Mit 51‘638 km Gemeindestrassen, 18‘027 km Kantonsstrassen und 1‘799 km Autobahnen ist das Schweizer Strassennetz ist eines der dichtesten Strassennetze weltweit.
Damit das dichte Netz auch weiterhin gut funktioniert ist ein guter Unterhalt wichtig. In den nächsten fünf Jahren werden z. B. im Kanton Zürich 310 km Kantonstrassen saniert. In den nächsten zehn Jahren ist es das Doppelte.
Im Kanton Bern werden in diesem Zeitraum rund 420 Kilometer Strasse saniert.
• Sie erfahren, wie Sie in der Strassensanierung und Brückensanierung
• optimierte Planungsgrundlagen erhalten,
• die Qualität und Arbeitsabläufe in der Ausführungsphase verbessern,
• Kosten, Zeit und Ressourcen im Gesamtprojekt sparen.
Optimierte Planungsgrundlagen zur Strassensanierung 1 2 2015 VSS terra vermessungen ag
1. Optimierte Planungsunterlagen zur Strassensanierung
Wie trägt mobile Vermessung zu
einer hochwertigen und kosten
reduzierten Belagssanierung bei?
Mobile Vermessung trägt dazu bei, Belagssanierungen effizient und hochwertig auszuführen
und gleichzeitig Kosten und Zeitbedarf zu senken. Anhand eines Beispiels aus der Praxis
wird aufgezeigt, wie Strassenbelag in Zukunft dank mobil erfassten Daten in kurzer Zeit
ausgetauscht werden kann. Ein Ausblick macht deutlich, welches Potenzial die Kombination
mobiler Vermessungsverfahren mit automatischer Maschinensteuerung aufweist.
Belagssanierungen sind
ein Gebot der Verkehrs
sicherheit. Das Schweizer
Strassennetz ist eines der
dichtesten Strassennetze
weltweit. Die Anforderun
gen an die Qualität von
Belag und Strassenkör
per sind in der Schweiz
besonders hoch – einer
seits aufgrund der hohen
Verkehrsdichte, anderer
seits aufgrund grosser
Temperaturschwankun
gen. Demzufolge nutzen sich Strassenbeläge heute stärker
ab als vor zehn Jahren und verursachen so einen hohen Sa
nierungsbedarf. Gemäss dem Fachverband Infra müssen in
den nächsten zehn Jahren z. B. im Kanton Zürich 620 km
Kantonsstrassen saniert werden.
Anforderungen an eine
optimierte Strassensanierung
Zunehmender Kostendruck zwingt alle Verantwortlichen
dazu, Belagssanierungen effizienter und kostengünstiger
durchzuführen. Strassensperrungen sollten vermieden oder
reduziert werden. Somit muss der Strassenbelag in immer
kürzeren Zeitspannen ausgetauscht werden.
Oft ist der aktuelle Zustand des Strassenaufbaus, der
Asphaltmächtigkeit und der Strassenoberfläche heute nicht
ausreichend dokumentiert. Aufgrund vorhergehender Sanie
rungsarbeiten darf nicht von einem homogenen Strassenauf
bau ausgegangen werden.
Für eine zeit- und kostenoptimierte Belagssanierung sind
folgende Geoinformationen erforderlich:
• Geländemodelle der Asphaltoberkante, resp. Strassen
oberfläche;
DE
VON
GABRIELE KADNER
Dipl.-Geologin,
Key Account Manager
terra vermessungen ag
VON
SIMON RICKENBACHER
Dipl.-Ingenieur,
Abteilungsleiter
Mobile Vermessung
terra vermessungen ag
• Dicke der Asphalt
schicht;
• Strassenaufbau;
• Lage der Armierung
bei Brücken, Kunst
bauten oder Beton
platten;
• Überdeckung der
Armierung.
Als solide Planungsgrund
lage sind 3D-Modelle,
Schnitte und Pläne erfor
derlich, die die Asphalt
mächtigkeit, Schichtgrenzen sowie Geometrie von Strassen
und Brücken aufzeigen.
Das Baumaterial und das zu entsorgende Material sollen
möglichst reduziert und optimiert werden. Gleichzeitig dür
fen bei der Ausführung der Sanierung keine Kompromisse
eingegangen und müssen hohe Qualitätsstandards für Natio
nal- und Kantonsstrassen erfüllt werden.
Ein weiterer Aspekt sind Sicherheitsanforderungen auf den
Baustellen. Der Einsatz mobiler Messverfahren und auto
matischer Lösungen, wie z. B. automatisch gesteuerter Bau
maschinen, reduziert den Aufwand bei Aufnahmen und Ab
steckungen, die Anzahl der Arbeitsschritte und folglich den
Personaleinsatz auf der Baustelle.
