3D-Aufmaßsysteme: Vom Messpunkt zum BIM-Modell

Lassen sich rechtwinklige Räume oder Gebäude noch relativ einfach mit Maßband, Zollstock oder Laser-Distanzmesser aufmessen, stoßen sie bei komplexen Objekten, krummen und schiefen oder frei geformten Räumen vollends an ihre Grenzen. Für diese Fälle sind spezielle, laserbasierende 3D-Messsysteme besser geeignet. Sie erfassen 3D-Messpunktkoordinaten beliebiger Objekte über den Horizontal- und Vertikalwinkel sowie die gemessene Distanz. Die digitalen Messdaten lassen sich anschließend auf mobile oder stationäre Rechner übertragenen und auswerten. 3D-Aufmaßsysteme werden nicht nur zur Bestandserfassung, sondern zunehmend auch planungsbegleitend eingesetzt, um etwa den Soll- und Ist-Zustand auf der Baustelle zu prüfen, Maße und Ausführungsqualitäten zu kontrollieren, respektive Mängel zu entdecken oder die bauliche Ausführung im Rahmen von „As-Built-Dokumentationen“ zu dokumentieren. Dabei werden beispielsweise gemessene Ist-daten eines Rohbaus mit den Solldaten im Plan oder BIM-Modell verglichen.

Messpunkt oder Punktwolke?

Für das lasergestützte 3D-Aufmaß haben sich zwei prinzipiell unterschiedliche Messverfahren etabliert: die Tachymetrie und das 3D-Laserscanning.

Beim tachymetrischen 3D-Aufmaß werden mithilfe eines Laser-Messgeräts 3D-Koordinaten markanter Objektpunkte einzeln erfasst – entweder durch manuelles Drehen und Schwenken des Messgerätes oder motorisch betrieben und per Funkfernbedienung gesteuert. Anschließend werden die 3D-Geometriedaten über ein Datenkabel, einen Stick oder kabellos per Bluetooth oder WLAN in das meist zum System gehörende Aufmaßprogramm übertragen. Aus den Messdaten lassen sich, sofern erforderlich, noch vor Ort mit der mitgelieferten Software 3D-Aufmaßskizzen erstellen, die man über Schnittstellen an CAD-Programme übergeben kann. Die Tachymetrie eignet sich vor allem für das schnelle, dreidimensionale Aufmaß schiefwinkliger, runder oder frei geformter Räume. Es gibt auch tachymetrische Lösungen, die unmittelbar beim Aufmaß Wände, Stützen oder Decken als BIM-Bauteile erfassen. Daraus entsteht ein dreidimensionales BIM-Modell, das aus smarten Bauteilen mit allen für die weitere Planung erforderlichen Attributen besteht und aus dem sich Grundrisse, Ansichten, Schnitte, Massen/Mengen oder Kostenschätzungen ableiten lassen (z.B. mit Flexijet 4Architects).

Das 3D-Laserscanning eignet sich vor allem für die Erfassung komplexer, stark strukturierter Objekte wie etwa Holz- oder Stahlbauten oder gebäudetechnischer Anlagen. Dabei tastet ein an mehreren Punkten im Raum auf einem Stativ aufgestellter oder ein handgeführter Laserscanner das Umfeld in Form eines dichten Rasters von Messpunkten ab und erzeugt parallel ein 360°-Fotopanorama. Innerhalb weniger Minuten können damit auch geometrisch sehr komplexe Objekte mit allen Details geometrisch und fotografisch erfasst werden. Vorteil – und zugleich Nachteil dieser Technik: Es werden nicht einzelne, für das Aufmaß wichtige Punkte selektiv gemessen, sondern wahllos Millionen von Messpunkten. Das reduziert die Gefahr, dass wichtige Maße vergessen werden und man erneut vor Ort aufmessen muss. Allerdings lassen sich die dabei entstandenen „Punktwolken“ nicht sofort vor Ort weiterverarbeiten, sondern müssen später im Büro ausgewertet werden. Dabei werden die Messdaten in ein spezielles Auswertungsprogramm oder in ein CAD-Programm mit entsprechender Schnittstelle importiert und gefiltert. Horizontale oder vertikale Schnitte oder Schnittansichten lassen sich sofort generieren, indem man durch die Punktwolke einfach eine Schnittebene legt. Sollen die Messpunkte dagegen in CAD-Vektordaten überführt werden, müssen sie manuell, teilweise auch halbautomatisch ausgewertet und durch CAD-Elemente (Linien, Bögen, Quader, Zylinder etc.) oder BIM-Bauteile ersetzt werden.

