自充填混凝土施工效益评估与分析

一、前言

1.1 研究背景

自充填混凝土为高性能混凝土之一种，其具有高强度及高自流充填特性等多项优异特性，惟目前于工程界推广上未能受到普遍应用，除公共工程可因政策面之影响因素之外，私人业界大部份在规划设计阶段选择工法时，通常是以考虑其尚需投入学习曲线之大量成本，而未予采纳使用，反以传统工法等保守方式为之。是以，如何能使营造业界能更具体了解是项材料特性及其效益，将可有助于工程质量之提升及营建自动化之推展。

1.2 研究目的

国内目前推广自充填混凝土之使用，仍是以预拌厂辅导生产为主要手段，经由协助其缩短前期学习成本来达成其推广之目标，然其效果仍属有限；考虑市场上倘能由业方普遍接受且确认其效益，而因市场需求之增加，来达到使材料供应者为配合需求，主动积极寻求改变，将可同时提升营建业之施工质量。本研究之目的即在探讨自充填混凝土于施工过程中，其有效的评估模式及其效益之具体数据，藉以提供业界及推广者能经由

确认自充填混凝土之优势，而广泛采纳与使用。本研究主要目的汇整如下：

1. 建立一混凝土作业之效益评估模式。

2. 利用该模式寻求混凝土作业最佳之资源使用方式。

3. 利用评估模式为自充填混凝土于实务上，与传统混凝土之施工效益比较。

二、自充填混凝土施工特性及应用现况

自充填混凝土主要着重在新拌混凝土（Fresh Concrete）阶段流动性与模板充填能力之要求，而对于其硬固后之物理性质或力学性质并无直接关联，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质（流动性／模板充填能力），来达到确保钢筋混凝土构造物质量与可靠度的目的，同时藉由良好而确实的模板填充，更可提高钢筋混凝土构造物整体的耐久性与强度，至于混凝土应具有的抗压强度，则仍依结构设计需要而定。而就施工上而言，自充填混凝土施工特性上亦可有效改善劳工工作环境、降低施工处噪音、增进营建工程效率、解决特殊工程难题。

自充填混凝土，用以指称具高流动能力、流动过程不发生骨材析离、能通过钢筋并自动充填至模版各角落的混凝土。而该项优越充填能力能彻底解决钢筋混凝土构造物因浇置困难或技术不良所引致各种施工问题，同时因新拌混凝土阶段之流动性及模板充填能力，可藉由改良混凝土的物理性质，来达到确保构造物质量与可靠度及良好的模版填充，俾获得混凝土整体耐久性及强度，然目前仍较集中于特定之工程项目，如：特殊施工性需求之情况，如钢筋排列特别密集之构件单元（剪力墙、梁柱系统、预力箱型梁结构、多开孔之墙结构、SRC柱等）及不易或无法施加振动之部位（隧道内衬之修补）、大面积施工或有特别耐久性、水密性需求等情况。

三、计算机仿真cyclone及流程建立

3.1 计算机仿真工具

本文所使用UM-CYCLONE计算机仿真则是依据CYCLONE所定义的组件，来建立施工作业流程模型，并透过现场纪录及统计数据输入并快速地计算模型系统的产率，而对于资源的利用状况更可加以汇整比较并进行敏感度分析，藉以帮助施工规划者评估系统之生产力。其中六项基本模型组件说明如表3.1。

表3.1 　UM-CYCLONE基本组件符号

名称	符号	功能/说明	限制
Queue		等待资源表示资源等待状况。	等待资源QUEUE在功用上为存放资源，当其所有资源到齐后，其后续作业则进入可施作状态，并将等待之闲置资源释放进入联合作业节点施作。
Normal node		一般作业	不受多种资源限制之工作性质，其在作业之前无须有等待时间之限制。
Combi node		联合作业	联合作业节点之前可以置入任意数量的等待资源，而其它节点均不得置于联合作业之前。
Consolidator		功能性节点（资源计数器）	累计次数达到时，方得续行次作业
Link		连接线	连接各元作，并说明进行方向

3.2 模拟架构

混凝浇置施工主要包括有从拌合、运送、输送、浇置及震动捣实与镘平粉光，为建立一完整标准的混凝土浇置作业流程之前，首先将依据传统混凝土施作流程建立各单项之基本模型，即利用其作业间之逻辑关系，将各单项作业项目之基本模型依其作业特性加以连结，其后再组成一完整而有系统的混凝土浇置作业模型。

