Die Optimierung von Planungs- und Bauprozessen durch den Einsatz von 3D-Laserscanning in Verbindung mit Building Information Modeling Der Einsatz des 3D-Laserscanning bietet in allen Phasen des Planungs- und Bauprozesses in Verbindung mit CAD-Gebäudeplanung auf Basis des Building Information Modeling (BIM) entscheidende Vorzüge gegenüber der bisher praktizierten Arbeitsweise. Das periodische Laserscanning unterstützt im jeweiligen Planungsabschnitt alle am Bau Beteiligten dabei, Arbeitsabläufe zu beschleunigen, die Qualität der Ausführung zu erhöhen, Planungsfehler zu vermeiden und Kosten zu senken. Was ist BIM? Die Anwendung des Building Information Modeling in allen Phasen des Lebenszyklus eines Gebäudes ist gegenwärtig noch nicht weit verbreitet. Dabei ergeben sich hierdurch entscheidende Vorteile von der Planungsphase über die Bauphase bis zur Nutzungsphase und sogar bis zum Rückbau einer Immobilie. Grundansatz ist ein integratives digitales Gebäudemodell, welches allen an der Planung, Bauausführung und späterer Nutzung Beteiligten zur Verfügung steht. Architekten, Fachingenieure, Baufirmen und Betreiber verwenden immer dasselbe dreidimensionale Datenmodell, welches im Lauf der sich weiter konkretisierenden Planung ständig überarbeitet wird und damit immer mehr Informationen bereithält. Dank ständig aktueller Planstände ist ein optimaler Workflow zwischen allen Projektbeteiligten gewährleistet. Gegenüber der früheren, vektorbasierten CAD-Grafik liegen nun alle verwendeten Bauteile dreidimensional und parametrisch vor. Die einzelnen Bauelemente und Einbauteile werden automatisch in Datenbanken katalogisiert und können beliebige Attribute wie z.B. Nummerierungen, Abmessungen, Kosten, Ausführungszeitraum, Anforderungen an Qualitäten usw. enthalten. Die räumlichen und gestalterischen Vorgaben des Architekten werden im Zuge der Planung vom Statiker um die konstruktiven Angaben mit intelligenten 3D-Objekten erweitert und die Dimensionierung des Tragwerkes damit direkt in das BIM Modell integriert. Die Fachplaner der technischen Gebäudeausrüstung verwenden nun dieselbe Grundlage, um eine detaillierte Ausbauplanung zu erstellen.
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Auch die Einstufung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit eines Gebäudes gemäß den Richtlinien der Deutschen Energie-Agentur (DENA) bzw. gemäß des „Green Building Certification Institutes“, welche in Zukunft eine immer wichtiger werdende Komponente sein wird, ist mit BIM aufgrund der umfassenden, detaillierten Gebäudedokumentation viel einfacher und transparenter zu ermitteln. Spezielle Programme simulieren bereits in einer frühen Entwurfsphase den Energieverbrauch der projektierten Immobilie und ermöglichen damit, die energieeffizienteste Entwurfsalternative zu realisieren. Der bauausführende Betrieb schließlich erweitert das 3D-Datenmodell um zwei weitere Dimensionen: Zeit und Kosten. Der Bauablauf wird dabei in Videos simuliert, um Teilprozesse zu veranschaulichen und bestmöglich zu terminieren. Die Ergebnisse dieser visuellen Analyse ermöglichen eine optimierte Projektsteuerung und eine verkürzte Bauzeit. Sämtliche Bauteile, die in der BIM-Datenbank mit Kostenattributen versehen sind, ermöglichen eine akkurate und jeweils aktuelle Kostenkalkulation. BIM bietet auch nach Fertigstellung des Gebäudes Vorteile in der Nutzungsphase. Der Betreiber und das Facility Management profitieren von dem digitalen Datenmodell, da sogar Möblierungen und Ausstattungen erfasst, inventarisiert und zugeordnet werden können. Für Wartungsarbeiten und technische Revisionen liegen verlässliche Daten vor. Flächenermittlungen für Raumpflegekalkulationen und Volumina für Energieverbrauchsberechnungen sind bereits im BIM-Modell enthalten. Was ist 3D-Laserscanning? Laserscanning ermöglicht die räumliche Abbildung der gesamten Umgebung im digitalen Modell mittels der Erzeugung einer Punktwolke. Diese enthält die räumlichen Koordinaten aller erfassten Objekte in Form von mehreren Millionen Einzelpunkten als Ergebnis des reflektierten Laserstrahls. Das Verfahren ist höchstgenau, berührungslos und schnell, so dass selbst große Objekte und komplexe Geometrien exakt und wirtschaftlich erfasst werden können. Durch Zusammenfügen und Referenzieren verschiedener Scanstandpunkte wird ein umfassendes dreidimensionales Modell erzeugt, welches für beliebige Auswertungen wie Abmessungen, die Bewertung von Bauschäden oder die Ermittlung von Ebenheiten von Bauteilen kurzfristig zur Verfügung steht. Kollisionsuntersuchungen werden durch die überlagerte Darstellung von der 3D-Planung und der gebauten Realität mittels der Scandaten bereits in einem frühen Stadium ermöglicht.
