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ROBÓTICA EN ARQUITECTURA DOSSIER

ROBÓTICA EN ARQUITECTURA Mario Alberto Medellín Martinez Universidad Iberoamericana Puebla

Architect | Digital Fabricator | Computational Designer

Índice

Proyecto: Prototipo de Sistema de Fachada INADEM 2018 Año: 2018 Responsable: Cuauhtémoc Orozco Topete Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D Herramientas: Kuka KR16

Proyecto: Facade OUM Wellness - Pich Architects Año: 2021 Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D, PowerMill, Eureka Virtual Machining Herramientas: KUKA C4 + Unidad lineal, Router CNC

Introducción Este documento es un compendio de mi trabajo de robótica en arquitectura, destacando una serie de proyectos fundamentales en mi cerrara profesional desde mi primera formación en la universidad, cada proyecto ha sido un paso que me ha permitido explorar la aplicación de tecnologías emergentes en la arquitectura hasta mi formación como Digital Fabricator. Cada uno de los proyectos presentados en este documento, incluyendo el proyecto “L’avenue libertador” de Zaha Hadid Architect en 2018 y otros proyectos destacados, ha sido una oportunidad única para aplicar y perfeccionar habilidades clave, tales como líder de equipo, diseño de ingenierías, el trabajo con materiales especializados en la industria de la arquitectura compleja, la implementación de procesos de fabricación digital y analógica, hasta la instalación en sitio. Estos proyectos se han caracterizado por su compromiso activo con las últimas tecnologías de fabricación controladas numéricamente. A pesar de que estas tecnologías promueven la eficiencia y el aumento de la productividad, también han brindado oportunidades para la estimulación de la creatividad. La colaboración entre la arquitectura y la fabricación digital se ha convertido en una alianza fundamental para la generación de soluciones que abarcan desde el desarrollo de fachadas de edificios hasta la creación de espacios arquitectónicos únicos. El tectonismo ha sido una influencia destacada en mi formación. Esta corriente arquitectónica se enfoca en enriquecer la morfología y los repertorios de diseño a través de una estrecha colaboración entre la arquitectura y la ingeniería. El tectonismo abraza racionalidades técnicas que incrementan la eficiencia y la morfología de los espacios. Los proyectos aquí presentados reflejan esta corriente arquitectónica, donde la colaboración estrecha con arquitectos e ingenieros se convierte en un componente esencial. Esta convergencia ha transformado la manera en que concebimos y construimos espacios de alto rendimiento. A lo largo de este documento, los invito a explorar cómo mi labor ha adoptado la convergencia entre la fabricación digital y la arquitectura, y cómo esta unión ha dado lugar a la creación de soluciones creativas y funcionales.

Prototipo de Sistema de Fachada INADEM 2018

Proyecto: Prototipo de Sistema de Fachada INADEM 2018 Año: 2018 Responsable: Cuauhtémoc Orozco Topete Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D Herramientas: Kuka KR16 Descripción del Proyecto: En el IDIT (Instituto de Innovación, Desarrollo e Innovación Tecnológica) de la Universidad Iberoamericana Puebla, surgió una idea empresarial innovadora impulsada por la colaboración y el apoyo del INADEM (Instituto Nacional del Emprendedor). Esta idea se materializó en la creación de un prototipo de fachada ventilada, un sistema envolvente para edificios que consta de paneles prefabricados separados de la estructura principal del edificio. Estos paneles crean un espacio de aire entre la superficie del edificio y el sistema de fachada, lo que permite la circulación de aire. La ventilación contribuye al control de la humedad, al aislamiento térmico y a la reducción de la carga en los sistemas de climatización, mejorando así la eficiencia energética y el confort interior del edificio. La fabricación de este prototipo a escala 1:1 se llevó a cabo utilizando robots industriales de 6 ejes. Con la asistencia de un entorno de programación visual, se desarrolló un modelo 3D que se manipulo para generar la información geométrica necesaria para la fabricación. Los procesos de fabricación implicaron la eliminación de material de un volumen existente hasta alcanzar la geometría objetivo, utilizando robots industriales de 6 ejes programados. Una vez obtenidos los modelos, se aplicó concreto celular con microburbujas de aire generadas a partir de un proceso de espuma de alta densidad. Además, se reforzó con fibra de vidrio y se aplicó mediante una pistola de proyección en varias capas.

