27th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC 2010)

第27届建筑自动化与机器人国际研讨会(ISARC 2010)

INDIVIDUALIZATION OF DESIGN VARIATION IN CONSTRUCTION

建筑设计的个性化

Thomas Bock

Technische Universität München, Munich

Thomas Linner

Technische Universität München, Munich

Abstract

摘要

Mass Customization has been introduced and applied in a multitude of industries and should now be transferred and developed further for application in construction industry.

大规模定制已经在许多行业中被引入和应用，现在应该向建筑行业转移和进一步发展。

Industrialized customization offers particular advantages compared to conventional

construction as it allows addressing parameters relevant for individual and sustainable

construction consequently and simultaneously. An efficient value system for industrialized customization in construction is realized through the consequent co-adaptation of business strategy, product structure, configuration process, supply chain management, customized production, assembly process, customer relation and remanufacturing processes to a highly flexible organisational entity. Advanced Japanese prefabrication companies as Sekisui Heim (Unit Method) and Toyota Home (Skeleton and Infill) are used in this research to identify and analyze determining parameters for the deployment of industrialized customization and the individualization of design variation.

与传统建筑相比，工业化定制提供了特别的优势，因为它允许同时解决与个人和可持续建筑相关的参数。通过企业战略、产品结构、配置过程、供应链管理、定制生产、装配过程、客户关系和再制造过程对高度灵活的组织实体的协同适应，实现了建筑工业化定制的有效价值体系。本研究使用先进的日本预制公司Sekisui Heim (Unit Method)和Toyota Home (Skeleton and Infill)来识别和分析工业化定制部署和设计变异个性化的确定参数。

KEYWORDS: 

Industrialization, Mass Customization, Complementarities, User-Co-Creation, Japanese Prefabrication

关键词:

工业化、大规模定制、互补性、用户共创、日本预制

INTRODUCTION

概述

Individualized industrial fabrication of products through demand oriented, lean and resource saving production today gradually becomes a prerequisite for any enterprise. With recurring resource shortages, striking economic crisis and evolving social standards a new paradigm arises which forces industry not only to focus on competitiveness but also on designing sustainable products and manufacturing processes with equal respect on economic, social and environmental impacts, meanwhile delivering individualized products. A solution to simultaneously addressing all mentioned demands is offered by a concept called “Mass Customization” (Piller, 2006). 

通过以需求为导向、精益和节约资源的生产方式实现产品的个性化工业制造，逐渐成为当今任何企业的先决条件。随着资源短缺、经济危机和社会标准的不断发展，一种新的模式出现了，迫使工业不仅关注竞争力，而且还设计可持续的产品和制造过程，在同等尊重经济、社会和环境影响的情况下，同时提供个性化的产品。大规模定制概念提供了同时解决上述所有需求的解决方案。

MC is a strategic means for delivering user adapted or even personalized products at same or even lower cost than standardized mass production. Mass Customization has been introduced and applied in a multitude of industries up to now. Yet, in construction industry which still is characterized by high energy and material consumption,tremendous waste volume, harsh working conditions, expensive and unsuitable houses and a lack of reuse and recycling mechanisms (Bock et al., 2009b), neither industrialization nor mass customization have been deployed in a greater scale (Bock et al., 2009a) to tackle the mentioned problems. Therefore principles of industrialization and mass customization should be transferred and integrated to industrialized customization and the individualization of design variation in construction. Industrialized customization offers particular advantages compared to conventional construction as it allows addressing parameters relevant for customized and sustainable construction consequently and simultaneously.

