Autobahnen erfordern kontinuierliche Investitionen in Instandhaltung und Betrieb. Dabei ist die Leistungs- und Kostenoptimierung bei der ganzheitlichen Betrachtung derartiger Verkehrsinfrastrukturen schwierig. Automatisiertes Digital Asset Management auf Basis eines Digital Twins bietet hier wertvolle Hilfe: Es schafft Transparenz und unterstützt strategisch relevante Entscheidungen auf Basis von raumbezogenen, betriebswirtschaftlichen und Instandhaltungsdaten.
Im Rahmen der Projektgesellschaft ViA6West ist HOCHTIEF am Ausbau, der Erhaltung und dem Betrieb eines 47,2 km langen Teilstücks der Bundesautobahn A6 in Süddeutschland bei Heilbronn beteiligt. In einer mehrjährigen Planungs- und Bauphase erfolgt neben dem sechs-streifigen Ausbau auf einer Länge von 25,5 km unter anderem der Neubau des 1,3 km langen Neckartalübergangs sowie 36 weiterer Brücken und 13 km Lärmschutzwänden.
Über eine gesamte Projektlaufzeit von 30 Jahren werden die Erhaltungs- und Betriebsleistungen jedoch nicht nur für die neu errichteten Abschnitte und Bauwerke, sondern auch für einen vergleichbar großen Umfang an Bestandsbauwerken und Bestandsabschnitten erbracht. Die Komplexität solcher Großprojekte wird durch den Einsatz eines Digital Twins auf Basis eines Geoinformationssystems (GIS) und objektorientiertem Building Information Modeling (BIM) effizient gemanagt.
Digital Asset Management von Autobahninfrastruktur mit dem Digital Twin
Betreibermodelle der Verkehrsinfrastruktur wie das A6-Projekt sind aufgrund des Umfangs und der langen Projektlaufzeit prädestiniert für den Einsatz eines Digitalen Zwillings. In der 30-jährigen Projektlaufzeit spielt der Digitale Zwilling eine Schlüsselrolle, um den enormen Datenfluss aller Projektphasen zu managen sowie Informationen zielgerichtet und effizient zu extrahieren. Die Informationen am Digital Twin bieten somit eine wichtige Grundlage in Entscheidungsprozessen wie auch für das Berichtswesen.
Bereits vor 10 Jahren startete HOCHTIEF PPP Solutions in partnerschaftlicher Zusammenarbeit mit HOCHTIEF ViCon die Entwicklung eines Digital Twins zum Asset Management von PPP-Projekten (Public Private Partnership) der Autobahninfrastruktur als P3IM System (PPP Information Management).
Die Motivation umfasst:
- Arbeitserleichterung bei der Datenerfassung,
- Verbesserung der Prozesssicherheit,
- Erhöhung der Transparenz in Daten und Zusammenarbeit,
- zentrale Visualisierung von Informationen aus verschiedenen Expertensystemen,
- effizientere Datenanalyse durch Dashboards und Modellanalyse sowie
- Risikominimierung im Projektablauf.
GIS und BIM: ein perfektes Paar
Durch die Kombination von GIS und BIM entstehen leistungsstarke Synergien: Das georeferenzierte GIS sorgt für eine genaue Verortung der Elemente, während die objektbasierte Project Data Structure (PDS) eine detaillierte Abbildung von Teilsystemen und Objekten ermöglicht. Informationen lassen sich für jedes Teilsystem oder Objekt hinterlegen. Großer Mehrwert entsteht durch die Anreicherung von BIM und GIS mit weiteren semantischen Daten aus den Geschäftsprozessen unterschiedlicher Use Cases. Die PDS steht im Mittelpunkt vernetzter Daten zur Analyse und Visualisierung in BIM und GIS über ein Portfolio an Bauwerken und Streckendaten. Beispielsweise ermöglicht die PDS den Bezug zwischen den Fälligkeiten nächster Prüfungen aus hinterlegten Prüfungszyklen, den Bewertungen vorausgegangener Prüfungen und den Auffälligkeiten aus zusätzlichen Inspektionen. Das schafft Transparenz und gibt Aufschluss über zukünftig notwendige Erhaltungsmaßnahmen sowie deren Auswirkungen auf die Ökobilanzierung.
Das System Autobahn besteht aus verschiedenen Teilsystemen wie Fahrbahn, Entwässerung und Ausstattung, Anschlussstellen, Rastanlagen, Regenwasseranlagen sowie Ingenieurbauwerken wie Brücken, Tunnel, Schutz- und Stützwände.
Jedem Teilsystem sind projektbezogen die jeweiligen Standorte mit Namen und Verortung zugewiesen. Auch besitzt jedes Teilsystem in der weiteren Detaillierung eine Objektstruktur an Bauteilen. So detailliert sich das Teilsystem Brücke weiter in Objekte wie Widerlager, Brückenüberbau, bei einigen auch in Brückenpfeiler u.v.m.
