Reporte de Investigación_Biomimética aplicada en envolventes arquitectónicos

REPORTE DE INVESTIGACIÓN FADA - PUCE

BIOMIMÉTICA APLICADA EN ENVOLVENTES ARQUITECTÓNICAS DINÁMICAS, CONSIDERANDO LA ADAPTACIÓN DE ESTOMAS, FUNDAMENTANDO EL CONFORT TÉRMICO.

AUTORES

TUTORA

Cristina Chavez Pamela Chiriboga Mario Egas Pablo Orellana Jairo Trujillo

Grace Yepez

ESTUDIANTES FADA

Arquitecta y Doctor especializada en planificación y construcción sostenible.

F A C U L T A D D E A R Q U I T E C T U R A D IS E Ñ O Y ARTES CARRERA DE ARQUITECTURA

BIOMIMÉTICA APLICADA EN ENVOLVENTES ARQUITECTÓNICAS DINÁMICAS, CONSIDERANDO LA ADAPTACIÓN DE ESTOMAS, FUNDAMENTANDO EL CONFORT TÉRMICO. BIOMIMICRY APPLIED IN DYNAMIC ARCHITECTURAL ENVELOPES, CONSIDERING THE ADAPTATION OF STOMATA, BASING THE THERMAL COMFORT.

INDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………… 6 METODOLOGÍA…………………………………………………………………………. 7 OBJETIVO GENERAL………………………………………………………………….. 8 OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………………………. 9 CAPITULOS 1. REVISIÓN CASOS DE ESTUDIO: CONSTRUIDOS Y TEÓRICOS 1.1. Casos de estudio Construidos……………………………………………………... 10 1.2. Casos de estudio Teóricos ………………………….……………………………... 12 1.3. Conclusiones……………………………………..………………………………... 15 2. INVESTIGACIÓN SOBRE LOS MECANISMOS DINÁMICOS Y ESTRATEGIAS ESTÁTICAS QUE CUMPLEN LAS ESTOMAS 2.1. Estomas………………………………………………………………...………….. 17 2.2. Mecanismos dinámicos………………………………………..…………………... 18 2.3. Estrategias estáticas…………………………………………...…………………… 18 2.4. Conclusiones……………………………………………………………...……….. 19 3. INVESTIGACIÓN SOBRE LA ADAPTACIÓN DE LAS ESTOMAS PARA UNA APLICACIÓN A ENVOLVENTES ARQUITECTÓNICAS 3.1. Análisis de las fachadas arquitectónicas dinámicas……………...………………... 21 3.2. Proceso de Diseño……………………………………………...………………..… 22 4. DISEÑO PARAMÉTRICO EN ARQUITECTURA 4.1. Condiciones Generales…………………………………………………………..… 23 4.2. Proceso de Diseño……………………………………………...………………..… 23 4.3. Condiciones Iniciales………………………………………...……...…………..… 23 4.4. Taxonomía de parámetros………………………………...……………………..… 24 5. CONCLUSIÓN 5.1. Revisión hipótesis de partida………………………..………....………………..… 26 6. DISCUSIÓN FINAL 6.1. Contribuciones………………………………….……………...………………..… 27 6.2. Limitaciones y Desafíos……………………………………...………………..…... 27 6.3. Desarrollos futuros…………………………..………………...………………...… 28 BIBLIOGRAFÍA…………………………..………………...………………...……… 29 2

ANEXOS FIGURAS Figura 1. Composición de la Estoma Figura 2. Diagrama de las estomas considerado como mecanismos dinámicos.

Figura 3. Diagrama de las estomas considerado las estrategias estáticas.

Figura 4. Ejecución del proceso paramétrico.

TABLAS Tabla 1. Comparación de Casos de Estudio.

Tabla 2. taxonomía de parámetros.

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RESUMEN En el Distrito Metropolitano de Quito, existe una constante presencia de variaciones climáticas que inciden directamente dentro del confort térmico de las edificaciones, y en mayor medida en aquellas de gran altura. Dada la alta concentración de este tipo de edificaciones en el sitio, y en la misma proporción se tienen varias experiencias negativas en el usuario relacionado a la calidad de la temperatura interior. Aprovechando los recursos que la naturaleza pone a nuestra disposición, es posible obtener beneficios de los procesos de termorregulación naturales, y a partir de ello alcanzar confort térmico interno de calidad, conceptualizando el proceso 1 de adaptación que tienen las hojas mediante las Estomas , a través de la aplicación de un estudio bibliográfico y un análisis fisiológico de la flora nativa de la Sierra Ecuatoriana, por lo tanto, se propone una envolvente con mecanismos dinámicos proyectada con criterios de Biomiética y criterios de diseño paramétrico , Con dicho antecedente, se pretende garantizar al usuario espacios que cuenten con condiciones ambientales idóneas que faciliten el desarrollo de las actividades en situación de comodidad, basados en el aprovechamiento de la naturaleza, que va más allá de la imitación de procesos sino más bien aprovechando las ventajas que la naturaleza dispone a fin de mejorar el rendimiento energético en la edificación, logrando que la envolvente se adapte a las condiciones del entorno, y al mismo tiempo reduciendo el impacto ambiental brindando una perspectiva de sostenibilidad arquitectónica.

Palabras Clave: Biomimética, envolvente, dinámica, diseño, estomas, adaptación, fachada, clima, confort, plantas, edificios, paramétrico.

