王 江 趙伯倫 郭蕓麟 趙繼龍

在全球建成環(huán)境中，住宅建筑的存量是最多的，但針對不同社會文化環(huán)境下個體或家庭偏好的反映卻并不充分。伴隨著工業(yè)文明以來經(jīng)濟適用型住宅的大規(guī)模建設(shè)，用戶需求愈發(fā)呈現(xiàn)出多樣性、個性化特征。對工業(yè)化住宅設(shè)計而言，滿足用戶需求本應(yīng)屬于基本前提，然而在現(xiàn)實中卻并非如此。工業(yè)生產(chǎn)中的多樣性或個性化要求通常意味著低下的生產(chǎn)效率與繁多的部件類型，而理想的生產(chǎn)效率要通過重復(fù)性、標準化的批量生產(chǎn)實現(xiàn)。大規(guī)模建設(shè)的工業(yè)化住宅雖能在生產(chǎn)力、質(zhì)量和效率上滿足住宅本體的基本要求，但在設(shè)計環(huán)節(jié)上卻表現(xiàn)得靈活性差、信息封閉、效率不高且資源利用率低下。因為用戶無法參與設(shè)計，所以建筑師在所負責(zé)的大部分住宅設(shè)計任務(wù)中難以兼顧用戶日益增長的個性化偏好。近年來，隨著數(shù)字智能技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的住宅設(shè)計模式迎來了變革契機，特別是開始借鑒“工業(yè)4.0”時代制造業(yè)在大規(guī)模定制生產(chǎn)方面積累的先進經(jīng)驗——在大規(guī)模生產(chǎn)的成本投入基礎(chǔ)上開展具有靈活性、可變性的工業(yè)化住宅設(shè)計。

一、大規(guī)模定制住宅的相關(guān)概念

1.大規(guī)模生產(chǎn)

早在14—15世紀，威尼斯造船廠（Venetian Arsenal）就開始以每天一艘船的效率大規(guī)模生產(chǎn)船只。到了1913年，亨利·福特（Henry Ford）創(chuàng)建了全球第一條流水裝配線，通過機械重復(fù)式操作，不斷提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，將每輛T型車的總生產(chǎn)時間從12小時8分鐘節(jié)省至2小時35分鐘，且在不降低質(zhì)量的前提下控制成本和價格，實現(xiàn)了汽車的大規(guī)模生產(chǎn)與普及應(yīng)用。大規(guī)模生產(chǎn)依托于標準化設(shè)計和預(yù)制化技術(shù)，主要環(huán)節(jié)包括對生產(chǎn)過程的分解、標準組件的預(yù)制和流水線的組裝等，并通過規(guī)模經(jīng)濟實現(xiàn)綜合效益，即生產(chǎn)效率隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而增大，而成本也會相應(yīng)大幅減少。在福特的裝配線概念和系統(tǒng)工程思想的啟發(fā)下，勒·柯布西耶（Le Corbusier）、巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）、沃爾特·格羅皮烏斯（Walter Gropius）和讓·普魯維（Jean Prouve）等現(xiàn)代主義建筑先驅(qū)，開始嘗試將汽車工業(yè)化生產(chǎn)所形成的兼顧交付時間和生產(chǎn)成本的規(guī)模經(jīng)濟特征引入建筑工業(yè)化領(lǐng)域，為工業(yè)化住宅等容易造成同質(zhì)化現(xiàn)象的建筑市場，提供不同思路的大規(guī)模標準化設(shè)計。特別是柯布西耶在1922年《走向新建筑》中提出“住宅是居住的機器”（the house is a machine for living in），“像造汽車一樣造住宅”（make houses like cars），“流水線上生產(chǎn)住宅”（make houses on an assembly line）等觀點，將大規(guī)模生產(chǎn)稱為“偉大時代剛剛開始……我們必須要建立實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的精神，生產(chǎn)大規(guī)模住宅的精神，居住于大規(guī)模住宅的精神，構(gòu)想大規(guī)模住宅的精神”[1]。

2.大規(guī)模定制

大規(guī)模定制（Mass Customization）的思想萌芽于“福特主義”。福特從工業(yè)化的角度最早對定制的概念進行了假設(shè)，借此為用戶提供多樣化的產(chǎn)品。雖然當時福特所設(shè)想的定制汽車概念因工藝局限而被選擇性放棄，但是這一假設(shè)后來成為了工業(yè)生產(chǎn)模式由大規(guī)模生產(chǎn)向大規(guī)模定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的原動力。1970年，美國學(xué)者阿爾文·托夫勒（Alvin Toffler）在《未來的沖擊》中首先提出大規(guī)模定制的理念，并在1980年將其描述為當代社會的《第三次浪潮》；隨后，斯坦·戴維斯（Stan Davis）在1987年《完美未來》中正式定名。1993年，約瑟夫·派恩（Joseph Pine）對大規(guī)模定制的概念進行了完整的描述：在成本與大規(guī)模生產(chǎn)接近或相同的條件下，基于用戶需求開展定制化生產(chǎn)。1997年，派恩與大衛(wèi)·安德森（David M.Anderson）進一步對大規(guī)模定制進行了深層次的剖析和系統(tǒng)化的定義，全面介紹了如何為異質(zhì)需求的市場開發(fā)定制產(chǎn)品[2]。這種工業(yè)生產(chǎn)模式整合了大規(guī)模生產(chǎn)和定制化生產(chǎn)二者的優(yōu)勢，既能創(chuàng)造出因人而異的產(chǎn)品，以匹配用戶的個性化需求，又能解決產(chǎn)品種類繁多而導(dǎo)致的生產(chǎn)效率低下問題，還能控制成本并避免重復(fù)性勞動。目前大規(guī)模定制已經(jīng)在數(shù)碼（Dell），服裝（Nike）等領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用，它正在成為工業(yè)化生產(chǎn)提升可持續(xù)性的一種標準，也為下一代工業(yè)化生產(chǎn)模式描述了目標[3]。對建筑師而言，如果說標準化生產(chǎn)和裝配線預(yù)制是20世紀初的普遍理想，那么利用大規(guī)模定制提升工作效能或?qū)⒊蔀?1世紀的理想目標。

