Deutschlands Straßen-Infrastruktur
Herausforderungen und Lösungen
von: Päivi Puntila und Gabriel NevesBesorgniserregend ist vor allem die Feststellung, dass nahezu die Hälfte der 25 höchstgelegenen Brücken sich in einem mindestens kritischen Zustand befindet, wie die Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken betont. Zudem weisen elf der höchsten Brücken erhebliche Defizite in der Tragfähigkeit vor, so der Report. Diese Problematik bringt weitreichende Herausforderungen mit sich, auch über die Grenzen Deutschlands hinaus.
Vor dem Hintergrund dieser bedrohlichen Entwicklung stellt sich die drängende Frage: Welche Lösungsansätze können ergriffen werden, um Deutschlands straßenbauliche Infrastruktur zu sichern und langfristig zu schützen? Nachfolgend erhalten Sie einen Einblick in die erforderlichen Maßnahmen, um diesen akuten strukturellen Herausforderungen zu begegnen und die Sicherheit des Verkehrsnetzes der Zukunft zu gewährleisten.
Die Dringlichkeit der Situation wird durch die zunehmende Zahl von Berichten über den kritischen Zustand von Brücken deutlich. Obwohl es Vorschriften zur Gewährleistung der Sicherheit gibt, verschlechtert sich die wirtschaftliche Bedingung in weiten Teilen Europas, was sich auf die verfügbaren Budgets für Sanierungen auswirkt. Verkehrsbeschränkungen auf Brücken und zeitweilige Sperrungen während des Tages können vorübergehende Lösungen sein, stoßen aber langfristig an ihre Grenzen.
Viele europäische Brücken, die nach dem Zweiten Weltkrieg und nicht nach den aktuellen EU-Richtlinien gebaut wurden, erreichen nun das Ende ihrer Lebensdauer von 50 oder 60 Jahren. Selbst wenn die Bauherren die damaligen Anforderungen eingehalten haben, kann es sein, dass die Qualität und der Entwurf für die heutigen Anforderungen schlicht nicht mehr ausreichen.
Dabei ist zu bedenken, dass das Verkehrsaufkommen stetig wächst – und auch in der nahen Zukunft weiterwachsen wird. Das wirkt sich wiederum auf die erforderliche Tragfähigkeit der Brücken aus. Laut einer Mitteilung des Bundesministeriums für Verkehr und Digitales ist die Verkehrsleistung im Güterverkehr im Vergleich zum Jahr 2019 um rund die Hälfte von 679 auf 990 Milliarden Tonnenkilometer gestiegen.
Die Prognosen sagen für die kommenden Jahre einen noch stärkeren Anstieg voraus.
Erstellung von 3D-Modellen
Deutschland gilt als Land der vielen Vorschriften und Regulierungen. In Wirklichkeit hängt die Brückenprüfung, auch wenn sie durch Richtlinien geregelt und im Laufe der Jahre verbessert wurde, von nur einigen wenigen Personen ab. Eine Inspektion beruht oft auf menschlichem Ermessen und handschriftlichen Notizen. Einzelne Dokumente werden dann per E-Mail an den Auftraggeber geschickt und landen in einem lokalen Ordner, der nur für autorisierte Personen zugänglich ist.
Eine Digitalisierung dieser Prozesse ist unbedingt notwendig, um sie in Zukunft zu verbessern. Hier muss viel stärker auf die uns zur Verfügung stehenden Technologien gesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise hochauflösende 3D-Laserscanner zur Objekterfassung und Schadenserkennung von Rissen. Diese Scanner liefern Daten in Form einer Punktwolke, die analysiert werden kann. Die Punktwolke kann dann in BIM-Software importiert und zur Erstellung von 3D-Modellen mit den erforderlichen Dateneigenschaften der Brücke verwendet werden.
Diese könnten als digitale Zwillinge verwendet werden: Bei der nächsten Inspektion kann ein neues Bild erstellt und mit den vorherigen Inspektionsdaten des Modells verglichen werden. KI wiederum hilft, einen Teil des Inspektionsprozesses zu automatisieren, indem sie eine vorausgewählte Liste von Anomalien liefert, die einer weiteren Prüfung bedürfen.
Vor Ort brauchen solche Technologien nur kurze Zeit, um alle Details präzise zu erfassen. Die Punktwolkendichte ist so hoch, dass sehr genaue Messungen von Verformungen möglich sind. Einige Geräte bieten eine Genauigkeit von wenigen Millimetern bei einem Scan-Abstand von 20 m. Künstliche Intelligenz kann ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Entscheidungsfindung spielen, um die Handlungsimplikationen von Inspektionen so datenbasiert und objektiv wie möglich zu gestalten.
Sanierung bestehender Brücken
Aus den erfassten Informationen, dem Scan, kann ein digitales Modell erstellt werden, das als Vorlage für Renovierungsarbeiten dient, aber auch als Grundlage für einen "lebenden" digitalen Zwilling, wenn er regelmäßig aktualisiert wird. Diese regelmäßigen Überprüfungen sollten Teil eines Wartungsprogramms sein, damit zukünftige Anomalien schnell erkannt und behoben werden können.
Die Sanierung bestehender Brücken ist oft mit einem so großen Aufwand verbunden, dass Kosten und Nutzen sorgfältig gegeneinander abgewogen werden müssen. Stahlbrücken sind grundsätzlich die günstigsten Sanierungsobjekte. Die einzelnen Elemente können im Idealfall separat behandelt werden, der Stahl selbst wird aufgearbeitet und neu versiegelt und neue Verstrebungen können problemlos eingebaut werden. In oder an den Brücken angebrachte Sensoren ermitteln zuverlässig, wann und an welcher Stelle eine Sanierung notwendig ist. Voraussetzung dafür ist die erwähnte Digitalisierung der Prozesse.
