Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Ignacio Arnaiz Eguren, Director, Arnaiz Urbimática SL
- Amparo Blanco Sánchez, Arquitecto, Arnaiz & Partners SL
- Ángela Otero Díez, Arquitecto, Arnaiz & Partners SL
Resumen
Debe existir una nueva forma de proyectar, controlar, edificar y usar edificios que los integre como elementos fundamentales para el desarrollo del Internet de las Cosas en el medio urbano. Una forma de proyectar que utilice nuevas técnicas de diseño funcional para construir autómatas urbanos como maquetas virtuales funcionales provistas de sensores, actuadores, personas y comportamientos simulados. Yendo más allá de las funcionalidades que aportan las actuales técnicas CAD/BIM, conjugándolas con los modernos motores gráficos utilizados en el desarrollo de videojuegos. Siguiendo la estela de las actuales técnicas de diseño industrial, en un mundo donde el edificio será cada vez más otro producto industrial. Nuevos proyectos concebidos como autómatas que sean útiles en toda la cadena del suministro del edificio: como herramienta de mejora del diseño, como elemento encastrable en la simulación de ciudad y comprobar su impacto durante los procesos de autorización, como aportación al proceso constructivo para asegurar su calidad y como medio de contraste al propietario y al gestor de la eficacia real con la proyectada. Un salto en la forma de concebir y manejar edificios y un reto para todos los que intervienen: fabricantes de componentes, diseñadores, administradores urbanos y usuarios finales.
Introducción: El diseño industrial, un ejemplo a seguir
Desde hace bastantes años el diseño industrial ha avanzado significativamente, primero incorporando el diseño CAD/CAM y luego mediante la simulación realística de máquinas complejas:
- Los sistemas de ingeniería asistida por ordenador (CAE – siglas inglesas de “Computer Aided Engineering”) permiten formular modelos simbólicos, en las primeras fases de diseño de productos o sistemas industriales, capaces de predecir su comportamiento y su concordancia con los requerimientos funcionales ante determinadas condiciones de uso y obtener realimentación informacional para modificar el diseño original.
- La simulación reproduce el comportamiento real de un componente en escenarios de uso bajo restricciones temporales. El método de los elementos finitos obtiene resultados lo más próximo posible a la realidad sin tener que materializar un modelo y someterlo físicamente a las condiciones reales de trabajo. Para realizar esta tarea, impensable de forma manual en el sentido productivo, se ha desarrollado software específico donde, tras introducir todas las variables y parámetros de contorno e inherentes al material de la pieza y/o componentes de ensamblaje, es posible realizar todos los cálculos en un mínimo periodo de tiempo con gran fiabilidad. Algunas de las herramientas CAE más utilizadas son ANSYS, CFD, Patran, SolidWorks, NX, Catia y Nastran.
- A ello se suman los proyectos de simulación para el manejo de maquinaria y vehículos terrestres o aéreos que incluyen la simulación del comportamiento sobre entornos fotorealísticos y la adaptación de la tecnología y entornos de realidad virtual que actualmente se aplican en el campo de los videojuegos para digitalizar los procesos de conocimiento y gestión en las plantas de fabricación: Para Pedro de Melo, director de la filial británica de AERTEC Solutions, “La tecnología que se utiliza hoy día en el mundo de los videojuegos, con entornos de realidad virtual, permite conocer en todo momento el estado y situación de los objetos y personas, realizar un seguimiento concreto y detectar multitud de parámetros. El objetivo es aplicar este tipo de sistemas a un entorno industrial de manera que permitan conocer, por ejemplo, cómo se comportan las personas que trabajan en una planta de fabricación, obtener toda la información posible para optimizar el trabajo y que contribuya a la toma de decisiones para mejorar su gestión y funcionamiento”.
