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Puentes en la encrucijada: el desafío global de mantener en pie las estructuras del siglo XXI

¿Qué sabemos sobre la sostenibilidad del mantenimiento de los puentes? Un artículo reciente (Kattoub & Kegyes-Brassai, 2026) analiza cómo ha evolucionado la investigación sobre este tema entre 2000 y 2025 y pone sobre la mesa varios retos aún pendientes. Sus autores revisan y clasifican la literatura científica en cuatro tipos de trabajos: estudios de caso, marcos metodológicos, modelos teóricos y revisiones.

Los resultados apuntan a una distancia considerable entre lo que se propone desde la investigación y lo que realmente se aplica en los proyectos. Por ejemplo, herramientas como el análisis del ciclo de vida, que permiten valorar los impactos de un puente a lo largo de todas sus etapas, siguen teniendo una presencia limitada en la práctica. La revisión también muestra un claro predominio de los estudios centrados en puentes de hormigón, mientras que las estructuras de acero y mixtas reciben mucha menos atención pese a su potencial para contribuir a un mantenimiento más sostenible.

Ante este panorama, se propone una hoja de ruta para avanzar hacia una gestión más sostenible de las infraestructuras. Su propuesta pasa por aprovechar mejor las tecnologías digitales y desarrollar análisis más específicos para cada elemento del puente. La idea de fondo es sencilla: para afrontar el envejecimiento de las infraestructuras y sus crecientes necesidades de mantenimiento, no basta con desarrollar nuevas teorías; también hay que conseguir que estas lleguen a los proyectos reales.

El mantenimiento de puentes no se trata solo de mantener las estructuras en buen estado. También implica decidir cómo invertir los recursos disponibles, reducir el impacto ambiental y garantizar que estas infraestructuras sigan prestando servicio durante décadas. En un sector que genera una parte importante de las emisiones asociadas a la energía y al CO₂, avanzar hacia el objetivo de cero emisiones netas para 2050 exige replantear también la forma en que cuidamos lo ya construido.

Para conocer hasta dónde ha llegado la investigación en esta materia, los autores revisaron 51 artículos publicados entre 2000 y 2025. El análisis deja una fotografía bastante clara del estado actual del campo: los puentes de hormigón concentran buena parte de la atención científica, mientras que los de acero y las estructuras mixtas siguen siendo mucho menos estudiados.

Pero hay otro problema que quizá sea todavía más relevante: muchas de las soluciones propuestas sobre el papel no han dado el salto a la práctica. La revisión detecta una brecha entre los marcos metodológicos desarrollados por los investigadores y los casos reales en los que dichos métodos se ponen a prueba. A ello se suman la escasez de datos y las limitaciones de los análisis actuales de ciclo de vida, que no siempre pueden adaptarse a las necesidades cambiantes de los gestores de infraestructuras.

El mensaje de la revisión es claro:

Investigar nuevas formas de hacer más sostenible el mantenimiento de los puentes no basta si esas soluciones no llegan a los puentes que tenemos delante.

Desafíos globales y necesidades de mantenimiento.

La infraestructura mundial se enfrenta a una crisis inminente debido al envejecimiento de los activos y al aumento de la demanda no planificada. El coste total de inspección, evaluación y mantenimiento se estima entre el 10 % y el 20 % del coste de reconstrucción, lo que subraya la importancia de la eficiencia.

Comparativa de deficiencias estructurales por país

El análisis estadístico de regiones clave evidencia disparidades en el estado de conservación y en las tasas de inversión.

País Puentes con deficiencias estructurales (%) Contexto específico
China 11,9 % Crecimiento masivo (de 878.300 puentes en 2019 a más de 1,07 millones en 2023). La nueva construcción supera al mantenimiento.
Alemania 10,0 % 1 de cada 10 puentes es estructuralmente deficiente; cerca de 1.000 puentes de autopista están afectados.
Hungría 10,0 % Edad promedio de 46 años; el 10% de los puentes en las carreteras nacionales requiere reparación en 1-2 años.
EE. UU. 7,5 % 1 de cada 4 puentes tiene más de 50 años. El mantenimiento avanza 20 veces más lento de lo requerido.

El mantenimiento avanza a una tasa casi 20 veces más lenta de la requerida, lo que indica una desinversión sistémica en lugar de un deterioro rápido.

Análisis del panorama de la investigación (2000-2025).

El análisis bibliométrico revela una divergencia en la manera en que las bases de datos abordan la sostenibilidad. Mientras que Scopus la aborda principalmente como un problema de materiales e ingeniería, Web of Science se centra en políticas y en gestión económica.

Temas dominantes y desatendidos

  • Predominio: los materiales sostenibles y el pilar económico son los temas más frecuentes.
  • Retraso: el análisis del ciclo de vida (LCA) y los sistemas de calificación son los temas menos discutidos. El número de publicaciones sobre materiales es 3,75 veces mayor que el de LCA.
  • Causas del retraso del LCA: los protocolos poco dinámicos, la falta de datos sobre el carbono embebido en los materiales de reparación y la presión económica y temporal en las decisiones de mantenimiento.

Clasificación de la literatura y de las metodologías.

La investigación se clasifica en cuatro categorías principales en función de su contribución principal:

Categoría Cantidad de artículos Descripción
Desarrollo de marcos y metodologías 20 Propuestas de nuevos conceptos, métodos o algoritmos.
Casos de estudio y análisis comparativos 18 Aplicación a sistemas del mundo real y validación con datos reales.
Revisiones 7 Ensamblaje de conocimiento y orientación crítica.
Modelos teóricos y prácticas generales 6 Discusiones teóricas generales y principios.

España lidera la investigación mundial en mantenimiento sostenible de puentes, ya que ha aportado 12 de los 51 artículos analizados en la revisión bibliométrica (Kattoub & Kegyes-Brassai, 2026), situándose por delante de potencias como China y Estados Unidos (con 9 publicaciones cada uno) y superando la producción conjunta de otros seis países europeos —Italia, Suecia, Ucrania, Francia, Suiza y Alemania—, que suman 8 trabajos. De hecho, España, China y EE. UU. forman el reducido grupo de países (menos del 20 %) que concentra casi el 60 % de toda la investigación científica en este ámbito. A nivel metodológico, mientras la contribución de China se distribuye de manera más uniforme entre las distintas categorías del estudio, la aportación española destaca por centrarse mayoritariamente en estudios de caso y en evaluaciones comparativas. No obstante, los propios autores señalan que este predominio plantea limitaciones geográficas, ya que los marcos desarrollados en España incorporan supuestos específicos del contexto local (como costes, cadenas de suministro o clima) que requieren validación previa antes de su extrapolación a las infraestructuras de otras naciones.

La brecha teoría-práctica

Existe una tendencia a «proponer y abandonar» marcos de trabajo. Al haber más publicaciones de marcos (20) que de casos de estudio (18), la validez de estas herramientas resulta cuestionable. A menudo, los investigadores proponen algoritmos complejos de toma de decisiones multicriterio (MCDM) que se ignoran en condiciones reales a favor de alternativas más simples.

Análisis de cobertura: sesgos en los materiales y en los elementos.

Un hallazgo crítico es el desequilibrio en el enfoque técnico de las investigaciones.

  • Dominio del hormigón: se identificaron 22 artículos centrados en el hormigón, el hormigón armado y los aditivos (como cenizas volantes y humo de sílice), frente a solo 4 dedicados al acero y 6 a los puentes mixtos.
  • Ambigüedad de los elementos: Más del 60 % de los estudios no especifican qué elemento exacto del puente (tablero, vigas o losas) se analiza. Esto socava la aplicabilidad práctica, ya que las consecuencias económicas y ambientales varían drásticamente entre la sustitución de un tablero y el refuerzo de una viga.
  • Sesgo geográfico: España lidera la investigación con 12 manuscritos, seguida de China y EE. UU. con 9 cada uno. Esto limita la generalizabilidad de los marcos desarrollados debido a las diferencias climáticas (ciclos de hielo-deshielo) y a los costes de los materiales.

Transformación digital y tecnologías emergentes.

A pesar de su potencial, las tecnologías digitales modernas están subrepresentadas en la red de palabras clave de la literatura analizada.

  • BIM (Building Information Modeling): se utiliza principalmente para la visualización de daños y la gestión de la información, pero su integración en los casos de estudio de mantenimiento sigue siendo limitada.
  • Inteligencia artificial: herramientas como las redes neuronales convolucionales (CNN) y los algoritmos YOLO han mostrado una precisión de 0,91 en la detección de grietas.
  • Digital Twins y IoT: representan el siguiente paso para la monitorización en tiempo real y la toma de decisiones de mantenimiento proactivas, aunque requieren una mayor inversión inicial.

Hoja de ruta para la investigación futura.

Para cerrar las brechas identificadas, se propone la siguiente hoja de ruta, estructurada por urgencia y prioridad:

Prioridad alta/corto plazo:

  • LCA en puentes mixtos (acero-hormigón): expandir el uso del análisis de ciclo de vida más allá del hormigón.
  • Marcos con modelos de optimización: integrar modelos matemáticos robustos en los marcos de trabajo propuestos.
    Análisis orientado a elementos: Declarar explícitamente el componente del puente objeto de estudio para mejorar la transparencia.

Prioridad media/corto plazo:

  • Especificación de los tipos de diseño estructural (para evitar la ambigüedad en la tipología de la estructura).
  • Análisis de puentes pretensados: investigar más a fondo sus impactos sociales y económicos.
  • Equilibrio en la investigación de materiales: reducir el sesgo hacia el hormigón.

Investigación fundamental:

Incorporación eficiente del LCA en puentes reales: superar la falta de datos y la resistencia de los propietarios de infraestructuras para implementar evaluaciones de sostenibilidad en proyectos complejos del mundo real.

Conclusión

La sostenibilidad en el mantenimiento de puentes exige un cambio de paradigma hacia un modelo decididamente orientado a la aplicación que supere la brecha existente entre la formulación metodológica teórica y la práctica operativa. Para transformar los desarrollos analíticos en herramientas de gestión viables, es imperativo validar los marcos metodológicos en proyectos del mundo real, exigir la caracterización explícita y transparente de las tipologías y de los elementos estructurales evaluados, y diversificar el análisis hacia materiales de acero y sistemas mixtos, frente al predominio tradicional del hormigón. Esta evolución debe articularse mediante la integración sistémica de la transformación digital, impulsada por la inteligencia artificial, el BIM, el IoT y los gemelos digitales, y establecer un ecosistema de mantenimiento predictivo que optimice el uso de recursos y asegure la resiliencia a largo plazo de las redes globales de transporte.

