基于模塊化理論的住宅工業化發展模式研究

郭 明，王建廷(天津城建大學 經濟與管理學院，天津 300384)

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基于模塊化理論的住宅工業化發展模式研究

郭 明，王建廷
(天津城建大學 經濟與管理學院，天津 300384)

摘要：住宅工業化對于推進我國新型城鎮化發展具有重要意義，是建筑業未來發展的必然趨勢．我國正處于住宅工業化發展的初期，傳統住宅產業的生產方式與住宅工業化的內在要求存在矛盾，嚴重影響了住宅工業化的良性發展．本文基于模塊化的相關理論，針對住宅工業化的現實問題，探討了基于模塊化的住宅工業化發展模式，并針對制約因素提出相應的對策建議，以期推進住宅工業化的健康發展．

關 鍵 詞：住宅工業化；模塊化；發展模式

伴隨新型城鎮化的發展、城鎮人口的增加和居民生活品質的提高，對住宅的功能和質量提出了更高要求．傳統的建設周期長、能耗大、效率低、成本高的建造模式已難以適應如今住宅產業發展的需要，因此推進批量化、規模化、高質量的住宅工業化建設模式成為必然選擇．然而，目前我國住宅工業化發展程度還較低，新型工業化體系仍處于摸索階段，技術標準化滯后，相配套的構件部品系列化、通用化水平低，沒有達到工業化的要求[1]．作為產業分工細化的產物，模塊化能夠有效地簡化系統的設計與生產過程[2]，借鑒這一原理，對住宅工業化進行模塊化研究，對推進我國住宅工業化的協調發展具有重要的現實意義．

1 我國住宅工業化發展現狀

改革開放30多年來，建筑業日益成為我國經濟快速發展的支柱產業．目前，我國每年新增建筑面積16～20億m2，已成為世界上最大的建筑市場，約占全球建筑市場總量的50%,．住宅工業化發展取得了長足進步，直接進入“第二代”和“第三代”工業化[3]，通過完善工業化體系、加強專業化分工來提高建筑品質，以大批量定制，先進的設計、生產理念及產品開發的個性化來強調建筑和諧，同時更加關注建筑工業化對經濟、環境、社會等方面的影響，逐步實現可持續[4]．但與發達國家相比，我國建筑業仍主要沿用傳統的建造模式，住宅工業化發展尚處于起步階段，主要表現在以下幾方面：

1.1 缺乏標準化設計

住宅工業化的設計不同于傳統設計的關鍵在于它是標準化的設計，在完成設計時會形成詳細的標準化設計圖．對于國際上成熟的PC裝配式住宅來說，標準化設計更是主要的直接手段．目前，國內工業化住宅項目規模小，標準化設計經驗欠缺，無法充分考慮施工的具體工藝流程及標準化細節，與工業化住宅相配套的構件部品還存在接口脫節、配套尺寸難以協調等問題，導致將結構、部品、設備進行有機整合的標準化集成設計能力不足．

1.2 技術體系標準化滯后

工業化的主要問題不在于技術本身，而是配套的技術標準．美國政府對于工業化住宅的設計、施工、節能、抗風、采暖制冷以及管道系統等都制定了詳細標準[5]，技術標準的配套實施促使其專業化、社會化程度高，最終工業化住宅的成本反而減少一半．引進發達國家或地區的先進技術是加速我國住宅工業化發展的重要途徑，但其與國內現行的建筑技術標準、規范并不兼容．我國的模數協調多側重于房屋建筑構配件的預制安裝，對住宅部品的設計、生產缺乏專業的應用指導，使得部品設計開發的品種規格雜亂，通用性較差，標準化、系列化、模數化程度低[6]，同時在研發設計、預制生產、裝配施工、竣工驗收和質量評價等環節的標準也存在滯后性．

