Digitale Bestandsaufnahme
Stand: Juni 2023
Seit der Einführung von Sketchpad, der ersten CAD-Software (Computer Aided Design) in den 60er Jahren haben sich die digitalen Werkzeuge für das Bauwesen weiterentwickelt und gehen über die 2D-Zeichnung und Aktualisierung von Bestandsplänen hinaus.
Bereits 2017 hat die Studie "Rolle der Digitalisierung im Gebäudebereich" die Potenziale, Hemmnisse sowie die Akteure und Handlungsoptionen der Digitalisierung im Gebäudebestand analysiert. Eine Erkenntnis daraus war, dass die Digitalisierung das deutsche Energiesystem sowie die Art und Weise, wie Erzeuger und Verbraucher mit Energie umgehen, nachhaltig verändern wird.
Digitalisierung des Gebäudebestands & Klimaziele für den Bausektor
Die Hälfte des Gebäudebestands in der EU wurde zwischen 1945 und 1970 und somit vor Inkrafttreten der ersten Wärmeschutzvorschriften erbaut. Voraussichtlich werden im Jahre 2050 noch 85 bis 95 Prozent dieser Gebäude bestehen. Mit dem Ziel einer Verminderung der CO2- Emissionen um mindestens 55 Prozent sowie des Primärenergiebedarfs sollen im Rahmen der „EU-Renovierungswelle“ 35 Millionen dieser nicht energieeffizienten Gebäude bis 2030 energetisch ertüchtigt werden. So soll die Basis für ein klimaneutrales Europa bis 2050 geschaffen werden. Die energetische Ertüchtigung des Gebäudebestands durch eine Verdopplung der Sanierungsquote ist für die Verringerung der Emissionen und des Energieverbrauchs von zentraler Bedeutung. Ein wichtiger Bestandteil zum Erreichen dieser Ziele ist die Digitalisierung des Gebäudebestands. Diese geht weit über die Digitalisierung bestehender Organisationsprozesse hinaus und wird im Sinn von Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft unsere gesamte gebaute Umwelt erfassen.
Die Digitalisierung im Baubereich führt zu einer Steigerung der Ressourceneffizienz, der Unterstützung der Baulogistik und deutlichen Optimierung der Bauprozesse vor Ort. Im Rahmen von Building Information Modeling (BIM) entstehen heute digitale Gebäudemodelle vor allem für den Neubau, die von der Konzeption und Bauplanung über den Betrieb bis zum Ende des Lebenszyklus alle Elemente erfassen und auch die Wiederverwendung von Ressourcen in der gesamten Wertschöpfungskette ermöglichen sowie Verschwendung und Umweltbelastungen reduzieren.
Als eine große Herausforderung gilt derzeit die Digitalisierung von Bestandsgebäuden sowie die Erfassung der verbauten Materialien und Bewertung zu deren Lebenszykluserwartungen im Rahmen des „Urban Minings“. Auch hier gilt es, den verborgenen Wert von Materialien und Ressourcen in der Bausubstanz am Ende des Lebenszyklus eines Gebäudes zu erschließen. Die Mehrzahl der Bestandsgebäude wird noch nicht mit BIM betrieben, geschweige denn saniert oder zurückgebaut. Entwicklungen wie MADASTER, einer digitalen Plattform, ermöglichen die digitale Erfassung und Analyse aller Materialien und Produkte für Materialien der gebauten Umgebung. Ziel ist es, Abfall zu vermeiden und die nachhaltige Nutzung von Rohstoffen auch im Rahmen der Kreislaufwirtschaft zu fördern.
Ein weiterer Aspekt ist die Beschleunigung von Fertigungsprozessen beispielsweise im Holzbau. Mit der Genauigkeit digitaler Aufmaße lassen sich auch maschinengesteuerte CNC-Prozesse zur Vorfertigung von Bauteilen erzeugen, die auf der Baustelle ohne großen Anpassungsaufwand material- und personalgünstig verbaut werden können. Für die serielle Sanierung ist ein genaues digitales Aufmaß sogar dringend erforderlich.
Modellierungstechniken in Architektur und Bauwesen
Voraussetzung für die Digitalisierung von Bestandsgebäuden ist einerseits die genaue Erfassung der Geometrie eines Gebäudes sowie der verorteten Zuordnung von Baustoffen und Produkten. So können diese Modelle in den weiteren Bearbeitungsschritten zur Planung auch in BIM-Prozessen weiterverwendet werden.
Verfahren wie Laserscans und Fotogrammetrie haben sich hier mit hoher Genauigkeit etabliert. Aber auch neuere Techniken wie die 360°-Panoramafotografie sowie der Einsatz von Augmented Reality können bei einfacheren Aufgabenstellungen in der Gebäudesanierung zur Bestandserfassung von z. B. Grundrissen eingesetzt werden.