Messverfahren der
mobilen Vermessung
Die Verfahren der mobilen Datenerfassung können in zwei
Kategorien eingeteilt werden, solche die das Bauwerk von
aussen betrachten, z. B. 3D-Laserscanning und foto-optische
Verfahren, und jene, die in das Bauwerk hineinschauen, z. B.
Georadarmessungen. In Kombination liefern diese Messver
fahren ein ganzheitliches Bild des Bauwerks hinsichtlich sei
ner Geometrie und relevanten Eigenschaften.
VON
CHRISTIAN MEYER
Dipl.-Ingenieur,
Abteilungsleiter Monitoring
terra vermessungen ag
VON DR.
ELMAR STROBACH
MSc Geophysik
terra vermessungen ag
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES 43
2. 1 | Mobile Mapping mit 3D-Laserscanning, 1. Schritt: Punktwolke.
1 | Mapping mobile avec balayage laser 3D, 1ère étape: nuage de points.
2 | Mobiles 3D-Laserscanning, Resultat: Dreiecksvermaschung.
2 | Balayage laser 3D mobile, résultat: maillage triangulaire.
3 | Mobiles 3D-Laserscanning, Resultat: Bruchkanten.
3 | Balayage laser 3D mobile, résultat: lignes de rupture.
4 | 3D-Modell basierend auf mobilem 3D-Laserscanning.
4 | Modèle 3D basé sur le balayage laser 3D mobile.
Mobile Vermessung: 3D-Laserscanning
Bei der mobilen Vermessung erfolgt die Aufnahme der Um
gebung mit hochauflösenden 3D-Laserscannern, die alle
sichtbaren Objekte im Strassenraum dreidimensional er
fassen. Als Resultat liegt eine detaillierte dreidimensionale
Punktwolke in Landeskoordinaten vor, aus der 3D-Modelle,
Pläne und Schnitte erzeugt werden können.
Mobile Mapping mit 3D-Laserscanning erreicht eine höhere
Genauigkeit als bildbasierte Methoden. Aus diesem Grund
wird Mobile Mapping mit 3D-Laserscanning bevorzugt ein
gesetzt, wenn mit mobiler Vermessung auf Strassen und
Brücken genaue, geometrische Daten für Planungsunter
lagen erfasst werden müssen.
Die gewünschte bzw. benötigte räumliche Auflösung und die
Messgenauigkeit beeinflussen den Zeitbedarf für Messun
gen und Auswertungen, daher ist eine gute Bedarfsanalyse
wichtig. Die Georeferenzierung der Messungen erfolgt in der
Regel per GPS und Inertialsystem. Dank der Positionierung
mittels Tachymeter können mit mobilem Laserscanning z. B.
auch im Tunnel gemessen und absolute Genauigkeiten von
1 cm erreicht werden. Die relativen Genauigkeiten, z. B.
innerhalb eines Profils, liegen bei wenigen Millimetern.
Georadarmessungen –
zerstörungsfreie Messmethoden
Georadarmessungen sind als zerstörungsfreie Methoden zur
Erkundung des Strassenaufbaus und von Kunstbauten gut
geeignet. Das Georadar sendet einen elektromagnetischen
Impuls, der aufgrund seiner vergleichsweise niedrigen Fre
quenz in den Untergrund bzw. das Bauwerk eindringt und
an Grenzschichten, Armierungseisen oder Ähnlichem re
flektiert wird. Diese Reflektionen werden von der Empfangs
antenne in regelmässigem Abstand aufgezeichnet und in
einem Radargramm grafisch dargestellt.
Die Wahl der Messfrequenz beeinflusst die Auflösung und
Eindringtiefe des Signals. Um den oberflächennahen Stras
senaufbau zu charakterisieren, z. B. Asphaltdicken oder die
Armierungsüberdeckung bei Brückenplatten, werden Mess
frequenzen im GHz-Bereich verwendet. Für die Erkundung
des tieferen Strassenaufbaus sind Frequenzen zwischen 400
und 1000 MHz geeignet.
Georadarmessungen unterscheiden sich bezüglich der Ge
nauigkeit und Datenauswertung von der oben beschriebenen
mobilen Vermessung mit Laserscanning. Georadarmessun
gen erreichen Genauigkeiten von ±10 % der Eindringtiefe
oder besser. Bei geringen Asphaltdicken sind Genauigkeiten
von 0,5 cm bis 1 cm üblich.
Vor jeder Messung wird anhand der vorhandenen Informa
tion geklärt, ob der Georadareinsatz sinnvoll und machbar
ist. Randbedingungen, wie z. B. Betonplatten, die mit einer
Aluminiumschicht abgedichtet sind, führen dazu, dass das
Georadarsignal fast vollständig von der Folie reflektiert
wird und somit ausschliesslich der Bereich oberhalb dieser
Schicht beurteilt werden kann.
Die Witterung beeinflusst Georadaruntersuchung ebenfalls.