1.3 整個產業鏈的整合度松散

現澆混凝土的作業方式對于住宅工業化的標準化設計、裝配式一體化施工造成很大的阻力，僅有少數企業在探索預制裝配結構和鋼結構等住宅工業化結構體系，但是能夠主導工業化技術創新的企業因推行意愿不強、缺乏行業標準和共享技術資源不足等因素，在產業鏈中不能有效組織和協調各節點之間的關系，致使各節點企業不能專注于自身最擅長的核心業務，競爭力較低，上下游產業鏈各環節之間缺乏有效的接口集成[7]，各環節僅作為相互獨立的模塊單元存在，集成組織優勢很難真正發揮，使工業化進程嚴重受阻．

2 模塊化是住宅工業化發展的必然選擇

2.1 模塊化理論的產生與衍化

最早對模塊化進行研究的是諾貝爾經濟學獎得主西蒙，他提出了系統具有可分解性，認為模塊化在進化環境中促使復雜系統均衡動態地演進，強調對于管理復雜系統的重要性[2]．自20世紀60年代，以青木昌彥為代表的經濟學家們提出，將復雜的系統分拆成不同模塊，并使模塊之間通過標準化接口進行信息溝通的動態整合過程，就叫作模塊化[2]．哈佛大學鮑德溫和克拉克教授對模塊化做出了更為詳細的闡釋，即通過每個可以獨立設計的，并且能夠發揮整體作用的子系統模塊來構筑復雜的系統[8]．同時，系統中具有半自律性的子模塊按照一定的標準，實現獨立設計與生產，經由標準化組合，并隨著技術的發展和市場的需求而不斷優化升級和自主創新，簡化系統的同時又組合成高效的新系統，進而形成標準化意義上的多樣化系統．整個系統中始終存在著形成、衍發和完善的動態柔性過程，最終產生良性競爭和產業聚集的效果．

從最初斯密的勞動分工到大規模生產的福特制，再到將彈性生產方式與福特制相融合的豐田模式，是產業標準化不斷升級的過程，也是模塊化在產業發展過程中不斷具體化和應用的過程．學者們對模塊化的研究主要是從產品設計、生產過程、企業內外組織、產業組織、信息系統及創新等視角展開[9-10]．如今，模塊化依然作為一種工業設計方法，在電器、儀器儀表等制造行業廣泛應用，并擴散到通訊設備、計算機硬件和軟件、集成電路等領域．然而對住宅工業化而言，模塊化是繼改變傳統住宅建造方式之后，推動工業化發展的又一契機．

2.2 模塊化有力促進整個供應鏈的銜接

構建完善的產業鏈，對推動我國住宅產業向現代的工業化建設轉型有著重大意義．與日本、歐洲等發達國家和地區廣泛使用的整體式、拼裝式等先進工業化體系相比，我國住宅工業化的供應鏈系統還不成熟，生產效率低下．但模塊化對完整產業鏈的構建具有重要作用．

(1)住宅工業化供應鏈系統的復雜性和可分解性．在研發設計環節，各建設項目的設計方可能不同，所確定的工藝也不一樣，如果缺乏標準化設計，則很難以程序化、工業化的施工工藝來應對復雜的建設項目．工業化住宅建設過程中多主體參與、多環節配合、多要素相關的特性，使其本身具有復雜性．對工業化住宅系統進行模塊化分解，能夠有效地簡化復雜系統的運行過程[11]．

(2)模塊之間的靈活替代性．構成系統的模塊均存在各自的特點，彼此按照一系列接口標準完成契合．傳統的建造模式主要采用現澆混凝土結構，人們普遍認為預制結構的整體性和抗震性都較差，對構件預制生產的環節造成很大阻礙．但現澆是一次性的，一旦成型難以更改，造成太多不確定性．模塊的硬接口組合使得模塊之間連接方式、尺寸搭配、標準節點等組成系列化、通用化的構造體系(見圖1)，促使在標準化基礎上衍生出更多的部品及結構模塊單元，保證模塊之間的靈活替代．在混凝土框架柱與框架梁預制裝配施工時，通過模塊接口的標準化節點設計，采取梁柱拼接節點與先張預應力混凝土樓板的疊合層，共同現澆裝配成新的整體結構．

