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ARQ (Santiago)

versión On-line ISSN 0717-6996

ARQ (Santiago)  n.63 Santiago ago. 2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0717-69962006000200007 

ARQ, n. 63 Mecánica electrónica / Mechanics & electronics, Santiago, agosto, 2006, p. 30 - 35.

Notes english

LECTURAS

Sobre cáscaras y blobs
Superficies estructurales de la era digital(1)

Martin Bechthold*

* Profesor Harvard University Graduate School of Design, Cambridge, EE.UU.


Resumen

Las nuevas técnicas de representación en arquitectura han ampliado las posibilidades de exploración formal hacia lo que algunos interpretan como un mayor grado de libertad. ¿Cómo relacionar ese potencial del proyecto con los asuntos que la gravedad (entendida como peso, empuje y resistencia) plantea a la obra construida?.

Palabras clave: Cáscaras estructurales, diseño de estructuras, superficies estructurales, CAD/CAM, paraboloide.


 

Todos sabemos que la tecnología de producción CAD/CAM ha activado una proliferación de diseños constructivos de formas complejas, que incluyen las formas libres que denominamos blobs. Pero hemos olvidado que muchas de estas formas fluidas tienen un parentesco con las cubiertas de cáscaras de hormigón surgidas en la primera mitad del s. XX, estructuras creadas para cubrir largas luces con un mínimo de material. Además de estas similitudes, hay también diferencias, y ellas tienen que ver con la estructura.
Por lo general se supone que todas las superficies curvas son necesariamente rígidas y por ende útiles como elementos estructurales primarios. La curvatura de la superficie, sin embargo, forma un cascarón estructuralmente efectivo sólo si permite que se desarrollen tensiones de membranas eficientes, que a su vez habilitan a las delgadas superficies para soportar cargas importantes. Esta elegancia estructural contrasta con la relativa torpeza de los sistemas de soporte para las formas irregulares generadas actualmente a nivel digital.
Es cierto que las cáscaras o cubiertas ligeras no pueden ofrecer el grado de libertad formal presente en los blobs para construir superficies y cubiertas. Pero considerando su eficiente (y por lo mismo compensatorio) uso del material, ¿por qué han quedado prácticamente olvidadas en medio del entusiasmo suscitado por los blobs? Las facultades de arquitectura ofrecen generalmente clases de diseño digital, pero rara vez alguna de ellas aborda el diseño de superficies estructurales(2). Esta falta de interés en las cáscaras data de comienzos de los años ochenta y refleja los intentos por esquivar los inmensos desafíos de construcción que plantean estos sistemas. Pero ¿puede la tecnología CAD/CAM hacer más fácil la construcción de superficies estructurales ligeras y eficientes? ¿puede la tecnología digital no solamente ayudar a ampliar el diseño formal, sino además permitir el uso de sistemas estructurales que optimicen el uso del material?
Como el discurso actual se ha centrado en los principios formales posibilitados por la arquitectura digital(3), los arquitectos a menudo pasan por alto que la complejidad formal de un blob se concreta materialmente a través de medios estructurales y constructivos convencionales: esqueletos armados con elementos lineales y curvilíneos, que soportan otros elementos secundarios y superficies envolventes no estructurales. Curiosamente, estas propuestas se fundamentan en la capacidad estructural de elementos doblados, el menos eficiente entre los esquemas básicos para soporte de cargas: en general la superficie visible de las figuras de forma libre es estructuralmente inútil (fig. 1). Las curvaturas presentes en los blobs rara vez permiten que se desarrollen tensiones en la membrana, puesto que los algoritmos subyacentes en sus formas se calibran y optimizan con fines visuales, no pudiendo simular y modelar con exactitud una conducta estructural. Estas formas dejan pocas posibilidades de usar otros sistemas de soporte que no sean los basados en la ineficiente acción del doblez. Las tensiones contenidas en el plano de la membrana de una cáscara son muchísimo más eficientes: se requiere menos material para soportar cargas análogas.
Las cáscaras estructuralmente eficientes usan tecnologías constructivas que desde los años ochenta han progresado sólo marginalmente. Este estancamiento contrasta fuertemente con los importantes avances en los sistemas digitales de diseño y fabricación de esqueletos estructurales. La combinación de programas como Steel Detailing Software y las plantas de manufacturación por control numérico computacional (CNC) automatizan parcialmente el diseño y la fabricación de componentes para estos esqueletos, incluidos los complejos sistemas de soporte de las figuras de forma libre. Lo que ahora se necesitaría es una nueva tecnología de fabricación computacional para la construcción de cáscaras, si este sistema eficiente en el uso de los materiales se transforma en una alternativa viable.
