可持续性视角下模块化策略在建筑设计中的应用

李久太

摘要 针对如何保障建筑硬件资源的持续活力，提出模块化策略在“时间”和“空间”双重维度上的可持续性效应，进而探讨模块化策略在建筑可持续性设计中的应用方法。

关键词 可持续 模块化 设计策略

0 前言

建筑生产活动中，在有限资源的前提下争取持久发展势在必行，因为建筑生产活动要耗费大量的人力、物力，一旦出现问题就会造成建筑的闲置和资源的浪费。此外，当旧建筑无法适应新时代的使用需求时也会遭遇闲置。模块化策略作为一种成熟的设计和生产方法，已在制造业领域广泛应用，诸多建筑师也探讨了如何应用其引领建筑生产使之适应于现代工业体系。模块化设计中利用拆分与组合的方式来整合多功能、多需求的思想体现了可持续的理念，将其应用于建筑设计中会成为有效解决“存量建筑”问题的一种可能途径。

1 模块化相关概念简介

1.1 模块

模块（module）的概念起源于20世纪初德国的工业生产，20世纪中叶被广泛接受和认同，进而发展出相关的一系列理论。至今关于模块较为普遍的的定义是：“模块，是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的、通用的独立单元。”

1.2 模块化

哈佛大学教授Baldwin和Clark将“模块化”的核心概括为“将相对小的、可以独立进行功能设计的系统组建成一个复杂产品或流程”的过程。由此可见，“模块化”是运用系统论的观点，针对复杂问题拆解成若干子系统后，再针对子系统分别进行操作的系统理论。“模块化”包括“模块分解化”与“模块集中化”两个过程。

1.3 建筑模块化

建筑模块化，是指运用模块化的策略来进行建筑设计和生产的方法。具体来说，就是将建筑这一复合了多专业的复杂整体拆分为具有一定标准性和功能性的模块，以模块为单元进行设计和生产，进而通过模块单元的组合和拼接最终完成建筑整体生产的过程。

2 建筑模块化的四项可持续性原则

（1）模块化策略的核心在于通过设置模块这一中间层次将整个过程化繁为简，以达到有效缩短建筑工程设计和建造周期的目标，这是对社会资源的集约利用，体现了资源保护原则。

（2）模块具备三大体系特征，即独立性、互换性和通用性。作为构建整个系统的单个部件，建筑模块应具有独立编辑、即时更新、拆分后重新组装和替换的多种可能性。模块化建筑有利于建筑材料的循环利用，体现了资源再利用的原则。

（3）一旦模块化建筑的部件作为一种标准化形式得到广泛应用，不仅完善了建筑的全生命周期，还能够将建筑生产对环境产生的负面影响降到最低，体现了保护自然原则。

（4）模块化建筑的生产方式能将工厂化预制生产引入建筑生产流程，利用模块化的建筑方式提升建筑的质量和品质，延长建筑使用寿命和建筑的全生命周期，从而减少建筑在单位时间内的平均消耗，具有可持续性的意义，体现了质量原则。

3 建筑模块化应用方法的可持续性原则体现

总体来说，模块化的本质就在于模块的分解和组合，建筑模块化的应用方法主要分为两个阶段：首先，需要根据一定的市场需要和设计目的来确定模块划分的规则；然后，将划分好的模块按照一定的组织方法组合成一个整体（图1）。但因会受建筑行业自身特点的影响，而在具体的应用方法上产生一些特殊性，以下讨论其应用方法的各个阶段对可持续性原则的表达和体现。

3.1 建筑模块的划分

3.1.1 以使用功能为基础

功能是建筑的基本属性，在模块化建筑中应用功能规律是模块划分的主要考虑原则，多见于模块化住宅的设计中。以日本建筑师黑川纪章设计的东京中银舱体大厦为例，建筑师根据功能将家具以及设备模块化，通过它们的组合构成一个2.3mx3.8mx2.1m的居住模块，再通过这些居住模块的穿插组合构成整栋建筑（图2-4）。

以使用功能为基础进行模块化划分的可持续性意义在于一个特定模块可以对应特定的使用功能，能够独立地实现这一功能所需的使用空间及所需建筑设备的安装。一个整体建筑只是一些功能模块的临时组合，当建筑地块更换功能需求或其他建筑需要增补某些特定功能模块时，只需要对特定模块进行定向的更换或增减即可，有效提高了建筑材料的使用效率，减少了传统工程体系中繁多建筑材料的现场操作，实现了简化施工过程的目标。

3.1.2 以设计目的为核心

除以功能使用作为划分模块的准则方法外，建筑模块化还需贯彻设计目的。功能不是唯一的考虑因素，造型、结构、材料、设备甚至是根源于建筑本体之外的内容（如文化、思想、传统等）都会成为构建设计的出发点。因而，在建筑中应用模块化策略需首要考虑设计的出发点，同时兼顾功能和表达建筑设计本体思想。