3.定制化住宅

在前工業(yè)化時期，定制化住宅即已出現(xiàn)。以家庭包工制組織生產(chǎn)的工匠，受到雇傭后為用戶量身定制住宅。因當時生產(chǎn)力水平低下，住宅的定制任務(wù)多為單一或少量，建設(shè)周期較長；建設(shè)工藝趨于精細化，但效率低且成本高；工匠與用戶的距離近，甚至有時是一體的；目標用戶局限于一部分特權(quán)階層上，且用戶需求層次相對不高。到了工業(yè)化時期，定制化住宅雖然未能在產(chǎn)品的質(zhì)量、效率與成本上得到明顯改善，但是因為能與建筑師、供應(yīng)商直接“對話”[4]，這類住宅產(chǎn)品獲得了較高的用戶滿意度，用戶也更愿意為定制化設(shè)計服務(wù)支付額外的費用。此外，住宅供給市場的激烈競爭時刻驅(qū)動著定制化住宅朝向大規(guī)模定制住宅轉(zhuǎn)型發(fā)展[5]。

4.大規(guī)模定制住宅

如果說大規(guī)模住宅是一種由同質(zhì)化建筑市場生產(chǎn)的必需品，那么大規(guī)模定制住宅則是為彰顯社會文化異質(zhì)性而生產(chǎn)的經(jīng)濟適用型產(chǎn)品：不僅在建設(shè)成本上應(yīng)接近或等于大規(guī)模生產(chǎn)，而且在設(shè)計上還應(yīng)具備一定的靈活性與可變性。從歷史經(jīng)驗看，當前工業(yè)化住宅已經(jīng)衍生出一條相對成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，而且產(chǎn)業(yè)規(guī)模越大，由標準化生產(chǎn)所形成的既有優(yōu)勢就越明顯，這為大規(guī)模定制住宅的“降本”設(shè)計提供了可靠的技術(shù)支撐。在設(shè)計上實現(xiàn)靈活性與可變性，既需要對標準化模塊與特殊性模塊進行集成設(shè)計，也需要在住宅設(shè)計系統(tǒng)上集成由生產(chǎn)、供應(yīng)等環(huán)節(jié)所衍生的標準化服務(wù)。由此可見，推行大規(guī)模定制住宅，一方面能充分發(fā)揮標準化生產(chǎn)的優(yōu)勢，另一方面也不會限制住宅設(shè)計的創(chuàng)新性要求。此外，為了匹配用戶的異質(zhì)需求，設(shè)計系統(tǒng)還需要進一步集成用戶的居住偏好、居住滿意度、個人理想和環(huán)境感知等信息，因此大規(guī)模定制住宅的設(shè)計過程也是用戶參與設(shè)計與交互的過程。

二、大規(guī)模工業(yè)化住宅的發(fā)展概況

制造業(yè)所引領(lǐng)的工業(yè)生產(chǎn)方式變革對建筑業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響，出現(xiàn)了“如何用制造業(yè)的方法改造建筑業(yè)”的愿景。以2010年約蘭·科倫（Yoram Koren）所剖析的全球制造業(yè)發(fā)展軌跡為線索，梳理了大規(guī)模工業(yè)化住宅的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。從圖1可知，后者大致比前者落后了5～10年。

圖1：制造業(yè)與大規(guī)模工業(yè)化住宅的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢比對

1.標準化設(shè)計的住宅：1913—1960年代

這一時期屬于“大型化、批量化”的建筑工業(yè)化時代，一些學(xué)者認為此時的大規(guī)模住宅在設(shè)計與生產(chǎn)上屬于簡單性、同質(zhì)化的工作，容易誘導(dǎo)競爭者刻意模仿，對創(chuàng)新性產(chǎn)生消極影響；用戶、建筑師與供應(yīng)商的距離越來越遠，用戶需求常常不為產(chǎn)業(yè)鏈后端的傳統(tǒng)型供應(yīng)商所知悉，導(dǎo)致住宅產(chǎn)品因缺乏多樣性、過度單調(diào)、空置率高和經(jīng)常性地推倒重建而廣受批評。同一時期，也出現(xiàn)了很多著名的工業(yè)化住宅設(shè)計案例，它們不斷地回應(yīng)著福特所提出“標準化生產(chǎn)并不等同于同質(zhì)化的千篇一律”的論斷。1914年柯布西耶提出的多米諾住宅框架體系（圖2-1）和1924年吉瑞特·里特維德（Gerrit Rietveld）設(shè)計的施羅德住宅（圖2-2）是較早的兩個可變性案例，開啟了大規(guī)模定制住宅的早期實踐。此外，柯布西耶在法國佩薩克項目（1925—1929年）中設(shè)計了由4種類型組成的200套住宅，不僅每一類型的室內(nèi)空間有所區(qū)別，而且每一種戶型平面因其內(nèi)墻能夠平移可再次細分（圖2-3）[6]；1941年格羅皮烏斯與康拉德·瓦克斯曼（Konrad Wachsmann）創(chuàng)辦通用面板公司（General Panel Corporation），開發(fā)了基于預(yù)制建造技術(shù)的組裝式住宅（Packaged House）系統(tǒng)（圖2-4）[7]；弗蘭克·勞埃德·賴特（Frank Lloyd Wright）在美國傳統(tǒng)郊區(qū)住宅項目（1946—1954年）中設(shè)計了47棟住宅，表達了“住宅隨用戶不同而不同”的設(shè)計思想（圖2-5）[8]。以上案例的共同點是在“藍圖式”設(shè)計流程中，建筑師均有能力為用戶的未來需求預(yù)留出有限的自定義空間，但很難平衡需求與質(zhì)量、效率、成本之間的關(guān)系。隨著第三次工業(yè)革命的來臨和自動化生產(chǎn)技術(shù)的普及，建筑市場上的工業(yè)化住宅供給量不僅達到了量產(chǎn)高峰，而且產(chǎn)品類型越來越豐富，用戶逐漸開始有了一定的選擇空間。