En la década del veinte el desarrollo de cáscaras estructurales para cubiertas provino de la fascinación con un material nuevo –el hormigón armado– y la necesidad de cubrir luces medianas y grandes en forma económica. Félix Candela en México, Eduardo Torroja en España, Eladio Dieste en Uruguay, Franz Dischinger y Ulrich Finsterwalde en Alemania, Heinz Isler en Suiza y Anton Tedesco en Estados Unidos fueron algunos de los pioneros en la construcción de dichas estructuras ligeras. La intensa ocupación de mano de obra para la construcción de la compleja forma se justificaba económicamente a través de importantes ahorros en material: la cubierta de Candela para un restaurante en Xochimilco, construida en 1958 (fig. 2) se extiende en 32 m y es una lámina de hormigón de sólo 4,3 cm de espesor.
Los cáscaras de hormigón incluyen formas de curvatura simple tales como cilindros y conos, así como una variedad de geometrías de doble curvatura. La forma sinclástica de la doble curvatura (donde las curvas giran en la misma dirección) y anticlástica (donde las curvas giran en direcciones opuestas) son particularmente eficientes, pero la construcción de sus moldajes es técnicamente más exigente. Los paraboloides hiperbólicos (PH) y los hiperboloides (fig. 3 y 4) forman un grupo particular dentro de las estructuras anticlásticas. Ellos combinan un mecanismo eficiente de soporte de carga con una relativa facilidad de construcción; el encofrado para estas superficies pueden ser fabricado principalmente con tablas rectas de madera describiendo una superficie reglada. La mayoría de los cáscaras de hormigón de Candela, así como otras fabricadas en madera por otros diseñadores, se basan en paraboloides hiperbólicos.
Los primeros constructores de cáscaras empleaban geometrías simples que se podían describir y construir fácilmente(4). En los años cincuenta, Heinz Isler desarrolló un nuevo concepto para estas superficies, definiendo su geometría a partir de experimentaciones con modelos físicos exactos, como membranas de goma inflable o tela colgante. Estas cáscaras son figuras equilibradas: sus formas distribuyen las cargas, como el peso propio del cascarón, a través de las tensiones de la membrana. Igualmente en los años cincuenta, los investigadores del Instituto de Construcción Ligera Frei Otto de la Universidad de Stuttgart experimentaron en la búsqueda de formas para sistemas tensados, estudiando entre otras superficies mínimas de burbujas de jabón. Sus modelos físicos fueron complementados posteriormente y reemplazados en parte por métodos computacionales para determinar formas estructuralmente apropiadas, aplicables tanto a sistemas tensiles como a cáscaras. Diseñar una cáscara en equilibrio significa definir una figura estructuralmente eficiente, especificando sus condiciones de apoyo y cargas: cada combinación prescrita de apoyo y carga producirá una geometría única.
Los avances de medios digitales para la determinación de formas en la década del setenta llegaron en un momento en que el interés por las cubiertas ligeras o cáscaras se estaba desvaneciendo rápidamente. Las estructuras de telas, redes de cables y estereométricas presentaban soluciones estructurales igualmente eficientes para cubrir distancias más grandes, pero sus problemas de construcción eran resueltos más fácilmente con la tecnología de construcción establecida para esqueletos estructurales. Las pocas cáscaras construidas después de los años setenta fueron principalmente nervadas, sustituyéndose la superficie continua por partes lineales o curvilíneas interconectadas.
¿Cuáles son los impedimentos técnicos actuales para la construcción de cáscaras? La realización de una superficie de forma compleja es necesariamente un desafío, aún más si esa superficie pasa a ser el elemento estructural principal. La construcción de una cáscara puede ejecutarse aplicando técnicas constructivas convencionales para moldeado de materiales delgados, como láminas de metal o tableros de madera; sin embargo, estos materiales solos no son suficientemente resistentes para estos propósitos. Las técnicas de construcción de cubiertas ligeras se han basado tradicionalmente en el uso intensivo de mano de obra, y en consecuencia, hoy día se ven dificultadas por su alto costo. Entre 1958 y 2002 el valor de mano de obra (no reajustado por inflación) aumentó entre factores de ocho (mano de obra no especializada) (Williamson, 2003) y once (mano de obra de producción)(5), mientras que el costo de los materiales de construcción (no reajustados por concepto de inflación) en el mismo período aumentó solamente por factores entre 3,8 (productos fabricados en acero) y 4,8 (hormigón premezclado)(6). Para que la construcción de cáscaras sea factible hoy en día, es necesario crear técnicas de construcción menos demandantes en mano de obra. El encofrado da cuenta de una parte importante del costo de las cáscaras de hormigón; si solamente fuera posible reutilizar estos costosos y grandes moldajes podrían hecerse ahorros significativos. Heinz Isler, uno de los pocos constructores de cáscaras que siguen activos, reutiliza el encofrado en diferentes proyectos, aceptando la severa restricción de diseño a la geometría regular del plano, la repetición de formas idénticas (fig. 5), y la incapacidad de ajustarse a las condiciones locales.
