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Herausgegeben von:
Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer
Fakultät Bauingenieurwesen – Bauinformatik/CAD
Hochschule Regensburg
Prüfeninger Straße 58
93049 Regensburg
http://www.hs-regensburg.de
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 2008-2011
Bildredaktion: Dipl.-Ing. Tim Horenburg
Bildnachweis: eigene Bilder
Gestaltung: Dipl.-Ing. Tim Horenburg
Produktion: printy A.Wittek GmbH, München
© Copyright 2011 – Printed in Germany
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1
CAD-MODELLIERUNG IM BAUWESEN
Integrierte 3D-Planung von Brückenbauwerken
Studie
Fakultät Bauingenieurwesen – Bauinformatik/CAD
Hochschule Regensburg
2
PROJEKTTEAM
Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer war im Anschluss an das Studium des Bauingenieur-
wesens 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 Ver-
packungsmaschinen ein. 1989 übernahm er die Professur für Förder- und Materialfluss-
technik an der FH Regensburg. Seit 1994 ist Günthner Leiter des Lehrstuhls für Förder-
technik Materialfluss Logistik an der TU München. Im Bayerischen Forschungsverbund
ForBAU hatte er die Sprecherrolle inne.
Dipl.-Ing. Mathias Obergrießer M.Eng. studierte von 2000 bis 2005 Diplom-
Bauingenieurwesen mit Vertiefung im konstruktiven Ingenieurbau an der Fachhochschule
Regensburg. Sein Studium ergänzte er von 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 von Ingenieurbauwerken sowie in der Integration von geotechnischen
Planungsprozessen.
Dipl.-Ing. Tim Horenburg studierte von 2003 bis 2009 Maschinenwesen an der
Technischen Universität München mit den Schwerpunkten Fahrzeug- und Regelungs-
technik. 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 von Infrastrukturbaumaßnahmen
entwickelt wurden. Seine Hauptaufgabenfelder liegen im Bereich der Materialflussplanung
und Baulogistik.
3
INHALT
1 Einleitung 4
2 Zusammenfassung 8
3 Brückenmodellierung im Bauwesen – Status Quo 10
4 Vorteile räumlicher Modellierung 14
5 Herausforderungen räumlicher Modellierung 16
5.1 Voraussetzungen für den Einsatz von 3D-CAD 16
5.2 Anforderungen an die Modellierungssoftware 17
6 Instrumente für die 3D-Modellierung von Brückenbauwerken 20
6.1 Maschinenbau-CAD 20
6.2 CAD für das Bauwesen 22
6.3 Hybrid CAD 23
7 Bewertung von CAD-Systemen für die Modellierung im Brückenbau 24
7.1 Untersuchungsmethodik 24
7.2 Bewertungsmatrix 25
7.3 Ergebnisse der CAD-Bewertung 30
8 Brückenmodellierung am Praxisbeispiel 41
9 Fazit und Ausblick 49
10 Lehrstuhlprofile 51
11 Literatur 53
INHALT & PROJEKTTEAM
4
1 Einleitung
Das Bauwesen unterliegt heute enormen Anforde-
rungen. Immer komplexere Bauvorhaben müssen
in immer kürzerer Zeit realisiert werden. Gleichzei-
tig erzeugt der starke Wettbewerb in der Branche
einen nachhaltigen Kostendruck. Diesen Anforde-
rungen wird die deutsche Bauindustrie nur durch
eine Steigerung der Effizienz in Planung und Ab-
wicklung von Bauvorhaben begegnen können. Im
Augenblick muss jedoch konstatiert werden, dass
die im Bauwesen erreichte Prozessqualität, vor
allem hinsichtlich Termintreue und Kostensicher-
heit, stark hinter der anderer Branchen zurück-
bleibt.
Die Gründe hierfür sind vielfältig und liegen unter
anderem in den komplexen Rahmenbedingungen,
denen die Bauindustrie unterliegt:
die Fertigung von Unikaten,
die Abhängigkeit von Witterungseinflüssen,
die starke Fragmentierung der Branche,
die ausgeprägte Segmentierung entlang der
Prozesskette und
die eingeschränkte Nutzung moderner Infor-
mations- 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 kom-
plexer Bauvorhaben zu entwickeln.
Gemeinsam mit einer Vielzahl von Unternehmen
aus der Bau- und Softwareindustrie erarbeiteten
Lehrstühle der Technischen Universität München,
der Universität Erlangen-Nürnberg, der Hochschu-
le Regensburg und vom Deutschen Zentrum für
Luft- und Raumfahrttechnik Methoden und Kon-
zepte für das Bauen im 21. Jahrhundert. Dabei
galt es, die Vision der Digitalen Baustelle mit Le-
ben zu füllen und die konzeptionelle und techno-
logische Grundlage für ihre Umsetzung zu schaf-
fen. ForBAU konzentrierte sich dabei auf die Rea-
lisierung von Verkehrstrassen und der darin ent-
haltenen Brückenbauwerke. Anhand des Infra-
strukturbaus konnten die Vorteile einer ganzheitli-
chen, integrierten Abbildung der im Zuge von
Planung und Ausführung anfallenden Daten und
ihre vielfältige Nutzung aufgezeigt werden.
Von besonderer Bedeutung war der interdiszipli-
näre Charakter des Forschungsverbunds, der es
ermöglichte, die in anderen Industriezweigen
gesammelten Erfahrungen bei der Einführung der
digitalen Prozesskette zu nutzen und auf die Spe-
zifika 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
von Systemen zur zentralen Datenhaltung, die
computergestützte Simulation des Bauablaufs und
die Einführung moderner Logistikkonzepte.
Die Komplexität von Baumaßnahmen wird künftig
weiter steigen. Dies gilt insbesondere für den
Infrastrukturbau. Digitale Technologien können
helfen, die erhöhte Komplexität von Planungs-
und Ausführungsprozessen zu beherrschen.
5
EINLEITUNG
Abb. 1-1 Die Vision der Digitalen Baustelle
Ergebnis ist ein Digitales Baustellenmodell, wel-
ches in jeder Projektphase – von der Planung
über die Ausführung bis zur Bewirtschaftung –
unterstützen und so die erheblichen Potentiale für
eine Effizienz- und Qualitätssteigerung im Bauwe-
sen 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 Unterneh-
men im Baugewerbe mit mehr als 100 Mitarbeitern
in irgendeiner Form auf 3D-CAD, kleinere Unter-
nehmen hingegen gerade einmal zu 40% (Günth-
ner 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 von 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 von Bau-
projekten notwendig. Insbesondere müssen die
notwendigen Voraussetzungen sowohl auf Auf-
traggeberseite als auch Auftragnehmerseite ge-
schaffen werden (vgl. Kapitel 5).
Gegenüber der 2D-gestützten Planung ergeben
sich aus der 3D-Modellierung eine Reihe von
Vorteilen. Dazu gehören die automatisch gesi-
cherte Konsistenz später abgeleiteter Schnitte und
Ansichten, das problemlose Aufdecken von geo-
metrischen Konflikten und die Möglichkeit, Bau-
6
teilanalysen und Simulationen durchzuführen,
ohne geometrische Informationen erneut eingeben
zu müssen. Moderne CAD-Systeme basieren
häufig auf parametrischer Konstruktion und geo-
metrischen Zwangsbedingungen. Infolgedessen
können Änderungen schnell und einfach durchge-
führt werden und bedingen keine weitere Neukon-
struktion.
Im Maschinen- und Fahrzeugbau hat sich aus
diesen Gründen die 3D-Modellierung bereits wei-
testgehend durchgesetzt. So plant heute der
überwiegende Teil dieser Industrie vollständig in
3D. In den 1990er Jahren stand der Maschinen-
bau an der Schwelle, welche die Bauindustrie
noch zu überwinden hat, um eine ganzheitliche
Einführung von 3D-CAD-Systemen zu verwirkli-
chen. Zu diesem Zeitpunkt war ein anwender-
freundliches Feature-basiertes Konstruieren mög-
lich, parametrische Volumenmodelle konnten auf
Basis von geometrischen Bedingungen entwickelt
werden. Da CAD-Systeme fortan von konventio-
nell ausgebildeten Ingenieuren bedient werden
konnten, kam es in der 90er Jahren zu einer ent-
sprechend großflächigen Einführung im Maschi-
nenbau. Der Weg führte von der reinen Bauteil-
konstruktion zu einem durchgängigen Lebenszyk-
lusmanagement. Seit Beginn des neuen Jahrtau-
sends steht das verteilte Konstruieren im Fokus.
Aufgrund der Globalisierung sollen zunehmend
Möglichkeiten geschaffen werden, von mehreren
Standorten aus an einem gemeinsamen Produkt-
modell zu arbeiten und fachübergreifende Prozes-
se in CAD-Systeme zu integrieren (Weisberg
2008).
Abb. 1-2 3D-Modellierung von 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 ge-
samten Bauvorhabens als Grundlage aller Pla-
nungsvorgänge der Digitalen Baustelle zu verwirk-
7
EINLEITUNG
lichen. Eine solche Vision kann allerdings nur auf
Basis intensiver Partnerschaft zwischen Auftrag-
gebern, Bauunternehmungen, Planungsbüros
aber auch Software-Herstellern realisiert werden.
Für letztere gilt es auf den Bausektor angepasste
Produkte zur Verfügung zu stellen, die eine voll-
wertige Planung in 3D ermöglichen. Bislang ge-
nügt der Funktionsumfang bauspezifischer Pro-
dukte 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 einbezo-
gen. Trotz deutlich fortgeschrittener Entwicklung
haben diese den Nachteil, dass Bauspezifika
bislang nicht berücksichtigt werden. Allerdings
bieten diese hinsichtlich Modellierung und Kon-
struktion weitaus mehr Möglichkeiten in der Ge-
staltung komplexer Strukturen, sodass eine künfti-
ge Nutzung durchaus realistisch erscheint.
Vornehmliches Ziel dieser Studie ist es, der In-
dustrie eine Hilfestellung beziehungsweise einen
Leitfaden zur Verfügung zu stellen, der eine an die
Unternehmensstrategie orientierte Auswahl eines
geeigneten Volumenmodellierungssystems verein-
facht. So können Systeme verschiedener Herstel-
ler hinsichtlich der methodisch ermittelten Anfor-
derungen verglichen und eine Auswahl für eine
geeignete Modellierungssoftware getroffen wer-
den. Zudem sollen Möglichkeiten und Chancen
einer durchgängigen 3D-Modellierung aufgezeigt
sowie die Vorteile gegenüber der Konstruktion
nach heutigem Stand dargestellt werden. Aller-
dings 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 von CAD-Systemen bietet sich die
Möglichkeit, ihre Software den in der Praxis ermit-
telten 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, unternehmensübergreifen-
de Nutzung eines ganzheitlichen 3D-Modells.
Diese Studie und die darin vorgestellten Ergebnis-
se wurden nur durch die intensive Zusammenar-
beit 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 For-
schungsstiftung, deren großzügige Förderung das
Projekt überhaupt erst ermöglicht hat. Die unkom-
plizierte und partnerschaftliche Zusammenarbeit
hat uns die Freiheit gegeben, die Vision der Digi-
talen Baustelle umzusetzen.
8
2 Zusammenfassung
Infrastrukturbaumaßnahmen müssen heute in
immer kürzerer Zeit realisiert werden. Gleichzeitig
erzeugt der starke Wettbewerb in der Baubranche
einen enormen Kostendruck. Diesen Heraus-
forderungen wird die deutsche Bauindustrie nur
durch eine Steigerung der Effizienz bei der Pla-
nung und Abwicklung von Bauvorhaben begegnen
können.
Ziel dieser Studie ist es, die Probleme zweidimen-
sionaler Modellierung aufzuzeigen sowie die
Chancen und Möglichkeiten integrierter 3D-
Planung von Brückenbauwerken zu veranschauli-
chen. Zudem soll die Studie der Bauindustrie bei
der Einführung räumlicher Modellierung unter die
Arme greifen und eine an die Unternehmensstra-
tegie orientierte Auswahl geeigneter Volumenmo-
dellierungssysteme vereinfachen.
Die stetig steigende Komplexität und der ho-
he Änderungsbedarf stellen Nutzer reiner
2D-Systeme immer häufiger vor Probleme.
Nicht selten ergeben sich für den Überbau kompli-
ziert gekrümmte Geometrien, die in zweidimensi-
onaler Form nur schwer darstellbar beziehungs-
weise interpretierbar sind. Für die Darstellung der
dritten Raumkoordinate müssen in der Regel
aufwändige Berechnungen der Höhenkoordinaten
durchgeführt werden. Dies birgt einen zeitintensi-
ven und fehleranfälligen Prozess, der sich beson-
ders gravierend bei kurzfristigen Änderungen am
Trassierungsverlauf auswirkt. Im schlimmsten Fall
müssen große Teile der Konstruktionsarbeit er-
neut durchgeführt werden.
Die Vorteile räumlicher Modellierung wirken
sich sowohl auf die Planung als auch auf die
Ausführungsphase positiv aus.