El futuro de la red de infraestructuras no depende de crear más algoritmos teóricos, sino de operacionalizar la sostenibilidad en las decisiones diarias de gestión de activos.

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tema.

El siguiente vídeo explica bien lo comentado en el artículo.

Referencia:

Referencias de nuestro grupo en el artículo:

  • García-Segura, T., Penadés-Plà, V., & Yepes, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202, 904–915.
  • Martínez-Muñoz, D., Martí, J. V., & Yepes, V. (2020). Steel–concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance, and decision-making. Advances in Civil Engineering, 2020, 8823370.
  • Martínez-Muñoz, D., Martí, J. V., & Yepes, V. (2021). Comparative life cycle analysis of concrete and composite bridges varying steel recycling ratio. Materials, 14(15), 4218.
  • Martínez-Muñoz, D., Martí, J. V., & Yepes, V. (2022). Social impact assessment comparison of composite and concrete bridge alternatives. Sustainability, 14(9), 5186.
  • Milani, C. J., Yepes, V., & Kripka, M. (2020). Proposal of sustainability indicators for the design of small-span bridges. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(12), 4488.
  • Navarro, I. J., Penadés-Plà, V., Martínez-Muñoz, D., Rempling, R., & Yepes, V. (2020). Life cycle sustainability assessment for multicriteria decision making in bridge design: a review. Journal of Civil Engineering and Management, 26, 690–704.
  • Navarro, I. J., Yepes, V., & Martí, J. V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments. Environmental Impact Assessment Review, 72, 50–63.
  • Navarro, I. J., Yepes, V., Martí, J. V., & González-Vidosa, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks. Journal of Cleaner Production, 196, 698–713.
  • Navarro, I. J., Yepes, V., & Martí, J. V. (2020). Role of the social dimension in the sustainability-oriented maintenance optimization of bridges in coastal environments. WIT Transactions on the Built Environment, 196, 205–215.
  • Navarro, I. J., Yepes, V., & Martí, J. V. (2020). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weight. Structure and Infrastructure Engineering, 16, 949–967.
  • Penadés-Plà, V., García-Segura, T., Martí, J. V., & Yepes, V. (2016). A review of multi-criteria decision-making methods applied to the sustainable bridge design. Sustainability, 8(12), 1295.
  • Penadés-Plà, V., Martí, J. V., García-Segura, T., & Yepes, V. (2017). Life-cycle assessment: a comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges. Sustainability, 9(10), 1864.
  • Penadés-Plà, V., García-Segura, T., Martí, J. V., & Yepes, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge. Sustainability, 10(3), 685.
  • Penadés-Plà, V., Martinez-Munoz, D., García-Segura, T., Navarro, I. J., & Yepes, V. (2020). Environmental and social impact assessment of optimized post-tensioned concrete road bridges. Sustainability, 12(10), 4265.
  • Zhou, Z. W., Alcalá, J., Kripka, M., & Yepes, V. (2021). Life cycle assessment of bridges using Bayesian networks and fuzzy mathematics. Applied Sciences, 11, 4916.
  • Zhou, Z., Alcalá, J., & Yepes, V. (2021). Environmental, economic and social impact assessment: study of bridges in China’s five major economic regions. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(1), 122.

 

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Puentes que mueren jóvenes: el coste invisible del calentamiento global en nuestra infraestructura

Cuando cruzamos un puente moderno, lo hacemos confiados en que la ingeniería ha superado la prueba del tiempo. Estas estructuras están diseñadas para durar, por norma general, al menos un siglo. Sin embargo, en todo el mundo, los gigantes de hormigón y acero están fallando décadas antes de lo previsto. ¿Por qué las infraestructuras que deberían ser monumentos a la estabilidad sucumben prematuramente? El enemigo no solo es el desgaste provocado por el tráfico o el paso de los años, sino también un factor mucho más sutil y persistente: el estrés térmico causado por el calentamiento global.

Un estudio fundamental realizado por nuestro equipo de investigación revela que el aumento de las temperaturas globales no solo supone una amenaza medioambiental, sino que también acelera la fatiga estructural. Esta investigación, que analiza la termodinámica de los puentes atirantados, pone de manifiesto una crisis silenciosa de infraestructuras que está disparando los riesgos para la seguridad y las emisiones de carbono a niveles alarmantes.

La muerte prematura del 8,67 % de los puentes del mundo.

La estadística es contundente: el 8,67 % de los puentes atirantados a nivel mundial han entrado en una fase de demolición prematura durante su vida útil. Este hallazgo desmonta la promesa del «periodo de diseño de 100 años» que rige la ingeniería civil contemporánea.

La realidad técnica es sombría. El estudio analiza casos como los del puente Nan’ao (NAB) y el puente del río Amarillo (YRB), cuyas vidas útiles se ven drásticamente reducidas por el estrés térmico acumulado. Es particularmente alarmante el caso del puente NAB: aunque fue diseñado para durar un siglo, la evaluación técnica de su vida útil por fatiga bajo condiciones de estrés térmico extremo y ciclos de congelación-descongelación proyectó una vida útil de apenas 6166 años. No se trata de un error de construcción, sino de una proyección científica sobre cómo la fatiga acumulada por el calor extremo «devora» la capacidad de carga de la estructura.

«La tendencia preocupante de las emisiones globales y la ineficiencia de los modelos de diseño actuales frente al cambio climático están provocando que la infraestructura se convierta en una fuente de riesgo inesperada, en la que la acumulación continua de daño térmico es el factor causal principal».

El «Carbon Drift»: un coste ambiental 2,7 veces mayor de lo previsto.

El estudio introduce un marco métrico tridimensional crucial: la «deriva de carbono». Esta métrica no solo mide el CO₂, sino que también considera el tiempo, la geografía y el rendimiento estructural para revelar la verdadera huella climática de una obra. Los datos revelan que esta degradación prematura ha generado un exceso de más de 100 millones de toneladas de emisiones de carbono.

Lo más impactante es que esta cifra equivale a 2,70 veces la producción de carbono proyectada originalmente en la fase de diseño. Aquí reside la «paradoja de la reconstrucción»: el calor daña el puente, lo que nos obliga a reconstruirlo con cemento, lo cual, a su vez, emite más CO₂ y acelera el calentamiento global. La degradación estructural se convierte así en un acelerador del cambio climático, creando un círculo vicioso de emisiones no contabilizadas que sabotea los objetivos globales de sostenibilidad.

La paradoja geográfica: las zonas templadas con mayor riesgo

Contrariamente a lo que cabría esperar, las regiones más calurosas del planeta no son necesariamente las más vulnerables. El modelado geoespacial ha identificado que las zonas de clima marítimo y de clima continental templado presentan la mayor vulnerabilidad estructural debido a la alta variabilidad de sus ciclos térmicos.

Esta paradoja se explica por la interacción entre la variabilidad climática regional y los gradientes altitudinales. En regiones como China, los datos técnicos muestran que, por cada 100 metros de altitud, la temperatura desciende entre 0,579 y 0,613 °C. Esta fluctuación, sumada a los cambios estacionales, intensifica los ciclos de congelación y descongelación, lo que provoca una fatiga en el hormigón mucho más agresiva que la causada por un calor constante. Los factores críticos identificados son:

  • Fluctuaciones de temperatura extrema: La amplitud entre máximas y mínimas genera un microestrés constante.
  • Gradientes de altitud: Las zonas montañosas experimentan ciclos térmicos más intensos y frecuentes.
  • Ciclos térmicos intensificados: El paso constante de frío a calor genera microfisuras que comprometen la integridad química del material.

La física del daño: por qué el hormigón se rinde ante el calor.

Para entender esta crisis, debemos observar la microestructura del material. El calor induce lo que los ingenieros llaman «deterioro termomecánico» y «evolución de la fluencia» (creep evolution). En un proceso de «ablación interna» progresiva, las altas temperaturas oxidan los microcristales de carbono de la estructura, generando microestrés que propaga grietas de forma invisible. Con el tiempo, esto debilita la adherencia crítica entre el acero de refuerzo y el hormigón, lo que deteriora la capacidad de carga de manera desigual hasta que se produce el fallo final.

El coste ambiental de este fallo es enorme debido a una relación física implacable: 1 tonelada de cemento emite aproximadamente 0,9 toneladas de CO₂. Cada reparación obligada por el calor supone un golpe severo al presupuesto de carbono del planeta.

«Desde la perspectiva de la termodinámica, la predicción precisa de la respuesta estructural en entornos de alta temperatura es esencial para prevenir deformaciones generales y el colapso de la capacidad de carga en la ingeniería civil moderna».

Hacia una infraestructura de «bajo carbono»: ¿es suficiente?

El estudio propone soluciones basadas en materiales de vanguardia para mitigar este impacto y aumentar la resiliencia.

  • Sustitutos del clínker: El uso de arcilla calcinada (calcined clay), cenizas volantes y escoria de alto horno puede reducir las emisiones de CO2 entre un 14% y un 22%.
  • Nanotecnología: La incorporación de nano CaCO3 en una proporción óptima del 2% para mejorar la resistencia a la compresión y la densidad de la matriz del concreto.
  • Diseño híbrido: Optimización mediante agregados reciclados para reducir el carbono incorporado en las materias primas.

Sin embargo, la innovación en materiales es solo la mitad de la batalla. El reto principal es normativo: es urgente recalibrar los códigos de diseño. Los estándares actuales están diseñados para un clima estable que ya no existe y no contemplan los extremos térmicos a los que nos enfrentaremos en las próximas décadas.

Conclusión: ¿Estamos diseñando para un mundo que ya no existe?

La infraestructura global se encuentra hoy en una carrera desesperada contra el tiempo y el termómetro. Los datos de Zhiwu Zhou et al. son una advertencia final sobre el «clima overshoot» o sobrepasado: nuestras ciudades están sostenidas por estructuras que envejecen a una velocidad que no previmos y que emiten más carbono del que podemos permitirnos.

Al finalizar este análisis, surge una pregunta inevitable que debe resonar en cada oficina de planificación urbana: ¿están nuestras ciudades listas para los desafíos térmicos de 2050 o estamos construyendo hoy, con cada nuevo puente de diseño tradicional, los monumentos de nuestra propia obsolescencia?

En esta conversación puedes escuchar algunas de las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo resume bien el contenido del trabajo.

