Universidad de los Andes
Facultad de Arquitectura y Diseño Departamento de Arquitectura Maestría en Arquitectura
ENVOLVENTE TRANSITORIA ADAPTABLE
PARA EL CONFORT AMBIENTAL DE EDIFICIOS CON
USO DE OFICINA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ
Prof.ᵃ Carolina Rodríguez Stevenson, Departamento de Arquitectura Prof. Gregorio Orlando Porras Rey, Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá, 2015 Marta D’Alessandro
Resumen
La investigación se centra en el desarrollo de un componente de fachada, de carácter transitorio, que pueda ser integrado en edificios existentes, que requieran, durante un intervalo temporal limitado, mejorar su confort ambiental y transformar su imagen.Después de definir los atributos que hacen de una envolvente arquitectónica un componente adaptable, y valorar las alternativas formales, funcionales y tecnológicas que acompañan los procesos de intervención sobre la envolvente; se propone la integración de una segunda piel textil adaptable, constituida por elementos capaces de variar su transparencia y permeabilidad según las exigencias de los usuarios y las condiciones cambiantes del entorno. La evaluación del aporte al confort térmico y de los aspectos constructivos del componente se realiza mediante un análisis conducido con software de simulación energética y maquetas físicas.
Palabras clave
Envolvente arquitectónica, adaptabilidad, transitoriedad, confort ambiental, segunda piel textil.
Abstract
This research focuses on the development of a temporary façade component, which can be integrated into existing buildings that require improving their environmental comfort and transforming their image, for a limited amount of time. This work proposes the integration of a secondary adaptive textile skin, comprising elements capable of varying their transparency and permeability according to user’s requirements and changing environmental conditions. The methodology adopted was to establish the attributes and characteristics that define adaptive skin components, in order to find different formal, functional and technological alternatives. Evaluations of thermal comfort performance and technical aspects of the components are conducted using energy simulation software and physical models.
Key words
1
ÍNDICE
ÍNDICE DE IMÁGENES ... 4
ÍNDICE DE TABLAS ... 6
INTRODUCCIÓN ... 7
1 1.1. El contexto colombiano ... 7
1.2. Origen de la investigación ... 8
1.3. Propuesta de investigación ... 9
1.4. Justificación y delimitación de la investigación ... 10
1.4.1. ¿Porqué el parque de edificios existentes? ... 10
1.4.2. ¿Porqué los edificios con uso de oficina? ... 11
1.4.3. ¿Porqué la envolvente arquitectónica? ... 12
1.5. Objetivos generales y específicos ... 12
1.6. Alcances ... 13
1.7. Metodología ... 14
ENVOLVENTE ARQUITECTÓNICA Y ADAPTABILIDAD ... 17
2 2.1. Las prestaciones ambientales de la envolvente arquitectónica: adaptabilidad a corto plazo 17 2.2. El ciclo de vida de la envolvente arquitectónica: adaptabilidad a mediano y largo plazo ... 20
2.3. Adaptación de lo existente: definición del sector de intervención ... 22
MEJORAMIENTO DEL CONFORT MEDIANTE RETROFIT DE LA ENVOLVENTE ... 23
3 3.1. Terminología ... 23
3.2. Intervención sobre la envolvente... 24
3.2.1. Operaciones formales sobre fachadas existentes ... 24
3.2.2. Aplicaciones y funciones ... 26
3.2.3. Tecnologías ... 28
3.2.4. El potencial de las intervenciones en fachada ... 30
VALORACIÓN DE LA INFORMACIÓN ... 33
4 4.1. Aplicaciones y funciones: líneas de acción estratégicas ... 33
2
4.3. Selección del material y del sistema tecnológico... 36
4.3.1. Las membranas textiles ... 37
4.3.2. Las membranas textiles en la rehabilitación de la envolvente arquitectónica ... 38
4.3.3. Edificios con una segunda piel textil: ejemplos ... 39
4.3.4. Selección del material ... 41
4.3.5. Subestructura adaptable, revestimiento reciclado ... 44
4.3.6. Lonas publicitarias en poliéster y PVC ... 45
4.4. Conclusiones: elementos diferenciadores del sistema ... 46
TEST ROOM VIRTUAL ... 49
5 5.1. Definición del test room virtual ... 49
5.1.1. Caracterización del espacio... 50
5.1.2. Identificación de las zonas térmicas ... 53
5.1.3. Definición de las superficies de transferencia de calor: condiciones de frontera y materiales. ... 53
5.1.4. Cargas internas ... 55
5.1.5. Ventilación natural ... 57
5.1.6. Especificación de horarios ... 57
5.2. Variables de salida ... 57
5.3. Resultados ... 59
5.4. Conclusiones ... 61
INTEGRACIÓN DE CAPAS TEXTILES ... 63
6 6.1. Aporte en horas de confort ... 63
6.2. Comportamiento diario de las variables ... 64
6.3. Conclusiones ... 71
PROPUESTA ... 71
7 7.1. Control de la transparencia y permeabilidad ... 71
7.1.1. Respuestas constructivas tradicionales ... 71
7.1.2. Modulación de la transparencia y de la permeabilidad: sistemas activos ... 72
3
7.2. Propuesta ... 75
7.2.1. Tipología de movimiento: elementos deslizantes ... 76
7.2.2. Unidad de diseño y funcionamiento ... 77
7.2.3. Deslizamiento vertical ... 78
7.2.4. Elementos de revestimiento ... 79
7.2.5. Estructura secundaria ... 83
7.3. Conclusiones ... 85
EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS ... 87
8 8.1. Resultados de la simulación energética ... 87
8.2. Límites del modelo digital ... 94
8.3. Evaluación del sistema constructivo ... 94
8.3.1. Estructura secundaria ... 94
8.3.2. Dispositivo de movimiento ... 95
8.3.3. Material ... 95
8.3.4. Asequibilidad del material ... 96
9. CONCLUSIONES ... 97
9.1. Futuras líneas de investigación ... 99
10. REFERENCIAS ... 100
11. ANEXOS ... 106
Anexo 1. Materiales y sistemas avanzados, revisados a lo largo del trabajo. ... 106
Anexo 2. Diseño del patrón de perforaciones de los paneles fijo y móviles. ... 111
4
ÍNDICE DE IMÁGENES
Imagen 1.1 Transformación a corto y largo plazo del CAN, Centro Administrativo Nacional, Bogotá .... 9
Imagen 1.2 Metodología. ... 15
Imagen 2.1 Aberturas tradicionales ... 18
Imagen 2.2 Edificio Louveira, Sao Paulo, Higienópolis, Brazil, 1946... 19
Imagen 2.3 St. Ingbert Town Hall, Alemania, 2009. ... 19
Imagen 2.4 Yurta at Sunset. ... 20
Imagen 2.5 Tasas de cambio de los componentes del edificio... 21
Imagen 2.6 Estratégias e indicadores de adaptabilidad. ... 22
Imagen 3.1 Operaciones formales sobre envolventes existentes. ... 25
Imagen 3.2 Conceptos de fachada. ... 25
Imagen 3.3 Aplicaciones y funciones del retrofit de la envolvente. ... 26
Imagen 3.4 Tecnología y envolvente. ... 29
Imagen 3.5 Operación formal, función y tecnología en la intervención del SUVA Insurance Company, Basilea, Suiza, Herzog y de Meuron Architekten. ... 30
Imagen 3.6 Operaciones formales, funciones y tecnología en la intervención del Ingbert Town Hall, St. Ingbert, Alemania, Schneider+Schumaker arquitekten ... 31
Imagen 3.7 Rehabilitación de edificios mediante retrofit de la envolvente. ... 31
Imagen 4.1 Casa tradicional, Berlín, Santander. ... 33
Imagen 4.2 Casa tradicional, Paipa, Boyacá. ... 34
Imagen 4.3 Infografía resumen de las líneas de acción estratégicas. ... 36
Imagen 4.4 Rehabilitación del Edificio de oficinas de la empresa Logitravel, S.L. ... 38
Imagen 4.5 Rehabilitación del Edificio Silver Spur, Los Angeles, California ... 39
Imagen 4.6 Rehabilitación de Oficinas en Tour du Pin (Francia, 2005) con Panel Modular Texo ... 40
Imagen 4.7 Kreishaus Hameln-Pyrmont, Hameln, Germany. Tela Soltil 92. Fuente: The Arquitecture Book, Serge Ferrari. ... 40
Imagen 4.8 Rehabilitación del edificio industrial Italmoda Factory, Bergamo, Italia, 2008, con paneles TEXO. ... 40
