3d-bestandsscanning eines mehrfamilienhauses als grundlage ... · projiziert auf die baubranche,...

Technische Universität München

Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt

Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation

3D-Bestandsscanning eines Mehrfamilienhauses als

Grundlage für eine energetische Bewertung

Bachelorthesis

für den Bachelor of Science Studiengang Bauingenieurwesen

Autor: Thu Nguyen

Matrikelnummer:

Betreuer: Alexander Braun, M.Sc.

Ausgabedatum: 16. Januar 2017

Abgabedatum: 20. Juni 2017

Abstract II

Nowadays energy efficient constructions become more and more relevant, both for

economic and ecological reasons. Besides the building equipment these buildings are

predominantly affected, from an energetic perspective, by monitoring and mainte-

nance. Especially for the existing building stock a refurbishment into an energy efficient

and sustainable construction can be more profitable than a demolition.

Building Information Modeling allows a coordinated workflow through the diverse

stages of the project: from program to demolition. It is the most innovative and powerful

method. BIM processes are more established for new buildings than for existing ones.

However, there is potential especially in the facility management.

The implementation of 3D laser scanning creates a completely new realm of possibili-

ties to an already powerful integrated BIM workflow. As this technology allows a de-

tailed and realistic capture of buildings.

The focus of this bachelor’s thesis is the as-built BIM workflow, which is combined with

a further analysis of the heating load. The measurement of point clouds enables the

design of virtual building model and is followed by energetic calculations. The work is

done on a multiple family dwelling, which is kindly provided by the manager of BIM7

GmbH.

Abstract

Zusammenfassung III

In der heutigen Zeit gewinnen energieeffiziente Konstruktionen aus ökonomischen und

ökologischen Gründen zunehmend an Bedeutung. Neben einer innovativen techni-

schen Gebäudeausrüstung sind das Monitoring und die Instandhaltung dieser Anlagen

die dominierenden Faktoren, die ein solches Objekt energetisch beeinflussen. Insbe-

sondere bei Bestandsgebäuden ist statt einem Abriss eine Sanierung zu energieeffi-

zienten und nachhaltigen Objekten lohnenswert.

Um Bauwerke von der Planung bis zum Rückbau zu verwalten, ist das Building Infor-

mation Modeling die innovativste und effektivste Lösung. Dieser Prozess hat sich bei

Neubauten im Vergleich zu Bestandsobjekten stärker durchgesetzt, obwohl ein hohes

Ausschöpfungspotenzial vor allem im Bereich des Facility Managements besteht.

Die Implementierung des Laserscannings schafft einen völlig neuen Bereich der Mög-

lichkeiten zu einem bereits leistungsfähigen integrierten BIM-Workflow. So können Ob-

jekte detailliert und realitätsnah erfasst werden.

Der Fokus der Bachelorarbeit liegt auf dem as-built BIM Arbeitsablauf kombiniert mit

einer weiterführenden Analyse hinsichtlich der Heizlast, beginnend mit einer Punkt-

wolke, führend zu einem virtuellen Gebäudedatenmodell und abschließend mit einer

energetischen Berechnung. Dies wird anhand eines Mehrfamilienhauses, das vom Ge-

schäftsführer des Ingenieurbüros BIM7 GmbH zur Verfügung gestellt wird, dargelegt.

Zusammenfassung

Inhaltsverzeichnis IV

Abbildungsverzeichnis VI

Tabellenverzeichnis IX

Abkürzungsverzeichnis X

1 Einführung und Motivation 12

1.1 Einführung ........................................................................................ 12

1.2 Ziel der Arbeit ................................................................................... 12

1.3 Aufbau der Arbeit ............................................................................. 13

2 BIM – Building Information Modeling 14

2.1 Begriffsdefinition ............................................................................... 14

2.2 Geschichtliche Entwicklung von BIM ................................................ 16

2.3 Arten von BIM ................................................................................... 17

2.4 Autodesk .......................................................................................... 18

2.4.1 AutoCAD ........................................................................................ 18

2.4.2 Revit............................................................................................... 19

2.5 Geschichte und Einsatzbereich der BIM7 GmbH .............................. 19

2.6 Vor- und Nachteile von BIM am Beispiel der BIM7 GmbH ................ 21

3 Grundlagen der Bestandsaufnahme 23

3.1 Gründe für eine Bestandsaufnahme ................................................. 23

3.2 Möglichkeiten der Bestandsaufnahme im CAD ................................ 23

3.2.1 Tachymeter .................................................................................... 24

3.2.2 Photogrammetrie ........................................................................... 25

3.2.3 3D-Laserscanning .......................................................................... 26

4 Gebäudescanning und BIM 28

4.1 Anwendungsbeispiel ........................................................................ 29

4.2 Der Laserscanner ............................................................................. 31

4.3 Vorgehen beim Scanning ................................................................. 32

4.4 Weitere Beispiele ............................................................................. 37

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis V

4.4.1 Cloud to BIM to FEM...................................................................... 37

4.4.2 Cloud to BIM to GIS ....................................................................... 38

4.4.3 Cloud to BIM-CAFM ....................................................................... 39

4.5 Nachteile .......................................................................................... 40

4.6 Vorteile ............................................................................................. 41

5 Modellierung in Revit 43

5.1 Autodesk Revit ................................................................................. 43

5.1.1 Objektstruktur ................................................................................ 43

5.1.2 Revit-Server ................................................................................... 45

5.1.3 Benutzeroberfläche ........................................................................ 46

5.1.4 PointSense for Revit ...................................................................... 48

5.1.5 liNear ............................................................................................. 49

5.2 Vorgehen der Modellierung .............................................................. 49

5.2.1 Vorbereitung der Punktwolke ......................................................... 50

5.2.2 Ebenen und Wände ....................................................................... 51

5.2.3 Türen, Fenster und Treppen .......................................................... 53

5.2.4 Dächer ........................................................................................... 54

5.2.5 Räume und Zonen ......................................................................... 56

5.3 Problemstellungen und Lösungen .................................................... 58

5.3.1 Einfügen der Punktwolke ............................................................... 58

5.3.2 Baugeschichtliche Informationen ................................................... 58

5.3.3 Geometrie des Hauses .................................................................. 58

6 Energetische Berechnung 60

6.1 Benutzeroberfläche von liNear Building ........................................... 60

6.2 Heizlastberechnung .......................................................................... 61

7 Zusammenfassung und Fazit 63

Literaturverzeichnis 65

Anhang A 71

Anhang B 73

Abbildungsverzeichnis VI

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Stufenplans (Stufenplan Digitales Planen

und Bauen 2015) ............................................................................. 14

Abbildung 2: BIM-Prozess (Borrmann et al. 2015) ................................................... 15

Abbildung 3: von 2D zu BIM (BIM im Bauwesen – Planungsprozess im Wandel 2015)

........................................................................................................ 16

Abbildung 4: (1) little closed BIM, (2) little open BIM, (3) BIG closed BIM, (4) BIG open

BIM (Thomas Liebich, Carl-Stephan Schweer, Siegfried Wernik 2011)

........................................................................................................ 18

Abbildung 5: BIM7 GmbH Logo (BIM hoch 7 GmbH - Generalplaner nach dem BIM

Standard 2016)................................................................................ 20

Abbildung 6: Dimensionen des Gebäudemodells (Thomas Liebich, Carl-Stephan

Schweer, Siegfried Wernik 2011) .................................................... 21

Abbildung 7: Tachymetrisches Aufmaß (Donath 2009) ............................................ 25

Abbildung 8: Projektive Entzerrung: Ausgangsbild (links) und entzerrtes Ergebnis

(rechts) (Donath 2009) .................................................................... 26

Abbildung 9: Abfallaufkommen nach Abfallströmen in Deutschland (2014)

(Statistisches Bundesamt 2014) ...................................................... 28

Abbildung 10: Lage des Mehrfamilienhauses (Google Maps) .................................. 29

Abbildung 11: Draufsicht auf das gesamte Grundstück (Punktwolke) (Faro) ............ 29

Abbildung 12: Draufsicht vom Haupthaus und Anbau (Faro) .................................... 30

Abbildung 13: Messverfahren des Laserscanners (Braunes) ................................... 31

Abbildung 14: Faro Focus3D X 130 (Faro) ................................................................ 32

Abbildung 15: Vergleich der Punktaufnahme bei der Tachymetrie und beim

Laserscanning (Frohriep und Zimmermann 2008) .......................... 32

Abbildung 16: Zielmarken/ Targets (Laserscanning Europe GmbH) ........................ 33

Abbildung 17: Referenzkugel (Laserscanning Europe GmbH) ................................. 33

Abbildung 18: 3D-Messpunkt-Vermarkungsaufkleber (Laserscanning Europe GmbH)

........................................................................................................ 34

Abbildung 19: erster Laserscan im Außenbereich .................................................... 34

Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis VII

Abbildung 20: Bauaufnahme bei geschlossener (links) und geöffneter Türe (rechts)

(Faro) .............................................................................................. 35

Abbildung 21: Referenzkugel Aufbau im westlichen Keller ....................................... 36

Abbildung 22: Übersicht über die Scanorte (Faro) .................................................... 36

Abbildung 23: Vergleich der Rissbildungen in einer Simulation (links) und in der

Realität (rechts) (Barazzetti et al. 2015) .......................................... 38

Abbildung 24: Zusammenführung des 3D-Modells und den GIS-Daten (Baik et al.

2015) ............................................................................................... 38

Abbildung 25: 3D-Model und Punktwolke des Nasif Hauses (Baik et al. 2015) ........ 39

Abbildung 26: John Deere Bestandsgebäude (Schildwächter Ingenieure) ............... 40

Abbildung 27: Übersicht der Elementbeziehungen in Revit (Autodesk 2016) ........... 44

Abbildung 28: Typeigenschaften der Familie Wand (Beispiel: Mauerwerkswand der

Stärke 11,5 cm) ............................................................................... 45

Abbildung 29: obere Benutzeroberfläche ................................................................. 46

Abbildung 30: Schnellzugriff-Werkzeugkasten ......................................................... 46

Abbildung 31: Projektbrowser (links) und Eigenschaftsfenster (Beispiel: Tür) .......... 47

Abbildung 32: Multifunktionsleiste des Add-Ins PointSense ..................................... 48

Abbildung 33: Werkzeuge der PointSense for Revit-Multifunktionsleiste.................. 49

Abbildung 34: liNear GmbH Logo (liNear GmbH) ..................................................... 49

Abbildung 35: Vorgehen bei der Punktwolkenmodellierung (Braunes) ..................... 49

Abbildung 36: Erstellung von Ebenen mittels Punktfang (Beispiel: Anbau) .............. 51

Abbildung 37: Punktwolken- (oben) und vorbereiteter Grundriss (unten) ................. 52

Abbildung 38: Auswahlfenster der Funktion "Wände angleichen" ............................ 53

Abbildung 39: Multifunktionsleiste der Architektur .................................................... 53

Abbildung 40: Schnitt der Treppe (links) mit Hilfslinien (rechts) ................................ 54

Abbildung 41: Draufsicht der Treppenkonstruktion ................................................... 54

Abbildung 42: Profil des Schleppdachs (Beispiel: Ostflügel) .................................... 55

Abbildung 43: Extrusion des Daches (Beispiel: Westflügel) ..................................... 55

Abbildung 44: Aufteilung des Dachs (Beispiel: Anbau) ............................................. 56

Abbildung 45: Dachneigungen (Beispiel: Anbau) ..................................................... 56

Abbildung 46: Übersicht der Räume (Beispiel: EG Haupthaus) ................................ 57

Abbildungsverzeichnis VIII

Abbildung 47: gebogener Grundriss im Haupthaus (Ausschnitt: Wohnzimmer) ....... 59

Abbildung 48: Dachöffnung ausgelöst durch die Verbindung beider Dächer ............ 59

Abbildung 49: Modulübersicht in liNear Building ....................................................... 60

Abbildung 50: Benutzeroberfläche von liNear Building ............................................. 61

Abbildung 51: Gebäudestruktur in liNear Building .................................................... 62

Tabellenverzeichnis IX

Tabelle 1: Norm-Innentemperaturen nach (DIN EN 12831 Beiblatt 1) ...................... 62

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis X

2D Zweidimensional

3D Dreidimensional

5D Fünfdimensional

6D Sechsdimensional

7D Siebendimensional

BIM Building Information Modeling

BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur

CAD Computer – Aided Design

CAAD Computer – Aided Architechtural Design

CAFM Computer – Aided Facility Management

FTP File Transfer Protocol; englisch für Dateiübertragungsprotokoll

HBIM Historic Building Information Modeling

IAI Internationale Allianz für Interoperabilität

IFC Industry Foundation Classes

LEED Leadership in Energy and Environmental Design

MEP Mechanical, electrical, and plumbing; englisch für Gebäudetechnik

RLT Raumlufttechnik

TGA Technische Gebäudeausrüstung

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis XI

UAV Unmanned Aerial Vehicles; englisch für unbemannte Fluggerät

WAN Wide Area Network

WLAN Wireless Local Area Network


1.1 Einführung

Die Digitalisierung und Automatisierung schreitet immer weiter voran und verbreitet

sich in die unterschiedlichsten Bereiche (BMBF 2016). In der heutigen Zeit sind Smart-

phones und vor allem das Internet kaum mehr wegzudenken. Die Nachfrage, immer

und überall erreichbar bzw. online zu sein, effiziert zum Beispiel, dass öffentliche

WLAN-Netze an vielen Orten und Plätzen zu empfangen sind. Das Arbeiten ohne ei-

nen Rechner ist ebenfalls kaum mehr möglich. Genauso optimiert die Wirtschaft ihre

Prozesse durch Informations- und Kommunikationstechniken (BMBF 2016).

