Buildability of concrete structures : processes, methods and material

The causes for the slow development of the construction industry is often attributed the traditional ”peculiarities of construction“, including such factors as one-of-a-kind products, temporary organisation, and on-site production. However, signs of new thinking are becoming apparent in the construction industry in Sweden that emphasise change. Globalization and increased competition are factors for change. The possible future shortage of available qualified workers, demand for shorter construction times and calculated higher risks for projects are also catalysers for the implementation of new and alternative solutions. Still, new production methods and construction ideas are rarely introduced in construction projects, with low or no productivity increase of the industry as a result. Within the scope of this thesis work, the combination of creating buildability during the design phase and utilizing the philosophies of lean construction during the construction phase has been adapted to improve civil engineering concrete construction work. Several full scale projects have been studied and a questionnaire survey has been performed. In order to be able to introduce changes such as prefabricated reinforcement solutions, left concrete form systems and Self-Compacting Concrete (SCC) as a mean to increase productivity at site, there is a need to create projects that are buildable and able to be constructed, i.e. constructions that we know in advance are practically feasible and productive. All involved participants throughout the whole project are therefore responsible for creating buildability in the project. The case studies show that the potential increase in productivity can be vast. The introduction of prefabricated rebar sections, e.g. rebar carpets and rebar cages, decreases time spent on fixing reinforcement with up to 80%. The use of SCC potentially saves 65% on time spent during casting. Both methods improve the working environment substantially. However, the introduction of new methods also put demands on properly planned, communicated and managed construction operations on-site. Thus, the use of Buildability in the design can promote new solutions together with Lean Construction philosophies in management of these alternatives are suitable tools in changing the construction industry. Buildability deals with creating design for “ease of construction” whilst Lean construction focus on planning of a productive flow of work tasks and resources for the selected production methods. The combination of buildability in the “design for” part and lean construction philosophy in the “ease of construction” part within one of the most accepted definitions of buildability i.e. “the extent to which the design of a building facilitates ease of construction” will be able to encourage an increase in productivity at construction sites. This is possible if important factors are considered and utilised sufficiently. Some of these important factors highlighted in this thesis work are: • early project involvement of contractor, to increase construction knowledge during design, a result from the questionnaire survey; • design projects in 3D and create adequate virtual work instructions for workers to study prior to performing the work task, a result from full scale studies; • plan the construction work tasks and material supply thoroughly using lean tools, a result from full scale studies; • make sure adequate attention is spent on the working environment early in a project, this will result in workers feeling confident in a safe work environment, a result from full scale studies. The thesis corroborates the conclusion that, if these factors are considered and encouraged there is a potential for improvement of productivity at site, enhanced quality of finished structures as well as lowered costs for constructing structures in the future.Orsakerna till den långsamma utvecklingen av byggindustrin sägs ofta vara de traditionella egenheterna/särdragen för byggindustrin exempelvis att byggnaderna är enstycksproducerade, innehar en temporär organisation och att de är platsbyggda. Det finns emellertid tecken som tyder på att en förändring är på gång inom byggindustrin i Sverige (och mest troligt också i andra länder). Den pågående globaliseringen och den ökande konkurrensen på markanden är två faktorer som pekas ut som möjliga orsaker till förändringsbenägenheten inom branschen. Ytterligare en faktor som påverkar intresset för förändring kan vara att antalet kunniga hantverkare minskar på marknaden. Det kan därför vara svårt att få tag på hantverkare