基于模块化理论的住宅工业化发展模式研究

郭 明，王建廷(天津城建大学 经济与管理学院，天津 300384)



基于模块化理论的住宅工业化发展模式研究

郭 明，王建廷
(天津城建大学 经济与管理学院，天津 300384)

摘要：住宅工业化对于推进我国新型城镇化发展具有重要意义，是建筑业未来发展的必然趋势．我国正处于住宅工业化发展的初期，传统住宅产业的生产方式与住宅工业化的内在要求存在矛盾，严重影响了住宅工业化的良性发展．本文基于模块化的相关理论，针对住宅工业化的现实问题，探讨了基于模块化的住宅工业化发展模式，并针对制约因素提出相应的对策建议，以期推进住宅工业化的健康发展．

关 键 词：住宅工业化；模块化；发展模式

伴随新型城镇化的发展、城镇人口的增加和居民生活品质的提高，对住宅的功能和质量提出了更高要求．传统的建设周期长、能耗大、效率低、成本高的建造模式已难以适应如今住宅产业发展的需要，因此推进批量化、规模化、高质量的住宅工业化建设模式成为必然选择．然而，目前我国住宅工业化发展程度还较低，新型工业化体系仍处于摸索阶段，技术标准化滞后，相配套的构件部品系列化、通用化水平低，没有达到工业化的要求[1]．作为产业分工细化的产物，模块化能够有效地简化系统的设计与生产过程[2]，借鉴这一原理，对住宅工业化进行模块化研究，对推进我国住宅工业化的协调发展具有重要的现实意义．

1 我国住宅工业化发展现状

改革开放30多年来，建筑业日益成为我国经济快速发展的支柱产业．目前，我国每年新增建筑面积16～20亿m2，已成为世界上最大的建筑市场，约占全球建筑市场总量的50%,．住宅工业化发展取得了长足进步，直接进入“第二代”和“第三代”工业化[3]，通过完善工业化体系、加强专业化分工来提高建筑品质，以大批量定制，先进的设计、生产理念及产品开发的个性化来强调建筑和谐，同时更加关注建筑工业化对经济、环境、社会等方面的影响，逐步实现可持续[4]．但与发达国家相比，我国建筑业仍主要沿用传统的建造模式，住宅工业化发展尚处于起步阶段，主要表现在以下几方面：

1.1 缺乏标准化设计

住宅工业化的设计不同于传统设计的关键在于它是标准化的设计，在完成设计时会形成详细的标准化设计图．对于国际上成熟的PC装配式住宅来说，标准化设计更是主要的直接手段．目前，国内工业化住宅项目规模小，标准化设计经验欠缺，无法充分考虑施工的具体工艺流程及标准化细节，与工业化住宅相配套的构件部品还存在接口脱节、配套尺寸难以协调等问题，导致将结构、部品、设备进行有机整合的标准化集成设计能力不足．

1.2 技术体系标准化滞后

工业化的主要问题不在于技术本身，而是配套的技术标准．美国政府对于工业化住宅的设计、施工、节能、抗风、采暖制冷以及管道系统等都制定了详细标准[5]，技术标准的配套实施促使其专业化、社会化程度高，最终工业化住宅的成本反而减少一半．引进发达国家或地区的先进技术是加速我国住宅工业化发展的重要途径，但其与国内现行的建筑技术标准、规范并不兼容．我国的模数协调多侧重于房屋建筑构配件的预制安装，对住宅部品的设计、生产缺乏专业的应用指导，使得部品设计开发的品种规格杂乱，通用性较差，标准化、系列化、模数化程度低[6]，同时在研发设计、预制生产、装配施工、竣工验收和质量评价等环节的标准也存在滞后性．

1.3 整个产业链的整合度松散

现浇混凝土的作业方式对于住宅工业化的标准化设计、装配式一体化施工造成很大的阻力，仅有少数企业在探索预制装配结构和钢结构等住宅工业化结构体系，但是能够主导工业化技术创新的企业因推行意愿不强、缺乏行业标准和共享技术资源不足等因素，在产业链中不能有效组织和协调各节点之间的关系，致使各节点企业不能专注于自身最擅长的核心业务，竞争力较低，上下游产业链各环节之间缺乏有效的接口集成[7]，各环节仅作为相互独立的模块单元存在，集成组织优势很难真正发挥，使工业化进程严重受阻．