Investigaciones en Harvard Graduate School of Design han estado sugiriendo nuevos procesos para la construcción de cáscaras usando tecnología CAD-CAM. La exactitud de la fabricación por CNC ahora permite la descomposición de grandes cáscaras en fragmentos que pueden ser prefabricados, transportados a las faenas y ensamblados conformando cubiertas de gran escala. Estas pesquisas están desarrollando prototipos sobre la base de tres esquemas: cascarones tipo sandwich láminas de madera, sistemas de placas plegadas de ferrocemento (fig. 6) con delgadas losas de hormigón reforzadas en malla de acero, y un sistema de cáscara de hormigón construido con moldajes prefabricados perdidos, insertos en la estructura.
La cáscara de madera es una estructura rígida tipo sandwich, con un núcleo de espuma de alta densidad protegido por dos capas de madera laminada. El núcleo de espuma de cada fragmento de cáscara puede ser fabricado con una máquina fresadora CNC; múltiples capas de franjas precortadas de madera gruesa, aglomerada o contraplacada, son laminadas luego sobre la superficie y curadas bajo presión al vacío (fig. 7). Ensambles o fingerjoints especialmente desarrollados conectan los paneles individuales y forman el cascarón; la estructura sandwich de partes intercaladas puede ser diseñada de manera de satisfacer los actuales requisitos de aislamiento térmico, resistencia a incendios y rigidez estructural. El espesor del sistema general de la cáscara es suficiente para admitir la existencia de elementos de servicio embutidos, aumentando aún más la multifuncionalidad de estas cubiertas de geometría compleja. Este conjunto de elementos traslapados y la combinación adecuada de materiales del núcleo y de la superficie, pueden generar suficiente rigidez para acomodar esfuerzos de curvatura moderados. Con este método se pueden fabricar no solamente cáscaras, sino también figuras de forma libre en tanto la rigidez de la curvatura del sandwich sea suficiente. Finalmente, la cáscara atrapa al blob: una tecnología desarrollada para construir superficies estructurales puede ser una alternativa viable para levantar esqueletos de figuras de forma libre (Bechthold, 2001 y Schodek et al., 2004).
El sistema de láminas plegadas de ferrocemento vuelve a revivir un sistema olvidado y un material atractivo que ya no se usa en los países industrializados. Las láminas plegadas están estrechamente relacionadas con las cáscaras, porque su mecanismo de soporte de carga se deriva principalmente de las tensiones en el plano de una superficie plegada delgada(7). Uno de los problemas de la construcción de placas plegadas es la relativa complejidad del encofrado cuando se trata de hormigón y la dificultad de crear conexiones eficientes entre paneles planos cuando se construyen en madera. Una solución obvia es usar un material que combine la rigidez con cierta capacidad de plegado, sin necesidad de un elaborado encofrado hecho en terreno: láminas delgadas de ferrocemento reforzado con malla(8). Los paneles de ferrocemento reforzados pueden ser fabricados en forma eficiente con moldajes planos y reutilizables: las líneas predeterminadas de pliegues no son cubiertas con mortero durante este proceso y actúan efectivamente como bisagras durante el plegado. Aquí la malla metálica de refuerzo admite manipulaciones y curvaturas, permitiendo que las placas planas puedan ser plegadas como origami en una estructura tridimensional. Finalmente, después de haber sido dobladas, las uniones abiertas se cubren con mortero. De acuerdo a una solicitud de patente australiana de 1980, todavía este concepto no ha sido utilizado más allá de experimentos a pequeña escala, realizados en la Universidad de Sydney(9).
La tecnología CAD/CAM moderniza el proceso diseño / producción. Complejos sistemas plegados son generados en forma digital y las herramientas integradas de análisis estructural proporcionan una rápida retroalimentación sobre la factibilidad de las configuraciones. Con ayuda de un software, los componentes de los modelos plegados son aplanados en patrones bi-dimensionales que se reproducen con ploteos de corte láser o routers CNC. Cada uno de estos fragmentos planos es fabricado rociando el mortero en forma manual o parcialmente automatizada sobre una malla de acero reforzada. Los pliegues deben ser realizados cuidadosamente, evitando una excesiva curvatura de las placas durante el plegado(10). Con este método se puede producir caso a caso un amplio rango de formas; el sistema prácticamente anula la incidencia que una modulación irregular tendría en los tiempos y costos de fabricación. Se pueden producir y montar con eficiencia variaciones paramétricas de un sistema de láminas plegadas (que es de por sí simple de generar utilizando programas de desarrollo de diseño como SolidWorks o Catia) de que lo que podría hacerse con técnicas tradicionales de construcción en obra.
