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健橋安家,行的安全-推動價值工程於碳纖維橋梁結構補強案例分享

一、環境現況簡介

  國內40年以上的橋梁,據統計超過9000座。鑑於國內颱風、水患日益頻繁,橋梁等建築在面臨老化、龜裂、破損、年久未修等情況下,亦日趨嚴重,其維護及提升結構耐震力的需求也愈來愈強烈。因此,如何應用安全、快速且減少對環境污染的材料及工法進行橋梁補強,以維護國民行的安全,是非常重要與急迫的。

  以往至今,國內橋梁土木結構補強均採用RC、鋼板的補強工法,但是另一個使用「碳纖維強化複合材料」作為土木結構補強材料,以取代RC、鋼板的補強工法,亦是一個可符合安全、快速且減少對環境污染的可行方法,可是卻沒有在國內的橋梁結構補強方面被普遍應用,為什麼?這是因為一方面國內已往碳纖維需仰賴進口,不但價格高,用途、數量亦被國外原廠管制;加上國內在此一產業技術發展因測試數據、應用經驗的不足,亦無相關材料與施工檢測規範以整合上中下游補強技術,導致相關產業發展停滯。

  我想99%的人,可能沒有聽過「碳纖維」三個字。甚麼是碳纖維?這裡做一個簡單的介紹。碳纖維的使用,重量僅有鋼鐵的五分之一,鋁的二分之一,但柔軟如布,像纖維般柔曲,易於編織加工和纏繞成型,加入樹脂後,強度卻是鐵的十倍。不但超輕超強,還具耐腐蝕、導電、導熱、傳熱等優異特性的材料,是本世紀最神奇的材料。目前大量推展應用在高級運動器材,車體減重、航太產品、風力發電及各種高科技產品及武器設備,因為價格很貴(俗稱黑金),且不易製造,屬於國際戰略管制材料。

圖:六角形結構的碳素結晶與碳纖維單絲(一根單絲為人類頭髮之1/50) ,一萬二千根碳纖單絲組合成一束。

圖:碳纖維織成布之型態

  由於碳纖維在橋梁補強工程方面具有優異的特性與市場上實質應用的需求,而台塑公司所生產的碳纖維品質近年來已逐漸趕上國際水準(註1),本中心承接經濟部的「傳統產業技術整合推動計畫」,推動辦公室以兩年的時間,整合自「材料端至應用端」的4家廠商與6個產、學、研單位,成立研發聯盟定並申請業界科專,以開發適用於橋梁補強的「混編織物、耐潮樹脂、抗撞塗層」等材料,並創新研發出夾套預型工法,可以縮短水中施工工期。專案除同步開發材料與施工技術外,並進行成果驗證,以累積本土測試數據,使後續國內相關的橋梁補強工程,可以放心使用國產的碳纖維複合材料,所以這個專案的意義非常重大,影響也非常深遠。

二、 導入價值工程研析方法

  由於碳纖維材料成本非常貴,為提升成果之具體經濟效益,使產品(或工法)更具競爭力,並廣為外界使用者未來能夠接受。生產力中心在推動團隊成案之初,即規劃導入「價值工程」,在產品研發過程中,價值管理專家帶領研發聯盟團隊,推動價值提升作業,以期提升產品機能,降低成本,未來能夠在市場增加競爭力。

  價值工程是一個有組織且系統化的分析方法,本專案研發聯盟係由不同的公司、技術法人及學界所組成,針對「碳纖維原絲、碳纖維織布、膠料與抗撞塗層、預型夾套、補強施工與檢測技術」等專項技術開發,因為彼此之間技術及產業領域並不相同,為考慮全案的機能、成本使用順暢,所以價值工程導入之際,即規劃由各專業領域的成員分別組成研析小組,進行研析作業。

(一)研析六階段分述如下:

1.資料階段:

  蒐集及研析相關資料,瞭解工作內容,安排現場勘察以明瞭生產環境及限制,並準備成本模式等。

2.機能分析階段

  定義專案的機能,審視和分析這些機能,確定哪些需要改善、排除或創新,以符合專案的目標。

3.創意階段:

