1 Methodisch ontwerpen van draagconstructies !Kamerling

Wim Kamerling

1.1 Probleemstelling 306

1.2 Methodisch ontwerpen 306

1.3 Het ontwerpen van de constructie van een gebouw 308

1.4 De beschrijving van de methode 308

1.5 Uitwerking 309

1.6 Referenties 311

1.1 Probleemstelling

In de laatste decennia is de bouw sterk veranderd ten aanzien van bijvoorbeeld de inzet van het materieel, de logistiek, de produkten en het management. Deze veranderingen hebben ook invloed op het ontwerpproces en de ontwerpmethoden voor het ontwerpen van gebouwen en het ontwerpen van delen van gebouwen, zoals de draagconstructie. Zo worden gebouwen vanwege de toegenomen complexiteit steeds vaker door multidisciplinaire teams ontworpen. Multidisciplinair ontwerpen is niet eenvoudig, tegelijkertijd worden deelopdrachten uitgevoerd die niet onafhankelijk zijn, zodat de deelontwerpen vaak op elkaar afgestemd moeten worden. Om het multidisciplinair ontwerpproces goed te laten verlopen zijn ontwerpmethoden nodig waarmee het geheel en de delen tegelijkertijd en integraal ontworpen kunnen worden. Ter wille van een optimale interactie tussen de disciplines verdienen methoden waarmee zowel het geheel als een deelprodukt ontworpen kan worden de voorkeur. Voor het ontwikkelen van een methode voor het ontwerpen van draagconstructies wordt uitgegaan van de top-down benadering. Eerst wordt voor het multidisciplinair ontwerpen een algemene methode beschreven en vervolgens wordt deze methode uitgewerkt voor het ontwerpen van draagconstructies.

Overheid
Opdrachtgever	Adviseur kosten
	Adviseur constructies
Architect
	Adviseur installaties
Figuur 1 De invloed van de participanten

Figuur 1 geeft de invloed van de participanten van het ontwerp-team, de overheid en de opdrachtgever op een ontwerp weer. Het aantal ontwerpers en de invloed van de ontwerpers op het geheel is afhankelijk van het project. Een interdisciplinair ontwerp ontstaat slechts dan als de ontwerpers de grenzen van de disciplines overschrijden en gezamenlijk een geheel ontwerpen.

1.2 Methodisch ontwerpen

Wat is ontwerpen? Foque stelt: ’Ontwerpen is een begrip met een zeer polyvalente inhoud [referentie 1]. In de cursusbundel Ontwerpmethodologie geeft Eekhout een overzicht van de definities die gehanteerd worden door docenten van verschillende faculteiten van de Technische universiteit Delft [referentie 2]. Uit deze definities blijkt dat de volgende aspecten essentieel zijn voor het ontwerpen: het vervullen van wensen en behoeften, het nemen van beslissingen, het vormgeven van een produkt en orginaliteit. Op grond van deze aspecten kunnen we het ontwerpen van de constructie van een gebouw definiëren als: het bedenken van een stelsel van elementen, waarmee de belastingen op het gebouw kunnen worden afgedragen naar de ondergrond, met in achtneming van de randvoorwaarden voortkomende uit het concept voor het gebouw.

Figuur 2 Toekomstorientaties

Figuur 2 geeft de toekomstoriëntatie in politiek, wetenschap en techniek weer [referentie 3] .

Evenals de politicus tracht de ontwerper het onwaarschijnlijke mogelijk te maken. De Jong schrijft:’ De ontwerper heeft tot taak onwaarschijnlijke mogelijkheden te exploreren, met name als de meest waarschijnlijke ontwikkeling niet wenselijk is. Deze mogelijkheden laten zich door hun onwaarschijnlijkheid niet voorspellen, men moet ze ontwerpen’ [referentie 4]..

Over de ontwerpmethoden wordt evenals over het ontwerpen verschillend gedacht. Vaak onderscheidt men de intuïtieve en de expliciete methoden. In wezen overlappen deze twee categorieën elkaar, een expliciete methode kent altijd wel enkele momenten in het proces waarin de intuïtie de overhand heeft en een intuïtieve methode kent ook fasen waarin analyses en selecties plaats vinden. De meeste ontwerpmethoden zijn met elkaar verwant en verschillen slechts in de nadruk die op een aspect wordt gelegd.

