Ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος προκοστολόγησης οδικών γεφυρών από σκυρόδεμα

Abstract

The present hindrance of transport projects’ financing from public and private sources renders necessary the thorough cost / benefit analysis of every planned project. Bridge construction absorbs significant percentage share of the total investment in road infrastructure. At the same time, it presents important budget overruns. Consequently, it is important to achieve reliable cost estimates during the preliminary project stages, when only the basic specifications and the initial technical solutions are known. Very few research studies concerning cost estimation of road bridges have been published till today. These studies rely mostly on theoretical resolutions of mathematic algorithms based on bridge design codes and not on actual data from constructed projects. Furthermore, they do not cover all bridges’ parts (foundation, piers, abutments, deck). At the same time, there is lack of available databases with actual construction and cost data from bridge projects. The present thesis covers the need for scientific research in the development of a complete cost estimate system for concrete road bridges that relies on a database with actual construction and cost data. Actual cost data from 111 constructed road bridges of the Egnatia Motorway in Northern Greece have been collected. The statistical processing led to estimates of the average construction cost per deck surface unit area for three bridge construction methods (precast beams placed by launching beam or crane, cast-in-situ and balanced cantilever). The research led to the conclusion that in order to achieve high accuracy in cost estimates, it is necessary to estimate the cost of the three basic components of the bridge (foundation, piers, deck) with independent statistical models. As a first step, an extensive database was established, in which detailed material quantities and cost data were recorded. A special application was developed with separate procedures to record data, conduct queries and present the results in reports. Special emphasis was given on the bridges of the Egnatia Motorway, from which the data sample was drawn. The adopted design codes, as well as the design and construction management procedures, are thoroughly described. The linear regression method was selected for the statistical processing of the collected data. The respective chapter of the thesis includes a brief review of the method’s general principles and assumptions, as well as the special issues that should be examined in order to verify its correct application. Variations of the linear regression method used for the selection of the best equation, as well as the necessity for the application of the bootstrap method in the regression were also examined. In order to estimate the piers’ foundation cost, a model with three distinct stages was developed: selection of foundation system, calculation of quantities of work and calculation of construction cost. A ground classification system, as well as an expert system are proposed, which allow the selection of the suitable type of foundation. The application of the backward stepwise regression methodology led to the development of prediction models for the quantities of concrete and reinforcing steel for the main foundation types. The regression’s major assumptions and statistical results were examined in order to confirm the validity and the satisfactory adaptation of the proposed models. Parametric ranges of the regression coefficients were proposed with the use of the bootstrap method. In order to estimate the cost of the bridge’s piers and superstructure, prediction models for the quantities of works for the three widely used construction methods mentioned above were developed with the use of regression analysis. The regression’s major assumptions and statistical results were examined, while a 10-fold validation method was applied in order to evaluate the prediction performance of the superstructure’s proposed models. Finally, a resampling method that provides parametric ranges of the superstructure cost was developed. The complete concrete road bridges’ cost estimate system was implemented with the use of "Java" programming language. The processes of data entry and production of the results of quantities of work, construction cost and parametric ranges were presented for two case examples of road bridges. The systems’ application allows the rapid comparison of alternative bridge design forms, in order to select the optimal solution from a technical and economical standpoint.