Referencia:

ZHOU, Z.; DING, F.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2026). Thermal damage and lifespan deterioration of global infrastructure under climate warming. Thermal Science and Engineering Progress, 78, 104910. DOI:10.1016/j.tsep.2026.104910

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Degradación termo-mecánica e impacto de carbono: obsolescencia prematura de infraestructuras por el calentamiento global

Acaban de publicar un artículo nuestro en Thermal Science and Engineering Progress, una de las revistas de mayor impacto científico, ubicada en el primer cuartil del JCR. Este estudio científico analiza cómo el calentamiento global y las temperaturas extremas aceleran la degradación física de la infraestructura vial, con especial atención a los puentes atirantados de hormigón.

La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Además, muestra la internacionalización de nuestro grupo de investigación, en este caso, con China. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.

Este trabajo sintetiza una investigación profunda sobre el impacto del calentamiento global en la infraestructura crítica, en particular en los puentes atirantados de hormigón. El estudio revela una presión dual: el calentamiento acelera la degradación estructural y, simultáneamente, amplifica las emisiones de carbono incorporadas debido a la necesidad de demoliciones prematuras y reparaciones no planificadas.

Los hallazgos clave indican que el 8,67% de los puentes atirantados a nivel mundial han entrado en una fase de demolición prematura durante su etapa operativa. Esto ha generado emisiones de carbono excedentes de más de 100.000 toneladas, una cifra equivalente a 2,70 veces la producción de carbono proyectada en la etapa de diseño original. Las regiones de clima templado marítimo y continental se identifican como zonas de alta vulnerabilidad, lo que exige una recalibración urgente de los códigos de diseño para garantizar la sostenibilidad y la resiliencia de la infraestructura global.

1. El impacto térmico en las estructuras de hormigón

El calentamiento global altera el equilibrio termomecánico de las estructuras, afectándolas principalmente mediante dos mecanismos: el gradiente térmico y la temperatura uniforme.

1.1. Mecanismos de deterioro

  • Efectos térmicos estáticos: Bajo condiciones de alta temperatura, las estructuras sufren deformaciones y tensiones excesivas que pueden comprometer su integridad microestructural.
  • Evolución de la fluencia (creep): En condiciones de carga variable y a alta temperatura, la microestructura experimenta una evolución gradual de la fluencia. Esto induce tensiones que inician y propagan grietas.
  • Efecto de retraso temporal (time-lag): Los fenómenos de retraso o diferencias de fase en la variación de la temperatura entre distintas ubicaciones estructurales son factores determinantes de la acumulación continua de daños.

1.2. Factores de degradación química y física

El deterioro es un proceso acoplado multivariable influenciado por:

  • Reacción álcali-sílice: Causa pérdida de propiedades mecánicas y reducción de la durabilidad del agregado.
  • Corrosión de armaduras: La temperatura es el principal factor que acelera la corrosión de las armaduras en el hormigón.
  • Gradientes térmicos severos: La exposición repetida a gradientes de temperatura extremos provoca grietas que afectan la vida útil normal y el funcionamiento.

2. Marco metodológico y modelización

La investigación emplea un marco multidisciplinario, basado en la física, que vincula el forzamiento climático a escala macro con el deterioro estructural a escala micro.

2.1. Innovaciones en el modelado

  • Métrica de deriva de carbono 3D: Un nuevo marco para acoplar la variabilidad climática regional con la decadencia del rendimiento estructural.
  • Modelo de daño térmico global: Incorpora la cuantificación de la incertidumbre y la caracterización estadística de eventos extremos.
  • Simulaciones de elementos finitos: Modelización detallada que incluye temperaturas extremas específicas del sitio, gradientes altitudinales e incertidumbre climática.

2.2. Ecuaciones fundamentales de transferencia de calor

El estudio se apoya en la ley de conducción de calor de Fourier y en modelos mejorados de radiación solar (Kelvin) para calcular la intensidad de radiación total, considerando las radiaciones directas, dispersas, reflejadas por el suelo e inversas atmosféricas.

3. Análisis de casos de estudio: puentes de gran luz

Se analizaron cuatro puentes atirantados en diferentes regiones climáticas para evaluar su deformación ante gradientes de temperatura extremos a lo largo de un ciclo de 50 años (1975–2025).

Tabla 1: Resumen de puentes analizados y rendimiento térmico

Puente Ubicación / clima Altitud promedio Ciclos hielo-deshielo (>20 °C) Vida útil de diseño Vida de fatiga estimada
NAB (Nan’ao) Monzón subtropical 15 m 3.098 100 años 6,166 años
MRB (Meixi) Monzón cálido/húmedo 943 m 3.672 100 años 20,470 años
WEB (Wuhekou) Transicional cálido 194 m 4.302 100 años 22,117 años
YRB (Yellow River) Continental templado 1.630 m 3.808 100 años 16,916 años

Hallazgos críticos por caso:

  • NAB: El análisis de acoplamiento térmico mostró que la vida operativa real caería a 93,834 años, por debajo del diseño original de 100 años.
  • MRB: Bajo ciclos intensos de hielo-deshielo, la vida útil se redujo drásticamente entre 65,9 y 93,1 años respecto a su vida útil de diseño original.
  • WEB: Presentó una relación de tensión térmica entre las losas superior e inferior de 2,818, lo cual fue la principal causa del arqueo en la viga principal.
  • YRB: Las temperaturas extremas (mínima de -21,7 °C) y la alta altitud provocaron una reducción masiva de la durabilidad, con una vida de fatiga acumulada de apenas 16,9 años en condiciones críticas.

4. Sostenibilidad y emisiones de carbono

La industria del hormigón enfrenta desafíos críticos, dado que la producción de una tonelada de cemento emite aproximadamente 0,9 toneladas de CO2.

4.1. El ciclo de retroalimentación climática

El estudio advierte sobre un círculo vicioso: el calentamiento global acelera el deterioro de las infraestructuras, lo que obliga a reconstrucciones prematuras, que a su vez generan más emisiones de CO2 y aceleran aún más el calentamiento. Por cada 1% de aumento en la tasa de crecimiento de las emisiones de carbono, la temperatura media aumenta en 0,01873 °C.

4.2. Análisis regional de emisiones excedentes

El equipo investigó 1.427 puentes atirantados en 27 países, dividiendo los hallazgos por regiones:

  • Norteamérica: En EE. UU., 14 puentes superaron su vida útil real calculada tras el daño térmico, entrando en periodo de demolición. Las emisiones en el periodo de demolición aumentaron un 488,19% en la región.
  • Europa: Alemania e Italia representan el 34,63% y el 15,24% de los puentes europeos, respectivamente. Tras el daño por fatiga ambiental, las emisiones durante el periodo de mantenimiento en Europa disminuyeron un 29,68% debido a demoliciones tempranas, pero las emisiones por demolición aumentaron un 1054,14%.
  • Asia-Pacífico: China representa el 43,22% de la región. Aunque muchos puentes son nuevos, la sensibilidad térmica indica que, al aumentar la temperatura, las propiedades de corte y la adherencia entre el acero y el hormigón disminuyen drásticamente.

5. Soluciones y mitigación: hormigón de bajas emisiones

Para cumplir con la Agenda 2030 de la ONU, resulta necesario adoptar materiales y tecnologías sostenibles.

Tabla 2: Tecnologías de Reducción de Carbono en la Construcción

Estrategia Materiales / Métodos Efecto en reducción de CO2
Sustitución de clinker Cenizas volantes, escoria, arcilla calcinada Reducción del 14% – 22%
Adhesivos sin cemento Materiales cementicios activados por álcalis Reducción de hasta el 80%
Optimización híbrida Áridos reciclados Reducción del 22% – 46% en materias primas
Nanotecnología Nano-rellenos de CaCO3 (2%) Mejora la resistencia y propiedades de la matriz
Captura de carbono Absorción química / Ciclo de calcio Captura directa de emisiones de CO2

6. Conclusiones y recomendaciones

La investigación concluye que el modelo tradicional de diseño de infraestructura resulta insuficiente frente a la volatilidad climática actual.

  1. Recalibración de códigos: Es urgente actualizar las especificaciones de diseño de vida útil, incorporando modelos de daño térmico que consideren eventos climáticos extremos y variaciones altitudinales.
  2. Enfoque interdisciplinario: La evaluación de infraestructuras debe integrar mecánica, termodinámica, ciencias sociales y detección remota para identificar las causas raíz de las fallas.
  3. Priorización de nuevos materiales: La durabilidad a largo plazo de los nuevos materiales de bajo carbono requiere una evaluación continua en entornos naturales reales, ya que la investigación actual en este ciclo de vida es insuficiente.
  4. Gestión de riesgos de «overshoot»: La industria de la infraestructura debe reconocer su papel decisivo en el riesgo de superación climática a nivel regional y global, y adoptar estrategias de diseño adaptativo para evitar el colapso prematuro de activos críticos.

Referencia:

ZHOU, Z.; DING, F.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2026). Thermal damage and lifespan deterioration of global infrastructure under climate warming. Thermal Science and Engineering Progress, 78, 104910. DOI:10.1016/j.tsep.2026.104910

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¿Prefabricado o «in situ»? El dilema del ciclo de vida en los marcos de hormigón

Para comprender la magnitud del desafío al que se enfrenta la infraestructura moderna, basta con observar un dato: para encontrar el equilibrio perfecto entre eficiencia y ética, la ingeniería ha tenido que analizar hasta 50 configuraciones optimizadas de una estructura que la mayoría de nosotros apenas notamos. Nos referimos a los pasos inferiores y a los marcos de carretera: ese esqueleto invisible de hormigón que sostiene nuestras vías de comunicación.

Como ingenieros, nos enfrentamos a una pregunta recurrente: ¿es mejor construir in situ (ISRCF), vertiendo el hormigón directamente en la obra, o apostar por sistemas prefabricados modulares (PRCAF)? La respuesta no es una verdad absoluta, sino un complejo mapa de compromisos en el que la geometría de la obra decide quién gana la batalla por la sostenibilidad.

Los resultados que presentamos son fruto de la siguiente publicación:

RUIZ-VÉLEZ, A.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2026). Life-cycle environmental and social trade-offs in concrete road frame systems. Cleaner Environmental Systems, 22, 100462. DOI:10.1016/j.cesys.2026.100462

El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La prefabricación: el campeón ambiental (con matices).

Si analizamos los datos con la metodología ReCiPe 2016, el sistema prefabricado (PRCAF) se presenta como el líder indiscutible en términos ambientales. Las cifras del estudio son claras: estas soluciones logran reducir el potencial de calentamiento global (GWP) entre un 9 % y un 17 % en comparación con los marcos construidos in situ.