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ABSTRACT In the Metropolitan District of Quito there is a constant presence of climatic variations that directly affect the thermal comfort of buildings and to a greater extent in those of great height.

Given the high concentration of this type of buildings in the city in the same proportion there are several negative experiences in the user related to the quality of the interior temperature.

Taking advantage of the resources that nature puts at our disposal it is possible to obtain benefits from natural thermoregulation processes and from this to achieve quality internal thermal comfort, conceptualizing the adaptation process that leaves have through Stomata.^1 through the application of a bibliographic study and a physiological analysis of the native flora of the Ecuadorian Sierra. Therefore an envelope with dynamic mechanisms projected with Biomietic criteria and parametric design criteria is proposed. With this background aims to guarantee the user spaces that have suitable environmental conditions that facilitate the development of activities in a comfortable situation based on the use of nature which goes beyond the imitation of processes but rather taking advantage of the advantages that nature has in order to improve the energy performance of the building making the envelope adapt to the surrounding conditions and at the same time reducing the environmental impact by providing a perspective of architectural sustainability.

Keywords Biomimetic, enveloping, dynamic, design, stomata, adaptation, facade, climate, comfort, plants, buildings, parametric

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INTRODUCCIÓN El presente trabajo de investigación parte de la necesidad de responder a la adaptabilidad que se requiere en las actividades diarias de los ciudadanos en función del constante cambio climático que se vive en el Distrito Metropolitano de Quito, por consiguiente, se busca una posible solución ante la visible adversidad a la que se enfrenta el confort térmico en las edificaciones, por esta razón se ha delimitado la zona de estudio a una que cumpla con premisas posteriormente establecidas, como el confort térmico, abundancia de edificaciones de índole público, edificios en los cuales sea viable la adaptación de fachadas dinámicas y edificios de gran altura.

Por lo cual se han buscado alternativas posibles para responder ante está dificultad, siendo la Biomimética la respuesta más optima, ya que esta disciplina comprende la abstracción de la naturaleza emulando los diseños y procesos para la posterior reinterpretación de los mismos para su aplicación en distintas soluciones arquitectónicas, de donde resulta esta una de las mejores opciones en cuanto a sostenibilidad se refiere. Con respecto a lo dicho, el envolvente, al ser el principal mediador con el entorno, nos ofrece una gran variedad de resoluciones a problemas interiores como exteriores. La aplicación de envolventes arquitectónicas dinámicas, al ser un organismo vivo, nos da este criterio de adaptabilidad en función de la biomimética como respuesta a varios estímulos externos. Adecuando a las necesidades del ser humano, con enfoque al confort térmico, abstrayendo el proceso de adaptación de las estomas, implementando y desarrollando un diseño paramétrico que mediante procesos matemáticos y geométricos se materializa este concepto con una mayor precisión.

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METODOLOGÍA Inicialmente, es importante mencionar que la investigación realizada es de carácter explicativa, por lo que se basa en un estudio de teorías con el fin de dar una respuesta que sea aplicable en contextos similares en el que se apoya dicha investigación.

Por ende, como primer paso a través de una abstracción analítica de condicionantes se elaboró un estado del arte que terminó por categorizar los temas y actividades a tratar en un orden que va de macro a micro, surgiendo así el tema central que es la Biomimética, disciplina que responde a problemáticas actuales con soluciones basadas en los comportamientos de la naturaleza. Siendo este el eje de toda la investigación el siguiente tema a tratar es el cuestionamiento de cómo esto podría ser aplicado en la arquitectura de la ciudad como solución a los cambios climáticos que son característicos de la zona.

Por consiguiente, se realizó un estudio en base a documentos meteorológicos de la ciudad de Quito que expone la irregularidad del clima y los fenómenos que lo afectan a lo largo del año, lo cual ayudó a remarcar los problemas de confort térmico que se dan en las edificaciones de la ciudad, razón por la cual la investigación logra re direccionarse hacia el tratamiento de envolventes dinámicas que actúan en función de las condiciones climatológicas como respuesta a las necesidades internas de dichas edificaciones.

De manera que, al buscar una respuesta para problemas de condiciones naturales, se encuentra que su solución se basa en la aplicación de procesos naturales que respondan a esta necesidad.

A partir de esto, se inició un proceso de análisis de estudios de casos de Biomimética aplicada a la arquitectura, entre los cuales se clasificaban los comportamientos de adaptación tanto de animales como de plantas. A consecuencia de dicho análisis se concluye que debido al contexto en el que se acentúa la investigación, es mayormente factible la aplicación de los comportamientos de adaptabilidad de las especies vegetales. Por lo que, se hizo un estudio de la vegetación nativa de la zona, seleccionando así aquellas que cumplan con las cualidades que más se adapten al área de estudio, considerando dichas cualidades se llegó a la elección de una sola planta para así poder analizar más a fondo la estructura de esta desembocando en que el proceso termorregulador de estas se lleva a cabo en las estomas. A consecuencia de esto, se procede a adaptar el concepto del proceso que cumplen las estomas al diseño de la envolvente haciendo que estas actúen dinámicamente en función al clima.

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En base a esto, volviendo a su posible aplicación en la ciudad se decide hacer un análisis de los sectores en donde exista mayor densidad poblacional a consecuencia del desarrollo de actividades que se den en su contexto y el flujo de transeúntes, de tal manera que el beneficio sea para una mayor parte de la población, por esta razón considerando que el sector financiero del Distrito Metropolitano de Quito se encuentra mayormente en la zona centro-norte se decidió que esta sea el área de estudio a tratar, análogamente se llega a concluir que las edificaciones de carácter público vienen siendo las más demandantes para su aplicación.

