Baufortschritt im Blick
Das Überwachen und Dokumentieren von Baufortschritten war schon immer eine komplexe Herausforderung. Durch die aktuellen Entwicklungen der 3D-Datenerfassung mittels Laserscanner ist eine Digitalisierung des Baufortschritts nun schnell möglich.
HARWARE: Das Überwachen und Dokumentieren von Baufortschritten war schon immer eine komplexe Heraus-forderung. Durch die aktuellen Entwicklungen der 3D-Datenerfassung mittels Laserscanner ist eine Digitalisierung des Baufortschrittes nun schnell möglich.
Der Begriff „Monitoring“ist in der Bauindustrie mehrdeutig und lässt sich daher auf verschiedene Weise interpretieren. Die in dieser Fallstudie verwendete Interpretation des Baustellenmonitorings (CSM = Construction side monitoring) ist ein ausschließlich datengetriebener Überwachungsansatz einer Baustelle ohne jegliche Vorkenntnisse über den Bauablaufplan oder den Bauplan. Voraussetzung für CSM ist die regelmäßige Erfassung der Baustelle zu bestimmten Zeitpunkten, den sogenannten Epochen, die optional vom Bauleiter definiert werden. Ziel ist es, geometrische Veränderungen zu identifizieren, die zwischen den Messungen aufgetreten sind und den Baufortschritt aufzuzeigen.
Das Projekt wurde von Z+F in Zusammenarbeit mit der technet GmbH realisiert, einem Unternehmen, dessen Kernkompetenz die Anwendung der Ausgleichungsrechnung in großen und heterogenen Datensätzen ist. Aus dieser Expertise resultieren zahlreiche technische Lösungen. Scantra wurde für die Registrierung von terrestrischen Laserscans entwickelt und in dieser Fallstudie eingesetzt.
Motivation
Die Genauigkeit der Ergebnisse ist für die Verifizierung bestimmter Maße oder der Identifizierung von signifikanten Veränderungen der Baustelle essenziell. Voraussetzung dafür ist ein detailliertes Fehlerbudget, das sowohl den Einfluss des Sensors als auch den der Registrierung berücksichtigt. Andernfalls lassen sich Veränderungen oder Abweichungen eines Bauteils nicht von der Messunsicherheit trennen. Allerdings werden diese Aspekte bei kommerziellen Lösungen, die fast alle auf Cignoni et al. (1998) [1] basieren, nicht berücksichtigt.
Dieser Algorithmus wird auch als Point-toMesh bezeichnet und enthält eine große rechnerische Hürde. Denn die Bezugsepoche muss zunächst trianguliert werden.
Eine weitere Hürde ergibt sich im Zusammenhang mit der Weitergabe der Informationen an den Kunden. Viele Bauleiter und Architekten wollen keine verarbeiteten Punktwolken erhalten, da sie zusätzliche Software, leistungsfähige Computer und Fachwissen zur Interpretation der Daten benötigen. Daher gilt es, Informationen in einer akzeptierten Form bereitzustellen.
Datenerfassung und Objekt
Im Fokus dieser Fallstudie stand die Baustelle eines viergeschossigen Bürogebäudes mit ca. 1.900 m² Fläche. Sie wurde mit zwei Z+F Imager 5016-Scannern jeweils nach Abschluss von jedem der fünf Bauabschnitte mehrfach erfasst. Die Scanner wurden hierzu parallel eingesetzt, um die Einsatzdauer vor Ort zu minimieren. Die Ergebnisse beider Scanner werden anschließend zusammen registriert. Ziel der Dokumentation war es, den gesamten Bauzyklus von Bauphase zu Bauphase schrittweise zu überwachen. Abhängig von den Zeitabständen zwischen den einzelnen Messkampagnen sollten Elektro- und Sanitärinstallationen vor deren Abdeckung durch Rigipsplatten gescannt werden, um relevante Informationen für die zukünftige Flexibilität bei Umbauten oder Nutzungsänderungen des Gebäudes zu dokumentieren. Jede Epoche umfasste etwa 175 Scans, um die erforderliche Detaildichte von innen und teils auch von außen zu gewährleisten.
Die Daten der beiden Messgeräte wurden vollständig im Feld und in Echtzeit mit der Softwarelösung Z+F LaserControl Scout erfasst und registriert. Dies lief während der Datenerfassung auf einem Feldtablet. Die Echtzeit-Registrierung entscheidet mit über den Erfolg des Projekts, da sich die Baustelle täglich verändert, was die Möglichkeit der Integration mit späteren Scans
im Falle von Registrierungsproblemen ausschließt. Die Registrierung im Feld erfolgt nach einem zielmarkenlosen Cloud-to-CloudAnsatz, der in einem zweiten Schritt durch das für Z+F LaserControl Office verfügbare Plane-to-Plane-Modul ergänzt wird. Der Z+F Imager 5016 erfasst mit seiner HDRKamera mit integrierten LED-Spots auch hochauflösende RGB- Farbpanoramen. Dies ermöglicht die Erzeugung von farbigen Punktwolken mit hohem Dynamikumfang auch in dunklen oder stark verschatteten Umgebungen. Das ist besonders auf Baustellen im Rohbau mit schwierigen Beleuchtungsverhältnissen vorteilhaft. So konnte das Vermessungsteam ein komplettes Dokumentationsprojekt des Bauprozesses samt Farbinformationen durchführen.