Esta ventaja se debe principalmente a la optimización de las secciones transversales. Al producirse en entornos industriales controlados, el carbono embebido se reduce significativamente al emplear secciones más esbeltas y eficientes. Sin embargo, como expertos, debemos ser cautos al generalizar. Como bien señala la investigación original:

«No existe una tipología de construcción universalmente preferible; el rendimiento ambiental y social del ciclo de vida varía según la escala geométrica».

El factor de escala: por qué la longitud es el verdadero enemigo.

Al estudiar configuraciones de entre 8 y 16 metros de vano (longitud), hemos descubierto que la geometría dicta el impacto ambiental con una severidad implacable. El hallazgo técnico es contundente: aumentar el vano en solo dos metros incrementa el GWP entre un 23 % y un 25 %, mientras que cada metro adicional de profundidad del suelo solo lo incrementa en un 11 %.

¿Por qué ocurre esto? La respuesta se basa en la mecánica estructural básica del Eurocódigo 2. El aumento de la longitud del vano obliga a un incremento cuadrático de la demanda de material para contrarrestar los momentos flectores y garantizar la funcionalidad (control de grietas). En cambio, la profundidad del suelo genera principalmente cargas verticales, cuya relación con el consumo de material es mucho más lineal y moderada. En ingeniería, la longitud no solo es distancia, sino que también representa una carga exponencial para el planeta.

El sorprendente «giro» social: lo tradicional recupera terreno.

Aquí es donde el análisis técnico, realizado bajo los marcos PSILCA y la plataforma SOCA v2, revela una realidad contraintuitiva. Aunque el prefabricado es mejor desde el punto de vista ambiental, el sistema in situ (ISRCF) recupera una ventaja competitiva social en proyectos a gran escala.

Al alcanzar vanos de entre 14 y 16 metros, se presentan los denominados «puntos de cruce» (crossover points). En estas dimensiones, el sistema tradicional tiene un impacto social hasta un 10,8 % menor. Esto sucede porque, a gran escala, los riesgos de la cadena de suministro y de la logística de transporte de piezas prefabricadas en masa empiezan a superar la eficiencia industrial. El sistema ISRCF, al ser más intensivo en mano de obra local, actúa como un motor de resiliencia para la comunidad.

Para entender este impacto, debemos considerar los cuatro grupos de partes interesadas definidos por el modelo PSILCA: trabajadores, comunidad local, actores de la cadena de valor y sociedad.

Beneficios sociales según la escala del proyecto:

  • Vanos pequeños (8-10 metros): el sistema PRCAF es superior. La mecanización reduce los riesgos laborales para los trabajadores y minimiza las molestias (ruido, tráfico) para la comunidad local.
  • Vanos grandes (14-16 metros): el sistema ISRCF es preferible. Fomenta el empleo directo en la zona y fortalece a los actores locales de la cadena de valor (canteras y plantas cercanas), reduce la dependencia de riesgos globales y optimiza el impacto en la sociedad local.

 Estos resultados, evidentemente, dependen de las circunstancias locales. Por tanto, pueden variar según la región o las prioridades de cada caso concreto.

El ciclo de vida completo: del cemento a la carbonatación.

Para tomar una decisión ética, debemos aplicar un enfoque de «cuna a tumba» (cradle-to-grave). En los sistemas PRCAF, el impacto se concentra principalmente en la fase de fabricación, que representa entre el 89 % y casi el 100 % del total debido a la intensidad energética de las plantas industriales. En cambio, los sistemas ISRCF distribuyen su huella de forma más equilibrada entre la construcción y el fin de vida útil.

Un factor vital en este ciclo es la carbonatación. Durante los 100 años de vida útil definidos para estas estructuras, el hormigón actúa como una esponja química que secuestra CO₂. Este proceso se intensifica en la fase de desmantelamiento, cuando el hormigón triturado maximiza su superficie expuesta.

«El enfoque «de la cuna a la tumba» es esencial, ya que nos permite considerar no solo el impacto de fabricar hormigón, sino también su capacidad para absorber carbono y su facilidad de reciclaje al final de su vida útil».

Conclusión: hacia una ingeniería de precisión ética.

La elección entre el prefabricado y el in situ no debe tomarse a la ligera. Depende de la escala geométrica y de las prioridades del proyecto. Si buscamos la máxima eficiencia en GWP para un paso inferior pequeño, la opción es el PRCAF. Sin embargo, si nos enfrentamos a una estructura de gran vano en la que el tejido social es una prioridad, el ISRCF puede ser la opción más sostenible en términos integrales.

El futuro nos exige emplear la optimización paramétrica desde las primeras fases del diseño. Solo así podremos avanzar hacia una infraestructura que no solo soporte el tráfico, sino que también sostenga de manera equilibrada nuestro entorno y nuestras comunidades.

Como ciudadanos y profesionales, nos queda una reflexión pendiente: ¿deberíamos priorizar siempre la eficiencia industrial y la rapidez del prefabricado o es momento de dar más peso a la resiliencia social y al empleo local en las obras públicas que definen nuestro futuro?

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes de esta investigación.

Este vídeo resume bien el contenido del artículo científico al que hacemos referencia.

Infrastructure_Sustainability_Scaling

El artículo completo, al estar publicado en abierto, puede obtenerse haciendo clic en 1-s2.0-S2666789426000681-main.

Referencia:

RUIZ-VÉLEZ, A.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2026). Life-cycle environmental and social trade-offs in concrete road frame systems. Cleaner Environmental Systems, 22, 100462. DOI:10.1016/j.cesys.2026.100462

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Special Issue: Multi-Objective Optimization: Theory, Methods, and Applications

Mathematics is a peer-reviewed, open-access journal that provides an advanced forum for studies related to mathematics. It is published online by MDPI semimonthly. The European Society for Fuzzy Logic and Technology (EUSFLAT) and the International Society for the Study of Information (IS4SI) are affiliated with Mathematics, and their members receive a discount on article processing charges.

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  • Journal Rank: JCR – Q1 (Mathematics) / CiteScore – Q1 (General Mathematics)
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  • Recognition of Reviewers: reviewers who provide timely, thorough peer-review reports receive vouchers entitling them to a discount on the APC of their next publication in any MDPI journal in appreciation of the work done.
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Impact Factor: JCR – Q1 (Mathematics) / CiteScore – Q1 (General Mathematics)

Special Issue: Multi-Objective Optimization: Theory, Methods, and Applications

A special issue of Mathematics (ISSN 2227-7390). This special issue belongs to the section «E: Applied Mathematics«.

Deadline for manuscript submissions: 28 February 2027 

Special Issue Editors

 

Prof. Dr. Víctor Yepes E-Mail Website Guest Editor
Institute of Concrete Science and Technology (ICITECH), Construction Engineering Department, Universitat Politècnica de València, 46022 València, Spain
Interests: multiobjective optimization; structures optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; reliability-based maintenance optimization; optimization and decision-making under uncertainty
Special Issues, Collections and Topics in MDPI journals

 

Prof. Dr. Moacir Kripka E-Mail Website Guest Editor
Civil and Environmental Engineering Graduate Program (PPGEng), University of Passo Fundo, Passo Fundo CEP 99052-900, Brazil
Interests: structural analysis; optimization; engineering optimization; linear programming; mathematical programming; heuristics; structural optimization; concrete; combinatorial optimization; structural engineering; multiobjective optimization; reinforced concrete; optimization methods; discrete optimization; optimization theory; optimization software
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Dr. José Antonio García E-Mail Website Guest Editor
Escuela de Ingeniería en Construcción, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Avenida Brasil 2147, Valparaíso 2362804, Chile
Interests: optimization; deep learning; operations research; artificial intelligence applications to industrial problems
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Special Issue Information

Dear Colleagues,

As a result of increased competitiveness driven by globalization, the use of optimization techniques has increased in recent decades. With the development of new methods and the greater availability of computer resources, applications across the most diverse fields of knowledge have spread, from academic research to the day-to-day operations of companies. However, a more realistic approach can be achieved if several objectives are integrated into the process. Thus, an exciting strategy cannot only meet cost requirements, for example, but must also address durability, efficiency, reliability, and sustainability. Given that several objectives are involved, which are usually in conflict with each other, new strategies are needed, along with new, more complete applications. In this sense, the Special Issue, titled “Multi-Objective Optimization: Theory, Methods, and Applications”, aims to provide a platform for the dissemination of knowledge related to multi-objective optimization. Research articles that employ efficient, innovative optimization methods and explore new applications across diverse areas of expertise are sought, promoting the exchange of ideas and trends related to the subject.

Prof. Dr. Víctor Yepes
Prof. Dr. Moacir Kripka
Dr. José Antonio García
Guest Editors

 

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Submitted manuscripts should not have been published previously, nor be under consideration for publication elsewhere (except conference proceedings papers). All manuscripts are thoroughly refereed through a single-blind peer-review process. A guide for authors and other relevant information for manuscript submission is available on the Instructions for Authors page. Mathematics is an international, peer-reviewed, open-access, semimonthly journal published by MDPI.

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Keywords

  • multi-objective optimization
  • optimization methods
  • optimization applications
  • innovative methods and algorithms

Published Papers

This special issue is now open for submission.

Resultados intermedios del proyecto de investigación RESILIFE

En este momento, estamos elaborando la justificación técnica y económica del proyecto de investigación RESILIFE. Los investigadores principales son Víctor Yepes y Julián Alcalá. El proyecto comenzó el 1 de septiembre de 2024 y se prevé que finalice a finales de 2027. Hemos hablado mucho de este proyecto en el blog.

Se trata del proyecto PID2023-150003OB-I00, cuya denominación es: «Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas».

En la fase intermedia del proyecto, se han publicado 25 artículos en revistas indexadas en el JCR, de los cuales 17 están en el primer cuartil y 8 en el segundo. Pero quizás sea importante destacar que de ellos, 13 se han publicado en revistas del primer decil. Entre ellos tenemos un Featured Paper Award de Engineering Structures. En las referencias, al final de esta entrada, tenéis los artículos y sus enlaces para su descarga.

Este esfuerzo ha sido fruto del trabajo de un buen número de investigadores de distintas nacionalidades. Han participado 22 autores: Yepes, Kripka, Sánchez-Garrido, Yepes-Bellver, Navarro, Negrín, Alcalá, Luque Castillo, Guaygua, Tres Junior, De Medeiros, Villalba, Fernández-Mora, Brun-Izquierdo, Martínez-Muñoz, Martí, Ruiz-Vélez, García, Partskhaladze, Vitorio Junior, Onetta y Chagoyén. Hay presencia internacional en países como Brasil, Chile, Ecuador, Perú, Georgia y Cuba.