大规模定制是一种战略手段，以相同甚至更低的成本提供符合用户需求甚至个性化的产品。到目前为止，大规模定制已经在许多行业中被引入和应用。然而,在建筑行业仍然具有高能源和材料消耗,巨大的废物体积,严酷的工作条件,昂贵和不合适的房屋和缺乏重用和回收机制,产业化和大规模定制已经部署在一个更大的规模解决上述问题。因此，应该将工业化和大规模定制的原则转移和整合到工业化定制和建筑设计变异的个性化上。与传统建筑相比，工业化定制提供了特别的优势，因为它允许同时解决定制和可持续建筑相关的参数。

图1：协同适应与互补性：施工中设计变化个性化的先决条件

基于日本预制行业的工业化定制相关参数的识别与分析 

在最近的体系结构中，定制通常被解释为形成高度不同的3D形状组件或建筑的工具。这当然不是错误的，它是架构的一个重要方面，但它只涵盖了各种共同适应的假设过程之一，即从最初的经济或管理角度来看的定制真正意味着：定制是一种复杂的战略手段。因此，定制不是基于对单个过程或CNC机器的简单控制，而是通过流信息和材料流创建相应的新的横切和相互依赖的组织结构。定制的核心是除了信息通信技术外，业务战略、产品结构、配置流程、供应链管理、定制生产、装配流程、客户关系和再制造流程的严格协同适应。要揭示定制的全部潜力，所有提到的过程都必须被设计为补充性的一个整体系统/生物体的子过程。

为了确定、解释和分析建筑中工业化定制和设计变化的基本系统要求，并介绍补充和共适应工艺的想法，对日本预制公司SekisuiHeim（单元法）和丰田家居（骨架和填充 ）的先进和工业化制造系统进行了研究。本文介绍了一些研究成果，并介绍了工业化定制及其确定参数。

定制做为业务战略 

实现大规模定制的一个重要项目是制定整体业务战略。业务策略设置了基本参数，例如预期的程度与其他产品的区别，客户体验的强度和客户关系。为实现一定的市场优势而与业务战略所选择的客户整合程度进一步决定了特定的产品架构、生产系统所需的灵活性程度 、物流结构和服务战略。

产品差异化采用定制策略的主要动机之一是区分市场上的产品和/或竞争对手。通过提供定制或用户适应的产品，或在市场上建立相对于竞争对手的一定地位。

创造额外价值，建筑越能适应居民的偏好和生活环境，对居民/客户的主观价值就越高 。建筑可采用多层和子系统组，从平面设计到内部装修和技术填充和综合辅助技术确定的功能。

配置为体验自定义，从而通过配置过程集成用户和用户的知识以生成独特的产品，为客户创造体验。由于建筑在大多数人或家庭的生活中发挥着重要作用，共同创造自己住宅的经验因素可以被认为相当高。客户关系通过提供差异化产品，通过适应和产生配置体验创造额外价值，与客户建立了紧密的关系。连同通过配置过程获得的关于客户的知识，这种关系可以用来建立客户对企业的强大忠诚度。在住房行业中，这种忠诚度 可以通过基于生命周期的服务来进一步创造价值。

避免生产过剩定制是基于根据客户的个人和实际需求进行生产，而不是根据市场调查和不安全的预测进行生产。因此，建筑业的工业化定制在减少建筑工程中的投入资源（人力、材料、能源）的数量方面具有巨大的潜力。同时避免了生产过剩。日本预制住宅建筑商和丰田住宅都非常清楚上述商业战略参数。每个公司都利用它们来创造自己和独特的品牌体验，并强调对客户的奉献精神。与日本以外的公司相比， 日本预制房屋建筑商面向定制的商业战略与能够直接、快速和高效制造的工业化、高度自动化和响应迅速的生产系统密切相关。

产品结构 

在单个建筑的定制预制中，产品结构及其贯穿整个生命周期的管理是过程链中最关键、最复杂的项目。必须根据定制生产的需求来制定产品结构。日本的预制制公司已经意识到了这一点60年代大规模预制，发展了具体的面向制造的设计和产品结构。

施工方法丰田和Sekisui的系统基于钢架单元的组合，以实现期望的预期布置。一般将10-15个单元合并成一个完整的房子。钢框架单元作为“底盘”通过工厂完成专 门设计的生产线。类似于汽车工业中的“底盘”，钢框架单元后来陈述了轴承结构 。安装、电缆和管道可视为按顺序和按需连接到“底盘”上的子组件。