圖2：大規(guī)模工業(yè)化住宅的標準化設(shè)計案例

2.參與式設(shè)計的住宅：1960—1990年代

1960年 初，一 種 參 與 式 設(shè) 計（Participatory Design）的住宅實踐在全球興起，約翰·哈布瑞肯（John Habraken）認為這種探索能夠有效回應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化住宅的單調(diào)性和同質(zhì)化等問題[9]。他根據(jù)環(huán)境層級所呈現(xiàn)出交錯連續(xù)的包含關(guān)系（空間）和依附關(guān)系（實體），提出了由支撐體（上一層級）和填充體（下一層級）組成的開放建筑（Open Building）概念（圖3-1）：前者具有管束能力，相對而言不易變動；后者雖受前者管束，但仍具有一定的彈性應(yīng)變能力以應(yīng)對使用需求的變化，這為工業(yè)化住宅的設(shè)計靈活性提供了理論基礎(chǔ)。1969年，克里斯多夫·亞歷山大（Christopher Alexander）將建筑模式語言的理論研究融入住宅設(shè)計流程，用步驟式描述（Step-by-step Description）建筑空間的組織過程（圖3-2）[10]。受到以上理論的啟發(fā)，喬治·斯蒂尼（George Stiny）和威廉·米切爾（William J. Mitchell）在1978年將帕拉第奧別墅（Palladian Villa）的平面圖進行抽象化表達，梳理出一套能體現(xiàn)其建筑風(fēng)格特征的語法規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)譯為可用計算機程序自動化生成的設(shè)計方法（圖3-3）[11]；之后克羅斯（Cross）、馬維爾（Maver）[12]與弗羅納（Wrona）[13]也分別提出了參與式設(shè)計的具體方法。巴克里希納·多西（Balkrishna Doshi）則進一步將開放建筑理論與參與式設(shè)計方法結(jié)合，在印度阿蘭若項目（1981—1986年）中，為80套示范住宅定義了三種核心住宅（Core Housing）類型與一套可引導(dǎo)用戶自助參與建造的詳盡規(guī)則表（圖3-4）[14]；此外，查爾斯·柯里亞（Charles Correa）在貝拉布爾項目（1983—1986年）中進一步提出了鄰里單元的“梯級構(gòu)成”概念，在基本單元中預(yù)留出彈性空間，用于用戶根據(jù)家庭需求開展自助建設(shè)（圖3-5）[15]。1970年代，受到豐田公司開發(fā)的TPS生產(chǎn)系統(tǒng)（1990年代被廣泛稱為精益生產(chǎn)）影響，日本的工業(yè)化住宅開始朝向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，由此開啟了在工廠里快速生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)價廉住宅的時代[16]。“部件預(yù)制工廠化、現(xiàn)場裝配機械化”不僅成了大規(guī)模工業(yè)化住宅的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，也催生出“建筑工業(yè)化”的理論雛形。然而，這一時期的工業(yè)化住宅仍未能在設(shè)計上實現(xiàn)民主性、多樣化和個性化，在建造上也缺乏靈活性和可變性，而且由戴維斯所定名的大規(guī)模定制理念仍處于萌芽期，并未發(fā)揮出市場作用。

圖3：大規(guī)模工業(yè)化住宅的參與式設(shè)計案例

3.定制化設(shè)計的住宅：1990—2010年代

隨著大規(guī)模定制的概念逐漸明晰和數(shù)字設(shè)計、計算工具、數(shù)控建造設(shè)備的相繼出現(xiàn)與普及，大規(guī)模定制具備了在工業(yè)化住宅產(chǎn)業(yè)中實施的條件，特別是很多研究指向住宅設(shè)計系統(tǒng)的研發(fā)與優(yōu)化。20世紀90年代末，格雷格·林恩（Greg Lynn）在胚胎住宅（Embryological House）項目中將基本功能、文化需求與個性需求兼顧考慮，通過數(shù)控建造進行非標準化的快速生產(chǎn)，開啟了大規(guī)模定制住宅的數(shù)字設(shè)計實踐（圖4-1）。2001年，何塞·杜阿爾特（Jose Duarte）為阿爾瓦羅·西扎（Alvaro Siza）設(shè)計的葡萄牙馬拉蓋拉（Malagueira）住宅項目（1977年至今）進行數(shù)字化“復(fù)盤”，提出了基于形狀語法（Shape Grammar）的住宅定制設(shè)計系統(tǒng)（圖4-2）[17]；2003年，麥克里什（McLeish）提出了以用戶為中心的住宅設(shè)計模式（圖4-3）[18]；2004年，黃（Huang）和克拉夫奇克（Krawczyk）建立了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的預(yù)制住宅設(shè)計配置系統(tǒng)（圖4-4）[19]；2009年，本羅斯（Benros）和杜阿爾特在西班牙建筑師Gausa提出ABC住宅設(shè)計概念的基礎(chǔ)上，建立了一套大規(guī)模定制住宅集成系統(tǒng)，其中，設(shè)計系統(tǒng)用于方案規(guī)則的編碼，建造系統(tǒng)用于建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件預(yù)制等施工信息的集成（圖4-5）[20]。通過以上研究可知，開展定制化設(shè)計的前提是制定出規(guī)則，并仿照西爾斯·羅巴克式的預(yù)制組件目錄（Sears Roebuck & Co. Catalogue）建立一套規(guī)則與組件對應(yīng)的語料庫，進而生成數(shù)字設(shè)計模型，便于用戶從中進行選擇。然而，這一時期僅有少數(shù)的在線配置平臺支持用戶對平面圖和立面圖進行些許修改。此外，一部分相關(guān)的市場研究指明住宅定制化設(shè)計將增強非專業(yè)用戶體驗的愉悅感和價值感，因此具有很好的應(yīng)用潛力。

