BIM-Modelle als Kommunikationsmittel in der Denkmalpflege

Zusammenfassung der Bachelorarbeit von Julian Steinhauer, B.Sc. Geoinformation und Kommunaltechnik, Frankfurt University of Applied Sciences,
Autor: Julian Steinhauer 

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Das Ballhaus (links) und sein visualisierter digitaler Zwilling (rechts)

Meine Bachelor-Thesis befasst sich mit der Fragestellung, ob visuell aufbereitete BIM-Modelle als Kommunikationsmittel in der Denkmalpflege geeignet sind, zu welchem Zweck sie eingesetzt werden können und welchen Wert sie dabei entfalten.

Um dies zu beantworten, wird zunächst der Prozess der Sanierung in der Denkmalpflege untersucht. Dazu habe ich mehrere Experteninterviews geführt, die die Sanierung dreier exemplarisch behandelter Baudenkmäler in Kassel und Marburg thematisieren. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein vereinheitlichter Prozess der Denkmalsanierung abgeleitet, um potenzielle Einsatzmöglichkeiten für visualisierte BIM-Modelle zu prüfen.

Das Ballhaus und seine Sanierung

Eines der untersuchten Baudenkmäler ist das Ballhaus im Bergpark Wilhelmshöhe. Es handelt sich dabei um ein 1810 errichtetes klassizistisches Gebäude, das ursprünglich als Hoftheater des nahegelegenen Schlosses Wilhelmshöhe diente. Doch bereits 18 Jahre nach seiner Errichtung wurde es zum Ballhaus umgebaut und erhielt in dem Zuge den bis heute mit prachtvollen Pflanzen- und Papageienmalereien verzierten Ballsaal. Seit einigen Jahren wird das Gebäude durch die Museumslandschaft Hessen Kassel, kurz mhk, verwaltet und für Konzerte und Ausstellungen genutzt.

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Lage des Ballhauses im Bergpark Wilhelmshöhe, Quelle: Google Earth

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Der Ballsaal, Quelle: mhk

Ab 2005 fand eine umfangreiche Instandsetzung an dem Baudenkmal statt. Dabei gab es zwei Ziele, die durch die mhk verfolgt wurden:

  • Zum einen sollte die Bemalung im Ballsaal restauriert werden, da sich durch raumklimatische Einflüsse einige Farbschichten gelöst hatten.
  • Zum anderen sollte das Ballhaus für größere Veranstaltungen genutzt werden können. Bis dahin war dies aus raumklimatischen Gründen nicht möglich, ohne die holzgetäfelten Wände und das bemalte Tonnengewölbe zu gefährden.

Somit wurde ein neues Raumklimakonzept entwickelt und in entsprechenden baulichen Änderungen umgesetzt. Der Prozess der Sanierung stellte sich so dar, dass zunächst historische Bauforschung betrieben wurde und eine umfangreiche Schadensaufnahme erfolgte. Auch ein Aufmaß wurde angefertigt, um eine geeignete Plangrundlage zu schaffen. Es wurden Konzepte entwickelt, wie das Raumklima besser vom Außenklima zu trennen sei. Die Planungen wurden mit den Denkmalbehörden abgestimmt und schließlich (teilweise) baulich realisiert.

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Der Ballsaal, Quelle: mhk

Aufbereitung des Ballhaus-Modells

Im anschließenden Praxisteil meiner Bachelorarbeit habe ich ein BIM-Modell des Ballhauses visualisiert, um es als mögliches visuelles Kommunikationsmittel in zukünftigen Sanierungsmaßnahmen oder für weitere Zwecke der Denkmalpflege einzusetzen.

Dazu wurde auf ein bestehendes BIM-Modell zurückgegriffen, das mir durch das Vermessungsbüro buck zur Verfügung gestellt wurde. Es wurde vergangenes Jahr von Frau Smentek im Rahmen ihrer Bachelorarbeit auf Grundlage eines 3D-Laserscans angefertigt. Vielleicht erinnern Sie sich an ihren Blogeintrag dazu? Das BIM-Modell beinhaltete alle relevanten Gebäudeteile, jedoch fehlte eine Festlegung deren Materialien. Auch Texturen waren keine vorhanden, sodass für eine realitätsnahe Darstellung des Denkmals zunächst einige attributive Anpassungen vorgenommen werden mussten.

Welche Anpassungen waren notwendig?

Für die Datenaufbereitung wurde die BIM-Software Autodesk Revit verwendet. Um den Bauteilen Materialien zuzuweisen, konnte ich auf die umfangreiche Materialbibliothek des Programms zurückgreifen. Für die Wände, Decken und Böden war es notwendig, vorab mehrschichtige Konstruktionen anzulegen, um zwischen Innen- und Außenseite bzw. Ober- und Unterseite unterscheiden zu können. Dadurch wurde es möglich, entsprechend unterschiedliche Materialien je Seite zuzuweisen.

Für Bauteile, für die es keine entsprechenden Materialien gab, wurden neue angelegt und mit individuellen Texturen versehen. Als Texturen können Bilddateien im JPG und PNG Format verwendet werden. Für das Vollholzparkett im Ballsaal wurde zum Beispiel eine benutzerdefinierte Textur in Adobe Photoshop erstellt, um die Struktur und das Muster bestmöglich im BIM-Modell abzubilden.

Für Malereien empfiehlt Autodesk sogenannte Abziehbilder. Diese haben den Vorteil, dass sie nicht die komplette Bauteiloberfläche bedecken und in gewünschter Skalierung auf dem Bauteil ausgerichtet werden können. Einschränkend wirkt jedoch, dass sie sich nur auf flachen oder zylindrischen Oberflächen platzieren lassen. Aus diesem Grund mussten geometrisch komplexe Bauteile wie der Fries oder das Tonnengewölbe zunächst in ihrer Form leicht angepasst werden, um Abziehbilder zur Darstellung der Malereien zu nutzen.

