Marktüberblick 3D-Laserscanner: Reales BIM-konform erfassen

KIEL, 07.01.2019 - Damit auch der Bauwerksbestand in die BIM-Planung eingebunden werden kann, muss er zunächst dreidimensional erfasst werden. 3D-Laserscanner erfassen alles BIM-konform und in Sekundenschnelle. Wie die teure Technik funktioniert und was Sie bei der Anschaffung beachten müssen, zeigt unser Marktüberblick.

von Dipl.-Ing. Marian Behaneck, Jockgrim

Mit 3D-Laserscannern lässt sich der Bauwerksbestand schnell in BIM-Projekte integrieren.
Mit 3D-Laserscannern lässt sich der Bauwerksbestand schnell in BIM-Projekte integrieren. | Foto: Laser Scanning Architecture

Sollen Neubau-, Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen BIM-konform (Building Information Modeling, bi BauMagazin 1/16: Erst digital, dann real bauen) geplant werden, ist in der Regel zunächst ein präzises 3D-Aufmaß erforderlich. Je präziser und zuverlässiger es ist, desto geringer ist die Gefahr teurer Folgekosten aufgrund ungenauer Planungsgrundlagen. Das 3D-Laserscanning eignet sich dafür in idealer Form, denn es erfasst auch komplexe, krumme und schiefe, frei geformte und filigrane Bauwerksstrukturen oder Geländeformen dreidimensional, präzise und in kurzer Zeit.

Das Messprinzip ist einfach


Ein auf einem Dreibeinstativ nacheinander an mehreren, strategisch günstigen Punkten aufgestellter, vertikal in einem Winkel von bis zu etwa 320 Grad messender Laserscanner rotiert horizontal um die eigene Achse. Während einer 360-Grad-Umdrehung speichert er damit alle geometrischen Umgebungsdaten, die entsprechend einer zuvor gewählten Genauigkeit erfasst werden. Mit einer Umdrehung werden –  je nach gewählter Auflösungsstufe – bis zu mehrere hundert Millionen 3D-Messpunkte umfassende „Punktwolken“ generiert. Eine eingebaute, kalibrierte Digitalkamera liefert zusätzlich visuelle Informationen vom Messobjekt und seiner Umgebung.
Da der Scanner nicht durch massive Objekte wie Bauteile, die Topographie oder Vegetation hindurch messen kann, machen durch Objektvorsprünge oder -einschnitte bedingte „Mess-Schatten“ eine mehrfache Aufstellung an unterschiedlichen Standpunkten erforderlich. Dabei entstehen mehrere Punktwolken, die später über Referenzpunkte passgenau übereinander gelegt werden. Während die Messung vor Ort bei einfachen Objekten in wenigen Minuten erledigt ist, ist die Punktwolken-Auswertung etwas aufwendiger. Dennoch lassen sich im Vergleich zu anderen Messverfahren insgesamt etwa ein Drittel an Zeit und Kosten einsparen.
Punktwolke als Ergebnis des Laserscans
Der Scanner tastet mit Hilfe einer Spiegeloptik und eines Laserstrahls Objekte zeilenweise ab. Als Ergebnis erhält man Punktwolken für die CAD-Planung. | Foto: Faro
Für die Auswertung werden die Messdaten im Büro mit Hilfe einer speziellen Software eingelesen und gefiltert. Dabei werden für die Objekterfassung relevante von nicht relevanten Messpunkten getrennt. Anschließend können für eine Schnell-Auswertung durch die Punkwolken beliebige Horizontal- oder Vertikalschnitte gelegt werden. Bei der eigentlichen 3D-Auswertung werden aus den Punktdaten für CAD-Programme verwertbare 3D-Geometrien erzeugt. Dabei werden unter Zuhilfenahme relevanter Messpunkte (meist Objektecken oder -kanten) manuell oder halbautomatisch CAD-Elemente (Linien, Bögen, Quader, Zylinder etc.) konstruiert. Werden anstelle von CAD-Bauteilen, mit Zusatzinformationen (Attributen) hinterlegte BIM-Objekte eingegeben, kann das Laserscanning-Aufmaß auch direkt für die BIM-Planung genutzt werden. Die gescannten und fotografisch erfassten Objekte lassen sich zudem in Form von 360°-Kugelpanoramen visualisieren. Darin kann sich der Betrachter am PC-Monitor oder per VR-Brille interaktiv bewegen oder Details heranzoomen – fast so, als stünde er mitten im Objekt oder Gelände.
Viele BIM-fähige CAD-Programme können inzwischen Punktwolken direkt importieren und verarbeiten
Viele BIM-fähige CAD-Programme können inzwischen Punktwolken direkt importieren und verarbeiten. | Abb.: Graphisoft

