De la regla de cálculo al ordenador: olvidarse de cómo se calculaba antes

Henry Petroski. https://es.wikipedia.org/wiki/Henry_Petroski

Henry Petroski, ingeniero civil estadounidense y profesor en la Universidad de Duke en Durham (Carolina del Norte) escribió un libro que recomiendo a mis estudiantes y a cualquier profesional de la ingeniería que se llama “La ingeniería es humana. La importancia del fallo en el éxito del diseño“. Este libro está editado en castellano por la editorial CINTER, traducido por María Eugenia Matamala Pérez y prologado por Robert Brufau.

Todos los capítulos son verdaderamente interesantes, pero me gustaría destacar el que se llama “De la regla de cálculo al ordenador: olvidarse de cómo se calculaba antes”. De este tema ya he hablado en mi blog en alguna ocasión: https://victoryepes.blogs.upv.es/2013/09/10/los-ingenieros-los-ordenadores-y-mil-un-indios/ y también cuando hablaba de las cifras significativas y los errores de precisión. Os remito a su lectura.

La conclusión es muy clara, un ingeniero debería saber de antemano el orden de magnitud del cálculo antes de calcularlo realmente. Dejar todo al libre albedrío del ordenador sin criterio para saber si el resultado final es aceptable o no, es un riesgo inaceptable. Eso explica el éxito de libros sobre “Números gordos” o bien cómo la investigación puede llevarnos a descubrir fórmulas de predimensionamiento útiles en la práctica (ver el artículo que escribí sobre cómo predimensionar un muro sin calculadora).

Pero no voy a ser “spoiler” de libro de Petroski. Simplemente os adjunto lo que la American Society of Civil Engineers (ASCE) indicó cuando anunció el Premio Mead (es un premio anual para estudiantes de ingeniería civil que otorga el ASCE  un trabajo sobre la ética profesional):

“Los ingenieros civiles han recurrido al ordenador en busca de mayor rapidez y productividad. Sin embargo, ¿se corre el riegos de comprometer la seguridad y el bienestar del usuario? Muchos han predicho que los fallos futuros de ingeniería se atribuirán al uso o el mal uso de los ordenadores. ¿Se está convirtiendo en habitual aceptar un proyecto cuando no se tiene experiencia simplemente porque se dispone de un paquete de software? ¿Cómo pueden garantizar los ingenieros civiles la precisión del programa del ordenador y que el ingeniero civil está cualificado para usarlo de manera apropiada?”

Os dejo estas preguntas para pensar. Es evidente que un ordenador no deja de ser más que una regla de cálculo electrónico o los cuadernos de cálculo de toda la vida. Muchas ventajas, pero mucha precaución en su empleo.

Referencia:

PETROSKY, H. (2007). La ingeniería es humana. La importancia del fallo en el éxito del diseño. Ed. CINTER, 320 pp.

 

Métodos modernos de construcción (MMC): fabricación modular

Figura 1. Construcción modular. https://www.draytonfox.com/modern-methods-of-construction/

La construcción modular y la prefabricación son técnicas ya veteranas en el ámbito de la ingeniería civil y la edificación. Desde que en 1936 Eugène Freyssinet construyera el primer puente de hormigón pretensado del mundo, en el que las vigas y tableros eran prefabricados, la tecnología ha experimentado un avance imparable. Por otra parte, la construcción modular tiene una larga historia en la gestión de la innovación (Simon, 1962). Sin embargo, la auténtica revolución que supone la inteligencia artificial, las tecnologías BIM y los retos de la sostenibilidad están cambiando radicalmente este concepto y lo está llevando a una nueva dimensión. En efecto, estamos ante la revolución de los métodos modernos de construcción. Este es el concepto del que vamos a hablar a continuación.

