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Technik

CAD für BIM

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Vieles in einem: Bauspezifisches CAD ist schon jetzt ein digitales ­Zeichenbrett, Modellier-Konstruktions-, Visualisierungs- oder Auswertungswerkzeug. BIM ­eröffnet weitere Möglichkeiten.

► Weiterlesen: Tabellarischer Produktvergleich aktueller CAD-Software

Das Building Information Modeling stellt CAD-Werkzeuge vor neue Herausforderungen – und eröffnet viele neue Möglichkeiten. Text: Marian Behaneck

Bislang liegen die Einsatzschwerpunkte von CAD-Programmen für Architekten, auch CAAD (Computer Aided Architectural Design) oder AEC (Architecture, Engineering, Construction) genannt, in der Entwurfs-, Baueingabe-, Werk- und Detailplanung. Doch das wandelt sich zunehmend, denn die Planungsmethode „Building Information Modeling“ und damit zusammenhängende Entwicklungen stellen neue Anforderungen an das CAD. Aspekte wie Kosten- und Terminsicherheit, eine bessere Planungs- und Ausführungsqualität, die Projektkoordination und der Projektdatenaustausch, die Vermeidung von Bauteilkollisionen und Fehlern, die Bereitstellung nutzungsrelevanter Gebäudedaten, bauphysikalische, energetische und technische Gebäudeaspekte oder Lebenszyklusbetrachtungen stehen zunehmend im Fokus. BIM ändert und erweitert die Anforderungen an Planungswerkzeuge. Im Mittelpunkt stehen immer häufiger Funktionen für die Erstellung, Bearbeitung sowie den Im- und Export von BIM-Bauteilen, die Auswertung von Sachdaten, die Kontrolle von Modellen auf Kollisionen, Plausibilität und Konsistenz oder die Berechnung. BIM ist zwar keine Software und CAAD ist kein BIM, wird aber häufig damit gleichgesetzt.

Was aber macht CAAD-Software zu einem BIM-fähigen Planungswerkzeug? In erster Linie sind es Funktionen für die Erstellung von Modellelementen (Bauteilen) als dreidimensionale, parametrisierbare Objekte, inklusive der Möglichkeit, sie mit vielfältigen alphanumerischen Informationen zu verknüpfen. Ebenso wichtig sind Mechanismen für die Bauwerksstrukturierung, beispielsweise die Gliederung nach Bauabschnitten, Geschossen, Bauteilen, Systemen etc. Weitere BIM-Merkmale sind automatische Planableitungen, also das Generieren von Grundrissen, Schnitten oder Ansichten aus dem BIM-Modell, die Unterstützung von Auswertungen wie Bauteillisten, Massen- und Mengenermittlungen sowie eine IFC-Schnittstelle für den Austausch von BIM-Daten. Prinzipiell sind alle bauteilorientierten CAAD-Programme „BIM-ready“ – und damit ein großer Teil des aktuellen Marktangebotes (siehe auch Online-Marktübersicht). Die Unterschiede liegen in der Qualität, insbesondere von Auswertungen oder der IFC-Schnittstelle.

3-D, 4-D, 5-D oder x-D?

Wird das BIM-fähige CAD-Modell mit unterschiedlichen Parametern verknüpft, lässt es sich vielfältig nutzen und nach Mengen-, Kosten-, Termin- oder anderen Kriterien auswerten. Erweitert man es beispielsweise um die vierte Dimension „Zeit“, kann per 4-D-Simulation der komplette Bauablauf geplant und visualisiert werden. Dazu werden Modellobjekte mit Vorgängen aus dem Bauzeiten- oder Terminplan verknüpft und Abläufe über einen bestimmten Projektzeitraum durch eine Änderung der Darstellung der verknüpften CAD-Objekte (Ein-/ Ausblenden, Farbänderung etc.) visualisiert. So lassen sich – ähnlich der Fertigungsplanung in anderen Branchen – beispielsweise geometrische oder zeitliche Konflikte gewerkübergreifend aufdecken oder Baustellen-, Montage- und Logistikabläufe optimieren. Die 5D-Simulation berücksichtigt neben dem 3-D-Gebäudemodell und der Zeit auch Mengen, Baukosten und Ressourcen, wie etwa Baustoffe, Maschinen oder Personal. Die Vorteile einer prozessorientierten Betrachtung der Ausführungsphase liegen auf der Hand: Werden Bau- und Montageabläufe im Detail simuliert, lassen sich Konflikte im Vorfeld erkennen, die später nur schwer zu korrigieren wären. Kosten und Termine lassen sich präziser vorhersagen. Werden zusätzlich Lebenszyklusaspekte wie die Gebäudebewirtschaftung, der Abriss und die Entsorgung/Materialwiederverwertung berücksichtigt, erhält man 6-D-BIM. Dabei kann das Gebäude im Sinne der Nachhaltigkeit optimiert werden, um bestimmten Nachhaltigkeits-Standards (DGNB, LEED etc.) zu entsprechen.

