|
林正豪 袁小雨 / LIN Zhenghao, YUAN Xiaoyu 摘要：预制装配是建筑工业化、产业化、产品化语境下重要的行业发展趋势，而建筑的多样性需求与工业标准化生产之间的矛盾是制约其发展的主要瓶颈。本文通过制造业与建筑业的交叉类比，将批量定制的概念与原则引入预制建筑的设计研究范畴，并从可拓展的模块策略、可持续的复合系统、信息化的建造管理3个层面进行讨论，结合美国KT事务所近期的建筑实践案例进行分析，以期为预制建筑的发展提供新的思路。 关键词：批量定制 预制建筑 基尔兰 · 汀波莱克 1 预制装配：趋势与困境建筑领域中关于预制装配的议题由来已久。最早可追溯到17世纪末英国的殖民扩张，本土加工的木构件被海运至殖民地，快速建造房屋、教堂、商店等建筑（Ryan E. Smith，2011），“曼宁便携小屋”（Manning Portable Cottage）为该阶段的代表作。工业革命带来技术进步与铸铁等新材料的应用，预制建筑逐渐崭露头角，约瑟夫 · 帕克斯顿（Joseph Paxton）利用铸铁构件与平板玻璃建造的水晶宫（Crystal Palace）将建筑的工业美感直白地展现在公众面前。淘金热、西部扩张、内外战争以及战后重建催生了大规模的居住需求，预制气球框架（Balloon Frame）木构建筑（朱竞翔，2014）在美国本土得以迅速普及与发展，“亚拉丁住屋”（Aladdin Homes）等订单式预制住宅产品不断涌现。现代主义思潮与战后工业新技术的发展则驱使建筑师在工业化领域不断拓疆，将技术新成果与生活新模式相结合，从而促进了预制建筑在空间与形式上的转变。1940年代，住宅案例研究项目（Case Study House Program）中埃姆斯夫妇的埃姆斯住宅（Eames House）通过应用严格的标准化预制钢结构体系，积极探索预制建筑中自由使用空间的实现（陈晓娟，2011）。当代计算机数控加工（Computerized Numerical Control，CNC）、计算机辅助设计/制造（Computer-Aided Design，CAD；Computer-Aided Manufacturing，CAM）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等数字化技术的开发与应用，更使预制建筑的复杂设计与精确建造成为现实，理查德 · 罗杰斯（Richard Rogers）、弗朗克 · 盖里（Frank Gehry）等建筑师正是通过数字化预制，实现了复杂建构（图1）。 作为上个世纪以来建筑学的重要研究问题，预制装配化的优势主要体现在经济、生产与社会3个层面：其一，预制生产可通过标准化体系有效降低造价，并尽可能压缩现场施工，达到节约时间、人力与物力成本的目标；其二，相比现场施工，工厂制造能提供更好的场地与设备条件、更精准的生产工艺与更严格的检测环节，从而保证稳定的建造质量；其三，工厂化为施工人员提供了更好的施工环境，并允许非技术雇员通过简单的操作完成生产活动，从而缓解了社会就业压力。由此可见，预制装配是实现建筑工业化、产业化与产品化的必然产物与必经阶段。 然而，建筑绝非一个简单的生产命题。福特制的标准化流水线与自动化设备推动了现代建筑的“批量生产”（Mass Production），但也使其陷入新的窘境：市场上大同小异的工业化建筑产品无法满足客户日渐增长的个性化需求，更无法回应建筑学层面的多样性命题，成为预制建筑发展的掣肘。相较之下，伴随着现浇混凝土等现场施工技术的成熟，建筑的“定制设计”（Customized Design）逐步主导市场，但这种追求个性化的“一次设计”（One-off Design）也存在诸多问题：由于人的能力与经验不足导致项目失败、单次设计中大量复杂问题难以调和等。这种批量生产与个性化定制之间的矛盾，成为建筑学发展的一大瓶颈。 2 批量定制：向制造业学习事实上，制造业的发展也经历了相似的阶段，因此不妨将其与建筑业交叉类比，寻求突破预制建筑瓶颈的可能解。从18世纪中叶开始，制造业发展相继经历了工业化、标准化、机械化、自动化、批量生产等阶段（Ryan E. Smith，2011），这些阶段既相互套叠、互为基础，又在新技术与新材料的推动下不断向前演进，共同谱写人类社会的工业文明（图2）。  图1 预制建筑的历史发展节点 工业化生产作为时代背景，从以使用先进机器为标志的工业革命开始，便贯穿于制造史的始终。