学术成果
全文刊载于2024年04期 “建筑中的木材”
模块化建筑体系的流变
The Rheology of Modular Building Systems
曾凡博＼王晓东*
丨作者信息丨
曾凡博
深圳大学建筑与城市规划学院
深圳大学本原设计研究中心
王晓东
摘要：模块化是工业化建筑发展的重要技术主线，然而相关讨论往往局限于技术层面，缺乏对空间体系的深入研究。本文通过研究不同工业化阶段模块化建筑体系的实践原型，梳理了5种不同文化技术背景下模块化建筑体系的演变与特征，揭示了新工业化时代数字模块化建筑体系的新路径。最后，通过分析作者亲身参与的两个数字模块化实践项目，提炼了当代模块化建筑体系的新语汇，为模块化建筑的价值取向提供了发展方向。
关键词：工业化建筑；离散主义；数字化模块；适应性；模块组合
基金项目：国家自然科学青年基金项目“提高使用效率导向的保障性住房套内空间模块分解及组合优化研究”（5210080700）；深圳市医养建筑重点实验室（筹建启动）（ZDSYS20210623101534001）
1 引言
在当今建筑工业信息化的发展背景下，模块化建筑成为建筑发展的必然趋势之一。从技术演化的角度看，模块化是建筑工业化背后重要的技术主线，对工业化建筑的技术史研究意义深远。模块化建造思维历史悠久，以体系化的方式影响着建筑的空间、形式及构造。然而，在建筑实践和历史总结中，这种系统性的建筑设计路径长期被局限于预制装配式的技术语境中，逐渐被排挤至建筑学本体之外。模块化建筑究竟应被视为装配式建筑的一种，还是代表一种新思想、理论或精神？这不仅涉及建筑形式或建造效率，更关乎模块化建筑在建筑学中的定位和话语权。
本文不探讨具体技术，而是研究不同历史阶段下模块化建筑体系的“原型”理念及其驱动内因。建筑的模块化问题在不同历史阶段影响了建筑学的实践走向，但始终未得到足够的关注。
2 5个时期的建筑模块化体系演变
从认识论层面厘清模块化建筑体系的历史演变与趋势，对于认清模块化建筑的本质与价值具有重要意义。模块化建筑拥有完整连续的演化过程，其发展是渐进式的。以其技术变革节点为历史分期依据，可将模块化建筑的演变过程分为5个时期[1]（图1），不同工业化时代的建筑有鲜明的技术属性，赋予模块化建筑历史进程全局观。
图1 模块化建筑的历史分期 （作者自绘）
2.1 前工业时代的标准化思维：木构框架的协调
几千年前，随着农业和畜牧业的出现，原始游牧部落逐渐定居并建造房屋，传统的砌筑技术及木材工艺应运而生。公元前3500年，两河流域与埃及出现了“砖”这种砌筑技术的代表性建材。砖的形状及大小标志着理性化及标准化意识的萌芽，砖也成为“模块”这个词最早的出处[2]。
与砌筑建造相比，木材建造以体系化的方式真正成为预制模块化建筑的主导者。早在1624年，英国在海外殖民地就采用了预制构件的方式建造房屋，即在英国本土预制好房屋所需构件，再用船运到殖民地现场组装。吉尔伯特 • 赫伯特（Gilbert Herbert）认为这些构件属于棚屋系统，包括预制木构框架、挡雨板等，可以现场简单切割、组装，门和窗扇也是集成的预制组件[3]。
木构框架住宅的成熟发展始于1830年H. 约翰 • 曼宁（H. John Manning）设计的“曼宁小屋”（Manning Portable Cottage），这是有记载的第一座模块化木构住宅（图2）[2, 4]。曼宁小屋采用了一套标准的木构框架及围合构件体系，包括开槽的柱子构件、地板板片和三角桁架构件。柱子、地板及墙板基于统一尺寸精准配置，标准化板材可插入柱子槽缝之间并灵活替换。赫伯特称曼宁小屋的框架系统揭示了预制住宅最本质的概念：尺寸协调[2]。
图2 曼宁小屋的模块化木构系统 [2,4]
在前工业时代，模块化建筑主要由木构框架式体系主导，以预制思维打破了传统就地建造的局限性，为建筑设计与建造开启了协调统一的标准化思想范式。