Figuur 3 Schematische voorstelling van het Ontwerpproces

In de divergentiefase nemen de mogelijkheden en gegevens sterk toe. In de transformatiefase worden concepten en deeloplossingen bedacht. In de convergentiefase worden de deeloplossingen gecombineerd tot alternatieven en wordt de oplossing gekozen [referentie 5].

Een ontwerpmethode voor het multidisciplinair ontwerpen moet onafhankelijk van de disciplines toegepast kunnen worden en de interactie tussen de disciplines bevorderen, daarnaast mag de methode de creativiteit niet belemmeren. Onderzocht wordt of het analyse- creatieve fase- uitvoeringsmodel [referentie 6], eventueel na enige aanpassing, geschikt is voor het multi- en interdisciplinair ontwerpen.

Het analyse- creatieve fase- uitvoeringsmodel kent de volgende fasering:

· De analysefase: het probleem wordt gedefineerd;

· De creatieve fase, deze fase kent drie subfasen: de analyse-, de synthese- en de evaluatiefase:

De analysefase: Het verzamelen van informatie, het definiëren van ontwerpcriteria en het classificeren van ontwerpcriteria;

De synthesefase: Het bedenken van deeloplossingen en het combineren van deeloplossingen tot alternatieven;

De evaluatiefase: Het toetsen van de alternatieven en het kiezen van de oplossing.

· De uitvoeringsfase waarin de oplossing in een of ander medium wordt voorgesteld.

In het model vindt het creatieve deel van het ontwerpproces voornamelijk in de synthesefase plaats, als de oplossingen voor deelproblemen bedacht worden en suboplossingen gecombineerd worden tot alternatieven. Voor het bedenken van creatieve oplossingen zijn verschillende methoden bedacht, we onderscheiden:

· de associatieve methoden, zoals bijvoorbeeld het brainstormen;

· de creatieve confrontatie methoden, waarbij gebruik gemaakt wordt van analogieën;

· de analytisch systematische methoden, zoals de morfologische methode waarin het probleem wordt gesplitst in deelproblemen en de oplossingen voor deelproblemen gecombineerd worden tot alternatieven [referentie 7].

De twee eerst genoemde methoden worden bij voorkeur gebruikt om een nieuw concept voor de oplossing van een probleem te bedenken. De morfologische methode sluit goed aan bij het beschreven model, daar bij deze methode eveneens het ontwerp-probleem wordt opgesplitst in deelproblemen, die vervolgens worden gecombineerd tot alternatieven.

De presentatie van de deeloplossingen en de alternatieven gedurende het ontwerpproces is essentieel voor het multidisciplinair ontwerpen. In het oorspronkelijke model vindt de presentatie voornamelijk in de laatste fase plaats. Daar de leden van het team hun ontwerpen moeten afstemmen op het geheel is een continue visualisatie van de deeloplossingen voor het multidisciplinair ontwerpen essentieel. Ter wille van de communicatie moet het model worden uitgebreid met in iedere fase een visualisatie van de oplossingen en ontwerpen. In de laatste fase vindt nu de uitwerking van de gekozen oplossing plaats.

1.3 Het ontwerpen van de constructie van een gebouw

Voor het ontwerpen van de draagconstructie gaan we uit van het ruimteplan van de architect. In dit plan zijn de volumes en de grootte van de ruimten globaal aangegeven. Dit ruimteplan vormt samen met het programma van eisen de deelopdracht voor het ontwerp van de constructie. Voor het ontwerpen van een deelprodukt wordt uitgaan van de eisen, die voortkomen uit de eisen voor het geheel. De probleemstelling voor het ontwerpen van het deelprodukt is dan al gedefinieerd in de analytische fase, zodat het niet nodig is om voor de probleemstelling van het deelprodukt een afzonderlijke fase op te nemen..

