基于模块化方法的家居设计研究

田沁艳+王凤珍

摘要：为了满足人们日益凸显的个性化家居需求，解决家居产品生产企业设计、生产的难题，以绿色设计为指导思想，研究了模块化设计方法和绿色设计的关系，从建筑、家具和装饰三方面对现有的模块化应用进行分类研究，提出了基于模块化方法的家居设计步骤，重点研究了模块划分、模块度评价和模块组合3项关键技术。随着新技术的发展，模块化设计方法结合了绿色设计的思想，不仅可以互相学习、互相利用，还可以展现其功能特性和产品的环境属性。模块化设计在家居中必将被广泛应用，影响人们未来的生活。

关键词：模块化；家居设计；绿色设计；装饰

中图分类号：J59 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0113－03

1模块化设计方法

21世纪90年代，“模块化设计”概念在西方国家被正式提出，并对其进行了系统的理论研究。模块化设计最早是应用于室内家具中，随后逐步被广泛应用到机械设计和软件工程中。现阶段，家居设计中的模块化设计方法主要是研究建筑、家具和装饰三个方面的内容，该方法包含了标准化和集成化。“模块化设计”的定义是：在一定范围内，产品的某些要素进行组合，生成一个具有特殊功能的子系统。我们称该子系统为一个模块，并通过对模块的特定组合，构成新系统以满足各种功能需求的设计过程。就具体设计工作而言，产品中的模块是一种通用件，通常可以认为是具有一定功能的零部件。为了实现多模块之间的多种组合，模块需要进行接口和结合要素设计。

模块化设计作为绿色设计的实现方法之一，它已经从设计理念转化为成熟的设计方法。通过对产品功能进行分析，采用不同的划分方法，设计出一系列具备各种功能的模块，经过细致选择和有效组合构成不同的产品，从而生产出系列产品以满足市场的需求。当然，在功能分析的过程中，针对的是一定范围内、具有不同性能的产品，或是功能相同、性能不同、规格不同的产品。

2模块化设计与绿色设计

2.1模块化特征

模块化具备以下四方面的特征。

2.1.1功能独立

产品有模块构成，模块的功能构成了整个产品的功能，其中，模块的功能都是自我实现和包含的。在集成化产品结构中，部件和产品功能的关系是多对多的，这使得部分修改设计会影响产品的功能，导致了零部件的修改不能确定范围。为了实现一个功能完善的产品，会导致很多部分被修改，产品的复杂程度和产品组件（比如产品结构管理和相关信息的再利用程度）也将变得非常困难，尤其是在产品系列化、生产批量模式的企业，非互换性相似类型的改善备件业务将会成倍增加销售、采购、物流、制造和服务等方面的管理难度。

2.1.2标准连接、一致接口

为了实现同类模块之间的互换，必须严格把握接口尺寸和输入、输出接口的定义。几何连接接口可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。

2.1.3平台依赖

虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须是以产品平台的整体功能为前提的。模块的功能和互换性是基于产品平台功能和配置的变化而存在的，没有了产品这个平台和对其配置上的需求，模块的功能就得不到实现。

2.1.4层次化

模块可以包含子模块的功能，模块是系统功能的一个组成部分，而子模块的功能应该是主模块的基本功能之一，它可以被称为模块的视角。同样，较大的模块层级会让管理更加困难，当模块层次划分太多，又出现了非模块化产品时，它们的结构之间是没有差异的。

2.2模块化设计与绿色设计的关系

随着全球对“绿色”需求的升温和消除绿色贸易壁垒的紧迫性，越来越多的资金和研究投向绿色产品的开发，小到企业的生存和发展，大到地球环境和自然资源，会越来越来多地考虑产品的绿色程度。绿色设计将生态环境意识融入到设计理念中，在达到设计目的的同时，以降低对环境的负面影响，实现人与自然的和谐发展，实现设计和生态的双赢。绿色产品在满足环境目标的同时，还要保证产品应有的基本功能和使用时间。