till de planerade arbetsuppgifterna och det kanske därför inte längre är ekonomiskt försvarbart att använda tidskrävande och ohälsosamma arbetsmetoder. Andra faktorer vilka kan tänkas påverka det ökade intresset för alternativa produktionsmetoder kan vara, en allt kortare byggtid och större av företagen kalkylerade risker i projekt. Alternativa produktionsmetoder och konstruktionstekniska lösningar är tillsammans med stora produktivitetsökningar fortfarande ganska ovanliga inom byggindustrin. Inom ramen för det här avhandlingsarbetet har kombinationen mellan buildability och Lean d.v.s. att skapa byggbarhet inom projekteringsstadiet och ett bra flöde för arbetsuppgifterna på arbetsplatsen sökts för att försöka förbättra anläggningsbyggandet i Sverige. Flera fullskaleprojekt har studerats samtidigt som en enkätundersökning genomförts för att försöka analysera aktörernas syn på byggbarhet och på dess påverkan på produktivitet på arbetsplatserna. Byggbarhet handlar om att ”projektera för enkelhet vid byggnationen” genom att spendera tillräckligt med kraft och energi i projekteringen. Konstruerbarhet handlar om att ”använda tillgängliga resurser på ett optimalt sätt”. Lean teorier och filosofier handlar om att skapa ett flöde av de ingående arbetsuppgifterna och se till att flödet sker utan avbrott. Det sker genom en att skapa en bra planering av arbetsuppgifternas innehåll och dess inbördes ordning så att de kan utföras utan avbrott så att produktionen optimeras. För att möjliggöra en introduktion av tex. förtillverkade armeringsenheter, kvarsittande betongformar och självkompakterande betong (SKB) behövs det skapas enkelhet i byggfasen. Enkelhet skapas i de tidiga skedena av ett projekt och fortsätter sedan genom samtliga projekteringsstadier av ett projekt fram till start byggnation. Enkelhet skapas genom att projekten projekteras så att det i förväg går att veta att de är fysiskt genomförbara. Alla involverade parter är därför tillsammans ansvariga för att skapa enkelhet i projekten. Fullskalestudierna visar att potentialen för att förbättra produktiviteten är stor. Vid införandet av förtillverkade armeringsenheter tex. rullarmering och armeringskorgar kan så mycket som 80% av tiden spenderad på att armera traditionellt sparas om användning av rullarmering möjliggörs. Omkring 65% av all tid spenderad på att gjuta traditionellt kan minskas om SKB används istället och om hantverkarna instrueras med andra arbetsuppgifter då det inte behöver vibrera betongen vid gjutning längre. Även arbetsmiljön blir förbättrad om alternativa arbetsmetoder möjliggörs, både förtillverkade armeringsenheter och SKB förbättrar arbetsmiljön med tre gånger i jämförelse med traditionella arbetsmetoder. Det ställs dock krav på att arbetet är väl planerat, kommunicerat och att hantverkarna förstår det innan det startar. En slutsats som arbetet tagit är att genom att kombinera dessa båda teorier och använda byggbarhetens ”projektera för” för att sedan kombinera det med att skapa ”enkelhet i byggnationen” genom att där använda lean teorier kan byggindustrin ta ett steg framåt i produktivitet på arbetsplatserna. Det blir möjligt om några viktiga faktorer hanteras på rätt sätt vid rätt ögonblick. Några av de viktiga faktorerna vilka är poängterade i avhandlingen är: • tidigt engagemang av entreprenören i projekten för att öka på byggkunskapen i projekteringsfasen, ett resultat av enkätundersökningen • projektera konstruktionerna i 3D och skapa lämpliga virtuella arbetsbeskrivningar för att hantverkarna ska kunna studera arbetsuppgifterna innan de ska utföras, ett resultat från fullskaleförsöken • planera arbetsuppgifterna och dess materialanvändning och hantering noga med hjälp av leanverktyg, ett resultat från fullskaleförsöken • se till att arbetsmiljön får tillräckligt med tillsyn och att det blir utarbetat på rätt sätt, det kommer att skapa hantverkare som känner sig trygga i sina arbetsuppgifter och som kan stanna kvar på marknaden. Ett resultat från flera fullskalestudier Tas det tillräcklig hänsyn till de här faktorerna och att det uppmuntras att arbeta med dem finns en stor potential för att öka produktiviteten på arbetsplatserna, öka på kvaliteten på de slutliga produkterna och att bygga till lägre kostnader i framtiden, det är en av de viktigaste slutsatserna i den här avhandlingen.Godkänd; 2011; 20110328 (petsim); DISPUTATION Opponent: PhD Peter F Court, Loughborough University, Leicestershire/Crown House Technologies Limited, United Kingdom, Ordförande: Professor Mats Emborg, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 29 april 2011, kl 10.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universite