Dado que las industrias del hormigón y el acero son responsables del 15 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono, crecen los llamamientos a utilizar madera como material de construcción más sostenible.
La profesora Caitlin Mueller ha desarrollado un «flujo de trabajo de diseño a fabricación» de cinco pasos que combina la estructura de la madera con herramientas digitales de arquitectura.
La bifurcación de un árbol ofrece un ejemplo natural de estructura interna resistente que puede reproducirse en forma arquitectónica.
La preocupación por el cambio climático ha centrado una atención considerable en el sector de la construcción, en particular en la extracción y el procesamiento de materiales de construcción. En conjunto, las industrias del hormigón y el acero son responsables de hasta el 15 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. En cambio, la madera constituye una forma natural de secuestro de carbono, por lo que se está impulsando el uso de madera en su lugar. De hecho, algunos países piden que los edificios públicos se construyan al menos parcialmente con madera, y en todo el mundo están apareciendo edificios de madera a gran escala.
Al observar esas tendencias, Caitlin Mueller ’07, SM ’14, PhD ’14, profesora asociada de arquitectura e ingeniería civil y medioambiental en el Programa de Tecnología de la Construcción del MIT, ve una oportunidad para lograr avances adicionales en sostenibilidad. Mientras la industria maderera busca producir sustitutos de madera para los elementos tradicionales de hormigón y acero, se centra en aprovechar las secciones rectas de los árboles. Las secciones irregulares, como nudos y bifurcaciones, se convierten en pellets y se queman, o se trituran para hacer mantillo de jardín, que se descompondrá en unos pocos años; ambos métodos liberan a la atmósfera el carbono atrapado en la madera.
Durante los últimos cuatro años, Mueller y su grupo de investigación Digital Structures han estado desarrollando una estrategia para «supraciclar» esos materiales de desecho utilizándolos en la construcción, no como revestimientos o acabados destinados a mejorar la apariencia, sino como componentes estructurales. «El mayor valor que se le puede dar a un material es asignarle una función portante en una estructura», afirma. Sin embargo, cuando los constructores utilizan materiales vírgenes, esos componentes estructurales son las partes de los edificios que más emisiones generan, debido al gran volumen de materiales de alta resistencia que requieren. Por ello, sustituir esos sistemas de alta huella de carbono por materiales supraciclados tiene un impacto especialmente importante en la reducción de emisiones.
Mueller y su equipo se centran en las bifurcaciones de árboles, es decir, los puntos donde el tronco o una rama se divide en dos y forma una pieza en forma de Y. En los planos arquitectónicos hay muchos nudos similares en forma de Y, donde confluyen elementos rectos. En estos casos, esas unidades deben ser lo bastante resistentes para soportar cargas críticas.
«Las bifurcaciones de los árboles son conexiones estructurales de diseño natural que funcionan como voladizos en los árboles; esto significa que pueden transferir fuerzas de manera muy eficiente gracias a su estructura interna de fibras», afirma Mueller. «Si se corta una bifurcación por la mitad, se ve una red increíble de fibras entrelazadas que crean estos puntos de transferencia de cargas, a menudo tridimensionales, en un árbol. Estamos empezando a hacer lo mismo mediante impresión 3D, pero estamos muy lejos de lo que logra la naturaleza en cuanto a la compleja orientación de las fibras y la geometría».
Ella y su equipo han desarrollado un «flujo de trabajo de diseño a fabricación» de cinco pasos que combina estructuras naturales, como las bifurcaciones de árboles, con las herramientas digitales y computacionales que se utilizan actualmente en el diseño arquitectónico. Aunque desde hace tiempo existe un movimiento «artesanal» que utiliza madera natural en barandillas y elementos decorativos, el uso de herramientas computacionales permite emplear madera con fines estructurales, sin cortes excesivos, que son costosos y pueden comprometer la geometría natural y la estructura interna de la veta.
