Mit 3D-Laserscanner präzise und schnell aufmessen

Sollen Bauwerke und deren technische Anlagen umgebaut oder erweitert werden, ist in der Regel zunächst ein präzises Aufmaß erforderlich. Je präziser und zuverlässiger es ist, desto geringer ist die Gefahr teurer Folgekosten aufgrund ungenauer Planungsgrundlagen.

Wird der Bau- und Montagefortschritt samt eventuell vorhandenen Maßabweichungen erfasst, kann man Problemen und Fehlern vorbeugen oder Qualitätsstandards kontrollieren. Dafür und für anderes mehr ist das 3D-Laserscanning ideal, denn es erfasst auch komplexe, krumme, schiefe, frei geformte oder filigrane Bauwerksstrukturen oder komplexe Gebäudetechnik dreidimensional, präzise und in extrem kurzer Zeit.

Leica Geosystems

Trimble

Trimble

3D-Laserscanner: Technik komplex, aber einfach anzuwenden

Die Technik ist komplex, der Messvorgang jedoch einfach: Ein auf einem Dreibeinstativ nacheinander an mehreren, strategisch günstigen Punkten aufgestellter, vertikal in einem Winkel von bis zu etwa 320° messender Laserscanner rotiert horizontal um die eigene Achse. Während einer 360°-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, etwa Wände oder Stützen, hindurch messen kann, machen „Mess-Schatten“ eine mehrfache Aufstellung an unterschiedlichen Standpunkten erforderlich. Dabei entstehen mehrere Punktwolken, die später über Referenzpunkte passgenau zusammengefügt werden.

Während die Messung vor Ort bei einfachen Objekten nur wenige Minuten dauert, ist die Auswertung der Punktwolken 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 mit einer speziellen Software eingelesen und gefiltert. Dabei werden für die Objekterfassung relevante von nicht relevanten Messpunkten getrennt. Anschließend kann man für eine erste, schnelle Auswertung durch die Punkwolken beliebige Horizontal- oder Vertikalschnitte legen, die man unmittelbar für die CAD-Planung nutzen kann. Man kann in der Punktwolke auch neue CAD-Objekte einfügen und so beispielsweise vorab prüfen, ob ein Planungsvorhaben realisierbar ist.

Bei der eigentlichen 3D-Auswertung werden aus den Punktdaten für CAD-Programme verwertbare 3D-Geometrien erzeugt. Bei diesem Arbeitsschritt werden unter Zuhilfenahme relevanter Messpunkte (meist Objektecken oder -kanten) manuell oder halbautomatisch CAD-Elemente (Linien, Bögen, Quader, Zylinder etc.) eingefügt und auf diese Weise das Messobjekt sukzessive konstruiert.

Werden anstelle von CAD-Bauteilen, mit Zusatzinformationen (Attributen) hinterlegte BIM-Objekte eingegeben, kann das Laserscanning-Aufmaß auch direkt für die BIM-Planung genutzt werden. Die gescannten und fotografisch erfassten Daten lassen sich zudem überlagern und in Form von 360°-Panoramen visualisieren. Darin kann sich beispielsweise der Wartungsmonteur am PC-Monitor oder per VR-Brille interaktiv bewegen, Details heranzoomen oder Maße ermitteln und so eine technische Anlage vorab inspizieren.

Vorteile und Einsatzbereiche von 3D-Laserscannern

Faro

Aktuelle 3D-Laserscanner sind in der Lage, ein 360 × ca. 320°-Raumpanorama mit einer Auflösung von bis zu 1 Mio. Messpunkten pro Sekunde zu erfassen – und das, je nach Messdistanz, bis auf wenige Millimeter genau.

Laser Scanning Architecture

Da berührungslos gemessen wird und die Datenerfassung schnell erfolgt, lässt sich die Verweildauer vor Ort minimieren. Das reduziert auch die Wetter- oder Schadstoffexposition, das Unfallrisiko (laufender Baubetrieb, Straßenverkehr etc.) und beugt zugleich Beschädigungen des teuren Messgeräts vor.

Zudem ist keine Ausleuchtung erforderlich, was Aufmaße tageszeit- und lichtunabhängig macht. Damit stellen auch Tunnel, dunkle Installations-Zwischengeschosse, 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 oder 3D-Objekte für die Planung, den Gebäudebetrieb oder für Visualisierungen, Animationen und Präsentationen generiert werden.

Aufgrund seiner Schnelligkeit, Präzision und Wirtschaftlichkeit 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.

Von der Punktwolke zum BIM-Modell

Farlo

Graphisoft

Zu den für die Auswertung wichtigen Informationen zählen Objektkanten und -ecken, die aber beim Messvorgang im Gegensatz zu Flächen nur selten durch den Laserstrahl getroffen werden. Aus den teilweise extrem großen Dateien mit 100 Mio. Punktwerten und mehr müssen deshalb wesentliche von unwesentlichen oder überzähligen Informationen getrennt und in eine für CAD- und Visualisierungs-Programme verwertbare, aus Linien, Flächen, Quadern, Zylindern und anderen Grundkörpern bestehende Vektorgrafik überführt werden.

Mittlerweile lassen sich Laserscanner-Punktwolken auch direkt oder über entsprechende Zusatzmodule in CAD-Programme importieren und dort weiterbearbeiten, etwa in AutoCAD, ArchiCAD, MicroStation, Revit etc. Der Aufwand und die Dauer der Auswertung hängen davon ab, ob lediglich zweidimensionale Grundrisse, Ansichten oder Schnitte gefordert sind, einfache CAD-Volumenmodelle oder BIM-Datenmodelle erzeugt werden sollen. Letzteres setzt zusätzlich eine Bauteilklassifizierung und 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 verloren geht, verfügen einige Auswertungsprogramme über Filtertechniken, Modellierwerkzeuge und KI-gestützte Automatismen, mit denen Objektflächen, -kanten oder -ecken und sogar Objekte erkannt werden.