Imagen 4.9 Propiedades para la selección del meterial. ... 41
Imagen 4.10 Evaluación de materiales textiles, según los parametros identificados. ... 43
Imagen 4.11 Lona mesh microperforada. ... 45
Imagen 4.12 Lona mesh microperforada. ... 46
Imagen 5.1 Proceso de modelado del test room. ... 50
Imagen 5.2 Modelo: primeras hipótesis de configuración. ... 51
Imagen 5.3 Configuración final del modelo. ... 51
Imagen 5.4 Espacios analizados del test room virtual. ... 52
Imagen 5.5 Relación vacío/lleno y abertura/vacío de alguno edificios del CAN, Bogotá. ... 52
5
Imagen 5.7 Cargas internas utilizadas en la test room. ... 56
Imagen 5.8 Variables de salida. ... 59
Imagen 5.9 Porcentaje de horas de ocupación confortables, por nivel. ... 60
Imagen 5.10 Porcentajes de horas de ocupación, según valor de temperatura, por nivel. ... 60
Imagen 5.11 Porcentajes de horas de ocupación según grado de iluminancia e índice de malestar por deslumbramiento. ... 60
Imagen 6.1 Porcentaje de horas de confort, rangos de temperatura, iluminancia e índice de disconfort por deslumbramiento, calculados sobre el total de horas de ocupación del edificio, para el modelo en el estado 0 o con la adición de una, dos o tres capas. ... 68
Imagen 6.2 Comportamiendo de las variables temperatura, iluminancia e índice de disconfort por deslumbramiento a lo largo de los días enlos cuales se registran los valores pico de las mismas variables, para el modelo en el estado 0 o con la adición de una, dos o tres capas. ... 70
Imagen 7.1 Uso de ladrillos calados en la arquitectura popular colombiana. ... 72
Imagen 7.2 Instituto del Mundo Árabe, Paris, Francia. Jean Nouvel, 1987. ... 73
Imagen 7.3 Envolvente de las Torres Al Bahar, Abu Dhabi, Aedas, 2012. ... 73
Imagen 7.4 Paneles Tassellate en el Simons Center for Geometry & Physics, New York. Hoberman & Buro Happold, 2010. ... 74
Imagen 7.5 Tragaluces del South Campus of the Art Center College of Design, Pasadena, California, Usa. Daly Genik Architects, 2004.. ... 74
Imagen 7.6 Maqueta de estudio. ... 75
Imagen 7.7 Maqueta de estudio. ... 76
Imagen 7.8 Paneles textiles móviles. Sistema i-tensing. IASO. ... 76
Imagen 7.9 Aplicación del material textil en sistemas móviles. ... 77
Imagen 7.10 Unidad de diseño y funcionamiento. ... 78
Imagen 7.11 Elementos corredizos horizontales y verticales. ... 78
Imagen 7.12 Diseño de los elementos de revestimiento. ... 79
Imagen 7.13 Configuración A y B.. ... 80
Imagen 7.14 Distribución de las perforaciones en los paneles fijo y móviles adoptada en el proyecto. ... 82
Imagen 7.15 Estructura secundaria. ... 83
Imagen 7.16 Maqueta de estudio. ... 86
Imagen 8.1 Configuración A y B del sistema. ... 87
Imagen 8.2 Porcentaje de horas de confort, rangos de temperatura, iluminancia e índice de malestar por deslumbramiento, calculados sobre el total de horas de ocupación del edificio (3376 horas), para el modelo en el estado 0 y con la adición del sistema en su configuración extremas, A y B.. ... 89
Imagen 8.3 Comportamiento de las variables de temperatura, iluminancia e índice de malestar por deslumbramiento, a lo largo de los días en los cuales se registran los valores pico de las mismas variables, para el modelo en el estado 0 y con la adición del sistema en su configuración A y B. ... 93
6
Imagen 8.4 Perforaciones realizadas mediante cortadora laser. ... 96
Imagen 11.1 Materiales asilantes tradicionales. ... 106
Imagen 11.2 Materiales aislantes avanzados. ... 107
Imagen 11.3 Energyflo cell, sistema de aislamiento dinámico. ... 107
Imagen 11.4 Materiales con inercia térmica. ... 108
Imagen 11.5 Vidrios avanzados. ... 109
Imagen 11.6 Sistemas de protección solar. ... 110
Imagen 11.7 Smart Thermobimetal Self- Ventilating Skin. Detalles de la envolvente expuesta a diferentes temperaturas. ... 110
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 5.1 Materiales test room virtual ... 55Tabla 5.2 Cargas internas ... 56
Tabla 6.1 Propiedades del tejido mesh utilizado en el modelo ... 63
7
INTRODUCCIÓN
1
La industria de la construcción representa, en Colombia, el sector que más aporta al crecimiento del producto interno bruto (DANE, 2014). Su desempeño directo en la creación de infraestructura urbana y territorial determina el papel fundamental que juega en el desarrollo de las sociedades (Acevedo Agudelo et al. 2012) y, al tiempo, su evidente responsabilidad en el proceso de contaminación y modificación del planeta.
A nivel mundial, el sector de la construcción representa uno de los mayores consumidores de recursos y generadores de desechos, siendo responsable de más de un tercio del consumo total de energía eléctrica, lo cual se verifica, en gran parte, durante el tiempo de uso y habitación de los inmuebles.
La industria de la construcción dispone, por lo tanto, de un gran potencial para la mitigación de los impactos negativos de la actividad humana sobre el ambiente. Como ha sido señalado por Acevedo Agudelo et al. (2012) “el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático, en 2004, estimó que sólo con el uso de tecnologías eficientes y comerciales, que para ese año existían en el mercado, el consumo de energía, tanto en edificios nuevos como en edificios viejos, se podría reducir entre un 30 % y un 50 %, sin incurrir en grandes gastos que afectaran la viabilidad de la inversión”.
Aunque la conciencia ambiental haya conquistado una posición firme en el sistema social de valores y los cambios climáticos indiscutibles ejerzan una fuerte presión sobre el pensamiento político, la mayoría de las actividades humanas sigue desarrollándose de forma alejada de las problemáticas ambientales.
1.1. El contexto colombiano
La economía colombiana se ha transformado, en las últimas décadas, de manera importante, con una notable reducción del sector agropecuario, la creciente participación del sector de los servicios dentro del producto interno bruto y la preponderancia de las economías urbanas en el agregado monetario del país.
Colombia produce, actualmente, apenas el 0,37 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (Varini 2012) y dispone de una gran reserva de recursos energéticos fósiles: la cuestión ambiental no representa, en la actualidad, un tema crítico en el contexto colombiano. Sin embargo, las transformaciones de una economía agraria a industrial evidencian, según estudios realizados por el Fondo Monetario Internacional, una correlación directa con su consumo de energía. “Como se proyecta que Colombia registrará un ritmo de crecimiento alto y sostenido en los años por venir, cabe esperar que los colombianos inviertan en un mayor confort” (CCCS y MADS 2012), mediante la
8 adopción de soluciones de aire acondicionado, ventilación, calefacción e iluminación, determinando un sustancial aumento de su consumo de energía y emisiones de CO2.
Efectivamente, si la cuestión energética aún no ha adquirido en Colombia un rol significativo, una atención creciente ha despertado el tema del confort ambiental. Tradicionalmente, debido a su posición geográfica, en la franja tropical, el territorio colombiano ha permitido obtener, exitosamente, condiciones confortables mediante medidas de control pasivo. Sin embargo, los repentinos cambios que se han verificado en la arquitectura y en la actividad humana, desde la segunda mitad del siglo XIX, han hecho que el control de los espacio sea, hoy en día, más complejo y evidencie la necesidad de nuevos modelos constructivos, capaces de mejorar las condiciones ambientales de los espacios confinados.