模块化设计方法与绿色设计思想的结合，能够同时满足产品的功能要求和环境属性，同时，可以大大的缩短产品研发和制造周期，丰富产品种类，保证产品质量，适应市场快速变化的需求。另一方面，融入绿色设计思想的模块化设计方法可以减少甚至消除对环境的破坏，为后期产品的升级、重用和维修提供了方便，而且产品废弃后可以进行拆卸、回收和再利用。

3家居设计中模块化应用分类

3.1建筑模块化系统

建筑模块化系统，又被称为空间体系的模块式装配建筑系统。建筑系统的所有构成模块都需要在工厂进行预制，这些模块构建分别作为构建单元和空间单元。构建单元是指该模块具备自己的结构，不依赖外部结构，可以独立支撑。空间单元意味着由于功能需求的不同，将模块内部进行空间划分，根据不

College Dormitory Peer Group Interaction

Yong Ting, Wang Jiayuan

Abstract: Southwest University for Nationalities 5900 students, 200 bedroom classmates investigation of samples from the bedroom to form peer groups, and between gender and age differences on the bedroom peer groups contribute to the existence of social phenomena, between members of various groups and other aspects of the interaction to explain the interaction between college dormitory peer groups.

Key words: peer groups; social fueling; social inhibition; group relations

同的要求进行设施装配。经过设计的模块在工厂完成预制后，运输到工地进行吊装、组装，最终完成建筑的搭建。现今，国内外出现了不少模块化的建筑，例如美国Westchester Modular Home公司已将该技术进行商业化运营。

随着生活水平的提高和新材料、新技术、新工艺、新设备的出现，人们对生活条件的要求会越来越高，他们会提出更高的标准和要求，使用新住宅、新装饰材料和新家具设备以及新的布局方法。传统的住宅楼使用的一些承重部分已与现有生活融为一体，更新是很困难的。此外，在建筑的模块化设计中，由于相位使用的是分离承重部分的一部分，所以，很容易在不改变更新的承重部分的情况下只使用一部分，这是符合经济原则的，并适应以科技为先导，以满足人民日益增长的物质需求的快速发展的要求。

3.2家具模块化系统

家具模块化设计意味着实用家具在进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列的家具模块，通过选择功能模块的组合构成不同的功能要求，以满足市场对多样化的设计需求。家具模块化设计是将特定的模块融入到家具的设计中，通过标准化接口的方法，将设计与通用模块相结合。家居模块化设计既是规范设计，也是多样化的设计。模块组成的系统都有一些共同的特点和接口独立单元的具体结构。家具模块可以组装成家具产品，并生产一些有共同特点和界面结构的家具零件、部件或组件。模块可以单独设计家具制造业，可以预先储备相应的内容以满足迫切需要，也可以规模化生产来降低成本，甚至可以由专业工厂生产，商品在市场上独立流通。模块化是以获得最佳效益，从系统角度出发来研究的产品或以系统的形式构成，用分解和方法的组合来构建模块系统，采用模块组合成一个产品或系统的过程。家具模块化设计为某一类型的家具或具有相同功能的相邻产品的设计，同时，它也有家具部件模块的设计，家具模块化设计方法是传统家具设计方法的发展。表1是家具模块化设计与传统设计方法的比较。

表1家居模块化与传统方法对比

比较因子 家居模块化设计 家具传统方法

设计对象 模块和家具，设计对象不是单个家具而是整个家具产品系统 单个家具

设计步骤 需求分析—建立模块—选择模块—组成产品 设计定位—整体设计

设计本质 通用模块—专用模块—接口—产品 零部件+零部件+接口—产品

设计程序 由上而下，由总而细 由上而下，由总而细

设计层次 模块化总体设计—模块设计—模块化产品设计 结构设计、造型设计、优化设计

设计特点 以低成本快速实现产品多样化，是标准化设计、组合化设计 容易实现产品多样化，但成本较高、周期较长

3.3装饰材料模块化系统

装饰材料和装饰元素是应用模块化设计的基础，对标准和通用性方面有更高的要求。例如在厨房集体设计中，需要对基础的龙骨进行标准的模块化，往往很多小厂家研发的龙骨在新的集成吊顶中会出现偏差，这样就会影响整体集成厨房的设计。