Η παρούσα δυσχέρεια χρηματοδότησης των οδικών έργων, τόσο από δημόσιους όσο και από ιδιωτικούς πόρους, καθιστά αναγκαία την εμπεριστατωμένη Ανάλυση Κόστους / Ωφελειών κάθε προγραμματιζόμενου έργου. Η κατασκευή γεφυρών απορροφά αξιόλογο ποσοστό των επενδύσεων σε οδικές υποδομές. Παράλληλα, παρουσιάζει διαχρονικά σημαντικές υπερβάσεις του προϋπολογισμού δαπάνης υλοποίησης. Κατά συνέπεια είναι εξαιρετικά σημαντικό να επιτευχθεί αξιόπιστη εκτίμηση της δαπάνης κατά το προκαταρκτικό στάδιο του έργου, κατά το οποίο μόνο οι βασικές προδιαγραφές και αρχικές τεχνικές λύσεις είναι γνωστές. Μέχρι σήμερα έχουν δημοσιευθεί ελάχιστες σχετικές εργασίες για οδικές γέφυρες. Οι εργασίες αυτές βασίζονται στις περισσότερες περιπτώσεις σε θεωρητικές επιλύσεις μαθηματικών αλγορίθμων με βάση κανόνες σχεδιασμού γεφυρών και όχι σε πραγματικά στοιχεία από κατασκευασμένα έργα και δεν καλύπτουν όλα τα τμήματα του έργου, από τη θεμελίωση έως την ανωδομή. Παράλληλα, εντοπίζεται έλλειψη διαθέσιμων βάσεων δεδομένων οδικών γεφυρών με πραγματικά στοιχεία κατασκευής και δαπάνης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έρχεται να καλύψει την ανάγκη επιστημονικής έρευνας για τη δημιουργία ολοκληρωμένου συστήματος προεκτίμησης της δαπάνης κατασκευής οδικών γεφυρών από σκυρόδεμα που θα στηρίζεται σε αντίστοιχη βάση δεδομένων με πραγματικά στοιχεία και δαπάνες κατασκευής. Ως πρώτη προσέγγιση της προεκτίμησης της δαπάνης οδικών γεφυρών από σκυρόδεμα, συλλέχθηκαν πραγματικά στοιχεία δαπάνης από 111 οδικές γέφυρες της Εγνατίας Οδού. Η επεξεργασία των στοιχείων οδήγησε σε εκτιμήσεις της μέσης δαπάνης κατασκευής γεφυρών ανά μονάδα επιφάνειας καταστρώματος για τρεις μεθόδους κατασκευής γεφυρών. Κατέστη σαφές ότι η επίτευξη αυξημένης ακρίβειας κατά την προεκτίμηση της δαπάνης κατασκευής γέφυρας προϋποθέτει την προεκτίμηση της δαπάνης των επιμέρους τριών βασικών συστατικών της (θεμελίωση, βάθρα, φορέας) με βάση ανεξάρτητα στατιστικά μοντέλα. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε εκτεταμένη βάση δεδομένων οδικών γεφυρών στην οποία καταγράφηκαν αναλυτικά στοιχεία ποσοτήτων εργασιών και δαπάνης. Αναπτύχθηκε ειδική εφαρμογή με ξεχωριστές διαδικασίες εισαγωγής δεδομένων, διεξαγωγής αναζητήσεων και παρουσίασης των αποτελεσμάτων με αναφορές. Στο σχετικό κεφάλαιο της διατριβής δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στις γέφυρες της Εγνατίας Οδού από τις οποίες αντλήθηκε το δείγμα δεδομένων. Περιγράφονται τα πρότυπα σχεδιασμού γεφυρών που υιοθετήθηκαν και οι διαδικασίες μελέτης και ελέγχου της κατασκευής που εφαρμόστηκαν. Για τη στατιστική επεξεργασία των συλλεχθέντων στοιχείων επιλέχθηκε η μέθοδος της γραμμικής παλινδρόμησης. Στο σχετικό κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται καταρχήν σύντομη επισκόπηση των γενικών αρχών και παραδοχών της μεθόδου και των ειδικότερων θεμάτων που πρέπει να εξετάζονται για την ορθή εφαρμογή της. Εξετάστηκαν επίσης, παραλλαγές της μεθόδου που χρησιμοποιούνται για την επιλογή της καλύτερης εξίσωσης, καθώς και η αναγκαιότητα και οι προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου «bootstrap» στην παλινδρόμηση. Για την εκτίμηση της δαπάνης των θεμελιώσεων των μεσοβάθρων γεφυρών αναπτύχθηκε μοντέλο που περιλαμβάνει τρία διακριτά στάδια: επιλογή του συστήματος θεμελίωσης, υπολογισμό των ποσοτήτων εργασιών και υπολογισμό της δαπάνης κατασκευής. Προτείνονται σύστημα ταξινόμησης εδαφών και έμπειρο σύστημα, τα οποία σε συνδυασμό επιτρέπουν την επιλογή του κατάλληλου τύπου θεμελίωσης. Με εφαρμογή της μεθοδολογίας παλινδρόμησης με προς τα πίσω απαλοιφή αναπτύχθηκαν μοντέλα εκτίμησης ποσοτήτων σκυροδέματος και χάλυβα οπλισμού για τους κυριότερους τύπους θεμελίωσης μεσοβάθρων. Εξετάστηκαν οι βασικές υποθέσεις της ανάλυσης γραμμικής παλινδρόμησης και οι στατιστικοί δείκτες ώστε να επιβεβαιωθεί η ισχύς και η ικανοποιητική προσαρμογή αντίστοιχα των προτεινόμενων μοντέλων. Επίσης προτάθηκαν παραμετρικά εύρη των συντελεστών παλινδρόμησης με χρήση της μεθόδου «bootstrap». Για την εκτίμηση της δαπάνης των μεσοβάθρων και της ανωδομής αναπτύχθηκαν με ανάλυση παλινδρόμησης μοντέλα πρόβλεψης των ποσοτήτων εργασιών για τρεις ευρέως χρησιμοποιούμενες μεθόδους κατασκευής γεφυρών. Εξετάσθηκαν οι βασικές υποθέσεις της μεθόδου της παλινδρόμησης και οι στατιστικοί δείκτες και εφαρμόστηκε η τεχνική επικύρωσης με 10 μέρη για την αξιολόγηση της ακρίβειας πρόβλεψης των προτεινόμενων μοντέλων εκτίμησης ποσοτήτων εργασιών της ανωδομής. Επίσης αναπτύχθηκε μέθοδος αναδιάταξης δείγματος για την εξαγωγή του εύρους εκτίμησης της δαπάνης της ανωδομής. Το ολοκληρωμένο σύστημα εκτίμησης της δαπάνης κατασκευής οδικών γεφυρών από σκυρόδεμα αναπτύχθηκε και υλοποιήθηκε με τη γλώσσα προγραμματισμού «Java». Για δυο παραδείγματα γεφυρών παρουσιάζονται αναλυτικά οι διαδικασίες εισαγωγής των δεδομένων, εξαγωγής των αποτελεσμάτων ποσοτήτων εργασιών και δαπάνης κατασκευής, καθώς και προσδιορισμού του εύρους εκτίμησης. Η εφαρμογή του συστήματος επιτρέπει την ταχεία σύγκριση εναλλακτικών μορφών σχεδιασμού γεφυρών, ώστε να επιλέγεται η βέλτιστη λύση από τεχνική και οικονομική πλευρά.