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2 Herausgegeben : Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer Fakultät Bauingenieurwesen Bauinformatik/CAD Hochschule Regensburg Prüfeninger Straße Regensburg Gesamtredaktion: Dipl.-Ing. Mathias Obergrießer M.Eng. Textredaktion: M.Eng. Dipl.-Ing. Mathias Obergrießer, Dipl.-Ing. Tim Horenburg Fachbeiträge: Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer, Prof. Dr.-Ing. Willibald A. Günthner, M.Eng. Dipl.-Ing. Mathias Obergrießer, Dipl.-Ing. Tim Horenburg Quelle: eigene Erhebung Bildredaktion: Dipl.-Ing. Tim Horenburg Bildnachweis: eigene Bilder Gestaltung: Dipl.-Ing. Tim Horenburg Produktion: printy A.Wittek GmbH, München Copyright 2011 Printed in Germany Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Die urheberrechtlichen Verwertungsrechte liegen beim Herausgeber. Nachdruck, Übersetzung, Vervielfältigung oder Speicherung auf Datenträger ist nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers möglich. Für Satz- und Druckfehler, für unrichtige Angaben der Unternehmen sowie für Markenoder Urheberrechte wird jeglicher Schadensersatz ausgeschlossen. 2

3 CAD-MODELLIERUNG IM BAUWESEN Integrierte 3D-Planung Brückenbauwerken Studie Fakultät Bauingenieurwesen Bauinformatik/CAD Hochschule Regensburg 1

4 PROJEKTTEAM Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer war im Anschluss an das Studium des Bauingenieurwesens als Assistent am Lehrstuhl für Bauinformatik an der Technischen Universität in München beschäftigt. Nach der Promotion trat er als Leiter der Entwicklungsabteilung in die Firma Fides DV-Partner GmbH ein. Im Jahr 2002 erfolgte der Ruf an die Hochschule Regensburg. Euringer vertritt dort an der Fakultät für Bauingenieurwesen das Fachgebiet Bauinformatik / CAD. Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Willibald A. Günthner studierte an der Technischen Universität München Maschinenbau sowie Arbeits- und Wirtschaftswissenschaften. Nach seiner Promotion am dortigen Lehrstuhl für Förderwesen trat er als Konstruktions- und Technischer Leiter für Förder- und Materialflusstechnik in die Fa. Max Kettner Verpackungsmaschinen ein übernahm er die Professur für Förder- und Materialflusstechnik an der FH Regensburg. Seit 1994 ist Günthner Leiter des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik an der TU München. Im Bayerischen Forschungsverbund ForBAU hatte er die Sprecherrolle inne. Dipl.-Ing. Mathias Obergrießer M.Eng. studierte 2000 bis 2005 Diplom- Bauingenieurwesen mit Vertiefung im konstruktiven Ingenieurbau an der Fachhochschule Regensburg. Sein Studium ergänzte er 2005 bis 2007 durch ein zusätzliches Masterstudium an der Fachhochschule Erfurt. Seit Anfang 2008 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Regensburg. Seine Schwerpunkte im Forschungsprojekt ForBAU liegen im Bereich der trassengebundenen und parametrischen 3D Modellierung Ingenieurbauwerken sowie in der Integration geotechnischen Planungsprozessen. Dipl.-Ing. Tim Horenburg studierte 2003 bis 2009 Maschinenwesen an der Technischen Universität München mit den Schwerpunkten Fahrzeug- und Regelungstechnik. Seit Anfang 2009 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik der Technischen Universität München. Im bayerischen Forschungsverbund ForBAU arbeitete er am Teilprojekt BAULOG, in dem innovative Konzepte für die Versorgung und Materialbereitstellung Infrastrukturbaumaßnahmen entwickelt wurden. Seine Hauptaufgabenfelder liegen im Bereich der Materialflussplanung und Baulogistik. 2

5 INHALT & PROJEKTTEAM INHALT 1 Einleitung 4 2 Zusammenfassung 8 3 Brückenmodellierung im Bauwesen Status Quo 10 4 Vorteile räumlicher Modellierung 14 5 Herausforderungen räumlicher Modellierung Voraussetzungen für den Einsatz 3D-CAD Anforderungen an die Modellierungssoftware 17 6 Instrumente für die 3D-Modellierung Brückenbauwerken Maschinenbau-CAD CAD für das Bauwesen Hybrid CAD 23 7 Bewertung CAD-Systemen für die Modellierung im Brückenbau Untersuchungsmethodik Bewertungsmatrix Ergebnisse der CAD-Bewertung 30 8 Brückenmodellierung am Praxisbeispiel 41 9 Fazit und Ausblick Lehrstuhlprofile Literatur 53 3

6 1 Einleitung Die Komplexität Baumaßnahmen wird künftig weiter steigen. Dies gilt insbesondere für den Infrastrukturbau. Digitale Technologien können helfen, die erhöhte Komplexität Planungsund Ausführungsprozessen zu beherrschen. Das Bauwesen unterliegt heute enormen Anforderungen. Immer komplexere Bauvorhaben müssen in immer kürzerer Zeit realisiert werden. Gleichzeitig erzeugt der starke Wettbewerb in der Branche einen nachhaltigen Kostendruck. Diesen Anforderungen wird die deutsche Bauindustrie nur durch eine Steigerung der Effizienz in Planung und Abwicklung Bauvorhaben begegnen können. Im Augenblick muss jedoch konstatiert werden, dass die im Bauwesen erreichte Prozessqualität, vor allem hinsichtlich Termintreue und Kostensicherheit, stark hinter der anderer Branchen zurückbleibt. Die Gründe hierfür sind vielfältig und liegen unter anderem in den komplexen Rahmenbedingungen, denen die Bauindustrie unterliegt: die Fertigung Unikaten, die Abhängigkeit Witterungseinflüssen, die starke Fragmentierung der Branche, die ausgeprägte Segmentierung entlang der Prozesskette und die eingeschränkte Nutzung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien. Experten aus Wissenschaft und Industrie haben sich daher im dreijährigen Forschungsverbund ForBAU Digitale Werkzeuge für die Bauplanung und -abwicklung der Herausforderung gestellt, ein Konzept zur computergestützten Abbildung komplexer Bauvorhaben zu entwickeln. Gemeinsam mit einer Vielzahl Unternehmen aus der Bau- und Softwareindustrie erarbeiteten Lehrstühle der Technischen Universität München, der Universität Erlangen-Nürnberg, der Hochschule Regensburg und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik Methoden und Konzepte für das Bauen im 21. Jahrhundert. Dabei galt es, die Vision der Digitalen Baustelle mit Leben zu füllen und die konzeptionelle und technologische Grundlage für ihre Umsetzung zu schaffen. ForBAU konzentrierte sich dabei auf die Realisierung Verkehrstrassen und der darin enthaltenen Brückenbauwerke. Anhand des Infrastrukturbaus konnten die Vorteile einer ganzheitlichen, integrierten Abbildung der im Zuge Planung und Ausführung anfallenden Daten und ihre vielfältige Nutzung aufgezeigt werden. Von besonderer Bedeutung war der interdisziplinäre Charakter des Forschungsverbunds, der es ermöglichte, die in anderen Industriezweigen gesammelten Erfahrungen bei der Einführung der digitalen Prozesskette zu nutzen und auf die Spezifika des Bauwesens zu übertragen. Im Rahmen des ForBAU-Projekts wurden Methoden und Technologien zur Umsetzung der Vision einer Digitalen Baustelle entwickelt. Dazu gehören die konsequent 3D-gestützte Planung, die Nutzung Systemen zur zentralen Datenhaltung, die computergestützte Simulation des Bauablaufs und die Einführung moderner Logistikkonzepte. 4

