Модульная конструкция или модульность в конструкции — это принцип проектирования, который подразделяет систему на более мелкие части, называемые модулями (например, модульные технологические блоки), которые могут независимо создаваться, изменяться, заменяться или обмениваться с другими модулями или между различными системами.
Модульная конструкция может характеризоваться функциональным разделением на дискретные масштабируемые и повторно используемые модули, строгим использованием четко определенных модульных интерфейсов и использованием отраслевых стандартов для интерфейсов. В этом контексте модульность находится на уровне компонентов и имеет одно измерение — слотируемость компонентов. Модульная система с такой ограниченной модульностью обычно известна как платформенная система, которая использует модульные компоненты. Примерами являются автомобильные платформы или порт USB в платформах компьютерной инженерии .
В теории проектирования это отличается от модульной системы, которая имеет более высокую размерную модульность и степени свободы. Модульная конструкция системы не имеет четкого срока службы и демонстрирует гибкость по крайней мере в трех измерениях. В этом отношении модульные системы очень редки на рынках. Архитектурные системы Mero являются наиболее близким примером к модульной системе с точки зрения жестких продуктов на рынках. Платформы вооружения, особенно в аэрокосмической отрасли, как правило, являются модульными системами, в которых планер самолета спроектирован так, чтобы его можно было модернизировать несколько раз в течение срока службы, без покупки совершенно новой системы. Модульность лучше всего определяется размерами или степенями свободы в форме, стоимости или эксплуатации.
Модульность предлагает такие преимущества, как снижение стоимости (настройка может быть ограничена частью системы, а не требовать капитального ремонта всей системы), совместимость, более короткое время обучения, гибкость в проектировании, не ограниченное поколением расширение или обновление (добавление нового решения путем простого подключения нового модуля) и исключение. Модульность в платформенных системах предлагает преимущества в возврате маржи к масштабу, сниженные затраты на разработку продукта, сниженные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание и время выхода на рынок. Платформенные системы позволили широко использовать проектирование систем на рынках и возможность для компаний-производителей отделить скорость цикла продукта от путей НИОКР. Самый большой недостаток модульных систем — это проектировщик или инженер. Большинство проектировщиков плохо обучены системному анализу , а большинство инженеров плохо обучены проектированию. Сложность проектирования модульной системы значительно выше, чем у платформенной системы, и требует экспертов в области проектирования и стратегии продукта на этапе разработки концепции системы. Этот этап должен предвидеть направления и уровни гибкости, необходимые в системе для предоставления модульных преимуществ. Модульные системы можно рассматривать как более полную или целостную конструкцию, тогда как платформенные системы более редукционистские, ограничивающие модульность компонентами. Полная или целостная модульная конструкция требует гораздо более высокого уровня навыков проектирования и сложности, чем более распространенная платформенная система.
Автомобили , компьютеры , технологические системы , солнечные панели , ветряные турбины , лифты , мебель , ткацкие станки , железнодорожные сигнальные системы, телефонные станции , органы , синтезаторы , системы распределения электроэнергии и модульные здания являются примерами платформенных систем, использующих различные уровни модульности компонентов. Например, нельзя собрать солнечный куб из существующих солнечных компонентов или легко заменить двигатель на грузовике или перестроить модульный жилой блок в другую конфигурацию через несколько лет, как это было бы в случае модульной системы. Эти ключевые характеристики делают модульную мебель невероятно универсальной и адаптируемой. [1] Единственными сохранившимися примерами модульных систем на сегодняшнем рынке являются некоторые программные системы, которые перешли от версионирования к полностью сетевой парадигме.
Модульная конструкция по своей сути сочетает в себе преимущества стандартизации массового производства с преимуществами настройки . Степень модульности, размерно, определяет степень возможной настройки. Например, системы солнечных панелей имеют 2-мерную модульность, которая позволяет регулировать массив в измерениях x и y. Дополнительные измерения модульности будут введены путем создания модульных самой панели и ее вспомогательных систем. Размеры в модульных системах определяются как влияющие параметры, такие как форма, стоимость или жизненный цикл. Системы Mero имеют 4-мерную модульность, x, y, z и структурную грузоподъемность. Как можно увидеть в любом современном конференц-пространстве, дополнительные два измерения модульности пространственной рамы обеспечивают гораздо большую гибкость в форме и функции, чем 2-мерная модульность солнечной системы. Если модульность правильно определена и задумана в стратегии проектирования, модульные системы могут создать значительное конкурентное преимущество на рынках. Настоящая модульная система не должна полагаться на циклы продукта, чтобы адаптировать свою функциональность к текущему состоянию рынка. Правильно спроектированные модульные системы также обеспечивают экономическое преимущество, поскольку не содержат неиспользуемых мощностей, повышают коэффициент использования мощностей и его влияние на гибкость затрат и ценообразования.
Аспекты модульной конструкции можно увидеть в автомобилях и других транспортных средствах , поскольку в автомобиле есть определенные детали, которые можно добавлять или удалять, не изменяя остальную часть автомобиля.
Простым примером модульной конструкции в автомобилях является тот факт, что, хотя многие автомобили поставляются в базовой комплектации, за дополнительную плату можно будет вносить «встраиваемые» улучшения, такие как более мощный двигатель, автомобильную аудиосистему , вентилируемые сиденья или сезонные шины; они не требуют никаких изменений в других узлах автомобиля, таких как шасси , рулевое управление, электродвигатель или аккумуляторные системы.
