Entwicklung von BIM-Modellen historischer Gebäude

Müssen Sie das 3D-BIM-Modell historischer Gebäude entwickeln? Befassen Sie sich mit der Restaurierung und dem Erhalt bestehender Gebäude?

In diesem Fokus zeige ich Ihnen, wie Sie eine HBIM-Software verwenden können, um ein umfassendes Projekt zur Wiederherstellung eines historischen Gebäudes zu entwickeln: von der 3D-Modellierung über die Schadensanalyse bis hin zur Identifizierung der Projektmaßnahmen und der Integration mit dem strukturellen und technischen Modell.

Ich stelle Ihnen auch einen praktischen Fall vor, den Sie als operativen Anstoß für Ihre Projekte nutzen können.

Bild des 3D-Modells

Was ist HBIM

Mittlerweile wissen wir, dass das BIM (Building Information Modeling) als operative Methodik zur Verwaltung der Prozesse von:

• Planung,
• Entwurf,
• Realisierung,
• Verwaltung,
• Wartung,
• Abbruch

eines beliebigen Bauwerks durch ein Informationsmodell, das alle Informationen über seinen gesamten Lebenszyklus enthält, entstanden ist.

Dieser Ansatz findet auch im Bereich der historischen Gebäude Anwendung und wird als Heritage oder Historical Building Information Modeling, kurz HBIM, bezeichnet.

Dank der Entwicklung von HBIM ist es möglich, detaillierte Modelle historischer Gebäude mit intelligenten parametrischen Objekten zu erstellen, die Informationen über das Gebäude, seine Komponenten und alle seine Merkmale enthalten, die im Laufe der Zeit aktualisiert, ersetzt und implementiert werden können. Neben der geometrischen Modellierung ermöglicht HBIM eine detaillierte und umfassende Analyse des Ist-Zustands: Materialerhebung, Identifizierung von Verfallphänomenen, Rissbildungen usw.

Ein BIM-Modell eines historischen Gebäudes entwickeln: Orthofoto mit Rissmuster

Es ist wichtig zu betonen, dass HBIM ein Prozess ist, der auf bestehende Gebäude angewendet wird, seien es monumentale und historisch-künstlerisch bedeutende oder gewöhnliche Wohnhäuser des letzten Jahrhunderts, und somit den Anwendungsbereich der BIM-Methode erheblich erweitert, da es auch die Erstellung von Modellen der bestehenden Bauwerke umfasst.

Die Potenziale von BIM für bestehende Gebäude

Bisher hat HBIM aufgrund fehlender gemeinsamer Normen und standardisierter Workflows sowie insbesondere aufgrund der Schwierigkeiten im Zusammenhang mit den Modellierungsphasen und der Informationsbeschaffung keine große Verbreitung im professionellen Bereich gefunden. Tatsächlich bedeutet die Modellierung eines historischen Gebäudes, dass man Elemente berücksichtigen muss, die nicht immer standardisierbar und nicht auf vordefinierte Bibliotheken zurückzuführen sind, Deformationen und Unregelmäßigkeiten, Unsicherheiten hinsichtlich der Bautechniken, das Vorhandensein von Verfallphänomenen, Veränderungen durch den Lauf der Zeit usw.

Derzeit passen sich viele Softwarelösungen diesen Anforderungen an, um den gesamten Prozess der Digitalisierung des bestehenden Baubestands umfassend zu verwalten.

Edificius verfügt beispielsweise über eine spezifische Umgebung für HBIM, mit einer speziellen Bibliothek von typischen Objekten der historischen Bauweise und einem Editor, der sich flexibel an die Besonderheiten jedes einzelnen Falls anpasst:

