Claudius Homolka
Das Heiligkreuzmünster in Schwäbisch Gmünd, ein Hallenbau mit Hauptbauphasen im 14. Jahrhundert, an dessen Planung und Ausführung Heinrich und Peter Parler wesentlichen Anteil hatten, gehört zu den bedeutendsten Baudenkmalen in Baden-Württemberg. Für die fortlaufenden Sanierungsmaßnahmen durch die Münsterbauhütte Schwäbisch Gmünd und für die Darstellung des Bauwerks im Großinventar wurden Pläne benötigt, deren maßliche Genauigkeit und deren inhaltliche Richtigkeit und Vollständigkeit der Bedeutung des Bauwerks und den handwerklichen Anforderungen zu entsprechen hatten. Zwischen 1983 und 1989 waren bereits von Wolfgang Fischer vollständige Außenabwicklungen im Maßstab 1 : 20 angefertigt worden. Schnitte durch das Kircheninnere und das Dach waren jedoch nur in Form von schlechten Kopien einer Bauaufnahme von Otto Schulz aus Nürnberg mit Datierung März 1920 vorhanden. Die Originale dieser Pläne waren wohl im 2. Weltkrieg verbrannt. Um zu überprüfen, ob diese Bauaufnahme für die weitere Bearbeitung verwendbar wäre, wurden im Inneren der Kirche 70 Paßpunkte gemessen, ausgeplottet und mit den Plankopien überlagert. Es zeigte sich, daß die Schulz'schen Pläne so stark verzogen waren, daß die geforderte Genauigkeitsstufe II nicht zu gewährleisten war. Auch die Planinhalte entsprachen nicht den Anforderungen, da sowohl die Fugendarstellung als auch die Gewölbeprojektion rein schematisch gezeichnet waren. Viele Ausstattungsdetails fehlten, gezeichnete Einzelheiten ließen sich wegen der schlechten Kopiequalität nicht mehr auflösen. Eine Überarbeitung und Umzeichnung dieser Pläne war nicht sinnvoll, deshalb wurde vom Landesdenkmalamt Baden-Württemberg eine vollständige Neuaufnahme beschlossen. Der Ausarbeitungsgrad sollte der Genauigkeitsstufe III im Maßstab 1 : 50 entsprechen. Zum Programm der Neuaufnahme gehörten zwei Grundrisse in verschiedenen Höhen, ein Querschnitt durch das Langhaus, ein Querschnitt durch den Chor und ein Längsschnitt.
Ein naheliegendes Ziel bei der Auftragsvergabe war, hohe Qualität mit größtmöglicher Wirtschaftlichkeit zu verbinden. Nicht jedes Verfahren ist für jede Aufgabenstellung gleichermaßen geeignet oder wirtschaftlich. Während die Photogrammetrie ihre Stärken vor allem bei der Darstellung großer Oberflächen und der Ausarbeitung von ornamentalen Details hat, kann die geodätische Bauaufnahme unter anderem bei der schnellen Erfassung von Konturen oder beim Messen von unübersichtlichen Bereichen von Vorteil sein. Nach Abwägung verschiedener Kriterien wurde für die Bestandserfassung des Heiligkreuzmünsters folgende Aufteilung vorgenommen: alle Wandabwicklungen für Längs- und Querschnitte sowie der Gewölbespiegel sollten photogrammetrisch aufgenommen werden, die Schnitte im Dach und der Grundriß über Sockel sollten mit Geodäsie und Handaufmaß erstellt werden. Da im photogrammetrischen Bereich mit einem analytischen Auswertegerät gearbeitet wurde, das digitale Daten lieferte, war es von Vorteil, wenn auch auf Seiten der Bauaufnahme digitale Daten ausgegeben und verarbeitet werden konnten.
