9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 143 Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung - aktueller Stand und zukünftige Entwicklung Dr. Iris Hindersmann Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach Ralph Holst Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach Kay Degenhardt Landesbetrieb Straßen Brandenburg, Hoppegarten Zusammenfassung Im Rahmen der Erhaltung von Bauwerken der Bundesfernstraßen werden durch die zunehmende Digitalisierung deutlich mehr Daten erhoben. Zu nennen sind u. a. BIM-Modelle, Laserscans, photogrammetrische Aufnahmen und Daten aus Monitoringanwendungen oder Zf P-Verfahren. Um einen maximalen Nutzen aus den zusätzlichen Daten zu ziehen, ist ein Datenmanagement notwendig, welches die Strukturierung, Speicherung und Zusammenführung der Daten ermöglicht. Ziel des Datenmanagements ist die verbesserte Datengrundlage zur Vereinfachung von Prozessen und Arbeitsaufwänden. Weiterhin sollte die konsequente Anwendung der FAIR-Prinzipien umgesetzt werden, damit Daten auffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar sind. Im Rahmen des Berichts werden die Anforderungen und Ergebnisse für die Entwicklung eines umsetzbaren Datenmanagements für die Bauwerkserhaltung, welche in Zusammenarbeit mit den Betreibern der Ingenieurbauwerke im Rahmen verschiedener Zusammenarbeiten entwickelt wurden, dargestellt. 1. Einführung Die Betreiber der Ingenieurbauwerke stehen einer Vielzahl von Herausforderungen gegenüber. Steigende Verkehrslasten, Alterung der Bauwerke und klimatischen Einwirkungen sind hierbei Beispiele. Aktuell wird diesen Herausforderungen zumeist mit einem reaktiven Erhaltungsmanagement begegnet. Erst wenn Schäden sichtbar sind, werden diese behoben. Mit einem zukünftigen, verifizierbaren prädiktiven Lebenszyklusmanagement könnten Erhaltungsmaßnahmen bereits durchgeführt werden, bevor größere Schädigungen eintreten. Diese Vorgehensweise adressiert vor allem eine verbesserte Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit der Straßeninfrastruktur [1; 2]. Der Digitale Zwilling als Werkzeug zur Umsetzung eines prädiktiven Vorgehens spielt hierbei eine bedeutende Rolle. Ein Digitaler Zwilling Bundesfernstraßen ist eine virtuelle dynamische Repräsentation des realen Systems und seiner Wirkzusammenhänge. Er unterstützt über einen (teil)automatisierten bidirektionalen Daten- und Informationsaustausch optimierte Entscheidungsgrundlagen für ein nachhaltiges Management im Lebenszyklus der Infrastruktur [3]. Ein wichtiger Baustein auf dem Weg zum einem prädiktiven Lebenszyklusmanagement durch digitale Zwillinge ist der definierte und standardisierte Umgang mit den Daten, die im Lebenszyklus des Bauwerks anfallen. Im Rahmen der Zusammenarbeit der Betreiber der Ingenieurbauwerke und Umfragen hat sich gezeigt, dass ein standardisierter Umgang mit den Daten nicht gegeben ist [4; 5]. Um diesem Problem zu begegnen, wurde im Rahmen eines Workshops mit Vertreter verschiedener Betreiber von Ingenieurbauwerken im Straßenbereich im Juni 2024 das Thema „Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung“ diskutiert [6]. Ziel war die Entwicklung eines gemeinsamen Leitbildes und die Formulierung von Anforderungen zur Umsetzung des Leitbildes. Auch im Rahmen des Projektes Leitfaden - strategischer Einsatz von Monitoring für Ingenieurbauwerke wurde das Thema adressiert und Möglichkeiten zur Umsetzung eines praktikablen Datenmanagements aufgezeigt [5]. Die Anforderungen und Ergebnisse, welche in Zusammenarbeit mit den Betreibern der Ingenieurbauwerke der Straße entwickelt wurden, werden im Rahmen dieses Beitrags aufgearbeitet. 