Umbauprojekte schneller umsetzen
BIM-Bestandsdatenerfassung mit Laserscanning
Bauprojekte in Deutschland sind in der überwiegenden Mehrheit Umbauten am Bestand. Dafür ist seine akkurate Erfassung notwendig: Diese Bestandsdatenerfassung muss nicht mehr manuell erfolgen, sondern kann mit der Technologie des Laserscannings vereinfacht und automatisiert werden. Dabei wird die gesamte Oberfläche aller sichtbaren Bauteile in Millionen von Messpunkten detailgenau aufgenommen und in einer Punktwolke dargestellt. Mit der passenden Software gelingen der Brückenschlag zu CAD und Konstruktion und damit die Weiterverarbeitung der Daten.
Scanner vor Ort in Paris
Scanner vor Ort in ParisBild: LSA Laser Scanning Architecture

In Deutschland gibt es immer weniger Bauland, rund 80 Prozent der Bauprojekte finden deswegen im Bestand statt. Oft sind hier Tragstruktur und Beton technisch noch in Ordnung, aber Fassaden energetisch nicht mehr auf dem aktuellen Stand und müssen ertüchtigt werden. Umbauten betreffen auch gezielte Umnutzungen z.B. von Büro- zu Wohnbauten. Eine akkurate Erfassung des Bestandes ist Grundlage für Planungssicherheit bei diesen Umbauten. Früher zog man dafür mit Maßband und Lasermessgeräten durch die Gebäude und vermaß sie manuell. Die Dokumentation erfolgte auf Papier. Mit Laserscannern können Bestandserfassungen heute schneller, präziser und wirtschaftlicher durchgeführt werden. Die Messung erfolgt automatisiert und liefert statt Einzelpunkten das Komplettaufmaß. Beim terrestrischen Scan ist der Scanner hierfür auf einem Stativ montiert und dreht sich einmal um die eigene Achse. Ein Laserstrahl scannt alle Oberflächen der Umgebung in einem Raster und gibt die Messwerte an die Scannereinheit zurück – eine Million Punkte pro Sekunde sind möglich. Intensität und Punktdaten hängen von der Reflexion ab. Gleichzeitig werden Kameraaufnahmen integriert. Aus diesen Daten entsteht eine Punktewolke als 3D-Abbildung. Mit Fotodaten kann sie eingefärbt werden, um Rückschlüsse auf die Qualität von Baumaterialien zu erlauben. Jeder Einzelscan umfasst eine 360 Grad-Abbildung der Umgebung dieses Standortes.

Beispiel 3D-Modellierung in Autocad 
Architecture anhand der Punktwolke
Beispiel 3D-Modellierung in Autocad Architecture anhand der PunktwolkeBild: LSA Laser Scanning Architecture

Laserscan: schneller und präziser

Die Technologie macht es nicht nur möglich, Bestandsdaten vollständig zu erfassen, sondern auch, die großen Datenmengen, die dabei erzeugt werden, zu speichern und zu verarbeiten. Denn schon eine Aufstellung mit mittlerer Auflösung erzeugt in vier Minuten rund 30 Millionen Messpunkte der Umgebung. Gerade komplexere Aufmaßprojekte umfassen zudem mehrere hunderte Einzelscans. Am Ende kann die entstehende Punktwolke leicht 100GByte groß werden, was eine entsprechende Rechenleistung der Systeme erfordert. Die erzeugten Daten können dann beliebig reduziert und aus einer 3D-Wolke 2D-Extraktionen gezogen werden. Der digitale Zwilling erlaubt vollständige geometrische Transparenz: Es ist möglich, verformungsgerechte Grundrisse, Ansichten oder Schnitte in den gewünschten Höhenlagen zu extrahieren. Die räumliche Situation kann gedreht werden, um jeden beliebigen Blickwinkel zuzulassen. Ein Laserscanner arbeitet zudem deutlich schneller als eine händische Vermessung: Wo die Vermessung z.B. eines alten Gehöfts früher ein Zweierteam zwei Wochen im Handaufmaß beschäftigte, kann es mit dem Laser in zwei Tagen erfolgen. Der Scan macht es zudem möglich, über 100m entfernt zu messen. So können auch gefährliche Umgebungen, etwa von einsturzgefährdeten Gebäuden oder Fabrikanlagen von einem sicheren Standort aus aufgenommen werden.