Aus dem Einsatz von 3D-CAD-Systemen ergeben
sich vielfältige Vorteile für die planende und aus-
führende Bauindustrie, welche die Wirtschaftlich-
keit der gesamten Baustelle sowie die Wettbe-
werbsfähigkeit der Unternehmen im internationa-
len Vergleich deutlich steigern. Vieles wird mög-
lich – von kurzfristigen Änderungen am Modell
und den abgeleiteten Schnitten über die Abbildung
komplexer, filigraner Bauwerke bis hin zu einer
automatischen Ermittlung von Massen.
Hierfür werden verschiedene bauspezifische
CAD-Systeme angeboten. Allerdings gibt es auch
branchenfremde Modellierungstools, beispielswei-
se aus dem Maschinenbau oder der Elektronik,
die jeweils eigene Vor- und Nachteile mit sich
bringen.
CAD-Systeme für die Baubranche müssen
hinsichtlich ihrer Funktionalitäten in der 3D-
Modellierung enorm aufholen.
Berücksichtigt man die bauspezifischen Anforde-
rungen wie beispielsweise Standards bezüglich
Der Status Quo besteht in einer fast ausschließli-
chen Verwendung von 2D-Werkzeugen, nur gele-
gentlich werden räumliche Modelle erstellt. Die
enormen Potentiale einer durchgängigen Nutzung
von 3D-Modellen bleiben bislang unerschlossen.
9
ZUSAMMENFASSUNG
Bausteinbibliotheken oder der Planableitung nicht,
treten die Stärken von CAD-Systemen aus dem
Maschinebau noch deutlicher hervor. Diese liegen
speziell im Bereich der Feature-basierten, para-
metrischen Volumenmodellierung.
In dieser Richtung gibt es erste vielversprechende
Bestrebungen, indem Tools aus dem Maschinen-
bau an Bauspezifika angepasst werden. Allerdings
sind diese – im Folgenden hybride Systeme ge-
nannt – bislang nicht ausgereift und ein tatsächli-
cher Praxiseinsatz kompliziert.
Die für eine Einführung von 3D-CAD not-
wendigen Prozesse können die heute beste-
henden Medienbrüche überwinden.
Es gilt entsprechende Rahmenbedingungen zu
schaffen, um das volle Potential integrierter 3D-
Planung für das Bauwesen zu erschließen. Infol-
gedessen sind Änderungen am bisherigen Pla-
nungsprozess nötig, um ökonomisch sinnvoll und
rentabel zu wirtschaften. Informationsverluste und
Doppelarbeit müssen reduziert werden. Langfristi-
ge Partnerschaften, wie sie häufig in der stationä-
ren Industrie anzutreffen sind, schaffen gegensei-
tiges Vertrauen für eine zügige und erfolgreiche
Projektabwicklung.
Zwar ist die Einführung einer räumlichen Pla-
nungsmethodik mit einer Umstellung von ver-
schiedenen traditionellen Arbeitsprozessen ver-
bunden – aber unvermeidlich, um in Zukunft ein
wettbewerbsfähiges Auftreten gewährleisten zu
können.
10
3 Brückenmodellierung im Bauwesen – Status Quo
Das ForBAU-Projekt entwickelte Methoden und
Werkzeuge, die eine durchgängige und digitale
Abwicklung der Planungs- und Ausführungspro-
zesse von Bauprojekten ermöglicht. Im Mittelpunkt
der Untersuchungen stand der Infrastrukturbau,
insbesondere die Realisierung von Trassenbau-
projekten mitsamt den darin befindlichen Brü-
ckenbauwerken. Gängige Methoden, die bislang
zur Planung von Trassenbauwerken eingesetzt
werden, verursachen zunehmend Probleme bei
der Umsetzung von komplexen Bauvorhaben.
Die Planung einer Trasse und der damit beinhalte-
ten Brückenbauwerke erfolgt derzeit in zweidi-
mensionaler Form. Dieses Vorgehen wird als
sinnvoll und adäquat erachtet, da man sich im
Wesentlichen auf die essentiellen Aspekte der
Planungen in den einzelnen Schnitten konzentrie-
ren kann. Dies ermöglicht eine Abbildung des
komplexen geometrischen Verlaufs der Trasse.
Hierzu wird im Lageplan (x-y-Ebene) die Trassie-
rungsachse durch Kreisbögen und Geraden be-
schrieben, die wiederum durch Übergangsbögen
(Klothoiden) miteinander verbunden sind. Im Hö-
henplan (x-z-Ebene) welcher eine Abwicklung des
Längsschnittes entlang der Straßenachse dar-
stellt, wird die Gradiente aus Geraden zusam-
mengesetzt. Diese Geraden werden im Bereich
der Tangentenschnittpunkte durch Kreisbögen zu
einer Wannen- oder Kuppengeometrie ausgerun-
det (siehe Abb. 3-1 r. u.). Führt man diese beiden
geometrischen Beschreibungen zu einem 3D-
Objekt zusammen, so erhält man eine sehr kom-
plexe – 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 Groß-
teil der vorhandenen Trassierungssoftware kann
diese Raumkurve berechnen und ausgeben. Der
Austausch der Trassierungsgeometrien zwischen
planenden und ausführenden Projektbeteiligten
erfolgt derzeit aber auf Basis von zweidimensiona-
len Lage- und Höhenplänen. Durch die Interpreta-
tion der zur Verfügung gestellten Pläne rekonstru-
iert der Brückenbauingenieur erneut den Verlauf
der Trasse als zweidimensionales Objekt im
Grundriss und Längsschnitt. Erst danach können
die verschiedenen Konstruktionsschritte zur Er-
zeugung der Schal- und Bewehrungspläne für das
Brückenbauwerk (Unterbau u. Überbau) konzipiert
werden.
Die heute übliche 2D-gestützte Planung und Kon-
struktion von Brücken beinhaltet daher eine Reihe
von Problemen. Zum einen befinden sich Brü-
ckenbauwerke bezüglich ihrer Positionierung im
Trassierungsnetz häufig in einer Kurve und
gleichzeitig in einer Kuppe bzw. Wanne. Folglich
ergibt sich für den Überbau eine kompliziert ge-
krümmte dreidimensionale Geometrie, die in
zweidimensionaler Form nur schwer darstellbar
bzw. interpretierbar ist. Zum anderen muss für die
Gegenwärtig werden Planungsprozesses für die
Umsetzung von Brückenbauwerken mit traditionel-
len Methoden realisiert. Die zunehmende Kom-
plexität in der Branche offenbart jedoch die Gren-
zen 2D-gestützten Planens.
11
BRÜCKENMODELLIERUNG IM BAUWESEN – STATUS QUO
Darstellung der dritten Raumkoordinate in den
Grundrissen und Schnitten eine in der Regel auf-
wändige manuelle Berechnungen der Höhenkoor-
dinaten 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 Kon-
struktionsarbeit erneut durchgeführt werden müs-
sen.
Ein weiteres Problem besteht in der Darstellung
des Brückenbauwerks in Schnitten und Grundris-
sen. Dies kann dazu führen, das nicht alle beteilig-
ten Gewerke eine vollständige verständliche Sicht
auf das Bauwerk erhalten. Dies verursacht im
Extremfall Fehlinterpretationen der Pläne verbun-
den mit entsprechenden Folgekosten zur Mangel-
behebung. Eine weitere wesentliche Einschrän-
kung der 2D-gestützten Planung von Brücken-
bauwerken liegt darin, dass eine Prüfung auf Kol-
lisionsfreiheit zwischen einzelnen Bauteilen nicht
möglich ist. Ähnliches gilt für die Ermittlung von
Massen, die auf Basis von 2D-Plänen immer nur
annäherungsweise realisiert werden können.
Abb. 3-1 Konstruktionselemente für den Entwurf einer Trassierungsplanung im Lage- und Höhenplan
12
Die fehlende datentechnische Verknüpfung zwi-
schen der Trassierungsplanung und dem Entwurf
der Brücke führen zu Problemen. Konkreter be-
deutet dies, dass sich durch Änderungsprozesse
am Trassierungsverlauf, sehr schnell Inkonsisten-
zen in der Planung ergeben können. Hier offenba-
ren sich die Grenzen der 2D-Planung sehr deut-
lich – sowohl im Trassen- als auch im Brücken-
bau. Trotz ausreichender Kenntnis dieser Mängel
werden Infrastrukturbauwerke derzeit ausschließ-
lich 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 Planungspro-
zess umsetzten.
Abb. 3-2 Brückenplanung heute: Aufwändige Erstellung von 2D-Zeichnungen zur Darstellung komplexer 3D-Geometrien
14
4 Vorteile räumlicher Modellierung
Die Digitale Fabrik als Vorbild der Digitalen Bau-
stelle ist der Überbegriff für ein umfassendes
Netzwerk von 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 Struktu-
ren, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik
in Verbindung mit dem Produkt selbst (VDI 4499
Blatt 2008). Ausgehend von diesem Ansatz er-
scheint es sinnvoll, die Planung eines Brücken-
bauwerks anhand eines gemeinsam genutzten
räumlichen Modells umsetzen.
Für die planende und ausführende Bauindustrie
ergeben sich vielfältige Vorteile, welche die Wirt-
schaftlichkeit der gesamten Baustelle sowie die
Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen im inter-
nationalen Vergleich deutlich steigern.
Gängige Konstruktionsprozesse beruhen auf meh-
reren verteilten Modellen. Durchgängige Prozesse
auf Basis eines 3D-Modells wirken sich nicht nur
auf die planende, sondern auch auf die ausfüh-
rende Bauindustrie positiv aus.
Vorteile in der Planungsphase
Konstruieren von beliebigen Strukturen durch verschiedene Modellierungsmethoden (z.B. parametrische Volumenmodellierung)
Modellierung von Freiformflächen ästhetischer und filigraner Bauwerke
Struktursimulationstechnische Tragwerksanalysen
Schnelle Modifikationen am parametrisierten Modell
Erzeugung komplexer Formen durch die Verwendung traditioneller Konstruktionsprozesse (Extrusion/Rotation von 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 von Parametrik und assoziativen Verknüpfungen (Constrains)
Ingenieurtätigkeiten (z.B. Entwicklung/Konstruktion) treten in den Vordergrund
Einfache Verwaltung des Modelles aufgrund des bauteilorientierten Modellierungsansatzes
Abwicklung und Visualisierung komplex gekrümmter Bauwerke
Frühzeitige Fehleranalyse bereits in der Konstruktionsphase
Virtuelle Prototypen ersetzen kostenintensive Realmodelle
15
VORTEILE RÄUMLICHER MODELLIERUNG
Die beschriebenen Stichpunkte geben nur offen-
sichtliche Vorteile wieder, die sich unmittelbar aus
dem Einsatz eines räumlich orientierten Brücken-
modells ergeben. Durch eine unternehmensüber-
greifende Einführung und den daraus resultieren-
den ganzheitlichen Prozessen können bislang
versteckte Potentiale erschlossen werden. Die
notwendige Durchgängigkeit und Transparenz des
zentralen 3D-Modells führen in letzter Konse-
quenz zu einem partnerschaftlichen Bauen aller
Akteure, um gemeinsam von den entstandenen
Vorteilen zu profitieren.
Trotz des weiten Wegs und der bislang mangeln-
den Durchgängigkeit haben einige renommierte
Planungsbüros und Baufirmen dies bereits er-
kannt und setzten einzelne komplexe Planungs-
prozesse mit Hilfe eines 3D-Modells um. Durch
den täglichen Einsatz dieses dreidimensional
orientieren Modellansatzes konnten bereits wirt-
schaftliche Ergebnisse erzielt, Kollegen oder Fir-
men von dem Konzept überzeugt und Wettbe-
werbsvorteile gegenüber der Konkurrenz erreicht
werden.
Zwar ist die Einführung einer räumlichen Pla-
nungsmethodik mit einer Umstellung von ver-
schiedenen traditionellen Arbeitsprozessen ver-
bunden – aber unvermeidlich, um in Zukunft ein
wettbewerbsfähiges Auftreten gewährleisten zu
können.
Vorteile während der Ausführungsphase
Ableitung von Daten zur Steuerung von Maschinen aus der Produktion (CAM)
Integration semantischer Zusatzinformation (z.B. Materialien, Datum, Ort etc.)
Automatische Ermittlung von 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 von Toleranzen oder Aufmaßen für die Kalkulation
Nachweis einer ordnungsgemäßen Erstellung gegenüber dem Bauherrn
Verbesserte Kommunikation gegenüber Beteiligten, Anwohnern etc.
Visualisierung komplexer Bauteile vor Ort
16
5 Herausforderungen räumlicher Modellierung
5.1 Voraussetzungen für den Einsatz von 3D-CAD
Die jetzige Praxis bei Planung und Konstruktion
von 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 Ge-
samtoptimum aus Kosten und Zeit entsprechen.
