CAD

Geschichte

Die Gründungsszene ist klein und hell: eine Bildröhre, ein Lichtstift und Ivan Sutherlands MIT-Doktorarbeit von 1963 Sketchpad, mit der ein Designer auf dem Bildschirm zeichnen konnte und — der radikale Schritt — parametrische Beziehungen zwischen den Linien festlegte, sodass die Änderung einer Bedingung sich durch alle anderen fortpflanzte.

Im gleichen Jahr liefen parallele Arbeiten am MIT (CRAFT) und bei General Motors (DAC-1). Durch die 1970er Jahre hinweg spaltete sich die Disziplin in generische CAD und spezialisierte computergestützte Architekturplanung (CAAD) auf; 1982 machte die Freigabe von AutoCAD Vektorgrafik-Konstruktion auf dem Personal Computer erschwinglich und trieb CAD aus der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie auf jedes Zeichenbrett der Welt.

Der tiefere Bogen ist mathematisch. Die 2D-Konstruktion wurde zu B-rep und CSG-Volumenmodellierung, aufgebaut auf euklidischer Geometrie, parametrischen Gleichungen, B-Splines und NURBS. Die 1990er Jahre brachten Feature-basierte und parametrische Modellierung — das Modell als Baum von Operationen, nicht als Stapel von Linien. Von dort gabelte sich der Weg zu BIM, wo Geometrie aufhört, stumm zu sein, und anfängt, semantische, Lebenszyklus- und Kostendaten zu tragen. Die kulturelle Bedeutung ist klar genug: jedes heutige Gebäude, jeder Chip, jedes Auto und fast jedes Konsumentenprodukt durchläuft ein CAD-Modell, bevor es hergestellt wird.

Vor Ort

• Sydney Opera House · 1973 · Jørn Utzon mit Ove Arup — die Kugelsegment-Schalenflächen wurden auf einer Ferranti Pegasus Mitte der 1960er Jahre berechnet, eine der ersten computergestützten geometrischen Berechnungen in der Architektur und der Beweis, dass baubare Flächen abgeleitet statt gezeichnet werden konnten.
• Guggenheim Museum Bilbao · 1997 · Frank Gehry / Gehry Partners — CATIA, direkt aus der Dassault-Raumfahrt importiert, übersetzte handgefertigte, titanverkleidete physische Modelle in herstellbare Flächen. Das Gebäude existiert, weil das CAD-System existierte.
• 30 St Mary Axe (“The Gherkin”) · 2003 · Foster + Partners mit Arup — eine parametrische Hülle und diagrid-Struktur getrieben von einem kleinen Satz von CAD-Variablen; das Ändern der Neigung der Silhouette zeichnete jeden Knoten der Stahlkonstruktion neu.
• Beijing National Stadium (“Bird’s Nest”) · 2008 · Herzog & de Meuron mit Arup und CADG — das Stahlgitter wurde programmiert, nicht gezeichnet, mit parametrischen Routinen, die Stabschnittpunkte auflösten, die ein Ingenieur von Hand zu lösen abgelehnt hätte.
• Heydar Aliyev Center · 2012 · Zaha Hadid Architects — eine kontinuierliche NURBS-Fläche, die nur als CAD-natives Artefakt existieren konnte; das Gebäude hat keine kanonische 2D-Zeichnung, nur das Modell, aus dem die Zeichnungen geschnitten wurden.

Im Ingenieurwesen

Ausserhalb der Architektur ist CAD das Rückgrat der mechanischen Designautomation (MDA) und der elektronischen Designautomation (EDA). Die Datei trägt Vektorgrafik-Geometrie plus die Materialien, Prozesse, Dimensionen und Toleranzen, die nachgelagerte Werkzeuge — CAE/FEA, CAM/CNC, PLM — benötigen, um handeln zu können. Im Hochbau und Bauingenieurwesen verkürzte der Übergang von Hand-Konstruktion zu 3D-Modellierung die Iterationen, offenbarte Konflikte früh im Projekt und machte Last-Fall-Simulation und Topologie-Optimierung alltäglich statt exotisch.

In AEC speziell spielt CAD drei Rollen zugleich: der Geometrie-Kern unter BIM, die Fertigungsquelle für CNC-Fräsen und robotischen 3D-Druck, und die Koordinationsfläche über Tragwerk-, MEP- und Fassadengewerke. Jedes heutige fachgebietsspezifische Designwerkzeug — von Revit und Archicad bis zu den parametrischen Plugins, die auf ihnen aufbauen — läuft auf einem CAD-Modellierungskern. Geometrie ist zur lingua franca zwischen Disziplinen geworden, die früher über Papier kommunizierten.

Hack

OpenSCAD ist Volumenmodellierungs-CAD für Programmierer: die .scad-Datei ist das Modell. Keine grafische Oberfläche — die Geometrie ist ein Programm. Unten ist eine dreissig-zeilige parametrische dorische Säule; ändern Sie eine Variable, und das Modell wird neu aufgebaut — Sutherlands bereits 1963 demonstrierte Lektion.

// Parametrische dorische Säule — ein Programm, eine Geometrie.
height         = 600;   // Gesamthöhe der Schäfte (mm)
shaft_radius   = 60;    // Radius am Fuss
flute_count    = 20;    // kanonische Anzahl dorischer Fluten
entasis_factor = 0.92;  // Radius oben / Radius unten
flute_depth    = 4;
segments       = 96;
steps          = 32;

module shaft() {
    for (i = [0 : steps - 1]) {
        r1 = shaft_radius * (1 - (1 - entasis_factor) * (i     / steps));
        r2 = shaft_radius * (1 - (1 - entasis_factor) * ((i+1) / steps));
        translate([0, 0, i * height / steps])
            cylinder(h = height / steps, r1 = r1, r2 = r2, $fn = segments);
    }
}

module flutes() {
    for (a = [0 : 360 / flute_count : 359.9]) {
        rotate([0, 0, a])
            translate([shaft_radius - flute_depth/2, 0, -1])
                cylinder(h = height + 2, r = flute_depth, $fn = 24);
    }
}

difference() {
    shaft();
    flutes();
}

Atelier

Atelier: In PAZ Atelier behandeln wir die CAD-Datei als Quellcode des Gebäudes, nicht als Lieferformat. Jedes Projekt beginnt mit dem parametrischen Skelett — die Beziehungen, nicht die Linien — und die Zeichnungen, Leistungsverzeichnisse und BIM-Ansichten sind abgeleitete Darstellungen dieses einen Modells. Das Regelwerk, das dies erzwingt, ist einfach aber absolut: Wenn ein Wert im Projekt nicht im Modell ist, ist er nicht im Projekt.

Bewegung

CAD bewegt sich in zwei Richtungen gleichzeitig. Abwärts, in die Datenbank: BIM hat Geometrie bereits in einen semantischen Träger umgewandelt, und der nächste Schritt ist das Modell als abfragbares, versioniertes Artefakt, das neben den übrigen Gebäudedaten lebt. Seitwärts, in Code: Der Aufstieg von OpenSCAD, CadQuery, Build123d und der breiteren Code-CAD-Szene ist die lange verzögerte Rückkehr von Sutherlands ursprünglicher Erkenntnis, jetzt mit korrekter Versionskontrolle und maschinengestützter Modellierung. Das Zeichenbrett kam nie zurück. Das Programm schon.

Quellen & Weiterführende Ressourcen — siehe PAZ Academy Konzeptbibliothek.