Der Entwurf einer Straße wird auch in den kommenden Jahren in den Straßenbauverwaltungen und Ingenieurbüros noch getrennt in Lageplan, Höhenplan und Querschnitt erfolgen. Das räumliche Bild der Straße entsteht somit erst durch Überlagerung der drei Entwurfsebenen. Für die Prüfung der Fahrraumgestaltung und der räumlichen Linienführung insgesamt existieren noch keine einheitlichen Kriterien, d. h., der Entwurfsingenieur ist letztendlich für die Qualität des räumlichen Entwurfes selbst verantwortlich. Auf der Grundlage des Perspektivbildes können qualitative und quantitative Parameter für ein komplexes Prüf- und Kontrollverfahren entwickelt werden, das als Bestandteil des Regelwerkes den Entwurfsingenieur zur objektiven Qualitätskontrolle zwingt und dessen Ergebnisse nachvollziehbar und kontrollierbar sind.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder.

1 Problem und Zielstellung

Trotz bekannter Entwicklungen wird der Entwurf einer Straße auch in den kommenden Jahren in den Straßenbauverwaltungen und Planungsbüros noch getrennt in Lageplan, Höhenplan und Querschnitt erfolgen. Das räumliche Bild der Straße entsteht somit erst durch Überlagerung der drei Entwurfsebenen.

Für die Prüfung der Fahrraumgestaltung und der räumlichen Linienführung insgesamt existieren noch keine einheitlichen und komplexen Kriterien, d. h. der Entwurfsingenieur ist letztendlich für die Qualität des räumlichen Entwurfes selbst verantwortlich.

Auf der Grundlage des Perspektivbildes sollten qualitative und quantitative Parameter für ein komplexes Prüf- und Kontrollverfahren entwickelt werden, das als Bestandteil des Regelwerkes den Entwurfsingenieur zur objektiven Qualitätskontrolle zwingt und dessen Ergebnisse gleichzeitig nachvollziehbar und kontrollierbar sind.

Bereits vorliegende Forschungsarbeiten zeigen anschaulich, dass eine Kombination von qualitativen Bewertungskriterien und quantitativen Kontrollgrößen für eine objektive Qualitätsbewertung erforderlich sein wird.

2 Grundlagen der Computersimulation

Neben dem Experiment und dem mathematischen Modell ist die Computersimulation zur dritten Kraft in der wissenschaftlich-technischen Arbeit geworden. Unter Computersimulation versteht man allgemein die virtuelle Nachbildung sowie Gestaltung und Veränderung eines Gegenstandes, Vorganges oder Systems mittels Computer, wobei die durch Simulation gewonnenen Ergebnisse mit der Wirklichkeit weitestgehend übereinstimmen sollten (Bild 1).

Bild 1: Grundgedanke der Computersimulation

Um die Simulationsergebnisse anschaulich darstellen zu können, ist eine Visualisierung mittels Computer zwingend erforderlich, d. h. Computersimulation und Computervisualisierung sind miteinander untrennbar verbunden.

Während sich die Computervisualisierung als Hilfsmittel für eine hochwertige Allgemeinpräsentation bereits durchgesetzt hat, werden die umfassenden Anwendungsmöglichkeiten zur Beschleunigung des Genehmigungsverfahrens noch nicht überall genutzt. Mit Hilfe spezieller Visualisierungstechniken kann man jedoch die Bauabsicht anschaulicher darstellen und Betroffenheiten lassen sich in der Regel verständlicher und objektiver abwägen.

Mit der Computersimulation wird dem Entwurfsingenieur schließlich ein neues Hilfsmittel an die Hand gegeben, mit dem die Qualitätskontrolle im Entwurfsprozess völlig neu gestaltet werden kann.

3 Modellannahmen für Perspektivbildberechnung

Da der Kraftfahrer beim Befahren einer Straße zentralperspektivische Bilder aufnimmt und sein Fahrverhalten primär aus der Begreifbarkeit der Fahrraumbildfolge ableitet, lag es nahe, virtuelle Perspektivbilder bereits in frühen Entwurfsstufen zu berechnen und für eine vorgezogene Qualitätskontrolle zu verwenden.

