Las herramientas computacionales y la tecnología de la información han marcado un antes y un después en las diversas áreas del desarrollo humano, y el sector de la arquitectura no podía permanecer ajeno. Por ejemplo, hoy tenemos a nuestra disposición programas de simulación y otras herramientas digitales que nos permitirían, teóricamente, desarrollar proyectos con un elevado desempeño energético y medioambiental de manera relativamente fácil.

Cuando revisamos la situación actual, sin embargo, nos damos cuenta que aún estamos lejos de cumplir el potencial que nos ofrecen las nuevas tecnologías. La situación varía de un país a otro, pero hay una importante reticencia a cambiar los métodos de trabajo tradicionales. Por ejemplo, una encuesta desarrollada recientemente entre sus miembros por el Instituto Americano de Arquitectos indica que solo el 40% de los arquitectos emplea algún tipo de cálculo energético en su proceso de diseño. Y eso sucede en un país en el que muchos estados tienen estrictas normativas sobre la eficiencia energética de los edificios. Es de esperar que en los países en desarrollo el porcentaje sea mucho menor.

Para adentrarnos en el tema, en esté artículo revisaremos algunos de los conceptos que en la actualidad resultan clave para integrar la eficiencia energética y medioambiental en los proyectos arquitectónicos.

Diseño basado en desempeño y diseño basado en simulaciones

El diseño basado en desempeño (DBD) es un método de trabajo guiado en gran medida por el cumplimiento de determinados requerimientos. Se puede aplicar a todo tipo de objetos o productos, incluyendo los edificios. Los requerimientos deben ser medibles, o predecibles mediante algún procedimiento de cálculo. En el caso de los edificios, por ejemplo, su desempeño se suele medir mediante indicadores asociados a los consumos energéticos, las emisiones de contaminantes o los niveles de confort.

Este método se concibe como una alternativa a los métodos prescriptivos, como los de muchos códigos energéticos, que definen directamente algunas características del edificio (por ejemplo un nivel mínimo de aislamiento o un determinado tipo de acristalamiento). En ese sentido, pretende otorgar mayor libertad al diseñador, sobre todo para explorar soluciones no convencionales. Al mismo tiempo, busca ofrecer más garantías de que se cumplan los requerimientos establecidos.

Aunque en estricto sentido el diseño basado en desempeño no implica emplear simulaciones computacionales, en la práctica éstas son casi imprescindibles. Eso es especialmente cierto en el caso de los edificios, ya que las simulaciones son necesarias para evaluar con rigor su desempeño durante la fase de proyecto. Así, no es de extrañar que el diseño basado en desempeño sea confundido o intercambiado con el de diseño basado en simulaciones (DBS). Este último se suele definir como un método en el que las simulaciones computacionales representan el medio principal para evaluar y verificar el desempeño del producto durante la fase de diseño.

Actualmente el DBS está presente en casi todos los sectores involucrados en la fabricación de productos, pero es especialmente importante en aquellos sectores en los que resulta inviable el uso de prototipos reales para prueba y validación. Es el caso de la arquitectura, donde, salvo casos muy especiales, es imposible construir un prototipo físico antes de construir el edificio.

Cuando se lleva a cabo con los programas y los métodos adecuados, el DBS permite tomar mejores decisiones de diseño, logrando productos de mayor calidad en menos tiempo y con costes más bajos. En el campo de la eficiencia energética y medioambiental de los edificios, eso significa pasar de la simple “aplicación de criterios de diseño”, sean estos normativos o no, a emplear programas especializados para medir el efecto de las decisiones proyectuales. Se trata de tomar decisiones con base en evidencias, adoptando un método de trabajo más “científico”.

Nota: En inglés, el diseño basado en desempeño se conoce como Performance-Based Building Design (PBD), mientras que el diseño basado en simulaciones se suele llamar Simulation-Based Design (SBD).

