KI in Geotechnik und Baugrundanalyse: Den Untergrund verstehen und Gründungen gezielter planen

Für den Bauherrn geht es um Aufwand, Termine und eine geeignete Gründung. Die Geotechnikerin muss verstehen, wie der Untergrund aufgebaut ist und wie er sich unter Belastung verhält. Der Tragwerksplaner benötigt daraus Größen und Randbedingungen, mit denen er das Bauwerk bearbeiten kann. Diese Perspektiven greifen ineinander: Eine geänderte Stützenstellung kann andere Bodenbereiche beanspruchen; eine neue Untersuchung kann eine bislang ungünstig eingeschätzte Gründungsvariante wieder interessant machen.

Für diese Fachaufgaben kommen unterschiedliche KI-Verfahren infrage. Ein Klassifikationsmodell ordnet Abschnitte einer Drucksondierung nach ihrem gemessenen Bodenverhalten. Ein räumliches Prognosemodell untersucht mögliche Schichtverläufe zwischen den Aufschlüssen. Ein gelerntes Ersatzmodell nähert aus Berechnungen oder Versuchen abgeleitete Zusammenhänge an, beispielsweise das Tragverhalten einer Gründung unter veränderten Bedingungen. Die geotechnische Fachplanung verwendet diese Ausgaben jeweils anders: als Vorschlag für die Bodeninterpretation, als räumliche Planungsgrundlage oder für einen Variantenvergleich.

Damit wird auch die Abgrenzung zur frühen Standortanalyse deutlich. Dort interessiert beispielsweise, welche Flächen grundsätzlich geeignet erscheinen. Die Geotechnik vertieft den konkreten Untergrund eines Vorhabens: Welche Schichten tragen? Wo sind unterschiedliche Verformungen zu erwarten? Was sollte als Nächstes untersucht werden? Je näher eine Prognose an eine Gründungsentscheidung heranführt, desto enger müssen ihr Datenbestand, die geologische Vorstellung und das mechanische Modell zusammenpassen.

Für den Einstieg in den KI-Einsatz eignen sich klar abgegrenzte geotechnische Aufgaben. Ein Planungs- oder Gutachterbüro kann beispielsweise Messreihen aus Drucksondierungen mit KI auswerten und die vorgeschlagene Einteilung in Bodenverhaltensabschnitte fachlich prüfen. Bei der räumlichen Baugrundmodellierung können KI-Verfahren helfen, mögliche Schichtverläufe zwischen vorhandenen Aufschlüssen zu untersuchen. Die geotechnische Fachplanung vergleicht anschließend, wo sich diese Vorstellungen unterscheiden und welche zusätzliche Untersuchung die offene Gründungsfrage klären könnte. Ein Bauunternehmen kann eine wiederkehrende Baustellenaufgabe aufgreifen, etwa die Auswertung von Sondierungsdaten für Kranfahrwege. Für die Einführung zählt, ob die KI-Unterstützung einschließlich Datenaufbereitung und fachlicher Prüfung den Aufwand bis zur verwendbaren Auswertung verringert oder zusätzliche Varianten untersuchbar macht.

Quellen: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Eine MapCPT-Studie vergleicht mehrere Lernverfahren mit einem regelbasierten Ansatz zur Interpretation von Drucksondierungen. Für die untersuchten heterogenen Daten beschreibt sie Vorteile des transparenten Regelansatzes. Ein Gutachterbüro kann einen solchen Methodenvergleich auf seine eigene Aufgabe beziehen: Lassen sich die vorgeschlagenen Bodenverhaltensklassen anhand der Messkurven nachvollziehen? Wo unterscheiden sie sich von der bisherigen Interpretation? An diesen Fragen lässt sich beurteilen, welches Verfahren die Sondierungsauswertung unterstützt.

Die räumliche Baugrundmodellierung untersucht anschließend, wie sich die an einzelnen Aufschlüssen erkannten Eigenschaften und Schichten zwischen den Messorten fortsetzen könnten. Ein räumliches Lernmodell kann dafür Lage, Tiefe und geologische Hinweise mit den Messprofilen verbinden. Geostatistische Verfahren verfolgen ebenfalls diese räumliche Aufgabe und können mehrere zu den Beobachtungen passende Untergrundbilder erzeugen. Die geotechnische Fachplanung erhält damit unterschiedliche mögliche Schichtverläufe, die sie auf ihre Bedeutung für das Bauwerk untersuchen kann.