Als ich 1994 den Auftrag annahm, in Zusammenarbeit mit dem Referat Photogrammetrie des Landesdenkmalamts und dem Ingenieurbüro Fischer an der meßtechnischen Erfassung und zeichnerischen Darstellung des Heiligkreuzmünsters in Schwäbisch Gmünd mitzuwirken, war dies nicht ohne Wagnis. Erst wenige Wochen zuvor war in unserem Büro von Handaufmaß auf digitale Meßtechnik und von Handzeichnung auf digitale Zeichentechnik umgestellt worden. Es lagen also noch kaum Erfahrungswerte über die Möglichkeiten und die Grenzen der neuen Technik vor. Auch die Zusammenarbeit und der Austausch der Daten zwischen drei beteiligten Partnern war noch nicht erprobt, sodaß hier eine gewisse Pionierarbeit zu leisten war. Daß das Projekt zu einem - wie ich meine - sehr erfolgreichen Ende geführt wurde, ist vor allem auf die Zuverlässigkeit und die vorbehaltlose Kooperationsbereitschaft aller Beteiligten zurückzuführen, bei denen ich mich hiermit für die gute Zusammenarbeit bedanken möchte.
Was ist eine "digitale Bestandserfassung"? Obwohl sich der Begriff "Bestandserfassung" in umfassender Weise auf alle Dokumentationsformen und -inhalte bezieht, soll hier im folgenden nur auf die Bauaufnahme näher eingegangen werden. Als Bauaufnahme verstehen wir dabei die maßliche Erfassung eines Bauwerks und der fest mit ihm verbundenen Ausstattung sowie deren Darstellung in Form von Zeichnungen. Eine Bauaufnahme erfolgt - vereinfacht dargestellt - in den drei Schritten Aufnahme, Bearbeitung und Wiedergabe. Jeder Arbeitschritt kann wahlweise analog oder digital ausgeführt werden. Zu den analogen Verfahren gehören z.B. das Handaufmaß mit Meterstab oder Bandmaß, die Handzeichnung mit Bleistift auf Karton oder mit Tusche auf Folie, Planrepros und Lichtpausen. Zu den digitalen Verfahren gehören u.a. die Tachymetrie mit Datenspeicherung, die Zeichnungserstellung am Bildschirm mit CAD-Systemen und die Planausgabe mittels Plotter oder Belichter. Durch die Kombinierbarkeit von analogen und digitalen Verfahren kommt es häufig zu Unklarheiten bei der Verwendung des Begriffs "digital". Meist werden Bauaufnahmen schon dann als digital bezeichnet, wenn sie zwar analog gemessen und gezeichnet, nachträglich aber noch digitalisiert und CAD-lesbar gemacht wurden. Dabei wird verkannt, daß bei jedem analogen Arbeitsschritt ein Stück der ursprünglichen Meßgenauigkeit verloren geht. Dies gilt insbesondere bei der Übertragung von Meßwerten in einen Plan durch die Reduzierung des Maßstabs, bei der manuellen Bearbeitung von Zeichnungen auf nicht verzugsfesten Trägern wie z.B. Karton und bei Reproduktionsverfahren wie Lichtpausen und Fotokopien. Eine konstante Genauigkeit, die auch nachträglich ein zuverlässiges Abgreifen von Maßen gestattet, läßt sich nur bei durchgehend digitaler Technik gewährleisten. Ich bevorzuge es deshalb, nur dann von digitalen Bauaufnahmen zu sprechen, wenn alle Arbeitsschritte mit digitalen Methoden ausgeführt werden.
Um identische Projektionsrichtungen und spannungsfreie Anschlüsse an den Nahtstellen der Arbeitsbereiche der beteiligten Partner zu gewährleisten, war die Verwendung eines einheitlichen Meßnetzes erforderlich. Hier konnte auf das lokale Netz zurückgegriffen werden, das W. Fischer bereits 1983 für die Aufnahme der Fassaden angelegt und mit Messingbolzen vermarkt hatte. Vom Landesdenkmalamt wurde dieses Netz erweitert und auch ins Dach geführt. Im Laufe der Zeit ist dann eine stetige Verdichtung des Festpunktnetzes erforderlich geworden. Inzwischen sind 117 Festpunkte dokumentiert und vermarkt, wobei einige durch Baumaßnahmen auch wieder verloren gingen.
