Sistema integrado para determinar habitabilidad en edificaciones

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SISTEMA INTEGRADO PARA DETERMINAR HABITABILIDAD EN EDIFICACIONES

SIHABIT

SANTIAGO SALAZAR FAJARDO

Asesor

Germán Bravo Córdoba, D.E.A

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN

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Tabla de Contenido

1 Introducción ... 8

2 Definición del problema ... 11

2.1 Motivación ... 11

2.2 Enunciado del problema ... 11

2.3 Resultados esperados ... 12

2.3.1 Con respecto al dominio – análisis de la habitabilidad ... 12

2.3.2 Con respecto al Sistema ... 12

2.4 Preguntas de investigación ... 13

3 Objetivos y metodología ... 14

3.1 Objetivo general ... 14

3.2 Objetivos específicos ... 14

3.3 Metodología utilizada ... 14

3.1.1 Consulta a expertos sobre el tema habitabilidad. ... 14

3.3.1 Construcción del estado del arte... 15

3.3.2 Creación de la ontología que permite describir una edificación y su contexto en relación con la habitabilidad ... 15

3.3.3 Creación de un sistema experto basado en reglas ... 15

3.3.4 Representación de la edificación y de análisis de la habitabilidad mediante grafos 16 3.3.5 Creación de software para el uso de modelos de propagación, y de índices de confort... 16

4 Fundamentos teóricos y tecnologías ... 17

4.1 Habitabilidad ... 17

4.1.1 Fenómenos y modelos de propagación relacionados con la habitabilidad. ... 21

4.1.1 Fenómeno térmico ... 21

4.1.2 Fenómeno acústico ... 26

4.1.3 Ruido exterior ... 33

4.1.4 Ruido dentro de las edificaciones ... 33

4.2 Fundamentos teóricos en Ingeniería de sistemas y computación ... 34

4.2.1 Ontologías ... 34

4.2.2 Definición de ontología ... 34

3

4.2.4 Sistemas basados en conocimiento ... 36

4.2.5 Sistemas expertos o sistemas basados en reglas ... 36

4.2.5.1 Base de conocimiento: ... 40

4.2.5.2 Base de hechos ... 40

4.2.5.3 Motor de inferencia ... 40

4.2.5.4 Interfaz de usuario ... 42

4.2.5.5 Módulo de adquisición de conocimiento ... 42

4.2.6 Grafos... 42

4.3 Análisis de la habitabilidad mediante grafos ... 44

4.3 Herramientas de software utilizadas para apoyar estudios para la determinación de la habitabilidad en edificaciones ... 49

4.3.1 Criterios comparativos entre herramientas ... 49

4.3.1.1 OASIS ... 50

4.3.1.2 ETABS ... 50

4.3.1.3 SIMCO STADIUM ... 51

4.4 Análisis comparativo y propuesta de solución SIHABIT ... 52

5 Propuesta de Solución SIHABIT ... 52

6.1 Análisis y Diseño ... 54

6.1.1 Requerimientos funcionales ... 54

6.1.2 Requerimientos no funcionales ... 55

5.1.1 Estudio de viabilidad ... 56

5.1.2 Definición de la infraestructura tecnológica ... 56

6.1.5 Diagrama de clases ... 57

5.1.3 Diagrama de componentes ... 58

5.1.4 Diagrama relacional ... 60

5.1.5 Diseño de interfaces de usuario ... 61

7 Implementación ... 65

7.1 Forma de las reglas Implementadas ... 65

8 Casos de estudio ... 67

9 Resultados y análisis ... 70

6 Conclusiones y trabajo futuro ... 72

7 Glosario de términos ... 73

8 Referencias ... 75

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TABLA DE ILUSTRACIONES

ILUSTRACIÓN 1FACTORES Y DIMENSIONES DE HABITABILIDAD ... 17

ILUSTRACIÓN 2MODELO DE COMPRENSIÓN DE LAS VARIABLES DE EVALUACIÓN DE LA HABITABILIDAD EN LAS EDIFICACIONES EN GENERAL ... 18

ILUSTRACIÓN 3PROPAGACIÓN FENÓMENO TEMPERATURA. ... 21

ILUSTRACIÓN 4COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE MUROS ... 21

ILUSTRACIÓN 5MODELO DE FANGER PARA DETERMINAR ÍNDICE DE CONFORT TÉRMICO ... 22

ILUSTRACIÓN 6PROPORCIÓN PREVISTA DE PERSONAS INSATISFECHAS EN FUNCIÓN DEL VALOR DEL ÍNDICE ... 24

ILUSTRACIÓN 7FUENTES DE RUIDO ... 26

ILUSTRACIÓN 8CAUSAS DE DISCONFORT ... 28

ILUSTRACIÓN 9VALORES RECOMENDADOS DEL ÍNDICE NR PARA DIFERENTES LOCALES ... 30

ILUSTRACIÓN 10ACTIVIDADES METHONTOLOGY ... 34

ILUSTRACIÓN 11COMPONENTES DE UN SISTEMA EXPERTO ... 37

ILUSTRACIÓN 12REPRESENTACIÓN DE UNA EDIFICACIÓN MEDIANTE UN GRAFO ... 43

ILUSTRACIÓN 13REPRESENTACIÓN DE UNA EDIFICACIÓN MEDIANTE UNA MATRIZ DE ADYACENCIA ... 43

ILUSTRACIÓN 14 REPRESENTACIÓN DE LA PROPAGACIÓN ... 44

ILUSTRACIÓN 15ÁRBOL DE EVALUACIÓN DE HABITABILIDAD. ... 46

ILUSTRACIÓN 16 PROCESO DE VALORACIÓN DE UNA EDIFICACIÓN ... 51

ILUSTRACIÓN 17MODELO ONTOLÓGICO DEL DOMINIO ... 52

ILUSTRACIÓN 18CASOS DE USO ... 53

ILUSTRACIÓN 19INTEGRACIÓN ... 55

ILUSTRACIÓN 20 DIAGRAMA DE CLASES ... 56

ILUSTRACIÓN 21 COMPONENTES ... 57

ILUSTRACIÓN 22INTERACCIÓN ELEMENTOS DEL SISTEMA ... 57

ILUSTRACIÓN 23 DIAGRAMA RELACIONAL ... 58

ILUSTRACIÓN 24CARGA DATOS DESDE AUTOCAD ... 59

ILUSTRACIÓN 25CARGA DE LA EDIFICACIÓN A SIHABIT ... 60

ILUSTRACIÓN 26SELECCIÓN DE DIMENSIONES Y MODELOS DE PROPAGACIÓN ... 60

ILUSTRACIÓN 27INGRESO DE FUENTES Y ASIGNACIÓN DE LOS ANÁLISIS ... 61

ILUSTRACIÓN 28INGRESO DATOS DE MODELOS ... 61

ILUSTRACIÓN 29REPORTE HABITABILIDAD ... 62

ILUSTRACIÓN 30REPORTE HABITABILIDAD ... 62

ILUSTRACIÓN 31INGRESO DATOS DEL PLANO A SIHABIT ... 65

ILUSTRACIÓN 32CARGA DATOS DEL PLANO A SIHABIT ... 66

ILUSTRACIÓN 33REPORTE DE HABITABILIDAD SIHABIT ... 67

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Lista de tablas

Tabla 1 Descripción de los criterios comparativos de herramientas ... 47

Tabla 2 comparativa entre las herramientas más utilizadas para determinar la habitabilidad ... 49

Tabla 3 Tabla No 4 Descripción de tablas ... 58

Tabla 4 Reglas del sistema ... 65

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1 INTRODUCCIÓN

Las edificaciones que son ocupadas por personas, deben tener ciertas características que garanticen condiciones adecuadas de salud y confort; dichas edificaciones pueden estar sujetas a estudios que dan como resultado si se pueden construir o mejorar con el fin de ser habitables. El concepto de habitabilidad hoy en día es un elemento relevante para el diseño, construcción y evaluación de edificaciones. La densidad de habitantes de un espacio, las formas de uso, los materiales con que se construyen las edificaciones entre otras cosas, afectan dicho factor, de tal forma que si se dan malos usos de los espacios que componen una edificación, si se tiene un mal diseño, entre otras cosas negativas, el resultado es que no se responda a las condiciones ambientales y de confort, llegando a comprometer la salud de sus habitantes.

