RESUMEN

Este artículo propone una nueva forma de proyectar, controlar, edificar, vender y usar edificios que permita integrarlos 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, concebidos como maquetas virtuales funcionales provistas de sensores, actuadores, personas que los usan y comportamientos, todos ellos simulados. Yendo más allá de las funcionalidades que aportan las actuales técnicas CAD/BIM y 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.

Proyectos concebidos como autómatas virtuales 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 para comprobar su impacto durante los procesos de autorización, como aportación al proceso constructivo para asegurar su calidad, como herramienta de comercialización y como medio de contraste  para que el propietario final o el gestor comparen su 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, agentes inmobiliarios 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 mediante simulación numérico-gráfica, 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 próximos 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, Abacus, 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”.

El sector de los videojuegos es uno de los que mayor potencial tecnológico presenta para los próximos años en el mercado internacional, ya que sus aplicaciones de realidad virtual están siendo investigadas y desarrolladas para industrias de alta tecnología como la aeronáutica, automoción, ingeniería, etc., así como en aplicaciones para el desarrollo de habilidades profesionales, educativas o en sanidad.

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:

1) 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.

Imagen extraída de https://grabcad.com/library/4-bed-room-house-design

2) 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.

Imagen extraída de http://www.deskeng.com/virtual_desktop

3) 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, dificultó su despliegue. Sin embargo  ahora ya 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 nuevas destrezas o están siendo sustituidos por los arquitectos que entienden mejor el edificio como un conjunto de objetos.

Imagen extraída de Ryder Arquitectura

En este momento la herramienta BIM más representativa es Revit. Constituye un avance significativo para el diseño 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 ahora 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:

  1. 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.

  2. 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:

  1. 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.

  2. 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 [email protected] que permite exportar directamente proyectos Revit a Unity.

Sin embargo toda esta tecnología e integración no alcanza más objetivos que facilitar el diseño, mejorar la calidad y 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, no genera un edificio dinámico.

El desarrollo de un proyecto arquitectónico se basa en que el arquitecto formula un concepto, una idea, que se concreta en una distribución espacial de actividades. Distribuye el costoso espacio para utilizarlo de forma eficiente, asignando a cada parte sus dimensiones, posición y jerarquía en el edificio, sus condiciones ambientales, las instalaciones necesarias y la conectividad espacial que precise, en definitiva todo lo necesario para cumplir el programa de necesidades.

También define ese 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 física del espacio 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, y desde hace pocos años también como una imagen final transitable en una maqueta digital.

Pero los espacios obtenidos, el contenido, sólo se identifican con un simple texto: cocina, dormitorio, salón… Porque el proyecto como tal 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 y conectado con su contenedor,

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 las que denominamos «diseño funcional».

EL PROYECTO: DISEÑO FUNCIONAL

Como decíamos antes, el proyecto arquitectónico actual es un conjunto de instrucciones constructivas contenido en una colección de planos en dos dimensiones con el contenido mínimo imprescindible para que el constructor pueda ejecutar la obra y se obtenga la licencia de construcción, un proyecto redactado en términos de máxima información al mínimo costo posible y donde la tecnología sólo se usa para optimizar ese proceso, si no lo consigue la tecnología se desecha. Además la vida útil del proyecto finaliza una vez certificada la finalización de la obra.

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.

Esta expansión de la 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 y sus espacios interiores deben formar una parte esencial del “Internet de las cosas” porque tienen o tendrán 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 (véase Componentes Urbanos en este mismo blog):

    • 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 garanticen o mejoren la funcionalidad de su espacio

    • Disponer de conectividad, porque es capaz de comunicarse con otros espacios y en definitiva con Internet

Imagen extraída de : http://hipertextual.com/archivo/2014/10/internet-cosas

  • 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.

Debemos tener en cuenta que muchos de los dispositivos contenidos en un espacio arquitectónico, que no se consideran habitualmente como «arquitectura», como un frigorífico o un televisor, son también espacios controlados, que funcionan como “cosas de Internet” pero encapsulados dentro de una pieza de arquitectura. En este caso son producto de un proceso de diseño industrial, y precisamente lo que se pretende es que la propia pieza arquitectónica se diseñe y probablemente se fabrique dentro de poco tiempo como otro producto industrial más.

Así concebidos, 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 que  estar atento a la multitud de cosas o interlocutores contenidos en ella, sino que atiende a 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. Esta posibilidad ya fue explorada por el programa ATRACO que fue financiado por el European Community’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013).

Así definido cada dispositivo y cada espacio arquitectónico, cada pieza, disponen 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.

Vistos de esta forma el proyecto reconoce en el espacio arquitectónico propiedades y funciones nuevas:

  • Todo espacio arquitectónico tiene una función, está al servicio de personas que lo utilizan: 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 porque ha dejado de ser una cosa inerte, pasiva a ser un sistema inteligente activo. (Véase Activación de Componentes Urbanos en este mismo blog)

  • Como tal sistema todo espacio 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 escenarios o programas de uso con personas simuladas, que consumen recursos y generan residuos de forma simulada y disponen de protocolos de intercambio de datos que generan “cuadros de mando” simulados.

Con todo ello el proyectista dispone en cualquier momento de una simulación funcionalmente realística que se adapta a los cambios que realice en su configuración, en el 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 el edificio de forma simulada.

Esta colección de autómatas funcionan como un juego de ordenador en el que el jugador puede cambiar los escenarios, 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.

Ignacio Arnaiz Eguren

Director de Innovación en Arnaiz Urbimática SL