Die Verknüpfung der Methode Building Information Modelling (BIM) und Asset-Management und BIM stellt derzeit stellt einen aktuell notwendigen Innovationsprozess im Lebenszyklus von Infrastrukturen dar. Bei konsequenter Anwendung kann erwartet werden, dass die in den verschiedenen Phasen des Lebenszyklus benötigten Daten und Informationen zur Verfügung stehen. Dies erfordert die konsistente und verlustfreie Übergabe von Daten aus verschiedenen Systemen. Wie dies erfolgen kann, wurde in zwei Forschungsprojekten untersucht, über die nachfolgend berichtet wird. Nach einer Beschreibung der Grundlagen zum Asset-Management (AM) und zum BIM werden am Beispiel von Fahrbahnen und Brücken Ansätze zur Umsetzung der BIM-Methode im Lebenszyklus aufgezeigt. Ein Projekt behandelt die Umsetzung im europäischen Bereich, das zweite Projekt die Umsetzung im D-A-CH Kontext. Die Herausforderung bei diesen Forschungsprojekten war die Berücksichtigung der jeweils landesspezifischen unterschiedlichen technischen Anforderungen sowie die unterschiedlichen verwendeten Datenbanksysteme. Um ein solches Modell aufzustellen, mussten daher zunächst die Architektur und Prozessabläufe der jeweiligen Infrastruktur-Asset-Management-Systemen (IAMS) analysiert werden, um detaillierte Anforderungen an den Informationsbedarf und -austausch im IAMS zu formulieren. Die Herausforderung dabei ist, eine Vorgehensweise zu entwickeln, in der unterschiedliche Ontologien und eine unterschiedliche Semantik barrierefrei zwischen verschiedenen Beteiligten im IAMS-Prozess übergeben werden können. Dazu wurden die Prozesse eines IAMS unter Verwendung des BPMN-Standards beschrieben. Im Ergebnis konnte ein generisches Prozess- und Datenmodell für die Betriebs- und Erhaltungsphase definiert werden, in dem wesentliche Datenaustauschpunkte ersichtlich sind. Zu diesem Datenaustauschpunkten wurde gleichzeitig definiert, welche Merkmalsgruppen und Merkmale übergeben werden müssen, damit die ingenieurtechnischen Aufgaben eines Asset-Management erfüllt werden können. Im Ergebnis wurde ein containerbasierter Datenaustausch als Linked-Data-Ansatz entwickelt und die Funktionsweise anhand eines Prototyps aufgezeigt.

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

1 Einleitung

Die Digitalisierung des Planens, Bauens, Erhaltens und Betreiben im Bundesfernstraßenbau und auch in nachgeordneten Straßennetzen nach der Methode Building Information Modeling (BIM) stellt einen aktuell notwendigen Innovationsprozess im Lebenszyklus von Infrastrukturen dar. Die generelle Vorgehensweise, der Weg der geplanten Umsetzung und Einführung wurden in Deutschland zunächst im Stufenplan (planen-bauen 4.0 2015) und nun vor wenigen Monaten im Masterplan BIM (BMVI, 2021) des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMVD) skizziert. Wesentliche Grundlagen und Hilfestellungen zur Einführung der BIM-Methode wurden durch BIM4INFRA (BIM4INFRA, 2017) erarbeitet, die weiteren Bausteine wie die Entwicklung eines erreichbaren Leistungsniveaus, Leitfäden zur Anwendung und Anforderungen an einheitliche Datenstrukturen entwickelt haben. Andere Unterlagen findet man bei der DEGES, beispielsweise in Form eines BIM-Leitfadens (DEGES, 2019) oder bei BIM Hamburg mit praxisorientierten Hilfestellungen, beispielsweise eigenen Objektkatalogen oder der Beschreibung einzelner Anwendungsfälle (BIM Hamburg, 2013). Dazu wurden ergänzend eine Reihe von BIM-Pilotprojekten durchgeführt und dokumentiert. Der nun veröffentlichte Masterplan BIM Bundesfernstraßen knüpft an diese Ergebnisse an und konkretisiert die Implementierungsstrategie für die Autobahn GmbH und für die Auftragsverwaltungen der Länder (BMVI, 2021). Damit werden wesentliche Grundlagen der BIM-Methode im Verkehrswegebau beschrieben und weitgehende Handreichungen als auch einheitliche Festlegungen skizziert. Dabei fällt auf, dass der Schwerpunkt der derzeitigen Aktivitäten und Pilotprojekte mehr auf den Planungs- und Bauprozess und weniger auf die darauffolgende Betriebs- und Erhaltungsphase gelegt wird. Während der Planungs- und Bauprozess relativ gut dokumentiert ist, fehlen noch methodische Grundlagen für die Anwendung der BIM-Methode für den Betriebs- und Erhaltungsprozess der Straßenverkehrsinfrastruktur.

