PRO Prática Profissional e Tecnologias Digitais 421

Modelos Constructivos por Fabricación DigitalConstructive Models by Digital Fabrication

Rodrigo García AlvaradoUniversidad del Bio-Bio, Chilergarcia@ubiobio.clAbstract. Digital manufacturing allows to elaborate constructive models to study material conditions and industrializationof building designs. This paper exposes strategies to develop models based on structural sections of 3D volumes, cuttingprofiles in BIM software, flexible manufacturing of building types and development of constructive systems. Theseprocedures demonstrate combination of design and manufacturing technologies that encourages integrated building andnew architectural possibilities. Keywords. Digital Manufacturing, Building Industrialization, 3D-modeling, CAD/CAM, BIM.

La fabricación digital de modelos constructivos permite estudiar lascondiciones materiales de los proyectos y la industrialización desus componentes. Elaborando elementos soportantes oparamentos, para revisar su sus aspectos técnicos y estéticos(Stacey, 2004; Gramazio y Kohler, 2008). Utilizando tecnologías queestán siendo crecientemente integradas en la industria de laconstrucción para realizar piezas estructurales y revestimientos.Promoviendo de este modo un proceso de edificación maseficiente, integrado y variable.

Este trabajo presenta estrategias para definir componentesconstructivos en diseños digitales con el fin de realizar sufabricación automatizada. Preferentemente con equipos de corte ymontaje, debido a que estos sistemas están siendo implementadosen las industrias y pueden ser experimentados con cortadores lásery brazos robóticos. Además que implican un reconocimiento de loselementos constructivos y de sus actividades de elaboración yconformación, fomentando una mayor comprensión material deldiseño.

Se presentan estrategias para realizar secciones estructurales devolúmenes arquitectónicos, perfiles de corte en software BIM,montaje flexible de elementos constructivos y desarrollo de nuevossistemas de edificación.

1. Seccionado estructuralPara definir elementos estructurales preliminares en volúmenesarquitectónicos se pueden realizar secciones planas en formastridimensionales. Con el fin de apoyar este proceso dentro de unsoftware de diseño digital (3Ds-Max) se realizo un programainterno que identifica un volumen unitario, que puede ser unaforma simple, una agrupación o transformación orgánica, y luegorealiza secciones repetidas en cualquiera de los tres ejescartesianos, indicando la distancias o la cantidad requerida. Deeste modo se obtienen trazados de perfiles equivalentes adivisiones estructurales con una modulación tridimensional. Enextensión pueden ser equivalentes a muros y en altura, a losas deentrepisos, y si se realizan vacíos interiores, se pueden definirespesores de borde, generando marcos, pilares, vigas, vanos olacios verticales. En formas complejas se genera una estructuraregular resolviendo la diversidad de piezas requeridas paraejecutarlas, lo que facilita su construcción.

EL programa solicita además el tamaño de la placa de corte ydistribuye los perfiles realizados dentro de rectángulos

equivalentes a las placas, calculando la cantidad requerida,preparando de este modo el trazado de ejecución. Las figuras sedistribuyen linealmente según su área rectangular. Las figurasirregulares pueden entrelazarse manualmente para aprovecharmejor el material. También se pueden identificar las interseccionesde piezas, donde normalmente se disponen conectores o ranurasde ensamble. Se ha implementado adicionalmente la modelaciónvolumétrica de las secciones, para visualizar el montaje, aunqueesto se dificulta en algunas formas complejas.

El programa ha sido experimentado en una diversidad de modelos.En algunos volúmenes muy enrevesados se presentan conflictosgeométricos (perfiles entrecruzados o incompletos), que impiden laculminación del proceso. Así mismo en formas muy irregulares oextendidas, la distribución de piezas es poco eficiente. Sepresentan dificultades también en estimar las relacionesdimensionales, entre la magnitud del volumen diseñado, lamodulación estructural y el tamaño del modelo a ejecutar, enrelación a las placas o área de trabajo disponible de las maquinas.Lo que exige a veces ajustar medidas o convertir escalas.

Una derivación interesante de este programa ha sido la capacidadde generar diferentes alternativas de modulación estructural yocupación de placas, para determinar por ejemplo el tamaño o

Figura 1. Programa para seccionado estructural y ejemplos.

SIGraDi 2009 sp

escala del modelo que aprovecha mejor el material o generamenor cantidad de piezas. Por otro lado, también ha permitidoestudiar alternativas de modulación según la forma volumétrica,en que se obtienen notables diferencias de ejecución. Revisandoel trazado bidimensional de las piezas, se pueden analizar lasmagnitudes de material utilizado. Al contrario también se puedengenerar o modificar volúmenes revisando su utilización dematerial o analizar una diversidad de volúmenes que cumplen unrequerimiento determinado (por ejemplo superficie horizontalocupable), identificado la forma que utiliza menos material omenos elementos constructivos. Entregando de este modo,además del estudio estructural y espacial, un análisisconstructivo de los volúmenes arquitectónicos iniciales.Otorgando además una capacidad de estudio visual y material delas formas y disposiciones estructurales mas eficientes entérminos numéricos, revelando una interesante relación entreaspectos perceptuales y materiales.