圖4：大規(guī)模工業(yè)化住宅的定制化設(shè)計案例

4.個性化設(shè)計的住宅：2010年至今

21世紀初，美國喬治·華盛頓大學(xué)預(yù)測了“改變未來的十大科技”，其中“個性化定制”位列首位，預(yù)測的主要依據(jù)是在制造業(yè)全球化發(fā)展的趨勢下，產(chǎn)業(yè)模式將由“一對多的批量供應(yīng)，統(tǒng)一服務(wù)”向“一對一的定制生產(chǎn)，個性服務(wù)”轉(zhuǎn)型，由此推動個性化定制的迅速發(fā)展。2011年，英國建筑師阿拉斯泰爾·帕文（Alastair Parvin）和尼克·伊羅迪亞努（Nick Ierodiaconou）共同研發(fā)的WikiHouse平臺項目，標志著大規(guī)模工業(yè)化住宅產(chǎn)業(yè)進入了一個全新的個性化定制時代。該平臺由基于算法和參數(shù)的智能信息系統(tǒng)控制，可提供具有開源特征的多種解決方案及其無窮盡的配置結(jié)果，因此能部分或全部取代人工化設(shè)計服務(wù)。以文森特·穆勒（Vincent Muller）主持的荷蘭阿爾梅勒的布騰區(qū)（Buiten）WikiHouse社區(qū)項目為例，任何非專業(yè)用戶均能在平臺上通過簡單操作參與住宅設(shè)計，獲得“我是建筑師”“我設(shè)計、我建造”的體驗[21]，目前該項目的28套住宅已進入籌備建設(shè)階段（圖5-1）。2016年，哈利利阿吉（Khalili-Araghi）和柯洛維奇（Kolarevic）提出了一種基于幾何尺寸約束的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)和一種基于在線交互的用戶配置系統(tǒng)，前者提升了規(guī)則定義的靈活性，后者確保了產(chǎn)品設(shè)計的用戶滿意度（圖5-2）[22]。同年，克維琴斯基（Kwiecinski）在“我是住宅設(shè)計師（My House Designer）”項目中，同時利用形狀語法和遺傳算法兩種生成設(shè)計方法，建立了一套以輕木框架為主要結(jié)構(gòu)的住宅定制設(shè)計與生產(chǎn)系統(tǒng)（圖5-3）[23]。2019年，比安科尼（Bianconi）等建立了一種以交叉層壓木材（Cross-Laminated Timber，簡稱CLT）為主要材料的大規(guī)模定制住宅Algoritmo+設(shè)計系統(tǒng)，通過性能模擬并使用遺傳算法，實現(xiàn)了數(shù)字模型的優(yōu)化設(shè)計；該系統(tǒng)既能協(xié)助建筑師進行設(shè)計決策，也能為非專業(yè)用戶的交互設(shè)計提供可視化界面（圖5-4）[24]。同年，在宜家Space10實驗室與EFFEKT事務(wù)所合作開發(fā)的城市鄉(xiāng)村（Urban Village）項目中，威廉姆斯（Williams）利用低成本、高效率的預(yù)制CLT模塊系統(tǒng)，為不同背景的用戶提供了更加靈活便捷的個性化定制設(shè)計服務(wù)（圖5-5）。與住宅個性化設(shè)計研究并行的是，各國住宅供應(yīng)商也陸續(xù)推出不同類型的產(chǎn)品在線配置系統(tǒng)（圖5-6～圖5-10）。通過比較研究者與供應(yīng)商所開發(fā)的設(shè)計系統(tǒng)，可發(fā)現(xiàn)：前者更為復(fù)雜，能為用戶提供更多的解決方案，但研發(fā)成本高、研發(fā)周期長；而后者則相對簡單，提供的解決方案雖然有限，但是能以較低成本快速響應(yīng)市場需求。

圖5：大規(guī)模工業(yè)化住宅的個性化化設(shè)計案例

三、大規(guī)模定制住宅設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)與對策

為了填補研究與實踐之間的差距，大規(guī)模定制住宅設(shè)計主要面臨以下挑戰(zhàn)：如何從建筑師的角度制定設(shè)計規(guī)則，以提升定制設(shè)計的靈活性，包括轉(zhuǎn)譯用戶需求、設(shè)定規(guī)則層級和把控定制程度等；如何從用戶的角度構(gòu)建交互模式，以簡化定制設(shè)計的復(fù)雜性，包括引導(dǎo)用戶參與、避免信息過載和驗證用戶體驗等。