  應用創意技巧,以辨認執行專案機能的替代構想,供下一階段進行判斷。

4.判斷階段:

  依循一個結構性的判斷程序,經由陳述專案機能、考量性能要求和資源限制,來選擇具有價值改善潛力的創意構想,供下一階段發展。

5.發展階段:

  將選擇的創意構想,發展成為一定程度的替代方案,並預估價值工程建議案可能產生之節省金額及可能造成的影響,讓決策者決定替代方案是否實施。

6.建議階段:

  小組提出一份報告/或簡報,適當的表達由研析小組完成的替代方案,以爭取價值提升的機會。

(二) 展開研析作業

  研析作業開展,需規劃出研析流程與目標,但重點是如何運用各式方法與技巧,以達到目標。如:腦力激盪、條列方式、成本分析、價值分析/價值指數、顧客所需機能、共同審查、依組件單元列出機能、系統化機能分析技術、機能評價、優缺點比較、排序、篩選、權重分析、成本矩陣分析等各式手方法與技巧。研析之步驟與目標如下:
 

(二) 展開研析作業

  研析作業開展,需規劃出研析流程與目標,但重點是如何運用各式方法與技巧,以達到目標。如:腦力激盪、條列方式、成本分析、價值分析/價值指數、顧客所需機能、共同審查、依組件單元列出機能、系統化機能分析技術、機能評價、優缺點比較、排序、篩選、權重分析、成本矩陣分析等各式手方法與技巧。研析之步驟與目標如下:

三、進行研析作業

  各研析分組,在分別取得各公司高層的共識後,即開始搜集、彙整所需的資料及資訊,以進行團隊討論、訂定研析目標及決定研析的進度,並將資料分送給相關研析成員,以共同討論並訂出研析預期所要達成的目標。必需所有研析成員經由充分準備後,才能繼續開展後續研析工作。作法說明如下:

(一)資料階段

  研析小組必需先一致了解研析標的,包括決策、流程及特殊需求,找出主要問題,以選擇研析範圍、進行創新發想。各研析小組在完整蒐集資料後,均要實際參觀本案工地或產品生產線,依照老師所教的方法論及成本模式,選取研析範圍,並在所有研析成員共同參與的會議上,針對成本模式及所選擇的研析範圍分別提出報告。

(二) 機能分析階段

  本階段是從機能角度去瞭解研析標的應該執行什麼,而非該研析標的目前所呈現之表相。研析成員所要回答的基本問題是「研析標的的機能為何?」以及「研析標的機能間的關聯性為何?」所以各研析小組均聚焦在確認,能否滿足顧客的需要和目標。藉由專注於什麼是必須要做的,而不僅說明它是什麼。所以依此分析,可以增進對研析標的更全面完整的理解,並從中辨認是否有價值被錯置的機能。

(三) 創意階段

  本階段的目的是要儘量產生執行機能的構想。所要回答的基本問題是「還有什麼其他方法可以達成機能?」主要在解決問題並使小組可以產生大量構想,在腦力激盪下,創意出各種達成機能的可能替代方案,以提昇價值。如在專案中思考:如何增加淨水在水槽中之流速?如何增進回收水槽中之離子交換樹脂功能?如何延長碳纖維在水槽中之停留時間等想法等。

(四) 判斷階段

  本階段的目的是要歸納構想數量,使其成為具有最大改進研析標的潛力的重要構想。本階段所要回答的基本問題是「在所有創意構想中,那些是值得花時間做進一步的發展?」為了解決問題並使小組產生能進一步發展的構想,以做為發展階段的依據,表格需包括:可行性評估、權重評估、方案滿意度評估等資料。

(五) 發展階段

本階段的目的是要將判斷階段整理過的創意構想,做進一步分析和發展,以尋求有價值的替代方案。本階段所要解決的基本問題包括下列幾項:

1. 可以進一步發展的創意構想,其詳細內容為何?

