Benutzer:DRuKo65/VirtualSteel/Spielwiese

Virtual Steel   Virtual Steel
Entwickler:	ITS AFischer
Aktuelle Version:	Virtual Steel V13
Betriebssystem:	Windows 8.1 (64 Bit), Windows 10 (64 Bit), Windows 11 (64 Bit)
Kategorie:	CAD-Programm
Lizenz:	kommerziell
Deutschsprachig:	ja
Website:	https://www.virtualsteel.de/

Virtual Steel Screenshot

Virtual Steel ist eine Konstruktions-Software für den Stahlhochbau, die der Kategorie der CAD-Systeme zuzuordnen ist. Im Unterschied zu den gängigen CAD-Programmen speichert Virtual Steel jedoch keine Geometrien sondern ein digitales Gebäudestrukturmodell als Objektbaum, in dem die Objekte über Relationen miteinander verbunden sind. Die Technik basiert auf den Ausarbeitungen einer Forschergruppe an der Ruhr-Universität Bochum aus den 1990'er Jahren. Neben der seinerzeit aufkommenden objektorientierten Modellierung und Programmierung wurden Regelsysteme erforscht, um objektorienterte Techniken mit wissensbasierten Systemen zu verschmelzen. Durch die weitere Ausarbeitung dieser Forschungserkenntnisse und Implementierung in ein Stahlbau-Konstruktions-System unterscheidet sich der Ansatz erheblich von dem der gängigen CAD-Programme [1]. Das System inklusive 3D-Grafik-Kernel, 2D-Zeichnungskern und Makrosprachen-Interpreter ist eine Eigenentwicklung der Firma ITS-AFischer.

Vorgeschichte

Zu Beginn der 1990'er Jahre wurden zum einen die Zeichenbretter in den Ingenieur- und Planungsbüros sukzessive durch Arbeitsplätze mit CAD-Systemen ersetzt, zum anderen trat eine modernere Form der Programmierung ihren Siegeszug an: Die objektorientierte Programmierung mit Spachen wie Smalltalk, Java und C++.

Mit dem Erscheinen des Buches Object-Oriented Analysis von Peter Coad und Edward Yourdon wurde zudem eine Form der Analyse eines Bereichs, der durch das zu entwickelnde Software-System abgedeckt werden sollte, übersichtlich als Plan erstellt. Aus diesem wurde sodann ein digitales Modell entwickelt mit allen Eigenschaften und Methoden der Objekte. In der Forschung stürzte man sich mit vielen Projekten auf diese neue Thematik, die vielversprechend war um komplexe System in einer übersichtlichen Art und Weise zu planen und darzustellen.

Zu der Zeit entstanden viele verschiedene Statik- und CAD-Programme, aber man musste sämtliche Daten mehrfach eingeben, weil die Systeme nicht kompatibel waren. Zudem fehlte es an definierten Austauschformaten, um zumindest die einmal digital erfassten Geometrien weiter zu verwenden. Mit dieser Thematik beschäftigten sich vermehrt neben Wissenschaftlern auch Gremien, um eine Art Standard dafür zu entwickeln. In der Praxis setzte sich da schon das von Autodesk entwickelte DXF-Format durch, wird inzwischen aber mehr und mehr durch Industry Foundation Classes, kurz IFC ersetzt. Im Maschinenbau ist es dagegen immer noch Standard for the exchange of product model data, STEP.

Forschungsprojekte im Bereich Stahlbau-CAD

Am Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen der Ruhr-Universität Bochum gab es mehrere Projekte mit unterschiedlichen Ausrichtungen, die dann unter der Prämisse "objektorientiert" bearbeitet wurden. Vom seinerzeitigen Lehrstuhlinhaber Prof Dr.-Ing Dr.-Ing.E.h. Dietrich Hartmann wurde angeregt, dass die Wissenschaftler der verschiedenen Forschungsprojekte ein gemeinsames Objektmodell entwickeln sollten, wobei das Fachgebiet des Stahlbaus ausgewählt wurde. Der Stahlbau bietet aufgrund seiner klaren Strukturierung einen plausiblen Ansatz für diese OOA. Das Aufgabenfeld sollte die Integration der Planungsprozesse von der Entwurfsplanung über die Statik, sowie der Konstruktion und Detaillierung, den Nachweisen für die Gebrauchstauglichkeit bis zur Montage umfassen.

