Fertigteil-CAD: Rationell planen, präsentieren und produzieren

Die Vorfertigung und der Fertigteilbau haben in ihrer Bedeutung in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der gestiegene Kosten- und Termindruck bei der Errichtung von Bauwerken. Betonfertigteile können schnell und kostengünstig in nahezu beliebigen Abmessungen, Formen, Farben und Oberflächentexturen für unterschiedliche Einsatzbereiche hergestellt werden. Die Serienproduktion steigert einerseits die Wirtschaftlichkeit und Ausführungsqualität, senkt anderseits Produktions- und Bauzeiten. Für einen hohen Qualitätsstandard, effiziente Arbeitsabläufe und immer wieder neue Rationalisierungsimpulse sorgt in den Fertigteilwerken seit vielen Jahren der Einsatz branchenspezifischer Software.

Vom CAD zum CAM:

Rationalisierung im Fertigteilbau

Knapp kalkulierte Vorlaufzeiten für die Planung im Werk, ein möglichst vielfältiges Produktspektrum sowie kurzfristige Änderungswünsche der Auftraggeber setzen eine immer schnellere und flexiblere Planung und Produktion voraus. Damit Fertigteilwerke diesen Herausforderungen erfolgreich begegnen können, bieten Softwarehäuser mittlerweile ein breites Spektrum an speziell für die Fertigteilbranche entwickelten Programmen: Vom Entwurf über die Konstruktion, Kalkulation und Visualisierung der Bauteile, bis hin zur Fertigungs-, Liefer- und Montageplanung, Abrechnung sowie die Administration und das Controlling reicht das Leistungsspektrum branchenspezifischer Software. Insbesondere als Planungs- und Konstruktionswerkzeug sind Programme im Betonfertigteilbau mittlerweile unersetzlich: Zum einen setzt die automatisierte Produktion digitale Bauteildaten zwingend voraus. Zum anderen lassen sich für die Produktion relevante Daten wie (Bewehrungs-)Pläne und Listen, Stahlmengen, Betonvolumina oder Gewichte nur noch mit Hilfe des Rechners wirtschaftlich generieren. Bauteilvarianten können weitaus schneller und rationeller entwickelt werden, als mit konventionellen Methoden. Die Fertigteilelemente lassen sich zudem statisch und formal optimieren, was neben dem Beton- und Stahlverbrauch auch die Produktionskosten senkt, die Planungs- und letztlich auch die Produktqualität steigert. Betonfertigteil-Werke sind die Fließband-Produktionsanlagen der Bauindustrie, denn ähnlich wie in der Automobilbranche werden Fertigteile mit Hilfe zentral gesteuerter Roboter produziert. Dazu werden CAD-Informationen der Planungsabteilung vom Leitrechner der Anlage gelesen, in Maschinendaten übersetzt und an die Fertigungsanlage übergeben. Über diesen Leitrechner – dem Bindeglied zwischen den CAD-Planungsdaten und der CAM-Produktion – wird die gesamte Anlage gesteuert: die Palettenbelegung und Produktionsreihenfolge, die Maschinenansteuerung, der Palettentransport, Aushärtezeiten etc. Prozessbilder liefern sämtliche Informationen zur gesamten Anlage und ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung aller Arbeitsstationen und Fertigungsprozesse. Zur Fertigungsanlage gehören Palettenumlaufanlagen bzw. Schalungsroboter zur Herstellung großflächiger Betonfertigteile sowie Bewehrungsanlagen zum Ablängen, Biegen und Einbringen der Bewehrung.