4基于模块化方法的家居设计

基于模块化方法结合了绿色设计，采用自顶向下的设计思想，其设计流程见图1所示。先根据用户需求进行功能分析，对模块进行功能划分和初始化设计，并生成功能一一对应的零件序列。然后，使用零部件合并准则，使用功能准则和绿色准则进行划分，以确保产品和功能实现绿色的程度。接下来就是对模块集成和评估阶段的一个合理测试，将模块划分方案细化，最终设计并进行部分模块的接口设计，直至整个产品设计的最终完成。

4.1模块划分

在模块化设计中，模块划分是非常重要的，它将影响产品的功能和模块度，直接关系到产品的环境属性和功能属性，因此，模块划分是模块化设计的研究重点之一。模块划分准则主要分为三个方面的属性：零件合并属性、功能属性和绿色属性，详细的准则见表2.

图1模块化设计流程

表2模块划分准则

零件合并属性 模块划分准则 零件合并属性 模块划分准则

功能属性 结构交互准则 绿色属性 重用性准则

能量交互准则 升级性准则

物质交互准则 维护性准则

信号交互准则 处理性准则

作用力交互准则 回收性准则

4.1.1零件合并准则

零件合并准则是指通过对多个零件的合并，使这些零件之间的功能、信息和物质等交互作用进行转化，变成零件内部的交互作用，从而达到节约材料和方便再次利用的目的。零件合并准则包括：①使用同一材料生产零件或改进、升级零件；②零部件之间相互接触，相互之间没有运动并且是刚性联接；③所有的模块零件均为标准件，没有外购配件；④对零件进行合并后，产品的拆卸性和组装性没有受到破坏。

4.1.2 功能准则

部分最初的设计是从功能实现的角度来考虑的，它是相应的功能要素实现的重要考虑因素。根据系统部件之间的相互作用、类型和尺寸，制订相应功能的标准进行全面检测。如表2所示，功能属性准则主要包括5个准则：结构交互准则、能量交互准则、物质交互准则、信号交互准则和作用力交互准则。在一般情况下，零件间的交互作用与模块的划分成正比，即交互作用越大，零件越应该划分在一起。

4.1.3 绿色准则

绿色设计的目标包括以下三方面：有效提高产品的资源和能源利用率，尽量减少产品开发和生产周期成本，保证生产产品的环境污染最小化。为了实现这些目标，最有效的办法就是选择污染小的原材料，提高零部件的利用率和延长产品的使用期限。

为了实现产品的基本功能，并确保产品的最佳环保性能，提高产品的可重用性，易升级、易维护性和可循环再用的处理，必须依据绿色准则对部分模块进行划分。一般情况下，在设计过程中需要考虑以下准则：①重用性准则。零件或材料的再利用要避免废物的产生，当产品在回收和再利用的附加值寿命达到最高预期时，就会降低产品的生命周期成本。②升级性准则。升级部件模块或直接升级时更换该模块，可以减少对环境的不利影响，在提高产品的市场竞争力的同时，可以减少开发时间和成本。③维护性准则。良好的保养可以减少废弃物的排放，延长产品使用寿命，提高产品质量，最终提高产品的环保性能，减少对环境产生的负面影响。④回收性准则。在产品设计阶段，应尽可能选择环境协调性好、低功耗、低成本、少污染、易加工和便于回收、利用的材料，并尽量减少产品材料种类的使用。⑤处理性准则。不能进行不利于再利用和再循环组件的工作，要根据自然降解，比如焚烧和掩埋等不同的方法将其分为不同的模块，这样的方法有利于产品的后期加工，降低了拆卸和分拣成本。

图2准则层次结构图

4.2模块度评价

从功能分析和模块划分与组合的角度来看，影响某一模块

模块化程度的因素主要有以下五点：结构交互性、作用力交互性、能量交互性、物质交互性和信号交互性。一般认为，这五种交互性越强，就表示模块间的相互作用越大，相互联系越强，相应的，产品、模块的零部件设计和接口设计的难度也会越大，模块的互换性也会越差。所以，此模块的模块度会相应减小。对某一个模块，可用如下方法进行模块度评价。

