3D-Laserscanning

Die Welt in 3D erfasst

Damit der Bauwerksbestand in die Planung eingebunden werden kann, muss er zunächst präzise erfasst werden. 3D-Laserscanner messen alles dreidimensional und in Sekundenschnelle auf.

14.12.2020
Marktübersicht
Dorian Kreicic
11.02.2021
© Leica Geosytems

Mit 3D-Laserscannern lässt sich der Bauwerksbestand oder der As-Built-Zustand schnell auch in BIM-Projekte integrieren

Sollen Neubau-, Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen geplant werden, ist in der Regel zunächst ein präzises 3D-Aufmaß erforderlich. Je präziser und zuverlässiger es ist, desto geringer ist die Gefahr teurer Folgekosten aufgrund ungenauer Planungsgrundlagen. Das 3D-Laserscanning eignet sich dafür in idealer Form, denn es erfasst auch komplexe, krumme und schiefe, frei geformte und filigrane Bauwerksstrukturen oder Geländeformen dreidimensional, präzise und in extrem kurzer Zeit

Das Messprinzip: So funktioniert's

Ein auf einem Dreibeinstativ nacheinander an ­mehreren, strategisch günstigen Punkten auf­gestellter, vertikal in einem Winkel von bis zu etwa 320 Grad messender Laserscanner rotiert horizontal um die eigene Achse. Während einer 360-Grad-Umdrehung speichert er damit alle geometrischen Umgebungs­daten, die entsprechend einer zuvor ­gewählten Genauigkeit erfasst werden. Mit einer Umdrehung ­werden – je nach gewählter Auflösungsstufe – bis zu ­mehrere Hundert Millionen 3D-Messpunkte umfassende „Punktwolken“ generiert.
Eine eingebaute, ­kalibrierte Digitalkamera liefert zusätzlich ­visuelle ­Informationen vom Messobjekt und ­seiner Umgebung. Da der Scanner nicht durch ­massive ­Objekte wie Bauteile, die Topografie oder Vegetation hindurch ­messen kann, machen durch Objektvorsprünge oder einschnitte bedingte „Mess-Schatten“ eine mehrfache Aufstellung an unterschiedlichen Standpunkten erforderlich. ­Dabei entstehen ­mehrere Punktwolken, die später über Referenzpunkte ­passgenau übereinander­gelegt werden.

Während die Messung vor Ort bei einfachen ­Objekten in wenigen Minuten erledigt ist, ist die Punktwolken-Auswertung etwas aufwendiger. Dennoch lassen sich im Vergleich zu anderen Messverfahren insgesamt etwa ein ­Drittel an Zeit und Kosten einsparen. Für die Auswertung werden die Mess­daten im Büro mithilfe ­einer ­speziellen Software eingelesen und gefiltert. Dabei werden für die Objekterfassung relevante von nichtrele­vanten Messpunkten getrennt. Anschließend können für eine Schnellauswertung durch die Punktwolken ­beliebige Horizontal- oder Vertikalschnitte gelegt werden. Bei der eigentlichen 3D-Auswertung werden aus den Punktdaten für CAD-Programme verwertbare 3D-Geometrien erzeugt. Dabei werden unter Zuhilfenahme relevanter Messpunkte (meist Objekt­ecken oder -­kanten) manuell oder halbautomatisch CAD-Elemente (Linien, Bögen, Quader, Zylinder etc.) konstruiert.
Werden anstelle von CAD-Bauteilen mit Zusatzinfor­mationen hinterlegte BIM-Objekte eingegeben, kann das Laserscanning-Aufmaß auch direkt für die BIM-­Planung genutzt werden. Die gescannten und fotografisch erfassten Objekte lassen sich zudem in Form von 360-Grad-Kugelpanoramen visualisieren. Darin kann sich der Betrachter am PC-Monitor oder per VR-Brille interaktiv bewegen oder Details heranzoomen – fast so, als stünde er mitten im Objekt oder Gelände. 
 

3D-Laserscanner: Einsatzbereiche und Vorteile

Aktuelle 3D-Scanner sind in der Lage, ein Raum­panorama von 360 x ca. 320 Grad mit einer Auf­lösung von bis zu einer Million Messpunkten pro ­Sekunde zu erfassen – und das, je nach Messdistanz, bis auf wenige Millimeter genau. Da berührungslos gemessen wird und die Datenerfassung relativ schnell erfolgt, lässt sich die Verweildauer vor Ort minimieren. Das reduziert auch die Wetter- oder Schadstoff­exposition, das Unfall­risiko (laufender Baubetrieb, Straßenverkehr etc.) und die Gefahr von Beschädigungen des teuren Messgeräts. Zudem ist keine Ausleuchtung erforderlich, was Aufmaße tageszeit- und lichtunabhängig macht. ­Damit stellen auch ­Tunnels, dunkle Installa­tions­zwischengeschoße, Installationsschächte, ­Behälter oder lichtempfindliche Objekte etc. kein Problem dar.

