Algoritmit vertailevat hetkessä satoja vaihtoehtoja – Optimaalinen ratkaisu löytyy laskennallisella suunnittelulla

Algoritmeja hyödyntävän laskennallisen suunnittelun avulla optimaalinen suunnitteluratkaisu löytyy satojen tai jopa tuhansien vaihtoehtojen joukosta – niin aurinkopaneelien kuin maalämpökaivojen sijoitteluun kuin taloteknisten verkostojen mitoitukseen. Dynaamiset mallit helpottavat muutossuunnittelua myös eri suunnittelualojen kesken ja vähentävät virheitä.

Tietokoneiden laskentatehoa hyödyntävät algoritmit voivat löytää asiakkaille eniten arvoa tuottavat suunnitteluratkaisut. Kuvassa laskennallisen suunnittelun asiantuntija Atte Harrikari ja talotekniikan kestävän kehityksen päällikkö Ossi Kaihua Rambollista. Kuva: Sampsa Heilä

Kun taloteknisessä suunnittelussa on tehty energiasimuloinnit ja sijoitettu lvi-laitteet paikoilleen, voidaan algoritmisen suunnittelun avulla määrittää, mistä putkireittien täytyy mennä, ja kuinka paljon tehoa mistäkin kohdasta kulkee. Dynaamisesti muokkautuvia malleja hyödyntämällä voidaan automatisoida putkiston mitoitus. Tällaisen esimerkin laskennallisen suunnittelun hyödyntämisestä kertoo talotekniikan kestävän kehityksen päällikkö Ossi Kaihua Ramboll Finland Oy:stä.

Laskennallisen suunnittelun asiantuntija Atte Harrikari Rambollista uskoo, että algoritmeja hyödyntävä dynaaminen laskennallinen suunnittelu yleistyy voimakkaasti lähitulevaisuudessa sen tarjoamien hyötyjen vuoksi.

– Laskennallinen suunnittelu säästää aikaa ja kustannuksia muutossuunnittelussa ja vähentää virheitä nostaen siten suunnittelun laatua. Tietokoneiden laskentatehoa hyödyntävät algoritmit voivat laskea satoja tai jopa tuhansia vaihtoehtoja ja löytää siten asiakkaille eniten arvoa tuottavat suunnitteluratkaisut, Harrikari sanoo.

Laskennallinen suunnittelu on suora käännös englannin kielen computional designista ja tarkoittaa täsmälleen samaa. 

Ramboll on kehittänyt laskennallisen suunnittelun työkaluja alun perin rakennesuunnittelijan ja arkkitehdin yhteistyön tehostamiseen niin, että rakennesuunnittelija voi vertailla jo arkkitehdin varhaisista suunnitteluvaihtoehdoista erilaisten runkoratkaisujen kustannusvaikutuksia ja hiilijalanjälkeä.

– Aiemmin rakennesuunnittelijan piti suunnittelukokouksen jälkeen mennä toimistolle tekemään vertailulaskelmia arkkitehdin suunnitelmien pohjalta. Nyt eri vaihtoehtoja voidaan vertailla jo samassa suunnittelukokouksessa dynaamisen laskentamallin avulla. Se tehostaa koko suunnitteluprosessia, Harrikari sanoo.

Kaihua korostaa, että dynaamista laskentaa voidaan hyödyntää kaikilla suunnittelualoilla. Se tehostaa ja nopeuttaa myös eri suunnittelijoiden yhteistyötä ja auttaa näkemään yhdellä suunnittelualalla tehdyn valinnan vaikutuksia muihin suunnittelualoihin.

– Esimerkiksi taloteknisen suunnittelijan eri reittivaihtoehtojen aiheuttamien kantavien rakenteiden reikäpyyntöjen vaikutuksia rakennesuunnitteluun voi helposti vertailla dynaamisella laskentamallilla, Kaihua sanoo.