1.2. Origen de la investigación
El mercado de la conservación de lo existente es, en Colombia, menos consolidado comparado con otras partes del mundo. Sin embargo, en los principales centros urbanos, este presenta un gran potencial de crecimiento debido al aumento del número de edificios mayores de 40 años y a la relativa necesidad de modernizar sus componentes mediante nuevas tecnologías y nivelar sus prestaciones a los actuales requerimientos funcionales y estéticos.
Actualmente, la ciudad de Bogotá, tiene identificadas una serie de áreas en condiciones de subutilización y deterioro de las estructuras físicas existentes. Estas áreas, heterogéneas en su origen, morfología y uso, van a ser tratadas, por el Plan de Ordenamiento Territorial, como áreas de renovación urbana, y destinadas, en algunos casos, a operaciones de demolición indiscriminada, con el fin de aprovechar al máximo su potencial de desarrollo1. Las razones que conducen a la demolición son complejas y, generalmente, no están relacionadas con la edad de las construcciones, sino con razones de carácter funcional, obsolescencia formal y cambio de valor del suelo (Kohler y Hassler 2002).
En este panorama hay un caso emblemático, que ha representado el origen del tema de investigación: el CAN, complejo de instituciones gubernamentales, surgido a principio de la segunda mitad del siglo XX, con el fin de agrupar, en un solo lugar, las oficinas de las entidades de gobierno. Según lo señalado por el documento 3694 del Consejo Nacional de Política Económica y Social (CONPES)2, el terreno que el complejo del CAN ocupa, por su localización, ha aumentado de valor. Las
1 Art. 373. Decreto 190 de 2004, 22 junio. Compilación POT.
2 CONPES. Documento 3694, 28 de marzo de 2011, “Lineamientos de Política y Estrategia Institucional para la Implementación del Proyecto de Renovación Urbana del Centro Administrativo Nacional (CAN)”.
9 presiones para demoler los edificios actuales y “poner el terreno a su mejor y más provechoso uso”, se han incrementado (CONPES 2011), convergiendo en un proyecto sustancial de renovación urbana.
El complejo del CAN está destinado, por lo tanto, a una operación de demolición radical que se llevará a cabo en un plazo de tiempo medio-largo. A pesar de esto, posiblemente impulsados por la necesidad de obtener, a corto plazo, mejores condiciones de confort ambiental3, algunos edificios han emprendido operaciones de rehabilitación o completa sustitución de la envolvente existente (imagen 1.1.B).
Intervenir, de forma definitiva, un edificio destinado a la demolición no solo implica, desde el punto de vista ambiental, una mayor producción de desechos sino también representa una inversión económicamente poco beneficiosa.
Se ha decidido investigar, por lo tanto, un camino alternativo para intervenir la envolvente arquitectónica durante una fase de transición, con el objetivo de mejorar, temporalmente, el confort ambiental y la imagen de edificios existentes.
1.3. Propuesta de investigación
El término transición implica temporalidad, con énfasis en el paso de un estado inicial a un segundo estado del edificio. Mediante la observación de la gestión incorrecta de algunos edificios en Bogotá, durante la transición entre su estado actual y el posible término de su vida útil, se propone el diseño
3 Algunos de los edificios del CAN presentan grandes superficies acristaladas, con orientación este y oeste, y la total ausencia de dispositivos de protección solar.
Imagen 1.1 Transformación a corto y largo plazo del CAN, Centro Administrativo Nacional, Bogotá.
Desde la izquierda 1.1.A Misterio de Educación Nacional, CAN, Bogotá. Imagen tomada del sitio web google maps, 2015. 1.1.B Obras de sustitución de la fachada en el edificio del Seguro Social, CAN, Bogotá. Imagen tomada del sitio web google maps, 2015. 1.1.C Plan renovación urbana del CAN, imagen tomada del sitio web www.larepublica.co, 2015.
10 de un componente de envolvente que pueda ser integrado en todos aquellos edificios que necesiten, durante un intervalo temporal limitado, mejorar su desempeño ambiental y reformar su imagen.
La operación propuesta deberá ser concebida respetando los principios de sostenibilidad ambiental. A corto plazo el nuevo componente deberá satisfacer las exigencias de confort ambiental de forma dinámica, en relación a la variación de las condiciones del contexto y de las exigencias de los usuarios. A mediano y largo plazo el componente propuesto no deberá perjudicar la preexistencia y la posible integración de nuevas tecnologías (operación reversible y retrofittable4); no deberá constituir una nueva fuente de desechos cuando sea removido (sistema montable-desmontable), adaptándose, en parte o por completo, a nuevos edificios y/o usos (sistema flexible, material reciclable y/o reciclado); deberá, finalmente, representar una alternativa viable tanto desde el punto de vista técnico, como económico.
Con base en los requerimientos indicados, el componente se materializa, durante el desarrollo de la tesis, como una segunda piel, constituida por elementos textiles móviles.
1.4. Justificación y delimitación de la investigación
1.4.1. ¿Por qué el parque de edificios existentes?
El parque de edificios existentes es reconocido, de forma generalizada, como un recurso clave, en cuanto constituye el mayor valor físico, financiero y cultural en el mundo industrializado (Russell y Moffatt 2001). Su valor físico depende, en primer lugar, de la energía embebida en los materiales y en los procesos constructivos y, en segundo lugar, del potencial de conservación del suelo al cual, la adaptación de edificios existentes, contribuye, reduciendo la necesidad de nuevas construcciones. Su valor económico y cultural puede atribuirse, entre otros factores, a los procesos de regeneración urbana que el patrimonio existente desencadena y a su aportación en la identificación entre los ciudadanos y sus espacios. La conservación de lo existente desempeña, por lo tanto, un papel esencial desde el punto de vista ecológico, social y económico5.
Debido al gran número de los edificios existentes, las intervenciones sobre lo construido podrían representar, en los años por venir, las actividades numéricamente más significativas en el sector de la construcción (Kohler et al. 1999 en Kohler & Hassler 2002).
4
Retrofittable es un término en inglés que indica la disposición, de un componente, para prestarse a operaciones de retrofit, es decir a ser actualizado mediante la integración de nuevos elementos.
5Social, ecológico y económico son los tres aspectos de la sostenibilidad, según lo afirmado por la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo en el informe Nuestro Futuro Común de 1987.
11 En relación a la problemática ambiental la conservación de lo existente implica, por definición, preservación de energía y de recursos naturales. Emblemático, en este sentido, es lo afirmado por Richard Moe, Presidente del National Trust for Historic Preservation (USA): “no importa cuánta tecnología verde se emplee en su diseño y construcción, cualquier nuevo edificio representa un nuevo impacto sobre el medio ambiente. La conclusión es que el edificio verde es un edificio que ya existe6” (Moe, 2007).
El mal uso de los edificios y el alto flujo de energía y materiales que esto implica, ha determinado, en las zonas urbanas colombianas, un progresivo aumento de obras de demolición prematuras. Adicionalmente, debido al bajo costo de la incineración y de la eliminación en vertederos, los residuos que derivan de las demoliciones no vienen reciclados, contribuyendo fuertemente al proceso de contaminación del ambiente. La ausencia de estrategias para la gestión de lo construido determina, en las zonas urbanas, fuertes repercusiones de carácter económico y social7.
Finalmente, operar sobre lo existente permite alargar el ciclo de vida de los edificios y brindar a lo construido características, de confort ambiental e imagen, que respondan a los estándares de rendimiento actuales.
1.4.2. ¿Por qué los edificios con uso de oficina?
Los edificios con uso administrativo gastan casi la totalidad de su energía en acondicionamiento térmico e iluminación artificial. Al contrario de los inmuebles residenciales8, los edificios con uso administrativo presentan, en Bogotá, problemas relativos al sobre calentamiento de los espacios. Por esta razón la gran parte de los edificios de oficina, que se han construido en las últimas décadas y que hoy se construyen en Bogotá, cuentan con sistemas de acondicionamiento artificial.
