Scannen statt messen

Laserscannen in der Gebäudedokumentation

Mit der Zunahme des Bauvolumens im Bestand gewinnt die planungsvorbereitende Gebäudedokumentation an Gewicht. Denn oft fehlen verlässliche und aktuelle Bestandspläne als Grundlage für Sanierungs- bzw. Revitalisierungsmaßnahmen. Für Architekten und Ingenieure fällt in der Regel viel Basisarbeit an, bevor sie mit der eigentlichen Planung beginnen können. Deshalb sind innovative Verfahren gefragt, um möglichst schnell detaillierte und umfangreiche Bestandsdaten zu generieren und die Kosten im Rahmen zu halten.

Gleichzeitig gewinnt die Bestandsdatenerfassung in 3D an Bedeutung, denn gegenüber der 2D-Dokumentation stehen mit ihr vielfältige und neue Möglichkeiten offen:

Die Spanne reicht von einfachen Längen-, Flächen und Volumenberechnungen bis hin zur 3-dimensionalen Navigation im virtuellen Gebäude. Aktuelle 3D-Laserscanner, die leichter und kleiner sind als ihre Vorgänger, erschließen Architekten und Fachplanern neue Anwendungen. Die handlichen Geräte liefern schnell und einfach Daten für räumliche Gebäudemodelle, indem sie in einem Arbeitsgang sämtliche sichtbare Strukturen der Bausubstanz 3-dimensional und präzise erfassen. So entstehen lückenlose Datensätze, die interdisziplinär genutzt werden können. Fehlende Einzelmaße und nicht interpretierbare Handskizzeneinträge gehören damit der Vergangenheit an. Für Fachplaner, wie bspw. TGA-Ingenieure, eignen sich die ge-wonnen­en Daten zur Planung ihrer Gewerke. Die Gefahr von Planungsfehlern aufgrund ungenauer oder unterschiedlicher Bestandsdaten ist damit ausgeschlossen.

Schnelle Datenerfassung

Während des Scans tastet der Laserstrahl Gebäude und Einbauten im Radius des definierten Messbereichs ab und erzeugt so bis zu 1 Mio. 3D-Messpunkte pro Sekunde. Unmittelbar im Anschluss liefert die Software des Laserscanners ein ganzheitliches und räumliches Abbild des Objekts als Punkte­wolke. Das Ergebnis ist maßgenau und geometrisch exakt. Mit geringen Maßabweichungen von lediglich 0,1 % liegt es innerhalb der geforderten DIN-Toleranzen. So können Fassaden, Innenräume und Anlagen bis zu einer Entfernung von 120 m detailliert und hochaufgelöst erfasst werden.

„Neben ihrer hohen Effizienz machen Laserscanner Mehrfachmessungen am Objekt überflüssig“, erläutert Architekt Johannes Rechenbach, der seit Jahren Laserscans für eigene Projekte nutzt und mit seinem Büro laserscanning-architecture auch Dienstleistungsaufträge abwickelt. Rechenbach setzt zur Bestandsdokumentation überwiegend Laserscanner Focus 3D ein. Das kompakte und wenige Kilogramm leichte Gerät lässt sich auf jede Baustelle mitnehmen. Vor Ort wird es auf ein Fotostativ montiert und ist anschließend sofort einsatzbereit. Auch bei komplexen Objekten genügt eine Person,um die 3D-Daten aufzuzeichnen. Die Bedienung ist anwenderfreundlich. Eine Fernbedienung per WLAN erlaubt den Einsatz an schwer zugänglichen Stellen.

Genauigkeit und Zeitersparnis sind entscheidende Vorteile des Laserscannings gegenüber Hand- oder Tachymeteraufmaßen. Johannes Rechenbach benötigte bspw. nur eine Stunde, um mit Hilfe seines 3D-Laserscanners den Innenraum einer 1 500 m² großen Industriehalle vollständig aufzumessen. In dieser Zeit nahm er neun Einzelscans auf. Bei diesem Projekt wurden im Rahmen der Sanierungsarbeiten präzise Bestandsunterlagen benötigt. Gleichzeitig waren mehrere Umnutzungsvarianten angedacht. Als Entscheidungshilfe lieferte der Scan alle notwendigen Daten für eine 360°-Panoramaansicht für den Bauherrn gleich mit.

Die Auflösung des Laserscans lässt sich wie bei einer Digitalkamera einstellen. Um Zeitaufwand und Datenmenge zu reduzieren, können bspw. relevante Ausschnitte hochaufgelöst gescannt werden, während für die Planung unwesentliche Bereiche in geringerer Auflösung abgetastet werden. Ein 360°-Scan dauert zwischen 2 und 15 Minuten. Für die meisten Bestandserfassungen und Messdis-tanzen von etwa 30 bis 40 m reicht eine mittlere Auflösung aus, der zeitliche Aufwand für einen Schwarzweiß-Einzelscan liegt dann bei 3 bis 5 Minuten, Farbscans dauern etwa 2 Minuten länger. Die Messgenauigkeit beträgt etwa 2 mm bei höchster Auflösung und einer Messdistanz von 10 m. Im Rahmen dieser Abweichungen lassen sich erfahrungsgemäß präzise Bestandspläne anfertigen.