Das Aufnahmeverfahren, das wir beim Heiligkreuzmünster überwiegend verwendet haben, ist die reflektorlose Polaraufnahme. Im Gegensatz zum Handaufmaß, bei dem Längen-, Breiten- und Höhenmaße von Bauteilen oder Räumen erfaßt werden, werden bei allen geodätischen Meßverfahren die räumlichen Koordinaten von einzelnen Punkten bestimmt. Damit erhält man die absolute Lage eines Punktes im Raum und kann die Relation zu anderen Punkten im Raum jederzeit herstellen. Um Koordinaten messen zu können, ist die Einbindung des Meßgeräts in ein definiertes Koordinatensystem erforderlich. Über einen Horizontalwinkel, einen Vertikalwinkel und eine Strecke lassen sich nun theoretisch die Koordinaten jedes beliebigen Punktes, der vom Meßgerät einsehbar ist, bestimmen. Die größte Schwierigkeit bereitet dabei die Strekenmessung. Als in früheren Jahren noch kein Tachymeter zur Verfügung stand, haben wir einfach ein Bandmaß an den Theodolit gehalten. Üblich ist, daß man die Strecke elektro-optisch mit Hilfe eines Spiegels mißt. Dies setzt allerdings voraus, daß man an den zu messenden Punkt hingelangt, um einen Spiegel anhalten zu können. Eleganter, und im Falle des Heiligkreuzmünsters auch fast nicht zu ersetzen, ist eine reflektorlose Entfernungsmessung mit einem Phasenverschiebungslaser. Solche Systeme sind seit ca. sieben Jahren auf dem Markt und erlauben das Anmessen beliebiger Punkte bis zu einer Entfernung von ca. 30 Metern. In Schwäbisch Gmünd kam ein modularer Meßaufbau aus drei Baugruppen zum Einsatz, der aus einem elektronischen Theodolit zur Winkelmessung, einem Laserentfernungsmesser und einem tragbaren Computer zum Steuern des Meßvorgangs und Speichern der Meßwerte besteht (Abb. 1/ 214kB)..
Wie sieht die Datenausgabe eines solchen Meßaufbaus aus? Zunächst einmal liefert das System die dreidimensionalen Koordinaten der gemessenen und mit einer Nummer versehenen Punkte. Darüber hinaus werden die Punkte schon beim Messen für die weitere Verwendung codiert. Drei Informationen sind im Code enthalten: erstens eine Plannummmer; zweitens ein Layer oder eine Ebene, aus der man zum Beispiel entnehmen kann, ob eine Schnittkante, eine Ansichtskante, eine Projektionskante oder eine verdeckte Kante gemessen wurde; drittens eine Linienanweisung, die bestimmt, wie der Punkt mit dem vorausgehenden oder nachfolgenden Punkt verbunden werden soll. Codiert werden können Einzelpunkte, Linienanfang, Linienscheitel, Linienende sowie Bogen und Kreis. Weitere Codiermöglichkeiten bestehen für Material, Bauphasenzuordnung, Schadensintensität und ähnliches. Wird das Meßergebnis ins CAD-System geladen, erscheint nicht nur eine Punktewolke, die sehr schwer zu interpretieren wäre, sondern bereits eine Rohzeichnung. Man kann also im Prinzip mit dem Laser Objekte abfahren und mitzeichnen. Die Software für das Messen ist so ausgelegt, daß die ganze Codierung mit einem einzigen Tastendruck erfolgt.
Zwei Beispiele sollen solche Rohzeichungen aus dem Vermessungsgerät veranschaulichen, und zwar gemäß dem Untertitel meines Vortrages ein Detail und eine Gesamtaufnahme. Das erste Beispiel ist das östliche Portalgewändeprofil des nördlichen Langhausportals (Abb. 2/ 33kB).. Plan (1) zeigt die Zeichnungsausgabe der Rohvermessung, bestehend aus Punkten, Punktnummern und Linienverbindungen. Plan (2) zeigt die gleichen Daten ohne Punktnummern. Über die (gestrichelt gezeichnete) Rohvermessung ist die endgültige Zeichnung darübergelegt. Man sieht schon recht anschaulich, wie sich auf diese Weise eine komplexe Geometrie erfassen und abbilden läßt, die mit händischen Verfahren sehr schwer meßbar ist. In den Plänen (3) und (4) werden die fertige Zeichnung und eine an sich sehr sorgfältige Aufnahme desselben Profils von Karl Mayer aus dem 19. Jahrhundert gegenübergestellt. Der Vergleich läßt die Vorteile des abtastenden Meßverfahrens deutlich werden. An den verschiedenen Zirkeleinstichpunkten in der Zeichnung von Mayer läßt sich zudem sehr schön die idealisierende Tendenz des Historismus jener Zeit ablesen und durch den Vergleich zu dem tatsächlichen Kurvenverlauf links relativieren.