Ein häufiger Grund hierfür sind die zahlreichen
Medienbrüche, die sich aus der heutigen Vergabe
von Bauprojekten ergeben. Diese Informationsver-
luste gilt es zu vermeiden, indem 3D-Modelle über
die Bauphasen hinweg übergeben werden und
somit eine durchgängige Nutzung über die Unter-
nehmensgrenzen hinaus ermöglicht wird. Für eine
unternehmensübergreifende Weitergabe und
Verwaltung von 3D-Modellen bieten sich für das
Bauwesen angepasste Produktdatenmanage-
mentsysteme an, die in der stationären Industrie
weite Verbreitung bei der Entwicklung von Produk-
ten gefunden haben. Diese verwalten sämtliche
Daten an zentraler Stelle und können über den
gesamten Lebenszyklus – von der Planung bis zur
Bestandsverwaltung und Rückbau von Baumaß-
nahmen – genutzt werden (Günthner und Schorr
2011). Das zentrale Produktmodell orientiert sich
dabei an den Bauteilen und der Baugruppenstruk-
tur 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. Infolgedes-
sen sind Änderungen am bisherigen Planungspro-
zess nötig, um dennoch ökonomisch sinnvoll, d. h.
in kürzester Zeit rentabel zu wirtschaften. Nur so
können Anwender und Entscheidungsträger von
den Vorteilen räumlicher Modellierung überzeugt
und eine flächendeckende Einführung ermöglicht
werden.
Der Nutzen räumlicher Modellierung macht sich
mitunter erst im Verlauf der Baumaßnahme be-
merkbar. Häufig profitiert nicht das Unternehmen,
welches den Aufwand zur Erstellung eines 3D-
Modells hatte, sondern diejenigen, die ihre Pla-
nung und Ausführung an dem zuvor konstruierten
Bauwerksmodell ausrichten können. An dieser
Stelle müssen Wege gefunden werden, um den
Ersteller eines 3D-Modells für dessen Zusatzauf-
wand zu entlohnen. Langfristige Partnerschaften,
wie sie häufig in der stationären Industrie anzutref-
fen sind, erleichtern derartige Absprachen zwi-
schen 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 Bau-
ausführung bezahlt macht. Hier gilt es vor allem,
Konstrukteure von Ingenieurbauwerken stellen
andere Anforderungen an CAD-Systeme als der
Maschinenbau. Folglich müssen entsprechende
Rahmenbedingungen geschaffen werden, bevor
3D-CAD im Baugewerbe verankert werden kann.
17
HERAUSFORDERUNGEN RÄUMLICHER MODELLIERUNG
Verständnis auf Seiten des Bauherrn zu schaffen,
da dieser die monetären und zeitlichen Vorleis-
tungen aufzubringen hat. Ist erst die Nachfrage
nach solchen Leistungen geschaffen und die
Rahmenbedingungen erfüllt, wird die 3D-
Modellierung von Unternehmen mit hoher Innova-
tionskraft weiter getrieben.
5.2 Anforderungen an die Modellierungssoftware
Eine 3D-Modellierung von Ingenieurbauwerken
erfordert neben einer erweiterten Ausbildung des
Personals auch ein CAD-System, welches die
Forderungen erfüllt, die sich aus der herkömmli-
chen 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
von Infrastrukturbauwerken zu genügen.
Gerade im Bereich der Modellierungstechniken
sollten komplizierte Volumenkörper durch Extrusi-
on, Rotation oder auch durch Boolesche Operati-
onen 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 von Variablen
zu definieren, sondern auch geometrische Abhän-
gigkeiten auf Basis von implementierten Regeln
zu schaffen. Folglich führen Änderungen eines
Elementes zu einer Aktualisierung des gesamten
Bauteils bis hin zu einem Update der übergeord-
neten Baugruppe. Durch einen entsprechenden
Aufbau des Brückenmodells und dessen Kopplung
an die Trassenachse, wird bei Änderungen im
Trassenverlauf die Geometrie der Brücke automa-
tisch nachgezogen (vgl. Kap. 8).
Abb. 5-1 Parametrik von 3D-CAD-Systemen
Linie1 = Länge*2
Linie
3 =
Linie
2*1
,5
Linie
2 =
Li
nie
1*0
,5Name Ausdruck Wert
Dimensionen
Linie1 Länge *2 40
Linie2 Linie1 * 0,5 20
Linie3 Linie2 * 1,5 30
…
User Variable
var_1 Länge 20
Geometrie 1 Geometrie 2 Constraint
Linie1 - waagrecht
Linie1 Linie2 koinzident
Linie1 Linie2 senkrecht
Linie1 Linie3 koinzident
Linie1 Linie2 senkrecht
Linie2 Linie3 parallel
…
18
Ein parametrischer Modellaufbau ermöglicht
ebenso ein Feature-basiertes Konstruieren, indem
standardisierte Geometrien mithilfe integrierter
Werkzeuge einzufügen sind. Solche Konstrukti-
onselemente lassen in den meisten Fällen Rück-
schlüsse auf Fertigung und Funktion des Form-
elements zu. Durch Aggregation (Zusammenfüh-
rung von Produkteigenschaften) und zusätzlich
hinterlegter Semantik (z.B. Fertigungstoleranzen,
Informationen zum Lebenszyklus) wird Experten-
wissen zur Wiederverwendung bereitgestellt und
eine schnelle, hochwertige Konstruktion ermög-
licht (VDI 2218).
Durch einen objektorientierten Aufbau können
Bibliotheken angelegt werden und Bauteile unter-
schiedlicher Konfiguration – Modifikation der Pa-
rameter – in einer Baugruppe (engl. Assembly)
zusammengeführt werden. Teil einer solchen
Bibliothek sollten bauspezifische Elemente wie
beispielsweise Bewehrungen oder auch Stan-
dardmodelle für das Bauwesen (z. B. parametri-
sierte Widerlagerflügel) sein. Der Modellierungs-
raum ist im Maschinenbau üblicherweise auf we-
nige Meter begrenzt, Trassenplanungen erstre-
cken 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 von Infrastrukturprojekten ist
die Zeichnungsableitung essentiell. Hier müssen
bauspezifische Standards berücksichtigt sein, um
die Marktbedürfnisse zu erfüllen. Durch die Zu-
weisung von Attributen wie beispielsweise der
Materialeigenschaften, können weitere Auswer-
tungen aus dem 3D-Modell gezogen werden. Eine
automatisierte Massenermittlung sei hier als präg-
nantes Beispiel genannt.
Die heutige Praxis zeichnet sich durch strikte
Medienbrüche aus, so wird häufig ein zusätzliches
Modell für die Analyse statischer Zusammenhän-
ge 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 In-
tegration weiterer Softwarepakete (u. a. Produkt-
datenmanagement-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 von einer Baumaßnahme betroffenen
Anwohnern ist die Visualisierung des Vorhabens
sehr nützlich. Häufig ist ein räumliches Bau-
werksmodells bezüglich dessen Veränderungen
über den Lebenszyklus statisch. Sinnvoll ist es
jedoch, den zeitlichen Verlauf der Bauwerkserstel-
lung durch sequentielles Einblenden einzelner
Bauteile zu visualisieren (vgl. Abb. 5-2). Einige
Programme verfügen über einen solchen Viewer,
während andere neutrale Schnittstellen zum Da-
tenaustausch mit eigens für die Ablaufvisualisie-
rung 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 von 3D-Modellierung und die Akzeptanz
der Anwender. Letztere erfordert ein nutzerfreund-
liches System, das in Handhabung und Oberflä-
che ergonomisch und intuitiv ist.
Die Unternehmensgröße und die Durchdringung
der Projekte, die im Dreidimensionalen geplant
19
HERAUSFORDERUNGEN RÄUMLICHER MODELLIERUNG
werden, spielen ebenfalls eine große Rolle bei der
Auswahl eines CAD-Systems. Die Einführung
eines 3D-Modellierungsprogramms muss wirt-
schaftlich sein, d. h. in absehbarer Zeit rentabel
für das Unternehmen werden. Die Kosten der
CAD-Systeme gliedern sich üblicherweise in Be-
schaffungs- und Schulungskosten sowie Kosten
für Wartung und Aktualisierung des Programms.
All diese Herausforderungen gilt es zu erfüllen, um
die 3D-Modellierung von Ingenieurbauwerken in
der Bauindustrie zu verankern. Dabei spielen
sicherlich auch weitere Faktoren eine Rolle, die
sich von Unternehmen zu Unternehmen, aber
auch von Bauwerk zu Bauwerk unterscheiden und
infolgedessen hier nicht in Betracht gezogen wer-
den. Im Rahmen dieser Studie sollen verschiede-
ne 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
20
6 Instrumente für die 3D-Modellierung von Brücken-
bauwerken
6.1 Maschinenbau-CAD Im Maschinenbau wurde bereits früh erkannt,
welche Vorteile eine dreidimensionale, objektori-
entierte und parametrische Modellierung von Ob-
jekten mit sich bringt. Daher wurde in dem letzten
Jahrzehnt eine Vielzahl von CAD-Systemen ent-
wickelt.
Siemens NX. Bei NX6 handelt es sich um ein
CAD/CAM/CAE1- und PLM2 gekoppeltes System,
das den gesamten Produktentwicklungsprozess –
von 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 Unterstüt-
zung des Entwicklungsprozesses durch digitale Komponen-
ten. Dazu zählen auch CAD und Computer Aided Manufac-
turing (CAM). Letzteres bezeichnet die automatisierte,
computergestützte Steuerung von Fertigungsmaschinen
bspw. aus dem CAD-System. 2 Product Lifecycle Management (PLM) als Konzept steuert
alle Prozesse und Daten eines Produkts ganzheitlich – von
der ersten Entwicklung über die Produktion bis zur Entsor-
gung.
traint-Solver D-Cubed steht ein offenes, flexibles
und parametrisierbares 3D-System für Entwick-
lung und Konstruktion, Styling, Zeichnungserstel-
lung, Simulation und Fertigung sowie weiteren
Anwendungsgebieten zur Verfügung. Die weitrei-
chenden 3D-Modellierungsfähigkeiten von NX6
erlauben dem Anwender Draht-, Flächen-, sowie
Volumenmodelle zu erstellen. Durch den Feature-
basierten und parametrisierten Modellierungsan-
satze können Modifikationen schnell durchgeführt
und über die Konstruktionshistorie nachverfolgt
werden (Siemens 2008).
Siemens Solid Edge. Solid Edge ist ein Feature-
basiertes 2D/3D-CAD-System, das mit Hilfe der
parametergesteuerten Modellierung sehr schnell
flexible Konstruktionen realisieren kann. Das mo-
dular aufgebaute System kann an die jeweiligen
Anforderungen der Branche angepasst werden
und besitzt mit dem leistungsstarken Modellier-
kern Parasolid die Möglichkeit, komplexe Geomet-
rien als Draht-, Flächen-, Volumenobjekt abzubil-
den. Die Ableitung von normengerechten Zeich-
nungen sowie eine integrierte Strukturanalyse von
Bauteilen gehören zu den allgemeinen Standard-
aufgaben des Systems. Zudem besteht eine direk-
te Integration in das PLM-System von Siemens
(Siemens 2009).
Die Modellierung von Ingenieurbauwerken bedarf
innovativer 3D-Technologien. Zurzeit gibt es di-
verse Anbieter auf dem Markt, deren Produkte
bauspezifische Lösungen bieten oder den klassi-
schen Maschinenbau zur Zielgruppe haben.
21
INSTRUMENTE FÜR DIE 3D-MODELLIERUNG VON BRÜCKENBAUWERKEN
Dassault CATIA V5. Das vom französischen
Konzern Dassault entwickelte System CATIA V5
unterstützt den gesamten Produktentwicklungs-
prozess digital und hat sich in den verschiedens-
ten Branchen industrieller Fertigung etabliert. Die
Konstruktion von 3D-Modellen steht im Vorder-
grund. CATIA bietet zudem die Möglichkeit zur
automatisierten Fertigung (CAM). Die Software ist
parametrisch, enthält feature-basierte Konstrukti-
onselemente und bietet vielfältige Möglichkeiten
für individuelle Konstruktionen inklusive der Mo-
dellierung von Freiformflächen. Diese Grundfunk-
tionen können um zusätzliche Module für bei-
spielsweise 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-, Ände-
rungs- und Konfigurationsmanagement (Dassault
2010).
Dassault SolidWorks. SolidWorks stammt eben-
falls von 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 Konstrukti-
onsweise hervor.
Die Modellierungssoftware bietet ein mechani-
sches CAD-System sowie eine Lebenszyklusbe-
wertung, welche die Umweltverträglichkeit einer
Konstruktion erläutert. Mithilfe der integrierten
FEM-Analyse können erstellte Modelle virtuell auf
verschiedene Lastzustände geprüft werden. Zu-
dem wird ein eigenes PDM-System zur Verwal-
tung der Konstruktionsdaten angeboten (Dassault
2010).
Autodesk Inventor. Autodesk Inventor bietet eine
umfassende Produktfamilie für die digitale Pro-
duktentwicklung (Digital Prototyping). Anhand
eines durchgängigen Modells können vollständige
Produkte entwickelt, visualisiert und kontinuierlich
hinsichtlich Form und Funktion geprüft werden.
Die Konstruktionsumgebung basiert auf parame-
trischen Modellierungselementen und ermöglicht
eine automatisierte Erstellung produktionsgerech-
ter 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 Entwicklungs-
zeiten zu verkürzen. Die Inventor-Familie umfasst
Funktionen für die Bewegungssimulation sowie
Belastungs- und Spannungsanalysen von Ma-
schinen-Bauteilen und -gruppen. Mithilfe einer
zentralen Datenverwaltung (PDM) können mehre-
re Arbeitsgruppen die Entwicklung einzelner Pro-
duktkomponenten verfolgen und verwalten (Auto-
desk 2011).
