Was ist schneller — CAE oder CAD?

„CAD war gestern!“ „Generieren statt Konstruieren!“ „Haustechnik-Planung ohne CAD-Expertenwissen!“ – so oder ähnlich werben CAE-Anbieter für ihre Produkte. Zeiteinsparungen bis zum Faktor 25 und erhebliche Produktivitätssteigerungen lassen sich, so die Versprechen der Anbieter, mit moderner CAE-Software erzielen. Neben diesem beachtlichen Geschwindigkeits- und Produktivitätsvorteil, der durch Praxistests durchaus nachweisbar ist [1], bietet CAE – zusätzlich zur Konzeption und Konstruktion – auch integrierte Berechnungs-, Simulations-, Analyse- und Optimierungsfunktionen für die technische und wirtschaftliche Anlagenoptimierung. Was steckt hinter diesen Werbeaussagen – und…

…was ist eigentlich CAE?

CAE, Computer Aided Engineering, bedeutet so viel wie „computergestütztes Ingenieurwesen“. Unter diesem Oberbegriff werden alle rechner­gestützten Werkzeuge zusammengefasst, die ­Ingenieure bei der Berechnung, Simulation und Optimierung von Objekten oder Prozessen unterstützen. Teilgebiete von CAE sind beispielsweise die Finite-Element-Methode (FEM) oder die für Brand- oder Windsimulationen eingesetzte numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD).

Auch CAD, das rechnergestützte Zeichnen/Konstruieren, ist Teil von CAE. Im Gegensatz zu vielen CAD-basierenden Lösungen laufen die Berechnung und die Zeichnung/Konstruktion nicht als separate Arbeitsprozesse ab, sondern sind eng miteinander verzahnt. Diese Verknüpfung zwischen Zeichnen und Berechnen macht die Planung durchgängiger und effizienter.

Unterschiede liegen im Detail

Die Unterschiede zwischen CAD und CAE werden im Detail deutlich: Während der CAD-Planer Leitungs- oder Lüftungsstränge Formstück für Formstück quasi wie bei einem Baukastensystem zusammensetzt, zeichnet man beim CAE-System im einfachen Einstrich-Verfahren im Grundriss oder in der Isometrie den Leitungsstrang und lässt parallel ein 3D-Volumenmodell vom Programm generieren. Komplizierte 3D-Konstruktionen entfallen und CAD-Kenntnisse werden nicht vorausgesetzt.

Anhand des Volumenmodells lassen sich Ein- und Ausgabewerte in Sekundenschnelle graphisch analysieren: So können Rohrnennweiten im Netz, der Temperaturabfall in den Vorlaufleitungen oder die spezifische Heizlast visualisiert werden. Wie bei CAD-Systemen auch, können Engstellen unter Berücksichtigung aller TGA-Gewerke auf mögliche Kollisionen überprüft werden. Änderungen der Leitungsdimensionen oder Trassenführung sind in begrenzter Form möglich.

Automatismen, die Wechselwirkungen zwischen der Gebäudegeometrie und den einzelnen Installationssträngen von Heizung, Lüftung/Klima, Sanitär und Elektro (HLSE) berücksichtigen, mindern den Änderungsaufwand und minimieren durch Änderungen bedingte Fehler und Folgefehler. Ein weiterer Unterschied zwischen CAD und CAE ist die Integration der Kalkulation. Berechnungsfunktionen sind an die CAD-Planung nicht immer optimal angegliedert.

Häufig ist eine Kalkulation der Heizlast, der Heizkörperauslegung, der Kühllast, des Trinkwasser-, Heizungs-, Lüftungs- oder Entwässerungsnetzes gemäß DIN, EN, VDI und teilweise Ö-Norm nur mit einem oder mehreren externen Programmen möglich, was jedoch Schnittstellen voraussetzt. Berechnungen können dann meistens nicht direkt aus der Zeichnung heraus erfolgen, sondern müssen extern angestoßen werden und die Ergebnisse können nicht unmittelbar in der Zeichnung berücksichtigt werden, was den ­Arbeitsfluss hemmt und Rationalisierungseffekte mindert.