• Editor für Gewölbe – um Gewölbe verschiedener Art zu modellieren, indem neue spezifische Objekte genutzt werden (Tonnengewölbe, tonnenförmige Gewölbe, schiefes Gewölbe, Pavillon, Pavillon mit polygonalem Grundriss, Kreuzgewölbe, Kreuzgewölbe mit polygonalem Grundriss, Kuppel, Lünette/Öffnung, horizontaler Schnitt und vertikaler Schnitt);
• Rippe – um die Rippe sowohl im Inneren als auch im Äußeren des Gewölbes manuell oder automatisch mithilfe des Zauberstabs einzufügen;
• Decke mit Holzbalken – um eine Holzdecke zu erstellen und anzupassen, indem die Dicke der Decke, der Querschnitt, der Abstand und die Drehung der Balken festgelegt werden;
• Bereich des Verfalls – der Editor zur Definition der degradierten Fläche, der ein bestimmtes Material zugeordnet werden kann;
• Schaden – der spezifische Editor zur Identifizierung und Hervorhebung der Schäden an einem bestimmten Element des Gebäudes;
• Orthofoto – um ein Orthofoto einem Element des Gebäudes zuzuordnen und eine treue Darstellung des Ist-Zustands sowie vollständige Informationen über die Materialien zu erhalten.

Parametrische Objekte in HBIM von Edificius

In dieser Weise ist es einfach, die Schwierigkeiten bei der Modellierung zu überwinden (auch bei starken Unregelmäßigkeiten, aufwendigen Dekorationen, nicht mehr verwendeten Bauweisen) und alle Vorteile des HBIM voll auszuschöpfen:

• schnelle Bearbeitung des 3D-Geometriemodells;
• Bearbeitung und Verwaltung des Datenmodells;
• Nutzung intelligenter parametrischer Objekte;
• Dokumenten- und Datenmanagement;
• größere Kontrolle über das Projekt und die Untersuchungs- und Analysekampagnen;
• Teilen von Informationen und Modellen;
• Planung von Wartungsmaßnahmen;
• Förderung des Objekts;
• Erstellung von zeitlich aktualisierbaren Datenbanken;
• Anwendung fortschrittlicher Technologien wie virtuelle oder erweiterte Realität.

Wie man das BIM-Modell historischer Gebäude entwickelt: Workflow des HBIM-Projekts

Die Erstellung des 3D-BIM-Modells eines historischen Gebäudes ermöglicht es, alle Vorteile des BIM im Restaurierungsprojekt zu nutzen.

Sehen wir uns also an, wie man das 3D-Modell und das Restaurierungsprojekt eines historischen Gebäudes mit der HBIM-Methodik entwickelt.

Zusammenfassend sind die Hauptphasen, die zu befolgen sind:

• Strukturierung des ACDat (Datenfreigabeumgebung);
• Daten-, Unterlagen- und historische Dokumentationserfassung;
• Verwaltung und Teilen der gesammelten Dokumentation auf kollaborativen Plattformen;
• Fotografische Erfassung und Fotorektifizierung;
• Geometrische Erfassung unter Verwendung verschiedener Technologien (von den traditionelleren wie Maßbändern, Wasserwaagen und Winkeln bis hin zu fortschrittlicheren wie Laserscannern, Totalstationen, photogrammetrischer Erfassung usw.);
• Materialerfassung;
• 3D-Modellierung des Ist-Zustands mit BIM Authoring;
• Teilen des Modells auf kollaborativen Plattformen;
• Studie des funktionalen Layouts des Ist-Zustands;
• Analyse des Verfalls direkt in der HBIM-Umgebung;
• stratigraphische Analyse und Analyse der Bauphasen des Werkes in der HBIM-Umgebung;
• Studie des Rissbildes und der aktuellen Kinematiken;
• Projektierung der durchzuführenden Untersuchungen und Tests;
• Identifizierung der Projektmaßnahmen;
• Integration mit BIM-Software für strukturelles und technisches Design;
• 3D-Modellierung des Projekts;
• Überprüfung des Projekts in Echtzeit oder virtueller Realität (VRi);
• automatische Mengenermittlung aus dem 3D-Modell;
• Erstellung von Grafiken und Ausführungsplänen.

Um mehr zu erfahren, präsentiere ich Ihnen einen praktischen Fall, der mit Edificius entwickelt wurde.