Dado el amplio uso de herramientas digitales por parte de los arquitectos actuales, Mueller cree que su enfoque es «al menos potencialmente escalable y potencialmente viable dentro de nuestros sistemas industrializados de procesamiento de materiales». Además, al combinar bifurcaciones de árboles con herramientas de diseño digital, este novedoso enfoque también puede respaldar la tendencia de los arquitectos a explorar nuevas formas. «Muchos edificios emblemáticos construidos en las últimas dos décadas tienen formas inesperadas», afirma Mueller. «Las ramas de los árboles tienen una geometría muy específica que a veces se presta a una forma arquitectónica irregular o no convencional, determinada no por un algoritmo arbitrario, sino por el propio material».
Paso 0: Encontrar una fuente y fijar objetivos
Antes de iniciar el proceso de diseño a fabricación, los investigadores necesitaban localizar una fuente de bifurcaciones de árboles. Mueller encontró ayuda en la División de Silvicultura Urbana de la ciudad de Somerville, Massachusetts, que mantiene un inventario digital de más de 2.000 árboles en las calles —de más de 20 especies— y registra datos sobre la ubicación, el diámetro aproximado del tronco y el estado de cada árbol.
Con el permiso de la división forestal, el equipo estuvo presente en 2018 cuando se taló un gran grupo de árboles cerca del emplazamiento de la nueva escuela secundaria de Somerville. Entre la maquinaria pesada que había en el lugar había una astilladora, lista para convertir toda la madera de desecho en mantillo. En vez de eso, los trabajadores accedieron amablemente a cargar la madera de desecho en el camión de los investigadores para llevarla al MIT.
En su proyecto, el equipo del MIT no solo buscaba supraciclar ese material de desecho, sino también utilizarlo para crear una estructura que el público valorara. «Donde vivo, la ciudad ha tenido que talar muchos árboles por los daños causados por una especie invasora de escarabajo», explica Mueller. «La gente se disgusta mucho, y con razón. Los árboles son una parte importante del tejido urbano: proporcionan sombra y belleza». Ella y su equipo esperaban reducir ese rechazo «reinstalando los árboles retirados en forma de una nueva estructura funcional que recreara la atmósfera y la experiencia espacial que antes ofrecían los árboles talados».
Una vez identificadas la fuente y los objetivos, los investigadores estaban listos para demostrar los cinco pasos de su flujo de trabajo de diseño a fabricación para crear estructuras espaciales utilizando un inventario de bifurcaciones de árboles.
Paso 1: Crear una biblioteca digital de materiales
La primera tarea fue convertir su colección de bifurcaciones de árboles en una biblioteca digital. Empezaron cortando el material sobrante para aislar las bifurcaciones. Después crearon un escaneo 3D de cada una. Mueller señala que, gracias a los recientes avances en fotogrametría (medición de objetos mediante fotografías) y escaneo 3D, podían crear representaciones digitales de alta resolución de cada bifurcación con equipos relativamente económicos, incluso con aplicaciones para un teléfono inteligente común.
En la biblioteca digital, cada bifurcación está representada por una versión «esqueletizada» que muestra tres barras rectas que convergen en un punto. La geometría relativa y la orientación de las ramas revisten especial interés porque determinan la orientación interna de las fibras, que confiere resistencia al componente.
Paso 2: Encontrar la mejor correspondencia entre el diseño inicial y la biblioteca de materiales
Al igual que un árbol, un diseño arquitectónico típico está lleno de nudos en forma de Y, donde se encuentran tres elementos rectos para soportar una carga crítica. Por tanto, el objetivo era asociar las bifurcaciones de árboles de la biblioteca de materiales con los nudos de un diseño arquitectónico de muestra.
Primero, los investigadores desarrollaron una «métrica de desajuste» para cuantificar en qué medida la geometría de una bifurcación concreta coincidía con la de un nudo determinado del diseño. «Intentamos alinear los elementos rectos de la estructura con los puntos donde estaban originalmente las ramas en el árbol», explica Mueller. «Eso nos da la orientación óptima para transferir cargas y maximiza el aprovechamiento de la resistencia inherente de las fibras de madera». Cuanto peor es la alineación, mayor es la métrica de desajuste.
