Bestandsdatenerfassung für die TGA mit und ohne Laserscanning für Retrofitting-Maßnahmen

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Dieser Use Case wurde im Rahmen des FFG Innovationscamps M - BIM4WARD erstellt. (FFG Projektnummer: 893653)

Die Dokumente entsprechen der aktuellen Best Practice und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie sind auch nicht im Sinne einer aus rechtlicher Sicht allgemeingültigen Empfehlung oder Leitlinie zu verstehen, sondern soll Auftraggeber und Auftragnehmer bei der Anwendung der BIM Methode unterstützen. Die Use Cases müssen den jeweiligen spezifischen Projektanforderungen angepasst werden. Die hier aufgeführten Beispiele erheben keinen Anspruch an Vollständigkeit. Informationen beruhen auf Erkenntnissen aus der Praxis und sind dementsprechend als Best Practice und nicht allgemeingültig zu verstehen. Da wir uns in einer Phase befinden, in der Definitionen erst entstehen, kann der Herausgeber keine Gewährleistung für die Richtigkeit einzelner Inhalte übernehmen.

Eine valide Bestandsdatenerfassung bildet die Grundlage für die Planung von Retrofitmaßnahmen (z.B. Renovierung, Modernisierung etc.). Die Dokumentation von Bestandsgebäuden ist in vielen Fällen mangelhaft, da Informationen zum Bauzeitpunkt nicht lückenlos zurückgeführt wurden bzw. aktualisiert wurden. Building Information Modeling (BIM) wird überwiegend für Neubauprojekte eingesetzt, aber kaum für Projekte im Bereich Retrofitting. Die Technologie Light Detection and Ranging (LiDAR) bietet hierfür großes Potential, um auf Basis von Punktwolkendaten digitale Bauwerksmodelle mit hoher Genauigkeit von Grund auf zu erstellen. Ergänzend dazu werden neben der Geometrie auch Bildinformationen generiert, die bei der nachträglichen Reproduktion von Bestandsdaten hilfreich sind. Dieser Use-Case beschreibt die Bestandsdatenerfassung für die Gebäudetechnik mit und ohne LiDAR bzw. Laserscanning-Technologie im Rahmen der Grundlagenanalyse (Leistungsphase 1) für Retrofitting-Maßnahmen. Der modellierte Workflow, mit und ohne Laserscanning, stellt die einzelnen Aufgaben dar, die vom Fachplaner Technische Gebäudeausrüstung (TGA) zu erledigen sind (z.B. Aufbereitung bzw. Erstellung von Unterlagen). Die erstellten Unterlagen dienen dem Auftraggeber als Entscheidungsgrundlage für die Umsetzung von Retrofitting-Maßnahmen. In den modellierten Workflows werden die Unterschiede zwischen einer konventionellen Bestandsdatenerfassung mit Geräten wie Rollmaßband, Kameras etc. und dem Einsatz eines Laserscanners dargestellt. Die Effizienz und der Mehrwert des Einsatzes von Laserscannern in der Bestandsdatenerfassung werden anhand dieses Use-Cases erläutert.

Dieser Use-Case zeigt den Unterschied zwischen der Bestandsdatenerfassung mit und ohne den Einsatz von Laserscanning-Verfahren. Im Fokus der Betrachtung steht die Erfassung von Daten über das Bauwerk und die gebäudetechnischen Anlagen. Um die beiden Workflows mit und ohne Laserscanning zu vergleichen, werden zwei Prozessdiagramme erstellt.