Es posible determinar si una edificación es habitable mediante la aplicación de diferentes modelos (fenómenos de transferencia, confort etc.,) y para ello es útil tener en cuenta la información proveniente de la edificación, de los espacios que la componen, la relación entre los mismos y las fuentes que pueden influenciar de manera positiva o negativa. En este trabajo de grado se propone un sistema basado en grafos y reglas provenientes del conocimiento de expertos y normatividad, que sirve para determinar la habitabilidad de una edificación, y así dar soporte a la toma de decisiones que lleven a garantizar el bienestar de los habitantes y la sostenibilidad de las edificaciones.

Dentro de la metodología propuesta en este trabajo, se representa la edificación mediante un grafo que incluya información relevante de la edificación para el análisis, que se pueda recorrer para determinar la habitabilidad mediante reglas de inferencia, y que se logre determinar la habitabilidad general de la edificación relacionando los diferentes fenómenos que pueden afectar la misma. Esto proporciona una herramienta útil que permite hacer diagnósticos acerca de las condiciones de una edificación a partir de la información sobre la actividad destinada a cada espacio, las fuentes de calor, ruido, olor, etc., y de los materiales con que esta se construye.

El presente documento de tesis está organizado de la siguiente manera:

Definición del problema: En este capítulo se presenta la motivación por la cual se realiza el proyecto, la determinación del problema por medio de árboles de problemas y objetivos como herramientas metodológicas, se especifica el dominio del proyecto, así como, la dificultad existente en la evaluación de edificaciones, en formalizar el conocimiento acerca de dicho proceso de evaluación y en todo lo relacionado con sistemas expertos, también se presentan los resultados esperados respecto al dominio del problema. Adicionalmente, se presentan las preguntas de investigación que se desean solucionar con el desarrollo del sistema experto tanto en el ámbito de los sistemas expertos basados en reglas como en el análisis de las edificaciones teniendo en cuenta múltiples factores.

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Objetivos y metodología: En este capítulo se presentan los objetivos de la investigación y del desarrollo del sistema experto basado en reglas propuesto. Adicionalmente, se presenta la metodología utilizada en el proyecto para obtener información de los expertos y su aplicación en sistemas expertos basados en reglas.

Fundamentos teóricos y tecnologías: En este capítulo se presenta la teoría necesaria para comprender tanto el problema como la solución propuesta. Se compone de dos partes: los fundamentos teóricos asociados a la habitabilidad, desde la Arquitectura y los fundamentos teóricos necesarios en ingeniería de sistemas.

Estado del arte: En este capítulo se hace un recorrido por las herramientas actuales con las que los ingenieros civiles trabajan para evaluar las edificaciones (herramientas proactivas) y para sugerir mejoras si es necesario.

Propuesta de solución: En este capítulo se describe la solución propuesta para la evaluación de las edificaciones con fines de determinar su habitabilidad a partir de un grafo 3D y arboles de habitabilidad, el conocimiento de expertos y su representación en reglas de inferencia. Adicionalmente, se plantea la creación de un sistema experto basado en reglas.

Análisis y diseño: En este capítulo se presenta el diseño del sistema experto basado en reglas propuesto.

Implementación: En este capítulo se describen las características de la herramienta que se usará para implementar el sistema experto. Luego usando un caso como ejemplo se presenta el sistema en sí, la interfaz y su funcionamiento general.

Resultados obtenidos: Es este capítulo se presentan los resultados que se pueden obtener con el sistema experto propuesto y su utilidad práctica.

Conclusiones y trabajo futuro: En este capítulo se presentan las conclusiones, detallándose los aportes originales que el trabajo de tesis ha generado en el dominio de conocimiento de la evaluación de edificaciones con fin de establecer su habitabilidad. Adicionalmente, se presentan aspectos y trabajos de investigación que se pueden considerar para ampliar la presente tesis.

Referencias: se presenta la bibliografía que se ha usado en el presente trabajo y el detalle de las abreviaturas.

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Anexos: En este capítulo se presentan los anexos sobre los modelos de propagación de fenómenos asociados a las dimensiones de habitabilidad y los modelos de índices de confort, utilizados y apartes del diseño del sistema propuesto.

Finalmente se tiene que la tesis presentada en este documento ha sido desarrollada dentro del dominio de la ingeniería de sistemas; debido a esto, los contenidos del documento dentro de cada sección presentan las explicaciones pertinentes en ingeniería de sistemas pero se van incluyendo conceptos necesarios sobre Arquitectura.

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2 Definición del problema

2.1

Motivación

Para mantener y preservar la salud del ser humano, se debe tener un ambiente sano, y no basta con tener en cuenta la contaminación ambiental que es uno de los causantes del desequilibrio en los diferentes ecosistemas, sino también se debe pensar que puede estar afectando los espacios que componen de una edificación. Existen muchos elementos que influyen en el ambiente interior de una edificación, como la ubicación geográfica, la orientación, la ventilación, las instalaciones eléctricas, el tipo de materiales con lo que se construye, entre otros, y por lo tanto es útil tenerlos en cuenta en el momento de querer diseñar y construir las edificaciones con el fin garantizar la salud. También se deben garantizar otros aspectos deseables como la seguridad, el confort y el adecuado manejo de recursos, por lo tanto en análisis de una edificación debe ser más completo.

Durante el diseño, construcción y uso de las edificaciones, es necesario realizar análisis con el fin de determinar su habitabilidad, y establecer si las mismas garantizan los aspectos mencionados anteriormente. Este ejercicio de determinar la habitabilidad es complejo dado que debe desarrollarse para una edificación teniendo en cuenta las relaciones entre sus espacios, y debe hacerse desde diferentes puntos de vista (térmico, acústico, psicosocial, etc.), por lo tanto es de bastante utilidad contar con herramientas que facilitan dicha evaluación.

2.2

Enunciado del problema

Una construcción no solo debe tener un costo apropiado, una estructura que permita persistencia pese a los eventos sísmicos y demás situaciones que puedan poner en peligro a la misma, sino que debe garantizar unas condiciones mínimas de salud y confort a quienes la habitan. Para lograr lo anterior, cada construcción se debe someter a un proceso de evaluación, en el cual, es importante tener a la mano el conocimiento de expertos y modelos para determinar que tan aptas son para ser habitables y de acuerdo al resultado de ese ejercicio, realizar mejoras.

Para realizar la valoración se debe contar con personas que tengan amplia experiencia, pero a veces estos expertos son escasos, por lo tanto es necesario que exista una herramienta que apoye la toma de decisiones cuando dichos expertos están ausentes. Este tipo de herramienta debe contener el conocimiento necesario para realizar una

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valoración adecuada, y se puedan emitir recomendaciones para posibles mejoras en las edificaciones, sin dejar a un lado el hecho que este conocimiento puede quedar obsoleto en algún momento y se deba realizar una tarea de renovación de o adquisición de nuevo conocimiento.

En la actualidad existen herramientas que apoyan este tipo de estudios, pero estas son por lo general costosas, difíciles de manejar o de integrar con otras para lograr análisis que tengan en cuenta diferentes puntos de vista y no permiten realizar un análisis integral de la habitabilidad. .Por otro lado se tiene la solución propuesta en este trabajo llamada “Sistema Integrado para determinar la Habitabilidad en edificaciones SIHABIT”, la cual integra diferentes tipos de análisis (temperatura, sonido, etc.), es de fácil uso, provee flexibilidad en el momento de querer incluir nuevos modelos matemáticos y utiliza el conocimiento de expertos para realizar análisis rápidos sin la necesidad de entrenamiento extenso en la misma, suministra resultados fáciles de comprender y emite sugerencias sobre aspectos a mejorar en edificaciones para garantizar su habitabilidad.