Trotz aller Vorzüge – CAE ist kein CAD. Die Funktionen für die Darstellung und Änderung der Leitungsnetz-Geometrie sind, zugunsten einer einfachen Bedienung, auf ein Mindestmaß begrenzt. Das bedeutet aber auch, dass vom Standard abweichende Geometrien (Dachschrägen, versetzte Geschossebenen etc.) nicht immer darstellbar sind. Das Entscheidende ist aber, dass für die Generierung und Ausgabe bemaßter und beschrifteter Installations-, Detail- und Bestandspläne doch wieder CAD erforderlich ist. Auch anspruchsvollere Visualisierungen oder Animationen sind nur mit CAD realisierbar. Wichtig ist deshalb, dass die Ergebnisse der CAE-Planung kompatibel mit dem jeweiligen CAD-System sind.

Welche Lösungen bietet der Markt?

Drei von insgesamt rund 20 deutschsprachigen Planungsprogrammen für den Bereich Haustechnik, genauer HLS(E), verstehen sich ­explizit als CAE-Systeme: HT 2000 CAE von Willms sowie Dendrit und mh-software jeweils vom gleichnamigen Hersteller. Die übrigen Lösungen sind mehr oder weniger CAD-basierend, wobei die Hersteller CAD und CAE unterschiedlich definieren und so mancher Anbieter seine Lösung sowohl als konstruktions- als auch berechnungs-/analyseorientiert bezeichnet, wie etwa im Falle von DDS-CAD.

Für den Anwender wichtiger als die Frage „CAD oder CAE?“ ist, welches Basisprogramm hinter der jeweiligen Lösung steckt. Allgemein wird TGA-Planersoftware unterteilt in Programme mit AutoCAD als Basis (etwa die Hälfte aller TGA-CAD-Programme) und solchen mit eigenem CAD-Kern. Die in der Regel allgemeinen CAD-Kerne ­erhalten einen fachspezifischen „Aufsatz“, auch „Applikation“ genannt, der das Basis-CAD erst TGA-fähig macht. Stammt das Basis-CAD nicht vom Applikationsentwickler, hat dies Vor- und Nachteile.

Die Vorteile: Bei der Weiterentwicklung kann sich der Applikations-Hersteller voll auf Haus­technik-spezifische Funktionen konzentrieren und muss seine Kapazitäten nicht parallel auch noch in die CAD-Basis stecken. Hinzu kommt, dass sich AutoCAD-Anwender beim Datenaustausch keine Sorgen um die DXF/DWG-Kompatibilität machen müssen und beispielsweise neue Mitarbeiter mit AutoCAD-Kenntnissen leichter zu finden sind.

Die Nachteile: Die Anwender sind vom Applikationsentwickler und vom Basis-CAD-Hersteller abhängig. Verbesserungen und Erweiterungen der neuen Basisprogramm-Version können erst dann genutzt werden, wenn auch die TGA-Applikation auf demselben Versionsstand ist. Hinzu kommt, dass man bei der Softwareinvestition zu den Kosten des TGA-Aufsatzes die Kosten des Basis-CAD-Programms hinzuzählen muss und bei den jährlichen Software-Wartungskosten doppelt zur Kasse gebeten wird.

Diskussionen um die Frage „AutoCAD mit CAD-Aufsatz oder ‚echtes‘ TGA-CAD?“ sind müßig, zumal es wohl genauso viele gute Argumente für und gegen die eine oder andere Kategorie gibt [2]. Entscheidender ist die Frage, wie gut ein Büro in seiner individuellen Situation (Leistungsspektrum, Planungsschwerpunkte, Mitarbeiter-Know-how, Kooperation mit Fachplanern, Kompatibilität mit deren Planungswerkzeugen etc.) mit der Software zurechtkommt und wie schnell man ein Projekt bearbeiten kann. Jede Stunde und jeder Tag, den man mit einem System einspart, ist bares Geld und bedeutet mehr Wirtschaftlichkeit.

