在裝配式建筑標準化設(shè)計的各種文獻中，“模塊化”是除“標準化”之外，出現(xiàn)頻次最多的關(guān)鍵詞之一。

1、現(xiàn)行標準中關(guān)于模塊和模塊化的論述

現(xiàn)行國家標準《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》GB/T 51231-2016、《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》GB/T 51232-2016中多次提到“模塊”和“模塊組合”（圖31），并指出“公共建筑應(yīng)采用樓電梯、公共衛(wèi)生間、公共管井、基本單元等模塊進行組合設(shè)計?！薄白≌ㄖ?yīng)采用樓電梯、公共管井、集成式廚房、集成式衛(wèi)生間等模塊進行組合設(shè)計?！?br data-filtered="filtered"/>

現(xiàn)行國家標準《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》GB/T 51233-2017中關(guān)于模塊和模塊組合，規(guī)定“模塊單元應(yīng)符合結(jié)構(gòu)獨立性，結(jié)構(gòu)體系相同性和可組合性的要求”；“模塊單元中設(shè)備應(yīng)為獨立的系統(tǒng)，并應(yīng)與整體建筑協(xié)調(diào)。”（圖32）

現(xiàn)行行業(yè)標準《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標準》JGJ/T469-2019中也要求應(yīng)采用模塊及模塊組合的設(shè)計方法，模塊應(yīng)進行標準化設(shè)計，應(yīng)優(yōu)化組合。（圖33，34）

中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程 》CECS334-2013關(guān)于模塊化組合房屋，指的是“以具有建筑使用功能的集裝箱箱體作為一個建筑單元模塊，組合構(gòu)成的房屋。簡稱集裝箱組合房屋?！睂τ谀K化設(shè)計，該規(guī)程規(guī)定了“基本模塊”和其它組件（構(gòu)件、配件和模塊）的關(guān)系（圖35，36）

2、學(xué)術(shù)論文中關(guān)于模塊和模塊化的論述

在中國知網(wǎng)（www.cnki.net)查詢關(guān)鍵詞“模塊化”，找到的文獻高達1.3萬篇，并且在近十年內(nèi)研究的關(guān)注度明顯呈現(xiàn)一波高峰。（圖37）

關(guān)于裝配式建筑模塊化，許多專家學(xué)者做了不同角度的研究，發(fā)表的論文也越來越多。

岑巖提出 “標準戶型是由起居室、臥室等幾個功能空間模塊組成，而標準戶型又是組成樓棟單元的模塊”?！霸趹粜椭?，每一個功能房間模塊拆分出來后，還可以繼續(xù)拆分出更小的模塊，如廚房，還可以拆分出洗滌池、灶臺、操作臺等模塊?！边@些拆分出來的細分模塊與市場產(chǎn)品對接，形成模塊化產(chǎn)品。[1]

孟建民和龍玉峰提出保障性住房模塊化設(shè)計方法，并將模塊分為5個層級。[2]

劉奕麟總結(jié)了模塊化在建筑空間領(lǐng)域的理論研究與案例,用圖解的方式分析了模塊的特征與組織關(guān)系?？偨Y(jié)與整理出了模塊的定義、特征與模塊之間的組織關(guān)系。用模塊化的理論設(shè)計了兒童空間與展覽空間兩組空間形態(tài)。[3]

李溪喧等運用模塊化的方法提出了一種譜系化、模塊化的住宅體系，編制成《板式住宅戶型模塊圖譜》和《板式住宅整樓模塊圖譜》。應(yīng)用這種體系，建筑師可根據(jù)項目需求快速地從圖譜中選擇合適的整樓模塊和戶型模塊后，再進行外觀設(shè)計，即可完成整棟樓的設(shè)計。[4]

葉浩文、樊則森等在裝配式建筑標準化設(shè)計方法中提出采用標準化的戶型模塊（衛(wèi)生間、廚房、餐廳、客廳、臥室）進行戶型標準化設(shè)計，通過模塊的邊界協(xié)同，以有限的模塊進行組合，實現(xiàn)戶型平面無限生長的標準化設(shè)計。[5]

綜上所述，不同專家、不同標準，都提出了裝配式建筑模塊化設(shè)計，那么，到底什么是“模塊”，如何進行“模塊化設(shè)計”，模塊化設(shè)計的適用范圍在哪里？

