李久太

摘要 針對(duì)如何保障建筑硬件資源的持續(xù)活力，提出模塊化策略在“時(shí)間”和“空間”雙重維度上的可持續(xù)性效應(yīng)，進(jìn)而探討模塊化策略在建筑可持續(xù)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞 可持續(xù) 模塊化 設(shè)計(jì)策略

0 前言

建筑生產(chǎn)活動(dòng)中，在有限資源的前提下?tīng)?zhēng)取持久發(fā)展勢(shì)在必行，因?yàn)榻ㄖa(chǎn)活動(dòng)要耗費(fèi)大量的人力、物力，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)造成建筑的閑置和資源的浪費(fèi)。此外，當(dāng)舊建筑無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代的使用需求時(shí)也會(huì)遭遇閑置。模塊化策略作為一種成熟的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法，已在制造業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，諸多建筑師也探討了如何應(yīng)用其引領(lǐng)建筑生產(chǎn)使之適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)體系。模塊化設(shè)計(jì)中利用拆分與組合的方式來(lái)整合多功能、多需求的思想體現(xiàn)了可持續(xù)的理念，將其應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中會(huì)成為有效解決“存量建筑”問(wèn)題的一種可能途徑。

1 模塊化相關(guān)概念簡(jiǎn)介

1.1 模塊

模塊（module）的概念起源于20世紀(jì)初德國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)，20世紀(jì)中葉被廣泛接受和認(rèn)同，進(jìn)而發(fā)展出相關(guān)的一系列理論。至今關(guān)于模塊較為普遍的的定義是：“模塊，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、通用的獨(dú)立單元。”

1.2 模塊化

哈佛大學(xué)教授Baldwin和Clark將“模塊化”的核心概括為“將相對(duì)小的、可以獨(dú)立進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組建成一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品或流程”的過(guò)程。由此可見(jiàn)，“模塊化”是運(yùn)用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，針對(duì)復(fù)雜問(wèn)題拆解成若干子系統(tǒng)后，再針對(duì)子系統(tǒng)分別進(jìn)行操作的系統(tǒng)理論。“模塊化”包括“模塊分解化”與“模塊集中化”兩個(gè)過(guò)程。

1.3 建筑模塊化

建筑模塊化，是指運(yùn)用模塊化的策略來(lái)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的方法。具體來(lái)說(shuō)，就是將建筑這一復(fù)合了多專業(yè)的復(fù)雜整體拆分為具有一定標(biāo)準(zhǔn)性和功能性的模塊，以模塊為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，進(jìn)而通過(guò)模塊單元的組合和拼接最終完成建筑整體生產(chǎn)的過(guò)程。

2 建筑模塊化的四項(xiàng)可持續(xù)性原則

（1）模塊化策略的核心在于通過(guò)設(shè)置模塊這一中間層次將整個(gè)過(guò)程化繁為簡(jiǎn)，以達(dá)到有效縮短建筑工程設(shè)計(jì)和建造周期的目標(biāo)，這是對(duì)社會(huì)資源的集約利用，體現(xiàn)了資源保護(hù)原則。

（2）模塊具備三大體系特征，即獨(dú)立性、互換性和通用性。作為構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的單個(gè)部件，建筑模塊應(yīng)具有獨(dú)立編輯、即時(shí)更新、拆分后重新組裝和替換的多種可能性。模塊化建筑有利于建筑材料的循環(huán)利用，體現(xiàn)了資源再利用的原則。

（3）一旦模塊化建筑的部件作為一種標(biāo)準(zhǔn)化形式得到廣泛應(yīng)用，不僅完善了建筑的全生命周期，還能夠?qū)⒔ㄖa(chǎn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響降到最低，體現(xiàn)了保護(hù)自然原則。

