Slimmer ontwerpen door digitalisering bij de Rottemerentunnel

Binnen project A16 Rotterdam zit de bouw van de Rottemerentunnel als deelproject besloten. De tunnel bevindt zich in de verbindingsboog die gerealiseerd wordt tussen de A16 en de A13. De engineering van de tunnel is in handen van BESIX. Vanuit het voorlopig ontwerp zag het engineeringteam van BESIX de noodzaak voor flexibiliteit. Dien ten gevolge koos BESIX voor het parametrisch ontwerpen van de tunnel. Vernieuwend en helemaal van deze tijd. Tevens wordt binnen het project A16 Rotterdam met behulp van een digital twin, ‘TWIN16’, een digitale ambitie neergezet waarbij Virtual Reality en simulatie actief ingezet worden om risico’s te mitigeren. We zijn in gesprek met BESIX medewerkers André de Groen, TWIN16 coördinator, Kenneth Wyns, ontwerpmanager en Kelvin Roovers, computational designer, allen werkzaam binnen het bouwconsortium De Groene Boog van het project A16 Rotterdam.

André vertelt: “Al in 2017 dachten we na over hoe we op digitale wijze de risico’s konden mitigeren bij de Rottemerentunnel. Waar ga ik een digitaal middel inzetten, was de vraag. Het project brengt heel veel info in verschillende verschijningsvormen met zich mee. Hoe combineren we dat? Het idee ontstond om het 3D-model om te zetten naar een virtueel model. Door partijen in het begin van het ontwerptraject te betrekken, zoals bijvoorbeeld de brandweer, konden we de wegverkeersleiding laten zien hoe scenario’s verlopen. In de landelijke tunnelstandaard is al voorzien hoe je stakeholders moet benaderen, dat doen we nu nog vroeger visueel in het ontwerpproces. Dankzij deze nieuwe middelen gaan we heel anders met elkaar om. In het hele ontwerpproces kom je meerdere fases tegen, met ieder zijn eigen stakeholders. Er moet autonome logica komen voor 51 installaties, we hebben op basis hiervan het 3D-model slim gemaakt met het toevoegen van het gedrag van deze 51 installaties. Deze slimme wereld hebben we gekoppeld aan de software van het bedien- en besturingssysteem dat door Croonwolter&dros is ontworpen.   

De software voor de 51 installaties is door lead engineers geschreven en om alles te testen is er een totale IFAT-opstelling gemaakt. De simulatie is zeer representatief voor de werkelijkheid, alles draait volgens de juiste protocollen. Er is ook een virtuele FAT test gedaan, dus niet alleen bij leveranciers van de installaties, maar de simulatie is ook nog eens virtueel gevalideerd.”

Kenneth: “In de ontwerpfase is er een verkeersveiligheidsaudit gedaan, met beelden uit het virtueel model als ondersteuning voor de wegbeeldanalyse. Zo konden we aantonen dat het stopzicht op alle plekken in de tunnel voldeed op ooghoogte van wagen- en vrachtwagenbestuurders, en konden we inzichtelijk maken dat de bewegwijzering die bevestigd wordt tegen het tunneldak van voldoende afstand volledig zichtbaar was voor veilig rijgedrag in de tunnel.” André: “Voor de digital twin van de tunnel hebben we samengewerkt met Infranea en Soltegro. Wij verwachten dat het gebruik maken van een digital twin een standaard werkwijze in de toekomst wordt. De nieuwe werkwijze heeft invloed op de mindset van alle betrokkenen, je moet je er wel voor openstellen. Een digital twin moet de samenwerking bevorderen, die meerwaarde kun je alleen bereiken als de digital twin in het hart van het proces geplaatst is. We zijn goed gestart met de TWIN-16, de digital twin van de Rottemerentunnel. De uitdaging was om de benodigde informatie uit het ontwerpproces op tijd beschikbaar te hebben om het digitale middel succesvol en tijdig toe te passen.”

“Specifieke projectomstandigheden vroegen om flexibiliteit in het ontwerpproces”, schetst Kenneth. “Niet alle grondonderzoek kon vooraf gedaan worden, door maatregelen die nog genomen moesten worden, zoals het dempen van een plas en het rooien van bomen. Bovendien wisten we dat gedetailleerde informatie van de producten van leveranciers, bv. vluchtdeuren, pas laat beschikbaar zou komen, na inkoop van deze producten. Juist het feit dat er veel herhaling zit in het bouwen van de tunnelmoten, maakte parametrisch ontwerpen zo interessant.”