2. 那些是可以相互合併的?

3. 那些是互相排斥和獨立的?

4. 變更的理由是什麼?

為了解決上列問題,本階段的活動包括下列各項:

 將要進一步發展的替代構想,需準備價值工程替代方案的書面表格。

 適當的估計費用和分配風險。

 進行成本效益分析。

 準備需要的草圖及相關資訊。

 確認那些替代方案應該進一步發展。

 完成替代方案的發展。

 每個替代方案均發展實施計畫、定義實施步驟、日期和責任。

(六) 報告階段

  透過上列5個階段的活動,將選擇的創意構想做進一步發展,清楚的寫成有價值的替代方案,業主和相關利害關係人都能夠瞭解替代方案的想法和益處,並可以確認替代方案有否任何潛在的負面因素?替代方案需包括主題、草圖、假設條件、概算經費、廠商資料、成本比較及相關的必要資料,其他可能有影響的資料,如:可靠性、顧客便利性、品質管理、花費成本、營運維修成本、壽年成本、進度、風險、有效性、政治分歧和感覺等亦需一併提出。理想的情況下,每一個替代方案均必需能夠執行。

四、執行價值提升作業之成果

  本專案的價值提升作業,研發聯盟成員共有29名參加,分為6組,分別針對研發計畫中有關之「碳纖維生產、耐震補強碳纖維布生產、補強夾套成形工法、耐潮溼環境用樹脂基材及抗磨耗塗層、碳纖維補強工程施工程序」等主題,進行研析與價值提升作業;另外,亦有學員針對營造產業計價流程進行探討。經過了半年的執行追蹤,下列四個項目在維持或提升機能的情況下,初步估算均可降低成本,表示四個項目的價值提升作業,均可以付諸實施。

1. 碳纖維生產(降低單項9%~43%)

2. 織布機定形設備(降低成本9%)

3. 補強夾套成形工法選擇(降低成本10%)

4. 碳纖維補強(降低施工費 10.38%)

五、綜合結論

  國內對橋梁結構補強多採用鋼板補強,本項研發計畫經過價值提升作業後,在機能方面,鋼板補強與碳纖維補強二方案不相上下,但是碳纖維補強在成本上能更具競爭力,這使得未來選用碳纖維做為結構補強材料,將更容易為各界所接受。

六、後續推動的建議與做法

  本專案所進行的技術開發與驗證,已透過「國家地震實驗室」完成了具體、量化的測試分析,並於今(100)年7月上旬通過結案審查,委員希望能持續進行商轉規劃。中國生產力中心與中華價值管理學會復於7月底舉辦了「碳纖維材料於橋梁補強應用與價值工程研討會」,對國內管理機關、民營企業及工程顧問、材料界,發表計畫在技術、材料、工法上的研究成果,獲得與會者的好評,交通部路政司林國顯副司長也親臨致詞,希望本工法能夠實際推廣運用於國內交通公共工程。研發團隊在會中,特別介紹使用價值工程在計畫中的成果,與會者均表示有機會能進一步瞭解。本中心於今年12月下旬續推出了「價值分析與價值工程之實務應用」課程,特別邀請臺灣松下電器、中山科學研究院及慈濟基金會做專題案例分享,希望企業從實際案例中,瞭解如何透過價值工程的步驟與實施的方法,內化成為公司的常態管???,如此才能落實永續推動,真正獲得價值工程帶來的價值。

註1:由於碳纖維其極不易製造。目前歐美沒有一家公司擁有從原絲到小絲束碳纖的自有技術,而全世界除台塑之外,也僅日本三家公司具有此技術。本文使用之碳纖維資料與圖片,均取材自中國生產力中心主辦之「98-99年度經濟部碳纖維複合材料工程應用技術交流會」資料。

參考文獻

1. 100年2月「碳纖維編織技術、耐潮溼環境用樹脂基材及抗磨耗塗層技術」價值提升作業分析報告。


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