7 EINLEITUNG Abb. 1-1 Die Vision der Digitalen Baustelle Ergebnis ist ein Digitales Baustellenmodell, welches in jeder Projektphase der Planung über die Ausführung bis zur Bewirtschaftung unterstützen und so die erheblichen Potentiale für eine Effizienz- und Qualitätssteigerung im Bauwesen erschließen kann. Dieses zentrale Modell entsteht aus mehreren Bauteilen und Baugruppen, die innerhalb eines 3D-Modellierungssystems erstellt werden. Eine umfassende Darstellung aller im Rahmen des ForBAU-Projektes entwickelten Konzepte und Methoden ist im Springer-Buch Digitale Baustelle innovativer Planen, effizienter Ausführen zu finden (Günthner und Borrmann 2011). Bereits im Jahr 2008 setzten 70% der Unternehmen im Baugewerbe mit mehr als 100 Mitarbeitern in irgendeiner Form auf 3D-CAD, kleinere Unternehmen hingegen gerade einmal zu 40% (Günthner und Zimmermann 2008). Erfahrungen aus der Praxis bestätigen, dass trotz im Unternehmen vorhandener Infrastruktur nur in seltenen Fällen ein 3D-Modell erstellt wird. Zum einen wird ein solches Seiten der Bauherren kaum gefordert, zum anderen kann der erzeugte Mehrwert den erhöhten Aufwand noch nicht kompensieren. Um die beachtlichen Potentiale auszuschöpfen, sind Anpassungen in der heutigen Vergabe Bauprojekten notwendig. Insbesondere müssen die notwendigen Voraussetzungen sowohl auf Auftraggeberseite als auch Auftragnehmerseite geschaffen werden (vgl. Kapitel 5). Gegenüber der 2D-gestützten Planung ergeben sich aus der 3D-Modellierung eine Reihe Vorteilen. Dazu gehören die automatisch gesicherte Konsistenz später abgeleiteter Schnitte und Ansichten, das problemlose Aufdecken geometrischen Konflikten und die Möglichkeit, Bau- 5

8 teilanalysen und Simulationen durchzuführen, ohne geometrische Informationen erneut eingeben zu müssen. Moderne CAD-Systeme basieren häufig auf parametrischer Konstruktion und geometrischen Zwangsbedingungen. Infolgedessen können Änderungen schnell und einfach durchgeführt werden und bedingen keine weitere Neukonstruktion. Im Maschinen- und Fahrzeugbau hat sich aus diesen Gründen die 3D-Modellierung bereits weitestgehend durchgesetzt. So plant heute der überwiegende Teil dieser Industrie vollständig in 3D. In den 1990er Jahren stand der Maschinenbau an der Schwelle, welche die Bauindustrie noch zu überwinden hat, um eine ganzheitliche Einführung 3D-CAD-Systemen zu verwirklichen. Zu diesem Zeitpunkt war ein anwenderfreundliches Feature-basiertes Konstruieren möglich, parametrische Volumenmodelle konnten auf Basis geometrischen Bedingungen entwickelt werden. Da CAD-Systeme fortan konventionell ausgebildeten Ingenieuren bedient werden konnten, kam es in der 90er Jahren zu einer entsprechend großflächigen Einführung im Maschinenbau. Der Weg führte der reinen Bauteilkonstruktion zu einem durchgängigen Lebenszyklusmanagement. Seit Beginn des neuen Jahrtausends steht das verteilte Konstruieren im Fokus. Aufgrund der Globalisierung sollen zunehmend Möglichkeiten geschaffen werden, mehreren Standorten aus an einem gemeinsamen Produktmodell zu arbeiten und fachübergreifende Prozesse in CAD-Systeme zu integrieren (Weisberg 2008). Abb D-Modellierung Infrastrukturbaumaßnahmen als Grundlage einer integrierten digitalen Planung und Ausführung Diesen Weg gilt es in der Bauindustrie noch zu gehen, um ein umfassendes 3D-Modell des gesamten Bauvorhabens als Grundlage aller Planungsvorgänge der Digitalen Baustelle zu verwirk- 6

9 EINLEITUNG lichen. Eine solche Vision kann allerdings nur auf Basis intensiver Partnerschaft zwischen Auftraggebern, Bauunternehmungen, Planungsbüros aber auch Software-Herstellern realisiert werden. Für letztere gilt es auf den Bausektor angepasste Produkte zur Verfügung zu stellen, die eine vollwertige Planung in 3D ermöglichen. Bislang genügt der Funktionsumfang bauspezifischer Produkte den zunehmenden Anforderungen einer High-Tech-Branche nicht. Daher werden in dieser Studie nicht nur Lösungen aus dem Bereich Bau untersucht, sondern auch führende CAD-Systeme aus dem Maschinenbau in die Analyse einbezogen. Trotz deutlich fortgeschrittener Entwicklung haben diese den Nachteil, dass Bauspezifika bislang nicht berücksichtigt werden. Allerdings bieten diese hinsichtlich Modellierung und Konstruktion weitaus mehr Möglichkeiten in der Gestaltung komplexer Strukturen, sodass eine künftige Nutzung durchaus realistisch erscheint. Vornehmliches Ziel dieser Studie ist es, der Industrie eine Hilfestellung beziehungsweise einen Leitfaden zur Verfügung zu stellen, der eine an die Unternehmensstrategie orientierte Auswahl eines geeigneten Volumenmodellierungssystems vereinfacht. So können Systeme verschiedener Hersteller hinsichtlich der methodisch ermittelten Anforderungen verglichen und eine Auswahl für eine geeignete Modellierungssoftware getroffen werden. Zudem sollen Möglichkeiten und Chancen einer durchgängigen 3D-Modellierung aufgezeigt sowie die Vorteile gegenüber der Konstruktion nach heutigem Stand dargestellt werden. Allerdings gilt es, entsprechende Rahmenbedingungen zu schaffen, um das volle Potential integrierter 3D- Planung für das Bauwesen zu erschließen. Zudem soll der Umstieg erleichtert werden, indem nicht nur die Vorteile räumlicher Planung erläutert, sondern auch durch diverse Praxisbeispiele belegt werden. Herstellern CAD-Systemen bietet sich die Möglichkeit, ihre Software den in der Praxis ermittelten Anforderungen gegenüberzustellen und eventuelle Anpassungen für die Bauindustrie zu implementieren. Die Vorteile einer durchgängigen Planung in 3D überwiegen die Kosten der Einführung. Letztere verursachen nur einen sehr geringen Anteil an den Kosten einer Infrastrukturbaumaßnahme, dagegen stehen enorme Potentiale im Hinblick auf die partnerschaftliche, unternehmensübergreifende Nutzung eines ganzheitlichen 3D-Modells. Diese Studie und die darin vorgestellten Ergebnisse wurden nur durch die intensive Zusammenarbeit aller Projektpartner ermöglicht. Für die stets gute und produktive Kooperation sei an dieser Stelle allen Partnern herzlich gedankt. Ein ganz besonderer Dank gilt der Bayerischen Forschungsstiftung, deren großzügige Förderung das Projekt überhaupt erst ermöglicht hat. Die unkomplizierte und partnerschaftliche Zusammenarbeit hat uns die Freiheit gegeben, die Vision der Digitalen Baustelle umzusetzen. 7