De constructie wordt tegelijkertijd met de overige deelontwerpen uitgewerkt. De uitvoeringsfase voor het deelontwerp kan dan samenvallen met de uitvoeringsfase voor het gehele ontwerp, zodat in het proces voor het deelontwerp geen afzonderlijke fase voor de uitwerking behoeft te worden opgenomen.

Gezien het voorafgaande kunnen we stellen dat voor het ontwerpen van een deelprodukt als de constructie van een gebouw de methode gecomprimeerd kan worden tot de drie subfasen van de creatieve fase, zijnde: de analyse - de synthese - de evaluatiefase.

Figuur 5 Gecomprimeerd model

Dit schema van het gecomprimeerde model voor het ontwerpen van een deelprodukt zoals de constructie van een gebouw bestaat uit de drie subfasen van de creatieve fase: de analyse-, synthese- en evaluatiefase

1.4 De beschrijving van de methode

Deelopdracht

Voor het ontwerpen van de draagconstructie gaan we uit van het ruimteplan van de architect. In dit plan zijn de volumes en de grootte van de ruimten globaal aangegeven.

Analyse

De probleemstelling en de gegevens worden geanalyseerd, we onderscheiden de problemen gegevens voortkomende uit de locatie en de problemen en gegevens voortkomende uit de functie van het gebouw.

Analyse van de locatie:

Onderzoek de bouwplaats, belendingen, kabels en leidingen, de toegankelijkheid, het profiel en de hoogteligging, de grondgesteldheid, het draagvermogen van het grondpakket, de waterhuishouding, het klimaat en de beschikbaarheid van personeel, materialen en materieel. Bepaal de veranderlijke belastingen op de daken en de gevels voor de gegeven locatie ten aanzien van wind, sneeuw, regen, aardbevingen e.d..

Analyse van het object:

Inventariseer de eisen ten aanzien van de veiligheid, bijvoorbeeld bij een calamiteit als brand, en de wensen ten aanzien van de bouwtijd, de kosten, de vervormingen, de positie van de steunpunten en de positie van de stabiliteitsvoorzieningen. Bepaal de veranderlijke belastingen voortkomende uit het gebruik, zoals bijvoorbeeld de vloerbelastingen.

Synthese

In deze fase worden oplossingen voor deelproblemen bedacht en suboplossingen gecombineerd tot alternatieven.

Genereren van suboplossingen

Bedenk deeloplossingen voor de constructies voor de fundering, de daken en de vloeren die verschillen qua vorm en constructiemateriaal. Onderzoek welke stabiliteitsvoorzieningen mogelijk zijn. Visualiseer ten behoeve van de communicatie met de overige ontwerpers van het team de deeloplossingen met schetsen waarin de positie, de vorm van de constructieve aspecten tot uiting komen.

Het combineren van de suboplossingen

Vervolgens wordt met een relatiematrix onderzocht welke deeloplossingen voor de daken, vloeren, fundering kunnen worden gecombineerd tot ontwerpen voor de constructie. Door in een vroeg stadium van het ontwerpproces de niet bruikbare alternatieven te elimineren kunnen we ons veel tijd besparen.

Visualiseer de alternatieven met schetsen waarin de vorm, de positie en de afmetingen tot uiting komen. In dit stadium van het proces worden de afmetingen globaal met bijvoorbeeld vuistregels en eenvoudig rekenregels bepaald.

Functies	subopl.	D1	D2	D3	V1	V2	F1	F 2
Dak	D1				1	1	1	1
	D2				1	0	1	1
	D3				1	0	1	1
Vloeren	V1						1	0
	V2						0	1
Fund.	F1
	F2
Figuur 6 Relatiematrix

Op de snijpunten van de assen wordt met 1 of 0 aangegeven of de deeloplossingen gecombineerd kunnen worden [referentie 9]. Voor de suboplossingen zijn in principe 3*2*2 = 12 combinaties denkbaar. Na de evaluatie resteren nog maar vier combinaties, namelijk de combinaties: D1V1F1, D1V2F2, D2V1F1 en D3V1F1.

Evaluatie

Ten behoeve van de evaluatie van de alternatieven worden de criteria en de weging bepaald. Selectiecriteria zijn bijvoorbeeld de kosten, de esthetica, de uitvoerbaarheid, de bruikbaarheid en de milieubelasting. Vervolgens worden de alternatieven met behulp van de evaluatiematrix met elkaar vergeleken.