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Digitale Baustelle: Mithilfe von Bau- und Montageablaufsimulationen lassen sich auf der Grundlage von CAD-Modellen Konflikte im Vorfeld erkennen.

Im Zusammenhang mit BIM und der 3-D-Modellorientierten Planung stehen eine ganze Reihe zusätzlicher Möglichkeiten, aber auch neue Anforderungen an Planungswerkzeuge. Das beginnt bereits mit der Erfassung von Bestandsdaten: Das 3-D-Laserscanning oder andere 3-D-Aufmaßverfahren beschleunigen den Erfassungsvorgang und rationalisieren die Aufbereitung der digitalen Aufmaßdaten. Immer mehr CAD-Programme bieten entsprechende Funktionen für das Einlesen von BIM-Aufmaßen oder Schnittstellen für den Import, die Bearbeitung und die Auswertung der beim Scan-Vorgang entstandenen Punktwolken. Auch der Einsatz virtueller Realitäten (Virtual ­Reality, VR) in der Entwurfs-, Planungs- und Konstruktionsphase wird mit BIM interessanter und einfacher. Innerhalb virtueller Realitäten wird entsprechend der vom Betrachter eingenommenen Blickrichtung das Gesehene vom System in Echtzeit kontinuierlich in der passenden Perspektive berechnet und angezeigt. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Interaktion mit der künstlichen Umgebung erzeugt beim Betrachter den Eindruck, mitten im Geschehen zu stehen und Teil der virtuellen Welt zu sein. Mit den im industriellen Bereich schon lange eingesetzten VR-Techniken werden Bau-, Montage- und Wartungsschritte, Funktionsabfolgen, Licht- oder Platzverhältnisse unmittelbar am VR-Modell „erlebbar“ und können optimiert werden. Die Einblendung digitaler Informationen in das reale Umfeld (Augmented Reality, AR) ermöglicht beispielsweise eine Vorab-Darstellung der Leitungsführung in einem Rohbau, den Vergleich von Plan- und Ist-Zustand auf der Baustelle oder die interaktive Visualisierung von Bauprodukten im realen Umfeld.

Mit der zunehmenden Technisierung von Gebäuden nimmt auch die Notwendigkeit von Berechnungen und Simulationen zu. BIM-fähiges CAD kann per IFC-Schnittstelle berechnungsrelevante Bauwerksdaten übergeben, um beispielsweise Gebäude thermisch, akustisch, lichttechnisch oder energetisch zu simulieren, anhand von Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) statisch zu optimieren oder per CFD-Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) Luftströmungen im Gebäude zu überprüfen, Windlast- oder Brandschutz-Nachweise zu führen. Da sich auch im Zeitalter von 3-D-CAD, Rendering und Virtual Reality die haptischen Qualitäten eines gebauten Modells durch nichts ersetzen lassen, kommen für die Erstellung von Wettbewerbs- und Präsentationsmodellen zunehmend 3D-Druckverfahren zum Einsatz – entweder hausintern über eigene 3D-Drucker, über Dienstleister oder Online-Serviceportale wie imaterialize.com, shapeways.com, trinckle.com und andere. Neben Modellier- und Rendering-Programmen wie Cinema 4D, FormZ, Maya oder Rhino bieten auch CAAD-Programme immer häufiger eine entsprechende STL-Exportfunktion für die Fertigung von CAD-Objekten mittels 3-D-Druckern oder professioneller Rapid Prototyping-Anlagen.