10 2 Zusammenfassung Der Status Quo besteht in einer fast ausschließlichen Verwendung 2D-Werkzeugen, nur gelegentlich werden räumliche Modelle erstellt. Die enormen Potentiale einer durchgängigen Nutzung 3D-Modellen bleiben bislang unerschlossen. Infrastrukturbaumaßnahmen müssen heute in immer kürzerer Zeit realisiert werden. Gleichzeitig erzeugt der starke Wettbewerb in der Baubranche einen enormen Kostendruck. Diesen Herausforderungen wird die deutsche Bauindustrie nur durch eine Steigerung der Effizienz bei der Planung und Abwicklung Bauvorhaben begegnen können. Ziel dieser Studie ist es, die Probleme zweidimensionaler Modellierung aufzuzeigen sowie die Chancen und Möglichkeiten integrierter 3D- Planung Brückenbauwerken zu veranschaulichen. Zudem soll die Studie der Bauindustrie bei der Einführung räumlicher Modellierung unter die Arme greifen und eine an die Unternehmensstrategie orientierte Auswahl geeigneter Volumenmodellierungssysteme vereinfachen. Die stetig steigende Komplexität und der hohe Änderungsbedarf stellen Nutzer reiner 2D-Systeme immer häufiger vor Probleme. aufwändige Berechnungen der Höhenkoordinaten durchgeführt werden. Dies birgt einen zeitintensiven und fehleranfälligen Prozess, der sich besonders gravierend bei kurzfristigen Änderungen am Trassierungsverlauf auswirkt. Im schlimmsten Fall müssen große Teile der Konstruktionsarbeit erneut durchgeführt werden. Die Vorteile räumlicher Modellierung wirken sich sowohl auf die Planung als auch auf die Ausführungsphase positiv aus. Aus dem Einsatz 3D-CAD-Systemen ergeben sich vielfältige Vorteile für die planende und ausführende Bauindustrie, welche die Wirtschaftlichkeit der gesamten Baustelle sowie die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen im internationalen Vergleich deutlich steigern. Vieles wird möglich kurzfristigen Änderungen am Modell und den abgeleiteten Schnitten über die Abbildung komplexer, filigraner Bauwerke bis hin zu einer automatischen Ermittlung Massen. Hierfür werden verschiedene bauspezifische CAD-Systeme angeboten. Allerdings gibt es auch branchenfremde Modellierungstools, beispielsweise aus dem Maschinenbau oder der Elektronik, die jeweils eigene Vor- und Nachteile mit sich bringen. Nicht selten ergeben sich für den Überbau kompliziert gekrümmte Geometrien, die in zweidimensionaler Form nur schwer darstellbar beziehungsweise interpretierbar sind. Für die Darstellung der dritten Raumkoordinate müssen in der Regel CAD-Systeme für die Baubranche müssen hinsichtlich ihrer Funktionalitäten in der 3D- Modellierung enorm aufholen. Berücksichtigt man die bauspezifischen Anforderungen wie beispielsweise Standards bezüglich 8

11 ZUSAMMENFASSUNG Bausteinbibliotheken oder der Planableitung nicht, treten die Stärken CAD-Systemen aus dem Maschinebau noch deutlicher hervor. Diese liegen speziell im Bereich der Feature-basierten, parametrischen Volumenmodellierung. In dieser Richtung gibt es erste vielversprechende Bestrebungen, indem Tools aus dem Maschinenbau an Bauspezifika angepasst werden. Allerdings sind diese im Folgenden hybride Systeme genannt bislang nicht ausgereift und ein tatsächlicher Praxiseinsatz kompliziert. Die für eine Einführung 3D-CAD notwendigen Prozesse können die heute bestehenden Medienbrüche überwinden. Es gilt entsprechende Rahmenbedingungen zu schaffen, um das volle Potential integrierter 3D- Planung für das Bauwesen zu erschließen. Infolgedessen sind Änderungen am bisherigen Planungsprozess nötig, um ökonomisch sinnvoll und rentabel zu wirtschaften. Informationsverluste und Doppelarbeit müssen reduziert werden. Langfristige Partnerschaften, wie sie häufig in der stationären Industrie anzutreffen sind, schaffen gegenseitiges Vertrauen für eine zügige und erfolgreiche Projektabwicklung. Zwar ist die Einführung einer räumlichen Planungsmethodik mit einer Umstellung verschiedenen traditionellen Arbeitsprozessen verbunden aber unvermeidlich, um in Zukunft ein wettbewerbsfähiges Auftreten gewährleisten zu können. 9

12 3 Brückenmodellierung im Bauwesen Status Quo Gegenwärtig werden Planungsprozesses für die Umsetzung Brückenbauwerken mit traditionellen Methoden realisiert. Die zunehmende Komplexität in der Branche offenbart jedoch die Grenzen 2D-gestützten Planens. Das ForBAU-Projekt entwickelte Methoden und Werkzeuge, die eine durchgängige und digitale Abwicklung der Planungs- und Ausführungsprozesse Bauprojekten ermöglicht. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand der Infrastrukturbau, insbesondere die Realisierung Trassenbauprojekten mitsamt den darin befindlichen Brückenbauwerken. Gängige Methoden, die bislang zur Planung Trassenbauwerken eingesetzt werden, verursachen zunehmend Probleme bei der Umsetzung komplexen Bauvorhaben. Die Planung einer Trasse und der damit beinhalteten Brückenbauwerke erfolgt derzeit in zweidimensionaler Form. Dieses Vorgehen wird als sinnvoll und adäquat erachtet, da man sich im Wesentlichen auf die essentiellen Aspekte der Planungen in den einzelnen Schnitten konzentrieren kann. Dies ermöglicht eine Abbildung des komplexen geometrischen Verlaufs der Trasse. Hierzu wird im Lageplan (x-y-ebene) die Trassierungsachse durch Kreisbögen und Geraden beschrieben, die wiederum durch Übergangsbögen (Klothoiden) miteinander verbunden sind. Im Höhenplan (x-z-ebene) welcher eine Abwicklung des Längsschnittes entlang der Straßenachse darstellt, wird die Gradiente aus Geraden zusammengesetzt. Diese Geraden werden im Bereich der Tangentenschnittpunkte durch Kreisbögen zu einer Wannen- oder Kuppengeometrie ausgerundet (siehe Abb. 3-1 r. u.). Führt man diese beiden geometrischen Beschreibungen zu einem 3D- Objekt zusammen, so erhält man eine sehr komplexe einfach bzw. zweifach gekrümmte Raumkurve (siehe Abb. 3-1 l. u.). Der Verlauf dieser Raumkurve spielt für die Planung eines Brückenbauwerks eine zentrale Rolle, da sie die geometrische Form des Überbaues und somit des gesamten Brückenbauwerks bestimmt. Ein Großteil der vorhandenen Trassierungssoftware kann diese Raumkurve berechnen und ausgeben. Der Austausch der Trassierungsgeometrien zwischen planenden und ausführenden Projektbeteiligten erfolgt derzeit aber auf Basis zweidimensionalen Lage- und Höhenplänen. Durch die Interpretation der zur Verfügung gestellten Pläne rekonstruiert der Brückenbauingenieur erneut den Verlauf der Trasse als zweidimensionales Objekt im Grundriss und Längsschnitt. Erst danach können die verschiedenen Konstruktionsschritte zur Erzeugung der Schal- und Bewehrungspläne für das Brückenbauwerk (Unterbau u. Überbau) konzipiert werden. Die heute übliche 2D-gestützte Planung und Konstruktion Brücken beinhaltet daher eine Reihe Problemen. Zum einen befinden sich Brückenbauwerke bezüglich ihrer Positionierung im Trassierungsnetz häufig in einer Kurve und gleichzeitig in einer Kuppe bzw. Wanne. Folglich ergibt sich für den Überbau eine kompliziert gekrümmte dreidimensionale Geometrie, die in zweidimensionaler Form nur schwer darstellbar bzw. interpretierbar ist. Zum anderen muss für die 10

