Projekt 39292/01

WoodF(ea)uture – Entwicklung eines automatisierten Verfahrens zur Zustandsanalyse verbauter historischer Hölzer

Projektdurchführung

Otto-Friedrich-Universität Bamberg Digital Technologies in Heritage Conversation
Am Zwinger 4
96047 Bamberg

Zielsetzung

Im Kontext von Klimawandel und Energiekrise sind Fragen der Energiebilanz und -effizienz von Gebäuden besonders relevant. Die Baudenkmalpflege trägt durch ihre wirtschaftlichen, ökologischen und soziokulturellen Aspekte der nachhaltigen Ressourcenverwendung und damit direkt zum Klimaschutz bei. Historische Bauten, die überwiegend aus dauerhaften Materialien und Konstruktionen bestehen, sind ein gutes Beispiel für Green Culture durch energie-schonende Nutzung und bestandsorientierte Weiterentwicklung. Die beim Bau alter Gebäude bereits eingesetzte (graue) Energie muss bei sorgfältiger und schonender Erneuerung, u.a. durch Einsatz nachhaltiger Baustoffe, nicht noch einmal aufgewendet werden.
Holz war schon immer ein nachhaltiger, ressourcen- und energieschonender Werkstoff und gehört zu den ältesten Baukulturen weltweit. Allein in Deutschland gilt die Holzarchitektur (Fachwerkhäuser, Dachwerke) als prägend. Es ist daher sowohl im Sinne der Denkmalpflege als auch zur zukünftigen Nutzung von Holz als Baumaterial wichtig, Eigenschaften, Zustand und Veränderung dieses Materials zu beobachten und zu verstehen. Dazu stehen heute vielversprechende Technologien wie optische 3D-Messtechnik und KI-basierte Datenanalyse zur Verfügung, die in diesem Sektor bisher noch kaum eingesetzt werden.
Ziel dieses Vorhabens ist, ein Verfahren zur automatisierten Bauteildokumentation und
-kontrolle für Altholzbauten im Bestand zu entwickeln. Dies beinhaltet:
- Entwicklung eines prototyphaften optischen Messsystems zur Bestands- und Merkmalsaufnahme;
- Entwicklung eines Automatisierungsverfahrens zur Merkmalsdetektion;
- Automatisierung des Informationstransfers in digitales 3D-Modell.
Im Laufe des Projektes werden folgende Ergebnisse angestrebt:
- Messverfahren bestehend aus innovativer Hardware (RTI-Sensor, patentiert) und Software (KI-gestützte Merkmalserkennung) zur objektiven und dokumentierten Festigkeitsanalyse von verbautem Altholz;
- Schnittstelle zur automatischen Übertragung von Holzkenngrößen an einen Digitalen Zwilling (basierend auf BauWolke-Software/BauCAD);
- Zukünftige Vermarktungsmöglichkeiten durch Sensor/Software und erweitertes Dienstleistungsangebot durch Gutachter.

Die Ästigkeit dient als Einzelnachweis zur Festigkeitsschätzung historischer Altholzbalken im Bestand. Anhand automatischer Erkennung der Astlöcher am Balken können die Festigkeitswerte sowie Sortiertklasse abgeleitet werden.

Arbeitsschritte

Das Projekt beginnt mit der Aufnahme von verbauten historischen Altholzbalken mithilfe optischer Messverfahren. Als Untersuchungsobjekt dient der Dachstuhl an der Dominikanerkirche in Bamberg. Das Objekt befindet sich im Besitz der Universität Bamberg und ist jederzeit leicht zugänglich. Zusätzlich existieren dazu Handaufmaße einzelner Holzbalken.
Als Ergebnis einer vorab durchgeführten Studie steht die photogrammetrische 3D-Aufnahme im Fokus. Für schwierige Fälle (z.B. bestrichene Holzoberfläche) ist der Aufbau eines Aufnahmesystems basierend auf einer Kombination aus Photogrammetrie und RTI geplant vorgesehen. Ergebnis dieser Aufnahme ist eine 3D-Punktwolke mit Geometrie, farbigen Texturen und interaktiv wählbarer Beleuchtungsrichtung.
Anhand von Texturen werden mithilfe KI/Machine Learning und Bildverarbeitungsmethoden die Astlöcher mit deren Parametern extrahiert. Aus Ästigkeit als Einzelnachweis können die Festigkeitswerte rechnerisch geschätzt sowie die Sortierklasse exakter definiert werden. Hierzu wird die Expertise von den Projektpartnern Frank Ebner und Thomas Eißing eingebracht.
Die abgeleiteten Informationen sollen automatisiert in ein 3D Modell transferiert werden. Dazu gehören
- die Datenfusion in der Pipeline „Punktwolke – 2D Textur – Digitaler Zwilling“ sowie
- Geo- und Datenreferenzierung in der Pipeline „Textur – Merkmal – Bauteilmodell“.
Die Methodik basiert auf einem hochgradig experimentellen Vorgehen. Einzelne Arbeitspakete und Versuchsreihen werden daher fortlaufend analysiert und kritisch auf Eignung und Qualität geprüft, um ggf. Anpassungen an die Datenerfassung und Datenverarbeitung vorzunehmen.
Als Ergebnis wird ein Digitaler Zwilling mit Geometrie sowie quantitativen und semantischen Informationen (z.B. „Sortierklasse XY“, „geschätzter Festigkeitswert“) erwartet. Für die Implementierung kommen BauCAD-Softwarelösungen in Frage.