Feuchte, mit Salz gestreute Strassen können in der Regel mit
tels Georadar nicht gemessen werden.
Synergieeffekte und Sparpotenzial dank
kombinierten, mobilen Vermessungsverfahren
Zur Beschaffung aktueller Planungsgrundlagen bei Strassen
bauprojekten wird Mobile Mapping mit 3D-Laserscanning
heute bereits oft eingesetzt. Eine konsequente Verknüpfung
aller Arbeitsschritte, von der ersten Datenerfassung mit mo
bilen Vermessungsmethoden bis hin zur automatischen Bau
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES44
STRASSEUNDVERKEHRNR.1-2,JANUAR-FEBRUAR2015
ROUTEETTRAFICNo
1-2,JANVIER-FÉVRIER2015
3. 5 | Messaufbau Georadar.
5 | Le system géoradar.
Comment la mesure mobile contribue-t-elle à un assainissement de grande qualité du revêtement routier?
La mesure mobile contribue à mettre en œuvre un assainisse-
ment efficace et de qualité du revêtement routier, tout en ré-
duisant les coûts et le temps requis. Sur la base d’un exemple
pratique, nous vous montrons comment le revêtement routier
pourra à l’avenir être rapidement remplacé grâce aux données
collectées en mobilité. Un aperçu prospectif met en évidence le
potentiel que recèle l’association entre les procédés de mesure
mobile et la commande automatisée des machines.
FR
maschinensteuerung für das Fräsen des Belags bzw. für den
Einbau eines neuen Strassenbelags mit 3D-Fertigern ist im
Strassenbau noch Neuland.
Mit Mobile Mapping wird die Geometrie der Strassenober
fläche mittels 3D-Laserscanning erfasst. Georadarmessun
gen erkunden den Strassenaufbau zerstörungsfrei. Eine
kombinierte Datenauswertung liefert 3D-Modelle auf deren
Basis verbesserte Längs- und Querprofile und somit ebenere
Strassen erstellt werden können. Entlang dieser Profile kann
der Belag mit einer automatisch gesteuerten 3D-Belagsfräse
entfernt werden oder der Asphalt mittels 3D-Fertigern ein
gebaut werden.
Aus einer Hand optimierte
Planungsgrundlagen
Kombinierte, mobile Vermessung liefert für Strassen- und
Brückensanierungen aus einer Hand optimierte Planungs
grundlagen. Vor Baubeginn werden die Geometrie der Stras
senoberflächen, die Asphaltdicke, die Lage der Armierung
sowie die Überdeckung der Armierung flächendeckend und
dreidimensional erfasst. Der Auftraggeber erhält ein flächen
haftes Geländemodell der Belagsoberfläche, die Schicht
stärken des Oberbaus werden zerstörungsfrei ermittelt und
somit 3D-Daten für das Deckenbuch geliefert.
Die so erzeugten optimierten Planungsgrundlagen tragen
dazu bei, dass bei Belagssanierungen die Anzahl der Arbeits
schritte reduziert werden kann. Durch das Fräsen des Belags
mit automatisch gesteuerten 3D-Fräsen können bis zu 80 %
der Absteckungskosten eingespart werden. Ein optimiertes
Fräsen des Belags kann z. B. entlang einer Materialgrenze er
folgen und somit die Materialmengen für den Neubau und die
Entsorgung verringern. Der Belag wird ressourcenschonend
saniert, und es werden Entsorgungs- bzw. Recyclingkosten
gespart.
Beim Einbau des neuen Strassenbelags mittels 3D-Fertigern
tragen 3D-Planungsdaten ebenfalls dazu bei, einen grossen
Teil der Absteckungskosten einzusparen. Aufgrund kom
binierter mobiler 3D-Datenerfassung wird die Qualität des
neuen Strassenbelags verbessert. Arbeitsabläufe in der Aus
führungsphase werden optimiert. Kosten, Zeit, Strassensper
rungen und Ressourcen im Gesamtprojekt werden reduziert.
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES 45
4. Aktuelles Projektbeispiel:
Strassensanierung einer Nationalstrasse
Aufgabenstellung
Die Belagsschicht muss auf einer Länge von 15 Kilometern
saniert werden. Der Auftraggeber möchte eine automatisch
gesteuerte Asphaltfräse einsetzen. Der Unterbau der Strasse
besteht aus einzelnen armierten Betonplatten von ca. 10 m
Länge. Die Betonplatten liegen zum Teil schräg, die daraus
resultierende Asphaltüberdeckung ist somit in der Lage und
Höhe unregelmässig. Die Asphaltschicht muss vollständig
entfernt werden, gleichzeitig darf nicht in die darunterlie
genden Betonplatten und ihre Armierung gefräst werden.