Diese Reorganisation ist unter dem Begriff „Industrie 4.0“ zusammengefasst. Der Be-

griff soll an die bereits vergangen industriellen Revolutionen anknüpfen und eine neue

Ära einleiten.

Laut dem Bundesministerium für Bildung und Forschung „[zielt] das Zukunftsprojekt

Industrie 4.0 darauf ab, die deutsche Industrie in die Lage zu versetzen, für die Zukunft

der Produktion gerüstet zu sein“ (BMBF 2016). Zukünftig soll nachhaltig, also entspre-

chend dem augenscheinlichen Bedarf, produziert werden, um Ressourcen und Abfälle

zu reduzieren (Frick).

Projiziert auf die Baubranche, bedeutet das die Digitalisierung des Bauprozesses. Die

Gesellschaft, die sich für eine industrielle Revolution 4.0 in diesem Bereich einsetzt,

nennt sich äquivalent dazu planen-bauen 4.0. Es ist ein Zusammenschluss bedeuten-

der Personen aus der Bau- und Immobilienbranche, die in enger Zusammenarbeit mit

dem Minister des Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur Alexander

Dobrindt die Einführung von BIM und die Optimierung der Prozesse entlang von Wert-

schöpfungsketten fördert (planen bauen 4.0).

1.2 Ziel der Arbeit

Der Motivation für die Laserscanaufnahme des Mehrfamilienhauses ging die Idee vo-

raus, ein Mehrgenerationenhaus bzw. eine Senioren-Wohngemeinschaft durch eine

entsprechende Sanierung zu schaffen. Diese Aufnahmen waren nötig, da aufgrund

des Alters des Hauses und der fehlerhaften Dokumentation der durchgeführten Um-

bauten und Renovierungen keine aktuellen Pläne vorlagen.

1 Einführung und Motivation


Die oben erwähnten Wohnmodelle haben gemeinsam, dass sich dort zum einen die

Senioren trotz ihres Alters ihre Selbständigkeit soweit wie möglich bewahren können,

und zum anderen ihrer Angst vor Vereinsamung entgegenwirkt werden kann. Ferner

lernen Kinder in einem Mehrgenerationenhaus den Umgang mit den älteren Mitmen-

schen kennen, was rückwirkend die Senioren geistlich und auch körperlich fit hält (Le-

ben im Alter: Wohnformen als Ausdruck individueller Selbstständigkeit 2015).

Die Bestandsaufnahmen sowie das darauf basierende BIM-Modell dienen als Grund-

lage für einen zukünftig ausgestellten Energieausweis. Die abschließende Heizlastbe-

rechnung des Mehrfamilienhauses soll zudem das Bild der vielfältigen Einsetzbarkeit

des semantischen Bauwerksmodells zeigen. Folglich wird dem daraus gewonnenen

Sanierungskonzept hinsichtlich Kosten und Energieeffizienz eine Neubauplanung ge-

genübergestellt.

1.3 Aufbau der Arbeit

Die Struktur der Arbeit umfasst vier wesentliche Bereiche. Am Anfang werden die the-

oretischen Grundlagen des Building Information Modelings erläutert. Hierzu gibt es ei-

nen Einblick in die Entwicklung und verschiedenen Typen von BIM. Neben der Vor-

stellung des Unternehmens BIM7 GmbH werden Vor- und Nachteile mit der Einführung

und Benutzung des virtuellen Gebäudedatenmodells dargestellt.

Auf die Motive und die drei grundlegenden Möglichkeiten der Bestandsaufnahme wird

in Kapitel 2 eingegangen.

Das dritte Kapitel stellt das Mehrfamilienhaus vor, an dem das Laserscanning und die

anschließende Modellierung erfolgen. Vorgehen und benötigte Utensilien werden aus-

führlich beschrieben. Dem gegenüber werden weitere Beispiele genannt, wo as-built

BIM in Verbindung von Laserscandaten verwendet wurden. Abschließend werden Sy-

nergieeffekte und Nachteile diskutiert.

Nachfolgend werden das Programm Autodesk Revit, das Add-In PointSense for Revit

und das Berechnungsprogramm liNear Building, mit dem das Projekt modelliert und

berechnet wurde, eingeführt. Anschließend wird das konkrete Vorgehen in mehreren

Schritten veranschaulicht und die aufgetretenen Schwierigkeiten und dessen Lösung

dargestellt.

Der letzte wissenschaftliche Bereich der Arbeit gibt einen kurzen Einblick in die Be-

rechnung der Heizlast mithilfe von liNear Building.


„Erst digital, dann real bauen“ so lautet der Grundsatz der neuen Reformkommission

Bau von Großprojekten, die Anfang 2014 ins Leben gerufen wurde und sich zur Auf-

gabe gemacht hat, BIM bis Ende 2020 für öffentliche Projekte in Deutschland einzu-

führen. BIM soll vor allem für Verkehrsstrukturprojekte zum Standard werden. Um dies

umzusetzen, wurde vom BMVI ein Stufenplan entwickelt (siehe Abbildung 1), der so-

wohl die Zeit zur Umschulung des Personals als auch die zur Ausführung der Pilotpro-

jekte berücksichtigt (Stufenplan Digitales Planen und Bauen 2015).

Denn im Gegensatz zu Großbritannien, den Niederlanden, Dänemark, Finnland und

Norwegen steckt die BIM-Nutzung in öffentlich finanzierten Bauprojekten in Deutsch-

land noch in den Kinderschuhen. In diesen Ländern ist der Gebrauch von BIM bereits

politisch vorgeschrieben (Oebbeke 2014). In Deutschland wird der Stufenplan des

Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur für diesen Wandel sorgen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Stufenplans (Stufenplan Digitales Planen und Bauen 2015)

2.1 Begriffsdefinition

Die Idee des Building Information Modelings ist in der Automobil- und Maschinenbau-

branche schon lange kein unbeschriebenes Blatt mehr (Verena Mikeleit 2012). Die

Arbeitsweise der engen Zusammenarbeit mit verschiedenen Gewerken ermöglicht

nicht nur eine Kosteneinsparung, sondern auch eine erhebliche Produktivitätssteige-

rung (Borrmann et al. 2015). Wird von Building Information Modeling gesprochen, so

2 BIM – Building Information Modeling


ist eine Methode der optimierten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Ge-

bäuden mit Hilfe von Softwares gemeint (Krygiel und Nies 2008).

BIM ist die Idee eines virtuellen Gebäudedatenmodells, das von der Planung bis zum

Rückbau von den verschiedenen Fachbereichen benutzt und weiterentwickelt wird

(siehe Abbildung 2). Es ist ein virtueller Austausch von Produktdaten über den kom-

pletten Herstellungs- bzw. Lebenszyklus (Borrmann et al. 2015). So bedeute BIM im

erweiterten Sinn auch Kommunikation (Krygiel und Nies 2008).

Das Modell beinhaltet neben den geometrischen Daten, auch konkrete Bauteilinforma-

tionen über die Art und Eigenschaften bis hin zu bauphysikalischen Daten. Diese se-

mantischen Informationen sind charakteristisch für ein Bauwerksmodell (Borrmann et

al. 2015). Beispielsweise werden beim Bauteil „Wand“ zusätzlich zur Dicke, Materialart

und Höhe ferner auch der U-Wert und die Beziehungen zu anderen Bauteilen hinter-

legt.

Die neue Ära der 5D-Bauwerke ist geboren, in der neben den drei geometrischen Da-

ten auch die Zeit- sowie die Vorgangskomponente eine Rolle spielen (Verena Mikeleit

2012). Dies wurde erst durch den Weltmarktführer von 3D-Softwares Autodesk, der in

Kapitel 2.4 vorgestellt wird, möglich (Autodesk 2010b).

Abbildung 2: BIM-Prozess (Borrmann et al. 2015)


Eine Weiterentwicklung von BIM ist das sogenannte as-built BIM. Hierbei handelt es

sich um die realitätsnahe Modellierung eines bereits existierenden Gebäudes und

nicht, wie ursprünglich, eines Neubaus. Im Bereich des Facility Managements schei-

nen potenzielle Vorteile signifikant zu sein (Ehm und Hesse 2014). Beispielsweise kön-

nen über das virtuelle Gebäudedatenmodell die Instandhaltung der TGA, der Energie-

haushalt oder fällige Qualitätskontrollen überschaubarer erfasst werden (Volk et al.

2014).

2.2 Geschichtliche Entwicklung von BIM

Schon in den 1980er Jahren entwickelte sich das Computer-Aided Design (CAD), das

den Weg vom Zeichenbrett hin zum digitalen Plan ebnete (Softtech GmbH 2017). Hier

sind jedoch nur 2D-Zeichnungen, die lediglich aus Linien bestehen, möglich.

Angesichts der erhöhten Nachfrage der Architekten nach komplexen Strukturen und

Formen entstand das Computer-Aided Architectural Design. Mit dessen Hilfe stellten

objekt-parametrische Modelle kein Problem mehr dar, da ein Katalog aus vordefinier-

ten bauspezifischen Objekttypen vorlag.

Wie in Abbildung 3 zu sehen entwickelte sich aus dem CAAD nach und nach das in-

telligente BIM. Durch die hier verwendeten semantischen Objekte entsteht ein para-

metrisches Modell, welches zu weiteren Verarbeitungen in Simulationen benutzt wer-

den kann (Donath 2009).

Bereits in den frühen 2000er Jahren wurde BIM in Pilotprojekten eingesetzt. Offiziell

kam der Begriff „BIM“ 2003 jedoch dank der Firma Autodesk aus den USA nach Eu-

ropa (Borrmann et al. 2015; Volk et al. 2014).

Abbildung 3: von 2D zu BIM (BIM im Bauwesen – Planungsprozess im Wandel 2015)


2.3 Arten von BIM

Building Information Modeling wird in technologische Stufen unterteilt. Es wird zwi-

schen dem Anwendungsumfang des Gebäudemodells und der Hinsicht, welche Soft-

ware benutzt wird, differenziert.

Little bim ist auch als Insellösung bekannt. Das bedeutet, dass das Gebäudemodell

nur für eine fachspezifische Lösung verwendet wird. Das Modell dient nicht der Wei-

terverarbeitung durch andere Gewerke. Hier wird zwar die Produktivität gesteigert,

doch dem entscheidenden Kommunikationsfaktor wird keine Beachtung geschenkt

(Albrecht 2015).

Dem gegenüber steht BIG BIM, die integrierte Lösung. Das Gebäudemodell wächst

kontinuierlich und wird über mehrere Fachbereiche und Lebenszyklusphasen verwen-

det (Borrmann et al. 2015). Hilfe für eine umfassende Kommunikation und einen lü-

ckenlosen Datenaustausch bieten verschiedene Internetplattformen an.