在裝配式建筑領(lǐng)域，目前的研究還未對以上問題進行深入闡述和剖析。

4.5.2. 什么是模塊與模塊化

童時中是國內(nèi)較早研究模塊化的專家，他認為：“所謂模塊，就是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元?！辈w納了模塊的4個特征：獨立功能、系統(tǒng)組成部分、通用互換的標準單元和接口結(jié)構(gòu)。“所謂模塊化, 就是為了取得很好的效益，從系統(tǒng)觀點出發(fā)，研究產(chǎn)品 (或系統(tǒng))的構(gòu)成形式，用分解和組合的方法，建立模塊體系，并運用模塊組合成產(chǎn)品(或系統(tǒng))的全過程?！盵6]

李春田等人在《標準化概論》提出：“模塊是由零部件組合而成的具有獨立功能、可單獨設(shè)計和制造的標準化單元，通過不同的形式的接口與其他單元組合成產(chǎn)品，具有可分、可合、可互換的特征。”[7]并將模塊的特征總結(jié)為5個方面：模塊具有獨立功能、模塊有高低層級、模塊是完整單元、模塊有各種形式接口和連接方式、模塊是標準化產(chǎn)品。

日本學(xué)者青木昌彥認為：“模塊是指半自律的子系統(tǒng)，通過與其他子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則相互聯(lián)系而構(gòu)成的更加復(fù)雜的系統(tǒng)或過程”。[8]

肖機靈和戴愛明認為，“把復(fù)雜的系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)、功能和技術(shù)耦合原則分拆成不同的獨立模塊，并使模塊之間通過標準化接口進行信息溝通的動態(tài)整合過程就叫做模塊化”。[9]

由此可見，模塊是復(fù)雜系統(tǒng)的組成部分，具有獨立的功能，可以進行再分解成子模塊，模塊可以進行組合和互換，模塊之間應(yīng)具有功能和結(jié)構(gòu)的接口。模塊由零部件組成，并可與零部件一起共同組成系統(tǒng)，但模塊不同于零部件，模塊是具有獨立功能的單元。

模塊化是以模塊為基礎(chǔ)，采用通用化、系列化、組合化等標準化形式，用于提升復(fù)雜系統(tǒng)快速響應(yīng)市場需求的一種標準化形式。

模塊化是標準化的一種高級形式，主要應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)、產(chǎn)品或工程中。

4.5.3. 模塊化的發(fā)展與優(yōu)勢

模塊化方法的出現(xiàn)，是由于工業(yè)化產(chǎn)品越來越復(fù)雜，整體開發(fā)新產(chǎn)品的周期越來越長、成本越來越高，不能快速適應(yīng)市場的需求。為了適應(yīng)市場競爭的要求，模塊化的方法在機械制行業(yè)率先得以運用。

20世紀20 年代，德國 SCHIESS公司對機床進行模塊化設(shè)計，將訂貨到交付的周期壓縮到4個月，大大提高了對市場的響應(yīng)速度。瑞典 Linden 公司采用模塊化方式生產(chǎn)起重設(shè)備——平頭塔機Linden8000，其適應(yīng)性和靈活性得以極大提高。德國DEMAG公司采用模塊化設(shè)計方法后，單梁吊車的設(shè)計費用僅為整機設(shè)計時的12%，生產(chǎn)成本卻下降了55%。

瑞典商用車公司Scania最早在汽車行業(yè)采用模塊化方法，在卡車和巴士的發(fā)動機和底盤中采用通用化零部件，比例高達85%，產(chǎn)品的開發(fā)效率和公司的贏利能力在行業(yè)中出類拔萃。[10]大眾汽車公司2007年推出發(fā)動機橫置模塊化平臺(MQB)，80%以上的零部件實現(xiàn)了通用。豐田推出的新全球架構(gòu)平臺(TNGA)，將零部件通用率從20%提高到了80%。

在電子領(lǐng)域模塊化應(yīng)用最著名的例子就是IBM在1964年發(fā)布的360計算機系統(tǒng)，采用了模塊化的設(shè)計，終結(jié)了計算機1944年問世后二十多年的整機制造“電腦工藝品”的歷史。[11] 從此以后，手工業(yè)生產(chǎn)方式在電子信息領(lǐng)域走到了盡頭，兼容機成為主流并得到了普及，大大推動了信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

4.5.4. 模塊化在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代汽車、輪船、飛機制造等行業(yè)中，已經(jīng)普遍采用模塊化進行設(shè)計、制造和裝配。