2. Datenmanagement für die Bauwerkserhaltung 2.1 Aktuelle Situation Im Rahmen der Erhaltung von Bauwerken fallen eine Vielzahl von Daten an. Neben der klassischen Bauwerksprüfung nach DIN 1076 [7] werden auch im Rahmen des Einsatzes von innovativen Verfahren der Zustandserfassung und -bewertung Daten erzeugt. Es gibt vielfältige innovative Unterstützungsmöglichkeiten zur Erfassung und Bewertung des Bauwerkszustands. Hier sind u. a. der Einsatz von Monitoring, zerstörungsfreien Prüfungen (Zf P) und die Erzeugung und Nutzung von Bauwerksmodellen zu nennen. Diese innovativen Verfahren finden teilweise bereits bei den zuständigen Betreibern der Ingenieurbauwerke Anwendung. Um die identifizierten Potenziale weiteren Anwendern zugänglich zu machen, bewährte Verfahren perspektivisch in Regelwerke aufzunehmen, ist es u. a. wichtig die Datengrundlagen 144 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung - aktueller Stand und zukünftige Entwicklung aufzuarbeiten. Der Erfolg und der Nutzen der innovativen Verfahren hängt auch stark von einem strukturierten und einheitlichen Datenmanagement ab. Das Datenmanagement bietet die Möglichkeit, die Daten vielseitig und langfristig im Rahmen verschiedener Aus- und Bewertungsverfahren zu nutzen und damit die Bauwerkserhaltung optimaler und zielgerichteter zu gestalten. Die im Rahmen der Bauwerkserhaltung erhobenen Daten werden nur teilweise und dann in unterschiedlichen Systemen und Formaten gespeichert und vorgehalten. Folgende Daten und damit auch Datenspeicherungen sind u. a. möglich und werden angewendet: • SIB Bauwerke: Im Programmsystem SIB Bauwerke werden die Bauwerksdaten nach den Anforderungen der ASB-ING (Anweisung Straßeninformationsbank, Teilsystem Bauwerksdaten) gespeichert, welche die Grundlage zu Erfassung und Verwaltung der Bauwerksdaten darstellt [8]. Neben den Bauwerksdaten werden u. a. auch Fotos und Berichte zu Bauwerksprüfungen, und objektbezogenen Schadensanalysen (OSA) [9] gespeichert. • Bauwerksakten: Im Rahmen der Erstellung von Bauwerken werden die Bauwerksakte Teil A - bauwirtschaftlicher/ kaufmännischer Teil der Bauwerksdokumentation, Bauwerksakte Teil B - bautechnischer Teil der Bauwerksdokumentation und die Bauwerksakte Teil C - Bauwerksbuch nach DIN 1076 aktuell in analoger Form erstellt. Erste Umsetzungen der digitalen Bauwerksakte sind beispielsweise in [10] beschrieben. • 3D-Modell: Im Rahmen der Planung von Bauwerken kommt vermehrt die BIM-Methode zur Anwendung und damit die Erstellung digitaler 3D-Modelle. Daneben können dreidimensionale Modelle im Rahmen der nachträglichen Erfassung der Bauwerke über verschiedene Methoden erstellt werden [11; 12]. Diese Daten werden häufig auf CDEs (Common Data Environment) abgelegt. • Messdaten: Im Rahmen des Einsatzes von Monitoring oder Zf P werden große Datenmengen erzeugt. Diese liegen zumeist in nativen Formaten vor. Aufgrund der großen Datenmengen erfolgt die zeitliche begrenzte Speicherung dieser Daten häufig auch nur bei den Ingenieurbüros oder Messtechnikanbietern und nicht bei den Betreibern der Infrastruktur. Diese archivieren zumeist nur Berichte mit den ausgewerteten Informationen. Die Vielzahl der Daten werden aktuell nur selten zusammengeführt und können damit auch nicht gemeinsam ausgewertet und bewertet werden. Eine Zusammenführung bietet aber viele Potenziale für die zukünftige Nutzung im prädiktiven Lebenszyklusmanagement mit digitalen Zwillingen. Daher ist es aus heutiger Sicht relevant, dass die Grundlagen und Anforderungen für ein Datenmanagement aus Sicht der Betreiber der Ingenieurbauwerke und damit den Verantwortlichen für die Bauwerkserhaltung entwickelt werden. Hierbei liegt der Fokus auf der Ableitung von Anforderungen für Datenmodelle, Zugangspunkte und Schnittstellen (siehe Kapitel 2.3). 