基于大规模定制的箱式模块化住宅设计策略研究.pdf
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1、87第 49 卷 第 5 期2023 年10月四川建筑科学研究Sichuan Building Science基于大规模定制的箱式模块化住宅设计策略研究李德新,王银星(河北工业大学建筑与艺术设计学院,天津 300401)摘 要:模块化住宅作为高度工业化的产业化住宅类型,其模块化的设计、建造方式是大规模定制住宅研究的优秀范本。对箱式模块化(pre-fabricated pre-finished volumetric construction,简称 PPVC)住宅的设计方式和大规模定制的生产方式进行了剖析,从产品系统的角度提出了 PPVC 住宅定制设计柔性化和箱体设计类型化的策略,以优化在大规模定
2、制设计中因模块化系统的复杂性和个性化需求而带来的问题。关键词:大规模定制;箱式模块化;住宅DOI:10.19794 ki.1008-1933.2023.0064中图分类号:TU241 文献标志码:A 文章编号:1008-1933(2023)05-0087-09Researchonthedesignstrategyofpre-fabricatedpre-finishedvolumetricconstructionhousingbasedonmasscustomizationLI Dexin,WANG Yinxing(School of Architecture Art Design,Hebei
3、University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:As a highly industrialized housing type,the modular design and construction method of PPVC housing is an excellent model of mass customization housing research.The PPVC housing design mode and mass customization production mode were analyzed,fro
4、m the angle of product system,the PPVC housing custom design flexibility and box typed modular design strategies were put forward to optimize the problems caused by the complexity and personalized needs of the modular system in mass customization design.Keywords:mass customization;PPVC;housing收稿日期:2
5、022-11-18基金项目:国家自然科学基金项目(52078178)第一作者:李德新(1975),男,博士研究生,高级工程师,研究方向为建筑设计及其理论。E-mail:1402022429 0 引言大规模定制是利用高效的生产力解决差异性需求的一种生产方式1,已经在制造业中进行了应用。目前中国的住宅设计还处于标准化、同质化的大规模建造阶段,未能充分调动生产力满足个性化的需求,大规模定制是下个阶段发展的一个重要方向2。PPVC 住宅是一种高度工业化的产业化住宅形式,其设计和建造都是基于标准化的箱体模块展开的,模块化的设计方式是解决多样性的重要方法,工厂化的制造形式能够保障大规模生产的标准化需求,符
6、合大规模定制住宅的基本要求,是研究大规模定制住宅的优秀住宅设计形式。如何优化 PPVC 住宅的设计形式来更好地适应大规模定制设计的要求是相当重要的。88第 49 卷四川建筑科学研究1 研究背景1.1 PPVC住宅的发展现状PPVC 住宅是指运用 PPVC 建造体系的住宅建筑类型,在香港又被叫做 MiC(modular integrated construction)住宅,是面向建筑制造和装配设计(design for manufacturing and assembly,简称DfMA)的一种高层级的表达方式。PPVC 建筑是由箱体模块单元组成的,预先在工厂将箱式模块单元生产好,运输到场地后像堆