2.3

Resultados esperados

Los resultados se pueden definir con respecto al dominio de aplicación y con respecto al Sistema solución.

2.3.1 Con respecto al dominio – análisis de la habitabilidad

Se espera definir correctamente el concepto de contexto, teniendo en cuenta los principales elementos que lo conforman, metodologías, modelos de propagación y modelos de índices de confort.

2.3.2 Con respecto al Sistema

Construcción de un Sistema Experto que permita realizar análisis de edificaciones para determinar su habitabilidad; también que permita realizar sugerencias sobre las mejoras a realizar a las edificaciones, basándose para ello de la información existente del contexto que la rodea (actividades desarrolladas en las edificaciones, materiales que las componen, normatividad, etc.).

De manera puntual, se esperan los siguientes productos:

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 Representación de la edificación que facilite su comprensión. Uso de de grafo para representar los espacios que la componen y sus relaciones espaciales, y uso de un árbol para representar la habitabilidad integral.

 Creación del sistema basado en reglas asociadas conocimiento de expertos y de la normatividad que permita determinar la habitabilidad en las edificaciones.

 Integración con herramienta de dibujo.

2.4

Preguntas de investigación

 Sobre el conocimiento necesario para el sistema

 ¿Cuál conocimiento se necesita determinar la habitabilidad en una edificación?

 ¿Es posible representar el conocimiento necesario a partir ontologías que permitan deducir si una edificación es habitable o no?

 ¿Cómo se extrae el conocimiento?

 ¿Es posible expresar el conocimiento extraído de la literatura especializada y de las experiencias de los expertos por medio de una ontología?

 ¿Es posible obtener reglas a partir de la ontología propuesta, del conocimiento de los expertos y la normatividad?

 ¿Es posible representar el edificio mediante un grafo 3d no dirigido, la habitabilidad integral mediante un árbol y el conocimiento de los expertos mediante reglas que puedan ser utilizadas por un motor de inferencia?

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3 Objetivos y metodología

3.1

Objetivo general

Desarrollar un Sistema Experto que permita el análisis, y mejor diseño de edificaciones, que mediante el uso de reglas de inferencia asociadas al conocimiento de expertos, modelos de índices de confort y la normatividad vigente permitan diagnosticar el estado de las mismas con el fin de proveer soluciones que garanticen su habitabilidad de manera integral y minimicen el impacto sobre el medio ambiente.

3.2

Objetivos específicos

 Crear una ontología que permita definir el contexto de una edificación que incluya dimensiones de habitabilidad, y conceptos relacionados con la misma.

 Con base en la ontología y con información obtenida de los expertos, crear reglas de inferencia para que sean utilizados por un sistema experto con el cual se pueda realizar cálculos útiles para el análisis, además de diagnosticar de manera oportuna aspectos relacionados con la habitabilidad.

 Desarrollar una herramienta que integre diferentes modelos de propagación de fenómenos y de confort, que integre el conocimiento de expertos y permita determinar la habitabilidad en edificaciones

 Integrar el sistema con Autocad, para tener a la mano una herramienta conocida de

ingreso de algunos datos sobre la geometría de las edificaciones.

3.3

Metodología utilizada

Para cumplir con los objetivos propuestos en esta tesis, se partió de la existencia del problema anteriormente descrito y de la necesidad de plantear actividades con productos bien definidos. A continuación se hace una breve descripción de las actividades:

3.1.1

Consulta a expertos sobre el tema habitabilidad.

Para comprender correctamente el problema así como la relevancia que tiene el sistema propuesto en la presente tesis fue necesario consultar con expertos habitabilidad. Adicionalmente, con la consulta a expertos se busca establecer los procedimientos correctos que lleven al cumplimiento de los objetivos propuestos en esta tesis.

La extracción del conocimiento se realiza a través de entrevistas con arquitectos e ingenieros civiles, también mediante la recopilación de documentos construidos por organizaciones especializadas en el tema de la habitabilidad.

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Construcción del estado del arte

Para el estudio del conocimiento acumulado. En esta actividad se elaboraron criterios de evaluación de las diferentes herramientas más utilizadas para el apoyo en el proceso de la determinación de la habitabilidad en las edificaciones. También se compararon las diferentes herramientas con la solución propuesta en la presente tesis.

Creación de la ontología que permite describir una edificación y su contexto en

relación con la habitabilidad

Para la creación de la ontología se ha utilizado Methontology, metodología que proporciona una guía para desarrollar la ontología a través de las actividades de especificación, conceptualización, formalización, implementación y mantenimiento.

Creación de un sistema experto basado en reglas

Se propone un sistema basado en el conocimiento de los expertos y la normatividad asociada a la habitabilidad. Este sistema es un sistema experto, dado que posee el conocimiento de expertos en el dominio, y es capaz de emitir recomendaciones. El conocimiento es representado mediante reglas y hechos.

Para crear el sistema experto se ha optado por elegir como dominio, la habitabilidad relacionada con factores térmicos y acústicos. De allí se obtiene información de bastantes fuentes y de los expertos.

El sistema experto está compuesto por un módulo de adquisición de conocimiento, un módulo de representación del conocimiento (hechos y reglas), un módulo de razonamiento (motor de inferencia y componente explicativo) y de una interfaz de usuario. Para este sistema se tienen dos tipos de usuarios, un administrador que va a configurar el sistema agregándole modelos, espacios genéricos, y hace de ingeniero de conocimiento, y un usuario que utiliza el conocimiento (experto o no experto).

Formulación del conocimiento: Se formaliza el conocimiento de los expertos teniendo en cuanta los factores térmicos y acústicos. Se tiene en cuenta las normas vigentes a nivel nacional sobre estos dos factores, teniendo claro que el sistema puede contemplar más factores.

La base de conocimiento incluye:

 La definición de fuentes de entrada:

 Descripción del estado inicial que incluye el conocimiento base.

 Conjunto básico de reglas de análisis y hechos

 Definición de reglas aplicables

 Recomendaciones

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Representación de la edificación y de análisis de la habitabilidad mediante grafos

Los grafos son estructuras frecuentemente utilizadas para brindar soluciones que necesitan representar y/o almacenar datos que están relacionados de alguna manera (espacios en una edificación, relaciones de parentesco, puestos de trabajo, etc.); dado esto, en este trabajo son utilizados para representar una edificación con los espacios que la conforman y como se relacionan ellos entre sí. Con esto se logra establecer vecindades entre espacios sobre las cuales los fenómenos sujetos a estudio se propagan.

Los árboles, son un tipo especial de grafo, una estructura que comienza con un nodo espacial llamado raíz, y se extiende en varis ramificaciones o líneas. Esta configuración especial permite modelar la relación entre la habitabilidad determinada desde diferentes factores con el fin de hallar una habitabilidad integrada. .

Creación de software para el uso de modelos de propagación, y de índices de

confort

Los modelos de propagación y de índices de confort son utilizados con frecuencia para determinar como se ve afectada una persona en una edificación. Los modelos de propagación, están relacionados con fenómenos físicos, sociales etc., y permiten saber como un fenómeno iniciado en un espacio puede llagar a otro espacio y afectarlo. Los modelos de índices de confort permiten valorar la satisfacción de las personas bajo ciertas condiciones, y ellos por lo general son tenidos en cuenta en los análisis de habitabilidad.

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4 Fundamentos teóricos y tecnologías

Para abordar el problema propuesto en esta tesis, es necesario abarcar dos dominios o áreas de conocimiento, la habitabilidad, que hace parte de la Arquitectura y está ligada a la ingeniería civil, y los sistemas basados en conocimiento, que hacen parte de la ingeniería de sistemas. A continuación se presenta la parte teórica relevante de cada uno de estos dominios de conocimiento.