So können etwa standardisierte Objekte, wie Stahlprofile oder Rohrleitungen, halbautomatisch generiert werden. Die beim Auswertungsvorgang generierten Vektordaten können anschließend per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle an beliebige CAD-Programme übergeben werden.

Für jede Aufgabe der passende 3D-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, die allerdings nur einzelne markante Messpunkte selektiv erfassen und sich daher eher für das Raumaufmaß eignen.

Für das Scannen von Details und unzugänglicher Bereiche eignen sich mobile 3D-Handscanner als Ergänzung zu Stativ-Geräten.

Wichtige Unterscheidungsmerkmale von 3D-Laserscannern sind die minimale / maximale Messentfernung in Metern, der Messbereich und die Messenauigkeit:

Der erste Wert gibt an, von welcher minimalen bis zu welcher maximalen Distanz in Metern das Gerät messen kann. Während im Gebäude- und Anlagenbereich unter hundert Meter völlig ausreichen, sind im Tiefbau oder GaLa-Bau 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 maximal 320°.

Die Messgenauigkeit sagt aus, wie präzise ein Objektpunkt in der Position bzw. in der Distanz in Millimetern auf eine typische Messentfernung gemessen werden kann.

Die Messgeschwindigkeit gibt Auskunft darüber, wie viele Messpunkte in einer bestimmten Zeit maximal gemessen werden können. Diese „Scanrate“ liegt zwischen einigen Tausend und rund 1 Mio. 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. Auch gekapselte Geräte für explosionsgefährdete Bereiche werden offeriert (z. B. Z+F Imager 5006EX).

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 über ein Touchdisplay, Smartphone oder Tablet 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.

Laserscanning: In eigene Technik investieren vs. als Dienstleistung in Anspruch nehmen

Laser Scanning Architecture

3D CAD GmbH

Obwohl die Technik immer einfacher bedienbar und immer preiswerter wird, sind die Investitionskosten von 3D-Laserscannern ab 16 000 Euro und deutlich mehr noch immer relativ hoch. Zum Kaufpreis kommen jährliche Kalibrierungs- und Inspektionskosten in Höhe von 2000 bis 4000 Euro hinzu.

Auch das zusätzlich notwendige Personal mit entsprechendem Know-how amortisiert sich nur dann, wenn mehrere Objekte pro Jahr erfasst werden. Deshalb wird das 3D-Laserscanning von den meisten Unternehmen eher als Dienstleistung nachgefragt (Anbieterauswahl siehe Info-Kasten).

Bei der Anbieterauswahl sollte man auf fachliche Schwerpunkte achten: Hat er sich auf den Hochbau / Anlagenbau, die Gebäudebestands-Erfassung, die Baustellendokumentation, das Bauwerks-Monitoring oder die Erfassung von Gebäuden oder der Gebäudetechnik und die Bereitstellung von Daten für die Gebäudebewirtschaftung spezialisiert?

Auf das 3D-Laserscanning beschränkte Kompetenz alleine 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.

Weitere Potenziale von 3D-Laserscanning

Die Potenziale des 3D-Laserscannings sind noch längst nicht ausgeschöpft. Für neue Impulse sorgen aktuelle Entwicklungen wie BIM, die 3D-Konstruktion, Visualisierung und Präsentation per Virtual und Augmented Reality (VR, AR) etc. So lassen sich beispielsweise gescannte reale Objekte mit digitalen CAD-Daten überlagern und per AR-Brille präsentieren, etwa um die Gebäudetechnik im zu renovierenden Gebäudebestand zu visualisieren und vorab zu prüfen.

Für neue Impulse sorgen auch Hardware-Weiterentwicklungen, beispielsweise 3D-Laserscanner mit integrierter Infrarotkamera, mit der Räume oder Fassaden mit einem Scan zugleich geometrisch, fotografisch und energetisch erfasst werden können.

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, siehe www.scan2bim.com und www.aurivus.com. Marian Behaneck

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Building Information Modeling

Kombisystem für die 3D-Raumerfassung

Hottgenroth / HottScan

Hottgenroth / HottScan

Das Messsystem HottScan kombiniert Messverfahren aus der Tachymetrie und dem Laserscanning mit dem Fotoaufmaß. Dabei tastet ein eigens dafür entwickeltes 3D-Aufmaßsystem die Umgebung wie ein 3D-Laserscanner automatisch rasterförmig ab, allerdings mit einer geringeren Geschwindigkeit und Punktedichte. Rund 30 Messpunkte werden für ein Raumaufmaß innerhalb einer Minute nach dem tachymetrischen Messprinzip erfasst. Bei Bedarf können manuell oder per Fernsteuerung zusätzliche Messpunkte aufgenommen werden.

Aus den parallel erstellten Einzelbildern wird ein räumliches 3D-Panoramabild erstellt. Nach der Übergabe der Mess- und Fotodaten kann der Anwender mit der dazugehörigen Fotoaufmaß-Software am PC beispielsweise Räume dreidimensional modellieren. Dabei werden mithilfe der Messpunkte Raumebenen definiert, innerhalb derer CAD-Objekte millimetergenau eingegeben werden können. So entstehen schrittweise CAD-Aufmaßskizzen, die zusammen mit Mengenauswertungen per Schnittstelle an CAD-, respektive Angebots- oder Abrechnungsprogramme übergeben werden können.