2.2 工业化早期的预制化试验：零件套件的秩序
对于建筑师而言，预制技术就像印刷技术之于艺术家[5]。工业革命开始后，铁的大量开采使其逐渐取代木材，成为建筑工业化的主要建材。铸铁与玻璃材料的技术革新和应用，使模块化建筑体系迈入了新阶段。
随着欧洲殖民地时期的大发展，最初转向铸铁框架结构建造方向的是温室建筑，其巨大的需求量源于殖民地异域物种的培养需求。其中最著名的莫过于温室园艺师约瑟夫 • 帕克斯顿（Joseph Paxton）在1851年伦敦世博会上设计的水晶宫（Crystal Palace）[2]（图3）。水晶宫的主体结构由铸铁替代了曼宁小屋的木构，整个建筑由3 300根铸铁立柱和2 224根铸铁架梁组成，这些构件采用了标准化且配置极少的型号，将生产成本降至最低。更为精彩的是，其结构框架的基本模数基于当时大批量生产的玻璃面板的标准尺寸——整个建筑物仅使用了一种标准尺寸，即约124 cm×25 cm（49 in×10 in）。伦敦水晶宫的这种采用大批量预制构件的建造方式被称为“系统性零件套件技术”（kit-of-parts）（图4）。
图3 伦敦水晶宫外立面 [2]
图4 伦敦水晶宫系统性零件套件 [2]
学界普遍将伦敦水晶宫视为建筑发展史上的一个转折点。它不仅展示了工业化生产构件组成建筑的可能性，还得出启示模块化建筑体系的完美创造需要建筑师、工程师、供应商等协同合作实现，通过将工业理性与建筑美学相结合，方可建构模块化建筑的新秩序。
2.3 工业化时代的大批量生产：居住机器的高效
与伦敦水晶宫同时期，另一种重要的预制建筑材料——预制钢筋混凝土登上了历史舞台。1840年，园艺师约瑟夫 • 莫尼尔（Joseph Monier）从金属网加固水泥花盆中获得灵感，随后发明了预制钢筋混凝土材料和技术[2]。1891年，法国商人E. 夸涅（E. Coignet）在一栋赌场建筑中首次采用了预制钢筋混凝土构件。此后，预制钢筋混凝土构件的建造实践层出不穷（图5）。
图5 预制钢筋混凝土构件标准化建造 [2]
1914年，勒 • 柯布西耶（Le Corbusier）提出了多米诺住宅体系（Dom-Ino），该体系诞生于第一次世界大战期间法国及比利时的大规模快速重建需求之中。该体系集中体现了柯布西耶1920年代的建筑思想，并成为他在1935年之前设计的一系列住宅的原型[5]。多米诺住宅体系有多重解释，其中“Dom-Ino”的字面意义暗示了住宅与工业的融合，象征着一种类似多米诺骨牌般可复制、标准化的住宅单元。柯布西耶捕捉到“合理化”与“标准化”是工业化效率的精髓，他在《走向新建筑》一书中提出了“居住机器”的理念，即一种可以大批量、高效生产的住宅[6]。多米诺住宅体系作为大工业时代的普适住宅原型，凭借其模块化的设计与建造理念，支撑起了工业化建筑对效率的极致追求（图6）。
图6 多米诺住宅体系（http://en.wikipedia.org/wiki/Dom-Ino_House）
“居住机器”的理念几乎成为这个时期所有致力于建筑工业化的建筑师的共同理想。1932年，为了应对战后住宅建设的需求，霍华德 • T. 费希尔（Howard T. Fisher）创立了通用建筑公司，该公司能够在工厂内将住宅完全生产出来，住宅组装零件可以像汽车制造那样来自不同的供应商。随后，皮尔斯集团（Pierce Foundation）在此基础上进一步预制设计了厨房、卫生间、供水系统、暖通空调系统等服务空间，组装在采用金属夹芯板墙系统的预制模块化房屋内，成为早期箱体模块住宅的典型代表[7]（图7）。
图7 皮尔斯集团的模块建筑平面拼贴，1943年 （http://rndrd.com/n/77）
