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巖土工程自充填混凝土施工效益評估
導(dǎo)語：自充填混凝土,簡稱SCC，為高性能混凝土之一種，其具有高強(qiáng)度及高自流充填特性等多項優(yōu)異特性。系指澆置過程不需施加任何振動搗實，完全借由自身之流動性與自充填性能，充填至鋼筋間隙及模板各角落的特性之混凝土。
一、前言
1.1研究背景
自充填混凝土為高性能混凝土之一種，其具有高強(qiáng)度及高自流充填特性等多項優(yōu)異特性，惟目前于工程界推廣上未能受到普遍應(yīng)用，除公共工程可因政策面之影響因素之外，私人業(yè)界大部份在規(guī)劃設(shè)計階段選擇工法時，通常是以考慮其尚需投入學(xué)習(xí)曲線之大量成本，而未予采納使用，反以傳統(tǒng)工法等保守方式為之。是以，如何能使?fàn)I造業(yè)界能更具體了解是項材料特性及其效益，將可有助于工程質(zhì)量之提升及營建自動化之推展。
1.2研究目的
國內(nèi)目前推廣自充填混凝土之使用，仍是以預(yù)拌廠輔導(dǎo)生產(chǎn)為主要手段，經(jīng)由協(xié)助其縮短前期學(xué)習(xí)成本來達(dá)成其推廣之目標(biāo)，然其效果仍屬有限;考慮市場上倘能由業(yè)方普遍接受且確認(rèn)其效益，而因市場需求之增加，來達(dá)到使材料供應(yīng)者為配合需求，主動積極尋求改變，將可同時提升營建業(yè)之施工質(zhì)量。本研究之目的即在探討自充填混凝土于施工過程中，其有效的評估模式及其效益之具體數(shù)據(jù)，藉以提供業(yè)界及推廣者能經(jīng)由確認(rèn)自充填混凝土之優(yōu)勢，而廣泛采納與使用。本研究主要目的匯整如下：
1.建立一混凝土作業(yè)之效益評估模式。
2.利用該模式尋求混凝土作業(yè)最佳之資源使用方式。
3.利用評估模式為自充填混凝土于實務(wù)上，與傳統(tǒng)混凝土之施工效益比較。
二、自充填混凝土施工特性及應(yīng)用現(xiàn)況
自充填混凝土主要著重在新拌混凝土(FreshConcrete)階段流動性與模板充填能力之要求，而對于其硬固后之物理性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)并無直接關(guān)聯(lián)，然而使用自充填混凝土的精神，主要即在于以改良混凝土的物理性質(zhì)(流動性/模板充填能力)，來達(dá)到確保鋼筋混凝土構(gòu)造物質(zhì)量與可靠度的目的，同時藉由良好而確實的模板填充，更可提高鋼筋混凝土構(gòu)造物整體的耐久性與強(qiáng)度，至于混凝土應(yīng)具有的抗壓強(qiáng)度，則仍依結(jié)構(gòu)設(shè)計需要而定。而就施工上而言，自充填混凝土施工特性上亦可有效改善勞工工作環(huán)境、降低施工處噪音、增進(jìn)營建工程效率、解決特殊工程難題。
自充填混凝土，用以指稱具高流動能力、流動過程不發(fā)生骨材析離、能通過鋼筋并自動充填至模版各角落的混凝土。而該項優(yōu)越充填能力能徹底解決鋼筋混凝土構(gòu)造物因澆置困難或技術(shù)不良所引致各種施工問題，同時因新拌混凝土階段之流動性及模板充填能力，可藉由改良混凝土的物理性質(zhì)，來達(dá)到確保構(gòu)造物質(zhì)量與可靠度及良好的模版填充，俾獲得混凝土整體耐久性及強(qiáng)度，然目前仍較集中于特定之工程項目，如：特殊施工性需求之情況，如鋼筋排列特別密集之構(gòu)件單元(剪力墻、梁柱系統(tǒng)、預(yù)力箱型梁結(jié)構(gòu)、多開孔之墻結(jié)構(gòu)、SRC柱等)及不易或無法施加振動之部位(隧道內(nèi)襯之修補)、大面積施工或有特別耐久性、水密性需求等情況。
三、效益評估與分析
3.1資源分析