而以兼容性与互换性为基础的标准化生产则是提升社会生产效率、扩大工业生产规模、促进供应链衔接的必然产物。机械化生产得益于战时发展的先进机械技术，将标准化扩展到更大规模的经济体系。自动化则以CNC、CAM等数字技术的应用为标志，进一步解放人力并提高生产率。直至20世纪中叶，批量生产在此基础上应运而生，利用装配流水线作业，大量生产相同的产品从而有效降低造价，迅速填补巨大的市场空缺。然而，剧增的同类产品很快开始过剩，买方市场随之形成，加之人们对产品个性化的要求不断觉醒，批量生产的局限性由此显现。曾作为批量生产成功典型的福特T型车因在表漆颜色上吝于变化，最终败给了提供不同年度型号、可选颜色与附件的通用汽车公司（General Motor），这预示着新的生产方式即将来临。 1970年美国著名未来学家阿尔文 · 托夫勒（Alvin Toffler）首次提出将批量生产与定制设计相结合的生产设想。管理顾问专家斯坦 · 戴维斯（Stan Davis）在其经典著作《理想未来》（Future Perfect）中将这种设想命名为批量定制（Mass Customization），暗示其与批量生产的联系与区别（1987）。批量定制的核心在于保持接近批量生产的成本与效率，同时最大程度地为客户提供特殊定制产品与个性服务，即在以用户为导向的同时，将产品多样化的成本约束在可控范围内。这种富于弹性的生产方式成功挽回了流失的消费群体，一举扭转批量生产留下的困局，故而在广泛领域得到迅速发展，成为当下制造业的主流模式。 那么在建筑业引入批量定制的模式是否同样能助力预制建筑走出困境？笔者认为这种借鉴是有意义的，原因如下：其一，在工业化大背景下，建筑业与制造业之间存在众多互通之处，前者对工业技术成果的转化与利用相对滞后（Martin Pawley，1990），后者的先进经验值得参考；其二，预制建筑本身就追求最大化的工厂式建造，在此层面上造屋亦是造物；其三，汽车、飞机等工业产品在设计水准、制造难度、质量要求等各方面均不亚于预制建筑，而在精益制造（Lean Production）、新材料应用与系统集成等方面的成就更是预制建筑应努力的方向。  图2 制造业的发展历程（图片来源：Ryan E. Smith） 3 预制建筑与批量定制相继荣膺罗马奖的两位美国建筑师斯蒂芬 · 基尔兰（Stephen Kieran）与詹姆斯 · 汀波莱克（James Timberlake）从1980年代开始便致力于预制建筑的研究，批量定制更是其基尔兰 · 汀波莱克事务所（Kieran Timberlake，以下简称为“KT事务所”）设计与实践的核心。他们认为“（批量定制）提出了一种新的建造流程，既使用自动化生产的技术，同时又能使制造出来的每一件产品都与之前批量生产出来的产品有所区别……能根据场地条件、使用功能以及业主的要求，建造差异化、个性化的建筑”。预制建筑的批量定制策略实际上是集设计思考、建造（制造）组织、技术转移、材料开发、销售服务于一体的综合性流程设计，并最终回应预制建筑的多样性命题。在此过程中，建筑师应当与产品工程师、流程设计师、材料科学家、建造承包商等密切合作（甚至充当其角色），并通过信息化管理工具完成设计、技术与工艺的整合。下文将结合KT事务所近期的相关设计研究，从模块化策略、复合系统、信息化建造3个方面对预制建筑的批量定制策略展开讨论。  图3 随时间变化而拓展KT系列住宅（来源：KT事务所） 3.1 可拓展的模块化系统 预制建筑要求尽量压缩现场施工以实现快速装配，与制造业要求精简供应链条以减少最终组装零件数目的原则是共通的，这种诉求直接促使模块体系（Module）的形成。若将一辆汽车进行分解，先得到的并不是离散的零件或者原材料，而是如驾驶座块、车门块、悬挂系统等连续的、具有一定体积的“多零件集成块”——模块。模块对于制造业的意义在于将原本单向线性运作的主装配线分解为若干可同步进行的、异地代工的OEM（Original Equipment Manufacturer，原始设备制造商）式子装配线，主线转而只负责生产核心技术模块以及组装有限数量的子线输出模块，从而缩短生产时间，实现批量生产。类比之下，预制建筑的现场施工也可以被看作“主装配线”，而模块便是最终出厂运往场地的预制集成件。 为最终实现多样化与定制化，模块本身需具备可拓展性。建造专家丹尼尔 · 斯科台克（Daniel Schodek）认为，工业产品设计中的某些模块拓展原则上可以转移到建筑的定制设计上（Daniel Schodek et al.