同一时期，瓦尔特 • 格罗皮乌斯（Walter Gropius）与康拉德 • 瓦克斯曼（Konrad Wachsmann）共同研发了套装住宅系统（Packaged House System）（图8）。该系统是三维模块化木构系统，其最大特色在于同一板材可用于楼板、屋顶及墙面，后来，这一系统发展成了著名的通用板墙系统（General Panel System）。
图8 套装住宅系统，1943年（左图：http://arc.salleurl.edu，右图：http://mitp-arch.mitpress.mit.edu）
工业化对建筑设计价值的重新审视，取决于对建筑根本要素的重新定义和独立创新，以及这些要素的工业化大批量生产。这是一套崭新的模块化机制[6]，它激发了众多建筑师对模块化建筑效率的坚守。
2.4 后工业时代的批量定制：支撑填充的灵活
得益于工业时代的方法论和技术积累，后工业时代成为模块化住宅飞速发展的时期。这个时期的重要特征是建筑围护体系与结构体系的彻底分离，使得模块化建筑空间获得了前所未有的自由。“皮”与“骨”的分离模式促使这个时期的建筑开始追求空间的灵活可变，率先发生变化的是支撑/填充体系（Skeleton and Infill，简称SI体系）。
1960年代，住房爆发期出现，荷兰建筑师约翰 • 哈布瑞肯（John Habraken）提出了支撑体住宅理论（SAR），以推动SI体系向工业化和规范化方向发展。采用该体系的住宅不仅内部空间可以调整，套型面积也能变化。整个住宅平面内仅保留固定的厨房和卫生间，其余部分则完全交由使用者自行设计（图9）。SI体系中的支撑体（Skeleton）包括柱、梁、楼板、承重墙体等建筑主体结构，具有使用年限的长效性；而填充体（Infill）则指住宅的内装部品、设备管线、内隔墙、非承重墙、门窗等建筑围合部分，使用功能具有灵活性[8]。不难看出，SI体系旨在通过模块化系统的拆分方式，满足定制化的居住需求。
图9 SI体系 [8]
SI体系响应了“批量定制设计”（Design for Mass Customization，DFMC）的目标，在建筑细部层面对填充体进行设计，可以在不增加模块种类的情况下提升其功能组合的多样性。2008年，基恩 • 蒂姆布雷克建筑师事务所（Kieran Timberlake，简称KT事务所）在纽约现代艺术博物馆的“可快递之家”工业化住宅展览（Home Delivery）上展出了其最新的住宅产品——玻璃纸屋（Cellophane House）。该住宅的支撑体部分采用了博世公司（Bosch）供应的标准化铝框架杆件系统，预制成框架箱体后运至现场进行装配（图10）；填充体部分则采用了“即插即用”的亚克力楼梯、“粘贴式”地板，以及塑料立面；最后，预制厨房和卫生间单元被直接吊装至框架内，即可投入使用[9]（图11）。
图10 玻璃纸屋现场装配 [11]
图11 玻璃纸屋的独立部件 [9]
此后，KT事务所开发了一系列住宅项目，最大的特点是将住宅的填充体部分分解为两套模块系统：“装卸板块”（Dump Panel）与“智能模块”（Smart Module）。“装卸板块”用于差异性需求较大的居住空间，如客厅、卧室等，便于实现灵活多变的空间划分；智能模块则用于服务空间，如厨房、卫生间、储藏间等，便于集成设备系统。基于这两种模块系统，KT住宅具备了横向及纵向扩展的能力。同时，KT住宅模块还开发了多种定制化完成面（Finishing Layer），以实现住宅外立面，室内墙、地、顶等界面的定制化。这体现了模块化住宅在独立化创新、通用化设计及产品化竞争方面的趋势。
建筑师们积极适应工业化的发展，创造出了围护与结构分离的模式，为模块化建筑带来了新的发展契机。这种系统层级的分解在未来的发展中将继续精细化，建筑师的工作可以视为一条“主装配线”[10]，他们只需根据既有需求选择适用的精细模块进行配置，从而大大提高设计的灵活性。