Was sollte TGA-Software können?

Routinetätigkeiten wie die Dimensionierung von Heizungs- und Abflussrohren oder Lüftungskanälen oder die Generierung von Schema-, Übersichts- und Leitungsplänen in Form von Grund­rissen, Aufsichten/Untersichten, Schnitten oder Isometrien sollte TGA-Software Planern ebenso abnehmen wie das stupide Messen und Zählen von Längen, Flächen und Mengen für LV-Texte.

Da alle TGA-Objekte, etwa ein Heizungsvorlauf, wichtige Informationen mit sich führen (Einrohr-, Zweirohrsystem, Heizkreisnummer, Durchmesser, Material, Länge etc.), lassen sich aus der Zeichnung alle für die Berechnung, Ausschreibung, Kostenermittlung etc. erforderlichen Informationen herauslesen. Eingebaute Kollisionskontrollen weisen bei einigen Programmen auf logische Fehler innerhalb des Installationsnetzes hin und markieren den betroffenen Bereich.

Da TGA-Planer meist um eine komplette ­Eingabe des Hausgrundrisses bzw. der Ge­bäudestruktur nicht herumkommen, sollten ­Gebäudebauteile möglichst effizient, wahlweise im Grundriss oder einer anderen Projektion ein­gegeben werden können. Wird im Programm der Architektenplan oder alternativ eine gescannte Papiervorlage hinterlegt, sollten Fang- bzw. Zoomfunktionen das „digitale Durchpausen“ erleichtern. Alle Zeichnungsobjekte (Gebäude- und Installa­tionsbauteile) sollten automatisch auf die passende Zeichnungsfolie (Layer) abgelegt werden, um in den meist komplexen TGA-Plänen Chaos zu vermeiden.

Änderungen machen rund 80 % des Planungsaufwandes aus, deshalb muss beispielsweise das Verschieben von Wandöffnungen oder Innenwänden auf mehreren Etagen, inklusive neuer Heizlastermittlung, Heizkörperauslegung, Rohrnetzberechnung und beschrifteter Ausführungsplanung, leicht von der Hand gehen. Ein mehrstufiges Undo/Redo (möglichst für jede Funktion) erleichtert nicht nur den Einstieg, sondern auch die tägliche Arbeit.

Für die Ausschreibung relevante Daten sollten automatisch ermittelt und im ASCII-, GAEB-, Ö-Norm- oder in einem anderen Daten­format herausgeschrieben werden. Die ermittelten Einzelmassen sollten den Leitungssträngen, Räumen und Geschossen prüfbar zugeordnet werden ­können. Auch dreidimensionale Visualisierungen von Lüftungskanälen, Heizungsleitungen etc. sind wichtig. Sie spielen in der Praxis immer dann eine Rolle, wenn komplexe Leitungs­führungen visualisiert werden sollen oder der TGA-Planer seine Arbeit präsentieren und dokumentieren will, die sonst immer im Boden, in der Wand oder abgehängten Decke ver­schwindet.

Die Benutzerführung sollte so flexibel sein, dass sich der Fortgeschrittene und Profi beispielsweise nicht durch mehrere Menüebenen „durchhangeln“ muss, sondern sein Ziel auch schnell über Kurzwegtasten erreicht. Damit sich Architekten-Zeichnungen im- bzw. Installationspläne exportieren lassen, ist eine aktuelle DXF-/DWG-Schnittstelle unabdingbar.