Aus den CAD-Daten lassen sich nicht nur Modelle, sondern auch Bauteile, ja komplette Gebäude dreidimensional produzieren (siehe zum Beispiel 3dprintcanalhouse.com).Hier steht die Entwicklung in Richtung einer digitalen Produktion und Fabrikation noch am Anfang. BIM-fähiges CAAD bietet die Möglichkeit, Gebäude und Bauteile innerhalb digitaler Prozessketten so durchgängig zu planen und zu bauen, wie es im Innenausbau-, Holzbau-, Stahlbau-, Stahlbetonfertigteil- und teilweise auch im TGA-Bereich schon Standard ist. Dort werden die dreidimensionalen CAD-Daten direkt an CNC-Bearbeitungs- und Abbundzentren, Schweißroboter oder Laserschneideanlagen übergeben und Bauteile rechnergesteuert gesägt, gefräst, geschweißt oder gelasert. Erste Anwendungsbeispiele gibt es auch schon für die Architektur (siehe zum Beispiel www.gramaziokohler.com).

Was kann CAAD heute?

Rund 50 deutschsprachige kostenpflichtige, meist unter Windows laufende CAD-Programme mit Hochbau- respektive Architekturbezug gibt es derzeit, daneben noch jeweils etwa halb so viele auf den Holzbau, Stahlbau, Fenster- und Fassadenbau, Fertigteilbau, die Schal- und Bewehrungsplanung, den Innenausbau oder die Haustechnik spezialisierte Programme. Hinzu kommen eine Vielzahl meist englischsprachiger Low-Cost- und Shareware-Lösungen, teilweise mit Baubezug (siehe www.lowbudget-cad.org). Das Angebot ist vielfältig – umso schwerer fällt die Auswahl.

Ein Produktvergleich wichtiger CAAD-Lösungen am Ende dieses Artikels bietet eine erste Auswahlhilfe. Zu den ersten Programm-Auswahlkriterien (kursiv) gehört der Anbieter. Mit ihm geht man eine möglichst langfristige Beziehung im Hinblick auf Updates/Upgrades, Software-Anpassungen oder Schulungen ein. Deshalb sollte man auch ihn unter die Lupe nehmen: Seit wann ist er mit dem Produkt auf dem Markt? Ist er auch der Hersteller? Wie viele Kunden/Anwender hat er? Anhand seines Konzeptes kann man die Software vorab einschätzen: Handelt es sich um eine Einzelplatz- und/ oder Netzwerk-, Kauf- oder Mietsoftware?

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Virtual Reality in echt: Werden digitale Informationen in das reale Umfeld eingeblendet, lassen sich ­beispielsweise Leitungsführungen in einem Rohbau vorab visualisieren.

Der Großteil läuft unter Windows (Vista, 7, 8, 8.1), teilweise aber auch unter Mac OS oder einem anderen Betriebssystem. Die meisten Programme verfügen über einen eigenen CAD-Kern, ein Teil sind sogenannte „Programmaufsätze“ auf ein allgemeines CAD-Programm wie etwa AutoCAD, Bricscad, MicroStation etc. Beides hat Vor- und Nachteile: So können sich Programmaufsatz-Entwickler zwar voll auf architekturspezifische Funktionen konzentrieren. Als Anwender ist man allerdings von zwei Software-Entwicklern abhängig. Zudem muss man beim Kauf zu den Kosten der Applikation die Kosten des Basis-CAD-Programms hinzurechnen und in der Regel auch jährliche Software-Wartungskosten doppelt entrichten. Die Einsatzbereiche werden von den Anbietern aus naheliegenden Gründen möglichst weit gefasst. Deshalb sind hier die Angaben mit Vorsicht zu genießen, zumal es insbesondere für die Bereiche Skelettbau (Stahlbau, Holzbau), Innenarchitektur, Messe- und Ladenbau sowie Städtebau und GaLa besonderer Funktionen bedarf, weshalb dafür auch spezielle Programme oder Module angeboten werden.