Bei allen Brückentypen kann es jedoch erforderlich sein, neue Straßenteile zu bauen, um ein stabiles Fundament zu ermöglichen. Irgendwann ist jedoch der Punkt erreicht, an dem eine Sanierung bestehender Brücken aufgrund ihres schlechten Zustandes nicht mehr möglich ist und ein Neubau unumgänglich wird. Insbesondere die Sanierung von Betonbrücken ist ein schwieriges Unterfangen. Um Kosten zu sparen und die Nachhaltigkeit in den Vordergrund zu stellen, müssen wir damit beginnen, langlebigere
Brücken zu entwickeln. Brücken sollten perspektivisch eine Lebensdauer von 100 Jahren nicht unterschreiten. Erste Voraussetzung dafür ist, dass künftig alle Brücken mit datengestütztem BrIM (Bridge Information Modeling) geplant, design und ausgeführt werden, was eine zeitaufwändige nachträgliche Digitalisierung obsolet macht.
Planung, Entwurf und Umsetzung einer neuen Brücke müssen sehr schnell erfolgen, und die Erstellung von Konstruktionszeichnungen kann bis zu einem halben Jahr dauern – ein zu langer Zeitraum, der verkürzt oder sinnvoll genutzt werden muss.
Angesichts der Dringlichkeit ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Planung und Bau von entscheidender Bedeutung, um eine reibungslose Umsetzung zu gewährleisten. Das gilt insbesondere in Krisenzeiten, wenn schnelles Handeln erforderlich ist. Häufig können beispielsweise Fundamente bereits gebaut werden, ohne dass die Planung mit allen Details abgeschlossen sein muss. Während der Brückenbau selbst früher bis zu fünf Jahre dauerte, kann und muss er heute aufgrund der Dringlichkeit in ein bis eineinhalb Jahren erfolgen. Leider sind die Mittel für Neubauten oft sehr begrenzt. Aber es gibt Möglichkeiten, die Kosten zu senken, die zum Beispiel die Bahn schon seit vielen Jahren nutzt:
Beim Fertigteilbau wird fast alles im Werk vorgefertigt und dann die ganze Brücke neben der Baustelle zusammengesetzt. Innerhalb von 24 Stunden werden die alten Teile abgerissen, das Widerlager hergestellt, die neue Brücke eingehoben und alles montiert. Das ist die billigste Art, alte Brücken zu ersetzen, auch wenn es für das Auge eines Designers vielleicht nicht besonders attraktiv ist. Für den Ersatz besonders gefährdeter Brücken ist dies jedoch eine gute und schnelle Option. Außerdem werden bei der Offsite-Bauweise weniger schwere Maschinen und weniger Energie benötigt, und der Verschnitt wird minimiert.
Generell sollten alle Stakeholder (Bedenkenträger) die Möglichkeit haben, jederzeit online den Status bestehender Brücken einzusehen.
Priorität für die Renovierung
Der erste Schritt ist also die digitale Erfassung bestehender Brücken durch den bereits genannten Einsatz moderner Technologien. Der zweite Schritt ist die Schaffung von Transparenz durch die Verwendung offener Standards wie etwa IFC bei der Digitalisierung der physischen Realität zur Verhinderung von Anbieterbindung zu bestimmten Software-Lösungen.
Die Allgemeinheit würde von mehr Transparenz profitieren, da sie Daten über Infrastrukturen mit ähnlichen Problemen zugänglich machen würde, so dass diese Infrastrukturen nach Priorität für die Renovierung eingestuft werden können. Dies würde dazu beitragen, das Risiko von Unterbrechungen oder gar Katastrophen zu verringern.
Durch die Verknüpfung verschiedener Datenquellen für neu gebaute Brücken, insbesondere BIM und offene Daten, können alle relevanten Informationen an einem Ort gesammelt und miteinander verknüpft werden, um einen umfassenden Überblick über den Zustand und den Instandhaltungsbedarf von ebendiesen Brücken zu erhalten.
Die Datenformate spielen dabei ebenso eine Rolle wie die Möglichkeit, die Daten über eine umfassende Plattform zusammenzuführen und gegebenenfalls zu visualisieren. IFC-Daten ermöglichen sowohl den alphanumerischen als auch den geometrischen Austausch über BIM-Anwendungen und sollten daher als Standard gelten.
Transparente Kriterien
Angesichts der zunehmenden Gefährdungen und Herausforderungen durch marode Brücken für die Straßeninfrastruktur in Deutschland wird deutlich, dass ein umfassender und ganzheitlicher Ansatz erforderlich ist, um effektive Lösungen zu implementieren.
Die Optimierung von Inspektionsverfahren durch den Einsatz moderner Technologien, die Priorisierung von Sanierungsmaßnahmen anhand transparenter Kriterien und die Förderung offener Datenformate zur Gewährleistung von Transparenz und Bürgerbeteiligung sind entscheidende Schritte auf dem Weg zu einer nachhaltigen und zukunftssicheren Verkehrsinfrastruktur.
Ein verstärktes Engagement in der Digitalisierung, gepaart mit effizienten Prozessen und einer verstärkten Zusammenarbeit zwischen Entwurfs-, Bau- und Betriebsprozessen, wird dazu beitragen, die Straßeninfrastruktur in Deutschland zu stabilisieren und langfristig zu erhalten.
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Die Autoren sind Business Development Director in der Abteilung Bauwesen und Bridges Technical Manager beim Technologieprovider Trimble.
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