Plattform für Wasser, Gas und Wärme
In den Wasserkammern eines Trinkwasserreservoirs aus dem Jahr 1965 traten in den letzten Jahren vermehrt Flecken an den Betonoberflächen auf (Fig. 1). Materialuntersuchungen ergaben, dass die mineralische Beschichtung aufgeweicht und die Karbonatisierung lokal weit fortgeschritten war. Aufgrund der Generellen Wasserversorgungsplanung wurde beschlossen, das Bauwerk für weitere 40 Jahre zu sanieren.
Bei der Grundlagenerhebung wurde 3D-Laserscanning zur visuellen Aufnahme von Rissen und Fehlstellen im bestehenden Bauwerk eingesetzt. Zur Qualitätssicherung der Beschichtungsarbeiten wurden die Tiefe des Abtrags und die Dicke des Auftrags kontinuierlich durch die Bauleitung vor Ort geprüft. Zudem wurden Haftzugprüfungen durchgeführt, bei denen die Schichtdicken ebenfalls ermittelt wurden. Die Möglichkeiten zur Überprüfung der Unternehmerleistungen in Bezug auf die Einhaltung vertraglicher und technischer Vorgaben sind jedoch aufgrund der punktuellen Prüfungen stark eingeschränkt. Zur flächigen Prüfung der Schichtdicken nach dem Jetten und Beschichten wäre grundsätzlich 3D-Laserscanning geeignet. 3D-Laserscanning wurde bei der Gossweiler Ingenieure AG bereits zur Prüfung u. a. des Gefälles von Geländeoberflächen, von Aushubarbeiten und zur Ermittlung des Volumens von Silos eingesetzt. Untersuchungen mittels Lasermessverfahren [1, 2] und photogrammetrischen Verfahren [3] haben Genauigkeiten ≤ 2 mm ergeben. Aus diesem Grund wurde ein internes Projekt durchgeführt, mit dem Ziel, die Grenzen der Messmethode «Laserscanning» in der Umgebung einer feuchten Wasserkammer zu ermitteln.
| 3D-Position | 3 mm @ 50 m; 6 mm @ 100 m |
| Distanz | ≤ 1 mm |
| Winkel (horizontal/vertikal) | 8" / 8" |
| Zielmarkenerfassung | 2 mm Standardabweichung bis zu 50 m |
| Zweiachs-Kompensator | Wählbar: Ein/Aus, Auflösung: 1", dynam. Bereich: ± 5', Genauigkeit: 1,5" |
Die Messungen wurden mit dem Laserscanner P20 von Leica Geosystems AG durchgeführt. Die Tabelle oben gibt die Instrumentengenauigkeiten für eine Einzelmessung an [4]. Um ein Objekt komplett zu erfassen, sind bei den meisten Projekten mehrere Stationierungen (Standpunkte des Scanners) nötig. Daher muss auch die Ungenauigkeit der Registrierung (Verknüpfung der einzelnen Stationierungen zu einer kompletten Punktwolke) mit einbezogen werden.
Die Qualitätsstufe und Auflösung haben einen direkten Einfluss auf die Dauer eines Scans. Die Aufnahmen für die Bestimmung der Schichtdicken wurden mit einer Auflösung von 6,3 mm auf 10 m und Qualitätsstufe 2 erstellt. Dies bedeutet, dass bei einer Distanz von 10 m zum Scanner alle 6,3 mm ein Punkt gemessen wird. Durch die Überlappung der einzelnen Scans und variierende Distanzen ist jedoch in der finalen Punktwolke mit einer höheren Punktedichte zu rechnen.
In der zweiten Wasserkammer wurde zudem darauf geachtet, dass die Stationierungen bei allen drei Zeitständen nahezu identisch waren (Ausgangszustand, nach dem Jetten, nach der Beschichtung).
Für die Vergleichbarkeit der Zeitstände werden identische Punkte über alle Zeitstände benötigt, auf welche die Messungen bezogen werden können (Fixpunkte).
In der ersten Wasserkammer (WK1) wurden die Säulen nicht bearbeitet. An den Säulen wurden daher Reflektorfolien platziert, auf deren Basis die Zielmarken (Targets) für die Laserscanningaufnahmen jeweils tachymetrisch pro Zeitstand eingemessen wurden.