Varhaisella vertailulla hyötyjä tilaajalle

Talotekniikkasuunnittelija voi antaa arkkitehdille ja tilaajalle jo varhaisessa suunnitteluvaiheessa arvokasta tietoa eri massoitteluvaihtoehtojen sekä ikkunoiden koon ja sijoittelun vaikutuksesta rakennuksen lämmitys- ja jäähdytysenergian kulutukseen ja tätä kautta keskeisiin elinkaarikustannuksiin ja ratkaisujen hiilijalanjälkeen. Kun dynaamiseen malliin yhdistetään myös rakennesuunnittelun tiedot kussakin vaihtoehdossa tarvittavista materiaaleista ja vaipan alasta, voidaan vertailla jo hanke- ja luonnossuunnitteluvaiheessa erilaisten vaihtoehtojen rakennus- ja elinkaarikustannuksia sekä hiilijalanjälkeä.

– Rakennuksen eteläpäätyyn ylimpään kerrokseen suunniteltu korkea lasiseinäinen neuvottelutila saattaa vaikuttaa luonnoksessa todella kivalta. Jos talotekniikkasuunnittelija pystyy kuitenkin dynaamisen laskentamallin avulla simuloimaan, että tähän pieneen huoneeseen tulee seitsemän kilowattia jäähdytystehoa ja kertoo että siellä hiukset heiluvat konvektorin pyöriessä, niin päätöksiä voidaan tehdä laajemman tiedon pohjalta. Keskustelu yhdessä suunnittelijoiden ja tilaajan kanssa mahdollistaa sen, että tiloille valitaan järkeviä käyttötarkoituksia ja optimaalisia sijainteja toiminnallisuuden lisäksi myös kokonaistaloudellisuuden ja ympäristön näkökulmasta, Kaihua sanoo.

Laskennallisella analyysilla voidaan laskea automaattisesti satojen vaihtoehtojen joukosta katolle sijoitettavien aurinkopaneelien optimaalinen määrä, sijainti ja suuntaus halutun lämpö- tai sähkötehon saavuttamiseksi eri aikoina. Kuvat: Ramboll

Jos arkkitehti ehdottaa suunnitteluvaiheessa esimerkiksi teknisiä tiloja sijoitettavaksi tai siirrettäväksi tiettyyn paikkaan rakennuksessa, saattaa talotekniikkasuunnittelija perinteisellä toimintavalla todeta muutaman päivän tai viikon kuluttua, että ratkaisu vaatii pitkät runkokanavat hankalaan paikkaan ja alakattokorkeutta on laskettava pitkältä matkalta.

– Jos arkkitehdin ehdottama teknisten tilojen sijainti ei ole käytännössä mahdollinen vaihtoehto, niin erilaisten ratkaisujen vertailu voidaan tehdä laskennallisella analyysilla nopeasti ja päästä järkevään suunnitteluratkaisuun, Kaihua sanoo.

Ramboll on kehittämässä parhaillaan algoritmeja sprinklereiden optimaaliselle sijoittelulle. Laskenta huomioi esimerkiksi SFS-standardien sprinklereitä koskevat vaatimukset sprinklereiden etäisyyksistä toisistaan ja ympäröivistä seinistä erityyppisissä tiloissa.

Laskennallisella analyysilla voidaan laskea automaattisesti esimerkiksi maalämpökaivojen ihanteellinen sijainti tai katolle sijoitettavien aurinkopaneelien optimaalinen määrä, sijainti ja suuntaus halutun lämpö- tai sähkötehon saavuttamiseksi eri aikoina. Väsymättömät algoritmit käyvät hetkessä läpi tuhansia vaihtoehtoja ja löytävät niiden joukosta parhaat suunnitteluratkaisut. Perinteisellä laskennalla jo muutaman vaihtoehdon vertailu on työlästä ja aikaavievää. 

– Kun rakennuskustannusten rinnalla on huomioitava yhä paremmin myös elinkaarikustannukset ja hiilijalanjälki sekä vaikutukset luonnon monimuotoisuuteen ja kierrätettävyys, on parhaiden vaihtoehtojen löytäminen ja lukuisten erilaisten muuttujien huomioiminen jo hanke- ja luonnossuunnittelusta lähtien perinteisillä menetelmillä käytännössä mahdotonta. Järkevään päätöksentekoon tarvitaan valtava määrä dataa, mutta jos sitä ei osata käsitellä, saatetaan tehdä päätöksiä sillä periaatteella, että näin on tehty ennenkin, Harrikari sanoo.

