bouwkundige Hèrm Hofmeyer creëert digitale ‘AI-versies’ van de experts die bij het ontwerpen van een gebouw een rol spelen en laat vervolgens het ontwerpproces virtueel plaatsvinden. Dat leidt inmiddels tot betere ontwerpen dan waar de mens toe in staat is. Een korte introductie in vijf vragen en antwoorden.

 

Wat is je belangrijkste onderzoeksvraag?

Kort gezegd willen wij met ons onderzoek bijdragen tot het ontwerp van betere en slimmere gebouwen. Die hebben we namelijk nodig; met een nog altijd groeiende wereldbevolking neemt de behoefte aan goede woningen en gebouwen alleen maar toe. Daarbij moeten gebouwen energiezuinig zijn, lang meegaan, flexibel inzetbaar zijn, en dat alles met een steeds grotere schaarste aan grondstoffen. Ofwel, we hebben gewoon betere gebouwen nodig.

Al heel lang zien we daarvoor een rol weggelegd voor computers. Zo bestaan er al langer technieken om constructieve onderdelen van een gebouw te optimaliseren. Maar bij het ontwerpen heb je niet alleen met de constructie te maken, maar ook met de architectuur en bijvoorbeeld de bouwfysica, de lichtinval, de verwarming en koeling, het geluid en de mensen- en vervoersstromen in en rond een gebouw. Als je voor al die disciplines het optimale ontwerp laat doorrekenen heb je vervolgens vier tot vijf verschillende ontwerpen die niet matchen.

Huidige studies maken intussen al complexere en mooiere gebouwvormen mogelijk.

Samen met onder meer mijn collega Bauke de Vries, Pieter Pauwels en Michael Emmerich van het LIACS in Leiden, werken we daarom aan de TU/e – als enige in de wereld – aan het inzetten van AI om ook datgene te verbeteren dat het gebouw oplevert: het simuleren van het ontwerpproces. Het proces waarbij alle experts voortdurend met elkaar overleggen om tot een beter ontwerp te komen: ook dat moet je ondersteunen en optimaliseren. AI is bij uitstek een techniek die in staat is om al die informatie te bundelen, en juist díe dingen eruit te halen waarmee een ontwerpteam verder komt.

Wat is de belangrijkste uitdaging in je werk?

Ontwerpen is geen wetenschap of kunst, maar echt een eigen vakgebied. Het is te vergelijken met muziek: op zichzelf geen wetenschap, maar je kunt er wel wetenschappelijk naar kijken. En dat is wat we doen. Omdat bij het ontwerpen van een gebouw zoveel verschillende disciplines van invloed zijn, is het een heel moeilijk te vatten proces.

Dit proces proberen we te simuleren in de computer. Hoe dat werkt? Voor elke discipline ontwikkelen we een stukje software dat zich voordoet als een persoon, een zogeheten AI agent. Gevoed met o.a. patroonherkenning, expertsystemen, rule mining, en neurale netwerken, kan zo'n agent zelfstandig opereren in een ontwerpomgeving.

Je begint bijvoorbeeld met een architect met een ruimtelijk ontwerp, met alleen wat vormen en lijnen. De AI agent voor het constructieve ontwerp gaat hiermee aan de slag en bepaalt waar muren en vloeren komen, en misschien ook balken. Daarna kijkt de agent bouwfysica naar bijvoorbeeld de isolatie, lichtinval en openingen. Deze AI agents gaan vervolgens met elkaar in de computer ‘de strijd aan’. Ze komen met tegenstrijdige ideeën en na even wedijveren komen ze samen tot een compromis en een alternatief ruimtelijk ontwerp.

Vervolgens komt de architect agent weer in beeld en ook die heeft weer zijn eisen, zoals een betere structuur van ruimten, een andere ruimtetijd-beleving, of simpelweg de eis dat de voordeur aan de straatzijde zit. Die gaat daarom ook met de andere disciplines in gesprek om weer tot een beter ontwerp te komen. Deze cyclus vindt, net als in de praktijk, meerdere keren plaats, nu in de computer.

AI-patroonherkenning maakt indelen van zones mogelijk, waarmee AI zorgt voor stabielere structuren.