El objetivo era lograr la mejor distribución global de todas las bifurcaciones entre los nudos del diseño previsto. Por ello, los investigadores debían probar distintas distribuciones de bifurcaciones entre nudos y, para cada distribución, sumar los errores individuales de desajuste entre bifurcaciones y nudos a fin de obtener una puntuación general, o global, de correspondencia. La distribución con la mejor puntuación permitiría aprovechar el inventario total de bifurcaciones de la manera estructuralmente más eficiente.
Como realizar ese proceso manualmente llevaría demasiado tiempo para resultar práctico, recurrieron al «algoritmo húngaro», una técnica desarrollada en 1955 para resolver este tipo de problemas. «Lo brillante del algoritmo es que resuelve muy rápidamente ese problema de [emparejamiento]», afirma Mueller. Señala que es un algoritmo de uso muy general. «Se utiliza en cosas como los emparejamientos para contraer matrimonio. Puede usarse siempre que haya dos conjuntos de elementos entre los que se intenten encontrar correspondencias únicas. Así que, desde luego, no inventamos el algoritmo, pero fuimos los primeros en identificar que podía aplicarse a este problema».
Los investigadores realizaron pruebas repetidas para mostrar posibles distribuciones de las bifurcaciones de su inventario y descubrieron que la puntuación de correspondencia mejoraba a medida que aumentaba el número de bifurcaciones disponibles en la biblioteca de materiales, hasta cierto punto. En general, concluyeron que la puntuación de desajuste era más baja y, por tanto, mejor cuando la biblioteca de materiales contenía aproximadamente tres veces más bifurcaciones que nudos en el diseño previsto.
Paso 3: Equilibrar la intención del diseñador con el rendimiento estructural
El siguiente paso del proceso consistía en incorporar la intención o las preferencias del diseñador. Para permitir esa flexibilidad, cada diseño incluye un número limitado de parámetros críticos, como la longitud de las barras y la deformación por flexión. Con esos parámetros, el diseñador puede cambiar manualmente la forma general, o geometría, del diseño, o utilizar un algoritmo que la modifique automáticamente, es decir, que la «transforme». Y cada vez que cambia la geometría del diseño, el algoritmo húngaro vuelve a calcular la correspondencia óptima entre bifurcaciones y nudos.
«Como el algoritmo húngaro es extremadamente rápido, todas las transformaciones y actualizaciones del diseño pueden realizarse con mucha fluidez», señala Mueller. Además, cada cambio a una nueva geometría va seguido de un análisis estructural que comprueba las deflexiones, la energía de deformación y otras medidas de rendimiento de la estructura. En ocasiones, el diseño generado automáticamente que obtiene la mejor puntuación de correspondencia puede alejarse mucho de la intención inicial del diseñador. En esos casos, se puede encontrar una solución alternativa que equilibre satisfactoriamente la intención de diseño con una puntuación de correspondencia baja.
Paso 4: Generar automáticamente el código de máquina para realizar cortes rápidamente
Una vez definidas la geometría estructural y la distribución de las bifurcaciones, llega el momento de pensar en la construcción de la estructura. Para simplificar el montaje y el mantenimiento, los investigadores preparan las bifurcaciones volviendo a cortar las caras de sus extremos para que encajen mejor con las piezas rectas de madera contiguas y retirando cualquier resto de corteza para reducir el riesgo de pudrición e incendio.
Para guiar ese proceso, desarrollaron un algoritmo personalizado que calcula automáticamente los cortes necesarios para encajar una bifurcación determinada en el nudo asignado y quitarle la corteza. El objetivo es retirar la menor cantidad de material posible y, al mismo tiempo, evitar un proceso de mecanizado complejo y lento. «Si hacemos muy pocos cortes, eliminaremos demasiado material estructural crítico. Pero tampoco queremos hacer un millón de cortes diminutos, porque llevaría una eternidad», explica Mueller.
El equipo utiliza las instalaciones del Autodesk Boston Technology Center Build Space, donde los robots son mucho más grandes que cualquiera de los del MIT y todo el procesamiento está automatizado. Para preparar cada bifurcación, la montan en un brazo robótico que hace pasar la unión por una sierra de cinta convencional en distintas orientaciones, siguiendo instrucciones generadas por computadora. El robot también fresa todos los orificios para las conexiones estructurales. «Eso es útil porque garantiza que todo quede alineado como se espera», afirma Mueller.