IFC im TGA-Bereich

Vom Architekten oder Ingenieur per DXF ­übergebene Werkpläne werden vom TGA-Planer häufig neu gezeichnet, weil Fehler beim Import entstehen oder eine Anpassung der importierten Informationen an die Daten- und Objektstruktur des eigenen Programms aufwendiger wäre, als eine Neueingabe. Vom Architekten bereits festgelegte Gebäudedaten, wie Rauminforma­tionen, Wände und Öffnungen oder Materialien gehen damit verloren, und müssen neu definiert werden.

Umgekehrt fehlt für eine sinnvolle Koordinierung der Trassen- und Durchbruchsplanung beispielsweise die Rückkopplung von Haustechnik-Objekten an die Tragwerks- und Architekturplanung. All dies verursacht unnötige Mehrarbeit und Fehlerquellen. Mit den von der Industrie Allianz für Interoperabilität e.V. (IAI) entwickelten objektorientierten Basisdatenmodellen, IFC (Industry Foundation Classes, [3]) lassen sich Bauwerksinformationen nahezu verlustfrei transferieren. Ziel von IFC und des vom CAD-Marktführer Autodesk geprägten Building Information Modeling (BIM) [4], was für die durchgängige Integration planungs-, ausführungs- und nutzungsrelevanter Gebäudedaten in einem zentralen Gebäudedatenmodell steht, ist der Aufbau und die Weitergabe eines umfassenden Gebäudedatenmodells, das von allen Projektbeteiligten benutzt und fortgeschrieben werden kann.

Alle Planungsbeteiligten und ausführenden Gewerke sollen darauf zugreifen und es ­vervollständigen können, sodass es schließlich eine ideale Grundlage für den Betrieb eines ­Objektes bildet. Im TGA-Bereich bildet das ­Gebäudedatenmodell die Grundlage für Simula­tionen und Berechnungen, etwa der Wärme­bedarfsberechnung oder Gebäudesimulation. Nicht alle TGA-Programme unterstützen den IFC-Standard in der aktuellen Version [3]. Hinzu kommt, dass viele Architekten und Ingenieure ihr CAD-System immer noch lediglich als „digitales ­Zeichenbrett“ nutzen, respektive 3D-Gebäudedaten per DXF und nicht per IFC an den TGA-Planer und andere Projektbeteiligte transferieren. Solange dies der Fall ist, wird es keine spürbaren Verbesserungen geben und solange wird die ­Baubranche hinter innovationsfreudigen Branchen wie dem Fahrzeug- oder Maschinenbau hinter­herhinken. Marian Behaneck, Jockgrim

Literatur und weitere Infos (Auswahl):

[1] Vorländer, Jochen: (R)Evolution in der Planung durch CAE: Probe aufs Exempel – Vorstoß in die 4. Dimension. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 03-2005

[2] http://www.cad.de: (TGA-CAD-Foren: Rubrik „AEC“, Unterpunkt „Technische Gebäudeausrüstung TGA“)

[3] https://www.buildingsmart.de/: (Plattform der Industrieallianz für ­Interoperabilität, Übersicht zertifizierte / kompatible Software in der Rubrik Lösungen, Unterpunkt Software)

[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Building_Information_Modeling

TGA: Herr Schlattmeier, seit wann setzen Sie die Lösungen von mh-software ein?

Schlattmeier: Seit 1998. Damals haben wir unser System von DOS auf Windows umgestellt. Neben dem für unsere Zwecke erforderlichen Funktionsumfang standen die leichte Handhabung und die Abbildung des Planungsprozesses im Vordergrund. Rückblickend war unsere Entscheidung für das CAE-System genau richtig. Wir haben seitdem alle kleinen und großen Neuerungen der Softwareweiterentwicklung mitgemacht. Dass dies trotz erheblichen Erweiterungen für uns ohne Schulungen möglich war, spricht für sich. Man kann die Software wirklich intuitiv bedienen.

TGA: Welche Vorteile haben Sie durch die Verwendung eines CAE-Systems?

