Anwendungsmöglichkeiten Von 3Dreidimensionaler Vermessungstechniken Im Holzbau Möglichkeiten Und Grenzen
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1 Anwendungsmöglichkeiten von 3dreidimensionaler Vermessungstechniken im Holzbau Möglichkeiten und Grenzen JENS KICKLER Beuth Hochschule für Technik Berlin, [email protected] Zusammenfassung Die Möglichkeiten der Erzeugung von dreidimensionalen Modellen von Bauwerken ist aufgrund der photogrammetrischen Möglichkeiten auch für Nicht-Geodäten mittlerweile ohne vertiefte Kenntnisse umsetzbar. Weiterhin werden die Möglichkeiten des Laserscann- nens zur Erzeugung der dreidimensionalen Punktwolken aufgrund der günstig werdenden Hardware und der anwenderfreundlichen Bedienung für kleine Firmen immer interessanter. Leider gibt es aber noch vielen Hürden bei der Weiterverarbeitung bzw. der Aufbereitung der Daten für eine sinnvolle Anwendung bei Baufirmen. Die nachfolgenden Darstellungen zeigen deutlich auf, wo die eigentlichen Probleme für die Anwender bei Nutzung von Punktwolken sind. Aufgrund der sehr guten Techniken im Bereich der Photogrammetrie und des Laserscans ist die Erstellung der Punkwolken ohne Problem durchzuführen. Das Problem der Weiterverarbeitung ist aber bisher mit sehr gro- ßem Aufwand verbunden, aus diesem Grunde wird in den meisten baupraktischen Fällen auf eine dreidimensionale Bauaufnahme verzichtet, da der Nutzen für die Baustelle (z. B. Bauausführung Holzbau) begrenzt ist. Durch eine Koppelung von Erstellung der Punkwolken mit der Weiterverarbeitung der Daten direkt bei dem Nutzer können viele dieser Probleme minimiert werden. Insbesondere entfällt dadurch die Erstellung von aufwendigen Zeichnungen, welche dann keiner Nutzung zugeführt werden. Durch die stetige Weiterentwicklung der Laserscantechnik wird in naher Zukunft ein Einsatz durch nicht Fachleute allgemein möglich. Dies wird sich aber nur durchsetzen, wenn die Weiterverarbeitung der Daten zu Erkenntniszugewinnen führt, die den Bauablauf vereinfachen bzw. positiv beeinflussen. Hierbei sind auch die steigenden Anforderungen in dem Bereich BIM (Building Information Modeling) einzubeziehen. Von großer Bedeutung ist es, dass nur die relevanten Informationen aus den Punktwolken herausgelesen werden. Dies sollte dann auch zeitlich unabhängig erfolgen können, d.h. zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt. Hieraus ergibt sich, dass das Problem der Archivie- rung der Daten (Dateiformate) ein wesentlicher Aspekt der Gesamtproblematik ist, welcher bisher noch nicht allgemein werden konnte. Es auch vorstellbar, dass sich als Austausch- format mit den Anwendern z. B. eine 3D-pdf Datei herausstellt, dies erfüllt die Anforde- rung an die Archievierung und die Lesbarkeit für jeden (Akrobat Reader). Bisher ist die Leistungsfähigkeit insbesondere bei großen Datenmengen und geringer Rechnerleistung bei diesem Format aber noch ungenügend. Hanke, K. & Weinold, Th. (Hrsg.) (2017): 19. Internationale Geodätische Woche Obergurgl 2017. © Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-xxx-x. 2 J. Kickler 1. Hintergründe zur Nutzung der digitalen Bauaufnahme im Bauwesen Die Unterstützung durch Computersysteme hat in allen Planungsarbeiten, die für ein zu Bauwerk von Architekten, Ingenieure und Konstrukteuren zu erledigen sind Einzug gehal- ten. Dies betrifft die Planung von zu entstehenden Konstruktionen, aber auch von Existie- renden. Das Zeichnen mit CAD wurde schon in den 80er Jahren eingeführt und ist heute ein nicht mehr wegzudenkender Bestandteil aller Planungen. Bei neuen Bauwerken hat die Entwicklung mit dem Begriff BIM einen neuen Höhepunkt erreicht. Die komplette digitale Gebäudemodellierung aller relevanten Bauwerksinformati- onen und die Kombinierung und Vernetzung von allen technischen Teilbereichen hat die Projektplanung optimiert, bündelt alle notwendigen Informationen in einer Hand und macht sie allen Projektbeteiligten verfügbar und zur Bearbeitung zugänglich. Im weiteren Lebenszyklus eines Gebäudes ist die Integration allumfassender Lösungen weitaus weniger vorangeschritten und besteht aus „angepassten“ Teillösungen. (Petzold, 2001) Dies betrifft insbesondere die Planungsarbeiten, die bei Bestandsbauwerken anfallen. Das Instandsetzen, Renovieren, Sanieren, Anbauen, Umbauen oder auch das Rückbauen erfor- dert jedoch zuverlässige Aussagen über die Bestandssituation, bestenfalls ebenso gebündelt und in Beziehung gesetzt. Die Grundlage für einen Projekt-Datensatz ist hierbei zuerst einmal ein bestenfalls maßstabsgetreues, geometrisches Modell, welches aus analogen Bestandsplänen hergeleitet werden kann. Eine Kombination von photogrammetrischer Aufnahme, tachymetrischer- oder Laserver- messung und softwareunterstützter Verarbeitung kann hierbei sinnvoll sein. Die Aufnahme von Daten und Weiterverarbeitung über die Schnittstelle zwischen Rohdaten