In 2012 hat das Tiefbauamt des Kantons Zürich das Projekt „Aufbau eines strategischen Erhaltungsmanagements (SEM)“ gestartet. Die Hauptziele des Projektes bestehen einerseits in der Entwicklung einer koordinierten und bedarfsgerechten langfristigen Planung der Werterhaltung auf Netzebene und andererseits in der Bereitstellung von aussagekräftigen Entscheidungsgrundlagen für die operative Erhaltungsplanung. Die dabei entwickelte SEM-Modellierung basiert auf den Lebenszyklen der Anlageobjekte und den kategorisierten Maßnahmensätzen der definierten Erhaltungszyklen. Die alle vier Jahre gemessenen Zustandswerte der Fahrbahnoberflächen dienen hauptsächlich der Feinjustierung der Maßnahmenzeitpunkte und zur Überwachung der mittelfristigen Netzentwicklung, sprich zur Wirkungsanalyse der gewählten Erhaltungsmaßnahmen und eingesetzten Finanzmittel. Die langfristige SEM-Modellierung für die ca. 6.000 homogenen Erhaltungsabschnitte der kantonalen Staatsstraßen wurde innerhalb des bestehenden Straßeninformationssystems LOGO implementiert. Die SEM-Ergebnisse stehen der Amtsleitung und allen Organisationseinheiten des Tiefbauamtes als Entscheidungs-, Steuerungs- und Controllinggrundlagen zur Verfügung.

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

1 Einleitung

Die Straßeninfrastrukturen des Kantons Zürich weisen einen Anlagenwert von ca. 8 Milliarden auf (Bild 1). In den letzten 20 Jahren hat das kantonale Tiefbauamt viele einzelne Schritte zum Aufbau einer systematischen Bewirtschaftung der Straßenanlagen realisiert. Die festgelegten Erhaltungsprozesse waren weitgehend auf Basis einer Objektsicht und unter Berücksichtigung von finanziellen Eckwerten definiert. Ziel des 2012 gestarteten Organisationsprojekts „Aufbau eines strategischen Erhaltungsmanagements (SEM)“ besteht in der Einrichtung eines globalen Steuerungs- und Überwachungsinstruments. Dieses soll eine netzweite langfristige Finanzplanung ermöglichen sowie bedarfsgerechte Maßnahmenbestellungen und ihre Ausführung zum möglichst optimalen Zeitpunkt unterstützen.

2 Auftrag und Umfeld

Die Amtsleitung hat – basierend auf den Vorgaben des TBA-Leitbildes „Wir sorgen für eine hohe Verfügbarkeit des Straßennetzes; wir erstellen und erhalten die Verkehrsinfrastruktur mit Weitsicht“ – die nachstehenden Bedürfnisse formuliert.

Das strategische Erhaltungsmanagement (SEM) soll:

• die Einflüsse der Erhaltungsarbeiten auf die Verfügbarkeit der Verkehrsanlagen beziffern und die Maßnahmenkoordination unterstützen,
• die Höhe der für den Werterhalt erforderlichen Finanzmittel fundiert begründen,
• die langfristige Entwicklung des Finanzmittelbedarfs abschätzen,
• im Falle einer Kürzung der Finanzmittel verbindliche Aussagen zu den damit verbundenen Auswirkungen auf Zustandsentwicklung und späteren Finanzbedarf machen,
• allfällige Fragen betreffend Erhaltungsbedarf, Zustandsprognosen und zukünftigem Finanzmittelbedarf schnell und verlässlich beantworten können.

Bild 1: Inventar und Anlagewert der Zürcher Straßeninfrastrukturen (Hauptanlagen)

Die Prozesse des baulichen Unterhalts sind im Tiefbauamt durch die Rollen „Besteller“,

„Koordination“ und „Ersteller“ geprägt. Das strategische Erhaltungsmanagement ist ein vorgelagerter Prozess der Unterhaltsplanung und Maßnahmenbestellung und wirkt begleitend bei der Projektportfoliosteuerung (Projektbildung und Koordination). Die Inputs und Produkte (Outputs) des fortlaufenden SEM-Prozesses sind im Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Inputs und Produkte des strategischen Erhaltungsmanagements (SEM)

3 Vorhandene Ansätze und Modelle

Bereits Ende der 1990er-Jahre wurde in einem TBA internen Bericht klar formuliert, dass eine Priorisierung der Unterhaltsabschnitte auf Alters- und Zustandsprofil des Streckennetzes sowie auf dem Erfahrungsschatz des Straßenverwalters basieren sollte.