13 BRÜCKENMODELLIERUNG IM BAUWESEN STATUS QUO Darstellung der dritten Raumkoordinate in den Grundrissen und Schnitten eine in der Regel aufwändige manuelle Berechnungen der Höhenkoordinaten durchgeführt werden (siehe Abb. 3-2) ein äußerst zeitintensiver und fehleranfälliger Prozess. Besonders gravierend wirkt sich dies bei kurzfristigen Änderungen am Trassierungsverlauf aus, die dazu führen, dass große Teile der Konstruktionsarbeit erneut durchgeführt werden müssen. Ein weiteres Problem besteht in der Darstellung des Brückenbauwerks in Schnitten und Grundrissen. Dies kann dazu führen, das nicht alle beteiligten Gewerke eine vollständige verständliche Sicht auf das Bauwerk erhalten. Dies verursacht im Extremfall Fehlinterpretationen der Pläne verbunden mit entsprechenden Folgekosten zur Mangelbehebung. Eine weitere wesentliche Einschränkung der 2D-gestützten Planung Brückenbauwerken liegt darin, dass eine Prüfung auf Kollisionsfreiheit zwischen einzelnen Bauteilen nicht möglich ist. Ähnliches gilt für die Ermittlung Massen, die auf Basis 2D-Plänen immer nur annäherungsweise realisiert werden können. Abb. 3-1 Konstruktionselemente für den Entwurf einer Trassierungsplanung im Lage- und Höhenplan 11

14 Die fehlende datentechnische Verknüpfung zwischen der Trassierungsplanung und dem Entwurf der Brücke führen zu Problemen. Konkreter bedeutet dies, dass sich durch Änderungsprozesse am Trassierungsverlauf, sehr schnell Inkonsistenzen in der Planung ergeben können. Hier offenbaren sich die Grenzen der 2D-Planung sehr deutlich sowohl im Trassen- als auch im Brückenbau. Trotz ausreichender Kenntnis dieser Mängel werden Infrastrukturbauwerke derzeit ausschließlich mit herkömmlichen 2D-Planungsmethoden entworfen und geplant. Durch den Einsatz eines parametrischen Volumenmodellierungssystems könnte man diesen Problemen entgegenwirken und einen transparenteren sowie durchgängigen trassen- und brückenspezifischen Planungsprozess umsetzten. Abb. 3-2 Brückenplanung heute: Aufwändige Erstellung 2D-Zeichnungen zur Darstellung komplexer 3D-Geometrien 12

15 BRÜCKENMODELLIERUNG IM BAUWESEN STATUS QUO 13

16 4 Vorteile räumlicher Modellierung Gängige Konstruktionsprozesse beruhen auf mehreren verteilten Modellen. Durchgängige Prozesse auf Basis eines 3D-Modells wirken sich nicht nur auf die planende, sondern auch auf die ausführende Bauindustrie positiv aus. Die Digitale Fabrik als Vorbild der Digitalen Baustelle ist der Überbegriff für ein umfassendes Netzwerk digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen u. a. der Simulation, der 3D- Modellierung und der Visualisierung welche mithilfe eines durchgängigen Datenmanagements integriert werden. Der Fokus dieses Ansatzes ist dabei die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt selbst (VDI 4499 Blatt 2008). Ausgehend diesem Ansatz erscheint es sinnvoll, die Planung eines Brückenbauwerks anhand eines gemeinsam genutzten räumlichen Modells umsetzen. Für die planende und ausführende Bauindustrie ergeben sich vielfältige Vorteile, welche die Wirtschaftlichkeit der gesamten Baustelle sowie die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen im internationalen Vergleich deutlich steigern. Vorteile in der Planungsphase Abwicklung und Visualisierung komplex gekrümmter Bauwerke Konstruieren beliebigen Strukturen durch verschiedene Modellierungsmethoden (z.b. parametrische Volumenmodellierung) Modellierung Freiformflächen ästhetischer und filigraner Bauwerke Struktursimulationstechnische Tragwerksanalysen Schnelle Modifikationen am parametrisierten Modell Erzeugung komplexer Formen durch die Verwendung traditioneller Konstruktionsprozesse (Extrusion/Rotation zweidimensionalen Querschnitten) Ableitung (uni-/bidirektional oder assoziativ) erforderlicher Schnitte und Grundrisse Gewährleistung einer uni-/bidirektional assoziativen Aktualisierung des Modells bzw. der Zeichnungsableitung Steigerung der Wiederverwendbarkeit und Variantenanalyse durch den Einsatz Parametrik und assoziativen Verknüpfungen (Constrains) Ingenieurtätigkeiten (z.b. Entwicklung/Konstruktion) treten in den Vordergrund Einfache Verwaltung des Modelles aufgrund des bauteilorientierten Modellierungsansatzes Virtuelle Prototypen ersetzen kostenintensive Realmodelle Frühzeitige Fehleranalyse bereits in der Konstruktionsphase 14