Los métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC) , o como algunos llaman “construcción inteligente“, constituyen alternativas a la construcción tradicional. Este concepto MMC lo utilizó el gobierno del Reino Unido para describir una serie de innovaciones en la construcción de viviendas, la mayoría de las cuales son tecnologías de construcción en fábrica (Gibb, 1999). Es un término que cubre una amplia gama de tecnologías basada en la fabricación modular, ya sea “in situ” o en otra ubicación, que está revolucionando la forma de construir edificios de forma más rápida, rentable y eficiente. También suele llamarse construcción “off-site”. Un ejemplo no muy lejano ha sido la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en solo 12 días debido a la epidemia del coronavirus. Por ejemplo, países como Suecia y Japón lideran la construcción MMC. En Suecia, casi la mitad de las viviendas de nueva construcción utilizan este método, llegando al 80% en el caso de viviendas unifamiliares. Japón, es el país donde se construye mayor número de viviendas nuevas con este método, aunque no llegan al 20% del total. Incluso podemos leer una noticia de hace unos días donde el alcalde de Londres apoya decididamente la aplicación de diseño de viviendas modulares.

Los diferentes métodos MMC incluyen el sistema de paneles planos prefabricados, módulos volumétricos 3D (Figuras 1 y 3), construcción con losas planas, paneles de cerramiento prefabricados (Figura 2), muros y forjados de hormigón, tecnología de doble pared (Figura 4), cimientos de hormigón prefabricado, aislamiento de encofrados de hormigón, entre otros. No obstante, la gestión de los sistemas 1D/2D respecto a los volumétricos 3D es muy diferente (López, 2017).

Tabla. Principales diferencias entre los sistemas modulares basados en elementos 1D y 2D frente a celdas 3D (López, 2017)

La reciente norma UNE 127050:2020 trata justamente de los sistemas constructivos industrializados para edificios construidos a partir de elementos prefabricados de hormigón, así como de los requisitos de comportamiento, fabricación, instalación y verificación.

Figura 2. Paneles de cerramiento prefabricados (precast cladding panels). https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Precast_concrete_cladding

Las ventajas de la construcción MMC frente a la construcción tradicional son evidentes. Los módulos permiten un ahorro de tiempo de hasta el 50%, pues éstos se elaboran en fábrica, sin incidencia del clima. Una vez llegan a la obra, se ensamblan, interrumpiendo al mínimo la propia obra, pues el 80% de la actividad de la construcción se ha realizado lejos de la obra. Permite el uso de materiales respetuosos con el medio ambiente, reduciéndose el desperdicio. Los módulos son de diseño atractivo e innovador, con materiales de elevada calidad, con un diseño a medida del cliente. La construcción en fábrica permite la fabricación con tolerancias estrictas, la reducción de los errores, promueve la seguridad, no estando los materiales a la intemperie durante la construcción. Además, permite el uso de materiales durables, que mejoran el aislamiento acústico, la protección contra incendios y la eficiencia energética. Sin embargo, en algunos países el uso de las MMC presenta costes más elevados que la construcción tradicional. Otras barreras son la falta de mano de obra especializada, la escasez de suministros o la regulación existente (Rahman, 2014). Con todo, la actual crisis del Covid-19 puede acelerar los cambios necesarios. De todos modos, los métodos MMC constituyen un producto diferente al del mercado de la construcción tradicional. La construcción modular, al tratarse de un producto alternativo, en lugar de competir, complementará el mercado tradicional. El objetivo es aumentar la productividad de los recursos disponibles mejorando la calidad, la eficiencia empresarial, la satisfacción del cliente, el rendimiento ambiental, el índice de sostenibilidad y el control de los plazos de entrega (Yepes et al., 2012; Pellicer et al., 2014, 2016).