22
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 zweidi-
mensionalen Konstruktionsprinzip basieren. Je-
doch gibt es bereits erste Produkte, die eine drei-
dimensionale und objektorientierte Modellierung
von Bauwerken ermöglichen.
Autodesk AutoCAD 2010. AutoCAD 2010 bietet
ein breit gefächertes Werkzeugset zur Gestaltung
von Zeichen- und Dokumentationsprozessen an.
Neben der parametrischen Modellierung von dop-
peltgekrümmten Objekten und der sich daraus
ergebenden assoziativen Zeichnungen, bildet die
Definition von Objektbeziehungen oder der Gene-
rierung von Plansätzen die Basis für eine effizien-
te Bauwerksplanung. Die Umsetzung dieser Bau-
werke kann in AutoCAD 2010 sowohl in zweidi-
mensionaler als auch in dreidimensionaler Form
als Flächen-, Netz- und Volumenmodelle erfolgen.
Mit Hilfe verschiedener digitaler Werkzeuge kön-
nen zudem Aufgaben, wie z.B. Visualisierungen
oder die Integration von Punktwolken aus einem
3D-Laserscan für eine schnellen Modellierung und
Bearbeitung von Renovierungs- und Sanierungs-
projekten durchgeführt werden (Autodesk 2010).
Autodesk Revit Structure 2010 Bridge Exten-
sion. 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 von 3D-
Ingenieurbauwerken und -Tragwerkskonstruktio-
nen dar. Mit Hilfe von bidirektionalen Assoziatio-
nen 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 trassen-
gebundene Brücken in Verbindung mit einem
BridgeWizard definiert werden (Autodesk 2010).
Nemetschek Allplan 2008. Mit Hilfe des von der
Firma Nemetschek entwickelten Softwaresystems
Allplan können verschiedenste architektonische
aber auch ingenieurspezifische Aufgabenstellun-
gen realisiert werden. Das modular aufgebaute
System stellt dem Anwender eine Vielzahl von
digitalen Werkzeugen, wie zum Beispiel 2D/3D-
Bewehrung, bauteilorientierte Hochbaumodellie-
rung, assoziative Ableitung von Schnitten oder
einen speziellen Tiefbaumodellierer zur Umset-
zung eines trassengebundenen Brückenüberbau-
modells u.v.m. zur Verfügung. Mit Hilfe des 3D-
Moduls können einfache polygonalisierte Volu-
menkörper konstruiert und unter Einsatz von Boo-
leschen Operationen zu komplexeren Körpern
kombiniert werden. Neben dem Arbeiten mit ei-
nem 3D-Volumenmodell werden auch hybride und
traditionelle 2D-Arbeitsweisen sowie BIM-
orientierte Vorgehensweisen oder bidirektionale
Struktursimulations-Softwarekopplungen unter-
stützt (Nemetschek 2010).
23
INSTRUMENTE FÜR DIE 3D-MODELLIERUNG VON BRÜCKENBAUWERKEN
6.3 Hybrid CAD Ein hybrides CAD-System vereint die wesentli-
chen Vorteile zweier verschiedener Softwarepro-
dukte bzw. erweitert eine Software, so dass sie in
einem anderen Anwendungsfeld eingesetzt wer-
den 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 Ma-
nagement System für die Umsetzung von komple-
xen Bauwerken dar. Durch den Aufsatz des Sys-
tems auf das flugzeug- und maschinenbauspezifi-
sche CAD-System CATIA von Dassault wird dem
Anwender eine Plattform zur Verfügung gestellt,
mit der er dreidimensionale Modelle schnell um-
setzen, Schnitte ableiten und realitätsnahe Visua-
lisierungen durchführen kann. Zusätzlich wurden
eine Vielzahl von verschiedensten bauspezifi-
schen Modulen für die Umsetzung von dreidimen-
sionalen Bewehrungsführungen, die Integration
von Gauß-Krüger-Koordinaten oder die Ableitung
von normengerechten Zeichnungen mit in die
CAD-Plattform (CATIA) integriert (Gehry 2011).
24
7 Bewertung von CAD-Systemen für die Modellierung
im Brückenbau
7.1 Untersuchungsmethodik Innerhalb des dreijährigen Forschungsverbundes
ForBAU, der unter anderem die räumliche Model-
lierung von Ingenieurbauwerken zum Ziel hatte,
wurden gemeinsam mit den Industriepartnern die
Problemstellungen in der Praxis identifiziert. Auf-
grund der unterschiedlichen Rollen, welche die
Kooperationspartner bei einer Baumaßnahme
einnehmen – vom Planungsbüro über den Ma-
schinenhersteller bis hin zum bauausführenden
Gewerbe – ergaben sich verschiedene Sichten auf
die Modellierung von Bauwerken. Diese wurden
zu Anforderungen zusammengetragen, die sich an
eine Modellierungssoftware richten, um den spezi-
fischen Ansprüchen der Bauindustrie gerecht zu
werden.
Aufgrund der hohen Komplexität kommerziell
verfügbarer Softwarepakete sowie der großen
Anzahl an Anforderungen liegt die Nutzwertanaly-
se als Entscheidungsvorbereitung nahe (Ehrlen-
spiel 2007). Diese bietet einen hohen Differenzie-
rungsgrad durch die Verwendung zusätzlicher
Gewichtungsfaktoren. Der hierarchische Aufbau
dieser quantitativen, nicht-monetären Analyseme-
thode gewährleistet zudem die notwendige Trans-
parenz.
Anforderungsanalyse. Nach Literaturrecherchen
sowie zahlreichen Interviews und Arbeitstreffen
mit Bauunternehmern, Bauplanern und Projekt-
steuerern 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
voneinander zu definieren.
Gewichtung. Die ermittelten Anforderungen wur-
den in Ober-, Zwischen- und Teilziele zerlegt und
in verschiedenen Workshops jeweils mit Gewich-
tungen versehen. Dabei wird zwischen Relativge-
wichtung – im jeweiligen Zweig der Hierarchie –
und Absolutgewichtung in Bezug auf das Gesamt-
system 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 über-
geordneten Kriteriums (Zwischen- bzw. Oberziel)
multipliziert.
Bewertungssystematik. Im Anschluss wurden
die einzelnen Modellierungssysteme auf mehreren
Rechnern implementiert und untersucht. Um einer
Die Anwendung von 3D-CAD in der Bauindustrie
ist sehr stark an die am Markt befindlichen Model-
lierungssysteme gebunden. Diese sind für unter-
schiedlichste Zielgruppen konzipiert und verfügen
über vielfältige Funktionalitäten.
25
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 Informati-
onen wurden die Einzelurteile für jedes Kriterium
und jede untersuchte Softwarealternative ermittelt,
indem der Erfüllungsgrad der einzelnen Anforde-
rungen bewertet wurde. Die Relativgewichte der
Kriterien sind festgelegt, können jedoch an indivi-
duelle Anwendungsfälle angepasst werden, so
spielen beispielsweisen die Kosten eines CAD-
System für ein kleines Unternehmen eine größere
Rolle als für ein global operierendes Bauunter-
nehmen.
Das Gesamturteil einer Modellierungssoftware
ergibt sich aus der Multiplikation mit der entspre-
chenden Gewichtung und anschließender Sum-
mierung dieser Einzelprodukte (Reinhart 2008).
Daraus lässt sich eine Rangfolge der CAD-
Systeme auf einer Ordinalskala ermitteln, auf
deren Basis verschiedene Auswertungen durchge-
führt wurden (vgl. Abschnitt 7). Dazu gehören
neben dem Rang auch die Punktwerte der einzel-
nen Teilziele sowie eine Analyse der Stärken und
Schwächen der in Kapitel 6 erläuterten Gruppie-
rungen.
Durch die methodische Vorgehensweise wurde
versucht, eine möglichst objektive Bewertung der
CAD-Systeme durchzuführen. Diese basiert auf
den uns zur Verfügung stehenden Informationen
und spiegelt den Stand der zum Untersuchungs-
zeitpunkt 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 Modellie-
rung von 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 de-
ren 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.
Abb. 7-1 zeigt die Gewichtungen der Ober- und
Zwischenziele. Die Gewichte der untergeordneten
Teilziele können der Anforderungsliste entnom-
men werden.
26
Abb. 7-1 Gewichtung der Untersuchungskriterien
Freiform-ModellierungFeature-basierte ModellierungModellierungsraum2D-AusführungspläneParametrisierte ModellierungVolumenmodellierungUnterstützung von StandardsModellierung von BewehrungObjektbasierte ModellierungBauteileigenschaften
LizenzkostenSchulungskosten
Kosten
BenutzeroberflächeHandhabung
ModellvisualisierungVisualisierungsschnittstellen
DatenschnittstellenSoftwareintegrationProgrammierschnittstellen
57%
21%
3%
14%
5%
75%
25%
34%
66%
Visualisierung
Modellierungstechniken
40%
60%
Ergonomie
Schnittstellen
25%
29%
46%
12%
13%
13%
13%
13%
10%
9%
6%
5%5%
30
7.3 Ergebnisse der CAD-Bewertung
In Rahmen dieser Studie wurden insgesamt 9
CAD-Systeme (Abb. 7-2) aus unterschiedlichen
Branchen evaluiert. Dazu wurden verschiedene
Auswertungen durchgeführt. In einer dieser Aus-
wertungen wurden die bauspezifischen Aspekte
nicht berücksichtigt. Dies ermöglichte, eine Aus-
sage über die Leistungsfähigkeit der Maschinen-
bau-CAD-Systeme untereinander treffen zu kön-
nen. Ein Ergebnis dieser Untersuchung war, dass
speziell die Produkte Siemens NX und Dassault
CATIA komplexe 3D-Modelle umsetzen können.
Abb. 7-2 Branchenzuordnung der Systeme
Abb. 7-3 Ergebnis der Bewertung von CAD-Systemen
Maschinenbau CAD Bau CAD Hybrid CAD
Kategorien
Modellierungstechniken
Schnittstellen
Visualisierung
Ergonomie
Kosten
,
,,,,
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Nemetschek Allplan 2008
Autodesk AutoCAD 2010
Autodesk Revit Structure
Autodesk Inventor
Dassault SolidWorks
Dassault CATIA
G.T. Digital Project
Siemens Solid Edge
Siemens NX 2006
31
BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU
In einer weiteren Studie wurden die Bauspezifika
berücksichtigt. Hierbei wiesen die Maschinen-
bausysteme deutliche Lücken auf. Aber auch bei
den Bau-CAD-Systemen konnte man erkennen,
dass sie hinsichtlich ihrer Modellierungskonzepte
und Funktionalitäten einen deutlichen Nachholbe-
darf aufweisen. Als geeignetes System zur Model-
lierung von Brückenbauwerken erwies sich das
Produkt „Revit Structure Bridge Extension“ von
Autodesk (Abb. 7-3). Dieses System konnte den
meisten Anforderungen aus der Studie entspre-
chen. Von den Ergebnissen vergleichbar mit „Re-
vit Structure“ ist das hybride CAD-System „Digital
Project“, das mit dem sehr interessanten Ansatz,
ein Maschinenbau-CAD-System um bauspezifi-
sche Funktionen zu erweitern, deutliche Vorteile
bei der Modellierung von Brücken vorweisen
konnte. In wie weit sich dieser Ansatz auf andere
Maschinenbau-CAD-Systeme übertragen lässt
bleibt abzuwarten.
Autodesk Revit Structure 2010 (Rang 1)
Aufgrund des verbesserten Modellierungskon-
zepts von Revit Structure können komplexe Ob-
jekte unter Berücksichtigung von bauspezifischen
Randbedingungen erzeugt werden. Die Erstellung
eines trassengebundenen Brückenmodells ist mit
Hilfe des Bridge Design Wizard auf eine einfache
Art und Weise möglich. Besonders dieses Zu-
satzmodell macht das System sehr lukrativ für die
planende Bauindustrie. Leider können derzeit nur
Brückenformen abgebildet werden, die eher dem
amerikanischen Standard (Highway-Brücken)
entsprechen. Dies äußert sich in sehr schlanken
und aufgelösten Konstruktionen. In wie weit sich
diese Modelle weiterbearbeiten lassen, konnte im
Rahmen dieser Studie nicht ermittelt werden. Die
Performance des Systems stößt bei speicherin-
tensiven Modellen an ihre Grenzen. Trotz alledem
hat die Firma Autodesk mit der Revit Structure
Bridge Extension einen sehr interessanten Ansatz
aufgezeigt, der weiter verfolgt werden sollte.
Abb. 7-4 Bewertungsdiaramm Autodesk Revit Structure3
Modellierungstechniken (Sehr Gut). Das bau-
spezifische System konnte in sämtlichen modellie-
rungs- sowie bauspezifischen Untersuchungsan-
forderungen zur Umsetzung eines Brückenmo-
dells überzeugen. Die Modellierung von mehr-
fachgekrümmten Flächen bzw. Körpern sowie
deren Modifikation stellt kein Problem dar. Selbst-
verständlich sind alle notwendigen Bauspezifika
im System vorgehalten, so dass normengerechte
Pläne abgeleitet, Bewehrungsführungen integriert
und Bauteilbibliotheken eingesetzt werden kön-
nen. Besonders das für den Brückenbau entwi-
ckelte Add-On Programm „Bridge Design Wizard“
vereinfacht stark die Umsetzung eines Brücken-
modells. Hierbei werden verschiedene Standard-
formen für die Modellierung des Überbaues, der
Widerlager aber auch der Pfeiler und Gründungen 3 Die Werte in den Diagrammen sind normiert. Erst unter
Berücksichtigung der Gewichtung können diese zu einer
Gesamtpunktzahl addiert werden.