Für die Straßenverkehrsinfrastruktur bestehen aber seit langen Jahren Datenbanken mit festgelegten Standards, die Deutschland beispielweise über die „Anweisung Straßendatenbank, ASB (BMVI 2018) und damit verbunden auch der Objektkatalog Straße (BASt, 2022). Dieser Standard soll die Grundlage für einheitliche dv-technische Implementierungen der eingesetzten und zukünftig zu entwickelnden IT-Verfahren in der Straßenbauverwaltung liefern und den medienbruchfreien Informationsfluss zwischen Verfahrensabläufen (sogenannte Prozessketten; z. B.: Planung → Entwurf → Bestand) gewährleisten (BMVBW, 2000). Insofern ist dieser Standard in Deutschland gesetzt und darf als inhaltliche Grundlage für die Anwendung von BIM-Modellen gelten. Ähnliche Vorgehensweisen sind in den europäischen Straßenbauverwaltungen zu finden. Die BIM-Methode kann diesen Standard aufgreifen, ermöglicht aber darüber hinaus eine medienbruchfreie Kollaboration zwischen den verschiedenen Prozessbeteiligten vor allem auch durch das Zusammenführen und Prüfen verschiedener Teilmodelle, beispielsweise Bauwerke und Fahrbahn in einem Modell. Von besonderem Interesse ist dabei die Datenübergabe vom Bau in die Betriebsphase und damit verbunden die notwendigen Prozesse mit den im Asset-Management benötigten Datengrundlagen. Daher wurden in verschiedenen Forschungsprojekten die Grundlagen der Modellierung des Lebenszyklus, wie es in einem IAMS erforderlich ist, erarbeitet. In einem ersten Projekt „BIM-basiertes Erhaltung Management im Straßenbau“ (König u. a., 2020) wurde ein Datenmodell für die Fahrbahn entwickelt, das sich an den grundlegenden Anforderungen des in Deutschland angewandten Pavement Management Systems orientiert. Dazu werden Zustandsdaten vom sogenannten IT-ZEB Server und Bestandsdaten aus einer ASB-konformen Datenbank benötigt. Basierend auf der Analyse der aktuell angewandten ingenieurtechnischen Prozesse wurde am Beispiel der Erhaltungsplanung einer Fahrbahn aufgezeigt, wie die benötigten Daten in einem IFC-Modell beschrieben und angelegt werden können. In zwei darauffolgenden und derzeit noch laufenden Forschungsprojekten wurde dann der Lebenszyklus von Fahrbahnen und Bauwerken detailliert und in einem Fall im europäischen Vergleich und im anderen Fall im Kontext Deutschland-Österreich-Schweiz betrachtet. Die Herausforderungen bei diesen Forschungsprojekten sind die Berücksichtigung der jeweils landesspezifischen unterschiedlichen technischen Anforderungen sowie die unterschiedlichen Datenbanksysteme. Dies sind das CEDR-geförderte EU-Projekt AMSFree (AMSfree, 2022) sowie parallel das D-A-CH-geförderte Projekt BIM4AMS (BIM4AMS, 2022). In beiden Projekten wird auf der Basis einer detaillierten Prozess- und Datenanalyse gezeigt, wie ein IFC-konformes Linked-Data Konzept so aufgebaut und genutzt werden kann, dass die aktuellen ingenieurtechnischen Prozesse beibehalten und bisherige Datenbanken und Softwaresysteme weiter genutzt werden können.

2 Grundlagen

2.1 Asset-Management-Systeme

Asset-Management (AM) steht für die systematische und koordinierte Planung, Verwaltung und Erhaltung der Assets, das heißt der materiellen und immateriellen Werte einer Organisation, mit dem Ziel der Wertschöpfung. Die Grundlagen sind in der Norm DIN EN ISO 55000 gelegt. Im Hinblick auf den Straßenbau ist zu beachten, dass der zentrale Gegenstand des AM die Organisation mit ihren Prozessen und Abläufen zur Verwaltung der Straßeninfrastruktur ist (Heller; Degelmann; Korn, 2018). Damit konzentriert sich AM auf geschäftliche und technische Vorgehensweisen für die Ressourcenzuweisung und -nutzung mit dem Ziel einer besseren Entscheidungsfindung auf der Grundlage hochwertiger Informationen und klar definierten Zielen“ (AASHTO, 2013). In den letzten Jahrzehnten haben sich die Straßenbauverwaltungen die Einführung eines strategisches AM vorangetrieben, um langfristige Infrastrukturziele abzuleiten und die Investitionsplanung zu unterstützen. Daneben steht das Ziel einer zuverlässigeren und sichereren Infrastruktur, insbesondere angesichts der jüngsten plötzlichen Ausfälle wie dem Einsturz des Polcevera Viadukts in Genua, 2018 (Calvi u. a., 2019). Inhaltliche Grundlagen und Hilfestellungen finden sich in (FHWA, 2012) und (PIARC, 2017). Für ein AM-System (IAMS) werden zuverlässige Daten benötigt, um u. a. Informationen über den aktuellen Zustand der Verkehrsinfrastruktur zu erhalten und darauf aufbauend ihren zukünftigen Zustand zu prognostizieren. Diese Daten dienen dann als Grundlage für den Entscheidungsprozess über Zeitpunkt, Umfang und Kosten von Instandhaltungsmaßnahmen (Hajdin u. a., 2019).

Die bereits routinemäßig angewendeten Verfahren des Pavement-Management-Systems (PMS) und dem Bauwerks-Management-System (BMS), welche zur Erfassung und Bewertung einschließlich verkehrspolitischer und finanzieller Randbedingungen von Verkehrsflächen und Ingenieurbauwerken dienen, liefern innerhalb des AM die erforderlichen Aussagen für eine koordinierte Erhaltungsplanung, benötigen aber dazu ebenfalls eine vollständige und genaue Datenbasis.

Das Infrastruktur Asset-Management-System (IAMS) der Verkehrsinfrastruktur umfasst somit deren gesamte Lebensdauer mit den dazugehörigen Fahrbahnabschnitten, Ingenieurbauwerken, Entwässerung, Ausstattung, Landschaftspflege und Nebenanlagen. Aktuell ist allerdings ein Bruch zwischen der Projektierung und Bauausführung und der Betriebsphase festzustellen. So laufen die Phasen bis zur Bauausführung und der anschließende Betrieb weitgehend getrennt, was sich auch in den verfügbaren Datengrundlagen widerspiegelt (Bild 1).

Bild 1: Phasen über die Lebensdauer der Straßeninfrastruktur (BIM4AMS, 2022)

2.2 Building Information Modeling

Building Information Modeling (BIM) steht für eine kooperative Bearbeitung von verschiedenen Aufgaben bzw. Fragestellungen unter Verwendung von digitalen Bauwerksmodellen. Solche digitalen Bauwerksmodelle werden durch verschiedene Akteure erzeugt, ergänzt und genutzt, um eine Abwicklung von Bauprojekten oder den Betrieb und die Erhaltung von Infrastrukturen effizienter gestalten zu können. Kern der BIM-Methode ist ein abgestimmter Datenaustausch, um die digitalen Informationen in konsistenter und möglichst redundanzfreier Weise verarbeiten zu können. Die digitalen Informationen zum Bauwerk werden in Form von digitalen Bauwerksmodellen mit Hilfe von speziellen BIM-Modellierungssystemen durch verantwortliche Akteure erstellt. Die digitalen Bauwerksmodelle bestehen dabei im Allgemeinen aus Objekten mit geometrischen, semantischen und topologischen Informationen. Eine große Herausforderung bei der Umsetzung ist es, dass die Informationen in verschiedenen IT-Systemen erstellt und genutzt werden, die nicht immer kompatibel sind. Daher müssen die Datenaustauschprozesse im Detail und auch anwendungsspezifisch beschrieben werden. Hierzu wurde die DIN EN ISO 19650-1 entwickelt, um einen strukturierten und effizienten Datenaustausch und somit eine einfache Nutzung der Bauwerksmodelle zu ermöglichen.