Beispiel 3D-Modell aus Scandaten in einer industriellen Umgebung
Beispiel 3D-Modell aus Scandaten in einer industriellen UmgebungBild: LSA Laser Scanning Architecture

Zahlreiche Anwendungsfälle

Die Einsatzmöglichkeiten des Laserscannings sind vielfältig. Der Sanierungsbedarf lässt sich leichter ermitteln: Bei Bauwerken wie Brücken kann die Tragfähigkeit komplett statt nur punktuell auf die Durchbiegung hin untersucht werden. Bei der Huntebrücke in Osnabrück sollte etwa nur der Überbau abgetragen werden, doch der Scan brachte verdrehte Pfeilerreihen hervor, was zum Komplettabriss führte. Ganz allgemein können vorliegende Pläne überprüft und korrigiert und damit Probleme in der weiteren Bauausführung z.B. bei Statik oder Wandstärken verhindert werden, da die wahre Geometrie bekannt ist. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Dokumentation historischer Gebäude für Denkmalschutz oder Restaurationsmaßnahmen. Bei der gotischen Marienkirche in Osnabrück wurde z.B. die Kippung von Wänden oder die Schiefstellung von Stützen erfasst. So kann ein Statiker bei der Sanierung historischer Bauwerke unterstützt werden. Auch komplexe geometrische Situationen etwa von Industrieanlagen, die händisch nicht mehr zu erfassen sind, können mit einem Scan präzise abgebildet werden. Hier finden oft Umbauten statt, um alte Anlagen zu modernisieren und an neue Erfordernisse anzupassen. Potenzial bietet zudem die Vermessung mit Drohnen aus der Luft: Damit können z.B. Rotorblätter von Windkraftanlagen untersucht werden, wofür in der Vergangenheit Industriekletterer notwendig waren. Die Daten von terrestrischen Scans und von Drohnen können zusammengeführt werden, wodurch ein lückenloses Modell entsteht, das auch verschattete oder schwer zugängliche Bereiche wie Türme und Dachflächen genau visualisiert. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Scantechnologie reichen vom virtuellen Durchflug oder einer virtuellen Begehung, über Schulungen von Arbeits- und Brandschutzmaßnahmen am Modell bis hin zu digitaler Wartung und Facility Management: Virtuelle Touren können hierfür mit Betriebsanleitungen oder Dokumenten wie Videos, Fotos und Link hinterlegt werden.

Autodesk Revit: Schnitt eines Gebäudes Punktwolke und Revit-Bauteile
Autodesk Revit: Schnitt eines Gebäudes Punktwolke und Revit-Bauteile Bild: LSA Laser Scanning Architecture

Baufortschrittskontrolle

Ein zentraler Einsatzbereich liegt in der Baufortschrittskontrolle: Egal, ob Stahlbau oder Betonkonstruktion – mit einem Scanner kann die Baustelle überwacht und damit Vergleiche zwischen der Planung und den tatsächlichen (Um)bauten sowie der Umsetzung gezogen werden. Fehler wie Abweichungen in den Maßen werden früher erkannt und Bauzeiten können reduziert werden. Gleichzeitig dient der Scan als Beweissicherung. Zwar ist die Baufortschrittskontrolle via Scans zunächst mit Zusatzkosten verbunden, doch diese werden mehr als nur ausgeglichen: Durch die Transparenz reduzieren sich die Baukosten und die steigende Nachfrage zeigt, dass das Potenzial in der Praxis erkannt wurde. Je größer und komplexer das Projekt, je mehr beteiligte Gewerke und je enger die Zeitfenster, desto größer der Nutzen. Und die Entwicklung schreitet voran: So geht der Trend in Richtung mobiles Scanning, das über einen beweglichen Sensor in einem Rucksack erfolgen kann. Zudem sind die Preise für die Laserscantechnologie gefallen, während die Qualität besser geworden ist.