La situación actual en la Oficina Técnica de Arquitectura
El diseño arquitectónico por otra parte, sin que se hayan producido grandes modificaciones en su metodología básica, ha sufrido un completo proceso de digitalización mediante tres tecnologías:
- Tecnología CAD: que desde los años 80 del siglo pasado eliminó el dibujo manual mediante muy diversas herramientas. Actualmente el sistema preponderante es AutoCad. Esta tecnología ha trasladado la técnica de delineación tradicional al mundo de CAD prácticamente sin alteración.
- Tecnología 3D: para la realización de simulación fotorealística de los proyectos realizados en CAD, permiten construir escenarios virtuales con recorridos. La herramienta más representativa es Autodesk 3Ds Max.
- Tecnología BIM: aporta al mundo del diseño arquitectónico la orientación a objetos, facilitando el diseño, mejorando el control de componentes e integrando el mundo 2D-3D de forma eficiente. También existen herramientas BIM desde los años 80, pero sus dificultades de uso y su diseño conceptual, tan alejado del mundo de la delineación tradicional, impidió su expansión. Sin embargo ahora están sustituyendo al mundo CAD, porque se han abaratado, los ordenadores tienen mucha más capacidad para manejar proyectos complejos y porque nuevas generaciones de delineantes están adquiriendo mejores destrezas o están siendo sustituidos por los arquitectos que entienden mejor el edificio como un conjunto de objetos.
En este momento la herramienta BIM más representativa es Revit. Constituye un avance significativo cuando se utilizan elementos constructivos estandarizados, aunque puede suponer un lastre importante cuando es preciso diseñar objetos ad hoc en edificios singulares.
Las tres tecnologías conviven en este momento dentro de la oficina técnica, aunque la tendencia general es a sustituir las herramientas puramente CAD por herramientas BIM.
En todo caso los entornos de trabajo de arquitectura siguen teniendo los mismos dos objetivos:
- Producir anteproyectos rápidos, fotorealísticos que permitan al cliente hacerse una idea lo más completa posible del futuro edificio y al mismo tiempo permitan una rápida tramitación de las licencias porque demuestran su idoneidad legal.
- Producir proyectos de ejecución limpios, completos, inteligibles en obra y técnicamente correctos, con mediciones y presupuestos automatizados.
En resumen su propósito es reducir al mínimo los costes de producción de los proyectos, exprimiendo al máximo las posibilidades que ofrece la tecnología para aumentar su atractivo. Es un ambiente poco propenso a incorporar novedades tecnológicas de alto coste, por tanto su implantación está condicionada por la posibilidad de que tengan un retorno económico, retorno que se puede producir por dos posibles vías:
- Por la vía de reducir los costes de producción: las herramientas de CAD/BIM han modificado los costes de producción por la eliminación progresiva de la figura del delineante, sustituida por el arquitecto que directamente formula sus proyectos ejecutivos mediante el uso directo de las herramientas de diseño, aunque ello suponga que el arquitecto tenga que dedicar más horas al diseño. El balance final es diverso, probablemente en los pequeños edificios estandarizados se abarate el coste pero se encarezca en los grandes edificios singulares.
- O por la vía de incrementar de forma justificada los honorarios de redacción si se consigue ampliar la utilidad del proyecto: es decir que además de servir para obtener la licencia y ejecutar la obra, sirva por ejemplo como herramienta de comercialización o de base para el mantenimiento futuro del edificio.
Las limitaciones tecnológicas
Parece claro que el diseño arquitectónico deberá tender hacia las herramientas BIM y hacia una normalización de los elementos estructurales. Salvo en los edificios singulares, que siempre tendrán soluciones propias.