Figura 3. Módulos volumétricos 3D (3D volumetric modules). http://www.ehu.eus/ehusfera/industrialized-architecture/page/4/

Una de las claves que acelerará, sin duda, la adopción de los métodos MMC es la introducción de la metodología BIM en los proyectos de edificación o de infraestructuras. En España, las administraciones públicas ya van dando pasos hacia la exigencia de que los proyectos de edificación o infraestructuras se realicen bajo la metodología BIM. Tanto MMC como BIM aumentan claramente la calidad del producto, la sostenibilidad y la mejora del servicio a lo largo del ciclo de vida del activo. A este respecto, recomiendo leer la guía BIM para empresas de prefabricados de hormigón (ANDECE, 2020).

En la feria Construmat de Barcelona (mayo de 2019), McKinsey & Company presentó un informe en el que se detalla cómo la tecnología basada en datos podría ayudar a las empresas españolas de infraestructuras a tomar decisiones más inteligentes, reducir el riesgo y mejorar los resultados de los proyectos. Por tanto, BIM, la automatización de procesos, la inteligencia artificial, el Big Data, las tecnologías en la nube o la interacción con Internet de las Cosas suponen el revolución que lanzará definitivamente la construcción inteligente.

Figura 4. Tecnología de doble pared (twin wall technology). https://www.cornishconcrete.co.uk/products/twin-wall/

Dentro de nuestro grupo de investigación estamos trabajando en la tesis doctoral de Antonio Sánchez Garrido sobre este tipo de aspectos. En una de sus primeras publicaciones en revista indexada en el primer decil de JCR (Sánchez-Garrido y Yepes, 2020), se han aplicado técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio (MCDM) y análisis del ciclo de vida, a una tipología de construcción tradicional de una vivienda unifamiliar, y a dos alternativas diferentes basadas en MMC. Se propone un índice de sosteniblidad, que incluye atributos tangibles e intangibles, así como factores de incertidumbre y riesgos, que permite a los promotores priorizar soluciones que aseguren la sostenibilidad económica, social y medioambiental.

Os dejo algunos vídeos al respecto de esta nueva tecnología.

Os dejo como información complementaria un artículo de Alejandro López de hace apenas tres años, pero donde ya se empezaba a vislumbrar un crecimiento exponencial de la construcción modular.

Descargar (PDF, 623KB)

Referencias:

AENOR (2020). UNE 127050:2020. Sistemas constructivos industrializados para edificios construidos a partir de elementos prefabricados de hormigón. Requisitos de comportamiento, fabricación, instalación y verificación.

ANDECE (2020). Guía BIM para empresas de prefabricados de hormigón, 46 pp.

DOWSETT, R.; GREEN, M.; SEXTON, M.; HARTY, C.,2019. Projecting at the project level: MMC supply chain integration roadmap for small house builders. Construction Innovation-England, 19 (2): 193-211.

GIBB, A.G.F. (1999). Offsite Fabrication: Prefabrication, Preassembly and Modularisation, Whittles Publishing, Caithness

PELLICER, E.; YEPES, V.; CORREA, C.L.; ALARCÓN, L.F. (2014). Model for Systematic Innovation in Construction Companies. Journal of Construction Engineering and Management, 140(4):B4014001.

PELLICER, E.; SIERRA, L.A.; YEPES, V. (2016). Appraisal of infrastructure sustainability by graduate students using an active-learning method. Journal of Cleaner Production, 113:884-896.

LÓPEZ, A. (2016). Declaraciones ambientales de productos prefabricados de hormigón. Materiales sostenibles, 46:42-45.

LÓPEZ, A. (2017). Construcción modular en hormigón: una tendencia al alza. Revista Técnica Cemento Hormigón, 980:48-54.

LÓPEZ, A. (2018). Declaraciones ambientales de productos prefabricados de hormigón (y 2ª parte). Ecoconstrucción, 18:24-26.

RAHMAN, M.M. (2014). Barriers of implementing modern methods of construction. Journal of Management in Engineering, 30(1):69-77.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria assessment of alternative sustainable structures for a self-promoted, single-family home. Journal of Cleaner Production, 258: 120556.

SIMON, H.A. (1962). The arquitecture of complexity. Proceedings of the American Philosophical Society, 106(6):467-482.