Una tercera investigación está desarrollando un sistema de planos complejos de ferrocemento que son usados en terreno como moldaje perdido para una capa estructuralmente resistente de hormigón armado preparado en obra. Este enfoque, estrechamente relacionado con el uso que hizo Pier Luigi Nervi del encofrado perdido en los años cincuenta y sesenta, aborda específicamente la necesidad de reducir los costos del moldaje al transformarlo en parte estructural de la cáscara terminada. Los elementos de ferrocemento son fabricados con exactitud fuera de la faena utilizando máquinas CNC y proyectando mortero, en una forma que puede ser parcialmente automatizada. Las conexiones estructurales entre paneles adyacentes de la cáscara terminada son confiadas a barras de refuerzo traslapadas, que se incorporan al momento de hormigonar en terreno(11).
Estos tres procesos para el diseño y la producción de superficies estructurales no seriables y eficientes en el uso del material utilizan la tecnología CAD/CAM para permitir a los arquitectos acceder a mayor variedad de formas a la vez que reducir el costo adicional relacionado normalmente con la construcción formalmente no sistémica. Sin embargo, aceptar el uso de elementos idénticos y seriables en la construcción no es una condición limitada a las cáscaras; es parte de la actividad constructiva en general. El uso de productos y componentes estándares es un imperativo de diseño generalmente aceptado. Cada día los productos de la construcción, desde la madera aglomerada y el acero estándar a los sistemas de cielos suspendidos y accesorios livianos, tienen menos variantes. La industria de la construcción opera en gran medida bajo principios económicos que se originan en las primeras leyes de la producción industrial masiva, y el diseño de productos a la medida generalmente significa importantes aumentos de costos. La tecnología CAD/CAM, ¿eliminará por completo la necesidad de la serie productiva, afectando drásticamente la forma en que diseñamos?
La posibilidad de diseños y edificios personalizados con componentes únicos parece atractiva para los arquitectos. La personalización masiva ha permitido a otras industrias producir productos individualizados a un precio similar al de artículos equivalentes producidos a gran escala. Los productos masivos hechos a la medida van desde libros personalizados a máquinas individualizadas para la producción industrial. La industria de la construcción ha estado adaptando esta tendencia: ahora es posible diseñar on-line ventanas a pedido, y sus componentes por lo general se manufacturan automáticamente. Algunas albañilerías se construyen utilizando bloques prefabricados que son diseñados, cortados por CNC, y entregados en obra justo a tiempo, aumentando la velocidad de la construcción y reduciendo el volumen de desechos. Esta implementación creciente de personalización masiva en la industria de la construcción apenas ha sido advertida. Es probable que continuemos usando productos y materiales estándares en los edificios, pero pueden surgir oportunidades interesantes para los diseñadores, ingenieros y contratistas donde menos se las espera. Un ejemplo reciente es la fabricación de mallas de enfierradura para losas de concreto, diseñadas digitalmente y soldadas por robots, que pueden ahorrar un porcentaje sustancial de acero porque cada una es diseñada precisamente a la medida de las tensiones y deformaciones presentes en la losa.
¿Cuál puede, o más bien, debe ser el propósito de la fabricación personalizada? El estudio de los cáscaras demuestra que puede permitir sistemas de construcción estructuralmente eficientes, proporcionando una experiencia espacial rica y usando responsablemente los recursos materiales. La personalización a través de CAD/CAM podría y debería ser dirigida hacia una respuesta más eficiente del proyecto a demandas de rendimiento tan diversas como programa, estructura, eficiencia de energía, iluminación y mantención. La tecnología digital no es un fin en sí misma, pero debería desempeñar un papel importante en crear un ambiente más humano, socialmente responsable y sustentable. Suponemos que no pasará mucho tiempo antes que los actualmente separados discursos sobre sustentabilidad y diseño digital se conecten en forma productiva.