Das Software-interne Datenmodell entscheidet darüber, ob die Software als digitales Zeichenbrett (2-D), mit 3-D-Visualisierungsfunktion (2,5-D) als dreidimensionales Modellier- (3-D) oder als BIM-Werkzeug einsetzbar ist. Dazu gehört unter anderem der Aspekt, dass das Datenmodell parametrisch ist, das heißt in Form und Abmessungen individuell angepasst werden kann, und dass es bauteilorientiert ist, das heißt CAD-Objekte echte Architekturbauteile sind, und dass die Geometrie mit alphanumerischen Daten verknüpft werden kann. Für die Konstruktion individueller Bauteile ist ein leistungsfähiger 3-D-Editor erforderlich, für die grafische Plankorrektur und -aufbereitung ein 2-D-Editor, und für die Planausgabe möglichst umfangreiche Planlayout-Funktionen inklusive Druckvorschau.

Die mitgelieferte Symbol-Bibliothek sollte umfassend, hochwertig, normgerecht und aktuell sein. Letzteres ist gerade bei Brandschutz- und SiGe-Symbolen wichtig. Unterschiede bei der Visualisierung gibt es im Hinblick auf die Berechnungsverfahren und damit zusammenhängend auf die Ergebnisqualität: Bei sogenannten Shading-Verfahren werden lediglich Farb- oder Materialflächen wiedergegeben. Raytracing- und Radiosity-Verfahren berechnen Schlagschatten und Spiegelungen, beziehungsweise weiche Schattenverläufe und spezielle Lichtstimmungen. Mithilfe von Animationen lassen sich Projekte in Videosequenzen präsentieren, Echtzeitberechnungen ermöglichen interaktive Rundflüge und Objektbegehungen.

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Datenarchitektur: Die statische, bauphysikalische oder energetische Optimierung von Gebäudeentwürfen auf der Grundlage von CAD-Modellen wird immer wichtiger.

Wichtig für Leistungs- und Preisvergleiche ist auch die Frage, welche Zusatzfunktionen im Basisprogramm enthalten sind und welche Funktionen als Kaufmodule erworben werden müssen. Die ­Anzahl und die Qualität der Schnittstellen entscheidet darüber, wie effizient Geometrie- und Sachdaten im- und exportiert werden können. Zu den Schnittstellen-Standards zählen DXF und DWG, ferner PDF beziehungsweise 3-D-PDF und andere, wie SKP für den Import von SketchUp-Modellen oder den STL-Export für die 3-D-Druckausgabe. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Qualität der IFC-Schnittstelle sind die Versionsnummer sowie eine IFC-Zertifizierung (siehe www.buildingsmart.de).

Eine Direktanbindung beispielsweise an AVA- oder EnEV-Programme ermöglicht eine Datenüber­gabe ohne Schnittstellenverluste. Beim ­genannten Preis für die Basis-/ Komplettversion sollte man die jährlich fälligen Kosten für Wartungsverträge (zwischen 10 und 15 Prozent des aktuellen Software-Listenpreises), die in der Regel Updates/Upgrades, Support und weitere Leistungen enthalten, sowie gegebenenfalls Schulungskosten mit berücksichtigen. CAD-Software unterscheidet sich heute weniger im Funktionsumfang als im Bedienungskomfort. Deshalb sollte man nicht nur auf bestimmte Funktionsanforderungen achten, sondern auch darauf, wie einfach und intuitiv oder kompliziert und umständlich Arbeitsabläufe sind. Das gilt insbesondere für Planungsänderungen, die häufig einen größeren Anteil an der gesamten Planungsphase haben als die eigentliche CAD-Eingabe. Steht eine Kaufentscheidung oder ein Programmwechsel an, ist es deshalb ratsam, beispielsweise mithilfe der Online-Tabelle zwei bis drei Produkte auszuwählen und diese nach einem Download der entsprechenden Testversionen einem praktischen Test zu unterziehen. Dann sollte bei der Auswahl nichts mehr schiefgehen.

Marian Behaneck ist freier Fachjournalist in Jockgrim (Pfalz).

