Werkzeuge ersetzen
kein Urteil

In Hochbau- und Anlagenprojekten wächst die Zahl der Strömungsanalysefälle rasch. Kombiniert man 5 Varianten der Gebäudeanordnung, 4 Öffnungsbedingungen und 16 Windrichtungen, ergeben sich 320 Fälle. Bei 4 Stunden pro Fall sind das rein rechnerisch 53 Tage. Da Planungstermine darauf nicht warten, werden in der Praxis meist nur einige ausgewählte Fälle berechnet und der Rest abgeschätzt.

Die Frage ist: „Welche Fälle wählt man aus?“

Erfahrene Ingenieure wählen meist gut. Die Grundlage dieser Auswahl ist Dritten jedoch schwer zu erklären, und auf die Frage des Prüfausschusses „Warum wurden nur diese Bedingungen geprüft?“ fällt die Antwort dürftig aus. Das größere Problem: Es gibt Kombinationen, die der Intuition entgehen. Bereiche, in denen jede Variable für sich unkritisch ist, die Leistung aber bei einer bestimmten Kombination drastisch abfällt, werden in der Praxis häufig gefunden.

Die Rolle des Surrogatmodells

Ein Surrogatmodell lernt aus einer kleinen Zahl detaillierter Analyseergebnisse und sagt die Ergebnisse für alle übrigen Bedingungen näherungsweise voraus. Entscheidend ist, dass die Prognosen des Surrogatmodells nicht als Ergebnis verwendet werden. Ein Surrogatmodell ist ausschließlich eine Karte, die zeigt, wo genau hinzusehen ist.

Vorgehen in der Praxis

• Schritt 1 – Erste Stichprobe · Wählen Sie 20–40 Fälle, die den Raum der Entwurfsvariablen gleichmäßig abdecken, und führen Sie dafür detaillierte CFD-Berechnungen durch. Verwenden Sie raumfüllende Verfahren wie Latin Hypercube Sampling statt einer Zufallsauswahl.
• Schritt 2 – Training des Surrogatmodells · Erstellen Sie aus den ersten Ergebnissen eine Antwortfläche und quantifizieren Sie den Prognosefehler durch Kreuzvalidierung. Überschreitet der Fehler die Toleranz, ergänzen Sie weitere Stichproben.
• Schritt 3 – Scan des gesamten Bereichs · Durchsuchen Sie mit dem Surrogatmodell alle Kombinationen in Sekunden und identifizieren Sie Risikobereiche und Kandidaten für das Optimum.
• Schritt 4 – Gezielte Detailanalyse · Berechnen Sie nur die Grenzen der Risikobereiche und 10–20 Optimumkandidaten erneut mit detaillierter CFD, um sie abzusichern.
• Schritt 5 – Verifikation und Bericht · Gleichen Sie die Ergebnisse der Detailanalyse mit den Prognosen des Surrogatmodells ab und weisen Sie das Vertrauensintervall des Modells im Bericht aus.

Tatsächlicher Nutzen und Grenzen

Bei einer von DINETT durchgeführten Prüfung der Quartiersanordnung sank die Zahl der Detailanalysen von 320 Fällen bei Vollberechnung auf 54. Die Prüfdauer halbierte sich etwa, und die Zahl der geprüften Bedingungen stieg sogar. Dabei wurden zwei Risikokombinationen entdeckt, die intuitiv nicht ausgewählt worden wären.

Die Grenzen sind jedoch klar. Wo sich das physikalische Verhalten sprunghaft ändert – etwa unter Bedingungen, bei denen plötzlich Strömungsablösung auftritt –, können die Prognosen des Surrogatmodells deutlich danebenliegen. Deshalb müssen Bereiche mit geringer Zuverlässigkeit des Surrogatmodells stets durch Detailanalysen überprüft werden, und diese Entscheidung darf nicht der Automatisierung überlassen werden.

Wo man am besten beginnt

Nicht jedes Projekt benötigt diesen Ansatz. Bei weniger als 50 Fällen ist die Vollberechnung einfacher und sicherer. Sinnvoll ist der Ansatz, wenn drei oder mehr Variablen, mehr als 100 Kombinationen und ein enger Planungszeitplan vorliegen.

Um diesen Workflow in einer Organisation zu verankern, sind außerdem Skripte zur Analyseautomatisierung und ein System zur Ergebnisverwaltung erforderlich. DINETT unterstützt seine Kunden bis hin zur Übergabe von Verfahren und Vorlagen, damit sie den Workflow mit eigenen Kapazitäten betreiben können.

Dieser Artikel basiert auf der Praxiserfahrung des Bereichs Ingenieursimulation von DINETT. Für konkrete Anwendungen oder eine Projektberatung kontaktieren Sie uns bitte über die Serviceanfrage.