Brücken retten mit KI und BIM

Dass der Erhalt der bestehenden Infrastruktur längst weit über eine rein technische Aufgabe hinausgeht, machte Dr.-Ing. Heinrich Bökamp, Präsident der Ingenieurkammer-Bau NRW und der Bundesingenieurkammer, gleich zu Beginn deutlich. Brücken seien zentrale Elemente der Daseinsvorsorge. Ihr Zustand entscheide mit darüber, ob Menschen zuverlässig zur Arbeit kämen, Unternehmen erreichbar blieben und Verkehrsnetze funktionierten. Gleichzeitig sei das Thema inzwischen in der Bevölkerung angekommen: Sperrungen und Umleitungen machten unmittelbar erfahrbar, welche Folgen der Ausfall einzelner Bauwerke haben könne. 

Für die anstehenden Aufgaben brauche es deshalb nicht nur ingenieurtechnische Lösungen, sondern auch verlässliche Rahmenbedingungen. Bökamp verwies insbesondere auf die Bedeutung einer langfristig planbaren Finanzierung. Nur wenn Verwaltungen, Ingenieurbüros und Bauunternehmen wissen, mit welchen Aufgaben sie in den kommenden Jahren rechnen können, lassen sich die notwendigen Kapazitäten aufbauen.

Zugleich warnte er vor einer zu einfachen Bewertung des heutigen Brückenzustands. Die Probleme seien nicht Ausdruck mangelnder Ingenieurleistung früherer Generationen. Verkehrsaufkommen und Belastungen hätten sich erheblich verändert, ebenso das Wissen beispielsweise über Ermüdung und die Auswirkungen einer hohen Zahl von Lastwechseln. Umso wichtiger sei es, vorhandene Bauwerke genauer zu verstehen und dort zu erhalten, wo dies technisch möglich und sinnvoll sei. Instandsetzung könne gegenüber einem Ersatzneubau erhebliche Ressourcen sparen und eröffne zugleich Raum für innovative Lösungen.

Wenn die Brücke permanent Daten liefert 

Wie solche neuen Möglichkeiten in der Praxis aussehen können, zeigte Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Tobias A. Fischer von der Autobahn GmbH des Bundes. In einem Pilotprojekt werden derzeit elf Brücken mit einem niederschwelligen, KI-gestützten Monitoring ausgestattet. Ziel ist es, wesentlich mehr Informationen über das tatsächliche Verhalten der Bauwerke zu gewinnen.

Dabei entstehen enorme Datenmengen: Bis zu 100.000 Datenpunkte pro Sekunde und Bauwerk können verarbeitet werden. Algorithmen helfen, aus den Messwerten Trends und Veränderungen herauszufiltern, die in der Datenmenge für einen Menschen kaum noch zu erkennen wären. Fischer verglich das Prinzip mit einer Smartwatch: Auch eine Brücke besitze gewissermaßen individuelle „Vitalwerte“. Temperatur, Verkehr und andere Einflüsse verändern ihr Verhalten. Deshalb gibt es keinen universellen Grenzwert, der für jedes Bauwerk gleichermaßen gilt. Das System muss zunächst lernen, wie sich eine bestimmte Brücke unter unterschiedlichen Bedingungen normalerweise verhält. Erst auf dieser Grundlage könne ein belastbarer Zustands- beziehungsweise „Health-Index“ entstehen. 

Das Monitoring umfasst dabei unterschiedliche Ebenen: Satellitendaten können großräumige Bewegungen erfassen, lokale Sensorik misst beispielsweise Schwingungen, Steifigkeitsveränderungen oder Bauwerksbewegungen, spezielle Systeme können gezielt Risse, Koppelfugen oder andere sensible Bereiche überwachen. Entscheidend sei dabei auch der Umgang mit Auffälligkeiten. Nicht jeder einzelne Messwert außerhalb eines Schwellenbereichs führe unmittelbar zu einem Alarm. Erst wenn Abweichungen über einen längeren Zeitraum bestehen, sich ein Trend erkennen lässt und mehrere Sensoren betroffen sind, werde eine Warnung ausgelöst. 

Der Vorteil: Veränderungen können früh erkannt werden. Bauwerksprüfer erhalten Hinweise darauf, an welchen Stellen sie genauer hinschauen sollten; Prüfingenieurinnen und Prüfingenieure können bei ihrer Bewertung auf zusätzliche reale Zustands- und Belastungsdaten zurückgreifen. Auch die Priorisierung von Ersatzneubauten soll dadurch besser fundiert werden. Hinzu kommt die Möglichkeit, Daten mehrerer Bauwerke miteinander zu vergleichen und so Erkenntnisse über ganze Gruppen ähnlicher Konstruktionen zu gewinnen. Fischer stellte zugleich klar: Das Monitoring ersetzt die klassische Bauwerksprüfung nicht. Sensorik und KI liefern zusätzliche Informationen, die ingenieurmäßige Bewertung bleibt erforderlich. 