研究案例中空間資源包括有預(yù)拌車之進(jìn)、出場動線及泵浦車設(shè)置位置，及混凝土澆置樓層，因系由兩臺泵浦車進(jìn)行泵送，而泵送套管則隨完成樓層而逐層固定于樓梯間，故對于泵浦車之設(shè)置位置則已有限制。物料資源部份，在研析上仍僅以每一樓層施作770立方公尺為施作物料資源數(shù)量。機(jī)具資源部份包含重型機(jī)械，諸如拌合鼓、預(yù)拌車與泵浦車等將視為固定資源。而本文主要針對人力與時間相對成本為探討對象，因澆置作業(yè)中系高密度之勞力成本，故人力資源于澆置作業(yè)中實扮演重要之影響因素，同時，高性能混凝土之目標(biāo)即在自動化及減少人力資源浪費。在澆置過程中，澆置工班八人之作業(yè)人力為本研究主要調(diào)整資源之重要參考依據(jù)。
3.2模擬結(jié)果
澆置作業(yè)共區(qū)分六個區(qū)段澆置進(jìn)行，排除其不可抗力因素或待料閑置時間之作業(yè)總時間約為191分鐘，而振動作業(yè)為配合澆置作業(yè)之進(jìn)行，其五個作業(yè)時段之總時間為186分鐘;整個澆置工班中有四人負(fù)責(zé)鏝平作業(yè)，其配置人數(shù)為澆置工班(八人)人數(shù)之一半(四人)，其大量影響整個工班之施作效能。主要作業(yè)除修面整平外，澆置過程中亦協(xié)助澆置套管之拆卸與搬移，因高性能混凝土自平性未達(dá)自充填混凝土之效果，澆置時其累積之混凝土仍有坡度，故通常于混凝土澆置振動完成一半且澆置面已達(dá)樓版完成面后方得開始進(jìn)行，故在作業(yè)時間上顯為減少，而經(jīng)仿真鏝平作業(yè)時間為96分鐘(一個半小時)，然而其仍相對于澆置作業(yè)約有47.5%的時間處在閑置狀態(tài)。若就閑置時間觀之，振動作業(yè)相對澆置作業(yè)閑置時間僅占2.1%，而鏝平作業(yè)卻有47.5%的時間處在閑置狀態(tài)，故知大量用人成本均閑置在鏝平作業(yè)上。然高性能混凝土與自充填混凝土主要特殊性在于其高強(qiáng)度、自流性與自平性改善，而其自流性因仍保持粒料之均勻性，因此對于振動搗實作業(yè)之效益可加以減量施作，而自平性更可讓鏝平作業(yè)大量減少鋪平與修面作業(yè)，甚至可降至一人進(jìn)行。綜上所述，澆置作業(yè)主要仍以澆置速率及其澆置順利與否為主要影響時間之關(guān)鍵，如若因供料不及形成現(xiàn)場待料等情事，將同時擴(kuò)大各作業(yè)人員閑置之時間。
3.3分析比較
經(jīng)由仿真作業(yè)流程系統(tǒng)建立，再將高性能混凝土(HPC)、自充填混凝土(SCC)、傳統(tǒng)混凝土(OPC)三項不同材料模擬分析比較，主要研究方向分別為作業(yè)時間、材料成本及人力資源間之差異。在初步模擬澆置175.0立方公尺之混凝土所花費之時間，其分別為142.4、114.8及150.5分鐘，而經(jīng)測算其混凝土澆置速率分別為每小時73.7、91.5及70.8立方公尺;而經(jīng)研析其影響作業(yè)時間最大因素，除混凝土之流動速率外，其自流性不佳所必需配合拆卸套管等作業(yè)，亦是影響作業(yè)時間的另一大作業(yè)因素，而相較于傳統(tǒng)混凝土之澆置速率，其影響主要因素包括澆置點位置移動與混凝土流動速度，尤其因傳統(tǒng)混凝土之坍度要求甚小，其澆置過程中常因每一澆置點易造成混凝土堆積，而須常常移動澆置點位。
其次，振動搗實作業(yè)中，因高性能混凝土尚需振動新拌混凝土，故仍需于澆置后配合進(jìn)行約185分鐘之振動作業(yè)，然此項就自充填混凝土而言，反因其無需另派員進(jìn)行振動搗實而完全不發(fā)生作業(yè)時間;若就傳統(tǒng)混凝土振動搗實作業(yè)，則因在澆置作業(yè)面配置兩組振動作業(yè)工班，故其作業(yè)時間平均將可略為降至162分鐘。最末，鏝平作業(yè)在高性能混凝土施作人力上，卻多用于混凝土之鋪平作業(yè)，其系因流動性與自平性未達(dá)自充填混凝土之要求，而傳統(tǒng)混凝土之鏝平與鋪平作業(yè)量，則較高性能混凝土與自充填混凝土高出甚多，此亦緣于其坍度小，流動性不佳所致，對此非但要具更多人力進(jìn)行作業(yè)，其作業(yè)時間亦相對增加甚多。