Ein wesentlicher Kernpunkt in der Anwendung der BIM-Methode ist, dass damit keine generelle Änderung des Ablaufs eines Bauprojektes oder der weiteren Prozesse im Rahmen der Betriebsphase eines Anlagenteils verbunden ist. Die geforderten Informationsgrundlagen werden nach wie vor durch das Technische Regelwerk, die damit verbundenen ingenieurtechnischen Methoden als auch die projektspezifischen vertraglichen Anforderungen bestimmt. Allerdings erfordert die Methode ein gezieltes Zusammenspiel zwischen ingenieurtechnischen Anforderungen und IT-technischer Umsetzung. Wichtiger Bestandteil der BIM-Methode ist die Betrachtung der Prozesse. Eine transparente Prozessdefinition in Verbindung mit einer systematischen und korrekten Beschreibung, welche Aufgaben von wem in welcher Reihenfolge zu erledigen sind, sind Voraussetzung für einen erfolgreichen BIM Prozess. Aus dieser Prozessanalyse ergibt sich die Definition der datentechnischen Anforderungen, die in einem Informationslieferungshandbuch (englisch: Information Delivery Manual, IDM) beschrieben werden. Daraus ergibt sich für die jeweilige Aufgabe die entsprechende modellbasierte Ansicht, also genau das Teilmodell, das für die jeweilige Anforderungen erforderlich ist (Bild 2).

Bild 2: Zusammenhang zwischen ingenieurtechnischen Anforderungen und IT-technischer Umsetzung (Überarbeitet nach: buildingSMART 2012, An Integrated Process for Delivering IFC Based Data Exchange)

Die im Lebenszyklus anfallenden Aufgaben werden in Form von Anwendungsfällen erfasst, hierzu hat der BIM-Masterplan insgesamt 20 Anwendungsfälle definiert (Bild 3). In sogenannten Steckbriefen sind die Anwendungsfälle näher beschrieben. Diese Steckbriefe enthalten ein Prozessdiagramm, Angaben zu den erforderlichen Voraussetzungen und zur Umsetzung sowie möglicher Dateninput als auch der erwartete Output. Die zu lösende Aufgabenstellung zeigt sich bereits beim Anwendungsfall 010 „Bestandserfassung und -modellierung“. Die benötigten Informationen werden aus völlig unterschiedlichen Datenquellen stammen. Eine Bestandsstrecke wird Daten aus der Straßendatenbank, aus der Bauwerksdatenbank, aus einem Geländemodell, aus Vermessungsdaten und vielen mehr benötigen, die in ein 3D-BIM-Modell überführt werden müssen.

Bild 3: Anwendungsfälle Master-Plan Bundesfernstraßen (BMVI, 2021)

Damit ist ein umfassendes Informationsmanagement von Bedeutung, das heißt es ist festzulegen, wer wann was zu liefern hat. Wesentlich ist dabei das Festlegen der benötigten Informationsbedarfstiefe (Level of Information Need – LOIN). Die Grundsätze definiert die DIN EN 17412-1 mit der Informationsbedarfstiefe, diese beschreibt demnach die Granularität von ausgetauschten Informationen im Sinne von geometrischen Informationen, alphanumerischen Informationen und Dokumentationen bzw. Dokumenten.

Eine weitere Grundlage für die Anwendung von BIM ist die Nutzung offener und herstellerneutraler Schnittstellen. Mit den Industry Foundation Classes (IFC) hat die internationale Organisation buildingSMART International (bSI) einen weltweit akzeptierten Datenaustauschstandard geschaffen, der seit 2005 als ISO EN Standard 16739 vorliegt. Seit der Version IFC 4.1 liegt nun auch ein Standard vor, mit dem der Infrastrukturbau behandelt werden kann. Die Version 4.3 liegt im Entwurf vor und liefert auf der Basis des IFC-Aligment die weiteren Vorgaben für den Straßenbau (IFC-Road) oder den Brückenbau (IFC Bridge).

Bild 4: Trassierung als gemeinsame Basis für Infrastrukturbauwerke (Bormann u. a. 2019)

Der IFC stellt damit die Basis für einen herstellerneutralen Datenaustauch dar. Für die Umsetzung in einer Straßenbauverwaltung und damit in konkreten Projekten ist dann die Definition eines einheitlichen geometrischen Modells mit Objektklassen und dann die Parametrisierung mit Merkmalsgruppen und Merkmalen erforderlich. Damit können die ingenieurtechnischen Anforderungen sowie die Anforderungen des Technischen Regelwerks wie oben gefordert abgebildet werden. Dies muss übergreifend für die verschiedenen Anlagenteile erfolgen, damit BIM im Infrastrukturbau erfolgreich umgesetzt werden kann. Für die Bundesfernstraßen wird dies durch Arbeitsgruppen des BMDV erarbeitet, so dass hier ein einheitlicher Objektklassenkatalog zu erwarten ist.

