Acaban de publicarnos en la revista Journal of Building Engineering, que está en el primer decil del JCR, un artículo de revisión sobre la integración del proyecto estructural en BIM. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La revolución hacia la Industria 4.0 en el sector AECO ha tomado como uno de sus puntos centrales el Building Information Modelling (BIM). Las capacidades de BIM para la automatización, la interoperabilidad y la sostenibilidad juegan un papel clave en este cambio. En este artículo se presenta una revisión bibliográfica sobre la adopción de BIM para el proyecto estructural. El objetivo de la revisión presentada es establecer el estado actual del conocimiento de la implementación de la metodología BIM en el campo del análisis estructural. Se han seleccionado trabajos relacionados con estos dos temas simultáneamente, BIM y análisis de estructuras, durante los últimos 10 años. La literatura se ha analizado desde dos enfoques diferentes. En primer lugar, se ha realizado un análisis bibliométrico, estudiando la producción sobre el tema. En segundo lugar, se han seleccionado y analizado 81 artículos representativos, estableciendo áreas temáticas a través del análisis de cluster. También se han clasificado los artículos a partir de varias categorizaciones basadas en el ciclo de vida estructural y su objetivo. Por último, se realiza un análisis DAFO a partir de estos datos para crear un marco completo que muestre el estado de la integración del proyecto estructural en entornos BIM y los posibles desarrollos y riesgos futuros. Este conjunto de estudios muestra una tendencia hacia las herramientas de diseño y las nuevas construcciones. Mientras que la automatización y el diseño asistido por ordenador han sido una tendencia en la investigación durante varios años, se ha señalado una laguna en la investigación sobre el análisis estructural a través de BIM para los edificios existentes y del patrimonio, mostrando su capacidad para mejorar el análisis de los edificios existentes y su mantenimiento.
Highlights:
The state-of-art of the integration of the structural project into BIM environments has been performed.
A quantitative approach has been performed studying the scientific production of the topic.
A qualitative analysis through proof-reading 81 articles relates the design phase and the agent involved in it to weigh the received attention.
A cluster analysis on keywords of 81 articles reveal the trends in BIM research.
Discussion through SWOT system reveals the different trends, weaknesses and further opportunities in the research area.
Abstract:
The revolution towards Industry 4.0 in the AECO Industry has taken Building Information Modelling (BIM) as one of its central points. BIM abilities for automatization, interoperability and sustainability play a key role in this change. In this paper, a literature review about BIM adoption for the structural project is presented. The aim of the presented review is to clearly establish the current state of knowledge of the implementation of the BIM methodology in the field of structural analysis. Papers related to these two topics simultaneously, BIM and structure analysis, during the last 10 years have been selected. The literature has been analysed from two different approaches. First, bibliometric analysis has been performed, studying the production on the topic. Secondly, 81 representative papers have been selected and analysed, establishing thematic areas via cluster analysis. The articles have also been classified upon several categorizations based on the structural life cycle and their aim. Finally, a SWOT analysis is performed from this data to create a complete framework that shows the state of the integration of the structural project in BIM environments and possible future developments and risks. This set of studies shows a tendency towards design tools and new buildings. While automatization and computer-aided design have been a trend in the research for several years, a research gap on the structural analysis via BIM for existing and heritage buildings has been pointed out, showing its ability to improve the analysis of existing buildings and its maintenance.
Keywords: BIM; Structural project; Building performance; Literature review; Life cycle
Referencia:
FERNÁNDEZ-MORA, V.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Integration of the structural project into the BIM paradigm: a literature review.Journal of Building Engineering, 53:104318. DOI:10.1016/j.jobe.2022.104318.
En este artículo continuamos la línea de investigación que está desarrollando nuestro grupo de investigación en relación con BIM. Se trata de un artículo que nos acaban de publicar en archiDOCT y que podéis encontrar también en este enlace.