Dentro de esta categoría se ha identificado una clase de edificios, construidos durante la segunda mitad del siglo XX, con propiedades particularmente interesantes para una operación potencial de adaptación (capítulo 2). Tipología arquitectónica, características constructivas, materiales, dimensiones, configuración, son características que se repiten con frecuencia en estos edificios y permiten su elección como sector de estudio.
6
“No matter how much green technology is employed in its design and construction, any new building represents a new impact on the environment. The bottom line is that the greenest building is one that already exists”. Moe, Richard. 2007. Reflexión en ocasión del recibimiento del Vincent Scully Prize. Washington. Diciembre.
7
En el trabajo de Escandón Mejía (2011) se evidencia que de acuerdo a la Personería de Bogotá (2009), en la capital del país se disponen ilegalmente más de 450 toneladas de escombros diarias de las cuales sólo un bajo porcentaje llega a sitios destinados para su disposición final. Debido a la falta de control “un alto porcentaje de RCD (Residuos de Construcción y Demolición) termína en botaderos no autorizados, bermas, humedales invadiendo el espacio público y privado del área urbana de la ciudad (Personería de Bogotá 2009 en Escandón Mejía 2011)”.
8 El estudio realizado por Agudelo (2014) demuestra que las temperaturas en la Vivienda de Interés Social, en Bogotá, registran valores por debajo de la zona de confort, durante la gran parte de las horas de ocupación.
12 Los edificios con uso de oficina son, finalmente, edificios que, más que otros, tienen la posibilidad y la obligación de invertir recursos para mejorar la salud de sus espacios y reformar su imagen.
1.4.3. ¿Por qué la envolvente arquitectónica?
La rehabilitación mediante intervención en la envolvente es la medida, de carácter arquitectónico, en la cual se concentra la posibilidad de mejorar el confort de un edificio, sin el uso de instalaciones de acondicionamiento artificial9.
La envolvente arquitectónica es, de hecho, un elemento capaz de influenciar fuertemente el comportamiento de un edificio, tanto relativamente a la transferencia de flujos de energía (luz, calor, sonido, aire) como relativamente a la producción local de energía mediante la misma envolvente (Hegger et al. 2007). Junto con las fuentes de calor y vapor en el interior del edificio, el clima exterior y las instalaciones de acondicionamiento, las características de los elementos de cerramiento representan el factor fundamental en la determinación de condiciones ambientales confortables durante la fase de uso y gestión de los edificios.
Adicionalmente, la envolvente arquitectónica posee una vida útil más corta con respecto a otros componentes arquitectónicos, como el componente estructural. Pasado este periodo, puede ser necesario emprender intervenciones dirigidas a mantener el componente al paso con las innovaciones estéticas y tecnológicas.
Los cambios realizados sobre la envolvente de un edificio representan, por lo tanto, una parte importante de las opciones de retrofit, en términos del rendimiento general del edificio (Sanguinetti, 2012).
1.5. Objetivos generales y específicos
La investigación se centra en el desarrollo de un componente de fachada, de carácter transitorio, que pueda ser integrado en diferentes edificios existentes, con el dúplice propósito de mejorar el desempeño, en término de confort ambiental, y constituir una opción para reformar la imagen del objeto construido. Sin embargo, más que en componente final, la investigación quiere hacer énfasis
9 Según el Consejo Colombiano de Construcción Sostenible et al. (2012), las principales intervenciones que permiten alcanzar un mayor grado de confort en edificios existentes y mitigar las emisiones de Gases Efecto Invernadero consecuentes al uso potencial de acondicionamiento artificial están relacionadas con la envolvente arquitectónica y pueden ser resumidas por cinco medidas :
1. introducción de películas o cámaras de aire en vidrios; 2. introducción de aleros exteriores;
3. introducción de cortinas y persianas; 4. introducción de elementos calados; 5. uso de acabados según clima.
13 en un proceso de diseño, que pueda ser repetido al variar de los requerimientos del contexto y de la propuesta.
El objetivo general del trabajo es, por lo tanto, promover un acercamiento al diseño de la envolvente que, mediante un análisis del contexto climático, cultural y socioeconómico de una región dada, proponga soluciones arquitectónicas, al tiempo, innovadoras y accesibles.
Con énfasis en el tema del control ambiental, los objetivos específicos de la investigación están enfocados al planteamiento de una metodología de diseño para componentes de envolvente arquitectónica, y pueden ser así resumidos:
identificar los atributos que brindan, a la envolvente arquitectónica, cualidad de adaptable y, con base en estos, fijar unos criterios que guíen el diseño del nuevo componente;
determinar las alternativas formales, funcionales y tecnológicas, que acompañan, hoy en día, los procesos de intervención sobre la envolvente arquitectónica;
explorar y definir, mediante el análisis teórico y el desarrollo de modelos físicos y digitales, unas líneas de acción estratégicas, que constituyan la base conceptual para el desarrollo de alternativas de diseño;
emprender una actividad iterativa de diseño-simulación, finalizada a obtener un mejor desempeño ambiental y técnico del componente propuesto e identificar elementos diferenciadores, ventajas y desventajas de la propuesta final;
proponer unas soluciones alternativas, en las cuales se reconoce un buen potencial de desempeño, que podrían representar la base de posibles investigaciones futuras.
1.6. Alcances
Intervenciones de retrofit en la envolvente son partes, generalmente, de una estrategia de rehabilitación general que involucra todas las partes de un edificio. Reafirmando la importancia de una formulación integral del objeto construido y de la introducción de medidas de control pasivo desde el comienzo del diseño arquitectónico, se pretende realizar una aproximación al solo rol que desempeña la envolvente con el objetivo de conseguir condiciones ambientales confortables.
Los tiempos y los recursos disponibles van a permitir el desarrollo de una única alternativa de diseño. Para analizar su comportamiento, dicha alternativa será aplicada a un modelo representativo de un
14 grupo de edificios, con el propósito de obtener conclusiones de validez general y con la conciencia de que cada edificio constituye una unidad de comportamiento autónoma e imprevisible.
1.7. Metodología
El desarrollo de la tesis se articula en dos momentos: una primera fase de carácter principalmente teórico, dirigida a poner las bases conceptuales para el desarrollo de la siguiente fase, de carácter propositivo. La metodología propuesta, basada en el procedimiento para el diseño de fachadas de alto rendimiento propuesto por Aksamija (2014), consta de cinco fases: conceptualización; análisis preliminar y valoración de la información; opciones de diseño; evaluación y propuesta; resultados.
La fase de conceptualización se realiza en los capítulos 2 y 3 del trabajo. Esta está orientada, en una primera etapa, a identificar, mediante investigación teórica, los requisitos que permiten obtener un componente arquitectónico adaptable. En una segunda etapa la conceptualización está dirigida a definir un marco de alternativas conceptuales (formales, funcionales y tecnológicas) a tener en cuenta a la hora de emprender un proceso de intervención sobre la envolvente.
El análisis preliminar y la valoración de la información se realizan, mediante inducción teórica, en el capítulo 4. Dentro del amplio panorama de alternativas disponibles, el análisis preliminar permite definir unas líneas estratégicas y un diseño conceptual del componente a proponer. El capítulo 4 constituye el eslabón entre la parte teórica y la exploración práctica del trabajo. Esta segunda fase empieza con la creación de un test room virtual (capítulo 5): un modelo digital que resume las características tipológicas del sector de estudio seleccionado y permite evaluar las características ambientales de los espacios confinados, antes y después de la introducción del componente propuesto. La creación del test room virtual tiene un objetivo doble: validar las líneas de acción definidas en el capítulo 4 y verificar la eficacia del componente de fachada que se propondrá más adelante.
En el capítulo 6 se realiza una primera aproximación al diseño. El desarrollo completo del diseño será documentado en el capítulo 7 y evaluado en el capítulo 8 del trabajo. La evaluación tendrá un mayor enfoque en el análisis del rendimiento ambiental y en los aspectos constructivos del componente.