Scan-Blog LSA zur Benaco Online Tour der St. Marienkirche Osnabrück – Bild: LSA Laser Scanning Architecture

Vorteile der passenden Software

Um die Daten aus den Scans voll nutzen zu können, ist eine passende Software notwendig. Denn die Punktwolke selbst ist in CAD-Programmen nicht bearbeitbar, sondern stellt ein 3D-Zusatzbild dar. Ein Tool kann die Lücke zwischen Punktwolke und CAD schließen: Viewer-Software ermöglicht zunächst das Betrachten und Messen des gescannten Bauprojektes. Softwarelösungen wie Verity von ClearEdge3D erlauben eine genaue Qualitätsbewertung der Baustelle im Vergleich zur Planung. Punktwolken können in Produkten der Firma Autodesk als Grundlage für neue Konstruktionen hinterlegt werden. Mit dem Tool EdgeWise von ClearEdge3D können dann z.B. Rohrleitungen und Kabeltechnik, Stahlbauteile und Wände aus der Punktwolke als CAD-Objekte halbautomatisch oder automatisch berechnet, visualisiert und weiterverarbeitet werden. Damit wird es möglich, Bestandsobjekte schnell in ein intelligentes BIM-Modell zu überführen. Neue Elemente können hinzugefügt oder bestehende nachkonstruiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit, die Bauteile zu katalogisieren und mit Attributen wie Materialkosten und Einbauzeiten, Abbruchzeiten oder Gefahrenklassen zu hinterlegen. Das macht die Intelligenz eines BIM-Modells aus. BIM ist heute mehr als die reine Konstruktion von Modellen am Rechner: Es umfasst Datenmanagement und Kollaboration. Laserscanning rückt nun in den BIM-Prozess und wird ein wesentlicher Teil davon.

Fazit

Die Erfassung des aktuellen Gebäude- oder Anlagenbestands mit Laserscanning sollte zu jedem Umbauprojekt gehören: Die Technologie schafft Transparenz, lässt Fehler schnell erkennbar werden und spart damit Zeit und Kosten am Bau. Darüber hinaus bieten sich durch die 3D-Visualisierung in der Punktwolke diverse Anwendungsszenarien. Mit Software kann die technologische Lücke zwischen Punktewolke und CAD-System geschlossen werden, so dass die Weiterverarbeitung der Daten reibungslos gelingt.

Autor | Johannes Rechenbach, Laser Scanning Architecture / Autor | Andreas Stünkel, Bereichsleiter AEC, Contelos GmbH

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Scanner vor Ort in Paris
Scanner vor Ort in ParisBild: LSA Laser Scanning Architecture

In Deutschland gibt es immer weniger Bauland, rund 80 Prozent der Bauprojekte finden deswegen im Bestand statt. Oft sind hier Tragstruktur und Beton technisch noch in Ordnung, aber Fassaden energetisch nicht mehr auf dem aktuellen Stand und müssen ertüchtigt werden. Umbauten betreffen auch gezielte Umnutzungen z.B. von Büro- zu Wohnbauten. Eine akkurate Erfassung des Bestandes ist Grundlage für Planungssicherheit bei diesen Umbauten. Früher zog man dafür mit Maßband und Lasermessgeräten durch die Gebäude und vermaß sie manuell. Die Dokumentation erfolgte auf Papier. Mit Laserscannern können Bestandserfassungen heute schneller, präziser und wirtschaftlicher durchgeführt werden. Die Messung erfolgt automatisiert und liefert statt Einzelpunkten das Komplettaufmaß. Beim terrestrischen Scan ist der Scanner hierfür auf einem Stativ montiert und dreht sich einmal um die eigene Achse. Ein Laserstrahl scannt alle Oberflächen der Umgebung in einem Raster und gibt die Messwerte an die Scannereinheit zurück – eine Million Punkte pro Sekunde sind möglich. Intensität und Punktdaten hängen von der Reflexion ab. Gleichzeitig werden Kameraaufnahmen integriert. Aus diesen Daten entsteht eine Punktewolke als 3D-Abbildung. Mit Fotodaten kann sie eingefärbt werden, um Rückschlüsse auf die Qualität von Baumaterialien zu erlauben. Jeder Einzelscan umfasst eine 360 Grad-Abbildung der Umgebung dieses Standortes.