BIM (Building Information Modeling) es una tecnología líder en la Industria de la Arquitectura, Ingeniería y Construcción (Industria AEC). La mayoría de profesionales están adoptando esta tecnología en su día a día, mejorando sus capacidades. Otra gran tendencia en la industria AEC es la rehabilitación de edificios fuera de uso o antiguos y su adaptación a las nuevas demandas. Últimamente, la renovación y rehabilitación de edificios ha producido más ingresos que la construcción de nuevos edificios en el mercado inmobiliario español. El uso de BIM para los edificios existentes combina las capacidades de gestión de datos de BIM con las tendencias económicas del sector dando a los profesionales nuevas herramientas para adaptar esos edificios. El refuerzo estructural puede ser necesario durante las rehabilitaciones por lo que se suele realizar un peritaje estructural.
En este trabajo, hemos creado una herramienta vinculada a Autodesk Revit que puede extraer los datos necesarios del modelo BIM y realizar una prueba de peritaje a una viga de hormigón. Utilizando BIM para este fin, se pueden utilizar los datos almacenados para determinar la necesidad de refuerzo estructural y ofrecer al profesional más control sobre el proyecto. El uso de esos datos acorta los plazos y evita errores y descuidos en el diseño. Como el modelo de información del edificio es una base de datos rica en información, puede proporcionar los datos necesarios para garantizar el análisis. Se realiza un estudio de caso que muestra las capacidades de la herramienta. La investigación contribuye a integrar la rehabilitación estructural en los entornos BIM reduciendo la redundancia en el software y unificando tanto el almacenamiento como el análisis de datos a través de la metodología BIM.
ABSTRACT:
Building Information Modelling (BIM) is a leading technology in the Architecture, Engineering and Construction Industry (AEC Industry) and nowadays is being adopted for most professionals and improving its capabilities. There is another big trend in the AEC Industries, the rehabilitation of unused or old buildings and its adaptation to the new demands. Lately, building renovation and rehabilitation have produced more income than the construction of new buildings in the Spanish housing market. The use of BIM for existing buildings combines the BIM data management abilities with the economic trends in the industry giving the professionals new tools to adapt those buildings. Structural reinforcement may be needed during the rehabilitations so structural expertise is usually performed. In this paper, we have created a tool linked to Autodesk Revit that can extract the necessary data from the BIM model and perform an expertise test through a concrete beam. By using BIM for this purpose, we can use the data stored in the BIM model to determine the necessity or not of structural reinforcement and give the professional more control over the project. The use of that stored data shortens the working time for the professional and avoids errors and oversights in the design. Since the building information model is a rich information database it can provide the necessary data to ensure the analysis. A case study is performed showing the capabilities of the tool. The research contributes to integrating structural rehabilitation into the BIM environments reducing the redundancy in software and unifying both, data storage and data analysis via the BIM methodology.
J Multidisciplinary ScientificJournal (ISSN 2571-8800) is a peer-reviewed, open access journal on all natural and applied sciences published quarterly online by MDPI. The goal of this journal is to improve dissemination of new research results and ideas, and to allow research groups to build new studies, innovations and knowledge.
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.
Institute of Concrete Science and Technology (ICITECH), 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 and Collections in MDPI journals
Special Issue Information
Dear Colleagues,
University education related to architecture, engineering and construction is changing rapidly, especially in these challenging times of the COVID-19 pandemic. Methodologies are changing: competency-based education is being imposed, online teaching, and affecting active participation of students in the learning process, among others. In fact, the education provided today at universities should be the basis for future graduates to be able to practice their profession in the coming decades. It cannot, therefore, be taught the same as it has been taught for the last 50 years.
In this educational context, the concept of “smart construction” takes on special importance. It is a concept that is associated with digital design, information and communication technologies, artificial intelligence, BIM, Lean Construction, prefabrication, drones, robotization, the Internet of Things and automation, innovation and sustainability, among many other concepts. Among these concepts, one that particularly interests me is the association with new construction methods (a term that includes new products and new construction procedures). They aim to improve business efficiency, quality, customer satisfaction, environmental performance, sustainability and predictability of delivery times. Therefore, modern construction methods are more than just a particular focus on the product. They engage people to seek improvements, through better processes, in construction delivery and execution. For all this technological revolution to be possible, it is essential to change the current educational methods in universities, especially in those engineering studies related to the field of construction. The challenge is twofold: on the one hand, to teach those trends in smart construction that will become a reality in the coming years and, on the other hand, to change the way of teaching at the university, adapting to these new technologies.
