2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 41 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur Dr.-Ing. Tim Blumenfeld Infrastructure Management Consultants GmbH, Mannheim Prof. Dr.-Ing. Markus Stöckner Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft, Institut für Verkehr und Infrastruktur Univ.-Prof. Dr. sc. techn. ETH Rade Hajdin Infrastructure Management Consultants GmbH, Zürich Dr. sc. ETH Dipl.-Ing. Frank Schiffmann Infrastructure Management Consultants GmbH, Mannheim Prof. Dr.-Ing. Markus König Ruhr-Universität Bochum Zusammenfassung Die Aufgaben eines Asset Managements (AM) können mit der Methode des Building Information Modelling (BIM) maßgeblich unterstützt werden. Der Schwerpunkt der derzeitigen Aktivitäten und Pilotprojekte liegt bisher vorrangig auf dem Planungs- und Bauprozess und weniger auf der Betriebs- und Erhaltungsphase. Im Rahmen von zwei Forschungsprojekten wurde nun der Einsatz von BIM über den gesamten Lebenszyklus von Fahrbahnen und Bauwerken zur Unterstützung des AM untersucht. Herausfordern war hierbei die Berücksichtigung der jeweils landesspezifischen technischen Anforderungen sowie die unterschiedlichen Datenbanksysteme. Zunächst wurden die Architektur und Prozessabläufe der Infrastruktur-Asset-Management-Systeme (IAMS) analysiert, um detaillierte technische Anforderungen für die Verknüpfung von IAMS und BIM festzulegen. Die auf einem Information Container for linked Document Delivery (ICDD)basierende Methode ermöglicht den barrierefreien Austausch unterschiedlicher Ontologien und Semantiken zwischen verschiedenen Beteiligten im AMS-Prozess. Anhand von drei Anwendungsfällen wird aufgezeigt, wie die Methodik in der Erhaltungs- und Betriebsphase der Straßeninfrastruktur angewendet werden kann. 1. Einführung Methoden des Building Information Modeling (BIM) werden bereits erfolgreich in der Praxis zur Planung und Bauausführung von Projekten in Hochbau und Infrastruktur eingesetzt. Für den Straßen- und Brückenbau werden derzeit verschiedene Erweiterungen des Industry Foundation Standard (IFC) entwickelt, um einen effizienten Datenaustausch zu ermöglichen. Der Einsatz von BIM im Betrieb über die Lebensdauer der Straßeninfrastruktur stand bisher noch nicht im Fokus, verspricht aber eine erhebliche Nutzensteigerung vor allem, nicht nur für die Straßenbauverwaltungen. 1.1 Einsatz von BIM in der Planungs- und Bauphase BIM ist ein Instrument zur klaren und eindeutigen Zusammenarbeit zwischen den unterschiedlichen am Bauprozess Beteiligten, damit ein Bauwerk gelingt. Der Einsatz von BIM im anschließenden Betrieb von Straßenbauprojekten stand bisher noch nicht im Fokus. Die Nutzung der BIM-Methode über die gesamte Lebensdauer einer Straße lässt eine erhebliche Nutzensteigerung erwarten. Nicht nur für die einzelnen Straßenbauverwaltungen, sondern für alle, die im Laufe des gesamten Lebenszyklus der Straße beteiligt sind: Zustandserfassung und -bewertung (ZEB), Winterdiensteinsätze, Daten zum Materialverhalten sowie zur Planung von Erhaltungsmaßnahmen sind betroffene Anwendungsbereiche. Die verlustfreie digitale Übergabe der jeweils benötigten Informationen bietet für alle Beteiligten einen erheblichen Mehrwert. Im Jahre 2021 wurde seitens des BMDV der „Masterplan BIM Bundesfernstraßen“ [1] veröffentlicht mit dem Ziel die Digitalisierung des Planens, Bauens und Betreibens im Bundesfernstraßenbau mit der BIM-Methode voranzutreiben. Zukünftig ist auch der Einsatz von BIM in der Erhaltungsphase von Straßenbauwerken vorgesehen. Dazu soll ab 2025 der Masterplan Digitaler Zwilling Bundesfernstraßen eingeführt werden. Hierzu laufen bereits heute ein BIM-Pilot- und Evaluierungsprogramm sowie die Anlegung von BIM-Testfeldern zur Erprobung von Digitalen Zwillingen. BIM beschäftigt sich bisher hauptsächlich mit der Planungsphase eines Straßenbauwerks. Die Betriebs- und Unterhaltungsphase ist jedoch mit Abstand die längste Phase eines Bauwerks, sodass damit bei Straßenbauwerken die größten Kosten und bei Brü- 42 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur ckenbauwerken etwa 70-% der Neubaukosten verbunden sind. Daher sollte der Fokus der vorliegenden Studie auf BIM im gesamten Lebenszyklus der Straßeninfrastruktur gelegt werden. BIM kann dabei helfen, die für die Erhaltungs- und Betriebsphase benötigten Informationen zur Verfügung zu stellen, indem die Verfügbarkeit und Auswertbarkeit der Daten verbessert und damit eine Effizienzsteigerung im Asset Management ermöglicht werden kann [2]. 