A fin de adaptar de manera eficaz dichas envolventes en edificaciones de la altura, se considera la integración de un diseño basado en procesos paramétricos que permita un mejor y más exacto método de elaboración de estos procesos dinámicos y que a su vez aporta a la estética de la envolvente.

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OBJETIVO GENERAL Proponer la aplicación de principios biológicos de adaptación basándose en ellos para poder generar diseños de envolventes arquitectónicas dinámicas para edificios que se adapten eficazmente a las condiciones climáticas del Distrito Metropolitano de Quito.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Entender el proceso de termorregulación de las estomas en

fachadas arquitectónicas.

2. Realizar un estudio de caso sobre algunos edificios públicos del hiper-centro del DMQ para la aplicación de envolventes arquitectónicas dinámicas.

3. Presentar un diseño paramétrico en la implementación de envolventes dinámicos biomiméticas en la plataforma Gubernamental.

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CAPITULO 1 Revisión Casos de Estudio: Construidos y Teóricos

1. REVISIÓN CASOS DE ESTUDIO: CONSTRUIDOS Y TEÓRICOS 1.1.Casos de estudio Construidos Flectofin Este proyecto está inspirado en un mecanismo que parte de la válvula de la flor de Strelitzia reginae o flor de paraíso, como se lo conoce comúnmente, desde su proceso de polinización, esto quiere decir que efectúa un tipo de flexión cinética, que se basa en una deformación reversible al momento en que se aplica una fuerza externa. De manera que esta aplicación ya en el mundo de la construcción trabaja de la mano con la ausencia de bisagras, haciendo que lo único que se deforme sea el material como tal, es así que toman a este ejemplo como un comportamiento adaptativo al cual tras materializarlo toma el nombre de flectofin: “un sistema de lamas de bisagras, con capacidad de desplazamiento de 90ªC debido a la inducción de esfuerzos de flexión en el eje. Estos esfuerzos pueden ser causados por un desplazamiento en el soporte o por el cambio de temperatura en la lámina” En este caso existe un sistema sombreado exterior que utiliza la aplicación de formas de doble curvatura con el fin de brindar adaptabilidad de estas geometrías poco restrictivas para la reducción de consumo de energía, que van ligados a los sistemas de refrigeración convencionales y la captación de energía pasiva en invierno.

One Ocean Thematic Pavilion En el caso de “One ocean thematic Pavilion” se generó un producto que va a partir de los movimientos de las plantas y los mecanismos cinéticos, específicamente a través de placas con ligeras curvaturas adaptativas a las condiciones de la incidencia solar que se da durante el día, manteniendo un control sobre las condiciones lumínicas del edificio. Asimismo, como en el caso de Flectofin, esta utiliza un sistema de sombreado a partir de deformaciones elásticas.

Hygroskin En este caso tenemos que a partir de la meteorología se obtuvo un diseño de una envolvente para un pabellón, para el cual se quiso obtener una respuesta pasiva a los cambios de humedad del lugar y para ello tomaron como principio al movimiento en los cono o piñas de pícea, de este modo nace HygroSkin, que tiene como punto de partida la capacidad intrínseca del material, haciendo que este use la humedad que está presente en el ambiente para usarlo como activador o bien disipador verde, de manera que interactúe con el medio ambiente y para 11

aprovechar dicha humedad, se apoya sobre la inestabilidad de la madera para lograr construir la envolvente.

Eastgate en Harare (Zimbabwe) Este pretende innovar en la ventilación pasiva de edificios, mediante la forma en el que las termitas crear sus nidos en el desierto a través de nidos ventilados para contener la temperatura constante, debido a que en el desierto las alteraciones climáticas son extremas y se de esta manera las termitas a través de la creación de túneles lograr refrescar el aire sin tener que gastar energía alguna.

Edificio Chicago Spire Este se inspiró en la torsión que se presenta en el torso humano, con el fin de darle estabilidad frente a las cargas del viento, ya que adquiere una forma de hélice en una interesante concepción arquitectónica que le añade resistencia, mientras que la cara curva del exterior reducirá al mínimo las fuerzas del viento (lo que es especialmente importante en Chicago, que se distingue por sus vientos). Esto a su vez hace que la incidencia de luz solar tendrá un mejor tratamiento lo cual hace que de manera indirecta se genere un mejor confort térmico.

Bic House- Hamburgo Este edificio tiene la particularidad de que puede controlar la luz del edificio y de la generación y conservación de la energía a partir de algas fotosintéticas. Este posee una fachada que está diseñada de tal manera que las algas que se encuentran en las fachadas crecen más rápido al recibir la luz del sol, permitiendo que esta produzca sombra al interior. Estos "bio-reactores" además de producir biomasa que posteriormente tiene como fin ser cosechada, también aprehender el calor solar térmico y ambas fuentes de energía pueden ser utilizadas para alimentar el edificio. Es decir, este proceso de fotosíntesis hace que exista una respuesta dinámica de acuerdo a la cantidad de protección solar necesaria, a la vez que produce una fuente limpia de energía renovable.