Eine ausführliche Literaturauswertung hat bestätigt, dass national wie international ein strategisches Erhaltungsmanagement auf Netzebene als unverzichtbare Grundlage für den wirtschaftlichen Einsatz und die Optimierung der Finanzmittel gilt. Die dabei eingesetzten Ansätze und Modelle sind in den allermeisten Fällen Zustand gesteuert, sei es anhand von einfachen Schwellenwerten, die eine passende Erhaltungsmaßnahme auslösen oder anhand von ausgeklügelten Simulationen der Zustandsentwicklung, z. B. anhand von Markov-Ketten. Zustand gesteuerte Ansätze sind reaktive Prozesse, die eine kurzfristige bis höchstens mittelfristige Erhaltungsplanung ermöglichen.

Das in der Schweiz am häufigsten angewandte Modell ist das sogenannte „Grundmodell Werterhalt“. Es basiert auf dem 2005 publizierten VSS-Forschungsbericht „Abschätzung des durchschnittlichen jährlichen Wertverlustes von kommunalen Straßennetzen“ (1) und wurde mit der VSS-Norm 640 986 (2) und dem Praxis-Leitfaden „Werterhalt von Straßen“ (3) verbreitet. Es wird in unterschiedlichem Detailierungsgrad in zahlreichen Kantonen und Gemeinden eingesetzt.

Das Grundmodell Werterhalt wurde allerdings für kommunale Straßennetze konzipiert. Die für das Straßeninventar definierten Standardquerschnitte, jeweils mit fixen Fahrbahn- und Gehwegbreiten, sind für ein kantonales Straßennetz größtenteils nicht praktikabel. Der gewählte Ansatz der Berechnung eines durchschnittlichen jährlichen Wertverlustes ist für eine Momentaufnahme eines Straßennetzes zwar wertvoll, lässt aber als jährlich gleichbleibenden Gesamtwert des Finanzbedarfs keine langfristige Prognose zu. Aufgrund des hier fehlenden zentralen Beitrages der Altersverteilung des Anlagebestands kann das Grundmodell „Werterhalt“ für die gewünschte langfristige Abschätzung (bis 50 Jahre!) der Mittelbedarfsentwicklung nicht eingesetzt werden.

4 Methodik zum SEM-Aufbau

In Anbetracht der Grenzen des Grundmodells Werterhalt wurde für den baulichen Unterhalt der Straßenverkehrsanlagen im Kanton Zürich ein eigenes Modellierungskonzept entwickelt. Der gewählte Ansatz ist grundsätzlich für alle Teilsysteme anwendbar. In einer ersten Phase haben wir uns auf die systemisch abhängigen Teilsysteme «Fahrbahnen und Wege» sowie «Straßenentwässerung» fokussiert.

Um eine proaktive Modellierung des langfristigen Erhaltungsbedarfs auf Netzebene realisieren zu können, muss man von der aggregierten Zustandssicht Abstand nehmen. Aufgrund der Annahme, dass für eine langfristige Prognose die Altersstruktur der Verkehrsanlagen einen weitaus relevanteren Beitrag als die Zustandsverteilung allein spielt, wurden die folgenden Modellierungsgrundsätze definiert:

• Die Oberbauten sind aufgrund ihrer mittleren Lebensdauer bis zur Fälligkeit einer Gesamterneueung kategorisiert. Die Fahrbahnkategorien der Kantonsstraßen sind nach Verkehrslastklassen (T2 bis T5) und nach Siedlungsgebieten (innerorts/außerorts) strukturiert und entsprechen somit den bestehenden Oberbaunormalien des Tiefbauamts. Die oft etwas kürzeren Lebenszyklen der Innerortsanlagen beruhen auf den Bedürfnissen der Werkeigentümer, die das Ausschöpfen der potenziellen Oberbaulebensdauer meistens nicht vollumfänglich zulassen.
• Innerhalb der erwarteten Lebensdauer der einzelnen Anlagekategorien sind standardisierte Sätze von Erhaltungsmaßnahmen definiert. Die Oberbaulebenszyklen gliedern sich üblicherweise in vier Teilzyklen mit den dazugehörenden Maßnahmensätzen. Dabei wurden die zeitlichen und konstruktiven Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Oberbauelementen (Schichten, Abschlüsse, Straßenentwässerung, usw.) berücksichtigt.
• Die alle vier Jahre netzweit gemessenen Zustandswerte der Fahrbahnoberflächen dienen „nur noch“ der Feinjustierung der Maßnahmenzeitpunkte (Vergleich zwischen Istverlauf und modelliertem Sollverlauf) und zur Überwachung der mittelfristigen Netzentwicklung, sprich zur Wirkungsanalyse der eingesetzten Erhaltungsmaßnahmen und Finanzmittel.