模型首先由混凝土拌合厂作业开始进行，而应先行定义其相关作业项目，包括有备料作业及装料作业及泵送作业，资源项目上则有预拌料、拌合机、预拌车等。CYCLONE之作业流程主要精神即在将每一作业视为一循环作业，而若将各作业循环关系予以合并，将可获致如图3.1之施工流程网图，其可自混凝土拌合作业起始，而经混凝土装料作业，由预拌车配合进行第二回路，执行其混凝土运送作业，之后在抵达工区后，透过卸料作业之进行，而由泵浦车之泵送循环，将混凝土作业流程传送至浇置作业及其后续相关施作项目。而本文所建立之施工流程纲图系针对一般混凝土浇置作业项目及施作模式建立，在其各作业项目之配置逻辑关系与互动模式，应与案例现场实作情况下结果相符，而本文探讨自充填混凝土与传统混凝土在施工作业上主要差异即在于振动夯实作业项目之取舍与各作业项目之资源使用数量变化。

四、效益评估与分析

4.1 资源分析

研究案例中空间资源包括有预拌车之进、出场动线及泵浦车设置位置，及混凝土浇置楼层，因系由两台泵浦车进行泵送，而泵送套管则随完成楼层而逐层固定于楼梯间，故对于泵浦车之设置位置则已有限制。物料资源部份，在研析上仍仅以每一楼层施作770立方公尺为施作物料资源数量。机具资源部份包含重型机械，诸如拌合鼓、预拌车与泵浦车等将视为固定资源。而本文主要针对人力与时间相对成本为探讨对象，因浇置作业中系高密度之劳力成本，故人力资源于浇置作业中实扮演重要之影响因素，同时，高性能混凝土之目标即在自动化及减少人力资源浪费。在浇置过程中，浇置工班八人之作业人力为本研究主要调整资源之重要参考依据。

4.2 模拟结果

浇置作业共区分六个区段浇置进行，排除其不可抗力因素或待料闲置时间之作业总时间约为191分钟，而振动作业为配合浇置作业之进行，其五个作业时段之总时间为186分钟；整个浇置工班中有四人负责镘平作业，其配置人数为浇置工班（八人）人数之一半（四人），其大量影响整个工班之施作效能。主要作业除修面整平外，浇置过程中亦协助浇置套管之拆卸与搬移，因高性能混凝土自平性未达自充填混凝土之效果，浇置时其累积之混凝土仍有坡度，故通常于混凝土浇置振动完成一半且浇置面已达楼版完成面后方得开始进行，故在作业时间上显为减少，而经仿真镘平作业时间为96分钟（一个半小时），然而其仍相对于浇置作业约有47.5%的时间处在闲置状态。若就闲置时间观之，振动作业相对浇置作业闲置时间仅占2.1%，而镘平作业却有47.5%的时间处在闲置状态，故知大量用人成本均闲置在镘平作业上。然高性能混凝土与自充填混凝土主要特殊性在于其高强度、自流性与自平性改善，而其自流性因仍保持粒料之均匀性，因此对于振动捣实作业之效益可加以减量施作，而自平性更可让镘平作业大量减少铺平与修面作业，甚至可降至一人进行。综上所述，浇置作业主要仍以浇置速率及其浇置顺利与否为主要影响时间之关键，如若因供料不及形成现场待料等情事，将同时扩大各作业人员闲置之时间。

4.3 分析比较

经由仿真作业流程系统建立，再将高性能混凝土(HPC)、自充填混凝土(SCC)、传统混凝土(OPC)三项不同材料模拟分析比较，主要研究方向分别为作业时间、材料成本及人力资源间之差异。在初步模拟浇置175.0立方公尺之混凝土所花费之时间，其分别为142.4、114.8及150.5分钟，而经测算其混凝土浇置速率分别为每小时73.7、91.5及70.8立方公尺；而经研析其影响作业时间最大因素，除混凝土之流动速率外，其自流性不佳所必需配合拆卸套管等作业，亦是影响作业时间的另一大作业因素，而相较于传统混凝土之浇置速率，其影响主要因素包括浇置点位置移动与混凝土流动速度，尤其因传统混凝土之坍度要求甚小，其浇置过程中常因每一浇置点易造成混凝土堆积，而须常常移动浇置点位。