YEPES, V.; PELLICER, E.; ORTEGA, J.A. (2012). Designing a benchmark indicator for managerial competences in construction at the graduate level. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice, 138(1): 48-54.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación

La ciudad Estado de Singapur desarrolla una copia virtual de sí misma, un proyecto basado en big data, IoT, computación en la nube y realidad virtual. https://www.esmartcity.es/2019/03/22/singapur-gemelo-digital-posibilidades-ofrece-ciudad-inteligente-tener-copia-virtual-exacta

En menos de una década, gran parte de los ingenieros dejarán de hacer proyectos, tal y como lo conocemos ahora, y pasarán a ser gestores de gemelos híbridos digitales de infraestructuras.

Este podría ser un buen titular periodístico que, incluso podría parecer ciencia ficción, pero que tiene todos los visos de convertirse en realidad en menos tiempo del previsto. Se podría pensar que las tecnologías BIM o los modelos digitales actuales ya son una realidad, es decir, se trata de dar un nuevo nombre a lo que ya conocemos y está en desarrollo, pero de lo que estamos hablando es de un nuevo paradigma que va a revolver los cimientos de la tecnología actual en el ámbito de la ingeniería. Voy a desgranar esta conclusión explicando cada uno de los avances y los conceptos que subyacen al respecto.

La semana pasada tuve la ocasión de escuchar la conferencia magistral, en el Congreso CMMoST, de Francisco Chinesta, catedrático en la ENSAM ParisTech e ingeniero industrial egresado por la Universitat Politècnica de València. Trataba de un nuevo paradigma en la ingeniería basada en datos y no era otra que la de los gemelos híbridos digitales, un paso más allá de la modelización numérica y de la minería de datos. Este hecho coincidió con el anuncio en prensa de que Google había publicado en la prestigiosa revista Nature un artículo demostrando la supremacía cuántica, un artículo no exento de polémica, pues parece ser que se diseñó un algoritmo que tiene como objetivo generar números aleatorios mediante un procedimiento matemático muy complejo y que obligaría al superordenador Summit, que es actualmente el más potente del mundo gracias a sus 200 petaflops, a invertir 10.000 años en resolver el problema, que que el procesador cuántico Sycamore de 54 qubits de Google habría resuelto en tres minutos y 20 segundos.

Si nos centramos en la supuesta supremacía cuántica de Google, se debería matizar la noticia al respecto. En efecto, IBM ya se ha defendido diciendo que su ordenador Summit no se encuentra tan alejado, pues se ha resuelto un problema muy específico relacionado con generar números aleatorios y que parece que Sycamore sabe resolver muy bien. De hecho, IBM afirma que ha reajustado su superordenador y que ahora es capaz de resolver ese mismo problema en 2,5 días con un margen de error mucho menor que el ordenador cuántico. Aquí lo importante es saber si esta computación cuántica estará, sin trabas o límites, accesible a cualquier centro de investigación o empresa para resolver problemas de altísima complejidad computacional (problemas NP-hard como pueden ser los de optimización combinatoria). Tal vez los superordenadores convencionales servirán para resolver unos problemas específicos en tareas convencionales, y los cuánticos, imparables en resolver otro tipo de problemas. Todo se andará, pero parece que esto es imparable.

Por tanto, parece que el hardware necesario para la una computación ultrarrápida está o estará a nuestro alcance en un futuro no muy lejano. Ahora se trata de ver cómo ha cambiado el paradigma de la modelización matemática. Para ello podríamos empezar definiendo al “gemelo digital”, o digital twin. Se trata de un modelo virtual de un proceso, producto o servicio que sirve de enlace entre un ente en el mundo real y su representación digital que está utilizando continuamente datos de los sensores. A diferencia del modelado BIM, el gemelo digital no representa exclusivamente objetos espaciales, sino que también podría representar procesos, u otro tipo de entes sin soporte físico. Se trata de una tecnología que, según todos los expertos, marcarán tendencia en los próximos años y que, según el informe “Beyond the hype“, de KPMG, será la base de la cuarta Revolución Industrial.