Die Grundelemente der SEM-Modellierung eines Fahrbahnoberbaus (Teilzyklen mit Neubau, Maßnahmensätze, Gesamterneuerung) sind anhand eines theoretischen Substanzindexverlaufs im Bild 3 beispielhaft dargestellt. Die dazu gehörenden Maßnahmensätze, mit Auflistung der berücksichtigten einzelnen Erhaltungsmaßnahmen und ihrer durchschnittlichen Auftretenswahrscheinlichkeit [%] auf Netzebene, sind im Bild 4 ersichtlich.

Bild 3: SEM-Modellierung der Erhaltungszyklen innerhalb der Anlagelebensdauer

Bild 4: Beispiel der standardisierten Maßnahmensätze Z1, Z2, Z3 und GE für eine Fahrbahn der Oberbaukategorie T4_IO

5 Gesamtmodell SEM

Das SEM-Gesamtmodell und seine Hauptprodukte sind im Bild 5 dargestellt. Die Werte der Modellparameter basieren auf Erfahrungswerten. Anhand der effektiv ausgeführten Sätze von Erhaltungsmaßnahmen und deren Kosten werden die Parameterwerte laufend statistisch überwacht und bei Bedarf angepasst.

Die SEM-Modellierung basiert auf den Anlagelebenszyklen der Erhaltungsabschnitte. Die größte Herausforderung, bzw. der bedeutendste Zeitaufwand für den Aufbau der Modellgrundlagen für die Fahrbahnoberbauten bestand in der zweckmäßigen Definition der Anlageobjekte (Lage, Anzahl) und ihrer Eckdaten (Baujahr, Zuordnung innerhalb der definierten Teilzyklen). Dank der Reaktivierung einer 2003 abgestellten Foxpro-Datenbank konnte ein wahrer „Datenschatz“ neu ausgewertet werden. In langjähriger Fleißarbeit hatten die TBA-Mitarbeitenden die auf den Kantonsstraßen ausgeführten Erhaltungsmaßnahmen (z. B. Verstärkung, Belagserneuerung, Deckschichterneuerung, Oberflächenbehandlung) mit rund 27.000 Einträgen akribisch dokumentiert. Auf gewissen Oberbauabschnitten begann die Datenserie bereits 1910!

Aufgrund der Maßnahmenhistorie und der gewählten acht Fahrbahnkategorien wurden ursprünglich für die SEM-Modellierung der 1.390 km Staatsstraßen ca. 6.400 homogene Oberbauabschnitte definiert. Da oftmals ein eingetragener Neubau in der Abschnittsgeschichte fehlte, wurde in diesen Fällen die Bestimmung des Zeithorizonts innerhalb des Lebenszyklus aufgrund der vorhandenen Maßnahmenabfolge abgeleitet oder geschätzt. In den letzten drei Jahren konnte die Anzahl der homogenen Erhaltungsabschnitte durch gezielte Aggregationen und gewisse Datenbereinigungen auf aktuell rund 6.000 reduziert werden. Diese Homogenisierung des Netzes wird durch eine bewusste Maßnahmenprojektierung auf möglichst langen Straßenabschnitten (Grenze = maximale Länge für einen vollflächigen Deckschichteinbau während einer Vollsperrung am Wochenende) weiterhin vorangetrieben.