Ein digitales Modell für eine Brücke von 1968

Wie eng Bestandsaufnahme, BIM und Monitoring miteinander verbunden werden können, zeigte anschließend Dr.-Ing. Otto Wurzer, Geschäftsführer von WTM Engineers, am Beispiel der Donaubrücke Donauwörth.

Das rund 200 Meter lange Spannbetonbauwerk wurde 1968 errichtet und führt die B2 über die Donau. Eine Nachrechnung hatte verschiedene Defizite aufgezeigt. Statt die Brücke zu ersetzen, wurde jedoch ein umfangreiches Ertüchtigungskonzept entwickelt. Vorgesehen sind unter anderem zusätzliche externe Spannglieder, weitere Bewehrungsverstärkungen sowie der Einsatz von Carbonbeton. 

Gerade bei einem solchen Eingriff genügt es nicht, lediglich die äußere Geometrie des Bauwerks zu kennen. Für Bohrungen und Verankerungen muss möglichst genau feststehen, wo sich vorhandene Spannglieder und andere Bauteile im Inneren befinden. Dafür wurde zunächst die Geometrie der Brücke mit 3D-Scans erfasst. Zusätzlich kamen zerstörungsfreie Prüfverfahren zum Einsatz, mit denen Lage und Verlauf der vorhandenen Spannglieder untersucht wurden. Die Ergebnisse wurden mit den historischen Bestandsunterlagen kombiniert. Daraus entstand ein ausreichend maßgenaues digitales As-Built-Modell des bestehenden Bauwerks. 

Damit wird BIM unmittelbar zum Werkzeug für die Ausführung: Aus dem Modell lassen sich unter anderem Bohrkorridore ableiten, um neue Bauteile einzubringen, ohne bestehende Spannglieder zu treffen. Auch nach Abschluss der Ertüchtigung soll die Digitalisierung weiter genutzt werden. Die Donaubrücke soll bereits vor Beginn der Maßnahmen mit Sensorik ausgestattet und anschließend bis zum Ende ihrer geplanten Lebensdauer kontinuierlich überwacht werden. So lässt sich nicht nur das Verhalten des Bauwerks beobachten, sondern auch überprüfen, wie wirksam die Verstärkungsmaßnahmen sind und wie sich neue Materialien wie Carbonbeton langfristig verhalten. Welchen Nutzen eine solche Ertüchtigung haben kann, verdeutlichte Wurzer in der anschließenden Diskussion: Unter den für das konkrete Bauwerk angenommenen Randbedingungen hält er eine zusätzliche Nutzungsdauer von mindestens 25 bis 30 Jahren für realistisch. 

Neue Werkzeuge – Verantwortung bleibt beim Menschen

In der von Markus Kramer moderierten abschließenden Diskussion weitete sich der Blick noch einmal über die konkreten Projekte hinaus. Im Mittelpunkt stand dabei unter anderem die Frage, was der zunehmende Einsatz digitaler Werkzeuge für das Berufsbild und die Ausbildung von Ingenieurinnen und Ingenieuren bedeutet. 

Fischer betonte, dass auch künftige Generationen ein grundlegendes Verständnis dafür benötigen, wie Kräfte in einem Tragwerk wirken. Digitale Werkzeuge könnten diese Grundlagen nicht ersetzen. Gleichzeitig seien gerade jüngere Ingenieurinnen und Ingenieure häufig besonders selbstverständlich im Umgang mit neuen Technologien. Die besten Lösungen entstünden deshalb in Teams, in denen Erfahrung und neues digitales Know-how zusammenkommen. 

Wurzer sah einen weiteren Vorteil darin, Routine- und Standardaufgaben stärker zu automatisieren. Dadurch könne wieder mehr Zeit für die eigentlichen Kernaufgaben des Bauingenieurwesens entstehen: für Kreativität, Konstruktion und hochwertige technische Lösungen.

Bei aller technologischen Entwicklung blieb eine Botschaft des Abends jedoch eindeutig: Sensoren können Daten liefern, Algorithmen Muster erkennen und digitale Modelle Entscheidungen besser vorbereiten. Die fachliche Bewertung und die Verantwortung dafür bleiben bei den Ingenieurinnen und Ingenieuren. Diesen Punkt hatte Kammerpräsident Heinrich Bökamp bereits in seinem Auftakt hervorgehoben und er zog sich bis in die abschließende Diskussion durch die Veranstaltung.