1.2 Asset Management Asset Management (AM) steht für die systematische und koordinierte Planung, Verwaltung und Erhaltung von Assets, d.-h. der materiellen und immateriellen Werte einer Organisation, mit dem Ziel der Wertschöpfung. In Bezug auf Verkehrsanlagen ist der zentrale Gegenstand des AM der Infrastrukturbetreiber mit seinen Prozessen und Abläufen zur Verwaltung der Straßeninfrastruktur über den Lebenszyklus. In den vergangenen Jahrzehnten haben die Straßenbauverwaltungen die Einführung eines strategisches AM vorangetrieben, um langfristige Infrastrukturziele festzulegen und die Investitionsplanung zu unterstützen. Für ein Infrastruktur-AM-System (IAMS) werden zuverlässige Daten benötigt, um u.-a. Informationen über den aktuellen Zustand der Verkehrsinfrastruktur zu erhalten und darauf auf bauend ihren zukünftigen Zustand zu prognostizieren. Diese Daten dienen dann als Grundlage für den Entscheidungsprozess über Zeitpunkt, Umfang und Kosten von Maßnahmen im Asset Management für Verkehrsanlagen. 1.3 Datenhaltung im Bauprozess In den DACH-Ländern kommen unterschiedliche Projektplattformen bzw. virtuelle Projekträume in der Bauphase als Datenablage zur Anwendung. Diese Projektplattformen/ Projekträume stellen die zentrale Datenquelle für alle projekt-spezifischen Unterlagen im Zuge der Errichtung während des Bauprozesses dar. Einige Projektplattformen verfügen bereits über integrierte Viewer zur Darstellung von IFC oder BIM-Modellen in proprietären Dateiformaten (u. a. DWG, RVT). Die Wahl der Datenhaltungssysteme erfolgt hauptsächlich länder- und projektspezifisch (in Deutschland derzeit u. a. aufgrund des föderalen Systems). Daten werden bisher größtenteils als „Dokumente“ in Form von Plänen, Berichten, Listen, Prüfprotokollen, etc. im Zuge des Bauprozesses generiert und abgelegt. Ein Datenaustausch erfolgt über verschiedene Server oder Cloud-Systeme sowie häufig auch noch in physischer Form als CDs und Pläne. Eine strukturierte Ablage und somit Weiterverarbeitung der in diesen Dokumenten enthaltenen Daten ist bisher nicht Standard und erschwert wesentlich eine Übergabe von Daten aus dem Bauprozess in den Betrieb und die Erhaltung. Zudem liegen gerade zum letzten Punkt keine strukturierten Anforderungen vor [3]. 1.4 Datenhaltung im Asset Management Zu Beginn der 1990er Jahren haben die Infrastrukturbetreiber ihre eigenen Datenbanken zur Verwaltung des Straßeninventars aufgebaut. Diese Datenbanken enthalten u.a. Inventar-, Zustands-, Auf bau- und Verkehrsdaten sowie Daten zu durchgeführten Erhaltungsmaßnahmen, die wiederum bspw. zu einer Aktualisierung der Aufbaudaten führen. Dazu kamen analytische Informatikwerkzeuge, die für die mittelbis langfristige Ermittlung des Erhaltungs- und Finanzbedarfs und schließlich zur Vorbereitung der Entscheidungsfindung verwendet werden. Die Struktur dieser Daten bzw. Datenbanken variiert zwischen den Infrastrukturbetreibern zum Teil stark, d.- h. sowohl die Semantik als auch die Ontologie sind unterschiedlich. Gleichwohl enthalten die bestehenden Datenbanken der Infrastrukturbetreiber mittlerweile eine sehr wertvolle Datengrundlage und deren Einsatz innerhalb des Asset Managements hat sich bewährt. Es ist daher nicht absehbar, dass in Zukunft eine Harmonisierung dieser Systeme erfolgen wird. Dies bedeutet wiederum, dass die Weiterentwicklung von Methoden zur Verbesserung des Datenaustausches zwischen den bestehenden Datenbanken und BIM an die Anforderungen der vorhandenen Datenbanken anknüpfen muss. 1.5 Problemstellung und Ziele In den DACH-Ländern werden schon länger Anstrengungen unternommen, die BIM-Methode im Straßenbau einzusetzen [4], [5]. Jedoch zeigte sich im Bereich der Straßeninfrastruktur, dass das nachträgliche Zusammenführen