Модульная конструкция или модульность конструкции — это принцип проектирования, который подразделяет систему на более мелкие части, называемые модулями (например, модульные технологические блоки ), которые можно независимо создавать, модифицировать, заменять или заменять другими модулями или между различными системами.
Модульную конструкцию можно охарактеризовать 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 — возможность размещения компонентов. Модульная система с такой ограниченной модульностью обычно известна как платформенная система, в которой используются модульные компоненты. Примерами являются автомобильные платформы или порт USB на компьютерных инженерных платформах.
В теории дизайна это отличается от модульной системы, которая имеет модульность более высоких измерений и степени свободы. Модульная конструкция системы не имеет определенного срока службы и демонстрирует гибкость как минимум в трех измерениях. В этом отношении модульные системы очень редки на рынках. Архитектурные системы Mero являются наиболее близким примером модульной системы с точки зрения твердых продуктов на рынках. Платформы вооружения, особенно в аэрокосмической отрасли, как правило, представляют собой модульные системы, в которых планер рассчитан на многократную модернизацию в течение срока службы без покупки совершенно новой системы. Модульность лучше всего определяется размерами или степенями свободы формы, стоимости или эксплуатации.
Модульность предлагает такие преимущества, как снижение затрат (настройка может быть ограничена частью системы, а не необходимость капитального ремонта всей системы), совместимость, более короткое время обучения, гибкость в проектировании, расширение или обновление без ограничений поколений (добавление новое решение путем простого подключения нового модуля) и исключение. Модульность платформенных систем обеспечивает преимущества в виде возврата прибыли за счет масштабирования, снижения затрат на разработку продукта, снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также времени выхода на рынок. Платформенные системы позволили широко использовать системное проектирование на рынках и дали компаниям-производителям возможность отделить скорость цикла продукта от путей исследований и разработок. 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 платформенной системы, и требует экспертов в области проектирования и стратегии продукта на этапе разработки концепции системы. На этом этапе необходимо предусмотреть 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 являются более упрощенными, ограничивая модульность компонентами. Полная или целостная модульная конструкция требует гораздо более высокого уровня дизайнерских навыков и сложности, чем более распространенная платформенная система.
Автомобили , компьютеры , технологические системы , солнечные панели , ветряные турбины , лифты , мебель , ткацкие станки , системы железнодорожной сигнализации , телефонные станции , органы , синтезаторы , системы распределения электроэнергии и модульные здания — примеры платформенных систем, использующих различные уровни модульности компонентов. Например, невозможно собрать солнечный куб из существующих солнечных компонентов, или легко заменить двигатель на грузовике, или переставить 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 существующими примерами модульных систем на сегодняшнем рынке являются некоторые программные системы, которые перешли от управления версиями к полностью сетевой парадигме.
Модульная конструкция по своей сути сочетает в себе преимущества стандартизации для массового производства с преимуществами индивидуальной настройки . Степень модульности по размерам определяет степень возможной настройки. Например, системы солнечных батарей имеют двумерную модульность, которая позволяет регулировать массив по координатам x и y. Дополнительные аспекты модульности будут представлены за счет модульности 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 несущую способность конструкции. Как можно увидеть в любом современном конференц-зале, дополнительные два измерения модульности пространственной рамы обеспечивают гораздо большую гибкость формы и функций, чем двухмерная модульность солнечной энергии. Если модульность правильно определена и продумана в стратегии проектирования, модульные системы могут создать значительное конкурентное преимущество на рынках. Настоящая модульная система не должна полагаться на продуктовые циклы, чтобы адаптировать свою функциональность к текущему состоянию рынка. Правильно спроектированные модульные системы также дают экономическое преимущество, заключающееся в отсутствии неиспользуемых мощностей, что увеличивает коэффициент использования мощностей и его влияние на гибкость затрат и ценообразования.
Аспекты модульной конструкции можно увидеть в автомобилях или других транспортных средствах , поскольку в автомобиле есть определенные части, которые можно добавлять или удалять, не изменяя остальную часть автомобиля.
Простым примером модульной конструкции автомобилей является тот факт, что, хотя многие автомобили поставляются в базовой модели, доплата позволит «встроить» обновления, такие как более мощный двигатель, автомобильная аудиосистема , вентилируемые сиденья или сезонные шины; они не требуют каких-либо 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 можно увеличивать или уменьшать в размерах путем добавления или удаления определенных компонентов. Это можно сделать без изменения больших частей здания. Модульные здания также могут претерпевать изменения в функциональности, используя тот же процесс добавления или удаления компонентов.
