Integral and Holistic Design of Road Bridges based on Hierarchical Models (IntegBridge, P 1281)

Auszeichnung

Das Forschungsprojekt IntegBridge ist mit dem Green BIM Award 2022 ausgezeichnet worden. Hervorgehoben wurden in den Laudatio insbesondere die Anwendbarkeit für verschiedene Planungsphasen, die Abbildung des gesamten Lebenszyklus in den Berechnungen und die Integration von bauwerksbezogenen und externen Effekten. Das Projekt wurde durch das Projektteam Matthias Müller, Manfred Hermann und Tim Zinke bearbeitet. Die Preisverleihung inklusive der Laudatio ist unter https://youtu.be/86Gg6o9AAao?t=1881 ab Minute 31:21 zu finden.

Tim Zinke, Matthis Müller, Manfred Hermann
Bearbeiter des Forschungsprojekts IntegBridge (von links nach rechts): Tim Zinke, Matthias Müller, Manfred Hermann
Ganzheitliche Integrale BrückenplanungTim Zinke

Abstract

Bridges are an indispensable part of the German transport infrastructure. The approx. 39,000 trunk road bridges in Germany are necessary for the functioning of the economic system. However, the road bridge portfolio in Germany is in a poor condition. A large number of rehabilitation and new construction measures will therefore be necessary in the next few years in order to maintain the performance of the trunk road network.

The basic objective of the research project is the development of calculation algorithms that allow a model-based determination of economic, ecological and macroeconomic effects in the life cycle of bridge structures in early planning phases. For different planning phases, possibilities will be worked out how the (partially) automated use of structural model data in life cycle analyses can succeed. A database schema for bridge components will be created and exemplarily filled with content for steel structures.

Due to the multitude of parameters and dependencies to be considered, the implementation of the calculation is planned in a software. This will make it possible for the first time to carry out a project-specific and holistic comparison of variants for bridges. For example, a comparison of different structural systems (e.g. integral bridge and doubtful bridge), different design variants (e.g. different corrosion protection systems) and different motorway situations (e.g. for a commuter motorway or a weekend motorway with different traffic volumes) is possible. In this way, the life cycle performance of steel and steel composite structures can be calculated and benefits quantified, e.g. in the form of reduced economic costs.

 

Industrial partners, public sector partners

  • ArcelorMittal
  • Dillinger Hüttenwerke AG
  • Ingenieurgruppe Bauen
  • Krebs+Kiefer
  • Max Bögl
  • Harrer Ingenieure GmbH
  • Schüßler-Plan
  • DB Netz AG
  • Bundesanstalt für Straßenwesen
  • Regierungspräsidium Karlsruhe
  • Regierungspräsidium Freiburg

 

Kurzvorstellung Forschungsprojekt IntegBridge

Lösung

Abbildung 1: Datenquellen und eingesetzte Methoden für die integrale Brückenbewertung
Abbildung 2: Workflow für eine BIM-gestützte, teilautomatisierte Nachhaltigkeitsbewertung Matthias Müller, Tim Zinke
Textblock-Bild vertikal 1835
IntegBridge Module, Funktionen Matthias Müller, Tim Zinke
Abbildung 3: Module und Funktionen des implementierten Softwareprototyps IntegBridg
IntegBridge Dashboard Matthias Müller, Tim Zinke
Abbildung 4: Dashboardansicht im Softwareprototyp, Darstellung zentraler Ergebnisse der Lebenszykluskosten, volkswirtschaftlichen Kosten und Ökobilanzierung

Die im Rahmen des Forschungsprojekt verwendeten Eingangsdaten stammen aus unterschiedlicher Datenquellen, die über einen Linked-Data-Ansatz miteinander und mit Bauwerksmodellen verknüpft werden. Alle Elemente von IntegBridge sind in Abbildung 1 visualisiert, wobei die unterschiedlichen Eingangsdaten blau, die verwendeten Berechnungsmethoden grün und die BIM-spezifischen Aspekte orange gekennzeichnet sind.

 

Ökobilanzdatensätze der ökobau.dat, Kostenansätze abgerechneter Bauprojekte und empirische Nutzungsdauern der Datenbank SIB-Bauwerke werden zur Vorbilanzierung von Bauelementen zusammengeführt. Die Daten werden in einem hierarchisch aufgebauten Elementkatalog strukturiert abgespeichert, auf dessen Inhalte ein Zugriff über eine eindeutige Identifikationsnummer möglich ist.

Für den im Forschungsprojekt IntegBridge entwickelten Workflow wird das BIM-Model in der Autorensoftware mit vorbilanzierten Elementen des Elementkatalogs verknüpft. Dieser Workflow ist in Abbildung 2 visualisiert. Diese Elemente enthalten statistische Werte für Kosten, ökobilanzielle Auswirkungen und Bauzeiten. Zur Abbildung des gesamten Lebenszyklus eines Brückenbauwerks, werden im Elementkatalog zusätzliche Folgeelemente definiert, welche Wartungs-, Instandsetzungs-, und Austauschmaßnahmen der Brückenkomponenten abbilden.

Nach der Verknüpfung werden die BIM-Modelle als IFC-Dateien exportiert und in den Softwareprototypen IntegBridge importiert. Hier sind zusätzliche Angaben über die projektspezifische Verkehrssituation und die gewählte Instandhaltungsstrategie über den gesamten Lebenszyklus erforderlich, da diese Informationen nicht aus dem BIM-Model bezogen werden können. Alle im Softwareprototypen IntegBridge enthaltenen Module sind Abbildung 3 beschrieben.