17 VORTEILE RÄUMLICHER MODELLIERUNG Die beschriebenen Stichpunkte geben nur offensichtliche Vorteile wieder, die sich unmittelbar aus dem Einsatz eines räumlich orientierten Brückenmodells ergeben. Durch eine unternehmensübergreifende Einführung und den daraus resultierenden ganzheitlichen Prozessen können bislang versteckte Potentiale erschlossen werden. Die notwendige Durchgängigkeit und Transparenz des zentralen 3D-Modells führen in letzter Konsequenz zu einem partnerschaftlichen Bauen aller Akteure, um gemeinsam den entstandenen Vorteilen zu profitieren. Trotz des weiten Wegs und der bislang mangelnden Durchgängigkeit haben einige renommierte Planungsbüros und Baufirmen dies bereits erkannt und setzten einzelne komplexe Planungsprozesse mit Hilfe eines 3D-Modells um. Durch den täglichen Einsatz dieses dreidimensional orientieren Modellansatzes konnten bereits wirtschaftliche Ergebnisse erzielt, Kollegen oder Firmen dem Konzept überzeugt und Wettbewerbsvorteile gegenüber der Konkurrenz erreicht werden. Zwar ist die Einführung einer räumlichen Planungsmethodik mit einer Umstellung verschiedenen traditionellen Arbeitsprozessen verbunden aber unvermeidlich, um in Zukunft ein wettbewerbsfähiges Auftreten gewährleisten zu können. Vorteile während der Ausführungsphase Ableitung Daten zur Steuerung Maschinen aus der Produktion (CAM) Integration semantischer Zusatzinformation (z.b. Materialien, Datum, Ort etc.) Automatische Ermittlung bauteilorientierten Gewichts-/Volumeneinheiten, Trägheitsmomenten etc. Analyse möglicher geometrischer Kollisionen Grundlage für die Bauablaufsimulationen zur Steigerung der Produktivität im Baubetrieb Abbildung des zeitlichen Verlaufs mit Hilfe des räumlichen Brückenmodells Überprüfung des Baufortschritts Soll-Ist-Abgleich zum Nachweis Toleranzen oder Aufmaßen für die Kalkulation Nachweis einer ordnungsgemäßen Erstellung gegenüber dem Bauherrn Verbesserte Kommunikation gegenüber Beteiligten, Anwohnern etc. Visualisierung komplexer Bauteile vor Ort 15

18 5 Herausforderungen räumlicher Modellierung Konstrukteure Ingenieurbauwerken stellen andere Anforderungen an CAD-Systeme als der Maschinenbau. Folglich müssen entsprechende Rahmenbedingungen geschaffen werden, bevor 3D-CAD im Baugewerbe verankert werden kann. 5.1 Voraussetzungen für den Einsatz 3D-CAD Die jetzige Praxis bei Planung und Konstruktion Brückenbauwerken besteht seit vielen Jahren, die damit verbundenen Planungsprozesse stützen sich auf traditionelle Methoden. Daraus ergeben sich Optima lediglich für Einzelprozesse über den gesamten Planungs- und Ausführungszeitraum, die mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht dem Gesamtoptimum aus Kosten und Zeit entsprechen. Ein häufiger Grund hierfür sind die zahlreichen Medienbrüche, die sich aus der heutigen Vergabe Bauprojekten ergeben. Diese Informationsverluste gilt es zu vermeiden, indem 3D-Modelle über die Bauphasen hinweg übergeben werden und somit eine durchgängige Nutzung über die Unternehmensgrenzen hinaus ermöglicht wird. Für eine unternehmensübergreifende Weitergabe und Verwaltung 3D-Modellen bieten sich für das Bauwesen angepasste Produktdatenmanagementsysteme an, die in der stationären Industrie weite Verbreitung bei der Entwicklung Produkten gefunden haben. Diese verwalten sämtliche Daten an zentraler Stelle und können über den gesamten Lebenszyklus der Planung bis zur Bestandsverwaltung und Rückbau Baumaßnahmen genutzt werden (Günthner und Schorr 2011). Das zentrale Produktmodell orientiert sich dabei an den Bauteilen und der Baugruppenstruktur des 3D-Modells. Moderne CAD-Programme haben zudem hohe Anforderungen an die einzusetzende Hardware. Zusammen mit den Kosten für Software und Schulung der Mitarbeiter ergeben sich weitaus höhere Ausgaben als bislang üblich. Infolgedessen sind Änderungen am bisherigen Planungsprozess nötig, um dennoch ökonomisch sinnvoll, d. h. in kürzester Zeit rentabel zu wirtschaften. Nur so können Anwender und Entscheidungsträger den Vorteilen räumlicher Modellierung überzeugt und eine flächendeckende Einführung ermöglicht werden. Der Nutzen räumlicher Modellierung macht sich mitunter erst im Verlauf der Baumaßnahme bemerkbar. Häufig profitiert nicht das Unternehmen, welches den Aufwand zur Erstellung eines 3D- Modells hatte, sondern diejenigen, die ihre Planung und Ausführung an dem zuvor konstruierten Bauwerksmodell ausrichten können. An dieser Stelle müssen Wege gefunden werden, um den Ersteller eines 3D-Modells für dessen Zusatzaufwand zu entlohnen. Langfristige Partnerschaften, wie sie häufig in der stationären Industrie anzutreffen sind, erleichtern derartige Absprachen zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer und schaffen gegenseitiges Vertrauen für eine zügige, erfolgreiche Projektabwicklung. Eine innovative Planung kostet Zeit und Geld, die sich erst Jahre später durch eine effizientere Bauausführung bezahlt macht. Hier gilt es vor allem, 16

19 HERAUSFORDERUNGEN RÄUMLICHER MODELLIERUNG Verständnis auf Seiten des Bauherrn zu schaffen, da dieser die monetären und zeitlichen Vorleistungen aufzubringen hat. Ist erst die Nachfrage nach solchen Leistungen geschaffen und die Rahmenbedingungen erfüllt, wird die 3D- Modellierung Unternehmen mit hoher Innovationskraft weiter getrieben. 5.2 Anforderungen an die Modellierungssoftware Eine 3D-Modellierung Ingenieurbauwerken erfordert neben einer erweiterten Ausbildung des Personals auch ein CAD-System, welches die Forderungen erfüllt, die sich aus der herkömmlichen und der räumlichen Modellierung ergeben. Dabei sind besonders die Kriterien Modellierungstechnik, Schnittstellendesign, Visualisierung, Nutzerfreundlichkeit, Anforderungsliste und Kosten zu beachten. Diese gilt es hinreichend zu erfüllen, um zukünftig den Anforderungen der Bauindustrie nach einer Software für die räumliche Konstruktion Infrastrukturbauwerken zu genügen. Gerade im Bereich der Modellierungstechniken sollten komplizierte Volumenkörper durch Extrusion, Rotation oder auch durch Boolesche Operationen konstruierbar sein. Somit können sowohl Trassierungskurven als auch Modelle beliebig gestalteter Geometrie (Freiformkörper) abgebildet werden. Kurzfristigen Änderungen an Bauteilen oder Baugruppen ist durch eine parametrisierte Modellierung zu begegnen. Dabei gilt es nicht nur, einfache Längenelemente mit Hilfe Variablen zu definieren, sondern auch geometrische Abhängigkeiten auf Basis implementierten Regeln zu schaffen. Folglich führen Änderungen eines Elementes zu einer Aktualisierung des gesamten Bauteils bis hin zu einem Update der übergeordneten Baugruppe. Durch einen entsprechenden Aufbau des Brückenmodells und dessen Kopplung an die Trassenachse, wird bei Änderungen im Trassenverlauf die Geometrie der Brücke automatisch nachgezogen (vgl. Kap. 8). Name Ausdruck Wert Dimensionen Linie1 Länge *2 40 Linie2 Linie1 * 0,5 20 Linie3 Linie2 * 1,5 30 User Variable var_1 Länge 20 Linie2 = Linie1*0,5 Linie1 = Länge*2 Linie3 = Linie2*1,5 Geometrie 1 Geometrie 2 Constraint Linie1 - waagrecht Linie1 Linie2 koinzident Linie1 Linie2 senkrecht Linie1 Linie3 koinzident Linie1 Linie2 senkrecht Linie2 Linie3 parallel Abb. 5-1 Parametrik 3D-CAD-Systemen 17