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Online-Zusatzinfos
Weitere Infos *

CAD
http://cad-markt.de – Portal für CAD-Anwender
www.blien.de/ralf/cad – CAD-Glossar und mehr…
www.cad.de – CAD/ CAM-Forum
www.cadalyst.com – CAD-Magazin
www.cad-infos.de – CAD-News und mehr…

BIM & Co.
www.5d-initiative.eu – 5D-Initiative von ENCORD
www.autodesk.de/bim – BIM-Basisinfos
www.bentley.com – Suchwort „BIM“
www.bim-guide.org – BIM-Handbuch
www.buildingsmart.de – IFC/BIM-Infos
www.buildingsmart.de/3/3_03_05.htm – BIM-Anwendergruppe
www.rib-software.com/itwo – 5D-Planung mit RIB iTWO

CAD-Programme und Anbieter
abisplan (www.abis-software.com), ACAD-BAU (www.acad-bau.de), ADVANCE CAD (www.graitec.com/ge), Allplan (www.nemetschek.de), ARC+ (www.cai-wiesbaden.de), ARCAD 3D CAAD (www.arcad.de), ArchiCAD (www.a-null.com), ArchitecTools (www.muigg.com), ArchLINE (www.archline.cc), ArCon (www.eleco-software.de), artifex (www.wellcom-software.de), Ashlar Vellum (www.arnold-cad.com), AutoCAD Architecture (www.autodesk.de), AVEVA Bocad Bau (www.aveva-bocad.com), Baubit CAD (www.abbf.ch), BauCAD K+R (www.baucad.de), BiCAD (www.bicad.de), Bott Bauset (www.bauset.de), BricsCad (www.mervisoft-gmbh.de), CADDER (www.reico.de), CADKON Hochbau (www.cadkon.de), CADprofi (www.cadprofi.com), cadwork Hochbau (www.ingware.ch), CasCADos (www.firstinvision.de), CygniCon (www.cygnicon.de), DIG-CAD (ww.llh.de), dtc.CAD (http://dtcfotoaufmass.de), Edificius (www.accasoftware.com), EliteCAD/CAD400 (www.messerli.de), Glaser isb cad (www.isbcad.de), ICAADS (www.graphicomp.com), IdeCAD (www.idecad.de), LTplus AI (www.ltplus.de), MegaCAD Planbau (www.megatech.de), MicroGDS (www.microgds.net), MicroStation (www.bentley.de), Palladio (www.acadgraph.de), Revit Architecture (www.autodesk.de), RIB iTWO (www.rib-software.com/de), ryfCAD (www.ryfcad.ch), SINUS (www.sinussoft.com), SofiCAD (www.sofistik.de), speedikon Architectural (www.bentley.de), SPIRIT (www.softtech.de), Strakon (www.dicad.de), Tekla Structures (www.tekla.com), VALERIO 3D CAD (www.valerio.at), Vectorworks (www.computerworks.de), VI2000 (www.softwareparadies.de), ViCADo.arc (www.mbaec.de)

 * Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit!

Literatur
Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR, Hrsg.): Die Auswirkungen von Building Information Modeling (BIM) auf die Leistungsbilder und Vergütungsstruktur für Architekten und Ingenieure sowie auf die Vertragsgestaltung, Eigenverlag, Berlin 2011

Egger, M., Hausknecht, K., Liebich, T./ Przybylo, J, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR, Hrsg.): BIM-Leitfaden für Deutschland, Eigenverlag, Berlin 2014

Günthner, W./Borrmann, A.: Digitale Baustelle – innovativer Planer, effizienter Ausführen, Werkzeuge und Methoden für das 21. Jahrundert, Springer, Heidelberg 2011

Hemmerling, M., Tiggemann, A.: Digital Design Manual, DOM Publishers, Berlin, 2011

Jernigan, F.: Big BIM little BIM, The practical approach to Building Information Modeling, 4Site Press, Salisbury 2008

Krebs, J.: Basics CAD, Birkhäuser/de Gruyter, Berlin, 2007

Smith, D.K./ Tardif, M.: Building Information Modeling: A Strategic Implementation Guide for Architects, Engineers, Constructors, and Real Estate Asset Managers, Wiley & Sons, Hoboken 2009

 * Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit!

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