1.設(shè)計規(guī)則的制定

1.1 轉(zhuǎn)譯用戶需求

將用戶需求信息與住宅設(shè)計規(guī)則進行對應(yīng)轉(zhuǎn)化是構(gòu)建大規(guī)模定制住宅設(shè)計系統(tǒng)的首要難題，即確定用戶需求并為用戶定義理想住宅的所有形態(tài)特征。用戶需求的轉(zhuǎn)譯過程包括獲取、分析、定義、編碼和測試，其中用戶需求并不容易精確獲取，這是一個費時、費力的反復(fù)過程，取決于用戶與建筑師的溝通效率[25]。2005年，杜阿爾特面向建筑師定義了一套“話語”語法（Discursive Grammar），利用其中的編程語法（Programming Grammar）回應(yīng)了需求與形式的對應(yīng)關(guān)系[26]。然而，這種方法是以形態(tài)規(guī)則作為設(shè)計起始點，具有明顯的專家系統(tǒng)特征，是否能夠兼容非專業(yè)用戶的異質(zhì)需求仍有待商榷。因此，應(yīng)當借鑒制造業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，探索將用戶需求作為設(shè)計起始點的方法，主要環(huán)節(jié)包括：①采集并處理非專業(yè)用戶的需求數(shù)據(jù)，將用戶描述的零散化信息轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的設(shè)計要素；②將設(shè)計要素轉(zhuǎn)譯為參數(shù)化圖形或模型，并為之建立相互對應(yīng)的規(guī)則聯(lián)系；③發(fā)現(xiàn)并糾正一些不可用的需求信息[27]。在需求工程領(lǐng)域，以上環(huán)節(jié)所采用的方法分別對應(yīng)著結(jié)構(gòu)化需求的抽取方法、系統(tǒng)化的需求建模方法以及形式化的需求驗證方法。其中，結(jié)構(gòu)化需求的抽取是基于模糊定制概念[28]，即利用由模糊幾何定制程序（FGC）、虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）和通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）程序組成CyberFGC系統(tǒng)，將用戶的語言信息轉(zhuǎn)譯成互聯(lián)網(wǎng)可識別的偏好信息。

1.2 設(shè)定規(guī)則層級

為了使定制設(shè)計具有靈活性和可變性，建筑師預(yù)先定義了層層遞進的設(shè)計規(guī)則，包括選擇鄰里位置和改變建筑形式、平面布局、內(nèi)裝修等，這些規(guī)則決定了用戶參與的有效性?；舴蚵℉ofman）等從內(nèi)裝修、體量（外飾面）、平面布局、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境5個層級歸納了住宅設(shè)計的35種屬性（圖6）[29]。米希拉（Mishra）等提出了變化（內(nèi)裝修和建筑設(shè)備）、排列（建筑立面）、配置（根據(jù)平面圖變化改變建筑形體）3級設(shè)計規(guī)則：其中，變化規(guī)則和排列規(guī)則均可結(jié)合模塊化技術(shù)用于制定定制設(shè)計的解決方案[30]。納門（Nahmen）和班德羅（Bindroo）根據(jù)美國住宅供應(yīng)商的評估報告，提出了不定制、較小平面修改、較大平面修改和整體定制4級設(shè)計規(guī)則[31]。安德森（Anderson）則提出了可調(diào)整的定制空間，模塊化的定制空間和多維度的定制空間3級設(shè)計規(guī)則[32]。梳理設(shè)計規(guī)則的方法一般采用形狀語法，利用其樹形結(jié)構(gòu)構(gòu)建多層級規(guī)則語料庫，便于設(shè)計系統(tǒng)高效、準確地響應(yīng)用戶需求。由于設(shè)計規(guī)則的數(shù)量級龐大，難以通過手動的方式建立數(shù)據(jù)庫，因此還需要匹配自動化計算的設(shè)計方法。

圖6：霍夫曼等歸納的35種住宅屬性

1.3 把控定制程度

設(shè)計靈活性與用戶參與度密切相關(guān)。蘭普（Lampel）和明茲伯格（Mintzberg）按照定制程度（從低到高）提出了5種大規(guī)模定制類型（圖7）[33]：①完全標準化（Pure Standardization）是指采用大規(guī)模生產(chǎn)策略生產(chǎn)標準化產(chǎn)品，不需要用戶參與，靈活性僅體現(xiàn)于對產(chǎn)品本身的選擇權(quán)；②分段標準化（Segmented Standardization）面向多樣化生產(chǎn)，為細分市場提供不同類型的系列化房間模塊，用戶從供應(yīng)環(huán)節(jié)和組裝環(huán)節(jié)介入，產(chǎn)品成本較低，例如豐田之家（Toyota Home）；③定制標準化（Customized Standardization）是指工廠生產(chǎn)獨立房間時，用戶從裝配環(huán)節(jié)介入，選擇標準化的零件、組件和部件進行定制裝配，例如積水海姆（Sekisui Heim）；④特制定制化（Tailored Customization）的方案設(shè)計與零件設(shè)計由供應(yīng)商負責(zé)，用戶從組件設(shè)計介入，設(shè)計靈活性較高，成本也較高，例如積水住宅（Sekisui House）（圖8）；⑤完全定制化（Pure Customization）則是從設(shè)計環(huán)節(jié)開始提供“一對一”的顧問式服務(wù)，而非面向所有用戶，這種類型的產(chǎn)品層次高端、成本最高，對設(shè)計系統(tǒng)的集成要求也高?；谝陨掀饰隹芍?，用戶越早參與設(shè)計，定制程度就會越高。此外，定制設(shè)計的尺度也能體現(xiàn)定制程度。辛普森（Simpson）提出基于模塊化的產(chǎn)品系列（Modular-based Product Family）和基于尺寸的產(chǎn)品系列（Scale-based Product Family），前者通過添加、替換、刪除一個或多個功能模塊執(zhí)行，后者通過適應(yīng)性調(diào)整一個或多個尺寸變量以響應(yīng)市場需求[34]。烏爾里克（Ulric）提出6種模塊化產(chǎn)品體系，分別為組件共享（Component-sharing）、按需裁剪（Cut-tofit）、組件交換（Component Swapping）、總線（Bus）、分段（Sectional）和混合模塊化（Mix Modularity）：其中，前兩種的定制程度較高，且按需裁剪等同于完全定制化或基于尺寸的定制，屬于目前定制程度最高的個性化定制，對設(shè)計系統(tǒng)的復(fù)雜性和運算量要求更高；它主要用于用戶從設(shè)計環(huán)節(jié)參與的情形，在尺寸限度內(nèi)操控住宅形體的變化，因此設(shè)計靈活性高，利于用戶獨立開展研究和探索解決方案；而建筑師僅需定義相關(guān)參數(shù)，可節(jié)省大量重復(fù)性設(shè)計工作[35]。