Cuatro conceptos del Instituto Americano de Arquitectos

El documento del Instituto Americano de Arquitectos (AIA) Una guía para integrar el modelado energético en el proceso de diseño de los arquitectos ofrece, entre otras cosas, una clasificación de los tipos de modelado energético de los edificios. La idea básica es que, en un mundo en el que la sustentabilidad es cada vez más importante, los arquitectos deben tener una buena comprensión de los conceptos y las tecnologías que permiten evaluar y predecir el desempeño de los edificios en ese rubro.

Son cuatro los tipos de modelado que define el documento de la AIA, de los cuales hacemos una descripción general más abajo. La gráfica de la Figura 1 muestra las relaciones entre los cuatro tipos de modelado y las diferentes fases de proyecto.

Figura 1. Fases de proyecto y tipos de modelado energético de edificios, de acuerdo con el Instituto Americano de Arquitectos.

Modelado del desempeño

El modelado del desempeño (Design Performance Modeling, DPM) se refiere al uso de herramientas de simulación, sobre todo durante las fases conceptuales y esquemáticas de diseño, para predecir el desempeño del edificio en aspectos como la eficiencia energética, el aprovechamiento de la iluminación natural, el efecto de la ventilación natural y los niveles de confort térmico y lumínico, entre otros.

El método suele implicar la exploración rápida e iterativa de diversas soluciones proyectuales, incluyendo variables de diseño como la forma, la proporción acristalamiento-muro, el uso de dispositivos de sombreado y la composición de los cerramientos opacos y el acristalamiento. Cuando las simulaciones incluyen resultados sobre los costes, además de los indicadores de desempeño señalados arriba, ofrecen al propietario y al equipo de diseño información muy valiosa para la toma de decisiones.

A diferencia del modelado energético de edificios (ver abajo), el modelado del desempeño suele llevarse a cabo antes de que los sistemas mecánicos hayan sido definidos a detalle, por lo que muchos consideran que se trata de un tipo de análisis menos complicado y demandante. Sin embargo, es importante tener en cuenta que incluso durante las fases iniciales del proyecto es posible desarrollar métodos de exploración exhaustivos, por ejemplo mediante algoritmos evolutivos, para evaluar cientos o incluso miles de soluciones posibles.

Modelado energético

El modelado energético (Building Energy Modeling, BEM ) representa el uso de programas especializados para llevar a cabo simulaciones detalladas que permiten predecir los consumos energéticos del edificio, de acuerdo con las características específicas del proyecto. Además de evaluar el desempeño del edificio, los resultados se pueden emplear para demostrar el cumplimiento de códigos energéticos y/o sistemas de certificación.

A diferencia del modelado del desempeño, el modelado energético se basa en simulaciones que incluyen información detallada de las características arquitectónicas, las especificaciones de los sistemas mecánicos y los supuestos básicos respecto a la operación del edificio. Casi siempre se lleva a cabo durante la fase de desarrollo del diseño (después de las fases conceptuales y esquemáticas), aunque se puede extender hasta la fase de documentación.

Nota: En realidad el modelado energético no busca predecir de manera exacta los consumos energéticos que el edificio tendrá una vez construido y en funcionamiento, para lo cual sería necesario emplear modelos de simulación calibrados (ver siguiente punto). Aquí sería más apropiado hablar de consumos energéticos nominales, es decir, los que se tendrían ante unas condiciones de diseño y operación predeterminadas.

Modelado del funcionamiento

El modelado del funcionamiento (Building Operation Modeling, BOM) generalmente se basa en un modelo calibrado a partir de datos reales sobre los consumos energéticos, los patrones de uso, el funcionamiento de los sistemas mecánicos y las condiciones meteorológicas en el sitio, entre otros aspectos. Casi siempre el modelo calibrado se deriva del modelo energético desarrollado en la fase previa.