Notas
1. Este artículo fue publicado por primera vez en Harvard Design Magazine No. 19.
2. En abril de 2003 hice un estudio de los cursos de estructuras. El curso que imparto en Harvard era el único que cubría las cubiertas ligeras o cáscaras con cierto grado de profundidad. Las facultades de Arquitectura que incluí en el estudio fueron Yale, Princeton, Cornell, la Universidad de California en Berkeley, MIT, UCLA, la Universidad de Colorado en Bodler, la Universidad de Florida, el Instituto de TecnologÌa de Georgia, IIT, Tulane, la Universidad de Michigan, Columbia, la Escuela de Diseño de Rhode Island, la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, Rensselaer, y la Universidad de Texas en Austin.
3. Ver, por ejemplo, Journal of Architectural Education de noviembre de 2002, y muchos libros y publicaciones recientes.
4. Los ingenieros alemanes intentaron obtener una comprensión cuantitativa completa de cáscaras cilíndricas simples antes de construir prototipos. Los paraboloides hiperbólicos más atrevidos de Candela por lo general fueron construidos sin una comprensión teórica cabal de su conducta estructural: Candela se ha referido a sus trabajadores como a aquéllos que resuelven muchos problemas técnicos directamente en terreno (Herzog y Moro, 1992).
5. Según datos del Ministerio del Trabajo de Estados Unidos de América, Departamento de Estadísticas Laborales.
6. Ibid.
7. Una estructura reciente de placas plegadas, aunque es un híbrido con una combinación con armazones, es el techo del Terminal Portuario de Yokohama de Foreign Office Architects.
8. J. Lambot en Francia inventó el ferrocemento en 1848, un año antes del uso de Monier del hormigón armado. La combinación fierro-cemento se caracteriza por un control excelente de grietas debido a la gran superficie adhesiva entre las capas de la malla y la matriz. Es extremadamente versátil y ha sido usada con éxito en un amplio rango de aplicaciones que van desde naves oceánicas y estanques de agua a paneles prefabricados para viviendas y sistemas de techo de medio tramo.
9. En 1980 dos conferencistas en Ingeniería Civil de la Universidad de Sydney, Wheen y Jackson solicitaron una patente para plegar losas de ferrocemento. R.J. Wheen y G.N. Jackson, “Método de Curvar Losas Endurecidas y Rígidas”, Solicitud de Patente Australiana, No. PE 3167, abril de 1980.
10. Mi equipo y yo utilizamos un sistema de láminas plegadas comparativamente simple para desarrollar una estrategia detallada de articulación y el mecanismo de plegado. El proceso fue sometido a prueba posteriormente en un prototipo de 190 cm de largo.
11. Estos proyectos actuales de investigación son realizados y financiados por Harvard University GSD. Los miembros del equipo incluyen a Jerome Chang, Jason Halaby, Chung-Ping Lee, Mark Oldgham, Tyrone Yang y a mí.


Referentes
Bechthold, Martin. Complex shapes in wood: Computer aided design and manufacturing techniques. Tesis doctoral, Harvard University, Cambridge, 2001.         [ Links ]
Herzog, Thomas y José Luis Moro. “Zum Werk von Félix Candela”. ARCUS 18, 1992, pp. 10-22.         [ Links ]
Schodek, Daniel; Bechthold, Martin; Griggs, James Kimo; Kao, Kenneth y Marco Steinberg. Digital design and manufacturing: CAD / CAM Applications in architecture and design, John Wiley & Sons, Hoboken, 2004.         [ Links ]
Williamson, Samuel H. “The relative cost of unskilled labor in the United States, 1774-present”. Economic History Services, marzo de 2003.
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