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

1、現(xiàn)行標準中關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標準》GB/T 51231-2016、《裝配式鋼結構建筑技術標準》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計?！薄白≌ㄖ捎脴请娞荨⒐补芫?、集成式廚房、集成式衛(wèi)生間等模塊進行組合設計?！?br data-filtered="filtered"/>

現(xiàn)行國家標準《裝配式木結構建筑技術標準》GB/T 51233-2017中關于模塊和模塊組合，規(guī)定“模塊單元應符合結構獨立性，結構體系相同性和可組合性的要求”；“模塊單元中設備應為獨立的系統(tǒng)，并應與整體建筑協(xié)調(diào)?！保▓D32）

現(xiàn)行行業(yè)標準《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》JGJ/T469-2019中也要求應采用模塊及模塊組合的設計方法，模塊應進行標準化設計，應優(yōu)化組合。（圖33，34）

中國工程建設標準化協(xié)會標準《集裝箱模塊化組合房屋技術規(guī)程 》CECS334-2013關于模塊化組合房屋，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，組合構成的房屋。簡稱集裝箱組合房屋。”對于模塊化設計，該規(guī)程規(guī)定了“基本模塊”和其它組件（構件、配件和模塊）的關系（圖35，36）

2、學術論文中關于模塊和模塊化的論述

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

關于裝配式建筑模塊化，許多專家學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。”這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計方法，并將模塊分為5個層級。[2]

劉奕麟總結了模塊化在建筑空間領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系。總結與整理出了模塊的定義、特征與模塊之間的組織關系。用模塊化的理論設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，再進行外觀設計，即可完成整棟樓的設計。[4]

葉浩文、樊則森等在裝配式建筑標準化設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計，那么，到底什么是“模塊”，如何進行“模塊化設計”，模塊化設計的適用范圍在哪里？

在裝配式建筑領域，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構的、典型的通用獨立單元。”并歸納了模塊的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構。“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?！盵7]并將模塊的特征總結為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)系而構成的更加復雜的系統(tǒng)或過程”。[8]

肖機靈和戴愛明認為，“把復雜的系統(tǒng)按照結構、功能和技術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，模塊之間應具有功能和結構的接口。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，采用通用化、系列化、組合化等標準化形式，用于提升復雜系統(tǒng)快速響應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，主要應用于復雜系統(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，不能快速適應市場的需求。為了適應市場競爭的要求，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速度。瑞典 Linden 公司采用模塊化方式生產(chǎn)起重設備——平頭塔機Linden8000，其適應性和靈活性得以極大提高。德國DEMAG公司采用模塊化設計方法后，單梁吊車的設計費用僅為整機設計時的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平臺(TNGA)，將零部件通用率從20%提高到了80%。

在電子領域模塊化應用最著名的例子就是IBM在1964年發(fā)布的360計算機系統(tǒng)，采用了模塊化的設計，終結了計算機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的發(fā)展和應用。

4.5.4. 模塊化在現(xiàn)代制造業(yè)中的應用

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計和制造，其他四個總成都可以由供應商進行制造，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”）；豐田公司采用“豐田新全球架構”，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，以適應各處車型。[10]通用化的部件和零件，加上生產(chǎn)設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、空間站等大型復雜設備，無一不采用模塊化的方式進行設計和制造。

除了在產(chǎn)品制造領域得到廣泛應用，模塊化的應用已經(jīng)擴展到了工程領域，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、結構模塊和單元模塊。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)功能耦合和結構整合的關鍵。

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標準》GB/T 51231-2017和《裝配式鋼結構建筑技術標準》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：

“關聯(lián)模塊間應具備一定的邏輯及衍生關系，并預留統(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，柔性連接的部分應牢固可靠，并需要對連接方式、節(jié)點進行詳細設計。”

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、對接口的復雜性研究不充分，是失敗的重要原因。因此，接口應作為一個系統(tǒng)進行開發(fā)。

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

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

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)品的技術改進是在模塊內(nèi)進行的?！敖涌诓蛔儭钡脑瓌t，使得技術進步能夠很快通過模塊更新快速響應市場的需求，從而也保證了公司的贏利水平處于行業(yè)領先。[3]（圖49）

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

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)品在設計、生產(chǎn)、裝配和維修階段的需求是不一樣的。在設計階段，設計模塊的接口更多是虛擬的界面，界面之間需要明確設計的內(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考慮維護維修的方便性。

6. 接口應簡潔有效。過于復雜的接口設計，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計

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

裝配式建筑的模塊化設計，首先要進行總體規(guī)劃和頂層設計，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，設計模塊之間的連接方式。

在裝配式建筑設計中如何定義和劃分模塊，相關的研究還比較少。

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

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

“住宅建筑應采用樓電梯、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、設計師和生產(chǎn)廠家連接的橋梁，使得住宅的模塊化設計具有可實施性。

從設計角度來看，以上的劃分方法對裝配式建筑設計是可行的。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，最終將模與部件結合起來，使得設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系十分復雜；

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）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，雖然有助于設計師理清設計的邏輯，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，應將設計、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計；同時，模塊之間的接口是設計的重點，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學生宿舍、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)錦榮外國語學校 。近幾年，中集集團建設了深圳福田區(qū)5所模塊化學校，創(chuàng)出半年時間建成5所新學校的“加速度” 。[7]

模塊化（集裝箱）建筑是高度集成的技術體系，與傳統(tǒng)建造技術相比具有本質(zhì)的區(qū)別。模塊化建筑，具有現(xiàn)場建造與工廠預制兩個部分，因此，科學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]