https://www.geofumadas.com/por-que-usar-gemelos-digitales-en-la-construccion/

Sin embargo, el gemelo digital no es una idea nueva, pues a principios de este siglo ya la introdujo Michael Grieves, en colaboración con John Vickers, director de tecnología de la NASA. Esta tecnología se aplica al Internet de las Cosas, que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Además, se encuentra muy relacionada con la inteligencia artificial y con la minería de datosdata-mining“. Empresas como Siemens ya están preparando convertir sus plantas industriales en fábricas de datos con su gemelo digital, o General Electric, que cuenta ya con 800.000 gemelos digitales para monitorizar virtualmente la cadena de suministro.

Con todo, tal y como explicó el profesor Chinesta (Chinesta et al., 2018), existe actualmente un cambio de paradigma hacia los gemelos digitales híbridos que, extrapolando su uso, va a significar la gran revolución en la forma de proyectar y gestionar las infraestructuras, tal y como avancé al principio del artículo.

En efecto, los modelos utilizados en ciencia y en ingeniería son muy complejos. La simulación numérica, la modelización y la experimentación han sido los tres pilares sobre los que se ha desarrollado la ingeniería en el siglo XX. La modelización numérica, que sería el nombre tradicional que se ha dado al “gemelo digital” presenta problemas prácticos por ser modelos estáticos, pues no se retroalimentan de forma continua de datos procedentes del mundo real a través de la monitorización continua. Estos modelos numéricos (usualmente elementos finitos, diferencias finitas, volumen finito, etc.) son suficientemente precisos si se calibran bien los parámetros que lo definen. La alternativa a estos modelos numéricos son el uso de modelos predictivos basados en datos masivos big-data, constituyendo “cajas negras” con alta capacidad de predicción debido a su aprendizaje automáticomachine-learning“, pero que esconden el fundamento físico que sustentan los datos (por ejemplo, redes neuronales). Sin embargo, la experimentación es extraordinariamente cara y lenta para alimentar estos modelos basados en datos masivos.

El cambio de paradigma, por tanto, se basa en el uso de datos inteligentes “smart-data paradimg“. Este cambio se debe basar, no en la reducción de la complejidad de los modelos, sino en la reducción dimensional de los problemas, de la retroalimentación continua de datos del modelo numérico respecto a la realidad monitorizada y el uso de potentes herramientas de cálculo que permitan la interacción en tiempo real, obteniendo respuestas a cambios paramétricos en el problema. Dicho de otra forma, deberíamos poder interactuar a tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Por tanto, estamos ahora en disposición de centrarnos en la afirmación que hice al principio. La nueva tecnología en gemelos digitales híbridos, junto con la nueva capacidad de cálculo numérico en ciernes, va a transformar definitivamente la forma de entender, proyectar y gestionar las infraestructuras. Ya no se trata de proyectar, por ejemplo, un puente. Ni tampoco estamos hablando de diseñar un prototipo en 3D del mismo puente, ni siquiera de modelar en BIM dicha estructura. Estamos hablando de crear un gemelo digital que se retroalimentará continuamente del puente real, que estará monitorizado. Se reajustarán los parámetros de cálculo del puente con los resultados obtenidos de la prueba de carga, se podrán predecir las labores de mantenimiento, se podrá conocer con antelación el comportamiento ante un fenómeno extraordinario como una explosión o un terremoto. Por tanto, una nueva profesión, que será la del ingeniero de gemelos virtuales híbridos de infraestructuras será una de las nuevas profesiones que reemplazarán a otras que quedarán obsoletas.