2.2 Leitbild „Datenmanagement zur Bauwerkserhaltung“ Um Anforderungen an ein Datenmanagement ableiten zu können ist im ersten Schritt ein gemeinsames Verständnis notwendig. Im Rahmen des Workshops zum Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung wurde ein Leitbild für das Datenmanagement erarbeitet. Abb. 1: FAIR Prinzipen (geändert nach [13]) Das Datenmanagement zur Bauwerkserhaltung muss stets auf die Vereinfachung der Prozesse und damit auf die Reduzierung des bestehenden Arbeitsaufwandes bei mindestens gleicher oder höherer Qualität der zu verarbeitenden Informationen gerichtet sein. Grundlage des Handelns im Datenmanagement ist die konsequente Anwendung der international anerkannten FAIR-Prinzipien, um so Daten unter klar beschriebenen Bedingungen für die Wiederverwendung durch Menschen und Maschinen geeignet zu machen. FAIR steht hierbei für Findable (Auffindbar), Accessible (Zugänglich), Interoperable (Interoperabel) und Reusable (Wiederverwendbar) [13]. Die Abb. 1 gibt eine Übersicht zu den FAIR-Prinzipien. Der spezielle Fokus im Datenmanagement der Bauwerkserhaltung soll sich auf folgende Punkte richten: • einen zentralen Zugangspunkt zur Ansprache der Daten über standardisierte Schnittstellen • die Verwendung standardisierter Datenmodelle inklusive verbindlicher Metadatenprofile • die Sicherheit der Daten • die anwendungsbezogene Datenqualität • eine langfristig lesbare und interpretierbare Datenarchivierung 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 145 Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung - aktueller Stand und zukünftige Entwicklung Abb. 2: systematische Ablauf der Erhaltung von Bauwerken (verändert nach [14]) Die langfristige Zielsetzung für das Datenmanagement der Bauwerkserhaltung besteht in der Schaffung einfach zugänglicher und vollständig digitaler Prozesse gemäß Regelkreislauf der Erhaltung. Die Abb. 2 zeigt den systematischen Ablauf der Bauwerkeerhaltung. In jedem Schritt werden Daten erzeugt, welche systematisch verarbeitet und vorgehalten werden müssen. 2.3 Zukünftige Aufgaben 2.3.1 Allgemeines Für ein einheitliches Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung und der Umsetzung des in 2.2 beschriebenen Leitbilds fehlen aktuell noch die Grundlagen. Wichtige erste Schritt zur Umsetzung des Datenmanagements wird in der Verwendung standardisierter Datenmodelle, zentraler Zugangspunkte und Schnittstellen gesehen. Hierzu wurden zwei Forschungsideen zusammengetragen, welche die Umsetzung unterstützen. 2.3.2 Aufgabe „Evaluation standardisierter Datenmodelle“ Eine relevante Grundlage des Datenmanagements sind Datenformate und -modelle. Das Datenmodell ist hier ein Modell der zu beschreibenden und verarbeitenden Daten der Bauwerkserhaltung und ihrer Beziehungen zueinander. Datenmodelle helfen dabei Daten zu strukturiern, darzustellen und zu verstehen und sind ein Plan für die Organisation, Verbindung und Speicherung der Daten. Für alle Datensätze, die im Rahmen der Erhaltung, inklusive Planung und Bau, genutzt und erzeugt werden, werden Datenmodelle inklusive ihrer Metadaten benötigt. Ziel der Aufgabe ist daher die Beschreibung strukturierter und einheitlicher Datenformaten und -modellen und damit einhergehend die strukturierte Datenablage und -haltung für die Daten der Bauwerkserhaltung. Im Ergebnis sollten für alle Datensätze, die im Rahmen der Erhaltung genutzt und erzeugt werden, Datenmodelle vorliegen. Dieses umfasst sowohl die Metadaten als auch die tatsächlichen Datensätze. Mögliche Datensätze, welche auch schon in 2.1 beschrieben werden, stammen aus: • Laserscan • Dreidimensionale Modelle / BIM-Modelle • Bauwerksprüfung • Pläne • Fotos • Zerstörungsfreie Prüfungen (verschiedene Anwendungen, die einzeln betrachtet werden müssen) • Bauwerksmonitoring (verschiedene Monitoringanwendungen, die einzeln betrachtet werden müssen) Zur Zielerreichung sind folgende Arbeitsschritte identifiziert worden: • Sammlung und Evaluation der Datenmodelle für alle in der Erhaltung genutzten bzw. erzeugten Datensätze • Sammlung und Evaluation von Metadaten für alle in der Erhaltung genutzten bzw. erzeugten Datensätze • Neuerfassung und Nacherfassung fehlender/ unvollständiger Datensätze • Erstellung von Metadatenprofilen Im Ergebnis liegen für alle im Rahmen der Bauwerkserhaltung vorhandenen Datensätze Datenmodelle vor und die Daten können entsprechend den Modellen vorgehalten werden. Damit ist eine Nutzung der Ergebnisse für verschiedenen berechtigte Personenkreise und Fragestellungen möglich. Weiterhin können die Daten damit langfristig vorgehalten und genutzt werden. 