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Drohnen unterstützen BIM-Planer

Drohnen vermessen Bauwerke und das Gelände, auf dem sie entstehen sollen, weitgehend automatisiert. Das spart Zeit und Geld. Aus den Aufnahmen lassen sich absolut realistische Modelle erstellen. Zugleich entstehen äußerst präzise Daten für die Kostenkalkulation und Baudokumentation. Die Zukunft der Planung ist 5D.

Die langen Fahrten über Land gehören der Vergangenheit an. Wenn Jan-Friedrich Köhle ein Objekt oder die Strecke einer neuen Straße begehen will, setzt er sich eine Virtual-Reality-Brille auf. Schon steht der Senior Consultant der 5D Institut GmbH aus Friedberg in Hessen vor der Brücke, der Autobahnauffahrt oder in den Wiesen, durch die bald die neue Umgehungsstraße führt. Die Landschaften und Bauwerke unterscheiden sich von ihren realen Vorbildern so wenig wie eine Person im Film von ihrem Darsteller. „Selbst nur ein oder zwei Millimeter große Details sind farbecht und in fotografischer Qualität zu erkennen“, schwärmt Köhle. Vorausgesetzt, der Infrastruktur-Experte und seine mehr als 20 Kollegen bei dem 2016 als Spin Off der Technischen Hochschule Mittelhessen gegründeten 5D Institut haben die Strecke oder das Bauwerk vorher mit einer Drohne beflogen und deren Aufnahmen photogrammetrisch zu einem Modell verarbeitet.

An deutschen Fernverkehrsstraßen gibt es rund 39.000 Brücken. Ihr Zustand muss etwa alle zwei Jahre kontrolliert werden.

Kosten sinken um wenigstens 30 Prozent

„Besonders großes Potenzial bietet der Einsatz von Drohnen bei der Inspektion und Instandhaltung von Brücken“, sagt Professor Joaquín Díaz, Partner und wissenschaftlicher Berater des 5D Instituts. An deutschen Fernverkehrsstraßen gibt es rund 39.000 Brücken. Ihr Zustand muss etwa alle zwei Jahre kontrolliert werden. Durch den Einsatz von Drohnen könnten Bund, Länder und Gemeinden auf den Aufbau von Aufzügen oder Gerüsten teilweise verzichten. Das spart Zeit und Geld. Auch wenn Brücken für Sanierungsmaßnahmen vermessen werden, geht das mit Drohnen und photogrammetrischen Methoden bis zu vier Mal schneller als mit Laserscannern. „Wir fanden das heraus, als wir gemeinsam mit einem Team von Vermessern, die mit Scannern arbeiteten, eine Brücke vermaßen“, berichtet Jan-Friedrich Köhle. Er und seine Kollegen waren vor Ort nach einem Vormittag fertig, die Kollegen mit den Scannern nach zwei Tagen.

Auch beim Straßenbau können sich Bauherrn mit Drohnen bis zu 30 Prozent der Kosten für die Bauüberwachung und -dokumentation sparen. „Die wirklich erzielbaren Einsparungen liegen allerdings noch weit darüber“, weiß Professor Díaz. „Denn Drohnen liefern Dokumentationen von erheblich besserer Qualität als analoge Arbeitsweisen.“ Bislang, so der Professor für Bauinformatik, sei es üblich, das wirklich ausgeführte Bauwerk vor Ort in Augenschein zu nehmen und mit dem Plan zu vergleichen. Dabei würden Unstimmigkeiten oft übersehen. „Wenn ich eine Neubaustrecke dagegen jede Woche befliege und die Route dafür anhand eines digitalen Modells plane, bekomme ich einen äußerst präzisen Vergleich der wirklich gebauten mit der geplanten Straße“, erklärt Díaz. „Und weil die Drohne nichts übersieht, entstehen zugleich belastbare Daten, mit denen sich Mengen und Kosten ermitteln lassen.“

 

"Mit Revit und den Dynamoskripten können wir Daten problemlos an andere Systeme übergeben.“

—Jan-Friedrich Köhle, Senior Consultant, 5D Institut GmbH

 

Revit liefert Flugdaten der Drohnen

Bevor ihre Multikopter abheben, berechnen Díaz, Köhle und ihre Kollegen aus einem georeferenzierten Autodesk Revit-Modell die Flugroute der Drohnen. Sie geben Parameter wie die gewünschte Auflösung der Punktwolke und Kamerakonfiguration vor. Mit Hilfe eines in Autodesk Dynamo entwickelten Tools ermitteln sie die optimalen Aufnahmepositionen und generieren die Flugtrajektorie unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs. Dann laden sie die Daten in die Steuereinheit der Drohne.