Die konventionelle Bestandsdatenerfassung ist ein zeitaufwändiger Prozess und mit einem hohen manuellen Aufwand verbunden. Es werden unterschiedliche Messinstrumente für die Erfassung von geometrischen und semantischen Informationen benötigt (z.B. Rollmaßband, Kamera etc.). Diese Informationen sind in der Regel nicht miteinander verknüpft und werden manuell zusammengeführt, was ein fehleranfälliges Verfahren darstellt. Die Erfassung von Bestandsdaten mithilfe von Laserscanning-Technologien können viele manuelle Prozessschritte automatisiert werden. Die geometrischen Messdaten werden mit einer hohen geometrischen Genauigkeit erfasst. Darüber hinaus wird die Messdatenerfassung durch Laserscanning zeiteffizienter und die geometrischen und semantischen Informationen (z.B. Fotos) können auch zu einem späteren Zeitpunkt reproduziert werden. In diesem Use-Case werden die Prozesse der Bestandsdatenerfassung mit und ohne Laserscanning dargestellt. Es werden anhand der Prozessmodelle die Unterschiede im Prozessablauf dargestellt z.B. welche Aufgaben hinzukommen bzw. entfallen und welche Outputs erstellt werden. Durch diese Gegenüberstellung der beiden Prozessmodelle kann gezeigt werden, welche Prozessschritte automatisiert werden können. Der Umfang der beiden Prozessmodelle umfasst die Erfassung, Aufbereitung und Weiterverarbeitung von Daten, die für die Planung von Retrofitting-Maßnahmen erforderlich sind.  

Das Ziel dieses Use-Cases ist die Modellierung eines Prozesses mithilfe von Business Process Model and Notation (BPMN) für die Erstellung eines as-is BIM-Modells von Grund auf („BIM from scratch“). Die Erstellung eines BIM Modells mithilfe einer Punktwolke, die auf Basis eines Laserscans erstellt wird, bezeichnet man als SCAN2BIM Ansatz. Der Mehrwert des Einsatzes von Laserscanning-Verfahren im Rahmen der Bestandserfassung wird aufgezeigt. Insbesondere der Nutzen von präzisen geometrischen, visuellen und semantischen Informationen aus Laserscanning-Aufnahmen für die Planung von Retrofit-Maßnahmen ist dabei essentiell.

Auf der Use-Case-Management Plattform wurde die Thematik „Scan2BIM“ bereits in einigen Use-Cases behandelt. Im Folgenden wird die Abgrenzung zu inhaltlich verwandten Dokumenten, die auf der UCM-Plattform veröffentlicht werden, erläutert.

Mit dem Use-Case “Scan2BIM – Bestandsmodell” (GUID: F4D2619B-2E2C-4D8E-92A5-42303A40B6B9) gibt es einige Schnittmengen, in Bezug auf die Anforderungen an Laserscans bzw. die Erstellung eines Bestandsmodells. Der Use-Case „Scan2BIM – Bestandsmodell”  endet nach der Erstellung der Punktwolke. In diesem Use-Case liegt die Betrachtung auf der gesamte Prozesskette, von der Bestandsdatenerfassung bis hin zur Planung von Retrofitting-Maßnahmen, mit Fokus auf die Fachplanung TGA. Eine klare Differenzierung gibt es zum Use-Case “Retro BIM” (GUID : 45ECD0BD-68F1-40FC-A690-2D460DCC0227), da in diesem Use-Case die Erstellung eines digitalen Zwillings das Ziel ist. In diesem Use Case geht es primär um die Beschreibung des Ablaufs, welche Aufgaben bei der Durchführung von Retrofit-Maßnahmen für die TGA zu erledigen sind. Im Use-Case “3D Modeling of Existing Asset Based on Point Clouds (Scan2BIM)” (GUID : E4541133-68BC-40B2-B634-B5B5E0A049FE) geht es um die Integration des entwickelten „3DASH Tool“ in den Renovierungsprozess für die Erstellung eines as-built BIM Modells auf Basis von 3D Punktwolken. In diesem Use-Case geht es um eine generische Beschreibung des Ablaufs für die Planung von Retrofitting-Maßnahmen im Bereich der TGA und welche Informationen erforderlich sind bzw. erhoben werden müssen. Daher werden im Detail keine spezifischen Tools erläutert, die im Rahmen des Workflows eingesetzt werden könnten. Auch im Use-Case “Bauablauf-integrierte asBuilt-Dokumentation” (GUID : AFF48E79-8424-4FDC-9223-F91E65D877B0) wird der Einsatz von Laserscanning für die Erstellung einer asBuilt-Dokumentation beschrieben. Die Verwendung der erstellten asBuilt bzw. as-is Dokumentation divergiert. Der Use-Case “Bauablauf-integrierte asBuilt-Dokumentation” zielt auf die Abrechnung von Bauteilen im Bauablauf sowie die Weiterverwendung einer asBuilt-Dokumentation für den Gebäudebetrieb ab. Dieser Use-Case zielt darauf ab, die aufgenommen Bestandsdaten vorrangig für die Planung von Retrofitting-Maßnahmen zu verwenden. Die Weiterverwendung der Daten für die Betriebsführung ist sekundär.