20 Ein parametrischer Modellaufbau ermöglicht ebenso ein Feature-basiertes Konstruieren, indem standardisierte Geometrien mithilfe integrierter Werkzeuge einzufügen sind. Solche Konstruktionselemente lassen in den meisten Fällen Rückschlüsse auf Fertigung und Funktion des Formelements zu. Durch Aggregation (Zusammenführung Produkteigenschaften) und zusätzlich hinterlegter Semantik (z.b. Fertigungstoleranzen, Informationen zum Lebenszyklus) wird Expertenwissen zur Wiederverwendung bereitgestellt und eine schnelle, hochwertige Konstruktion ermöglicht (VDI 2218). Durch einen objektorientierten Aufbau können Bibliotheken angelegt werden und Bauteile unterschiedlicher Konfiguration Modifikation der Parameter in einer Baugruppe (engl. Assembly) zusammengeführt werden. Teil einer solchen Bibliothek sollten bauspezifische Elemente wie beispielsweise Bewehrungen oder auch Standardmodelle für das Bauwesen (z. B. parametrisierte Widerlagerflügel) sein. Der Modellierungsraum ist im Maschinenbau üblicherweise auf wenige Meter begrenzt, Trassenplanungen erstrecken sich hingegen über mehrere Kilometer. Das einzusetzende CAD-System muss daher derart große Modellabmessungen ermöglichen. Gerade für die tägliche Arbeit auf der Baustelle und die derzeitige Vergabe Infrastrukturprojekten ist die Zeichnungsableitung essentiell. Hier müssen bauspezifische Standards berücksichtigt sein, um die Marktbedürfnisse zu erfüllen. Durch die Zuweisung Attributen wie beispielsweise der Materialeigenschaften, können weitere Auswertungen aus dem 3D-Modell gezogen werden. Eine automatisierte Massenermittlung sei hier als prägnantes Beispiel genannt. Die heutige Praxis zeichnet sich durch strikte Medienbrüche aus, so wird häufig ein zusätzliches Modell für die Analyse statischer Zusammenhänge eines Bauwerks erstellt. Aus diesem Grund sind neutrale Austauschformate notwendig, die ein standardisiertes 3D-Modell an ein weiteres CAD- System übergeben. Für die Anbindung und Integration weiterer Softwarepakete (u. a. Produktdatenmanagement-Systeme, Computer Aided Manufacturing-Systeme) sind offene Schnittstellen erforderlich, die selbsterstellten Programmcode in Aktionen des CAD-System umwandeln. Für die Kommunikation innerhalb des Unternehmens, aber auch für Absprachen mit Subunternehmern oder den einer Baumaßnahme betroffenen Anwohnern ist die Visualisierung des Vorhabens sehr nützlich. Häufig ist ein räumliches Bauwerksmodells bezüglich dessen Veränderungen über den Lebenszyklus statisch. Sinnvoll ist es jedoch, den zeitlichen Verlauf der Bauwerkserstellung durch sequentielles Einblenden einzelner Bauteile zu visualisieren (vgl. Abb. 5-2). Einige Programme verfügen über einen solchen Viewer, während andere neutrale Schnittstellen zum Datenaustausch mit eigens für die Ablaufvisualisierung erstellten Programmen zur Verfügung stellen. Für die Etablierung der 3D-CAD-Modellierung in der Bauindustrie spielen viele Faktoren eine Rolle. Dazu gehört vermehrt das Verständnis für den Nutzen 3D-Modellierung und die Akzeptanz der Anwender. Letztere erfordert ein nutzerfreundliches System, das in Handhabung und Oberfläche ergonomisch und intuitiv ist. Die Unternehmensgröße und die Durchdringung der Projekte, die im Dreidimensionalen geplant 18

21 HERAUSFORDERUNGEN RÄUMLICHER MODELLIERUNG werden, spielen ebenfalls eine große Rolle bei der Auswahl eines CAD-Systems. Die Einführung eines 3D-Modellierungsprogramms muss wirtschaftlich sein, d. h. in absehbarer Zeit rentabel für das Unternehmen werden. Die Kosten der CAD-Systeme gliedern sich üblicherweise in Beschaffungs- und Schulungskosten sowie Kosten für Wartung und Aktualisierung des Programms. All diese Herausforderungen gilt es zu erfüllen, um die 3D-Modellierung Ingenieurbauwerken in der Bauindustrie zu verankern. Dabei spielen sicherlich auch weitere Faktoren eine Rolle, die sich Unternehmen zu Unternehmen, aber auch Bauwerk zu Bauwerk unterscheiden und infolgedessen hier nicht in Betracht gezogen werden. Im Rahmen dieser Studie sollen verschiedene CAD-Systeme aus dem Maschinenbau und dem Bausektor vorgestellt (Kapitel 6) und auf die Erfüllung der angesprochenen Anforderungen (Abschnitt 5.2) untersucht werden. Abb. 5-2 Schrittweise Visualisierung des Bauablaufs 19

22 6 Instrumente für die 3D-Modellierung Brückenbauwerken Die Modellierung Ingenieurbauwerken bedarf innovativer 3D-Technologien. Zurzeit gibt es diverse Anbieter auf dem Markt, deren Produkte bauspezifische Lösungen bieten oder den klassischen Maschinenbau zur Zielgruppe haben. 6.1 Maschinenbau-CAD Im Maschinenbau wurde bereits früh erkannt, welche Vorteile eine dreidimensionale, objektorientierte und parametrische Modellierung Objekten mit sich bringt. Daher wurde in dem letzten Jahrzehnt eine Vielzahl CAD-Systemen entwickelt. Siemens NX. Bei NX6 handelt es sich um ein CAD/CAM/CAE 1 - und PLM 2 gekoppeltes System, das den gesamten Produktentwicklungsprozess der Idee bis hin zur Fertigung unterstützt. Es vereint die Stärken der beiden ursprünglichen CAx-Systeme Unigraphics NX und I-deas NX. Basierend auf dem Parasolid-Kern und dem Cons- 1 Computer Aided Engineering (CAE) umfasst die Unterstützung des Entwicklungsprozesses durch digitale Komponenten. Dazu zählen auch CAD und Computer Aided Manufacturing (CAM). Letzteres bezeichnet die automatisierte, computergestützte Steuerung Fertigungsmaschinen bspw. aus dem CAD-System. 2 Product Lifecycle Management (PLM) als Konzept steuert traint-solver D-Cubed steht ein offenes, flexibles und parametrisierbares 3D-System für Entwicklung und Konstruktion, Styling, Zeichnungserstellung, Simulation und Fertigung sowie weiteren Anwendungsgebieten zur Verfügung. Die weitreichenden 3D-Modellierungsfähigkeiten NX6 erlauben dem Anwender Draht-, Flächen-, sowie Volumenmodelle zu erstellen. Durch den Featurebasierten und parametrisierten Modellierungsansatze können Modifikationen schnell durchgeführt und über die Konstruktionshistorie nachverfolgt werden (Siemens 2008). Siemens Solid Edge. Solid Edge ist ein Featurebasiertes 2D/3D-CAD-System, das mit Hilfe der parametergesteuerten Modellierung sehr schnell flexible Konstruktionen realisieren kann. Das modular aufgebaute System kann an die jeweiligen Anforderungen der Branche angepasst werden und besitzt mit dem leistungsstarken Modellierkern Parasolid die Möglichkeit, komplexe Geometrien als Draht-, Flächen-, Volumenobjekt abzubilden. Die Ableitung normengerechten Zeichnungen sowie eine integrierte Strukturanalyse Bauteilen gehören zu den allgemeinen Standardaufgaben des Systems. Zudem besteht eine direkte Integration in das PLM-System Siemens (Siemens 2009). alle Prozesse und Daten eines Produkts ganzheitlich der ersten Entwicklung über die Produktion bis zur Entsorgung. 20