Anwendungsfälle und Prozesse im Digitalen Zwilling
Verschiedene Use Cases sind eng mit den Arbeitsprozessen verknüpft und werden als User Stories entwickelt. Dazu zählen beispielsweise:
- mobile Zustandserfassungen zum Mängelmanagement, zur Beobachtung von Ingenieurbauwerken oder zur Wartung von Regenwasseranlagen,
- tägliche betriebliche Streckenkontrolle,
- Unfallmanagement von der Unfallaufnahme, Dokumentation erbrachter Leistungen bis hin zur Abrechnung,
- Analyse und Ableitung von Erhaltungsmaßnahmen aus Inspektionsdaten sowie
- Kontrolle des Baufortschritts anhand der Terminplanung.
Dabei ist die fortwährende strukturierte Aufnahme von Daten über das Gesamtprojekt durch digitale Tools wie Apps oder mobile Formulare ein erster wichtiger Schritt der Digitalisierung im Asset Management.
Zusätzlich unterstützen Apps des digitalen Projektmanagements die transparente Zusammenarbeit in standardisierten Geschäftsprozessen in Betrieb und Erhaltung. So werden betriebliche Arbeitsaufträge basierend auf regulär planbaren Leistungen wie auch spontanen Ereignissen formuliert, geplant und deren Ausführung dokumentiert.
Nach Regelwerk durchzuführende Funktionskontrollen sowie Erhaltungsmaßnahmen werden in den Prozessschritten eines klassischen Projektmanagements vorbereitet, geplant, ausgeschrieben und vergeben, ausgeführt und schlussendlich dokumentiert. In jedem Prozessschritt können Aufgaben formuliert und an Verantwortliche mit Terminvorgaben zugewiesen werden. Erste Analysen unterstützt die App, weitere der Digital Twin. Das schafft Überblick und Prozesssicherheit.
Vernetzung schafft fundiertes Wissen
Wissen entsteht durch die Vernetzung von Informationen. Einen wichtigen Beitrag leistet der Digital Twin in der Analyse von Use Case bezogenen wie auch Use Case übergreifenden Daten und deren Visualisierung in BIM und GIS.
Dabei unterstützt die Gliederung der Use Cases nach Kategorien:
- Datenaufnahme mit digitalen Prozessen zur Fortschreibung und Vervollständigung von Informationen
- Digitales Projektmanagement für anstehende Aufgaben und Erfüllung des Leistungssolls in der Projektabwicklung
- Abgleich von Soll- und Ist-Daten in der Bewertung des Status Quo und Prognose zum Projektende
Hierdurch wird eine optimierte Planung und Durchführung von Maßnahmen unterstützt. Das sorgt wiederum für mehr Planungs- und Budgetsicherheit.
Herausforderungen und technische Lösungen
Die Implementierung eines Digital Twins bringt einige Herausforderungen mit sich. Dazu zählen die Harmonisierung unterschiedlicher Datenstrukturen oder die Abstimmung von BIM-Modellen je nach Projektphase und Zielsetzung. Viele der Hürden lassen sich jedoch durch eine kooperative Zusammenarbeit mit allen Beteiligten und mit pragmatischen Ansätzen nehmen.
Technische Plattformen zum Informationsmanagement, zur Analyse und Visualisierung wie ArcGIS von Esri und das 3D Building Information System (3D-BIS) von HOCHTIEF ViCon spielen dabei eine entscheidende Rolle. Hier können Daten und BIM-Modelle aus anderen Autorensystemen eingebunden werden und mit Bezug auf ihre Georeferenzierung und PDS analysiert sowie visualisiert werden.
Die Microsoft Power Platform ist dabei eine wichtige Ergänzung für die mobile Datenerfassung, die Umsetzung digitaler Prozesse und die Entwicklung eines digitalen Projektmanagements mit automatisierten Workflows in den Apps und weiteren datenbasierten Analysen.
Aktuelle Weiterentwicklungen und zukünftige Synergien
Die Bedeutung der Ökobilanzierung bei PPP-Projekten wächst, besonders im Hinblick auf den CO2-Fußabdruck geplanter und ausgeführter Bau- und Erhaltungsmaßnahmen. Im ViA6West-Projektteam wird die Ökobilanzierung der Strecke bereits als Use Case am Digital Twin genutzt. Geplante und ausgeführte Asphaltmengen werden dabei in Kubikmetern und CO2-Äquivalenten erfasst. Diese Werte werden über die Erhaltungszyklen der Projektlaufzeit hinweg gegenübergestellt und grafisch am Streckenband sowie am Modell ausgewertet.