结构分解“超级骨架和智能填充”，丰田称其“结构组织系统”。这是指用作“底盘 ”（骨架）子系统和子部件（填充）的结构建筑部件的分离。这种分离不仅解耦了组件，还决定了关于设计和功能的决策，并允许高级并行生产过程。系统多层网格为或每个解耦组件系列和子系统的系统网格用于协调整个组件系统本身 ，并将产品结构与生产系统和供应链同步。在给定的网格内，零部件可以由其他部件来补充，甚至可以单独制造。只要零部件适用于底层的模块化协调系统，就可以添加或交换它们。

开放工程系统OES是开放组件系统，能够由公司的系统设计师或工程师进一步开发或转化为新产品模型的产品或生产线。模块化基本上可以分为两种类型。一种是通过客户定制的，另一种是与生产者相关的，使他能够通过交换和创新特定的子组件来逐步开发自己的产品。每年引入大约10种新的住房模型和大约400个修改和改进， 例如由日本公司SekisuiHeim引入，这使得组件系统必须基于OES原则。

配置过程 

配置过程的设计在任何定制策略中都起着至关重要的作用，因为它将关于客户的知识和他的偏好与产品结构、后续的制造和交付过程联系起来。一般我们可以区分在线和离线配置。在在线配置中，客户直接使用配置工具，而在离线配置中，配置过程由公司成员根据客户的需求最终指导并执行。由于建筑是相当复杂的产品，到目前为止，所有日本预制房屋建筑商的配置策略都是基于离线配置。丰田和丰田提供不同类型的房屋，适合日本的地区、文化和气候差异。为了更接近客户，还在具有重要战略性的地区建立了基于区域的模型公园。因此，工厂被战略性地放置在不同的地区，他们根据周围地区的需求、材料和首选的房屋类型来完成房屋。然而，这些战略性布局的工厂被整合到更大的、全国性的生产集群和供应网络中。

客户整合 日本的大多数预制件公司都拥有对客户开放的研发中心。大多数研发罐与“ 陈列室”和/或“生活”区域集成，客户可以选择部件、家具和配置。客户可以自由选择客户集成的程度。客户整合的程度仍然决定着价格。然而，不断改进流程的目标是逐步降低高用户适应能力带来的成本影响。

更换服务 如果客户选择购买Sekisui或丰田的房子，则将签订预先合同，确定时间表和转换服务。一般而言，配置需要1-4个月。工厂生产后，现场交货和组装约1-2个月，完成再交一个月。预前进一步修复了相应的服务。对于一个相对较低的额外转换费用套餐，使搬到新家是一个方便的事情。这些伴随而来的服务在当今日本创造积极的形象预制方面一直发挥着重要作用。

供应链管理 

ERP和物流的创新战略决定了资源流的效率，因为它们控制了将资源引入公司价值创造和投入/产出转换系统的结构。此外，他们还可以控制公司生产过程中资源的流通。准时和有序的工业化生产降低了投入资源和库存，因此有可能平衡个别生产的额外成本 。丰田和大野采用丰田生产系统引入的“看板”系统是现代制造业创新一体流系统的前身和推动力旨在越来越个性化的产品。看板和TPS 也从丰田的汽车部门转移到丰田的住房部门。在先进工业化和需求导向建设的发展背景中，必须进一步提到SekisuiHeim的专家系统（HAPPS、Heim自动化零件拾取系统） 。自动化组件选择将SekisuiHeim变成高效的公司，最初是由其先进的基于IT的企业资源规划系统称为HAPPS。如上所述，所有房屋均采用10-15个钢架单元，每个单元根据客户需求单独完成。这意味着在工厂里预制的每个单元都是不同的。因此，从大约300,000个组件中正确选择大约30,000个组件的重要过程。自动化任务和生产调度HAPPS是一个基于参数的系统，支持整个工作流：配置、计划、 订单接收、物流、制造和交付。它有助于生成零件和部件结构和部件CAD平面图的列表。根据CAD模型生成的信息，物流和生产过程自动自动控制。一体流OPF是指主生产线上各单位或单位流允许不同的生产方法。在工业化住宅工业 中，根据个别设计和个人平面图的高需求，主生产线上完成的每个钢架单元基本上应该不同。今天，丰田之家和海姆都成功地采用了OPF的原则。