This Special Issue aims at promoting original and high-quality papers on new trends in Architecture, Engineering and Education from a multidisciplinary perspective. In particular, the Special Issue seeks to collect best educational practices, innovations in the learning process, problem- and project-based education, collaborative learning, etc. It is about collecting the trends towards which university education related to the world of construction is heading.
We cordially invite you to submit a high-quality original research paper or review to this Special Issue,“ New Trends in Smart Construction Education and Research”.
Prof. Dr. Víctor Yepes Guest Editor
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Manuscripts should be submitted online at www.mdpi.com by registering and logging in to this website. Once you are registered, click here to go to the submission form. Manuscripts can be submitted until the deadline. All papers will be peer-reviewed. Accepted papers will be published continuously in the journal (as soon as accepted) and will be listed together on the special issue website. Research articles, review articles as well as short communications are invited. For planned papers, a title and short abstract (about 100 words) can be sent to the Editorial Office for announcement on this website.
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 submission of manuscripts is available on the Instructions for Authors page. J is an international peer-reviewed open access quarterly journal published by MDPI.
En otros artículos anteriores ya hemos hablado de la computación cuántica y los gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación. Ahora os paso una comunicación que hicimos en el EAAE-ARCC International Conference que se celebró en Valencia el verano pasado, organizado por la Universitat Politècnica de València.
La introducción de los estándares de Lean Construction en la industria de la construcción ha cambiado la forma en que los profesionales abordan los problemas. El BIM y los gemelos digitales híbridos son nuevas tecnologías que mejoran la eficiencia de los procedimientos del sector. Los algoritmos de optimización se utilizan a menudo en combinación con estas técnicas para mejorar el resultado en varios puntos de la fase de diseño, incluyendo el proyecto estructural. La optimización puede realizarse utilizando diferentes criterios, como la economía, la sostenibilidad, el consumo de energía o la constructibilidad o una combinación entre ellos. Aunque existen fórmulas exactas para cuantificar algunos de estos criterios, no existe una universal para cuantificar la constructibilidad. En este artículo, establecemos los puntos clave para crear un criterio de constructibilidad para cada proyecto estructural y explorar su eficiencia. La forma de cuantificar la constructibilidad depende del diseño estructural y del elemento a optimizar y como no existe una fórmula exacta para cuantificarla se han definido los diferentes factores que influyen en ella y se han explorado sus combinaciones para un determinado problema estructural: la optimización de una viga de hormigón. Con ello, se consigue cuantificar la facilidad para construir un determinado proyecto estructural y reducir el tiempo de construcción y el coste de las cuadrillas y crear una forma de mejorar el diseño estructural. Este método expuesto puede ampliarse luego a diferentes elementos estructurales.
Referencia:
FERNÁNDEZ-MORA, V.; YEPES, V. (2020). Constructability criterion for structural optimization in BIM and Hybrid Digital Twins.EAAE-ARCC International Conference, June, 10-13, Valencia, 8 pp. DOI: http://dx.doi.org/10.4995/EAAE-ARCC-IC-2020.2020.XXXX
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 1. 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/
En la tabla siguiente, elaborada por Alejandro López, se pueden ver las diferencias más notables entre la construcción industrializada frente a la tradicional.
Tabla 2. Diferencias entre construcción tradicional e industrializada (Alejandro López).
Construcción tradicional
Construcción industrializada
Definición
Más posibilidades de cambios a lo largo de todo el proceso
Etapas claramente definidas, empezando desde el proyecto
Calidad
Elementos se manufacturan y/o ejecutan en la propia obra, mayor influencia del error humano (más rechazos)
Mayor control (cada pieza tiene su destino), menor influencia del error humano (se sustituyen los albañiles por montadores: la pieza tiene su lugar)
Precisión
Se admiten los errores. Las tolerancias se basan en centímetros
La precisión dimensional y espacial de los elementos es crucial. Las tolerancias se basan en milímetros
Mano de obra
Dependencia casi exclusiva de la capacitación técnica de la mano de obra humana disponible
Procesos más automatizados
Coste
En origen, normalmente menor. Pero mayor riesgo de imprevistos y desviaciones económicas
Precio cerrado en proyecto
Tiempo
El mayor grado de indefinición y la mayor interacción entre los distintos agentes provoca desviaciones en tiempo y, por tanto, en costes
Mayor grado de cumplimiento en la planificación de la obra, rápida apertura de tajos para otros gremios, menor dependencia de las condiciones climatológicas
Materiales
La obra es la fábrica al mismo tiempo. Muchos excedentes de materiales
Menor generación de residuos
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.
