Der Begriff Digitaler Zwilling suggeriert, dass die as-built-Dokumentation die Realität perfekt im Virtuellen widerspiegelt. Doch genau hier liegt die Gefahr. Das Digitale Modell beinhaltet weder Informationen zur Generalisierung der Geometrien, noch wird eine Aussage über die Toleranzen gegenüber der Realität gemacht. Lars Sörensen, Geschäftsführer der Scan3D GmbH aus Berlin, mahnt in diesem Zusammenhang im ausführlichen Gespräch mit der BUSINESS GEOMATICS, dass dies BIM-Projekte für das Bauen im Bestand bereits von vornherein gefährden kann.
Reichen die aktuellen Normen und Standards von digitalen Modellen auch für die Verwendung bei Bestandsbauten aus? Nicht immer, sagt Lars Sörensen von Scan3D im Interview mit der BUSINESS GEOMATICS. Foto: Scan3D
Herr Sörensen, 3D-Bestandsvermessungen sind heute etabliert, gehören sie beim Bauen im Bestand inzwischen zur BIM-Methode dazu?
Richtig ist, dass bei Ausschreibungen mittlerweile häufiger BIM-konforme Modelle des Bestandes anstelle verformungsgetreuer 2D-Pläne vom Auftraggeber gefordert werden. Aber die Potentiale und Grenzen einer Digitalen Bestandsdokumentation sind immer noch schwer überschaubar. Man geht zu häufig davon aus, dass 3D-Laserscanning generell hohe Genauigkeiten hervorbringt. Der Begriff des Digitalen Zwillings suggeriert dies zudem stark. Doch in der Realität sind die Qualitätsunterschiede immens, beauftragt wird ein Aufmaß in der Regel nach Preis.
Und was ist in der Realität möglich?
Man kann heute Gebäudemodelle mit einer Abweichung von weniger als einem Zentimeter gegenüber der Realität erreichen. Dazu ist eine qualifizierte Vorgehensweise und ein hoher Aufwand bei der Aufbereitung der Scandaten sowie der anschließenden Rückführung zu 3D-Objekten mit Freiformflächen notwendig, wie wir sie bei Scan3D praktizieren. Die weitläufige Praxis sieht aber anders aus. Hier summieren sich die Fehler in den einzelnen Prozessschritten auf eine Abweichung von 2 bis 5, manchmal sogar bis 10 Zentimetern. Solche resultierenden Gesamtfehler sind spätestens für die Ausführungsplanung bei weitem nicht ausreichend.
Wo liegen Fehlerpotentiale?
Man muss die Fehler im Gesamten analysieren, sie resultieren aus verschiedenen Phasen von der Aufnahme über die Scandatenverarbeitung bis hin zum fertigen Modell. In der 3D-Punktwolke finden sich Fehler aus dem Messvorgang selbst, solche aus der Registrierung beziehungsweise Orientierung der Scans und solche aus der Überführung der Punktwolke in ein bestehendes Koordinatensystem. Danach ist noch der Schritt der Generalisierung des Modells im BIM-fähigen CAD-System mit einzubeziehen. Insbesondere, wenn verformte Bauwerksoberflächen auf Grundlage der Punktwolke im CAD generalisiert werden, kommt es zwangsläufig zu weiteren Abweichungen. Man muss also den resultierenden Gesamtfehler betrachten. Die resultierenden Abweichungen müssen analysiert und nachvollziehbar dokumentiert werden. Nur so lässt sich die Qualität eines Modells mit all seinen Architektur-Elementen in Bezug auf Genauigkeit und Detaillierung beurteilen.
Stichwort Generalisierung: Wo liegen heute noch Einschränkungen bei der Software?
Es gibt zwar eine ganze Reihe von BIM-CAD-Lösungen für die Baubranche, allerdings ist nach wie vor die Interoperabilität ein großes Problem. Die Programme sind auf Neubauten ausgerichtet, bei der Bestandsvermessung tauchen Probleme auf, sobald keine Idealgeometrien oder gar Sonderformen vorhanden sind. Generell sind die Funktionen für das Bauen im Bestand noch unzureichend und selbst nach Fertigstellung eines Rohbaus ist bereits von Abweichungen gegenüber der idealisierten Planung auszugehen. Beim Bauen im Bestand kommt als weitere Herausforderung hinzu, dass Verformungen, Schäden oder Bauschmuck erfasst und dokumentiert werden sollten. Auch Sonderkonstruktionen wie Gewölbe, aufwendige Treppenanlagen, profilierte Stützen oder aufwendige und unregelmäßige Fenster benötigen kreative Lösungsansätze, nicht nur im Denkmalschutz, sondern generell bei Bauwerken, die ein gewisses Alter erreicht haben.
3D-Punktwolken aus der Bestandsvermessung sind meist sehr inhaltsreich. Verändert dies nicht die Modellierungen?
Das hängt von der Aufgabenstellung ab, in der Praxis wird oft bereits an der Qualität bei der Aufnahme der Scans und erzeugten Punktwolken gespart. Viele Ausschreibungen sehen noch den Umweg über die Erstellung von 2D-Zeichnungenvor, bei dem das 3D-Modell erst im letzten Bearbeitungsschritt realisiert wird. Die Aufnahmeauflösung der 3D-Punktwolken sollte in jedem Fall eine spätere Erhöhung der Detaillierung oder die Dokumentation von Details ermöglichen.
Solche Fragestellungen, so erwartet man in der Regel, sollten aber in Normen und Richtlinien behandelt werden?
