Hyundai Engineering nutzt 3D-Modellierung und KI von Bentley Systems zur Automatisierung des Entwerfens von Bau- und Architekturstrukturen

3D-Modellierung und KI beschleunigen Front-End Engineering and Design um 30 %

Autorin: Jana Miller *

Um den Zeitaufwand für einfache, sich wiederholende technische Aufgaben zu minimieren und den Ingenieuren die Möglichkeit zu geben, sich auf Qualität und kreative Ingenieursarbeit zu konzentrieren, initiierte Hyundai Engineering ein Projekt zur Entwicklung eines automatisierten Entwurfssystems für Stahlkonstruktionen von Anlagen. „Wir wollten insbesondere durch die Entwicklung eines Programms für den Austausch von Entwurfsinformationen zwischen den relevanten Abteilungen und für automatische Entwürfe für die Planung von Stahlrahmenkonstruktionen für Chemie- und Elektrizitätswerke effektiv auf häufige Entwurfsänderungen reagieren“, so Kim Dongwon, Leiter des Smart Plant Technology-Teams bei Hyundai Engineering. Das Team konzentrierte sich auf den Entwurf von Schutzgestellen und Rohrbrücken für diese Anlagen und versuchte, den Informationsaustausch zu optimieren und Entwurfsprozesse mithilfe künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen zu automatisieren.

Hyundai Engineering entwirft ein- bis dreistöckige Schutzgestellkonstruktionen, in denen verschiedene mechanische Geräte vorübergehend oder dauerhaft in Anlagenprojekten untergebracht werden. Rohrbrücken sind erhöhte Baustrukturen, die in Industrieanlagen zur Unterstützung von Rohren, Leitungen und Kabeltrassen eingesetzt werden. Beide Elemente spielen beim Entwurf von Industrieanlagen eine entscheidende Rolle. Da der Anlagenentwurfsprozess in der Regel mehrere technische Änderungen während der Entwurfsphase umfasst, sind Überarbeitungen der Schutzgestell- und Rohrbrückenentwürfe erforderlich, um die geänderten Spezifikationen des Anlagenentwurfs zu erfüllen. Um die Methoden für den Strukturentwurf zu vereinfachen und zu beschleunigen sowie den sich verändernden Anforderungen und anderen aufstrebenden Industrien gerecht zu werden, erforscht und entwickelt Hyundai Engineering KI-basierte Technologie zur Entwurfsautomatisierung.

Manuelle Arbeitsabläufe, Zusammenarbeit und Änderungsmanagement

Der allgemeine Arbeitsablauf beim Strukturentwurf für Industrieanlagen sieht normalerweise vor, dass die Ingenieure ein Programm für Baustatik verwenden und die Entwurfsbedingungen und Lasten manuell eingeben, um eine Strukturanalyse durchzuführen. Dieser Prozess beinhaltet eine zeitaufwendige, manuelle Dateneingabe für die Anwendung und eine fehleranfällige Berechnung der statischen Belastungen, was zu unzähligen Entwurfsänderungen führt. „Dieser Prozess war sehr langwierig und kompliziert und erforderte genügend Zeit für die Überprüfung auf menschliche Fehler, was zu mehr Arbeitsaufwand führte, der mit der Änderung von Entwürfen noch verstärkt wurde“, sagte Dongwon. Die Standardisierung wird auch dadurch erschwert, dass die Konstrukteure je nach Baustruktur und den unterschiedlichen Entwurfskriterien für jedes Projekt eine subjektive Beurteilung vornehmen müssen. Der Mangel an Standardisierung und häufige Entwurfsänderungen führen zu einem höheren Zeit- und Kostenaufwand bei der Umsetzung eines Projekts.