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.
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.
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.
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.
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 datos “data-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 automático “machine-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
La Arquitectura, la Ingeniería y la Construcción ha estado cambiando durante los últimos años por varias razones. La aparición de nuevas tecnologías como BIM y técnicas como Lean Construction o el Análisis del Ciclo de Vida están creando nuevas tendencias y oportunidades que alteran el metodologías de esta industria. De estas técnicas hemos tenido oportunidad de hablar en artículos anteriores en este blog. Además, en los últimos años el modelo de negocio está también sufriendo cambios. La rehabilitación está ganando cada vez más importancia en el sector. A continuación os dejo un capítulo del libro “Reactive proactive architecture” que trata sobre estos problemas. El libro recoge los resultados de la primera edición del Valencia International Biennial of Research in Architecture VIBRArch. Espero que os sea de interés.
Referencia:
FERNÁNDEZ-MORA, V.; YEPES, V. (2018). Problems in the adoption of BIM for structural rehabilitation, in CABRERA, I. et al. (Eds.): Reactive proactive architecture. Editorial Universitat Politècnica de València, pp. 284-289. ISBN 978-84-9048-713-6. Valencia.
Os dejo también un vídeo de 5 minutos mostrando el uso de Heritage BIM aplicado a la conservación de puentes En este caso el puente romano de Alcántara. Espero que os guste.
En esta entrada vamos a repasar algunos de los instrumentos y directrices que, fundamentalmente desde la Unión Europea, se han establecido para favoreces el desarrollo sostenible dentro del sector de la construcción. En particular, vamos a repasar brevemente el Reglamento de Producto de la Construcción, el Etiquetado Ecológico, las Declaraciones Ambientales de Producto, las Reglas de Categoría de Producto, el Análisis de Ciclo de Vida, etc.
El Parlamento Europeo publicó, en marzo del 2011, el Reglamento de Producto de la Construcción (CPR) (205/2011). Este reglamento establece las condiciones armonizadas para toda la Unión Europea en lo relativo a la comercialización de productos de la construcción, derogando así a la Directiva 89/106/CEE. Entró en vigor el 1 de julio de 2013 y supuso una serie de cambios en los diferentes aspectos y tareas a realizar por los fabricantes, y en su caso los distribuidores o importadores, de productos de la construcción para la colocación del marcado CE en sus productos, en particular en la documentación a elaborar (Parlamento Europeo & Consejo de la Unión Europea, 2011).
El Etiquetado Ecológico, por su parte, trata de promover los productos o servicios que presenten un menor impacto ambiental que otros de su misma categoría cuando se considera durante todo su ciclo de vida. Las ecoetiquetas se normalizaron con la serie ISO 14020. De acuerdo a los estándares, las ecoetiquetas y las declaraciones se clasifican en tres tipos (Baldo et al., 2013):
Ecoetiquetas tipo I: Se trata de un sistema voluntario de calificación ambiental que identifica y certifica de manera oficial que ciertos productos o servicios tienen una afectación menor sobre el medio ambiente teniendo en cuenta todo su ciclo de vida y que cumplen estrictos criterios ambientales previamente establecidos. Este tipo de ecoetiquetas cumple con los requisitos de la norma ISO 14024 (AENOR, 2000).
Ecoetiquetas tipo II: Se trata de las autodeclaraciones ambientales de producto, avalada por el mismo fabricante, referida a una fase del ciclo de vida o a un aspecto concreto del producto. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14021 (AENOR, 2016) y ofrece una orientación en términos de carácter ambiental.