von vorher in unterschiedlichen Lebensphasen getrennt voneinander erarbeiteter Straßeninfrastrukturdaten oftmals fehleranfällig ist. Bisher vorliegende Lösungsansätze finden sich derzeit sehr häufig in Form von BIM-Pilotprojekten. Diese decken nur Teilaspekte über die Lebensdauer ab und beziehen sich vornehmlich auf die Projektierung sowie Planung und Abwicklung von Baumaßnahmen im Sinne einer “digitalen Baustelle”. Eine generelle Beschreibung von Prozessen, Datenstrukturen und -flüssen in Straßenbauverwaltungen existiert bisher noch nicht in einer für die Anwendung der BIM-Methode umfassenden und nutzbaren Form. Dabei fehlen insbesondere einheitliche Vorgaben zum Datenaustausch zwischen den an Projektierung und Bau sowie Betrieb, Überwachung und Erhaltungsplanung beteiligten Partnern. Bisher wurden im Asset Management die baustofftechnologischen Daten aus dem Bauprozess nur begrenzt in den Fokus gerückt und der Frage nicht nachgegangen, welche Daten für Betrieb, Überwachung und Erhaltungsplanung erforderlich sind. Eine Reihe dieser Daten sind jedoch für die Erhaltungsplanung und den Straßenbetrieb nicht nur hilfreich, sondern als Kernelement des Asset Managements unabdingbar. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass nach Fertigstellung eines Straßenbauwerks durch die umfassende Dokumentation des ausgeführten Werkes und der vorhandenen Abnahmeprüfungen eine sehr detaillierte Datenbasis vorliegt, welche über die Lebensdauer derzeit nur in begrenztem Maß oder auch gar nicht genutzt wird. Durch eine oftmals fehlende datenbanktechnische Aufarbeitung dieser Datenbasis und der aktuell nicht vorhandenen Verknüpfung mit jener des Asset Management Sys- 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 43 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur tems (AMS) können die entsprechenden Informationen nur mit unverhältnismäßig großem manuellem Aufwand digital zur Verfügung gestellt werden. Ziel der vorliegenden Studie war es, ein in sich geschlossenes Konzept zu entwickeln, wie baustofftechnische Daten und betriebsablaufspezifische Informationen in ein BIM für Straßen integriert und miteinander verknüpft werden können. Folgende Schwerpunkte wurden bei der Bearbeitung gesetzt: • Analyse, welche Auswahl von baustofftechnischen Daten aus dem Bauprozess erforderlich ist, um diese in den nachfolgenden Prozessen im Lebenszyklus der Straße weiterzuverwenden. • Auf Grund der Vielzahl der verfügbaren Daten musste daher eine Selektion stattfinden. Es sollen dabei sowohl die erforderlichen Informationen mit Relevanz für die Planung und Ausschreibung von nachfolgenden Maßnahmen der baulichen Erhaltung als auch die zum Betrieb der Straße erforderlichen Informationen identifiziert werden. • Die Ergebnisse sollten einen bedeutenden Teilaspekt zum Ausbau eines umfassenden BIM für Straßenbauwerke bilden. Die entwickelte Methodik zur Zielerreichung wird im folgenden Kapitel beschrieben. 2. Methodik 2.1 Prozessanalyse Ziel der Prozessanalyse war es zunächst den Datenfluss innerhalb des Lebenszyklus eines Straßenbauwerks zu analysieren. Abb. 1 zeigt hierzu die Lebensphasen eines Straßenbauwerks sowie die Asset Management Datenbank (AM-DB), welche das vorhandene Inventar umfasst. Das analytische Werkzeug basiert auf der AM-DB und kann die Daten aller Infrastrukturobjekte, des Inventars, mit einem Algorithmus verarbeiten und schlägt Maßnahmen für die Infrastrukturobjekte vor. Abb. 1: Prozesskreislauf eines Infrastrukturbauwerks mit Zeitpunkten des Datenaustauschs zwischen Asset Manager und weiteren Prozessbeteiligten innerhalb des Lebenszyklus Die im Rahmen der Zustandserfassung und -bewertung von Straßen (ZEB) erfassten Schäden bzw. Bewertungen werden in der Datenbank gespeichert und dienen dem analytischen Werkzeug zur Simulation der Zustandsentwicklung der Infrastrukturobjekte. Anhand dieser Simulation werden Maßnahmen vorgeschlagen, wie z.-B. eine detaillierte Untersuchung oder die Vorbereitung und Ausführung einer Baumaßnahme. Die Details, wie dies bei Straßenoberbauten erfolgt, werden hier nicht erörtert, sondern es sei an dieser Stelle lediglich auf die Fachliteratur verwiesen (vgl. [6]). 