Ein praktisches Beispiel mit Edificius: Von der Punktwolke zum BIM-Modell historischer Gebäude

Das praktische Beispiel, das ich Ihnen zeige, ist ein Digitalisierungsprojekt eines Wohngebäudes aus den frühen 1900er Jahren.

Die erste Maßnahme, die vor Ort durchgeführt wurde, ist die Erfassung und die Erfassung der geometrischen Daten, die durch den 3D-Laserscanner durchgeführt wurde. Das Ergebnis ist die Punktwolke, die geometrische Informationen (ihre Koordinaten in einem bekannten Bezugssystem) und farbmetrische Informationen enthält, da jedem Punkt eine relative Farbe zugeordnet wird, die aus einem Foto stammt, das während des Scannens vom Gerät aufgenommen wurde.

Um mehr zu erfahren, lesen Sie auch „Scan to BIM, von der Laserscanner-Vermessung zum BIM-Modell„.

Die Daten der Erfassung wurden in Edificius importiert, um die Modellierung in der BIM-Umgebung und den Aufbau des geometrischen Modells des Gebäudes durchzuführen.

Bevor mit der Modellierung begonnen wurde, wurden die Ebene (Zwischengeschoss, erstes Obergeschoss bis zum Dach) und die Unterebenen mit den entsprechenden Höhen festgelegt und das Gelände mit den Höhenlinien direkt von Google Maps unter Verwendung der entsprechenden Funktionalität importiert.

Ebenen-Verwaltung historischer Gebäude HBIM

Die Modellierung des Gebäudes wurde durch die parametrischen Objekte der HBIM-Umgebung von Edificius erleichtert, die es ermöglicht, die charakteristischen Elemente der historischen Architektur (Gewölbe, Holzböden, Rippen usw.) nachzubilden.

Es wurden die Außenwände, die Fenster, die Treppe und alle architektonischen Details an der Fassade (Gesimse, Kapitelle, Lisenen usw.) modelliert.

In einem BIM-Prozess werden alle nützlichen Materialien für das Projekt über die Nutzung von kollaborativen Plattformen und CDE geteilt und verwaltet. Auf diese Weise sind die Daten des Gebäudes für das gesamte Team von Arbeit konsultierbar und alle Aktivitäten sind nachverfolgbar, um die Zusammenarbeit effektiv und sicher zu gestalten.

Nach Abschluss der BIM-Modellierung wurde das Modell des Gebäudes im offenen IFC-Format exportiert, um eine optimale Integration mit allen am Projekt beteiligten Fachleuten zu ermöglichen. Das IFC-Modell kann von allen gängigen BIM-Authoring-Software importiert und verwaltet werden. Auf diese Weise kann der Statiker das BIM-Modell importieren und mit der Modellierung, Berechnung und den strukturellen Überprüfungen fortfahren.

Im vorliegenden Fall umfasste der strukturelle Workflow kurz:

• automatische Erkennung der architektonischen Objekte als strukturelle Entitäten im Software für strukturelle Berechnungen;
• strukturelle Modellierung;
• FEM-Modell;
• Zuweisung der Einschränkungen;
• Definition der Lasten;
• strukturelle Analyse.

Parallel zu den Analysen der Struktur wurde die Materialcharakterisierung und die Bewertung des Erhaltungszustands des dekorativen Apparats der Fassaden erarbeitet. All dies wurde durch den Import des texturierten Netzes, das aus der Vermessung gewonnen wurde, und durch die Nutzung aller Möglichkeiten des Befehls ortofoto erleichtert, der es ermöglicht, die geraden Fotos der zu analysierenden Fassaden über das 3D-Modell zu legen. Auf der Orthofoto wurden die Bereiche identifiziert, die von den verschiedenen Verfallphänomenen betroffen sind. Edificius generiert automatisch auch die Legende, die es ermöglicht, die Schraffuren, die mit den verschiedenen Verfallerscheinungen verbunden sind, zu interpretieren.