Se tratará de gestionar el gemelo durante el proyecto, la construcción, la explotación e incluso el desmantelamiento de la infraestructura. Se podrán analizar cambios de usos previstos, la utilización óptima de recursos, monitorizar la seguridad, y lo más importante, incorporar nuevas funciones objetivo como son la sostenibilidad económica, medioambiental y social a lo largo del ciclo de vida completo. Este tipo de enfoque es el que nuestro grupo de investigación tiene en el proyecto DIMILIFE. Proyectos como puentes, presas, aeropuertos, redes de carreteras, redes de ferrocarriles, centrales nucleares, etc. tendrán su gemelo digital. Para que sea efectivo, se deberá prever, desde el principio, la monitorización de la infraestructura para ayudar a la toma de decisiones. Además, servirá para avanzar en la aproximación cognitiva en la toma de decisiones (Yepes et al., 2015).

Os paso a continuación un vídeo sobre el uso de los gemelos digitales en la ciudad de Singapur.

A continuación os pongo un vídeo sacado de la página de Elías Cueto, de la Universidad de Zaragoza, en la que vemos cómo se interactúa con un gemelo virtual de un conejo.

 

En este otro vídeo, el profesor Chinesta explica el cambio de paradigma del que hemos hablado anteriormente en el artículo.

¿Qué es la computación cuántica? Aquí tenemos un vídeo de Eduardo Sáenz de Cabezón:

Referencias:

Chinesta, F.; Cueto, E.; Abisset-Chavanne, E.; Duval, J.L. (2018). Virtual, Digital and Hybrid Twins: A New Paradigm in Data-Based Engineering and Engineered Data. Archives of Computational Methods in Engineering, DOI: 10.1007/s11831-018-9301-4

Yepes, V.; García-Segura, T.; Moreno-Jiménez, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

La revolución de la digitalización en la ingeniería civil

En una entrada anterior que denominé “La ingeniería de caminos en el siglo XXI, ¿quo vadis?, puse de manifiesto la incertidumbre que suponía la desaparición de la titulación de ingeniero de caminos, canales y puertos con motivo de la reestructuración de las enseñanzas universitarias en grado y máster. Las preguntas que dejaban en el aire adquirían un tinte dramático cuando se contextualizaban en una situación de profunda crisis económica, especialmente fuerte en el sector de la construcción.

Otra reflexión sobre el futuro de la profesión la dejé en la entrada “¿Qué entendemos por “Smart Construction”? ¿Una nueva moda?“. Allí dejé constancia de las modas que igual que aparecen, desaparecen, pero que suponen cambios sustanciales en una profesión como la de ingeniero civil. Allí expresé mi esperanza de que el término de “construcción inteligente” tuviera algo más de recorrido y pudiera suponer un punto de inflexión en nuestro sector. Este término presenta, como no podía ser de otra forma, numerosas interpretaciones y tantas más aplicaciones. Es un concepto que se asocia al diseño digital, a las tecnologías de la información y de la comunicación, la inteligencia artificial, al BIM, al Lean Construction, la prefabricación, los drones, la robotización y automatización, a la innovación y a la sostenibilidad, entre otros muchos conceptos. Entre estos conceptos, uno que me interesa especialmente es la asociación con el de los nuevos métodos constructivos (término que incluye nuevos productos y nuevos procedimientos constructivos). Su objetivo es mejorar la eficiencia del negocio, la calidad, la satisfacción del cliente, el desempeño medioambiental, la sostenibilidad y la previsibilidad de los plazos de entrega. Por lo tanto, los métodos modernos de construcción son algo más que un enfoque particular en el producto. Involucran a la gente a buscar mejoras, a través de mejores procesos, en la entrega y ejecución de la construcción.

Al hilo de estas reflexiones, me ha gustado especialmente el vídeo ganador del concurso de la Asociación de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, ingeniería en 200 segundos, que presenta Juan Antonio Martínez Ortega, y que trata del impacto de la digitalización en la ingeniería civil. Atento al “diablillo de Laplace“. ¡Enhorabuena para Juan Antonio!