23 INSTRUMENTE FÜR DIE 3D-MODELLIERUNG VON BRÜCKENBAUWERKEN Dassault CATIA V5. Das vom französischen Konzern Dassault entwickelte System CATIA V5 unterstützt den gesamten Produktentwicklungsprozess digital und hat sich in den verschiedensten Branchen industrieller Fertigung etabliert. Die Konstruktion 3D-Modellen steht im Vordergrund. CATIA bietet zudem die Möglichkeit zur automatisierten Fertigung (CAM). Die Software ist parametrisch, enthält feature-basierte Konstruktionselemente und bietet vielfältige Möglichkeiten für individuelle Konstruktionen inklusive der Modellierung Freiformflächen. Diese Grundfunktionen können um zusätzliche Module für beispielsweise FEM- und Kinematiksimulationen oder auch zu Visualisierungszwecken erweitert werden. Sämtliche Entwicklungsschritte werden in einer umfassenden Konstruktionshistorie gespeichert, so dass Änderungen mit geringem Aufwand durchgeführt werden können. Die aktuelle Version bietet ein PLM-Paket für Lebenszyklus-, Änderungs- und Konfigurationsmanagement (Dassault 2010). Dassault SolidWorks. SolidWorks stammt ebenfalls Dassault und ist im Gegensatz zu CATIA aus strategischer Sicht weniger auf Spezialisten aus dem OEM-Bereich fokussiert, sondern hat den klassischen Maschinenbau zur Zielgruppe. Dementsprechend ist der Funktionsumfang etwas geringer und die Nutzung intuitiver. Dies geht aus der ergonomisch gestalteten Oberfläche und der stark feature-und historie-basierten Konstruktionsweise hervor. Die Modellierungssoftware bietet ein mechanisches CAD-System sowie eine Lebenszyklusbewertung, welche die Umweltverträglichkeit einer Konstruktion erläutert. Mithilfe der integrierten FEM-Analyse können erstellte Modelle virtuell auf verschiedene Lastzustände geprüft werden. Zudem wird ein eigenes PDM-System zur Verwaltung der Konstruktionsdaten angeboten (Dassault 2010). Autodesk Inventor. Autodesk Inventor bietet eine umfassende Produktfamilie für die digitale Produktentwicklung (Digital Prototyping). Anhand eines durchgängigen Modells können vollständige Produkte entwickelt, visualisiert und kontinuierlich hinsichtlich Form und Funktion geprüft werden. Die Konstruktionsumgebung basiert auf parametrischen Modellierungselementen und ermöglicht eine automatisierte Erstellung produktionsgerechter Zeichnungen. Die Konstruktionshistorie erlaubt Änderungen einzelner Entwicklungsschritte im Nachhinein. Die CAD-Software wurde zudem mit Feature-basierten Methoden ausgestattet, um die Modellierung zu vereinfachen und Entwicklungszeiten zu verkürzen. Die Inventor-Familie umfasst Funktionen für die Bewegungssimulation sowie Belastungs- und Spannungsanalysen Maschinen-Bauteilen und -gruppen. Mithilfe einer zentralen Datenverwaltung (PDM) können mehrere Arbeitsgruppen die Entwicklung einzelner Produktkomponenten verfolgen und verwalten (Autodesk 2011). 21

24 6.2 CAD für das Bauwesen Die Softwarelandschaft im Bauwesen bietet eine große Bandbreite verschiedenster Programme, die in der Regel nach wie vor auf einem zweidimensionalen Konstruktionsprinzip basieren. Jedoch gibt es bereits erste Produkte, die eine dreidimensionale und objektorientierte Modellierung Bauwerken ermöglichen. Autodesk AutoCAD AutoCAD 2010 bietet ein breit gefächertes Werkzeugset zur Gestaltung Zeichen- und Dokumentationsprozessen an. Neben der parametrischen Modellierung doppeltgekrümmten Objekten und der sich daraus ergebenden assoziativen Zeichnungen, bildet die Definition Objektbeziehungen oder der Generierung Plansätzen die Basis für eine effiziente Bauwerksplanung. Die Umsetzung dieser Bauwerke kann in AutoCAD 2010 sowohl in zweidimensionaler als auch in dreidimensionaler Form als Flächen-, Netz- und Volumenmodelle erfolgen. Mit Hilfe verschiedener digitaler Werkzeuge können zudem Aufgaben, wie z.b. Visualisierungen oder die Integration Punktwolken aus einem 3D-Laserscan für eine schnellen Modellierung und Bearbeitung Renovierungs- und Sanierungsprojekten durchgeführt werden (Autodesk 2010). Autodesk Revit Structure 2010 Bridge Extension. Revit Structure ist ein weiteres Produkt der Firma Autodesk. Es stellt eine Lösung für Building Information Modeling (BIM) im Ingenieurbau mit speziell entwickelten Werkzeugen für die effiziente Modellierung und Dokumentation 3D- Ingenieurbauwerken und -Tragwerkskonstruktionen dar. Mit Hilfe bidirektionalen Assoziationen zwischen Modell, allen Ansichten und Plänen sorgt Revit Structure dafür, dass Fehler reduziert und die Planungsdaten immer auf dem aktuellen Stand gehalten werden. Durch die Integration des BridgeDesign Moduls können einfache trassengebundene Brücken in Verbindung mit einem BridgeWizard definiert werden (Autodesk 2010). Nemetschek Allplan Mit Hilfe des der Firma Nemetschek entwickelten Softwaresystems Allplan können verschiedenste architektonische aber auch ingenieurspezifische Aufgabenstellungen realisiert werden. Das modular aufgebaute System stellt dem Anwender eine Vielzahl digitalen Werkzeugen, wie zum Beispiel 2D/3D- Bewehrung, bauteilorientierte Hochbaumodellierung, assoziative Ableitung Schnitten oder einen speziellen Tiefbaumodellierer zur Umsetzung eines trassengebundenen Brückenüberbaumodells u.v.m. zur Verfügung. Mit Hilfe des 3D- Moduls können einfache polygonalisierte Volumenkörper konstruiert und unter Einsatz Booleschen Operationen zu komplexeren Körpern kombiniert werden. Neben dem Arbeiten mit einem 3D-Volumenmodell werden auch hybride und traditionelle 2D-Arbeitsweisen sowie BIMorientierte Vorgehensweisen oder bidirektionale Struktursimulations-Softwarekopplungen unterstützt (Nemetschek 2010). 22

