BIM im Denkmalschutz

Zusammenfassung der Bachelorarbeit von Tina Smentek, B.Sc. Geoinformation und Kommunaltechnik, Frankfurt University of Applied Sciences,
Autorin: Tina Smentek

Digitaler Zwilling des Ballhauses in Kassel (mhk)

Wie der Titel schon signalisiert, handelt die Bachelor Arbeit von der Erstellung eines digitalen Zwillings des Ballhauses in Kassel als Prototyp für ein BIM der MHK. Die Grundlage bildet die Punktwolke aus einem 3D-Laserscan, welche vorab mit dem Vermessungsbüro buck erfasst wurde. Ziel ist die Erstellung der Gebäudehülle, ergänzt mit Fenstern, Türen und Innenwänden. Exemplarisch sollen anhand einer Säule und einem Tür-Riss Detailaufnahmen dargestellt, sowie ein Thema der Gebäudetechnik aufgegriffen werden. Nach der Erstellung des Gebäudemodells soll es in das Stadtmodell der Stadt Kassel anhand eines Geoinformationssystems integriert werden.

Frau Smentek beim 3D-Laserscanning des Ballhauses (mhk) in Kassel

Ein Teil des Ballhauses (mhk) das im Rahmen der Bachelorarbeit von Frau Smentek digitalisiert wurde.

Zukunft Digitalisierung / BIM

Im Laufe der Zeit rückt die Digitalisierung verstärkt in den Mittelpunkt der deutschen Arbeitswelt. Somit steht auch der Baubranche ein Kurswechsel bevor. Anforderungen an effiziente Gebäudeplanung und -betrieb sind heutzutage kaum noch wegzudenken. Die Methode des Building Information Modeling (BIM) setzt darin einen neuen Maßstab, da sie eine fachübergreifende Arbeitsmethode darstellt, in der Gebäudemodelle digital erstellt und über den kompletten Lebenszyklus datenbankgestützt verwaltet werden können. Dadurch können alle beteiligten Fachplaner des Bauwerks anhand des digital erstellten Gebäudemodells interdisziplinär arbeiten. Diese digitale Repräsentation wird auch als „digitaler Zwilling“ verstanden.

Die Bachelor Arbeit ist Bestandteil des Projekts „KulturBauDigital Geodatenmanagement und Geodateninfrastruktur zum effektiven Verwalten des baulichen kulturellen Erbes im Land Hessen“. Ziel dabei ist es, historische Denkmäler des Landes Hessen digital zu erfassen, um anschließend ein BIM-Modell zu erstellen und dieses zu verwalten. Kulturdenkmäler sind aufgrund ihres kulturellen Wertes präventiv vor Alterungsprozessen oder Zerstörung zu schützen. Dies wird durch eine Bestandsdokumentation und durch ein digitales 3D-Modell ermöglicht. Somit können geschichtliche Erzeugnisse für nachfolgende Generationen erhalten bleiben. Ebenso können sie für Restaurierungsarbeiten genutzt werden. Um die Relevanz zu verdeutlichen, kurz ein internationales Beispiel: Die gemeinnützige Organisation CyArk gründete sich im Jahr 2001, nachdem die Buddha-Statuen im Zentrum von Afghanistan von den Taliban zerstört wurden. Seitdem setzen sie sich das Ziel, unter anderem Kulturdenkmäler in Syrien vor der Zerstörung des IS für die Nachwelt aufzubewahren, indem sie digitalisiert werden. Durchgeführt wird dies anhand von 3D-Laserscannern und Verfahren der Photogrammetrie. Weltweit wurden somit schon bis zu 200 Denkmäler digitalisiert.

Außenansicht Ballhaus (Foto)

Modellierung eines Säulenfußes anhand der Punktwolke

Detail Außenansicht des Ballhauses (Modell)

Ergebnis der Modellierung

Der digitale Zwilling

Um den digitalen Zwilling zu erstellen, muss in erster Linie über die Art des Bauwerks Klarheit geschaffen werden. In diesem Fall handelt es sich, wie erwähnt, um das Ballhaus in Kassel, welches im UNESCO-Welterbe Bergpark Wilhelmshöhe liegt und von der Museumslandschaft Hessen Kassel (MHK) verwaltet wird. 1810 wurde es zunächst als Hoftheater errichtet. Nachdem es jedoch keine Verwendung mehr dafür gab, wurde es zum heutigen Ballhaus umgebaut. Um die Besonderheit des Kulturdenkmals aufzuzeigen, müssen auch die aufwendig gestalteten Gebäudeelemente im digitalen Gebäudemodell dargestellt werden.

Um eine möglichst realistische Visualisierung des Bauwerks zu erreichen, ist ein entsprechender Detaillierungsgrad erforderlich. Dieser gibt an, wie detailliert das Bauwerk abgebildet werden soll und wird auch Level of Development (LOD) genannt. In einem BIM wird zwischen geometrischen und alphanumerischen Informationen unterschieden. Beides sind Elemente des sogenannten LODs. Mit steigender Detaillierungstiefe verändert sich die Komplexität des Gesamtmodells. Das Ziel dieser Arbeit liegt daher bei einem Detaillierungsgrad zwischen 200 und 300.