汽車行業(yè)在流水線生產(chǎn)之后，已經(jīng)普遍采用模塊化的設(shè)計和制造方式。在汽車行業(yè)，模塊叫做總成，即車身總成、動力總成、底盤總成、車輪與輪胎總成、內(nèi)飾與儀表總成五大部分，除車身總成由品牌汽車廠進行設(shè)計和制造，其他四個總成都可以由供應(yīng)商進行制造，在總裝線上進行裝配。汽車行業(yè)普遍采用系列化、標準化的模塊化制造和分級供應(yīng)商的模式，使得汽車制造的效度大大提高，汽車裝配的速度可以以小時計（23小時）。

近些年，越來越多的汽車制造商“去平臺化”，采用多個模塊的組合來生產(chǎn)不同的車型。馬自達公司采用模塊化方法，將不同的車型進行“批量企劃”，研發(fā)適用所有車型的主要通用模塊（也稱“通用架構(gòu)”）；豐田公司采用“豐田新全球架構(gòu)”，推進以發(fā)動機、變速器、起落架零件為中心的標準化；日產(chǎn)汽車將車輛構(gòu)成分為四個模塊，通過更換模塊的組合來開發(fā)各種車型；德國大眾公司采用模塊化工具包（Modular Toolkit）將現(xiàn)有平臺分解為幾個工具包，并基于這些模塊化工具包的組合來調(diào)整車輛尺寸，以適應(yīng)各處車型。[10]通用化的部件和零件，加上生產(chǎn)設(shè)備和加工過程的標準化，進一步提高了生產(chǎn)效率，提高了市場競爭力。

現(xiàn)代船舶的制造早已不再采用先船殼、再舾裝、后涂裝的造船方式，而是采用模塊化造船的方式進行制造。大型船舶由70～80個總段（模塊）在船臺或船塢里進行裝配，而總段又可分解成分段（分模塊），分段分解成組立（子模塊），組立則由鋼板和型鋼零部件焊接而成。模塊的制造在工廠的車間內(nèi)完成，采用“殼-舾-涂一體化”的方式進行生產(chǎn)，大大提高了造船的效率，降低了制造成本。

飛機、海洋平臺、空間站等大型復(fù)雜設(shè)備，無一不采用模塊化的方式進行設(shè)計和制造。

除了在產(chǎn)品制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，模塊化的應(yīng)用已經(jīng)擴展到了工程領(lǐng)域，并向企業(yè)管理方向進行發(fā)展。

根據(jù)不同的分類標準，模塊可以分為不同的類型，如按外在形式可以分為硬件模塊和軟件模塊；按互換性分類，可以分為功能模塊、結(jié)構(gòu)模塊和單元模塊。在不同系統(tǒng)、不同產(chǎn)品中，模塊可以根據(jù)需要進行不同的分類。

模塊是系統(tǒng)的組成部分，因此模塊也具有層次，高層級模塊由低一層級模塊組合而成，低層級模塊由零部件組成。[1]

由于復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)由模塊組成，模塊的功能是相對獨立的，因此模塊之間的接口是實現(xiàn)功能耦合和結(jié)構(gòu)整合的關(guān)鍵。

接口是各組成部分之間可傳遞功能的共享界面。模塊通過接口組成系統(tǒng)。接口可分為直接式接口和間接式接口（圖45），也可以分為單向、雙向和多向接口。

現(xiàn)行國家標準《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》GB/T 51231-2017和《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》GB/T 51232-2017兩部標準在條文說明中對于模塊之間的連接做了原則性的規(guī)定：

“關(guān)聯(lián)模塊間應(yīng)具備一定的邏輯及衍生關(guān)系，并預(yù)留統(tǒng)一的接口，模塊之間可采用剛性連接或柔性連接?！?br data-filtered="filtered"/>

“剛性連接模塊的連接邊或連接面的幾何尺寸、開口應(yīng)吻合，采用相同的材料和部品部件進行直接連接”；

“無法進行直接連接的模塊可采用柔性連接方式進行間接相連，柔性連接的部分應(yīng)牢固可靠，并需要對連接方式、節(jié)點進行詳細設(shè)計?！?/span>

事實上，接口是系統(tǒng)中物質(zhì)、能量、信息交換的界面[2]，因此，接口能否有效地將不同模塊結(jié)合到一起，對模塊化的成功具有舉足輕重的意義。許多不成功的模塊化案例，究其原因，對接口的開發(fā)沒有給予充分的重視、對接口的復(fù)雜性研究不充分，是失敗的重要原因。因此，接口應(yīng)作為一個系統(tǒng)進行開發(fā)。