Diseño Computacional El proyecto prototipo de sistema de fachada se basa en un módulo geométrico inspirado en los diseños simétricos de Sebastian Truchet, que permite la creación de formas infinitas a través del ensamblaje único de dicho módulo. En la actualidad, las herramientas de diseño computacional están adquiriendo una nueva dimensión, permitiendo su aplicación en diversas escalas, como en la arquitectura, lo que facilita el desarrollo de algoritmos capaces de representar múltiples geometrías de manera generativa. El proyecto hace uso de un brazo robótico KUKA KR6-16 y del diseño asistido por computadora para la fabricación digital de elementos arquitectónicos no estándar en el mercado. La aplicación de robots en la arquitectura está transformando la industria de la construcción, ofreciendo soluciones personalizadas de elementos arquitectónicos para una variedad de aplicaciones, desde la manufactura hasta la instalación en sitio.

Fabricación Digital La estrecha relación entre la arquitectura, la ingeniería aeroespacial y la industria automotriz genera un potencial de nuevas oportunidades de diseño y un alto entendimiento de las restricciones de fabricación. La aplicación de robots industriales en los procesos de desarrollo de proyectos arquitectónicos busca aumentar la productividad del diseño, proporcionando al arquitecto un nuevo conjunto de habilidades de diseño. En este caso en particular, se utilizó un molde compuesto por placas de MDF de 15 mm de espesor. El proceso de fabricación se desarrolló a través de la evaluación de los límites de fabricación, desbastando el molde compuesto hasta llegar a la geometría objetivo, destinada a la creación de los contramoldes en la fase de producción.

La disponibilidad de herramientas computacionales ha permitido el desarrollo de materiales en laboratorio, esta nueva comprensión del funcionamiento de los materiales explora un amplio potencial en cuanto al diseño morfológico, sensorial, ecológico, y estructural. El desarrollo de nuevos materiales se vuelve de mayor interés tanto para la resolución de nuevas problemáticas como para el funcionamiento óptimo de los espacios. Uno de los materiales desarrollados en este proyecto es el concreto celular compuesto de cemento, arena silica, agua, fibra de vidrio y espuma, tiene un peso entre 1100 kg/m3 y 1400 kg/ m3, este tipo de materiales es especial para prefabricados en general, además de ser un excelente aislante acústico, con capacidades de aislamiento térmico beneficiando el confort interior ante temperaturas extremas, generando un menor gasto energético en los edificios.

Cemento 13% Espuma 34%

Concreto Celular

Fibra de Vidrio 1% Agua 5% Arena 47% Concreto Aparente

Diseño de Ingenierías El sistema de Sujeción de Fachada incorpora una sujeción vertical, la cual está conformada por un perfil U con una separación de 10 a 12 cm de la estructura portante del edificio para permitir su ajuste. Las Escuadras de Retención son elementos de fijación de forma aislada, capaces de ser un corrector de tolerancia en el eje Z y X, tanto positivo como negativo. Las Escuadras de Fijación son componentes que se encargan de soportar el peso conjunto de las cargas, además de ser un corrector de tolerancia en el eje Y y X, positivo y negativo.

Tornillos 1/4” Placa de Presión

En cuanto al anclaje de uña oculta doble, es un elemento que encaja en las ranuras interiores de los prefabricados. Además, de corregir tolerancias en el eje X, tanto positivo como negativo, este elemento distribuye las cargas en las escuadras de fijación y retención y después hacia los perfiles y, estos a su vez, a la estructura portante de la edificación.