2 模块化是住宅工业化发展的必然选择

2.1 模块化理论的产生与衍化

最早对模块化进行研究的是诺贝尔经济学奖得主西蒙，他提出了系统具有可分解性，认为模块化在进化环境中促使复杂系统均衡动态地演进，强调对于管理复杂系统的重要性[2]．自20世纪60年代，以青木昌彦为代表的经济学家们提出，将复杂的系统分拆成不同模块，并使模块之间通过标准化接口进行信息沟通的动态整合过程，就叫作模块化[2]．哈佛大学鲍德温和克拉克教授对模块化做出了更为详细的阐释，即通过每个可以独立设计的，并且能够发挥整体作用的子系统模块来构筑复杂的系统[8]．同时，系统中具有半自律性的子模块按照一定的标准，实现独立设计与生产，经由标准化组合，并随着技术的发展和市场的需求而不断优化升级和自主创新，简化系统的同时又组合成高效的新系统，进而形成标准化意义上的多样化系统．整个系统中始终存在着形成、衍发和完善的动态柔性过程，最终产生良性竞争和产业聚集的效果．

从最初斯密的劳动分工到大规模生产的福特制，再到将弹性生产方式与福特制相融合的丰田模式，是产业标准化不断升级的过程，也是模块化在产业发展过程中不断具体化和应用的过程．学者们对模块化的研究主要是从产品设计、生产过程、企业内外组织、产业组织、信息系统及创新等视角展开[9-10]．如今，模块化依然作为一种工业设计方法，在电器、仪器仪表等制造行业广泛应用，并扩散到通讯设备、计算机硬件和软件、集成电路等领域．然而对住宅工业化而言，模块化是继改变传统住宅建造方式之后，推动工业化发展的又一契机．

2.2 模块化有力促进整个供应链的衔接

构建完善的产业链，对推动我国住宅产业向现代的工业化建设转型有着重大意义．与日本、欧洲等发达国家和地区广泛使用的整体式、拼装式等先进工业化体系相比，我国住宅工业化的供应链系统还不成熟，生产效率低下．但模块化对完整产业链的构建具有重要作用．

(1)住宅工业化供应链系统的复杂性和可分解性．在研发设计环节，各建设项目的设计方可能不同，所确定的工艺也不一样，如果缺乏标准化设计，则很难以程序化、工业化的施工工艺来应对复杂的建设项目．工业化住宅建设过程中多主体参与、多环节配合、多要素相关的特性，使其本身具有复杂性．对工业化住宅系统进行模块化分解，能够有效地简化复杂系统的运行过程[11]．

(2)模块之间的灵活替代性．构成系统的模块均存在各自的特点，彼此按照一系列接口标准完成契合．传统的建造模式主要采用现浇混凝土结构，人们普遍认为预制结构的整体性和抗震性都较差，对构件预制生产的环节造成很大阻碍．但现浇是一次性的，一旦成型难以更改，造成太多不确定性．模块的硬接口组合使得模块之间连接方式、尺寸搭配、标准节点等组成系列化、通用化的构造体系(见图1)，促使在标准化基础上衍生出更多的部品及结构模块单元，保证模块之间的灵活替代．在混凝土框架柱与框架梁预制装配施工时，通过模块接口的标准化节点设计，采取梁柱拼接节点与先张预应力混凝土楼板的叠合层，共同现浇装配成新的整体结构．

图1　接口模块的组合框架

(3)有利于发挥协同效应．通过大规模的灵活性产品、批量柔性的工具设备、多结构框架及组合协作，可以实现可持续的建筑工业化系统(IBS)[4]．模块化是柔性的大规模生产方式，涵盖标准化设计，又是一种组合式设计．模块的软接口促使各参与方高效协作，使得各环节在有序分工、标准重组的基础上重新网络化整合．模块的软接口组合见图1. 在运输及施工装配环节，预制化构件通常较重、体积较大，不可能像零部件一样容易实现远距离运输，同时增加了施工装配阶段的难度；而对于预制化构件企业，如果不能形成预制构件的产业链氛围，则无法实现规模经济效应，不能有效解决预制构件的运输和施工问题．

2.3 模块化是住宅工业化发展的客观需求

通过模块化的整合作用，住宅工业化供应链各环节高效对接，整个工业化复杂系统的耦合度大大增强．

(1)各环节模块之间的同步操作．通过事先确定的设计规则，即系统各子模块共享的系统信息，各模块在独立设计、生产的同时，产业链中的各方可以独立并行发挥各自作用，以实现平行作业．如在主体结构和管线设备同时施工时，不必担心施工过程中的水电管线等设备与主体结构的冲突而导致工期延误、施工效率降低等问题的发生．