Für die Industriehalle wählte Architekt Rechenbach eine mittlere Auflösung, die eine für die anstehenden Planungsarbeiten ausreichende Detailtiefe lieferte. Anschließend konnte die Punktewolke einfach in die Architektur-Software importiert und innerhalb der gewohnten CAD-Umgebung visualisiert werden. Die Erfahrung zeigt je nach Projekt ein Einsparpotential von bis zu 65 % der Kosten gegenüber anderen Vermessungsmethoden. Gängige Softwarelösun­gen, wie AutoCAD Architecture, Autodesk Revit Architecture, 3D-Studio Max Design oder Bentley´s Microstation erlauben den direkten Import der Scandaten. Auch Architekten, die lieber im 2D-Modus arbeiten, können mit ihrer Software aus den 3D-Scandaten an jeder beliebigen Stelle des Gebäudes verzerrungsfreie 2D-Abbilder generieren sowie hochaufgelöste Grundrisse, Schnitte und Ansichten erzeugen. Diese sind als jpg- oder tif-Dateien maßstabsgerecht in alle gängigen AD-Programme importierbar. Der Vorteil ist, dass bei der 2D-Berarbeitung auf dem Monitor alle 3-dimensionalen Informationen erhalten bleiben. So können vom Büro aus zu einem späteren Zeitpunkt bspw. Volumen und räumliche ­Konstruktionsdetails berechnet werden.

Einfache CAD-Integration

Laserscanner-Aufmaße bieten sich besonders bei großen und komplexen Objekten an. Auch unregelmäßige Grundrisse, wie etwa bei his-torischen Gebäuden, stellen für Laserscanner kein Problem dar. Die modernen Geräte generieren stets ein verformungsgerechtes Aufmaß. Müssen mit vertretbarem Aufwand zusätzliche gesicherte Informationen über Flächen und die räumliche Situation gewonnen werden, lohnt sich Laserscanning noch mehr.

Die Technik wurde z. B. bei der denkmalgeschützten Steinlein-Halle in Berlin eingesetzt. Diese soll saniert und revitalisiert werden. Weil die zukünftige Nutzung der Halle offen ist und noch ein Mieter gefunden werden muss, benötigte der Projektentwickler zusätzlich eine Visualisierung des Gebäudes, um mit potentiellen Mietern Nutzungsvarianten durchzuspielen. Angesichts der Größe der Steinlein-Halle waren für das Aufmaß mehrere Einzelscans notwendig. Sieben farbige Scans genügten für das Aufmaß des Innenraums. Sie wurden in drei Stunden ­aufgenommen.

Integrierte Sensoren wie beim Faro Laser Scanner Focus3D weisen den Daten bereits beim Scanvorgang eine Ausrichtung zu. Dafür sorgt der elektronische Kompass im Gerät. Ein Höhensensor vereinfacht beim Vermessen mehrerer Etagen die Verortung der Einzelscans im Modell. Zusätzlich unterstützt eine in die Scan-Verarbeitungssoftware integrierte automatische Korrespondenzsuche die Referenzierung – sie sucht natürliche Pass­marken in den Einzelscans. Darüber hinaus können vorher gesetzte künstliche Passmarken, wie Kugeln und Schachbrettmuster, das Post-Processing vereinfachen. Bei der Steinlein-Halle ließen sich so die Einzelscans softwaregestützt nahezu automatisch und schnell in ein digitales und räumliches Gesamtmodell des Gebäudes überführen.

Für die Planung wurden anschließend alle nicht relevanten Daten aus den erfassten 3-dimensionalen Informationen der Steinlein-Halle entfernt. Das erhöht die Übersichtlichkeit und erleichtert den Planungsprozess. Unmittelbar nach dem Aufmaß lieferte die Scan-Verarbeitungssoftware dem Architekturbüro Maße für Abstände, Flächen und Volumina. Auch verschiedene Innenraumperspektiven sowie Gebäudeansichten konnten schnell generiert werden. Für weitergehende Bearbeitungsschritte ließ sich die 3-dimensionale Punktewolke der Halle direkt und bequem in die CAD-Planungssoftware einlesen.

Da beim Aufmaß mit Laserscanning alle  sichtbaren Bauteile und Einbauten vollständig und geometrisch exakt erfasst und abgebildet werden, standen dem Planungsteam präzise Daten zur Sanierung und Umnutzung zur Verfügung. Aus den Punktewolke-Daten ließen sich auch 360°-Panoramen in Fotoqualität erzeugen. Sie ermöglichen detaillierte, visuelle und geometrische Analysen.

