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前文概要
《装配式建筑｜再论设计标准化（1）》提出设计标准化是制约装配式建筑发展的瓶颈，讨论了什么是“标准化”、为谁“标准化”的问题；
《装配式建筑｜再论设计标准化（2）》提出标准化的形式有6种，并讨论了“简化”和“统一化”2种形式。
《装配式建筑｜再论设计标准化（3）》讨论了标准化6种形式中的“通用化”。
《装配式建筑｜再论设计标准化（4）》讨论了标准化6种形式中的“系列化”和“组合化”。
《装配式建筑｜再论设计标准化（5）-模块化（上）》初步讨论了标准化6种形式中的“模块化”。
前文目录
1.设计标准化程度低下是制约当前装配式建筑发展的头号问题
2.什么是标准化？
3.为谁“标准化”？
4.标准化的形式有哪些？
4.1简化和统一化
4.2 通用化
4.3 系列化
4.4 组合化
4.5 模块化
此处承接上文，继续讨论标准化6种形式中的“模块化” 方法。
4.5. 模块化
4.5.5. 模块的分类、层级与接口
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分类 |
特点 |
不足 |
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基于功能 |
强调功能模块，通过功能组合产生新产品，满足客户个性化需求 |
缺乏对零部件结构及模块外部接口结构的考虑，影响生产装配效率 |
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基于功能和结构 |
同时考虑产品零部件功能和结构的联系，利于模块组装，便于改进升级 |
考虑模块化设计的影响因素不够全面，没有考虑外部市场因素 |
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面向全生命期 |
面向研发阶段 |
方便产品的研发工作、缩短研发周期、便于研发团队协作、敏感信息保护等 |
虽具有一定的针对性优点，但对其他阶段缺乏考虑，容易出现设计不合理的情况 |
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面向生产制造阶段 |
强调模块的可制造性，降低生产制造成本 |
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面向售后阶段 |
强调拆装便利性、降低维修成本、绿色回收减排 |
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面向全生命期 |
考虑生命周期各阶段的需求，平衡各阶段的有效性 |
整体有效性依赖于不同需求的权重评估，同时也失去了针对性优势 |
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来源：赵京，张晓丹，张自强，苗磊，模块化机械装备及其设计方法研究综述[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）,2021.10
模块是系统的组成部分，因此模块也具有层次，高层级模块由低一层级模块组合而成，最低层级模块由零部件组成。[1]
由于复杂产品或系统由模块组成，模块的功能是相对独立的，因此模块之间的接口是实现功能耦合和结构整合的关键。
接口是各组成部分之间可传递功能的共享界面。模块通过接口组成系统。接口可分为直接式接口和间接式接口（图45），也可以分为单向、双向和多向接口。
图45 模块接口类型，图片来源：根据童时中《模块化原理设计方法与应用》改绘
现行国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231-2017和《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T 51232-2017两部标准在条文说明中对于模块之间的连接做了原则性的规定：
“关联模块间应具备一定的逻辑及衍生关系，并预留统一的接口，模块之间可采用刚性连接或柔性连接。”
“刚性连接模块的连接边或连接面的几何尺寸、开口应吻合，采用相同的材料和部品部件进行直接连接”；
“无法进行直接连接的模块可采用柔性连接方式进行间接相连，柔性连接的部分应牢固可靠，并需要对连接方式、节点进行详细设计。”