4.2.1建立因素集

U={u1，u2，u3，u4，u5}. （1）

式（1）中：u1——结构交互性；

u2——作用力交互性；

u3——能量交互性；

u4——物质交互性；

u5——信号交互性。

4.2.2建立权重集

设计者可以根据不同产品的特点赋予因素集中五个因素不同的权重，或按确定隶属度的方法来加以确定，因素较多时，也可利用AHP方法建立权重集。

A={a1，a2，a3，a4，a5}. （2）

其中，Σ1≤i≤5 ai=1，0≤ai＜1.

4.2.3建立备选集

模块度的取值区间为［0，1］，按等步长离散得出备择集：

V={0，1/λ，2/λ，3/λ，…，（λ－1）/λ}. （3）

4.2.4建立评判矩阵

（4）

式（2）中：Ri——单因素评判集。

以各因素评判集的隶属度为行，建立评判矩阵如下：

R=［R1，R2，R3，R4，R5］T. （5）

为了全面考虑各单因素评判结果的情况且保留全部有用信息，该模型采用M（.，＋）模型进行综合评判，可得模糊综合评判集：

B=（a1，a2，a3，a4，a5）•R=（b1，b2，b3，b4，b5）. （6）

4.2.5评判指标处理

为了保留全部有用信息，采用加权平均法处理评判指标，可由式（7）得出该模块的模块度D.M.M.：

D.M.M.=Σ1≤j≤5 bjvj / Σ1≤j≤5 bj. （7）

4.3模块组合

模块化产品不是整体式结构，而是由模块构成的组合式结构，其组合方式主要有以下几种。

4.3.1直接组合

在模块化系统中，模块之间的组合是直接结合而成的。对于属于相同产品系列型谱的模块化系统，一般可以直接组合。在一般情况下，这样的组合是最合理、最紧凑、最经济的方法，它是最佳的组合。

4.3.2集装组合

将几种不同规格的模块加载到一定的结构模块中，然后插入机器。在这时，模块结构一般需要作一些改进、改动或增加成员支持不同的模块，也常常使用集装方式形成一体化、大小不同的模块，以简化整体结构，总集成模块的接口具有尺寸互换性，便于整机的组装。

4.3.3改装组合

外购的一些模块机械结构和电气互连的接口结构模块不匹配，需要对接口进行修改，以更改模块或使用本机的结构模块。比较常见的是被修改电源，然后将其作为一个特殊的模块进行组装。

4.3.4间接组合

采用间接组合一般有两种情况：①基于产品要求进行布局，而不是直接组合；②都不使用外包模块，它不能直接组合成模块系统的一部分。间接的模块化设计、特殊连接件，都要遵循相应位置上各模块的要求。

4.3.5离散组合

参与模块的各种组合，通常都是自包含的独立产品、设备的离散及其相应位置的离散，没有直接的机械组件组合。

5小结

模块化设计方法结合了绿色设计思想，不仅可以互相学习、互相利用，还可以实现产品的功能特性和环境属性。利用模块化的设计方法具有如下优势：①它可以缩短产品开发和制造周期，增加产品种类，提高产品质量，快速响应市场的变化；②可以减少或消除对环境的不利影响，经过回收和处理后，以方便重用、升级和维护。

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〔编辑：白洁〕

Home Design Studies Based on Modular Approach

Tian Qinyan, Wang Fengzhen

Abstract: In order to meet the growing demand for personalized home highlights, while addressing household products manufacturing enterprises design and production problems. Green design ideas as a guide, to study the relationship between the modular design approach and green design, from architecture, furniture and decorative three aspects of the existing classification of modular applications, a modular approach is proposed based on home design steps focuses on the module division, evaluation modules and module combination three key technologies. With the development of the environmental attributes of new technology, modular design approach combines green design ideas, learn from each other not only to take advantage of each other, you can also reach and product features, modular design applications in the home will be more widespread, affecting peoples future life.

Key word: modular; home design; green design