而在人力資源分析上，自充填混凝土與高性能混凝土間之總支出成本，明顯地存在于其用人成本之差異，尤其可發(fā)現(xiàn)在自充填混凝土高流動性、自平性，及其粒料均勻等特性均使得其在施作人力成本上之需求降低;而若就混凝土澆置175立方公尺所需實際用人成本，其中不包含閑置作業(yè)時間所造成之人力成本之浪費，可將澆置作業(yè)與搗實及鏝平作業(yè)之發(fā)生金額予以加總，并得高性能混凝土之用成精簡成本為5337元，而自充填混凝土則為2171元，而傳統(tǒng)混凝土則高達(dá)9729元，若純以每立方公尺用人成本考慮，則發(fā)現(xiàn)高性能混凝土每立方公尺之施作成本約需27.7元，而自充填混凝土約為11.3元，傳統(tǒng)混凝土則高達(dá)50.5元;由此可知，當(dāng)混凝土施作數(shù)量逐漸增加同時，亦相對拉高其用人成本。
四、結(jié)論
本研究目的即藉由營建作業(yè)程序仿真系統(tǒng)分析之方式，探討自充填混凝土與傳統(tǒng)混凝土在施工上之具體效益，俾提供產(chǎn)業(yè)界人士參考，而本文更將施工效能采以定量評估分析方式，研析作業(yè)時間與施作成本上之差異。而就本文結(jié)果綜合歸納以下幾點：
1.UM-CYCLONE仿真系統(tǒng)建構(gòu)之模式，主要系依據(jù)案例現(xiàn)場作業(yè)流程所編寫，其中更以現(xiàn)場澆置作業(yè)之各工項加以連結(jié)后，亦將其相關(guān)資源納入考慮，之后將現(xiàn)場實錄或觀測各工種在作業(yè)時間輸入仿真，隨后即可將得出仿真結(jié)果再與現(xiàn)場作業(yè)狀況與資源閑置等情形加以驗證，而修正流程至符合現(xiàn)場實況為止。故本研究除針對計算機(jī)仿真流程建構(gòu)之外，對于現(xiàn)場實作現(xiàn)況仍應(yīng)透過記錄與攝影等方式，擷取相關(guān)施工作業(yè)內(nèi)容與時間，其目的在使模擬結(jié)果趨近于實際操作，而能確實印證相關(guān)資源在使上之不足或過剩。
2.就成本效益觀之，高性能混凝土每立方公尺之用人成本約為27.7元，而自充填混凝土僅需11.3元，傳統(tǒng)混凝土則升至50.5元，此顯示研究案例中高流動性高性能混凝土在澆置每立方公尺成本上仍高出自充填混凝土一倍之多，而傳統(tǒng)混凝土又高于高性能混凝土之一倍，為自充填混凝土之四倍。
3.就作業(yè)時間觀之，依據(jù)模擬澆置175立方公尺之高性能混凝土，并經(jīng)多次循環(huán)模擬結(jié)果，可得出澆置速率每小時可完成73.7立方公尺，傳統(tǒng)混凝土則為70.8立方公尺，而自充填混凝土因其自充填與自平等特性，則澆置速率為提升至91.5立方公尺;因一般傳統(tǒng)混凝土澆置約在每小時60至100立方公尺不等，顯示三種不同之混凝土之澆置模式中，自充填混凝土能由其良好的自流性，加速混凝土之泵送并使人力作業(yè)接口減少，均使?jié)仓米鳂I(yè)速率往上提升，而高性能混凝土則雖較傳統(tǒng)混凝土之作業(yè)內(nèi)容減少部份工班，然仍因其自流性上無法充分滿足自動填充與自平之特性，故在作業(yè)速率上仍未有效提升，此則顯示自充填混凝土在澆置速率上之優(yōu)勢。
4.資源運用與閑置狀況之改善，在于透過本研究模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鏝工不論在高性能混凝土、自充填混凝土，甚至傳統(tǒng)混凝土中均存在極大之閑置比例，主要為鏝工進(jìn)場后即需等待混凝土逐層澆置至樓板面而進(jìn)行鋪平與修面作業(yè)，而自充填混凝土與高性能混凝土卻因其自流且澆置速度加快，而縮短其等待時間，但其發(fā)生之閑置仍無法完全避免。另振動作業(yè)則因其可隨時移動，且為配合澆置作業(yè)，偶發(fā)之停機(jī)移機(jī)狀況，其大部份仍與澆置混凝土作業(yè)同步，也使得傳統(tǒng)混凝土與高性能混凝土在振動搗實之資源閑置狀況差異不大，反而自充填混凝土卻因無需派員，使本項作業(yè)不發(fā)生任何閑置情況。
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