Die Geometriedaten, Farb- und Texturinforma­tionen lassen sich vielfältig nutzen. Entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung können aus den 3D-Daten beliebige 2D-Pläne für die Hoch- oder Tiefbauplanung, den Gebäude­betrieb oder für ­Visualisierungen, Animationen und Präsentationen generiert werden. Aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit, Schnelligkeit und Präzision ist das 3D-Laser­scanning vielfältig einsetzbar. Von der Bestandserfassung und Dokumentation, Bestands­sicherung und Über­wachung von ­Bauobjekten über die „As-built-­Bestandsdokumentation“ realisierter Bauobjekte bis hin zur Bauschadenanalyse, 3D-Visualisierung oder die Übergabe von Gebäudedaten für die BIM-Planung reicht die Palette der Einsatzmöglich­keiten. Auch baubegleitend lassen sich 3D-Laser­scanner für die Qualitätssicherung einsetzen – etwa um Bau- oder Montage­fehler, Soll- und Ist-­Abweichungen zu erfassen etc. 

© Graphisoft
Viele BIM-fähige CAD-Programme können inzwischen Punktwolken direkt importieren und verarbeiten.

Von der Punktwolke zum BIM-Modell

Zu den für die Auswertung wichtigen Informationen zählen Objektkanten und -ecken, die aber beim Messvorgang im Gegensatz zu Flächen nur selten vom Laser­strahl getroffen werden. Aus den teilweise extrem großen Dateien mit 100 Millionen Punkt­werten und mehr müssen deshalb wesent­liche von unwesentlichen oder überzähligen Informationen getrennt und in eine für CAD- und Visualisierungsprogramme verwertbare, aus Linien, Flächen, ­Quadern, Zylindern und anderen Grundkörpern ­bestehende Vektorgrafik überführt werden. Inzwischen lassen sich Laserscanner-­Punktwolken auch direkt in viele bauspezifische CAD-Programme importieren und dort weiterbearbeiten, wie etwa in ­AutoCAD, ­Allplan, ­ArchiCAD, ­MicroStation, Revit, RIB iTWO etc. Mit ReCap von Autodesk lassen sich beispielsweise Punktwolken besonders einfach bearbeiten, analysieren und in 3D-CAD-Modelle überführen.

Der Aufwand und die Dauer der Auswertung hängen davon ab, ob zweidimensionale Grundrisse, Ansichten oder Schnitte gefordert sind, einfache CAD-­Volumenmodelle erzeugt werden sollen oder BIM-Daten­modelle. Letztere setzen zusätzlich die ­Erfassung alphanumerischer Informationen zu Bauelementen oder Materialien etc. voraus. Damit der Geschwindigkeitsvorteil der automatischen Messung nicht durch eine mühsame, da überwiegend manuelle Auswertung der ­Punktwolken verlorengeht, verfügen einige Auswertungsprogramme über Filtertechniken, ­Modellierwerkzeuge und Automatismen, mit denen Objektflächen, -kanten oder -ecken erkannt werden. So können standardisierte Objekte wie Stahlprofile oder Rohrleitungen halbautomatisch generiert werden. Die beim Auswertungsvorgang erarbeiteten Vektordaten ­können dann per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle an beliebige CAD-Programme übergeben werden. 
 

Für jede Aufgabe der passende Laserscanner

Der Markt offeriert inzwischen eine Vielzahl von Laserscanner-Systemen. Allerdings hat jedes Modell seine speziellen Einsatzbereiche und Stärken – etwa für die Erfassung von Innenräumen, Gebäuden, Anlagen oder der Topographie. Als Alternative bieten sich auch tachymetrische Messsysteme an, mit denen allerdings nur einzelne, markante Messpunkte selektiv gemessen werden. Für das Scannen von Details und unzugänglicher Bereiche sind ferner mobile 3D-Handscanner als Ergänzung zu Stativ-Geräten geeignet, werden hier aber nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Wichtige Unterscheidungsmerkmale von 3D-Laserscannern sind die minimale/maximale Messentfernung in Metern, der Messbereich und die Genauigkeit: Der erste Wert gibt an, von welcher minimalen bis zu welcher maximaler Distanz in Metern das Gerät messen kann (zwischen 50 Zentimetern und mehreren hundert Metern). Während im Gebäudebereich unter hundert Meter völlig ausreichen, sind im Tiefbau Reichweiten von mehreren hundert Metern gefragt. Der zweite Wert gibt den horizontalen und vertikalen Bereich in Grad an, innerhalb dessen der Scanner Objektpunkte erfassen kann. Dieser liegt horizontal stets bei 360 Grad, bauartbedingt und aufgrund des unter dem Scanner befindlichen Stativs vertikal bei etwa 320 Grad. Die Messgenauigkeit sagt aus, wie präzise ein Objektpunkt in der Position bzw. in der Distanz in Millimetern auf eine typische Messentfernung von 30 bis 50 Metern gemessen werden kann. Die Messgeschwindigkeit gibt Auskunft darüber, wie viele Messpunkte in einer bestimmten Zeit maximal gemessen werden können. Diese so genannte „Scanrate“ liegt zwischen einigen Tausend und rund 1 Million Pixeln pro Sekunde. Die mittlere Scandauer in Minuten erlaubt Rückschlüsse auf die Schnelligkeit des Systems. Zu den Zusatzfunktionen zählen die Aufnahme und gegebenenfalls Verortung von digitalen Fotos/Videos per GPS. Kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht lernt man schnell schätzten, wenn das Gerät häufig umgesetzt werden muss. Die Schutzklasse gibt an, wie gut es gegen Staub oder Nässe geschützt ist. Gängige Schnittstellen sind ein Ethernet- und USB-Anschluss, eine Bluetooth- oder WLAN-Schnittstelle zum Notebook sowie eine SD-Kartenslot. Entscheidend ist auch eine möglichst intuitive Bedienung: sie sollte menügeführt sein und beispielsweise über ein Touch-Display erfolgen. Als Stromversorgung dienen wahlweise Lithium-Ionen-Akkus oder ein Netzkabel. Zum Standard-Lieferumfang gehören ein Transportbehälter, ein Stativ, ein Ladegerät, eine Erfassungssoftware, eine Laserschutzbrille, Referenzpunktmarken sowie weiteres Zubehör.