Beispiel 3D-Modellierung in Autocad 
Architecture anhand der Punktwolke
Beispiel 3D-Modellierung in Autocad Architecture anhand der PunktwolkeBild: LSA Laser Scanning Architecture

Laserscan: schneller und präziser

Die Technologie macht es nicht nur möglich, Bestandsdaten vollständig zu erfassen, sondern auch, die großen Datenmengen, die dabei erzeugt werden, zu speichern und zu verarbeiten. Denn schon eine Aufstellung mit mittlerer Auflösung erzeugt in vier Minuten rund 30 Millionen Messpunkte der Umgebung. Gerade komplexere Aufmaßprojekte umfassen zudem mehrere hunderte Einzelscans. Am Ende kann die entstehende Punktwolke leicht 100GByte groß werden, was eine entsprechende Rechenleistung der Systeme erfordert. Die erzeugten Daten können dann beliebig reduziert und aus einer 3D-Wolke 2D-Extraktionen gezogen werden. Der digitale Zwilling erlaubt vollständige geometrische Transparenz: Es ist möglich, verformungsgerechte Grundrisse, Ansichten oder Schnitte in den gewünschten Höhenlagen zu extrahieren. Die räumliche Situation kann gedreht werden, um jeden beliebigen Blickwinkel zuzulassen. Ein Laserscanner arbeitet zudem deutlich schneller als eine händische Vermessung: Wo die Vermessung z.B. eines alten Gehöfts früher ein Zweierteam zwei Wochen im Handaufmaß beschäftigte, kann es mit dem Laser in zwei Tagen erfolgen. Der Scan macht es zudem möglich, über 100m entfernt zu messen. So können auch gefährliche Umgebungen, etwa von einsturzgefährdeten Gebäuden oder Fabrikanlagen von einem sicheren Standort aus aufgenommen werden.

Beispiel 3D-Modell aus Scandaten in einer industriellen Umgebung
Beispiel 3D-Modell aus Scandaten in einer industriellen UmgebungBild: LSA Laser Scanning Architecture

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Die Einsatzmöglichkeiten des Laserscannings sind vielfältig. Der Sanierungsbedarf lässt sich leichter ermitteln: Bei Bauwerken wie Brücken kann die Tragfähigkeit komplett statt nur punktuell auf die Durchbiegung hin untersucht werden. Bei der Huntebrücke in Osnabrück sollte etwa nur der Überbau abgetragen werden, doch der Scan brachte verdrehte Pfeilerreihen hervor, was zum Komplettabriss führte. Ganz allgemein können vorliegende Pläne überprüft und korrigiert und damit Probleme in der weiteren Bauausführung z.B. bei Statik oder Wandstärken verhindert werden, da die wahre Geometrie bekannt ist. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Dokumentation historischer Gebäude für Denkmalschutz oder Restaurationsmaßnahmen. Bei der gotischen Marienkirche in Osnabrück wurde z.B. die Kippung von Wänden oder die Schiefstellung von Stützen erfasst. So kann ein Statiker bei der Sanierung historischer Bauwerke unterstützt werden. Auch komplexe geometrische Situationen etwa von Industrieanlagen, die händisch nicht mehr zu erfassen sind, können mit einem Scan präzise abgebildet werden. Hier finden oft Umbauten statt, um alte Anlagen zu modernisieren und an neue Erfordernisse anzupassen. Potenzial bietet zudem die Vermessung mit Drohnen aus der Luft: Damit können z.B. Rotorblätter von Windkraftanlagen untersucht werden, wofür in der Vergangenheit Industriekletterer notwendig waren. Die Daten von terrestrischen Scans und von Drohnen können zusammengeführt werden, wodurch ein lückenloses Modell entsteht, das auch verschattete oder schwer zugängliche Bereiche wie Türme und Dachflächen genau visualisiert. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Scantechnologie reichen vom virtuellen Durchflug oder einer virtuellen Begehung, über Schulungen von Arbeits- und Brandschutzmaßnahmen am Modell bis hin zu digitaler Wartung und Facility Management: Virtuelle Touren können hierfür mit Betriebsanleitungen oder Dokumenten wie Videos, Fotos und Link hinterlegt werden.