Dieser Use-Case zeigt den Unterschied zwischen der Bestandsdatenerfassung mit und ohne den Einsatz von Laserscanning-Verfahren. Im Fokus der Betrachtung steht die Erfassung von Daten über das Bauwerk und die gebäudetechnischen Anlagen. Um die beiden Workflows mit und ohne Laserscanning zu vergleichen, werden zwei Prozessdiagramme erstellt.

Konventionelle Bestandsdatenerfassung in der TGA

Der Prozessablauf der konventionellen Bestandsdatenerfassung für TGA-Systeme ist als BPMN-Modell in Abbildung 1 dargestellt.

Am Projektbeginn kommt es zwischen dem TGA-Planer und dem Auftraggeber (AG) zum Erstgespräch, in welchem der Bedarf und die aktuellen Problemstellungen erörtert werden. Auf Basis dieses Gesprächs werden Projektzielsetzungen, Anforderungen, der Leistungsumfang und die daraus resultierenden Maßnahmen festgelegt (RI_1). Darüber hinaus werden beim AG alle notwendigen Unterlagen und Informationen angefragt, welche Bestandsinformationen vorliegen (RI_2). Nach Erhalt der Unterlagen, werden diese gesichtet, analysiert und bilden die Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise von TGA-Anlagen. Diese Bestandsinformationen bilden die Basis für den Abgleich mit den zu erhebenden Daten. Die Aufnahme der Bestandsdaten vor Ort erfolgt im Rahmen einer Besichtigung der Anlage. Bei der Besichtigung werden alle relevanten Komponenten manuell vermessen (z.B. Rollmaßband) und mit Fotos dokumentiert. Des Weiteren wird der Zustand der Rohrleitungen und Einbauteilen (z.B. Pumpen, Ventile etc.) begutachtet. Ebenso werden Raumabmessungen kontrolliert, da es aufgrund von Umbauten und nicht aktualisierten Unterlagen, zu Abweichungen kommen kann. Die gesammelten Informationen werden zusammengetragen, aufbereitet und anschließend die Bestandsdokumentation erstellt (RO_1). Abweichungen zwischen aufgenommenen und bestehenden Daten werden vermerkt und abgeändert. Unter gegebenen Umständen kann es nach dem Zusammenführen den Informationen zu offenen oder ungeklärten Fragen kommen, wodurch eine weitere Begehung der Anlage erforderlich ist. Mit den aufgenommen und erhaltenen Information und Daten wird dann die gesamte Anlage neu berechnet und überarbeitet. Sämtliche Adaptierungen werden vermerkt und in einem Bericht zusammengeführt. Ebenso werden neue Schemata und Grundrisspläne erarbeitet (RO_2). Diese Ergebnisse der Analyse und die Aktualisierung der Bestandsinformationen bilden die Basis für die detaillierte Ausarbeitung des Planungskonzeptes (RO_3). Abschließend wird die Kostenschätzung erstellt (RO_4), die dem AG als Entscheidungsgrundlage dient. Bei einer positiven Rückmeldung durch den AG geht das Projekt weiter in die Ausführungsplanung und die Erstellung von Ausschreibungsunterlagen. Im Falle einer negativen Bewertung gibt es zwei Möglichkeiten. Eine Option wäre, dass das Projekt nicht fortgesetzt wird. Die andere Option wäre, dass das Projekt aus wirtschaftlichen Gründen (z.B. Budget) derzeit nicht umgesetzt werden kann und alternativ eine Überarbeitung des Planungskonzeptes angestrebt wird.