图2：丰田之家“底盘”骨架子元素的制造 

图3：各个单元的三维实时实时定制完成海钢生产线

图4：已完工装置从工厂运输至现场

图5：现场预装装置的快速组装

定制的场外生产 

Sekisui和丰田的工厂生产都是基于生产线生产，根据平面图、功能、技术填充和个人客户的要求，移动钢框架单元是定制的。子组件在不同的楼层上进行平行化的制造。SekisuiHeim实现了高达80%的工厂预制工作(SekisuiHeim，2009)和丰田家（丰田家， 2009）高达 85%. 自动化钢框架生产的基本工作站之一是全自动组装和焊接站。进入车站天花板元件，地板元件和柱，然后自动焊接到框架上，作为“底盘”和轴承结构，可在400米长的生产线上进行三维加工（图3）。工厂布局自动焊接后，钢架“底盘”从一个工厂流到另一个工作站，直到完成所有安 装为止。因此，精工和丰田的工厂在装配的两侧都提供了大门由合作供应商及时、按顺序交付单个单元的定制生产所需的材料、零部件。在整个工厂预制过程中，与传统建筑相比，产生的废物最少。赛基苏和丰田的目标都是建立零废物工厂。这一方面可以通过提供适合于产品结构中的模块来实现，而无需进一步处理或切断浪费。另一方面，剩余废弃物在工厂内进行严格分类，以便回收利用。

家具和电缆的预安装是精工和丰田生产策略的重要组成部分。技术安装的程度越高， 预制工作的效率就越高。因此，工厂环境非常适合快速和高质量地安装复杂的技术基础设施和复杂的性能添加的组件/子系统。严格的质量控制除了机器人执行的质量控制之外，经过特殊培训的合格人员在每个生产步骤/工作站后严格检查质量。每家公司都为一个房子开发了200-300件不同物品的质量清单，因为早期发现错误可以节省时间和成本。此外，无错误产品提高了公 司的可靠性（Sekisui，2009）。

工艺和设备的模块化30多年来，Sekisui和丰田都开发出了模块化的资源供应结构和模块化的生产设施。由于产品结构的不断变化，以及随着新外壳类型的反复引入， 应用程序、工具和机械需要高度的模块化和灵活性。

现场组装 

Sekisui和丰田进行了工业化、自动化和定制的预制，旨在将复杂性和工作密集型过程转移到高度控制的工厂环境中。现场工作任务因此被简化为简单的单元连接过程和一些较少的内部完成。因此，根据单元模块化，已经开发了特殊的连接机制，允许在一天内基本设置一个单一的家庭住宅，并且没有固定的起重机或脚手架。在最后一个工厂工作站及时交付，完成和预安装的装置被包装并带到临时存储区。随后，一组运输商在现场交付。快速组装工厂预装和预加工的钢架单元以及预制屋顶模块在一天内进行现场组装。因此，房屋立即防水、防风严密，避免了质量损失。在受保护房屋内，经过专门培训 的装配工人完成装修，剩余安装在方便的现场工作环境下进行。

移交和客户关系 

吸引和留住客户对于任何定制导向策略的成功都至关重要。通过定制过程，公司收到了关于客户的详细信息，并与客户建立了相对深厚的关系。在使用生命周期的阶段， 关于客户和交付产品的知识可以进一步用于有效的长期维护。此外，与客户的关系可 以用于售后服务和其他面向生命周期的价值链。移交铃木或丰田的房子是一种体验，并伴随着典型的日本服务态度。在大多数情况下 ，搬到新家是完成的，或至少由那些公司支持，或或只有一些额外的成本。当房子被移交时，客户还会收到一本关于新家的指导手册。