圖7：按照定制程度劃分的大規(guī)模定制類型

圖 8：豐田之家，積水海姆和積水住宅的產(chǎn)業(yè)模型

2.交互模式的構(gòu)建

2.1 引導(dǎo)用戶參與

用戶參與式設(shè)計存在著同位（Colocated）和錯位（Dislocated）之分[36]。前者是指用戶面向建筑師闡明需求和要求，并在設(shè)計過程中不斷地與建筑師進行面對面“對話”，直到獲得滿意方案為止；從理論上講，建筑師需要肩負技術(shù)研發(fā)與設(shè)計應(yīng)用的雙重任務(wù)，但實際中他們的工作大多局限于集成應(yīng)用層面，很少會涉及技術(shù)研發(fā)（圖9-1）。后者是指在互聯(lián)網(wǎng)上利用交互式計算機系統(tǒng)為用戶提供有限的選擇，引導(dǎo)他們做出決策；這種系統(tǒng)大多由供應(yīng)商開發(fā)，對非專業(yè)用戶而言，其操作友好度并不高，因用戶知識和技能的不充分，經(jīng)常出現(xiàn)由決策偏差所引起的無效設(shè)計；而且建筑師也未從中參與設(shè)計，所以住宅設(shè)計質(zhì)量不一定能得到保證。當協(xié)同設(shè)計的概念提出后，用戶參與式設(shè)計的過程才開始變得更加靈活[37]：首先，將用戶視為產(chǎn)品的主要設(shè)計者和改變者，使其自主行為與設(shè)計原型進行交互并將偏好信息反饋至系統(tǒng)，提高用戶產(chǎn)出的價值占比，還能自定義和修改大部分單一步驟的設(shè)計過程；其次，將研究者從建筑師的角色中剝離出來，使其成為設(shè)計過程的主要組織者和設(shè)計規(guī)則的制定者，也承擔著挖掘用戶意識和需求的工作；再次，建筑師參與設(shè)計的占比越來越低，更多地扮演著協(xié)調(diào)者、配合者和觀察者的角色，并從感性層面獲得用戶需求等第一手資料（圖9-2）。這種協(xié)同設(shè)計的方法在一定程度上將取代傳統(tǒng)建筑師的部分工作，既能增強設(shè)計決策的效力，也能加快開發(fā)出更符合用戶需求的住宅產(chǎn)品。

圖9-1：傳統(tǒng)的同位參與式設(shè)計流程

圖9-2：大規(guī)模定制的協(xié)同設(shè)計流程

2.2 避免信息過載

為了最大限度地提高定制設(shè)計的靈活性，增加解空間（Solution Space）的元素數(shù)量是提升用戶獲得滿意方案機率的有效途徑之一。但這種方式有時也會適得其反，因為用戶很難從大量的解決方案中快速作出選擇，而且定制設(shè)計過程在需求或要求密集發(fā)生時也會涉及大量信息，需要用戶不斷認知并做出判斷。因此，信息過載增加了定制設(shè)計的復(fù)雜性，最終會影響定制設(shè)計的質(zhì)量。為此，一些研究者開發(fā)出成系列的包含特定設(shè)計語言的需求分析工具，將專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為用戶不必接觸的“設(shè)計黑箱”，為用戶參與設(shè)計降低了門檻。希佩爾（Hippel）對需求分析工具提出了基本要求：①支持反復(fù)實驗，提高試錯的效率；②在生產(chǎn)約束下盡可能地增加解空間中的元素數(shù)量，提升設(shè)計靈活性；③系統(tǒng)性構(gòu)建規(guī)則語料庫和相應(yīng)的調(diào)用規(guī)則；④將用戶偏好轉(zhuǎn)化為設(shè)計信息進而傳輸至生產(chǎn)系統(tǒng)，盡量避免進一步修訂[38]。

2.3 驗證用戶體驗

為了從住宅供給市場上獲得競爭優(yōu)勢，大規(guī)模定制設(shè)計需要在住宅質(zhì)量和設(shè)計體驗上盡可能地提高用戶滿意度（Customer Satisfaction）。影響用戶滿意度的基本因素包括住宅產(chǎn)品的成本、質(zhì)量和服務(wù)[39]。在成本上，用戶更傾向于選擇用低成本創(chuàng)造出足夠多種類的產(chǎn)品，倘若某些選項對成本影響很大，他們通常會選擇低級別的定制方式，因此可將不需要定制的產(chǎn)品組件采用標準化生產(chǎn)以發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢。在質(zhì)量上，基于用戶需求與產(chǎn)品屬性特征的關(guān)系，不僅要為用戶提供更多有效的解決方案，進一步提高模塊化設(shè)計的配置能力，還要增強模塊、組件與產(chǎn)品屬性及用戶需求的關(guān)聯(lián)度，為三者建立結(jié)構(gòu)層級關(guān)系，精確定位有變形設(shè)計需求的組件尺寸范圍，從而有效提升定制效率。在服務(wù)上，高水平的定制化服務(wù)也會對用戶滿意度產(chǎn)生積極的影響，雖然當前協(xié)同設(shè)計對于非專業(yè)用戶而言仍具有一定的挑戰(zhàn)，但是可以通過適時地為用戶提供咨詢服務(wù)，幫助他們填補專業(yè)知識的空白；此外，向用戶提供指導(dǎo)意見、協(xié)助溝通和現(xiàn)場指導(dǎo)等服務(wù)，促使用戶高效地完成個性化定制。