Zuletzt wird unterschieden, ob die verwendeten Softwareprodukte nur einem Hersteller

entsprungen sind oder ob es sich um nicht einheitliche Datenformate handelt. Beim

closed BIM werden nur herstellergebundene Programme verwendet, wodurch der Da-

tenaustausch zwar erleichtert wird, die Produkte jedoch einseitig bleiben.

Open BIM ermöglicht hingegen den Austausch über verschiedene Softwares. Dies

bringt den Vorteil der Herstellerunabhängigkeit, aber auch den Nachteil einer Daten-

transformationsschnitttstelle, in der das Risiko des Datenverlustes enorm ist. Um diese

Fehlerquelle zu eliminieren, wurde in den 1990-er Jahren die Internationale Allianz für

Interoperabilität gegründet. Heute ist sie unter dem Namen buildingSMART und für ihr

herstellerunabhängiges Datenformat IFC bekannt (Borrmann et al. 2015).

Die Abbildung 4 zeigt die möglichen Kombinationen der zwei oben genannten Aspekte.


Abbildung 4: (1) little closed BIM, (2) little open BIM, (3) BIG closed BIM, (4) BIG open BIM (Thomas Liebich, Carl-Stephan Schweer, Siegfried Wernik 2011)

2.4 Autodesk

Das 1982 von John Walker gegründete Software-Unternehmen Autodesk gilt als „Pio-

nier der CAD-Welt“ (Autodesk 2010b). Es bietet neben Konstruktionslösungen für die

Architektur und Planung, auch Programme für die Medien- und Unterhaltungsbranche.

Entsprechende Filme wurden bereits mit 15-Oscars ausgezeichnet (Autodesk 2010a).

Laut Autodesk nutzen mehr als 10 Millionen Anwender ihre Softwares, die in vielen

Ingenieurbüros und Designstudios schon lange als Standards gelten (Autodesk 2013).

Im Jahre 2016 fand man diesen Namen unter den Top 50 der „The World‘s Most Inno-

vative Companies“ (Forbes).

2.4.1 AutoCAD

Das als Flaggschiff-Produkt bekannte AutoCAD ist zum Inbegriff von CAD geworden.

Es ist ein vektororientiertes Zeichenprogramm, das heißt Objekte werden nur mit Hilfe

von grafischen Primitiven, wie Linien und Kurven, konstruiert. Das spezifische Bauteil,

beispielsweise eine Wand, wird nur als Quader erkannt. Die Fähigkeit semantische

Informationen zu hinterlegen fehlt. Dadurch ist AutoCAD für eine BIM-basierte Arbeits-

weise nicht ausreichend. Um ebenfalls im Bereich der Versorgungstechnik konkur-

renzfähig zu bleiben, wurde AutoCAD MEP eingeführt (Autodesk).


2.4.2 Revit

Autodesk Revit dahingegen wurde speziell auf das Building Information Modeling aus-

gerichtet und dient als Dokumentations- und Entwurfsplattform, die die Pläne der Fach-

planer aus der Architektur (Revit Architecture), Tragwerksplanung (Revit Structure)

und technischen Gebäudeausrüstung (Revit MEP) in einem virtuellen Gebäudemodell

vereint.

Alle Informationen des Gebäudeprojekts, wie zum Beispiel Bauteilmaterialen, Kosten

und Zeitpläne, sind in einem Revit-Modell und dessen zahlreichen Plänen paramet-

risch verknüpft. Dadurch werden Änderungen, die an einer Stelle vorgenommen wer-

den, automatisch in anderen Ansichten sowie Schnitten aktualisiert. Dementsprechend

befindet sich das ganze Modell und das Projekt immer auf dem neuesten Stand (Au-

todesk 2016).

2.5 Geschichte und Einsatzbereich der BIM7 GmbH

Als im Mai 1997 das Ingenieurbüro Detlef Malinowsky, genannt IBDM, gegründet

wurde, ahnte niemand, dass hieraus einmal ein Ingenieurbüro entstehen würde, das

mit dem Begriff BIM in Verbindung gebracht werden könnte.

Die IBDM bestand ursprünglich aus dem Herrn Malinowsky und einem weiteren Mitar-

beiter. Heute umfasst das Unternehmen sechs feste und zehn freie Mitarbeiter. Bis

2003 bot es lediglich Beratungsleistungen im messtechnischen Bereich an, das heißt

Inbetriebnahmen von RLT-, Heizungs-, Kälte-, Klima- und weiteren Anlagen oder

Brandschutzklappenprüfungen (IBDM GmbH).

Aufgrund der Tatsache, dass das Unternehmen als Ingenieurbüro gegründet wurde,

konnten ausschließlich Dienstleistungen angeboten werden. Um ebenfalls Produkte

an Kunden verkaufen zu können, entstand die IBDM GmbH. So wurde die Beratungs-

leistung durch den zusätzlich möglichen Anlagenbau erweitert. Jedoch wurden Hei-

zungs- und Solaranlagen eher um- statt neugebaut.

Heute liegt der Schwerpunkt auf der Inbetriebnahme sowie der pneumatischen und

hydraulischen Einregulierung mittels Messtechnik. Der Komponentenverkauf spielt nur

noch eine untergeordnete Rolle.

Bei den zahlreichen Optimierungen von Bestandsanlagen, die die IBDM die letzten

Jahre über betreut hatte, traten mehrfach dieselben Mängel auf:


- Fehlerhafte hydraulische Konzepte

- Ungenügende bis gänzlich nicht vorhandene Überwachungsmöglichkeiten der

Anlagen

- Kaum bis gar kein regeltechnisches Verhalten der Anlagen

- Fehlerhafte Pläne bzw. Dokumentationen der Bestandsanlagen

- Fehlen von Innovationen in der Anlagentechnik sowie in den Energiekonzepten

Aufgrund dieser unzufriedenen Erkenntnisse und dem Bedarf an einer durchgehenden

ausführlichen Planung wurde im Herbst 2015 die BIM7 GmbH (siehe Abbildung 5) ins

Leben gerufen.

Abbildung 5: BIM7 GmbH Logo (BIM hoch 7 GmbH - Generalplaner nach dem BIM Standard 2016)

Die siebte Potenz steht genau genommen für ein 7D-Modell. Die ersten fünf Standard-

dimensionen sind die drei geometrischen Koordinaten, die Zeit- und Kostenkompo-

nente. Anschließend wird noch auf das Gebäude, wie es in der Realität gebaut wurde,

Bezug genommen („as-built-Modell“). 6D kann sich entweder auf zusätzliche Bautei-

linformationen beziehen, wie zum Beispiel Wartungsinformation (Aengenvoort). Ande-

rerseits versteht man unter der sechsten Dimension auch den Nachhaltigkeitsaspekt.

Hier werden energetische Analysen und/ oder Zertifizierungen, wie LEED, erarbeitet

(BIM 3D,4D, 5D, 6D & 7D 2015). Die siebte Dimension stellt das Facility Management,

das heißt die Benutzung, Verwaltung und Wartung der TGA, dar (siehe Abbildung 6).


Abbildung 6: Dimensionen des Gebäudemodells (Thomas Liebich, Carl-Stephan Schweer, Siegfried Wernik 2011)

Wie die Geschichte des Unternehmens zeigt, liegen die Erfahrungen ausschließlich in

der Versorgungstechnik. Dazu kommt noch, dass die Planungen ausschließlich mit der

Software Autodesk Revit durchgeführt werden, wodurch sich abzeichnet, dass es sich

in diesem Unternehmen um little closed BIM handelt. Doch der Blick geht in Richtung

BIG open BIM. Zukünftig wird die BIM7 GmbH ein breitgefächertes Ingenieurbüro und

Dienstleistungsunternehmen sein, das neben der technischen Gebäudeausrüstung

auch Architektur- und Tragwerksplanung anbieten kann.

2.6 Vor- und Nachteile von BIM am Beispiel der BIM7 GmbH

Der Entschluss auf eine BIM-basierte Arbeitsweise umzusteigen, bringt sicherlich

mehr Vorteile als Nachteile, jedoch sollte letzteres nicht vernachlässigt werden.

Zuerst müssen Hard- sowie Softwares erworben werden, was natürlich mit erheblichen

Kosten verbunden ist. Des Weiteren muss das Personal weitergebildet werden. Die

BIM7 GmbH hat sich Autodesk Revit anfangs durch zahlreiche YouTube-Tutorials und

BIM-Blogs autodidaktisch angeeignet. Nachdem die Grundlagen gefestigt waren und

es tiefer in die Materie ging, wurde auf Schulungen der Firma Autodesk zurückgegrif-

fen. Diese sind wiederum kostenintensiv, weshalb es sinnvoll war, sich vorher mit der

Benutzeroberfläche und den einfachsten Funktionen bekanntzumachen, um anschlie-

ßend einen fortgeschritteneren Kurs in Anspruch nehmen zu können.

Viele BIM-Softwarelösungen, so auch Autodesk Revit, bieten häufig sogenannte Kol-

lisionsprüfungen an, die aufzeigen, wo gegebenenfalls Durchbruche nötig sind. Diese


kommen meist erst auf der Baustelle zum Vorschein. Folglich müssen zusätzliche Pla-

nungen vorgenommen werden, die erneut Kosten auslösen.

Auch ist eine parallele Mengenermittlung möglich, die durch Plug-Ins oder in externen

Programmen vorgenommen werden kann (Borrmann et al. 2015).

Aufgrund der Tatsache, dass BIM vor allem im Bereich der TGA nicht häufig eingesetzt

wird, ist die Nachfrage an eine breitgefächerte Auflage der benötigten Bauteilfamilien

gering, weshalb die bereits existierenden Familien nicht ausgereift sind (Volk et al.

2014). Beispielsweise fehlen oft ausführliche Beschreibungen, die für eine Ausschrei-

bung des Projekts benötigt werden.

Da die BIM7 GmbH ein noch sehr junges Unternehmen ist und ihre Kunden sowie ihre

Kollegen aus anderen Fachbereichen noch nicht viel Wert auf eine BIM-basierte Ar-

beitsweise legen, kommt der entscheidende Kommunikationsfaktor über das Gebäu-

demodell viel zu kurz. Zumal lediglich die BIM7 GmbH mit Revit arbeitet, wird dieses

Modell nicht weitergegeben oder -bearbeitet. Zusätzlich arbeiten die meisten Architek-

turbüros zurzeit noch mit CAD-Systemen, wodurch diese DWGs manuell in Revit ein-

gearbeitet werden müssen. Dieser Arbeitsschritt wäre in einem komplett BIM-basierten

Projektablauf nicht von Nöten, da die Architektur diese bereits in das Gebäudemodell

selbstständig einlesen würde.


Die Erstellung eines Gebäudedatenmodells eines Bestandsbauwerks verlangt nach

geometrisch korrekten Daten und zusätzlichen Informationen über den baugeschicht-

lichen Hintergrund sowie der Baubeschreibung, „mit der bauwerksrelevante Sachver-

halte in Gestalt von alphanummerischen Informationen dokumentiert werden“ (Borr-

mann et al. 2015). Diese Informationen sind unverzichtbar für das Planen und Bauen

im Bestand.

Im Vordergrund von BIM werden neue Anforderungen an die Bauaufnahmen gestellt.

Waren vorher die Resultate nur 2D-CAD-Zeichnungen, die in Grundrissen, Schnitten

und Ansichten dargestellt wurden, sind es jetzt „virtuelle dreidimensionale Bauwerks-

modelle mit volumenorientierter Objektmodellierung inklusive deren Semantik und Be-

ziehungen sowie ggf. beschreibender Eigenschaften“ (Borrmann et al. 2015).

Im Folgenden werden die Motive und die drei gängigsten Möglichkeiten einer Be-

standsaufnahme erläutert.

3.1 Gründe für eine Bestandsaufnahme

Durch die Steigerung der Einwohnerzahlen in den Städten wird Wohnen immer teurer.

Um diese Situation vor allem in den deutschen Großstädten, Ballungsräumen und Uni-

versitätsstädten zu entspannen, können laut einer Studie der Technischen Universität

Darmstadt und des Pestel-Instituts Hannover durch eine Dach-Aufstockung 1,5 Mio.

neue Wohnungen entstehen (Zentralverband Deutsches Baugewerbe). Eine weitere

Möglichkeit ist die Modernisierung von Altbauwohnungen auf den jetzigen Energie-

standard, denn auch hier gibt es Potential zum Ausschöpfen (Energieberatung).