Objektorientierte Modellierung und CAE-Integration im Stahlbau

Die Gruppe der Wissenschafler an der RUB, die sich OOMG (Object-Oriented-Modelling-Group) nannte, entwickelte ein Objektmodell für den Stahlbau und stellte dabei fest, dass gerade im Stahlbau Assoziationen vorlagen, die speziell durch die Objektorientierung abgedeckt werden mussten. . In einem von DFG geförderten Projekt wurde ein Prototyp für den Stahlbühnenbau erstellt, der auf das von der Forschergruppe entwickelte objektorientierte Tragwerksmodell aufsetzt

Wissensbasierte Systeme in der Bauplanung

Ein weiteres Projekt, das am Lehrstuhl Informatik im Bauwesen von 1989-1991 durchgeführt wurde, befasste sich mit der objektorientierten Wissensrepräsentation im Planungsprozess des Ingenieurwesens. Wissen und Regeln wurden in diesem Projekt extern in einer Oracle-Datenbank vorgehalten und mit dem CAD-System AutoCAD [2] der Firma Autodesk grafisch repräsentiert . Vorteilhaft ist bei so einer Trennung von Programmcode und Daten, dass die Daten, die das Wissen repräsentieren, von außen dem Zugriff offen stehen und leicht angepasst werden können. Die Regeln, die zum Einsatz kommen, sind dabei den DIN oder EN zu entnehmen und datentechnisch zu formulieren.

Anforderungen an CAD-Systeme

Um die Studenten jeweils auf den neuesten Stand der CAD-Technik zu bringen, wurden die seinerzeit verfügbaren CAD-Systeme untersucht und verglichen, sowie auch neue Ansätze vorgeschlagen. Neben Forschung und Lehre wurden am Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen auch Weiterbildungen für Ingenieure und Konstrukteure angeboten, da in den 1990-er Jahren die Zeichenbretter sukzessive durch mit CAD-Systemen ausgestattete Computerarbeitsplätze ersetzt wurden. Im Rahmen dieser Weiterbildungen wurden auch Empfehlungen für CAD-Systeme verfasst, um eine zukunftssichere Investition beim Erwerb zu gewährleisten. Leichte Erlernbarkeit und selbsterklärende Bedienung standen dabei im Vordergrund sowie eine individuelle Erweiterbarkeit durch Makrosprachen und eine flexible, unter MS-Windows druckertreiber-ähnliche Technik für den Datenaustausch.

Entwicklungsprozess

Der konkrete Entwicklungsprozess begann Anfang 2004. Dabei wurden Programmbausteine ausgewählt, die aus den Eigenentwicklungen anderer Produkte und Projekte zur Verfügung standen. Kern bildete das Objektmodell aus den 1990'er Jahren, das bereits in Produkten wie ISB-Stahl/Stahlbau in Konstruktion und Planung/Stahlbauvarianten als 2D-Werkstattzeichnungs-Software weiterentwickelt worden war und einen Lisp-Interpreter zum Zugriff auf das Objektmodell in sich trug. Als 3D-Grafik-Kernel wurde die auf OpenGL basierende 3D-Komponente eines Forschungsprototyps für die Sprengung komplexer Bauwerke eingesetzt, mit dem u.a. der Sprengprozess der Sparkasse Hagen 2004 begleitet worden. ( Artikel RP-Online 2004). Die Objektbasis der für die Sprengelemente entwickelte Teil wurde entfernt und mit der Objektbasis des 2D-Werkstattzeichnungs-Moduls verlinkt. Ergänzt wurde das System dann noch durch eine eigens für die Stückliste entwickelte Tabellenkalkulation, die optisch und vom Verhalten her Microsoft Excel ähnelt.