1. 接口的定義應(yīng)明確，參數(shù)應(yīng)定量化。無法量化的界面劃分不能成為接口。

2. 接口一旦確定之后，應(yīng)保持穩(wěn)定。這是模塊化產(chǎn)品取得成功的基礎(chǔ)。

LEGO積木的接口十分簡單，且一直保持不變。

可換鏡頭相機也是模塊化產(chǎn)品，主要由機身、鏡頭和附件組成。以機身和鏡頭的接口為例，相機廠商開發(fā)相機系列時，鏡頭與機身的接口一般在定型之后會在很長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。以單反相機為例，佳能公司1987年推出EOS EF卡口鏡頭和相機，到2018年推出EOS R系列數(shù)碼微單，歷時30年，接口保持不變，EOS成為很受歡迎的相機產(chǎn)品之一。佳能公司2018年推出新的RF接口，更加適應(yīng)數(shù)碼微單相機的發(fā)展趨勢。（圖47，48）

瑞典商用汽車公司Scania采用模塊化方式生產(chǎn)卡車和巴士，動力總成、底盤和駕駛室等模塊之間的接口在產(chǎn)品推出之后就定型了，產(chǎn)品的技術(shù)改進是在模塊內(nèi)進行的?！敖涌诓蛔儭钡脑瓌t，使得技術(shù)進步能夠很快通過模塊更新快速響應(yīng)市場的需求，從而也保證了公司的贏利水平處于行業(yè)領(lǐng)先。[3]（圖49）

3. 接口應(yīng)保持先進性。成功的模塊化產(chǎn)品，應(yīng)保持一定的前瞻性，為產(chǎn)品的功能更新和拓展預(yù)留空間。

4. 接口的兼容性是模塊化產(chǎn)品開發(fā)中最重要的工作。由于模塊是由不同團隊分別進行開發(fā)的，因此，不同團隊對于功能、規(guī)格、信息的理解不同，對接口的理解也不同，很容易造成接口不兼容。這就需要系統(tǒng)的總設(shè)計師進行統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)，從頂層出發(fā)，對接口的規(guī)格、功能進行規(guī)劃，并綜合不同模塊的開發(fā)成果，對接口進行規(guī)范和統(tǒng)一。

5. 接口要根據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)、裝配和維修等不同階段的不同需求，進行統(tǒng)籌之后確定。產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)、裝配和維修階段的需求是不一樣的。在設(shè)計階段，設(shè)計模塊的接口更多是虛擬的界面，界面之間需要明確設(shè)計的內(nèi)容劃分、互相連通的幾何尺寸和功能要求；在生產(chǎn)階段，對界面的劃分更多側(cè)重在生產(chǎn)的協(xié)同、成組生產(chǎn)技術(shù)的工藝要求、以及生產(chǎn)流程的需要；在裝配階段，界面更加側(cè)重于裝配的效率、質(zhì)量的控制；當然界面的劃分也應(yīng)考慮維護維修的方便性。

6. 接口應(yīng)簡潔有效。過于復(fù)雜的接口設(shè)計，必然使生產(chǎn)、裝配和維修時的難度成倍增加。

4.5.6.  裝配式建筑模塊化設(shè)計

裝配式建筑是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，適合采用模塊化方法進行設(shè)計、生產(chǎn)和裝配。

裝配式建筑的模塊化設(shè)計，首先要進行總體規(guī)劃和頂層設(shè)計，根據(jù)建筑的功能和布局確定模塊、分模塊或子模塊的功能和種類，制定劃分的規(guī)則，明確劃分的界面，設(shè)計模塊之間的連接方式。

在裝配式建筑設(shè)計中如何定義和劃分模塊，相關(guān)的研究還比較少。

現(xiàn)行國家標準《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》GB/T 51231-2017、《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》GB/T 51232-2017提到：

“公共建筑應(yīng)采用樓電梯、公共衛(wèi)生間、公共管井、基本單元等模塊進行組合設(shè)計?！?br data-filtered="filtered"/>