Autodesk Revit: Schnitt eines Gebäudes Punktwolke und Revit-Bauteile
Autodesk Revit: Schnitt eines Gebäudes Punktwolke und Revit-Bauteile Bild: LSA Laser Scanning Architecture

Baufortschrittskontrolle

Ein zentraler Einsatzbereich liegt in der Baufortschrittskontrolle: Egal, ob Stahlbau oder Betonkonstruktion – mit einem Scanner kann die Baustelle überwacht und damit Vergleiche zwischen der Planung und den tatsächlichen (Um)bauten sowie der Umsetzung gezogen werden. Fehler wie Abweichungen in den Maßen werden früher erkannt und Bauzeiten können reduziert werden. Gleichzeitig dient der Scan als Beweissicherung. Zwar ist die Baufortschrittskontrolle via Scans zunächst mit Zusatzkosten verbunden, doch diese werden mehr als nur ausgeglichen: Durch die Transparenz reduzieren sich die Baukosten und die steigende Nachfrage zeigt, dass das Potenzial in der Praxis erkannt wurde. Je größer und komplexer das Projekt, je mehr beteiligte Gewerke und je enger die Zeitfenster, desto größer der Nutzen. Und die Entwicklung schreitet voran: So geht der Trend in Richtung mobiles Scanning, das über einen beweglichen Sensor in einem Rucksack erfolgen kann. Zudem sind die Preise für die Laserscantechnologie gefallen, während die Qualität besser geworden ist.

Scan-Blog LSA zur Benaco Online Tour der St. Marienkirche Osnabrück – Bild: LSA Laser Scanning Architecture

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Um die Daten aus den Scans voll nutzen zu können, ist eine passende Software notwendig. Denn die Punktwolke selbst ist in CAD-Programmen nicht bearbeitbar, sondern stellt ein 3D-Zusatzbild dar. Ein Tool kann die Lücke zwischen Punktwolke und CAD schließen: Viewer-Software ermöglicht zunächst das Betrachten und Messen des gescannten Bauprojektes. Softwarelösungen wie Verity von ClearEdge3D erlauben eine genaue Qualitätsbewertung der Baustelle im Vergleich zur Planung. Punktwolken können in Produkten der Firma Autodesk als Grundlage für neue Konstruktionen hinterlegt werden. Mit dem Tool EdgeWise von ClearEdge3D können dann z.B. Rohrleitungen und Kabeltechnik, Stahlbauteile und Wände aus der Punktwolke als CAD-Objekte halbautomatisch oder automatisch berechnet, visualisiert und weiterverarbeitet werden. Damit wird es möglich, Bestandsobjekte schnell in ein intelligentes BIM-Modell zu überführen. Neue Elemente können hinzugefügt oder bestehende nachkonstruiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit, die Bauteile zu katalogisieren und mit Attributen wie Materialkosten und Einbauzeiten, Abbruchzeiten oder Gefahrenklassen zu hinterlegen. Das macht die Intelligenz eines BIM-Modells aus. BIM ist heute mehr als die reine Konstruktion von Modellen am Rechner: Es umfasst Datenmanagement und Kollaboration. Laserscanning rückt nun in den BIM-Prozess und wird ein wesentlicher Teil davon.

Fazit

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