Schlattmeier: Besonders anschaulich lassen sich die Vorzüge einer Integration der technischen Berechnung in die grafische Darstellung an einer Änderung aufzeigen. Erhöht sich beispielsweise in einem fortgeschrittenen Planungsstadium für einen Raum die Heizlast, würde eine Berücksichtigung bei herkömmlichen Programmen einen enor­men und fehleranfälligen Aufwand verursachen. Bei unserer CAE-Lösung machen wir keine neue Heizlastberechnung, sondern wir ändern die Eingabedaten, beispielsweise die neue Raumtemperatur. Mit einem Knopfdruck wird dann die Heizlast inklusive der Konsequenzen für die angrenzenden Räume neu berechnet, die Heizflächen werden angepasst, das Rohrnetz neu dimensioniert und besonders wichtig: Alle Pläne werden einschließlich der Beschriftung aktualisiert und der Massenauszug auf den neuesten Stand gebracht.

TGA: Eigentlich will man ja als Planer gar nicht ändern…

Schlattmeier: Mit einer „Änderung“ verbindet man vielfach etwas, dass einem von anderen ­aufgezwungen wurde. Tatsächlich treten aber im Planungsprozess laufend Modifikationen, ­Korrekturen, Anpassungen oder Optimierungen auf. Änderungen gehören also zum Tagesgeschäft. Es kommt auch häufig vor, dass wir bestimmte Daten beim Planungsbeginn noch gar nicht ­kennen, aber aus terminlichen Gründen anfangen müssen. Nur ein durchgängiges CAE-System ­ermöglicht es, mit plausiblen Annahmen zu ­arbeiten und später ohne großen Aufwand eine ­Aktualisierung vorzunehmen. Bei getrennten Programmen könnte sich diese Arbeitsweise aus wirtschaftlichen Gründen kein Planungsbüro leisten. Das geht nur, wenn Zeichnung und Berechnung eine Einheit bilden.

Um aber etwas ändern zu können, muss man zunächst eine Planung haben. Und die geht mit unserem CAE-System wirklich erheblich schneller, denn in einem herkömmlichen CAD-System ist allein die Bearbeitung dreidimensionaler Objekte sehr zeitintensiv. mh-software bietet hier einen anderen Weg: Das Zeichnen erfolgt in einem Einstrich-Verfahren, sei es bei der Erfassung der Gebäudedaten oder den Netzen. Aus dieser minimalen Zeicheninformation, den technischen Daten und den Berechnungsergebnissen erhält man ohne weiteres Dazutun auf Knopfdruck ein Volumenmodell. Die Koordination verschiedener Gewerke und eine Kollisionsprüfung sind hierdurch ebenfalls möglich.

TGA: Gibt es auch eine Plausibilitätsprüfung für die Dateneingabe?

Schlattmeier: Ja, in unserem CAE-Programm ist ein Analysewerkzeug integriert, mit dem jeder Eingabewert und jedes Berechnungsergebnis verwendet werden kann, um Räume oder Netze skaliert einzufärben. Fehleingaben oder ungewöhnliche Berechnungsergebnisse werden so optisch hervorgehoben, schnell lokalisiert und können durch Anklicken und Korrektur der Eingangsdaten einfach behoben werden. Wir wenden dies beispielsweise regelmäßig bei der Heizlastberechnung zur Kontrolle der U-Werte an. Das Analysewerkzeug ist wirklich sehr hilfreich.

TGA: Wer „füttert“ das CAE-System, der Planer oder ein Zeichner bzw. Sachbearbeiter?

Schlattmeier: Ganz wichtig ist, dass das Programm so einfach zu benutzen ist, dass es bei uns jeder kann. Wer es dann macht, ist von Projekt zu Projekt verschieden, manchmal wird auch gemischt. Ab und zu steht am Anfang eine Papierskizze, bei kleineren Objekten starten wir auch ­direkt im CAE-System. Oft kann der Projektverantwortliche auch etwas schneller im CAE-System hinterlegen oder ändern, als die Informationsweitergabe an den Kollegen dauern würde.