（4）模塊化建筑的生產(chǎn)方式能將工廠化預(yù)制生產(chǎn)引入建筑生產(chǎn)流程，利用模塊化的建筑方式提升建筑的質(zhì)量和品質(zhì)，延長(zhǎng)建筑使用壽命和建筑的全生命周期，從而減少建筑在單位時(shí)間內(nèi)的平均消耗，具有可持續(xù)性的意義，體現(xiàn)了質(zhì)量原則。

3 建筑模塊化應(yīng)用方法的可持續(xù)性原則體現(xiàn)

總體來(lái)說(shuō)，模塊化的本質(zhì)就在于模塊的分解和組合，建筑模塊化的應(yīng)用方法主要分為兩個(gè)階段：首先，需要根據(jù)一定的市場(chǎng)需要和設(shè)計(jì)目的來(lái)確定模塊劃分的規(guī)則；然后，將劃分好的模塊按照一定的組織方法組合成一個(gè)整體（圖1）。但因會(huì)受建筑行業(yè)自身特點(diǎn)的影響，而在具體的應(yīng)用方法上產(chǎn)生一些特殊性，以下討論其應(yīng)用方法的各個(gè)階段對(duì)可持續(xù)性原則的表達(dá)和體現(xiàn)。

3.1 建筑模塊的劃分

3.1.1 以使用功能為基礎(chǔ)

功能是建筑的基本屬性，在模塊化建筑中應(yīng)用功能規(guī)律是模塊劃分的主要考慮原則，多見(jiàn)于模塊化住宅的設(shè)計(jì)中。以日本建筑師黑川紀(jì)章設(shè)計(jì)的東京中銀艙體大廈為例，建筑師根據(jù)功能將家具以及設(shè)備模塊化，通過(guò)它們的組合構(gòu)成一個(gè)2.3mx3.8mx2.1m的居住模塊，再通過(guò)這些居住模塊的穿插組合構(gòu)成整棟建筑（圖2-4）。

以使用功能為基礎(chǔ)進(jìn)行模塊化劃分的可持續(xù)性意義在于一個(gè)特定模塊可以對(duì)應(yīng)特定的使用功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)這一功能所需的使用空間及所需建筑設(shè)備的安裝。一個(gè)整體建筑只是一些功能模塊的臨時(shí)組合，當(dāng)建筑地塊更換功能需求或其他建筑需要增補(bǔ)某些特定功能模塊時(shí)，只需要對(duì)特定模塊進(jìn)行定向的更換或增減即可，有效提高了建筑材料的使用效率，減少了傳統(tǒng)工程體系中繁多建筑材料的現(xiàn)場(chǎng)操作，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化施工過(guò)程的目標(biāo)。

3.1.2 以設(shè)計(jì)目的為核心

除以功能使用作為劃分模塊的準(zhǔn)則方法外，建筑模塊化還需貫徹設(shè)計(jì)目的。功能不是唯一的考慮因素，造型、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備甚至是根源于建筑本體之外的內(nèi)容（如文化、思想、傳統(tǒng)等）都會(huì)成為構(gòu)建設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。因而，在建筑中應(yīng)用模塊化策略需首要考慮設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)兼顧功能和表達(dá)建筑設(shè)計(jì)本體思想。

以筆者參與的清華大學(xué)“O-HOuse太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)住宅”項(xiàng)目為例，該設(shè)計(jì)側(cè)重于考慮建筑模塊的實(shí)驗(yàn)性概念和在極其有限的工期（15天）內(nèi)完成建筑的施工。為了更加快速、集約地解決交接問(wèn)題，將設(shè)計(jì)核心鎖定在管線最集中的廚房和衛(wèi)生間（圖5）。該設(shè)計(jì)設(shè)想了1600mmx3300mm的餐廚模塊、起居模塊、臥室模塊和1600mm x l100mm的設(shè)備模塊。所有水暖電設(shè)備集中于設(shè)備模塊中，其他管線少的模塊（如餐廚、起居和臥室模塊）的墻面、樓面、屋面和管線等隱蔽工程通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)留節(jié)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)模塊之間的快速連接。建筑模塊在建成后進(jìn)行了兩輪的拼裝和拆解，均在很短的施工時(shí)間內(nèi)完成，驗(yàn)證了建筑模塊化的快速拼裝性能和可更換性。該設(shè)計(jì)以極短施工工期為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最大程度地降低施工過(guò)程對(duì)周邊建設(shè)環(huán)境和大氣、噪聲等環(huán)境的影響，體現(xiàn)了環(huán)境友好的思想。短工期的施工實(shí)踐為模塊化建筑在建成后模塊的替換和增減提供了具有說(shuō)服力的實(shí)踐依據(jù)和技術(shù)手段，同時(shí)也證明了模塊化建筑快速建造的實(shí)踐可行性。

