Generating Digital Structure Models out of 3D Laser Scan Data
for Structural Assessment and Architectural Analysis of Historic Timber Structures
Ziel des interdisziplinären Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur prinzipiell automatischen Generierung digitaler 3D-Strukturmodelle historischer Holzdachwerke direkt aus 3D-Laserscandaten. Der neu entwickelte Ansatz liefert digitale Daten der Holzkonstruktionen in Formaten, die für die anschließende architekturhistorische Analyse und statische Bewertung einfach genutzt werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wird die arbeitsintensive Arbeit der 3D-Dokumentation und digitalen Modellierung historischer Dachkonstruktionen durch einen zeitsparenden digitalen Workflow ersetzt, der einen direkten Austausch von Daten und Ergebnissen zwischen Geodäten, Bauforschern/Architekten und Statikern ermöglicht. Gerade im städtischen Umfeld ist das Planen und Bauen im Bestand ein drängendes Thema, das in Zukunft noch mehr an Bedeutung gewinnen wird.
Um eine fundierte Grundlage für Planungen zu schaffen, müssen bestehende Bauwerke hinsichtlich ihrer Struktur, ihres Materials, ihres Zustandes, aber auch in ihrer Baugeschichte und ihren Denkmalwerten analysiert werden. Dabei ist die Analyse historischer Dachstrukturen eine wichtige Aufgabe für die effektive Planung der adaptiven Umnutzung von Gebäuden und für die Durchführung nachhaltiger Instandhaltungs- und Restaurierungsarbeiten. 3D-Laserscanning ist Stand der Technik für die schnelle Erfassung großer und komplexer Bauwerke.
Dies gilt auch für historische Holzdachwerke, ist aber oftmals aufgrund der Tragwerksstruktur von höherer Komplexität. Die Ausgabe der 3D-Punktwolken von Dachkonstruktionen in Datenformaten, die sowohl für die Analyse der statischen Struktur als auch für architekturhistorische Analysen gleichermaßen genutzt werden können, ist bisher nicht möglich. Ebenso stellt ein entsprechender Workflow, der die themenbezogenen Erkenntnisse aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen und Geodäsie zusammenführt, bisher ein Desiderat dar.
Die Umsetzung des Projektes erfolgt durch ein interdisziplinäres Konsortium mit Experten aus den Bereichen Baugeschichte, Material/Bautechnik und Geodäsie. Neben dem hohen Potenzial des Projekts für die weitere Nutzung im Building Information Modeling (BIM) ist das zu erwartende Ergebnis grundlegend für vielfältige Aufgabenstellungen im Bereich historischer Holzdachwerke, wie z.B. die Berechnung und den Nachweis effizienter und ressourcenschonender Konsolidierungen, adaptive Nachnutzungsplanung für ungenutzte Dachböden und die damit verbundenen Anforderungen an bestehende Strukturen, Wissenserweiterung im Bereich der Baugeschichte bezüglich der Zimmermannstraditionen in verschiedenen Epochen und deren wissenschaftliche Einordnung.
Das dreijährige Projekt wird finanziert durch die Innovative Projekte-Förderung der TU Wien, in deren kompetitivem Auswahlverfahren es 2019 international begutachtet und erfolgreich evaluiert wurde. Es ist angesiedelt am Institut für Kunstgeschichte, Bauforschung und Denkmalpflege, Forschungsbereich Baugeschichte Bauforschung, der Fakultät für Architektur und Raumplanung, und wird in enger Kooperation mit dem Department für Geodäsie und Geoinformation, Forschungsbereich Photogrammetrie, der Fakultät für Mathematik und Geoinformation (projektverantwortlich: N. Pfeifer) sowie dem Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen, Forschungsbereich Werkstoff- und Struktursimulation, der Fakultät für Bauingenieurwesen (projektverantwortlich: G. Hochreiner) durchgeführt. Thematisch vertiefende Vorarbeiten zum aktuellen Projekt wurden von den genannten Partnern unter Mitarbeit von M. Pöchtrager seit 2016 unternommen.
„Within the PBS project a method is being developed to generate digital 3D structural models of historic roof structures made of timber in a highly automated way directly out of 3D laser scan data. The new approach provides digital data of the timber structures in formats which can be used easily for the subsequent architectural analysis and structural assessment. Compared to conventional methods, the labour intensive work of 3D documentation and modelling of historic roof structures will be replaced by a timesaving digital workflow enabling straight exchange of data and results between surveyors, architects and structural engineers.“
Projektpublikationen
Özkan, T.; Pfeifer, N.; Styhler-Aydin, G.; Hochreiner, G.; Herbig, U.; Döring-Williams, M. Historic Timber Roof Structure Reconstruction through Automated Analysis of Point Clouds. J. Imaging 2022, 8, 10. https://doi.org/10.3390/jimaging8010010
M. Pöchtrager, G. Styhler- Aydın, G. Hochreiner, T. Özkan, M. Döring-Williams, N. Pfeifer: Bridging the Gap. Digital Models of Historic Roof Structures for Enhanced Interdisciplinary Research, in: S. Frommel – H. Schlimme – V. Valzano – M. Cigola (eds.), Virtual Models and Scientific Value. Historic Studies and Virtual Models in the Age of Digital Humanities, SCIRES.IT – Scientific Research and Information Technology, Vol. 10/1, 2020, 31-42; http://dx.doi.org/10.2423/i22394303v10n1p31
M. Pöchtrager, G. Styhler-Aydın, M. Döring-Williams, N. Pfeifer: Digital Reconstruction of Historic Roof Structures: Developing A Workflow For A Highly Automated Analysis, in: Virtual Archaeology Review, [S.l.], v. 9, n. 19, pp. 21-33, July 2018. ISSN 1989-9947; https://doi.org/10.4995/var.2018.8855 M. Pöchtrager, G. Hochreiner, N. Pfeifer: Processing 3D point clouds of historical timber structures for analysing their structural behaviour pressed for time, Proceedings of the 23rd International Conference on Cultural Heritage and New Technologies / CHNT 23, 2018 (Wien 2018); https://www.chnt.at/wp- content/uploads/eBook_CHNT23_Poechtrager.pdf
M. Pöchtrager, G. Styhler-Aydın, M. Döring-Williams, N. Pfeifer: Automated Reconstruction of Historic Roof Structures from Point Clouds – Development and Examples, in: „26th International CIPA Symposium – Digital Workflows for Heritage Conservation“, ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, IV-2/W2 (2017), ISSN: 2194-9042; pp. 195-202, https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-2-W2-195-2017