Модульную конструкцию можно увидеть в некоторых зданиях. Модульные здания (а также модульные дома) обычно состоят из универсальных частей (или модулей), которые производятся на заводе , а затем отправляются на строительную площадку, где они собираются в различные конструкции. [2]
Модульные здания могут быть увеличены или уменьшены в размере путем добавления или удаления определенных компонентов. Это может быть сделано без изменения более крупных частей здания. Модульные здания также могут претерпевать изменения в функциональности, используя тот же процесс добавления или удаления компонентов.
Например, офисное здание может быть построено с использованием модульных частей, таких как стены, рамы, двери, потолки и окна. Затем интерьер может быть разделен (или перегорожен) большим количеством стен и обставлен столами, компьютерами и всем остальным, что необходимо для функционирующего рабочего пространства. Если офис необходимо расширить или переделать для размещения сотрудников, можно добавить или переместить модульные компоненты, такие как стеновые панели, чтобы внести необходимые изменения, не меняя все здание. Позже этот же офис можно разобрать и перестроить, чтобы сформировать торговое помещение, конференц-зал или другой тип здания, используя те же модульные компоненты, которые изначально составляли офисное здание. Затем новое здание можно переоборудовать любыми предметами, которые необходимы для выполнения его желаемых функций.
Другие типы модульных зданий, предлагаемые такой компанией, как Allied Modular, включают караульное помещение , машинное отделение, пресс-бокс , конференц-зал , двухэтажное здание, чистую комнату и многие другие приложения. [3]
Существует множество заблуждений относительно модульных зданий. [4] В действительности модульное строительство является жизнеспособным методом строительства для быстро окупаемых и быстрорастущих компаний. Отрасли, которые выиграют от этого, включают здравоохранение, коммерцию, розничную торговлю, военную промышленность и многоквартирное/студенческое жилье.
Модульная конструкция компьютерного оборудования такая же, как и в других вещах (например, автомобилях, холодильниках и мебели). Идея заключается в создании компьютеров с легко заменяемыми деталями, которые используют стандартизированные интерфейсы . Эта технология позволяет пользователю легко модернизировать определенные аспекты компьютера, не покупая при этом еще один компьютер.
Компьютер — один из лучших примеров модульной конструкции. Типичные компьютерные модули включают в себя шасси компьютера , блоки питания , процессоры , материнские платы , графические карты , жесткие диски и оптические приводы . Все эти части должны быть легко взаимозаменяемыми , если пользователь использует части, поддерживающие тот же стандартный интерфейс.
Идея модульного смартфона была исследована в проекте Ara , который предоставил платформу для производителей для создания модулей для смартфона, которые затем могли быть настроены конечным пользователем. Fairphone использует аналогичный принцип, где пользователь может приобрести отдельные детали для ремонта или модернизации телефона.
В 1963 году Motorola представила первый прямоугольный цветной кинескоп, а в 1967 году представила модульный бренд Quasar . В 1964 году она открыла свой первый филиал по исследованиям и разработкам за пределами США, в Израиле под руководством Мозеса Басина. В 1974 году Motorola продала свой телевизионный бизнес японской Matsushita, материнской компании Panasonic .
Некоторые виды огнестрельного оружия и вооружения используют модульную конструкцию, чтобы сделать обслуживание и эксплуатацию более простыми и привычными. Например, немецкий производитель огнестрельного оружия Heckler & Koch выпускает несколько видов оружия, которые, хотя и являются разными типами, визуально и, во многих случаях, внутренне похожи. Это боевая винтовка G3 , универсальный пулемет HK21 , пистолет-пулемет MP5 , штурмовые винтовки HK33 и G41 и снайперская винтовка PSG1 .
Концепция модульного дизайна стала популярной в выставочных экспозициях и рекламных дисплеях для розничной торговли . Такого рода рекламные дисплеи включают креативные индивидуальные проекты, но нуждаются во временной структуре, которую можно использовать повторно. Таким образом, многие компании адаптируются к модульному способу проектирования экспозиций. В этом случае они могут использовать предварительно спроектированные модульные системы, которые действуют как строительные блоки для создания индивидуального дизайна. Затем их можно перенастроить в другой макет и повторно использовать для будущего шоу. Это позволяет пользователю сократить затраты на производство и рабочую силу (на установку и транспортировку) и является более устойчивым способом создания экспериментальных установок.
Управление жизненным циклом продукта — это стратегия эффективного управления информацией о продукте (и семействах продуктов, платформах, модулях и деталях) в течение его жизненного цикла . [5] Исследователи описали, как интеграция цифрового двойника — цифрового представления физического продукта — с модульной конструкцией может улучшить управление жизненным циклом продукта. [6] [7]
Некоторые авторы отмечают, что модульная конструкция с течением времени привела к постоянному увеличению веса в автомобильной промышленности. Транкосси выдвинул гипотезу о том, что модульная конструкция может быть связана с некоторыми критериями оптимизации, выведенными из конструктивного закона . [8] Фактически, конструктивный закон является модульным по своей природе и может применяться с интересными результатами в проектировании простых систем. [9] Он применяется с типичной схемой оптимизации снизу вверх:
Лучшая формулировка была получена в ходе проекта MAAT EU FP7. [10] Был сформулирован новый метод проектирования, который объединяет вышеуказанную оптимизацию снизу вверх с предварительным проектированием сверху вниз на системном уровне. [11] Двухэтапный процесс проектирования был мотивирован тем, что конструктивное и модульное проектирование не относится к какой-либо цели, которая должна быть достигнута в процессе проектирования. Теоретическая формулировка была представлена в недавней статье [8] и успешно применена к проектированию небольшого самолета, [12] концептуальному проектированию инновационных местных самолетов, [13] [14] проектированию новой энтропийной стены, [15] и инновационному внедорожному транспортному средству, разработанному для энергоэффективности . [16]