In der zweiten Wasserkammer (WK2) war dieses Vorgehen nicht möglich, da alle Oberflächen bearbeitet wurden. An den Wänden der WK2 wurden deswegen Fixpunkte mit Hülsen auf einer Höhe von 1,5 m befestigt. Dies hat den Vorteil, dass für die Messungen allein der Einsatz des Laserscanners ausreicht, da die Targets direkt an den Fixpunkten befestigt werden können.
Die Anzahl der Fixpunkte ist abhängig vom Objekt und dessen Komplexität. Aus vermessungstechnischer Sicht ist darauf zu achten, dass die Fixpunkte optimal verteilt sind und eine Überbestimmung aufweisen; somit sind mindestens vier Fixpunkte nötig. Aufgrund der Wahrscheinlichkeit, dass Fixpunkte bei den Arbeiten beschädigt werden, und um allenfalls beschädigte Punkte zu detektieren oder zu kompensieren, wurden zusätzliche Fixpunkte montiert.
Die Aufnahme von Rissen und Fehlstellen in alten Wasserkammern ist mangels einer gleichmässigen Beleuchtung und aufgrund deren Grösse eine Herausforderung. Die Aufnahme mittels Laserscanning ist jedoch auch ohne Licht in der Kammer möglich, da beim Laserscanning das resultierende Schwarz-weiss-Bild nicht die Farbe der eigentlichen Oberfläche widerspiegelt, sondern die Intensität, wie gut der Laserstrahl auf der Oberfläche reflektiert wird (Fig. 2). Massgebend für die Helligkeit der resultierenden Bilder ist dabei die Feuchtigkeit der Oberflächen: Je feuchter die Oberfläche, umso dunkler das Bild. Es empfiehlt sich daher, die Kammer etwas «antrocknen» zu lassen.
Die 3D-Laserscans ermöglichten anschliessend eine «Begehung» des Bauwerks im Büro bei guten «Lichtbedingungen» (Fig. 2). Es wurden u. a. Risse, Roststellen und weitere Fehlstellen für die Erstellung des Leistungsverzeichnisses aufgenommen. Das Vorgehen erwies sich als zweckmässig und wirtschaftlich.
Im ersten Schritt wurden die einzelnen Scans in der Software Cyclone von Leica Geosystems zusammengefügt (registriert). Zur Ermittlung der Schichtdicken wurden die registrierten Daten anschliessend mittels Punktwolkenexport in die Software 3D-Reshaper 2018 übertragen und weiterverarbeitet.
Für die eigentliche Auswertung der Schichtdicken wurden die registrierten Punktwolken der einzelnen Zeitstände bereinigt. Hierbei wurden Objekte, die sich noch in der Kammer befanden und nicht zum eigentlichen Bauwerk gehören, mittels Algorithmus entfernt. Meist ist eine manuelle Nacharbeit unerlässlich. Anschliessend wurden die Punktwolken in die gewünschten Oberflächen aufgesplittet (Wände, Decke, Boden) und die Zeitstände verglichen.
In WK2 wurde vor dem Vergleich der Zeitstände eine Vermaschung über die jeweiligen Punktwolken gerechnet. Durch den Vergleich der Zeitstände mit Vermaschung entstand ein gleichmässigeres Bild, was jedoch auch mit einem gewissen Informationsverlust einherging.
Für die Validierung der 3D-Lasermessungen ist die Kenntnis des Schichtaufbaus wichtig und im Haftzugbericht aufzuführen. Für die Sanierung der Beschichtung wurde die oberste Schicht mittels Wasserhöchstdruck wenige Millimeter weggejettet (Fig. 3) oder die alte(n) Beschichtung(en) komplett bis auf den Konstruktionsbeton entfernt. Bei grossen resultierenden Rauigkeiten von bis zu 35 mm war eine Reprofilierung notwendig (Rauigkeit ca. 5 mm) (Fig. 3). Wo möglich, wurde jedoch direkt auf die gejettete Oberfläche beschichtet.
Zur Prüfung der Haftzugfestigkeit der neuen Mörtelbeschichtung führte ein zertifiziertes Prüfinstitut Haftzugprüfungen am Bauwerk und im Labor durch. Im Bericht wurde neben der Fotodokumentation und den Haftzugwerten u. a. die Dicke der Beschichtung und der Reprofilierung angegeben (Fig. 4). Aufgrund der Rauigkeiten und Unebenheiten des Untergrundes werden für jeden Bohrkern die kleinste und grösste Schichtdicke der Beschichtung und – falls vorhanden – der Reprofilierung angegeben.