，2005），具体可分为共享模块化、互换模块化、标准化模数、复合模块化、总线模块化与连接模块化等子项（表1）。在建筑细部设计层面对预制模块进行设计，可以在不增加模块种类的前提下大幅度提升其形式功能的组合多样性，从而实现因地制宜与客户定制，回应了制造业中“批量定制设计”（Design for Mass Customization，DFMC）的理念。对建筑师而言，在面对新的提案时只需根据既有条件选择适用的、设计成熟的模块进行组合即可。此时建筑师的设计工作也可视为一条“主装配线”，对模块本身的设计也成为“模块”，从而大大提高了设计业本身的生产效率。 KT系列住宅项目是KT事务所于2009年开始为绿色住宅建造商（LivingHomes）设计开发的模块化预制住宅体系，是应用模块化拓展策略的典型案例。基于标准化的模数体系，KT系列发展出“装卸板块”（Dump Panel）与“智慧模块”（Smart Module）两种模块系统，分别对应住宅平面上的“居住空间”与“服务空间”（图3）。 表1 模块的可拓展策略（来源：Daniel Schodek）  ? “居住空间”主要指起居室、餐厅、卧室、书房等高频使用的房间，由于存在配置数量、尺寸大小、开窗位置、景观朝向等差异化需求，因此采用组合方式更灵活多变的装卸板块来围合、划分空间，其空间组合与变化最终也反映于建筑的外观，从而实现功能与形式的双重多样性。“服务空间”包含厨房、卫浴间、洗衣房、垂直/水平交通、储藏间等以及大量复杂的给排水、暖通、电气系统，适宜采用整体式的智慧模块将其包裹，在工厂中完成集成与建造，并从结构、功能与系统层面为自由的可装卸板块组合提供“锚固点”，从而体现总线模块化策略（图4）。 得益于两种模块及通用的连接节点（连接模块化原则），KT系列建筑具备了水平与垂直的双向拓展能力，得以在建筑全生命周期内根据用户使用需求的变化实现建筑于空间层面的拓展，并实现在时间维度上的定制化与开放性（图5）。 在KT事务所提供的标准配置版本的基础上，LivingHomes公司又为KT系列模块开发了多种可替换的完成面（Finishing Layer），从而在不改变模块基本结构且不影响生产效率的前提下，根据客户的使用偏好与经济预算，实现建筑外立面/表皮、室内墙面、楼地板、天花板等可感知界面在材料、颜色与样式上的定制设计（图6），达到共享模块化的目标。   图5 随时间变化而拓展KT系列住宅（来源：KT事务所） 3.2 可持续的复合系统 复合模块化与互换模块化等策略的核心在于形成整合多项建筑系统/功能（或为系统/功能预留接入可能）的复合系统，首先其回应了批量定制生产中关于产品平台（Platform）与产品族（Family）的建构概念。 工程管理学专家马克 · 迈耶（Marc Meyer）与制造学专家詹姆斯 ·厄特巴克（James Utterback）认为，产品平台是批量定制的关键，是能够被一系列产品所共享、通用的一个相对稳定的结构；而以产品平台为基础并且能够满足不同客户对产品特殊特征和功能需求的相关系列产品集合则构成一个产品族（1992）。 类比之下，预制建筑的复合系统可视为产品平台，而从设计阶段开始的建筑全生命周期范围内，因客户需求而形成的、定制化的建筑系统与功能的选型集合则是产品族。因此，复合系统要求具备通用的结构性基础，为多种建筑材料、部品与设备系统的集成提供可能。其次，从建造的角度而言，复合系统可以利用工厂资源，批量化地完成多项专业技术与建造工艺的整合，从而有效避免现场多工种混合操作的无序局面与等待交接导致的时间浪费，最大化地节约建造成本，保证施工质量。 建筑内系统设备的增加与功能的复杂细分，是人们对使用舒适度要求不断提升与可持续技术不断发展的共同结果。将可持续技术与复合系统相结合是预制建筑发展的必然趋势，既回应了人、建筑与环境三位一体关系的根本问题，也对复合系统中的系统与功能提出拓展要求，进而为预制建筑的定制化设计提供更多的可选项目。 KT事务所开发的“智慧表皮”（Smart Wrap）专利系统是可持续复合系统的典型代表。这项研究起始于由斯蒂芬 · 基尔兰与詹姆斯 ·汀波莱克指导的宾夕法尼亚大学建筑研究生课题，旨在探索将功能性、装饰性的材料转印到工程塑料薄片的工艺。在杜邦公司的配合下持续深化，最终开发了全新的建筑围护复合系统，并应用于预制建筑“玻璃纸屋”（Cellophane House）项目（图7）。 “智慧表皮”将常规围护结构的功能分解、重组，引入潜在的功能需求，利用新材料与新工艺创造性地建构复合系统。