und Modellie- rungs- und Zeichensoftware sind Hauptbetrachtung dieser Arbeit. Es soll dargestellt werden, welche Methoden zu welchem Anwendungszweck mit begrenz- ten zeitlichen und finanziellen Aufwand mit den heute zur Verfügung stehenden Lösungen bewerkstelligt werden können und welche Ergebnisse mit überschaubarem Zeit- und Arbeitsaufwand möglich sind. 2. Photogrammetrische Messverfahren Moderne Bildbearbeitungssoftware erlaubt das Entzerren und das Erstellen von 3D- Punktwolken mit Hilfe einfacher Kameras, wie zum Beispiel von Mobiltelefonen oder einfachen photographischen Aufnahmen, ohne über Kenntnis der äußeren Orientierung zu besitzen. (Eckhof, 2015; Przybilla, 2010) Software zur Auswertung der Bilder steht zum Teil auch kostenlos zur Verfügung. Im Rahmen einer Russlandexkursion wurden diese Verfahren anhand von einfachen Bei- spielen am roten Platz Kathedarale des seeligen Basilius (Rundumblick und im Kreml (Uspenski Kathedrale, Eingangstor) für Demonstrationszwecke durchgeführt. Hierbei soll nur dargestellt werden, mit welche Aufwand welche Ergebnisse erzeugt werden können. Anwendungsmöglichkeiten von 3dreidimensionalen Vermessungstechniken im Holzbau 3 Für die Bildaufnahmen wurde im Fall des Eingangstors der Uspenski Kathedrale ca. 8 Mi- nuten aufgewendet (52 Aufnahmen) und im zweiten Fall (Kathedarale des seeligen Basili- us) ca. 35 Minuten (340 Aufnahmen). Hierbei wurde kein Wert auf eine hohe Genauigkeit oder besondere Techniken bei den Kameraeinstellungen gelegt. Es wurde mit den automati- schen Einstellungen Systemkamera gearbeitet, die Verarbeitung der Bilder erfolgte mit der Software Agisoft Professional. Die grundsätzliche Geometrie und die geometrischen Proportionen sind erkennbar und lassen sich auf der Grundlage der Punktwolke, nach dem die Kalibrierung des Maßstabes erfolgte, abmessen. Auf der Abb. 1 ist gut zu erkennen, dass die Bereich die bei den Fotos nur schlecht erkennbar waren (z. B. Podest vor dem Eingang oder die Dachbereiche vgl. Abb. 1) nicht in der Punktwolke vorhanden sind – dennoch kann die Größe des Podestes aus dem Punktwolkenmodell sehr genau herausgemessen werden. Abb. 1 Punktwolken Uspenski u. Basilius Kathedralen Interessant wird diese Technik für Bauingenieure erst, wenn ein Export in ein Format erfol- gen kann, welches sich gut mit einem CAD-System weiterbearbeiten lässt. In diesem Fall wird mit dem Programm Lexocad der Firma Cadwork gearbeitet (vgl. Abb. 2). Dieses Pro- gramm ist besonders gut hierfür geeignet, da sehr viele Schnittstellen zur Verfügung stehen und eine Weiterverarbeitung in dem Programm Cadwork (3D Holzkonstruktionen) sehr einfach möglich ist. Der normale Ablauf, wie bisher meist durchgeführt, sollte nicht sein, dass ganze Modell in ein CAD-Modell zu überführen, da dies mit einem immensen Aufwand verbunden ist. Wei- terhin entsprechen die CAD-Pläne auch nicht der exakten Geometrie der Punktwolke, da Verformungen und Krümmungen in den Bauteilen durch die gerade Kantenbeschreiben des CAD-Modells nicht mit abgebildet werden. 4 J. Kickler Bevor eine Abb. 2 Bearbeitungsfenster in Lexocad Weiterverarbeitung der Daten in den Punktwolken erfolgt sollten die nachfolgenden Fragen berücksichtigt werden: Wie sollen die 3D Daten ermittelt werden (Laserscan, Photogrammetrie) Welche Daten aus dem 3D-Modell werden überhaupt benötigt? Wann werden welche Informationen benötigt? Wer benötigt welche Informationen? Wie wird mit Änderungen während des Bauablaufs an dem Objekt umgegangen In welchem Format werden die Daten gespeichert und weitergegeben Diese Fragen sind während der Erstellung der Fotos oder des Laserscans nicht beantwort- bar. Hieraus folgt, dass es sinnvoll ist sich auf eine allg. gültige Vorgehensweise zu einigen, welche es erlaubt die Fragen je nach Bedarf und Zeitpunkt die notwendigen Details zu ermitteln. In den folgenden Ausführungen soll versucht werden die Fragen in Bezug auf das Bauinge- nieurwesen anhand von Restaurationsarbeiten im Holzbau zu beantworten. 3. Erfassung der Punkwolken mit Laserscan oder Photogrammetrie Diese Frage stellt sich bisher nicht, da professionelle Laserscantechnik für kleiner Baufir- men nicht erschwinglich ist und sich in diesen Firmen niemand mit dem Vorgehen bei der Photogrammetrie auskennt bzw. die entsprechende Software besitzt. Dies ist bisher der Hauptgrund, warum derartige Techniken und in sehr geringem Umfang Einsatz bei den Baufirmen gefunden haben. Es gibt jetzt die ersten Ansätze diese Techniken für einen brei- teren Einsatz im täglichen Gebrauch nutzbar zu machen. Insbesondere in der Laserscan- Anwendungsmöglichkeiten von 3dreidimensionalen Vermessungstechniken im Holzbau 5 technik kommen Geräte mit ca. 15.000€ (Leica BLK 360, ab März 2017) auf dem Markt, welche einfach zu bedienen sind und für die meisten praktischen Baueinsätze eine ausrei- chende Genauigkeit besitzen. Abb.