2.2 Definition von Anwendungsfällen und Informationsanforderungen Auf bauend auf den Ergebnissen der Prozessanalyse wurden schließlich drei Anwendungsfälle definiert und analysiert, welche Informationen bzw. welche Daten für die gewählten Anwendungsfälle relevant sind. Je nach Anwendungsfall unterscheidet sich die Qualität der benötigten Informationen. Die damit verbundenen Informationsanforderungen müssen seitens des Bauherrn in Hinblick auf Form, Format und Verfügbarkeit definiert werden. Update 0 - Neubau Im Falle eines Neubaus und der anschließenden Inbetriebnahme (Punkt 0 in Abb. 1) ist das Bauunternehmen dazu verpflichtet die Daten und Pläne des ausgeführten Infrastrukturobjektes an den Infrastrukturbetreiber zu liefern. Diese Informationen können bisher in der Regel jedoch nicht in eine Datenbank automatisch importiert werden. Die Daten des fertigen Infrastrukturobjektes werden entweder von einem externen oder internen Team anhand der Pläne manuell erfasst. Dies hat gewisse Vorteile, da dadurch eine Qualitätskontrolle durchgeführt wird. Es handelt sich dabei jedoch um eine aufwendige 44 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur und an sich nicht notwendige Aktivität. Dennoch muss festgehalten werden, dass die Ersterfassung, obwohl aufwendig, in der Regel in einer guten Qualität durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass die Inventardaten zu einem Infrastrukturobjekt in der Regel in einer AM-DB vorhanden sind. Mit dem zunehmenden Einsatz von BIM in der Bauphase der Verkehrsinfrastruktur werden zukünftig zunehmend alle notwendigen Daten eines Bauwerks bereits digital zur Verfügung stehen, obgleich eine direkte Erfassung der Daten damit noch nicht möglich ist, da die Datenstruktur in BIM nicht jener der Asset-Managementsysteme entspricht. Dieser Anwendungsfall wird im vorliegenden Beitrag nicht im Detail betrachtet. Update 1 - Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) Der Zustand der Straßenbefestigung unterliegt einer ständigen Beanspruchung durch Verkehr und Klima und ist damit eine zeitlich veränderliche Kenngröße. Aus diesem Grund werden in den D-A-CH-Ländern regelmäßig und standardisiert netzweite Messkampagnen zur Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) der Fahrbahnoberfläche durchgeführt (vgl. [7], [8], [9]), um einen aktuellen Überblick zum Netzzustand zu erhalten. Diese Daten werden bereits heute in den Straßendatenbanken bzw. der Asset Management Datenbasis (AM- Datenbasis) historisiert abgelegt (vgl. [10], [11], [12]) und dienen neben weiteren Daten, u. a. zum Auf bau, der vorhandenen (Schwer-) Verkehrsbelastung oder Klima, bei Analysen zur Modellbildung der Zustandsentwicklung. Der Datenaustausch zwischen ZEB und AM-Datenbasis (Punkt 1 in Abb. 1) über eine IFC-Schnittstelle stellt hierbei eine standardisierte Datenstruktur für die Zustandsdaten im Rahmen einer separaten virtuellen Schicht sicher und ermöglicht bei Bedarf eine Anreicherung des BIM-Modells in Form eines digitalen geometrischen Geländemodells der Fahrbahnoberfläche. Das Bestandsmodell selbst wird somit nicht verändert. Zusätzlich wird es möglich, weitere relevante Zustandsinformationen des Straßenoberbaus, z.- B. Tragfähigkeitsmessungen oder Bohrkern-untersuchungen für die Bewertung der Straßenbefestigung, über die IFC-Schnittstelle auszutauschen. Mit den aktualisierten Zustandsdaten in Verbindung mit einem Prognosemodell lassen sich dann Aussagen über die aktuelle und zukünftige Erhaltungsbedürftigkeit im Straßennetz treffen. Im Rahmen der Zustandserfassung wird eine große Menge von Rohdaten erhoben, aus denen Ergebnisdaten im Rahmen eines Auswerteprozesses hergeleitet werden. Im vorliegenden Fall werden jedoch lediglich die abschnittsbezogenen Ergebnisdaten in die AM-Datenbasis übernommen, welche zur weiteren Verarbeitung benötigt werden. Update 1a - Detaillierte Untersuchung Im Rahmen der Maßnahmenvorbereitung können tiefgreifende Untersuchungen erforderlich werden, wie z. B. eine Bohrkernuntersuchung. Hierbei werden die Daten manuell, und zwar in einem reduzierten