15
17
ENVOLVENTE ARQUITECTÓNICA Y ADAPTABILIDAD
2
La adaptabilidad es la capacidad, de un sistema, de acomodarse a un cambio, más o menos sustancial (Russell y Moffatt 2001). Los diferentes actores, que intervienen durante la vida útil de un edificio, requieren que, en un momento u otro, el objeto arquitectónico presente capacidad de adaptación. El usuario final necesita, por ejemplo, que un espacio pueda responder, dinámicamente, al mudar de las condiciones, ambientales u organizativas, que se verifican en el transcurso del día o del año (adaptabilidad a corto plazo). Asimismo, tanto el deterioro físico de algún componente como el mudar de las condiciones económicas y sociales, pueden determinar la exigencia de intervenir el sistema a mediano o largo plazo.
Incorporar en un diseño capacidad de adaptación es una “estrategia que permite evitar la obsolescencia, los impactos ambientales y los costos asociados al consumo de recursos y residuos de materiales de construcción” (Graham, 2005 en Malay et al. 2012, 4)
El desafío técnico de la propuesta formulada es que esta implica que se incorporen, en un solo componente, los dos niveles de adaptabilidad mencionados: adaptabilidad entendida como ergonomía física (corto plazo) y como posibilidad de asumir diferentes configuraciones con base en el edificio en el cual el componente se introduzca (mediano y largo plazo).
Habrá que tener en cuenta, adicionalmente, que no todo los edificios existentes presentan la misma aptitud para el cambio. Existen una serie de atributos que proporcionan, a los edificios, mayor o menor potencial de adaptación.
A continuación se exponen los conceptos relativos a los diferentes niveles de adaptabilidad con el fin de identificar algunos de los requisitos que hacen que un sistema de envolvente sea adaptable a corto y mediano plazo. Asimismo se analizan aquellas variables que hacen que un edificio existente se preste, más que otro, a intervenciones de adaptación.
2.1. Las prestaciones ambientales de la envolvente arquitectónica: adaptabilidad a corto plazo
Hasta las últimas décadas del siglo XIX la actividad constructiva había recurrido a tecnologías tradicionales, para la creación de lugares artificiales diferentes, en sus condiciones ambientales, a los espacios naturales exteriores. Estas tecnologías eran capaces de aprovechar al máximo los recursos disponibles, sin perjudicar los ecosistemas existentes.
En las áreas de clima cálido, los cerramientos habían sido tradicionalmente articulados en sus dos partes principales: estructura portante y envolvente; en las áreas de clima templado y frío predominaba la presencia de paredes exteriores masivas las cuales, mediante pequeñas aberturas y
18 grandes masas de acumulación, condicionaban, de forma determinante, el clima interior desempeñando, al tiempo, funciones estáticas (Hegger et al. 2007, 83).
La relación entre la superficie abierta y la superficie cerrada de la envolvente es un tema de interés central. La abertura tradicional constituye, en la mayoría de los casos, una “zona de transición espacialmente estratificada” adonde elementos como cortinas, persianas y contraventanas plegables, repisas y jardineras adoptan funciones distintas, conformando un filtro entre ambiente exterior e interior (Schittich 2002).
La “latente filosofía energética” que, durante siglos, había caracterizado la actividad humana, desaparece en las últimas décadas del siglo XIX, cuando, la gran disponibilidad y asequibilidad de energía a bajo precio determina una amplia confianza en la tecnología y en los recursos ambientales, considerados ilimitados (Romano 2011, 1).
En este entonces, el desarrollo tecnológico en el campo industrial junto con la rápida evolución de las condiciones de vida, fueron determinando una evolución radical de los sistemas de separación entre interior y exterior. La tecnología del vidrio y los sistemas estructurales metálicos decretaron la separación definitiva entre envolvente arquitectónica y componente estructural, ocasionando la tendencia generalizada al uso de grandes superficies acristaladas. Estas, si por un lado permitían optimizar la aportación de luz diurna dentro del edificio y la conexión visual entre exterior e interior, conllevaban, por el otro lado, un notable empeoramiento del confort térmico, que solo podía ser compensado mediante el uso indiscriminado de los sistemas emergentes de acondicionamiento ambiental.
Imagen 2.1 Aberturas tradicionales. 2.1.A Persianas en Villefranche-sur-Mer, Alpes Marítimos, Provenza, Costa Azul, Francia. Foto: Oriol Roig. Imagen tomada del sitio web filt3rs.net, 2015. 2.1.B Persianas en Bangkok, Thailand. Foto: Cristina Ferrés; Somkid Paimpiyachart; Sawapat Chaiyarek.Imagen tomada del sitio web filt3rs.net, 2015.
19 La importancia del aislamiento térmico de las paredes exteriores y el desarrollo de envolventes multicapas, de diferentes materiales, para la determinación del confort térmico interior, habían emergido a lo largo del siglo XIX, implicando, ya en este entonces, el surgimiento de una importante línea de investigación sobre materiales innovadores, capaces de garantizar prestaciones análogas a las prestaciones de los materiales tradicionalmente utilizados en el sector de la construcción.
Sin embargo, es solo sucesivamente a las crisis energéticas de la segunda mitad del siglo XX que los aspectos ecológicos y económicos ligados al consumo energético y al confort ambiental fueron adquiriendo el relieve y el valor que hoy en día normalmente se le atribuye.
Imagen 2.2 Edificio Louveira, Sao Paulo, Higienópolis, Brazil, 1946. Imagen tomada del sitio web filt3rs.net, 2015.
La creciente preocupación hacia la cuestión energética junto con la mayor sensibilidad hacia el tema del bienestar ambiental, ha desempeñado un papel fundamental en la transformación del sistema envolvente de mero cerramiento estático a estratificación dinámica, en la cual cada capa contribuye a satisfacer diferentes aspectos de confort (Claudi de Saint Mihiel 2007 en Romano 2011, XV).
Los procesos tecnológicos de innovación han permitido una evolución tanto prestacional como etimológica del concepto de cerramiento. El cerramiento se transforma de elemento
Imagen 2.3 St. Ingbert Town Hall, Alemania, 2009. Schneider+Schumacher Architekten. Fuente:www.schneider-schumacher.de, 2015.
20 energéticamente pasivo, de simple separación entre ambiente exterior e interior, en fachada, componente caracterizador de la imagen del edificio, hasta adquirir la connotación de envolvente dinámica e interactiva o piel inteligente (Wigginton y Harris 2002). Esta es capaz de regular el funcionamiento del edificio como un complejo sistema-filtro selectivo y polivalente. El cerramiento se convierte en un elemento capaz de optimizar las interacciones entre ambiente interior y macro-ambiente exterior (y viceversa) con el cambio de las diferentes condiciones climático-ambientales durante el transcurso del día, del año o de la vida entera del organismo constructivo y/o del hombre que lo habita (Romano 2011), como envolvente sensible o adaptativa.
El concepto de envolvente adaptativa encuentra un precedente emblemático en las unidades habitacionales nómadas. Las yurtas, por ejemplo, son unidades habitacionales tradicionales mongolas, concebidas para soportar grandes cambios climáticos. La envolvente de las yurtas es constituida por una sobre posición de capas de esterilla y fieltro, que puede variar conforme a las condiciones climáticas de lugar en el cual la unidad se implante, delimitando unos espacios habitables aun durante las estaciones invernales.
Transportabilidad, facilidad de montaje y desmontaje, flexibilidad y ligereza, son solamente algunas de las características en las cuales la adaptabilidad se manifiesta en la Yurta y evidencian como el concepto de adaptabilidad a corto plazo, dirigido a hacer frente a las variaciones climáticas inmediatas, puede combinarse magistralmente con un segundo nivel de adaptabilidad, dirigido a secundar el ritmo de la vida nómada.
Imagen 2.4 Yurta at Sunset. Foto: Frederic Vigne, 2012. Imagen tomada del sitio web fineartamerica.com.