Bild 2: Modellannahmen

Abstrahiert man den Fahrraum als zentralperspektivische Bildfolge, so sind zur Sicherung der Vergleichbarkeit der zentralperspektivischen Abbildung einheitliche Modellannahmen in Anlehnung an die Fahrersicht festzulegen.

Die im Bild 2 zusammengestellten Modellannahmen sind das Ergebnis umfangreicher Literaturauswertungen sowie eigener Forschungsarbeiten und sollten künftig als Grundlage für die Perspektivbildberechnung mit beliebigen CAD-Programmen Anwendung finden.

4 Einflussfaktoren auf die Fahrraumgestaltung

Die Qualität der Fahrraumgestaltung hängt neben den fahrraumprägenden Einzelelementen (Fahrbahnrand mit Gelände, Markierung, Beschilderung, Leiteinrichtungen, Bebauung, Bewuchs) in entscheidendem Maße von den Licht- und Witterungsverhältnissen ab.

Der Ablauf einer zielgerichteten Fahrraumgestaltung bei einer Außerortsstraße mittels Computersimulation ist durch folgende Arbeitsschritte gekennzeichnet (Bild 3):

• Bei der Bearbeitung von Fahrbahnband und Umgebung mit Texturen entsteht ein Fahrraum mit einer nicht sicheren Wahrnehmbarkeit
• Fahrbahnmarkierung und Leitpfosten verbessern die Wahrnehmbarkeit erheblich
• vorhandener Bewuchs und nachträglich geforderte Schutzplanken unterstützen die räumliche Führung.

Bild 3: Einfluss der Einzelelemente des Fahrraumes auf die sichere Wahrnehmbarkeit

Die Auswirkungen von Tag und Nacht auf die Wahrnehmbarkeit und Begreifbarkeit des Fahrraumes lassen sich folgendermaßen erklären (Bild 4):

• Während bei Tageslicht der Fahrraum trotz fehlender Fahrbahnmarkierungen und Leitpfosten noch erkennbar ist, verschwimmen die Fahrbahnränder bei Scheinwerferlicht zunehmend und führen zur Orientierungslosigkeit des Kraftfahrers
• Bei guter Markierung ist der Fahrraum auch bei Scheinwerferfahrt sicher wahrnehmbar.

Bild 4: Abhängigkeit der Wahrnehmbarkeit des Fahrraumes von Einzelelementen bei Scheinwerferfahrt

Zusammenfassend kann man feststellen, dass bei Tageslicht die Qualitätsverluste der Wahrnehmbarkeit des Fahrraumes bei fehlender Markierung wesentlich geringer sind als bei Scheinwerferfahrt. Treten zusätzlich zur Schweinwerferfahrt noch ungünstige Witterungsverhältnisse auf, dann sind die Leiteinrichtungen und der Bewuchs das wichtigste Hilfsmittel für die Orientierung des Kraftfahrers im Fahrraum.

5 Prüf- und Kontrollverfahren

5.1 Grundlagen

Für die Prüfung der Fahrraumgestaltung und der räumlichen Linienführung insgesamt existieren noch keine einheitlichen Kriterien. Ein geschlossenes, komplexes Kontrollverfahren erscheint momentan ebenso unwahrscheinlich wie eine Qualitätskontrolle ausschließlich auf der Grundlage quantitativer Kontrollgrößen, die unmittelbar aus dem Perspektivbild und der Perspektivbildfolge abgeleitet werden. Die Qualitätskontrolle auf der Grundlage von Perspektivbildern sollte vielmehr kombinatorisch mit Hilfe qualitativer Bewertungskriterien und quantitativer Kontrollgrößen erfolgen (Bild 5), wobei die komplexe Entscheidungsfähigkeit durch den Entwurfsingenieur einem Automatismus mittels Computer aus praktischen Gründen vorzuziehen ist.