In Figur 5 sind die Ergebnisse des 3D-Laserscannings für die WK1 an der Wand 1 dargestellt. Kriterium für die Farbgebung waren vertragliche Vorgaben (Beschichtung mindestens 15 mm ±2 mm) und Herstellervorgaben (minimale und maximale Schichtdicken). Die weissen Flächen stellen Bereiche ohne Messwerte dar, u. a. den Eingang und die Wanddurchführungen. Die Lage der Kernbohrungen wird jeweils durch einen numerierten Kreis markiert.
Das 3D-Laserscanning (L) und die Haftzugprüfungen (R) wurden gleichzeitig durchgeführt. Die Messungen wurden anschliessend den im Labor ermittelten Schichtdicken in (Tab. 1) gegenüberÂgestellt. Der Minimal- und der Maximalwert wurden je miteinander verglichen (R−L). 3D-Laserscanmesswerte in Tabelle 2 mit einer Differenz zu den Laborwerten ≤ 2 mm wurden grün eingefärbt, solche mit ≤ 4 mm gelb, die mit > 4 mm orange.
Die 3D-Laserscans weisen folgende Abweichungen zu den Laborwerten auf: 58% ≤ 2 mm; 19% ≤ 4 mm; 23% > 4 mm. Die Abweichung der Mittelwerte beträgt 2,50 mm, deren Standardabweichung beträgt 3,20 mm. Das Messergebnis für WK1 war etwas schlechter als die erwartete Genauigkeit ≤ 2 mm aus der Literatur.
Die möglichen Ursachen für die Abweichungen > 4 mm wurden wie folgt ermittelt:
Baustellenbedingt wurde die Decke zweimal in unbeschichtetem Zustand gemessen. Nach dem Beschichten wurde die Schichtdicke mit beiden Messungen ohne Beschichtung ermittelt und verglichen (Fig. 6 und Fig. 7, unterschiedliche Farbskalen). Bei der ersten Auswertung (Fig. 6) sind markante Bereiche an der Decke ersichtlich (umkreist), die am Bauwerk nicht vorhanden sind. In (Fig. 7) sind diese Fehler nicht vorhanden. In den Aufnahmen der beiden Zeitstände für (Fig. 6) wurden keine Anomalien festgestellt. Eine Wiederholung der Berechnung führte zum gleichen Ergebnis. Hingegen konnten die Fehler durch eine Berechnung nur der betroffenen Ausschnitte eliminiert werden. Es wird somit davon ausgegangen, dass die Fehler auf die Rechenleistung zurückzuführen sind. Diese Art von Abweichungen war lediglich in dieser Auswertung an der Decke vorhanden.
Weitere Fehler bei der Schichtdickenermittlung entstehen durch herumliegende Gegenstände oder Gerüste (Fig. 8, Fig. 9). Diese konnten jedoch zum Teil herausgefiltert oder manuell bereinigt werden.
In der zweiten Wasserkammer wurde die Reprofilierung aufgrund des Arbeitsablaufs nicht aufgenommen. Es wurde lediglich der beschichtete mit dem gejetteten Zustand verglichen (inklusive Reprofilierung). Aus Zeitgründen wurde das 3D-Laserscanning erneut gleichzeitig mit den Haftzugprüfungen durchgeführt.
In Figur 10 ist das Ergebnis der 3D-Laserscanauswertung der Schichtdicke in WK2 an der Decke dargestellt. Die Lage der Haftzugprüfungen und Schichtdickenermittlung ist mit nummerierten Kreisen markiert.
Die Werte für Wasserkammer 2 sind analog zu Wasserkammer 1 in (Tab. 2) zusammengestellt. Der Minimal- und der Maximalwert wurden je miteinander verglichen. 3D-Laserscanmesswerte mit einer Differenz zu den Laborwerten ≤ 2 mm wurden grün eingefärbt, solche mit ≤ 4 mm wurden gelb und solche mit > 4 mm wurden orange eingefärbt.
