Das Konstruieren mit CAD hat die Bauplanung grundlegend verändert. Heute Standard und zahlreich angewendet; so soll in diesem Kapitel auf einige Grundlagen eingegangen werden.

Vektorbasiertes Zeichnen ist die Grundlage jedes CAD-Programmes!

Haben die Koordinaten der Punkte X- und Y-Informationen, so ist die Linie im zweidimensionalen Raum definiert, also 2D. Liegen aber neben den X- und Y- noch die Z-Koordinaten vor, ist die Linie dreidimensional bestimmt (3D).

Welche Auswahlkriterien sind bei CAD-Programmen wichtig?

Entscheidend ist der Einsatzschwerpunkt und der Preis. Reicht für die reine Ausführungsplanung kleinerer Objekte eine günstigere 2D-CAD Software aus, so steigen die Anforderungen an das CAD-Programm mit der Komplexität der gewünschten Ergebnisse. Sollen sich hier weitere Bereiche, wie AVA, Statik oder Visualisierung, computergestützt in der Planung abdecken lassen, wird man schnell merken, dass ein 2D-CAD dabei nicht ausreichend sein kann.

Abbildung 4.1a: Automatisches Verschmelzen einer Mauerwerksecke durch intelligente Objekte (Screenshot ACAD-Bau 2000)

Sollen z.B. für die Massenermittlung (AVA) die Mauerwerksvolumina von der Software ausgeben werden, so liegen zwar Breite und Länge vor - die Höhe, d.h. die dritte Dimension, fehlt jedoch. Da jede nicht Linie der Mauer einzeln editieren werden soll, muss die Software die verschiedenen Bauteile also auch als solche erkennen. Die Mauer muß als Objekt eine gewisse "Intelligenz" besitzen. Diese Intelligenz sollte sich bei allen weiteren Bearbeitungsschritten fortsetzen. Die Mauer soll so z.B. bei eingesetzten Fenstern automatisch eine Mauerwerksöffnung mit den entsprechenden Abmessungen der Fenstern erstellen und bei Mauerwerksüberschneidungen einzelne Wandelemente zusammenfügen (siehe Abbildung 4.1a).

Obenstehende Grundforderungen werden von den meisten 2½D CAD-Lösungen im Baubereich erfüllt. Die Planung erfolgt im 2D-Grundriß, bauteilorientiert wird die Höhe numerisch eingegeben (siehe hierzu Abbildung 4.1b).

3D-CAD geht hier noch einen (entscheidenden) Schritt weiter, die Planung kann im 2D-Grundriss erfolgen, kann aber auch frei im dreidimensionalen Raum aus zu bestimmenden Ansichtspunkten geschehen. Und dies nicht nur rein numerisch, moderne 3D-CAD Lösungen erlauben dem Anwender intuitiv über Mauseingabe das Platzieren und Editieren komplexer Bauteile und Objekte in der 3D-Ansicht. Da Änderungen i.d.R. in Echtzeit in dieser übernommen werden, hat der Planer die Möglichkeit einer sofortigen visuellen Qualitätskontrolle. Hat man z.B. ein Fenster zu hoch eingesetzt wird dies sofort ersichtlich, bei einer 2½D CAD-Lösungen müssten die Eingaben numerisch auf Plausibiltät überprüft oder zusätzlich vom Programm eine Ansicht erstellt werden.

Beispielhaft soll der Unterschied 2½D - 3D anhand der Konstruktionsmodi von ArchiCAD 6.5 verdeutlicht werden. Dieses Programm besitzt einen Grundrissmodus mit graphischer Bearbeitungsmöglichkeit in X- und Y-Achse, die Z-Achse wird numerisch editiert (siehe Abbildung 4.1b: Beispiel Fensterhöhe). Der 3D-Modus in ArchiCAD bietet ebenfalls die numerischen Editierfunktionen des Grundrissmodus, bietet aber weiter die Möglichkeit der graphischen Bearbeitung aller Koordinatenachsen. So könnten die Fensterhöhe über die Objekt- bzw. Punktfangfunktion an die Höhe benachbarter Fenster anpasst werden (siehe Abbildung 4.1c: die Fensterhöhe wird mit der Maus in die gewünschte Größe "gezogen").