Die Auswertungen am Digital Twin unterstützen darüber hinaus das Berichtswesen und den kontinuierlichen Verbesserungsprozess einer nachhaltigen Leistungserbringung. Für den Ingenieurbau befindet sich der Use Case Ökobilanzierung gerade in der Entwicklung.
Eine leistungsstarke Interaktion der technischen Plattformen von Esri (ArcGIS) und Microsoft (Microsoft Power Platform mit Power Apps, Power BI sowie SharePoint zur Datenspeicherung) eröffnet neue Möglichkeiten der interaktiven Zusammenarbeit. Sowohl bei der Datenaufnahme vor Ort als auch in den Abstimmungen mit weiteren Beteiligten in Planung und Ausführung. Zudem schafft die Interaktion weitreichende Funktionen in der georeferenzierten Analyse und Visualisierung. Erste Umsetzungen waren bereits erfolgreich und eröffnen neues Potential zur weiteren digitalen Unterstützung der Projekte.
Aktuell wird mit ArcGIS Image Analyst und den vortrainierten Deep Learning Modellen des ArcGIS Living Atlas untersucht, wie KI bei der Informationserhebung aus Bilddaten über den Projektlebenszyklus unterstützen kann. Im Vordergrund stehen hierbei
- Mengenermittlung zur Kalkulation,
- Schadenserkennung, Bewertung und Ableiten von Maßnahmen sowie
- Umgang mit Pflegeflächen, wie Gehölz- und Grünflächen, im betrieblichen Ablauf und der Ökobilanzierung.
Zukünftig ist geplant, auch Daten aus kaufmännischen Prozessen einzubeziehen, um die Wertschöpfungskette abzurunden. Hier ist die Schnittstelle der technischen Plattformen ArcGIS und S4HANA von SAP vielversprechend.
Die Übertragbarkeit der entwickelten Lösungen und digitalen Arbeitsweisen auf andere Geschäftsfelder ist sehr groß, so dass Synergien bei anstehenden Neuentwicklungen zum Digital Twin Energie & Digitales erwartet werden können.
Fazit: Kulturwandel und Change Management
Ein Digital Twin ist ein digitales Abbild des realen Projekts, das mit einer Vielzahl von Datenquellen verknüpft ist. Dazu gehören mobile, georeferenzierte Datenaufnahmen, Prozessdaten sowie relevante Daten aus Expertensystemen. Durch die Kombination von Building Information Modeling (BIM) und Geoinformationssystemen (GIS) spielt neben der räumlichen Verortung auch der Bezug zu einer Projekt Data Structure (PDS) eine wichtige Rolle. Diese Verbindung ermöglicht gezielte Analysen des verlinkten Datenbestands. Dadurch vergrößert sich das Analysepotential über den gesamten verlinkten Datenbestand des Gesamtprojekts.
Gleichzeitig nehmen die Informationen am Digital Twin mit Fortschreiten des realen Projekts sukzessive zu. Die Entwicklung und der Umgang mit einem Digital Twin erfordern entsprechendes Fachwissen und Erfahrung sowie die Offenheit, gewohnte Arbeitsabläufe unter Nutzung neuer Technologien anders zu gestalten.
Doch der Digital Twin ist mehr als ein technisches Tool. Er repräsentiert einen umfassenden Wandel hin zu digitalisierten Prozessen und transparenter Zusammenarbeit. Durch die Verknüpfung verschiedenster Daten entsteht Wissen, das Vertrauen schafft und die Basis für fundierte Entscheidungen bildet.
Über HOCHTIEF und HOCHTIEF PPP Solutions
HOCHTIEF ist ein technisch ausgerichteter, globaler Infrastrukturkonzern, der innovative Lösungen in all seinen Geschäftsfeldern entwickelt. Zur Realisierung von Großprojekten bietet HOCHTIEF Lösungen auf allen Stufen der Wertschöpfungskette über den gesamten Lebenszyklus seiner Projekte. Darüber hinaus baut das Unternehmen seine Präsenz bei Infrastrukturprojekten der nächsten Generation wie Digital & Tech, Energiewende und nachhaltige Mobilität aus.
HOCHTIEF PPP Solutions entwickelt und realisiert Konzessions- und Betreiberprojekte in den Geschäftsfeldern Straßen und Soziale Infrastruktur, Energie und Digitales. Das Unternehmen bietet Partnern der öffentlichen Hand innovative, integrierte und nachhaltige Lösungen entlang des gesamten Lebenszyklus von Infrastrukturprojekten.
🏆 Prämiert in der Kategorie Asset Management
Mit dem PPP-Projekt BAB A6 wurden die Entwicklungen als Ergebnis der Zusammenarbeit von HOCHTIEF PPP Solutions und HOCHTIEF ViCon in der Kategorie Asset Management sowohl von buildingSMART Deutschland in 2022 mit dem BIM Champion wie auch von buildingSMART international in 2023 mit dem openBIM Award ausgezeichnet.