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Erstellung einer Textur für das Parkett, Quelle (Bild rechts): mhk

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Anpassung des Tonnengewölbes zur Verwendung von Abziehbildern

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Anpassung des Frieses zur Darstellung der Bemalungen

Rendering im Visualisierungsprogramm Enscape

Im Anschluss an die Aufbereitung des BIM-Modells erfolgte in einem nächsten Schritt seine Visualisierung. Dazu wurden drei verschiedene Rendering-Programme erprobt, unter anderem Enscape, das als Plug-In in Revit integriert wird. Eine Besonderheit der Visualisierungssoftware ist, dass sie Echtzeit-Rendering unterstützt und somit parallel zum Modellieren auf einem zweiten Bildschirm laufen kann. Für die erzeugten Darstellungen des BIM-Modells sind verschiedene Qualitätsstufen einstellbar, von einer einfachen Entwurfsqualität bis hin zur realistischsten Einstellung Ultra. Dadurch kann der Anwender entscheiden, ob er performanter oder in besserer Darstellungsqualität arbeiten möchte. Für mich hat sich in der Praxis herausgestellt, dass es trotz leistungsfähiger Hardware am angenehmsten ist, die Live-Updates anzuhalten und das Rendering nur bei Bedarf hinzuzuschalten.

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Der visualisierte Ballsaal, Blickrichtung Süd

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Der visualisierte Ballsaal, Blickrichtung Nord

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Detaildarstellung von Säule und Fries, Quelle (Bild rechts): Tina Smentek

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Detaildarstellung Eingangstür zum Ballsaal, Quelle (Bild rechts): Tina Smentek

Welche Ausgabeformen gibt es für die Visualisierungen?

Enscape unterstützt zahlreiche Exportmöglichkeiten, angefangen bei einfachen Screenshots und Fly-Through-Videos bis hin zu eigenständig ausführbaren Programmdateien. Diese machen es Anwendern ohne entsprechende Programme möglich, das visualisierte Denkmal zu betrachten und zu begehen. Eine ebenfalls besonders zugängliche Ausgabeform stellen QR-Codes dar, die mit einem Smartphone oder Tablet gescannt werden können, um 360° Panoramen aufzurufen.

Eine weitere interessante Darstellungsform stellt Virtual Reality dar. Diese ist mit Enscape und einem entsprechenden VR-Headset möglich. Im Vermessungsbüro buck stand mir dazu ein Oculus Rift S Headset zur Verfügung. Dieses wird an die Grafikkarte des Rechners angeschlossen und ermöglicht, dass der Anwender, während er sich mit der VR-Brille durch das BIM-Modell bewegt, das Gefühl vermittelt bekommt, sich physisch im Ballhaus aufzuhalten. Die Steuerung erfolgt dabei über die beiden Touch Controller und die in der VR-Brille verbauten Sensoren. Somit ist es möglich, sich durch Kopfbewegungen im Ballsaal umzusehen und das Modell auf immersive Weise zu erkunden.

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Oculus Rift S VR-Headset

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Das VR-Headset im Einsatz

Einsatz in der Denkmalpflege

Zunächst ist festzustellen, dass die BIM-Methode bisher kaum Anwendung in der Sanierung von Denkmälern findet, da in der Denkmalpflege viele kleine Handwerksbetriebe tätig sind, die lieber auf altbewährte Planungsmethoden vertrauen. Insofern ist es auch schwierig, visualisierte BIM-Modelle für Online-Meetings in Virtual Reality zu nutzen, wie sie in manchem Rendering-Programm möglich sind. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass Denkmäler in der Regel zahlreiche Verformungen aufweisen, die sich in BIM-Modellen nur schwierig darstellen lassen, da das Modellieren meist mit standardisierten Bauteilen erfolgt.

Wird jedoch trotz dieser Schwierigkeit ein BIM-Modell im Vorfeld einer denkmalpflegerischen Maßnahme erstellt, können Renderings anschließend dazu eingesetzt werden, Sanierungskonzepte auf visuell einfach verständliche Weise zu kommunizieren. Somit können Laien (etwa der Denkmaleigentümer oder interessierte Bürger) bei anstehenden Sanierungsmaßnahmen besser einbezogen werden. Auch die Kommunikation mit Personen vom Fach (z.B. der Denkmalbehörde) kann durch den visuellen Aspekt der Renderings gegenüber herkömmlichen 2D-Plänen vereinfacht werden.

Fazit

Da das Erhaltungsinteresse an einem Denkmal weit in die Zukunft reicht und davon auszugehen ist, dass weitere Sanierungen folgen werden, ist eine gute Dokumentation aller Informationen von großer Bedeutung. Die Menge an Planungsunterlagen, die für Prozesse der Denkmalpflege erstellt werden, steigt dabei mit den immer komplexer werdenden baulichen Maßnahmen und Regularien. Historische Bauforschung, Gutachten der Fachplaner, Schadensaufnahmen und dokumentierte Absprachen zwischen Denkmalpflegern und Baubeteiligten sorgen für eine immer größer werdende Informationsmenge, die es zu überblicken gilt. Die BIM-Methode kann hierzu essenziell beitragen, da sie es ermöglicht, alle Informationen in einem einzigen Modell zu bündeln und an den entsprechenden Bauteilen zu verorten. Auch Rendering-Software, wie das vorgestellte Enscape, können ihren Teil dazu beitragen, da sie verschiedene Funktionalitäten bietet, um vielfältige Sachverhalte auf visuell einfache Weise darzustellen und zu kommunizieren.