Die 3D-Laserscans weisen folgende Abweichungen zu den Laborwerten auf: 58% ≤ 2 mm; 37% ≤ 4 mm; 5% > 4 mm. Die Abweichung der Mittelwerte beträgt 1,76 mm, die Standardabweichung beträgt 1,94 mm. Das Messergebnis für WK2 lag im Bereich der erwarteten Genauigkeit ≤ 2 mm aus der Literatur.
Die Kernbohrungen W2.3 und W2.5 liegen in Übergangsbereichen, was zu Abweichungen > 4 mm beiträgt.
Aus Figur 10 und Tabelle 2 kann geschlossen werden, dass die 3D-Laserscans an der Decke mit den Laborergebnissen übereinstimmen und die Mindestschichtdicke von 15 mm grossflächig nicht erreicht wurde.
Die ausgewerteten 3D-Laserscanning-Daten geben eine sehr gute Übersicht über die Schichtdickenverteilung. Zwischen den Messungen der WK1 und der WK2 konnte eine Verbesserung der Genauigkeit im Mittel ≤ 2 mm erzielt werden durch folgende Massnahmen:
Die Kosten für eine einzelne Messung mittels 3D-Laserscanning inkl. Auswertung betragen rund 2000 Franken (exkl. MwSt.), wobei für die Schichtdickenermittlung zwei Laserscans notwendig sind. Eine weitere Datenbearbeitung (Volumenermittlung, Fehlstellenerfassung, Rissdetektion etc.) ist hier nicht enthalten und im Einzelfall zu ermitteln.
Das 3D-Laserscanning wurde bei der Reservoirsanierung erfolgreich zur Fehlstellenermittlung und zur Qualitätssicherung angewandt. Zusätzlich wurden bei der «Begehung» der Laserscans die Bauwerksmassen gemessen und dienten dem Unternehmer als Ausmassgrundlage. Dem Steuer- und Regelungstechniker wurde vor der Inbetriebsetzung das Wasservolumen der renovierten Wasserkammern in Abhängigkeit vom Füllstand für jeden Zentimeter angegeben. Durch den Vergleich des Laserscans einer Wand mit einer Ebene wurden die Unebenheiten der Wände visualisiert. Diese Informationen wurden dem Unternehmer zur Verfügung gestellt und ermöglichten ihm, Massnahmen zu treffen, um die Mindestschichtstärken einzuhalten und gleichzeitig Material einzusparen. Zuletzt dienten die Laserscans der Überprüfung der vertraglich festgelegten Mindestschichtdicken oder auch, ob vereinbarte Zusatzleistungen durchgeführt wurden. Zumindest im Rahmen dieser Reservoirsanierung lagen aus Sicht des Bauherrn die Kosten für das 3D-Laserscanning deutlich unter dem erzeugten Mehrwert.
Aus den vorhandenen Daten kann durch deren Ergänzung mit weiteren Aufnahmen (Schieberkammer, Aussenbereiche etc.) ein 3D-Modell des Bauwerks erstellt werden. Noch nicht geprüft wurde die Zuverlässigkeit des 3D-Laserscannings zur Abrechnung der erbrachten Abtrags- und Beschichtungsarbeiten über die gemessenen Volumina. Dies soll in einem nächsten Schritt erfolgen.
[1] Friedl, F. (2017): Experiments on Sediment Replenishment in Gravel-Bed Rivers. Doktorarbeit, ETH Zürich, Schweiz
[2] Müller-Hagmann, M. (2017): Hydroabrasion in high speed flow at sediment bypass tunnels. Doktorarbeit, ETH Zürich, Schweiz
[3] Frank, P.-J.; Hager, W.H. (2014): Spatial dike breach: Accuracy of photogrammetric measurement system. 7te Riverflow Konferenz, Lausanne,
1647–1654
[4] Leica Geosystems AG (2013): Leica ScanStation P20 Technische Daten, Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Schweiz. https://www.laserscanning-europe.com/sites/default/files/redakteur_images/leica_scanstation_p20_dat_de.pdf
«AQUA & GAS» gibt es auch als E-Paper. Abonnenten, SVGW- und/oder VSA-Mitglieder haben Zugang zu allen Ausgaben von A&G.
Den «Wasserspiegel» gibt es auch als E-Paper. Im SVGW-Shop sind sämtliche bisher erschienenen Ausgaben frei zugänglich.
Kommentare (0)