STAAD reduzierte die benötigte Arbeitszeit für Entwurf und Analyse um 30 bis 60 %. (Bild: Hyyundai Engineering)

Hyundai Engineering stellte fest, dass zur Optimierung des Änderungsmanagements und der Projektdurchführung in Industrieanlagen eine enge Zusammenarbeit zwischen den Fachbereichen für Rohrleitungen, Elektrik, Instrumentierung und Mechanik erforderlich war. Diese Zusammenarbeit ist wichtig, weil die von diesen Bereichen abgeleiteten Informationen wesentlich zu den baulichen Entwurfsaspekten für die Bau- und Architekturinfrastruktur beitragen. „Ständige Überarbeitungen führten zur Erfassung von Entwurfsinformationen – z. B. Rohrgewicht – und zur Prüfung und Aktualisierung der Änderungen durch mehrere Teams; manchmal musste die gleiche Arbeit wiederholt werden“, so Dongwon. Das Smart-Technology-Team versuchte, die Arbeitsabläufe im Anlagenbau durch den Einsatz von intelligenten Lösungen zu standardisieren und zu optimieren, um verschiedene Fachbereiche reibungslos zu integrieren, Entwürfe zu automatisieren und sich wiederholende Aufgaben bei der Bauplanung von Stahlrahmenkonstruktionen von Industrieanlagen abzubauen.

Weiterentwicklung der STAAD-Anwendung mit maschinellem Lernen

In Zusammenarbeit mit Bentley entschied sich Hyundai Engineering für STAAD, um 3D-Modellierung und KI zu integrieren, Entwurfsabläufe zu automatisieren und zu optimieren und Entwürfe mithilfe von Vorhersagen durch maschinelles Lernen zu erstellen. Das Team begann mit der Entwicklung eines automatischen Entwurfssystems für Stahlkonstruktionen, wobei der Schwerpunkt auf Rohrbrücken und Schutzgestellen lag. Der Entwurfsprozess umfasste Strukturkomponenten wie Kabel und Träger sowie Verbindungen von Bauteilen. Daher musste das Team Daten, wie z. B. das Gewicht, für die Sanitär-, Mechanik- und Instrumentierungsteams in das 3D-Modell integrieren. Hyundai Engineering verwendete STAAD und integrierte einen KI-basierten Algorithmus, der die manuelle Dateneingabe überflüssig machte und das Gewicht und/oder andere relevante Daten für die verschiedenen Fachbereiche automatisch in das Modell importierte, wodurch ein automatisiertes Entwurfsprogramm geschaffen wurde. „Wenn diese Daten mit dem Automatisierungsprogramm synchronisiert werden, werden die Gewichte, wie beispielsweise die Belastung der Rohre und der Kabeltrassen, automatisch auf das STAAD-Modell angewendet“, so Dongwon. „Die Entwurfsarbeit, die von einem einzelnen Ingenieur durchgeführt wurde, kann nun digitalisiert und durch einheitliche bewährte Verfahren verwaltet werden.“

Der KI-gestützte Strukturentwurf beginnt mit der automatisierten Modellierung von Schutzgestellen, geht über zur Konstruktion der Datenbank, die auf die baulichen Abmessungen zugeschnitten werden kann, und endet mit der Berechnung von Empfehlungen für Träger, Profilträgern und/oder Stützenabstände. Vor der Automatisierung wurde die Dachkonstruktion des Schutzgestells auf Grundlage bestehender manueller Entwurfsschätzungen bestimmt. Nach dem Automatisierungsprozess können jedoch unzählige Szenarien digital untersucht werden, um das optimale Dachsystem zu bestimmen.

Das Programm zur 3D-Modellierung und KI-Automatisierung von Entwürfen, das von Hyundai Engineering entwickelt wurde, integriert Automatisierungs-, Vorhersage- und Optimierungsprozesse in die Praxis des Anlagenbaus und erweitert die Anwendung von Bentley durch maschinelles Lernen, wobei die digitale Technologie aus zwei technischen Richtungen aktiv genutzt wird. „Erstens werden die Entwurfsvariablen und Ergebnisse aus der Automatisierung als Datenbank erstellt und für das maschinelle Lernen verwendet, um als KI-Entwurf erweitert zu werden. Zweitens werden die Entwurfsinformationen, die in Form von Zeichnungen und Dokumenten zwischen den relevanten Abteilungen ausgetauscht wurden, nun in Form von 3D-Modelldaten einheitlich verwaltet“, so Dongwon.