La investigación reciente en ingeniería civil y construcción, sintetizada en el proyecto RESILIFE y en estudios asociados, marca un cambio de paradigma hacia un enfoque de diseño integral. Este enfoque trasciende la mera eficiencia económica para integrar la resiliencia ante eventos extremos (incendios, sismos y colapsos progresivos), la sostenibilidad multidimensional (ambiental, social y económica) y la eficiencia operativa mediante la digitalización.

Avances en optimización multiobjetivo, sostenibilidad y resiliencia en la ingeniería estructural

Los hallazgos clave incluyen:

  • Sistemas híbridos y modulares: las tipologías de acero y hormigón, así como los sistemas modulares prefabricados (PVMB), demuestran una superioridad técnica y medioambiental significativa. Por ejemplo, las vigas híbridas de sección transversal variable (THVS) pueden reducir los costes de fabricación hasta en un 70 % y las emisiones en un 32 %.
  • Resiliencia integrada: la incorporación de la seguridad contra incendios y de un diseño robusto frente al colapso progresivo en las fases conceptuales no solo mejora la seguridad, sino que también puede optimizar costes (reducción de hasta el 21 % en pasarelas con requisitos de confort dinámico).
  • Sostenibilidad social: el análisis del ciclo de vida social (S-LCA) emerge como un factor crítico, especialmente en viviendas sociales, donde los aspectos sociales representan casi el 40 % del peso en la toma de decisiones.
  • Digitalización y modelado: el uso de BIM (herramientas como Endurify 2.0) y modelos subrogados (redes neuronales y Kriging) permite gestionar con precisión la vida útil remanente y optimizar la huella de carbono con errores predictivos mínimos.

1. Optimización multiobjetivo y resiliencia ante eventos extremos

La integración de factores de riesgo extremo como criterio principal de diseño permite desarrollar infraestructuras más seguras sin comprometer la viabilidad económica.

1.1 Resiliencia al fuego en pasarelas híbridas

  • Enfoque integrado: se propone el rendimiento ante el fuego como motor de diseño, junto con el coste, el impacto ambiental y la comodidad del peatón.
  • Configuraciones óptimas: se recomienda utilizar acero de menor resistencia en el alma y de mayor en las alas (una relación de límite elástico de aproximadamente 1,6).
  • Compromisos de diseño: existe una dicotomía geométrica, ya que las vigas más compactas mejoran la seguridad frente a incendios, mientras que las geometrías esbeltas favorecen el rendimiento dinámico. Una inversión adicional del 23 % en el coste puede evitar el colapso durante 10 minutos de exposición al fuego.

1.2 Resistencia al colapso progresivo (PC) y sismos

  • Marco OBDRPC: este marco integra principios de diseño resistente al colapso progresivo y de optimización basada en simulaciones, en los que se considera la interacción suelo-estructura (SSI).
  • El impacto de la interacción suelo-estructura puede generar diferencias de hasta el 24,29 % en el uso de materiales de la superestructura si no se tiene en cuenta dicha interacción.
  • Sistemas modulares en zonas sísmicas: en regiones como Quito, los sistemas modulares de acero laminado en caliente ofrecen el mejor rendimiento global, ya que reducen los tiempos de construcción y el impacto social, aunque los costes iniciales son más altos.
  • Refuerzo sísmico: el uso de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se identifica como la mejor alternativa para el refuerzo de las vigas de hormigón deficientes, debido a su menor impacto ambiental y social en comparación con el encamisado de acero o de hormigón.

2. Sostenibilidad y análisis del ciclo de vida (ACV)

La sostenibilidad se evalúa mediante un enfoque de «triple balance» que abarca las dimensiones económicas (LCC), ambientales (LCA) y sociales (S-LCA).

2.1. Descarbonización y eficiencia de materiales

  • Puentes y pasarelas: la optimización de los pasos superiores de las carreteras puede reducir la huella de carbono en un 12 %. En los puentes de losa pretensados, se recomienda una relación de esbeltez de 1/28 y hormigón C-40 para maximizar la eficiencia energética.
  • Economía circular: el uso de losas aligeradas con plástico reciclado reduce el consumo de hormigón y acero entre un 23 % y un 33 %, lo que se traduce en una disminución del 24 % del potencial de calentamiento global.
  • Relación coste-emisiones: Se ha identificado una relación lineal: cada dólar ahorrado en la optimización de pasarelas reduce las emisiones de CO2 en aproximadamente 0,7727 kg por metro.

2.2 Dimensión social de la construcción

  • Vivienda social: el sistema Light Steel Frame (LSF) destaca como la opción más favorable en contextos de desarrollo, ya que ofrece un buen equilibrio entre coste, durabilidad y menor mantenimiento.
  • Riesgos sociales: la implementación de sistemas de construcción circular y modelos de optimización reduce los riesgos sociales hasta en un 20 % en las categorías de trabajadores y de la comunidad local.

3. Tipologías estructurales innovadoras.

El desarrollo de nuevas geometrías y combinaciones de materiales es fundamental para la eficiencia industrial.

Tipología Beneficios clave identificados
Vigas THVS (híbridas transversales de sección variable) Reducción de costes de fabricación hasta el 70%; reducción de emisiones hasta el 32%; menor carga axial en columnas y cimientos debido a la reducción del peso propio.
Sistemas modulares (PVMB) Despliegue más rápido, mayor resiliencia social y reducción de los impactos ambientales en comparación con los métodos convencionales in situ.
Estructuras MMC en costa El uso de cemento sulforresistente, impregnación hidrofóbica y humo de sílice aumenta la calificación de sostenibilidad en un 86% frente a diseños base en ambientes marinos agresivos.
Almacenes de acero con cerramientos de acero Menor impacto ambiental que el de los cerramientos de ladrillo o de bloques de hormigón, especialmente en escenarios de reciclaje al final de la vida útil.

4. Digitalización y herramientas de decisión.

La complejidad de los criterios de competencia exige el uso de herramientas informáticas avanzadas.

4.1 BIM y gestión de la vida útil

  • Endurify 2.0: este complemento para entornos BIM automatiza la planificación de la rehabilitación estructural y estima la vida útil remanente (RUL). Su aplicación reduce los costes totales en un 15 % y el impacto por proximidad en un 10 % en comparación con la planificación basada en expertos.
  • Indicadores de daño: el sistema analiza cuatro indicadores críticos: carbonatación, fisuración transversal, fluencia y deflexión.

4.2. Modelos subrogados y algoritmos de optimización

  • Precisión predictiva: las redes neuronales artificiales (ANN) y el modelo Kriging han demostrado ser muy precisos para optimizar la huella de carbono y la energía embebida, aunque tienden a sobreestimar ligeramente los valores observados.
  • Algoritmos metaheurísticos: el uso de algoritmos como NSGA-III, CTAEA y SMS-EMOA permite equilibrar objetivos en conflicto (rendimiento estructural frente a la constructibilidad), siendo NSGA-III el que muestra la mayor convergencia hacia el frente de Pareto.
  • Múltiples criterios (MCDM): se emplean métodos híbridos (BWM, TOPSIS, VIKOR y DEMATEL) para reducir la subjetividad del juicio experto y modelar las interdependencias causales entre los criterios de sostenibilidad.

5. Conclusiones y directrices de diseño

La síntesis de las fuentes permite establecer directrices prácticas para la infraestructura moderna:

  1. Priorizar la hibridación: El uso de secciones híbridas (de acero con distintos límites elásticos) y de sistemas mixtos de acero y hormigón ofrece las mayores ventajas económicas y medioambientales.
  2. Mantenimiento preventivo: en entornos agresivos (como las costas), la inversión inicial en materiales especiales (como el humo de sílice o las impregnaciones) compensa con creces la reducción de las intervenciones de mantenimiento reactivo.
  3. Enfoque holístico en la vivienda: la evaluación de los proyectos de vivienda social debe integrar obligatoriamente las dimensiones técnica y social, no solo la económica, para garantizar la resiliencia de la comunidad.
  4. Optimización desde el proyecto: La resiliencia al fuego y al colapso debe integrarse en la fase de diseño conceptual para evitar sobrecostes innecesarios en etapas avanzadas del proyecto.

Referencias:

  1. TRES JUNIOR, F.L.; DE MEDEIROS, G.F.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2026). Integrated Optimization Framework for Fire-Resilient and Sustainable Hybrid Steel-Concrete Composite Footbridges. Engineering Structures, 360, 122779. DOI:10.1016/j.engstruct.2026.122779
  2. GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; YEPES, V. (2026). A multi-criteria life-cycle decision framework for sustainable modular hospitals in seismic regions. Results in Engineering, 30, 110371. DOI:10.1016/j.rineng.2026.110371
  3. FERNÁNDEZ-MORA, V.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2026). Extending Building Lifespan: Integrating BIM and MCDM for Strategic Rehabilitation. Journal of Information Technology in Construction, 31:398-419. DOI:10.36680/j.itcon.2026.018
  4. LUQUE CASTILLO, X.; YEPES-BELLVER, L.; YEPES, V. (2026). Towards Sustainable Social Housing: An Integrative Life Cycle and Multi-Criteria Approach. Sustainable Cities and Society, 137, 107164. DOI:10.1016/j.scs.2026.107164
  5. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2026). Multivariate Environmental and Social Life Cycle Assessment of Circular Recycled-Plastic Voided Slabs for Data-Driven Sustainable Construction. Environmental Impact Assessment Review, 118, 108297. DOI:10.1016/j.eiar.2025.108297
  6. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2026). Optimizing reactive maintenance intervals for the sustainable rehabilitation of chloride-exposed coastal buildings with MMC-based concrete structure. Environmental Impact Assessment Review, 116, 108110. DOI:10.1016/j.eiar.2025.108110
  7. TRES JUNIOR, F.L.; DE MEDEIROS, G.F.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Designing for Safety and Sustainability: Optimization of Fire-Exposed Steel-Concrete Composite Footbridges. Structural Engineering and Mechanics, 96 (4):337-350. DOI:10.12989/sem.2025.96.4.337
  8. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Life-cycle environmental impact optimization of an RC-THVS composite frame for sustainable construction. Engineering Structures, 345, 121461. DOI:10.1016/j.engstruct.2025.121461 Featured Paper Award
  9. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Manufacturing cost optimization of welded steel plate I-girders integrating hybrid construction and tapered geometry. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 140, 1601-1624. DOI:10.1007/s00170-025-16365-2
  10. NEGRÍN, I.; CHAGOYÉN, E.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). An integrated framework for Optimization-based Robust Design to Progressive Collapse of RC skeleton buildings incorporating Soil-Structure Interaction effects. Innovative Infrastructure Solutions, 10:446. DOI:10.1007/s41062-025-02243-z
  11. YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Predictive modeling for carbon footprint optimization of prestressed road flyovers. Applied Sciences, 15(17), 9591. DOI:10.3390/app15179591
  12. VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; YEPES, V. (2025). A Hybrid Fuzzy DEMATEL–DANP–TOPSIS Framework for Life Cycle-Based Sustainable Retrofit Decision-Making in Seismic RC Structures. Mathematics, 13(16), 2649. DOI:10.3390/math13162649
  13. LUQUE CASTILLO, X.; YEPES, V. (2025). Multi-criteria decision methods in the evaluation of social housing projects. Journal of Civil Engineering and Management, 31(6), 608–630. DOI:10.3846/jcem.2025.24425
  14. LUQUE CASTILLO, X.; YEPES, V. (2025). Life Cycle Assessment of Social Housing Construction: A Multicriteria Approach. Building and Environment, 282:113294. DOI:10.1016/j.buildenv.2025.113294
  15. VITORIO JUNIOR, P.C.; YEPES, V.; ONETTA, F.; KRIPKA, M. (2025). Comparative Life Cycle Assessment of Warehouse Construction Systems under Distinct End-of-Life Scenarios. Buildings, 15(9), 1445. DOI:10.3390/buildings15091445
  16. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Design optimization of a composite typology based on RC columns and THVS girders to reduce economic cost, emissions, and embodied energy of frame building construction. Energy and Buildings, 336:115607. DOI:10.1016/j.enbuild.2025.115607
  17. FERNÁNDEZ-MORA, V.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2025). Structural damage index evaluation in BIM environments. Structures, 74:108544. DOI:10.1016/j.istruc.2025.108544
  18. VILLALBA, P.; GUAYGUA, B.; YEPES, V. (2025). Optimal seismic retrofit alternative for shear deficient RC beams: a multiple criteria decision-making approach. Applied Sciences, 15(5):2424. DOI:10.3390/app15052424
  19. YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Surrogate-assisted cost optimization for post-tensioned concrete slab bridges. Infrastructures, 10(2): 43. DOI:10.3390/infrastructures10020043.
  20. MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2025). Game Theory-Based Multi-Objective Optimization for Enhancing Environmental and Social Life Cycle Assessment in Steel-Concrete Composite Bridges. Mathematics, 13(2):273. DOI:10.3390/math13020273
  21. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Metamodel-assisted design optimization of robust-to-progressive-collapse RC frame buildings considering the impact of floor slabs, infill walls, and SSI implementation. Engineering Structures, 325:119487. DOI:10.1016/j.engstruct.2024.119487
  22. GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle assessment of seismic resistant prefabricated modular buildings. Heliyon, 10(20), e39458. DOI:10.1016/j.heliyon.2024.e39458
  23. YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450. DOI:10.3390/su16198450
  24. RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhanced Structural Design of Prestressed Arched Trusses through Multi-Objective Optimization and MCDM. Mathematics, 12(16), 2567. DOI:10.3390/math12162567
  25. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2024). Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment. Journal of Building Engineering, 95:110155. DOI:10.1016/j.jobe.2024.110155

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Inteligencia artificial y turismo: cuando el software aprende de la naturaleza para diseñar la ruta perfecta.

Gestionar la logística de un operador turístico consiste, en esencia, en intentar imponer orden a un sistema inherentemente caótico. El desafío es monumental: coordinar rutas a 30 destinos distintos desde un centro de operaciones como el de Alicante, con una flota limitada de cuatro aviones y quince tripulaciones, en el que cada asiento cuenta.

En este entorno de baja demanda, los costes son fijos, pero la realidad es volátil: las cancelaciones de última hora y las reservas inesperadas convierten los planes iniciales en papel mojado. ¿Cómo se puede determinar la rentabilidad cuando el escenario cambia cada minuto? La solución más avanzada no proviene de la programación lineal clásica, sino de los principios de la biología evolutiva.

Inspirado en el estudio de Medina y Yepes sobre la aplicación de algoritmos genéticos (AG) al problema de rutas de vehículos con capacidad (CVRP), este análisis desglosa cómo la «supervivencia del más apto» se traduce en una estabilidad financiera sin precedentes para el sector aéreo. Podéis descargar el artículo completo aquí.

La «naturaleza» como el mejor ingeniero de rutas.

En logística avanzada, los métodos deterministas tradicionales se topan con un obstáculo insalvable cuando el número de destinos crece exponencialmente. Calcular la ruta óptima para una red que abarque de Casablanca a Venecia mediante fuerza bruta matemática resulta inmanejable en términos computacionales. Los algoritmos genéticos resuelven este problema emulando la evolución mediante los procesos de selección, cruce y mutación. En lugar de buscar una única respuesta perfecta, el sistema mantiene una «población» de soluciones que compiten entre sí.

Este enfoque permite gestionar restricciones ambiguas o contradictorias, como maximizar la ocupación frente a minimizar el tiempo de vuelo, de una forma que la matemática rígida no puede. El AG no solo busca, sino que también aprende a explorar.

«La característica específica de los AG es la exploración paralela y eficiente del espacio de soluciones, basada en la explotación de soluciones óptimas inducidas por los operadores de cruce y en la exploración de soluciones nuevas forzada por los operadores de mutación».

El poder de los «Tres Padres»: una recombinación genética única.

La gran innovación técnica que se destaca en el estudio es el uso de un operador de recombinación de tres progenitores (three-parent edge-mapped recombination operator). Mientras que en la genética biológica la herencia es dual, en la optimización de redes de distribución tres progenitores ofrecen una mayor riqueza de datos para generar una «descendencia» (una ruta) más robusta.

Este método extrae las mejores conexiones (arcos) de tres soluciones distintas. Si una conexión específica aparece en dos o tres de los «padres», se preserva en el «hijo» porque se considera una pieza de alta eficiencia. Para garantizar la viabilidad de la ruta, el algoritmo incluye una lógica de resolución de conflictos: si tres arcos convergen en un mismo nodo de la descendencia, el sistema elimina aleatoriamente uno de ellos para mantener la estructura de la red. Este enfoque de triple herencia permite alcanzar soluciones óptimas con una velocidad y precisión que superan con creces a los cruces tradicionales de dos progenitores.

De la incertidumbre del 43 % a la estabilidad del 2,7 %.

El impacto real de los AG se mide en la transformación de la volatilidad en previsibilidad. Al modelar la demanda de destinos como Ajaccio, Túnez o Malta mediante estructuras estocásticas, el estudio revela una capacidad asombrosa para absorber la incertidumbre. Con una flota de cuatro aviones de cincuenta asientos y quince tripulaciones, el sistema gestionó un volumen total de aproximadamente ochocientos pasajeros, con métricas de eficiencia envidiables.

Los datos son elocuentes: mientras que la demanda individual por destino presenta un coeficiente de variación del 43 % —una pesadilla operativa—, la optimización diaria reduce la variabilidad del coste por pasajero transportado a un asombroso 2,7 %. En la práctica, esto significa:

  • Coste medio por pasajero: 118 EUR.
  • Ocupación media de asientos: 65 %.
  • Velocidad de crucero optimizada: 240 nudos.

El sistema es tan eficiente a la hora de reorganizar escalas y rutas en función de la demanda real que el impacto financiero final permanece prácticamente inalterado a pesar de las fluctuaciones del mercado.

El «fantasma en la máquina»: el riesgo de la robustez excesiva.

Desde la perspectiva de la transformación digital, los AG presentan una paradoja fascinante: su robustez puede ser su mayor peligro. Diseñado para ofrecer siempre una solución viable, un código con errores profundos puede seguir funcionando y entregando resultados «aparentemente buenos» sin que el sistema se colapse.

El riesgo no es el fallo catastrófico, sino el equilibrio subóptimo. Un error oculto en el algoritmo podría estar dejando sobre la mesa un 5 % o un 10 % de beneficio potencial, camuflado por la capacidad del algoritmo para «sobrevivir» a sus propios defectos de programación. Esto subraya la importancia de la supervisión experta, ya que en los sistemas que evolucionan por sí mismos la validación humana es la única garantía de que no operamos con una ineficiencia invisible pero costosa.

El futuro es la interacción humano-máquina.

Los AGV no son herramientas de reemplazo, sino de colaboración. El estudio subraya la importancia de la interfaz gráfica, que permite al gestor logístico interactuar con el proceso en tiempo real. Un ser humano puede «inyectar» soluciones basadas en su experiencia o en su intuición clínica, y el algoritmo las asimilará y refinará a lo largo de miles de generaciones.

Esta sinergia es fundamental para integrar los «costes virtuales». Mientras la máquina optimiza distancias y consumo de combustible, el ser humano puede definir variables subjetivas pero críticas, como la inconveniencia política de un aeropuerto en tensión o la complejidad social de una escala concreta. Al traducir estas percepciones en valores en la función de coste, el sistema evoluciona hacia una estrategia proactiva capaz de simular escenarios futuros en lugar de simplemente reaccionar ante las cancelaciones diarias.

Conclusión: hacia una logística evolutiva.

El éxito de la red de Alicante, que conecta 30 destinos del Mediterráneo y de Europa occidental, confirma un cambio de paradigma: en la logística moderna, la flexibilidad es más valiosa que la precisión absoluta. Los modelos rígidos se quiebran ante la volatilidad de la demanda, pero los sistemas evolutivos se fortalecen con ella.

En un mercado que no perdona la ineficiencia, la pregunta para los líderes del sector es clara: ¿es mejor buscar una solución «perfecta» una sola vez o diseñar un sistema que evolucione constantemente ante cada nuevo desafío? La respuesta, como demuestran Medina y Yepes, radica en aprender de la naturaleza para conquistar los cielos.

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo resume los aspectos clave del artículo.

Evolutionary_Tourism_Logistics

Referencia:

MEDINA, J.R.; YEPES, V. (2003). Optimization of touristic distribution networks using genetic algorithms. SORT, 27(1): 95-112.

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Logística en tiempos de cambio: Cómo la optimización heurística se adapta a los vaivenes de la economía real

Más allá del GPS: por qué la ruta más corta no siempre es la más rentable.

Para cualquier responsable de operaciones, la intuición dicta una regla aparentemente infalible: cuanto menos kilómetros se recorren, mayores son los márgenes. Sin embargo, ante la complejidad de la última milla contemporánea, esta lógica resulta peligrosamente incompleta. El ahorro en combustible suele verse compensado por penalizaciones por entregas tardías, ineficiencias en el uso de la capacidad de carga o por el coste oculto de ignorar las regulaciones laborales.