2.3.3 Aufgabe „Evaluation zentraler Zugangspunkte und Schnittstellen“ Ziel der zweiten Aufgabe ist die geregelte Verfügbarkeit und der Zugriff auf unterschiedliche Datensätze zu einem Bauwerk/ Netzabschnitt. Die berechtigten Personenkreise benötigen den Zugriff auf die Datensätze zu einem Bauwerk/ Netzabschnitt. Folgende Aspekte sind von Relevanz: • akzeptierte Schnittstellen sind vorhanden • alle Datensätze sind mit Metadaten verknüpft • Aktuelle Übertragungsformate werden genutzt • Plattform (Internet oder Intranet) ist vorhanden • Rollen und Zugriffsrechte sind definiert • die Datenintegrität ist gesichert (Veränderungen in den Daten werden protokolliert) • die Langfristige Datenarchivierung ist geklärt Zur Zielerreichung sind folgende Arbeitsschritte identifiziert worden: 146 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung - aktueller Stand und zukünftige Entwicklung • Zusammenstellung von Lösungsmöglichkeiten und Ansätzen: Hierbei soll geklärt werden, welche Plattformen und Umsetzungsmöglichkeiten vorliegen. Im nächsten Schritt ist die Evaluation der Lösungsmöglichkeiten und anschließend die Definition eines Anforderungsprofils für die Plattform relevant. Dieses Anforderungsprofil stellt eine Grundlage für die Verwaltung zur Beschaffung geeigneter zentraler Zugangspunkte und Schnittstellen dar. • Definition der Rollen und Zugriffsrechte • Zusammenstellung der Anforderungen an den Datenschutz • Beschreibung des Prozesses zur Dokumentation u. a. der Datensätze und Verantwortlichkeiten Im Ergebnis ist es für die Betreiber und Baulastträger der Ingenieurbauwerke möglich, über das erarbeitete Anforderungsprofil die notwendigen Datenzugänge und Schnittstellen zu definieren und zu beschaffen. Damit wird die Nutzung der Daten im Rahmen verschiedener Auswertungen möglich und die Grundlage zur praxisangewandten Nutzung digitaler Zwillinge geschaffen. 2.4 Weiterbildung Im Rahmen des Workshops „Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung“ hat sich gezeigt, dass auch die Zusammenarbeit zwischen der Fachseite und der IT-Seite ein großes Potenzial zur Verbesserung der Bauwerkserhaltung hat. Zum besseren Verständnis und zur Bedienung der Schnittstelle zwischen den IT-Prozessen und den Fachanwendern, kann eine Weiterbildung eine wertvolle und notwendige Ergänzung darstellen. Das Ziel sollte die „Digitale Transformation“ sein im Sinne einer Nutzeroptimierung durch digitale Prozesse. Dieses bedeutet, dass nicht nur einfach analoge Prozesse in digitale übersetzt werden, sondern grundsätzlich neu, digital und unter dem Fokus der Maximierung der Nutzererfahrung, zu denken sind. Hierzu ist es notwendig, frühzeitig Schulungen des Personals in den anzuwendenden Softwareprodukten vorzusehen als auch Weiterbildungen hinsichtlich der „digitalen Kompetenzen“ zu veranlassen. Eine derartige Weiterbildung, welche auf die Bedürfnisse der Fachanwender der Bauwerkserhaltung und die IT- Seite zugeschnitten ist, liegt nach den Erkenntnissen der Autoren aktuell nicht vor und müsste noch entwickelt werden. Die Weiterbildung hat das Ziel, ein besseres Verständnis für die IT-Prozesse zu schaffen. Die Konzeption des Lehrgangs ist dabei eine gemeinsame Aufgabe der Bauwerksverantwortlichen und IT-Spezialisten. 