4.1

Habitabilidad

Según Solano (1), el ser humano, ha buscado siempre mejorar las condiciones del espacio, donde cobijarse de las inclemencias del tiempo y protegerse de las posibles agresiones exteriores. Para Solano, la habitabilidad actual, debe estar definida desde las necesidades de las personas, necesidades cuya satisfacción debe empezar por garantizar para todos las condiciones de confort y normativamente establecidas, pero que deben extenderse a la configuración de un espacio habitable sano, desprovisto de amenazas a la salud y al libre desarrollo de las capacidades de las personas, configurado con materiales libres de componentes dañinos y protegidos de campos y radiaciones electromagnéticas que puedan afectar a la salud y al bienestar de los habitantes. (1)

Por otro lado Saldarriaga (2) define “la habitabilidad, referida al ámbito de la arquitectura, es la parte de esta disciplina dedicada a asegurar unas condiciones mínimas de salud y confort en los edificios; en especial, la habitabilidad se ocupa del aislamiento térmico y acústico, y de la salubridad. La habitabilidad es el conjunto de condiciones físicas y no físicas que permiten la permanencia humana en un lugar, su supervivencia y en un grado u otro la gratificación de la existencia. Entre las condiciones físicas se encuentran todas aquellas referentes al proceso de transformación del territorio y el ordenamiento espacial de las relaciones internas y externas del elemento humano, la construcción del cuerpo físico que alberga las actividades y las personas y la delimitación física del ámbito individual y colectivo. La transformación arquitectónica es precisamente la encargada de proporcionar estas condiciones físicas del hábitat cultural del ser humano”. (2).

Manuel Sanchez (3), en su escrito sobre habitabilidad, menciona: “La habitabilidad y arquitectura son dos vocablos íntimamente relacionados pero diferentes. Si bien no puede haber arquitectura si no procura la habitabilidad, si puede haber habitabilidad sin arquitectura. La habitabilidad es una cualidad del espacio que se fundamenta en múltiples aspectos más allá de los aspectos arquitectónicos. Un lugar puede ser habitable, vivible, si tiene características afectivas que no necesariamente son físico espaciales. Pocas

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cosas pueden ser para muchos de nosotros más vivibles que la casa donde nacimos, donde vivieron nuestros padres, donde sucedieron eventos significativos. Estas particularidades pueden ser independientes de las características formales del lugar. Cuando en un lugar se suman ambos aspectos se logra una plenitud en la experiencia de estar en un sitio”.

Dado lo anterior, tiene sentido hablar de habitabilidad cuando las estructuras civiles son utilizadas, cuando satisfacen las necesidades del habitador. Para lograr satisfacer dichas necesidades, es necesario someter a estas estructuras civiles a estudios, ya sea en su etapa de diseño o estando ya construidas, con el fin de lograr satisfacer las necesidades de sus habitantes. Para determinar si una edificación es habitable o no, se deben tener en cuenta diferentes factores; entre ellos se destacan los relacionados con elementos espaciales, psicosociales, térmicos, acústicos, lumínicos, de seguridad, etc. Para el presente proyecto se tienen en cuenta los siguientes factores clasificados en dimensiones para facilitar la relación con diferentes modelos de evaluación de índices de confort (ver figura No. 1).

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De acuerdo con la figura anterior, el momento de evaluar una edificación, podrían contemplarse muchos factores pero por lo general, en la mayoría de estudios se hace mención a los más relevantes, esto de acuerdo a las exigencias para poder emitir permisos para construir o para permitir el funcionamiento de las edificaciones.

Para una edificación las variables de estudio asociadas a los modelos en la valoración están sujetas a la calidad de vida, la calidad del edificio, los patrones sociales y la flexibilidad, por lo tanto contemplan los altos estándares tecnológicos, la información proveniente del ambiente, aprovechamiento de fuentes naturales, consumo eficiente de recursos, propiedades de los materiales ver figura 2 .

Ilustración 2 Modelo de comprensión de las variables de evaluación de la habitabilidad en las edificaciones en general (tomado de[4]).

No solo basta con evaluar una edificación para bajar el consumo energético por tener un ejemplo, que si bien es algo positivo, existen más aspectos que se relacionan entre sí para obtener una evaluación completa. La idea es garantizar lo que se conoce como una edificación sostenible y que sus habitantes estén seguros y se sientan a gusto.

Una edificación sostenible es aquella que en todo su ciclo de vida, incluida muy especialmente la fase de diseño, materializa de forma equilibrada las tres dimensiones social, económica y ambiental del desarrollo sostenible. La edificación sostenible tiene como objetivo la reducción progresiva del impacto ambiental de la consecución de la

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habitabilidad -la utilidad social que proporciona- mediante la progresiva adquisición de estrategias de cierre de los ciclos materiales implicados en ella. (5).

Según Cuchí (5), “la edificación se ha globalizado, ha cambiado la dependencia del entorno inmediato por la dependencia de recursos alejados en el espacio y, como en el caso de los combustibles fósiles formados hace millones de años, en el tiempo lo que ha ocasionado la homogeneización de la arquitectura en todo el planeta, en paralelo a la generalización de modos de vida similares en todo el mundo, y que se sustenta sobre un consumo exacerbado de recursos y su inevitable y simétrica emisión de residuos. Al igual que en otras ramas de la producción, la sostenibilidad en edificación implica la reducción continuada de la generación de residuos, tendiendo hacia el cierre de los ciclos materiales. Eso es, regenerando los residuos para devolverles la cualidad de recursos y que permanezcan disponibles para las generaciones futuras en el marco de un medio libre de la amenaza de la contaminación. Como consecuencia, el objetivo sostenibilista en el campo de la edificación debe ser el establecimiento de estrategias de obtención de la habitabilidad desde la consideración de la necesidad del cierre de los ciclos” (5).

Por otra parte debe tenerse claro que la habitabilidad no solo se establece para un espacio o conjunto de espacios que conforman una edificación, la cuidad, el barrio y la vivienda como tal, se ven influenciados por diversos factores que afectan la calidad de vida de quienes los habitan. Según Sánchez (3), se pueden distinguir tres escalas en la habitabilidad de un lugar. El nivel familiar, al interior del hogar, determinado por las condiciones de la vivienda. Un segundo nivel en el del contexto inmediato; el de los vecinos, el de la cuadra, el de la colonia. El tercer nivel es el del pueblo, ciudad o área metropolitana.

Si la cuidad ofrece las condiciones necesarias de subsistencia, esta se puede habitar. Cada habitante busca un lugar en donde pueda realizar diferentes actividades como comprar, estudiar, trabajar, divertirse etc. Entre más grande es la ciudad más oportunidades y más variedad de posibilidades para satisfacer las demandas, sin embargo el tamaño podría tener efectos negativos, pues aunque existen todo tipo de satisfactores, aumentan la dificultad para acceder a ellos. Aumentan costos, tiempo, seguridad, calidad ambiental, etc. (3). El nivel comunitario inmediato es fundamental por su incidencia en la calidad de vida. Es el marco de una interrelación social casi ineludible, básica para la ayuda mutua. Los espacios donde se dan estas relaciones son los patios, las calles, las plazas y los lugares públicos donde se acude cotidianamente; la escuela, el mercado, la iglesia, etc.