2.2. El ciclo de vida de la envolvente arquitectónica: adaptabilidad a mediano y largo plazo
En el nivel temporal de mediano y largo plazo intervienen, en la propuesta, dos diferentes áreas de acción: adaptabilidaddel componente propuesto, por un lado, y adaptación del edificio existente, por el otro.
21 Como es posible deducir, mediante la breve descripción de las características de las Yurtas mongolas, los requisitos para que un sistema de envolvente pueda definirse adaptable a mediano y largo plazo son la transportabilidad y la transformabilidad de sus partes. Transportabilidad implica características como la liviandad y la facilidad de montaje y desmontaje. Transformabilidad abarca aspectos como la reconfigurabilidad, la flexibilidad y la modularidad del sistema.
Relativamente a los procesos de adaptación de edificios existentes pueden definirse, a nivel general, tres grandes determinantes: el esfuerzo, el costo y el tiempo que el cambio requiere (Plagaro Cowee y Schwehr 2012, 87). Sin embargo, las operaciones llevadas a cabo en contextos geográficos distintos atestiguan la subsistencia de una serie de atributos, de diferente naturaleza, que permiten emprender, con más facilidad, operaciones de adaptación en edificios existentes (ver parte 2.3).
Se entiende por adaptación aquella operación que tiene la finalidad de cambiar la capacidad, función o desempeño de un edificio, es decir cualquier intervención para ajustar, reutilizar o actualizar un edificio y hacer que este se adapte a nuevas condiciones o requisitos (Douglas 2006).
En How Buildings Learn, StewartBrand (1995) ilustra como los edificios son capaces de responder, de forma inteligente, a las transformaciones económicas, tecnológicas, sociales y culturales que se verifican durante largos periodos de tiempo.
Brand subdivide el objeto arquitectónico en seis componentes: stuff (muebles), space plan (distribución espacial), services (servicios), skin (envolvente), structure (estructura), site (sitio). Cada componente está sujeto a una diferente tasa de cambio, en relación directa con su ciclo de vida en fase de operación.
Imagen 2.5 Tasas de cambio de los componentes del edificio. Fuente: Brandt, 1996
La envolvente arquitectónica posee una vida útil de, aproximadamente, 20 años, pasados los cuales puede ser necesario emprender intervenciones dirigidas a mantener el componente al día con las innovaciones estéticas y tecnológicas, y/o a conseguir envolventes dinámicas e interactivas, bajo la lógica del control ambiental.
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2.3. Adaptación de lo existente: definición del sector de intervención
Los atributos que favorecen operaciones de adaptación en edificios existentes pueden ser de carácter económico, social, ambiental, tecnológico, normativo y físico (Wilkinson et al., 2010). Algunos de estos atributos han sido evaluados, en este trabajo, con el propósito de definir un sector de estudio específico, dentro de la categoría más extensa de edificios con uso de oficina en la ciudad de Bogotá.
Las variables consideradas son de carácter físico y normativo: para formular una respuesta viable a un problema real, se ha buscado, entre las áreas de renovación urbana, definidas por el Plan de Ordenamiento Territorial de Bogotá, edificios que, por diferentes razones mostraban condiciones de deterioro o subutilización. Se pudo concluir con claridad que los edificios administrativos, construidos a principio de la segunda mitad del siglo XX, no solo presentaban estas condiciones sino que también mostraban una serie de atributos (regularidad y sencillez geométrica, configuración modular de la envolvente, dimensiones, bajo grado de unión a otros edificios10) que secundaban la propuesta de un componente de envolvente adaptable.
Imagen 2.6 Estratégias e indicadores de adaptabilidad. Elaboración propia, realizada mediante la información contenida en Rodriguez, 2014 y Mojica Friede, 2014.
10 Conforme a lo afirmado por Wilkinson et al. (2010), los edificios con alto grado de unión a otros inmuebles y formas complejas, requieren un mayor esfuerzo para ser adaptados.
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MEJORAMIENTO DEL CONFORT MEDIANTE RETROFIT DE LA ENVOLVENTE
3
3.1. Terminología
Las intervenciones a realizar sobre lo existente oscilan en un rango muy amplio. Con base en los diferentes grados de modificación pueden variar desde las más sencillas mejoras hasta medidas radicales de acondicionamiento. Adicionalmente la decisión de intervenir sobre un edificio existente puede tener orígenes de distinta naturaleza: estética, técnica o funcional (Giebeler et al. 2009).
Rehabilitación indica aquella reforma que coincide con el proceso de mantenimiento y reparación de los componentes estéticamente o técnicamente obsoletos. El alcance de la rehabilitación varía desde una escala de afectación parcial, hasta escalas generales y sustanciales (Giebeler et al. 2009). Una intervención de rehabilitación parcial solo involucra algunos de los componentes o de las zonas del edificio, como, precisamente, la envolvente, o la remoción de determinados materiales tóxicos, y presenta altos niveles de dificultad en cuanto debe ser llevada a cabo con el edificio en uso (ibíd.).
Retrofit es un término técnico, que puede estar asociado a intervenciones de rehabilitación tanto parcial como general, y se refiere a la inclusión de sistemas, componentes o accesorios, posteriormente al proceso inicial de construcción. Si bien estuviese inicialmente enfocado a mejoras de sistemas mecánicos o de iluminación, se ha ido difundiendo un enfoque integral, conocido como retrofit “profundo” que investiga otras áreas del edificio, entre las cuales está la envolvente arquitectónica (Floración 2010, Fluhrer et al. 2010, en Sanguinetti 2012).
El retrofit de la envolvente,o re-clad, puede, por lo tanto, ser considerado una sub categoría de las operaciones de retrofit, con una vinculación directa a los temas de control ambiental y eficiencia energética.
El costo de una intervención de retrofit de la envolvente puede ser significativamente alto y difícil de justificar mediante una ecuación de retorno sobre la inversión (Patterson y Vaglio, 2012), abriendo una serie de cuestiones a responder:
¿El retrofit de la envolvente tiene sentido económico?
¿Cuáles son las acciones programáticas que deben guiar una intervención de retrofit de la envolvente?
Diferentes autores han estimado que las modificaciones profundas permiten lograr aproximadamente el doble del rendimiento si se comparan con operaciones de retrofit superficial (Thorne y Mendelsohn 2005). Sin embargo los procesos de rehabilitación deben ser acompañados por un análisis de viabilidad tanto técnica como económica, y por la conciencia que cuanto menos se interfiera y se
24 afecte el componente estructural, mayor será la probabilidad de que la operación propuesta sea viable (Oliveira et al. 2008).
3.2. Intervención sobre la envolvente
Con el fin de elaborar una guía conceptual que acompañe el análisis y oriente el proceso de diseño, se han determinado tres grupos de características que describen, a nivel conceptual, las alternativas de intervención sobre la envolvente arquitectónica desde el punto de vista formal, aplicativo y tecnológico.
3.2.1. Operaciones formales sobre fachadas existentes
Para toda tipología de edificio, las intervenciones sobre la envolvente pueden ser clasificadas según cuatro operaciones formales básicas: adicionar, modificar, sustituir y eliminar (Rabenseifer 2014). Con base en la escala de aplicación dichas operaciones pueden referirse a elementos, capas, unidades constructivas o al sistema de envolvente completo.
La adición de nuevos elementos puede variar desde la integración de dispositivos de sombreado, externos, internos o integrados en la unidad acristaladas, a la incorporación, en la unidad de acristalamiento, de paneles fotovoltaicos que, además de trabajar como elementos de sombreado, también actúan como colectores de energía solar (Sanguinetti, 2012). También existe la posibilidad de mejorar el comportamiento térmico y reducir el gasto energético mediante la adición de elementos acristalados, externos o internos, para conformar una cavidad con la superficie acristalada existente. La adición de nuevas capas es una operación muy común. Entre otras, la más habitual es la adición de una capa de aislamiento a la superficie opaca de la envolvente. La adición de nuevas unidades constructivas puede ser mejor entendida como la creación de un sistema de doble fachada, constituida mediante la unidad existente y la unidad adicionada.
