04
Diciembre
2018

La forma general de los edificios

La forma general de los edificios

La forma, en el contexto de las variables de diseño, expresa no solo la configuración de los edificios en planta, sino sobre todo sus propiedades tridimensionales. Una de las características más conocidas de esta variable es que determina la proporción entre el volumen del edificio y sus superficies exteriores (estas últimas conforman lo que conocemos como envolvente). Dicha proporción afecta los flujos de calor entre el edificio y su entorno, pues mientras menor sea la superficie de envolvente de un volumen, es decir, mientras más compacto sea, menor será el área de intercambio térmico. Esto puede tener efectos positivos o negativos, dependiendo de las características climáticas del sitio y de las condiciones de uso del edificio.

De acuerdo con las recomendaciones provenientes de la arquitectura bioclimática, como las de Víctor Olgyay [1], mientras más frío sea el clima, más compacta debería ser la forma para reducir las pérdidas de calor, aunque la forma más compacta posible rara vez es la óptima. Por el contrario, en los climas cálido-húmedos los edificios deberían ser menos compactos para facilitar la disipación de calor.

Quizá más importante aún que la relación entre volumen y envolvente, la forma determina la proporción de los diferentes tipos de cerramientos exteriores, como las cubiertas, los muros y los suelos. Dado que la posición y orientación relativas de cada cerramiento define con qué parte del entorno intercambiará calor, por ejemplo el terreno o el aire exterior, así como la manera en que será afectada por la radiación solar, esto puede tener un importante efecto en el desempeño energético del edificio. En un edificio con forma de torre, por ejemplo, los principales intercambios de calor se producirán a través de los muros exteriores y las ganancias solares a través de las ventanas pueden llegar a ser críticas. En cambio, en un edificio muy bajo y extendido los intercambios de calor a través del suelo y la cubierta pueden ser más importantes. Por otro lado, cuando el edificio es alargado y se orienta en sentido este-oeste suele ser más fácil controlar la radiación solar que ingresa en él (más sobre este punto en el apartado Orientación).

Otro hecho asociado a la forma del edificio es que los espacios ubicados en las zonas perimetrales suelen estar más expuestos a las condiciones externas, en comparación con los que se ubican en las zonas centrales. Esto aplica tanto para los intercambios térmicos por conducción como para el ingreso de la radiación solar y la luz. Si asumimos que la franja perimetral que se puede considerar directamente afectada por las condiciones externas tiene una distancia limitada (digamos entre 4 y 6 metros), entonces la proporción entre núcleo y perímetro dependerá de la forma específica del edificio. Este factor puede tener un cierto impacto en el desempeño térmico del edificio, pero sobre todo puede ser determinante para el aprovechamiento de la iluminación natural y las vistas al exterior. En general, los edificios con núcleos más reducidos están menos protegidos del ambiente exterior pero pueden aprovechar mejor la radiación solar y la luz disponibles en el sitio, al menos si se diseñan correctamente.

Finalmente, otro fenómeno asociado a la forma del edificio, relativamente poco estudiado, es el autosombreado. Este se refiere al modo en que las superficies del edificio arrojan sombras unas sobre otras. Aunque, obviamente, la orientación juega un papel fundamental, los edificios poco compactos y con forma irregular pueden tener mayores niveles de autosombreado. Esta característica puede ser aprovechada en los climas cálidos, y especialmente en los cálido-húmedos, para reducir la incidencia de la radiación solar.

Es importante insistir en que el efecto final de la forma depende en gran medida de las otras variables asociadas a la configuración geométrica, es decir, la proporción y distribución del acristalamiento, la orientación y la distribución espacial. Esto significa que la forma, por si sola, puede ser insuficiente para determinar el desempeño energético y medioambiental de los edificios.

Nota: La forma se puede abordar en diferentes escalas, desde la forma general hasta las pequeñas variaciones geométricas. Por ejemplo, dos edificios pueden tener una forma general muy parecida, pero con variaciones geométricas de pequeña escala que afectan su desempeño.


Parámetros de la forma

De todas las variables de diseño, la forma es quizá la más difícil de parametrizar. Esto es porque se trata de una variable que puede ser muy compleja en sí misma, lo que dificulta reducirla a valores fáciles de comprender y calcular. Partiendo de esa limitación, en este apartado describiremos los principales parámetros empleados actualmente para definir la forma general de los edificios.

Relación de aspecto

En algunos ámbitos aún se usa la relación de aspecto (o relación dimensional) como un parámetro para definir la forma de los edificios [2]. Este parámetro generalmente se refiere a la proporción entre el largo y el ancho del edificio, visto en planta, por lo que se calcula dividiendo el primer valor por el segundo. Por ejemplo, un edificio de 10 x 10 metros tendría una relación de aspecto de 1, mientras que otro de 20 x 5 metros tendría una relación de aspecto de 4. La relación de aspecto también se suele expresar mediante dos números separados por dos puntos, representando el primer número el valor proporcional del largo, y el segundo el del ancho. Así, los dos casos anteriores se expresarían como 1:1 y 4:1.