Der Kanton Zürich inventarisiert und bewirtschaftet seine Straßenverkehrsanlagen seit 2006 mit dem Straßeninformationssystem LOGO. Da sämtliche Zustandsdaten sowie eine große Menge der für die SEM-Modellierung nötigen Grunddaten wie Netztopologie, Straßenbreiten und -flächen, Verkehrslastklassen, Siedlungsgebiete, Oberbauschichten (ab 2000) im System vorhanden sind, war es naheliegend, die SEM-Implementierung als LOGO-Modul zu realisieren. Dank der Flexibilität und Einsatzbereitschaft des Entwicklers konnte das Projekt innerhalb von nur 12 Monaten operativ umgesetzt werden. Als Alternative zum ursprünglich allein vorhandenen „Belagsmodell“, das auf Zustandsverfallkurven basiert, steht neu die SEM-Modellierung als „Anlagemodell“ im LOGO PMS-Modul zur Verfügung.

Bild 5: Globales Funktionsschema der SEM-Modellierung

6 SEM-Prognose des Mittelbedarfs

Die ersten Ergebnisse des modellierten langfristigen Finanzmittelbedarfs für den baulichen Unterhalt der Fahrbahnoberbauten wurden natürlich mit Spannung erwartet. Die Modellkalibrierung anhand eines Vergleichs mit den Ist-Werten der letzten 10 Jahre zeigte eine recht gute Übereinstimmung. Nach kleinen Justierungen der Maßnahmensätze wurde die Berechnung des Finanzmittelbedarfs für die Periode 2015 bis 2065 ausgelöst. Die SEM-Ergebnisse der Fahrbahnoberbauten sind im Bild 6 dargestellt. Die relativ gleichbleibende Höhe des Mittelbedarfs bis 2045 nahmen wir gerne zur Kenntnis; die wellenartige Kostenanhäufung zwischen 2045 und 2065 gab uns hingegen zu denken. Die sofortige Frage war natürlich: Stimmen diese Ergebnisse wirklich und was steht dahinter?

Bild 6: Baulicher Unterhalt der Fahrbahnoberbauten: prognostizierter Finanzmittelbedarf für die Periode 2015 bis 2065

Es war also Zeit, unsere Vermutung über den maßgebenden Beitrag der Altersverteilung innerhalb der Anlagelebenszyklen zu überprüfen. Anhand der systematisch bestimmten Lebenszyklen der Erhaltungsabschnitte konnte die Häufigkeitsverteilung der Baujahre für die 1.390 km Kantonsstraßen ermitteln werden. Das Bild 7 zeigt gesamthaft eine quasi Normalverteilung zwischen 1920 und 1990. Die höchsten Werte zwischen 1945 und 1960 entsprechen einer Zeitperiode, in der viele Kantonsstraßen entweder verstärkt, erneuert oder neu gebaut wurden. Obwohl die prozentualen Anteile der Außerortsstrecken und Innerortsstrecken fast gleich hoch sind, weisen die Innerortsstrecken ein deutlich tieferes durchschnittliches Alter auf. Dies ist auf die ausgeprägte Siedlungsentwicklung der letzten Jahrzehnte zurückzuführen.

Diese Häufung ist ziemlich genau 100 Jahre später zwischen 2045 und 2065 auf dem modellierten Kostenverlauf wiederzufinden (Bild 8). Dies entspricht relativ gut der aktuellen durchschnittlichen Lebensdauer aller Straßenoberbauten von 96 Jahren. Die mit der SEM-Modellierung ermittelte Kostenhäufung in der Zeitperiode 2045 bis 2065 hängt damit klar mit der Altersverteilung der Anlageobjekte und mit den höheren Kosten der Gesamterneuerungen am Ende der Lebensdauer zusammen.

Diese neuen Erkenntnisse fließen in die langfristigen Überlegungen der Amtsleitung ein. Aufgrund des mittleren Erhaltungsteilzyklus von 24 Jahren sollten die strategischen Grundsatzentscheidungen zur Bewältigung der Bedarfsspitze bis spätestens 2025 gefasst werden. Damit könnte ein Teil der kostspieligen Gesamtsanierungen der Zeitperiode 2045 bis 2065 vom Teilzyklus 4 in Teilzyklus 3 vorverschoben werden.

