3D-Scans zur Bestandsaufnahme komplexer Gebäude

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Weltweit anerkanntes Aushängeschild der Wissenschaft

CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung , ist weltweit eine der größten und renommiertesten wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen für Teilchenphysik und hat kürzlich ein neues, für die breite Öffentlichkeit zugängliches Bildungszentrum eröffnet. Auf einer Fläche von über 7000 m² präsentiert das Science Gateway Exponate zur Arbeit des CERN und dessen Erforschung von Elementarteilchen und physikalischer Grundlagen, um deren Bedeutung für unser Verständnis des Universums zu veranschaulichen.

Das markante Design des Science Gateway besticht durch zwei über dem Boden schwebende Röhren, die den Beschleunigertunneln des CERN nachempfunden sind. Sie sind durch eine überdachte, gläserne Brücke miteinander verbunden. Diese neue Baustruktur harmoniert mit dem ikonischen 'Globe of Science and Innovation' am CERN und bildet zugleich einen deutlichen Kontrast zur eher funktionalen Ästhetik des umliegenden Campus.

Der Hauptcampus des CERN befindet sich im schweizerischen Meyrin, rund 10 km westlich von Genf. Während auf dem Campus des CERN zahlreiche kleinere Teilchenbeschleuniger und Experimente untergebracht sind, befinden sich die beiden großen Beschleuniger – das Super Proton Synchrotron (SPS) mit einem Umfang von 6 km sowie der Large Hadron Collider (LHC) mit einem Umfang von 27 km – in unterirdischen Tunneln. Diese verlaufen größtenteils unterhalb des Nachbarlandes Frankreich. Um eine konstante Tiefe von rund 100 m auch unterhalb des Juragebirges beizubehalten, weist der LHC-Tunnel gegenüber der Horizontalen eine Neigung von 1,4 % auf. Es gibt acht Zugangsschächte sowie vier große Experimente, in denen die Produkte gezielter Kollisionen subatomarer Teilchen detektiert und analysiert werden.

Die Größenordung des LHC und seiner Experimente ist beeindruckend. Die unterirdischen Kavernen, in denen die Experimente durchgeführt werden, könnten Kathedralen beherbergen. Die Versuchsaufbauten selbst wiegen so viel wie drei Eiffeltürme.

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Large-Scale Metrology-Systeme

Die Geodetic Metrology Group innerhalb des CERN-Beams Department stellt die Messtechnik, Vermessung und Ausrichtung für alle in den Beschleunigern sowie Experimenten installierten Komponenten bereit. Das Team setzt sowohl konventionelle Vermessungs- und Ausrichtungslösungen als auch spezielle Systeme ein, die an den kritischsten Komponenten installiert sind, wie Streckdraht- und hydrostatische Nivelliersysteme. Diese Systeme reagieren so empfindlich, dass sie selbst Verschiebungen aufgrund von Erdbeben auf der anderen Seite der Welt registrieren.

Neben der Ausrichtung der Beschleuniger bringen die Vermessungsteams ihr Fachwissen auch in anderen Bereichen gewinnbringend ein, zuletzt bei der Bestandsvermessung des neuen Science Gateway.

„Ich arbeite im Beams Departement der Geodetic Metrology Group, genauer gesagt im Bereich der Beschleunigervermessung und geodätischen Messungen“, sagt Kacper Widuch, Surveying Engineer am CERN. „Mein 15-köpfiges Team ist für alle Vermessungs- und Ausrichtungsaufgaben im Zusammenhang mit den fast 64 km langen physischen Abschnitten der Teilchenstrahlführung zuständig. Darüber hinaus erfassen wir hochgenaue Punktwolkendaten für Studien, Qualitätskontrollen und Bestandsaufnahmen von Strahlkomponenten, Beschleunigerbereichen und oberirdischen Gebäuden.“

Kacper Widuch fügt hinzu: „Um diese auszurichten, müssen wir uns auch um vorbereitende Messungen kümmern. Dazu zählen etwa die Maßkontrolle neu eingetroffener Komponenten sowie die Referenzierung (Fiducialisation). Hierbei handelt es sich um Messungen, welche die äußere Geometrie eines Bauteils mit seiner inneren Geometrie verknüpfen.“  Dies ist sehr wichtig, da die Magnete entlang des gesamten LHC innerhalb einer Toleranz von ±0,2 mm relativ zur sogenannten ‚Smooth Curve‘ ausgerichtet werden müssen.“

„Die gesamte Gruppe umfasst rund 60 Personen. Darunter sind nicht nur Vermessungs-, sondern auch Maschinenbauingenieure, Elektroniker, Mechatroniker sowie IT-Personal. Dennoch dreht sich alles um die Vermessung“, sagt Widuch.

Die Unterstützung bei Vermessungsaufgaben für oberirdische Experimente sowie Hilfs- und Versorgungsanlagen erlaubt der Gruppe, ihr messtechnisches Spektrum zu erweitern. Das neue Science Gateway sorgte im gesamten CERN für große Begeisterung. Das galt auch für das Team um Widuch, da es die Baustruktur des Zentrums zur Erprobung neuer geodätischer Messtechnologien nutzen konnte.