2.5 新工业时代的个性定制：数字模块的适应
威尔逊 • 本特利（Wilson Bentley）曾在1925年说过一句名言：“每一片雪花都是大自然设计的独特杰作，没有任何两片是完全相同的。”[11]这句话引申出标准化与定制化之间的矛盾，而大自然却在这方面展现出了无与伦比的和谐。
随着21世纪新工业时代的到来，以信息技术和数字技术为代表的生产技术大幅提高，促使消费市场日益成熟。评价产品质量优劣的关键因素已经由“可靠性”发展为“个性化”[12]。2003年，弗里德里克 • 米加鲁（Frédéric Migayrou）在巴黎蓬皮杜艺术中心首次提出了参数化设计（Parametric Design）的概念，为建筑的个性化设计开辟了新的方向[13]。马里奥 • 卡尔波（Mario Carpo）认为，参数化设计能够实现大规模的差异化和定制设计[14]。然而，参数化设计是一个需要积累大量资本的“精英”模式，相比之下，传统的批量标准化技术却具备零边际成本这种巨大优势。因此，在2015年后，参数化设计界出现了一种全新的思潮：离散主义（Discretism），它令建筑设计再次回归工业标准化的思路，打破了参数化设计的封闭连续体理念，转向了“数字模块”的路径[15]。
离散化设计解决了参数化设计存在的根本经济问题。这一设计新范式试图重新考虑标准化“模块”作为建筑大规模生产的经济模式，并通过可伸缩原理（Scalable Principles）提供设计的定制性和适应性。例如，2018年的一个离散化设计案例——可协商住宅，就实现了邻居之间协商借用自家空间的可能性。该设计将住宅结构及空间划分视为有限的集成构件系统的组合，为空间的置换和改装提供了可能[16]（图12）。诚然，离散主义令模块化建筑体系回归标准化，但并非延续大批量生产老路，而是依赖组合学逻辑和有目的性的合理配置零件套件，以实现定制化和适应性[13]。
图12 可协商住宅 [16]
一旦理解了离散化设计范式的基础，重新思考建筑模块化系统就显得尤为重要。克里斯多夫 • 亚历山大（Christopher Alexander）最早提出了设计模式的开发（Patterns Development），倡导一种综合资源及知识获取途径，鼓励技术和社会之间的回馈与连接，允许建筑系统在大众手中进行重组。这个概念与数字模块化建筑平台有着异曲同工之妙。数字模块化建筑平台由基于算法或参数的智能信息系统控制，可以部分或全部取代人工化服务，并能同时提供多种解决方案及高效的优化配置结果[17]（图13）。因此，数字模块化建筑平台的开发将成为新工业化时代下模块化建筑体系提高自身适应性的重要工具。
图13 基于算法的离散化体系 [17]
3 新工业时代的建筑模块化体系特征
当前，我们正经历着建筑模块化体系的第5个时期，即新工业时代的数字模块阶段。这一阶段的模块化建筑呈现出“体素化”（voxels）特征，并涌现出了众多数字模块化建筑的探索性实践。
3.1 数字模块化建筑的“体素化”组合
近十年来，大量先锋建筑师从数字化平台的实践中逐渐发掘出了离散化建筑的“体素化”特征。这种提法源自21世纪初兴起的3D打印建造技术。3D打印机能够精确控制极小立方体单位的材料，即体素。马里奥 • 卡尔波宣称，“体素化”是离散化建筑的重要特征，它代表了新一代数字化建筑设计和建造的语言[18]。
正如丹尼尔 • 科勒（Daniel Koehler）在他的《分体城市》中所描述的一条破碎的“曲线”，这与卡尔波提出的一种“体素化”的离散曲线段类似。与现代主义或参数化设计中所使用的曲线表述形式不同，“体素化”曲线不再基于几何图形或流线型样条线（Spine），而是基于基本数字单位与逻辑规则进行构建（图14）。
图14 “体素化”曲线 [19]