Selectiematrix
	Weging	A1	A2	A3	A4	A5	A6
Criterium 1
Criterium 2
Criterium 3
Criterium 4
Totaal
Figuur 7 Selectiematrix

In deze figuur staan horizontaal de alternatieven en verticaal de selectiecriteria.

Uitwerking

In de uitwerkingsfase worden voor de constructie van het gekozen alternatief de dimensies van de elementen gecontroleerd, de kosten begroot en de ontwerp- en bestektekeningen vervaardigd.

1.5 Uitwerking

De beschreven methode kan worden toegepast voor ieder bouwwerk ongeacht de bestemming. Daar veel gebouwen, constructief gezien, veel op elkaar lijken, kunnen we de gebouwen classificeren en per klasse een ontwerpmethode specificeren. Analoog aan de praktijk onderscheiden we primair de woningbouw en de utiliteitsbouw. Voor de woningbouw onderscheiden we de eengezinswoningen en de gestapelde woningen. Voor de utiliteitsbouw onderscheiden we de laagbouw, de verdiepingbouw en de hoogbouw. Deze categorieën verschillen zowel in de belastingen als qua oplossingen [referentie 10]. Voor het ontwerp van een laagbouw zijn bijvoorbeeld de constructie voor het dak en de begane grondvloer essentieel, voor verdiepingbouw zijn daarintegen de constructies van de verdiepingsvloeren belangrijk en voor hoogbouw zijn naast de verdiepingsvloeren de stabiliteitsvoorzieningen van groot belang.

Figuur 8 De classificatie van gebouwen

Ter verduidelijking wordt de methode uitgewerkt voor het ontwerpen van een eenheid van de classificatie, zijnde het ontwerpen van de constructies voor laagbouw.

Figuur 9 Laagbouw

Een laagbouw is een gebouw met hoofdzakelijk een bouwlaag, waarin eventueel plaatselijk een tussenverdieping of bordes is gelegen [referentie 11]. De hoogte van het gebouw is niet bepalend voor de classificatie. De scheepswerf voor Van der Giessen - de Noord is bijvoorbeeld 52 m hoog, 97 m breed en 264 m lang.

Voor het ontwerp van de draagconstructie van een laagbouw gaan we uit van het ruimteplan voor het gebouw met de volumes en de grootte van de ruimten. We kunnen nu de volgende stappen onderscheiden:

Analyse

De probleemstelling en de gegevens worden geanalyseerd. Naast de aspecten genoemd in de algemene beschrijving kunnen we voor laagbouw de volgende aspecten specificeren:

Analyse van de locatie:

Onderzoek of de laagbouw op staal gefundeerd kan worden, eventueel na grondverbetering, of een paalfundering nodig is. Bepaal de veranderlijke belastingen op de daken en de gevels voor de gegeven locatie ten aanzien van wind, sneeuw, regen, aardbevingen e.d..

Analyse van het object:

Inventariseer de wensen ten aanzien van de bouwtijd, de kosten, de vervormingen, de positie van de steunpunten, de dakvorm en de positie van de stabiliteitsvoorzieningen. Bepaal de veranderlijke belastingen op de begane grond vloeren en de horizontale krachten uit hijskranen. Inventariseer de wensen ten aanzien van de vervormingen. Onderzoek de mogelijkheden om steunpunten en stabiliteitsvoorzieningen te plaatsen en de mogelijkheden ten aanzien van de dakvorm: vlak, hellend, gekromd of dubbel gekromd.

Figuur 10 Ruimteplan

Figuur 10 is een ruimteplan voor een zwembad. In dit plan worden de positie en de grootte van bouwdelen en de daarin gelegen ruimten gevisualiseerd [referentie 12].

Synthese

Genereren van suboplossingen en de analyse van de suboplossingen

Analyseer welke constructieve oplossingen mogelijk zijn voor de constructie van het dak uitgaande van de positie van de steunpunten, de mogelijke dakvormen en de positie van de eventueel mogelijke stabiliteitsvoorzieningen.