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Die Kombination aus visueller und geometrischer Informationsfülle ist mit keinem anderen Messgerät derzeit möglich. Fotorealistische, bei Bedarf farbige Panoramaansichten von jedem Scanstandpunkt aus dienen der ortsunabhängigen, visuellen Analyse per Internet-Viewer. Untersuchungen zur Maßhaltigkeit, Verformung und Geometrie des Objektes sind effizient und schnell ausgeführt. Beliebige orthografische 2D oder 3D Schnitte, Grundrisse und Ansichten der realen AsBuilt Situation lassen sich komfortabel aus dem digitalen Punktwolkemodell extrahieren. Aufgrund steigender Rechnerleistungen in Ingenieurbüros, fallender Hardwarepreise für Laserscanner und des nunmehr möglichen, direkten Imports der Punktwolken in aktuelle CAD-Systeme ist zu erwarten, dass die Technologie der 3D-Vermessung durch Laserscanner sich kurzfristig am Markt durchsetzen wird und schon bald zum innovativen Bauablauf bei anspruchsvollen Vorhaben gehören wird. Dadurch wird ein großer Bedarf an Fachkräften entstehen, welche in der Lage sind, BIM-Software effizient zu bedienen. Auch die Nachfrage nach Büros, welche Laserscanning anbieten, wird stark zunehmen.
Warum BIM und Laserscanning? Das periodische Laserscanning des Objektes bietet gerade in Verbund mit dem Building Information Modeling weitere Vorteile, die die Effizienz von BIM in der Planungs-, Bauund Nutzungsphase des Gebäudes nochmals erhöhen und eine weitere Wirtschaftlichkeit und Qualitätssicherung ermöglichen. Dabei ist der Einsatz nicht auf Sanierungen von Bestandsbauten beschränkt, wo eine umfassende Dokumentation des Ist-Zustandes gewünscht ist, sondern auch bei Neubauten ist das Laserscanning von Vorteil, wie folgende Ausführungen darlegen. Die U.S. General Services Administration hat bereits im Jahr 2009 die GSA BIM Guide Series herausgegeben und strebt darin die Bestandsaufnahme für alle öffentlichen Bauvorhaben mittels Laserscanning an: „The benefits of determining the spatial environment and as built conditions (by 3DImaging) have played a key role in reducing costs and delivering a higher quality engineering effort.”
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Laserscanning vor Planungsbeginn Die umfassende Dokumentation des Umfeldes der Baumaßnahme bietet schon vor Planungsbeginn die folgenden Vorzüge:
Fotorealistische Panoramaansichten der gesamten Umgebung dienen zur Erfassung des städtebaulichen Kontextes und tragen zur adäquaten Gestaltung und optimalen Einbindung des geplanten Bauvorhabens bei.
Die geometrischen Dateninhalte der Scans bieten verlässliche Angaben zu vorhandenen Geländehöhen, Maßen des Baugrundstückes oder der Baulücke, Traufhöhen der umliegenden Bebauung, der Bestandsvegetation usw.
Alle visuellen und geometrischen Informationen liegen allen Planern internetbasiert vor und können daher auch von nationalen Büros oder bei internationalen Wettbewerben komfortabel und ortsunabhängig verwendet werden.
Laserscanning im Planungsstadium Die 3D-Vermessung der As-Built-Situation im Umfeld der Baumaßnahme bei Neubauten oder der vorhandenen Bausubstanz bei Umbauten bietet während der Planung folgende Vorzüge:
Entwurfsalternativen oder verschiedene Wettbewerbsbeiträge können sehr anschaulich im realen Kontext visualisiert werden, um den besten Vorschlag zu ermitteln. Bereits hier bietet sich die Möglichkeit, diese Animationen als Bild oder Video für Marketingzwecke und verkaufsfördernde Maßnahmen zu verwenden.