La vivienda es el lugar más íntimo y constituye la plataforma básica de la habitabilidad. En ella se satisfacen condiciones espaciales como dimensionales, que permitan realizar las actividades individuales y familiares, así como las condiciones ambientales que ofrezcan llevar una vida saludable. A estos aspectos hay que agregar las condiciones de seguridad, de significación, de intimidad y en muchas ocasiones de lugar para trabajar. La

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calidad de vida que nos permita alcanzar cada una de estas escalas constituye el nivel de habitabilidad. Los tres niveles están estrechamente relacionados. Las deficiencias en algunos de los tres, cuando son graves, afectan seriamente la habitabilidad, la calidad de vida de las personas. En los tres niveles existen factores que se escapan de las posibilidades profesionales del un arquitecto. Un clima de seguridad social, un nivel cultural, unas condiciones económicas adecuadas dependen de programas y acciones que van más allá de lo físico arquitectónico. Si bien no juega el rol más importante si puede el arquitecto participar. (5)

4.1.1 Fenómenos y modelos de propagación relacionados con la habitabilidad.

Existen diferentes fenómenos que pueden ocurrir en el interior o exterior de una construcción civil; fenómenos asociados a transferencia de calor, flujo de aire, transmisión de ruido, entre otros, son importantes y tal es así que existen normas en cada país que regulan la ocurrencia de estos, y obligan a los constructores y habitantes que las cumplan en pro de garantizar el confort y la seguridad.

Estos fenómenos deben comprenderse bien para que se logren analizar y puedan controlarse. Hay muchas maneras, de analizarlos, desde las más simples a las más complejas dependiendo del tipo de estudio que se esté realizando. Como ejemplo se tiene uno de los fenómenos más estudiados, el fenómeno térmico, no solo por estar en boga el tema del calentamiento global, sino porque es de los que más impactan la seguridad y el confort de las personas. Es claro que el presente trabajo no profundiza sobre estos fenómenos, pero si muestra algunos de los más sencillos modelos pero suficientes para ser utilizados en la determinación de la habitabilidad.

Fenómeno térmico

Haciendo referencia al fenómeno térmico, la geometría de un edificio puede ser muy variada y compleja. Cada espacio puede contener elementos que produzcan variaciones de temperatura, y se podrían presentar diferentes valores de temperatura en el mismo periodo de tiempo en el mismo espacio pero en diferente lugar. Como las variaciones por lo general son muy pequeñas podrían despreciarse, y también podría suponerse que el espacio es homogéneo para facilitar su comprensión, o sea que no es complejo en su interior (divisiones, objetos contenidos, etc). Las relaciones entre espacios también es importante en los análisis ya que la transferencia de calor entre espacios no se debe despreciar porque un espacio independiente podría ser habitable pero al estar ligado a otro que lo logre influenciar podría dejar de serlo. Dado lo anterior, las divisiones entre espacios (paredes, puertas, ventanas o mixtas) tienen propiedades importantes como la

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resistencia al paso del calor, conductividad térmica, capacidad de almacenar calor, etc. que deben ser valoradas en el estudio, además de las fuentes que pueden propagar el fenómeno entre espacios.

Un ejercicio fuerte de abstracción puede ser el suponer las fuentes están ubicadas hacia el centro del cada espacio. Ver figura No. 8, y que las prestaciones de las máquinas (fuentes) son homogéneas durante el tiempo que se están tomando los datos.

Ilustración 3 Propagación fenómeno temperatura. (Fuente: Guía técnica de procedimientos y aspectos de la simulación de instalaciones térmicas en edificios, pág. 38)

El comportamiento de las divisiones entre espacios es importante, cuan así que sobre ello es útil hacer ciertas suposiciones como: Si hay transferencia de calor, debe existir una temperatura en uno de los lados de la pared y otra al otro lado; la forma como se transfiere el calor puede variar en función del tiempo, del material, etc. Para facilitar los cálculos, se contempla el estado estacionario del fenómeno, que es cuando toma un comportamiento lineal, ver figura No 4.

Ilustración 4 Comportamiento térmico de muros(Fuente: Guía técnica de procedimientos y aspectos de la simulación de instalaciones térmicas en edificios, pág 12)

22 De este ejercicio se tiene que:

Ilustración 5 Modelo de Fanger para determinar índice de confort térmico (Fuente: P.O. Fanger)

Ahora si se toma el espacio como si fuese un punto y la fuente posicionada en dicho punto, la transferencia se daría únicamente en las divisiones, y asumiendo únicamente su comportamiento lineal de la parte estacionaria del fenómeno se tendría suficiente para estimar la temperatura en un espacio dependiendo de la de otro. Con esta simplificación, es posible modelar la transferencia del fenómeno a través de las paredes y así cuantificar el valor de la temperatura en cada espacio que está interconectado dentro de la edificación.

Para evaluar el confort, se pueden tener a la mano muchos métodos, entre ellos el método de Fanger es muy utilizado. De manera resumida, este método enuncia que una condición que debe cumplirse para que una situación pueda ser confortable es que se satisfaga la ecuación del balance térmico; en otras palabras, es necesario que los

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mecanismos fisiológicos de la termorregulación sean capaces de llevar al organismo a un estado de equilibrio térmico entre la ganancia de calor (de origen ambiental y metabólico) y la eliminación del mismo. (7).

Fanger en su ecuación de confort térmico relaciona tres tipos de variables: A) Características del vestido: aislamiento y área total del mismo.

B) Características del tipo de trabajo: carga térmica metabólica y velocidad del aire.

C) Características del ambiente: temperatura seca, temperatura radiante media, presión parcial del vapor de agua en el aire y velocidad del aire.

Fanger emplea la siguiente escala numérica de sensaciones para estudiar la calificación de grupos de personas expuestas a situaciones donde se les atribuye un grado de confort:

- 3 muy frío - 2 frío

- 1 ligeramente frío 0 neutro (confortable) + 1 ligeramente caluroso +2 caluroso

+3 muy caluroso

Cuando un conjunto de individuos es expuesto a una determinada situación se denomina "Índice de valoración medio" (IMV) al promedio de las respectivas calificaciones atribuidas a dicha situación de acuerdo con la escala anterior. Castejón, pág. 2).

Como las características térmicas del vestido son importantes en este modelo es útil saber que dichas características se miden en la unidad denominada "clo"), equivalente a una resistencia térmica de 0,18 m2 hr ºC/Kcal; a continuación se indica, para los tipos más usuales de vestido los correspondientes valores de la resistencia en "clo":

Desnudo: 0 clo.

Ligero: 0,5 clo (similar a un atuendo típico de vera no comprendiendo ropa interior de algodón, pantalón y camisa abierta).

Medio: 1,0 clo (traje completo).

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También se tiene en cuenta la humedad relativa y temperatura radiante media:

Donde:

TRM = temperatura radiante media, ºC TG = temperatura de globo, ºC

TS = temperatura seca, ºC

v = velocidad relativa del aire, m/s

Finalmente se tiene que el índice IMV debe correlacionar sus valores con el porcentaje de personas que para cada valor del índice expresan su conformidad o disconformidad. Esta correlación ha sido establecida por Fanger a partir del estudio estadístico de los resultados obtenidos con 1.296 personas expuestas durante tres horas a un ambiente determinado. En la figura 10 se indican los resultados de Fanger, que se expresan como el porcentaje de personas que se sienten insatisfechas para cada valor del índice IMV; se observa cómo en ambientes neutros, donde el IMV es cero, existe aún un 5% de insatisfechos lo que confirma el hecho bien conocido de que en cualquier situación, por sofisticado que sea el sistema de acondicionamiento térmico del local, existe cierta proporción de insatisfechos. (Castejón, pág. 4).

Ilustración 6 Proporción prevista de personas insatisfechas en función del valor del índice IMV (Fuente: P.O. Fanger)

De manera similar, se pueden incluir modelos para el resto de factores, realizar la propagación de acuerdo a sus modelos y establecer el confort, la seguridad y otros aspectos deseables de acuerdo a las diferentes técnicas y normatividad asociada.