Kombi- und Fotogrammetrie-Systeme

In vielen Fällen werden die Tachymetrie und der 3D-Laserscan auch parallel eingesetzt, weil sich die Verfahren gegenseitig ergänzen. So werden etwa Raumgeometrien tachymetrisch und Details per Laserscan erfasst und die Aufmaßdaten passgenau überlagert. Auch fotogrammetrische Verfahren können das 3D-Aufmaß ergänzen. Das Mess-System HottScan beispielsweise kombiniert die Messverfahren Tachymetrie und Laserscanning mit der Fotogrammetrie. Dabei tastet ein eigens dafür entwickeltes 3D-Aufmaßsystem die Umgebung wie ein Laserscanner automatisch rasterförmig ab, allerdings mit einer erheblich geringeren Geschwindigkeit und Punktedichte. Rund 30 Messpunkte werden für ein Raumaufmaß innerhalb von einer Minute nach dem tachymetrischen Messprinzip erfasst. Bei Bedarf können manuell oder per Fernsteuerung zusätzliche Messpunkte aufgenommen werden. Aus den parallel erstellten Einzelbildern wird zusätzlich ein hochauflösendes räumliches 3D-Panoramabild erstellt, mit dem man jederzeit Vor-Ort-Details klären, die aktuelle bauliche Situation, Bauschäden oder haustechnische Anlagen dokumentieren kann.

Nach der Übergabe der Mess- und Fotodaten kann der Anwender mit der dazugehörigen Fotoaufmaß-Software am PC Räume dreidimensional modellieren. Dabei werden mithilfe der Messpunkte Raum-Ebenen 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. Reine Fotogrammetrie-Systeme wie Phidias oder PhotoModeler, die hier nur der Vollständigkeit halber genannt werden, basieren auf mit kalibrierten Kameras oder handelsüblichen Digitalkameras aufgenommenen Foto-Bildpaaren. Diese werden nach Prinzipien der Stereo-Fotogrammetrie ausgewertet. Dabei werden nacheinander markante Objektpunkte jeweils im Bildpaar mit der Maus angeklickt. Aus diesen Eingaben und mithilfe mathematischer Berechnungsverfahren ist die Software in der Lage, CAD-Objekte millimetergenau im Raum zu positionieren und so aus zweidimensionalen Fotos dreidimensionale CAD-Aufmaßskizzen zu generieren.

Worauf sollte man bei der Auswahl achten?

Zu den wichtigsten technischen Parametern von 3D-Aufmaßsysemen zählen der Messbereich und die Genauigkeit: Der erste Wert gibt an, von welcher minimalen bis zu welcher maximalen Distanz in Metern das Gerät messen kann (z.B. zwischen 0,3 und 50 m). Die Messgenauigkeit gibt an, wie präzise ein Objektpunkt in seiner Position bei unterschiedlichen Messentfernungen erfasst werden kann (z.B. zwischen ± 1 und 4 Mio.). Auch die Winkelgenauigkeit der beiden Drehachsen spielt hier eine wichtige Rolle, die – je nach System – sehr unterschiedlich sein kann. Das Sichtfeld gibt den horizontalen und vertikalen Bereich in Grad an, innerhalb dessen der Mess-Sensor Messpunkte erfassen kann. Er liegt horizontal stets bei 360° und vertikal bei rund
300°. Dieser bei Standgeräten bauart- und stativbedingte „Mess-Schatten“ von etwa 60° kann beispielsweise in beengten Mess-Situationen hinderlich sein. Deshalb ist es von Vorteil, wenn das System auch vertikal nahezu lückenlos messen kann oder durch ein handgeführtes Messgerät ergänzt wird. Für eine rationelle Messpunkterfassung bei tachymetrischen Systemen ist entscheidend, dass die Messpunkte wahlweise motorisch per Fernbedienung, aber auch manuell angefahren werden können. Präziser lassen sich Messpunkte zwar motorisch anvisieren, schneller ist man aber per Hand. Auch die Messung selbst sollte wahlweise manuell oder per Fernbedienung ausgelöst werden können, damit man nichts verwackelt.