Intelligente Technologie ermöglicht Einsparungen und Standardisierung

Das von Hyundai Engineering neu entwickelte intelligente Entwurfssystem für bauliche und architektonische Anlagenstrukturen steigerte die Arbeitseffizienz und reduzierte den Zeitaufwand der Ingenieure für manuelle, repetitive Aufgaben. Das automatisierte Programm speicherte Entwurfsvariablen in einer digitalen Datenbank, was in Kombination mit maschineller Lerntechnologie zur Schaffung eines echten KI-Entwurfs führte, mit dem bei wiederholten Aufgaben durchgängig identische Ergebnisse erzielt werden können. „Wenn ein ultimativer KI-Entwurf mithilfe von maschinellem Lernen realisiert wird, können die Ergebnisse schneller abgeleitet werden, als wenn der Ingenieur die Aufgabe manuell ausführt“, so Dongwon. Das Ergebnis war eine präzise, integrierte Lösung für die 3D-Modellierung mit intelligenten digitalen Arbeitsabläufen, die genaue Entwurfsinformationen lieferte und die Front-End-Entwicklung (Front-End Engineering and Design – FEED) um mindestens 30 % beschleunigte. Darüber hinaus wurde das Bauvolumen optimiert und die Baukosten um über 20 % gesenkt, da Fehler in der Entwurfsphase vermieden werden konnten. Auf der Grundlage von 50 Ausschreibungsprojekten, 25 FEED-Projekten und 20 Ausführungsprojekten über einen Zeitraum von fünf Jahren schätzt Hyundai Engineering die Einsparungen bei den Outsourcing-Kosten auf fast 2 Mio. USD (ca. 1,87 Mio. EUR).

Durch KI und maschinelles Lernen generierte Hyundai Engineering 27 Mio. Prognosemodelle aus einer Datenbank mit 1.680 Entwurfsfällen. (Bild: Hyundai Engineering).

Die Vorteile der intelligenten Technologielösung von Hyundai Engineering liegen nicht nur in der Beschleunigung der Arbeitsabläufe und in Kostensenkungen, sondern auch in der Möglichkeit der Erweiterung und Standardisierung zur Erstellung von KI-Entwürfen durch Vorhersagen mittels maschinellen Lernens, die in zukünftigen Projekten verwendet werden können. Mithilfe des Programms zur Automatisierung von KI-Entwürfen von Schutzgestellen erstellte das Team eine Datenbank mit 1.680 Szenarien und generierte 27 Mio. Prognosemodelle. Für den Rohrbrückenentwurf können Gewichts- und Geometriedaten in Zeichnungen und Dokumenten durch ein 3D-Modell in einer digitalen Datenbank vereinheitlicht werden, was zu optimierten, standardisierten und intelligenten Entwurfsprozessen führt. „Jetzt können Ingenieure ihre Struktursysteme auf der Grundlage der Datenbank bestimmen, die mit der Praxis von Hyundai Engineering eingeführt wurde, anstatt sich auf ihre persönlichen Erfahrungen und Sinne verlassen zu müssen“, so Dongwon.

* Die Autorin …

… Jana Miller ist Senior Manager, Product Marketing im Bereich Baustatik bei Bentley Systems. Ihr Verantwortungsbereich ist die Erstellung konsistenter Marketingkommunikation, Inhalte und Programme zur Förderung der Software für Bentleys Angebote in den Bereichen Baustatik und -entwurf, Entwurf und Analyse von Rohrleitungen und Behältern sowie Analyse und Entwurf von Offshore-Windkraft. Jana Miller hat 25 Jahre Erfahrung im taktischen und strategischen Marketing mit Schwerpunkt auf technischer Marketingkommunikation, sozialen Netzwerken und Veranstaltungen. Sie ist unter Jana.Miller@bentley.com erreichbar.