麻省理工学院比特与原子研究中心的负责人尼尔 • 格申斐尔德（Neil Gershenfeld）从信息化的视角出发，将体素表达为“数字材料”。不同于天然材料连续而模糊的特征，数字材料具备清晰的连接规则与几何数据。每个数字材料都可以被视为一个独立设计、计算、建造和定位的微型模块[19]。这些数量惊人的模块组合在一起，最终形成了建筑。这意味着数字模块化建筑的组合需要依靠计算机强大的计算能力来处理大量数据。因此，模块化建筑的“体素化”组合特征正是现代计算科学技术发展的必然产物。
这一技术发展脉络所引发的典型案例是菲利普 • 莫雷尔（Philippe Morel）在2004年设计的玻利瓦尔椅子（Bolivar Chair）（图15）。它具有“体素化”的外观，其模块组合的底层逻辑来自有限元分析（FEA）。这种新兴的结构分析方法得益于计算机算力的增强。在此之前，由于计算机的算力不足，只能运用数学公式来计算连续性较好的人工材料及结构，如埃菲尔铁塔等。数字模块化的大量组合开启了复杂性组合算法模型的使用，并逐渐以人工智能算法逻辑引导出崭新的建筑体系的架构。
图15 参数化设计的连续性（左图）；离散化设计的“体素化”（右图） [17]
吉尔斯 • 瑞特森（Gilles Retsin）和曼纽尔 • J. 加西亚（Manuel J. Garcia）等对模块化大型组件的自动化装配进行的探索，正是数字模块化组合算法潜力的有力展现。他们的研究开辟了一种具有厚重感的模块化建筑美学。
瑞特森在比较亚马逊智能仓库和福特生产流水线时发现，两个系统之间的最大区别在于亚马逊的纸箱装箱逻辑。亚马逊仓库是一个基于“准时”制度的全球自动化配送系统，它依赖于计算机算法进行最高效的自动化装箱配置。他认为，今天建筑学的基本问题不在于形式、差异化或建造工艺，而是应更加关注数字模块化平台的潜力[18]，让定制化发生在组合（装配）的过程中。
2017年，塔林建筑双年展（Tallinn Architecture Biennale）的展馆是首个数字模块化建筑原型。它摒弃了现代主义建筑所定义的水平楼板、垂直立柱、垂直墙体等基本建筑元素，取而代之的是离散的大规模数字模块的集合。这些通用模块聚集在一起，形成了承重柱，同样的模块也被用作楼板、梁、楼梯、墙体等建筑要素。该建筑由83个模块组装而成，构成了一座住宅的片段。有别于传统设计方式，这些模块并非从预设的整体形态中衍生出来，而是自下而上的开放式自由生长（图16）。
图16 数字模块化开放式体系（http://www.retsin.org/Tallinn-Architecture-Biennale-Pavilion）
不难看出，数字模块化建筑设计从根本上来说，是一种参与性生产框架，是一个将开放式设计置于核心的知识系统。它采用模块组合化策略解构一体化设计思维，建立对建筑适应性的根本追求，并以多样化功能及体素性美学特征来实现对建筑本体的回归。无论是智能人工还是人工智能，无论是参数化主义还是离散主义，这些不同技术与理论的多元化发展为模块化建筑体系提供了多维度的价值判断与技术支撑。
3.2 数字模块化建筑的探索性实践
近年来，随着欧美前卫建筑师对模块化建筑的先锋试验，笔者所在的深圳大学本原设计研究中心设计团队，在孟建民院士的指导下，创作了多件模块化作品。以下两件作品作为代表案例，承接上文对当代模块化建筑体系发展的构想。
3.2.1 一面展墙——形式的简单法则
《茂密城市》这件作品作为永久装置，于2022年底在深圳市光明区城市规划展览馆亮相。它既是一把长椅，也是一面展墙，为过厅的行人提供休憩和遮阳，同时与阳光互动，形成一个有趣的光影空间（图17）。
图17 模块化展墙（作者自摄）