Die Kommunikation zwischen der Drohne und dem digitalen Modell klappt dank Autodesk Revit und der Programmierumgebung Dynamo hervorragend. „Mit Revit und den Dynamoskripten können wir Daten problemlos an andere Systeme übergeben“, erklärt Köhle.

So kann er sich darauf verlassen, dass seine Multikopter die Fassade eines Gebäudes oder ein Gelände automatisch abfliegen und vermessen. Bei der Befliegung handelt es sich um ein iteratives Verfahren. Nach einer ersten Grobbefliegung, errechnet die Software, an welchen Punkten im Gelände die Drohne nochmals Aufnahmen machen muss, um die für die photogrammetrische Weiterverarbeitung erforderliche Bildqualität zu erzielen. „So können wir auch Hindernisse wie Bäume umfliegen, deren Standort im Modell nicht vermerkt ist“, ergänzt Köhle.

Die meist mehreren Hundert Aufnahmen sowie die dazugehörigen Geodaten werden von einem Photogrammetrie-Tool wie der Autodesk Forge Reality Capture API weiterverarbeitet. Ergebnis ist eine Punktwolke beziehungsweise ein Oberflächenmodell von extrem hoher optischer Qualität.

Nach einer ersten Grobbefliegung, errechnet die Software, an welchen Punkten im Gelände die Drohne nochmals Aufnahmen machen muss, um die für die photogrammetrische Weiterverarbeitung erforderliche Bildqualität zu erzielen.

„Da Autodesk-Lösungen in der Baubranche sehr weit verbreitet sind, gibt es extrem viele Bibliotheken, die sich zu Revit dazu laden lassen. Für uns ist das ein Riesenvorteil.“

—Prof. Dr.-Ing. Joaquín Díaz, Partner und wissenschaftlicher Berater, 5D Institut GmbH

 

Mengen und Kosten automatisiert berechnen

Nach einer manuellen Nachbearbeitung können sie das Oberflächenmodell in ein BIM-Bestandsmodell verwandeln und damit die erforderlichen Materialmengen und die anfallenden Kosten ermitteln. „Anhand der räumlichen Ausdehnung errechnet unsere Planungssoftware das Volumen der einzelnen Bauteile und kann mit hinterlegten Kostendaten und Berechnungsregeln die erforderlichen Mengen und anfallenden Kosten ermitteln“, erklärt Köhle. So ließen sich Leistungsverzeichnisse und Kostenaufstellungen für Angebote teilautomatisiert erstellen. Da das 5D Institut Bauteile mit Arbeitszeiten verknüpft, berücksichtigt das entstehende Modell neben den Kosten auch noch die Bauzeit als vierte Dimension.

„Die ungenauen Handrechnungen, bei denen Praktikanten mit einem Lineal Maße aus einem Papierplan entnommen und auf dieser Grundlage die erforderlichen Mengen ausgerechnet haben, gehören damit der Vergangenheit an“, schwärmt Köhle. Kostentreiber wie fehlerhafte Mengenberechnungen oder Positionen, die Planende zunächst vergessen und sie später nachtragen, ließen sich so von Anfang an vermeiden.

Bevor die automatisierte Vorgehensweise ihren vollen Nutzen entfalten kann, müssen Köhle und seine Kollegen allerdings die erforderlichen Bauteilbibliotheken und Berechnungsregeln erstellen. Dabei können sie oft auf frei zugängliche Bibliothekselemente zugreifen. „Da Autodesk-Lösungen in der Baubranche sehr weit verbreitet sind, gibt es extrem viele Bibliotheken, die sich zu Revit dazu laden lassen“, erklärt Bauinformatiker Díaz. „Für uns ist das ein Riesenvorteil.“

Nach einer manuellen Nachbearbeitung lässt sich das Oberflächenmodell in ein BIM-Bestandsmodell verwandeln und damit die erforderlichen Materialmengen und die anfallenden Kosten ermitteln.

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