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Fenómeno acústico

Un sonido se genera por una superficie en movimiento que se transmite a través del aire, disminuyendo su intensidad con la distancia y el entorno físico. Un ruido es todo sonido que puede producir una pérdida de audición, ser nocivo para la salud o interferir en una actividad en un momento dado. En un principio, los ruidos no son ni positivos ni negativos, solo una sensación subjetiva cuyo nivel de molestia está influido por la calidad, duración y, por supuesto, la tolerancia de cada individuo. (8)

Según Calderón (8), el oído convierte las ondas sonoras en sensaciones auditivas que dependen de diversos factores (frecuencia, intensidad de onda, la acústica del lugar o la sensibilidad del individuo). Para medir ruido se utiliza el sonómetro, equipo que mide la variación de presión que se produce en un punto concreto cuando se propaga la onda sonora, expresado en decibelios (dB) y calculado a través de una fórmula logarítmica. Como una misma presión sonora pero de diferente frecuencia provoca una sensación auditiva distinta en el oído humano, se establecen diferentes curvas de corrección. La curva de ponderación A es la más utilizada ya que es la que mejor se aproxima al comportamiento del oído humano. Por eso se habla de dB(A).

La contaminación acústica son aquellos ruidos o vibraciones que suponen una molestia, riesgo o daño para las personas y el desarrollo de sus actividades o que causen efectos significativos sobre el medio ambiente. Hoy en día, con el crecimiento de los núcleos urbanos –más del 70% de la población europea vive en ciudades- la contaminación acústica se ha convertido en uno de los factores medioambientales más importantes al repercutir directamente en la calidad de vida de los ciudadanos. Aunque el ruido no se acumula o mantiene en el tiempo como otros agentes contaminantes, también puede causar grandes daños. (8)

Para tener una idea de los niveles de ruido y de ejemplos de agentes emisores de ruido a continuación se muestra una imagen con datos sobre ello.

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Ilustración 7 Fuentes de ruido (Fuente: (8))

La intensidad, uno de los componentes más complejos del sonido, llámese éste voz humana, voz instrumental, ruido, estrépito o perturbación molecular del aire, por su mala administración, constituye, gravosamente, el enemigo poluble más agresivo a la salud general de las personas, con implicaciones no solo auditivas sino de variada y múltiple índole. Colombia, donde existen códigos, leyes, disposiciones, normas jurídicas, decretos, etc., para proteger los derechos ciudadanos, pero que o no se conocen en esencia y/o se cumplen menos, es uno de los países con los índices más altos de polución ambiental sonora y con alto descuido de protección acústica en la seguridad industrial. A ello se agrega el desconocimiento indolente de las gentes, quienes negligentemente exponen su oído, sus ojos, su olfato, a confrontaciones perjudiciales y los mantienen en largas exposiciones, ignorando el sabio principio, viejamente conocido y explicado por RADAU ' (página 65), de que todo tipo de partícula o molécula sonora, lumínica, odorífera o calorífica va debilitando su transmisión y su poder a medida que se alejan de su origen y, como tal, van perdiendo potencia y acción en relación directa con el aumento de distancia entre ellos y la fuente. Lo mismo ocurre con la acción eléctrica y la atracción gravital. (9)

Las largas jornadas laborales en sitios ruidosos, propicias para la fatiga acústica exigen también, inherentemente, largos espacios de recuperación de un mínimo de 16 hasta 48 horas, terapia que olvidamos, e ignoramos. De ahí, las respuestas o reacciones acúfenas (ruidos, zumbidos) en el interior del oído, que ameritan, de igual forma, terapias con música ambiental para una recuperación automática. (9)

La intensidad o energía sonora, es la que va a manifestarse como estímulo de presión sobre los cuerpos aledaños y que en comienzo se mide o estima en watios de potencia.

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Su interpretación a nivel sonoro se hace en dB, estimados éstos como la presión que hace el aire sobre 1 cm2 a partir de un ruido o sonido de 1000 hertzios por segundo, al nivel del mar y a una temperatura de 49C. Estas impresiones acústicas se presentan en forma o en magnitud física de decibeles o decibelios (dB), operación o presión que aumenta en proporción logarítmica, no aritmética, de 3 dB sobre la intensidad básica inicial cada vez que se duplica el volumen. Esa capacidad de resistencia al estímulo tiene sus umbrales de trabajo y de resistencia: de 0 a 14, límite de iniciación audible y aproximadamente 140 dB como frontera, a partir de la cual los ruidos, sonidos y estrépitos comienzan a causar estragos en la estructura auditiva.

Para calcular la intensidad acumulada del ruido se tiene la siguiente fórmula: Ia = Ibi + [3 (Yr - 1)]

Donde:

Ia = Intensidad acumulada ibi = Intensidad básica inicial

3 = Progresión intensiva constante, en decibeles Yr = Grupos regulares

-1 = Grupo inicial, que obviamente no sufre incremento

Para comprender el funcionamiento de la anterior fórmula funcional, ver en los anexos un ejemplo de aplicación.

Por otro lado, es importante hablar sobre el confort acústico, el cual según la ficha FD49 de 2010 publicada en el portal de la comunidad Autónoma de la región de Murcia de es el nivel de ruido que se encuentra por debajo de los niveles legales que potencialmente causan daños a la salud, y que además ha de ser aceptado como confortable por los trabajadores afectados. El confort acústico es el nivel sonoro que no molesta, que no perturba y que no causa daño directo a la salud. (10)

Las molestias o quejas, tienen su razón en los factores siguientes (10):

 La actitud del sujeto. De su aceptabilidad o no, de ahí la dificultad de evaluarlo.

 De las características físicas del ruido. Como elemento objetivo hay que considerar:

o Tipo de tonos: los tonos puros (los que no varían de frecuencia) son más

molestos que los compuestos, y más aún cuando se emiten en frecuencias audibles (500- 2000Hz).

o Frecuencia: las frecuencias altas son más molestas que las bajas, y éstas se miden para valorar la molestia del ruido. Sin embargo en la interferencia del habla se miden las frecuencias centrales.

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 Características no físicas. El ruido será más molesto cuanto menos predecible sea.

 Tipo de actividad: Según el grado de complejidad, grado de atención o minuciosidad de la tarea, la razón del disconfort acústico es la alteración del proceso cognitivo y la necesidad de concentrarse, de ahí que el rendimiento se verá afectado

Ver a continuación causa de disconfort en la imagen.

Ilustración 8 Causas de disconfort (Fuente: [10])

Para tener en cuenta los valores de referencia en cuanto a niveles de ruido, es importante saber que existe una normatividad que debe cumplirse. Sobre dicha normatividad se pueden deducir reglas, que pueden ser utilizadas por la solución. A continuación se listan algunas de las normas.

 Resolución No. 627/06 MAVDT: se adopta la norma nacional de emisión de ruido y

ruido ambiental (parámetros permisibles, procedimientos técnicos y metodológicos para la medición de ruido, presentación de informes, y otras disposiciones).

 Resolución DAMA No. 185/99: establece condiciones generales para la obtención de permisos de perifoneo en el Distrito Capital.

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 Resolución DAMA No. 832/00: establece la clasificación empresarial por impacto sonoro UCR que permite valorar las industrias y establecimientos, respecto a su nivel de generación de ruido.

 Resolución 8321 DE 1983: Por la cual se dictan normas sobre Protección y conservación de la Audición de la Salud y el bienestar de las personas, por causa de la producción y emisión de ruidos.