32
zur Verfügung gestellt. Die Anbindung der Trasse
an das Brückenbauwerk erfolgt mittels einer
LandXML-Schnittstelle.
Vereinzelt weist das System Schwächen bei der
Modellierung von komplexen Körpern (Extrusions-
richtung) sowie beim Einsatz von Parametern und
Features auf.
Schnittstellen (Sehr Gut). Revit Stucture besitzt
eine Vielzahl an Schnittstellen, die einen Daten-
import bzw. -export ermöglichen. Mit Hilfe der
offenen Programmierschnittstelle können anwen-
dungsspezifische Programme erzeugt werden.
Eine zentrale Verwaltung der Modelldaten kann
mit Hilfe einer PDM-Datenbankintegration umge-
setzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit,
Modelldaten bidirektional an ein Struktursimulati-
onsprogramm zu übergeben.
Die Übergabe der Modelldaten an Maschinen
mittels einer CAM-Schnittstelle ist nicht vorgese-
hen. Des Weiteren können für die Programmie-
rung von komplexen Verschneidungen u.ä. nicht
ausreichend auf boolesche Operationen zugegrif-
fen werden.
Visualisierung (Ausreichend). Die programmin-
terne Darstellung der Modelle ist für die Planer-
zeugung ausreichend. Eine Übergabe der Daten
an eine externe Visualisierungssoftware ist nur
nach 3D Studio Max möglich. Weitere Schnittstel-
len sind nicht vorhanden.
Nutzerfreundlichkeit (Ausgezeichnet). Die Be-
nutzung des Programms ist intuitiv und schnell
erlernbar. Die zur Verfügung stehenden Funktio-
nen sind verständlich und in der benutzeroberflä-
che strukturiert angeordnet.
Kosten (Mittel). Die Anschaffungs- und Unter-
haltskosten liegen im mittleren Bewertungsbe-
reich. Schulungen und Support können über das
Internet oder bei einem Vertriebspartner bezogen
werden.
Autodesk AutoCAD 2010 (Rang 8)
AutoCAD eignet sich sehr gut für die Umsetzung
von zweidimensionalen Plandarstellungen. Bei der
Erstellung von mehrfachgekrümmten Körpern
bzw. Brückenmodellen stößt das System jedoch
an seine Grenzen. Durch eine Anpassung des
Modellierungskonzeptes könnten auch dreidimen-
sionale Brückenmodelle in AutoCAD erzeugt wer-
den.
Abb. 7-5 Bewertungsdiagramm Autodesk AutoCAD 2010
Modellierungstechniken (Akzeptabel). AutoCAD
basiert auf einem zweidimensionalen Konstrukti-
onsansatz, der später um dreidimensionale Funk-
tionalitäten erweitert wurde. Dieser erweiterte
Ansatz birgt Schwächen bei der objektorientierten
und parametrischen Modellierung. Eine Feature-
basierte Modifikation von Körpern in Form von
Fasen, Nut, Rundungen etc. wird derzeit noch
nicht unterstützt. Jedoch wurde in den letzten
Jahren dieser Modellierungsansatz deutlich ver-
bessert, sodass mehrfachgekrümmte Objekte
konstruiert und parametrisiert werden können. Die
33
BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU
Erstellung der Bewehrungsführung kann nicht im
reinen AutoCAD-System durchgeführt werden.
Hierfür wird eine zusätzliche Add-On Software wie
z.B. SOFiCAD4 benötigt.
Die Ableitung von Plänen kann entsprechend den
normativen Regeln durchgeführt werden. Zudem
wird dem Anwender eine große Bandbreite an
Baustandards zur Verfügung gestellt.
Schnittstellen (Eingeschränkt). Der Austausch
von Daten mittels Schnittstellenformaten ist be-
grenzt möglich. Die Standard-Austauschformate
(DXF, DWG) sind vorhanden. Mit Hilfe der offenen
API besteht zudem die Möglichkeit, AutoCAD
durch verschiede Add-On Programme zu erwei-
tern.
Eine Anbindung der Modelldaten an eine bauspe-
zifische Struktursimulationssoftware ist derzeit
noch nicht vorgesehen.
Visualisierung (Ausreichend). Die programmin-
terne Visualisierung des generierten Modells ist in
einem begrenzten Maße möglich.
Für eine hochwertigere Darstellung können jedoch
die Modelldaten an das externe Visualisie-
rungstool 3D Studio Max übergeben werden.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Die
Programmoberfläche ist gut strukturiert, so dass
ein intuitives und schnelles einarbeiten ermöglicht
wird. Eine Darstellung der Konstruktionshistorie
wird nicht zur Verfügung gestellt.
Kosten (Sehr günstig). Aufgrund der Tatsache,
dass AutoCAD als Standardprodukt im Bauwesen
gilt, sind die Investitionskosten für Lizenzen und
Schulungen sehr günstig.
4 SOFiCAD: siehe auch http://www.sofistik.de
Nemetschek Allplan 2008 (Rang 9)
Das speziell für das Baugewerbe entwickelte
System Allplan erfüllt alle Anforderungen, um
Brückenbauwerke in Form von zweidimensionalen
Schal- oder Bewehrungsplänen abbilden zu kön-
nen. Die Umsetzung als räumliches Modell ist nur
mit exorbitantem Aufwand möglich. Damit sich
Allplan als 3D-Planungssystem für den Brücken-
bau etablieren kann, müssten umfangreiche Ände-
rungen am Modellierungskonzept durchgeführt
werden. Die beinhalteten bauspezifischen Funkti-
onalitäten können jedoch als Maßstab für zukünf-
tige Entwicklungen angesehen werden.
Abb. 7-6 Bewertungsdiagramm Nemetschek Allplan 2008
Modellierungstechniken (Akzeptabel). Die Mo-
dellierung von dreidimensionalen Brücken in All-
plan ist prinzipiell möglich, aber mit einem sehr
hohen Arbeitsaufwand verbunden. Dieser ergibt
sich zum einen aus dem fehlenden objektorientier-
ten, parametrischen und Feature-basierten Model-
lierungskonzepten. Zum anderen müssen mittels
boolescher Operationen erzeugte Körper bei einer
Änderung vollständig neu konstruiert werden. Eine
Modellierung von beliebig gekrümmten Flächen
bzw. Körpern ist nur eingeschränkt möglich. Ein
weiteres Problem liegt in der fehlerhaften Darstel-
34
lung von Kurven. Diese werden im dreidimensio-
nalen Raum als 3D-Polygonzug dargestellt, was
wiederum Ungenauigkeiten verursacht.
Sehr positiv zu bewerten ist die normengerechte
und teilweise automatisierte Ableitung von Plänen.
Selbst die Generierung von Bewehrungsplänen
kann sowohl in zweidimensionaler als auch drei-
dimensionaler Form umgesetzt werden. Eine
Vielzahl von Baustandards unterstützen den Be-
nutzer bei der Erstellung eines Projekts.
Schnittstellen (Eingeschränkt). Der Austausch
von Daten kann mit Hilfe von bauspezifischen Im-
und Exportformaten erfolgen. Die Erweiterung des
CAD-System ist prinzipiell mittels einer nicht öf-
fentlichen API möglich. Eine zentrale Verwaltung
der Daten mittels eines PDM-Systems wird nicht
unterstützt.
Eine bidirektionale Anbindung an eine bauspezifi-
sche Struktursimulationssoftware steht dem An-
wender zur Verfügung.
Visualisierung (Gut). Das 3D-Modell kann sys-
temintern visualisiert werden. Zudem ist es mög-
lich, die Modelle in einer Spezialsoftware wie z.B.
3D Studio Max oder Cinema 4D zu verwenden.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Die Be-
nutzeroberfläche ist modular aufgebaut und kann
an die jeweiligen Aufgaben angepasst werden.
Der Umgang mit dem System ist intuitiv und ein-
fach erlernbar.
Kosten (Sehr günstig). Die Kosten für Lizenzen,
Schulungen und Support sind verglichen mit den
üblichen Preisen am Markt sehr günstig.
Abb. 7-7 Pilotbaustelle modelliert in Allplan 2008
G.T. Digital Project (Rang 2)
Der von Gehry Technologies entwickelte Ansatz
zeigt eine Möglichkeit auf, wie man die sehr aus-
gereiften Maschinenbau-CAD-Lösungen als Ba-
sissystem für die Baubranche einsetzen kann.
Dieser sieht vor, die Funktionalitäten dieser CAD-
Systeme zu nutzen und mit Hilfe einer offenen
Programmierschnittstelle an die bauspezifischen
Erfordernisse wie z.B. Unterstützung für Beweh-
rung, normgerechte Schnittableitung oder Bauteil-
bibliotheken anzupassen. Zwar sind die Anschaf-
fungskosten für maschinenbauspezifische CAD-
Systeme im Vergleich zu Bau-CAD-Systemen
deutlich höher, dennoch sollte dieser Ansatz Be-
achtung finden.
Abb. 7-8 Bewertungsdiagramm G.T. Digital Project
35
BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU
Modellierungstechniken (Hervorragend). Das
hybride System konnte die modellierungs- sowie
bauspezifischen Anforderungen für die Umset-
zung eines Brückenmodells überdurchschnittlich
gut erfüllen. Die Modellierung von mehrfachge-
krümmten Flächen bzw. Körpern stellt kein Prob-
lem dar. Aufgrund des sehr stark ausgeprägten
objektorientierten und parametrischen Modellie-
rungsansatzes lassen sich Bauteile schnell an
Änderungen anpassen.
Lediglich die normgerechte Ableitung von Ausfüh-
rungsplänen und der begrenzte Modellierungs-
raum schränken den Nutzen etwas ein.
Schnittstellen (Sehr Gut). Digital Project besitzt
eine große Anzahl an Schnittstellen, welche einen
Datenimport beziehungsweise -export ermögli-
chen. Mit Hilfe der Programmierschnittstelle CAA
und der Programmierumgebung RADE Tool kön-
nen anwendungsspezifische Programme integriert
werden. Zudem lassen sich über eine CAM-
Schnittstelle Maschinen ansteuern und mittels
einer PDM-Datenbankintegration sämtliche gene-
rierte Daten zentral verwalteten.
Eine direkte Anbindung an bauspezifische Struk-
tursimulationssoftwares steht nicht zur Verfügung.
Visualisierung (Gut). Die Visualisierung des
entwickelten Modells kann sehr gut im System
selbst aber auch in Spezialtools mittels eines
neutralen Schnittstellenformates realisiert werden.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Auf-
grund der transparenten Anordnung des Histori-
enbaumes und der teilweise unübersichtlichen
Benutzeroberfläche ist der Umgang mit dem Sys-
tem etwas gewöhnungsbedürftig. Sog. Work-
benches ermöglichen die Anpassung der System-
oberfläche an jeweilige Aufgabenstellungen.
Kosten (Sehr hoch). Digital Project basiert als
Add-On Produkt auf dem Modellierungssystem
CATIA, so dass hohe Investitionskosten anfallen.
Abb. 7-9 Pilotbaustelle modelliert in G.T. Digital Project
Siemens NX 6 (Rang 3)
Das CAD-System NX6 ist insgesamt sehr gut für
die Modellierung von Brückenbauwerken geeig-
net. Besonders da der skizzenbasierte Modellie-
rungsansatz adäquat zum zweidimensionalen
Konstruktionsansatz im Bauwesen ist und selbst
fehlende trassenspezifische und bauspezifische
Objekte mit Hilfe der offenen Programmierschnitt-
stelle ergänzt werden können. Aus diesen Grün-
den wurde NX6 im Forschungsprojekt ForBAU als
Pilotsoftware eingesetzt. Leider hat sich das Sys-
tem aufgrund der hohen Investitionskosten und
der fehlenden Standards für das Bauwesen noch
nicht in der Breite durchgesetzt. Dennoch konnten
verschiedene Unternehmen erste wirtschaftliche
Ergebnisse mit dem Einsatz von NX6 erzielen.
36
Abb. 7-10 Bewertungsdiagramm Siemens NX 6
Modellierungstechniken (Gut). Aufgrund des
leistungsstarken Geometrie-Kernels können belie-
big gekrümmte Freiformflächen aber auch Volu-
menkörper erzeugt werden. Der Feature-basierte
und parametrisierbare Modellierungsansatz er-
möglicht zudem eine einfache Modifikation der
geometrischen Objekte.
Die fehlende Einbindung von bauspezifischen
Objekten wie z.B. 2D/3D-Bewehrung oder von
georeferenzierten Koordinaten birgt einen wesent-
lichen Nachteil bei der Modell- und Planungs-
umsetzung des Brückenbauwerks.
Schnittstellen (Gut). NX6 besitzt eine große
Anzahl an Import- und Exportmöglichkeiten. Spe-
ziell durch die offene Programmierschnittstelle
(NX Open) können individuelle Programme ange-
fertigt werden. Die PDM-Anbindung ermöglicht
eine zentrale Verwaltung der Daten.