以笔者参与的清华大学“O-HOuse太阳能实验住宅”项目为例，该设计侧重于考虑建筑模块的实验性概念和在极其有限的工期（15天）內完成建筑的施工。为了更加快速、集约地解决交接问题，将设计核心锁定在管线最集中的厨房和卫生间（图5）。该设计设想了1600mmx3300mm的餐厨模块、起居模块、卧室模块和1600mm x l100mm的设备模块。所有水暖电设备集中于设备模块中，其他管线少的模块（如餐厨、起居和卧室模块）的墙面、楼面、屋面和管线等隐蔽工程通过标准化预留节点和标准化接口实现模块之间的快速连接。建筑模块在建成后进行了两轮的拼装和拆解，均在很短的施工时间内完成，验证了建筑模块化的快速拼装性能和可更换性。该设计以极短施工工期为设计目标，最大程度地降低施工过程对周边建设环境和大气、噪声等环境的影响，体现了环境友好的思想。短工期的施工实践为模块化建筑在建成后模块的替换和增减提供了具有说服力的实践依据和技术手段，同时也证明了模块化建筑快速建造的实践可行性。

3.2 建筑模块的组合

3.2.1 空间关系

建筑建造的过程在某种程度上讲就是空间营造的过程，对于模块化建筑也是如此。模块之间的组合影响着建筑建成后的空间效果，因此组合模块的过程首先要考虑模块与模块之间的空间关系。

抽象地说，模块之间的关系有相切、相交和相离三种。决定模块空间关系组织的因素是多方面的，可以基于景观朝向，也可以迎合功能需求，还可以为了建造需要等。一个好的模块化建筑设计方案的空间关系也应当体现出可持续性原则，例如合理的排布规律可以提高建筑的功能与能源使用效率，和谐的体量关系可以降低能耗。模块化建筑的单体模块具有一定程度的标准化，其空间关系往往具有很强的韵律。以加拿大蒙特利尔Habitat 67项目为例，建筑师萨夫迪利用354个模块盒子构成158个单元，每个单元从56㎡的一居室到167㎡的四居室不等。这些单元的构成方式不仅造就了参差错落的建筑形态，而且每户都有花园和阳台，兼顾了隐私与采光的需求。为了达到以上的目标，设计师运用了15种模块组织方式构成居住单元，它们是由最基本的横、竖两种长方体模块组合而成（图6-8）。

3.2.2 交接设计

在“模块化”理论中，“接口、功能、逻辑、功能”是模块的四大属性，而“接口”是需要重点考虑的一个环节。建筑模块之间的交接涉及了诸多建筑的物质性因素，需综合结构和构造等多方面考虑。

传统的模块化住宅体系中，结构、水、暖、电等都需要合理的连接。在O-House案例中，我们对模块之间的连接方式做出了系统性探讨，梳理并总结了原有连接方式，此外针对原有连接方式进行了改良，使得结构、水、暖、电也能够预制生产。具体连接手段如表1所示。

4 模块化建筑的应用前景展望

在建筑领域，模块化策略发展至今已经在住宅、集装箱建筑等领域发展成为架构建筑设计的主要思路；作为一种应对建筑设计中的标准化和多样性问题的重要手段，模块化策略也常被应用在完整的设计框架下的某一个部分，以解决复杂性建筑的一些问题。结合其他领域中模块化策略发展的历史和现状，将模块化建筑的应用前景分为以下几类。

4.1 集成式模块化设计

集成式模块化设计是指通过层级化的模块策略，用大型模块来集成小型模块，从而达到综合部件和获得功能多样化的目的，例如产品领域的瑞士军刀。现今绝大多数的模块化建筑均运用集成式模块的设计思路，如上文已提及的O-House太阳能住宅等，该类型的模块化设计先按照功能划分好模块，再针对划分好的模块进行设计和整合，简化了建筑的设计和建造环节，提高了生产效率，并且降低了成本。

4.2 系列式模块化设计

系列式模块化设计是在标准化设计的框架体系下寻求产品多样性的设计策略。它主要针对某一类产品，先对其进行标准化处理，再调试其产品参数、尺寸、功能、形式等，获得横向和纵向扩展的可能性，通过标准化的方式来获得多样化和个性化的部品。这一方式是在标准化的基础上，在不影响其可持续性的各种优势的前提下，对建筑模块进行个性化的扩展，是对集成式模块化设计的提升。例如，丹麦BIG建筑事务所的“VM”住宅项目体现了这种模块化设计的思想。设计师采用了“V”和“M”的建筑总平面。V形结构的114套房间和M形结构的95套房间分别包括40种不同户型，以获得更好的景观朝向、日照和通风。应用简单的方式使现代化住宅收获多样性和个性，贯彻了设计师营造多样化住宅空间的初衷（图9—11）。

4.3 典型模块化设计

将产品整体精炼成典型模块，通过简化模块内部和模块间的差异消除多余的功能，从而使模块具有更好的构成与互换模式，其优势主要由模块的替换来实现：一方面，使用者可以根据需要来选择性地扩展产品的功能；另一方面，使用者不必丢弃整个产品而只需选择更换相应的模块来实现更新。

在O-House项目的家具墙模块中，两侧的家具以低于建筑模块的标准模块层级存在，即在建筑模块之下，仍具有细分模块，可以直接进行细分模块的替换和增减，避免因单个建筑模块的局部调整而导致整体建筑模块的更换，避免不必要的浪费，也降低了施工难度。这一设计思路更加明确地体现出模块化的思想在各个层级的可持续性设计，灵活性更强。

5 结语

建筑行业经历了多年粗放型的发展后，逐渐转向可持续、高效利用建筑生产和节约资源的道路。模块化设计策略在建筑设计领域的应用既能有效节约建筑资源，又能保持建筑空间的持续活力，但模块化建筑要满足实际的功能需求，符合相应的社会文化形态，适应物质建造手段，才能不断发展、蓬勃壮大。