3. Beispiele zur Umsetzung eines Datenmanagements für Monitoringdaten 3.1 Auftraggeber-Daten-Anforderung (ADA) Im Rahmen des Projekts „Leitfaden - Strategischer Einsatz von Monitoring für Ingenieurbauwerke“ wurde eine erste Idee für die Umsetzung eines zielorientierten und praktikablen Datenmanagements erstellt [5]. Ausgehend von der aktuellen Situation, dass die Daten aus einem Monitoring zumeist beim Auftragnehmer des Monitorings vorgehalten werden und kein einheitliches Datenmanagement vorliegt, wurden die Auftraggeber- Daten-Anforderung (ADA) entwickelt. Die Grundlage zur Entwicklung der ADA wurden den Auftraggeber- Informations-Anforderungen (AIA) der BIM-Methode entnommen. Die ADA sind eine Vereinbarung für den Datenaustausch zwischen den Anbietern eines Monitorings und den Bauwerksverantwortlichen. Inhalt der ADA sind die Beschreibung des Datenbestands, Rollen und Verantwortlichkeiten, technische Details zur Datenübergabe, Datenformate und ihre Standards, sowie Vereinbarungen zur Strukturierung, Benennung und Übergabe von Daten und Ergebnissen [5; 15]. 3.2 Digitaler Schatten „duraBASt“ An der duraBASt-Brücke am Autobahnkreuz Köln-Ost (A4/ A3) wurde ein digitaler Schatten realisiert [16]. Diese unterscheidet sich vom digitalen Zwilling durch den nur manuellen Datenfluss vom digitalen zum physischen Objekt. Der digitale Schatten besteht aus einem parametrischen as-built-Modell, welches mit den zum Bauwerk vorhandenen Daten angereichert ist. Zu diesen Daten zählen u. a. Laserscandaten, Ergebnisse der Bauwerksprüfung und die Verortung von Sensorik inklusive Links zu den Messdaten. Hiermit liegen die Daten an einem Ort vor und können sowohl im Büro als auch auf der Brücke genutzt werden. Hiermit wurde ein gemeinsamer digitaler Zugangspunkt zu den Daten erstellt [17]. Abb. 3: 3D-Modell und as-built Plan der durabast Brücke in einer BIM Software [17]. Die Abb. 3 zeigt das 3D-Modell der duraBASt-Brücke, in welchem die zum Bauwerk vorhandenen Informationen verknüpft sind. Über verschiedene Rollen kann der Zugang zu den Informationen entsprechenden Personenkreisen zielgerichtet gewährt werden. 4. Fazit Die aktuelle Situation des Datenmanagements mit unterschiedlichen Datenformaten, -modellen und speicherorten stellt eine der großen Herausforderungen für die Um- 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 147 Datenmanagement in der Bauwerkserhaltung - aktueller Stand und zukünftige Entwicklung setzung eines prädiktiven Lebenszyklusmanagements unter Verwendung digitaler Zwillinge dar. Die Definition von Grundlagen und die Erarbeitung von Anforderungsprofilen für Datenmodelle, Zugangspunkte und Schnittstellen kann helfen, die Daten, welche im Lebenszyklus von Ingenieurbauwerken erhoben werden, zu nutzen und damit die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit von Ingenieurbauwerken zu verbessern. Literaturverzeichnis [1] Lebhardt, A.; Seiler, D.; Gerdes, A.; Bombeck, A.; Lennerts, K.: Lebenszyklusmanagement für Bauwerke der Verkehrsinfrastruktur - Entwicklung eines verkehrsträgerübergreifenden, indikatorgestützten Systems B159. 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[7] DIN 1076: 1999: DIN 1076: Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen - Überwachung und Prüfung. [8] BMVBS: Anweisung Straßeninformationsbank für Ingenieurbauten, Teilsystem Bauwerksdaten (ASB- ING). 2013. [9] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Richtlinien für die Erhaltung von Ingenieurbauten RI-ERH-ING - Leitfaden Objektbezogene Schadensanalyse (OSA). 2007. [10] Hindersmann, I.; Haferkamp, D.; Probst, R.; Krenz, L.-M.; Nieborowski, S.; Bednorz, J.: Modellbasierte Entwicklung und Umsetzung der digitalen Bauwerksakte . Bautechnik2024 - https: / / doi. org/ 10.1002/ bate.202400011 [11] Bednorz, J.; Hindersmann, I.; Jaeger, K.; Marszalik, M.: Methoden zur Generierung von As-Built-Modellen für Bestandsbrücken. 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[16] Bundesanstalt für Straßenwesen duraBASt Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der Bundesanstalt für Straßenwesen [online] 2017. www.durabast.de [Zugriff am: 21. Apr. 2023]. [17] Hindersmann, I.; Bednorz, J.; Nieborowski, S.: Monitoring on federal highways bridges: current situation, future opportunities & digital implementation. ce/ papers 62023, H. 5 - https: / / doi.org/ 10.1002/ cepa.2068