Für die automatische Steuerung der Asphaltfräse, mit der die
Unterkante des Asphalts gefräst werden soll, müssen vor den
Ausführungsarbeiten Angaben zur Mächtigkeit der Asphalt
deckschicht ermittelt werden. Die Fräse soll automatisch in
3D gesteuert werden, sodass der Asphalt restlos und möglichst
zielgenau entfernt wird. Weiterhin sollen aus den 3D-Daten
Informationen für das Deckenbuch gewonnen werden und
Massenberechnungen, wie die zu entsorgende Asphaltmenge
und der Bedarf an neuem Baumaterial, ermittelt werden.
Vorspannkabel
Armierungseisen
UK Asphalt
441.8442.0
442.2
Rechtswert [m]
Hochwert[m]
0.05 0.075 0.1 0.125 0.15
Asphaltmächtigkeit [cm]
Dilatationsfuge
Dilatationsfuge
Brückenplattenkoten
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
1
2
3
4
020406080
6 | Detailaufnahme Brücke mit bodengekoppeltem Georadar (2.3 GHz). Lage von UK Asphalt, Armierungseisen und Vorspannkabel ermitteln.
6 | Vue détaillée d’un pont avec un géoradar couplé au sol (2,3 GHz). Déterminer la position de l’asphalte UK, des fers d’armature et des câbles de précontrainte.
7 | Flächenhafte Erkundung mittels Georadar, geschlossene Oberfläche nach Interpolation der einzelnen Messprofile, hier Oberkante Brückenplatte (Betonplatte) als
Höhenisolinienplan mit farbiger Unterlegung der entsprechenden Asphaltmächtigkeit.
7 | Reconnaissance spatiale par géoradar, surface fermée après interpolation des différents profils de mesure, ici bord supérieur de tablier (plaque de béton) sous
forme de plan des courbes de niveau, avec coloration des différentes épaisseurs d’asphalte.
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES46
STRASSEUNDVERKEHRNR.1-2,JANUAR-FEBRUAR2015
ROUTEETTRAFICNo
1-2,JANVIER-FÉVRIER2015
5. Messtechnische Lösung
mittels mobiler Vermessung
Für dieses Projekt wird die absolute Lage der Oberkante der
Betonplatten benötigt. Eine Kombination aus Mobile Map
ping, also mobiler Vermessung mit 3D-Laserscanning, und
Georadarmessungen ist für diese Aufgabe geeignet, weil die
kombinierte Methode die hohen Anforderungen an die Ge
nauigkeit und Auflösung der Daten erfüllt.
Aus der resultierenden 3D-Punktwolke wurde für diesen
Strassenabschnitt zunächst ein Oberflächenmodell der aktu
ellen Strassenoberkante erstellt. Die Asphaltdicke wurde mit
Georadarmessungen bestimmt.
Für diese zweispurige Nationalstrasse wurden insgesamt
drei Messfahrten mit jeweils zwei Messprofilen im laufen
den Verkehr gemessen. Hieraus ergeben sich flächenhafte
Messdaten mit einer Auflösung von ca. 10 cm in Fahrtrich
tung und 1–1,5 m senkrecht zur Fahrtrichtung, mit der die
Lage und Orientierung der Betonplatten ausreichend genau
bestimmt werden konnte.
Die Höhe der Oberkante der Betonplatten ergibt sich nun
aus der Differenz der Asphaltoberkante des 3D-Oberflächen
modells und der aus den Georadardaten ermittelten Asphalt
dicke.
Automatische Maschinensteuerung
und Ressourcenplanung mittels 3D-Daten
Vor dem Bauprozess wurden die Daten bereits zur optimierten
Planung der benötigten Baustellenressourcen herangezogen.
Zum Beispiel erlauben Volumenberechnungen eine Planung der
benötigten Transporteinsätze zum Abtransport des anfallenden
Asphaltabraums sowie die Mengen des benötigten Asphalts zum
Einbau. Dank den kombinierten 3D-Daten kann die obere As
phaltschicht mit einer automatisch gesteuerten 3D-Fräse genau
entfernt werden. Anschliessend bilden die 3D-Daten wiederum
die Basis für den Einbau des Belags mittels 3D-Fertiger.
Ausblick
Aktuell werden Strassen oft noch mit altbekannten Arbeitsab
läufen gebaut. Ein deutlicher Trend zur Prozessoptimierung
im Strassenbau ist nur mit moderner Datenerfassung,
Datennutzung und Archivierung machbar. Genauso wie BIM
Building Information Modeling zurzeit im Hochbau eine
neue Ära mit optimierten Arbeitsprozessen einläutet, kann
die Verknüpfung mobiler Technologien in der Vermessung
und Maschinensteuerung in Zukunft im Strassenbau einen
neuen Weg bereiten.
8 | 3D-Fertiger für den Belagseinbau.
8 | Finisseur 3D pour la pose de revêtement.
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES 47