Verschiedene 3D-Modellierungstechniken haben sich als schnelle und detaillierte Verfahren herausgestellt und werden, auch in Kombination effektiv eingesetzt:
Abhängig vom Einsatzzweck, erforderlicher Genauigkeit und Datentiefe können die Erfassungstechniken auch in Kombination eingesetzt werden. Häufig werden die Ergebnisse auch in Cloud-Lösungen übertragen und können dort weiterbearbeitet werden um sie in üblichen Planungsanwendungen bearbeiten zu können.
Digitale Fotografie und Fotogrammetrie im Baubereich
Die Digitalfotografie wird im Bereich des Bauwesens schon länger zur Dokumentation und Überwachung von Bauarbeiten genutzt. Durch Verknüpfung digitaler Gebäudemodelle, digitaler Fotografie, Projektmanagement-Software sowie dem Zugriff auf gemeinsame Informationen in Echtzeit dank Cloud-Lösungen ist es möglich, den Stand der Konstruktionsarbeiten auch aus der Ferne zu verfolgen. Dieser Prozess wird in der Literatur als Digitalizing Construction Monitoring (DCM) bezeichnet. Das DCM-Modell ist ein interaktives System, das 3D-CAD-Zeichnungen, digitale Bilder sowie weitere Informationen integriert. Die Anwendung eines DCM-Modells zur Kontrolle des Baufortschritts erleichtert es einem Projektteam, die Produktivität und Qualität von Bauprojekten besser zu verfolgen, zu kontrollieren und zu steuern.
Fotogrammetrie im Gebäudebestand
Fotogrammetrie ist eine Technik zur Erstellung eines 3D-Modells aus einer Bilderreihe oder aus Videos eines Objektes. Dabei werden die Bilder oder Videosequenzen aus verschiedenen Perspektivwinkeln mittels Software-Tools zu einem 3D-Computermodell verrechnet. Die Genauigkeit der Ergebnisse steigt mit der Anzahl der Bilder und Blickwinkel. Die am Markt befindlichen Programme können ohne große Fachkenntnisse der Fotogrammetrie eingesetzt. Die Dauer der Berechnungen wird wesentlich durch die Leistung des Rechners beeinflusst. In modernen Smartphones wird die Technik bereits für Augmented Reality im Hintergrund genutzt.
Die Fotogrammetrie zur Erstellung eines 3D-Modells wird in der Bauwirtschaft bislang selten eingesetzt. Auch wenn diese Technik kosteneffektiv und flexibel verwendet werden kann, so wurde von Fachleuten die Genauigkeit des aus Fotos erzeugten 3D-Modells bezweifelt. Bereits 2014 hat eine Forschergruppe die Genauigkeit eines fotogrammetrisch erstellten 3D-Modells für ein Bestandsgebäude untersucht und konnte beweisen, dass die Genauigkeit mit einer Abweichung von durchschnittlich 0,87 Prozent für die allermeisten Anwendungen auf einer Baustelle ausreichend ist (Quelle: Rapid 3D Modelling of an Existing Building using Photos (PDF / 1,39 MB)).
3D-Laserscanning zur Bestandserfassung
Das 3D-Laserscanning wird für ein verformungsgerechtes und berührungsloses Aufmaß von Bestandsgebäuden eingesetzt. Auf einen rotierenden Spiegel im Laserscanner wird ein fokussierter Strahl Infrarotlaserlicht gesendet, der über Objekte oder Bereiche streicht. Diese reflektieren den Strahl zurück zum Scanner und können in 3D-Daten interpretiert werden. So werden Entfernungen, aber auch horizontale und vertikale Ebenen erfasst, die, in einer sogenannten Punktwolke zusammengeführt, ein genaues und digitales Abbild beschreibt. Auch unregelmäßige Geometrien ebenso wie schwer zugängliche Objekte werden dabei mit hoher Genauigkeit erfasst. In Verbindung mit digitalen Fotoaufnahmen können auch Texturen der Oberflächen erfasst werden.
Zur weiteren Bearbeitung z. B. mit Vektorgrafiksystemen werden diese Punktwolken mit Hilfe einer speziellen Software eingelesen und gefiltert. So können für die Objekterfassung irrelevante Messpunkte getrennt werden. In weiteren Schritten können durch die Punktwolken beliebige Horizontal- oder Vertikalschnitte gelegt werden. Zur 3D-Datenerfassungen werden terrestrische und mobile Scanner sowie Drohnen eingesetzt.
Bei der eigentlichen 3D-Auswertung werden aus den Punktdaten für CAD-Programme verwertbare 3D-Geometrien erzeugt. Auch können Zusatzinformationen für BIM-Informationen hinterlegt werden.
Werden die gescannten Objekte mit Kugelpanoramen über 360-Grad-Fotografie verknüpft, lassen sich Visualisierungen und Virtual Reality-Rundgänge durchführen.