Con BIM el diseñador define los elementos estructurales, los objetos y sus propiedades, le sirve para crear los planos de obra y para presupuestar. A partir de esos datos suele utilizar herramientas 3D para construir escenarios fotorealísticos y generar recorridos, bien con sistemas como 3D Studio Max o bien usando los motores gráficos usados tradicionalmente para crear juegos y escenarios en 3D. En los últimos años se han desarrollado una gran variedad de motores, son muy populares Source, Unity, Unreal o CryEngine. Incluso hay aplicaciones que actúan de puente como Unity@Revit que permite exportar directamente proyectos Revit a Unity
Sin embargo toda esta tecnología e integración no alcanza más objetivo que el de construir un entorno virtual que se pueda recorrer. Pero no considera al edificio como una máquina que debe cumplir una función que se desarrolla en el tiempo.
El arquitecto formula un concepto, una idea, que se concreta en una distribución espacial. Su misión es diseñar espacios funcionales eficientes, asignándoles las dimensiones, la posición y su jerarquía en el edificio, las condiciones ambientales, las instalaciones necesarias y la conectividad espacial, en definitiva todo lo necesario para cumplir el programa de necesidades.
También define un conjunto de actividades y las condiciones precisas en las que deben ejercitarse, asignándolas a sus espacios correspondientes, determina las condiciones tecnológicas que mejoren la funcionalidad, aprovecha al máximo las técnicas bioclimáticas, formula un edificio de mantenimiento eficiente e intenta apoyarse en las propiedades plásticas y formales para expresar su sentido artístico, para producir una obra personal, cumpliendo una normativa técnica y legal estricta. No es una tarea sencilla.
La compartimentación espacial se consigue mediante el uso de una enorme variedad de materiales y técnicas constructivas, puede utilizar desde materiales tan livianos como tejidos hasta materiales tan pesados como losas complejas de hormigón o de sofisticados materiales. Desde sencillas cabañas de una sola pieza, hasta rascacielos sostenidos por inmensas estructuras portantes.
Cualquier sistema de diseño arquitectónico, desde los sistemas CAD hasta Revit u otros sistemas de diseño orientado a objetos están pensados como ayuda para describir y presupuestar los elementos constructivos: el continente. Y el proyecto se formula en términos de planos de plantas, alzados, estructuras, instalaciones y presupuestos, desde hace pocos años también como una imagen final transitable en una maqueta digital.
Pero los espacios obtenidos se describen con un simple texto: cocina, dormitorio, salón, etc. El proyecto no es consciente de la función del espacio, esa inferencia se deja al lector del plano o al navegante por el escenario. Y por supuesto no dispone de ninguna información sobre su intensidad o frecuencia de uso, eso está definido en documentos aparte, en la memoria del proyecto.
Pero, si lo fundamental del proyecto es construir un contenedor de espacios diseñados para soportar unas funciones, ¿no será lógico que podamos ampliar nuestro modo de proyectar creando espacios virtuales capaces de simular el edificio final? Si fuese así, el proyecto, además de los objetos constructivos precisos para delimitar los espacios, debe definir un catálogo de esos espacios funcionales, cada uno asociado a un determinado comportamiento en relación con el modo en que será usado por las personas.
El objetivo de esta presentación por tanto es tantear la posibilidad de que el proyecto arquitectónico no solo sirva para simular la forma y el aspecto finales sino también para simular su comportamiento, creando un proyecto dinámico, mediante nuevas técnicas de diseño, a ello lo denominamos diseño funcional.
El proyecto: Diseño Funcional
Sin embargo el diseño funcional propuesto intenta crear un proyecto ampliado que contenga además una simulación del edificio y con ello sirva para alargar su vida útil, por eso decimos que será un proyecto que afecta a toda la cadena de suministro del edificio:
- Sirva al diseñador para mejorar su concepto arquitectónico, asegurando que cumple el programa de necesidades
- Sirva a la administración para evaluar el impacto paisajístico y funcional sobre su entorno inmediato y el conjunto de la ciudad
- Sirva al constructor para mejorar su comprensión de la obra a realizar
- Sirva al comercializador para demostrar la idoneidad del resultado al cliente
- Y finalmente sirva al propietario y al gestor del edificio para verificar las desviaciones de comportamiento del edificio real respecto al proyectado, tanto en funcionalidad como en costes.