质量证明书和保证为了证明房屋及其子系统的性能、质量和耐用性，客户在将房屋移交时获得质量和保修证明书。由于所有单独的房屋都是在高度控制的工厂环境中制造的，所有的预生产模型都经过了严格的质量测试，类似于汽车工业，因此关于耐 久性和抗震的高性能可以保证。

定期检查和长期维护，例如，丰田的基本结构、立面、墙壁和屋顶保修60年，所有其他 元素保修30年 5年的常用元素作为地板。在此期间，经过专门培训的维修人员进行定期检查，确保损害得到修复，从而主动避免索赔。除此之外，客户可以从不同的长期维护包中进行选择。灵活性和翻新服务Sekisui和丰田都提供了由于生活方式和家庭规模/需求的变化，可以增加/更换模块/单元。然而，重组仍然可以简化 ；其系统的模块化、标准化和加入方法为连续的重新安排和相关服务提供了很大的潜力。这些服务可以接受并继续通过最初的定制过程建立持续的价值链而建立的强烈客户关系。

逆向物流和再制造 

日本预制制造商基于钢结构单元系统的所有建筑均可作为替代新建筑。因此 ，解构和再制造过程被设计为生产和装配过程的一个改进的反向版本。为了拆除，首先放宽钢架单元之间的接头，然后按单元运输到一个特殊的拆除工厂单元。在那里，过时的子组件被拆除，并进入先进的再利用周期。对裸钢架单元进行检查，随后再次进入生产过程，进行定制和用户集成预制。

研究结论 

建设中工业化定制的目标是统一住宅生产者的需求和住宅客户的需求，形成持续和加强的关系，为生产者、客户和环境创造价值。通过对高度灵活和响应的组织实体进行商业战略、产品结构、配置过程、供应链管理、定制生产、装配过程、客户关系和再制造过程的共同适应，实现了建筑中工业化定制和设计变化个性化的价值体系。此外，今天随着资源的反复短缺和经济危机的出现，一种新的范式出现了，特别是建筑业被迫关注竞争优势和可持续/节约资源的建设。与传统建筑相比，工业化定制在同时解决上述高效问题方面具有特殊的优势。进一步的研究将集中在本文中确定和分析的参数的扩展和增强上。

参考文献 

1.填料机，F.T.。（2006）大规模定制。威斯巴登：德国大学大学 

2.博克，林纳，T.，李，纽约。（2009b）精益现场/场外建筑生产和持续资源循环的综 合工业化方法。第7页第可持续制造全球会议 

3.博克，T，T。（2009年a）德国建筑中的结构变化和技术利用。东京：日本建筑机械化 协会，JCMA

4.波克，t。（1988）面向机器人的设计。东京：小木

5.米尔格罗姆，R.，钱，Y。罗伯茨，J。（1991）复杂性、势头和现代制造业的演变：技术、战略和组织。美国：《美国经济评论》。5: 84-88

6.皮勒，斯托特科，斯托特科，C。（2003）大规模自定义和客户集成。杜塞尔多夫：对 称性。

7.内线队员，T.，博克，T.。（2009）建筑学中的智能定制：面向智能建筑。大规模定 制、个性化和共同创造世界会议(MCPC)，赫尔辛基 

8.松类，B类。吉尔莫尔，J。（1998）欢迎来到体验经济领域。《哈佛商业评论》，76 岁。第4页，第97-106页 

9.赖希沃尔德，皮勒，华盛顿特区。（2006）交互式价值创造。威斯巴登市：2006年 

10.林德曼，美国大学。赖希沃尔德，皮勒，华盛顿特区。（2006）个性化产品。柏林：施普林格市 

11.哦诺，T。（1988）丰田生产系统-超越大规模生产，马萨诸塞州：生产力出版社 

12.福鲁斯，卡塔诺，M。（2006）构建自动化零件拾取系统(HAPPS)以处理各个平面图 。日本：ISARC2006建筑自动化和机器人国际研讨会 

13.海志志（2009）一般信息 

14.丰田之家（2009年）一般信息 

15.海（2010）日本，系统重用屋，可在：www.sekisuichemical.com/about/division/housing/reuse.html

16.图2-5：版权所有T。吊克