TGA: Sie haben das Einstrich-Verfahren ­erwähnt. Ist das für Sie eine „Krücke“?

Schlattmeier: Nein, ganz und gar nicht. Die Gewerke Heizung und Sanitär würde man in CAD in der Regel auch nur als Strich darstellen. Und bei der Lüftung ist diese Vorgehensweise sehr vorteilhaft. Wir zeichnen einen Strich und das Programm macht mit einigen Zusatzinformationen ein 3D-Modell daraus. Wenn es komplexer wird, beispielsweise eine knifflige Lüftungszentrale mit vielen Kreuzungen usw., planen wir diese allerdings extern und definieren entsprechend eine Schnittstelle.

TGA: Das heißt, bis zum Ende der Entwurfs­planung bleiben Sie im CAE-System?

Schlattmeier: Ja, bei einigen Projekten können wir die Pläne aus dem CAE-System auch ganz oder teilweise für die Ausführungsplanung nutzen. Ganz wichtig ist für uns, dass uns das CAE-System einen sehr genauen und stets aktuellen Massenauszug liefert. Theoretisch ist dieser ja erst das Ergebnis der Ausführungsplanung. Die Abfolge der HOAI entspricht aber in dieser Projektphase kaum noch dem heutigen Planungsprozess. Ausschreibung und Ausführungsplanung müssen aus terminlichen Gründen oft parallel gemacht werden, zumindest was die zeichnerische Darstellung betrifft. Verlässliche Massen zu einem sehr frühen Zeitpunkt sind dann ein Muss.

TGA: Kann jedes TGA-Planungsbüro mit einem CAE-System die Produktivität steigern?

Schlattmeier: Unsere Referenzliste umfasst Alten-Pflegeheime, Wohnheime, Feuerwachen, Hotels, Veranstaltungsgebäude, Kindertagesstätten, Krankenhäuser und Kliniken, Schulzentren, Sporthallen, Banken, Verwaltungsgebäude, Industriebauten, Geschäfts- und Wohnhäuser. Wer sein Büro darin wiederfindet und bei der Planung und vor allem bei Änderungen Daten zwischen Berechnungs- und Zeichenprogrammen übergeben muss, hat nach meiner Einschätzung dafür beste Voraussetzungen. Gleichzeitig erhöht sich durch entfallende Schnittstellen und Arbeitsabläufe die Planungssicherheit. Wir sind jedenfalls mit CAE deutlich produktiver.

TGA: Vielen Dank für das Gespräch.

Das Ing.-Büro Reich + Hölscher, Bielefeld, wurde 1980 von Klaus Reich und Hans-A. ­Hölscher gegründet und beschäftigt elf ­Diplom-Ingenieure und Techniker, fünf technische Zeichner und drei kaufmännische ­Angestellte. Zum Leistungsbild gehören ­Beratung, Systemanalysen, Energiemanagement, Wirtschaftlichkeitsberechnungen, ­Gutachten, Planung, Bauleitung, Objektüberwachung und das ­Technische Gebäude­management. Abgedeckt werden die Fach­gebiete Sanitärtechnik inkl. Wasseraufbereitung, Schwimmbad- und Feuerlöschtechnik, Heizungstechnik inklusive Kraft-Wärme-Kopplung, Fernwärme, Energieberatung und Wärme-Contracting und Raumlufttechnik inklusive Industrielüftung, Kälteanlagen und Absorbtionskältetechnik. Weiterhin wird die Bereitstellung von medizinischen Gasen und von Druckluft bearbeitet. Zu den ausgeführten Projekten gehören Krankenhäuser und Kliniken, Hotels, Museen, Tagungsstätten, Verwaltungsbauten, Rechenzentren, Industrieanlagen, ­Produktionsstätten, Wohn- und Pflegeheime, Einkaufszentren, Wohn- und Geschäftshäuser und kommunale Zweck­gebäude.

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