7、积木一般吊装起来形成建筑整体(图 1)。图 1 PPVC住宅Fig.1 PPVChousingPPVC 住宅的模块按照材料可以分为钢筋混凝土模块、钢结构模块和木结构模块。在设计时就需要对整个设计、制造、运输、吊装过程的工作进行考虑。PPVC 住宅在国外已经发展了很长时间,技术较为成熟,但是在中国,其设计研究才刚起步。目前,世界上箱式建筑应用较多的国家已有 20 多个,随着结构技术的突破,箱式建筑也逐渐由低层向高层发展,现今最高的箱式建筑是新加坡的 2 栋住宅楼,已达到了 40 层。新加坡、澳大利亚、日本、加拿大等国家都在箱式建筑的理论研究与实践领域做出了较大的贡献。中国的建筑工业化开始于 20
8、 世纪 50 年代,箱式建筑则在 70 年代末开始实践。青岛、北京、南通等地从 1979 年起陆续开始了箱式建筑的实践。许多专门从事箱式建筑的生产企业开始涌 现,例如中集集团、上海优必、威信广厦、常熟雅致、远大科技等,它们有着相对成熟的技术和完备的生产条件。以中集集团为例,2016 年至今已经在国内外落地了 32 个 PPVC 建筑项目。1.2 大规模定制概念大规模定制(mass customization)的概念来源于福特公司为用户提供多样化工业化汽车的要求,目前在数码和服装等产业上已经充分使用。大规模定制的生产方式是在大规模生产标准化的基础上,通过协调标准化模式下构件的差异性来生产符合用户
9、个性化需求的产品,一方面是通过大规模定制解决生产效率低下和生产成本高昂的问题,另一方面是通过定制化的服务解决产品不能满足用户多样化需求的问题3。麦肯锡报告4指出,在建筑业急求转型的今天,产品化的路径、供应链的集成和以客户为中心的转型方向是建筑业下一阶段的目标,与此同时,现阶段中国住宅产业的供给模式已经开始从增量的标准化向存量的定制化方向发展,大规模定制住宅是中国住宅产业未来发展的新契机。王江等5为了应对当前国际大规模定制住宅的挑战,提出了如何从建筑师的角度制定设计规则去实现定制设计的灵活性,以解决用户个性化的需求如何在工业化生产中以某种适应性模式转译出来,即如何在标准化生产的基础上满足个性化需
10、求的问题。1.3 PPVC住宅大规模定制的可行性在 2017 年的第 26 届世界建筑大会上,大规模定制被认为是未来建筑行业和住宅产业进行生产变革升级的关键方向。PPVC 住宅的优点是具有工厂化的生产、模块化的设计和标准化的系统,符合住宅大规模定制的基本要求,是工业化住宅走向大规模定制的关键一步。B约瑟夫派恩于 1993 年在 大规模定制企业竞争的新前892023 第 5 期李德新,等:基于大规模定制的箱式模块化住宅设计策略研究沿 一书中指明,大规模定制是基于工业化生产和大规模生产发展而成的一种可以适应大规模标准化产品和定制产品的生产、定制产品与服务可根据需要发生在任何位置、模块化的生产模式能
11、够被迅速构建、对整个产业链能迅速响应和协调的新时代生产方式6。所以,对于大规模定制来说,PPVC 住宅符合以大规模的标准化生产为前提,再对用户的个性化需求进行差异化满足的要求。2 PPVC住宅大规模定制的设计方法2.1 大规模定制的模块化设计方式2.1.1 模块化系统下的设计大规模定制背景下的 PPVC 住宅是在模块化系统规则下的设计,模块化系统包括设计规则和设计方法。设计规则是对模块化设计进行规范,以保证标准化的基本要求;设计方法是对模块化的设计表达,以保证产品的输出正确、高效。典型的 PPVC 设计方法如图 2 所示。由图 2 可知,典型的模块化系统是先对各部分模块的设计规则进行约束,包括
12、模块的类型、模块的尺度、模块的组合规则等,然后将功能模块组合形成箱体模块,箱体模块再相互组合形成户型模块,最后通过户型模块的相互组合形成楼型,完成整个设计流程。在设计的过程中,需要统筹考虑各层级模块之间的关系,循环往复地对模块进行推敲,不能只考虑某一部分的设计。图 2 典型的 PPVC设计方法Fig.2 TypicalPPVCdesignmethod2.1.2 模块化设计带来的挑战PPVC 建造方式与传统建造方式下的住宅设计方法存在较大差异:一方面是设计流程不同,PPVC 的设计流程是非线性的,是在全局统筹考虑下,多方共同参与的设计;另一方面是设计的内容不同,PPVC 的设计内容是以产品为导向