“住宅建筑應(yīng)采用樓電梯、公共管井、集成式廚房、集成式衛(wèi)生間等模塊進行組合設(shè)計?！?/span>

孟建民、龍玉峰等在深圳市保障性住房標準化模塊化研究中，采用模塊化設(shè)計方法，將模塊劃分為5個層級——I級為功能單元模塊（如浴房、盥洗、管井等）由標準化部品部件組合而成、II 級為功能空間模塊（如衛(wèi)生間、臥室、餐廳等）由I級模塊組合而成、III級為基本模塊（戶型模塊和樓電梯交通核心模塊）由II級模塊組合而成、IV級為組合模塊（標準層模塊、架空層模塊、屋面模塊）由III級模塊組合而成、V級為樓棟模塊，由IV級模塊組合而成。V級模塊向上組合成社區(qū)。[4]（圖50）

建筑師試圖通過模塊層級劃分架起用戶、設(shè)計師和生產(chǎn)廠家連接的橋梁，使得住宅的模塊化設(shè)計具有可實施性。

從設(shè)計角度來看，以上的劃分方法對裝配式建筑設(shè)計是可行的。模塊劃分由大到小，從社區(qū)到樓棟、從單元到戶型、從房間到部品，最終將模與部件結(jié)合起來，使得設(shè)計工作可以遵循一條比較清晰的層次進行逐級深化。

但是，這種模塊劃分方式也存在其他問題。

首先，模塊層級偏多，造成模塊之間的組合關(guān)系十分復(fù)雜；

其次，模塊之間的界面多，很難統(tǒng)一，接口的幾何尺寸多到幾乎不可能定型；

另外，在建筑部（構(gòu)）件的生產(chǎn)和施工裝配過程中，并非按照由小模塊到大模塊的方式逐級進行的。

所以，5級模塊的劃分，雖然有助于設(shè)計師理清設(shè)計的邏輯，但由于模塊之間很難劃分清楚，模塊種類繁多，以至于難以對模塊進行定義，也很難指導(dǎo)生產(chǎn)和裝配。

因此，裝配式建筑模塊的劃分和接口的確定，應(yīng)將設(shè)計、生產(chǎn)和裝配階段的需求統(tǒng)一考慮。

裝配式建筑進行模塊化設(shè)計，首先要對建筑的功能按照系統(tǒng)化方式進行布置，將具有相同或相似功能、尺寸的組成部分按照模塊的方式進行設(shè)計；同時，模塊之間的接口是設(shè)計的重點，要對接口的功能進行分類，使之符合互換性的原理，同時對接口的尺寸進行研究，使之能夠在雙向或多向上進行連接。每個模塊具有相對獨立的功能，模塊之間接口需要進行標準化設(shè)計，在功能和尺寸上進行標準化，使之具有互換性，保證模塊之間可以進行雙向或多向連接。

4.5.7.  模塊化建筑

模塊化在裝配式建筑上應(yīng)用的最經(jīng)典案例當屬模塊化建筑（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，PPVC）。模塊化建筑采用混凝土或者鋼骨架，做成箱體模塊，模塊內(nèi)部裝修在工廠內(nèi)完成，外窗一般也一同安裝在外墻上，內(nèi)部管線基本敷設(shè)到位。模塊運輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場，進行模塊之間的連接，形成整體。

模塊在工廠內(nèi)進行制造，基本上可以完成95%的工作，是典型的場外建造模式，具有效率高、質(zhì)量好的優(yōu)勢。

比較有名的模塊化建筑的案例有：加拿大蒙特利爾綜合性居住體Habitat67（圖51）、日本東京中銀艙體大樓（圖52）、美國圣安東尼奧河濱步道的希爾頓酒店、英國伍爾弗漢普頓大學(xué)學(xué)生宿舍、新加坡樟宜機場皇冠假日酒店擴建二期工程（圖53）等。[5]

在國內(nèi)應(yīng)用較早的模塊化建筑項目有鎮(zhèn)江港南路公租房[6]、雄安市民服務(wù)中心企業(yè)辦公區(qū)（圖56）、景德鎮(zhèn)景德鎮(zhèn)錦榮外國語學(xué)校 。近幾年，中集集團建設(shè)了深圳福田區(qū)5所模塊化學(xué)校，創(chuàng)出半年時間建成5所新學(xué)校的“加速度” 。[7]

模塊化（集裝箱）建筑是高度集成的技術(shù)體系，與傳統(tǒng)建造技術(shù)相比具有本質(zhì)的區(qū)別。模塊化建筑，具有現(xiàn)場建造與工廠預(yù)制兩個部分，因此，科學(xué)地分配這兩部分的工作量，以成本最優(yōu)為目標是下一步研究的重點。[8]