Für die fiktive Halle vergleicht die geotechnische Fachplanung beispielsweise eine vor der Gebäudemitte auslaufende weiche Lage mit einer durchgehenden Rinne. Eine gemeinsame Darstellung beider Schichtverläufe zeigt, in welchem Bereich die vorhandenen Aufschlüsse beide Vorstellungen zulassen. Liegt dort eine für die Gründung wichtige Gebäudezone, lässt sich die nächste Sondierung auf diese offene Frage ausrichten. Die räumliche Modellierung unterstützt damit die Auswahl eines Untersuchungsorts; die Interpretation der neuen Messung bleibt Aufgabe der Fachplanung.

Für den Vergleich des Trag- oder Verformungsverhaltens können Ingenieure zahlreiche Varianten mit einem mechanischen Modell berechnen. Ein aus solchen Berechnungen trainiertes KI-Ersatzmodell lernt die Beziehung zwischen Eingaben und Ergebnis und kann ähnliche Abfragen schneller annähern. Itasca nutzt diesen Ansatz bei der Beurteilung von Kranfahrwegen. Die numerischen Berechnungen beschreiben den geotechnischen Zusammenhang; das neuronale Modell erleichtert wiederholte Auswertungen im dafür geprüften Anwendungsbereich. Welche Bodenbedingungen und Belastungen dieser Bereich umfasst, muss für die Anwender der Auswertung erkennbar sein.

Bei der Prüfung solcher Ausgaben muss die geotechnische Fachplanung erkennen, worauf sich eine Unsicherheitsangabe bezieht. Eine unklare Bodenverhaltensklasse verlangt einen Blick auf Messkurve und Zuordnungsverfahren. Ein unklarer Schichtverlauf betrifft dagegen den Raum zwischen den Aufschlüssen und kann zusätzliche Erkundung erfordern. Bei einer unsicheren Verhaltensprognose sind außerdem die Annahmen des mechanischen Modells zu betrachten. Eine Farbskala oder Bandbreite sollte deshalb benennen, ob sie die Klassifikation, den räumlichen Verlauf oder eine berechnete Reaktion beschreibt. Daraus ergibt sich, welche fachliche Prüfung als Nächstes sinnvoll ist.

Welches Ergebnis wird gebraucht?

• Bodenverhalten zuordnen: Die KI-Auswertung gliedert die Messreihe einer Drucksondierung in vorgeschlagene Verhaltensabschnitte.
• Schichtverläufe untersuchen: Räumliche Lernmodelle oder geostatistische Verfahren verbinden mehrere Aufschlüsse zu möglichen Baugrundmodellen.
• Verhalten unter Last abschätzen: Ein gelerntes Ersatzmodell verknüpft seine Eingaben mit einer geotechnischen Zielgröße, etwa aus einer Tragfähigkeitsberechnung.

Quellen: 1, 2, 6, 7, 8, 13, 14, 15, 16.

Bei einem Pharmabauprojekt in Hillerød führte der Erkenntnisweg direkt in die Pfahlplanung. Ramboll verband dynamische Pfahllastversuche mit lernenden Modellen und einer automatisierten Auswertung der Pfahlgruppen. Aus den Versuchen entstanden aktualisierte Tragfähigkeitsprofile, die für weitere Gebäude des Projekts verwendet wurden. Hier greifen Datenerhebung und Planung eng ineinander: Die Erkenntnisse eines Bauabschnitts verbessern die Bearbeitung der folgenden Abschnitte. Zum Use Case.

Eine andere Aufgabe steht bei Mortenson im Vordergrund. Auf Windbaustellen müssen schwere Krane ihre Fahrwege sicher nutzen können. Das seit April 2021 eingesetzte Werkzeug verbindet Drucksondierungen mit einem von Itasca entwickelten neuronalen Ersatzmodell für geotechnische Berechnungen. Mortenson beschreibt Rückmeldungen innerhalb weniger Minuten und die Einbindung von Barr Engineering in die fachliche Prüfung. Der historische Fall zeigt einen bereits praktisch erprobten Weg von der Messung zur baustellennahen Auswertung. Zum Use Case.

In Jazan in Saudi-Arabien ging es um die Sanierung einer sich setzenden Getreidelagerhalle. GeoStruXer kombinierte satellitengestützte Verformungsbeobachtung, geotechnische Modellierung, eine KI-gestützte Optimierung und einen Feldversuch. Der Projektbericht beschreibt die Umsetzung einer angepassten Mikropfahllösung und die Rückkehr zum Betrieb. Das Beispiel erweitert den Blick auf bestehende Bauwerke: Beobachtete Bewegung kann zum Ausgangspunkt einer neu bewerteten Gründung werden. Zum Use Case.