Die maximale Messrate gibt an, wie viele Messpunkte pro Minute erfasst werden können. Weitere wichtige Funktionen sind die automatische Nivellierung beim Aufstellen des Gerätes oder ein Schocksensor, der ein versehentliches Anstoßen des Gerätes erkennt, was beispielsweise bei regem Baustellenbetrieb hilfreich ist. Messreihen ermöglichen eine halbautomatische Erfassung von Messpunkten entlang einer vorgegebenen Linie oder innerhalb einer Fläche. Bei tachymetrischen Systemen ist auch eine CAD-Datenprojektion möglich: Damit können CAD-Daten (z.B. polygonale Ausschnitte oder Bohrpunkte etc.) auf eine Wand-, Decken- oder Bodenfläche projiziert werden, was ein zeitraubendes Einmessen erübrigt. Die Datenübertragung der Messdaten vom Aufmaßgerät zum mobilen PC sollte kabellos und simultan erfolgen. Damit lässt sich das aktuelle Messergebnis kontinuierlich überprüfen. Die Messdaten sollten über ein gängiges Exportformat (DXF, DWG, IFC etc.) exportiert werden können, um sie im CAD-Programm weiterverarbeiten zu können. Gehäusedaten wie Maße und Gewicht sagen etwas über die Mobilität, die IP-Schutzart und das Gehäusematerial über die Baustellentauglichkeit des Gerätes aus (Schutzarten-Übersicht: http://de.wikipedia.org/wiki/Schutzart). Die Stromversorgung sollte durch Lithium-Ionen-Akkus erfolgen, die sich schnell aufladen lassen und länger durchhalten. Zum Standard-Lieferumfang sollten ein Transportkoffer, ein Stativ, ein Ladegerät, eine Aufmaßsoftware, gegebenenfalls eine Fernbedienung und weiteres Zubehör gehören.

Fazit: Auf die Amortisation kommt es an

Wer auf der Baustelle dreidimensional aufmessen will, muss etwas mehr Geld ausgeben, als für Zollstock, Bandmaß, Bleistift und Papier. Die Kosten liegen zwischen 1.500 für einfache Systeme und wenige Messpunkte pro Aufmaß und etwa 14.000 Euro für voll ausgestattete tachymetrische Systeme sowie zwischen 15.000 und 60.000 Euro und mehr für 3D-Laserscanner mit unterschiedlichen Messgenauigkeiten und Messbereichen. Hinzu kommen jährliche Kalibrierungs- und Wartungskosten (zwischen 1.000 und 4.000 Euro). Ganz gleich, welches System man einsetzt: 3D-Aufmaße gibt es nicht auf Knopfdruck. Bei tachymetrischen Messverfahren muss jeder Messpunkt einzeln anvisiert werden, was bei großen und komplexen Objekten mit vielen Messpunkten zu einer Herausforderung werden kann. Je komplexer die Geometrie, je kleinteiliger das Objekt ist – etwa bei gebäudetechnischen Anlagen – desto aufwendiger ist eine Einzelpunkt-Erfassung und desto mehr eignet sich das 3D-Laserscanning. Wenn man nur gelegentlich Aufmaße braucht, sollte man vorher allerdings genau überlegen, ob sich Investitions- und laufende Kosten lohnen oder ob eine Dienstleistung nicht sinnvoller ist, denn nur bei einer mehrmaligen monatlichen Nutzung ist ein Kauf sinnvoll. Bei einer geringeren Auslastung ist ein Scan-Dienstleister die bessere Wahl. Dabei solle man darauf achten, dass dieser nicht nur das Gerät bedienen kann, sondern auch das Know-how und die Werkzeuge besitzt, um Kunden das Gewünschte zu liefern. Das können 2D-Messbilder, fertige Grundrisse, Ansichten und Schnitte oder ein 3D CAD- oder BIM-Modell sein. Das setzt teilweise Ingenieurwissen voraus.