Das zweite Beispiel zeigt einen vollständigen Datensatz aller Messungen im Bereich des Chores in einer isometrischen Projektion (Abb. 3/ 38kB).. Abgebildet sind diesmal weder die Punkte noch die Punktnummern, sondern nur die Linienverbindungen zwischen den Punkten. Es handelt sich also noch nicht um eine bearbeitete Zeichnung, sondern nur um die sichtbar gemachten Meßdaten. Um sich etwas in die Darstellung einlesen zu können, sind einige Bereiche mit Ziffern markiert. Die mit (1) bezeichnete Linie ist die Firstlinie. Darunter erkennt man ein Feld mit parallelen Linien (2). Hier handelt es sich um die Dachbalkenlage. Die Ziffer (3) verweist auf eine hölzerne Treppe zum Dachreiter. Mit (4) ist das Gewölbe über dem Chornordportal gekennzeichnet. (5) markiert ein Weihwasserbecken und (6) die Stufen unter dem Chorbogen. In der Mitte erkennt man die Kommunionbank (7) und den Hauptaltar (9). Außen herum sind das Gewölbe über dem Chorsüdportal (8) und die Chorkapellen mit den Mittellinien der Gewölberippen (10) ablesbar. Ganz rechts erkennt man den Fugenschnitt der südlichen Seitenwand der Chorscheitelkapelle (11), der in der Photogrammetrie des Längsschnittes zu ergänzen war. Zuletzt ist die Schnittkontur durch die zwölfte Säulenachse etwas hervorgehoben (12), die für die Ansicht im Chorquerschnitt benötigt wurde und gleichzeitig für eine Verformungsanalyse Verwendung fand, da in diesem Bereich die einzigen nennenswerten Verformungen festzustellen waren. (Die maximale Ausbauchung der Säule c11 betrug unterhalb des Kapitells 16,5 cm.) Ein ähnlicher Satz von Rohdaten existiert für das Langhaus. Insgesamt sind beim Heiligkreuzmünster 31.275 Einzelpunkte gemessen und mit Linienverbindungen registriert worden.
Eine vollständige Darstellung der fertigen Zeichnungen würde den Rahmen dieses Aufsatzes sprengen. Ihre Publikation wird dem ersten Band des Kunstdenkmälerinventars Schwäbisch Gmünd von Richard Strobel vorbehalten sein. Stattdessen soll im folgenden anhand von Ausschnitten eines einzigen Planes auf einige Möglichkeiten der Weiternutzung der digitalen Meßergebnisse hingewiesen werden. Ausgewählt wurde zu diesem Zweck der Querschnitt durch die Chorportale.
In jedem CAD-System lassen sich die Daten in unterschiedlichen Ebenen, Layern oder Folien abspeichern. Jede Ebene läßt sich getrennt anzeigen oder ausblenden. Daten können so nach Inhalten, Maßstäben, Baugruppen, Materialien, Schadenskategorien, Alter usw. differenziert werden. Zum Beispiel sind in jeder Zeichnung von mir die Rohdaten der Vermessung mit Punkten, Punktnummern und Linienverbindungen hinterlegt, ohne daß sie üblicherweise angezeigt oder ausgedruckt werden. Typische Inhalte, die getrennt abgelegt werden, sind etwa die Merkmale der Steinoberflächen wie Fugen, Zangenlöcher, Steinmetzzeichen etc. Abbildung 4 (23kB) zeigt einen Ausschnitt aus dem Chorquerschnitt im Maßstab 1 : 200 mit Blick zum Chorscheitel. Die Daten wurden photogrammetrisch, an einem analytischen Auswertegerät, erfaßt und insbesondere in den Bereichen über dem profilierten Gesims zwischen den Fenstern und über dem Gewölbe tachymetrisch ergänzt. Im Plan (1) sind alle Ebenen aktiviert. Nimmt man die Steinmerkmale heraus (2), werden die Architekturkanten betont. Umgekehrt lassen sich Architektur- oder Ausstattungselemente herausnehmen (3), um ausschließlich die Steinoberflächen darzustellen. Bei weiterer Reduktion der Daten ließen sich z.B. nur die Steinmetzzeichen herausfiltern, die in diesem Maßstab allerdings nur als kleine Punkte erkennbar wären. Tatsächlich wurden die Steinmetzzeichen aus diesem Plan bei der Zusammenstellung der entsprechenden Tafeln herangezogen, um Vorkommen und Häufigkeit der einzelnen Zeichen zu katalogisieren. Weitere Einzelelemente, die auf Tafeln zusammengefaßt wurden und überwiegend aus den Schnitten gewonnen werden konnten, sind einige Steinprofile.