25 INSTRUMENTE FÜR DIE 3D-MODELLIERUNG VON BRÜCKENBAUWERKEN 6.3 Hybrid CAD Ein hybrides CAD-System vereint die wesentlichen Vorteile zweier verschiedener Softwareprodukte bzw. erweitert eine Software, so dass sie in einem anderen Anwendungsfeld eingesetzt werden kann (Add-On). Gehry Technologies (G.T.) Digital Project. Das CAD-Programm Digital Project vom Unternehmen Gehry Technologies stellt ein leistungsstarkes 3D Building Information Modeling (BIM) und Management System für die Umsetzung komplexen Bauwerken dar. Durch den Aufsatz des Systems auf das flugzeug- und maschinenbauspezifische CAD-System CATIA Dassault wird dem Anwender eine Plattform zur Verfügung gestellt, mit der er dreidimensionale Modelle schnell umsetzen, Schnitte ableiten und realitätsnahe Visualisierungen durchführen kann. Zusätzlich wurden eine Vielzahl verschiedensten bauspezifischen Modulen für die Umsetzung dreidimensionalen Bewehrungsführungen, die Integration Gauß-Krüger-Koordinaten oder die Ableitung normengerechten Zeichnungen mit in die CAD-Plattform (CATIA) integriert (Gehry 2011). 23

26 7 Bewertung CAD-Systemen für die Modellierung im Brückenbau Die Anwendung 3D-CAD in der Bauindustrie ist sehr stark an die am Markt befindlichen Modellierungssysteme gebunden. Diese sind für unterschiedlichste Zielgruppen konzipiert und verfügen über vielfältige Funktionalitäten. 7.1 Untersuchungsmethodik Innerhalb des dreijährigen Forschungsverbundes ForBAU, der unter anderem die räumliche Modellierung Ingenieurbauwerken zum Ziel hatte, wurden gemeinsam mit den Industriepartnern die Problemstellungen in der Praxis identifiziert. Aufgrund der unterschiedlichen Rollen, welche die Kooperationspartner bei einer Baumaßnahme einnehmen vom Planungsbüro über den Maschinenhersteller bis hin zum bauausführenden Gewerbe ergaben sich verschiedene Sichten auf die Modellierung Bauwerken. Diese wurden zu Anforderungen zusammengetragen, die sich an eine Modellierungssoftware richten, um den spezifischen Ansprüchen der Bauindustrie gerecht zu werden. Aufgrund der hohen Komplexität kommerziell verfügbarer Softwarepakete sowie der großen Anzahl an Anforderungen liegt die Nutzwertanalyse als Entscheidungsvorbereitung nahe (Ehrlenspiel 2007). Diese bietet einen hohen Differenzierungsgrad durch die Verwendung zusätzlicher Gewichtungsfaktoren. Der hierarchische Aufbau dieser quantitativen, nicht-monetären Analysemethode gewährleistet zudem die notwendige Transparenz. Anforderungsanalyse. Nach Literaturrecherchen sowie zahlreichen Interviews und Arbeitstreffen mit Bauunternehmern, Bauplanern und Projektsteuerern wurden die Anforderungen konkretisiert (vgl. Abschnitt 5.2). Diese wurden anschließend klassifiziert, nach ihrer Relevanz gewichtet und in Form einer Anforderungsliste dokumentiert. Dabei wurde darauf geachtet, die Kriterien unabhängig einander zu definieren. Gewichtung. Die ermittelten Anforderungen wurden in Ober-, Zwischen- und Teilziele zerlegt und in verschiedenen Workshops jeweils mit Gewichtungen versehen. Dabei wird zwischen Relativgewichtung im jeweiligen Zweig der Hierarchie und Absolutgewichtung in Bezug auf das Gesamtsystem unterschieden (Lindemann 2007). Die Gewichtungsskala wurde zwischen null und eins gewählt; infolgedessen ergibt sich sowohl für die Relativgewichtungen jeder Stufe als auch für die Absolutgewichtung im Gesamtsystem kumulativ 100%. Zur Ermittlung des Absolutgewichts eines Kriteriums beliebiger Hierarchiestufe wird das Relativgewicht mit dem Absolutgewicht des übergeordneten Kriteriums (Zwischen- bzw. Oberziel) multipliziert. Bewertungssystematik. Im Anschluss wurden die einzelnen Modellierungssysteme auf mehreren Rechnern implementiert und untersucht. Um einer 24

27 BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU subjektiven Einschätzung entgegenzuwirken, wurden Gespräche mit verschiedenen Anwendern und Experten verschiedener Disziplinen geführt. Auf Basis aller zugänglichen Daten und Informationen wurden die Einzelurteile für jedes Kriterium und jede untersuchte Softwarealternative ermittelt, indem der Erfüllungsgrad der einzelnen Anforderungen bewertet wurde. Die Relativgewichte der Kriterien sind festgelegt, können jedoch an individuelle Anwendungsfälle angepasst werden, so spielen beispielsweisen die Kosten eines CAD- System für ein kleines Unternehmen eine größere Rolle als für ein global operierendes Bauunternehmen. Das Gesamturteil einer Modellierungssoftware ergibt sich aus der Multiplikation mit der entsprechenden Gewichtung und anschließender Summierung dieser Einzelprodukte (Reinhart 2008). Daraus lässt sich eine Rangfolge der CAD- Systeme auf einer Ordinalskala ermitteln, auf deren Basis verschiedene Auswertungen durchgeführt wurden (vgl. Abschnitt 7). Dazu gehören neben dem Rang auch die Punktwerte der einzelnen Teilziele sowie eine Analyse der Stärken und Schwächen der in Kapitel 6 erläuterten Gruppierungen. und spiegelt den Stand der zum Untersuchungszeitpunkt vorhandenen Funktionalitäten wieder. In der Zwischenzeit implementierte Neuerungen bzw. Erweiterungen einzelner Anbieter wurden nicht berücksichtigt. Alle Angaben sind daher ohne Gewähr. Die im Folgenden ermittelte Rangfolge bezieht sich nicht auf die CAD-Systeme im Allgemeinen, sondern auf deren Anwendbarkeit für die Modellierung Brückenbauwerken. 7.2 Bewertungsmatrix Die im Folgenden abgebildete Matrix zeigt die Ergebnisse der Nutzwertanalyse. Die untersuchten CAD-Systeme (linke Seite) sind dabei über die einzelnen Anforderungen und deren Teilziele (oben) aufgetragen. Ebenso sind der Erfüllungsgrad (erreichter Punktwert) und die Bedeutung der einzelnen Punktwerte (Erläuterung bzw. Bewertungssystematik) abzulesen. Daraus ergibt sich eine kumulierte gewichtete Kennzahl für die Zwischenziele (grau). Die gewichteten Ergebnisse der Oberziele sind blau hinterlegt. Am rechten Rand kann die erreichte Gesamtpunktzahl (maximal 2) und der Rang der einzelnen CAD- Systeme identifiziert werden. Durch die methodische Vorgehensweise wurde versucht, eine möglichst objektive Bewertung der CAD-Systeme durchzuführen. Diese basiert auf den uns zur Verfügung stehenden Informationen Abb. 7-1 zeigt die Gewichtungen der Ober- und Zwischenziele. Die Gewichte der untergeordneten Teilziele können der Anforderungsliste entnommen werden. 25