事实上，接口是系统中物质、能量、信息交换的界面[2]，因此，接口能否有效地将不同模块结合到一起，对模块化的成功具有举足轻重的意义。许多不成功的模块化案例，究其原因，对接口的开发没有给予充分的重视、对接口的复杂性研究不充分，是失败的重要原因。因此，接口应作为一个系统进行开发。
1. 接口的定义应明确，参数应定量化。无法量化的界面划分不能成为接口。
2. 接口一旦确定之后，应保持稳定。这是模块化产品取得成功的基础。
LEGO积木的接口十分简单，且一直保持不变。
图46 LEGO玩具接口十分简单——精密的圆形凸点和方形凹口
可换镜头相机也是模块化产品，主要由机身、镜头和附件组成。以机身和镜头的接口为例，相机厂商开发相机系列时，镜头与机身的接口一般在定型之后会在很长一段时间内保持稳定。以单反相机为例，佳能公司1987年推出EOS EF卡口镜头和相机，到2018年推出EOS R系列数码微单，历时30年，接口保持不变，EOS成为最受欢迎的相机产品之一。佳能公司2018年推出新的RF接口，更加适应数码微单相机的发展趋势。（图47，48）
图47 佳能相机EOS EF接口，来源：佳能EF镜头产品宣传册
图48 佳能相机2018年新推出的RF接口，触点增加到11个，来源：佳能EF镜头产品宣传册
瑞典商用汽车公司Scania采用模块化方式生产卡车和巴士，动力总成、底盘和驾驶室等模块之间的接口在产品推出之后就定型了，产品的技术改进是在模块内进行的。“接口不变”的原则，使得技术进步能够很快通过模块更新快速响应市场的需求，从而也保证了公司的赢利水平处于行业领先。[3]（图49）
图49 瑞典Scania公司卡车， 图片来源：Scania公司官网
3. 接口应保持先进性。成功的模块化产品，应保持一定的前瞻性，为产品的功能更新和拓展预留空间。
4. 接口的兼容性是模块化产品开发中最重要的工作。由于模块是由不同团队分别进行开发的，因此，不同团队对于功能、规格、信息的理解不同，对接口的理解也不同，很容易造成接口不兼容。这就需要系统的总设计师进行统筹和协调，从顶层出发，对接口的规格、功能进行规划，并综合不同模块的开发成果，对接口进行规范和统一。
5. 接口要根据设计、生产、装配和维修等不同阶段的不同需求，进行统筹之后确定。产品在设计、生产、装配和维修阶段的需求是不一样的。在设计阶段，设计模块的接口更多是虚拟的界面，界面之间需要明确设计的内容划分、互相连通的几何尺寸和功能要求；在生产阶段，对界面的划分更多侧重在生产的协同、成组生产技术的工艺要求、以及生产流程的需要；在装配阶段，界面更加侧重于装配的效率、质量的控制；当然界面的划分也应考虑维护维修的方便性。
6. 接口应简洁有效。过于复杂的接口设计，必然使生产、装配和维修时的难度成倍增加。
4.5.6. 装配式建筑模块化设计
装配式建筑是复杂的系统工程，适合采用模块化方法进行设计、生产和装配。
装配式建筑的模块化设计，首先要进行总体规划和顶层设计，根据建筑的功能和布局确定模块、分模块或子模块的功能和种类，制定划分的规则，明确划分的界面，设计模块之间的连接方式。
在装配式建筑设计中如何定义和划分模块，相关的研究还比较少。
现行国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231-2017、《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T 51232-2017提到：
“公共建筑应采用楼电梯、公共卫生间、公共管井、基本单元等模块进行组合设计。”
“住宅建筑应采用楼电梯、公共管井、集成式厨房、集成式卫生间等模块进行组合设计。”
孟建民、龙玉峰等在深圳市保障性住房标准化模块化研究中，采用模块化设计方法，将模块划分为5个层级——I级为功能单元模块（如浴房、盥洗、管井等）由标准化部品部件组合而成、II 级为功能空间模块（如卫生间、卧室、餐厅等）由I级模块组合而成、III级为基本模块（户型模块和楼电梯交通核心模块）由II级模块组合而成、IV级为组合模块（标准层模块、架空层模块、屋面模块）由III级模块组合而成、V级为楼栋模块，由IV级模块组合而成。V级模块向上组合成社区。[4]（图50）
图50 具有层级的保障性住房标准化模块化，图片来源：根据孟建民,龙玉峰,丁宏,颜小波. 深圳市保障性住房标准化模块化设计研究[J]. 建筑技艺,2014,(06):37-43.改绘
建筑师试图通过模块层级划分架起用户、设计师和生产厂家连接的桥梁，使得住宅的模块化设计具有可实施性。