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Integration von Reality Capture

„Es war sehr wichtig, ein 3D-Modell des Science Gateway vorliegen zu haben, um die Übereinstimmung mit dem Entwurf zu überprüfen oder auch für Planungszwecke“, sagt Widuch. „Etwa um Änderungen vorzunehmen oder die Raumnutzung für Ausstellungen oder Vermietungen effizient zu planen. Auch für das Facility Management wird es entsprechend genutzt. Natürlich wäre vieles auch mit einem 2D-Plan machbar. Aber die Visualisierung in 3D – als Punktwolke oder als 3D-Modell, bildet die reale Situation einfach besser ab. Wir haben zwar Baupläne, aber es ist deutlich einfacher und effektiver, mit einem 3D-Modell zu arbeiten.“

Widuch merkte an: „In der Vergangenheit wurden keine umfassenden Bestandsaufnahmen, sondern nur wirklich wichtige Messungen durchgeführt. Wir wollten sehen, wie man Reality Capture richtig einsetzt – nicht nur für das Science Gateway, sondern auch für künftige Projekte. Wir haben die Reality Capture-Lösungen von Leica Geosystems gewählt, weil das Unternehmen eine breite Palette bietet.“

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Das Team scannte das Science Gateway mit Leica RTC360, einem terrestrischen Scanner, der mithilfe integrierter Visual-Inertial-System-(VIS-)Technologie die Vorregistrierung von Punktwolken aus aufeinanderfolgenden Stationierungen automatisiert. Mit einer Scangeschwindigkeit von bis zu 2 Millionen Punkten pro Sekunde und einer Reichweite von 0,5 m bis 130 m konnte der RTC360 den Gebäudekomplex problemlos und detailgenau erfassen. Außerdem kann der Scanner bei jeder Stationierung in weniger als einer Minute ein hochauflösendes sphärisches Bild aufnehmen – ideal für die Bestandsdokumentation. Die Bilder werden anschließend für kolorierte Punktwolken mit hoher Farbqualität genutzt. Bedienen lässt sich dieser Scanner ganz einfach über ein Tablet oder Smartphone mithilfe der Anwendung Leica Cyclone FIELD 360 . Diese intuitive mobile App bietet eine sofortige Vorschau der erfassten Daten, die Verknüpfung von Stationierungen sowie die Registrierung von Punktwolken – alles vor Ort.

„Wir haben Außenscans mit dem RTC360 durchgeführt sowie einige Messungen im Innenbereich vorgenommen, um beides miteinander zu verknüpfen“, sagt Widuch. „Für den Innenbereich verwendeten wir weitere Reality Capture-Lösungen, darunter die mobilen Scanner Leica BLK360 und Leica BLK2GO. Außerdem setzten wir das autonome Scanmodul Leica BLK ARC zusammen mit der Trägerplattform Boston Dynamics Spot ein. Es war beeindruckend, mit all diesen Laserscannern zu arbeiten und zu sehen, wie sie am besten eingesetzt werden können. In Kombination mit den mobilen Apps Leica Cyclone FIELD 360 und Leica BLK Live verbesserten diese Systeme unsere Geschwindigkeit und Gesamteffizienz erheblich. Dieselben Messungen mit herkömmlichen Laserscanning-Methoden vorzunehmen, hätte sehr viel mehr Zeit in Anspruch genommen.“ 

„Es war sehr interessant zu beobachten, wie die unterschiedlichen Reality Capture-Instrumente beim Science Gateway arbeiteten, insbesondere bei dieser komplexen Baustruktur“, sagt Widuch. „Es gibt viele verglaste Räumlichkeiten, Korridore und Übergänge. Allein die Geometrie und die Zylindrizität dieser beiden röhrenförmigen Ausstellungsräume. Das würde man so bei einem Gebäude nicht erwarten – es weicht stark von einer typisch kubischen Formgebung ab. Außerdem gibt es eine Vielzahl sichtbarer Stahlbauelemente.“ 

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Deutlich mehr Möglichkeiten

Das Vermessungsteam am CERN konnte diese Instrumente für Reality Capture auch unter Laborbedingungen testen. „Das SM18 ist ein Testgelände zur Prüfung von Beschleunigermagneten. Zudem beherbergt es den Teststand des IT-Strings (Inner Triplet)“, sagt Widuch. „Hierbei handelt es sich um ein Mock-up, eine Demonstrationsinstallation von nahezu 100 m Länge als oberirdische Nachbildung eines Abschnitts der HL-LHC-Beschleunigerkette. Das Projekt High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) soll die Leistung des LHC verbessern und die Chancen auf neue wissenschaftliche Erkenntnisse nach 2029 steigern. Die Magnete, die sekundären Komponenten und alle derzeit in diesem Tunnelbereich befindlichen kryogenen und elektrischen Installationen werden dabei entfernt und durch eine neue Generation ersetzt", so Widuch weiter. „Es ist ein Upgrade der Hardware und der dazugehörigen Software. Ein 3D-Modell ist nicht nur zur Bestandsdokumentation hilfreich, sondern liefert uns auch Erfahrungswerte im Bereich 3D-Scanning und Bildgebung für Tunnelinfrastruktur jeglicher Art.“ 

„Die 3D-Modellierung dieser Gebäude war eine spannende Herausforderung für unser Team und eine willkommene Abwechslung zu den üblichen mikrometrischen Messungen. Auch anzudenken, wie sich solche Lösungen auch für andere Einrichtungen und eines Tages vielleicht sogar für die Infrastruktur im Tunnel einsetzen lassen.“

Und was wird die Zukunft bringen? Kürzlich wurde am CERN eine Machbarkeitsstudie zu einem geplanten Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 91 km durchgeführt. Welche Rolle könnten Reality Capture, digitale Zwillinge und Bauautomatisierung bei einem solchen Projekt spielen? Könnte etwa künftig bei Sensoren für Reality Capture Quantentechnologie zum Einsatz kommen? Das CERN war die Geburtsstätte des World Wide Web. Wer weiß schon, was als Nächstes kommt?

Mehr zum digitalen Zwilling des CERN Science Gateway im Video unten.