1.2.Casos de estudio Teóricos BioSkin En BioSkin se produce una base de datos que resulta en productos provenientes de animales, como la seda de araña o fenómenos como la inteligencia de enjambre, que se apoya en 240 organismos biológicos que tiene como fin adaptarlos al diseño de envolventes 12

Towards The Living Envelope En Towards the living envelope se aplican diferentes aspectos funcionales y estrategias basadas en la naturaleza, dicha metodología se enfoca en aspectos como el aire, calor, agua y luz, y a través de estos ir creando diferentes diseños conceptuales. Por ejemplo, en el caso de la recolección de agua, se puede aplicar comportamientos como el modo de beber del lagarto diablo espinoso del desierto de Australia que lo hace a través de su piel, o el modo en que el escarabajo del desierto de Namibia recoge y condensa el agua de niebla gracias a las protuberancias en su caparazón, la distribución del agua según las nervaduras de las hojas de las plantas o incluso el sistema de evaporación en la piel humana. Por otro lado, tenemos sistemas que buscan aplicar estrategias de termorregulación en organismos que reducen la pérdida de energía por calentamiento o aumentan la eficiencia de refrigeración disipando el exceso de calor mediante, como pueden ser los termiteros, la retención de calor es los pingüinos a través de sus plumas o la regulación de calor a través de los vasos sanguíneos.

Architecture Follows Nature Esta investigación estudia la aplicación de sistemas de piel en animales, y se fundamentan en cuatro funciones que son la comunicación, termo-regulación, balance hídrico y protección. Lo cual trajo 12 propuestas de proyectos de protoarquitecturas o diseños conceptuales, produciendo envolventes como la que se quiere aplicar en invernaderos, que utiliza el sistema de piel de la mucosidad de la babosa banana de California, que regular el intercambio de aire y agua, para ajustarse a las condiciones climáticas del lugar y que a su vez logre recolectar las aguas lluvias a través de un sistema de almohadillas deformables, con el fin de que se pueda abrir o cerrar según el grado de humedad. También tenemos al sistema de captación de agua de los escarabajos del desierto de Namibia para zonas desérticas o el silfo celeste, la estrella de mar ocre, los hipopótamos, el leopardo de las nieves o el oso polar y demás adaptaciones pero que lastimosamente solo se han quedado en la teoría; Sin embargo, eso no quiere decir que no sean aplicables, sino que aún no estamos preparados para realizarlos.

CASOS DE

Teóricos o

Método de

Aporte

Aporte Adaptativo

ESTUDIO

Construidos

funcionamiento

Plantas/Anima

Climático

les Flectofin

Construidos

Inspirado en la flor de Plantas Strelitzia reginae o flor de paraíso, aplica flexión cinética, que se rige en una deformación 13

Disminución de consumo de energía, que van ligados a los sistemas de refrigeración,

One Ocean Thematic Pavilion

Construidos

Hygroskin

Construidos

Eastgate

en Construidos

Harare (Zimbabwe)

Edificio Construidos Chicago Spire

Bic House- Construidos Hamburgo

reversible al momento en que se aplica una fuerza externa. Y se la conoce como flectofin: un sistema de lamas de bisagras, con capacidad de desplazamiento de 90ªC. Con los movimientos de las plantas y los mecanismos cinéticos, se obtiene a través de placas con ligeras curvaturas que se adaptan a las condiciones de la incidencia solar.

El movimiento en los cono o piñas de pícea, ayuda a la capacidad intrínseca del material, haciendo que este utilicé la humedad que se presenta en el ambiente para aplicarlo como activador o bien disipador verde.

La ventilación pasiva de edificios, mediante la forma en el que las termitas crear sus nidos en el desierto, crea ductos de ventilación sin gastar energía.

El torso humano ayuda al diseño con dando mayor estabilidad frente a las cargas producidas por viento creando una hélice que crea resistencia al edificio y una curva aportando la entrada indirecta del sol.

Las algas fotosintéticas, este cuenta con una fachada diseña en el cual la alga tengan un proceso de fotosíntesis que aporte al edificio y proveer sombra, al 14

convencionales y la captación de energía pasiva en invierno.

Plantas

Control sobre las condiciones lumínicas del edificio ayudando a regular el 5% de confort térmico.

Plantas

Se logra una respuesta pasiva a los cambios de humedad del lugar.

Animal

Ductos en la estructura creando ventilación pasiva.

Animal

La curvatura crea incidencia de luz ayuda al confort térmico.

Planta

El proceso de fotosíntesis aporta a la protección del sol creando sombra para el confort del interior.

BioSkin

Teórico

Towards The Living Envelope

Teórico

Architecture Follows Nature

Teórico

mismo tiempo que proteger del sol, bioreactores.

El funcionamiento es en base a seda de araña o fenómenos como la inteligencia de enjambre.

Se enfoca en resolver procesos naturales como el aire, calor, agua y luz tomando como referencia a: lagarto diablo espinoso del desierto de Australia, el escarabajo del desierto de Namibia, las nervaduras de las hojas de las plantas, etc. Y sus sistemas de adaptación.

Se quiere utiliza el sistema de piel de la mucosidad de la babosa banana de California, que regular el intercambio de aire y agua, creando así un sistema de almohadillas deformables, con el fin de que se pueda abrir o cerrar según el grado de humedad.

Animal

Aporte teórico

Tipo planta y

Aporte teórico

animal

Los termiteros, la retención de calor es los pingüinos a través de sus plumas o la regulación de calor a través de los vasos sanguíneos.