Paso 5: Ensamblar las bifurcaciones disponibles y los elementos lineales para construir la estructura
El último paso es ensamblar la estructura. Las uniones basadas en bifurcaciones son todas irregulares, y combinarlas con los elementos rectos de madera precortados podría resultar difícil. Sin embargo, todas están etiquetadas. «Toda la información geométrica está incorporada en la unión, así que el proceso de montaje es muy sencillo», afirma Mueller. «Es como un juego de construcción infantil. Basta con seguir las instrucciones de las uniones para ensamblar todas las piezas».
Instalaron temporalmente su estructura final en el campus del MIT, pero Mueller señala que solo era una parte de la estructura que esperan construir finalmente. «Tenía 12 nudos que diseñamos y fabricamos con nuestro proceso», afirma, y añade que el trabajo del equipo «se vio un poco interrumpido por la pandemia». A medida que se reanude la actividad en el campus, los investigadores prevén terminar el diseño y la construcción de la estructura completa, que incluirá unos 40 nudos y se instalará como pabellón al aire libre en el lugar de Somerville donde se talaron los árboles.
Además, continuarán con su investigación. Sus planes incluyen trabajar con bibliotecas de materiales más grandes, algunas con bifurcaciones de varias ramas, y sustituir su técnica de escaneo 3D por tecnologías de tomografía computarizada que puedan generar automáticamente una representación geométrica detallada de una bifurcación, incluida la orientación y la densidad precisas de sus fibras. En un proyecto paralelo, también han explorado la aplicación de su proceso a otras fuentes de materiales; un estudio de caso se centra en utilizar material de una casa con estructura de madera demolida para construir más de una docena de domos geodésicos.
Para Mueller, el trabajo realizado hasta la fecha ya ofrece nuevas pautas para el proceso de diseño arquitectónico. Gracias a las herramientas digitales, los arquitectos pueden analizar fácilmente el carbono incorporado o el consumo energético futuro de una opción de diseño. «Ahora tenemos una nueva métrica de rendimiento: ¿hasta qué punto estoy utilizando bien los recursos disponibles?», afirma. «Con el algoritmo húngaro podemos calcular esa métrica prácticamente en tiempo real, de modo que podemos trabajar con rapidez y creatividad, incorporándola como otro factor al proceso de diseño».
¿Qué está haciendo el Foro Económico Mundial para promover el desarrollo urbano sostenible?
Las ciudades son responsables del 75 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero y albergan a más de la mitad de la población mundial, una proporción que llegará a dos tercios en 2050. Si dan prioridad a una energía más limpia, las ciudades podrían aportar más de la mitad de las reducciones de emisiones necesarias para limitar el calentamiento global a menos de 2 °C, en consonancia con el Acuerdo de París.
Para lograr ciudades y comunidades con cero emisiones netas y un impacto positivo en la naturaleza para 2050, el Foro Económico Mundial colabora con partes interesadas de los sectores público y privado en iniciativas que impulsan la ambición mundial mediante acciones locales. Estas son solo algunas:
Alianza Davos Baukultur: Promover la planificación, construcción y gestión de edificios, infraestructuras y espacios públicos de alta calidad, mediante principios basados en la resiliencia climática, la sostenibilidad y la circularidad en el entorno construido. Más información.
Coalición Global por la Nueva Movilidad: Explorar nuevas soluciones para reducir la congestión y las emisiones, mejorar la infraestructura para vehículos eléctricos y transformar la movilidad y los repartos urbanos. Más información.
Alianza para la Innovación Urbana: Conectar a innovadores y emprendedores con nuevos mercados y oportunidades para reinventar y transformar la calidad de vida y las economías locales. Más información.
Alianza Global de Ciudades Inteligentes del G20: Acelerar soluciones inteligentes y prácticas para fortalecer la resiliencia climática, mejorar el bienestar público y abordar los desafíos más apremiantes que afrontan las ciudades y las comunidades locales. Más información.
El futuro de los viajes y el turismo: Impulsar un crecimiento económico inclusivo y sostenible, preservando al mismo tiempo el patrimonio cultural y protegiendo los ecosistemas naturales. Más información..
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