Eine Anbindung an bauspezifische Struktursimula-
tionssoftware ist bislang nicht möglich.
Visualisierung (Gut). Aufgrund des dreidimensio-
nalen Modellierungsansatzes ergibt sich zugleich
eine anschauliche Darstellung des Modells.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Die
Benutzeroberfläche kann mit Hilfe verschiedener
Gruppierungen sehr gut an die jeweilige Aufgabe
(Modellieren, Zeichnung etc.) angepasst werden.
Aufgrund des sehr großen Funktionsumfangs wirkt
die Benutzeroberfläche in vielen Fällen unüber-
sichtlich.
Kosten (Relativ hoch). NX stellt ein etabliertes
und teures High-End-MCAD-Produkt dar. Infolge-
dessen sind die Anschaffungs- sowie Schulungs-
und Supportkosten gegenüber bauspezifischen
Systemen relativ hoch.
Abb. 7-11 Pilotbaustelle modelliert in Siemens NX 6
Dassault CATIA V5 (Rang 4)
Das im Maschinenbau etablierte High-End-
Modellierungssystem bietet viele Möglichkeiten,
komplexe Objekte zu modellieren. Zudem ermög-
lichen Features sowie Parametrisierungs-
funktionalitäten eine einfache Modifikation des
Bauwerks. Die hohen Investitionskosten sowie die
komplizierter Handhabung des Systems erschwe-
ren den Zugang zum Markt.
37
BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU
Abb. 7-12 Bewertungsdiagramm Dassault CATIA V5
Modellierungstechniken (Hervorragend). Das
maschinenbauspezifische System konnte im Be-
reich Modellierung überzeugen. Es bietet eine
Vielzahl von Funktionalitäten, die eine Konstrukti-
on von mehrfachgekrümmten Flächen bzw. Kör-
pern ermöglicht. Außerdem lässt sich das Modell
aufgrund des objektorientierten und parametri-
schen Modellierungsansatzes einfach modifizieren
Bauspezifische Objekte finden keine Berücksichti-
gung im System und lassen sich nur unter hohen
Zeitaufwand herstellen. Eine normengerechte
Planableitung ist nicht möglich.
Schnittstellen (Sehr Gut). In seiner jetzigen Ver-
sion besitzt CATIA eine große Anzahl an Im- und
Exportschnittstellen. Mit Hilfe einer offenen
Schnittstelle können anwendungsspezifische
Programme in verschiedenen Programmierspra-
chen integriert werden. Eine CAM- und PDM-
Schnittstelle ermöglicht weitere Datenanbindun-
gen.
Bauspezifische Struktursimulationssoftware kann
derzeit nicht mit in den Planungsprozess einge-
bunden werden. Der Austausch von Modellen
über das standardisierte IFC-Format 5 wird nicht
unterstützt.
Visualisierung (Gut). Die Visualisierung entwi-
ckelter Modelle kann sowohl im System selbst als
auch spezialisierter Software erfolgen. Dies wird
mittels eines entsprechenden Austauschformats
realisiert.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Der
große Funktionsumfangs führt zu einer teilweise
unübersichtlichen Handhabung des Systems. Die
Benutzeroberfläche kann jedoch mit Hilfe von
Workbenches, welche die Funktionalitäten in auf-
gabenspezifische Gruppierungen unterteilt, struk-
turiert werden.
Kosten (Sehr hoch). Die Investitionskosten für
Lizenzen sowie deren Schulungs- und Support-
kosten sind sehr hoch angesetzt.
5 Industry Foundation Classes (IFC) dienen als offener
Standard im Bauwesen zur Beschreibung und Austausch
digitaler Modelle.
38
Dassault SolidWorks (Rang 5)
Das System stellt ein solides CAD-System dar.
Die Modellierung von Brückenbauwerken ist nur
unter zusätzlichem Mehraufwand möglich. Die
identifizierten Schwächen deuten aber darauf hin,
dass sich das System nur schwer in der Baubran-
che durchsetzen kann.
Abb. 7-13 Bewertungsdiagramm Dassault SolidWorks
Modellierungstechniken (Gut). Die Volumenmo-
dellierung mit Hilfe von SolidWorks ist nicht so
leistungsstark wie bei dem Produkt CATIA von
Dassault. Es weist beispielsweise Schwächen bei
der Ausrichtung der Extrusionsebene auf, das
einen wichtigen Stellenwert bei der Modellierung
eines Brückenüberbaues einnimmt.
Auch dieses Maschinenbau-CAD-System berück-
sichtigt keine bauspezifischen Objekte. Zudem ist
der Modellierungsraum auf die im Maschinenbau
üblichen Abmessungen begrenzt.
Schnittstellen (Gut). SolidWorks besitzt eine
ausreichende Anzahl an Schnittstellen, die einen
Datenimport und -export ermöglichen. Selbst
fehlende Daten bzw. Funktionen können mit Hilfe
einer offenen API integriert werden. Generierte
Modelldaten können in Form von CAM-Daten an
Fräsmaschinen übertragen werden. Eine zentrale
Verwaltung der Daten ist durch eine PDM-
Anbindung gewährleistet.
Bauspezifische Software für die Struktursimulation
kann derzeit nicht angebunden werden.
Visualisierung (Gut). Entwickelte Modelle können
sehr gut innerhalb des Systems visualisiert wer-
den. Zudem verfügt dieses über offene Aus-
tauschformate, um spezielle Software für die ver-
ständliche Darstellung nutzen zu können.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Der
begrenzte Funktionsumfang und die übersichtliche
Darstellung erlauben ein schnelles Erlernen des
Systems.
Kosten (Mittel bis hoch). Die Lizenzkosten sind
relativ hoch. Schulungs- und Supportkosten hin-
gegen sind auch für die Baubranche akzeptabel.
Autodesk Inventor (Rang 6)
Das für den Maschinenbau entwickelte System
ermöglicht die Modellierung von komplexen Ob-
jekten. Teilweise wird das System im Bauwesen
als Schnittstelle zu den hausinternen Produkten
von Autodesk wie. z.B. AutoCAD eingesetzt.
Abb. 7-14 Bewertungsdiagramm Autodesk Inventor
39
BEWERTUNG VON CAD-SYSTEMEN FÜR DIE MODELLIERUNG IM BRÜCKENBAU
Modellierungstechniken (Gut). Mit Hilfe der
Funktionalitäten von Inventor können sämtliche
maschinenbautypische Modellierungsschritte
durchgeführt werden. Diese lassen sich nur teil-
weise für die Modellierung von Brücken heranzie-
hen. Grenzen bestehen beispielsweise bei der
Erstellung von mehrfachgekrümmten Freiformflä-
chen. Der objektorientierte und parametrische
Modellierungsansatz ermöglicht eine einfache
Modifikation der geometrischen Objekte.
Die Erzeugung von bauspezifischen Objekten wie
z.B. Bewehrung, Höhenkoten bzw. die Ableitung
von normengerechten Ausführungsplänen ist nicht
möglich. Georeferenzierte Koordinaten werden
nicht berücksichtigt und bauspezifische Bauteilbib-
liotheken können nur unter hohem manuellen
Aufwand angelegt werden.
Schnittstellen (Eingeschränkt). Eine ausreichen-
de Anzahl an Schnittstellen ermöglicht den Import
und Export von Daten. Fehlende Daten bzw.
Funktionen können mit Hilfe einer offenen API
integriert werden. Eine CAM-Schnittstelle sowie
eine PDM Integration besteht.
Eine Anbindung an bauspezifische Struktursimula-
tionssoftware ist aktuell nicht möglich.
Visualisierung (Gut). Das Modell kann im System
selbst gut visualisiert werden. Zudem bestehen
Schnittstellen zu externen Visualisierungspro-
grammen wie z.B. 3D Studio Max.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Das
modular aufgebaute System ermöglicht dem Nut-
zer, die Benutzeroberfläche an die jeweilige Auf-
gabe anzupassen. Für die Handhabung des Sys-
tems werden Grundkenntnisse vorausgesetzt.
Kosten (Mittel bis hoch). Die Gesamtkosten aus
Lizenzen, Schulungen und Support sind akzepta-
bel.
Siemens Solid Edge (Rang 7)
Das System stellt sich als solides CAD-System
dar, das speziell auf die Anforderungen des Ma-
schinenbaus zugeschnitten ist. Die Modellierung
äußerst komplexer Objekte erweist sich als eher
schwierig. Weitere Schwächen bestehen in der
objektorientierten und parametrischen Modellie-
rung, die in ausgereifterer Form im System Sie-
mens NX anzutreffen sind. Die CAD-Umgebung
wird wohl aufgrund der maschinenbauspezifischen
Spezialisierung kaum Anwendung in der Baupra-
xis finden.
Abb. 7-15 Bewertungsdiagramm Siemens Solid Edge
Modellierungstechniken (Akzeptabel). Die Mo-
dellierungsfunktionen von Solid Edge sind ähnlich
ausgereift wie bei NX6. Jedoch sind der objektori-
entierte sowie der parametrische Modellierungs-
ansatz nicht im selben Maße ausgeprägt, so dass
komplexe Modelle nur eingeschränkt umgesetzt
werden können.
Auf die Modellierung einer Brücke wirken sich die
fehlenden bauspezifischen Objekte besonders
40
negativ aus. Zudem ist die Modellierung auf die
Maßeinheit Millimeter beschränkt.
Schnittstellen (Eingeschränkt). Mangelhafte
Dateischnittstellen können mit Hilfe einer offenen
Programmierschnittstelle ergänzt werden. Die
Anbindung an eine bauspezifische Struktursimula-
tionssoftware ist nicht möglich.
Das System besitzt eine geringe Anzahl an
Schnittstellen für den Im- und Export von Daten.
Visualisierung (Ausreichend). Die systeminterne
Visualisierung des Modells ist ausreichend. Eine
Schnittstelle zu externen Visualisierungspro-
grammen besteht nicht.
Nutzerfreundlichkeit (Zufriedenstellend). Die
Benutzeroberfläche ist übersichtlich und kann an
die jeweiligen Arbeitsgebiete angepasst werde.
Kosten (Mittel bis hoch). Die Anschaffungs- sowie
Schulungs- und Supportkosten sind gegenüber
den Kosten für ein bauspezifisches System relativ
hoch.
41
BRÜCKENMODELLIERUNG AM PRAXISBEISPIEL
8 Brückenmodellierung am Praxisbeispiel
Wie bereits in Kapitel 3 erwähnt, erfolgt die plane-
rische Umsetzung von Ingenieurbauwerken in der
Regel immer noch in Form von zweidimensionalen
Schnitten und Ansichten. Speziell im Bereich des
Brückenbaus verursacht diese Planungsmethodik
immer häufiger unwirtschaftliche Ergebnisse.
Durch den Einsatz eines ganzheitlichen und drei-
dimensionalen Modellierungsansatzes könnte
diese Problematik gelöst und letztendlich eine
planungseffizientere und wirtschaftlichere Projek-
tumsetzung erzielt werden. Aus diesem Grund
nahm die konzeptionelle Entwicklung und Umset-
zung trassierungsgebundener und parametrisier-
ter Brückenmodellierung eine zentrale Rolle in-
nerhalb des Forschungsverbunds ForBAU ein.
Im folgenden Abschnitt wird zur besseren Ver-
ständlichkeit des entwickelten Modellierungskon-
zeptes die digitale Abbildung einer Pilotbaustelle
(Überführung eines Wirtschaftsweges über eine
Bundesstraße) mithilfe der CAD-Software Sie-
mens NX detailliert beschrieben. Die hierfür benö-
tigten theoretischen Grundlagen, sowie die neu
entwickelten Modellierungs- und Integrationsan-
sätze können dem Buch „Digitale Baustelle –
innovativer Planen, effizienter Ausführen“, das
ebenfalls im Rahmen von ForBAU entstanden ist,
entnommen werden.
Grundlagen. Bei dem zu modellierenden Pilot-
bauwerk handelt es sich um eine zweifeldrig gela-
gerte Plattenbalkenbrücke, welche auf Großbohr-
pfählen mit einem Durchmesser von 75cm und
einer Länge zwischen 8-10m gegründet wurde. Im
Bereich der Pfeilerachse werden die Bohrpfähle
mit einer Neigung von 10:1 und in den beiden
Widerlagerachsen gerade konzipiert. Der Über-
bauquerschnitt setzt sich aus zwei Fertigteil Plat-
tenbalken (FT-PlaBa) mit anschließender Ortbe-
tonergänzung zusammen und besitzt eine
Spannweite von 43,0m. Die Einzelstützweiten der
beiden Felder betragen jeweils 21,5m. Die Lage-
rung des 6,5m breiten Überbaues, erfolgt durch
sechs Elastomerlager, die im Bereich der Wider-
lager und des Pfeilers angeordnet werden. Die
Widerlager selbst werden direkt an die Bohrpfähle
ohne Pfahlkopfplatte angebunden, so dass eine
Einsparung von Kosten möglich wurde. Die Grün-
dung des Pfeilers erfolgt konventionell mittels
Pfahlkopfplatte.
