Die technischen und organisatorischen Belange in der römischen Bautechnik im römischen Reich gehen in ihren Wurzeln auch auf die hellenistischen Erkenntnisse zurück.

Der römische Offizier Vitruv beschreibt in seinem Werk De architectura libri decem (22 v. Chr.) die von den Griechen übernommenen Techniken und mathematischen Grundlagen. Auch das Prinzip der Trennung in den planenden (ratiocinatio) und den ausführenden Teil (fabrica) wird beschrieben. Dabei betont er, dass die Ausführung der Arbeiten nur von speziell ausgebildeten Technikern durchgeführt werden kann, während die Konzeption aber für „alle wissenschaftlich Gebildeten“ zugänglich ist. Diese Teilung ist wohl die Grundlage für die heute noch übliche Trennung in Architekt und Baumeister / Ingenieure.

Aus dem Jahr 150 n. Chr. ist die erste „Bauordnung“ überliefert. Damals wurden Vorschriften erlassen, die unter anderem die Mindeststärke von Mauern und die zulässige Höhe von Wohngebäuden regelten.

Im Hochbau wurden viele technische und statische Elemente von den Griechen übernommen, etwa die gewölbte Bauweise von Brückenbogen und Kuppeln. Um immer größere und stabilere Formen zu erhalten, wurden diese verfeinert, z. B. durch Erfindung der Kreuzgratgewölbe oder durch Verwendung besonders leichter Hohlziegel im oberen Bereich von Kuppeln.

Zur Verbindung der Bauteile aus Stein wurden verschiedene Mörtelarten eingesetzt, welche durch die Verwendung von Dübeln unterstützt wurden. Später (vermutlich ab dem 1. Jahrhundert n. Chr.) wurde auch Beton als tragendes Element eingesetzt. Ab dem Jahr 79 v. Chr. gibt es Nachweise über die ersten gebrannten Ziegel, wobei diese Technik wiederum von den Griechen übernommen wurde. Als Estrich wurde opus signinum verwendet, dem meist Ziegelkleinschlag beigemischt wurde.

Daneben gab es auch Holzbauwerke, vor allem im Norden (Germanien, Gallien), die heute natürlich nicht mehr erhalten sind. Nachgewiesen ist unter anderem eine große Rheinbrücke aus Holz (vermutlich zwischen Andernach und Koblenz) in der Zeit der Invasion Germaniens unter Caesar (55 v. Chr.).

Im Wohnungsbau gelang Gaius Sergius Orata um 80 v. Chr. eine wesentliche Komfortverbesserung, indem er erstmals erfolgreich eine von den Kretern übernommene Idee umsetzen konnte: Die Fußbodenheizung (Hypokaustum). Dafür wurde warme Luft in Hohlräume unter dem Fußboden und später auch in die Wände geleitet. Diese Technik wurde später auch in römischen Bädern und in den großen kaiserlichen Thermen eingesetzt.

Auch die Wasserspülung in Toiletten war dem Römer bekannt; in öffentlichen Anlagen und in den Villen der reichen Patrizier war sie weit verbreitet.

Die Wasserleitungen, welche oft über viele Kilometer Quellwasser in die besiedelten Gebiete transportierten, wurden teilweise in Form von Gräben ausgeführt, teilweise aber auch über oft sehr große Aquädukte und Hochtrassen geführt. Gräben wurden entweder mit Stein und mit Beton ausgekleidet (wobei auch bereits Holzschalungen eingesetzt wurden) oder sie wurden mit behauenen Steinen ausgemauert, um ein Versickern des Wassers zu verhindern. Außerdem wurde der Wasser führende Kanal mit großen Steinplatten gedeckt, um Verdunstung und Verstaubung minimal zu halten. Da die Römer für ihre Wasserleitungen keine Pumpen kannten, musste ein stetiges, möglichst gleichmäßiges Gefälle eingehalten werden. Daher weisen diese Wasserleitungen viele Windungen auf, um dem Gelände zu folgen; benötigen aber auch immer wieder Brücken, um Täler und Gräben überwinden zu können. Voraussetzung für die erfolgreiche Konstruktion einer Wasserleitung war eine exakte Höhenvermessung des Geländes entlang der geplanten Strecke. Vor allem zur Überwindung von Tälern war auch die Errichtung von Druckleitungen möglich, die nach dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße funktionierten. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Wasserleitung von Aspendos (Türkei).

Im Straßenbau wurden im 5. und 4. Jahrhundert v. Chr. zunächst Kiesstraßen gebaut (Via Appia, Via Latina). Erst ab etwa 295 v. Chr. begann man, die Straßen zu pflastern, wobei man die Technik im Wesentlichen von den Etruskern übernahm. Auch die Via Appia erhielt in dieser Zeit ihr heute noch vorliegendes Aussehen und wurde zum Vorbild für den Straßenbau für die nächsten Jahrhunderte. Erst im 1. Jahrhundert n. Chr. ging man wieder vermehrt auf Kiesstraßen über, die durch die größere Laufruhe der Wagen für die Reisenden mehr Komfort boten. In dieser Zeit wurde auch begonnen, Straßenbrücken, Dämme, Einschnitte und sogar Tunnel zu bauen, um möglichst direkte Verbindungen zwischen den Orten zu erreichen.

Weiter ist zu erwähnen, dass die Römer, im Speziellen in den großen Städten wie Rom oder Pompeji, eine Art „Zebrastreifen“ anlegten, damit man als Fußgänger besser von einer Straßenseite auf die andere gelangen konnte. Dieser wurde durch erhöhte Pflastersteine in Schrittlänge verwirklicht.

Das Fundament römischer Straßen bestand aus mehreren Schichten Lehm, Steinen, Kies und Sand. Den Abschluss bildete die eigentliche Oberfläche, die aus ca. 50 × 50 cm großen Steinplatten aus Basalt oder Lava bestand. Die Straße wurde häufig von einem „Bürgersteig“ aus Lehm, einem Erdwall für Verteidigungszwecke und einem Wassergraben zur Entwässerung begleitet. Außerdem befanden sich im Abstand von einer römischen Meile (ca. 1,48 km) Meilensteine, auf welchen die Entfernung zur nächsten Stadt sowie der Name des Erbauers angegeben war.

Von Sextus Julius Frontinus stammen vermutlich die ersten mathematisch fundierten Dokumentationen über den Verlauf von Wasserleitungen. In seinem Buch De aquaeductu urbis Romae beschreibt er die Erstellung von Lageplänen für die Leitungen, aus welchen die Lage von Aquädukten, deren Spannweiten und die gequerten Berghänge hervorgehen. Auch für die Straßen wurden Karten angefertigt, um den Überblick zu bewahren und die Verwaltung zu vereinfachen.

Der Mensor (= „Vermesser“) verwendete zur Vermessung unter anderem die Vermessungsinstrumente Groma (für die Absteckung rechter Winkel) und Chorobates (zum Nivellieren).

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