Um solche Bauten anständig und effizient planen zu können, spielt eine ausführliche

Bestandsaufnahme die entscheidende Rolle im Planungsprozess. Die Auswertung

dieser Daten und die Erstellung von Grundrissen, Ansichten und Schnitten bzw. eines

virtuellen Modells bilden das Fundament der Planung.

3.2 Möglichkeiten der Bestandsaufnahme im CAD

Bei Bestandsaufnahmen ist nicht die Menge der Daten entscheidend, sondern die

Brauchbarkeit und Informationen der Daten. Die Aufnahme stellt das Fundament der

3 Grundlagen der Bestandsaufnahme


Planung dar und ist somit möglichst fehlerfrei zu dokumentieren und analysieren

(Bielefeld und Wirths 2010). Zudem darf nicht der Anspruch gestellt werden, dass alle

Informationen über das Gebäude mit einer einzigen Objektbegehung gesammelt wer-

den können. Vielmehr ist das Aufnehmen des Bestands ein Prozess, der sich mit der

Zeit vervollständig und auch gegebenenfalls mit Hypothesen, wie zum Beispiel über

die Beschaffenheit der Bausubstanz, zufriedengeben muss (Donath 2009).

Wichtige Bestandteile, die bei einer Bausubstanzaufnahme nicht fehlen dürfen, sind

(Donath 2009):

- Geometrische Informationen

- Alphanummerische Informationen

- Relationale Informationen

- Multimediale Informationen

- Baufachliche Einschätzungen

All das muss säuberlich und übersichtlich abgelegt und dokumentiert werden.

Dadurch, dass diese Inhalte verschiedenartig ausgewertet werden, kann es oft dazu

kommen, dass die Ordnung und Nachvollziehbarkeit darunter leiden. Folglich ist der

Trend zu dreidimensionalen Modellen, die den Ist-Zustand (as-built) darstellen und das

weitgefächerte Wissen gebündelt speichern, zu erkennen (Borrmann et al. 2015).

Im folgenden Kapitel werden die gängigsten Methoden zur Aufnahme von Bestands-

bauwerken erläutert.

3.2.1 Tachymeter

Tachymetrie bedeutet aus dem Griechischen übersetzt „schnelles Messen“. Der Ta-

chymeter kann neben dem Winkel zugleich auch die Distanz messen (Bielefeld und

Wirths 2010). Die Messgenauigkeit liegt bei ca. < 0,2 cm (Donath 2009), wobei sich

dieser Wert in den letzten acht Jahren um einiges verbessert hat.

Dieses geodätische Messverfahren dient laut dem Lexikon der Geowissenschaften

hauptsächlich der Plan- und Kartenherstellung. Borrmann et al. 2015 sind jedoch der

Meinung, dass „die Tachymetrie in der Bauwerksvermessung nach wie vor eine große

Bedeutung [besitzt]“. Vermutlich gehen die Meinungen hier auseinander, da zeitbe-

dingt mehrere Tachymeter entwickelt wurden, die unterschiedliche Gebrauchsberei-

che abdecken.


In der Tachymetrie werden nur Objektpunkte von einem Standpunkt aus anvisiert und

gegebenenfalls an einen angeschlossenen oder über Bluetooth verbundenen Laptop

gesendet, der diese Daten auswertet und in einem Koordinatensystem zusammenfügt

(Bielefeld und Wirths 2010). Diese sogenannten Reflektorprismen können direkt oder

exzentrisch angepeilt werden. Seit einigen Jahren sind jedoch bereits Tachymeter

Standard, die auch reflektorlos funktionieren. Hier ist der Laserstrahl sichtbar und auf

Ecken und Kanten muss Acht gegeben werden, da diese Teilreflektionen das Ergebnis

verfälschen könnten (Borrmann et al. 2015).

Abbildung 7: Tachymetrisches Aufmaß (Donath 2009)

Eine dreidimensionale Modellierung auf der Basis von tachymetrischen Daten ist

durchaus möglich, jedoch aufgrund der punktuellen Messung bei außergewöhnlicher

Architektur eher unvorteilhaft. Deswegen findet das tachymetrische Einzelpunktverfah-

ren in der Praxis meist in Kombination mit dem traditionellen Handaufmaß Anwendung

(Borrmann et al. 2015).

3.2.2 Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist ein Messverfahren, um hauptsächlich Bauaufnahmen im Au-

ßenbereich, von Bauwerken mit großen Innenräumen oder beispielsweise von denk-

malgeschützten Bauten mit hoher Detaildichte durch photographische Abbildungen zu

erhalten (Borrmann et al. 2015). Sie kann zum einen in die terrestrische, das heißt mit

Aufnahmestandorten auf der Erde, und zum anderen in die sogenannte Aerophoto-

grammetrie, also Luftbildmessung, unterteilt werden (Donath 2009).


Ein weiterer Zweig der terrestrischen Messung ist die Nahbereichsphotogrammetrie,

die auch als Architekturphotogrammetrie bekannt ist. Hier werden Aufnahmen aus ge-

ringer Entfernung verarbeitet (Donath 2009). Dadurch können einzigartige architekto-

nische Besonderheiten hervorgehoben und detailliert abgebildet werden (Baik 2017).

Genau genommen sind unter Luftbildmessungen Aufnahmen aus bemannten Luftfahr-

zeugen gemeint. Doch in den letzten Jahren gab es erhebliche Fortschritte in der Tech-

nik der „Unmanned Aerial Vehicles“, kurz UAV, wie beispielsweise Drohnen oder Klein-

luftschiffe, wie Zeppeline. Diese Methode hat den Vorteil, dass aufgrund ihrer Lage

unerreichbare Bereiche (z.B. Dachflächen) erfasst werden können (Borrmann et al.

2015).

Abbildung 8: Projektive Entzerrung: Ausgangsbild (links) und entzerrtes Ergebnis (rechts) (Donath 2009)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei diesem Verfahren der größte Arbeits-

aufwand in der Bearbeitung und Zusammenführung der Bilder liegt, denn diese sind

infolge der Zentralprojektion verzerrt (siehe Abbildung 8). Aufgrund dieser hier nicht

erläuternden, aufwendigen Auswertung ist die Photogrammetrie in der Bauaufnahme-

praxis eher selten anzutreffen (Donath 2009).

3.2.3 3D-Laserscanning

Die neuste Methode zur Aufnahme von Bestandsbauwerke ist das Laserscanning. Hier

werden Flächen rasterförmig abgetastet und in Form von Abermillionen von Punkten

(Punktwolke) hinterlegt (Donath 2009). Jeder dieser Punkte besitzt seine eigenen 3D-

Koordinaten und gegebenenfalls auch seine eigene Farbeigenschaft (Wang et al.

2015).

Das Laserscanning ist vor allem im Industrie- und Anlagenbau kaum mehr wegzuden-

ken. Insbesondere in diesem komplexen und sehr strukturierten Anwendungsbereich


ist dieses Verfahren das effektivste und effizienteste gegenüber den zwei oben vorge-

stellten (Donath 2009). Die Messgenauigkeit wird auf zwei bis fünf Millimeter geschätzt

(Borrmann et al. 2015).

Jedoch schrecken noch einige vor diesem Aufnahmeverfahren zurück, da die Anschaf-

fung der Geräte und der adäquaten Softwares teuer und die Einarbeitung jener sehr

zeitaufwändig sind (Baik 2017). Auch ist die Datennachverarbeitung der entstandenen

Punktwolke anfangs zeitintensiv. Dies kann indes mit Softwares schnell und einfach

gelöst werden, die gleichzeitig die Semantik und Beziehungen herstellen können (Borr-

mann et al. 2015). Im Gegensatz zur Photogrammetrie ist das Laserscanning nicht in

Größe der zu bemaßenden Fläche oder in den Licht- und Wetterbedingungen begrenzt

(Wang et al. 2015).


Aufgrund von Ressourcenknappheit, Umweltproblemen und den damit verbundenen

Herausforderungen in der Nachhaltigkeitsfrage finden Recycling und Ressourceneffi-

zienz immer mehr Anklang in den verschiedenen Bereichen des Baugewerbes (Volk

et al. 2014). Hier besteht das größte Potenzial Ressourcen einzusparen und nachhaltig

zu wirtschaften, da laut statistischem Bundesamt im Jahre 2014 52 % des gesamt-

deutschen Abfallaufkommens in dieser Branche vermerkt werden konnte (siehe Abbil-

dung 9) (Statistisches Bundesamt 2014).

Abbildung 9: Abfallaufkommen nach Abfallströmen in Deutschland (2014) (Statistisches Bundesamt 2014)

Vor allem in Industrieländern, in denen im Vergleich zu Schwellenländern wenige Neu-

bauten entstehen, spielen eine ausgeglichene Instandhaltung und ein materialentspre-

chender Rückbau bei Bestandsgebäuden eine zentrale Rolle. In diesen Ländern ver-

schob sich in den letzten Jahren der Trend vom Neubau in Richtung Renovierung,

Gebäudenachrüstung und Dekonstruktion. Um diese Entwicklung zu erleichtern und

effizienter umzusetzen, ist BIM das ideale Werkzeug. Aus den genannten Gründen

4 Gebäudescanning und BIM


wird der Einsatz von einem durchgehenden Gebäudedatenmodell vor allem bei Be-

standsbauwerken weiter vorangetrieben (Volk et al. 2014).

4.1 Anwendungsbeispiel

Das Mehrfamilienhaus aus dem Jahre 1918 liegt in der Gemeinde Hohenbrunn, im

Landkreis München. Diese Gemeinde gliedert sich weiter in den Ortsteil Riemerling

auf. Das Objekt befindet sich am Gangsteig 76 (siehe Abbildung 10).

Abbildung 10: Lage des Mehrfamilienhauses (Google Maps)

Abbildung 11: Draufsicht auf das gesamte Grundstück (Punktwolke) (Faro)


Das Grundstück beläuft sich auf ca. 2,7 Hektar. Hierauf befinden sich das Haupthaus

und ein kleinerer Anbau (siehe Abbildung 11). Zusätzlich gibt es noch ein Gartenhäus-

chen, das in diesem Projekt vernachlässigt wird.

Das Haupthaus ist zum Teil zweistöckig, zum Teil einstöckig und besitzt zudem noch

zwei separate Kellerabteile. Es kann in drei Teile gegliedert werden; den östlichen Teil

mit dem Eingang, der hauptsächlich genutzt wird. Hier befinden sich das Elternschlaf-

zimmer, die Küche, das Bad und der Essbereich. Über dem Hauseingang liegt das

große Kinderzimmer. Der mittlere und einstöckige Teil des Hauses ist der Wohnbe-

reich, mit angrenzender Waschküche. Im westlichen Teil findet sich noch ein Ruhe-

raum und darüber ein Schlafzimmer. An diese grenzen nördlich wieder ein Bad und

eine Küche (siehe Abbildung 12).

Abbildung 12: Draufsicht vom Haupthaus und Anbau (Faro)

Das Haupthaus besitzt insgesamt sechs Schlaf- bzw. Wohnzimmer, zwei Bäder und

zwei Küchen. Der kleine Anbau ist dagegen durch ein Durchgangszimmer getrennt in

zwei Parteien aufgeteilt: eine Einzimmerwohnung mit Wohnküche und kleinem Bad,

und eine Wohnung mit großem Wohnbereich, angrenzender Küche mit einem Essbe-

reich und einem Schlafzimmer. Letztere besitzt nebenan auch noch ein Bad und eine

Abstellkammer.


4.2 Der Laserscanner

Für das Laserscanning wurde der Focus3D X 130 der Firma Faro verwendet. Dieser

eignet sich wegen seiner Reichweite von bis zu 130 Metern sehr gut für das Scanning

im Außen- und Innenbereich. Seine Distanzgenauigkeit wird auf ca. ± 2mm geschätzt.

Durch sein spezielles Gehäuse ist er gegen Außenbedingungen wie Staub, Regen und

Schmutz ideal für den mobilen Einsatz geschützt. Die Bedienung erfolgt über einen

kleinen Touchscreen an der Seite (siehe Abbildung 14) (Faro).

Der Laserstrahl wird über einen horizontal drehenden Spiegel (Kippachse) abgelenkt.