2.3 BIM im Erhaltungsmanagement

Für die Anwendung von BIM im Erhaltungsmanagements ist die Beziehung zwischen einem Projekt-Informationsmodell (PIM) und einem Asset-Informationsmodell (AIM) von Bedeutung. Dies wird dem Grunde nach in DIN EN ISO 19650-1 beschrieben. Im Wesentlichen wird dort der Zusammenhang zwischen Informationsanforderungen und Informationsmodell beschrieben und vor allem auch der zwischen Projektinformationsmodell und Asset-Informationsmodell. Vereinfacht heißt dies, dass die Projektinformationsanforderungen so formuliert werden müssen, dass einerseits die für das konkrete Projekt erforderliche Information bereitstehen und andererseits aber auch für das gesamte Asset-Management, also auch die für den weiteren Betrieb der Anlage erforderlichen Informationen vorliegen. Nur wenn die notwendigen Informationen während der Planungs- und Bauphase gesammelt werden und in Betriebsphase übergeben werden, können diese Informationen effizient und problemlos weiterverarbeitet werden. Auf einer abstrakten Ebene ist die Definition von Informationsanforderungen problemlos möglich. Dazu kann die DIN EN ISO 23386 verwendet werden. Die benötigten Informationen werden in Form von Merkmal und Merkmalsgruppe organisiert. Dazu sollten die gleiche Terminologie, Definitionen, Strukturen und Klassifikationen verwendet werden. Dies ist in der Praxis jedoch eine große Herausforderung, da es oft eine bestehende IT-Umgebung gibt und die verschiedenen Systeme nicht immer interoperabel sind. An dieser Stelle setzen die beiden Forschungsprojekte BIM4AMS und AMSfree an.

Eine Grundlage war das bereits benannte Forschungsprojekt BIM4ROAD, in dem die Konzepte zur Anforderung und Nutzung von Informationen aus der Bauphase sowie die Ergänzung durch Zustandsdaten für das Erhaltungsmanagement untersucht wurde. Der Fokus lag hierbei auf der Strukturierung von BIM-Modellen und Integration von baustofftechnischen Eigenschaften. Das im Rahmen des Projekts definierte Datenmodell orientiert sich am internationalen Datenaustauschstandard Industry Foundation Classes (IFC) und den vorhandenen Möglichkeiten des deutschen Objektkatalogs für das Straßen- und Verkehrswesen (OKSTRA). Das Datenformat erlaubt die dreidimensionale Beschreibung von Bauwerken und ihrer Komponenten und die Zuordnung von fein aufgelösten semantischen Informationen. Auf der Basis des internationalen Datenmodells wurden nationale (deutsche) Merkmale definiert. Diese umfassen zum einen Merkmale, die detailliert die einzelnen Aufbauschichten beschreiben und im Rahmen eines sogenannten As-built-Modells beim Abschluss einer Baumaßnahme übergeben werden sollten. Zum anderen werden Merkmale definiert, die die Ermittlung von Zustandsgrößen und die daraus berechneten Zustandswerte wiedergeben. Zudem werden Hinweise gegeben, wie die räumliche Struktur des IFC-Modells eingesetzt werden kann, um die Lage und Ausdehnung von Erfassungsabschnitte zu beschreiben. Der entwickelte Ansatz wurde zum einen anhand eines fiktiven Beispiels eines kurzen geraden Straßenabschnitts und zum anderen durch Anwendung auf einen realen Abschnitt der Autobahn A 40 validiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Methodik prinzipiell funktioniert, gleichzeitig aber die erforderlichen Daten heute noch nicht in vollem Umfang verfügbar sind. Die größte Herausforderung liegt im verbindlichen Einfordern von As-built-Modellen einschließlich der definierten Merkmale beim Abschluss der Bau- bzw. Instandhaltungsmaßnahme. Nur dann kann die gewünschte Datenkontinuität gewährleistet werden und Informationen aus der Bauausführung für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen herangezogen werden.

3 Prozessanalyse und Datenaustauschpunkte für ein AMS

Die bisherigen Ausführungen zeigen, dass Regeln für die Bild und Überführung der Daten entwickelt werden müssen, wenn bestehende Systeme und Datenformate verwendet werden sollen. Um ein solches allgemeingültiges Modell aufzustellen, mussten daher zunächst die Architektur und Prozessabläufe der jeweiligen Infrastruktur-Asset-Management-Systemen (IAMS) analysiert werden, um detaillierte technische Anforderungen für die Verknüpfung von IAMS und Building Information Modellen (BIM) als Infrastruktur-Asset-Datenbanken auf Makro- und Mikroebene festzulegen. Ein Ziel der beiden Forschungsprojekte AMSfree und BIM4AMS war, die Datenübergabepunkte und die damit verbundenen Prozesse detailliert zu beschreiben, um ein gemeinsames Verständnis aller Prozesse während der gesamten Lebensdauer der Anlagenbestandteile zur erhalten.

Zur Darstellung der Datenmodelle über die Lebensdauer war es zunächst notwendig, ein einheitliches Verständnis des Gesamtprozesses zum Asset-Management zu definieren. Dabei wurde von folgenden Annahmen zum Aufstellen der Prozessmodelle ausgegangen.

• Die Grundlagen zum Asset-Management sind in der DIN ISO 55000 definiert. Deren Elemente stellen die grundlegenden Anforderungen für die spätere Prozessbeschreibung dar. Insofern müssen das nachfolgend dargestellte Prozessmodell sowie alle damit verbundenen Teilprozesse in den Gesamtkontext dieser Norm einzuordnen sein.
• Die DIN ISO 55000 beschreibt drei Betrachtungsebenen, eine strategische, eine taktische und eine operative Ebene. Deren Aufgabenbereiche müssen eindeutig gegeneinander abgegrenzt sein. Im vorliegenden Kontext wird gemäß den Aufgaben in den Forschungsprojekten ein länderübergreifendes Verständnis dargestellt.
• Innerhalb dieser Betrachtungsebenen muss eine Systemabgrenzung vorgenommen werden, welche Aufgaben im Asset-Management erledigt werden und wo die Grenze zu anderen verkehrsplanerischen Überlegungen besteht.
• Ein übergeordnetes und allgemeines Prozessmodell beschreibt dann ein Asset-Management in seiner Grundstruktur, die im Kontext dieses Forschungsprojektes notwendigen und wichtigen Teilprozesse müssen darin einzuordnen sein. Dies bedeutet gleichzeitig, dass das spätere Datenmodell in der Lage sein soll, alle Arbeitsebenen und Aufgabenbereiche abzudecken. Je nach Arbeitsebene sind unterschiedliche Anforderungen an die Daten bezüglich Detaillierungsgrad und Datenumfang zu Die notwendigen Datengrundlagen werden auf Objektebene erstellt. Die Bild der Netzebene erfolgt dann über eine Aggregierung der auf Objektebene vorhandenen Daten. Dies stellt einen üblichen Ansatz im Erhaltungsmanagement dar.