Bestandsdatenerfassung mit Laserscan-Verfahren in der TGA

Viele Aufgaben mit und ohne Laserscanning-Verfahren sind deckungsgleich im Prozessablauf der Bestandsdatenerfassung, wie ein Vergleich der Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigt. Daher werden nachfolgend die wesentlichen Unterschiede erläutert, die im Prozessmodell der Abbildung 2 gelb markiert sind.

Für die Besichtigung und Bestandsdatenerfassung vor Ort mittels Laserscan, ist im Vorfeld abzuklären, welche Bereiche erfasst (z.B. Innenbereich, Außenbereich) und welche Modelle (z.B. Architektur, Haustechnik) erstellt werden sollen, da diese Fragestellungen einen wesentlichen Einfluss auf die Auswahl des Laserscans (z.B. mobil, stationär, Kombination) haben. Für die Informationserhebung mit Laserscan sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

• Abklärung des Detailgrades von Einbauteilen - Der Detaillierungsgrad bestimmt die geometrische Genauigkeit des Laserscans und beeinflusst die Modellgröße sowie die Scandauer. Beispielsweise ist im Vorfeld abzuklären, ob die Elektroverkabelung oder kleine Rohrdurchmesser zu erfassen sind, da die Scaneinstellungen für den Messvorgang entsprechend zu konfigurieren sind.
• Fotodokumentation - Laserscanner ermöglichen neben der Erfassung von Punktwolken, auch detaillierte Bildaufnahmen. Für die Bildgebung spielen die örtlichen Lichtverhältnisse eine wichtige Rolle. Daher sind auch gegebenenfalls Lichtquellen einzuplanen, um eine detailreiche Fotodokumentation während der Scanaufnahmen zu erstellen.
• Planung der einzelnen Scans - Für die Erstellung von 3D-Modellen auf Basis einer Punktwolke ist die nahtlose Erfassung des Objektes von zentraler Bedeutung. Daher sind für die Durchführung von Laserscans die einzelnen Aufstellungsstandorte im Objekt für die einzelnen Scans zu planen, um eine ausreichende Überlappung von Teilabschnitten zu gewährleisten.

Während der Datenerfassung vor Ort werden die einzelnen Scans bereits vorverarbeitet. Softwarelösungen von Laserscanherstellern bieten eine große Bandbreite an Features, die bei der Datenauswertung unterstützen. Typische Anwendungen, in welchen solche Registrierungstools unterstützen, sind Bereinigung von Spiegelungen, Ausdünnen von Punktwolken sowie das Entfernen von Ausreißern. Im nächsten Schritt werden die in den einzelnen Scans aufgenommenen Massenpunkte mit Hilfe statistischer Methoden in zusammenhängende Bereiche strukturiert. Dieser Schritt wird auch als Segmentierung bezeichnet. Anschließend werden die einzelnen Bauteile klassifiziert (z.B. Stützen, Rohre etc.). Im letzten Schritt werden die aufbereiteten Punktwolken in ein Zielsystem (z.B. Revit, Sema, etc.) transferiert, in welchem die 2D bzw. 3D-Modellierung im für den gewünschten Level of Information Need (LOIN) erfolgt. Die erstellten Daten (RO_1*) können als virtuelles 3D-Modell, 3D-Pläne oder als Punktwolke in einem neutralen Datenformat (z.B. E57) vorliegen und weiterverwendet werden. In diesem Fall werden die Daten aus dem Laserscan für den Abgleich der Bestandsdaten herangezogen (z.B. Überlappung der Punktwolke mit bestehenden 2D-Plänen) oder für die Aktualisierung von Bestandsplänen.