Bild 5: Grundsätzlicher Aufbau eines Prüf- und Kontrollverfahrens

Neben der rein qualitativen Bewertung der Perspektivbilder mit Hilfe definierter Kriterien, die einen gewissen subjektiven Spielraum zulassen, können quantitative Kontrollgrößen direkt aus dem Perspektivbild abgeleitet, berechnet und für einen objektiven Vergleich anhand von Richtwerten verwendet werden. Die zahlenmäßige Änderung einer Kontrollgröße innerhalb einer Perspektivbildfolge kann letztendlich quantitativer Ausdruck für eine gute oder schlechte räumliche Linienführung sein.

Die Formulierung mathematischer Ansätze für verschiedene Kontrollgrößen ist bereits erfolgt. Eine umfangreiche Testung und Validierung steht jedoch noch aus. Sicher ist jedoch unter Beachtung gesammelter Erfahrungen bei der Beurteilung der Streckencharakteristik, dass nur durch Kombination mehrerer Parameter eine komplexe und objektive Bewertung erfolgen kann, d. h. ein generalisierter Parameter allein wird für die Prüfung nicht ausreichend sein.

Da noch umfangreiche und langwierige Forschungsarbeiten bis zur Einführung eines ausgereiften, komplexen Prüf- und Kontrollverfahrens in die Entwurfspraxis erforderlich sind, sollte eine grundsätzliche Verfahrensweise für das Vorschriftenwerk vorgeschlagen werden, die eine ständige Weiterentwicklung bei Vorlage neuer Erkenntnisse zulässt.

5.2 Kontrolle des Achsentwurfes

Die Qualitätskontrolle des Achsentwurfes hinsichtlich sicherer Fahrraumgestaltung und homogener räumlicher Linienführung könnte prinzipiell auf der Grundlage einer dichten Perspektivbildfolge vorgenommen werden.

Um jedoch den Aufwand zu begrenzen, wird unter Beachtung des momentanen Erkenntnisstandes folgende Verfahrensweise vorgeschlagen (Bild 6):

1. Kann der Achsentwurf in Standardraumelemente eingeteilt werden, so ist eine Prüfung der einzelnen Raumelemente und Raumelementfolge erforderlich und auf eine Perspektivbildberechnung kann grundsätzlich verzichtet werden.
   oder
2. Kann der Achsentwurf nicht in Standardraumelemente aufgelöst werden, so ist die Qualitätskontrolle generell auf der Grundlage von Perspektivbildern vorzunehmen.

Bild 6: Überprüfung der Fahrraumgestaltung und räumlichen Linienführung

Natürlich ist auch ein abschnittsweises Vorgehen möglich, d. h. die Gesamttrasse wird in Abschnitte aus Standardraumelementen und Abschnitte mit beliebiger Elementfolge eingeteilt und somit erfolgt die Kontrolle mittels Perspektivbildern nur in den kritischen Trassenabschnitten.

Geeignete bzw. zulässige Raumelemente (Standardraumelemente) und Standardraumelementfolgen entstehen immer dann, wenn Entwurfselemente im Lage- und Höhenplan mit etwa gleich großer Elementlänge sowie abgestimmten Wendepunkten überlagert werden.

Wendepunkte im Sinne der räumlichen Linienführung sind Elementanfangs- bzw. -endpunkte von Lageplankurven und Höhenplanausrundungen. Während bei gekrümmten Standardraumelementen Wendepunktsverschiebungen zulässig sind, sollte bei Wendelinien im Lageplan eine annähernd gleiche Lage der Wendepunkte angestrebt werden.

Das Bild 7 zeigt einen Achsentwurf mit Standardraumelementen, d. h. Elementlängen und Wendepunkte im Lage- und Höhenplan sind aufeinander abgestimmt. Bei diesem Beispiel kann auf eine Qualitätskontrolle für die räumliche Linienführung mit Perspektivbildern verzichtet werden.