Este procedimiento es esencial para llevar a cabo protocolos de medición y verificación, y puede ser muy útil para evaluar medidas de corrección que permitan mejorar el desempeño del edificio una vez este se encuentra en funcionamiento. También puede ser necesario para cumplir requerimientos normativos de monitoreo post-ocupación.

Modelado de los recursos

Mientras que los tres conceptos anteriores se suelen asociar a una fase específica del proyecto, el modelado de los recursos (Project Resource Modeling, PRM) puede abarcar desde la fase conceptual hasta la de funcionamiento. Este tipo de modelado aborda el análisis global de los recursos que afectan y se ven afectados por el proyecto, más allá de los consumos energéticos del edificio y sus impactos directos en el sitio. Incluye temas como el agua, la extracción y procesamiento de los materiales, el transporte, los desechos sólidos, la energía incorporada, las emisiones globales de carbono y aspectos sociales, entre otros. En ese sentido, el PRM es el tipo de modelado más estrechamente relacionado con el Análisis de Ciclo de Vida (LCA) del edificio.

Proceso integrado de diseño y contrato colaborativo

En el campo de la edificación, el proceso integrado de diseño (Integrated Design Process, IDP) se refiere a un método de trabajo que busca que todos los actores que participan en un proyecto colaboren de manera activa durante todas sus fases, desde la conceptualización hasta la puesta en marcha y ocupación del edificio. Su objetivo más importante es integrar equipos multidisciplinarios para lograr edificios de elevada calidad y con un excelente desempeño energético y medioambiental, respetando a su vez los límites establecidos en cuanto a coste y tiempo de edificación. En algunos ámbitos se habla incluso de la integración social, ecológica y económica con la comunidad.

Este método surge como una opción para superar los procesos tradicionales, en los que la oficina de arquitectura suele trabajar con el cliente hasta el nivel de anteproyecto, y luego se incorporan las demás especialidades (como las ingenierías y la consultoría energética) y al final el constructor. Ese enfoque suele provocar que los especialistas aporten poco para mejorar el desempeño del edificio, pues llegan cuando las principales decisiones de diseño han sido tomadas y los cambios al proyecto son costosos o poco efectivos. Puede producir además otros problemas, como el fracaso en algunos de los objetivos del proyecto, el incremento de los costes, los retrasos en la ejecución, la falta de calidad en el edificio construido e incluso malas relaciones entre propietario, arquitecto, especialistas y constructor.

La Tabla 1, basada en los planteamientos de la AIA, resume las principales diferencias entre un proceso tradicional y un proceso integrado de diseño, especialmente cuando este se acompaña de un contrato colaborativo y del uso de tecnología BIM (ver estos conceptos más abajo).

Tabla 1. Principales diferencias entre un proceso tradicional y un proceso integrado de diseño.

El contrato colaborativo, generalmente conocido en inglés como Integrated Project Delivery (IPD), es un método de trabajo similar al proceso integrado de diseño, al menos como lo define el Instituto Americano de Arquitectos:

Un contrato colaborativo es un método de desarrollo de proyecto que integra personas, sistemas, empresas y prácticas mediante un proceso que aprovecha de manera colaborativa los talentos y las ideas de todos los participantes para optimizar los resultados de dicho proyecto, aumentar el valor para el propietario, reducir despilfarros y maximizar la eficiencia a través de todas las fases de diseño, producción y construcción.

Sin embargo, en términos prácticos el contrato colaborativo hace énfasis en la formalización del proceso mediante un contrato que firman los principales agentes del proyecto, como mínimo el propietario, el arquitecto y el constructor. En ese contrato se establecen aspectos como los requisitos del propietario, los requerimientos y metas de diseño, así como el coste y el plazo de ejecución máximos. También incluye las responsabilidades y tareas que debe realizar cada uno de los agentes involucrados. De manera especial, se busca superar el procedimiento tradicional en el que la oficina de arquitectura desarrolla toda la documentación del proyecto, mientras que el constructor se incorpora después y asume todo el riesgo económico del mismo.