(2)系统需求的多样化．模块化生产系统都是即插即用的模块，工业化住宅更新只需要对系统的局部模块进行更新．模块化能够完美地解决标准化与个性化的矛盾，标准化模块被组装后，仍可以根据业主的定制要求，在模块组装企业或下游环节进行再拼装，迅速地创建不同需求的住宅产品，实现真正意义上的多样化．

图2　基于产品寿命周期的模块化分解与整合

(3)实现住宅产业化可持续发展的有效途径．首先，模块的标准化设计简化了施工过程，最大限度地利用土地，降低环境污染；其次，生产的模块化可以灵活分解、组合，实现快速、优质、低耗、环保的规模生产；再次，模块的接口组合有助于实现住宅生产经营一体化及整个产业链的有机衔接，减少各环节间的不协调，防止资源重复浪费；最后，模块的集群、协作效应促使住宅协作服务社会化，以专业分工、联合生产、规模集聚保持生产的连续性和均衡性，减少环境污染，提高材料及能源的利用率[12]．

3 住宅工业化模块化发展的模式设计

3.1 基于住宅工业化产品对象的模块化分工

3.1.1 基于产品寿命周期的模块化分解

住宅工业化的分工需要社会化、行业化，每个生产环节都必须协作化、专业化，将住宅工业化的各种部品构件落实到产业链节点上，做到术业有专攻，才能有集群和规模效应．模块化可以将一个复杂系统分解成若干具有特定的功能的模块，便于独立发挥效用；还可以经由分解的独立模块进行组合，形成新的模块[11]，以更好地实现整个系统的功能．工业化住宅的模块化分解与整合的架构如图2所示．经过模块化分工，系统被分解成研发设计、产品制造、施工装配等独立的单元模块，他们按照一定的规则，通过标准的界面结构与其他功能的半自律子系统相联系，从而构成更加复杂的系统．

图2中的设计规则主要包括模块化设计的参数结构体系和市场情况等参考准则．单元模块再分解，形成具有独立的子单元模块，这些子单元模块都符合一定的模数制，可以按照模块化的硬接口自由灵活地组合．设计规则是标准化的界面，是工业化分工的标准平台；设计反馈是子模块单元演化过程中反映的糅合度信息，系统会将这些信息进行筛选，不断更新现有的设计规则．

3.1.2 基于产品生产过程的模块化分工

按照住宅工业化不同的建造阶段，可分为基础阶段、主体阶段、装修阶段及配套阶段．每一阶段都有对应的设计、生产与施工单位．通过模块化，住宅工业化的四个阶段被模块化，每一个阶段模块又包括各自的子模块，模块与模块之间紧密配合，模块关系见图3．比如处于基础阶段的设计模块，不仅要处理好本阶段(纵向)的生产和施工模块，还要关注不同阶段(横向)设计模块的信息交流，甚至对不同阶段(交叉)的生产、施工模块加以考虑，以实现全周期供应链的高效对接．

图3　基于产品生产过程的模块化分解

3.2 培育系统集成商与模块供应商

按照模块化分工，产业内的组织模块划分为系统集成商和模块供应商两类：前者负责“看得见的设计规则”的系统信息的制定；后者则在遵守“看得见的设计规则”下，专职于个体“看不见的设计规则”的设计来实现模块化[13]．通过拥有模块的隐形信息，即具有模块设计或制造所要求的专长，从而准确把握系统集成商的设计意图．系统集成商在承担内部管理的同时，还扮演系统设计师的角色，负责制定主导规则，协调整个模块化组织的运作；而模块供应商可以不必独立完成复杂产品所有部件的研发生产，他们往往拥有自己的核心能力，为不同的系统集成商提供服务，可以承担不同产品所需的同一类制造模块．系统集成商逐步获得大批量模块生产的规模优势，大大降低生产成本，达到市场推广的目的．可以想象，经过引领发挥万科等系统集成商的积极性，整合产业链上下游包括规划、设计、施工、安装、部品及监理环节在内的核心模块供应商，加强联盟协作，就能够启动住宅工业化发展的大势[14]．

3.3 设计规则与生产模块完成契合

设计层次中位于较低层次的隐形模块能不断地进化发展，促进各模块相互创新地替代，而隐形模块之间的联系是通过明确的设计规则确立的．在明确设计规则的约束下，模块间遵循共同的接口组合标准，并对生产模块进行合并、拆分、归纳或功能优化等模块化操作，从而简化模块间的协调，也有利于建立一个弹性、迅捷、高效的组织系统[15]．