四、大規(guī)模定制住宅設(shè)計案例解讀

1.基于形狀語法的規(guī)則設(shè)計

2018年，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)佩德羅·維羅索（Pedro Velosoa）等建立了一個大規(guī)模定制住宅設(shè)計系統(tǒng)，嘗試通過規(guī)則定義和形狀編碼兩個步驟制定設(shè)計規(guī)則[40]。他們采用了形狀語法的樹形結(jié)構(gòu)邏輯和圖形結(jié)構(gòu)邏輯，將每條規(guī)則與構(gòu)成住宅平面的一種形狀對應(yīng)，并用形狀—動作圖（Shape-Action Graph）表示形狀規(guī)則推演過程中各結(jié)點圖形與其構(gòu)成元素之間的索引和映射關(guān)系。

在該設(shè)計系統(tǒng)中，首先，將初始住宅平面劃分為私密空間，公共空間和設(shè)備空間三個區(qū)域，以此作為規(guī)則推演的根結(jié)點。其次，制定出形狀生成設(shè)計的兩種規(guī)則：分割規(guī)則（Division Rule）用于將單個父結(jié)點圖形（Parent Shape）劃分為多個下一代子結(jié)點圖形（Child Shape），組合規(guī)則（Union Rule）用于將一組指定的父結(jié)點圖形拼合成單個下一代子結(jié)點圖形，兩種規(guī)則交替運行，以豐富規(guī)則語料庫（圖10）。再次，將住宅平面信息輸入CAD系統(tǒng)（Rhinoceros平臺），上述定義的幾何圖形及其拓撲關(guān)系也隨之導(dǎo)入并呈現(xiàn)于交互界面上，該步驟可通過以下操作實現(xiàn)：①管理導(dǎo)入的幾何圖形：識別結(jié)點圖形的各項信息，檢驗并修正多段線的方向和控制點，統(tǒng)一以結(jié)點圖形的左上角點作為參考點；②創(chuàng)建基準有向圖：將形狀—動作圖中各結(jié)點圖形之間呈現(xiàn)出的層級映射關(guān)系，在Grasshopper中轉(zhuǎn)譯為具有樹形數(shù)據(jù)特征的有向圖；③建立索引映射關(guān)系：主要針對構(gòu)成結(jié)點圖形的房間、門、窗等基本元素；④編碼形狀—動作圖：利用Grasshopper Python工具將步驟②和③的結(jié)果按照面向?qū)ο螅∣bject-oriented）的方式編碼，通過廣度優(yōu)先搜索（BFS）遍歷每一個結(jié)點圖形的所有組成元素，生成該結(jié)點圖形的所有變體；⑤關(guān)聯(lián)幾何對象和拓撲關(guān)系：將所有圖形的坐標原點進行轉(zhuǎn)換，使所有結(jié)點圖形均處于同一個全局坐標系內(nèi)，各結(jié)點圖形與其構(gòu)成元素共同形成完整的索引和映射關(guān)系。

圖10：由分割規(guī)則和組合規(guī)則組成的形狀—動作圖

此外，研究者還利用窮舉算法（圖11），生成各戶型（90m2、140m2、160m2、180m2、230m2和250m2）平面的所有變體，利用深度優(yōu)先搜索（DFS）從根結(jié)點圖形（初始平面）開始訪問，運行所有可用的分割規(guī)則和組合規(guī)則，遍歷舉出該根結(jié)點圖形下所有符合條件的結(jié)點圖形（變體），從而生成6套針對不同戶型平面布局的形狀—動作圖。

圖11：由140m2戶型形狀—動作圖所生成的242種平面布局結(jié)果

2.基于用戶體驗的交互設(shè)計

2018年，波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的克維琴斯基（Kwiecinski）和馬庫西維奇（Markusiewicz） 開發(fā)了一個名為“住宅規(guī)劃器”（Home Planner）的定制設(shè)計工具[41]，其目標是促進用戶參與住宅設(shè)計并簡化設(shè)計流程。該工具主要由算法設(shè)計和交互界面兩部分組成。在算法設(shè)計上，為了使制定的規(guī)則獨立于當?shù)匾?guī)范之外，這里應(yīng)用了基于形狀語法的通用語法來定義元設(shè)計（Meta-design）邏輯，使之可生成與用戶需求相對應(yīng)的通用設(shè)計規(guī)則。在交互界面上，采用交互式桌面（主要交互界面）和平板電腦APP（輔助擴展界面）相結(jié)合的方式。其中，交互式桌面上呈現(xiàn)的9種實體木塊，分別代表前廳、衛(wèi)生間、廚房、餐廳、起居室、家庭辦公室、主臥室、次臥室和浴室，用以標記房間類型（圖12）。具體的交互操作步驟包括：①用戶將基本信息輸入平板電腦，此時系統(tǒng)會自動識別并生成一系列可視化的方案以供選擇；②用戶通過交互式桌面參與設(shè)計，既可在系統(tǒng)推薦方案的基礎(chǔ)上直接修改，也可選擇重新設(shè)計；③每當用戶移動或旋轉(zhuǎn)木塊時，交互界面上會同步顯示房間的布局和面積等信息；④系統(tǒng)對用戶操作自動進行可行性驗證，每當用戶選擇或修改的平面布局不符合其預(yù)定義的設(shè)計規(guī)則時，系統(tǒng)會重新檢索出一個既符合設(shè)計規(guī)則又與其需求最相近的配置方案；⑤若用戶對設(shè)計方案仍不滿意，可繼續(xù)操控木塊對方案進行調(diào)整，直到滿意為止。為了驗證該工具在實際應(yīng)用中的可行性，研究者分別在美國和波蘭招募志愿者參與設(shè)計并作出滿意度評價（圖13）[42]。結(jié)果表明，所有志愿者均能在15min內(nèi)獲得滿意方案，且對于大多數(shù)指標的滿意度分值為4或5（圖14），并一致認為這種計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)可以幫助用戶檢索和設(shè)計滿足其未來需求的住宅方案。