Neben dem Bauwerksentwurfsplan stellt der Tras-
sierungsverlauf der Brücke eine weitere wichtige
Grundlage für die Umsetzung des Bauwerksmo-
dells dar und bestimmt die geometrische Form
sowie die Positionierung der Brücke im Trassie-
rungsnetz. Der Verlauf der Trasse wurde mit Hilfe
eines im Rahmen des Forschungsprojekts entwi-
ckelten Add-Ons (Integrator2NX) in die CAD-
Umgebung importiert. Die in einer Master-Skizze
integrierten dreidimensionalen Raumkurven (Refe-
renzlinien) spiegeln den rechten, linken und mittle-
ren Rand der Trasse wieder und gewährleisten
eine korrekte Modellierung des Brückenbauwerks
Die Untersuchung der einzelnen CAD-Systeme
sowie der in ForBAU entwickelte Modellierungs-
ansatz wurde anhand verschiedenster Brücken-
bauwerke aus der Praxis durchgeführt.
42
in Abhängigkeit der Längs- und Querneigung
sowie dem Verlauf der Trasse in Lage und Höhe.
Im nächsten Modellierungsschritt werden die Brü-
ckenlagerachsen (Achse 10+20+ 30) an die Refe-
renzlinien aus der Master-Skizze angehängt. Die-
ser Vorgang ermöglicht zum einen eine freiwähl-
bare Positionierung der Unterbauten und zum
anderen eine Definition der Stützweite des Über-
baues. Durch die tangentiale Abhängigkeit der
Lagerachse (Skizzenebene) zur Brückenachse
(Referenzlinie) kann zu einem beliebigen Zeit-
punkt eine Modifikation der Positionierung bzw.
der Stützweite der Brücke erfolgen. Nachdem die
Hauptgeometrien des Bauwerks definiert wurden,
konnte mit der Modellierung der einzelnen Bautei-
le begonnen werden. Hierzu werden im ersten
Schritt die Hauptbaugruppen wie Brücke, Bau-
grund und Trasse angelegt. Anschließend werden
diese in weitere Unterbauteile unterteilt. Dies
ermöglicht eine einfache und bauteilorientierte
Navigation durch die Modellhierarchie. Die fein-
granulare Einteilung der Bauwerksstruktur ge-
währleistet während bzw. nach Abschluss des
Modellierungsprozesses eine einfache Nachver-
folgung der einzelnen Bauteile samt beinhalteten
Arbeitsschritten anhand der Konstruktionshistorie
und vereinfacht somit die Modifikation von Bautei-
len. Das bauteilorientierte Planen ermöglicht zu-
dem ein verteiltes Arbeiten (Concurrent Enginee-
ring) von mehreren Ingenieuren an einem Projekt.
Modellierung des Brückenüberbaus: Begonnen
wurde mit der Verlinkung „Art Kopie“ der Refe-
renzlinien bzw. der Brückenachsen in das „Über-
bau“ Bauteil. Konkreter bedeutet dies, dass die
geometrischen Objekte (Punkte, B-Spline etc.) der
Referenzlinien nur einmal im System vorliegen
und jede weitere Verlinkung ein Spiegelbild des
ursprünglichen Objektes darstellt. Dieser Vorgang
stellt sicher, dass ein assoziatives und redundanz-
freies Verhalten des Bauteils zu den Elementen
aus der Masterskizze besteht. In einem nächsten
Schritt wird eine Skizze angelegt, die entlang der
mittleren Referenzline verläuft und den Quer-
schnitt des zweistegigen Plattenbalkens definiert.
Mit Hilfe einer Schnittpunktermittlung zwischen der
Skizzeneben und der beiden äußeren Referenz-
kurven wird eine weitere Kopplung zur Skizze
hergestellt. Dies gewährleistet einen trassenge-
bundenen Modellierungsverlauf des PlaBa-
Querschnittes (vgl. Abb. 8-1).
43
BRÜCKENMODELLIERUNG AM PRAXISBEISPIEL
Abb. 8-1 Querschnittskizze des Brückenüberbaus
Die Parametrisierung und somit Modifizierbarkeit
des Querschnittes (Abb. 8-1) erfolgt durch den
Einsatz von parametrisch definierbaren Verma-
ßungsketten bzw. geometrischen Zwangsbedin-
gungen (Constraints). Der nutzerspezifische, all-
gemein gültige Parameter „b_Steg“, welcher mit
der Vermaßungskette des Plattenbalkensteges
aus der Skizze (p423 und p426 in Abb. 8-1) ver-
knüpft wurde, ermöglicht die Umsetzung variabler
Stegbreiten des Plattenbalkens innerhalb der
Skizze bzw. des Modells. Eine andere Möglichkeit
der Parametrisierung besteht darin, die geometri-
sche Beziehung zwischen der Kragarmbreite des
Plattenbalkens und der Breite der Kappen mit
Hilfe einer mathematisch definierten Formel (im
Beispiel: p82 = b_Kappe - 0,35 m) herzustellen.
Diese und weitere Parametrisierungstechniken
werden eingesetzt, um komplexe Beziehungen
zwischen verschiedenen Geometrieelementen
innerhalb und außerhalb einer Skizzenebene
herstellen zu können. Ergeben sich aus der geo-
metrischen Aufgabenstellung bzw. dem Bau-
werksentwurfsplan rechtwinklige, parallele oder
kollineare Bedingungen, so werden diese als
geometrische Zwangsbedingungen oder auch
Constraints in die Skizze integriert.
Abb. 8-2 achsbezogen getrimmter Überbaukörper der Brücke
44
Der Bemaßungs- und Parametrisierungsprozess
ist abgeschlossen, wenn alle geometrischen Frei-
heitsgrade festgelegt sind. Im nächsten Schritt
erfolgt die Extrusion des zuvor erstellten PlaBa-
Skizzenquerschnittes. Hierfür kamen zwei ver-
schiedene Extrusionsarten zum Einsatz:
Variable Extrusion: Der Querschnitt wird ent-
lang eines definierten Pfades verschoben und
ein Volumenkörper erzeugt
Funktion Extrudiert: Aus mehreren variablen
Querschnittskizzen wird entlang von max. drei
Führungslinien ein einzelner Extrusionskörper
generiert
Nachdem die Extrusion der Überbaukörper (PlaBa
u. Kappe) abgeschlossen war, wird anschließend
eine parametrische Abhängigkeit zwischen der
Überbaulänge (Spannweite) und den verlinkten
Brückenachsen hergestellt. Hierzu wird eine asso-
ziativ gekoppelte Bezugsebene in einem Abstand
von 0,75m zur Achsebene 10 bzw. 30 definiert
(Abb. 8-2). Mit Hilfe dieser beiden Bezugsebenen
kann nun der Überbaukörper auf die tatsächliche
Länge getrimmt werden. In einen analogen Model-
lierungsprozess wird die parametrische Längende-
finition der Kappenkörper durchgeführt. Durch den
Einsatz dieser Technik können die Abstände der
Bezugsebene zu den Kappenenden bzw. des
Überbauenden in Abhängigkeit von der jeweiligen
Brückenachse einfach modifiziert werden.
Abb. 8-3 Vollständiges Modell des Brückenüberbaus
45
BRÜCKENMODELLIERUNG AM PRAXISBEISPIEL
Modellierung der Pfahlgründung: Nach Ab-
schluss der Überbaumodellierung (Abb. 8-3) er-
folgte die Umsetzung des Unterbaus (Widerlager,
Pfeiler, Gründung, Lager usw.). Die für die Tief-
gründung erforderlichen Bohrpfähle sind an die
Widerlager bzw. Pfeilerpfahlkopffundamente ge-
koppelt, so dass eine Neigung der Schrägpfähle
ermöglicht wird und eine Verschiebung des Wider-
lagers bzw. des Pfeilers eine Verschiebung der
Pfähle bewirkt. Die Modellierung der Bohrpfähle
im Bereich der Widerlager erfolgte mit Hilfe von
zwei Skizzen, die über eine assoziative Bezugs-
ebene mit einander verlinkt sind.
Dieser Ansatz ermöglichte eine Modellierung
variabler Pfahllängen, welche durch den Abstand
der beiden Ebenen definiert ist. Außerdem besit-
zen die Pfahlskizzen eine parametrische Bezie-
hung zu den Widerlageraußenkanten, was eine
assoziative Verschiebung bewirkt. Die in Abb. 8-4
(links) dargestellten Schrägpfähle unter dem Brü-
ckenpfeiler wurden nach dem gleichen Prinzip wie
die Widerlagerpfähle modelliert. Zusätzlich wurde
das Neigungsverhältnis der Schrägpfähle von 10:1
mit Hilfe des Verhältnisses Mittelpunktabstand der
oberen Pfahlskizze zur unteren Pfahlskizze (X =
Z/10 mit Z = Abstandsparameter der Ebenen)
integriert. So bewirkt eine Veränderung des Ab-
standes der Bezugsebene eine Längenänderung
des Schafts des Schrägpfahls bei gleichbleibender
Neigung. Aufgrund der Analogie der Modellie-
rungsschritte des Unterbaus zu dem Modell des
Überbaus wird hier auf eine detailliertere Be-
schreibung verzichtet.
Nach Abschluss der verschiedensten Modellie-
rungsvorgänge entsteht ein parametrisches und
trassengebundenes Brückenmodell, das durch
eine Modifikation der geometrischen Elemente
aus der Masterskizze eine einfach Anpassung an
die neuen Randbedingungen aus der Trassen-
bzw. Brückenplanung gewährleistet (Abb. 8-4).
Abb. 8-4 parametrische Bohrpfähle (l) und parametrisierte Modelländerung der Stützweite (r)
46
Abb. 8-5 Baugrundmodell mit Brücke
Modellierung des Trassen-Baugrundmodells:
Zur Fertigstellung des gesamten Baustellenmo-
dells bestehend aus Trasse, Baugrund und Brü-
cke (Abb. 8-5) sind weitere Modellierungsschritte
zur Erzeugung des Baugrunds- und Trassie-
rungsmodells notwendig. Hierbei werden Skizzen
entwickelt, welche die Geometrie der jeweiligen
Objekte wie Straße, Damm oder Einschnitt mit
den dazugehörigen Parametern Böschungsnei-
gung sowie Höhe und Breite des Straßenbelags
wiederspiegeln. Anschließend kann man aus den
resultierenden Erdkörpern Informationen über die
geplanten Soll-Massen ermitteln. Die Navigation
durch die komplexe Modellierungsstruktur samt
ihrer beinhalteten Modellierungsprozesse, ist
aufgrund des bauteilorientierten Konzeptes auf
einfache Art und Weise handhabbar.
Nachdem der Brückenmodellierungsprozess ab-
geschlossen wurde, kann man das bereits durch
den Integrator importierte Baugrundmodell ein-
blenden und die Positionierung der beiden Objek-
te (Brücke und Baugrund) auf Korrektheit prüfen.
Im nächsten Modellierungsschritt wird der Ein-
schnitt im Bereich des Brückenmodells erzeugt.
Hierzu wird eine Skizze auf Pfad (Referenzlinie
Achse) angelegt, in der anschließend die Quer-
schnittsgeometrie des Einschnittes konstruiert
wird. Durch die Variable Extrusion des Querschnit-
tes entlang des Pfades entsteht ein Volumenkör-
per der den Körper des Einschnittes wiederspie-
gelt. Zur Modellierung des Einschnitts im Baustel-
lenmodell wird der Einschnittskörper „E“ (Negativ-
körper) von dem bestehenden Baugrundmodell
„B“ abgezogen. Dies wird mit Hilfe der booleschen
Operation „Subtraktion“ (B – E) durchgeführt.
47
BRÜCKENMODELLIERUNG AM PRAXISBEISPIEL
Abb. 8-6 Modellierung des Einschnittbereichs
Nachdem der Einschnitt erstellt wurde, erzeugt
man im nächsten Schritt den Dammkörper. Hier-
bei wird wie zuvor bei der Einschnittsmodellier-
ung eine Skizze auf Pfad angelegt und mit der
Geometrie des Dammquerschnittes versehen.
Durch eine anschließende variable Extrusion des
Querschnittes entlang des Pfades erhält man den
Volumenkörper des Dammes. Um den Körper auf
die richtige Gründungshöhe anpassen zu können,
wird dieser mit Hilfe einer Verschneidungsfunktion
auf die richtige Gründungshöhe getrimmt. Dies
erfolgt durch eine Verschneidung des Dammkör-
pers mit der Fläche des Oberflächen-DGMs (Abb.
8-7).
Abb. 8-7 Modellierung des Dammbereichs
48
Planableitung. Selbstverständlich werden für die
baupraktische Umsetzung des Bauwerkes immer
noch geplottete Ausführungspläne auf der Bau-
stelle gefordert. Die erforderlichen zweidimensio-
nalen Schnitte und Ansichten können schnell und
einfach durch Modellableitung generiert und an-
schließend durch das Hinzufügen von Verma-
ßungsketten bzw. Beschriftungen an die Ansprü-
che der jeweiligen Gewerke (Schalungs-, Beton-
bauer etc.) angepasst werden. Das assoziative
Verhalten zwischen den 2D-Plänen und dem 3D-
Modell ermöglicht eine redundanzfreie und zeit-
verkürzte Planungsänderung, indem die Modifika-
tionen des Bauteils entweder direkt am 3D-Modell
oder in der 2D-Zeichnung umgesetzt werden.