各环节由于设计规则实现了生产模块的耦合而衔接紧密，整个供应链逐步形成高度柔性化、专业化分工的模块化网络生产模式，其中任何一个环节的生产技术、条件发生变化，其他生产模块无须做出重大调整，只须摒弃低效率的生产模块，添加与之相匹配的高效率生产模块，就足以保证整个工业化住宅的产业链高效运行．如在设计阶段，可能会忽略电气和设备详细的设计信息，返工、反复测评、反复设计和施工过程控制不严等不利情况的发生，使得SI住宅(即骨架结构和分离填充体)中的骨架结构偏离设计预期，此时仅须更新发生冲突的电气或设备构件[16]．

3.4 功能分析与系统模块形成

生产的模块化有效解决了产业细微化和供应链深度分解所带来的复杂性问题[13]．通过分析、定位不同模块的用途和功能，模块供应商可以结合自己的优势对其中一种或多种部品、构件实现“各个击破”，使得原来生产工艺的连贯性被重新整合成新型的生产方式，在新的接口标准下会形成若干不同规模的专业化生产模块；系统集成商对生产模块进行再集成，最终形成工业化住宅的模块化系统．系统模块形成的概念框架见图4．

3.5 建立高效的信息技术集成平台

住宅工业化的标准化、精细化、集约化发展只有基于信息化技术才能实现．通过搭建信息技术集成平台，供应链各环节能够共享平台的信息，确保模块的匹配、系统的整合．在设计阶段，利用建筑信息模型(building information modeling，简称BIM)技术可以很好地对各专业工程师的设计方案进行协调，对方案的可施工度和施工进度进行模拟，解决施工碰撞等问题；在施工阶段，利用非接触自动识别技术(radio frequency identification，简称RFID)，将BIM与RFID配合使用，实现对构件质量的动态检测和追踪控制[17]．

图4　系统模块形成的概念框架

4 推进住宅工业化模块化发展的对策建议

4.1 构建与模块化配套的标准化技术体系

首先，要大力发展通用住宅部品，逐步形成系列开发、规模生产、配套供应的标准化住宅部品体系；其次，完善基本模数制度，奠定标准化模数协调基础；最后，我国要建立基于住宅设计、构件部品生产、现场施工装配等全寿命周期的系统化、多层次、全覆盖的工业化技术标准体系构架．

4.2 积极推进工程管理体制改革

加快推行设计施工一体化，加强设计与施工阶段的集成；培育一批产业关联度高，带动能力强，集设计、生产、施工于一体的龙头企业和产业链重点企业，使之成为国家住宅产业现代化基地；同时引导兼具住宅设计、产品部品生产和施工的企业，优先承担住宅工业现代化示范工程．

4.3 制定相关的激励政策

住宅工业化前期研发投入高，平均成本较高，初期很难形成规模效应．因此，政府应制定相应的产业扶持政策和税费优惠政策等，以此推动住宅工业化的发展．具体的扶持政策和优惠制度包括研发经费补贴、税收减免、贴息贷款等财政金融政策，也包括建筑面积、容积率或建筑高度限制等方面的非财政优惠政策，还可以通过缩短工业化项目的审批周期、对报批报建等程序开辟绿色通道、提高行政审批效率等方式对企业进行激励[18]．

4.4 模块化发展的流程再造

我国住宅工业化发展应以顶层制度设计为基础，以扶持激励政策为龙头，以技术标准为支撑，通过模块化设计、生产、施工等各环节的协作化，实现整个行业的社会化大生产．其核心内容是标准体系的完善、信息技术集成平台的建立及模块化技术的应用．住宅工业化发展的模块化框架如图5所示．其中，政策和标准是基础，信息集成是平台，研发设计、生产制造、施工装配等模块是技术支撑．相信模块化理论应用于住宅工业化发展，将进一步促进工业化住宅供应链中各环节模块紧密衔接，形成大规模的产业集群，推动住宅工业化的快速发展．

图5　住宅工业化模块化发展流程

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经济与管理

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

通讯作者：王建廷(1960—)，男，教授，博士，从事绿色建筑技术集成与评价技术、绿色建筑运营管理等研究．E-mail：wjt@tcu.edu.cn

作者简介：郭 明（1988—），男，河南新乡人，天津城建大学硕士生.

基金项目：国家“十三五”科技支撑计划项目(2013BAJ09B00)

收稿日期：2015-05-12；

修订日期：2015-06-20

中图分类号：F293.3

文献标志码：A

文章编号：2095-719X(2016)01-0048-06