El éxito no consiste en reducir la distancia de forma simplista, sino en maximizar la rentabilidad operativa. Es aquí donde el problema de las rutas de vehículos con flotas heterogéneas y ventanas de tiempo flexibles (VRPHESTW, Vehicle Routing Problem with Heterogeneous Fleet and Soft Time Windows) surge como la respuesta científica al caos logístico. Este modelo trasciende el mapa al integrar variables económicas, humanas y temporales en una única ecuación estratégica. Este artículo se basa en uno de los resultados más importantes de mi tesis doctoral, publicada en un trabajo que podéis encontrar al final de las referencias (Yepes y Medina, 2006).

La rentabilidad total sobre la distancia total recorrida: la nueva métrica de éxito.

El enfoque tradicional se limita a minimizar el consumo de kilómetros. No obstante, la logística de alto nivel exige una función con un objetivo económico que considere la operación como un centro de beneficios y no solo de costes. La fórmula es clara:

Beneficio = Ingresos Totales – Costes Operativos – Costes de Penalización por Ventanas de Tiempo.

En este modelo, los ingresos no son una cifra estática, sino que se consideran dos tasas: una fija por servicio y otra variable en función de la distancia y del volumen de la mercancía. La gran innovación es que la satisfacción del cliente se convierte en un activo negociable. Al monetizar los retrasos mediante penalizaciones, el algoritmo decide de forma autónoma si resulta más rentable aceptar una pequeña desviación en el horario de entrega o invertir en un vehículo adicional. La logística moderna, por tanto, no busca el «cumplimiento a cualquier precio», sino el equilibrio óptimo entre el servicio y el margen.

El poder estratégico de una flota «mixta».

Una de las mayores ventajas competitivas del transporte radica en la heterogeneidad. El modelo demuestra que una flota uniforme tiende a ser ineficiente. El algoritmo realiza un arbitraje constante entre distintos tipos de vehículos para encontrar la combinación que minimiza el coste total de propiedad y operación.

En este análisis, la selección de vehículos (categorizados como k = 1, 2 o 3) no solo se basa en el volumen de carga, sino también en un equilibrio sofisticado entre:

  • Capacidad y velocidad: desde el vehículo pequeño y ágil (k = 1), ideal para zonas urbanas densas, hasta el «pesado» (k = 3), con gran capacidad, pero mayor coste fijo y menor velocidad de maniobra.
  • Estructura de costes laborales: el sistema evalúa el impacto financiero de pasar de la remuneración por hora legal a las horas extraordinarias y, finalmente, a las severas penalizaciones económicas derivadas del exceso de jornada laboral, protegiendo así la rentabilidad y la seguridad jurídica de la empresa.

Como señala el estudio:

«Los problemas de rutas de vehículos en el mundo real requieren una función objetivo económica para medir la calidad de las soluciones».

Ventanas de tiempo flexibles: el tiempo como variable económica elástica.

En la logística convencional, una ventana de tiempo es un muro infranqueable: llegar un minuto tarde se considera un fallo del sistema. El concepto de «soft time windows» (ventanas de tiempo flexibles) revoluciona esta noción al considerar el tiempo como una variable económica elástica.

En lugar de prohibir las entregas fuera de horario, el modelo establece una penalización económica escalonada en función de la antelación o el retraso. Esta flexibilidad calculada permite que el sistema de optimización identifique rutas que, aunque «incumplen» ligeramente el horario, logran una consolidación de carga tan eficiente que el beneficio neto final es muy superior al de una ruta de cumplimiento rígido. Se pasa así de una logística de obediencia a una logística de resultados.

El hallazgo sorprendente: el valor estratégico del sesgo.

El descubrimiento más disruptivo de la investigación consiste en distinguir entre la función «objetivo» (el beneficio real que queremos obtener) y la función «guía» (las instrucciones que le damos al algoritmo para explorar el mapa).

En un experimento revelador, los investigadores «engañaron» al algoritmo aumentando artificialmente en un 10 % los costes de distancia en la función guía (escenario HES-B). Al evaluar la ruta resultante con los costes reales (escenario HES-A), el beneficio neto aumentó un 6,4 %.

¿Por qué funciona este sesgo estratégico? Al sobreponderar el coste de la distancia durante la fase de búsqueda, se obliga al algoritmo a encontrar clústeres de clientes extremadamente compactos y rutas más robustas que el peso económico estándar pasaría por alto. Este fenómeno demuestra que, para escapar de los «óptimos locales» (soluciones que parecen buenas, pero no lo son), a veces es necesario alterar la topología del problema para forzar al sistema a encontrar la excelencia global.

Un marco de tres pilares para la implementación.

Para ejecutar esta estrategia, se propone un marco de optimización híbrido que integra la exploración creativa y el rigor matemático.

  1. Fase de construcción inteligente (GRASP): no se generan rutas al azar, sino que se inicia el proceso seleccionando clientes «semilla» según criterios de alta rentabilidad y dificultad logística, lo que asegura un punto de partida sólido.
  2. Fase de diversificación global (VNS): el sistema utiliza una «búsqueda de vecindario variable» para desafiar las rutas establecidas. En esta fase se introduce variedad para evitar que la operación se estanque en las soluciones obvias.
  3. Fase de intensificación de precisión (algoritmo de umbral): un pulido final que somete cada ruta a un escrutinio de costes extremo, aceptando incluso soluciones ligeramente peores temporalmente para alcanzar el máximo céntimo de beneficio potencial.

Conclusión: hacia una logística con visión de negocio.

La optimización de rutas ha dejado de ser un problema geográfico para convertirse en una disciplina puramente estratégica de economía. El uso de algoritmos avanzados que integran flotas heterogéneas y ventanas de tiempo flexibles permite a las empresas navegar por la volatilidad de los costes y las exigencias del mercado con una precisión quirúrgica.

Optimizar no consiste solo en llegar antes, sino en comprender el coste exacto de cada minuto y cada kilómetro para decidir, basándose en datos, qué configuración de flota garantiza el crecimiento sostenible del negocio.

Pregunta para reflexionar: En su operación actual, ¿está optimizando para que sus vehículos recorran menos distancia o para que su balance de situación sea más robusto?

Puedes escuchar en esta conversación algunas de las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo resume bien los conceptos básicos tratados.

Maximizing_Logistics_Profitability

Referencia:

YEPES, V.; MEDINA, J.R. (2006). Economic Heuristic Optimization for Heterogeneous Fleet VRPHESTW. Journal of Transportation Engineering, 132(4): 303-311. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-947X(2006)132:4(303)

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El código secreto de la naturaleza: algoritmos metaheurísticos para resolver lo imposible.

Introducción: El genio oculto en el caos natural.

En el vasto universo de la gestión de situaciones complejas, nos enfrentamos a desafíos que cuestionan la lógica convencional: los problemas NP-difíciles.

Estos enigmas se caracterizan por que, a medida que el tamaño del problema aumenta, el tiempo necesario para resolverlo mediante fuerza bruta crece de manera exponencial. Esto hace que una búsqueda exhaustiva sea prácticamente imposible, incluso para las supercomputadoras más potentes. De este modo, cuando los métodos deterministas fallan y no hay garantía de hallar la solución perfecta, los expertos recurren a las metaheurísticas.

Al observar cómo la naturaleza optimiza los recursos para la supervivencia, hemos descubierto que el ensayo y el error no son fruto del azar, sino de un diseño refinado a lo largo de milenios de evolución. Los investigadores han dejado de mirar exclusivamente las pizarras para descifrar el genio oculto en los sistemas biológicos, físicos y químicos y han traducido procesos naturales en ecuaciones de optimización asombrosamente eficientes.

La inteligencia de enjambre: el poder de la multitud «sin inteligencia».

Uno de los pilares más fascinantes de esta disciplina es la inteligencia de enjambre (SI, por sus siglas en inglés). Este concepto se basa en el comportamiento colectivo emergente de múltiples agentes que interactúan según reglas muy sencillas. Ya sea en colonias de hormigas, enjambres de abejas o destellos de luciérnagas, el sistema logra una autorganización compleja sin necesidad de un mando central.

Lo más sorprendente es cómo la capacidad del colectivo trasciende las limitaciones del individuo. Un solo agente puede ser limitado, pero el enjambre, como unidad, exhibe una gran capacidad para resolver problemas. Como señala la literatura académica sobre este fenómeno:

«Aunque cada agente puede ser considerado como ininteligente, el sistema completo de múltiples agentes puede mostrar un comportamiento de autoorganización y, por lo tanto, puede comportarse como una suerte de inteligencia colectiva».

Más allá de la biología: la optimización se encuentra con la física y la música.

Aunque la biología es una fuente muy rica, la informática inspirada en la naturaleza trasciende mucho más. Para un especialista, la clasificación de estos algoritmos no se limita a su «musa», sino a su comportamiento matemático. Podemos categorizarlos según su trayectoria de búsqueda (como el Simulated Annealing) o según si se basan en poblaciones (como el Particle Swarm Optimization o el Firefly Algorithm).

Existen sistemas basados en leyes físicas y químicas, como los algoritmos que imitan la fuerza de la gravedad, las cargas eléctricas o la dinámica de formación de ríos. Incluso el arte tiene su lugar en el algoritmo Harmony Search (Búsqueda Armónica), que imita el proceso estético de un músico que persigue el «estado de armonía» o el acorde perfecto. Esta universalidad demuestra que los conceptos de disciplinas tan dispares pueden traducirse en reglas de actualización precisas para hallar soluciones casi óptimas en ingeniería y logística.

La trampa de las 28 000 especies: el desafío de la verdadera novedad.

A pesar del auge de estas técnicas, la comunidad científica se enfrenta a una realidad crítica: la proliferación de algoritmos que carecen de innovación real. Aunque en el mundo existen aproximadamente 28 000 especies de peces, esto no justifica la creación de 28 000 variantes algorítmicas (por ejemplo, el algoritmo del tiburón, de la trucha, etc.) que solo cambian los nombres de las variables sin aportar una mejora sustancial al motor de búsqueda.

En los últimos años, el mundo de la optimización ha experimentado una auténtica explosión de metaheurísticas. Nuevos algoritmos “inspirados en la naturaleza” están apareciendo como setas tras la lluvia. Solo en el último lustro, la comunidad científica se ha encontrado con miles de propuestas que se presentan como completamente originales.

El problema es que, en muchos casos, esas supuestas “novedades” no aportan ideas realmente nuevas. Son simplemente variantes, más o menos ingeniosas, de algoritmos ya conocidos y consolidados. Cambia el nombre, cambia la metáfora biológica o social, pero el mecanismo interno apenas difiere del de otros modelos existentes.