Analyse der Bauschäden mit Edificius

Im Gegensatz zu einem nach traditionellem Verfahren durchgeführten Prozess bietet die HBIM-Technologie den Vorteil, die Datenbank mit Informationen über den Erhaltungszustand und das BIM-Modell historischer Gebäude regelmäßig zu erstellen und zu aktualisieren sowie ein gemeinsames und sich ständig weiterentwickelndes Archiv zu schaffen. Durch die Verwaltung des Projekts mit einer kollaborativen Plattform können Sie tatsächlich die folgenden Vorteile erzielen:

• einfache Konsultation, Übertragung und Verwaltung des Modells über die Zeit;
• Austausch von Informationen direkt im 3D-Modell;
• Visualisierung und Verwaltung von 3D-Dateien, die mit verschiedenen Software erstellt wurden;
• Erstellung von Schadenskarten, die nützlich sind, um die Pathologien zu identifizieren und diagnostische Analysen durchzuführen;
• Definition eines Protokolls, das für jede durchzuführende Restaurierungsmaßnahme, die in die Plattform usBIM integriert ist, eingehalten werden muss.

Wie man ein historisches Gebäude in HBIM modelliert, den Zustand des Verfalls und die Wiederherstellungsmaßnahmen

Der Fallstudie betrifft die Anwendung der HBIM-Methodologie (Heritage Building Information Modeling) auf das monumentale Ensemble der Kirche Madonna della Neve, Teil einer historischen Siedlung aus der Langobardenzeit, die sich in Montella (AV) befindet, mit dem Ziel zu demonstrieren, wie digitale Technologien und kollaborative Prozesse die Aktivitäten zur Kenntnisnahme, Erhaltung und Verwaltung des bestehenden architektonischen Erbes unterstützen können. Der Eingriff entsteht aus der Erkenntnis, dass Restaurierungs- und Wiederherstellungsprojekte des historischen Bauwerks heute einen notwendigerweise multidisziplinären Ansatz erfordern, bei dem Restaurierungsarchitekten, Tragwerksplaner, Vermessungstechniker, Diagnosespezialisten, Historiker und Archäologen koordiniert durch einen kontinuierlichen Informationsaustausch arbeiten.

HBIM-Verwaltung in der Cloud

In diesem Kontext stellt die HBIM-Methodologie die Evolution des BIM dar, die auf bestehende und historische Bauwerke angewendet wird. Sie konfiguriert sich nicht nur als Werkzeug zur dreidimensionalen Modellierung, sondern vor allem als Informationssystem, das in der Lage ist, geometrische, konstruktive, historische, materielle und konservatorische Daten im Laufe der Zeit zu sammeln, zu organisieren und zu aktualisieren. Im Gegensatz zum traditionellen BIM, das von einem Projekt ausgeht, um zum digitalen Zwilling des Werkes zu gelangen, arbeitet das HBIM umgekehrt: Der Prozess beginnt mit dem realen Bauwerk und gelangt durch Vermessungen, Untersuchungen und archivische Recherchen zur Erstellung eines digitalen Modells „as-is“, das heißt, es entspricht dem tatsächlichen und historisierten Zustand des Gebäudes, einschließlich der im Laufe der Zeit erlittenen Veränderungen.

Im spezifischen Fall der Kirche Madonna della Neve wurde die Arbeit auf der Grundlage einer komplexen Erkenntnisphase entwickelt, die auf traditionellen geometrischen Vermessungen, Erfassungen mittels Laserscanner und photogrammetrischen Techniken basiert, ergänzt durch archivische Dokumentation und Analysen des Erhaltungszustands. Die operative Methodologie wurde in drei Hauptphasen unterteilt: Erfassung, Segmentierung und Modellierung. Die Erfassungsphase umfasste die Sammlung einer großen Menge an Daten aus verschiedenen Disziplinen, darunter metrische Vermessungen, strukturelle Analysen, Vermessungen des Verfalls und historische Dokumentation. Anschließend wurden in der Segmentierungsphase die Informationen organisiert und semantisch kategorisiert, um ihre Nutzung innerhalb des digitalen Modells zu ermöglichen. Dieser Prozess ermöglichte es, den architektonischen Elementen nicht nur geometrische Merkmale, sondern auch beschreibende, diagnostische und dokumentarische Informationen zuzuordnen. Die abschließende Modellierungsphase wurde mit der Software Edificius entwickelt, die den direkten Import der durch die Laserscanner-Vermessungen erzeugten Punktwolken und deren Umwandlung in parametrische HBIM-Elemente ermöglichte.