Eine weitere komfortable Möglichkeit von Digitaldaten besteht darin, beliebig den Maßstab zu wechseln, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren. Das Spektrum reicht von einem Planausschnitt im Maßstab 1 : 1 (z.B. zur Erstellung einer Profilschablone) bis zur Laserbelichtung eines Dias im Maßstab 1 : 2.500. Abbildung 5 (29kB) zeigt drei Ausschnitte des Hauptaltars in den Maßstäben 1 : 100, 1 : 50 und 1 : 25. Die Strichstärken lassen sich, anders als bei einem reprografischen Vorgang, in jedem Maßstab individuell anpassen. Zusätzliche Details lassen sich, sofern sie gezeichnet wurden, ein- oder ausblenden. Beim Inventar des Heiligkreuzmünsters wurde von der Möglichkeit des Maßstabswechsels Gebrauch gemacht, indem die Darstellungen des Hauptaltars in Querschnitt, Längsschnitt und Grundriß zu einem eigenen Blatt zusammengefaßt wurden. Ähnliche Zusammenstellungen ließen sich bei einer etwaigen Restaurierung zur Dokumentation verwenden. Besonders hervorzuheben ist, daß unabhängig von der Vergrößerung Maße aus der Zeichnung abgenommen werden können, die der ursprünglichen Meßgenauigkeit entsprechen. Beim Heiligkreuzmünster ließen sich also auch in fernerer Zukunft noch Verformungsanalysen mit Millimetergenauigkeit erstellen, die den Zustand zum Zeitpunkt des Aufmaßes dokumentieren. Diese Möglichkeit besteht aber nur, wenn die Daten durchgehend digital weiterverarbeitet werden.
Zum Schluß will ich noch auf eine dritte Differenzierungsmöglichkeit eingehen, die wir im Dach des Chores eingesetzt haben (Abb. 6/23kB). Der Schnittverlauf im Chor war durch die Portale bestimmt, die Blickrichtung ging nach Osten. Dies bedeutete, daß der Einblick in ca. 25 Meter Dachraum darzustellen war und damit eigentlich ein ganzer Wald aus Holzbalken (1). Bei der Betrachtung des Ergebnisses dürften sich selbst für den Fachmann gewisse Verständnisschwierigkeiten einstellen. Wir selbst hatten schon beim Messen das Problem, nachher noch zu wissen, welche Linien wir wo gemessen hatten. Wir sahen deshalb keine andere Möglichkeit, als von vorne herein jedes Gespärre und jede konstruktive Baugruppe auf eine eigene Ebene zu legen und getrennt aufzunehmen. Erst am Schluß wurden die Ebenen überlagert und verdeckte Linien ausgeblendet. Dieses Vorgehen eröffnet nun die Möglichkeit, die konstruktiven Einheiten weiterhin getrennt darzustellen und so das Linienwirrwarr aufzulösen und verständlich zu machen. Plan (2) zeigt das erste Bundgespärre, das unmittelbar hinter der Schnittebene liegt. Eine Achse weiter folgt ein Leergespärre (3). Die nächste große konstruktive Einheit ist das östlichste Gespärre mit dem eichenen Kaiserstiel, an dem ein großer Teil der Chorwalmkonstruktion zusammengeführt wird (4). Eine ganz wichtige konstruktive Einheit, die aus dem Gesamtplan kaum herauszulesen ist, ist der zweifach stehende Stuhl, der die Sparren abstützt (5). Als letzte Schicht ist die Konstruktion der Dachhaut dargestellt, die aus Sparren und Streben zusammengesetzt ist. (6).
Nicht zuletzt illustriert diese Sequenz auch anschaulich das Thema des Kolloquiums und der Publikation: "vom Meßbild zur Bauanalyse".
Abbildungsnachweis
Abb. 2.4: Landesdenkmalamt Baden-Württemberg
Abb. 1, 2.1 - 2.3 und 3 - 6: Verfasser