Die Praxisfälle liefern unterschiedliche Ansatzpunkte für einen eigenen KI-Einsatz. Ein Gutachterbüro kann prüfen, ob ein Berichtsentwurf die Übertragung und Formulierung vorhandener Untersuchungsergebnisse erleichtert. Ein Gründungsplaner kann untersuchen, wie neue Lastversuche in weitere Pfahlvarianten eingehen. Bei wiederkehrenden Baustellenprüfungen zählt die Zeit bis zur fachlich nutzbaren Auswertung. Für eine Sanierung steht dagegen im Vordergrund, beobachtete Bewegungen zu erklären und geeignete Eingriffe zu vergleichen. Der Nutzen lässt sich jeweils an der geotechnischen Aufgabe und ihrer tatsächlichen Weiterbearbeitung beurteilen.

Quellen: 4, 5, 6, 7, 8, 11, 17, 18, 19.

Ein Gutachterbüro mit vielen ähnlich aufgebauten Berichten benötigt vor allem einen verlässlichen Datenimport und fachlich bearbeitbare Textentwürfe. Für ein Gründungsplanungsteam, das zahlreiche Pfahlgruppen vergleicht, sind dagegen Lastfälle, Versuchsergebnisse und die Verbindung mit den Berechnungen entscheidend. Eine geotechnische Datenplattform kann die Messgrundlage für beide Aufgaben bereitstellen. Bei der Anbieterauswahl sollte das Büro daher einen eigenen typischen Vorgang vorführen lassen: Welche Messdaten werden eingelesen? Was übernimmt die Software? Was muss die Fachplanung ergänzen? In welcher Form geht die Auswertung in Gutachten oder Berechnung ein?

Aktuelle Forschung untersucht, wie räumliche Baugrundprognosen mehrere plausible Schichtverläufe und die Unsicherheit der verfügbaren Messungen abbilden können. ProbPerModel verbindet probabilistische Standortbeschreibung mit geotechnischen Anwendungen für Offshore-Gründungen. NGI untersucht im Programm On Certain Ground unter anderem Untergrundwissen, Unsicherheitsmodellierung und Ersatzmodelle. Arbeiten der University of Western Australia prüfen räumliche CPT-Prognosen an zurückgehaltenen Sondierungen. Für die geotechnische Fachplanung eröffnen solche Verfahren die Möglichkeit, alternative Baugrundbilder und ihre Folgen für die Gründungsaufgabe miteinander zu vergleichen.

TGS untersucht in einer wissenschaftlichen Arbeit, wie ein XGBoost-Modell aus Attributen hochauflösender seismischer Daten den Spitzenwiderstand von Drucksondierungen prognostizieren kann. Die seismische Erfassung liefert räumliche Hinweise, die lokalen CPT-Messungen erschließen die geotechnische Zielgröße. Für die Anwendung ist interessant, ob diese Verbindung das Baugrundbild zwischen den Sondierungen verbessert und eine weitere Erkundung gezielter vorbereitet. Das vorgestellte Verfahren wird als wissenschaftliche Erprobung eingeordnet; seine Verwendung in konkreten Planungsabläufen wäre ein wichtiger Gegenstand späterer Aktualisierungen.

Für die Beschaffung sollten Gutachter und Bauherrschaft zwischen einem nutzbaren Werkzeug, einer projektspezifischen Ingenieurleistung und einem Forschungsansatz unterscheiden. Ein CPT-Werkzeug kann mit vorhandenen Sondierungen erprobt werden. Eine individuelle Pfahloptimierung erfordert dagegen eine gemeinsam formulierte Gründungsaufgabe und passende Versuchsdaten. Bei einem Forschungsansatz ist zunächst zu klären, welcher Teil für das eigene Projekt erprobt werden soll. Die folgenden Profile beschreiben dafür die jeweiligen Leistungen und Forschungsbeiträge sowie den Bezug zu den geotechnischen Aufgaben dieses Briefings.

Anbieter und praktische Angebotswege – eigene Darstellung; Quellen je Zeile

Einrichtungen und konkrete Forschungsbeiträge – eigene Darstellung; Quellen je Zeile

Quellen: 3, 4, 7, 8, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23.