从设计角度来看，以上的划分方法对装配式建筑设计是可行的。模块划分由大到小，从社区到楼栋、从单元到户型、从房间到部品，最终将模与部件结合起来，使得设计工作可以遵循一条比较清晰的层次进行逐级深化。
但是，这种模块划分方式也存在其他问题。
首先，模块层级偏多，造成模块之间的组合关系十分复杂；
其次，模块之间的界面多，很难统一，接口的几何尺寸多到几乎不可能定型；
另外，在建筑部（构）件的生产和施工装配过程中，并非按照由小模块到大模块的方式逐级进行的。
所以，5级模块的划分，虽然有助于设计师理清设计的逻辑，但由于模块之间很难划分清楚，模块种类繁多，以至于难以对模块进行定义，也很难指导生产和装配。
因此，装配式建筑模块的划分和接口的确定，应将设计、生产和装配阶段的需求统一考虑。
装配式建筑进行模块化设计，首先要对建筑的功能按照系统化方式进行布置，将具有相同或相似功能、尺寸的组成部分按照模块的方式进行设计；同时，模块之间的接口是设计的重点，要对接口的功能进行分类，使之符合互换性的原理，同时对接口的尺寸进行研究，使之能够在双向或多向上进行连接。每个模块具有相对独立的功能，模块之间接口需要进行标准化设计，在功能和尺寸上进行标准化，使之具有互换性，保证模块之间可以进行双向或多向连接。
4.5.7. 模块化建筑
模块化在装配式建筑上应用的最经典案例当属模块化建筑（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，PPVC）。模块化建筑采用混凝土或者钢骨架，做成箱体模块，模块内部装修在工厂内完成，外窗一般也一同安装在外墙上，内部管线基本敷设到位。模块运输到工地现场，进行模块之间的连接，形成整体。
模块在工厂内进行制造，基本上可以完成95%的工作，是典型的场外建造模式，具有效率高、质量好的优势。
比较有名的模块化建筑的案例有：加拿大蒙特利尔综合性居住体Habitat67（图51）、日本东京中银舱体大楼（图52）、美国圣安东尼奥河滨步道的希尔顿酒店、英国伍尔弗汉普顿大学学生宿舍、新加坡樟宜机场皇冠假日酒店扩建二期工程（图53）等。[5]
图51 加拿大蒙特利尔综合性居住体Habitat67，1967年，Moshe Safdie设计，由354个盒子构件组成，包含了商店等公共设施，图片来自网络
图52 日本东京中银舱体大楼，1972年，黑川纪章设计。图片来自网络
图55 新加坡樟宜机场皇冠假日酒店扩建二期工程（2016年，WOHA设计事务所/澳大利亚UB/优毕（上海）建筑科技有限公司，6个月完成。来源：http://www.360doc.com/content/16/1107/15/30514273_604622298.shtml
在国内应用较早的模块化建筑项目有镇江港南路公租房[6]、雄安市民服务中心企业办公区（图56）、景德镇景德镇锦荣外国语学校 。近几年，中集集团建设了深圳福田区5所模块化学校，创出半年时间建成5所新学校的“加速度” 。[7]
图56 雄安市民服务中心企业办公区，摄影：张广源
模块化（集装箱）建筑是高度集成的技术体系，与传统建造技术相比具有本质的区别。模块化建筑，具有现场建造与工厂预制两个部分，因此，科学地分配这两部分的工作量，以成本最优为目标是下一步研究的重点。[8]
（未完待续）
[1]李春田 主编 房庆，王平 副主编.标准化概论[M]. 北京：中国人民大学出版社，2014第6版）
[2]童时中.模块化原理设计及应用[M].北京：中国标准出版社，2000
[3]日经制造编辑部.精益制造070：模块化设计[M]. 刘晓晓译 北京：东方出版社，2021.
[4]孟建民,龙玉峰,丁宏,颜小波.深圳市保障性住房标准化模块化设计研究[J]. 建筑技艺,2014,(06):37-43.
[5]（美）瑞安·E.史密斯，装配式建筑——模块化设计和建造导论[M]. 王飞，张涵，李永 振译. 北京：中国建筑工业出版社，2020.
[6]王羽,易国辉,娄霓,李海蓉.模块建筑体系的引进与实践——镇江港南路公租房小区[J].城市住宅,2014(12):9-14.
[7]半年时间建成5所新学校，中集模块化团队跑出建设“加速度”，潇湘晨报，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1684850545782432185&wfr=spider&for=pc
[8]程克青.集装箱怎样改变世界——兼谈模块化建筑创新[J].住宅与房地产,2021(26):20-25.
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