Aufgrund einer Analyse der jeweils verwendeten nationalen Systeme wurden möglichst alle anstehenden Aufgaben in einem Asset-Management-Modell der Verkehrsinfrastruktur über den Lebenszyklus zusammengestellt (Bild 5). Dieses Ergebnis geht über den reinen Fokus der vorliegenden Forschungsprojekte hinaus, wurde aber für die Einordnung in ein Gesamtkontext als notwendig erachtet. Im nächsten Schritt wurde dann basierend auf der Aufgabenzusammenstellung ein übergeordnetes allgemeines Prozessmodell für ein Asset-Management System Verkehrsinfrastruktur abgeleitet. Dieses allgemeine Prozessmodell konnte dann weiter für die im vorliegenden Kontext relevanten Teilprozesse näher beschrieben werden, soweit dies für die Modellierung des Datenaustausches notwendig war.

Dabei zeigen sich über die europäischen Länder erwartungsgemäß viele Gemeinsamkeiten, aber auch landesspezifische Unterschiede in den daten- und ingenieurtechnischen Anwendungen. Die Prozessmodellierungen wurden nach der BPMN-Methode vorgenommen. Damit ist es möglich, die einzelnen Prozessschritte, Zuständigkeiten und Datenaustauschpunkte mit Dateninhalten in strukturierter Form dazustellen. Dabei wurde auf die Darstellung der Teilaufgaben innerhalb der Prozesse verzichtet, da zum einen der Fokus auf die klare Darstellung der Datenübergabeschnittstellen liegt, und zum anderen bei der Bearbeitung einzelner Teilaufgaben länderspezifische Regelungen existieren, die im vorliegenden Kontext nicht umfassend abgebildet werden konnten und auch mussten. Somit liegt als Ergebnis die generische Darstellung der Erhaltungs- und Betriebsphase eines Asset-Managements vor, in dem die wesentlichen Datenübergabepunkte definiert werden können (Bild 6). Davon ausgehend wurden Dateninhalte abgeleitet, die zum einen länderübergreifend gesetzt werden können und zum anderen die jeweils nationalen Besonderheiten abdecken können.

Der Prozess beginnt mit der Übernahme der Leistungsziele und verläuft gemäß der oben bereits erläuterten Prozessstruktur von der Zustandserfassung und -bewertung bzw. Bauwerksprüfung über die Erhaltungsplanung bis zur Maßnahmendurchführung und Wirkungsanalyse. Der Prozess erfordert ein vorhandenes Bestandsmodell, das sich idealerweise aus dem wie-gebaut-Modell der erstmaligen Herstellung oder dem fortgeschriebenen Modell nach Durchführung einer Maßnahme ergibt. Im Verlauf des AM-Prozesses werden drei Fortschreibungen oder Updates als wesentlich erachtet, nachfolgend als Update I, Update II und Update III bezeichnet. Dies ist erstens eine Übernahme der Zustandsbewertung aus der Bauwerksprüfung bzw. Zustandserfassung und -bewertung, zweitens dann die Übernahme der festgelegten Erhaltungsobjekte bzw. Maßnahmen und drittens die Übernahme des „wie gebaut“-Modells nach Durchführung einer Erhaltungsmaßnahme. Wichtig dabei ist, dass die für jeden Schritt notwendigen Datengrundlagen und Informationen als IFC-Modell zur Verfügung stehen.

Bild 5: Struktur der Aufgabenbereiche des Asset-Management (BIM4AMS, 2022)

Bild 6: Prozessmodell Asset-Management (BIM4AMS, 2022)

Zu diesem Datenaustauschpunkten wurde definiert, welche Merkmalsgruppen und Merkmale übergeben werden müssen, damit die ingenieurtechnischen Aufgaben eines Asset-Management erfüllt werden können. Damit wird gleichzeitig dargelegt, welche Daten aus einem wie-gebaut-Modell in das Erhaltungs- und Betriebsmodell übergeben werden sollten. Unabhängig von den internationalen Auswertungen wurde für die Anwendung in Deutschland die Festlegung des OKSTRA und dessen Umsetzung in den Straßeninformationsbanken der Länder sowie des IT ZEB Servers als Basis angenommen.

Das Übersichtsmodell zum Datenfluss basiert auf einer initialen BIM-Datenbank als Kernelement. Darum sind die drei relevanten Kernprozesse, die zu einer Änderung in der BIM-Datenbank führen, im Bild 7 dargestellt. Update I, Update II und Update III als Datenfortschreibungen sind markiert.

Für den Prozess der Inspektion/Zustandserfassung und -bewertung werden die sogenannten Grunddaten als geometrisches Modell benötigt, im Ergebnis wird das Ergebnis der Zustandsbewertung zurückgegeben (Update 1). Für die Speicherung der relativ umfangreichen ZEB-Daten können die bisherigen Systeme weiter genutzt werden. Ein weitaus komplexerer Datenbedarf wird im Prozessschritt Erhaltungsplanung erforderlich, so müssen eine Reihe unterschiedlicher Informationen zum Bestand und Zustand zur Verfügung gestellt werden, damit eine fundierte Erhaltungsplanung überhaupt möglich ist. Als Update 2 ist für das AM ermittelte Erhaltungsprogramm interessant, also die Erhaltungsobjekte, unterschieden in der Regel nach Objektlokalisierung, Maßnahmenart, Zeitpunkt und Kosten. Im dritten Schritt erfolgt der Bauprozess an den einzelnen Erhaltungsobjekten, der aber nicht Gegenstand der laufenden Untersuchungen waren. Ergebnis dieses Prozessschrittes ist dann die Übergabe der Bestandsänderung als „wie gebaut“ – Modell und Update 3 in die BIM-Datenbank.