Ferner dreht sich der Scanner um die eigene Achse, die sogenannte Stehachse, womit

Vertikal- als auch Horizontalprofile abgesichert sind (siehe Abbildung 13) (Schulz und

Igensand 2004). Seine Messrate beträgt bis zu 976.000 Punkte pro Sekunde (Faro).

Abbildung 13: Messverfahren des Laserscanners (Braunes)

Beim vorliegenden Streckenmessverfahren handelt es sich um ein Phasenvergleichs-

messverfahren. Hierbei werden Lichtwellen mit differenter Wellenlänge ausgestrahlt

(Frohriep und Zimmermann 2008). Die reflektierten Wellen werden verarbeitet und mit-

einander verglichen. Aus der Phasenverschiebung lässt sich folglich der zurückgelegte

Weg ermitteln (siehe Abbildung 13) (Laserscanning Europe GmbH).

Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für Scannings im Außenbereich, da es un-

empfindlich auf kurzzeitige Messunterbrechungen, wie beispielsweise vorbeilaufende

Menschen oder bewegte Blätter, reagiert (Ajlani 2008). Vor allem bei limitierten Reich-

weiten und komplexen Geometrien kristallisiert sich dieses Verfahren heraus. Es weist

trotz einer hohen Messgeschwindigkeit eine hohe Genauigkeit auf (Laserscanning Eu-

rope GmbH).


Abbildung 14: Faro Focus3D X 130 (Faro)

4.3 Vorgehen beim Scanning

Im Gegensatz zur Tachymetrie wird bei der Laserabtastung das Objekt durch ein will-

kürliches Raster mit einer Schar von Punkten aufgenommen (siehe Abbildung 15)

(Frohriep und Zimmermann 2008). Jedoch müssen bei einem Scan mindestens drei

Referenzpunkte aus dem vorherigen Scan zu sehen seien, damit aus den einzelnen

Aufnahmen eine geschlossene Punktwolke und somit eine lückenlose Zuordnung ge-

währleistet werden kann.

Die neuste Software-Generation ermöglicht bereits das Arbeiten ohne Referenzen.

Anhand der Baugeometrie werden die einzelnen Scans zusammengesetzt, wobei Flä-

chen und markante Punkte in jeder einzelnen Aufnahme analysiert und miteinander

abgeglichen werden (Dold und Brenner 2007).

Dieses vereinfachte Verfahren kann bei Kleinprojekten mit bis zu ca. 30 Aufnahmen

angewandt werden (Dold und Brenner 2007). Im vorliegenden Projekt wurden ca. 90

generiert, so dass die oben genannte Methode nicht verwendet werden konnte. Aus

diesem Grund kamen Hilfsmittel zum Einsatz.

Abbildung 15: Vergleich der Punktaufnahme bei der Tachymetrie und beim Laserscanning (Frohriep und Zimmer-

mann 2008)


Als solche wurden zum einen statisch aufgeladene Zielmarken (siehe Abbildung 16)

verwendet, die sich dadurch mühelos an Wand-, Fenster- oder Schrankflächen anbrin-

gen lassen können. Ebenfalls existieren magnetische Targets, die auf eisenhaltigen

Oberflächen haften bleiben, jedoch hier nicht gebraucht wurden.

Zum anderen wurden Referenzkugeln mit einem Durchmesser von 14 Zentimetern

(siehe Abbildung 17) benutzt. Diese sind auf einem magnetischen Stiel geschraubt,

wodurch das Befestigen deutlich flexibler und angenehmer wird. Darüber hinaus sind

sie mit einem besonderen Kunststoff überzogen, um das Reflexionsverhalten zu opti-

mieren.

Um die Referenzpunkte zu markieren, wurde je ein Vermarkungsaufkleber (siehe Ab-

bildung 18) platziert. Dies hat den Vorteil, dass auch noch nach längeren Zeitabstän-

den die Zielpunktorte erkannt werden und problemlos mit den Aufnahmen fortgefahren

werden kann.

Abbildung 16: Zielmarken/ Targets (Laserscanning Europe GmbH)

Abbildung 17: Referenzkugel (Laserscanning Europe GmbH)


Abbildung 18: 3D-Messpunkt-Vermarkungsaufkleber (Laserscanning Europe GmbH)

Aufgrund der Tatsache, dass sich die BIM7 GmbH nicht mit dem Laserscanning be-

schäftigt und somit auch nicht die Gerätschaften sowie das Know-How dafür besitzt,

wurde die Cavicon GmbH mit diesem Teil des Projekts beauftragt.

Die Aufnahmen wurden mithilfe vom Herrn José Carlos Vicente Plaza, dem Geschäfts-

führer von Cavicon, aufgenommen. Das Konstruktionsbüro wurde im Jahr 2009 ge-

gründet und beschäftigt sich vor allem mit Bestandsdokumentationen und 3D-La-

serscannings des Industrie- und Anlagenbaus (Vicente). Erstmals wurde hier an einem

Mehrfamilienhaus gearbeitet (siehe Abbildung 19).

Abbildung 19: erster Laserscan im Außenbereich


Um zu vermeiden, dass zu viele Aufnahmen gemacht werden müssen, ist stets auf

eine logische Platzierung des Laserscanners sowie der Referenzpunkte zu achten.

Beispielsweise muss auf geschlossene und geöffnete Türen geachtet werden. So

wurde einmal eine Aufnahme mit geschlossener und einmal mit geöffneter Tür ge-

macht, um die Verknüpfungen der Scans zu gewährleisten (siehe Abbildung 20). Die

Platzierung der Zielpunkte nahm im Vergleich zur Messung mehr Zeit in Anspruch.

Abbildung 20: Bauaufnahme bei geschlossener (links) und geöffneter Türe (rechts) (Faro)

Zudem wurden immer vier statt der mindestens benötigten drei Referenzkugeln wie-

derholt, um eine ausreichende Standortausrichtung zu sichern und die Gefahr, dass

ein Zielzeichen verdeckt sein könnte, zu minimieren.

Am besten sind die Zielpunkte an Raumübergängen wie Türrahmen bzw. Fenstern

(Verknüpfung zum Außenbereich) zu platzieren. Um sicherzugehen, wurden in verwin-

kelter Umgebung mehr Aufnahmen gemacht.

In Abbildung 21 ist eine beispielhafte Positionierung der Referenzkugeln im westlichen

Kellerraum zu sehen. Hier wurde eine Kugel am magnetischen Türrahmen befestigt.

Die beiden äußeren Kugeln am Bildrand stehen je in einem Türbereich und die beiden

Kugeln in der Raummitte sind aus jedem Winkel zu sehen.


Abbildung 21: Referenzkugel Aufbau im westlichen Keller

Die Anzahl der Scanstandorte kann der Abbildung 22 entnommen werden. Aufgrund

der Größe und der verwinkelten Raumanordnung im Haupthaus befinden sich hier die

meisten.

Abbildung 22: Übersicht über die Scanorte (Faro)


Da eine Messung auf ca. acht Minuten ausgerichtet war (je Aufnahme 28 Millionen

Punkte), musste bei einer Akkulaufzeit von 4,5 Stunden und insgesamt 86 Aufnahmen

letztlich dreimal aufgeladen werden.

Die Zwischenzeit wurde für die Registrierung der Aufnahmen genutzt. Bei einigen

Scans wurden die Referenzpunkte zum Teil nicht erkannt oder waren verdeckt, wes-

wegen solche Aufnahmen zusätzlich manuell in Scene von Faro bearbeitet werden

mussten.

Die endgültige Punktwolke wurde anschließend bereinigt, das heißt unbrauchbare Da-

ten, wie zum Beispiel die Einfahrt des Hauses oder der Garten, wurden entfernt. Folg-

lich reduzierte sich die Datenmenge von 136 auf 106 GB, was die Arbeiten am Laptop

aufgrund der geringeren Prozessorleistung vereinfachte.

4.4 Weitere Beispiele

Laut Ehm und Hesse 2014 hat sich das 3D-Laserscanning bereits im Bereich der Be-

standsvermessung etabliert. Dieses Verfahren wird oft bei historischen und/ oder

denkmalgeschützten Bauten verwendet, wodurch der Begriff des „Historic Building In-

formation Modeling“ (kurz: HBIM) entstand (Baik 2017).

4.4.1 Cloud to BIM to FEM

Beispielsweise wurde die Burg Masegra in Sünders, im Süden Italiens, für eine Res-

tauration aufgenommen, denn historisch bedingt lagen keine aktuellen Pläne vor. Die

Burg wurde mehrfach zerstört und wiederaufgebaut, jedoch existierte keine präzise

Chronologie über die gemachten Umbauten.

Die entstandene Punktwolke wurde ebenfalls in Revit bearbeitet und zusätzlich sta-

tisch berechnet (Barazzetti et al. 2015). Hier wurde beispielsweise das Rissbild der

Außenwände in einer Simulation mit dem in der Realität verglichen (siehe Abbildung

23), denn Oberflächendiskrepanzen können durch spezielle Softwares erkannt wer-

den.


Abbildung 23: Vergleich der Rissbildungen in einer Simulation (links) und in der Realität (rechts) (Barazzetti et al.

2015)

4.4.2 Cloud to BIM to GIS

Anlässlich der Restauration und der Erhaltung des historischen Nasif Hauses, in der

wichtigsten Hafenstadt Saudi-Arabiens, Dschidda, wurde eine 3D-Umsetzung mittels

GIS angeordnet, die ein semantisches Modell erzeugt und dieses anschließend in sei-

ner geographischen Umgebung darstellt (siehe Abbildung 24). Wie in Abbildung 25 zu

sehen ist, entstand das Modell ebenfalls aus einer Punktwolke.

Abbildung 24: Zusammenführung des 3D-Modells und den GIS-Daten (Baik et al. 2015)

Um sich ein genaues Bild über das Gebäude machen zu können, sind semantische

und nicht-architektonische Informationen, wie Materialeigenschaften, der historische

Kontext oder die Chronologie der Reparaturen, die am Objekt bereits gemacht wurden,

wichtig.


Das Haus entstand zwischen 1872 und 1881 und galt ab 1925 als Residenz des Kö-

nigs Abdul-Aziz (Archnet). Vorher lebte der Sheikh Omar Afandi Nasif mit seiner Fa-

milie in diesem Haus. Nach dem Umbau zu einer privaten Bibliothek wird es heute als

Museum und Kulturhaus genutzt (Baik et al. 2015).

Abbildung 25: 3D-Model und Punktwolke des Nasif Hauses (Baik et al. 2015)

4.4.3 Cloud to BIM-CAFM

Auch in Deutschland wird das Scan-to-BIM-Verfahren immer häufiger angewendet, je-

doch gehört BIM, wie bereits erwähnt, noch nicht zur gängigen Arbeitsweise (Ehm und

Hesse 2014; Stufenplan Digitales Planen und Bauen 2015).

Eine der führenden Unternehmen in Europa im Bereich Building Information Modeling,

die auch mit Hilfe von Laserscannern Bestandsgebäude aufnehmen, sind die Schild-

wächter Ingenieure mit Sitz in Hochspeyer bei Kaiserslautern. Neben dem Erstellen

von virtuellen Gebäudemodellen bieten sie auch eine Integration mit GIS-Daten an.

Ein besonderer Arbeitsbereich ist die Verbindung von BIM mit CAFM (Schildwächter

Ingenieure). Beim Computer-Aided Facility Management werden relevante Prozess-

daten, beispielsweise im Bereich des Flächen- oder Anlagenmanagements, in einer

Datenbank gespeichert (Krause).

Neustes Projekt in diesem Bereich war der Gebäudebestand des Unternehmens John

Deere (siehe Abbildung 26). Hier wurde das aus der Punktwolke gewonnene Gebäu-

dedatenmodell mit den Daten aus einem CAFM-Programm verbunden. Somit kann


das Modell auch zu administrativen Zwecken, wie zum Beispiel für Massen-/Flä-

chenermittlungen oder den Einbau von neuen Maschinen genutzt werden (Schild-

wächter Ingenieure).

Abbildung 26: John Deere Bestandsgebäude (Schildwächter Ingenieure)

4.5 Nachteile

Bei der Einführung von neuen Technologien ist der abschreckendste Faktor die hierfür

aufzubringenden finanziellen Mittel. Der Durchschnittspreis für einen solchen La-

serscanner liegt bei ca. 57.000 Euro. Der preisliche Rahmen, der sich nach der jewei-

ligen Ausstattung orientiert, liegt zwischen 35.000 und 100.000 Euro. Hinzu kommen

Kosten für Wartungen und die benötigten Hilfsmittel. Insgesamt liegt der Wert des

Equipments bei ca. 3.500 Euro.