Umfang, in der AM-DB erfasst. Diese Aktualisierung erfolgt im Punkt 1a in Abb. 1. In der Regel ist hierfür keine geeignete Datenstruktur in AM-DB vorhanden, so dass nur ein PDF-Bericht in der Datenbank abgelegt wird. Dies bedeutet, dass die gewonnen Erkenntnisse aus den tiefgreifenden Untersuchungen im analytischen Werkzeug nicht oder nur marginal berücksichtigt werden. Update 2 - Erhaltungsplanung Der Prozessschritt der Erhaltungsplanung erfordert u. a. Inputdaten zum Befestigungsauf bau, zu den baustofftechnologischen Daten, zum Zustand und zu weiteren planungsrelevanten Kenngrößen. Das Ergebnis einer netzweiten Erhaltungsplanung stellt die Finanzbedarfsprognose sowie die Identifikation- und Priorisierung von maßnahmenbedürftigen Abschnitten dar. Dies erzeugt vordergründig keine Änderung des Bestandsmodells. Allerdings zeigen die Anforderungen aus der Praxis, dass es notwendig ist, auch hier einen netzweiten Überblick zum anstehenden Erhaltungsprogramm, welches aus maßnahmenbedürftigen Abschnitten besteht, zu generieren (Punkt 2 in Abb. 1). Die notwendigen Informationen umfassen die Angaben zum betroffenen Abschnitt, zum geplanten Maßnahmenjahr sowie zum vorab zugeordneten Maßnahmentyp. Ein Maßnahmentyp umfasst verschiedene Erhaltungsmaßnahmen mit ähnlichem Umfang bzw. ähnlichen Auswirkungen in Bezug auf Zustand und Kosten. Update 3 - Aktualisierung des As-built-Modells Im Rahmen der objektbezogenen Projektierung und Bauausführung wird die Baumaßnahme konkretisiert und dann umgesetzt (Punkt 3 in Abb. 1). Dabei kann sich unter Umständen der durch die Erhaltungsplanung vordefinierte Maßnahmentyp nochmals ändern. Durch eine Baumaßnahme wird die Straßenbefestigung z. B. durch den Ersatz einer oder mehrerer gebundener Schichten bzw. aller gebundenen und ungebundenen Schichten gesamthaft erneuert. Damit ändert sich das initiale as-built-Modell und mit dem Update III werden die relevanten Änderungen in das Modell mit übernommen. Neben den geometrischen Änderungen werden auch die neuen baustofftechnischen Daten mit übernommen. 2.3 Informationscontainer nach ISO 21597 Die Verknüpfung und Überführung unterschiedlicher Datenquellen, Datenmodelle oder -formate ist eine bekannte Herausforderung, die nicht allgemeingültig gelöst werden kann. Der Einsatz der Semantic Web Technology (SWT) bietet die Möglichkeit, Daten aus unterschiedlichen Datenquellen miteinander zu verknüpfen. Um domänenspezifische, semantische Information zu beschreiben, in diesem Fall konkret aus dem Umfeld der Straßeninfrastruktur und dem Asset Management, können entsprechende auf Resource Description Framework (RDF) und Web Ontology Language (OWL) basierende Ontologien entwickelt werden. Der Information Container for linked Document Delivery (ICDD) nach ISO 21597-1 bietet eine Umgebung für die Erfassung und Verlinkung von Daten aus unterschiedlichen Formaten. In diesem Information Container können dateibasier- 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 45 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur te Dokumente, z. B. IFC-Modell, Excel-Tabelle, Fotos etc., und die Ontologie miteinander verknüpft werden. Der Austausch von komplexen Daten zwischen den Beteiligten wird somit mittels ICDD erleichtert (vgl. Abb. 2). Abb. 2: Datenaustausch zwischen Asset Manager und internen/ externen Fachanwendern mit Hilfe von ICDD Ein wesentlicher Vorteil ist dabei die vereinfachte Erweiterung von semantischen Informationen zum Bauwerk mittels einer Ontologie. Die bisher veröffentlichten Ontologien für Infrastrukturelemente, z. B. European Road Object Type Library (OTL) [13] [14], können hierfür verwendet bzw. nach den individuellen Anforderungen erweitert werden. Je nach Bedürfnis kann der Nutzer auch eigene Ontologien erstellen. Beispielsweise können die baustofftechnischen Merkmale als Ontologie definiert werden. Die dazu gehörenden Daten können als Instanzen der Ontologie mittels ICDD erfasst und mit IFC-Element verknüpft werden. Die zu erfassenden Daten sowie die betreffenden Ontologien innerhalb eines Information Containers sind gemäß dem definierten Anwendungsfall festzulegen. Bestimmte Informationen können mit dem SPARQL Protocol und der RDF Query Language (SPARQL) abgefragt werden. 