Este parámetro tiene serias limitaciones para describir la forma de los edificios, principalmente porque es incapaz de definir su carácter tridimensional. Por ejemplo, solo se puede emplear para comparar edificios con la misma altura. Así mismo, cuando se usa en edificios con forma irregular pierde casi por completo su utilidad.

Nota: En ocasiones, la relación de aspecto su usa para definir la proporción del edificio en altura. En todo caso, las limitaciones señaladas seguirían siendo las mismas.

Compacidad y factor de forma

Siendo dos de los parámetros más empleados para caracterizar la forma de los edificios en el ámbito del análisis energético, la compacidad y el factor forma expresan la proporción entre el volumen del edificio y su envolvente [3]. La compacidad (C) es el resultado de dividir el volumen total del edificio por su superficie externa total:

Ecuacion Compacidad

Donde:
VT  es el volumen total
SET  es la superficie externa total

Por otro lado, el factor de forma (FF) es el inverso de la compacidad, es decir, se calcula dividiendo la superficie externa total por el volumen total:

Ecuacion FactorForma

Desde un punto de vista estrictamente geométrico, para establecer la superficie externa total del edificio se debería incluir todos los cerramientos que conforman su envolvente. En algunos ámbitos, sin embargo, se excluyen los cerramientos adiabáticos, por ejemplo aquellos que están en contacto con otros espacios cuyas condiciones térmicas son similares. Y en otros ámbitos incluso se excluyen los cerramientos que no están en contacto directo con el aire, como los suelos sobre terreno. Es importante tener en cuenta estos criterios al momento de interpretar los valores de compacidad o factor de forma.

Cabe señalar que la compacidad y el factor de forma, aunque son dos parámetros empleados con mucha frecuencia, presentan algunas limitaciones para caracterizar por si solos la forma de los edificios. Entre otras cosas, como veremos más adelante, porque dos edificios con formas bastante distintas pueden tener los mismos valores de compacidad y factor de forma.

Nota: Es importante tener en cuenta que la proporción entre volumen y envolvente también se ve afectada por el tamaño del edificio. Dada una misma forma, digamos un cubo, mientras mayor sea el tamaño, mayor será también la compacidad.

Compacidad relativa

La compacidad relativa (CR) es una variante del valor de compacidad explicado arriba [4]. Expresa la relación entre la compacidad real del edificio y la compacidad que tendría la forma más compacta posible, dado el mismo volumen. Se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Ecuacion CompacidadRelativa

Aunque no es un parámetro empleado con frecuencia, la compacidad relativa puede ser útil debido a que expresa qué tanto se aleja un edificio de su máxima compacidad posible. Teóricamente, esto permitiría comparar la compacidad de edificios con diferente tamaño (recordemos que el tamaño de una forma modifica su compacidad). Sin embargo, como en el caso de la compacidad, sigue siendo un parámetro que por sí solo puede ser insuficiente para describir de manera consistente las propiedades de la forma.

Proporción de cerramientos

Como se ha comentado previamente, al cambiar la forma del edificio también cambia la proporción de sus diferentes tipos de cerramientos. Precisamente por ello, la proporción de algunos cerramientos puede ser útil para describir las formas arquitectónicas, al menos en el ámbito del análisis energético. Como ejemplo tenemos los siguientes dos parámetros, que pueden emplearse de manera independiente o complementaria:

Proporción de muros = Superficie de muros exteriores / Superficie externa total

Proporción de cubiertas = Superficie de cubiertas / Superficie externa total

Estos parámetros no son muy comunes actualmente, pero algunos estudios han demostrado que pueden ser bastante útiles en el ámbito del análisis energético de edificios [5]. De hecho, como veremos más adelante, pueden incluso ser más apropiados que la compacidad y el factor de forma para caracterizar la forma de los edificios.

Proporción núcleo-perímetro

Otro parámetro que se puede emplear para caracterizar la forma de los edificios es la proporción núcleo-perímetro. Esta se expresa de la siguiente manera:

Proporción núcleo-perímetro = Área de zonas centrales / Área de zonas perimetrales

Generalmente este parámetro es más útil cuando se aplica en formas simples en las que no se ha definido una distribución espacial específica sino que, precisamente, solo se diferencian las zonas perimetrales y las centrales (ver Figura 1). Para ello es conveniente establecer una distancia estándar que las delimite. De acuerdo con algunos criterios de modelado de ASHRAE [6], esa distancia puede ser de alrededor de 4.60 metros (15 pies) ya que es la profundidad en la que teóricamente la iluminación natural se puede aprovechar al máximo.

Geometria Nucleo Perimetro

Figura 1. Zonificación de un edificio mediante una zona central y cuatro perimetrales.