Animal

Aporte teórico Termo regulación

TABLA 1: Elaborado por el grupo

1.3. Conclusiones Los casos de estudio de aplicación de biomimésis en infraestructuras mencionados anteriormente han sido divididos en construidos y teóricos, independientemente de qué método de aplicación biomimética tenga cada una. No obstante, bajo la revisión de estos, podemos mencionar que es evidente que en cuanto a casos teóricos se mantiene la metodología de sistemas aplicados en comportamientos animales, ya que al ser un ente que se encuentra en mayor movimiento y que como método de supervivencia a veces buscan resguardarse de los mismos, más no adaptarse, se vuelve más difícil aplicarlo en un elemento estático como son las construcciones arquitectónicas, mientras que las plantas gracias a su inmovilidad son precisas como material biológico base de trabajo para adaptar y detectar agentes climáticos.

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Por lo tanto, los sistemas de adaptabilidad climática que tienen las plantas en relación a las edificaciones a las que se quiere aplicar estos comportamientos, buscan que esta estática junto con la sujeción de permanencia se conglomeren en una sola ubicación, lo que quiere decir que dicha edificación está expuesto a ciertos cambios climáticos en específico, lo que hace que la ejecución e implementación de estos sistemas sea más acertado y por ende que estas puedan ser más resistentes a las mismas.

Sin embargo, hay una condicionante y es que las plantas se han ido adaptando por medio de un proceso evolutivo con el pasar de los años, claramente los edificios no lo hacen, es decir, los proyectos y adaptaciones que se hagan hoy puede que dejen de funcionar o tener la misma eficiencia en un par de años más en caso de que las condiciones climáticas cambien – cosa que es muy probable, debido a la contaminación que hay a nivel mundial- pero eso no quiere decir que no tenga una vida útil larga, ya que las plantas que se usen en cuestión deben ser plantas que sean de la zona como tal o que tengan características/condiciones/comportamientos similares, ya que al estar adaptadas de por sí al lugar, le da viabilidad al proceso de termorregulación, además de que los sistemas que tienen las plantas hoy en día son aquellos que han ido desarrollando hace millones de años y no únicamente hace un corto periodo de tiempo.

Una vez dicho esto, se da paso al tema de las condiciones climáticas cambiantes extremas a causa de la contaminación ambiental, en este punto es importante mencionar que la mayor parte de los proyectos construidos o teóricos en arquitectura biomimética mantienen una ideología de seguir mediante este mismo proceso natural, que se liga directamente a la sostenibilidad ambiental, es decir, utilizar estos mecanismos de las adaptaciones usen las condiciones del lugar sin necesidad de aumentar procesos que impliquen la inserción de grandes cantidades de consumo de energías para controlar el confort climático, de manera que se aprovechen al máximo las ventajas que la naturaleza dispone a fin de mejorar el rendimiento energético en el edificio al mismo tiempo que reduce el impacto ambiental con una perspectiva innovadora.

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CAPITULO 2 Investigación sobre los mecanismos dinámicos

& estrategias estáticas que cumplen las Estomas.

2. INVESTIGACIÓN SOBRE LOS MECANISMOS DINÁMICOS Y ESTRATEGIAS ESTÁTICAS QUE CUMPLEN LAS ESTOMAS

Se podría decir que las plantas principalmente se componen de raíz, tallo, fruto, flores y hojas.

Y estaría bien, una persona que no se especializa en la morfología de las platas no necesita conocer el funcionamiento de esta. Sin embargo, cada parte de las plantas presentan diferentes funciones que deben ser cumplidas para que este organismo vivo pueda existir. Este es el caso, por ejemplo, de las hojas, que son órganos vegetales, que crecen de las ramas o tallo de las plantas. Estas pueden clasificarse de diversas formas: según su pecíolo, su borde, su nervadura o incluso su forma. Las hojas cumplen con diferentes funciones: realizan la fotosíntesis, permite respirar a la planta, transpiran para liberar el exceso de agua, etc. La mayoría de estas funciones se debe a un actor principal, estas son las estomas.

2.1. Estomas Las estomas son poros que se encuentran en la epidermis de las hojas. Estos poros están bordeados por un par de células especializadas conocidas como células oclusivas o de guarda que perciben y procesan los diferentes estímulos ambientales para desencadenar respuestas celulares que resultan en la apertura o el cierre estomático. (Azcón-Bieto & Talón, 2013). Las estomas tienen dos funciones principales, en primer lugar, permiten el intercambio gaseoso, dando entrada al dióxido de carbono (CO2) y liberando el oxígeno (O2) que respiramos. La segunda función importante, es la regulación del movimiento del agua a través de la transpiración. Las estomas son un ejemplo de mecanismos dinámicos y, al mismo tiempo, de estrategias estáticas.

2.2. Mecanismos dinámicos

(FIG 1) Elaborador por: Polígono industrial

plá

de

la

vallonga

Titulo: La Importancia de las estomas (articulo) pg. 3

17

Las estomas regulan la transpiración y la entrada de CO2 mediante la modificación de su tamaño, influido por los factores ambientales. Las células guardia son las responsables de este proceso, expandiéndose o contrayéndose, resultando en la apertura o cierre de las estomas.