Im Sommer 2004 bot sich ein Investor an, der einen Teil der Finanzierung übernahm und letztendlich zu Beschleunigung des Entwicklungsprozesses ein Team aus seinem Software-Unternehmen einbrachte. Im Gegenzug erhielt der Investor für mehrere Jahre das Exklusivrecht der Vermarktung, was im Oktober 2006 nach der Fertigstellung der Version 1.0 begann und im Jahr 2010 endete. Virtual Steel wurde in der Zeit unter dem Namen Stahl3D verkauft.

Selbst gesteckte Ziele

Das Team um den Wissenschaftler Arnd Fischer hatte sich selbst zum Ziel gesetzt, die objektorientierte Modellierung konsequent einzusetzen und zudem den seinerzeit zusammengetragenen Empfehlungen (siehe oben) für ein gutes CAD-System nachzukommen. Die Erweiterbarkeit des so entwickelten Software-Systems sollte von dem Lisp-Interpreter übernommen werden, die flexiblen Im- und Exportfunktionen durch die unter Microsoft üblichen Einsatz von Dynamic-Link-Libraries. Der Makro-Interpreter sollte kompletten Zugriff auf das verwendete Objektmodell erhalten, Objekte erzeugen, Methoden aufrufen und die Eigenschaften verändern können. Geplant war dabei, dass zukünftige Anwender später selber das System erweitern können, um eigene Befehle zu definieren und Anschlussmöglichkeiten zu entwickeln, weil man davon ausging, dass im Zuge der Digitalisierung alle Konstrukteure und Ingenieure programmieren könnten.

Im Laufe der Entwicklung wurden die Ziele mehr und mehr verfeinert. Die eingesetzte objektorientierte Technik erlaubte dabei eine Durchgängigkeit in allen Arbeitsbereichen, ob 3D-Modell, 2D-Zeichnungen oder in der Tabelle der Stückliste, da die Bereiche alle auf das zentrale Objektmodell zugreifen.

Funktionsweise

Virtual Steel verwendet ein der Statik entlehntes Modell mit Systemlinien, was dem Umstand geschuldet ist, dass das Objektmodell ursprünglich für einen durchgängigen Planungsprozess aufgestellt wurde. Man kann daher mit Virtual Steel auch die Geometrie an eine Statik-Software übertragen, in der anschließende lediglich die Auflagerbedingungen, Lasten und Lastfallkombinationen zu definieren sind. Umgekehrt können auch Geometrien aus der Statik in Virtual Steel eingelesen werden, um die Konstruktion auf diesen Elementen aufzubauen. Profile werden entlang dieser Linien verlegt, können um diese Linien rotiert und exzentrisch angeordnet werden. Überall, wo sich Profillinien treffen oder schneiden, können Verbindungen angebracht werden. Da Verbindungen im Stahlbau bis auf Ausnahmen einen individuellen Charakter haben, werden diese Verbindungen extern definiert. Jede Verbindung wird somit als Makro in einer lesbaren ASCII-Datei definiert. Dort werden die erforderlichen Objekte (Lochbilder/Bohrungen, Bleche, Vouten, Coupons) erzeugt und mit Defaultwerten ausgestattet. Die Default-Werte richten sich dabei schon nach den üblichen Konstruktions-Regeln, halten Abstände ein oder definieren brauchbare Materialabmessungen. Auch die Bearbeitung der Trägerenden erfolgt in diesen Makros, also das Abschneiden, Abschrägen oder Ausklinken der Trägerenden. Jedes Makro enthält zugleich aber auch Regeln, die eingesetzt werden, wenn der Anwender Eigenschaften einzelner am Anschluss beteiligter Objekte ändert. Es gibt dabei notwendige Regeln, die zwingend zu beachten sind, um weiterhin eine fehlerfreie Konstruktion nach der Änderung vorzufinden. In erster Linie sind dies Anpassungen der Schrauben, wenn die Dicke von Blechen, Flanschen oder Stegen der Profile sich ändert, und Ablängungen der Trägenenden aus demselben Grund.

Auf diese Weise entsteht während des Konstruktionsprozesses ein Netz von Regeln, die bei der Änderung eines zentralen Bauteils herangezogen werden, um diese sog. Störung wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Wird beispielsweise das Profil einer zentralen Stütze durch ein größeres ausgetauscht, werden alle dort angeschlossenen Trägerprofile entsprechend neu abgelängt oder angepasst und die Schrauben - sofern die neu ermittelte Klemmlänge es erfordert - durch die entsprechenden Schrauben ersetzt.