La modificación y la sustitución, tanto de elementos como de capas o unidades constructivas consisten, respectivamente, en reformar y reemplazar las superficies de cerramiento, opacas y trasparentes, mediante componentes con mejores características físicas y mayor control.
La eliminación de componentes, sean elementos, capas o unidades constructivas, se realiza cuando estos constituyen un impedimento a un funcionamiento más eficiente del edificio.
La eliminación y sustitución total de la fachada existente representa la operación en fachada más drástica. Se recurre a este tipo de intervención cuando la fachada ha sufrido daños en diferentes subsistemas o cuando se ha emprendido un gran proyecto de renovación, que puede incluir un cambio radical también de la función y de la disposición interna del edificio (Sanguinetti 2012).
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Imagen 3.1Operaciones formales sobre envolventes existentes. Elaboración propia, 2015.
Las operaciones formales indicadas permiten obtener conceptos distintos al concepto originario de la envolvente.
3.2.1.1. Conceptos de envolvente
Herzog et al. (2004) Hausladen et al. (2004) Hegger et al. (2006) coinciden en clasificar las envolventes según su composición en capas y ubicación de los elementos funcionales (criterio constructivo), identificando tres conceptos principales: fachada monocapa, fachada multicapas y fachada “alterna”.
Imagen 3.2Conceptos de fachada. Dede la izquierda: fachada monocapa, multicapas y alterna. Fuente: Hausladen et al. 2004.
En la fachada monocapa los diferentes elementos funcionales (redireccionamiento de la luz, protección solar, generación de energía, ventilación, conexión visual) están ubicados uno al lado del otro. Esto permite diseñar el rendimiento de cada elemento independientemente de los otros. La fracción de acristalamiento es, por lo general, menor respecto a otros conceptos de envolvente, lo cual tiene un efecto positivo sobre las condiciones ambientales del espacio interior.
En los sistemas multicapas los elementos funcionales están posicionados uno detrás del otro, lo cual implica una fuerte interacción entre las diferentes funciones. La luz desde el exterior debe pasar por
26 más de una capa y por lo tanto puede sufrir una reducción importante. Los elementos de protección solar deben ser diseñados con el fin de permitir el paso, en el interior del espacio, de una cantidad adecuada de luz natural sin tener un efecto perjudicial para la vista. Otro aspecto a tener en cuenta es el calentamiento de aire de suministro en la posible cavidad de la fachada, que puede generar problemas de sobrecalentamiento si las temperaturas exteriores son tendencialmente elevadas.
Las cavidades de los sistemas multicapas pueden ser continuas o segmentadas, verticalmente o horizontalmente.
En la categoría de sistemas multicapas, la fachada doble piel controlable es la opción más eficiente y, al tiempo, costosa. La entera capa exterior es constituida por aberturas controlables. Esta característica implica que la fachada puede ser ajustada a diferentes condiciones climáticas. La revisión de casos realizada durante el trabajo permite afirmar, adicionalmente, que un campo de aplicación muy típico para esta tipología es, precisamente, la rehabilitación de edificios con uso administrativo.
La fachada alterna incorpora, en un único sistema, los principios de la fachada monocapa y multicapas, permitiendo aprovechar las ventajas de los dos conceptos.
3.2.2. Aplicaciones y funciones
Históricamente el sistema envolvente ha debido enfrentarse a su dúplice connotación de barrera, contra las condiciones ambientales hostiles, y filtro, para el paso de la luz natural y del aire (Fernandez Solla 2011). Toda intervención que se realice sobre un edificio existente estará, por lo tanto, dirigida a rechazar, filtrar, admitir, almacenar y re direccionar el flujo energético, sea térmico, lumínico, sonoro o movimiento de aire.
27 Todas las fuerzas que actúan entre el ambiente interior y el ambiente exterior de un edificio, son de naturaleza mutable y transitoria. Los elementos climáticos, los agentes humanos, entre otros, constituyen factores extremadamente variables a lo largo del tiempo y del espacio. El principal desafío técnico del sistema envolvente es resolver los conflictos de objetivos que se puedan generar entre sus subsistemas: el uso óptimo de la luz natural puede, por ejemplo, ser acompañado por fenómenos de sobrecalentamiento; asimismo, el uso de sistemas de ventilación natural puede ser acompañado por la entrada indeseada de ruido, etc. El control de los flujos de energía, en entrada y salida a través de la envolvente, es el factor determinante para obtener ambientes confortables.
El objetivo, en la selección de la función de la envolvente, es encontrar el compromiso óptimo entre la ubicación específica y el uso previsto para el edificio. Se abre, a continuación, un paréntesis para realizar una breve caracterización climática del contexto de estudio y una descripción de los principales requerimientos de confort en un espacio con uso de oficina. Estos datos serán retomados en los capítulos 5, 6 y 8, en los cuales se evaluará el desempeño ambiental del componente propuesto.
3.2.2.1. Bogotá: caracterización climática
Debido a su posición y sus particularidades geográficas, el territorio colombiano es caracterizado por una gran diversidad medio ambiental y la existencia de climas singulares. Por su altitud (aproximadamente 2600 msnm) y sus valores de temperatura y humedad relativa, Bogotá ha sido tradicionalmente incluida dentro de la zona fría del país.
La temperatura del aire presenta un comportamiento muy regular a lo largo del año, pero puede estar sujeta a grandes fluctuaciones durante un mismo día: las temperaturas exteriores varían entre el valor mínimo absoluto, -6.4 °C, registrado durante el mes de febrero, y máximo absoluto, 24.9 °C, registrado durante el mes de enero11. Estos valores extremos se registran, sin embargo, muy raramente durante el periodo de uso del edificio: el valor medio anual de la temperatura oscila, alrededor de los 13.5 °C (IDEAM, 2005).
Como el resto del país, Bogotá cuenta con una elevada disponibilidad de recurso solar, disponibilidad acentuada por la altitud del emplazamiento ciudadano y, en parte, atenuada por la contaminación urbana. La incidencia de la radiación solar tiene valores que oscilan en el rango de 3.5 kWh/m² y 4.5 kWh/m² (IDEAM 2005).
De acuerdo con el mapa de Humedad Relativa media anual, realizado por el IDEAM (2005), Bogotá puede ser clasificada como zona semihúmeda, con valores de humedad relativa que varían en el rango de 77 % y 83 % y valor medio anual igual a 80 %. Las precipitaciones son relativamente escasas, con un promedio anual de 818 mm (IDEAM 2005).
11 Los valores mínimos y máximos absolutos son relativos al año meteorológico típico. La definición del año meteorológico típico se da en el capítulo 5 (nota 24).
28 La velocidad del viento es baja, variando entre el valor mínimo de 1.5 m/s y el máximo de 2.7 m/s. El valor medio anual es de 2.2 m/s, con dirección predominante NE (IDEAM 2005).
3.2.2.2. El confort ambiental en los edificios con uso de oficina
La combinación de los valores de temperatura del aire, humedad relativa y velocidad del viento determina una percepción de la temperatura, en muchos casos, muy diferente a la temperatura ambiente registrada, llamada “sensación térmica” o “confort térmico”. Para el clima bogotano, la humedad relativa y la velocidad del viento presentan márgenes de variación muy bajos, lo cual permite utilizar la temperatura como principal indicador del confort térmico.
El valor de temperatura percibido debería oscilar, dentro de un edificio, en el rango de 19 y 20 °C. Existen, además, una serie de recomendaciones para la temperatura ideal de una oficina12. Estas oscilan, generalmente, entre los 20 y 24 °C13.
Además del factor higrotérmico, otros componentes muy importantes en espacios de oficinas, son el nivel de ruido (confort auditivo) y de iluminación (confort lumínico). Para no interferir con la concentración y la comunicación de los usuarios de oficinas, el ruido no debe superar los 30-45 dB(A) (Hausladen et al. 2006). La iluminancia requerida depende del tipo de tarea visual. Para taras de oficina el nivel de iluminancia debe oscilar entre los 400 y 700 lux (IDAE y CEI 2001).