3.2 建筑模塊的組合

3.2.1 空間關(guān)系

建筑建造的過(guò)程在某種程度上講就是空間營(yíng)造的過(guò)程，對(duì)于模塊化建筑也是如此。模塊之間的組合影響著建筑建成后的空間效果，因此組合模塊的過(guò)程首先要考慮模塊與模塊之間的空間關(guān)系。

抽象地說(shuō)，模塊之間的關(guān)系有相切、相交和相離三種。決定模塊空間關(guān)系組織的因素是多方面的，可以基于景觀朝向，也可以迎合功能需求，還可以為了建造需要等。一個(gè)好的模塊化建筑設(shè)計(jì)方案的空間關(guān)系也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出可持續(xù)性原則，例如合理的排布規(guī)律可以提高建筑的功能與能源使用效率，和諧的體量關(guān)系可以降低能耗。模塊化建筑的單體模塊具有一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化，其空間關(guān)系往往具有很強(qiáng)的韻律。以加拿大蒙特利爾Habitat 67項(xiàng)目為例，建筑師薩夫迪利用354個(gè)模塊盒子構(gòu)成158個(gè)單元，每個(gè)單元從56㎡的一居室到167㎡的四居室不等。這些單元的構(gòu)成方式不僅造就了參差錯(cuò)落的建筑形態(tài)，而且每戶都有花園和陽(yáng)臺(tái)，兼顧了隱私與采光的需求。為了達(dá)到以上的目標(biāo)，設(shè)計(jì)師運(yùn)用了15種模塊組織方式構(gòu)成居住單元，它們是由最基本的橫、豎兩種長(zhǎng)方體模塊組合而成（圖6-8）。

3.2.2 交接設(shè)計(jì)

在“模塊化”理論中，“接口、功能、邏輯、功能”是模塊的四大屬性，而“接口”是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。建筑模塊之間的交接涉及了諸多建筑的物質(zhì)性因素，需綜合結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等多方面考慮。

傳統(tǒng)的模塊化住宅體系中，結(jié)構(gòu)、水、暖、電等都需要合理的連接。在O-House案例中，我們對(duì)模塊之間的連接方式做出了系統(tǒng)性探討，梳理并總結(jié)了原有連接方式，此外針對(duì)原有連接方式進(jìn)行了改良，使得結(jié)構(gòu)、水、暖、電也能夠預(yù)制生產(chǎn)。具體連接手段如表1所示。

4 模塊化建筑的應(yīng)用前景展望

在建筑領(lǐng)域，模塊化策略發(fā)展至今已經(jīng)在住宅、集裝箱建筑等領(lǐng)域發(fā)展成為架構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的主要思路；作為一種應(yīng)對(duì)建筑設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化和多樣性問(wèn)題的重要手段，模塊化策略也常被應(yīng)用在完整的設(shè)計(jì)框架下的某一個(gè)部分，以解決復(fù)雜性建筑的一些問(wèn)題。結(jié)合其他領(lǐng)域中模塊化策略發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，將模塊化建筑的應(yīng)用前景分為以下幾類。

4.1 集成式模塊化設(shè)計(jì)