Automatismen rationalisieren die Planung

Wie bei der Fertigung werden auch bei der Planung von Betonbauteilen die Vorteile und Möglichkeiten des Rechners genutzt. So werden auf Basis der Architekten- oder Statikpläne im Fertigteilwerk die relevanten Bauwerksbauteile neu eingegeben, respektive über Datenschnittstellen mehr oder weniger vollständig übernommen und anschließend automatisch elementiert. Dabei werden statische, bau- und haustechnische Erfordernisse vom Programm selbstständig berücksichtigt – wie etwa die Teilung im Bereich von Wandstößen, respektive keine Teilung im Bereich von Öffnungen und Einbauteilen. Auf Schlitze, Durchbrüche, minimale/maximale Elementgrößen und so weiter wird ebenso geachtet wie beispielsweise auf die Erfordernisse beim Einbau eines Elektro-Leerrohrsystems. Die Teilung kann natürlich jederzeit auch manuell ausgeführt, respektive individuell modifiziert werden. Auch Montage- und Vergussrohre oder Transportanker-Positionen werden abhängig vom Schwerpunkt automatisch ermittelt. Einfache Massivwände lassen sich ebenso konstruieren wie mehrschalige Wände, Sandwichwände oder gemauerte Steinwände. Auch Massiv-, Element-, Rippen- oder Hohlkörperdecken lassen sich auf diese Weise bis ins Detail planen. Deckenauflager werden dabei abhängig von der Wandstärke und Verlegerichtung automatisch ermittelt, Aufkantungen oder Deckenausschnitte manuell definiert. Auch Feldkanten-Attribute wie Auflagergrößen, Oberflächen oder der Eisenüberstand werden bei der automatischen Elementaufteilung berücksichtigt. Danach werden die Platten bemaßt und jeder Platte eine Positionsnummer zugewiesen. Bewehrungsmatten werden unter Berücksichtigung einer Verschnittoptimierung in Form von Schneideskizzen ausgegeben. Betonfertigteiltreppen gehören aufgrund ihrer individuellen Geometrie und Formgebung zu den schwierigsten Gebäudebauteilen, weshalb gerade die CAD-Planung verzogener Treppen große Rationalisierungspotenziale bietet. Stehen die Randbedingungen (Treppenhausgeometrie, Geschoßhöhen, Fußboden-/Treppenaufbau etc.) fest, werden Treppenläufe, Podeste und Zwischenpodeste sowie Auflager parametrisch definiert. Daraus generiert das Programm automatisch ein 3D-Treppenmodell. Die Einhaltung von Normen und Vorschriften wird dabei ebenso geprüft wie das Schrittmaß oder die Kopffreiheit entlang der Lauflinie. Die in einem Dialogfenster angezeigten Treppenparameter können individuell modifiziert werden, so dass bis zu einem gewissen Grad auch individuelle Treppenformen möglich sind. Weicht die Treppengeometrie erheblich vom Standard ab oder sind besondere Details zu berücksichtigen, stehen ergänzend die klassischen CAD-Konstruktionswerkzeuge zur Verfügung.

Vom 3D-Bauteil zum 2D-Plan – oder 3D-PDF

Grundlage aller Auswertungen ist das zentrale, dreidimensionale CAD-Datenmodell, das neben geometrischen Informationen auch beschreibende, alphanumerische Daten (Betonart, Oberfläche etc.) enthält. Daraus lassen sich Fertigungsunterlagen und alle für die Kalkulation, Angebotserstellung und Einkaufsplanung erforderlichen Mengen und Massen ableiten. Da die Bauteile mit angrenzenden Objekten in Wechselbeziehung stehen und somit auf die Änderung benachbarter Objekte reagieren, minimiert sich der Arbeitsaufwand bei Änderungen. Wird eine Stütze versetzt, werden auch Träger, Verbindungen und die betroffenen Zeichnungen selbständig aktualisiert. Gleiches gilt für die Verschiebung, Vergrößerung oder Verkleinerung von Öffnungen: die betroffene Bewehrung und Randbewehrung wird automatisch angepasst. All dies funktioniert jedoch nur bei Standardbauteilen. Bei individuell konstruierten Objekten und komplexen Zusammenhängen zwischen Konstruktion, Tragwerk und Haustechnik sind derartige Automatismen meist überfordert, so dass manuell nachgearbeitet werden muss. Das dreidimensionale Bauteil kann – als 2D oder 3D PDF-Datei exportiert –“offline“ oder online präsentiert werden, was die Abstimmung zwischen den Beteiligten erheblich beschleunigt. 3D-Bauteile können vom Betrachter beliebig bewegt, gedreht, gezoomt und von allen Seiten im Detail begutachtet werden, ohne dass auf dem jeweiligen PC ein CAD-Programm installiert sein muss (siehe auch BFT 11/09). Zusätzlich können in der 3D PDF-Datei beliebige Schnitte erzeugt und Maße abgefragt werden. Ist das CAD-Bauteil stimmig und von allen Beteiligten freigegeben, werden die eigentlichen Bewehrungs-, Schalungs-, Fertigungs- und Baustellenunterlagen automatisch generiert. Sie enthalten die Bauteilzeichnungen, einschließlich Bemaßung, Beschriftung und Darstellung der Bewehrung mit Bewehrungsauszug. Auch die Fläche, das Gewicht und der erforderliche Betonbedarf werden ermittelt. Werden kurzfristig einfache Änderungen erforderlich, etwa die Bewehrung, ein Oberflächenattribut oder die Geometrie der Platte betreffend, so werden damit gleichzeitig alle Modifikationen direkt im Modell und damit auch am Verlegeplan durchgeführt. Der Verlegeplan enthält eine Draufsicht, eine 3D-Ansicht, ein Stempelfeld sowie alle für die Montage relevanten Details, etwa den Mörtelbedarf für die Baustelle. Die Bauteilbemaßung erfolgt vollautomatisch, kann jedoch individuell geändert und ergänzt werden. Das gilt natürlich auch für die Pläne, die im CAD-Programm durch Texte, Schraffuren, Farben etc. ergänzt werden können.