Bei den eingesetzten Softwares handelt es sich um Scene und PointSense, beide von

Faro, sowie Revit von Autodesk. Zusammengefasst liegt der Kostenfaktor bei ge-

schätzt 14.000 Euro.

Aufnahmen im Außenbereich können nicht bei jedem Wetter erfasst werden. Zwar ist

das Gerät an sich wetterfest, jedoch verfälschen sich die Aufnahmen, beispielsweise

durch Regen, genauer gesagt durch Regentropfen.

Durch einen Laserscan wird jedes noch so kleine Detail, das vom Standpunkt des

Scanners aus zu sehen ist, erfasst. Diese Tatsache mag auf den ersten Blick ein Vor-

teil sein, jedoch löst sie einige Komplikationen hinsichtlich der Privatsphäre und des

Datenschutzes auf. Es müssen Genehmigungen vor jedem Scan eingeholt werden,


die erlauben von privaten oder eventuell gar unter Verschluss gehaltenen Objekten

(zum Beispiel in der Autoindustrie von bislang nicht veröffentlichten Autofabrikaten)

Aufnahmen zu machen.

Zudem werden die Aufnahmen durch metallisch glänzende Oberflächen, wie sie bei

Eisenrohren zu finden sind, verfälscht. Durch die Reflexionen werden die Punkte stark

gestreut. Die Lösung ist hierbei das Auftragen spezieller Sprays, was jedoch sehr auf-

wändig ist.

Ein weiterer Punkt ist die Einarbeitung zum einen in die Applikation des Scanners und

zum anderen in die Softwares. Die Zeit und der Aufwand zur Ausbildung des Personals

ist demzufolge auch zu berücksichtigen.

Die Modellierung des Gebäudedatenmodells ist sehr zeitintensiv und komplex. Zu-

nächst müssen die Aufnahmen zu einer geschlossenen Punktwolke verknüpft werden.

Dann wird diese in Revit eingepflegt und wie eine Schablone nachmodelliert. Auf die

genaue Vorgehensweise wird in Kapitel 5 eingegangen.

4.6 Vorteile

Ein großer Vorteil liegt in der berührungslosen Erfassung des Gebäudes (Schulz und

Igensand 2004). Es werden keine Reflektoren oder ähnliches benötigt. Für eine effizi-

entere Zusammenführung der Aufnahmen wurden hier jedoch Hilfsmittel (Referenzku-

geln und Targets) herangezogen.

Sowohl die Genauigkeit der Scans, die hier ± 2 mm beträgt, als auch die zeitsparende

Anwendung spricht für den Einsatz von Laserscannern (Faro). Je nach Einstellung der

Einfärbung (schwarz/ weiß oder farbig) und Qualitätsstufe kann eine Messung zwi-

schen fünf Minuten und eineinhalb Stunden dauern. Jedoch ist letzteres lediglich bei

der höchsten Qualitätsstufe angesiedelt und wird daher praktisch nicht angewendet.

Aus der entstandenen Punktwolke lässt sich überdies mithilfe von speziellen Tools auf

simpelster Weise ein Gebäudedatenmodell erstellen, das später vielseitig und flexibel

verwendet werden kann. Die gesammelten Daten sind verknüpfbar mit anderen Daten

und Prozessen. Wie an den oben genannten Beispielen gezeigt, können auch Umge-

bungsdaten (GIS-Daten) und Daten zur Gebäudeinstandhaltung in dem BIM-Modell

eingefügt oder statische Berechnung vorgenommen werden.


Die oben aufgezählten Kosten des Scannings belaufen sich zwar inklusive der Soft-

wares auf ca. mindestens 60.000 Euro, jedoch handelt es sich hierbei langfristig gese-

hen um eine empfehlenswerte Investition.

Beispielsweise finden bei einem Umbau eines Bestandsgebäudes mehrere Baube-

sichtigungen seitens der Architekten, der Statiker, der TGA-Planer und weiteren Pla-

nungsbeteiligten statt, bevor ein Entwurf und die folgenden Bauarbeiten erfolgen kön-

nen. All diese Arbeitsstunden können durch eine Laserscanaufnahme und die Model-

lierung eines Gebäudedatenmodells ersetzt werden.

Das konstruierte Modell und die beinhalteten semantischen Informationen werden an

alle Planungsbeteiligten weitergegeben, womit eine identische Gebäudedatengrund-

lage geschaffen wird. So steigt nicht nur die Wirtschaftlichkeit des Projekts, auch mög-

liche Fehlerquellen, die durch eine differente bzw. lückenhafte Informationsgrundlage

der Beteiligten entstehen, werden reduziert.


Da die BIM7 GmbH ausschließlich mit Autodesk Revit arbeitet, liegt die Tatsache nahe,

dass auch das Mehrfamilienhaus damit modelliert wird. Um die Punktwolke in Revit

bearbeiten zu können, wurde zusätzlich das Plug-In PointSense for Revit von Faro

installiert.

Im folgenden Kapitel wird zunächst auf das Programm Autodesk Revit und anschlie-

ßend auf das Plug-In eingegangen. Im Anschluss daran wird das Vorgehen bei der

Modellierung des Gebäudedatenmodells und letztlich die aufgetretenen Komplikatio-

nen und deren Lösung veranschaulicht.

5.1 Autodesk Revit

Laut Autodesk selbst „[ist] Revit eine Entwurfs- und Dokumentationsplattform für den

Entwurf, die Zeichnungen und die Pläne, die beim Building Information Modeling (BIM)

benötigt werden“.

Alle Daten stammen aus einem virtuellen Gebäudemodell. Das heißt beispielsweise,

dass sich alle Schnitte, Ansichten und Pläne an den Grundriss anpassen, wenn Ände-

rungen an diesem vorgenommen werden.

Diese sogenannte „parametrische Modellierung“ garantiert die Konsistenz der Daten

und ist eine der zwei durchschlagenden Prinzipien von Revit. Das zweite sind die Ele-

mentbeziehungen, die Voraussetzung für die Koordination und Änderungsverwaltung

schaffen. Das Resultat ist ein Programm, das intuitiv und ohne redundante Daten funk-

tioniert und arbeitet (Autodesk 2016).

5.1.1 Objektstruktur

In Revit steht die Objektstruktur im Vordergrund. Diese unterscheidet zwischen drei

verschiedenen Arten von Elementen, die in Abbildung 27 veranschaulicht werden (Au-

todesk 2016):

- Modellelemente sind die virtuelle Darstellung der Gebäudeobjekte. Sie werden

wiederrum in Bauteile unterteilt, die auf der Baustelle (Basisbauteile, wie Wände

und Decken) oder im Werk (Modellbauteile, wie Fenster und Möbel) gefertigt

werden.

5 Modellierung in Revit


- Bezugselemente unterstützen die Veranschaulichung der Beziehungen in ei-

nem Projekt. Beispiele hierfür sind Raster und Ebenen.

- Ansichtsspezifische Elemente sind, wie der Name schon sagt, Beschriftungs-

elemente oder Details, die nur in Ansichten zu sehen sind, in denen sie platziert

wurden.

Abbildung 27: Übersicht der Elementbeziehungen in Revit (Autodesk 2016)

Elemente können weiterhin in die grobe Einteilung der Kategorien eingeordnet werden.

Diese besitzen wiederrum sogenannte Familien, die bestimmte Eigenschaften aufwei-

sen. Familien können der bereits vorhandenen Revit-Datenbank entnommen, aus ei-

ner Familienbibliothek geladen oder neu erstellt werden.

Beispielsweise ist die Kategorie „Wohnen“ in die Familien „Bücherschrank“, „Heizkör-

per“ und „Sessel“ aufgeteilt. Diese haben zwar je einen anderen Verwendungszweck

und bestehen aus unterschiedlichen Materialien, haben jedoch eine ähnliche Applika-

tion.

Die Attribute, die alle Elemente einer Familie gemeinsam haben, werden Typeigen-

schaften genannt. Abbildung 28 zeigt das entsprechende Revit-Fenster. Jede Familie

(hier: Familie „Basiswand“) beinhaltet unterschiedliche Typen, die untergeordnet die-

selben Parameter, jedoch unterschiedliche Werte aufweisen. Beispiele für Typen sind

hier „Stahlbeton“, „Mauerwerk“ oder „Glasbaustein“. Exemplare sind folglich „einzelne


Elemente, die in das Projekt eingefügt werden und dort eine spezifische Position ein-

nehmen“ (Autodesk 2016).

Abbildung 28: Typeigenschaften der Familie Wand (Beispiel: Mauerwerkswand der Stärke 11,5 cm)

5.1.2 Revit-Server

Die Auslegung auf BIM wird auch bei der Speicherung der Projekte deutlich. Hier be-

steht die Möglichkeit, Projekte auf dem sogenannten Revit-Server zu hinterlegen. Die-

ser ermöglicht eine serverbasierte Arbeitsteilung, bei dem die Koordination und Syn-

chronisation eines Gebäudedatenmodells sichergestellt wird (Autodesk 2016). Alle

Planungsbeteiligten arbeiten durchgängig an einem Modell und sind über ein Wide

Area Network (WAN) verbunden, wodurch standortunabhängiges Arbeiten möglich ist

(Autodesk 2016).

Es wird immer an einer lokalen Kopie der Datei gearbeitet, die dann mit der Hauptdatei

auf dem Zentralserver synchronisiert wird (Autodesk 2016). Auch die BIM7 GmbH nutzt

diesen Revit-Server.


5.1.3 Benutzeroberfläche

Abbildung 29: obere Benutzeroberfläche

Um Autodesk Revit zu starten, muss entweder ein Projekt oder eine Familie geöffnet

werden. Die oberen Registerkarten der Multifunktionsleiste ordnen Entwurfswerk-

zeuge nach verschiedenen Aufgaben (siehe Abbildung 29). Je nach ausgewähltem

Element erscheinen kontextspezifische Registerkarten mit speziellen Werkzeugen

(Autodesk 2016). Im Beispiel des Wandelements, das sich in der Registerkarte „Archi-

tektur“ befindet, erscheint der zusätzliche Reiter „Ändern | Platzieren Wand“.

Abbildung 30: Schnellzugriff-Werkzeugkasten

Die in Abbildung 30 gezeigte Leiste stellt den Schnell-Werkzeugkasten dar. Dieser

fasst die meist benötigten Werkzeuge übersichtlich zusammen. So ist ein effizientes

Modellieren möglich (Autodesk 2016). Die Werkseinstellung sieht Vorgänge wie „Pro-

jekt öffnen“, „Bemaßung“ und „Fenster wechseln“ als bedeutsam. Sie sind jedoch nicht

festgeschrieben und können jeder Zeit beliebig gelöscht oder ersetzt werden.

Der Projektbrowser sowie das Eigenschaftsfenster befinden sich im Arbeitsbereich.

Über Erstes können beispielsweise Ansichten, Pläne oder Bauteillisten aufgerufen

werden (siehe Abbildung 31). Wohingegen über das Eigenschaftsfenster Typen aus-

gewählt und deren Parameterwerte verändert werden können (siehe Abbildung 31).


Abbildung 31: Projektbrowser (links) und Eigenschaftsfenster (Beispiel: Tür)

Neben diesem Schnellzugriff-Werkzeugkasten bestehen Steuerelemente für Ansich-

ten. Diese verändern die Anzeige hinsichtlich Maßstab oder Bildstil. Oben links leitet

ein großes „R“ den Zeichner in den Menübrowser, in dem alle Dateibefehle zusam-

mengefasst sind (Autodesk 2016).

Autodesk Revit wird von unterschiedlichen Gewerken genutzt, die je eine andere Auf-

gabe in der Planung besitzen. Um diesen individuellen und komplexen Ansprüchen zu

genügen, gibt es die Möglichkeit sogenannte Add-Ins bzw. Add-Ons zu installieren.

Diese haben den Vorteil, dass auf bekannter Benutzeroberfläche gearbeitet wird oder

dass Verknüpfungen zu anderen Programmen hergestellt werden können. Im Folgen-

den werden die verwendeten Programme PointSense for Revit und liNear Building

vorgestellt.


