Optimierung von Tragstrukturen im Hochbau unter Einsatz evolutionärer Strategien

Evolutionäre Optimierung im konstruktiven Hochbau

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines geschlossenen Ansatzes für den Entwurf innovativer, optimierter Tragsysteme. Der Ansatz soll gleichermaßen den Forderungen nach effizienten, transparenten und praxisorientierten Computersystemen genügen. Hierzu werden Genetische Algorithmen für die globale Optimierung von Tragwerken entwickelt und in ein wissensbasiertes System integriert. Die unscharfe Definition von Merkmalsausprägungen der Tragwerkselemente mit Methoden der Fuzzy Logic sowie die Verwendung von Erfahrungswissen für den Entwurf von Teiltragsystemen ermöglicht eine Reduzierung der Komplexität sowie eine transparente, natürlich¬sprachliche Benutzerinteraktion.

Die erarbeiteten Konzepte wurden beispielhaft für den Entwurf der Aussteifungssysteme von Hochhauskonstruktionen umgesetzt. Der Wunsch nach wirtschaft¬lichen, flexibel nutzbaren Bauwerken in Verbindung mit einem ständig wachsenden Termindruck in der Planungsphase erfordert eine konsequente, computerbasierte Unter¬stützung des entwerfenden Ingenieurs bei dieser Aufgabe. Die entwickelten Methoden ermöglichen eine erhebliche Reduzierung des Arbeits- und Zeitaufwands des Planungsprozesses im Vergleich zu der heutigen Arbeitsweise. Sie stellen darüber hinaus die Erschließung neuartiger, unkonventioneller und innovativer Tragwerkskonzepte in Aussicht.

Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
 

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.

Das Forschungsthema wird den folgenden Profilschwerpunkten der Fakultät für Ingenieurwissenschaften zugeordnet:

Smart Engineering    

Resource Engineering     

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.