通常用于生产饮料瓶的PET（Polyethylene Terephthalate）高分子塑料，因其低成本、高透光、高强度、防水防霉、快速干燥、可回收等诸多优点被作为该复合系统的基质材料与结构基础，也可被作为其他材料压印的载体与分隔的界面。其余材料则作为“涂层”分别附加在PET板上：微囊式的相变材料（Phase Change Materials，PCMs）为围护系统提供蓄热/冷的功能，避免室内温度剧烈波动；有机发光二极管（Organic LED，OLED）采用超薄的有机涂层覆盖于PET板上，当电流通过时便会自行发光，因此可以作表皮的信息界面或为室内空间提供照明；有机光伏（Organic Photovoltaics，OPVs）技术以同样轻薄的有机半导体作为电池组件，并利用铜片条连接形成回路，从而实现光电转化并为OLED等其他系统供能。由此，该复合系统可以兼备轻质耐久、保温蓄热、显示照明、视觉通达（透明性）、能源生成、回收利用等诸多可持续性能（图8）。  图6 模块完成面的定制设计（来源：LivingHomes） 上述材料在PET板上的涂覆以及多层PET板的最终复合成型，理论上都可以通过常规的简易辊涂（Roll-coating）技术完成。由此形成了以PET涂覆集成技术为“产品平台”而衍生的新型围护系统“产品族”，不仅保证了批量生产的可行性，又可根据客户特殊需求以及客观环境因素（气候、日照、景观等）调整附加涂层的种类数量等参数，也可以在未来使用中根据需要对既有系统功能进行增删、更新或者升级，实现建筑立面在形式与功能上的同步定制化。 3.3 信息化的建造管理 批量定制生产的核心目标之一就是要尽可能地缩短产品生成的时间，使其早日投入市场或送抵客户。除了采用模块化、集成化等产品设计策略并利用CNC、CAM等计算机技术来压缩产品的设计时间之外，通过信息化的管理技术提升生产组装阶段的效率是另一条捷径。 斯蒂芬 · 基尔兰与詹姆斯 · 汀波莱克在《再造建筑——如何用制造业的方法改造建筑业》（Refabricating Architecture: How Manufacturing Methodologies are Poised to Transform Building Construction，2003）中以波音公司为例，阐述信息化管理工具物料清单（Bill of Material，BOM）在控制飞机组装生产成本中的作用。物料清单可进一步分解为设计工程物料清单（Engineering BOM，EBOM）以及制造物料清单（Manufacturing BOM，MBOM），前者将设计阶段的模型与图纸转化为具体的零件信息表格，精确地描述每个零部件及零部件之间的实体形状、几何尺寸、位置关系、物理性能、颜色材质、制造来源等信息，从而节约生产中问题零部件的索引与定位时间；后者则主要针对产品的装配阶段，通过控制模具卡件等装配辅助工具的准备、零件与模块的装配顺序、OEM模式下外包模块的到厂时间等，协调所有部件与产品整体生产的关系，避免时间的浪费。类比于预制建筑，利用信息工具实现场外生产与场内建造的高效管理，同样具有重要意义。 事实上，近年来BIM技术的出现与应用，为预制建筑批量定制生产带来了新的契机。其一，在设计阶段通过BIM技术建立建筑师、工程师、材料学家、建造承包商、部品厂商及流程设计师的反馈协同平台，可以明确模块的划分界面与各工种的责任范围，从而及时发现多系统的碰撞冲突，提升模块设计的有效性；其二，可视化的三维模型可以提前让各环节的参与者达成对整体的共识，防止生产建造过程中个人主义对整体效益造成损害；其三，BIM模型中可建立所含物料的信息库，实现物料追踪管理与模块精确生产（过俊，2011），相当于建筑版的EBOM；其四，BIM技术可以实现对工厂内模块的生产以及现场建筑整体装配的模拟，控制建筑模块的装配顺序，优化整体施工组织，进而最终实现快速建造，相当于建筑版的MBOM；其五，通过BIM的信息管理功能可以将生产过程中不同客户之间的个性需求与矛盾进行调和（苏平，熊璐，2013），从而实现批量定制的生产目标。  图7 玻璃纸屋中智慧表皮的应用（来源：KT事务所）  图8 智慧表皮的复合系统（来源：KT事务所） 4 结语当下，我国的建筑仍以现场建造为主，面临着人力成本不断提高、施工时间难以压缩、能源资源不可再生、环境代价持续攀升等诸多问题，建筑进入工厂化预制时代已是大势所趋。