Einsatzbereiche und Vorteile von 3D-Scannern


Aktuelle 3D-Scanner sind in der Lage, ein 360 x ca. 320 Grad-Raumpanorama mit einer Auflösung von bis zu einer Million Messpunkten pro Sekunde zu erfassen – und das, je nach Messdistanz, bis auf wenige Millimeter genau. Da berührungslos gemessen wird und die Datenerfassung relativ schnell erfolgt, lässt sich die Verweildauer vor Ort minimieren. Das reduziert auch die Wetter- oder Schadstoffexposition, das Unfallrisiko (Straßenverkehr, laufender Baubetrieb etc.) und die Gefahr von Beschädigungen. Zudem ist keine Ausleuchtung erforderlich, was Aufmaße tageszeit- und lichtunabhängig macht. Damit stellen Tunnel, dunkle Installations-Zwischengeschosse, Installationsschächte, Behälter oder lichtempfindliche Objekte etc. kein Problem dar.
Die Geometriedaten, Farb- und Texturinformationen lassen sich vielfältig nutzen. Entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung können aus den 3D-Daten beliebige 2D-Pläne für die Hoch- oder Tiefbauplanung, den Gebäudebetrieb oder für Visualisierungen, Animationen und Präsentationen generiert werden. Aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit, Schnelligkeit und Präzision ist das 3D-Laserscanning vielfältig einsetzbar. Von der Bestandserfassung und Dokumentation, Bestandssicherung und Überwachung von Bauobjekten, über die "As-Built-Bestandsdokumentation" realisierter Bauobjekte – bis hin zur Bauschadenanalyse, 3D-Visualisierung oder die Übergabe von Gebäudedaten für die BIM-Planung reicht die Palette der Einsatzmöglichkeiten. Auch baubegleitend lassen sich 3D-Laserscanner für die Qualitätssicherung einsetzen – etwa um Bau- oder Montagefehler, Soll- und Ist-Abweichungen zu erfassen etc.

Bei der Auswertung werden die Punktdaten sukzessive durch CAD- oder BIM-Objekte – hier eine Stütze – passgenau überlagert
Bei der Auswertung werden die Punktdaten sukzessive durch CAD- oder BIM-Objekte – hier eine Stütze – passgenau überlagert. | Abb.: Laser Scanning Architecture

Von der Punktwolke zum BIM-Modell


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

Doch BIM ist nicht nur 3D! Zusätzlich sind eine Erfassung und Identifikation von Bauelementen mit oder ohne Schichtaufbau oder von Materialien und das Einpflegen dieser Informationen in das BIM-Modell erforderlich. Der Aufwand und die Dauer der Auswertung hängen davon ab, ob lediglich zweidimensionale Grundrisse, Ansichten oder Schnitte gefordert sind, einfache CAD-Volumenmodelle erzeugt werden sollen oder BIM-Datenmodelle. Damit der Geschwindigkeitsvorteil der automatischen Messung nicht durch eine mühsame, da überwiegend manuelle Auswertung der Punktwolken verloren geht, verfügen einige Auswertungsprogramme über Filtertechniken, Modellierwerkzeuge und Automatismen, mit denen Objektflächen, -kanten oder  ecken erkannt werden. So können etwa standardisierte Objekte wie Stahlprofile oder Rohrleitungen halbautomatisch generiert werden. Die beim Auswertungsvorgang erarbeiteten Vektordaten können anschließend per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle an beliebige CAD-Programme übergeben werden.
Werden Scan-Realdaten und CAD-Planungsdaten übereinander gelegt, lassen sich Abweichungen schnell erkennen
Werden Scan-Realdaten und CAD-Planungsdaten übereinander gelegt, lassen sich Abweichungen schnell erkennen. | Abb: Faro