圖1　接口模塊的組合框架

(3)有利于發揮協同效應．通過大規模的靈活性產品、批量柔性的工具設備、多結構框架及組合協作，可以實現可持續的建筑工業化系統(IBS)[4]．模塊化是柔性的大規模生產方式，涵蓋標準化設計，又是一種組合式設計．模塊的軟接口促使各參與方高效協作，使得各環節在有序分工、標準重組的基礎上重新網絡化整合．模塊的軟接口組合見圖1. 在運輸及施工裝配環節，預制化構件通常較重、體積較大，不可能像零部件一樣容易實現遠距離運輸，同時增加了施工裝配階段的難度；而對于預制化構件企業，如果不能形成預制構件的產業鏈氛圍，則無法實現規模經濟效應，不能有效解決預制構件的運輸和施工問題．

2.3 模塊化是住宅工業化發展的客觀需求

通過模塊化的整合作用，住宅工業化供應鏈各環節高效對接，整個工業化復雜系統的耦合度大大增強．

(1)各環節模塊之間的同步操作．通過事先確定的設計規則，即系統各子模塊共享的系統信息，各模塊在獨立設計、生產的同時，產業鏈中的各方可以獨立并行發揮各自作用，以實現平行作業．如在主體結構和管線設備同時施工時，不必擔心施工過程中的水電管線等設備與主體結構的沖突而導致工期延誤、施工效率降低等問題的發生．

(2)系統需求的多樣化．模塊化生產系統都是即插即用的模塊，工業化住宅更新只需要對系統的局部模塊進行更新．模塊化能夠完美地解決標準化與個性化的矛盾，標準化模塊被組裝后，仍可以根據業主的定制要求，在模塊組裝企業或下游環節進行再拼裝，迅速地創建不同需求的住宅產品，實現真正意義上的多樣化．

圖2　基于產品壽命周期的模塊化分解與整合

(3)實現住宅產業化可持續發展的有效途徑．首先，模塊的標準化設計簡化了施工過程，最大限度地利用土地，降低環境污染；其次，生產的模塊化可以靈活分解、組合，實現快速、優質、低耗、環保的規模生產；再次，模塊的接口組合有助于實現住宅生產經營一體化及整個產業鏈的有機銜接，減少各環節間的不協調，防止資源重復浪費；最后，模塊的集群、協作效應促使住宅協作服務社會化，以專業分工、聯合生產、規模集聚保持生產的連續性和均衡性，減少環境污染，提高材料及能源的利用率[12]．

3 住宅工業化模塊化發展的模式設計

3.1 基于住宅工業化產品對象的模塊化分工

3.1.1 基于產品壽命周期的模塊化分解

住宅工業化的分工需要社會化、行業化，每個生產環節都必須協作化、專業化，將住宅工業化的各種部品構件落實到產業鏈節點上，做到術業有專攻，才能有集群和規模效應．模塊化可以將一個復雜系統分解成若干具有特定的功能的模塊，便于獨立發揮效用；還可以經由分解的獨立模塊進行組合，形成新的模塊[11]，以更好地實現整個系統的功能．工業化住宅的模塊化分解與整合的架構如圖2所示．經過模塊化分工，系統被分解成研發設計、產品制造、施工裝配等獨立的單元模塊，他們按照一定的規則，通過標準的界面結構與其他功能的半自律子系統相聯系，從而構成更加復雜的系統．

圖2中的設計規則主要包括模塊化設計的參數結構體系和市場情況等參考準則．單元模塊再分解，形成具有獨立的子單元模塊，這些子單元模塊都符合一定的模數制，可以按照模塊化的硬接口自由靈活地組合．設計規則是標準化的界面，是工業化分工的標準平臺；設計反饋是子模塊單元演化過程中反映的糅合度信息，系統會將這些信息進行篩選，不斷更新現有的設計規則．