13、的模块化系统和模块化设计。所以在大规模定制的背景下,模块化设计的主要挑战是对模块化系统的建立和对模块的标准化和个性化设计,如何在复杂的模块化系统下简化设计规则与设计内容对设计输出的产品内容、产品质量和产品效率是至关重要的。2.2 大规模定制的程度化生产方式2.2.1 程度化的生产方式大规模定制住宅的生产方式是可以给企业增加利润的。一方面,是因为定制化产品对顾客的精确服务可以提高顾客的满意度从而提高回购率和口碑;另一方面,定制化产品是先进技术的代表,满足顾客个性化需求的同时,也能促进企业的技术研发,提高产品的竞争力。但是,不同程度的定制给企业和顾客带来的影响是不同的,结合顾客的需求和消费水平以及
14、企业的技术水平和生产90第 49 卷四川建筑科学研究利润,进行灵活化的定制以充分提高企业的竞争力和利润回报率。Lampel 等7在研究中论述了大规模定制依据用户的参与程度和定制的程度关系,并提出了 5 种不同程度的类型,在 PPVC 住宅中的对应关系如图 3 所示。图 3 大规模定制程度类型Fig.3 Degreetypeofmasscustomization完全标准化:生产的产品没有定制服务,产品全部由企业标准化生产,用户只能从企业提供的产品中进行选择,不能参与设计过程;分段标准化:定制发生在产品的供应阶段,用户从企业提供的不同模块产品中进行选择,最后按照选择的模块进行组装形成最终产品,企业
15、的生产成本低,用户的可选择性小;定制标准化:定制发生在产品的生产组装阶段,用户从企业提供的不同标准化构件、组件中进行选择,最后按照选择的构件、组件进行模块组装,形成最终产品,企业的生产成本高,用户的可选择性适中;特制标准化:定制发生在产品的构件、组件生产阶段,用户的可选性高,企业的生产成本高;完全定制化:定制发生在方案设计阶段,从方案设计到构件选择都有用户参与,企业成本高,对设计的系统标准化程度要求高。由以上分析可以得到,定制的程度取决于用户参与的程度。用户参与得越早,企业的定制成本越高,对设计系统的标准化程度要求也越高,产品的售价也越高。平衡售价和成本之间的投入产出比是提高企业利润率的关键要
16、求,即在定制程度中找到适合企业最大化利润的程度,来提高企业整体的利润率。从用户的角度来说,用户存在费用差异化、个性化需求差异化和选择能力差异化的特点,程度化地参与定制服务,可以把用户的需求层级化,为不同人群提供差异化服务。2.2.2 程度化生产带来的挑战PPVC 住宅的大规模定制是在大规模制造的基础上添加了定制的需求,所以在生产上需要以程度化的方式来解决大规模和定制之间的矛盾。程度化的生产方式要求在标准化的模式下能够在一定的范围内进行模块衍生设计,从而满足个性化定制需求,所以如何对模块化系统在设计规则上进行制定,使其能够突破除模块组合以外的模块衍生设计,是大规模定制的一大挑战。3 PPVC住宅
17、大规模定制的设计策略大规模定制是从经济意义上提出的产品制造逻辑,其目的在于减少系统内部的多样性,简化设计生产的准备材料,以多种组合方式增加产品类型的输出,以增加系统外部的多样性。PPVC 住912023 第 5 期李德新,等:基于大规模定制的箱式模块化住宅设计策略研究宅的模块化系统是对输出箱式产品的全局把控,它控制着 PPVC 住宅设计过程中的设计规则,从而使其在大规模定制的条件下能够有序地进行。所以完善和优化设计规则的意义则是使模块化系统能够变得简单、高效,减少系统内部的多样性,避免系统臃肿与出现无效输出结果,降低运营 成本。3.1 定制设计柔性化定制设计柔性化8的设计策略在于对模块化系统的
18、设计规则在标准化的模式下分阶段地预留可拓展的衍生设计。一方面,通过衍生设计解决标准化和个性化之间的矛盾;另一方面,通过不同阶段的定制设计满足不同程度化生产的要求。3.1.1 设计阶段定制程度的划分延迟制造是大规模定制的一个主要特点,它是通过将生产制造过程中的定制部分和标准部分分开制造,来延迟定制部分的生产时间点至用户确定方案后,以降低定制中的不确定性,增加产品的价值,为标准化部件的大规模生产带来价值效益基础,同时保证产品个性化的结果。如图 4所示,在设计阶段,PPVC 住宅大规模定制的工作分为模块化系统的研发和定制再设计,前者是对大规模标准化制造的回应,确保产品的输出方式是以标准化的规模进行,
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