Konzeptvalidierung. Zur Validierung des vorge-
stellten Modellierungskonzeptes wurden weitere
Modelle untersucht und die Ergebnisse in Form
dieser CAD-Studie vereint (Abb. 8-6). Zusammen-
fassend kann man die Aussage treffen, dass mit
Hilfe des hier beschriebenen Ansatzes beliebige
Brückenbauwerke erfolgreich modelliert werden
können. Er dient damit als geeignete Grundlage
für die tägliche Ingenieurarbeit. Besonders hervor-
zuheben ist, dass durch die Kopplung der Brücke
an den Trassierungs- und Baugrundverlauf Pla-
nungsprozesse bereits während der Entwurfs-
aber auch in der Ausführungsphase optimiert bzw.
redundante Arbeitsvorgänge reduziert werden
können. Die Planung eines 3D-Brückenbauwerks,
welches zugleich in die Trassierungs- und Bau-
grundumgebung integriert ist, bringt daher wesent-
liche Vorteile im gesamten Planungsprozess.
Abb. 8-8 Portfolio der im Rahmen dieser Studie modellierten Brückenbauwerke und der zugehörigen Baustellenmodelle
49
FAZIT UND AUSBLICK
9 Fazit und Ausblick
Diese Studie zeigt auf, dass die Umsetzung eines
dreidimensionalen Brückenmodells mit denen
zurzeit am Markt befindlichen digitalen Werkzeu-
gen durchaus möglich ist. Untersucht wurden
hierbei verschiedene maschinenbau- und bauspe-
zifische CAD-Systeme.
Hierbei besitzen die CAD-Systeme aus dem Ma-
schinenbau wesentliche Vorteile in der objektori-
entierten, parametrisierten und Feature-basierten
Modellierung. Eine Erstellung von mehrfach ge-
krümmten Objekten, wie sie im Brückenbau vor-
kommen, stellt für die meisten dieser sogenannten
MCAD-Systeme kein Problem dar. Besonders die
Möglichkeit, Zeichnungen aus dem 3D-Modell
ableiten zu können, erleichtert die tägliche Arbeit
des konstruierenden Ingenieurs. Als Schwach-
punkt konnten vor allem die fehlenden bauspezifi-
schen Funktionen sowie mangelnde Schnittstellen
zu bauspezifischen Programmen identifiziert wer-
den.
Im Gegensatz zur Verwendung von Maschinen-
bau-CAD-Systemen führt der Einsatz von CAD-
Systemen aus dem Bausektor zu Problemen bei
der Modellierung von komplexen Objekten. Die
Modellierung von Brücken erwies sich aufgrund
des fehlenden parametrischen und Feature-
basierten Modellierungsansatzes als eine arbeits-
und zeitintensive Aufgabe.
Einzige Ausnahme stellt das CAD-System Revit
Structure der Firma Autodesk dar. Dieses System
unterstützt den Anwender annähernd mit den
gleichen Modellierungsfunktionen – objektorien-
tiert und parametrisiert – wie die zuvor erwähnten
CAD-Systeme aus dem Maschinenbau. Wesent-
lich für das sehr gute Abschneiden von Revit
Structure war, neben dem Modellierungskonzept
selbst, das Add-On Programm Bridge Design
Wizard, welches die trassengebundene und ob-
jektorientierte Modellierung von Brücken ermög-
licht. Leider ist das Programm derzeit stark auf
den amerikanischen Markt zugeschnitten und
entspricht somit nicht dem geometrischen Brü-
ckenstandard innerhalb Europas (Deutschland),
bei der in der Regel eine massivere Bauweise
bevorzugt wird. Eine entsprechende Erweiterung
durch den Hersteller ist jedoch dank des flexiblen
Modellierungskonzepts leicht zu realisieren und ist
daher für die nahe Zukunft zu erwarten. Die Gene-
rierung normengerechter Zeichnungen unter Be-
rücksichtigung von bauspezifischen Objekten
(Bewehrung, Höhenkoten etc.) sowie die Anbin-
dung an Struktursimulationsprogramme wurden
von allen untersuchten Bau-CAD-Systemen unter-
stützt.
Einen interessanten Ansatz bietet das hybride
CAD-System Digital Project von der Firma Gehry
Technologies. Dieses System nutzt die Modellie-
rungsstärken eines Maschinenbau-CAD-Systems
und ergänzt die fehlenden bauspezifischen Funk-
Die dreidimensionale Brückenmodellierung steht
noch am Anfang. Dennoch bietet die bestehende
Softwarelandschaft eine solide Grundlage, um die
enormen Potentiale der 3D-Modellierung zukünftig
auszuschöpfen.
50
tionalitäten durch ein Add-On Programm. Zusam-
men mit dem in Rahmen von ForBAU entwickelten
Integrationsansatz (Baugrund-Trasse-Brücke)
erweist sich dieses CAD-System als ein äußerst
brauchbares Werkzeug für den parametrischen
und dreidimensionalen Brückenentwurf. Für die
Hersteller von maschinenbauspezifischer CAD-
Software bietet sich durch dieses Konzept die
vielversprechende Möglichkeit ihre Produkte auch
im Bausektor zu vermarkten. Im Forschungspro-
jekt ForBAU wurde mit dem CAD-System Sie-
mens NX6 eine trassengebundene Modellierung
von Brückenbauwerken umgesetzt. Dieser Ansatz
hat sich bewährt und wird von verschiedenen
Planungsbüros als sinnvoll und nützlich erachtet.
In einem nächsten Schritt sollte das neue Konzept
von der Softwareindustrie aufgegriffen und über
einen mehrstufigen Erweiterungsprozess in vor-
handene CAD-Systeme integriert werden. Ohne
ein Mitwirken der Softwarehersteller kann die
nachhaltige Umsetzung dieses Ansatzes nicht
erfolgreich realisiert werden.
51
LEHRSTUHLPROFILEFAZIT UND AUSBLICK
10 Lehrstuhlprofile
Hochschule Regensburg
University of Applied Sciences
Fakultät Bauingenieurwesen
Fachbereich Bauinfomantik u. CAD (BIC)
Prof. Dr.-Ing. Thomas Euringer
Fachbereich Bauinfomantik u. CAD (BIC)
Hochschule Regensburg
Kontakt:
Fakultät Bauingenieurwesen
Prüfeninger Str. 58
93049 Regensburg
Tel. +49 941-943-1200
Fax +49 941-943-1429
fb-b@fh-regensburg.de
www.fhr-bau.de
Die Fakultät Bauingenieurwesen, ermöglicht den
Studierenden eine hochwertige theoretische sowie
praxisorientierte Ausbildung während des Bachelor-
oder Masterstudiums. Einen besonders Stellenwert
besitzt hierbei die praktische Umsetzung der gelern-
ten Theorien in der Praxis. Hierzu findet eine intensi-
ve Zusammenarbeit mit Baufirmen, Ingenieurbüros,
Verbänden, öffentlichen Institutionen sowie sonstigen
Unternehmen, die Planungsleistungen des Bauinge-
nieurwesens ausführen, auf Basis von Projekt-
arbeiten, Studienarbeiten und Praktika statt. Aufbau-
end auf das Bachelorstudium wird zudem ein hoch-
wertiges Masterstudium „Bauen im Bestand“ angebo-
ten.
Neben der praxisorientierten und theoretischen Aus-
bildung der Studierenden, werden eine Reihe von
Forschungsarbeiten an der Fakultät durchgeführt.
Zum einen bestehen Forschungsaktivitäten mit dem
Schwerpunkt „Bauen im Bestand“, die in Zusammen-
arbeit mit Partnerhochschulen auf nationaler und
internationaler Ebene organisiert werden. Hervorzu-
heben wären hierbei verschiedene EU-Projekte, wie
z.B. „TU COST001: Robustness of Structures“ oder
„LEONARDO DA VINCI – Transfer of Innovations
provided in Eurocodes“.
Auf nationaler Ebene beteiligt sich die Fakultät mit
den Fachgebieten Vermessung und Bauinformatik an
dem Bayerischen Forschungsverbund ForBAU, der
sich zum Ziel gesetzt hat, sämtliche Planungs- und
Ausführungsprozesse komplexer Infrastrukturprojekte
mit Hilfe eines zentral verwalteten digitalen Baustel-
lenmodells ganzheitlich abzubilden. Das vom BMBF
geförderte Forschungsprojekt „KONSTROLL“ führt
verschiedene baustofftechnologische Untersuchun-
gen durch, um einen wirtschaftlichen Einsatz eines
selbstverdichtenden Betons (SVB) auf der Baustelle
zu ermöglichen.
Auch weitere Forschungsprojekte wie z.B. Untersu-
chungen hinsichtlich des Verhaltens von „Flüssigbo-
den“ oder zur Verbesserung der Qualitätssicherung in
der Kanalisierung von Hausanschlüssen gehören zu
den aktuellen Forschungsaktivitäten an der Fakultät
Bauingenieurwesen.
52
Technische Universität München
Fakultät Maschinenwesen
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.
Willibald A. Günthner
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik
Technische Universität München
Kontakt:
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik
Boltzmannstraße 15
85748 Garching
Tel. +49 89-289-159-21
Fax +49 89-289-159-22
kontakt@fml.mw.tu-muenchen.de
www.fml.mw.tu-muenchen.de
Die Forschung am Lehrstuhl fml fokussiert zahlreiche
Schwerpunkte:
Unter dem Oberbegriff der Intralogistik ist ein weites
Spektrum an Forschungsinhalten angesiedelt, das sich
von der Logistikplanung über Lager- und Kommissio-
niersysteme bis hin zu den Fördermitteln der Intralogistik
erstreckt.
Der Automobilbranche wird aufgrund ihres hohen Stel-
lenwerts für die inländische Wirtschaft ein eigener For-
schungsschwerpunkt gewidmet, der sich mit den Pro-
zessen und Systemen der Automobillogistik beschäftigt.
Die Forschungsschwerpunkte Wandelbare Materialfluss-
systeme und Internet der Dinge schließlich zielen auf
hochflexible und extrem anpassungsfähige Logistiksys-
teme in der Intralogistik ab.
Eng damit in Verbindung stehen auch Erforschung und
Einsatz innovativer Ident-Technologien wie der Radio-
frequenzidentifikation (RFID) in der Logistik.
Die Technologien der Virtual und Augmented Reality
(VR/AR) halten als neuartige digitale Werkzeuge Einzug
in den logistischen Planungsprozess und in die Mitarbei-
terunterstützung am Arbeitsplatz.
Einen zweiten Branchenschwerpunkt neben der bereits
erwähnten Automobillogistik bildet die Baulogistik, wel-
che sich mit der Planung und Verfolgung von Prozessab-
läufen sowie der Versorgung und Entsorgung auf Bau-
stellen beschäftigt.
Mit der Schüttgutförderung und dem Kranbau stehen
auch heute noch zwei traditionsbehaftete Arbeitsgebiete
im Fokus. Dabei ist der Forschungsschwerpunkt Kran-
bau & Tragwerksberechnung eng mit Entwicklung und
Einsatz von FEM & MKS-Berechnungsverfahren ver-
knüpft, die dank des Leistungszuwachs auf dem IT-
Sektor immer umfangreichere Auslegungsberechnungen
zulassen.
53
LITERATUR
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Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2
Siemens NX6
umfangreiches objektorientiertes 3D
Bewertung x Gewichtung
0,89 0,11 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,14
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 2 2 2 2 0 1 2 2 2
Bewertung x Gewichtung
0,83 0,11 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,00 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,12
Bewertung (Linear 0 1 2) 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2
Siemens NX6CAX-System, Maschinenbau
modefiziertes 3D M-
Siemens Solid Edgeobjektorientiertes 3D
CAD-System,
Maschinenbau
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2
Bewertung x
Gewichtung0,99 0,11 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,14
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2
Bewertung x
Gewichtung0,92 0,11 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,14
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Dassault CATIA
umfangreiches objektorientiertes 3D
CAD-System, Maschinenbau
G.T. Digital ProjectCAD-System (Catia) für bauspezifische
Zwecke
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2
Bewertung x Gewichtung
0,87 0,10 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,14
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1
Bewertung x 0 87 0 11 0 02 0 02 0 02 0 02 0 01 0 01 0 11 0 02 0 04 0 04 0 02 0 14D
So
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Autodesk Inventor
umfangreiches
objektorientiertes 3D CAD-System,
Dassault SolidWorks
objektorientiertes 3D CAD-System,
Maschinenbau
Gewichtung0,87 0,11 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,11 0,02 0,04 0,04 0,02 0,14
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2
Bewertung x
Gewichtung1,01 0,10 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,13
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 2 1 2 2 0 2 1 2 2 2
Autodesk Revit
Structure
bauspezifisches objektoroientiertes 3D
CAD-System,
Erweiterung für
Autodesk AutoCAD standadisiertes
bauspezifisches CAD
CA
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Maschinenbau
Bewertung x Gewichtung
0,80 0,09 0,02 0,01 0,02 0,02 0,00 0,01 0,13 0,02 0,04 0,04 0,04 0,14
Bewertung (Linear, 0 -1 -2) 1 0 1 2 0 2 2 1 0 0
Bewertung x Gewichtung
0,66 0,06 0,01 0,00 0,01 0,02 0,00 0,01 0,06 0,04 0,02 0,00 0,00 0,08
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System
Nemetschek Allplan 2008
bauspezifisches CAD-
System
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