Ohne Schnittstellen kein Datenfluss

Ein funktionierender Datenaustausch ist Voraussetzung für einen reibungslosen Planungs- und Fertigungsprozess, wobei unterschiedliche Schnittstellen genutzt werden. Die Standard-Austauschformate DXF oder DWG dienen dem Import der Bauwerksdaten des Architekten oder Tragwerksplaners. Da die Qualität der Daten sehr unterschiedlich ist – sie reicht von simplen 2D-Linien bis zu bauteilorientierten 3D-Gebäudedaten – und viele Bauteilinformationen beim Austausch meist ohnehin verloren gehen, wird die Geometrie häufig komplett neu eingegeben. Mit zunehmender Verbreitung des Building Information Modeling (BIM), d.h. der objektorientierten Gebäudedaten-Modellierung, kommen so genannte IFC-Basisdatenmodelle des BuildingSmart e.V. (www.buildingsmart.de) zum Einsatz. Sie erübrigen weitgehend die unproduktive Mehrfacherfassung von Bauteilen und sorgen für einen effizienteren Datenfluss. Schnittstellen sind auch erforderlich, um Daten zwischen dem technischen CAD-Programm und den kaufmännischen bzw. logistischen ERP-Anwendungen des Unternehmens auszutauschen. ERP-Programme (Enterprise-Resource-Planning) enthalten Werkzeuge zur Ressourcenplanung und ‑steuerung – inklusive Angebotswesen, Einkauf, Lagerhaltung, Disposition, Personalwirtschaft etc. Neben einer funktionierenden Schnittstelle zwischen CAD und ERP wird auch der Austausch mit PPS- (Produktionsplanung und ‑steuerung) und BDE-Systemen (Betriebsdatenerfassung) zunehmend wichtiger.