Die Nutzung der Software ermöglichte es, die Geometrie der Kirche treu nachzubilden, indem fortschrittliche Werkzeuge zum Snapping und zur Abschnittsbildung der Punktwolke verwendet wurden. Komplexe architektonische Elemente wie Mauern, Öffnungen, Nischen, historische Fenster, Gewölbe, Kuppeln und Rippen wurden modelliert, mit der Möglichkeit, geometrische und konstruktive Parameter anzupassen, um eine Darstellung zu erhalten, die mit dem realen Bauwerk übereinstimmt.

Laden und Anzeigen des HBIM-Modells in usBIM

Particolare rilevanza hat die Modellierung der historischen Gewölbe angenommen, die durch spezielle parametrische Editoren realisiert wurde, die es ermöglichten, komplexe Geometrien und unregelmäßige Formen, die typisch für die historische Architektur sind, zu definieren. Parallel zur geometrischen Modellierung hat das Projekt Werkzeuge für die konservatorische Vermessung integriert, die die Kartierung von Degradierungen und Rissbildern direkt im digitalen Modell ermöglichten. Durch die Verwendung von Orthofotos, die mittels Photogrammetrie erstellt und auf die architektonischen Oberflächen angewendet wurden, war es möglich, Degradationsphänomene, Schäden und materielle Veränderungen gemäß den UNI-Normen zu verfolgen und verschiedene Arten von Verschlechterungen in Bezug auf steinerne, hölzerne und metallische Materialien zu unterscheiden. Jede Degradierung oder Beschädigung wurde als informatives parametrisches Objekt definiert, das mit Daten zu Ausdehnung, Schweregrad, vermuteten Ursachen, fotografischer Dokumentation und Wartungszustand verknüpft ist.

Ein weiterer bedeutender Aspekt des Fallstudienprojekts betrifft den Einsatz der integrierten kollaborativen Plattform, die als gemeinsamer Raum für den Datenaustausch zwischen den verschiedenen am Projekt beteiligten Akteuren genutzt wurde. Über die Plattform war es möglich, dreidimensionale Modelle, historische Fotografien, archivierte Dokumente, Vermessungsblätter und Ergebnisse archäologischer Untersuchungen zu speichern, wodurch alle Informationen interaktiv zugänglich und durchsuchbar wurden. Insbesondere ermöglichte das System eine direkte Verknüpfung des digitalen Modells mit den archäologischen Ausgrabungskampagnen, die Professor Rotili in den 1990er und 2000er Jahren durchführte, wobei wissenschaftliche Dokumentationen, Publikationen und historische Referenzen den Ausgrabungsbereichen zugeordnet wurden.

Das HBIM-Modell wurde somit in ein dynamisches und abfragbares digitales Archiv umgewandelt, das in der Lage ist, historisches Wissen, geometrische Vermessung, diagnostische Analysen und konservatorisches Management in einer einzigen interoperablen Umgebung zu integrieren. Die Fallstudie zeigt daher, wie HBIM ein fortschrittliches Werkzeug für die Dokumentation, Überwachung und Wertschätzung des historischen Erbes darstellen kann, indem es nicht nur ein effizienteres Management der Informationen und des Restaurierungsprozesses fördert, sondern auch neue Formen der kulturellen Nutzung, wie virtuelle Touren und interaktive Konsultationen digitaler Inhalte, ermöglicht.

FAQ

Was ist HBIM?

BIM (Building Information Modeling) entstand als operative Methodik zur Verwaltung der Prozesse der Planung, Gestaltung, Realisierung, Verwaltung, Wartung und Demontage eines Bauwerks durch ein Informationsmodell, das alle Informationen über seinen gesamten Lebenszyklus enthält. Dieser Ansatz findet auch im Bereich historischer Gebäude Anwendung und wird als Heritage oder Historical Building Information Modeling, kurz HBIM, bezeichnet.