Die BIM-Planung kann durch die überlagerte Darstellung mit den 3D-Scandaten sehr frühzeitig auf Maßhaltigkeit und Kollisionen überprüft werden. Eventuelle Abweichungen von der gebauten Realität werden so bereits in der Entwurfsphase erkannt und Planungsfehler mit möglicherweise hohen Folgekosten systematisch vermieden.
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Die Bestandsaufnahme vor Baubeginn dient der Beweissicherung, um den aktuellen Zustand von Nachbargebäuden zu belegen. Alle durch den Neubau eventuell verursachten Veränderungen wie Setzungen, Verwerfungen oder Risse werden somit rechtssicher dokumentiert.
Die umfassenden Scandaten stehen ebenso wie das zentrale Datenmodell der BIM-Planung allen Planungsbeteiligten zur Verfügung. Die fachspezifischen Planungsanforderungen können so systematisch analysiert und im Team diskutiert werden. Die Interaktion und Vernetzung aller Planer sorgt für optimierte Arbeitsabläufe, schnellere Entscheidungsfindungen und eine hohe Kosteneffizienz bei höheren Qualitätsstandards.
Laserscanning in der Bauphase Die 3D-Vermessung der As-Built-Situation bietet während der Bauausführung folgende Vorzüge:
Zügige Überprüfung des Rohbaus in Bezug auf Maßhaltigkeit, Geometrie, Dimensionierung und Ebenheit von Bauteilen wie Stützen, Unterzügen, Decken und Raummaßen. Beweissicherung für den Bauunternehmer, dass seine Leistung mangelfrei ausgeführt wurde. Dokumentation des erstellten Rohbaus vor haustechnischen Einbauten und Verkleidung durch den Innenausbau.
Die Rohbauscans als Bestandteil der Ausschreibung liefern in Verbindung mit dem virtuellen BIM-Datenmodell verlässliche Aussagen zu Mengenermittlung und Anforderungen. So kann die TGA-Werkplanung und Ausführung dank visueller und geometrischer Kontrolle mit präzisen und optimierten Rohr- und Leitungsführungen erfolgen. Da der Ausführungsaufwand bekannt ist, werden Sonderleistungen und Nachträge minimiert und dadurch die Baukosten gesenkt.
Fassadenbauer und Ausbaugewerke wie Trockenbau, Akustik und Möbelbau profitieren von den Rohbauscans und optimieren dank verlässlicher Maße ihre Detailplanung und Ausführungsqualität.
Laserscans dokumentieren auch die haustechnischen Installationen vor der Verkleidung mit Trockenbau und vereinfachen dadurch spätere Revisionen und Wartungsarbeiten bei komplexen TGA-Systemen wie im Industrie- oder Krankenhausbau.
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Laserscanning in der Nutzungsphase Die 3D-Vermessung in Verbindung mit der BIM-Planung bietet nach Fertigstellung des Bauwerks bei der Übergabe an den Betreiber folgende Vorzüge:
Präzise Flächen- und Mengenermittlungen zusammen mit der visuellen Dokumentation aufgrund der Scandaten vereinfachen und optimieren den Aufwand und die Kalkulation von Wartungs- Unterhalts- und Reinigungsarbeiten.
Due Diligence Prüfungen und die Ermittlung von Verkehrs- und Vermögenswerten erfolgen präzise und transparent aufgrund der umfassenden Dokumentationen.
Aufgrund der Scans liegen umfassende und aktuelle visuelle Daten vor, die bis hin zur Kartierung und Inventarisation von Möblierungen und Einbauten den Verwaltungsaufwand der Immobilie optimieren.
Fazit Für den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes von der Bestandsaufnahme bis hin zur Nutzungsphase und dem Rückbau bietet das 3D-Laserscanning in Verbindung mit dem integrierten, immer aktuellen Datenmodell des Building Information Modeling wirtschaftliche Vorteile. Davon profitieren nicht nur Entwerfer, Statiker und Haustechniker, sondern auch Bauunternehmer, Facility Manager und Nutzer der Immobilie. Wenn es gelingt, die durch das Laserscanning anfallenden Kosten auf alle Projektbeteiligten umzulegen (ähnlich wie derzeit die Bauwesenversicherung), so bleibt die Summe im Verhältnis zum Nutzen für den Einzelnen sehr gering. Der digitale, koordinierte Informationsfluss dank einer gemeinsamen Analyseplattform in Form des BIM-Modells in Verbindung mit den Laserscanning-Daten hilft allen Projektbeteiligten, eine gehobene Ausführungsqualität bei reduziertem Planungsaufwand und geringerem Kostenbudget zu erreichen. Verfasst: J. Rechenbach Dipl.-Ing. Architekt Hannover, im November 2010
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