Für jede Aufgabe der passende Laserscanner


Der Markt offeriert inzwischen eine Vielzahl von Laserscanner-Systemen. Allerdings hat jedes Modell seine speziellen Einsatzbereiche, etwa für die Erfassung von Innenräumen, Gebäuden, Anlagen oder der Topographie. Als Alternative bieten sich auch tachymetrische Messysysteme an, die einzelne Messpunkte selektiv messen und hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Wichtige Unterscheidungsmerkmale von 3D-Laserscannern sind
1.    die minimale/maximale Messentfernung in Metern,
2.    der Messbereich und
3.    die Messgenauigkeit.
Der erste Wert gibt an, von welcher minimalen bis zu welcher maximaler Distanz in Metern das Gerät messen kann (zwischen 50 Zentimetern und mehreren hundert Metern). Während im Gebäudebereich unter hundert Meter völlig ausreichen, sind im Tiefbau Reichweiten von mehreren hundert Metern gefragt.
Der zweite Wert gibt den horizontalen und vertikalen Bereich in Grad an, innerhalb dessen der Scanner Objektpunkte erfassen kann. Dieser liegt horizontal stets bei 360 und vertikal aufgrund des unter dem Scanner befindlichen Stativs bei etwa 320 Grad.
Die Messgenauigkeit sagt aus, wie präzise ein Objektpunkt in der Position bzw. in der Distanz in Millimetern auf eine typische Messentfernung von 30 bis 50 Metern gemessen werden kann.
Die Messgeschwindigkeit gibt Auskunft darüber, wie viele Messpunkte in einer bestimmten Zeit maximal gemessen werden können. Diese so genannte „Scanrate“ liegt zwischen einigen Tausend und rund 1 Million Pixeln pro Sekunde. Die mittlere Scandauer in Minuten erlaubt Rückschlüsse auf die Schnelligkeit des Systems.

Zu den Zusatzfunktionen zählen die Aufnahme und gegebenenfalls Verortung von digitalen Fotos/Videos per GPS. Kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht lernt man schnell schätzten, wenn das Gerät häufig umgesetzt werden muss. Die Schutzklasse gibt an, wie gut es gegen Staub oder Nässe geschützt ist. Gängige Schnittstellen sind ein Ethernet- und USB-Anschluss, eine Bluetooth- oder WLAN-Schnittstelle zum Notebook sowie eine SD-Kartenslot. Entscheidend ist auch eine möglichst intuitive Bedienung: sie sollte menügeführt sein und beispielsweise über ein Touch-Display erfolgen. Als Stromversorgung dienen wahlweise Lithium-Ionen-Akkus oder ein Netzkabel. Zum Standard-Lieferumfang gehören ein Transportbehälter, ein Stativ, ein Ladegerät, eine Erfassungssoftware, eine Laserschutzbrille, Referenzpunktmarken sowie weiteres Zubehör.
Tabelle Laserscanner Marktüberblick
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Laserscanning als Dienstleistung


Obwohl die Technik immer einfacher bedienbar und immer preiswerter wird, sind die Investitionskosten von 3D-Laserscannern ab 50.000 Euro noch immer relativ hoch. Zum Kaufpreis kommen jährliche Kalibrierungs- und Wartungskosten in Höhe von 2.000 bis 4.000 Euro hinzu. Auch das zusätzlich notwendige Personal mit entsprechendem Know-how amortisiert sich nur dann, wenn mehrere Objekte pro Jahr erfasst werden. Deshalb wird dieses Messverfahren von den meisten Unternehmen eher als Dienstleistung nachgefragt. Zahlreiche Ingenieur- und Vermessungsbüros haben sich inzwischen auf das Aufmaß mit Laserscannern spezialisiert und offerieren entsprechende Dienste.

Bei der Auswahl sollte man auf fachliche Schwerpunkte des Dienstleisters achten: hat er sich auf den Tiefbau, die Gebäude-Bestandserfassung, die Baustellendokumentation, die Denkmalpflege, das Bauwerks-Monitoring oder die Erfassung von Immobilien- und Liegenschaften und die Bereitstellung von Daten für die Gebäudebewirtschaftung spezialisiert? Auf das Laserscanning beschränkte Kompetenz alleine genügt längst nicht mehr. Nur diejenigen Dienstleister, die aufgrund ihres Ingenieur-Know-hows komplette Leistungen vom Scan bis zum fertigen Plan, BIM-Modell oder CAFM-Datensatz anbieten können und die Bedürfnisse ihrer Zielgruppe kennen, sind in der Lage, die Ansprüche ihrer Kunden zu erfüllen. Die Kosten für ein Laserscanning-Aufmaß lassen sich nur individuell beziffern. Sie richten sich nach der Größe und Komplexität des Objektes, nach einer eventuell notwendigen Kombination verschiedener Aufmaßverfahren und nach dem gewünschten Ergebnis (2D-Pläne, BIM-Modell, Visualisierung etc.). Bereits bei kleineren Projekten sind sie meist günstiger, als jedes andere Aufmaßverfahren.

Aus den Punktwolken und Fotoinformationen entstehen 360°-Fotopanoramen, die man etwa für die baubegleitende Qualitätskontrolle nutzen kann
Aus den Punktwolken und Fotoinformationen entstehen 360°-Fotopanoramen, die man etwa für die baubegleitende Qualitätskontrolle nutzen kann | Abb.: 3D CAD GmbH

Fazit: Technologie steht erst am Anfang


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