3D modeling of historic timber structures from TLS point clouds

Abstract

Diese Dissertation präsentiert eine Reihe von Methoden zur Verbesserung der Automatisierung 3D-architektonischen und strukturellen Modellierung historischer Holzkonstruktionen mittels Punktwolken aus terrestrischem Laserscanning (TLS). Der Erhalt historischer Holzgebäude, die als bedeutendes Kulturerbe dienen, erfordert effektives Structural Health Monitoring (SHM), um deren Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten. SHM basiert auf detaillierter geometrischer Datenerfassung und 3D-Modellierung zur Erkennung potenzieller struktureller Abweichungen. Die manuelle Modellierung jedes Bauteils in CAD-basierter Statiksoftware ist jedoch arbeitsintensiv und fehleranfällig, während vollautomatisierte Modellierung häufig unvollständige Ergebnisse liefert, bedingt durch Herausforderungen bei Datenerfassung und -verarbeitung.Um die Lücke zwischen Punktwolken und architektonischen sowie strukturellen Modellen zu schließen, wurde eine Methode entwickelt, die Quader an die Punktwolken gerader Balken mit rechteckigem Querschnitt anpasst. Darauf aufbauend wurde ein fortschrittlicher Workflow mit einer linearen Untersegmentierungsmethode implementiert, wodurch die Vollständigkeit der automatisierten Modellierung erheblich verbessert wurde. Zusätzlich wurde ein neuartiger Ansatz zur Erkennung und Entfernung nicht-struktureller äußere Dachpunkte implementiert. Dieser Workflow wurde auf ein gesamtes historisches Holzdach angewandt und zeigte eine deutliche Steigerung der quantitativen Vollständigkeit.Anschließend konzentriert sich die Dissertation auf die Identifikation von ebenen Dachziegeln und untergeordneten Tragwerksystemen, während die Modellintegrität durch logikbasierte Entscheidungsmechanismen zur Erstellung, Vereinung und Erweiterung verbessert wird. Die resultierenden Modelle wurden erfolgreich in Statiksoftware integriert, wodurch Lastfallsimulationen ermöglicht und erste strukturelle Bewertungen erleichtert wurden. Ein Vergleich mit manuell erstellten Modellen in RSTAB und Revit hebt sowohl die Vorteile als auch die Grenzen des vorgeschlagenen automatisierten Ansatzes im Vergleich zu traditionellen Modellierungsmethoden hervor. Darüber hinaus wird die Balkenmodellierung durch die Integration von trapezförmigen Prismen neben Quadern erweitert, um die Genauigkeit und Vielseitigkeit des automatisierten Modellierungsprozesses weiter zu verfeinern.Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen automatisierten Workflows den Zeitaufwand für vorläufige Tragwerksbewertungen deutlich reduzieren, den Bedarf an arbeitsintensiven manuellen Prozessen verringern und Fehler durch menschliches Eingreifen minimieren. Der Automatisierungsgrad des state-of-the-art-Ansatzes wurde erheblich verbessert und das Konzept erfolgreich an verschiedenen Strukturen validiert. Diese Dissertation unterstreicht die Effizienz automatisierter 3D-Modellierung für frühe Strukturbewertungen und bietet einen praktischen, skalierbaren Ansatz zur Dokumentation, Analyse und Erhaltung historischer Holzkonstruktionen.

This thesis presents a set of methods to enhance the automation on 3D architectural and structural modeling for historic timber structures using terrestrial laser scanning (TLS) point clouds. The preservation of historic timber constructions, which serve as invaluable cultural heritage assets, requires effective structural health monitoring (SHM) to ensure their safety and longevity. SHM relies on detailed geometric data acquisition and 3D modeling to detect potential structural deviations. However, the manual modeling of each structural element in computer-aided design (CAD)-based structural analysis software is a labor-intensive and error-prone process, whereas fully automated modeling often yields incomplete results due to challenges in data acquisition and processing.Fitting cuboids onto the point clouds of straight beams with rectangular cross-sections is employed in order to fill the gap between point clouds and architectural and structural models. Building on this, an advanced workflow incorporating a linear sub-segment split method was developed, with the result that the completeness of automated modeling was significantly enhanced. Additionally, a novel approach was implemented to detect and remove non-structural roof cover points. This workflow was applied to an entire historic timber roof structure, demonstrating a notable improvement in quantitative completeness.Subsequently, the thesis focuses on identifying planar roof tiles and sub-structural systems while enhancing model integrity through operations such as creation, merging, and extension using a logic-based decision mechanism. The resulting models were successfully integrated into structural analysis software, enabling load case simulations and facilitating preliminary structural assessments. A comparative analysis with manually generated models in RSTAB and Revit, highlights both the advantages and limitations of the proposed automated approach in contrast to traditional modeling methods. Furthermore, the beam modeling technique is expanded by incorporating trapezoidal prisms in addition to cuboids, further refining the accuracy and versatility of the automated modeling process.The results show that the proposed automated workflows significantly reduce the time required for preliminary structural assessments, decreasing the need for labor-intensive work while also minimizing errors resulting from human intervention. The automation level in the state-of-the-art approach has been greatly improved, and the concept has been successfully validated on different structures. This thesis highlights the efficiency of automated 3D modeling in early-stage structural evaluations, providing a practical and scalable approach for the documentation, analysis, and preservation of historic timber structures.