圖12：“住宅規(guī)劃器”設(shè)計系統(tǒng)的用戶交互界面

圖13：由志愿者完成的住宅配置方案

圖14：美國（左）與波蘭（右）志愿者對住宅配置方案的滿意度評價結(jié)果

五、結(jié)論

自建筑業(yè)面向工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以來，通過對整體建筑或復(fù)雜部件進行標準化設(shè)計、工廠化預(yù)制、裝配化施工與科學(xué)化組織，大幅度提高了生產(chǎn)效率?？墒牵c制造業(yè)相比，建筑業(yè)仍被認為是低生產(chǎn)力行業(yè)之一，而且與制造業(yè)的差距在不斷加大。通過歐美等國家的研究與實踐可知，住宅產(chǎn)業(yè)發(fā)展可以借鑒制造業(yè)的大規(guī)模定制生產(chǎn)經(jīng)驗，并具有一定的市場需求和行業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ詫⒚媾R不少挑戰(zhàn)：首先，住宅的設(shè)計、制造、施工和供應(yīng)等環(huán)節(jié)幾乎沒有重疊，產(chǎn)業(yè)集成度不高；其次，建筑業(yè)的任務(wù)通常需要眾多不同的企業(yè)和部門協(xié)作才能完成，這種分散的組織模式容易導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)運行機制的低效化；再次，傳統(tǒng)的“藍圖式”設(shè)計方法和建造技術(shù)相對落后，尚不能滿足兼顧大規(guī)模定制住宅的標準化與個性化要求。當住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展遭遇瓶頸時，這項研究不僅有助于把握未來建筑生產(chǎn)模式、供給機制的變革方向，而且也是探索解決各種城鄉(xiāng)環(huán)境和社會問題的積極途徑。住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展終究是以技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)的整合為前提的，但是有一個事實不能被忽視，即位列住宅產(chǎn)業(yè)鏈條最前端的并不是建筑商或供應(yīng)商，而是研究者或具有前瞻研究能力的建筑師，他們對大規(guī)模定制住宅的探索將更有指導(dǎo)意義。

大規(guī)模定制住宅設(shè)計研究屬于新興的交叉領(lǐng)域，是工業(yè)4.0時代因產(chǎn)業(yè)、技術(shù)結(jié)合而生的新事物，其研究進展對我國當前城鄉(xiāng)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，特別是解決關(guān)乎國計民生的城鄉(xiāng)居住問題將具有一定的啟發(fā)和借鑒意義。首先，面向建筑師制定出住宅形態(tài)特征與用戶需求信息對應(yīng)的設(shè)計規(guī)則，以保證住宅設(shè)計的靈活性；面向非專業(yè)用戶構(gòu)建出由研究者、建筑師、用戶和機器共同組成的交互模式，以保證定制設(shè)計的友好性，為我國工業(yè)化住宅設(shè)計理論做出有益補充。其次，探索大規(guī)模工業(yè)化住宅與數(shù)字設(shè)計及智慧建造的互動機制，為未來住宅產(chǎn)業(yè)化體系的優(yōu)化和創(chuàng)新住宅產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供借鑒。再次，由大規(guī)模定制住宅設(shè)計衍生出的新型住宅供應(yīng)模式，可為我國未來轉(zhuǎn)變住宅供給機制進行前期研究準備。最后，推動住宅產(chǎn)業(yè)由增量向存量發(fā)展，由標準化建設(shè)存量向定制化建設(shè)存量轉(zhuǎn)型，力促新舊動能轉(zhuǎn)化所要求的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式的路徑探索。

此外，還需要特別指出的是，現(xiàn)階段大規(guī)模定制住宅的系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)品推廣，仍要面臨市場適應(yīng)等問題，特別是因其高度的集成性和復(fù)雜性，需要高昂的初始成本投入，風(fēng)險系數(shù)偏大。從知識產(chǎn)權(quán)的范疇上，大規(guī)模定制住宅產(chǎn)品與傳統(tǒng)住宅產(chǎn)品也是不同的，其知識產(chǎn)權(quán)究竟歸屬于用戶、研究者、建筑師、建造商中的一個主體還是多個主體，仍有待商榷。該問題同時反映出當前大規(guī)模定制住宅產(chǎn)品的不成熟一面，即一旦定制過程中出現(xiàn)了因用戶需求頻繁變動等問題所導(dǎo)致的情況，例如住宅方案的設(shè)計失效、模塊或組件等部品的生產(chǎn)失效，或是最終交付的產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)的質(zhì)量等問題，哪一個主體該為此擔責(zé)？從以上列舉的問題中可以看出，大規(guī)模定制住宅設(shè)計產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，不僅要依托于科技的進步，凸顯其設(shè)計的靈活性、建造的高效性與供應(yīng)的集成性等優(yōu)勢，還要健全產(chǎn)業(yè)管理機制和相關(guān)技術(shù)規(guī)范，著力理順各主體之間的關(guān)系，化解認識分歧，促使各方達成共識。

注釋

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