3.1.2 基于產品生產過程的模塊化分工

按照住宅工業化不同的建造階段，可分為基礎階段、主體階段、裝修階段及配套階段．每一階段都有對應的設計、生產與施工單位．通過模塊化，住宅工業化的四個階段被模塊化，每一個階段模塊又包括各自的子模塊，模塊與模塊之間緊密配合，模塊關系見圖3．比如處于基礎階段的設計模塊，不僅要處理好本階段(縱向)的生產和施工模塊，還要關注不同階段(橫向)設計模塊的信息交流，甚至對不同階段(交叉)的生產、施工模塊加以考慮，以實現全周期供應鏈的高效對接．

圖3　基于產品生產過程的模塊化分解

3.2 培育系統集成商與模塊供應商

按照模塊化分工，產業內的組織模塊劃分為系統集成商和模塊供應商兩類：前者負責“看得見的設計規則”的系統信息的制定；后者則在遵守“看得見的設計規則”下，專職于個體“看不見的設計規則”的設計來實現模塊化[13]．通過擁有模塊的隱形信息，即具有模塊設計或制造所要求的專長，從而準確把握系統集成商的設計意圖．系統集成商在承擔內部管理的同時，還扮演系統設計師的角色，負責制定主導規則，協調整個模塊化組織的運作；而模塊供應商可以不必獨立完成復雜產品所有部件的研發生產，他們往往擁有自己的核心能力，為不同的系統集成商提供服務，可以承擔不同產品所需的同一類制造模塊．系統集成商逐步獲得大批量模塊生產的規模優勢，大大降低生產成本，達到市場推廣的目的．可以想象，經過引領發揮萬科等系統集成商的積極性，整合產業鏈上下游包括規劃、設計、施工、安裝、部品及監理環節在內的核心模塊供應商，加強聯盟協作，就能夠啟動住宅工業化發展的大勢[14]．

3.3 設計規則與生產模塊完成契合

設計層次中位于較低層次的隱形模塊能不斷地進化發展，促進各模塊相互創新地替代，而隱形模塊之間的聯系是通過明確的設計規則確立的．在明確設計規則的約束下，模塊間遵循共同的接口組合標準，并對生產模塊進行合并、拆分、歸納或功能優化等模塊化操作，從而簡化模塊間的協調，也有利于建立一個彈性、迅捷、高效的組織系統[15]．

各環節由于設計規則實現了生產模塊的耦合而銜接緊密，整個供應鏈逐步形成高度柔性化、專業化分工的模塊化網絡生產模式，其中任何一個環節的生產技術、條件發生變化，其他生產模塊無須做出重大調整，只須摒棄低效率的生產模塊，添加與之相匹配的高效率生產模塊，就足以保證整個工業化住宅的產業鏈高效運行．如在設計階段，可能會忽略電氣和設備詳細的設計信息，返工、反復測評、反復設計和施工過程控制不嚴等不利情況的發生，使得SI住宅(即骨架結構和分離填充體)中的骨架結構偏離設計預期，此時僅須更新發生沖突的電氣或設備構件[16]．

3.4 功能分析與系統模塊形成

生產的模塊化有效解決了產業細微化和供應鏈深度分解所帶來的復雜性問題[13]．通過分析、定位不同模塊的用途和功能，模塊供應商可以結合自己的優勢對其中一種或多種部品、構件實現“各個擊破”，使得原來生產工藝的連貫性被重新整合成新型的生產方式，在新的接口標準下會形成若干不同規模的專業化生產模塊；系統集成商對生產模塊進行再集成，最終形成工業化住宅的模塊化系統．系統模塊形成的概念框架見圖4．