集成式模塊化設(shè)計(jì)是指通過(guò)層級(jí)化的模塊策略，用大型模塊來(lái)集成小型模塊，從而達(dá)到綜合部件和獲得功能多樣化的目的，例如產(chǎn)品領(lǐng)域的瑞士軍刀?，F(xiàn)今絕大多數(shù)的模塊化建筑均運(yùn)用集成式模塊的設(shè)計(jì)思路，如上文已提及的O-House太陽(yáng)能住宅等，該類型的模塊化設(shè)計(jì)先按照功能劃分好模塊，再針對(duì)劃分好的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和整合，簡(jiǎn)化了建筑的設(shè)計(jì)和建造環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，并且降低了成本。

4.2 系列式模塊化設(shè)計(jì)

系列式模塊化設(shè)計(jì)是在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的框架體系下尋求產(chǎn)品多樣性的設(shè)計(jì)策略。它主要針對(duì)某一類產(chǎn)品，先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再調(diào)試其產(chǎn)品參數(shù)、尺寸、功能、形式等，獲得橫向和縱向擴(kuò)展的可能性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的方式來(lái)獲得多樣化和個(gè)性化的部品。這一方式是在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，在不影響其可持續(xù)性的各種優(yōu)勢(shì)的前提下，對(duì)建筑模塊進(jìn)行個(gè)性化的擴(kuò)展，是對(duì)集成式模塊化設(shè)計(jì)的提升。例如，丹麥BIG建筑事務(wù)所的“VM”住宅項(xiàng)目體現(xiàn)了這種模塊化設(shè)計(jì)的思想。設(shè)計(jì)師采用了“V”和“M”的建筑總平面。V形結(jié)構(gòu)的114套房間和M形結(jié)構(gòu)的95套房間分別包括40種不同戶型，以獲得更好的景觀朝向、日照和通風(fēng)。應(yīng)用簡(jiǎn)單的方式使現(xiàn)代化住宅收獲多樣性和個(gè)性，貫徹了設(shè)計(jì)師營(yíng)造多樣化住宅空間的初衷（圖9—11）。

4.3 典型模塊化設(shè)計(jì)

將產(chǎn)品整體精煉成典型模塊，通過(guò)簡(jiǎn)化模塊內(nèi)部和模塊間的差異消除多余的功能，從而使模塊具有更好的構(gòu)成與互換模式，其優(yōu)勢(shì)主要由模塊的替換來(lái)實(shí)現(xiàn)：一方面，使用者可以根據(jù)需要來(lái)選擇性地?cái)U(kuò)展產(chǎn)品的功能；另一方面，使用者不必丟棄整個(gè)產(chǎn)品而只需選擇更換相應(yīng)的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)更新。

在O-House項(xiàng)目的家具墻模塊中，兩側(cè)的家具以低于建筑模塊的標(biāo)準(zhǔn)模塊層級(jí)存在，即在建筑模塊之下，仍具有細(xì)分模塊，可以直接進(jìn)行細(xì)分模塊的替換和增減，避免因單個(gè)建筑模塊的局部調(diào)整而導(dǎo)致整體建筑模塊的更換，避免不必要的浪費(fèi)，也降低了施工難度。這一設(shè)計(jì)思路更加明確地體現(xiàn)出模塊化的思想在各個(gè)層級(jí)的可持續(xù)性設(shè)計(jì)，靈活性更強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑行業(yè)經(jīng)歷了多年粗放型的發(fā)展后，逐漸轉(zhuǎn)向可持續(xù)、高效利用建筑生產(chǎn)和節(jié)約資源的道路。模塊化設(shè)計(jì)策略在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用既能有效節(jié)約建筑資源，又能保持建筑空間的持續(xù)活力，但模塊化建筑要滿足實(shí)際的功能需求，符合相應(yīng)的社會(huì)文化形態(tài)，適應(yīng)物質(zhì)建造手段，才能不斷發(fā)展、蓬勃壯大。