3. Entwicklung eines IT-Prototyps (ICDD-Plattform) Die Praxisanwendbarkeit der entwickelten Methodik sollte anhand von Anwendungsbeispielen erprobt werden. Dazu wurde ein IT-Prototyp [15] entwickelt und die definierten Anwendungsfälle implementiert. 3.1 Systemarchitektur Die Systemarchitektur des Prototyps zur Realisierung der ICDD-Funktionen lässt sich in drei Komponenten gliedern (vgl. Abb. 3). In der Komponente “Daten“ werden die erstellten Informationscontainer in der vorgesehenen Lagerung zur weiteren Verwendung gespeichert. In der Komponente “Arbeit & Datenzugriffslogik“ sind die relevanten Prozessoren für die Funktionen zum Bearbeiten der ICDD bereitgestellt. Außerdem wird der Datenfluss von der Komponente “Daten“ zur Komponente “Präsentation“ für den Benutzer gesteuert. Der Container-Prozessor ermöglicht das Erstellen, Bearbeiten und Löschen des Container-Inhalts. Andere mit dem Container-Prozessor verbundenen Prozessoren rufen containerbezogene Daten ab oder senden diese. Der IFC-Prozessor verarbeitet IFCbasierte Modelle, die in der Benutzeroberfläche des Prototyps als Geometrie und Information mit der räumlichen Hierarchie des IFC-Modells angezeigt werden. Darüber hinaus können IFC-Modelle innerhalb der Plattform mit Hilfe des IFCtoLBD-Konverters in RDF-basierte Datensätze überführt werden. Abb. 3: Systemarchitektur der entwickelten ICDD- Plattform Die SPARQL- und SHACL-Prozessoren sorgen dafür, dass Containerdaten anhand einer erstellten Abfrage gefiltert werden und auf die definierten Bedingungen geprüft werden. Der R2RML-Prozessor realisiert den Datenexport aus der externen Datenbank in den ICDD mit vordefinierten Mapping-Regeln. Die erzeugten RDF- Tripel und Links werden im Container gespeichert. Unter der Komponente “Präsentation“ bietet die Benutzeroberfläche eine Schnittstelle zur Darstellung und Interaktion mit allen bereitgestellten Funktionen in der Komponente „Arbeit & Datenzugriffslogik“. Zusätzlich können Abfragen zu ausgewählten IFC-Objekten im Container ohne große SPARQL-Kenntnisse über den IFC-Viewer erstellt werden. 3.2 Funktionen des IT-Prototyps Über die webbasierte ICDD-Plattform können Informationscontainer mit bestehenden Asset Management Datenbanken verbunden werden. Die Daten aus der Datenbank werden in die Semantic Web Sprache umgeschrieben und in die Informationscontainer importiert, wodurch die Verknüpfung mit dem BIM-Modell ermöglicht wird. Umgekehrt können Daten aus dem BIM-Modell ebenfalls in die Semantic Web Sprache transformiert werden. Mittels SPARQL-Abfrage können so Daten des BIM-Modells nach vordefinierten Informationsanforderung gefiltert oder zusammengefasst werden. Die ausgewählten Daten können dann in die ursprüngliche Datenbank zurückgespielt werden. 4. Anwendungsbeispiele Für die Konzeptbestätigung wurde die entwickelte Methodik und das Datenmodell prototypisch implementiert und mit Hilfe der definierten Anwendungsfälle (vgl. Abschnitt 2.2) am Beispiel eines Straßenabschnittes erprobt. Dazu wurde zum einen das Einspielen und Visualisieren von Ergebnissen der ZEB in das Modell umgesetzt (vgl. Abschnitt 3.2). Zum anderen wurden die in den Daten- 46 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur banken vorhandenen Auf baudaten und die aus dem Bauprozess generierten baustofftechnischen Daten in das Modell integriert (vgl. Abschnitte 3.3 und 3.4). Die softwaretechnische Umsetzung beinhaltete die Verknüpfung von Daten inklusive der notwendigen Schnittstellen zwischen einer Autorensoftware (z. B. AutoCAD Civil 3D) und einem eingesetzten Asset Management Systemen (z. B. BISSTRA, dTIMS, TRA) sowie die Visualisierung von Informationen mittels eines IFC-Viewers. 