Op dit moment komen hier al zinnige resultaten uit: constructies zijn realistisch, stabiel, en ze doen dus wat ze moeten doen. AI heeft aantoonbaar tot betere constructies geleid dan waar de mens toe in staat is. En we kunnen sinds kort gebouwvormen behappen die echt architectuur zijn, die architecten aanspreken. Wereldwijd is er geen ander systeem dat dit kan, en het is open source.

Uiteraard blijft het een versimpelde versie van de werkelijkheid. Zo ontbreken ‘zachtere elementen’ als de esthetiek: hoe mooi is een gebouw? Zoiets is moeilijk te vangen in een rekenkundige aanpak. Daarom werken we in onze groep ook mee aan projecten om AI te gebruiken voor creativiteit.

 

Wat zijn de praktische toepassingen van je onderzoek? Hoe komt het de samenleving ten goede?

Nu we het ontwerpproces kunnen simuleren, gaan we experimenten met de volgorde van de disciplines in het proces. Werkt het beter als eerst de architect en de bouwfysicus met elkaar een aantal cycli doorlopen voordat de constructeur erbij komt, of juist andersom? Hiermee kunnen we ontwerpteams in de praktijk adviseren voor een beter uitkomst.

Dat is des te belangrijker nu er steeds vaker bezuinigd wordt op de kosten van het ontwerpproces. Terwijl je soms met een ontwerpproces dat honderdduizend euro meer kost, tot wel een miljoen kunt besparen aan het gebouw zelf. Als wij dus het ontwerpproces beter kunnen maken voor hetzelfde geld, win je snel veel aan de productkant.

Een andere interessante toepassing is om de simulaties parallel mee te laten lopen met de praktijk, en om de ontwerpen met elkaar te vergelijken. Dan wordt het systeem een assistent, een design support system. Dankzij AI krijgt dit nieuwe glans, want de systemen worden steeds beter. Vonden architecten in de jaren 80 de gesimuleerde ontwerpen nog helemaal niks, nu kunnen we gebouwvormen opleveren die echt architectuur zijn en die mensen aanspreken.

 

Hoe zie je de ontwikkeling van AI in de toekomst?

Lang geleden hoorde ik nog wel eens van het idee dat je met computers een heleboel taken van mensen kunt vervangen, maar inmiddels lijkt me dat achterhaald. AI werkt op hardware en software die door mensen zijn gemaakt en bedacht. Het wil er daarom bij mij niet in dat AI-systemen zichzelf kunnen overstijgen en zo slim worden dat ze zichzelf zouden maken of ontwerpen. AI is fantastisch en biedt geweldig veel mogelijkheden, maar altijd onder de voorwaarden die de mens eraan geeft.

 

Waarom zou iedere AI-onderzoeker aan de TU/e willen werken?

Wat ik heel mooi vind is de wil om samen te werken binnen de TU/e. Niet alleen wordt dat van bovenaf gestimuleerd, ook van onderaf ontstaan voortdurend kruisbestuivingen tussen verschillende disciplines. Zo ben ikzelf bijvoorbeeld – op aanraden van mijn begeleider destijds – tijdens mijn studie Bouwkunde vakken gaan volgen bij Wiskunde & Informatica. Daarnaast is vorig jaar het AI-instituut EAISI opgericht binnen de TU/e waardoor het AI-onderzoek echt een boost heeft gekregen.

Hèrm Hofmeyer (1972) is universitair hoofddocent in de leerstoel Applied Mechanics aan de faculteit Built Environment. Hij studeerde in 1994 af aan de TU/e, op ‘Konstruktief ontwerpen met behulp van computerprogrammatuur’, met de AI taal Prolog. De onderzoekslijn die hij daarbij opstartte volgt hij nu, bijna 30 jaar later, nog steeds.

Hofmeyer was de eerste onderzoeker aan de TU/e die AI en kennissystemen betrok bij het constructief ontwerpen, dus al vanaf de jaren 90. De onderzoekslijn, tegenwoordig samen met het LIACS in Leiden, heeft al vijf promovendi opgeleverd.

Barry van der Meer
(Head of Department)

Meer kunstmatige intelligentie