Ejemplo de definición de los parámetros de forma

Como ejemplo de definición y uso de los parámetros de forma explicados arriba, aquí mostramos un caso proveniente de una investigación nuestra [5]. Se trata de un conjunto de 16 formas para un edificio de oficinas de 5,184 m2, concebidas de manera modular. Como se observa en la Figura 2, aunque se trata de formas regulares, el conjunto ofrece una buena variedad de opciones, incluyendo formas bajas, altas, compactas y alargadas. El nombre de cada forma esta conformado por sus dimensiones, en metros: altura, largo y ancho (en ese orden). Cada piso se considera de 3 metros de altura libre.

Geometria Formas Regulares

Figura 2. 16 formas para un edificio de oficina.

Por otro lado, la Tabla 1 muestra los valores de algunos parámetros correspondientes a las 16 formas. Los valores resaltados en rojo son aquellos que se repiten al menos una vez. Un análisis general de los valores permite extraer las siguientes conclusiones:

  • La relación de aspecto no es adecuada para representar las diferentes formas, al menos en este caso. Es evidente que formas muy diferentes entre si tienen la misma relación de aspecto, lo cual dificultaría asociar este parámetro con el desempeño de los edificios.
  • La compacidad y el factor de forma, obviamente muy relacionados entre sí, parecen ser mejores que la relación de aspecto, pero aun así presentan demasiados valores repetidos. Nuevamente, si algunas formas muy diferentes entre sí pueden compartir los mismos valores de compacidad y factor de forma, entonces estos parámetros podrían no ser tan efectivos, por si solos, para evaluar el desempeño de los edificios.
  • Los parámetros asociados a la proporción de muros y cubiertas (también estrechamente relacionados entre sí), así como el de la proporción núcleo-perímetro, son los únicos que no tienen valores repetidos. Eso significa que podrían tener mayor potencial para representar las diferentes formas.

Tabla 1. Parámetros de las 16 formas.

Parametros 16 Formas

En el caso de los parámetros relacionados con la proporción de muros y cubiertas, surge otra cualidad interesante: los valores quedan perfectamente ordenados de acuerdo con la compacidad y la altura de las formas. Esto se observa con claridad en la gráfica de la Figura 3, que corresponde a los valores de proporción muros exteriores / superficie exterior total.

Valores Proporcion Muros Exteriores

Figura 3. Valores de proporción de muros exteriores para las 16 formas.

En resumen, aun sin emplear los parámetros descritos para evaluar el desempeño energético de los edificios, se observa que algunos de ellos presentan un mayor potencial para representar las propiedades de la forma. Esto es importante al momento de seleccionar los parámetros más relevantes de cara al desarrollo de estudios específicos.


Referencias

[1] V. Olgyay, Arquitectura y Clima - Manual de Diseño Bioclimático. Editorial Gustavo Gili, 1998.[1] R. Athalye, Y. Xie, B. Liu, and M. Rosenberg, “Analysis of Daylighting Requirements within ASHRAE Standard 90.1,” Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, 2013.

[2] P. McKeen, A. Fung, P. McKeen, and A. S. Fung, “The Effect of Building Aspect Ratio on Energy Efficiency: A Case Study for Multi-Unit Residential Buildings in Canada,” Buildings, vol. 4, no. 3, pp. 336–354, Jul. 2014.

[3] M. Froling and I. Danielski, “The impact of the shape factor on final energy demand in residential buildings in nordic climates,” www.academia.edu.

[4] T. Catalina, J. Virgone, and V. Iordache, “Study on the impact of the building form on the energy consumption,” Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Nov. 2011.

[5] A. Ordoñez García, “Effects of architectural design variables on energy and environmental performance of office buildings,” Ph.D. Thesis, Universitat Rovira i Virgili, 2016.

[6] R. Athalye, Y. Xie, B. Liu, and M. Rosenberg, “Analysis of Daylighting Requirements within ASHRAE Standard 90.1,” Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, 2013.

[7] P. Depecker, C. Menezo, J. Virgone, and S. Lepers, “Design of buildings shape and energetic consumption,” Building and Environment, vol. 36, no. 5, pp. 627–635, 2001.

[8] R. Ourghi, A. Al-Anzi, and M. Krarti, “A simplified analysis method to predict the impact of shape on annual energy use for office buildings,” Energy Conversion and Management, vol. 48, no. 1, pp. 300–305, 2007.

[9] P. Steadman, H. R. Bruhns, S. Holtier, B. Gakovic, P. A. Rickaby, and F. E. Brown, “A Classification of Built Forms,” Environ Plann B Plann Des, vol. 27, no. 1, pp. 73–91, 2000.

[10] J. Straube, “The Function of Form: Building Shape and Energy,” Insight, no. 61, Jun-2012.


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Última actualización Domingo, 10 Marzo 2019 Categories: Configuración geométrica, Variables de diseño

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