Für die Projektpartner wird das Datenmaterial über die in die Scan-Software integrierte WebShare-Funktion online gestellt. So können Fachplaner unabhängig von Ort und Zeit auf die Gebäudedaten und zusätzliche Projektinformationen zugreifen. Mieter oder Investoren haben die Möglichkeit, sich online über die fotorealistische Ansicht ein gutes Bild vom Gebäude machen. Auch direkte Nachbemessungen sind mit WebShare online möglich.

Fassaden scannen und präsentieren

Müssen Fassaden saniert werden, stellt der Laserscanner nach Demontage der alten Bekleidungen schnell die exakten Maße relevanter Rohbauteile zur Verfügung. Neue Fassadenelemente können so wirtschaftlich vorgefertigt werden. Bei historischen Fassaden lassen sich Applikationen detailgetreu abbilden und nachmodellieren, um den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen.

Scans lassen sich auch als Entscheidungshilfe zur Fassadengestaltung nutzen:

Für eine energetische Sanierung ließen sich mit Hilfe der Scandaten die neuen Fenster- und Fassadenelemente maßgenau planen und in die Gebäudestruktur einfügen. Mit einfach zu generierenden Renderings können Architekten unterschiedliche Materialvarianten für die Fassade darstellen. Anima­tio­nen oder Videos aus beliebigen Perspektiven sowie virtuelle Besuche mit 3-dimensionalem Navigieren im räumlichen Modell bieten eine hilfreiche Unterstützung bei der Kommuni­kation mit Investoren, Bauherren und Mietern.

Wirtschaftlich und präzise

Ein Beispiel für die Effizienz des Laserscanning-Aufmaßes sind altersschwache Flachdachkonstruktionen. Sie zeigen häufig Feuchteschäden und Wärmeverluste, die zu aufwändigen Sanierungsmaßnahmen führen.

Das Flachdach eines Mehrfamilienhauses stellte k+a Architekten aus Hannover vor die Aufgabe, 50 unregelmäßig verteilte Schornsteine, Entlüftungen und Dachluken für die Werkplanung präzise in den Dachaufbau des neuen Steildachs zu integrieren. Zusätzlich zwangen die sechs abgewinkelten Teilsegmente des 120 m langen Wohnhauses zu einer peniblen Vorbereitung der Baumaßnahme. Für die Werkplanung wurde deshalb ein präzises Aufmaß des Ist-Zustands benötigt. Hier lieferte der 3D-Laserscan die wirtschaftlichste Lösung. Ein Handaufmaß des Dachs hätte mehrere Tage gedauert. Wegen der großen Messdistanzen wären vermutlich aus kleinen Fehlern bei den Winkelmessungen große Maßabweichungen entstanden. Angesichts der vielen Einzelpunktmessungen war ein Tachymeter-Aufmaß zu aufwendig und zu teuer. Der beauftragte Dienstleister benötigte elf Einzel-Laserscans und nur zwei Stunden, um das gesamte Dach präzise zu erfassen. Nach der Auswertung lagen dem Architekturbüro neben dem exakten, verformungsgerechten und maßstabsgenauen 2D-Grundriss auch alle nötigen Schnitte für die Werkplanung vor. Auch die Zimmerleute konnten die Auswechslungen und Auflagerpunkte der Dachkonstruktion komplett auf der Grundlage der Scandaten herstellen.

Umfangreiche Nutzungsmöglichkeiten

Laserscanner liefern Daten, die sich aufvielfältige Weise nutzen lassen. Neben der Bestandsdokumentation können mit den 3-dimensionalen Informationen fotorealistische Gebäudemodelle erzeugt werden. Darüber hinaus ist es möglich, Oberflächenstrukturen von Bauteilen exakt und millimetergenau zu analysieren. So eignen sich die Scandaten neben der Qualitätskontrolle zur Schadenskartierung und Beweissicherung vor Sanierungsarbeiten. Abstands-, Flächen-, Volumen- und Massenberechnungen stehen allen Projektbeteiligten nach einem Laserscan ohne Mehraufwand zur Verfügung. Dies unterstützt nicht zuletzt den integralen Planungsprozess für Bau und Betrieb. Neben den Informationen für Architekten und Fachplaner enthalten die Scandaten nützliche Details für Projektentwickler und Facility Manager. Flächenanalysen und Nutzungsvarianten lassen sich einfach durchspielen sowie Kollisionen neuer Einbauten mit vorhandener Bausubstanz zuverlässig im Vorfeld erkennen.

Wer die Vorteile eines 3D-Aufmaßes bei eigenen Projekten ausschöpfen möchte, muss nicht zwangsläufig einen Scanner erwerben. Viele Vermessungsbüros, aber auch spezialisierte Architekten, bieten Laserscanning mittlerweile als Dienstleistung an.