4.1 IFC-Bauwerksmodell Das Bauwerksmodell wurde mit Hilfe einer Autorensoftware erstellt (vgl. Abb. 4). Hierbei erfolgte die Abbildung der Straßenschichten entlang der tatsächlichen Straßenachse (Gerade, Übergangsbogen, Bogen). Des Weiterhin wurden die im Modell zu beinhaltenden Informationen und baustofftechnischen Daten mit den Modellelementen (Straßenschichten) verknüpft und anhand von Merkmalen und Merkmalsgruppen strukturiert. Abb. 4: IFC-Bauwerksmodell eines zweistreifigen Straßenabschnittes 4.2 Update 1 --Zustandserfassung und -bewertung Das Update I wird für den Austausch der erfassten Zustandsdaten genutzt. Der Informationscontainer enthält das relevante Inventar des zu erhebenden Straßennetzes - im Anwendungsbeispiel der definierte Straßenabschnitt. Der Zustandserfasser überträgt die gemessenen und auf das Inventar voraggregierten Zustandsdaten in den Informationscontainer. Bei der Aggregierung durch den Zustandserfasser werden die georeferenzierten Messdaten auf die vorher definierten Auswerteabschnitte projiziert und anschließend für die Berechnung der aggregierten Zustandsdaten der Auswerteabschnitte genutzt. Diese Daten werden vor einer Übertragung in die AMS- Datenbank geprüft und validiert. Abb. 5 zeigt die Visualisierung der Ergebnisse einer Zustandserfassung und -bewertung innerhalb des Prototyps. Abb. 5: Darstellung von Ergebnissen der ZEB eines Straßenabschnittes im Prototyp 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 47 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur 4.3 Update II - Planung von Erhaltungsmaßnahmen Mit dem Update II werden die Ergebnisse der Erhaltungsplanung in den Container übernommen. Damit liegt ein Maßnahmenprogramm vor, aus dem für ein Netz oder ein Teilnetz die geplanten Maßnahmen nach Lage, Maßnahmenart, Maßnahmenkosten und voraussichtlicher Zeitpunkt der Maßnahmendurchführung hervorgeht. Damit sind folgende Abfragen denkbar: • Übersicht über das geplante Maßnahmenprogramm für das Gesamtnetz über einen längeren Planungszeitraum • Übersicht über das geplante Maßnahmenprogramm im Gesamtnetz für ein spezifisches Planungsjahr • Übersicht über ein Maßnahmenprogramm in relevanten Korridorbetrachtungen Relevante Informationen sind die räumliche Lage und der Zeitraum der Maßnahmen, um beispielsweise Verfügbarkeitsbetrachtungen im Netz machen zu können und die tatsächliche Durchführung der Maßnahmen besser koordinieren zu können. Koordinierungspotential ergibt sich zum einen aus verkehrstechnischen Gesichtspunkten und verkehrstechnisch optimierten Streckensperrungen. Zum anderen werden Maßnahmen an der Fahrbahn im optimalen Fall mit den Maßnahmen an anderen Anlagenteilen, beispielsweise Sanierung von Bauwerken oder Entwässerungseinrichtungen etc. koordiniert. Diese Koordinationsaufgaben werden i.d.R. für unterschiedliche Zeitpunkte von Jahresprogrammen bis hin zu längerfristigen Zeitraumen erbracht, was eine entsprechend zeitlich ausgerichtete Informationsgrundlage erfordert. Abb. 6 zeigt einen Straßenabschnitt mit einer geplanten Erhaltungsmaßnahme innerhalb des Prototyps. Abb. 6: Darstellung eines Straßenabschnittes mit geplanter Erhaltungsmaßnahme im Prototyp 4.4 Update III - Aktualisierung des As-built- Modells Nach der Fertigstellung einer Erhaltungsmaßnahme erhält das ausführende Bauunternehmen einen Anforderungscontainer mit einem Datenauszug des behandelten Straßenabschnittes aus der AM-DB inklusive dessen Geometrie mit dem Stand vor der Maßnahme. Das Bauunternehmen editiert diesen Container wie folgt: • Instandgesetzte Schichten erhalten entsprechende Attribute (Maßnahmenart, Kosten, usw.). Die Geometrie bleibt in der Regel unverändert. • zurückgebaute Schichten werden historisiert, d.-h. sie erhalten ein Datum mit welchen ihre Gültigkeit beendet wird. Ihre Geometrie wird nicht mehr sichtbar sein. • Neu eingebaute Schichten werden, wie ein Neubau behandelt, d.-h. diese werden gemäß der Ontologie erfasst und mit der Geometrie (IFC-Modell) verknüpft. Der Gültigkeitsbeginn dieser Schichten wird auf das Abnahmedatum gesetzt. Abb. 7 zeigt einen Straßenabschnitt innerhalb des Prototyps mit den Gesteinseigenschaften der Asphaltdeckschicht, die im Rahmen einer Erstprüfung ermittelt wurden. Abb. 7: Darstellung von ermittelten Gesteinseigenschaften im Rahmen einer Erstprüfung im Prototyp Der für den Datenaustausch verwendete Container umfasst sowohl das IFC-Modell des ursprünglichen Bestands als auch die neu eingebauten Belagsschichten. Der Belag wurde in mehreren Einbauabschnitten eingebaut, die separat in einer Autorensoftware modelliert sind. Die Deckschicht eines Einbauabschnitts ist im Viewer hervorgehoben. Die Eigenschaften dieser Deckschicht., d.