3.2.3. Tecnologías
Muchas de las oportunidades de mejoramiento del rendimiento gracias a operaciones de retrofit en la envolvente son el resultado de dos campos de investigación: materiales y sistemas de fachada
avanzados14. Las tecnologías relativas están dirigidas a responder a cuatro potenciales
requerimientos: variar la transmitancia, almacenar calor, variar la transparencia y variar la permeabilidad de la envolvente15.
12
La normas que regulan, en Colombia, los aspectos relativos a la calidad de los espacios interiores son la NTC 5316 (Condiciones ambientales térmicas de inmuebles pra personas 2004-12-01) y la NTC 5183 (Ventilación para una calidad aceptable del aire en espacios interiores 2003-08-26).
13 El British Council of Office establece, para el Reigno Unido, un rango entre 20 y 24°C. La norma estadounidense (adoptada en Colombia) recomienda un valor de 23°C.
14
Arroyo et. al (2007) realiza un elenco de características de un material avanzado: -Su proceso de producción no es contaminante;
-Ha sido realizado con tecnología de bajo costo;
-Es completamente tolerable, reciclable y biodegradable; -Es fácil de almacenar;
-Es liviano aun manteniendo altas resistencias mecánicas; -Reúne propiedades de materiales distintos;
-Es obtenido mediante transferencia tecnológica de aplicaciones de otros campos científicos.
15 En el anexo 1 se adjunta una revisión de las alternativas tecnológicas, organizadas según los cuatros requerimientos identificados.
29 Los sistemas de fachada integrada avanzada son, según la definición de la International Energy Agency (2009), los componentes exteriores del edificio, para la protección del clima, que pueden contribuir a la calefacción, refrigeración, ventilación e iluminación y promover el confort interior a través de medidas de eficiencia energética. La fachada integrada avanzada exhibe características adaptativas que están en sintonía con las condiciones particulares, físicas y climáticas, de un lugar y las exigencias del ambiente interior.
Los materiales smart representan una tecnología emergente de gran aplicación en operaciones de retrofit de la envolvente arquitectónica. Según la definición de Addington y Schodek (2007), los materiales smart poseen funciones tecnológicas embebidas que implican la capacidad de responder de forma dinámica a las variaciones de las condiciones ambientales, modificando sus propiedades físicas, su forma o intercambiando energía, sin necesidad de fuentes de energía externas (Velikov y Thün 2012).
Los materiales smart presentan un gran potencial de aplicación. Sin embargo, muchos de estos materiales aún se encuentran en fase de desarrollo, son muy costosos y, en algunos casos, difícilmente asequibles en el mercado colombiano. Se decide por lo tanto continuar la investigación sobre la línea de los sistemas avanzados. Estos permiten obtener el rendimiento deseado, con el uso de materiales de menor costo.
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3.2.4. El potencial de las intervenciones en fachada
Las intervenciones realizadas sobre fachadas existentes permiten obtener un importante mejoramiento del confort térmico y lumínico de los espacios. A través de intervenciones puntuales (escala reducida) o más extensas, mediante la integración de sistemas y materiales muy sencillos o altamente tecnológicos, el potencial de las intervenciones en fachada ha sido ampliamente demostrado.
Un caso de estudio que, para efecto de este trabajo, es particularmente emblemático es el SUVA Insurance Company (Basilea, Suiza). El proyecto, realizado por Herzog y de Meuron Architekten entre 1988 y 1993 es la rehabilitación de un edificio de oficinas, construido en los años ’50. La intervención se ha llevado a cabo mediante la adición de una segunda piel de vidrio que ha permitido mantener perfectamente intacta la fachada original. Mediante sus aberturas, la segunda piel adquiere la connotación de segunda piel controlable, capaz de mitigar los fuertes cambios estacionales.
Imagen 3.5 Operación formal, función y tecnología en la intervención del SUVA Insurance Company, Basilea, Suiza, Herzog y de Meuron Architekten. Elaboración propia, 2015. Las fotos han sido tomadas del sitio web existingbuildingsinformation.weebly.com, 2015.
Una intervención similar se ha realizado el St. Ingbert Town Hall (St. Ingbert, Alemánia). También en este caso, la fachada del edificio original, construido en los ’60, necesitaba ser renovada. Junto con operaciones menores, como la sustitución de los elementos de ventana, el grupo de arquitectos Schneider+Schumaker ha envuelto el edificio con una segunda piel controlable, constituida por una tela de acero inoxidable. Dependiendo de la posición del sol y de la temperatura interior y exterior, los módulos de revestimiento asumen una diferente configuración y contribuyen a una mejora sustancial del desempeño ambiental de los espacios.
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Imagen 3.6 Operaciones formales, funciones y tecnología en la intervención del Ingbert Town Hall, St. Ingbert, Alemania, Schneider+Schumaker arquitekten. Elaboración propia, 2015. Las fotos han sido tomada del sitio web www.schneider-schumacher.de, 2015.
Tanto el SUVA Insurance Company, como el St.Ingbert Town Hall presentaban, en su estado inicial, características muy parecidas a los edificio objeto de intervención en el presente trabajo. Se trata de edificios administrativos, construidos a principio de la segunda mitad del siglo XX, cuya envolvente ha manifestado, a distancia de un periodo que oscila entre los 30 y los 40 años, señales de obsolesciencia formal y funcional. En ambos casos la envolvente originaria es una envolvente de ventanas, con una geometría muy sencilla y configuración modular.
Con el objetivo de no perjudicar la existencia y hacer la intervención más viable, la fachada originaria ha sido conservada y se ha adicionado, en la parte exterior de la envolvente, una unidad constructiva independiente. El concepto resultante es una fachada doble piel controlable, realizada con materiales tradicionales. El control ambiental de los espacios se realiza mediante sistemas de movimiento, más o menos complejos, aplicados sobre la entera dimensión del edificio.
Imagen 3.7 Rehabilitación de edificios mediante retrofit de la envolvente. 3.7.A SUVA Insurance Company. Office Building. Basilea, Suiza. Herzog y de Meuron Architekten. 1988-1993. Foto: Antonio Cerri. Imagen tomada del sitio web filt3rs.net, 2015.
3.7.B Ingbert Town Hall. St. Ingbert, Alemania. Schneider+Schumaker architekten. 2005-2009. Imagen tomada del sitio web www.schneider-schumacher.de, 2015.
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VALORACIÓN DE LA INFORMACIÓN
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4.1. Aplicaciones y funciones: líneas de acción estratégicas
En 1968 el arquitecto húngaro Víctor Olgyay, precursor de los estudios sobre la relación entre arquitectura y energía, en el ámbito de su investigación sobre el método bioclimático de diseño, realizó un análisis de las regiones climáticas colombianas. Con relación a la zona fría-templada, Olgyay afirmaba que los cambios que, en otras regiones geográficas, son debidos a variaciones estacionales, en Bogotá se alternan a lo largo de un mismo día. En esta región las temperaturas diarias poseen una media anual muy por debajo de la línea de confort óptimo, que se encuentra a 21.2°C, aunque una parte muy pequeña de las temperaturas diarias está dentro de la zona de confort.
Conforme a su análisis climático, Olgyay establece una serie de objetivos generales a lograr, mediante el diseño, en una región fría templada:
aumentar la producción de calor;
aumentar la absorción de radiación;
disminuir la pérdida por radiación;
reducir la pérdida de calor por conducción y evaporación.
Los objetivos establecidos por Olgyay son ratificados por las respuestas constructivas tradicionales características de la región fría-templada del país, por lo general dirigidas a optimizar el aprovechamiento de la insolación, aislar del frio y de la humedad y acumular calor en el día para la irradiación nocturna. Estas estrategias se traducen en diferentes soluciones arquitectónicas: el aumento de la superficie de la envolvente con el propósito de maximizar la absorción solar, el uso de materiales y espesores que constituyan masa térmica para el aislamiento y buffer térmico, la minimización de las aberturas para el control de las pérdidas de calor y de las corrientes de aire.