Bedenk constructies in overeenstemming met de dakvormen die verschillen qua vorm en constructiemateriaal en teken de dakplannen..

Figuur 11 Mogelijke dakvormen

Er zijn verschillende dakvormen:

· Vlakke daken met een lineaire draagconstructie zoals liggers, vakwerken, onderspannen liggers, getuide liggers en portalen;

· Vlakke daken met een neutrale constructie zoals ruimtevakwerken en roosters.

· Hellende daken: driescharnier-spanten en vouwdaken;

· Gekromde daken: boogconstructies en tongewelven;

· Dubbel gekromde daken: koepel-, conoide- en hypparschalen.

Analyseer de mogelijke vloerconstructies, onderzoek bijvoorbeeld of een gewapend betonnen vloer, een staalvezel betonvloer of een prefab. vloer op een balken rooster mogelijk is.

Analyseer de mogelijkheden ten aanzien van de fundering, onderzoek of een fundering op staal mogelijk is, zo nodig met grondverbetering, of daarintegen het gebouw op palen gefundeerd moet worden en onderzoek of de bovenlagen draagkrachtig genoeg zijn voor de uitvoeringsbelastingen ten gevolge van bijvoorbeeld bouwkranen, opslag en het storten van een betonconstructies.

Bedenk deeloplossingen voor de vloerconstructie en de fundering en visualiseer deze oplossingen.

Het combineren van de suboplossingen

Vervolgens wordt met een relatiematrix onderzocht welke deeloplossingen voor het dak, de begane grondvloer en de fundering kunnen worden gecombineerd tot ontwerpen voor de constructie. De verschillende deeloplossingen voor de constructie van het dak, de vloer en de fundering worden in de relatiematrix geplaatst. Vervolgens wordt onderzocht welke deeloplossingen voor de dakconstructie, de vloerconstructie, de fundering bij elkaar passen qua krachtsafdracht en kunnen worden gecombineerd tot ontwerpen voor het geheel.

Visualiseer de alternatieven met schetsen van de plattegronden en doorsneden waarin de vorm, de positie en de afmetingen van de constructieve elementen tot uiting komen. In dit stadium van het proces kunnen de afmetingen globaal met bijvoorbeeld vuistregels en eenvoudig rekenregels worden bepaald.

Evaluatie

Ten behoeve van de evaluatie van de alternatieven worden de criteria en de weging bepaald en gerangschikt. Vervolgens worden de alternatieven met behulp van de evaluatiematrix met elkaar vergeleken en het alternatief dat het beste voldoet aan de gestelde eisen geselecteerd en uitgewerkt.

Op dezelfde wijze als voor het ontwerpen van de constructie van een laagbouw kan de ontwerpmethode uitgewerkt worden voor andere typen gebouwen.

1.6 Referenties

1. Foque R., Ontwerpsystemen, een inleiding tot de ontwerptheorie, Het spectrum, ontwerpen ISBN 90 274 5831 6, blz. 13;

2. Ridder prof. ir. H de, prof. dr. ir. M. Eekhout e.a., Cursusbundel Ontwerpmethodologie, Onderzoekschool Bouw, najaar 1996, blz. 19;

3. Jong, Prof. dr. ir. T. de, Systematische transformaties in het getekende ontwerp en hun effect, Technische universiteit Delft, Monografieën milieuplanning/SOM, blz.14, afb. 9;

4. Idem referentie 3, blz.15;

5. Idem referentie 1, blz. 59;

6. Idem referentie 1, blz. 58;

7. Tiemessen ir. N.T.M., Methodisch ontwerpen, syllabus Post HBO, betonver. blz. 15;

8. Idem referentie 1, fig. 3.2;

9. Idem referentie 7, blz.18;

10. Kamerling. Prof.ir.J.W. en ir. M.W. Kamerling, Utiliteitsbouw, Jellema deel 9, ISBN 90 212 9058 8, blz. 7;

11. Idem referentie 10, blz.144;

12. Kamerling. Prof.ir.J.W. e.a., Jellema: Bouwkunde 11, ISBN 90 212 1311 7, blz.12;