-h. die Ortung durch lineare Referenzierung sowie die Gesteinserstprüfung sind in der mittleren Spalte ersichtlich. Nach dem Einbau dieser Deckschicht wurde auch ein Bohrkern entnommen und im Rahmen der Abnahme untersucht. Der Bohrkern befindet sich als IFC-Modell samt den entsprechenden Prüfergebnissen im Container. Die Verknüpfung des Bohrkerns zu den betroffenen Schichten des Einbauabschnitts sowie zum Prüf bericht ist aus der mittleren Spalte in Abb. 8 zu entnehmen. 48 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur Abb. 8: Darstellung von Materialeigenschaften eines Bohrkerns im Prototyp Abb. 9: Aktualisierung der baustofftechnischen Daten in der AM-Datenbank Der Import der Daten des Containers in die AM-DB erfolgt mit Hilfe von SPARQL, wobei die Ontologie des Containers entweder direkt mit den Datenbanktabellen bzw. Attributen verknüpft ist oder hierfür eine Middleware zur Überführung der Containerdaten in die AM-DB genutzt wird. Abbildung 9 zeigt die aktualisierten baustofftechnischen Daten der untersuchten Bohrkerne in der AM-DB. 5. Schlussbetrachtung Die Aufgaben eines Asset Managements können mit der Methode des Building Information Modelling (BIM) maßgeblich unterstützt werden, wie es auch mit dem Master-Plan Bundesfernstraßen verfolgt wird. Building Information Modeling (BIM) stellt einen aktuell notwendigen Innovationsprozess im Lebenszyklus von Infrastrukturen dar. Dabei fällt auf, dass der Schwerpunkt der derzeitigen Aktivitäten und Pilotprojekte mehr auf den Bauprozess und weniger auf den Betriebs- und Erhaltungsprozess gelegt wird. Insofern wurde die Erhaltungsphase in zwei Forschungsprojekten [16], [17] untersucht. Dabei wurde der Lebenszyklus der Straßeninfrastruktur detailliert betrachtet. Die Herausforderungen waren die Berücksichtigung der jeweils landesspezifischen technischen Anforderungen sowie die unterschiedlichen Datenbanksysteme. Die entwickelten und erprobten Lösungsansätze gehen davon aus, dass ein ausreichendes wie-gebaut-Modell aus der Bauphase in die Betriebs- und Erhaltungsphase übergeben werden kann. Um ein solches Modell aufzustellen, mussten daher zunächst die Architektur und Prozessabläufe der nationalen Infrastruktur-Asset-Management-Systeme (IAMS) analysiert werden, um detaillierte technische Anforderungen für die Verknüpfung von IAMS und Building Information Models (BIMs) als Infrastruktur-Asset-Datenbanken festzulegen. Die Herausforderung dabei war, eine Vorgehensweise zu entwickeln, in der unterschiedliche Ontologien und Semantiken barrierefrei zwischen verschiedenen Beteiligten im AMS-Prozess übergeben werden können. Dazu wurden die Prozesse und Datenaustauschpunkte beschrieben und die Informationsbedarfstiefe bis hin zu Merkmalsgruppen und Merkmalen definiert, damit die Daten und Informationen für die ingenieurtechnischen Aufgaben vorliegen. Die auf einem Information 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 49 BIM zur Unterstützung eines effizienten Asset Managements der Straßeninfrastruktur Container for linked Document Delivery (ICDD)-basierende Methode ermöglicht den barrierefreien Austausch unterschiedlicher Ontologien und Semantiken zwischen verschiedenen Beteiligten im AMS-Prozess. In diesem Beitrag wurde anhand von drei Anwendungsfällen aufgezeigt, wie die Methodik in der Erhaltungs- und Betriebsphase der Straßeninfrastruktur angewendet werden kann. Literatur [1] BMDV (2021). Masterplan BIM für Bundesbauten. Bundesministerium für Digitales und Verkehr. Berlin. [2] Hajdin (2022). Wie viel BIM braucht das Erhaltungsmanagement von Straßen? Kongressband zum Deutschen Straßen- und Verkehrskongress 2022. FGSV Verlag. Dortmund. [3] Hajdin, Stöckner & König (in Vorbereitung). Einsatz von BIM zur Unterstützung des Asset Managements von Verkehrsinfrastrukturanlagen. Straße und Autobahn. Kirschbaum Verlag. Bonn. 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