其次，振动捣实作业中，因高性能混凝土尚需振动新拌混凝土，故仍需于浇置后配合进行约185分钟之振动作业，然此项就自充填混凝土而言，反因其无需另派员进行振动捣实而完全不发生作业时间；若就传统混凝土振动捣实作业，则因在浇置作业面配置两组振动作业工班，故其作业时间平均将可略为降至162分钟。最末，镘平作业在高性能混凝土施作人力上，却多用于混凝土之铺平作业，其系因流动性与自平性未达自充填混凝土之要求，而传统混凝土之镘平与铺平作业量，则较高性能混凝土与自充填混凝土高出甚多，此亦缘于其坍度小，流动性不佳所致，对此非但要具更多人力进行作业，其作业时间亦相对增加甚多。

而在人力资源分析上，自充填混凝土与高性能混凝土间之总支出成本，明显地存在于其用人成本之差异，尤其可发现在自充填混凝土高流动性、自平性，及其粒料均匀等特性均使得其在施作人力成本上之需求降低；而若就混凝土浇置175立方公尺所需实际用人成本，其中不包含闲置作业时间所造成之人力成本之浪费，可将浇置作业与捣实及镘平作业之发生金额予以加总，并得高性能混凝土之用成精简成本为5337元，而自充填混凝土则为2171元，而传统混凝土则高达9729元，若纯以每立方公尺用人成本考虑，则发现高性能混凝土每立方公尺之施作成本约需27.7元，而自充填混凝土约为11.3元，传统混凝土则高达50.5元；由此可知，当混凝土施作数量逐渐增加同时，亦相对拉高其用人成本。

五、结论

本研究目的即藉由营建作业程序仿真系统分析之方式，探讨自充填混凝土与传统混凝土在施工上之具体效益，俾提供产业界人士参考，而本文更将施工效能采以定量评估分析方式，研析作业时间与施作成本上之差异。而就本文结果综合归纳以下几点：

1. UM-CYCLONE仿真系统建构之模式，主要系依据案例现场作业流程所编写，其中更以现场浇置作业之各工项加以连结后，亦将其相关资源纳入考虑，之后将现场实录或观测各工种在作业时间输入仿真，随后即可将得出仿真结果再与现场作业状况与资源闲置等情形加以验证，而修正流程至符合现场实况为止。故本研究除针对计算机仿真流程建构之外，对于现场实作现况仍应透过记录与摄影等方式，撷取相关施工作业内容与时间，其目的在使模拟结果趋近于实际操作，而能确实印证相关资源在使上之不足或过剩。

2. 就成本效益观之，高性能混凝土每立方公尺之用人成本约为27.7元，而自充填混凝土仅需11.3元，传统混凝土则升至50.5元，此显示研究案例中高流动性高性能混凝土在浇置每立方公尺成本上仍高出自充填混凝土一倍之多，而传统混凝土又高于高性能混凝土之一倍，为自充填混凝土之四倍。

3. 就作业时间观之，依据模拟浇置175立方公尺之高性能混凝土，并经多次循环模拟结果，可得出浇置速率每小时可完成73.7立方公尺，传统混凝土则为70.8立方公尺，而自充填混凝土因其自充填与自平等特性，则浇置速率为提升至91.5立方公尺；因一般传统混凝土浇置约在每小时60至100立方公尺不等，显示三种不同之混凝土之浇置模式中，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业接口减少，均使浇置作业速率往上提升，而高性能混凝土则虽较传统混凝土之作业内容减少部份工班，然仍因其自流性上无法充分满足自动填充与自平之特性，故在作业速率上仍未有效提升，此则显示自充填混凝土在浇置速率上之优势。

4. 资源运用与闲置状况之改善，在于透过本研究模拟结果，发现镘工不论在高性能混凝土、自充填混凝土，甚至传统混凝土中均存在极大之闲置比例，主要为镘工进场后即需等待混凝土逐层浇置至楼板面而进行铺平与修面作业，而自充填混凝土与高性能混凝土却因其自流且浇置速度加快，而缩短其等待时间，但其发生之闲置仍无法完全避免。另振动作业则因其可随时移动，且为配合浇置作业，偶发之停机移机状况，其大部份仍与浇置混凝土作业同步，也使得传统混凝土与高性能混凝土在振动捣实之资源闲置状况差异不大，反而自充填混凝土却因无需派员，使本项作业不发生任何闲置情况。