Bild 7: Datenfluss im AM über den Lebenszyklus (BIM4AMS, 2022)

4 Datenbedarf

In den beiden Projekten AMSfree und BIM4AMS wurden dann ausgehend von den erstellten Prozessmodellen der Datenbedarf untersucht und ein Information Delivery Manual IDM gemäß ISO 29481-1/2 entwickelt. Dazu wurden für die drei Updates die erforderlichen Datenmodelle aufgestellt und ein BIM-Modell mit den zugehörigen Property-Sets und Properties (Merkmalsgruppen und Merkmale) abgeleitet. Diese Vorgehensweise wird am Beispiel der Bewertung des Straßenoberbaus im Bild 8 dargestellt.

Dabei fallen folgende Datenanforderungen an:

• Planungsdaten: Planungsdaten können Verkehrsbelastung oder Klimadaten sein, die für die Bemessung des Straßenoberbaus relevant sind.
• Aufbaudaten: Dies sind im wesentlichen Schichtart, verwendete Baustoffe und Baustoffgemische und Prüfergebnisse.
• Zustandsdaten: Zustandsdaten sind in erster Linie die Daten der Zustandserfassung und -bewertung zum Oberflächenzustand aber auch Daten zum strukturellen Zustand des Oberbaus bis hin zu ergänzenden zerstörenden Materialuntersuchungen.

Zu diesen Datenanforderungen wurden dann die nach dem Technischen Regelwerk entsprechenden Merkmalsgruppen und Merkmale zugeordnet. Zudem wurden weitere Erfassungsmethoden und auch Laboruntersuchungen mitberücksichtigt, die Stand der Technik sind, aber derzeit noch nicht oder nur punktuell in einem IAMS verwendet werden. Dies sind strukturelle Bewertungsverfahren wie Tragfähigkeitsmessungen mit dem FWD oder dem TSD, sensorgestützte Erfassungsmethoden als auch beispielsweise Performance-Prüfungen bei der Bewertung von Asphaltmaterialien. Für die Einbindung erweiterter Erfassungsverfahren wurde im Projekt AMSfree ein eigener Berichtsteil vorgelegt (AMSfree, 2022).

Bild 8: Übersicht zum Datenbedarf zur Gesamtbewertung der Fahrbahn (AMSfree, 2022)

Das IFC-Datenmodell bietet mit den Merkmalsgruppen und Merkmale die Möglichkeit, ohne Änderung des Schemas flexibel einzelnen Objekten Eigenschaften zuzuweisen. Auf diese Weise können nationale Straßenbauverwaltungen oder einzelne Auftraggeber Anforderungen an die zu übermittelnden Informationen definieren, ohne die Notwendigkeit diese in die internationale Standardisierung einzubringen (König u. a., 2020). Die Merkmale und Merkmalsgruppen wurden zunächst unabhängig vom konkreten Datenformat mittels dem Resource Description Framework (RDF) Schema umgesetzt. Hierbei wurden bestehende Objekttypen, Strukturen und Eigenschaften bestehender Standards (IFC, OKSTRA, LandXML etc.) untersucht und abgebildet. Des Weiteren erfolgt eine Zuordnung zu den einzelnen Prozessen und Verantwortungsbereichen. Ergebnis sind konkrete Informationsanforderungen in Form von Datenvorlagen nach DIN EN ISO 23387, die anschließend in verschiedene Datenformate über-führt werden können.

Am Beispiel der relevanten baustofftechnischen Daten wurde gezeigt, wie für jedes relevante Bauelement (z. B. Aufbauschichten einer Straße) semantische Informationen als Merkmale und Merkmalsgruppen nach EN ISO 23387 definiert werden. Anschließend wurden diese erforderlichen und erzeugten Informationen (Level of Information Need) in Form von digitalen Merkmalen und Merkmalsgruppen nach DIN EN ISO 23386 im XML-Format zur Verfügung ge-stellt.

Die baustofftechnischen Daten beinhalten Informationen zu den einzelnen Schichten des Straßenaufbaus, die im Zuge der Planung sowie der Ausführung erhoben und durch das ausführende Bauunternehmen in Form eines As-built-Modells bereitgestellt werden müssen. Die PropertySets werden immer dem IfcMaterial zugewiesen, dass mit der jeweiligen Schicht (IfcCourse) verknüpft ist.

Bei der Systematik zur Erstellung von Merkmalsgruppen wurde zwischen den folgenden Aspekten differenziert:

• Teil des Aufbaus (Oberbau, Unterbau, Untergrund),
• Schichtmaterial (gebunden, ungebunden),
• Bauweise (Asphalt, Beton),
• Ausgangsmaterialien (Bindemittel, Gestein),
• Baustoff (Mischgut, fertige Schicht),
• Zeitpunkt der Prüfung (Erstprüfung, Kontrollprüfung),
• verhaltensorientierte Prüfverfahren,
• Einbaubedingungen.

In Abhängigkeit der vorhandenen Eigenschaften können mehrere Merkmalsgruppen der jeweils betrachteten Schicht zugeordnet werden. Die verwendete Struktur zur Erstellung der Merkmalsgruppen ist in dem Bild 9 am Beispiel einer Asphaltdeckschicht dargestellt. Daraus lassen sich nun eine Reihe von Merkmalsgruppen und Merkmalen ableiten, die für das IAMS relevant sind. Im Projekt AMSfree wurde dies für den Oberbau und Bauwerke für europäische Straßenbauverwaltungen aufgezeigt, das Projekt BIM4AMS behandelt vertieft die baustofftechnischen Daten für den Oberbau im Kontext der drei beteiligten Länder.

Bild 9: Systematik zur Erstellung von Merkmalsgruppen am Beispiel einer Asphaltdeckschicht (in Anlehnung an (Radenberg u. a., 2021))

5 Lösungsansatz und Anwendungsbeispiele

Im weiteren Schritt geht es darum, einen containerbasierten Datenaustausch zwischen den Systemen zu ermöglichen. Die Herausforderung dabei ist, eine Vorgehensweise zu entwickeln, in der unterschiedliche Ontologien und eine unterschiedliche Semantik barrierefrei zwischen verschiedenen Beteiligten im IAMS-Prozess übergeben werden können. Um diese Aufgabenstellung zu lösen, wurde auf den containerbasierten Austausch gemäß der Normenreihe ISO 21597 zurückgegriffen. Ein Informationscontainer ist ein Werkzeug, mit dem Informationen aus verschiedenen Quellen übertragen werden können und damit eine Plattform, über die verschiedene Datenquellen mittels Verknüpfungen und Abhängigkeiten verwaltet werden. Für die deutschen Straßenbauverwaltungen können damit beispielsweise die ASB-Standards für Strecke mit den getrennt verfügbaren Zustandsdatenbanken, wie beispielsweise den IT-ZEB-Server verknüpft werden. Für die Anwendung des Containers müssen keine Anpassungen am ursprünglichen System vorgenommen werden. Lediglich die Bildregeln über die Ontologie und die Struktur der bestehenden Datenbanken müssen definiert werden, um einen Informationscontainer zu erstellen.