Aufbereitung der Referenzepoche
Ein etabliertes Verfahren zur Registrierung von Laserscans ist die Verwendung künstlicher Zielmarken, die innerhalb einer Szene platziert werden müssen. Das setzt aber voraus, dass die Mehrheit der Ziele im Laufe der Messkampagne geometrisch stabil bleibt. Dies ist jedoch in dem sich ständig verändernden Umfeld einer Baustelle möglicherweise nicht gegeben. Daher wurde in dem vorliegenden Projekt immer der ebenenbasierte Registrierungsansatz in Scantra 2.4 verwendet, der ausschließlich redundante Informationen in Form von erfassten Ebenen aus dem Objekt selbst benutzt. Die eingefärbten Bereiche in Bild 2 heben die detektierten Ebenen hervor, während die
Farben ihre individuelle Ausrichtung wiedergeben. Das Vorgehen wird anhand einer einzelnen Epoche veranschaulicht, die aus 119 Scans besteht. Diese sind durch 230 Registrierungen redundant verbunden, die eine selbstüberprüfende Netzkonfiguration bilden. Abschließend wurde eine Blockausgleichung berechnet, die:
• die Identifizierung signifikanter Registrie
rungsfehler ermöglicht
• Diskrepanzen im Netz minimiert und
• eine Fehlerfortpflanzung durchführt.
Bezogen auf den ersten Aspekt summieren sich die mittleren Residuen auf 0,22 mm bei maximal 1,1 mm. Der letzte Aspekt, die Fehlerfortpflanzung, ist entscheidend für den Nachweis der erforderlichen Genauigkeit des Ergebnisses. Die farbigen Kugeln (Bild 3) zeigen die Lage der Standpunkte und deren Stationierungsgenauigkeit in 3D an. Im Durchschnitt haben die Stationen eine Standardabweichung bezüglich der 3D-Genauigkeit von 0,45 mm und maximal 0,9 mm gegenüber der Referenzstation, die sich in der Mitte des Netzwerks befindet. Alle erkannten Ebenen, die für die Registrierung verwendet wurden, sind in transparentem Grün eingefärbt.
Ebenenbasierte Prozessüberprüfung
Nach der Erfassung der jeweiligen Epochen erfolgte in Scantra Progress ein Fortschrittsmonitoring. Zur Veranschaulichung wird das Verfahren nur an einem Geschoss angewendet. Die Referenzepoche besteht, ebenso wie die nachfolgende Epoche dieses Geschosses, aus 39 Scans und wurde wie beschrieben verarbeitet. Die Registrierung zwischen den Epochen erfolgte unter Verwendung unveränderter Teile der Baustelle, für die zwölf Verbindungen berechnet wurden.
Die Residuen zwischen der Referenzepoche, deren innere Geometrie als unveränderlich angesehen wurde, und der nachfolgenden Epoche betrugen im Durchschnitt 0,24 mm und ein Maximum von 0,4 mm. Die 3D-Genauigkeit aller Stationen aus der nachfolgenden Epoche beträgt durchschnittlich 0,20 mm und ein Maximum von 0,6 mm bezogen auf die Referenzepoche. Mit der hohen Genauigkeit lassen sich auch kleine geometrische Veränderungen wie Putz oder Dämmschicht erkennen. Das
Grundkonzept des ebenenbasierten Monitoringprozesses ist in Bild 4 dargestellt. Eingefärbte Flächen markieren in der Punktwolke ermittelte Ebenen.
Generierte Ergebnisse
Die Ergebnisse wurden auf der Grundlage von zwei Epochen erstellt. Zwischen den beiden Vermessungen wurden Außenwände verputzt, die zu geometrischen Veränderungen führten. In Bild 5 sind zwei Scans aus dem Projekt dargestellt, die zu verschiedenen Zeiten aufgenommen wurden. Nach dem ebenenbasierten Monitoring wurden farbkodierte obj-Dateien erstellt, die die ursprünglichen Punktwolken ersetzen und es somit ermöglichen, die Daten schnell in das CAD- oder BIM-System zu importieren. Während die ursprünglichen Punktwolken ca. 2,9 GByte umfassten, belegt die exportierte Mesh-Datei nur 5,01 MByte. Hier hat der Bauleiter anhand dieser Informationen den Baufortschritt und die einzelnen Bauteile überprüft. Aus Illustrationsgründen wurden die am Boden und an der Decke befindlichen Flächen nicht visualisiert. ( anm) ■
[1] Cignoni, P., Rocchini, C., & Scopigno, R. (1998): Metro: measuring error on simplified surfaces. In: Computer Graphics Forum ( Vol. 17, No. 2, pp. 167-174). Oxford, UK and Boston, USA: Blackwell Publishers