Auf welche Gebäude findet HBIM Anwendung?

HBIM ist ein Prozess, der auf bestehende Gebäude angewendet wird, sei es auf monumentale und historisch-künstlerisch bedeutende oder auf gewöhnliche Wohnhäuser des letzten Jahrhunderts. Dieser Ansatz erweitert erheblich den Anwendungsbereich der BIM-Methode und ermöglicht auch die Erstellung von Modellen bestehender Bauwerke.

Was sind die Schwierigkeiten bei der BIM-Modellierung historischer Gebäude?

Die Modellierung eines historischen Gebäudes bedeutet, Elemente zu berücksichtigen, die nicht immer standardisierbar und nicht auf vordefinierte Bibliotheken zurückzuführen sind, Deformationen und Unregelmäßigkeiten, Unsicherheiten über die Bauweisen, das Vorhandensein von Degradationsphänomenen und Veränderungen, die durch den Lauf der Zeit verursacht werden.

Was sind die Vorteile von HBIM für historische Gebäude?

Die Hauptvorteile von HBIM sind: schnelle Erstellung des 3D-Geometriemodells, Datenmodellverwaltung, Verwendung intelligenter parametrischer Objekte, Dokumentenmanagement, bessere Kontrolle über das Projekt und die Untersuchungskampagnen, Informations- und Modellfreigabe, Wartungsplanung und Erstellung von aktualisierbaren Datenbanken im Laufe der Zeit.

Was sind die Phasen des HBIM-Workflows?

Die Hauptphasen des HBIM-Workflows umfassen: Strukturierung der ACDat, Dokumentensammlung, fotografische und geometrische Vermessung, 3D-Modellierung des Ist-Zustands, Analyse der Degradierung, Untersuchung des Rissbildes, Identifizierung der Projektinterventionen, Integration mit strukturellen und technischen Software und Erstellung der Ausführungsunterlagen.

Wie erfolgt die Vermessung eines historischen Gebäudes für ein HBIM-Projekt?

Die Vermessung kann mittels 3D-Laserscanner durchgeführt werden, wobei eine Punktwolke erstellt wird, die geometrische und kolorimetrische Informationen enthält, die für die genaue Rekonstruktion des BIM-Modells des historischen Gebäudes nützlich sind.

Wie wird das BIM-Modell eines historischen Gebäudes mit Edificius entwickelt?

Die Vermessungsdaten werden in Edificius für die BIM-Modellierung importiert. Nach der Festlegung der Ebenen und des Geländes wird die Modellierung durch die HBIM-parametrischen Objekte erleichtert, die es ermöglichen, typische Elemente der historischen Architektur wie Gewölbe, Holzböden, Stuck und Dekorationen nachzubilden.

Warum ist das IFC-Format im HBIM-Workflow wichtig?

Das offene IFC-Format ermöglicht die Integration des BIM-Modells mit anderen BIM-Authoring-Software, was die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Architekten, Statikern und Haustechnikern, die am Projekt beteiligt sind, erleichtert.

Wie wird die Degradationsanalyse mit Edificius durchgeführt?

Die Degradationsanalyse wird unter Verwendung von texturierten Meshes und Orthofotos, die auf das 3D-Modell überlagert werden, durchgeführt. Die degradierten Bereiche werden direkt auf den Orthofotos identifiziert, und die Software generiert automatisch die Legende, die mit den Degradationsphänomenen verbunden ist.

Welche Vorteile bietet HBIM im Vergleich zu traditionellen Methoden?

HBIM ermöglicht die Erstellung und Aktualisierung einer gemeinsamen Datenbank über den Erhaltungszustand historischer Gebäude im Laufe der Zeit, verbessert das Management der Informationen, die Zusammenarbeit zwischen Fachleuten und die Planung von Restaurierungsmaßnahmen.