(Caballero, A & Roca, E. 2016). Los movimientos estomáticos se producen como respuesta a una disminución en la concentración de dióxido de carbono, así como respuesta directa a la luz. La temperatura proporciona otro estímulo, pues comúnmente las estomas se abren respondiendo al aumento de temperatura (López, M. 2017). El cierre estomático producido en situaciones de estrés afecta negativamente al desarrollo de la planta, alterando la fotosíntesis, así como el transporte de agua y hormonal dentro de la planta. En el caso del estrés hídrico las plantas hacen frente al estrés mediante el cierre estomático, evitando pérdidas innecesarias de agua (Caballero, A & Roca, E. 2016). Diferentes factores pueden alterar la forma y tamaño de las estomas, regulando así la entrada de agua, su transporte y la translocación de los nutrientes y hormonas en los órganos vegetales, en la siguiente imagen se expresan diferentes parámetros a los que las estomas reaccionan.

(FIG 2) Elaborado por López, M. Titulo: Diagrama de las estomas considerado como mecanismos dinámicos Pág. 87

2.3. Estrategias estáticas López, M. (2017) considera a las estomas como estrategias estáticas debido a la gran variedad de morfologías en la superficie foliar alrededor de los poros estomáticos, como consecuencia directa de las adaptaciones funcionales a las condiciones ambientales. De acuerdo con los diferentes desafíos a los que se enfrentan las plantas según las diferentes zonas climáticas, las hojas han desarrollado diferentes morfologías estomáticas. La siguiente imagen señala como 18

fue estudiada la información en relación con la morfología y esta se organiza según los conceptos de patrones estomáticos y estrategias anatómicas.

(FIG 3) Elaborado por López, M. Titulo: Diagrama de las estomas considerado como mecanismos dinámicos Pág. 87

Para entender a qué se refiere la autora con los nombres en las estrategias estáticas, se presenta los conceptos de estos.

•

Patrones estomáticos. - Son aquellos rasgos que definen la morfología en dos dimensiones de la estoma. Las estomas desempeñan un papel vital en el mantenimiento de la homeostasis de la planta y de ahí la importancia de conocer su forma, numero o distribución en la superficie foliar (Azcón-Bieto & Talón. 2013).

•

Estrategias anatómicas. - Describen atributos tridimensionales como estructuras, pelos o ceras cuyas funciones van desde reducir la evaporación del agua o reflejar la luz como mecanismo de control de la temperatura. (Willmer & Fricker, 1996)

2.4. Conclusión Las estomas están diseñadas para interpretar lo que la planta necesita y poder brindarle todo eso para que la planta pueda seguir viviendo, no importan las condiciones, las estomas se 19

adaptan de distintas formas a distintos escenarios. Todas estas reacciones a diferentes estímulos posicionan a las estomas como la fuente de inspiración ideal para este proyecto, pues estas reacciones pasarían a ser soluciones a los mismos problemas/estímulos a los que es sometida la plataforma gubernamental, por lo tanto, pasaría a ser la solución adecuada el uso de las estomas.

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CAPITULO 3 Investigación sobre la adaptación de las Estomas para una aplicación a envolventes arquitectónicas.

3. INVESTIGACIÓN SOBRE LA ADAPTACIÓN DE LAS ESTOMAS PARA UNA APLICACIÓN A ENVOLVENTES ARQUITECTÓNICAS

3.1. Análisis de las fachadas arquitectónicas dinámicas La arquitectura evoluciona constantemente, y la envolvente puede ser un elemento potencial de innovación. Es la superficie la que tanto protege como interactúa con el entorno. Usar las herramientas disponibles dentro de nuestro entorno como para aprovechar al máximo esta gran superficie y que no sea un elemento estático, sino que pueda dar un beneficio a la obra en general. La envolvente es un recurso entendido como tal debe ser explotado para sacar mayor provecho.

La opción de crear fachadas dinámicas. No debería estar lejano a su contexto por el hecho de la sustentabilidad y la relación costo beneficio. En situaciones como las de nuestros países en Sudamérica tenemos ciertos tipos de límites a nivel tecnológico, lo cual no debe ser restricción para innovar.

Existen diversos casos donde el material utilizado es un elemento accesible con una tecnología básica. Siempre y cuando las premisas estén claras. En muchos casos se ha conseguido soluciones que parecen ser útiles, pero con tecnologías que resultaba más caro el mantenimiento y costo de la envolvente que en si el ahorro que buscaba de gasto interior.

Los casos exitosos son aquellos en el que la solución no genera un gasto mayor al ahorrado, entonces es una solución lógica y no perjudicial. Existen diversos sistemas y elementos de apertura y movimientos que se pueden aplicar. Ya depende de los criterios que cada entorno necesite. En un caso como el nuestro de altas temperaturas y humedad, una doble piel puede ser útil, hasta necesaria para amortiguar la incidencia directa del sol generando espacios de circulación interna de aire. Debemos crear un proceso arquitectónico de diseño muy consciente de la materialización. donde los elementos van a ser modulares por necesidad de repetición, pero con cierta autonomía propia en cada uno de funcionamiento. Debemos combinar la morfología con los recursos tecnológicos, siendo coherentes con las posibilidades que nos brindan tratando de entendernos de una manera innovadora no con el uso común sino con las potencialidades que podemos alcanzar viendo lo conocido de manera diversa.

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3.2. Proceso de Diseño 1) Identificación de las necesidades a solventar.

Es importante establecer las necesidades del proyecto para que en función a esta se establezca unos parámetros de diseño mecánico que torne a la fachada 2) Selección de la característica deseable de un organismo.