Modultechnik

Bei der Weiterentwicklung von Virtual Steel wurden ab Version 5.0 Module eingeführt. Diese Module sind ebenfalls DLLs, die mindestens ein Dialogfenster enthalten, das im Fenster von Virtual Steel bei der Aktivierung des Moduls eingeblendet wird. In dem Dialog kann der Anwender Eingaben tätigen, die einen Konstruktionsabschnitt definieren, um diesen dann durch das Modul in Virtual Steel einzubauen. Dabei korrespondiert das Modul mit dem Programmkern und kann auf Selektionen von Profilen und Punkten reagieren. Die Module können problemlos extern von Fremdfirmen entwickelt werden und nahezu beliebig komplex ausgebaut werden.

Schnittstellen/Datenaustausch

Virtual Steel unterstützt alle gängigen Schnittstellen, wobei aktuell die Entwicklung des IFC-Standards (Industry Foundation Classes) mehr und mehr an Bedeutung gewinnt. Aber auch Punktwolken können direkt in Virtual Steel eingelesen und verwendet werden. Dazu kommen direkte Kopplungen mit Stahlbau-Systemen der Firmen DICAD Systeme GmbH, Glaser Programmsysteme GmbH und LLH-Software GmbH. AutoCAD sowie AutoCAD-kompatible Systeme, DraftSight, GStarCAD und andere können für die 2D-Nachbearbeitung mit Virtual Steel gekoppelt werden.

Aktueller Einsatz

Virtual Steel wird derzeit vor allem in mittelständischen Ingenieurbüros eingesetzt. Da dort in der Regel eine heterogene Software-Landschaft vorliegt, wird Virtual Steel in Verbindung mit CAD-Systemen wie ISBCAD, Allplan, AutoCAD, Autodesk Inventor, Strakon und anderen eingesetzt. Da Industry Foundation Classes sowie auch Punktwolken unterstützt werden, ist auch eine Verwendung als BIM-System vorgesehen. Zudem unterstützt Virtual Steel das BIM- und Stahlbetonbau-System Strakon als Plug-In.. In Verbindung mit Strakon der DICAD Systeme GmbH deckt Virtual Steel den Bereich des Stahlbaus ab und kann direkt Schnitte in Verbindung mit dem Massivbau aus dem 3D-Modell ableiten sowie auch Werkstattzeichnungen und Stücklisten. Zudem erlaubt es bei verteilten Arbeitsplätzen - ein Arbeitsplatz für den Stahlbeton, ein zweiter für den Stahlbau - über ein vernetztes System ein gemeinsames BIM-Modell zu verwalten.

Auch in Polen weist Virtual Steel einen hohen Verbreitungsgrad auf. Dort ist die Akzeptanz von Virtual Steel deswegen hoch, weil eine Version in polnischer Sprache vorliegt, die in Polen exklusiv über die Firma GammaCAD vertrieben wird.. Bei der Vorstellung von Virtual Steel auf einem nationalen Workshop wurde der Software der Preis für die beste Neuvorstellung 2016 verliehen.

Auszeichnungsplakette 2016 beste Neuvorstellung

31. nationaler Workshop für Bauplaner (poln.). GammaCAD entwickelt auch Module für Virtual Steel, die wiederum neben polnisch auch in deutscher und englischer Sprache europaweit eingesetzt werden können.

Fazit und Ausblick

Das vorliegende Programmsystem Virtual Steel ist ein gutes Beispiel dafür, dass Ideen und Konzepte der Forschung sich in der Praxis bewähren können. Die Möglichkeiten der regelbasierten Technik sind in der vorliegenden Version noch lange nicht ausgeschöpft und können zukünftig den Ingenieur/Konstrukteur bei seiner Arbeit noch mehr unterstützen.

Weblinks

• ITS-AFischer - Programmhersteller
• Programmwebsite Virtual Steel
• Versions-Historie