Otro modelo importante a tener en cuenta, es el del nivel sonoro continuo equivalente, donde se tiene que es el nivel en dBA de un ruido de nivel constante hipotético correspondiente a la misma cantidad de energía sonora que el ruido real considerado, durante un período de tiempo T (11)

Donde:

Li = Nivel de presión sonoro (dBA) en el período “i” Ti = Duración del período “i”

T= Período de tiempo total

El nivel sonoro diario equivalente es otra medida importante a tener en cuenta, y es el índice utilizado para la valoración de la exposición al ruido. Está definido por la ecuación:

LAeq,d = LAeq,T + 10* (1/8)

Donde:

T =Duración diaria de la exposición (horas)

LAeq,T=Nivel de presión sonora equivalente en el período de tiempo T (dBA)

Las curvas de valoración NR (Noise Rating) son las que establecen límites aceptables de confortabilidad en diferentes espacios en los que existen unos niveles de ruido de fondo estables. El método permite asignar al espectro de frecuencias de un ruido, medido en bandas de octava, un solo número NR que corresponde a la curva que queda por encima de los puntos que representan los niveles obtenidos en cada banda del ruido medido. Con dichas curvas se obtiene los siguientes valores recomendados del índice NR para los diferentes locales y espacios. Ver Figura 9.

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Ilustración 9 Valores recomendados del índice NR para diferentes locales (Fuente: (11))

El ruido emitido por una fuente se propaga en todas las direcciones y, en su camino, puede llegar directamente al receptor, ser parcialmente absorbido, transmitido y/o reflejado por los obstáculos que se encuentra en su camino (11). El nivel de presión sonora que existe en un recinto depende de las fuentes de ruido y de las características acústicas y geométricas del local. En una reflexión una fracción de la energía acústica es siempre absorbida, lo que disminuye la cantidad reflejada. Esta fracción se conoce como el coeficiente de absorción del sonido + (α). En la práctica, se toma un valor medio de a en función de la superficie y los materiales del local, por ejemplo, α = 0,15 para despachos amplios con poco mobiliario o α = 0,4 para locales muy tranquilos con muchas superficies absorbentes, por ejemplo: cortinas y moquetas. El nivel global de ruido en un espacio es la resultante del ruido que llega al receptor directamente desde las fuentes y el que llega después de haberse reflejado una o varias veces. A esta fracción del ruido se le denomina “reverberación”. La reverberación es menor en los locales con coeficientes de absorción elevados. (11)

En general, se pueden considerar cuatro fuentes de ruido: el procedente del exterior, el de las instalaciones del edificio, el de los equipos de oficina y el producido por las personas.

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Ruido exterior

Entre las fuentes de ruido exteriores, la más importante es el tráfico rodado. La potencia de la fuente sonora es proporcional a la densidad del tráfico y a la velocidad de circulación y, si el entorno es urbano, la existencia de edificios a ambos lados de la calle puede aumentar el nivel del sonido debido a las reflexiones que se producen entre las fachadas de los edificios. Otras fuentes de ruido exterior son: el tráfico aéreo, las obras públicas o las actividades comunitarias (espectáculos, manifestaciones, etc.)(11)

Ruido dentro de las edificaciones

Las instalaciones del edificio que se pueden considerar fuentes de ruido son: los ascensores, las conducciones de agua, la instalación lumínica; pero sobre todo el sistema de ventilación y climatización.

El ruido en los sistemas de ventilación se puede clasificar en tres categorías principales:

 El ruido mecánico de las partes en rotación del ventilador, cojinetes, correas, etc., así como de piezas poco rígidas o mal montadas. El ruido mecánico se propaga a través de los conductos o de la estructura del edificio a las paredes y techos, y de allí al aire.

 El ruido producido por los torbellinos de aire debido a defectos aerodinámicos en el diseño de los ventiladores. Este tipo de ruido también se genera en el choque del aire con las rejillas de salida, los codos o las baterías de climatización.

 El ruido de rotación que es producido por los ventiladores y proviene del trabajo efectuado por la hélice sobre el aire. El ruido de rotación se caracteriza porque toda la energía está concentrada en tonos puros.

Finalmente se tiene que para llevar a cabo la valoración de una edificación, debe tenerse claro que dicha valoración puede ser muy compleja, por esto es útil representar las edificaciones de una manera simplificada, reduciéndola a espacios sencillos relacionados entre sí, los cuales son afectados por las condiciones ambientales, actividades desarrolladas en ellos y otros elementos que proporcionan información para determinar qué tan habitables son. De acuerdo con lo anterior, cada dimensión puede tener diferentes modelos que, de forma independiente, arrojan valores de índices de confort para cada espacio, y que pueden ser suficientes para una adecuada valoración; por otro

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lado, si es necesario un estudio más detallado, se pueden relacionar los espacios y sus modelos para lograr una valoración más completa.

4.2

Fundamentos teóricos en Ingeniería de sistemas y

computación

Para desarrollar una adecuada solución, se debe tener a la mano la fundamentación en ingeniería de sistemas. Esta parte del documento pretende mostrar los conceptos utilizados para la construcción del sistema experto.

Ontologías

Las ontologías son una herramienta poderosa para establecer un vocabulario común en la presentación y uso del conocimiento de un dominio específico. (12)

Definición de ontología

Una ontología es una descripción explicita y formal de conceptos en un dominio de discurso, propiedades de cada concepto describiendo varias características y atributos del concepto, y restricciones (13).

Un uso común tecnológico actual del concepto de ontología, en este sentido semántico, lo encontramos en la inteligencia artificial En algunas aplicaciones, se combinan varios esquemas en una estructura completa de datos, que contiene todas las entidades relevantes y sus relaciones dentro del dominio. Los programas informáticos pueden utilizar así este punto de vista de la ontología para una variedad de propósitos, incluyendo el razonamiento inductivo, la clasificación, y una variedad de técnicas de resolución de problemas. Básicamente las ontologías hablando del contexto de ingeniería de sistemas se relacionan estrechamente con vocabularios fijos –una ontología fundacional– con cuyos términos debe ser descrito todo lo demás. Debido a que esto puede ocasionar representaciones pobres para ciertos dominios de problemas, se deben crear esquemas más especializados para convertir en útiles los datos a la hora de tomar decisiones en el mundo real.

• Conceptualización: Una forma de entender o describir un dominio, modelo abstracto • Explícita: Satisface la necesidad de especificar de forma consciente los distintos conceptos que conforman una ontología

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• Compartida: Conocimiento aceptado como mínimo por el grupo de personas que van a usarla

Methontology

Esta metodología tiene sus raíces en las actividades identificadas por el proceso de desarrollo de software propuesto por la organización IEEE.(14) Methontology proporciona guías sobre cómo llevar a cabo el desarrollo de la ontología a través de las actividades de especificación, conceptualización, formalización, implementación y mantenimiento. A continuación se describe brevemente en qué consiste cada una de estas actividades:

Especificación permite determinar por qué se construye la ontología, cuál será su uso, y quiénes serán sus usuarios finales.

 Conceptualización se encarga de organizar y convertir una percepción informal del dominio en una especificación semi-formal, para lo cual utiliza un conjunto de representaciones intermedias (RRII), basadas en notaciones tabulares y gráficas, que pueden ser fácilmente comprendidas por los expertos de dominio y los desarrolladores de ontologías. El resultado de esta actividad es el modelo conceptual de la ontología.

 Formalización se encarga de la transformación de dicho modelo Conceptual en un modelo formal o semi-computable.

 Implementación construye modelos computables en un lenguaje de Ontologías (Ontolingua, RDF Schema, OWL, etc.). La mayor parte de las herramientas de ontologías permiten llevar a cabo esta actividad de manera automática.

 Mantenimiento se encarga de la actualización y/o corrección de la ontología, en caso necesario.

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Ilustración 10 Actividades Methontology (Fuente: (14))

Sistemas basados en conocimiento

Un sistema basado en conocimiento (KBS) es aquel en el que aparece representado el conocimiento de un dominio determinado, de tal forma que dicha representación sea procesable por un sistema informático.

Sistemas expertos o sistemas basados en reglas

Un sistema experto es un sistema basado en conocimiento (KBS) que incorpora conocimiento proveniente de expertos en un dominio específico. La finalidad de un

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sistema experto es la solución de problemas del dominio para el cual ha sido creado, aplicando técnicas de razonamiento sobre el conocimiento que almacena su base de conocimiento.