La biomimetica es el proceso de abstracción de procesos de un organismo entonces esta puede extraer tanto procesos animales como de la flora, entonces es importante hacer un estudio del tipo de proceso que vas a utilizar para lograr solventar las necesidades antes marcadas en base a estudios de este organismo 3) Detección de los principios, procesos y patrones que se repiten en diferentes organismos y dan solución La detección de estos procesos es sumamente importante por que es la base del mecanismo a desarrollar, ya que elegiste tu organismo debes ver sus procesos de adaptación de evolución de transformación, etc para en base a estos procesos y tus necesidades hacer un match que lleve al mecanismo a solventar la necesidad tanto del usuario como del proyecto.

4) Elaboración del modelo descriptivo del sistema biológico, para desarrollar ideas y soluciones.

Por último el diseño del modelo tanto como fachada como mecanismo del sistema para desarrollar los procesos de ideas

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CAPITULO 4 Definición de parámetros de diseño paramétrico en envolventes arquitectónicas biomimeticas dinámicas.

4. DISEÑO PARAMÉTRICO EN ARQUITECTURA 4.1. Consideraciones Generales Las técnicas de diseño paramétrico conllevan un contexto cultural de práctica y aplicación.

Además, involucran trabajos multidisciplinares en los que confluyen determinaciones técnicas y estéticas, lo cual otorga una generación flexible y colectiva del diseño que implica una actitud diferente del arquitecto con relación al proyecto, entregando la tarea creativa a un proceso y equipo de trabajo a través de diversos sistemas digitales empleados, como: • Modelación Constructiva (CAD3D – BIM): para realizar configuraciones geométricas con asociación de datos y visualizaciones.

•

Programación Geométrica: para la definición de procedimientos declarativos que

manipulan formas, como Grasshoper en Rhinoceros, Generative Components en Microstation, Digital Project en CATIA. • Optimización Topológica: para cálculo resistente por análisis de elemento finito con restricciones de material o comportamiento (Huang y Xie, 2010).

• Simulación Ambiental: cálculo de radiación solar, iluminación, ventilación o consumo energético de edificaciones.

• Algoritmos Genéticos: para operaciones que evalúan su resultado según una fórmula de efectividad (fitness), utilizando secuencias evolutivas (Goldberg, 1998).

• Fabricación Digital: equipamientos para elaborar modelos físicos de información digital mediante acciones de corte, rebaje o solidificación.

4.2. Proceso de Diseño

(FIG 4) Elaborador por: Elaborado por Proceso general de actividades en el diseño paramétrico (autores).

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4.3. Condiciones Iniciales •

Las condiciones iniciales son los aspectos del proyecto, del encargo o de su situación, que se consideran en el procedimiento paramétrico. Incluso durante las mismas acciones, como, por ejemplo, usar una formula para la generación de cierta variedad de formas.

•

También se puede definir una figura de partida o a desde una fuente externa.

•

Algunas condiciones se advierten después de obtener los resultados, descartando opciones que escapan a requerimientos o posibilidades efectivas.

•

Las condiciones pueden ser conceptuales, límites de desempeño, superficies funcionales, magnitudes o características de la forma (curvaturas, extensión, repeticiones, etc.), las cuales se expresan en operaciones o valores numéricos de manera explícita o intuitiva (por ejemplo, al elegir resultados).

• La definición de condiciones debe conformar un sistema de relaciones geométricas posible de ser definido en una plataforma de modelación o programación gráfica.

TAXONOMIA DE PARAMETROS PARAMETR

CARACTERISTICAS

OS

•

Datos geográficos: topografía, vistas, tipos de suelo, etc.

•

Datos climáticos: orientación, temperatura, humedad, radiación, vientos, etc.

• AMBIENTAL ES

Situación contextual: restricciones normativas de situación urbana, materialidad, tipología (aislado, pareado, torre, placa, etc.).

•

Relaciones del entorno: flujos peatonales, vehiculares, presencia de singularidades, referencias, etc.

•

Dimensiones del sitio: Ancho y profundidad del lote, pendiente, límites de edificación.

•

Dimensiones o proporciones generales: rangos mínimos y máximos para largo, ancho, profundidad, curvatura, etcétera.

GLOBALES

•

Requerimientos funcionales: prestaciones de confort, ergonomía, accesibilidad.

•

Distribución global: relaciones y topología interna.

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•

Condiciones expresivas: Configuración de fachadas y materialidad.

•

Restricciones técnicas: crujías y voladizos según sistema estructural.

•

Dimensiones o proporciones de componentes: rangos mínimos y máximos para largo, ancho, profundidad, cantidad, etc.

•

Interacción con otros componentes: condiciones de borde y respuesta a configuraciones adyacentes.

LOCALES

•

Respuesta a valores de análisis: profundidad o espesor de las piezas según asoleamiento o solicitaciones estructurales.

•

Condiciones formales: Variación gradual entre componentes.

•

Requerimientos de montaje: tipos de ensamblaje, unión y dilatación entre componentes.

•

Dimensiones de producción: tamaño de materiales y máquinas de ejecución.

EJECUCION

•

Propiedades materiales: rangos de resistencia o flexión.

•

Características del producto: color, textura, terminación, etc.

•

Valores de aplicación: costos del proyecto.

•

Dimensiones para transporte: magnitudes de vehículos y operación.

TABLA 2: Elaborado por .