文章通过借鉴制造业发展的历史经验，结合KT事务所在预制建筑的批量定制方面的先锋实践经验与持续研究成果，总结提炼出3大具体策略：可拓展的模块系统、可持续的复合系统以及信息化的建造流程，以期回应预制装配式建筑发展的历史命题，为目前我国预制建筑的多样化实践研究提供支撑。 参考文献： [1] Smith R E. Prefab Architecture: A Guide to Modular Design and Construction[M]. New York: John Wiley & Sons, 2011. [2] 朱竞翔. 木建筑系统的当代分类与原则[J]. 建筑学报, 2014(4). [3] 陈晓娟. 埃姆斯住宅: 工业化语境下的住宅艺术[J]. 华中建筑, 2011(12). [4] Pawley M. Theory and design in the second machine age[J]. B Blackwell, 1990. [5] Davis S M. Future Perfect[M]. New York: Basic Books, 1987. [6] Kieran S, Timberlake J. Refabricating Architecture[M]. New York: McGraw-Hill, 2003. [7] Schodek D, Bechthold M, Griggs K, et al. Digital Design and Manufacturing: CAD/CAM Applications in Architecture and Design[M]. New York: Wiley, 2004. [8] Meyer M H, Utterback J M. The Product Family and the Dynamics of Core Capability[J]. Working Papers, 1992, 34(3). [9] 过俊. BIM在国内建筑全生命周期的典型应用[J]. 建筑技艺, 2011(1). [10] 苏平, 熊璐. 面向大规模定制的数字建筑设计变革[J]. 建筑师, 2013(6). 2016-10-27 MASS CUSTOMIZATION STRATEGY FOR PREFABRICATED BUILDING: A CASE STUDY OF THE PRACTICES BY KIERAN TIMBERLAKE Abstract：Prefabrication is a vital tendency in the development of contemporary architecture under the background of industrialization and productization. The divergences, however, between the issue of variety and the standardized production have become the main bottleneck, which constrain the prefab architecture. In analogy with the manufacturing industry, the concept of Mass Customization (MC) is brought into the design and research of prefabrication. With the analysis of several design practices from Kieran Timberlake Atelier, a new design method combining the module strategy, integrated sustainable systems and building information management has arisen. Key Words：Mass Customization, Prefabricated Building, Kieran Timberlake 基金项目： 本文由国家自然科学基金面上课题项目（编号：51678324）支持。 作者简介： 收稿日期： 林正豪，清华大学建筑学院，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室 袁小雨，北京清华同衡规划设计研究院有限公司 |
|
|