3.5 建立高效的信息技術集成平臺

住宅工業化的標準化、精細化、集約化發展只有基于信息化技術才能實現．通過搭建信息技術集成平臺，供應鏈各環節能夠共享平臺的信息，確保模塊的匹配、系統的整合．在設計階段，利用建筑信息模型(building information modeling，簡稱BIM)技術可以很好地對各專業工程師的設計方案進行協調，對方案的可施工度和施工進度進行模擬，解決施工碰撞等問題；在施工階段，利用非接觸自動識別技術(radio frequency identification，簡稱RFID)，將BIM與RFID配合使用，實現對構件質量的動態檢測和追蹤控制[17]．

圖4　系統模塊形成的概念框架

4 推進住宅工業化模塊化發展的對策建議

4.1 構建與模塊化配套的標準化技術體系

首先，要大力發展通用住宅部品，逐步形成系列開發、規模生產、配套供應的標準化住宅部品體系；其次，完善基本模數制度，奠定標準化模數協調基礎；最后，我國要建立基于住宅設計、構件部品生產、現場施工裝配等全壽命周期的系統化、多層次、全覆蓋的工業化技術標準體系構架．

4.2 積極推進工程管理體制改革

加快推行設計施工一體化，加強設計與施工階段的集成；培育一批產業關聯度高，帶動能力強，集設計、生產、施工于一體的龍頭企業和產業鏈重點企業，使之成為國家住宅產業現代化基地；同時引導兼具住宅設計、產品部品生產和施工的企業，優先承擔住宅工業現代化示范工程．

4.3 制定相關的激勵政策

住宅工業化前期研發投入高，平均成本較高，初期很難形成規模效應．因此，政府應制定相應的產業扶持政策和稅費優惠政策等，以此推動住宅工業化的發展．具體的扶持政策和優惠制度包括研發經費補貼、稅收減免、貼息貸款等財政金融政策，也包括建筑面積、容積率或建筑高度限制等方面的非財政優惠政策，還可以通過縮短工業化項目的審批周期、對報批報建等程序開辟綠色通道、提高行政審批效率等方式對企業進行激勵[18]．

4.4 模塊化發展的流程再造

我國住宅工業化發展應以頂層制度設計為基礎，以扶持激勵政策為龍頭，以技術標準為支撐，通過模塊化設計、生產、施工等各環節的協作化，實現整個行業的社會化大生產．其核心內容是標準體系的完善、信息技術集成平臺的建立及模塊化技術的應用．住宅工業化發展的模塊化框架如圖5所示．其中，政策和標準是基礎，信息集成是平臺，研發設計、生產制造、施工裝配等模塊是技術支撐．相信模塊化理論應用于住宅工業化發展，將進一步促進工業化住宅供應鏈中各環節模塊緊密銜接，形成大規模的產業集群，推動住宅工業化的快速發展．

圖5　住宅工業化模塊化發展流程

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經濟與管理

Research on the Development Mode of Housing Industrialization Based on Modular Theory

GUO Ming，WANG Jianting
(School of Economics and Management，TCU，Tianjin 300384，China)

Abstract：Housing industrialization makes an important significance for promoting the development of new urbanization, being an inevitable trend of future development of construction industry. Our country is in an initial stage of the development of housing industrialization, and there is a contradiction between the traditional mode of production and housing industrialization, affecting healthy development of housing industrialization seriously. Based on the relevant theory of modularization, the author aims at the reality problems in residential industrialization, and discusses the modularized development mode of housing industrialization, putting forward the corresponding countermeasures and suggestions to contribute the healthy development of housing industrialization.

Key words：housing industrialization；modularization；development mode

通訊作者：王建廷(1960—)，男，教授，博士，從事綠色建筑技術集成與評價技術、綠色建筑運營管理等研究．E-mail：wjt@tcu.edu.cn

作者簡介：郭 明（1988—），男，河南新鄉人，天津城建大學碩士生.

基金項目：國家“十三五”科技支撐計劃項目(2013BAJ09B00)

收稿日期：2015-05-12；

修訂日期：2015-06-20

中圖分類號：F293.3

文獻標志碼：A

文章編號：2095-719X(2016)01-0048-06