展墙由360个标准化模块组合而成，每个模块15 cm见方，由1.5 mm厚的冷轧板制成。展墙的设计一方面体现在对模块内弧面形式的处理上，提炼出模块自身的设计语言；另一方面，设计重心在于模块之间的连接规则。模块的每个面看似随机开孔，实则为了解决所有连接面同时满足螺栓固定要求。以最少的螺栓孔位为目标，形成了模块组合优化的算法框架，并依据连接结构强度指标，筛选出了最优组合形式（图18～图20）。该展墙看似复杂的构成来源于同一基本模块，而其形式背后的逻辑则源于螺栓连接的结构性要求。这是一次基于简单规则的模块化体系建构的有益尝试。
图18 模块组合形式穷举（作者自绘）
图19 基于结构固定点数量最小化的优化算法（作者自绘）
图20 模块连接细部（作者自摄）
3.2.2 一堵围墙——功能的自由生长
团队的另一件作品《校园空间模块化“围墙”》，在2023年河北国际工业设计周的雄安国际会展中心及绿色建筑中心展出。作品旨在提出一种全新的校园围墙边界设计，突破传统校园围墙与城市的阻隔，拒绝单一性与冰冷感。设计者构想了一条线性的三维空间化校园边界，向园内、园外提供多样化功能服务及空间场景，满足不同群体的使用需求，从而缝合校园与社区/城市的联系，并以模块化的方式完成了边界的系统性构建（图21、图22）。
图21 多功能模块化“围墙”（作者自绘）
图22 展览期间的“围墙”片段（作者自摄）
该项目的设计起点源自对传统校园围墙痛点的反思：除了分割内外，并不具备其他功能，是一种封闭的“刚性边界”。为此，设计提供了一种“柔性边界”，承担着交通、交往、交互等诸多功能，成为校园与城市空间相互联系的媒介。空间化围墙采用了1.2 m见方的模块，模块仅由两个实面组成“L”型构件。然而，通过多样化组合，可以形成无数种空间形式（图23）。当模块自身被赋予附属部件时，这些附属物便可结合模块，组合实现多功能场景，如卫生监测区、阅读区、讨论区、洗手池、绿植盆、运动器械、储物挂钩等。不难想象，空间模块化围墙项目所采用的设计方式可以拓展到更大尺度的建筑、景观、社区的构建中，实现更复杂的功能化场景与活动，以多样组合方式持续在城市中自由生长。
图23 模块多样化组合（作者自绘）
4 结语
伊恩 • 博格斯特（Ian Bogost）曾说：“一个由单元运作的世界并不意味着系统的末日，系统如今似乎比以往发挥了更重要的作用。它成为一种新的系统：自发的、复杂的聚合体，而非单一、绝对的整体。”[17]他描述了一个不可预知的模式（Contingent Configurations），即通过部分特定组合来实现整体的需求及目的。这个思想体现了模块化建筑体系超越“一体化”建筑的根本创新之处。对于模块化建筑而言，“整体”定义了建筑的非物质数据，这个数据结构产生于“部分”的组合逻辑，并通过数字方式进行共享和社会传播，促使“整体”成为具有高度适应性和灵活性的建筑体系，从社会实践中脱颖而出。
本研究对模块化建筑体系历史演变的探究是基于原型视角对模块化与建筑学之间的一次弥合尝试，也是对当代装配式建筑中的泛技术化倾向的一种修正；总结出以大规模定制为背景的模块化建筑体系在理论上从低级走向高级的过程，阐述了从标准化范畴的协调、秩序、高效走向定制化范畴的灵活和适应的过程；在方法上，从定性向定量发展，指明了数字模块化平台与组合算法的可适应性价值和表现意义；在形式上由静态趋向动态，建立了参与式设计框架，关联建筑空间与人的需求，以空间“体素化”组合特征完成了对模块化建筑本体的回归，为模块化建筑提供了“自适应”的动态方向。
可以预期的是，未来的智能化建筑将以模块化为内核。当今人们谈及模块化建筑时，关注点在于技术、经济、效率、低碳等方面。此时讨论基于建筑自主性的模块化体系的价值，在于为建筑学科内的模块化理论奠定基础。
丨参考文献丨
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丨引文格式丨
曾凡博，王晓东．模块化建筑体系的流变［J］．建筑创作，2024(4)：177-185．