La situación ha llegado a tal punto que varias revistas científicas de alto impacto han decidido poner freno a esta tendencia. Muchas de ellas ya no aceptan trabajos que presenten una “nueva metaheurística” si no demuestran aportaciones metodológicas auténticas y verificables.

Esto supone una llamada a la acción para priorizar el rigor por encima de la «marca» comercial del algoritmo. Los expertos advierten sobre el peligro de la «pseudoinnovación» con fines de publicación:

No basta con bautizar un algoritmo con un nombre llamativo; tiene que resolver mejor los problemas reales.

La receta del éxito: mezcla, diversidad y paralelismo.

¿Por qué algoritmos como Cuckoo Search o el Firefly Algorithm triunfan, mientras que otros caen en el olvido? El éxito de un metaheurístico radica en su capacidad para equilibrar dos fuerzas opuestas:

  • Diversidad (búsqueda global/exploración): es la capacidad del algoritmo para explorar exhaustivamente el amplio espacio de búsqueda y evitar quedar atrapado en soluciones locales que parecen buenas, pero no lo son.
  • Mezcla (búsqueda local/explotación): es el proceso de recombinación e interacción entre soluciones que permite al algoritmo converger rápidamente hacia el punto óptimo una vez identificada una región prometedora.

Además, una ventaja competitiva de los algoritmos de inteligencia de enjambre es su facilidad de paralelización. Al basarse en múltiples agentes independientes, estos procesos pueden ejecutarse simultáneamente en hardware moderno, lo que permite optimizar problemas a gran escala en el mundo real por primera vez de forma práctica y eficiente.

Conclusión: hacia una nueva era de resolución de problemas.

Los algoritmos inspirados en la naturaleza han dejado de ser una mera curiosidad para convertirse en el estándar de oro para los problemas de alta complejidad. Es por ello que el futuro de esta disciplina no radica en buscar «más especies» que imitar, sino en profundizar en el marco matemático que permite que la diversidad y la mezcla funcionen en armonía. Solo a través de la comprensión real de estos mecanismos podremos hacer frente a los enormes desafíos de la tecnología moderna.

Al observar la elegancia con la que un enjambre encuentra su camino o un sistema físico alcanza el equilibrio, surge una pregunta inevitable: ¿existe algún límite a lo que podemos aprender sobre la eficiencia de la naturaleza o apenas estamos empezando a descifrar su código más fundamental?

En esta conversación puedes escuchar algunas de las ideas más interesantes sobre este tema.

En este vídeo se resumen algunos de los conceptos más importantes abordados.

Fister

Nature_Inspired_Optimization

Referencias:

FISTER JR, I.; YANG, X. S.; FISTER, I.; BREST, J.; FISTER, D. (2013). A brief review of nature‑inspired algorithms for optimization. arXiv preprint arXiv:1307.4186.

GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics,  8(4), 555. DOI:10.3390/math8040555

GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). The buttressed  walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics,  8(6):862. DOI:10.3390/math8060862

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI:10.1016/j.engstruct.2015.03.015

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2014). Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glow-worm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(7):1190 – 1205. DOI:10.1590/S1679-78252014000700007

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PEREA, C.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2008). A Parametric Study of Optimum Earth Retaining Walls by Simulated Annealing. Engineering Structures, 30(3): 821-830. DOI:10.1016/j.engstruct.2007.05.023

YEPES, V. (2026). Heuristic Optimization Using Simulated Annealing. In: Kulkarni, A.J., Mezura-Montes, E., Bonakdari, H. (eds) Encyclopedia of Engineering Optimization and Heuristics. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-96-8165-5_48-1

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El algoritmo de la naturaleza: El secreto de las hormigas para resolver problemas imposibles

¿Cómo es posible que insectos con capacidades individuales sumamente limitadas resuelvan problemas geométricos y logísticos que a la humanidad le han llevado décadas de estudio formal para dominar?

En el rincón más sencillo de un jardín tiene lugar un fenómeno asombroso: una comunidad de diminutos seres encuentra, sin mapas, líderes jerárquicos ni tecnología GPS, el camino más corto entre un hormiguero y una fuente de alimento.

Este prodigio de la naturaleza no es solo una curiosidad biológica, sino la piedra angular de la optimización mediante colonias de hormigas (ACO), una potente metaheurística computacional que actúa como puente entre la eficiencia orgánica y los algoritmos más avanzados de la actualidad.

A continuación, exploramos cinco lecciones fundamentales que estos optimizadores naturales nos enseñan sobre la resolución de problemas complejos.

La inteligencia no reside en el individuo, sino en el colectivo.

En el mundo de las hormigas, la genialidad no es una cualidad de un «líder» con una visión superior, sino que surge del grupo. Así, el comportamiento inteligente surge de la masa, lo que desafía nuestras nociones tradicionales de gestión jerárquica. La ciencia ha comprobado que la brillantez del sistema no radica en sus componentes aislados, sino en la red de interacciones entre ellos.

Como se describe en los fundamentos de la inteligencia colectiva:

«En la naturaleza existen ejemplos de colectivos de individuos cuyo comportamiento es aparentemente inteligente, sin que esta característica se manifieste en sus componentes individuales».

Esta realidad nos invita a reflexionar sobre un cambio de paradigma: frente al liderazgo humano centralizado, la naturaleza propone una lógica bottom-up, en la que la suma de acciones simples y coordinadas supera la capacidad de cualquier genio individual.

El «Universo» como herramienta de comunicación dinámica.

Para que una colonia resuelva un problema, no es necesario que todas las hormigas conozcan el mapa completo del entorno. De hecho, ningún agente posee un conocimiento global. El éxito depende de la interacción con su «universo», que actúa como depositario físico de la información.

Según el contexto científico, deben cumplirse tres condiciones esenciales para que se produzca este comportamiento:

  • Existencia de un objetivo prioritario: una meta clara (como la locomoción o la alimentación) que proporciona un norte y, crucialmente, dicta el comportamiento de los agentes incluso en ausencia de información local.
  • Reglas de interacción local: si existe información local, el agente la utiliza para tomar decisiones que le permitan alcanzar el objetivo más rápidamente. Los agentes independientes depositan y modifican datos en el entorno, comunicando indirectamente los resultados de sus esfuerzos.
  • Un universo donde actuar: el entorno es la «geografía» por la que transitan. Es el medio que proporciona los datos necesarios y en el que se encuentra la memoria colectiva del sistema.

Feromonas: el rastro que se convierte en memoria adaptativa.

El proceso mediante el cual las hormigas optimizan sus rutas es un fascinante ciclo químico-digital. Todo comienza con una exploración aleatoria del entorno. Tan pronto como un individuo encuentra una fuente de alimento, evalúa su cantidad y calidad. Al regresar al hormiguero, deposita una sustancia química llamada feromona.

Este rastro oloroso sirve de señal para las demás hormigas. El camino más corto acaba ganando por una cuestión de frecuencia: las hormigas que viajan por la ruta más breve regresan antes y con mayor frecuencia, por lo que refuerzan ese rastro más rápido que en las rutas largas.

Sin embargo, la clave del éxito radica en la fragilidad del rastro: la feromona es dinámica y se evapora con el tiempo. Si un camino deja de usarse, la señal desaparece. Esta capacidad de «olvido» o plasticidad es vital, ya que permite que el sistema sea flexible y evita la «estagnación», impidiendo que la colonia se quede atrapada en soluciones locales, ya sean mediocres u óptimas, que ya no resultan eficientes ante un entorno cambiante.

De la biología al código: el espejo de la optimización.

La informática ha logrado traducir estos comportamientos biológicos en algoritmos de búsqueda altamente sofisticados. Para comprender esta transición del mundo natural al ámbito del procesador, es necesario observar cómo cada elemento biológico encuentra su contraparte matemática.

Esta estructura permite a los programadores utilizar la lógica de la colonia para explorar enormes espacios de soluciones, donde encontrar la respuesta perfecta sería inviable con métodos tradicionales.

No estamos solos: el club de los optimizadores naturales.

Las hormigas no son las únicas maestras del arte de la economía de recursos. La naturaleza es un club exclusivo de optimizadores en el que la eficiencia es una ley universal de supervivencia, no una invención humana. Otros ejemplos destacados son:

  • Los cisnes: al volar en formación de V, calculan una distribución espacial precisa para minimizar el esfuerzo total que debe realizar la bandada para desplazarse de un punto A a otro B.
  • Los depredadores y los peces: los patrones de ataque de los primeros y las formaciones de los segundos buscan la máxima efectividad con el mínimo riesgo energético.
  • Los ciclistas: apelotonándose instintivamente en una carrera para reducir la resistencia al viento, emulan estos patrones de optimización colectiva.

Conclusión: un futuro inspirado en lo pequeño.

En 1991, los investigadores Corloni, Dorigo y Maniezzo abrieron una puerta trascendental al sugerir que podíamos imitar el comportamiento de los insectos para resolver problemas de optimización combinatoria. Esa semilla científica nos permite hoy en día gestionar redes de tráfico complejas, diseñar ciudades más habitables y optimizar las cadenas logísticas globales que sustentan nuestra economía.

Si aprendiéramos a «escuchar» y a observar con mayor detenimiento los rastros y la información que fluyen en nuestro propio universo, quizá descubriríamos soluciones a problemas que hoy consideramos irresolubles.

En definitiva, nos queda una reflexión provocadora: si una hormiga no sabe que está resolviendo un algoritmo, ¿qué problemas estamos resolviendo colectivamente sin darnos cuenta?

En esta conversación puedes escuchar algunas de las ideas más interesantes sobre el tema.

Este vídeo resume bien los conceptos básicos de la optimización mediante la colonia de hormigas.

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Referencias:

COLORNI, A.; DORIGO, M.; MANIEZZO, V. (1991). Distributed optimization by ant colonies, in VARELA, F.J.; BOURGINE, P. (eds.) Proceedings of the First European Conference on Artificial Life (ECAL-91). The MIT Press: Cambrige, MA, 134-142.

MARTÍNEZ, F.; PEREA, C.; YEPES, V.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2007). Optimización heurística de pilas rectangulares huecas de hormigón armado. Hormigón y Acero, 244: 67-80. ISBN: 0439-5689. (link)

MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2010). Heuristic Optimization of RC Bridge Piers with Rectangular Hollow Sections. Computers & Structures, 88: 375-386. ISSN: 0045-7949.  (link)

YEPES, V. (2003). Apuntes de optimización heurística en ingeniería. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2003.249. Valencia, 266 pp. Depósito legal: V-2720-2003.

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