Escuadra de Fijación Anclaje de uña oculta doble Escuadra de Retención

Tornillos 1/4” Perfil U 2”

Sistema de Sujeción de Fachada

Level 1 Feature Ceiling - One Thousand Museum by Zaha Hadid Architects

Proyecto: Level 1 Feature Ceiling - One Thousand Museum by Zaha Hadid Architects Año: 2018 Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D, PowerMill, Eureka Virtual Machining Herramientas: KUKA C4 + Unidad lineal, Router CNC Descripción del Proyecto: Una de mis principales activades en el proyecto Level 1 Feature Ceiling - One Thousand Museum - Zaha Hadid Architects, fue la fabricación de 93 paneles arquitectónicos asistida con robots industriales y la documentación y supervisión de una subestructura compleja, que sostenía los 93 paneles fabricados en material de FRP, además de la supervisión de procesos de acabado. Esta experiencia me brindó habilidades en diseño computacional y un alto entendimiento de los procesos de fabricación digital, permitiéndome abordar desafíos complejos.

One Thousand Museum Ilustración obtenida de Zaha Hadid Architects

Diseño Computacional Como primer acercamiento al proyecto Level 1 Feature Ceiling One Thousand Museum by Zaha Hadid Architects, se encontraba en un nivel intermedio, en la etapa de fabricación. Anteriormente, el diseño de ingenierías ya estaba completamente desarrollado. Tuve la oportunidad de manipular la geometría del proyecto para comprender mejor el espacio, el proyecto se componía de 93 paneles arquitectónicos y una subestructura resistente al salitre de la costa de Miami. Además, era una estructura altamente compleja que soportaba todo tipo de instalaciones de un edificio con un programa arquitectónico residencial. El proceso de manipulación geométrica consistía en trabajar con superficies y la continuación de las mismas. Estas superficies tenían las bases principales de diseño del proyecto y diferentes variaciones de superficies únicas como superficies de doble curvatura, superficies de curvatura simple y superficies planas. Todas ellas debían prepararse para su posterior fabricación en taller. Los paneles arquitectónicos fabricados en material de FRP desarrollado en laboratorio debían cumplir con las normativas contraincendios. Este material, además de tener la ventaja de ser ligero y requerir un mínimo mantenimiento, lo hacía confiable.

Fabricación digital Uno de los procesos en los que más participé fue en la fabricación asistida por robots industriales de 6 ejes de libertad, adaptados a una unidad lineal que agregaba un eje más de libertad. Este fue mi primer acercamiento a un proyecto tan complejo y de gran escala. El proceso de fabricación digital consistía en desbastar un volumen compuesto de espuma de poliuretano de alta densidad en tamaños no mayores a 1,5 metros por 10 metros de largo. Algunos de estos paneles eran modelos tipo, los cuales se podían reutilizar para maximizar el rendimiento del material. La aplicación de robots industriales en la arquitectura es un proceso innovador y fue fundamental para cumplir dentro de los parámetros de fabricación de las superficies de doble curvatura y curvatura simple. La disponibilidad de 7 ejes de libertad era adecuada para llevar al límite los alcances del robot por las grandes dimensiones de los paneles. En ocasiones, se requería la modificación de grandes cantidades de instrucciones de código para el robot a través de uso de entornos de programación visual para poder cumplir con los alcances de fabricación.

One Thousand Museum Ilustración obtenida de Zaha Hadid Architects

Mock-up - L’avenue libertador by Zaha Hadid Architect

Proyecto: L’avenue libertador by Zaha Hadid Architect Año: 2018 Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D, PowerMill, Eureka Virtual Machining Herramientas: KUKA C4 + Unidad lineal, Router CNC Descripción del Proyecto: Durante mi participación en el proyecto Level 1 Feature Ceiling One Thousand Museum de Zaha Hadid Architects, me asignaron la tarea de desarrollar el Mock-up para la fachada de la Torre L’avenue libertador, también diseñada por Zaha Hadid Architect. En esta etapa, me encargué del desarrollo de las ingenierías y del diseño de los procesos de fabricación digital y analógicos. Fue una experiencia en la que consolidé mi capacidad para gestionar proyectos complejos, trabajar en equipos bajo presión y en condiciones desafiantes, todo con el objetivo de asegurar la entrega exitosa del proyecto.