Bild 7: Häufigkeitsverteilung der Baujahre der Erhaltungsabschnitte nach Lastklasse und Lage

Bild 8: Gegenüberstellung des modellierten Mittelbedarfs und der Anlagealtersverteilung

7 Entscheidungsgrundlagen für die Maßnahmenplanung

Der umfangreiche SEM-Datenbestand hat die Erarbeitung von neuen Indexwerten und von netzweiten Entscheidungsgrundlagen für die operativen Straßenverwalter der vier geografischen Unterhaltsregionen ermöglicht. Die Maßnahmenfälligkeitskarten sind ein interessantes Beispiel. Anhand der letzten effektiv ausgeführten Oberbaumaßnahme und des SEM-Erhaltungszyklus wird für jeden Erhaltungsabschnitt ein Fälligkeitsfaktor bestimmt. Dieser Faktor wird in Form von zeitlich abgestuften Fälligkeitskategorien als Einfärbung im Straßeninformationssystem LOGO dargestellt. Die fünf Kategorien gehen von „Nächste Maßnahme in mehr als 10 Jahren fällig“ bis „Maßnahme seit mehr als 15 Jahren überfällig“ (Bild 9). Dieses Hilfsmittel kann z. B. für Koordinationszwecke mit den Werken oder Gemeinden eingesetzt werden.

Bild 9: Einfärbungsbeispiel der Erhaltungsabschnitte aufgrund der berechneten Fälligkeit der nächsten SEM-Maßnahme

Bild 10: Auszug einer Arbeitsvorlage zur örtlichen Baumaßnahmenkoordination

Es dient auch als Unterstützung bei der Maßnahmenbestellung und bei der Beurteilung des gesamten Projektportfolios. Die überfälligen Erhaltungsabschnitte, die zudem einen schlechten strukturellen oder oberflächlichen Zustand aufweisen, werden prioritär erhalten. Wenn eine rechtzeitige Instandsetzung aufgrund von übergeordneten Koordinationsbedürfnissen (Bild 10) oder lokalen Randbedingungen nicht möglich ist, werden situativ überbrückende Sofortmaßnahmen angeordnet.

8 Schlussfolgerungen und Ausblick

Anhand der SEM-Modellierung mit Anlagelebenszyklen und standardisierten Maßnahmensätzen können wir die langfristige Entwicklung des Finanzbedarfs zur netzweiten Substanzerhaltung der Oberbauabschnitte prognostizieren und den operativen Erhaltungsplanern ergänzende Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung stellen. Den politischen Entscheidungsträgern können wir eine nachhaltige Erhaltungsstrategie mit Handlungsalternativen und Kostenkonsequenzen unterbreiten.

Weitere Elemente des strategischen Erhaltungsmanagements sind in Entwicklung. In erster Linie soll die strategisch wichtige Verfügbarkeit der Straßenanlage integriert werden. Die dafür nötigen Grundlagen sind in Erarbeitung mittels Simulationen von Baustellen und Analyse der damit verbundenen Verkehrsumlagerungen im Gesamtverkehrsmodell des Kantons Zürich. Außerdem sind Überlegungen im Gang, wie die Teilsysteme „Kunstbauten“ und „technische Ausrüstungen“ methodologisch in die SEM-Modellierung integriert werden können. Aufgrund der ausgeprägten Variabilität der Erhaltungsmaßnahmen und ihrer teilweise engeren Abhängigkeit von Zustands- oder Betriebsparametern wird für diese weiteren Teilsysteme die Lebenszyklensbetrachtung nur in einer vereinfachten Form zur Anwendung kommen.

Die gewählten Ansätze zum Aufbau des strategischen Erhaltungsmanagements im Kanton Zürich sind weder methodologisch noch technisch revolutionär. Ihre systematische und zielgerichtete Umsetzung für ein großes Netz von Kantonsstraßen scheint hingegen einmalig zu sein (mindestens in der Schweiz!).

Literaturangaben

1. Van Gunsteren, E.; Kieliger, Th.; Nellen, A.; Traber, M.; Zahnd, U. (2005): Abschätzung des durchschnittlichen jährlichen Wertverlustes von kommunalen Straßennetzen; Forschungsauftrag VSS 2002/703
2. Schweizerischer Verband der Straßen- und Verkehrsfachleuten VSS (2006): Norm SN 640 986; Erhaltungsmanagement in Städten und Gemeinden – Durchschnittlicher jährlicher Mittelbedarf für die Erhaltung von Straßennetzen
3. Hirt, T.; Staubli, R. (2005): Werterhalt von Straßen – Leitfaden für Politiker und Praktiker; Schweizerischer Gemeindeverband und Schweizerischer Städteverband