CAD-Markt und –Trends

Eine ganze Reihe namhafter Anbieter offeriert speziell für den Betonfertigteilbau konzipierte Planungs- und Konstruktionsprogramme (siehe Infokasten), wobei sie sich im Konzept, Funktionsumfang und Preis teilweise deutlich unterscheiden. Das Softwareangebot teilt sich in drei Gruppen: in bauspezifisches Architektur-CAD mit Fertigteil-Aufsatz, in allgemeine CAD-Konstruktionsprogramme mit Fertigteilmodulen sowie in ausschließlich für diesen Bereich konzipierte Fertigteilprogramme. Architektur-CAD bietet Vorteile, wenn nicht nur einzelne Bauteile, sondern komplette Gebäude wahlweise zweidimensional für Pläne oder dreidimensional für Massenauswertungen und Visualisierungen abzubilden sind. Allgemeine CAD-Konstruktionsprogramme mit Fertigteilmodulen nehmen eine Zwitterstellung ein. Sie konstruieren Fertigteile konsequent 3D-orientiert, bieten jedoch keine erweiterten architekturspezifischen Funktionen. „Echte“ Fertigteilprogramme erzeugen zwar konkurrenzlos schnell Standardfertigteile über eine parametrische Bauteil-Beschreibung, bieten aber meist nur eingeschränkte Möglichkeiten für eine freie Bauteil-Konstruktion. Welche Lösung sich am besten eignet, hängt vom individuellen Einsatzspektrum und dem Produktportfolio des Fertigteilwerks sowie der System-umgebung ab. Ein aktueller Trend ist zweifelsohne das Building Information Modeling (siehe BFT 1/12), nicht nur im Fertigteil-, sondern im gesamten Baubereich. BIM kann Arbeitsabläufe effizienter gestalten, die Produktivität steigern und die Qualität der Planung verbessern. Wird BIM konsequent eingesetzt, lassen sich gegenüber der konventionellen Arbeitsweise 10 bis 30 Prozent Zeit und Kosten einsparen. Aufgrund der Verbreitung dieser neuen Arbeitsweise in den verschiedenen Bauplanungsbereichen lassen sich BIM-Daten für bauphysikalische Untersuchungen ebenso nutzen, wie für die Haustechnik-Planung, die Kostenplanung und ‑steuerung, die Bauablaufplanung, die statische Optimierung von Tragwerken mit Hilfe der Finite Elemente Methode oder die energetische Optimierung des Gebäudeentwurfs.

Auch die „Randaspekte“ sind wichtig!

Funktional nähert sich Betonfertigteil-CAD immer mehr an, weshalb auch die nicht minder wichtigen „Randaspekte“ bei der Softwareauswahl berücksichtigt werden sollten: Da ist zunächst der Hersteller/Anbieter. Da man mit ihm im Hinblick auf Software-Anpassungen, -Updates/Upgrades, Wartungsverträge etc. (idealerweise) eine langjährige Beziehung eingeht, sollte man sich auch ihn genauer anschauen: Seit wann ist er auf dem Markt und wie steht er aktuell wirtschaftlich da? Wie viele Lizenzen sind im Einsatz? Wie gut ist der Support und wie schnell werden individuelle Anfragen beantwortet und Softwareanpassungen realisiert etc.? Die Software sollte flexibel und modular erweiterbar sein, damit man einerseits anfangs keinen Ballast mitkaufen muss, andererseits später individuelle Ausbaumöglichkeiten hat. CAD spart, kostet aber auch Zeit – insbesondere in der meist mehrwöchigen Ein-, respektive Umstiegsphase. Wie gut man dabei mit der Software zurechtkommt, hängt auch von den Einstiegshilfen wie Handbuch, Tutorials, Schulungen und dem Support ab. Auch die Wahl der Hardware spielt eine wichtige Rolle, wobei heute jeder aktuelle, windowsfähige PC mit hochauflösendem, großformatigem LCD-Monitor als CAD-Arbeitsplatz geeignet ist (ca. 1.000 Euro). Für die Ausgabe von Listen sind A4- oder A3-Drucker, für Verlegepläne großformatige A0-Ausgabegeräte erforderlich (ca. 500 bzw. 5.000 Euro). Im Vergleich zu den Gesamtkosten für eine komplette Fertigungsanlage ohne Halle (10-12 Mio. Euro) sind die Kosten für die CAD-Software geradezu bescheiden. Sie bewegen sich zwischen 5.000 und 10.000 Euro pro Arbeitsplatz, je nach Programm und Ausbaustufe. Bei Zusatzapplikation für ein Basis-CAD-Programm (z.B. AutoCAD), muss in der Regel zum Preis für die Zusatzapplikation der Preis für das Basis-CAD hinzugerechnet werden. Zu den nicht zu unterschätzenden Folgekosten gehören individuelle Software-Anpassungen, Schulungen im Zusammenhang mit neuen Versionen, Wartungsverträge, respektive Software-Updates und ‑Upgrades.