Ein Container enthält eine Header-Datei im Ordner der obersten Ebene und muss mindestens drei nachfolgende Ordner haben:

• Der Ordner „Ontology resources“ speichert die Ontologie zur Bereitstellung der Objektklassen und Merkmale bereitstellen, die verwendet werden müssen, um den Inhalt von und die Links zwischen den Dokumenten innerhalb des Containers festzulegen.
• Der Ordner „Payload documents“ muss zur Speicherung aller Dokumente verwendet werden, die im Container enthalten sind (und als Nutzdaten bezeichnet werden).
• Der Ordner „Payload triples“ muss für die Speicherung von Linkset-Dateien verwendet werden, also die Speicherung von Links.

Für die Anwendung von Informationscontainern nach ISO 21597 wurde ein Prototyp entwickelt, der für die betrachteten Prozessschritte musterhaft Containerinhalte für die Erhaltungsplanung von Straßen und Bauwerke zur Verfügung stellt, aber leicht auf veränderte Rahmenbedingungen angepasst werden kann (Liu u. a., 2021).

Bild 10: Prinzip des Lösungsansatzes mit Hilfe von Informationscontainern (AMSfree, 2022)

Im Projekt AMSfree wurde beispielsweise gezeigt, wie Informationscontainer für die Einbindung von Georadaruntersuchungen am Straßenoberbau aufgebaut werden können. Im Ergebnis liegen zwei Container, einmal für die Vorbereitung der Erfassung und dann für die Bewertung vor. Die jeweilige Struktur ist im Bild 11 dargestellt.

Bild 11: Struktur der ICDD für GPR-Untersuchungen am Straßenoberbau

Um die Anwendungsmöglichkeiten für verschiedene Straßenbauverwaltungen im Projekt AMSfree zu zeigen, wurden in Abhängigkeit des Informationsbedarfs länderspezifische Informationscontainer (Deutschland, Niederlande und Dänemark) zur Unterstützung des Asset-Managements definiert. Die Informationscontainer unterscheiden sich grundlegend in Bezug auf die verwendeten und gespeicherten Ontologien, Verknüpfungen und Dokumente. Die Funktionsweise wurde dann prototypisch in verschiedenen Anwendungsfällen aufgezeigt. Ein Beispiel war das sogenannte Update I mit der Aktualisierung der Ergebnisse der Zustandserfassung und -bewertung (Bild 12).

Für diesen Anwendungsfall ergeben sich folgende Anforderungen: Um die Ergebnisse der Zustandserfassung und -bewertung mit dem IFC-Modell zu verknüpfen, bedarf es eines bestehenden IFC-Modells und Zustandsdaten, die die gleiche Referenzierung aufweisen. Dadurch werden die Zustandsdaten mit dem IFC-Modell verknüpft und projiziert.

Eine virtuelle Ebene wird mit den verknüpften Ergebnissen der Zustandserfassung und -bewertung gefüllt. Der Zustand verschiedener Abschnitte kann direkt über diese Ebene abgefragt werden. Neben den Zustandsdaten werden auch alle relevanten Daten wie Materialeigenschaften und der Straßenaufbau angezeigt, was ein deutlicher Mehrwert für die Erhaltungsplanung darstellt. Bislang mussten die Daten aus verschiedenen Datenquellen mit hohem Aufwand und weiteren Softwareanwendungen verknüpft werden.

Bild 12: Beispiel für einen Straßenbau im Projekt AMSfree (AMSfree, 2022)

6 Zusammenfassung und Ausblick

Der Einsatz von Asset-Management-Systemen für die Verkehrsinfrastruktur ist heute Stand der Technik und erfordert vollständige und verlässliche Informationen zum Anlagenbestand. Ein großes Hindernis ist dabei die derzeit verwendeten IT-Systeme, da die benötigten Daten oft in verschiedenen und etablierten Datenbanken gespeichert sind. Für die Verwendung dieser Daten in ingenieurtechnischen Auswertungen wie beispielsweise im Erhaltungsmanagement stellt dies ein großes Hindernis und einen hohen Aufwand dar. Dabei kann die BIM-Methode zur verlustfreien und herstellerunabhängigen Datenweitergabe helfen. Deswegen wurden in zwei verschiedenen Forschungsprojekten die Möglichkeiten eines Linked-Data Ansatzes untersucht, mit dem die verschiedenen Informationen in einem Informationscontainer zusammengefasst und in die weitere Bearbeitung übergeben werden. Dazu wurde zunächst mittels einer Prozessanalyse ein einheitliches Verständnis zu den relevanten Asset-Management-Prozessen geschafften, um anschließend die jeweiligen Informationsanforderungen abzuleiten und diese in ein BIM-Modell zu übertragen. Davon ausgehend wurde dann ein Proto-typ entwickelt, mit dem Informationscontainer erstellt werden. Die Vorgehensweise wurde mit verschiedenen Anwendungsfällen getestet. Als nächster Schritt wird ein Praxistest an einem realen Erhaltungsprojekt empfohlen.