Mit welchen Programmen kann das 3D-Gebäudemodell erstellt werden?

Im Baubereich werden hierfür meistens 3D-CAD Programme verwendet. Eine zweite Möglichkeit ist das Verwenden der integrierten Modeler von Animationsprogrammen wie z.B. 3D Studio Max (Autodesk, Kinetix) oder Cinema 4D (Nemetschek). Welches verwendet werden sollte hängt primär von den Projektvoraussetzungen und den Zielsetzungen des 3D-Gebäudemodelles ab.

Findet die komplette Planung einschließlich der Ausführungsplanung rechnergestützt statt, so sollte das Erstellen des Gebäudemodelles mit einem baubezogenen 3D-CAD-Programm erfolgen. Das Rendering für die Visualisierung kann anschließend im integrierten Renderer oder mit einer externen Rendering-Software erfolgen.

Wird dagegen die Planung per Hand angefertigt (es gibt immer noch Architekten und Ingenieure ohne CAD), bzw. ist das Gebäude schon vorhanden (z.B. Umbau), so wird lediglich ein Visualisierungsmodell benötigt.
Die Verwendung einer 3D-Komplettsoftware für Modellierung, Animation und Rendering wie das 3D Studio Max kommt hier in Betracht. Für das Erstellen des digitalen Gebäudemodelles wird der Modeler benutzt, die Visualisierung erfolgt in den Modulen Animation und Rendering.

Abbildung 4.1d: baubezogene Objekte (ArchiCAD 6.5)

3D-CAD-Programme sind meist branchenbezogen und somit auf die besonderen Anforderungen bestimmter Planungsaufgaben spezialisiert. Ein gutes Beispiel ist das AutoCAD von Autodesk. In der Grundversion ein reines Geometrie-CAD, wird es durch Aufsätze wie z.B. ACAD-Bau für den Einsatz im Baubereich erweitert. Erst nun ist wirklich objektorientiertes Planen mit Bauteilen wie z.B. Wänden oder Fenstern möglich. Weitere Aufsätze sind z.B. Mechanical Desktop für den Einsatz im Maschinenbau oder RoCAD als Haustechnik-Lösung.
Das obenstehend bereits beschriebene ArchiCAD 6.5 ist im Gegensatz zum AutoCAD schon in der Grundversion mit vollem Baubezug ausgestattet (siehe Abbildung 4.1d). Zum Erstellen des Gebäudemodelles bietet es eine umfangreiche Sammlung an baubezogenen Objekten und Konstruktionshilfen. Es wurde im Rahmen der Planungen für das IZB Leipzig verwendet.

Abbildung 4.1e: Geometrische Grundelemente (Screenshot Cinema 4D XL)

Die Modeler von Animationsprogrammen können zwar auch objektbezogen arbeiten, bieten jedoch keinen Branchenbezug. So stehen an fertigen Objekten lediglich geometrische Grundkörper zur Verfügung (siehe Abbildung 4.1e/f). Diese können mit Boole'schen Befehlen wie Vereinigen, Teilen, u.s.w. zu weiteren Objekten geformt werden.
Weiter bietet z.B. das 3D Studio Max leistungsstarke Funktionen zum Erstellen von komplexen geschwungenen Objekten mittels NURBS-Flächen (NURBS=Non-Uniform Rational B-Spline and Surfaces). Diese Funktionen finden zum Entwerfen von geschwungenen oder organischen Formen im Baubereich durchaus Verwendung.

Zusammenfassend gestaltet sich mit solchen Programmen das Konstruieren von kompletten Gebäudemodellen durch die fehlenden Bauobjekte jedoch als sehr mühselig. Auch das Erstellen oder Importieren von baubezogenen Objekten stellt keine befriedigende Lösung dar, ihnen fehlt die "Intelligenz" und somit die parametrische Editierbarkeit. Die Modeler von Animationsprogrammen kommen also nicht an die Planungsfunktionalität eines baubezogenen 3D-CAD Programmes heran.

Abbildung 4.1f: Geometrische Grundelemente zum Erstellen von 3D-Modellen (Screenshot 3D Studio Max)