CAD, 3D und BIM

Bereits seit dem frühen 13. Jahrhundert sind Bauzeichnungen bekannt, die Ansichten, Grundrisse und Schnitte in Form von maßstäblich verkleinerten Normalprojektionen zeigen. Als Meilenstein für die künstlerische Darstellung von Objekten, Landschaften und Szenen galt die Einführung der Zentralprojektion im 15. Jahrhundert. Damit konnten erstmals realitätsnahe Darstellungen von dreidimensionalen Umgebungen auf 2D-Leinwände mit natürlichem Bildeindruck erstellt werden. Über viele Jahrhunderte waren mit Tusche auf Papier hergestellte architektonische Zeichnungen und Pläne in Normal- und Zentralprojektion neben der Erstellung von maßstäblich verkleinerten Modellen die sichtbaren (Zwischen-)Ergebnisse des architektonischen Entwurfsprozesses.

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Die Anfänge

Ab Mitte der 1960er-Jahre bekamen Zeichenbretter digitale Konkurrenz. Eng verbunden mit der Entwicklung der ersten Computer brachte die beginnende Digitalisierung Innovationen im Bereich des rechnerunterstützten Konstruierens (englisch: computer aided design; kurz: CAD) hervor. Dieser Digitalisierungsschritt vereinfachte die Möglichkeit, Zeichnungen und Pläne abzuändern und durch digitale Speicherung wiederzuverwenden. Die grundlegende Konstruktionsmethodik von der Erstellung einzelner Projektionen und Schnitte in 2D änderte sich zunächst nicht. Erst als Mitte der 1980er-Jahre durch immer leistungsfähigere Hard- und Software rechnerunterstützte 3D-Konstruktionsmethoden möglich wurden, veränderte sich die Erstellung von Projektionen und Schnitten grundlegend: 2D-Projektionen und Schnitte können seitdem aus einem 3D-Modell des Gebäudes abgeleitet sowie Zeichnungen und Pläne automatisiert erzeugt werden. Zu Beginn dieser Entwicklung waren die Investitionskosten für geeignete Hard- und Software jedoch sehr hoch. Weitreichend etabliert hat sich die rechnergestützte 3D-Konstruktionsmethodik daher erst Anfang der 1990er-Jahre, als immer günstigere Lösungen durch die Softwareindustrie auf den Markt gebracht wurden.   

Modellierungsmethoden

Zur Erstellung eines 3D-Modells werden formale Elemente wie Volumen, Flächen, Linien oder Punkte zu einem Geometriemodell zusammengefügt. Je nach CAD-Software variieren Bearbeitungsschritte und Arbeitstechniken. Grundsätzlich wird dabei zwischen zwei Modellierungsmethoden unterschieden: Bei der direkten Modellierung kann – wie der Name vermuten lässt – direkt auf die 3D-Geometrie eingewirkt werden, indem einzelne Elemente und Flächen durch Verschieben, Drücken oder Ziehen manipuliert werden. Bei der parametrischen Modellierung (parametrisches Entwerfen) hingegen, wird das 3D-Modell durch verschiedene Merkmale – die Parameter – erzeugt und verändert. Analog zum realen Objekt enthält das dreidimensionale Abbild Parameter wie etwa Größe, Gewicht, physikalische und optische Kennzeichen. Die CAD-Objekte stehen dabei in einer Beziehung zueinander und beeinflussen sich gegenseitig. So hat beispielsweise die Wand eine Beziehung zum Boden und zur Decke. Wird also die Höhe der Wand verändert, verschiebt sich automatisch die Decke. Für Planungen mit hohem Wiederholungsfaktor ist diese Art der Modellierung hilfreich.

Während die direkte Modellierung gerade in der Anfangsphase des Entwurfsprozesses intuitiver und weniger aufwendig erscheint, erleichtert die parametrische Modellierung die Änderungsverfolgung und Dokumentation: Alle am Modell vorgenommenen Änderungen lassen sich auf spezifische Änderungen der Parameter zurückführen. Ob parametrisch oder direkt modelliert, das 3D-Modell stellt mit seinen digitalen Daten eine wesentliche Grundlage für den Einsatz weiterer Technologien dar: etwa für Simulationen oder Analysen, die Erstellung von Renderings oder aber für die robotergestützte Fertigung oder den 3D-Druck von Bauteilen. 

Besonderheit: Building Information Modelling (BIM)

Die letzten Jahre haben gezeigt: Der als BIM-Methodik bezeichnete, integrale Ansatz auf Grundlage einer zentralen Bereitstellung von Informationen konnte sich bereits vielerorts durchsetzen und wird weiterhin in verschiedenen Planungsbüros etabliert. Zentraler Bestandteil ist das 3D-Bauwerksmodell, das neben der Geometrie auch alphanumerische Informationen enthält. Die Informationen müssen in Form von Daten erhoben, verwaltet und zur Verfügung gestellt werden. Durch die Erweiterung eines 3D-Modells um Zeit, Kosten und Betriebsinformationen entstehen 4D-, 5D- und 6D-Modelle.

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Die heute verwendete BIM Autoren Software ist auf einzelne Planungsdisziplinen spezialisiert und wird kontinuierlich weiterentwickelt. Sie enthält umfangreiche, generische Bauteil- und Symbolbibliotheken, ermöglicht die Definition von Bauteilgruppen und erleichtert den Umgang mit geometrischen Abhängigkeiten durch Assoziativität und parametrische Modellierung. Diese zunehmende Objektorientierung macht die moderne BIM Autoren Software zu einem wichtigen Werkzeug für die BIM-Methodik.

Ausblick

Die voranschreitende Digitalisierung, die Entwicklung leistungsstärkerer Hard- und Software und immer komplexere Bauprojekte werden weiterhin viele Neuerungen und digitale Tools hervorbringen. Schon jetzt lassen sich verschiedene Simulationssoftwares, etwa für Sonnenlicht- oder Akustikanalysen, in den Planungsprozess integrieren. Ökobilanzierungen und Lebenszykluskostenanalysen werden in naher Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen, sodass auch diese Themen in BIM-Projekten abgebildet werden müssen. Nicht zuletzt birgt die robotergestützte digitale Fertigung von Bauteilen und ganzen Gebäuden das Potenzial, die Baubranche nachhaltig zu verändern und neue Möglichkeiten für Planung und Bau zu eröffnen.

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