Genetische Optimierung von Tragstrukturen

Die Planung von Bauwerken erfordert neben der Optimierung der Tragstruktur auch die Einbeziehung weiterer Fachdisziplinen. Die dabei zu berücksichtigenden Randbedingungen beinhalten z. B. bauliche Gegebenheiten, behördliche und gesetzliche Vorgaben, Anforderungen, Möglichkeiten und Wünsche des Auftraggebers sowie das Bestreben nach Optimierung der qualitativen, ästhetischen und insbesondere der wirtschaftlichen Gestaltung des Bauwerkes. Weiterhin sind dabei auch Gesichtspunkte der Nachhaltigkeit, mögliche Nutzungsänderungen, Umweltverträglichkeit, Optimierung des Energiebedarfs und wirtschaftliche Rückbau- und Verwertungsmöglichkeiten in die Planung mit einzubeziehen. Die Vereinbarung all dieser Aspekte stellt für die beteiligten Fachplaner eine sehr komplexe Aufgabe dar.

Im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsprojektes wurde ein softwaretechnisches Konzept entwickelt, um den Fachplaner bei der Planung und Optimierung von komplexen Tragstrukturen zu unterstützen. Wesentliches Ziel war hierbei, dem Fachplaner möglichst weitgehende Flexibilität bei der Anpassung an die gegebene Problemstellung sowie bei den Optimierungszielen zu bieten. Dies umfasst die Definition von Randbedingungen, Festlegung von Freiheitsgraden und Optimierungsvariablen sowie Steuerung derer Interpretation, Steuerung der Simulation und vollständige Kontrolle und Erweiterbarkeit der Zielfunktionen. Als Kernkomponente kommt hierbei ein Evolutionärer Algorithmus zum Einsatz. Die strukturierte Repräsentation der zu optimierenden Tragwerke (Genotypen der Individuen) erfolgt mittels Genetischer Programmierung. Die Ermittlung der Fitness (Güte) der Individuen erfolgt anhand einer oder mehrerer Bewertungsfunktionen.

Die entwickelten Modelle und Konzepte wurden in mehreren Software-Applikationen prototypisch implementiert. Die Hauptanwendung beinhaltet Komponenten zur Visualisierung und Optimierung von Tragstrukturen. Zwei weitere Anwendungen dienen der Erstellung und Pflege von Wissensbanken sowie der für den Optimierungsprozess notwendigen Bildungsvorschrift. Die Optimierungs-Plattform bietet weiterhin Funktionalitäten zur Verteilung der Rechenlast auf mehrere Rechner über das Internet. Eine wesentliche Eigenschaft der entwickelten Softwareplattform ist die inhaltliche Entkopplung der Optimierungs-, Modellierungs- und Bewertungsverfahren von deren softwaretechnischen Implementierung. Im Gegensatz zu Systemen mit hart codierter Programmlogik wurde eine Anpassbarkeit sämtlicher Stufen des Optimierungsprozesses erreicht, wodurch die Softwareplattform über ein breitgefächertes Einsatzspektrum verfügt.

Literatur

Schnellenbach-Held, M., Pullmann, T.: Genetische Optimierung von Tragstrukturen. Bauingenieur, Band 86, September 2011, S. 390-399.

Schnellenbach-Held, M., Pullmann, T.: Ontologies for Optimization of Structural Models. In: Proceedings of the 11th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality (CONVR), Weimar, Germany, 2011.