Abschließend können die Lebenszykluskosten, volkswirtschaftlichen Kosten und ökobilanziellen Auswirkungen einer Brückenvariante teilautomatisiert berechnet werden (siehe Abbildung 4). So können verschiedene Brückenvarianten frühzeitig miteinander verglichen werden und die Vorzugsvariante kann durch eine planungsbegleitende Analyse stetig optimiert werden. Gleichzeitig dienen die im Detail gespeicherten Bauelemente mit dazugehörigen Materialien und theoretischen Lebensdauern als Bauwerksdokumentation, die im Rahmen des Lebenszyklusmanagements Verwendung finden.

Die entwickelten Ansätze können für Hochbauten im Bereich der Lebenszykluskostenrechnung und Ökobilanzierung äquivalent verwendet werden, es müssen dazu allerdings passende, bautypenspezifische Bauelemente bereitgestellt werden.

Die folgende Videoreihe zu IntegBridge stellt die Forschungssoftware mit allen Funktionalitäten und Hintergrundinformationen vor.

 

Projektnutzen

Die in dem Forschungsprojekt IntegBridge generierten Ergebnissen entfalten einen Nutzen für verschiedene Stakeholder. Bauherren und Bauherrinnen erhalten für den Variantenvergleich eine quantifizierte Entscheidungsunterstützung. Somit können höhere Herstellungskosten den sich verändernden Lebenszykluskosten gegenübergestellt werden, geringe Emissionen und volkswirtschaftliche Kostenreduzierungen tragen zur ganzheitlichen Entscheidungsfindung bei. Subjektive Einschätzungen von instandhaltungsfreundlichen Konstruktionen können durch eine methodisch fundierte Analyse mit Ergebnissen darstellbar auf Kardinalskalen ersetzt werden. Es wird eine Datenbasis für eine Berechnung in einer frühen Planungsphase bereitgestellt. Gleichzeitig können die verwendeten Lebenszyklusinformationen und Instandhaltungskostenansätze verwendet werden, um Budgets zur Instandhaltung mit geringeren Unsicherheiten zu planen. Langfristig ist ein Rückfluss von in der Betriebsphase gewonnen Informationen in die Planungsphase wünschenswert, so dass ein Datenkreislauf entsteht, der die Datenqualität in frühen Planungsphasen verbessert.

Werden volkswirtschaftliche Kosten im Zuge des Variantenvergleichs berücksichtigt, ergibt sich für Verkehrsteilnehmer*innen der Vorteil, dass Varianten mit geringen Verkehrsbeeinträchtigungen bevorzugt realisiert werden. Hierdurch können Zeitverluste durch Baustellen reduziert werden. Durch die Integration von Ökobilanz-Ergebnissen und die damit einhergehende Reduzierung der Umweltauswirkungen wird ein gesamtwirtschaftlicher Vorteil generiert.

Projektnutzen

Die in dem Forschungsprojekt IntegBridge generierten Ergebnissen entfalten einen Nutzen für verschiedene Stakeholder. Bauherren und Bauherrinnen erhalten für den Variantenvergleich eine quantifizierte Entscheidungsunterstützung. Somit können höhere Herstellungskosten den sich verändernden Lebenszykluskosten gegenübergestellt werden, geringe Emissionen und volkswirtschaftliche Kostenreduzierungen tragen zur ganzheitlichen Entscheidungsfindung bei. Subjektive Einschätzungen von instandhaltungsfreundlichen Konstruktionen können durch eine methodisch fundierte Analyse mit Ergebnissen darstellbar auf Kardinalskalen ersetzt werden. Es wird eine Datenbasis für eine Berechnung in einer frühen Planungsphase bereitgestellt. Gleichzeitig können die verwendeten Lebenszyklusinformationen und Instandhaltungskostenansätze verwendet werden, um Budgets zur Instandhaltung mit geringeren Unsicherheiten zu planen. Langfristig ist ein Rückfluss von in der Betriebsphase gewonnen Informationen in die Planungsphase wünschenswert, so dass ein Datenkreislauf entsteht, der die Datenqualität in frühen Planungsphasen verbessert.

Werden volkswirtschaftliche Kosten im Zuge des Variantenvergleichs berücksichtigt, ergibt sich für Verkehrsteilnehmer*innen der Vorteil, dass Varianten mit geringen Verkehrsbeeinträchtigungen bevorzugt realisiert werden. Hierdurch können Zeitverluste durch Baustellen reduziert werden. Durch die Integration von Ökobilanz-Ergebnissen und die damit einhergehende Reduzierung der Umweltauswirkungen wird ein gesamtwirtschaftlicher Vorteil generiert.

Videoreihe

Videovorstellung Forschungsprojekt IntegBridgeMatthias Müller

Die folgende Videoreihe zu IntegBridge stellt die Forschungssoftware mit allen Funktionalitäten und Hintergrundinformationen vor.

Beteiligte am Projektbegleitenden Ausschuss

  • ArcelorMittal Europe S.A., Luxemburg
  • Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach
  • DB Netz AG, Frankfurt
  • Dillinger Hüttenwerke AG,  Dillingen
  • Durth Roos Consulting mbH, Bonn
  • Gottfried Wilhelm Leibniz Universität, Hannover
  • Harrer Ingenieure Gesellschaft Beratender Ingenieure VBI mbH, Karlsruhe
  • KoRoH GmbH, Karlsruhe
  • Krebs+Kiefer Ingenieure GmbH, Karlsruhe
  • Prof. Schaller UmweltConsult GmbH, München
  • Regierungspräsidium Freiburg, Freiburg
  • SSF Ingenieure AG Beratende Ingenieure im Bauwesen, Berlin