Richtig. In der BIM-Richtlinie „VDI 2552 – Building Information Modelling – Grundlagen“ wird die Modell-Qualität durch den Level of Development (LOD), den sogenannten Fertigstellungsgrad des Gebäudes, beispielsweise auch beschrieben. Die Richtlinie ist aber auf Neubauten zugeschnitten. Hier stehen Idealgeometrien im Vordergrund. Bei Bestandsplanungen steht die „Historische Ausführungsgenauigkeit“ im Vordergrund. Dieser Anwendungsfall wird in der VDI 2552 überhaupt nicht beschrieben.
In welchen Phasen treten Qualitätsprobleme auf?
Meistens nicht zu Beginn von Projekten. Der Vorentwurf oder die Entwurfsplanung erfordert auch beim Bauen im Bestand nur eine geringe Genauigkeit. Soll eine Genehmigungsplanung erstellt werden, steigen logischerweise auch die Anforderungen an die Genauigkeit des Modells. Die meisten Bestandsmodelle können die Anforderungen spätestens in der Ausführungs- und Detailplanung leider nicht mehr erfüllen.
Kann man nicht nachträglich die CAD-Modelle noch genauer und detailreicher machen?
Das ist recht aufwendig und wirtschaftlich grenzwertig. Es gibt so gut wie keine Softwarewerkzeuge am Markt, mit der eine nachträgliche Anpassung der CAD-Modelle unter Rückgriff auf die originäre Punktwolke im sinnvollen Rahmen möglich ist.
Wie kann die Qualität beschrieben werden?
Zumindest gibt es nicht die eine, universelle Lösung dafür, sondern unterschiedliche Ansätze, Normen und Richtlinien anzuwenden. Es gibt mit dem BIM-Leitfaden für Deutschland (Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung), den Baufachlichen Richtlinien Vermessung (BFR Verm) und der VDI 2552 darüber hinaus Regelwerke und Richtlinien, welche die Qualität von BIM-konformen Modellen beschreiben. Auch haben einige Verbände oder Baukonzerne eigene BIM-Standards erarbeitet. Selbst die VDI 2552 als aktuellste dieser Normen geht auf die Bestandsvermessung überhaupt gar nicht ein. Daher greifen wir bei Scan3D auf alle anwendbaren Richtlinien und Standards zurück und kombinieren diese in einem übersichtlichen Tabellenwerk Aufstellung der Qualitätsstufen für die Bestandsvermessung haben wir übrigens 2006 erstmals veröffentlicht und seitdem für alle neuen Anwendungen fortgeführt. 2018 sind unsere Qualitätsstufen mit ein die Baufachlichen Richtlinien des Bundesamtes mit eingeflossen.
Wie kann ein Qualitätskonzept für die Bestandsmodellierung aussehen?
Wir verfolgen ein nachvollziehbares Qualitätsmanagement zur Einteilung von Vermessungsergebnissen in Qualitätsstufen. Die geometrische und die semantische Qualität bewerten wir über den gesamten Bau-Prozess, um eine qualifizierte Beschreibung der Anforderungen zu erreichen. Für Bestandsmodelle ist dies nur bis zum Level LOD300 (für die Genehmigungsplanung) wirtschaftlich möglich. Das volle Potenzial von 3D-Laserscanning, mit denen die höchsten Stufen des LOD erreichbar sind, wird aus den oben erwähnten Gründen heute noch gar nicht ausgeschöpft. Dafür steht auch das geforderte Know-how bei allen am Bau Beteiligten noch nicht flächendeckend zur Verfügung. Aber man muss klar konstatieren, dass höherwertige Bestandsmodelle die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens der BIM-basierten Planung maßgeblich erhöhen könnte.
Können Sie den Ansatz von Scan3D nochmal genauer beschreiben?
Für historische und verformte Bauwerke haben wir einen Lösungsansatz entwickelt, der die Modellierung der Architekturobjekte mit mit Freiformflächen aus Kurvennetzwerken verfolgt. Hierbei werden zum Teil Methoden des Reverse Engineering, Design- und BIM-Werkzeuge miteinander kombiniert. Unser Lösungsansatz besteht in einem freien Aufbau der Geometrien und der nachträglichen BIM-konformen Attribuierung. Damit ist man nicht mehr von den allgemeinen BIM-Werkzeugen abhängig. Jedoch ist dieser Lösungsansatz bisher noch nicht wirtschaftlich umsetzbar. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprogramms arbeiten wir an der Automatisierung einzelner Prozessschritte. Darüber hinaus geht es hier auch um die mathematische Beschreibung von Bauschmuck aus Punktwolken. Außerdem ist dringend notwendig, dass die Hersteller von BIM-Software sich dem reibungsfreien Datenaustausch über die genormten IFC-Schnittstellen verpflichten.
Reichen die heutigen IFC-Schnittstellen für die Bestandsmodellierung aus?
Theoretisch schon, in der Praxis allerdings noch nicht. Bei der Datenkonvertierung verlieren Objekte oft ihre parametrische Struktur oder den semantischen Inhalt. Oft entstehen auch Probleme mit der Geometrie, teilweise nur ein Verlust an Informationen. Es gibt keine einheitliche Interpretation der verschiedenen Hersteller von IFC. Es gibt zwar die Datenmodelle nach OpenBIM-Standard des buildingSMART International, diese werden aber, paradoxerweise oft von den größeren Herstellern, nicht durchgehend unterstützt. Die kleineren Anbieter sind da schneller, nicht zuletzt, weil sie eher auf diese Standards angewiesen sind. (sg)