5.1.4 PointSense for Revit

Abbildung 32: Multifunktionsleiste des Add-Ins PointSense

Der zusätzliche Reiter in Abbildung 32 ist das Add-In PointSense for Revit. Weil ein

Laserscanner von Faro bei der Bestandsaufnahme verwendet wurde, lag es nahe, ein

Tool derselben Firma zu nutzen. Es erleichtert das Modellieren mit Punktwolken expli-

zit in Autodesk Revit. Eine kostenlose Lizenz wurde seitens Faro für dieses Projekt

freigegeben.

Add-In ist gleichbedeutend mit der Erweiterung eines Programms um mehrere Funkti-

onen. Das heißt es ist in dem Programm verankert und es wird auf bekannter Benut-

zeroberfläche gearbeitet (siehe Abbildung 32) (Müller 2016).

Autodesk Revit besitzt zwar selbst auch die Fähigkeit mit Punktwolken umzugehen,

jedoch ist diese darauf reduziert, dass die Punktwolke lediglich angezeigt und zuge-

schnitten wird und ein Punkt- und Ebenenfang ausschließlich auf aktiver Arbeitsebene

möglich ist (Faro).

Das Tool vereinfacht das Arbeiten mit 3D-Laserscans, indem es einen intuitiven Ar-

beitsfluss zulässt durch Möglichkeiten, wie zum Beispiel (Faro 2017):

- Automatisches Angleichen und Ausrichten von Wänden

- Erstellen von 3D Konstruktionshilfen direkt in der Punktwolke durch echten 3D-

Punktfang

- Einfache und intuitive Navigation in fotoähnlicher Scanansicht

Eine Besonderheit bei PointSense ist das Wändeausrichten. Dies ermöglicht durchge-

hende Wandachsen und rechtwinklige Grundrisse und damit ein intuitives Arbeiten.

Diese Funktion konnte hier nicht im vollem Umfang genutzt werden, da kaum recht-

winkligen Grundrisse vorhanden sind.

Hauptsächlich wurden die in Abbildung 33 gezeigten Funktionen „Punktwolke vorbe-

reiten“, „Wände angleichen“ und das Ein- bzw. Ausblenden der Punktwolke verwendet.

Diese werden anhand des Mehrfamilienhauses in Kapitel 5.2 näher beschrieben.


Abbildung 33: Werkzeuge der PointSense for Revit-Multifunktionsleiste

5.1.5 liNear

Das TGA Berechnungsprogramm liNear besitzt neben einer Vielzahl von Modulen, zu-

dem ein Add-On, das der Software ermöglicht sich mit Revit zu verknüpfen. So kann

ohne Konvertierungsaufwand auf die gebäudetechnischen Informationen des Gebäu-

dedatenmodells gegriffen werden, die für eine Heiz-/ Kühllastberechnung benötigt wer-

den (liNear GmbH).

Die Software gliedert sich in mehrere Programmfamilien, wie beispielsweise „Analyse“

(Netzberechnung), „Quote“ (Ausschreibung und Vergabe) oder „Building“ (gebäude-

technische Nachweise und Auslegungen). Auf das hier verwendete Teilprogramm li-

Near Building wird näher in Kapitel 6 eingegangen.

Abbildung 34: liNear GmbH Logo (liNear GmbH)

5.2 Vorgehen der Modellierung

Aus den einzelnen Schritte, die in Abbildung 35 zu sehen sind, wird im Folgenden mit

Hilfe von Beispielen und Bildern näher eingegangen. Das Erstellen von „as-built“ Bau-

teilen ist in diesem Anwendungsbeispiel nicht notwendig, da keine architektonisch au-

ßergewöhnlichen Bauteile vorhanden sind.

Abbildung 35: Vorgehen bei der Punktwolkenmodellierung (Braunes)


5.2.1 Vorbereitung der Punktwolke

Die aufgenommenen Daten wurden in das Programm Scene von Faro eingelesen und

bearbeitet. Das heißt Aufnahmen, in denen die Referenzpunkte nicht erkannt und so-

mit nicht mit den anderen Scans verknüpft werden konnten, mussten manuell in Be-

ziehung gesetzt werden. Dies ist nötig, da es hin und wieder vorkommt, dass entweder

Referenzpunkte verdeckt oder nur teilweise zu sehen sind oder dass Gegenstände,

wie zum Beispiel Spielbälle, fälschlicherweise als jene erkannt werden.

Die Kugeln bzw. Marken werden selbständig ausgewählt. Falls diese tatsächlich nicht

sichtbar sind, werden Beziehungen über Flächen hergestellt. Sind in Ansichten Fuß-

boden oder Zimmerwand identisch, werden diese beispielsweise hierüber verknüpft.

Die Punktwolke mit der letztlich in Revit gearbeitet wird, beinhaltet nur das Haupthaus

und den Anbau. Die Einfahrt und der komplette Garten wurden soweit wie möglich

entfernt, um die Dateigröße auf ein Minimum zu reduzieren.

Der erste Schritt ist das Einfügen der Punktwolke in Autodesk Revit 2016. Da die Daten

vom Herrn Vicente bearbeitet wurden und sich sein Büro in Großhadern befindet, wur-

den die Daten auf einen FTP-Server geladen.

Weil dieses Programm nur Punktwolken mit bestimmten Dateiformaten einlesen kann,

musste das ursprüngliche Dateiformat „*.lsproj“ zunächst in eine „*.e57“-Datei umge-

wandelt werden. Dieser Typ kann in der Regel als Punktwolke eingelesen werden. Da

dies jedoch wider Erwarten nicht funktionierte, wurde das Dateiformat Recap ausge-

wählt und die aufgenommenen Daten wurden auf das entsprechende Format konver-

tiert. Hierbei steht „*.rcp“ für eine Punktwolkenprojektdatei in der mehrere Punktwol-

kendateien (*.rcs) enthalten sein können.

Während sich Herr Vicente mit der Datenbereinigung und -konvertierung beschäftigte,

wurde die Lizenz für das Plug-In PointSense for Revit von Faro eingeholt.

Die vorbereitete Punktwolke wurde zugleich in Autodesk Revit eingelesen. Aufgrund

der Dateiengröße wurde statt dem Einfügen der Punktwolke nur eine Verknüpfung zu

einem Revit-Projekt erstellt, in der die Punktwolke hinzugefügt wurde.

Es wurde eine Positionierung „nach gemeinsamen Koordinaten“ gewählt. Dabei ist der

Norden der Punktwolke gleich dem geografischen Norden des Revit-Modells.


5.2.2 Ebenen und Wände

Die eingefügte Punktwolke muss zunächst in Geschosse eingeteilt werden. Dies er-

folgt durch Ebenen, die als Referenz für ebenbasierte Elemente, wie Dächer, dienen

(Autodesk 2016).

Um das Modell übersichtlich zu halten, wurden das Haupthaus und der Anbau getrennt

betrachtet. Die Ebenenbeschriftungen enthalten anfangs entweder das Kürzel „HH“

oder „AB“. Der Anbau besitzt nur zwei, wohingegen die Anzahl im Haupthaus nicht so

einfach zu definieren ist. Insgesamt konnten acht Ebenen erstellt werden. Mit Hilfe des

Punktfangs konnte die Platzierung exakt bestimmt werden (siehe Abbildung 36).

Abbildung 36: Erstellung von Ebenen mittels Punktfang (Beispiel: Anbau)

Bei der Vorbereitung einer Punktwolke muss zunächst ein Grundriss geöffnet werden.

Allgemein werden die Punktwolkendaten umgerechnet, sodass das Wand-Fitting be-

schleunigt werden kann. Revit erzeugt hierzu einen zweiten Grundriss, der diese Da-

ten in einem Graustufenbild anzeigt (siehe Abbildung 37).


Abbildung 37: Punktwolken- (oben) und vorbereiteter Grundriss (unten)

Durch die Funktion „Wände angleichen“ wird die Wandstärke erkannt und es werden

mehrere neue Wandtypen in unterschiedlichen Baustoffen mit entsprechender Dicke

vorgeschlagen. Dadurch ist die Modellierung der Gebäudehülle nicht so zeitintensiv.

Es müssen lediglich zwei Punkte innerhalb der zu modellierenden Wand ausgewählt

werden, vereinfacht meist von Ecke zu Ecke. Es können jedoch auch beliebige Punkte

innerhalb der Wand gewählt werden.

Im Abbildungsbeispiel liegt die erkannte Wandstärke bei 0,16 Metern. Hier werden als

sogenannte beste Typen „Mauerwerk 17,5“, „Gipskarton 12,5“ oder „Stahlbeton 20,0“

vorgeschlagen. Jedoch besteht auch die Möglichkeit den ausgewählten Typen in der

exakt erkannten Wandstärke einzufügen (siehe Abbildung 38).


Abbildung 38: Auswahlfenster der Funktion "Wände angleichen"

5.2.3 Türen, Fenster und Treppen

Dank der vorgefertigten Familien, die bereits in Revit geladen sind, können Türen und

Fenster schnell und einfach hinzugefügt werden. Aus einem breitgefächerten Katalog

aus verschiedenen Kategorien kann gewählt werden (siehe Abbildung 39).

Abbildung 39: Multifunktionsleiste der Architektur

Vereinfacht wurde bei den Fenstern zwischen ein- und zweiflügeligen bzw. Fenstertü-

ren unterschieden. Dachfenster finden sich lediglich im Anbau. Das Material des Rah-

mens, der Anteil der Verglasung oder des Rahmens wurden vernachlässigt. Der U-

Wert, der durch diese Faktoren beeinflusst wird, wurde erst in liNear Building ange-

passt. Dies wird später in Kapitel 6 beschrieben.

Aus dem Katalog lassen sich auch Treppen entnehmen. Diese besitzen jedoch nur

selten den exakt benötigten Treppenaufbau. Daher besteht in Revit zudem die Mög-

lichkeit, Treppen selbst zu erstellen. Hierzu müssen Lauf, Begrenzung und Steigung

modelliert werden.


Um die Treppen exakt zu konstruieren, wurden die Konturen im Schnitt mittels Hilfsli-

nien nachgefahren (siehe Abbildung 40). Anschließend wurde die Punktwolke ausge-

blendet und in der Draufsicht gearbeitet, da Treppen nur in dieser konstruiert werden

können. In Abbildung 41 bilden die grünen Linien die Begrenzung und die schwarzen

die Steigung ab. Der Lauf wird durch eine Pfeilrichtung angegeben, die hier nicht zu-

sehen ist.

Abbildung 40: Schnitt der Treppe (links) mit Hilfslinien (rechts)

Abbildung 41: Draufsicht der Treppenkonstruktion

5.2.4 Dächer

Das Dach des Haupthauses setzt sich aus drei verschiedenen Arten (Flach-, Sattel-

und Schleppdach) zusammen. Das Satteldach sowie das Schleppdach wurden wie in

Abbildung 43 mittels Extrusion erstellt. Hier wird zunächst das Profil in einer Ansicht

skizziert (siehe Abbildung 42: rote Linie) und folglich auf die benötigte Länge gezogen.


Abbildung 42: Profil des Schleppdachs (Beispiel: Ostflügel)

Abbildung 43: Extrusion des Daches (Beispiel: Westflügel)

Ein flaches Satteldach, das in drei Teile aufgeteilt wurde, findet sich beim Anbau. Die

Segmentierung ergibt sich aus den differenten Breiten der Dachflächen (siehe Abbil-

dung 44). Wie in Abbildung 45 zu sehen ist, mussten die unterschiedlichen Neigungen

im Schnitt mittels Modelllinien und Winkelmessung ermittelt werden. Anschließend


wurde das Dach mit der Funktion „Dach über Grundfläche“ konstruiert, da die Neigun-

gen bereits bekannt waren.

Abbildung 44: Aufteilung des Dachs (Beispiel: Anbau)

Abbildung 45: Dachneigungen (Beispiel: Anbau)

5.2.5 Räume und Zonen

Ein Raum ist laut Autodesk 2016 „eine Unterteilung des Rauminhalts innerhalb eines

Gebäudemodells anhand von Wänden, Geschossdecken, Dächern und Decken“.