Insbesondere für das präzise Aufmass detaillierter Strukturen im Stahl- und Holzbau oder in der TGA sind 3D-Laserscanner besonders geeignet.
© Faro

Laserscanning als Dienstleistung

Obwohl die Technik immer einfacher zu bedienen und immer preiswerter wird, sind die ­Investitionskosten von 3D-Laserscannern ab 50.000 Euro noch ­immer relativ hoch. Zum Kaufpreis kommen jährliche ­Kalibrierungs- und Wartungskosten in der Höhe von 2.000 bis 4.000 Euro hinzu. Auch das zusätzlich notwendige Personal mit entsprechendem Know-how amortisiert sich nur dann, wenn mehrere Objekte pro Jahr erfasst werden. Deshalb wird dieses Messver­fahren von den meisten Unternehmen eher als Dienstleistung nachgefragt. Zahlreiche Ingenieur- und Vermessungsbüros haben sich inzwischen auf das Aufmaß mit Laserscannern spezialisiert und ­offerieren entsprechende Dienste (siehe Infokasten). Bei der Auswahl sollte man auf fachliche Schwerpunkte des Dienstleisters achten: Hat er sich auf den Hochbau/Tiefbau, die Gebäude-­Bestandserfassung, die Baustellendokumentation, die Denkmalpflege, das Bauwerksmonitoring oder die Erfassung von Immobilien- und Liegenschaften und die Bereitstellung von Daten für die Gebäudebewirtschaftung spezialisiert? 
Auf das Laserscanning beschränkte Kompetenz allein genügt längst nicht mehr. Nur ­diejenigen Dienstleister, die aufgrund ihres ­Ingenieur-Know-hows komplette Leistungen vom Scan bis zum fertigen Plan, BIM-Modell oder CAFM-Datensatz anbieten können und die Bedürfnisse ihrer Zielgruppe kennen, sind in der Lage, die Ansprüche ihrer Kunden zu erfüllen. Die Kosten für ein Laserscanning-Aufmaß lassen sich nur ­individuell beziffern. Sie richten sich nach der Größe und Komplexität des Objekts, nach einer ­eventuell notwendigen Kombination verschiedener Aufmaßverfahren und nach dem gewünschten Ergebnis (2D-Pläne, BIM-Modell, Visualisierung etc.). Bereits bei kleineren Projekten sind sie meist günstiger als jedes andere Aufmaßverfahren. 
 

3D-Laserscanning: Hersteller und Dienstleister

Fazit: eine Technologie mit viel Potenzial

Das 3D-Laserscanning ist eine relativ junge Aufmaßtechnologie, deren Potenziale noch nicht ausgeschöpft sind. Für neue Impulse sorgt BIM und der aktuelle Trend zur 3D-Konstruktion, Visualisierung und Präsentation per Virtual und Augmented Reality (VR, AR). So lassen sich beispielsweise gescannte reale Objekte mit CAD-Daten eines Bauvorhabens überlagern und per AR-Brille präsentieren, um zum Beispiel ein Bauwerk in seinem baulichen Umfeld oder die Haus­technik im bereits fertiggestellten Rohbau virtuell zu präsentieren. 
Für neue Impulse sorgen auch Hardware-Weiterentwicklungen, beispielsweise 3D-Laserscanner mit integrierter Infrarotkamera. Damit lassen sich Räume oder Gebäudefassaden mit einem Scan zugleich geometrisch, fotografisch und energetisch erfassen. Einen zusätzlichen Schub wird die Technologie erhalten, wenn es gelingt, aus „dummen“ Punktwolken automatisiert „intelligente“ CAD-Daten zu generieren. Erste Anwendungen, bei denen gescannte Bauelemente automatisch erkannt und durch BIM-Objekte aus einer Bauteildatenbank ersetzt werden, sodass daraus ­sukzessive ein BIM-Modell entsteht, gibt es bereits.

© Dorian Kreicic/ÖWV

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