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CONCLUSION

5. CONCLUSIÓN 5.1. Revisión hipótesis de partida La investigación presentada aborda la hipótesis desde “Aplicación de envolventes arquitectónicas en función de la Biomimética en respuesta a varios estímulos externos adaptando las necesidades con enfoque en el confort térmico como un organismo vivo” Teniendo en cuenta que el reporte de investigación se desarrolla a partir de una metodología explicativa que toma como referencia fundamentos biológicos de adaptación en la arquitectura, proponiendo un diseño para envolventes de edificios que tengan la capacidad de adaptarse a condiciones climáticas de una manera más eficaz.

De modo que, con dicho antecedente, es importante mencionar que el fin de esta investigación es replicar los procesos termorreguladoras de las estomas en las envolventes Biomiméticas dinámicas desde un enfoque de carácter teórico en el sector centro - norte del Distrito Metropolitano de Quito, sustentando la viabilidad de este producto. Obteniendo como resultados nuevas posibilidades para alcanzar un ahorro energético en edificaciones que garantice de esta forma disminuir el impacto ambiental, desde la comprensión del diseño paramétrico aplicado a envolventes dinámicas.

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6. DISCUSIÓN FINAL 6.1. Contribuciones El presente documento señala las estrategias de adaptación de las plantas a diferentes climas, siendo estas seleccionadas por su alta capacidad de adaptabilidad a variaciones climáticas ya que en comparación con los animales que como seres vivos son capaces de movilizarse y buscar refugio ante los cambios climáticos que ocurren en su entorno; al contrario de las plantas, que al ser seres vivos incapaces de movilizarse tienen la necesidad de adaptarse a su entorno para sobrevivir siendo esta la razón por la cual las plantas fueron seleccionadas. De esta forma se genera una analogía entre edificaciones y plantas, que a pesar de que las primeras mencionadas son inertes, se busca que estas se adapten a los constantes climas que el mundo esta presentando por el calentamiento global. Por lo cual este documento se centra en tomar como fuente de inspiración a las plantas, no obstante, lo que marca la distinción en esta investigación, es que se obtiene dicha inspiración de la flora nativa del DMQ haciendo mucho mas precisa la adaptación de estas con el clima.

6.2. Limitaciones y desafíos Sobre el documento de investigación realizado se identifica como principal limitante el problema que a nivel mundial se esta atravesando (Covid 19), puesto que las investigaciones de carácter práctico se vieron cesadas y por ende se buscó alternativas que puedan suplir este inconveniente, a pesar de todo, el documento cuenta con la suficiente información para garantizar la viabilidad del mismo. Sin embargo, también podría considerarse una limitación el hecho de que el documento presenta únicamente una solución desde un punto de vista teórico o conceptual, sin contar con su costo económico ni con la capacidad necesaria de manejar la tecnología para lograr alcanzar el nivel propuesto.

Así mismo, el documento presento un desafío en cuanto a producción se refiere, puesto que, en futuros proyectos se desea alcanzar un producto final tangible en la cual se pueda constatar que la información expuesta en la investigación realizada resulte ejecutable. De igual forma, la comprensión del diseño paramétrico en cuanto a ejecución se refiere, significa un desafío, dado que el uso de softwares arquitectónicos resulta complejo al iniciar un proyecto desde cero y no poseer un conocimiento previo del mismo, además de que como país actualmente no contamos con los recursos necesarios para la fabricación de un producto lo suficientemente grande para

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satisfacer a una edificación, sin embargo, existe en una proyección a largo plazo en la que se podría llegar a obtener un resultado ideal.

6.3. Desarrollos futuros En base con los objetivos planteados y alcanzados en el documento, se preveen posibles desarrollos que deriven de la investigación realizada en base a una arquitectura sostenible orientada a la Biomimetica aplicada en envolventes dinámicas considerando la adaptación de estomas, fundamentando el confort térmico: •

Solución de problemas en base a la aplicación de la Biomimetica: a través de los conocimientos proporcionados en este documento es viable tomar como fuente de inspiración a la biomimetica para la posterior aplicación arquitectónica de una forma sostenible.

•

Desarrollar la aplicación practica: el campo de diseño paramétrico comprende un largo camino, por lo cual, se considera importante la aplicación del mismo orientado hacia la Biomimetica, ya que este, entendido desde su capacidad de explorar diferentes posibilidades, permite elaborar proyectos a futuro sin restricciones en cuanto al diseño se refiere.

•

producción de prototipos: en base a los conocimientos adquiridos lograr realizar distintos prototipos que busquen alcanzar la mayor eficiencia posible en función a los factores climáticos.

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BIBLIOGRAFIA Acosta, M. (23 de febrero de 2021). Partes de una planta y sus funciones. Ecología Verde. https://www.ecologiaverde.com/partes-de-una-planta-y-sus-funciones2651.html#anchor_3 Azcón-Bieto J, Talón M., (2013). Fundamentos de fisiología vegetal. Segunda edición. Barcelona: McGraw-Hill Interamericana Caballero, A & Roca, E. (s.f.). La importancia de las estomas. Stoller. https://fisiologiavegetal.es/wp-content/uploads/2018/05/LA-IMPORTANCIA-DE-LOSESTOMAS.pdf López, M. (2017). ENVOLVENTES ARQUITECTÓNICAS VIVAS QUE INTERACTÚAN CON SU ENTORNO. Naturalizando el diseño [Tesis doctoral, Universidad de Oviedo]. Departamento De Construcción E Ingeniería De Fabricación – Universidad de Oviedo.

Petraglia, L. (2018). Innovaciones en la biomimética. Envolventes dinámicas. Arquitecno, 11, 97. https://doi.org/10.30972/arq.0114201

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