L’avenue libertador ilustración obtenida de Zaha Hadid Architects

Diseño Computacional El proceso de diseño computacional consiste en el trabajo a través de la implementación del software de modelado 3D Rhinoceros 3D y el entorno de programación visual Grasshopper 3D, permitiendo el diseño del proceso de manufactura digital. En este caso, se utilizó información obtenida del modelo 3D del equipo de Zaha Hadid Architects, que incluye un edificio en 3D con un total de 2201 paneles arquitectónicos con superficies de doble curvatura, superficies de curvatura simple y superficies planas. Además, se incluye la información necesaria de las restricciones del proyecto, como las posiciones de los paneles exteriores e interiores, la altura de los barandales de cristal, la colocación de los plafones y envolventes de columnas, entre otros. Una vez diseñado el proceso de fabricación digital como un conjunto de datos 3D, se comenzó a desarrollar la documentación 2D con alto detalle técnico de los distintos componentes del sistema de fachada para su posterior fabricación en taller.

Fabricación digital El proceso de fabricación digital es nuevamente asistido por un robot industrial de 6 ejes de libertad montado en una unidad lineal de desplazamiento, el cual es programado a través de instrucciones de código para el desbaste de una superficie de doble curvatura en un volumen de espuma de poliuretano de alta densidad. Una vez desbastada la superficie, se lleva a cabo un proceso de fabricación de un contramolde en material FRP (Fiber Reinforced Plastic) en el cual, a través de una pistola de proyección, se aplica GFRC (Glass Fiber Reinforced Concrete) adicionado con un pigmento de diseño. En este proceso interviene la habilidad artesanal de técnicos especialistas en pintura para lograr la estética objetivo en la superficie. Esta parte del proceso es fundamental, ya que permite analizar los posibles conflictos y riesgos para su fabricación futura en producción.

Diseño de ingenierías El proceso de diseño del sistema de fachada empieza en papel, boceteando componentes para sujetar los distintos elementos portantes del panel exterior, el panel interior y el barandal de cristal a la subestructura, asegurando la correcta colocación de los componentes. El uso de modelos 3D como documentos de construcción nos permite entender cómo funciona el sistema de fachada, el cual está conformado por un panel arquitectónico fabricado en GFRC (Glass Fiber Reinforced Concrete) sujetado a una subestructura de acero a través de conectores de acero cubiertos por este mismo material. La subestructura está anclada mediante un sistema de grapas ancla que aseguran la sujeción del panel a la losa, con la implementación de pernos de ajuste de tolerancias para evitar posibles errores en la losa. Además, cuenta con accesorios para portar los cristales, que funcionan como barandales, los cuales tienen un sistema de nivelación y ajuste. La sujeción del panel interior está ensamblada mediante perfiles de aluminio que tienen una función mecánica de Z-Clips.

Facade OUM Wellness - Pich Architects

Proyecto: Facade OUM Wellness - Pich Architects Año: 2021 Software Utilizado: Rhinoceros 3D, Grasshopper 3D, PowerMill, Eureka Virtual Machining Herramientas: KUKA C4 + Unidad lineal, Router CNC Descripción del Proyecto: Mi participación en este proyecto comenzó en 2018 en la empresa Kinetica. En ese momento, el proyecto se encontraba en una fase de desarrollo de fabricación de un Mock-Up a escala 1:1, capacitados por el laboratorio de CEMEX Global Research & Development, para la industrialización en el Taller de Kinetica para el desarrollo de concretos especializados, como Resilia, un concreto de alto desempeño con propiedades altamente estructurales, y Pervia, un concreto permeable capaz de filtrar grandes cantidades de agua a través de este material. El objetivo del proyecto era desarrollar superficies horizontales aplicables en fachadas que permitieran la circulación de agua de lluvia y agua de condensación de aires acondicionados. La fabricación se llevó a cabo a través de procesos de manufactura asistida por robots industriales.