Declaraciones ambientales tipo III (DAP): Constituyen un inventario de datos ambientales cuantificados de un producto con unas categorías prefijadas de parámetros, basados en la serie de normas ISO 14004, referentes al análisis del ciclo de vida. Se trata de información ambiental cuantitativa comprensible según diferentes estándares. La verificación la realiza una tercera parte independiente. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14025 (AENOR, 2010). A diferencia de las ecoetiquetas tipo I no define unos criterios sobre la preferencia ambiental de los productos ni establece unos criterios mínimos por cumplir.
Ha sido la norma ISO 15804 (AENOR, 2014) la que ha permitido definir los alcances de las Reglas de Categoría de Producto (RCP) para los productos y servicios de la construcción. Ello ha facilitado a sectores como el cerámico, el del yeso y sus derivados y el metálico, que hayan realizado sus propias DAP certificadas por algún administrador europeo como EPD y EnvironDec o española como AENOR GlobalEPD y DAPc (Codificación OpenDAP, 2014). También las constructoras han desarrollado una DAP para procesos constructivos, como es el caso de Acciona (Acciona Infraestructuras, 2013). Otras RCPs de gran interés son las recientemente aprobadas del hormigón y elementos de hormigón, donde la Asociación Nacional de la Industria del Prefabricado de Hormigón (ANDECE) ha tenido un papel relevante (López-Vidal y Yepes, 2015; López-Vidal, 2016). Hace un año puso en marcha uno de los proyectos más ambiciosos realizados hasta la fecha: el desarrollo de 6 DAP sectoriales, cada una referida a algunas de las principales categorías de productos: estructuras, forjados, fachadas, canalizaciones, elementos ligeros huecos y pavimentos, cuyas ADAP resumidas se encuentran disponibles en su página web.
Las herramientas anteriores se han basado en el Análisis del Ciclo de vida (ACV). Sin embargo, también existen otras herramientas con alta capacidad de contribución a la sostenibilidad, no solo en el sector de la construcción (Eusko Jaurlaritza, 2009) :
Huella de carbono: Equivale a la totalidad de GEI emitidos por efecto directo o indirecto de un individuo, organización, evento o producto. Su impacto ambiental se mide en masa de CO2 equivalente y sigue normativas internacionales reconocidas como ISO 14046-1, PAS2050 o GHG Protocol.
Huella hídrica:Se define como el volumen total de agua dulce que se utiliza para producir bienes y servicios de un individuo, de una comunidad o de una empresa.
Huella social: Se entiende como la marca reconocible y medible que un individuo, comunidad o empresa deja en la sociedad por razón de sus operaciones.
Deberíamos recordar también otras herramientas como las certificaciones ambientales de edificios e infraestructuras, de aplicación voluntaria, pensadas para identificar su calidad ambiental a través de una etiqueta y acompañar su proceso de diseño. Algunas presentan una amplia expansión en el ámbito internacional como la certificación LEED, la inglesa BREEAM o GBTOOL, que surgieron en los años 90. Posteriormente han nacido otras certificaciones, como la italiana ITACA y la española VERDE.
Por último, remarcar uno de los campos de vital importancia en el sector de la construcción, y que también deja su huella en la sostenibilidad del sector, se trata del Building Information Modeling (BIM) que se trata de una metodología de trabajo colaborativa para la gestión de proyectos de edificación u obra civil a través de una maqueta digital (Olawumi et al., 2018). En la Figura que sigue se presentan las dimensiones BIM. La sexta dimensión presenta criterios de sostenibilidad ligados a las certificaciones ambientales, el análisis del ciclo de vida y las diferentes huellas ecológicas (Yung y Wang, 2014) y el control de costes, que es la 5 dimensión, tiene características parecidas a las contempladas en el coste del ciclo de vida. De acuerdo a (Comite Técnico Bim España, 2011) la implantación a nivel europeo y nacional, el BIM va a pasar a formar parte de manera obligatoria en la normativa de contratación y licitación pública, según lo propuesto a través de la Directiva 2014/24/UE, por lo que se puede considerar que será uno de los factores que favorecerá el desarrollo sostenible de la construcción gracias a esa sexta dimensión.
A continuación os dejo un vídeo de la empresa Autodesk (en inglés) denominado “Life Cycle Assessment as part of Strategic Sustainability for Product Design”. Espero que os sea útil.
Referencias:
AENOR (2000). ISO 14024:1999. Etiquetado ecológico Tipo I. Principios y procedimientos.