Dentro del campo de la inteligencia artificial, los sistemas expertos, son capaces de emular los procesos de razonar y pensar que realiza un experto para solucionar un problema actuando como especialistas humanos en un dominio particular o en un área de conocimiento. El experto humano transmite su conocimiento al sistema y el usuario lo utiliza para resolver problemas con la eficacia que dicho experto humano tiene. El usuario también puede aprender observando, permitiendo que el sistema experto sea un medio de ejecución y transmisión de conocimiento.

Un sistema experto separa los conocimientos almacenados (Base de conocimiento) del programa que los controla (motor de inferencia). Los datos propios de un determinado problema se almacenan en una base de datos aparte (base de hechos). Hacen explícito el conocimiento de los expertos, que tienen información específica de un tema concreto y que trabajan en un área de conocimiento específico.

El éxito de un sistema experto radica principalmente en el tema que trata y su capacidad de aprendizaje. El conocimiento sobre el tema proporciona al sistema experto, mayor información sobre el problema a tratar y su entorno, de forma que pueda generar y adaptar soluciones de forma precisa, de forma similar a un experto especializado. El aprendizaje inductivo o deductivo, según corresponda, proporcionará al sistema experto mayor autonomía a la hora de abordar problemas totalmente desconocidos, pudiendo generar nuevo conocimiento partiendo del extraído inicialmente del experto o expertos humanos.

Los sistemas expertos basados en reglas son uno de los modelos de representación del conocimiento más ampliamente utilizados. Esto es debido a que resultan muy apropiados en situaciones en las que el conocimiento que se desea representar surge de forma natural con estructura de reglas. Desde el punto de vista semántica, hay dos aproximaciones principales a los lenguajes basados en reglas: el paradigma de la programación lógica, usado por ejemplo en las bases de datos deductivas; y el paradigma de los sistemas de producción, que proporciona una semánticas procedural basada en el encadenamiento hacia adelante (o atrás) de reglas. Este último se emplea en las bases de datos activas y en los sistemas de producción típicos de los sistemas expertos. Estos sistemas se usan cuando el dominio del problema es estrecho, es decir, es un dominio en el que se comprende bien la teoría. Además, el conocimiento debe poder representarse mediante hechos y reglas. (15) Los sistemas basados en reglas son una herramienta eficiente para tratar estos problemas. Las reglas deterministas constituyen la más sencilla de las metodologías utilizadas en sistemas expertos. La base de conocimiento contiene el conjunto de reglas que definen el problema, y el motor de inferencia saca las conclusiones aplicando la lógica clásica a estas reglas.

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Un sistema experto tiene las siguientes características:

 Dominio reducido: Un sistema experto debe tener un dominio o campo reducido de un tema específico.

 Colección integrada de conocimiento: Los agentes que constituyen el sistema representan los juicios de muchos expertos. Las experiencias son guardadas en un solo lugar, haciendo posible su utilización por expertos o no expertos. Esto permite un constante intercambio de datos y juicios de expertos, y esto permite la formación de nuevas reglas e ideas acerca del tema.

 Competencia en su campo: Un sistema experto debe resolver problemas de un campo específico con eficiencia comparable a la de un especialista humano.

 Separación de conocimiento / Inferencia: En un sistema experto, la separación entre conocimiento y el mecanismo de razonamiento es primordial, ya que con dicha separación se busca evitar que el conocimiento especializado intervenga en la concepción de motor de inferencias.

 Capacidad de inferencia deductiva: Esto significa que los agentes no solo son capaces de recuperar información almacenada en la base de datos, sino que adicionalmente pueden hacer deducciones usando la información almacenada para generar así nueva información que se incluirá en la base de datos.

 Tiene carácter declarativo: Se cuenta con un conjunto de especificaciones independientes unas de otras (llamadas elementos de conocimiento), las cuales se accionan de forma dinámica por un procedimiento de resolución que es independiente de la naturaleza del conocimiento a través de un motor de inferencia.

 Capacidad de explicación relativa a los razonamientos que se efectúan hasta llegar a una conclusión: Al tener representado el conocimiento de forma explícita (mediante ontología, por ejemplo), el sistema puede reflexionar sobre la información que posee y la forma en que la utiliza. Las explicaciones dadas deben ser expresadas en el lenguaje del experto y deben parecer naturales ante los expertos, dando la posibilidad de que ellos puedan validar, enriquecer y corregir el sistema.

 Flexibilidad en el dialogo: Se hace referencia a la capacidad de generar preguntas de acuerdo con el razonamiento.

 Tratamiento de la incertidumbre: Esta característica es una consecuencia de la complejidad de los problemas que abordan los sistemas expertos. En el mundo real existen muchas fuentes de incertidumbre asociados a los datos (inexactitud, imprecisión), al dominio (relaciones probabilísticas) o al conocimiento disponible (Información incompleta, causas desconocidas, falta de acuerdo entre expertos, etc.).

 Cabe anotar que no todos los sistemas expertos cumplen con estas características, sin embargo, permiten guiar el diseño de uno de ellos.

 La estructura básica de un sistema experto se puede representar como la unión de dos módulos: el conocimiento y el razonamiento.

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Ilustración 11 Componentes de un sistema experto (Fuente: (15))

En la estructura clásica de los sistemas expertos el motor de inferencia es el elemento principal y coordina todo lo demás. La base de conocimientos contiene el conocimiento relativo al dominio. Generalmente consta de un conjunto de reglas, uno de marcos, y una combinación de varios de ellos.

La interfaz de usuario debe ser potente, ya que la aceptación de un sistema experto por parte de los usuarios depende en gran medida de su facilidad de uso.

Existe adicionalmente una base de afirmaciones dinámica, donde el motor de inferencia almacena conclusiones que va obteniendo a través de sus ejecuciones, a su vez busca en ella las premisas que le permitan obtener otras nuevas. El contenido de la base de afirmaciones es diferente para cada consulta que realiza.

Es importante resaltar que las bases de conocimiento se diferencian de las bases de datos tradicionales en el hecho de que las primeras almacenan datos puntuales, mientras que las segundas almacenan información sobre las relaciones entre datos y conceptos.

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A continuación se detallan los componentes de un sistema experto:

Base de conocimiento:

Es donde se almacena el conocimiento del campo a desarrollar. Comúnmente se almacenan cuatro tipos de conocimiento:

• Conocimiento objetivo: El cual describe la situación real del sistema

• Conocimiento de sucesos: El conocimiento relacionado con los sucesos que ocurren en tiempo de ejecución

• Conocimiento del funcionamiento del sistema: Es el conocimiento de cómo se hacen las cosas en el sistema.

• Meta-conocimiento: El conocimiento sobre las relaciones entre las otras tres formas de conocimiento.

Para representar el conocimiento existen varias formas:

• Marcoso frames: Son estructuras de datos donde se almacenan información concreta de un cierto concepto e información relacional para complementarlo. Se representan por una serie de campos y valores asociados a los mismos, pudiendo ser otro frame. Los marcos son representaciones descriptivas, difíciles de usar para representar razonamiento.

• Redes semánticas: Son representaciones gráficas de conocimiento, mediante nodos que representan objetos o conjuntos de objetos, y arcos, que relacionan dichos objetos. Las redes semánticas, al igual que los marcos, con representaciones descriptivas, y también son difíciles de usar en la representación de razonamiento.

• Reglas: Es la forma más común de representación de conocimiento. Representan la forma de razonar. Tienen la forma: Si <Condición> Entonces <acción/conclusión>

En las reglas es muy importante su orden, por lo que se les dota de prioridad. Una regla que activa otra se le denomina meta-regla, y se suelen usar para desarrollar progresivamente el conocimiento del experto.

Base de hechos

Representa el conocimiento del estado del sistema en un cierto instante. Usualmente se representa en una base de datos, y su información es directamente enlazada con la base de conocimiento. Un hecho puede provocar el disparo de una regla.