Например, офисное здание можно построить с использованием модульных частей, таких как стены, рамы, двери, потолки и окна. Затем интерьер можно разделить (или разделить) с помощью дополнительных стен и обставить столами, компьютерами и всем остальным, что необходимо для функционирующего рабочего пространства. Если офис необходимо расширить или перераспределить для размещения сотрудников, можно добавить или переместить модульные компоненты, такие как стеновые панели, чтобы внести необходимые изменения, не меняя при этом все здание. Позже этот же офис можно разобрать и перестроить в торговое помещение, конференц-зал или здание другого типа, используя те же модульные компоненты, которые изначально формировали офисное здание. Новое здание затем может быть переоборудовано любыми предметами, необходимыми для выполнения желаемых функций.
Другие типы модульных зданий, которые предлагает такая компания, как Allied Modular, включают в себя сторожку , машинное помещение, пресс-бокс , конференц-зал , двухэтажное здание, чистую комнату и многие другие варианты применения. [3]
Относительно модульных зданий существует множество заблуждений. [4] На самом деле модульное строительство является жизнеспособным методом строительства для быстроразвивающихся и быстрорастущих компаний. Отрасли, которые выиграют от этого, включают здравоохранение, коммерческую деятельность, розничную торговлю, военную сферу, а также многоквартирное/студенческое жилье.
Концепция модульного дизайна стала популярной на выставках и рекламных стендах в розничной торговле. Рекламные дисплеи такого типа требуют творческого индивидуального дизайна, но требуют временной структуры, которую можно использовать повторно. Таким образом, многие компании адаптируются к модульному способу оформления выставок. При этом они могут использовать предварительно спроектированные модульные системы, которые выступают в качестве строительных блоков для создания индивидуального дизайна. Затем их можно переконфигурировать в другой макет и повторно использовать для будущего шоу. Это позволяет пользователю снизить затраты на производство и рабочую силу (на установку и транспортировку) и является более экологичным способом создания экспериментальных установок.
В 1963 году Motorola представила первый прямоугольный цветной кинескоп, а в 1967 году представила модульный бренд Quasar . В 1964 году он открыл свой первый филиал исследований и разработок за пределами США, в Израиле, под руководством Мозеса Бэйсина. В 1974 году Motorola продала свой телевизионный бизнес японской компании Matsushita, материнской компании Panasonic .
Модульная конструкция компьютерного оборудования такая же, как и в других вещах (например, в автомобилях, холодильниках и мебели). Идея состоит в том, чтобы создавать компьютеры с легко заменяемыми деталями и использовать стандартизированные интерфейсы . Этот метод позволяет пользователю легко обновить определенные аспекты компьютера без необходимости покупать еще один компьютер.
Компьютер — один из лучших примеров модульной конструкции. Типичные компьютерные модули включают корпус компьютера , блоки питания , процессоры , материнские платы , видеокарты , жесткие диски и оптические приводы . Все эти детали должны быть легко взаимозаменяемыми , если пользователь использует детали, поддерживающие один и тот же стандартный интерфейс.
Что касается смартфонов (см. также Модульный смартфон ), эта идея была исследована в Project Ara , который предоставил производителям платформу для создания модулей для смартфона, которые затем мог быть настроен конечным пользователем. В Fairphone используется аналогичный принцип: пользователь может приобретать отдельные детали для ремонта или модернизации телефона.
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 со временем привела к постоянному увеличению веса в автомобильной промышленности. Тракосси выдвинул гипотезу о том, что модульный дизайн может быть связан с некоторыми критериями оптимизации, вытекающими из конструктивного закона . [8] Фактически, конструктивный закон является модульным по своей природе и может применяться с интересными результатами в разработке простых систем. [9] Это применимо к типичной схеме оптимизации «снизу вверх»:
Лучшая формулировка была разработана в ходе проекта MAAT EU FP7. [10] Был сформулирован новый метод проектирования, который сочетает описанную выше оптимизацию «снизу вверх» с предварительным проектированием «сверху вниз» на уровне системы. [11] Двухэтапный процесс проектирования был мотивирован тем, что конструктивное и модульное проектирование не относится к какой-либо цели, которую необходимо достичь в процессе проектирования. Теоретическая формулировка была представлена в недавней статье [8] и успешно применена к проектированию небольшого самолета, [12] концептуальному проекту инновационного пригородного самолета, [13] [14] проектированию новой энтропийной стены. , [15] и инновационный внедорожник, разработанный с учетом энергоэффективности . [16]