Cabe señalar que algunas organizaciones, como la Comisión para la Cooperación Medioambiental, que funciona en Canadá, Estados Unidos y México, abogan por unir los conceptos de proceso integrado de diseño y contrato colaborativo en uno solo: algo así como el diseño y ejecución integrados (Integrated Design and Delivery).

Modelado de información para la edificación

El modelado de información para la edificación (Building Information Modeling, BIM) es, esencialmente, un método de trabajo que permite gestionar el desarrollo de edificios en tiempo real, mediante la centralización de la información en un modelo digital creado de manera dinámica y colaborativa por todos los agentes involucrados (propietario, diseñadores, especialistas, constructores). Teóricamente, como muestra la Figura 2, el método puede abarcar todo el ciclo de vida del edificio, desde la definición del programa y la conceptualización del proyecto hasta la demolición, pasando por las fases de construcción y operación. Entre los objetivos más importantes del BIM está el incrementar la productividad y eficiencia para lograr edificios de elevada calidad, así como reducir los costes de operación y mantenimiento.

Figura 2. Esquema conceptual del método de modelado de información para la edificación.

Generalmente, el proceso BIM gira en torno a un modelo 3D del edificio desarrollado en algún programa que facilite esa metodología, por ejemplo ArchiCAD®, Revit® o AllPlan®. Más allá del beneficio de contar con un modelo que permite visualizar de manera tridimensional el edificio, mejorando la comunicación entre el arquitecto, el cliente y los otros agentes, la primera y más evidente ventaja es que los planos (plantas, secciones, alzados) se generan a partir de dicho modelo. Cualquier cambio en él se refleja automáticamente en los planos, lo que ofrece más rapidez y menos errores en el desarrollo de la documentación del proyecto.

Sin embargo, como indicamos arriba, la faceta más importante del BIM es la información que se puede agregar al modelo 3D, por ejemplo la descripción de los espacios y sus relaciones, las características de los materiales, productos, equipos y mobiliario (especificaciones, costes, datos sobre proveedores) y la configuración detallada de sus sistemas (estructura, climatización, instalaciones hidrosanitarias, iluminación).

Adicionalmente, y esto nos interesa aquí, el modelo BIM se puede usar como base para analizar el desempeño energético y medioambiental del edificio durante el proceso de diseño. El análisis se puede hacer desde el mismo programa central, cuando este ofrece la funcionalidad, pero también es frecuente que el modelo se exporte a un programa especializado, como OpenStudio o DesignBuilder, para luego aplicar los resultados al modelo BIM. Estos procesos aun no son lo fluido y productivo que deberían ser (lo cual amerita un artículo aparte), pero hay pocas dudas de que la adecuada integración de los análisis energéticos y medioambientales en los proyectos arquitectónicos pasará en el futuro por la metodología BIM.

Referencias

[1] “An Architect’s Guide to Integrating Energy Modeling in the Design Process.” American Institute of Architects, 2012.

[2] “Architect’s Guide to Building Performance. Integrating performance simulation in the design process.” American Institute of Architects, 2018.

[3] V. Soebarto, C. Hopfe, D. Crawley, and R. Rawal, “Capturing the Views of Architects about Building Performance Simulation to be used during Design Processes,” 2015.

[4] “Guide to Integrated Design Guide to Integrated Design and Delivery.” Comission for Environmental Cooperation, 2015.

[5] “Integrated Design Process. A Guideline for Sustainable and Solar-Optimised Building Design.” International Energy Agency, 2003.

[6] K. Yajima, “Kajima’s BIM Theory & Methods,” 2016, pp. 33–40.

[7] M. Hensel, “Performance-oriented Design as a Framework for Research by Design,” 2012, pp. 121–143.

[8] “Roadmap for the Integrated Design Process.” BC Green Building Roundtable, 2007.

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