Este incremento de utilidad debe justificar el incremento de complejidad en la redacción del proyecto y por ende de su coste.
La metodología del diseño funcional se fundamenta en que los edificios deben formar una parte esencial del “Internet de las cosas” porque tienen las siguientes características:
- En el mundo de Internet de las Cosas se suele hablar de productos o dispositivos electrónicos como vehículos, electrodomésticos, maquinaria productiva o instalaciones urbanas. Pero no suele tenerse en cuenta el edificio y sus espacios contenidos como un objeto o componente, como una “cosa” conectable. Si entendemos a los espacios edificados como “cosas conectables”, deben cumplir las cuatro características de toda cosa conectable:
- Disponer de control de su espacio mediante sensores
- Disponer de una capacidad propia proceso, porque es capaz de tomar decisiones en función de las lecturas que le proporcionan sus sensores
- Disponer de actuadores propios, porque es capaz de adoptar acciones concretas que mejoren la funcionalidad de su espacio
- Disponer de conectividad, porque es capaz de comunicarse con otros espacios y en definitiva con Internet
- El espacio edificado está jerarquizado. Como una enorme muñeca rusa, cada pieza edificada tal como un dormitorio o un salón, forma parte de una vivienda que a su vez forma parte de una planta que su a vez forma parte de un edificio que forma parte de una parcela dentro de una manzana, en un barrio, que forma parte de un distrito dentro de la ciudad o del área metropolitana. La jerarquización es esencial para distribuir la inteligencia y para la gestión del “big data” de forma eficiente.
- Los espacios arquitectónicos son espacios complejos. En función de las actividades que se desarrollan en ellos disponen de muchos y diferentes dispositivos: puertas y ventanas de acceso, dispositivos electrodomésticos, sistemas de control ambiental, sistemas de seguridad de acceso, sistemas de iluminación, sistemas de comunicación por cable o inalámbrica, dispensadores de agua, energía eléctrica o gas, evacuadores de residuos sólidos o líquidos, etc. Algunos de ellos, como un frigorífico o un televisor, son también espacios controlados que funcionan como “cosas de internet” encapsulados dentro de una pieza de arquitectura. En este caso son producto de un proceso de diseño industrial, pero precisamente lo que se pretende es que la misma pieza arquitectónica se diseñe y probablemente se fabrique dentro de poco tiempo como otro producto industrial. De esta forma los dispositivos y sistemas contenidos en una pieza de arquitectura son controlados por dicha pieza, que determina su funcionamiento y que la oculta ante el resto de las cosas. El frigorífico está controlado por la habitación destinada a cocina, las instrucciones que precisa para su funcionamiento las recibe de la cocina, que a su vez las recibe de la vivienda. De esta forma el usuario de la vivienda no tiene tantos interlocutores como dispositivos haya en ella, sino que tiene un único “mayordomo” que se encarga de los detalles de conversar con la cocina para que se ocupe de verificar que el frigorífico funciona correctamente y está bien surtido de alimentos. Así definido cada espacio arquitectónico, cada pieza, dispone de un “agente inteligente” capaz de ejecutar un comportamiento establecido por su propietario y jugar un papel intermediario entre los dispositivos u otras piezas contenidas en su interior con la pieza que a su vez lo contiene, controlando el flujo de datos entre todas las “cosas” que contiene un edificio. Esta estructura jerárquica está al final completamente condicionada por la estructura patrimonial del espacio que es quien determina los derechos asignados al propietario para su uso y control, tanto sea en las porciones privativas como en las comunitarias o en las propias de la administración pública competente.
- Todo espacio arquitectónico tiene una función, está al servicio de personas que usan el espacio, accionan los dispositivos y sistemas contenidos, que disipan calor o tienen necesidades específicas de temperatura, iluminación, ventilación, humedad o acceso a Internet. Personas que entran y salen, trabajan, duermen, cocinan o juegan, que transitan de pieza en pieza y que están constantemente realizando peticiones a la pieza arquitectónica, peticiones que ella debe resolver.