Räume können lediglich in Draufsichten hinzugefügt werden, jedoch sind sie in Schnit-

ten sichtbar. Durch den Parameter Raumbegrenzung werden sie bestimmt. Dieser hilft

den Umfang, die Fläche und das Volumen in Architekturräumen zu berechnen. Die

Beschriftung kann beliebig nach Raumnutzung bzw. -lage gewählt werden (siehe Ab-

bildung 46) (Autodesk 2016).

Abbildung 46: Übersicht der Räume (Beispiel: EG Haupthaus)

Neben Architekturräumen gibt es zusätzlich die Differenzierung zu MEP-Räumen. Sie

werden lediglich für Disziplinen in der Gebäudetechnik genutzt. Die Informationen, die

von diesen Räumen gespeichert werden, dienen der Berechnung einer überschlägigen

Heiz-/ Kühllast (Autodesk 2016). Diese Daten werden zusätzlich in liNear Building

übertragen, genauer wird dies in Kapitel 6 erläutert.

MEP-Räume, die derselben bzw. ähnlichen Nutzung dienen und somit eine identische

Soll-Innenraumtemperatur besitzen, werden zu einer Zone zusammengefasst (Auto-

desk 2016). Beispielsweise sollen Schlaf- und Wohnräume eine Zimmertemperatur

von 20°C und Bäder von 24°C aufweisen (DIN EN 12831 Beiblatt 1). Auf die dazuge-

hörigen Normen wird ebenfalls in Kapitel 6 eingegangen.


5.3 Problemstellungen und Lösungen

Die Modellierung in Autodesk Revit 2016 barg Schwierigkeiten unterschiedlichster Art.

Diese und deren Lösung bzw. Lösungsansätze werden im Folgenden genauer erläu-

tert.

5.3.1 Einfügen der Punktwolke

Schon beim Einfügen der Punktwolkendatei mussten auf zwei Faktoren geachtet wer-

den. Zum einen auf das Dateiformat und zum anderen auf die Ausrichtung dieser

Punktwolke. Zwar werden neben den Recap-Formaten, auch eine weitere Möglichkei-

ten, sogenannte „unbehandelte Formate“ wie *.e57, *.3dd, etc. vorgeschlagen, jedoch

konnten diese nicht in Revit eingelesen werden. Der Grund hierfür ist nicht bekannt.

5.3.2 Baugeschichtliche Informationen

Das grundlegende Problem, das sich fortlaufend durch den Prozess des Modellierens

zieht, ist das Alter des Hauses und die vielen Umbauten, die nicht exakt datiert werden

konnten.

Das Erstellen der Ebenen ist eine der wichtigsten Grundlagen beim Modellieren in Re-

vit. Denn auf ihnen basieren alle Grundrisse, Schnitte und Pläne. Jedes noch so kleine

Bauteil bezieht sich auf eine Ebene.

Die vielen Umbauten und Anbauten, die über die Zeit am Haupthaus durchgeführt wur-

den, wurden erst durch das Laserscanning sichtbar. Die unterschiedlichen Fußboden-

oberkanten beweisen dies. Folglich mussten hier bis zu acht Ebenen erstellt werden,

was die Übersichtlichkeit des Modells einschränkte.

5.3.3 Geometrie des Hauses

Wie im Grundriss zu sehen, hat das Haupthaus eine gebogene Form. Durch diese

Rundung und deren geringen Radius ließen sich die Wände an einigen Stellen (siehe

Abbildung 47) nicht mühelos bzw. automatisch verbinden. Hier stieß Autodesk Revit

an seine Grenzen.


Abbildung 47: gebogener Grundriss im Haupthaus (Ausschnitt: Wohnzimmer)

Auch bei der Verbindung der Dächer tauchte ein Problem auf. Die in Abbildung 48

gezeigte Dachöffnung entsteht dadurch, dass die beiden Dächer miteinander verbun-

den werden. In der Realität ist diese Öffnung selbstverständlich geziegelt.

Abbildung 48: Dachöffnung ausgelöst durch die Verbindung beider Dächer

Bei der Modellierung des Anbaus bestand die einzige Schwierigkeit in der asymmetri-

schen und daher nicht trivial zu bestimmenden Dachgeometrie. Daher mussten die

Dachneigungen, wie oben beschrieben, zunächst herausgemessen werden.


Building Information Modeling besitzt unter anderem den Vorteil, dass das Modell mit-

hilfe von unterschiedlichen Tools beliebig einsetzbar ist. Beispielsweise werden die

aus dem Revit-Modell gewonnen Daten der MEP-Räume für eine Heizlastberechnung

in liNear Building verwendet. Diese wird im Folgenden beschrieben.

6.1 Benutzeroberfläche von liNear Building

Die Software liNear ist eine Planungssoftware für die Gebäudetechnik und den Anla-

genbau. Aufgrund der vielen Zusatzmodule, die in Abbildung 49 gezeigt werden, eignet

sich dieses Programm hervorragend für die gebäudetechnischen Nachweise und Aus-

legungen (liNear GmbH). Jegliche Berechnungen sind nach den DIN-Normen, wie bei-

spielsweise die hier vorgestellte Heizlastberechnung nach DIN EN 12831, durchge-

führt.

Abbildung 49: Modulübersicht in liNear Building

6 Energetische Berechnung


Das in der Abbildung 50 hervorgehobene Icon stellt eine Verbindung zum CAD-Pro-

gramm her und übernimmt alle für die ausgewählten Berechnungen und Simulationen

benötigten Informationen aus dem Gebäudedatenmodell.

Abbildung 50: Benutzeroberfläche von liNear Building

Die Werkzeuge, die rechts davon zu finden sind, sind für spezielle Funktionen im CAD-

Programm zuständig, beispielsweise kann ein Element, das in liNear Building gewählt

wurde, in der Zeichnung angezeigt werden.

6.2 Heizlastberechnung

Mit den semantischen Informationen, die im Revit-Modell hinter jedem Bauteil stecken,

wird die Heizlastberechnung durchgeführt. Doch um diese auszuführen, müssen zu-

nächst einige Vorbereitungen getroffen werden.

Zu Beginn müssen im Gebäudemodell MEP-Räume erstellt werden, die je nach Soll-

Innentemperatur zu einer Zone zusammengefasst werden. Dies wurde in Kapitel 5.2.5

bereits ausführlich beschrieben Die Norm-Innentemperaturen nach DIN EN 12831

können der Tabelle 1 entnommen werden. In diesem Beispiel ergeben sich fünf Zonen:

- Zu Wohn- und Schlafräume wurden ebenfalls (Wohn-)Küchen dazugezählt

- Bäder, die zum Teil ein zusätzliches WC enthalten

- Beheizte Nebenräume, wie Flure, Treppen und Abstellräume; hierzu gehört

auch die Waschküche

- WCs

- unbeheizte Nebenräume, wie Eingangsbereiche und Kellerräume


Tabelle 1: Norm-Innentemperaturen nach (DIN EN 12831 Beiblatt 1)

Nach der Verknüpfung mit dem Modell wird die Gebäudestruktur erkannt und werden

die Räume nach Grundrissen geordnet. Die vorliegende Nummerierung ist identisch

mit der der Architekturräumen (siehe Abbildung 51). Daten, wie die U-Werte, der Bau-

teilaufbau, die Raumflächen und die Temperaturen der angrenzenden Räume, werden

übernommen und verarbeitet. Schließlich berechnet liNear Building Heating die Trans-

missionswärme- und Lüftungswärmeverluste jeden einzelnen Raumes. Die Ergeb-

nisse können anschließend in den Formblättern gemäß der Norm ausgegeben werden

(liNear GmbH).

Abbildung 51: Gebäudestruktur in liNear Building


Das Resultat dieser Bachelorarbeit ist ein virtuelles Gebäudedatenmodell des Mehrfa-

milienhauses in Riemerling, das basierend auf einer Punktwolke durch ein 3D-La-

serscanning entstanden ist. Auf Grundlage dieses Modells wurde eine energetische

Bewertung durchgeführt.

Dieses Projekt wurde vor dem Hintergrund des Building Information Modelings anhand

des Ingenieurbüros BIM7 GmbH und des Konstruktionsbüros Cavicon GmbH unter-

sucht und durchgeführt. Vereinfacht und grob betrachtet kann diese Wertschöpfungs-

kette in drei Schritte eingeteilt werden.

Der erste Schritt ist das Erfassen der geometrischen Dimensionen und die auf diesen

Daten basierte Bauwerksmodellierung. Daran folgenden das Vervollständigen des vir-

tuellen Gebäudedatenmodells durch semantische Bauteilinformationen. Anschließend

muss die Aktualität des Modells durch eine lückenlose und zuverlässige Datenpflege

sichergestellt werden. Dies beinhaltet ebenfalls die durch zusätzliche Tools berechne-

ten Daten, wie statische oder energetische Analysen, zu dokumentieren.

Die Verwendung der Bauaufmaßmethode des terrestrischen 3D-Laserscanning im

Kontext von as-built BIM beschleunigt diesen Prozess ungemein und bringt neben dem

Vorteil der wirklichkeitsnahen und detaillierten Aufnahmen, ebenfalls die Kompatibilität

mit BIM, genauer der Gebäudedatenmodellierung.

Aufgrund der Tatsache, dass alle Projektbeteiligten an einem permanent aktuellen,

virtuellen Modell arbeiten, wird eine gemeinsame Datenbasis gewährleistet. Die Nut-

zung identischer Daten sichert eine effiziente Qualitätsplanung der nachfolgenden

Bauausführung und der Gebäudeverwaltung.

An diesem Projekt arbeiteten insgesamt nur drei Personen aus den Bereichen der

Bauvermessung, der CAD-Zeichnung und der TGA. Diese überschaubare Anzahl an

Projektbeteiligten erleichterte die Kommunikation erheblich.

Nicht zuletzt steigert die Einführung von BIM neben der Wirtschaftlichkeit auch die

Produktivität. Jedoch muss beachtet werden, dass die Einarbeitung in diese neue Ar-

beitsweise und das Sammeln von Erfahrungswerten zunächst Zeit und Geduld in An-

spruch nimmt. Auch aufgrund der Steigerung der Anzahl der Projektbeteiligten bei

7 Zusammenfassung und Fazit


Großprojekten, die zudem aus unterschiedlichsten Gewerken stammen, wird das Ar-

beiten entlang der Bauwertschöpfungskette weniger vereinfacht, jedoch aber über-

schaubarer. Doch sind die anfänglichen Hürden genommen, werden die ersten Erfolge

nicht lange ausbleiben.

Am Beispiel der BIM7 GmbH wird jedoch sehr deutlich, dass die Einführung der Ar-

beitsmethode Building Information Modeling nicht nur die Anwendung BIM-kompatibler

Programme, wie Autodesk Revit und liNear, bedeutet, sondern der entscheidende

Faktor die Kommunikation über das virtuelle und semantische Bauwerksmodell ist. Lo-

gischerweise ist diese Problematik nicht einseitig. Kooperierende Gewerke nutzen

diese Arbeitsmethode derzeit nicht, wodurch sich keine integrale Planung entwickeln

kann.

In Großbritannien, beispielsweise, kam der entscheidende Impuls von oben, denn hier

wurde durch eine Gesetzesänderung Building Information Modeling eingeführt. Eine

Lösung für eine flächendeckende Implementierung von Building Information Modeling

in Deutschland bietet lediglich der Stufenplan des BMVI und die Gesellschaft „planen

bauen 4.0“. Folglich muss BIM durch eine gesetzliche Vorschrift gefördert werden.


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Anhang A 71

Anhang A

Gerenderten 3D-Ansichten

Anhang A 72

Anhang B 73

Auf der beigefügten Festplatte befindet sich folgender Inhalt:

• Der schriftliche Teil der Arbeit als Word- und PDF-Dokument

• Das Autodesk Revit-Modell

• Die Punktwolke als *.rcp- und *.lsproj-Datei

• Die gerenderten 3D-Ansichten

Anhang B

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Bachelor-Thesis selbstständig angefertigt

habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel

benutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches

kenntlich gemacht.

Ich versichere außerdem, dass die vorliegende Arbeit noch nicht einem anderen Prü-

fungsverfahren zugrunde gelegen hat.

München, 20. Juni 2017

Thu Nguyen

Thu Nguyen

Eidesstattliche Erklärung

3d-bestandsscanning eines mehrfamilienhauses als grundlage ... · projiziert auf die baubranche,...

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