Die Ergebnisse können nicht nur für die Modellierung bestehender Gebäude verwendet werden, sondern auch, um den Status eines Bauprojekts auf der Baustelle zu erfassen. In der Anwendung für das Bauwesen zeichnen sich 3D-Laserscaner durch ihre Genauigkeit aus.
Die Messdaten können unmittelbar für Angebotserstellung, Planung und Abrechnung sowie die CNC (Computerized Numerical Control)-Fertigung von Bauteilen verwendet werden. Die Bearbeitung von Punktwolken sowie die Selektion unerwünschter Elemente wird durch künstliche Intelligenz erleichtert.
Professionelle Vermessungslösungen und entsprechende Software-Lösungen bieten u. a. folgende Hersteller an (ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Stand: 04/2023): Leica, Zoller & Fröhlich, Faro, Trimble, Riegl, Surphaser, Topcon, Hottscan, Navvis. 3D-Kameras sind u. a. von DotProduct und Matterport erhältlich.
Download Übersicht Werkzeuge zur Auswertung von Punktwolken (PDF / 250 KB)
LiDAR-Scanning
Eine Weiterentwicklung des Laserscanning ist die LiDAR-Technologie (Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging). Hierbei werden unsichtbare Laserstrahlen zur Abstandsmessung eingesetzt. Diese Technik erforderte in der Vergangenheit spezialisierte, teure Hardware. Mit der Integration dieser Sensortechnik in Smartphones bieten sich Möglichkeiten auch für eine niedrigschwellige Anwendung im Bauwesen. Davon profitiert die Genauigkeit der Vermessung. Auch hier werden Punktwolkendaten als Referenzen für BIM, CAD-Modelle, zum Messen von Entfernungen oder zum Erstellen von Visualisierungen genutzt.
360-Grad-Fotografie
Mit Hilfe einer 360-Grad-3D-Kamera und integrierten Infrarot-Entfernungsmessern wird aus zahlreichen Einzelfotos ein Kugelpanorama erstellt. So lassen sich Abstände und Größenverhältnisse in einem Raum erfassen und exakt vermessen. Neuere Entwicklungen ermöglichen auch den Einsatz von Smartphones. Die 360-Grad-Aufnahmen können zusätzlich noch mit den Punktwolkenergebnissen aus Laser- oder LiDAR-Scans kombiniert werden.
Augmented Reality
Das Vermessen per Augmented Reality (AR) ist eine optisch-inertiale Nutzung von Sensoren in Smartphones oder Tablets. Dabei werden neben den integrierten Komponenten wie der Kamera, dem Arbeitsspeicher und dem Prozessor die Beschleunigungs- und Neigungssensoren (Inertial Measurement Unit) im Smartphone genutzt. Für Vermessungszwecke mit angepasster Genauigkeit werden hierzu hochwertige Smartphones eingesetzt.
Die Sensoren dienen der genauen Lagebestimmung und der Wahrnehmung von Bewegungen eines Smartphones. So wird die horizontale oder vertikale Lage des Smartphones über das integrierte Gyroskop und den Bewegungssensor erkannt. Eine intelligente Software im Hintergrund, die alle notwendigen Rechenlogiken übernimmt, stellt die Bewegungen und Beschleunigungen eindeutig fest und beschreibt so ein Koordinatensystem und die Entfernung der einzelnen Punkte.
Zusätzlich wird fotogrammetrisch ein 3D-Abbild erfasst, welches für die Augmented Reality genutzt wird. Auf dem Display lassen sich Positionsmarker ablegen, die zur Messung von z. B. Strecken im AR-Raum genutzt werden. Die Genauigkeit ist erstaunlich präzise und für viele Aufgaben zur Bestandserfassung ausreichend.
Apps zur digitalen Bestandserfassung für Smartphones und Tablets
Teilweise erfordern die zuvor beschriebenen Erfassungstechniken spezielle Hardware und Software, besonders wenn es um hohe Präzision geht. Für einige Anwendungsfälle bieten aber auch moderne Smartphones bereits die technischen Voraussetzungen, um über eine App entsprechende Scans durchzuführen. Wurde zum 3D-Scannen mit Fotogrammetrie früher beispielsweise zusätzliche Hardware wie ein Tiefensensor benötigt, sind moderne Smartphones häufig bereits mit einem entsprechenden Lidar-Sensor ausgestattet.
Bereits verfügbare Apps, die bei der Bestandserfassung unterstützen können, sind in der folgenden Übersicht aufgeführt.
Download Übersicht Apps für Smartphones und Tablets (PDF / 440 KB)
Ausblick
Der Markt für die Erstellung von 3D-Modellen ist derzeit in großer Bewegung und wird durch den Einsatz von Smartphones und Tablets als mobile Endgeräte beflügelt. Die Dynamik wird auch den Einsatz zur Erstellung von digitalen Aufmaßen sowie 3D-Modellen für die Sanierung und energetische Ertüchtigung des Gebäudebestands beschleunigen und vereinfachen und so zum Erreichen der Klimaziele der EU beitragen.