Materiales La aplicación de materiales desarrollados en laboratorio es un ejemplo de colaboración entre la investigación, la arquitectura y la ingeniería. Se ha utilizado Resilia (Fig.03), un concreto de alta eficiencia a la resistencia, reforzado con fibra de vidrio y fibras metálicas, lo que ha permitido reducir en un 75% el refuerzo de acero. Como resultado, se ha logrado una reducción del 39% en CO2 en la estructura del concreto. Esta innovadora tecnología ha permitido minimizar y eliminar por completo los refuerzos de acero convencionales. Además, se ha utilizado un material permeable de alta resistencia llamado Pervia (Fig.02), diseñado para filtrar el agua y mantener la fachada siempre húmeda. Este material aprovecha el agua de lluvia y de la condensación de los aires acondicionados. Al pasar el aire caliente y seco por esta superficie, se produce un efecto de refrigeración evaporativa natural (Fig.04).

Diseño Computacional El desarrollo de la ingeniería en este proyecto fue fundamental, ya que se manipularían paneles con un peso aproximado de 400 kilogramos, los cuales se anclarían a la estructura portante del edificio. Dicha estructura presentaba una variante importante en los tamaños de los perfiles en las vigas y trabes, dependiendo de la altura de los niveles, para optimizar la aplicación del acero y no tener un impacto económico grande en el edificio. Sin embargo, esto creaba un enorme reto de optimización, diseñando 36 tipologías de anclajes que variaban dependiendo de los perfiles y conexiones mecánicas entre vigas y trabes. Cada una de estas tipologías tenía un sistema de tolerancias que se podían modificar en los ejes X, Y y Z.

Fabricación digital Como elementos de infraestructura, se utilizaron robots industriales para la fabricación de moldes en negativo, cuyo objetivo era crear piezas positivas de concreto. Esto permitió manipular las piezas en taller y en el momento de la instalación, estas piezas tienen un tamaño de 5 metros de largo sin elementos de acero estructural interno. El proceso se llevó a cabo en una línea de fabricación digital y analógica, en la que técnicos especializados en compuestos de fibra de vidrio crearon los moldes necesarios. De esta forma, se logró garantizar la calidad y precisión requerida para el proyecto, así como optimizar los tiempos de producción y reducir costos.

Durante mi formación como fabricante digital, también desempeñé la función de supervisor de calidad. Revisaba procesos de fabricación análogos, como la dosificación del concreto, la instalación de anclajes y el acabado de las piezas de concreto, así como el trabajo del equipo de operadores y ayudantes en el proceso de vaciado de concreto en el taller. Esta coordinación era fundamental para mantener la correcta fabricación de los paneles arquitectónicos. Validar la correcta asignación de materiales es esencial para el desarrollo de un concreto especializado, recolectando datos de las condiciones de temperatura y humedad del ambiente, para identificar los posibles factores de variación en el concreto.

La manipulación de piezas de más de 5 metros de largos se convierte en todo un tema importante de logística e instalación, para esto se diseñó una serie de accesorios para la manipulación de paneles (Fig.01), y un importante número de caballetes fabricados en madera para su almacenamiento y trasporte (Fig.04), además de una serie de accesorios para su instalación en sitio capaces de adaptarse a las 36 tipologías de anclajes embebidas en los paneles arquitectónicos (Fig.05).

01_ Diseño de carga y descargar de paneles

02_ Diseño transporte

03_Descarga de paneles en sitio

04_Panel montado en caballete

05_ Fijación de escuadras al sistema de anclaje del panel

06_Colocación de balancín a escuadras

07_Desmontaje del panel

08_Instalación de paneles en fachada

09_Intalacion en subestructura

10_ Alineación de acuerdo a coordenadas topográficas

Instalación Una de las etapas más importantes fue la instalación de la fachada bioclimática, como responsable de coordinar la instalación desempeñe el cargo de coordinación de grúas y equipo necesario para la transportación e instalación de los Paneles. Además de trabajar en conjunto con los equipos de producción e instalación, así como con otros contratistas involucrados en el proyecto. Supervise la correcta instalación, y para ello, se llevó a cabo un proceso de verificación de torques de los tornillos en el sistema de anclaje. Esto fue esencial para asegurar que los Paneles se instalaran de manera precisa y segura, y que pudieran soportar su carga y cumplir con las especificaciones del diseño, cumpliendo con los estándares de calidad y seguridad necesarios para este tipo de proyectos. 14