Algoritmeilla enemmän lisäarvoa suunnittelusta

Esimerkiksi lämmitysverkoston lämpötilatason määrittäminen kuulostaa yksinkertaiselta kysymykseltä, mutta ei käytännössä ole sitä.

– Esimerkiksi maalämpökohteessa hyötysuhde paranee, kun pudotetaan lämpötilatasoa. Suurempi pudotus edellyttää myös selvästi suurempia lämmityspattereita. Tällöin materiaalia kuluu enemmän, ja investointikustannus on suurempi. Jos meillä on tavallisesti vuodessa noin viikon päivät hyvin kovia pakkasia, niin kannattaako meidän yhden viikon takia sijoittaa pattereiden kokoon tuhansia euroja ylimääräistä ja lisätä sitoutunutta hiiltä? Vai osoittaako vaihtoehtojen laskennallinen analyysi sittenkin, että meidän kannattaa valita pienemmät patterit ja vähän korkeampi verkostolämpötila ja hyväksyä jonkin verran heikentynyt hyötysuhde, Kaihua sanoo.

Laskennallinen suunnittelu on suora käännös englannin kielen computional designista ja tarkoittaa täsmälleen samaa.

– Laskennallinen suunnittelu on vakiintunut käyttöön. Se on jonkin verran laajempi käsite kuin algoritminen suunnittelu, joka keskittyy nimenomaan tiettyjen sääntöjen ja ohjeiden eli algoritmien hyödyntämiseen suunnittelussa. Laskennallinen suunnittelu -termi sisältää myös muita laskennallisia kokonaisuuksia kuten simulaatioita, optimointia ja datan analysointia, Harrikari sanoo.

Laskennalliseen suunnitteluun löytyy internetin kautta paljon myös kaikille kiinnostuneille avointa aineistoa ja opetusta.

– Laskennallinen suunnittelu, simuloinnit ja tekoälyn kehitys etenevät hyvin nopealla vauhdilla. Uskon, että tulevaisuudessa kun digitalisaatiota hyödynnetään laajasti rakennusalalla, puhutaan vain suunnittelusta, Kaihua sanoo.

Ramboll on kansainvälinen konserni, jossa järjestetään sisäistä koulutusta laskennallisesta suunnittelusta ja siihen kehitetään ja jaetaan sovelluksia monipuolisesti myös verkon välityksellä eri maiden kesken.

Harrikari ja Kaihua ovat itse olleet kiinnostuneita perehtymään monipuolisesti laskennalliseen suunnitteluun.

– Laskennalliseen suunnitteluun löytyy internetin kautta paljon myös kaikille kiinnostuneille avointa aineistoa ja opetusta. Jokaisen ei tarvitse olla laskennallisen suunnittelun asiantuntija, mutta kaikissa yrityksissä on tärkeää, että laskennallisen suunnittelun osaajia ja ohjelmisto-osaajia on riittävästi, ja heiltä voi kysyä apua ja neuvoja dynaamisen laskennan hyödyntämiseen, Harrikari sanoo.

– Laskennallinen suunnittelu ja algoritmit eivät tule korvaamaan suunnittelijoita, vaaan se tekee suunnittelijoista parempia ja aikaa jää paremmin asiantuntijatyöhön, hän päättää.

Laskennallisen suunnittelun soveltamismahdollisuuksia:

–       Sprinklereiden optimaalinen sijoittelu

–       Putkireittien vaihtoehtoistarkastelu

–       Kylmäputkien teho- ja painehäviölaskenta

–       Kuilumitoitukset

–       Manuaalisesti tehtävien luetteloiden automatisointi

–     Komponenteille tilatieto, missä sijaitsevat

Lue myös:

Allianssi on omiaan suuriin sairaalahankkeisiin – Avaintekijöinä luottamus, yhteistyö ja innovatiivisuus
Kohti luonnollisia kylmäaineita – Uusi F-kaasuasetus toi rajoituksia kylmäaineisiin 

Lue lisää

Katso kaikki