Entwurf und Optimierung komplexer Tragsysteme im konstruktiven Hochbau mit Genetischen Algorithmen und Fuzzy-Methoden
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein innovativer Ansatz zur Unterstützung von Entwurf und Optimierung von Tragsystemen des Stahlbeton-Hochbaus entwickelt. Der Ansatz verknüpft die Methoden der Genetischen Programmierung (GP), der Fuzzy-Logik und wissensbasierter Systeme. Der Einsatz eines GP-basierten Algorithmus ermöglicht die Evolution von heterogenen Lösungskandidaten. Hierdurch können auch Entwurfsentscheidungen in die Optimierung einbezogen werden, die die Komplexität der Tragstruktur beeinflussen, z.B. die Anzahl der Stockwerksgruppen oder die Anzahl der Aussteifungssysteme. Im Rahmen der Evaluation konnten so äußerst unkonventionelle Optima identifiziert werden. Die Umsetzung des entwickelten Ansatzes als wissensbasiertes System ermöglicht die Einbindung von Erfahrungswissen in den Entwurfs- und Optimierungsprozess. Der Einsatz funktionaler Fuzzy-Regelbasen zur direkten Ermittlung von Entwurfsparametern und die Einschränkung des Suchraums mittels logischer Fuzzy-Regelbasen führt zu einer erheblichen Reduzierung der Problemgröße. Der in diesem Forschungsprojekt entwickelte Ansatz für die Optimierung von komplexen Systemen ist von allgemeiner Art. Durch die transparente Anbindung von Simulationssystemen und die wissensbasierte Interpretation der Simulationsergebnisse ist das entwickelte System als Plattform für eine kooperative Optimierung von Bauwerken geeignet. Eine derartige, ganzheitliche Optimierung könnte zu einer erheblichen Reduzierung von Konflikten in späteren Planungsphasen führen. Hierdurch könnte der Planungsprozess beschleunigt werden und gleichzeitig eine Minimierung konfliktbedingter, kosten intensiver Konstruktionsänderungen erreicht werden. Es wird vorgeschlagen, die Möglichkeiten der kooperativen Optimierung im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsvorhabens zu ergründen. Bei den Forschungsarbeiten hat sich unter Anderem herausgestellt, dass die grundsätzliche Methode auch auf artverwandte Problemstellungen der kontinuierlichen Bauwerksüberwachung angewandt werden kann. Sowohl der optimale Entwurf von Tragsystemen des Stahlbeton- Hochbaus als auch modellbasierte Ansätze des Bauwerksmonitorings repräsentieren Optimierungsprobleme, die bezüglich ihrer Zielfunktionen Gemeinsamkeiten aufweisen. In zukünftigen Arbeiten sollten die entwickelten grundsätzlichen Methoden der evolutionären Optimierungsverfahren auf das Themengebiet des modellbasierten Bauwerksmonitorings übertragen werden. In der Praxis werden verstärkt dreidimensionale FE-Modelle zur Berechnung von Tragwerken eingesetzt. Problematisch ist hierbei der hohe Aufwand für die Interpretation (Nachweisführung, Berücksichtigung von konstruktiven Anforderungen etc.), sowie die Dokumentation der Ergebnisse. Der erarbeitete Ansatz für die wissensbasierte Anbindung von Simulationssystemen an die Entwurfskomponente, einschließlich der wissensbasierten Nachweisführung, könnte zu einer deutlichen Effizienzsteigerung bei der Nachbearbeitung von Simulationsergebnissen führen.
Publications
- Freischlad, M,, Albert, A,, Pullmann, T., Lubasch, P., Schnellenbach-Held, M.: Genetic Programming Based Fuzzy System Design for Knowledge Representation in Structural Engineering. In: Schnellenbach-Held, M. und Hartmann, M. (editors), Next Generation - Intelligent Systems in Engineering, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 4, Nr.199, 2004.
- Freischlad, M., Schnellenbach-Held, M., Pullmann, T.: Evolutionary Generation oflmplicative Fuzzy Rules for Design Knowledge Representation. In: Intelligent Computing in Engineering and Architecture (Ed.: Smith, I. F.C.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, pp. 222-229.
- Freischlad, M., Schnellenbach-Held, M.: A machine learning approach for the support of preliminary structural design, Advanced Engineering Informatics 19(4): 281-287, 2005.
- Freischlad, M.; Pullmann, T., Schnellenbach-Held, M., Albert, A.: Acquisition of Conceptual Design Knowledge in Structural Engineering. In Beucke, Firmenich, Donath, Fruchter, Roddis (editors), Proceedings of the Xth ICCCBE, Weimar, 2004.
- Freischlad, M.; Schnellenbach-Held, M.: Multi-Objective Genetic Programming Based Design of Fuzzy Systems. In: Lucio Soibelman and Feniosky Pena-Mora (editors), Proceedings of the 2005 ASCE International Conference on Computing in Civil Engineering, Cancun, Mexico, 2005.
- Pullmann, T.; Schnellenbach-Held, M.; Lubasch, P.: GPCore - A generic framework for genetic programming. In: Bringing ITC Knowledge to Work (Ed.: Rebolj, D.), Proceedings of GIB 24th W78 Conference & EG-ICE Workshop, Maribor, 2007.