Bild 7: Achsentwurf mit Standardraumelementen

Beim Bild 8 liegt dagegen ein Achsentwurf vor, bei dem Lage- und Höhenplan schlecht aufeinander abgestimmt sind. Auf Grund der unterschiedlichen Elementlängen im Lage- und Höhenplan sowie der nicht abgestimmten Lage der Wendepunkte ist eine Einteilung des Achsentwurfes in Standardraumelemente nicht möglich. In diesem Fall muss eine Qualitätskontrolle für die räumliche Linienführung mittels Perspektivbildern zwingend vorgenommen werden und der Achsentwurf ist gegebenenfalls zu korrigieren.

Bild 8: Achsentwurf mit beliebiger Elementfolge

6 Virtuelle und reelle Kamerafahrten

Der wesentliche Nachteil des virtuellen Einzelperspektivbildes ist die so genannte Momentaufnahme, die im krassen Gegensatz zur Bildfolge steht, die der Kraftfahrer beim Befahren einer Straße wahrnimmt. Um diesen Nachteil auszuschalten, ist es sinnvoller, Einzelbildperspektiven über einen festgelegten Kamerapfad zu berechnen und diese zu einer virtuellen Kameraanimation zusammenzusetzen. Der entstehende Computerfilm kann zur Simulation und Kontrolle der realen Fahrraumverhältnisse im Entwurfsprozess besser herangezogen werden.

Während bei der statischen Kameraanimation die Kriterien Geschwindigkeit, Fahrlinien und Blickverhalten für jeden Standort und damit für jedes Perspektivbild konstant sind, können bei einer dynamischen Animation die Kriterien für jeden Standort geändert werden. Die dynamische Kamerafahrt ähnelt einer Joystick-Fahrt durch den virtuellen Fahrraum, wobei aktiv auf das Fahrraumbild Einfluss genommen werden kann. Dynamische Kamerafahrten sind sehr aufwändig und nur mit Hochleistungsrechner zu bewältigen und außerdem für die Prüfung des Fahrraums und die räumliche Linienführung gegenwärtig nicht erforderlich.

Aus dem abschließenden Soll-Ist-Vergleich, dem Qualitätsvergleich zwischen virtueller und realer Kamerafahrt, kann man schließlich nach Fertigstellung einer Baumaßnahme auch eine Bewertung des Simulationsergebnisses vornehmen.

7 Zusammenfassung

In den Entwurfsprozess müssen geeignete Verfahren der Computersimulation und -visualisierung zunehmend integriert werden, um das Genehmigungsverfahren zu beschleunigen und speziell die Qualität der Entwürfe weiter zu verbessern.

Auf der Grundlage einheitlicher Modellannahme für die Perspektivbildberechnung ist ein komplexes Prüf- und Kontrollverfahren für die Fahrraumgestaltung und räumliche Linienführung mit Hilfe qualitativer Bewertungskriterien und quantitativer Kontrollgrößen zu entwickeln und praxisreif aufzubereiten.

Um den Aufwand zu begrenzen, die Einführung zu erleichtern und Chancen zur Weiterentwicklung offen zu halten, sollte die Qualitätskontrolle der räumlichen Linienführung bei der Verwendung von Standardraumelementen für den Achsentwurf auf die Prüfung von Mängeln in den Standardraumelementen und der Elementfolge begrenzt bleiben. Setzt sich dagegen ein Achsentwurf aus beliebigen Raumelementen zusammen, so ist eine Qualitätskontrolle auf der Grundlage von Perspektivbildern in diesem Trassenabschnitt zwingend zu fordern.

Das rasante Entwicklungstempo auf dem Gebiet der Computersimulation und -visualisierung sowie die Vielfalt der angebotenen Verfahren, Methoden und Programme führen zunehmend zu einer Verunsicherung von Auftraggebern und Praxisanwendern, da klare Forderungen im Vorschriftenwerk fehlen.

Für die Erarbeitung einheitlicher Grundsätze, Anforderungen und Richtlinien zur Anwendung dieser neuen Verfahrenstechniken wird in der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen ein Arbeitskreis geschaffen, der die Interessen der Straßenbauverwaltungen, der Planungsbüros und Softwarehersteller auf eine einheitliche fachliche Basis stellt.