Wat houdt parametrisch ontwerpen in? Kelvin legt uit: “Bij parametrisch ontwerpen worden de ontwerpprocessen ontleed tot algoritmes, die op basis van parametrische data en relaties tussen diverse onderdelen de gewenste digitale producten produceren op een hoogst gestandaardiseerde en geautomatiseerde wijze. Een typisch product is een parametrisch 3D model dat zich snel en eenvoudig aanpast wanneer de initiële parameters wijzigen. Het voordeel van parametrisch ontwerpen is dat als er ergens iets wijzigt, de wijziging ook op andere locaties wordt doorgevoerd. Dat spaart een boel ingenieursuren uit. Zo kun je een ontwerpproces sneller doorlopen en ontstaat er ruimte voor het testen van alternatieve scenario’s. Experts hoeven zich niet meer bezig te houden met het opnieuw invoeren van alle data bij nieuwe inzichten, maar hebben door het parametrisch proces de handen vrij voor andere zaken. Parametrisch ontwerpen voorkomt ook fouten die ontstaan doordat mensen data moeten invoeren. Met parametrisch ontwerpen kun je anticiperen op veranderingen die een project bijna altijd als verrassing met zich meebrengt. Juist bij werkzaamheden die repeteren, zoals bij de Rottemerentunnel, is parametrisch ontwerpen bijzonder zinvol.” Kelvin heeft vanuit BESIX de verschillende ontwerpfases ondersteund. Deze zoektocht naar het optimaliseren van digitale ontwerpprocessen werd steeds aangemoedigd en ondersteund door het hele ontwerpteam van De Groene Boog. 

“Gezien de 89 moten die de tunnel rijk is, is er veel repetitie. Maar… niet alles is 100% hetzelfde en per moot kunnen er andere randvoorwaarden gelden. Daarom hebben we vanaf het beginstadium parametrisch ontwerpen toegepast, omdat nog niet alles vastlag in het ontwerp. Om de benodigde flexibiliteit en nauwkeurigheid te bekomen van het BIM-model was het van belang om zelf scripts op te stellen. Deze scripts lieten ons toe om, met behulp van parametrische bouwstenen, alle structurele elementen en overige repetitieve delen in het tunnelmodel automatisch te produceren. Dankzij diezelfde scripts waren we nadien ook in staat om wijzigingen en alternatieven snel te implementeren en in 3D te checken.”

Kelvin noemt de paalfunderingen als voorbeeld voor de meerwaarde van deze werkwijze: “Er zijn duizenden palen in het model geplaatst via logica. De posities, types en lengtes zijn dikwijls gewijzigd op basis van gegevens over de ondergrond, die pas later bekend werden. Met parametrisch ontwerpen voorkom je dat je per moot individueel onderzoek moet doen.” Kenneth vult aan: “Vanwege de snelle inzichten vanuit de parametrische scripts konden we ook potentiële clashes voorspellen in de ondergrond zonder dat het ontwerp al definitief was. Zo krijg je zo vroeg en zo breed mogelijk de raakvlakken inzichtelijk en kun je als engineer beter inspelen op variabelen.” Kelvin: “Automatisatie bevordert ook de standaardisatie. Dankzij het gebruik van scripts voor het opstellen van het model, konden we meteen ook eenvoudig de correcte codes en overige standaard informatie (bijvoorbeeld benodigd voor de TWIN16) opslaan in alle tunnelelementen. Deze manier van werken hebben we in een volgende fase ook doorgetrokken om de vormtekeningen van de betonstructuur in een grotendeels geautomatiseerde en gestandaardiseerde manier te produceren.”

Kenneth merkt op dat voor BESIX dit de eerste keer is dat parametrisch ontwerpen op zo’n schaal binnen een project wordt toegepast. Kelvin reageert daarop: “Voor mij als computational designer is deze manier van werken een vanzelfsprekendheid, maar het is wel een uitdaging om iedereen mee te krijgen in dit verhaal. Het vraagt namelijk een andere mindset: men moet toekomstige wijzigingen anticiperen en ontwerpprocessen volledig uitkienen tot een logisch stappenplan dat door een “domme” computer correct kan uitgevoerd worden, ongeacht de randvoorwaarden en uitzonderingen die zich kunnen voordoen. Een goed doordacht algoritme is essentieel om de kwaliteit van de resultaten te kunnen waarborgen.” Kenneth: “In die zin is het echt change management. Soms ben je meer psycholoog dan ingenieur. We zien dat mensen met het grootste belang in het ontwerpproces de nieuwe werkwijze als eerste omarmen.”

BESIX neemt de rol van pionier graag op zich en heeft er ook de juiste mensen voor aan boord. Tot slot zegt Kenneth: “We leren mensen nu om deze nieuwe tools voor eigen expertise in te zetten. Naast de praktische rol die BESIX in een ontwerptraject heeft, willen we maatschappelijk gezien ook een bijdrage doen door onze kennis over parametrisch ontwerpen te delen. Het is een toekomstbestendige werkwijze die nog op veel meer vlakken zijn waarde gaat brengen dan waarvoor we hem nu gebruikt hebben.”