- Todo espacio por tanto dispone de un “cuadro de mandos” accesible a sus propietarios o usuarios, que informa en todo momento de los parámetros de funcionamiento, de seguridad y de uso. En realidad forma un conjunto estructurado de cuadros de mando según la jerarquía de dispositivos y espacios existente, que intercambian datos de forma constante: el gestor del edificio sabe en todo momento que espacios están en uso, cuantas personas contienen, que fuegos de cocina están encendidos o cual es el consumo de todos los frigoríficos existentes en el edificio, todo ello gracias que el propietario de cada vivienda ha decidido compartir esos datos con el gestor comunitario.
Nuestra propuesta se basa en que el proyecto arquitectónico simule de forma completa este comportamiento. Para ello durante la fase de diseño se debe establecer la composición espacio-funcional del edificio. Con ello el proyecto adquiere una nueva dimensión: se compone de un conjunto de piezas o espacios jerarquizados que disponen de sensorización simulada, inteligencia simulada, mecanismos de actuación simulados y de personas simuladas que los usan, que consumen recursos y generan residuos de forma simulada y disponen de protocolos de intercambio de datos que generan “cuadros de mando” simulados.
El proyectista dispone en todo momento de una simulación funcionalmente realística que se adapta a cualquier cambio que realice en su configuración, modo o intensidad de uso y que es capaz de “lanzar” para su ejecución durante horas, días, meses o años, según la velocidad de reloj que le aplique y el grado de detalle que necesite.
Si en un sistema BIM el redactor puede manejar elementos constructivos y controlar en tiempo real el efecto que ello tiene sobre todo el edificio y sobre sus costes. En el sistema propuesto el redactor puede manejar espacios o piezas con comportamientos preconfigurados y enchufarlas al edificio, controlando en tiempo real el efecto que provocan en su funcionamiento y sobre su entorno urbano inmediato. Cada pieza o dispositivo es un autómata virtual que contribuye recursivamente a formar el edificio como una suma de todos ellos.
De igual forma la agrupación de edificios autómatas formará una parcela, una manzana, un barrio o una ciudad autómatas, cuyo tamaño y detalle solo está limitado por la capacidad de proceso del hardware que lo soporta.
Resultados: El proyecto virtual
El proyecto arquitectónico deja de ser sólo un conjunto de planos que describen el edificio, además está formado por una colección de autómatas que simulan dispositivos, espacios y personas que usan de forma simulada el edificio.
Esta colección de autómatas funcionan como un juego de ordenador en el que el jugador puede cambiar las normas de uso, el número de personas, las frecuencias y duración de las estancias, las actividades que se realicen y verificar en todo momento el impacto que todo ello provoca sobre el metabolismo del edificio, su estructura, su funcionalidad o cualquier otra característica que sea necesario verificar. Es decir permite, como en el diseño industrial, asegurar que el edificio cumplirá con el programa de necesidades estipulado, antes de poner la primera piedra.
El autómata podrá ser entregado al cliente para que verifique si cumple sus expectativas, a la administración pública para su tramitación, al comercializador para demostración y venta, al constructor como contraste con lo construido o al propietario y gestor final del edificio para la verificación de desviaciones de comportamiento con la realidad. Será un autómata que podrá suplir al edificio real en los sistemas de información urbana mientras el edificio real no esté construido y en uso, de forma que el ciudadano o el visitante pueda conocer, visitar o incluso comprar en un espacio urbano futuro.
Conclusiones
Nuestro reto es diseñar y construir las herramientas necesarias para que esta funcionalidad esté al alcance de la oficina técnica, sea usable, disponga de un rendimiento adecuado y sea aceptado como un contenido adicional e imprescindible del proyecto y la base para la construcción y uso de edificios inteligentes en el nuevo mundo del Internet de las Cosas.