Um die benötigte Detaillierung zu erreichen, ist zuvor eine Datenerfassung nötig. Die eingesetzten Messinstrumente waren:

  • ein 3D-Laserscanner für die flächenhafte und berührungslose Vermessung des Objekts zur Punktwolkenerstellung
  • ein Tachymeter und einer GNSS-Antenne, mit denen zuvor befestigte Zielmarken an den Gebäudeelementen angemessen wurden, um im Nachgang globale Koordinaten zuzuweisen. Dies ermöglicht anschließend eine Georeferenzierung

In einem nächsten Schritt wurden die Daten ausgewertet und für die eigentliche Modellierung vorbereitet. Alle Scan-Standpunkte wurden in ein übergeordnetes System gebracht und daraufhin in ein lesbares Punktwolkenformat konvertiert. Die Punktwolke wurde final eingelesen und geschnitten, um eine Datenreduzierung zu ermöglichen.

Ansicht mit dem Blick auf die Empore (Foto)

Kombination aus Modell und Punktwolke vom Standpunkt der Empore

Blick auf die Empore (Modell)

Das Ballhaus

Um das Ballhaus vollständig zu modellieren, mussten jedoch aufwendige und filigrane Bauteile modelliert werden. Diese konnten allerdings nicht von standardisierten Bauteilen hinzugefügt, sondern mussten zeitaufwendig erstellt werden. Möglich gemacht wurde dies durch Extrusion und Sweep, mit denen sich Freiformgeometrien bilden lassen. Aus 3D-Grundformen und Operationen werden beliebige Geometrien erzeugt. Eine Extrusion entsteht indem ein 3D-Profil anhand einer Draufsicht oder einem Schnitt gezeichnet wird. Eine Sweep-Form hingegen wird aus einer Linie und einem skizzierten Profil erstellt. Herausforderungen entstanden zusätzlich bei der präzisen Modellierung des Gesims, da immer nur ein 2D-Profil des Bauteils exakt modelliert wird. Somit wies die reale Deformation Abweichungen bei der Freiform-Modellierung auf. Ebenso sollte ein Tür-Riss dargestellt werden. Da dieser jedoch so fein ist, wird in diesem Fall auf eine andere Software verwiesen. Um die Möglichkeit des BIM weiter aufzuzeigen, wurden beispielhaft Bauteile für das Thema der Gebäudetechnik aufgegriffen. Dazu wurden Lüftungsgitter vor den Fenstern, ein Rauchmelder im Foyer und ein externes Inventar (Kronleuchter) aus einer Plattform die BIM-Bauteile bereitstellt, heruntergeladen und dem Modell hinzugefügt.

Damit das Gebäudemodell auch als ein BIM definiert werden kann, wurde es anschließend noch mit alphanumerischen Informationen ergänzt. Möglich war dies anhand der zusätzlichen Parameter in der Eigenschaftenpalette. Befüllt wurden diese mit Daten der letzten Restaurierung und exemplarischen Informationen des Rauchmelders.

Um eine weitere Verwendung des zuvor erstellten BIM-Modells aufzuzeigen, wird es anschließend in ein Geoinformationssystem integriert. Somit wird nicht nur das Bauwerk betrachtet, sondern auch räumliche Analysen, die die Umgebung und das Gelände mit einbeziehen sind möglich. Das Revit-Modell wird georeferenziert und schließlich in das Stadtmodell der Stadt Kassel eingefügt.

Außenansicht Ballhaus (Foto)

2D-Profilansicht des Gesims

Modellierung anhand der Punktwolke des Vordachs

Detailansicht des modellierten Gesims

Fazit

In diesem Projekt zeigte sich, dass auch komplexe Geometrien und anspruchsvolle Bauwerke die Bestandserfassung und Planung mit der BIM-Methode möglich machen. Die entstandene Punktwolke bildet mit ihrer feinen Auflösung die Grundlage für ein verformungsgerechtes Aufmaß. Dadurch können insbesondere bei historischen Denkmälern diese Erfassungsmethoden sinnvoller und wirtschaftlicher eingesetzt werden als durch traditionelle Vermessungen. Da jedoch nur die Oberfläche ersichtlich ist und keine Materialeigenschaften oder tragende Wände erkennbar sind, kann es dazu kommen, dass ein Bau- oder Kunsthistoriker die fehlenden Sachdaten ergänzen muss. Es sollte zuvor also der Aufwand dem Nutzen gegenübergestellt werden, um das BIM wirtschaftlich zu erstellen und zu verwalten. Da die Informationen gebündelt in einem Modell dargestellt werden, kann interdisziplinär besser gearbeitet werden, um z.B. Verwaltungs- und Pflegeprozesse zu vereinfachen. Sobald Schnittstellen weiterhin verbessert werden, kann das Potenzial der BIM-Methode weiter ausgeschöpft werden.