AENOR (2010). ISO 14025:2006. Declaraciones ambientales tipo III. Principios y procedimientos.
AENOR (2014). UNE-EN 15804:2012+A1:2014. Sostenibilidad en la construcción. Declaraciones ambientales de producto.
AENOR (2016). ISO 14021:2016. Afirmaciones ambientales autodeclaradas (Etiquetado ambiental tipo II).
Baldo, G. L.; Cesarei, G.; Minestrini, S.; Sordi, L. (2013). The EU Ecolabel scheme and its application to construction and building materials. Eco-Efficient Construction and Building Materials: Life Cycle Assessment (LCA), Eco-Labelling and Case Studies. https://doi.org/10.1533/9780857097729.1.98
Codificación OpenDAP. (2014). OpenDAP. Retrieved from http://www.opendap.es/acvnormativa
Comite Técnico Bim España. (2011). Dimensiones Bim. Retrieved from www.esbim.es
Eusko Jaurlaritza, G. V. (2009). Análisis de ciclo de vida, huella de carbono, huella hídrica y huella social. Ihobe.
López-Vidal, A. (2016). Economía circular en los prefabricados de hormigón: hacia el objetivo “cero residuos”. Cemento Hormigón, pp. 74–78.
Olawumi, T. O., Chan, D. W. M., Wong, J. K. . W., & Chan, A. P. C. (2018). Barriers to the Integration of BIM and Sustainability Practices in Construction Projects: A Delphi Survey of International Experts. Journal of Building Engineering, 20(January), 60–71. https://doi.org/doi.org/10.1016/j.jobe.2018.06.017
Parlamento Europeo, Consejo de la Unión Europea. (2011). Reglamento (UE) No 305/2011 del Parlamento Europeo y del Consejo por el que se establecen condiciones armonizadas para la comercialización de productos de construcción y se deroga la Directiva 89/106/CEE del Consejo. Doue (Vol. 4.4.2011).
Yung, P., & Wang, X. (2014). A 6D CAD model for the automatic assessment of building sustainability. International Journal of Advanced Robotic Systems, 11(1), 1–8. https://doi.org/10.5772/58446
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.
Se está poniendo de moda el concepto “inteligente” para nombrar todo tipo de cosas. Por ejemplo, “smart buildings“, “smart cities“, “smart beach“, “smart tourism destination“, “smart food“, etc. Como siempre, cada vez que se empieza a hacer viral un concepto, al final se acaba por difuminar y perder el sentido original de lo que se quería decir. Este tipo de modas ya han pasado por conceptos tan importantes como “calidad”, “sostenibilidad”, “innovación”, etc. Al final, aplicado a productos o servicios, se menoscaba el significado por culpa del marketing y con ello se quiere atraer al consumidor hacia lo “bueno”, “guay”, “saludable” o similares.
Espero que el término de “construcción inteligente” tenga algo más de recorrido y pueda 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.
Uno que me interesa mucho 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.
Sin embargo, y este es un punto crucial, para que se pueda hablar de verdad de “construcción inteligente”, no solo vamos a necesitar incorporar las nuevas tecnologías, sino que también va a ser necesario elaborar un sistema que permita la participación de todas las partes implicadas en el proceso proyecto-construcción, alimentando de información de calidad a este sistema de forma que soporte la toma de decisiones mediante la inteligencia artificial. El BIM puede ser un buen punto de partida para ello, pero se hace necesario integrar la inteligencia colectiva de forma que, aunque se apoye el sistema de una rigurosa alimentación de datos en tiempo real, el decisor tome sus decisiones asumiendo la responsabilidad última de sus acciones.
Dejo abierto este tema por si alguno de mis estudiantes quieren realizar su Trabajo Fin de Máster, e incluso atreverse a la realización de una tesis doctoral sobre este tema.
Os voy a dejar algunos vídeos relacionados con el tema, algunos os gustarán más que otros, pero es una buena forma de acercarse al concepto de construcción inteligente.
Acaban de publicarnos en la revista Journal of Building Engineering, que está en el primer decil del JCR, un artículo de revisión sobre la integración del proyecto estructural en BIM. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