Literaturverzeichnis

AASHTO: Transportation Asset Management Guide: Designed to replace pages of „Standard specifications for highway bridges“ and contains revisions to „Standard specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals“. A Focus on Implementation. Washington, DC, 2013

Amsfree; Stöckner, Markus (Mitarb.); Hajdin, Rade (Mitarb.); König, Markus (Mitarb.); Gavin, Ken (Mitarb.); Liu Liu (Mitarb.); Schiffmann, Frank (Mitarb.); Blumenfeld, Tim (Mitarb.); Brow, Ian (Mitarb.): Exchange and exploitation of data from Asset Management Systems using vendor free format. Project running, 2022

BASt: Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen (OKSTRA®). URL https://www.okstra.de/ – Überprüfungsdatum 19.04.2022

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BIM4AMS; Hajdin, Rade (Mitarb.); König, Markus (Mitarb.); Grossauer, Karl (Mitarb.); Stöckner, Markus (Mitarb.); Liu Liu (Mitarb.); Schiffmann, Frank (Mitarb.);

Borrmann, André; Muhic, Sergej; Hyvarinen, Juha; Chipman, Tim; Jaud, Stefan; Castaing, Christophe; Dumoulin, Claude; Liebich, Thomas; MOL, Laura: The IFC-Bridge project – Extending the IFC standard to enable high-quality exchange of bridge information models, In: Proceedings of the 2019 European Conference for Computing in Construction, 2019

Blumengfeld, Tim (Mitarb.); Stöckner, Ute (Mitarb.): BIM-Erweiterung durch Implementierung der Nutzung baustofftechnischer Daten von BIM-Erweiterung durch Implementierung der Nutzung baustofftechnischer Daten von Straßen und Brücken im AMS. Ein Projekt finanziert im Rahmen der D-A-CH Kooperation DACH 2019 Projekt laufend. 2022. – Ein Projekt finanziert im Rahmen der D-A-CH Kooperation DACH 2019 Projekt laufend

BIM4INFRA: Umsetzung des Stufenplans „Digitales Planen und Bauen“. URL https://bim4infra.de/ – Überprüfungsdatum 07.04.2022

BMVBW: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 12/2000: Sachgebiet 19.2: Straßeninformationsbanke. S 14/12.25.25/10 Va 00. URL https://www.okstra.de/ – Überprüfungsdatum 19.04.2022

BMVI: ASB - Anweisung StraßeninformationsBank: Segment: Kernsystem. URL https://www.bast.de/DE/ Publikationen/Regelwerke/Verkehrstechnik/Unterseiten/V-ASB.html – Überprüfungsdatum 19.04.2022

BMVI: Masterplan BIM Bundesfernstraßen: Erläuterung zu den Rahmendokumenten – Version 1.0. Berlin, 2021

Calvi, G.; Moratti, M.; O’reilly, G. J.; Scattarreggia, N.; Monteiro, R.; Malomo, D.; Calvi, P. M.; Pinho, R.: Once upon a Time in Italy: The Tale of the Morandi Bridge. In: Structural Engineering International 29 (2019), Nr. 2, S. 198–217

DEGES: BIM-Leitfaden: Digitales Planen und Bauen bei der DEGES. Version 1.5. 2019

DIN EN 17412-1:2021-06: Bauwerksinformationsmodellierung_– Informationsbedarfstiefe_– Teil_1: Konzepte und Grundsätze; Deutsche Fassung EN_17412-1:2020

DIN EN ISO 16739-1:2021-11: Industry Foundation Classes_(IFC) für den Datenaustausch in der Bauwirtschaft und im Anlagenmanagement_– Teil_1: Datenschema (ISO_16739-1:2018); Englische Fassung EN_ISO_16739-1:2020, nur auf CD-ROM

DIN EN ISO 19650-1:2019-08: Organisation und Digitalisierung von Informationen zu Bauwerken und Ingenieurleistungen, einschließlich Bauwerksinformationsmodellierung_(BIM)_– Informationsmanagement mit BIM_– Teil_1: Begriffe und Grundsätze (ISO_19650-1:2018); Deutsche Fassung EN_ISO_19650-1:2018

DIN EN ISO 23386:2020-11: Bauwerksinformationsmodellierung und andere digitale Prozesse im Bauwesen_– Methodik zur Beschreibung, Erstellung und Pflege von Merkmalen in miteinander verbundenen Datenkatalogen (ISO_23386:2020); Deutsche Fassung EN_ISO_23386:2020

DIN EN ISO 23387:2020-12: Bauwerksinformationsmodellierung_(BIM)_– Datenvorlagen für Bauobjekte während des Lebenszyklus eines baulichen Vermögensgegenstandes_– Konzepte und Grundsätze (ISO_23387:2020); Deutsche Fassung EN_ISO_23387:2020

FHWA: Executive Brief: Advancing a Transportation Asset management Approach, 2012

Hajdin, R.; Lee, H.-O.; Honeger, C.; Nowacki, M.; Cao, R.; Beamish, S.; Valdes-Flores, M.; Morgado, J.; Lategan, W.; Roffe, J.-C.; Tanasic, N.: Innovative Approaches to Asset Management: 2019R19EN – Technical Report. La Defense, France, 2019

Heller, S.; Degelmann, R.; Korn, M.: Guidelines für ein Infrastructure Asset Management im Freistaat Bayern. In: Straße und Autobahn 69 (2018), Nr. 6

König, Markus; Borrmann, Andre; Stöckner, Markus; Radenberg, Martin; Hage-Dorn, Philipp; Jaud, Stefan; Niever, Manuel; Müller, Deborah: BIM-basiertes Erhaltungsmanagement im Straßenbau: Endbericht zum Forschungsprojekt FE-Nr. 04.0299/2016/MRB. im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Bochum, 2020 – im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

Liu, L.; König, M.; Hajdin, R.; Stöckner, M.; Grossauer, K.: Integration and provision of BIM-based information containers for the asset management of roads and bridges, 2021 ASCE International Conference on Computing in Civil Engineering (i3CE 2021), 12 – 14 September 2021, Orlando, Florida, USA.

PIARC: Asset Management Manual: A Guide for Practitioners. URL https://road-asset.piarc.org/en – Überprüfungsdatum 19.04.2022

PLANEN-BAUEN 4.0: Stufenplan Digitales Planen und Bauen: Einführung moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken. Berlin, 2015

Radenberg, M.; König, M.; Geistefeldt, J.; Hohmann, S.; Heinrichs, J.; Stiehler, D.; Kortemayer, J.: Anwendung der Methode BIM in Konformität mit den Regelwerken der FGSV und des IT-Ko. Schlussbericht zum FE 02.0427/2018/AR; 2021.B