2. Corte de Elementos BIMLos software de modelación constructiva (BIM) permiten unadescripción completa del proyecto y una especificación de loscomponentes, colaborando en el desarrollo y administración de laobra. Sin embargo no consideran mayormente la relación consistemas automatizados de ejecución. Con el fin de facilitar larealización de representaciones constructivas a partir de lamodelación general del diseño en BIM se estableció unprocedimiento de trazados de elementos para corte, que tambiénpodría ser aplicado para la ejecución industrial.

El procedimiento consiste primero en simplificar las condicionesde visualización para dejar exclusivamente los perfiles de lasfiguras, luego generar vistas ortogonales que expongan loselementos definidos y posteriormente elaborar una lamina con loselementos expuestos, excluyendo anotaciones adicionales. Esteprocedimiento se establece en una rutina interna que se estaexperimentando en un sistema constructivo de paneles deferrocemento para vivienda económica.

Este sistema constructivo fue desarrollado en una colaboracióntecnológica (Soto, 2002) y actualmente es utilizado por una grancantidad de empresas constructoras en el país. Aunque laelaboración de los paneles no esta automatizada, suimplementación en un sistema BIM permite disponer de loselementos especificados para estudiar diferentes alternativas dediseño y contar con la cuantificación directa de los elementos. Seesta aplicando el procedimiento para efectuar modelosconstructivos, con agrupaciones de paneles de muro y losas,además de elementos adicionales. Con el fin de elaborar diseñosque aseguren una utilización del sistema industrializado convariedad de disposiciones arquitectónicas.

3. Automatización de Montaje FlexibleLa producción industrializada de edificaciones permite realizarmuchas unidades en breves plazos, pero de característicassimilares, efectuando construcciones sencillas y monótonas. Lossistemas de manufactura flexible (SFM), basado en equiposroboticos, cintas de transporte y una gestión centralizadapermiten realizar productos masivos con variaciones particulares.Estos sistemas están siendo aplicados en industrias automotriceso de electrodomésticos, pero escasamente en elementosconstructivos. Por esta razón se experimenta una celda demanufactura flexible, asociada a cortadoras laser, con el fin depromover variaciones de diseño para una industria nacional queproduce industrialmente pabellones residenciales para todo elcontinente.

Para esto se definieron los componentes principales (muros, pisos,techos) dentro de una estructura general que permitiera una variedadde recintos y pudiera ser montado por brazos roboticos. Considerandoademás que los componentes pudieran tener diversas composicionesde vanos o terminaciones. Desarrollando los componentes en cortadoralaser y utilizando un programa de gestión central que reciba las distintasordenes de diseño y pueda ejecutar la selección de componentesalmacenados y luego efectuar el montaje correspondiente con diversosbrazos roboticos en la cinta de producción.

Esta implementación permite mantener vastas producciones, condiseños diferentes y ejecutándolas en breves plazos de construcción.Considerando soluciones arquitectónicas variadas, pero dentro deciertas condiciones formales y constructivas, lo que requiere definiruna gramática espacial y de especificación técnica.

4. Desarrollo de Paramento Flexible.Las tecnologías de fabricación digital permiten también concebirnuevos productos, en que las posibilidades de diseño y manufacturageneran alternativas constructivas. Para ejemplificar estapotencialidad se explora la ejecución de un paramento basado enplacas de madera reconstituida dentro del area máxima de trabajode una cortadora laser. Utilizando un material de bajo costo y buenascondiciones estructurales y aislantes, cuya composición permitetener ordenaciones variadas auto-soportantes. Destinada tanto adivisiones internas decorativas o funcionales, como también paracubiertas o fachadas ventiladas (considerando revestimientos ovariedades de material durable a la intemperie).

Figura 2. Modelación y Corte de Viviendas en Ferrocemento.

Figura 3. Sistema automatizado de paneles.

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Las placas pueden establecer ensambles de conexión queasegura las capacidades soportantes y regulan las capacidadesde ventilación, transparencia y terminaciones del paramento. A lavez, pequeñas variaciones de orientación o distanciamientos delas conexiones permiten rotaciones generales para desarrollardiversas ordenaciones. Considerando también un sistema demontaje rápido reutilizable. Desarrollando de este modo sistemasconstructivos cada vez mas intensivos en diseño y ejecuciónautomatizada, con menor trabajo en terreno, precisión y variedad.

ConclusionesEstos procedimientos demuestran la combinación de tecnologíasde diseño y manufactura digital para el desarrollo del proyecto ygestión de la construcción. Revelando un traslado de las tareasde diseño, normalmente concentradas en las fases iniciales delproceso, hacia la ejecución de los componentes para obtenernuevas posibilidades arquitectónicas y una edificación maseficiente.

AgradecimientosEl desarrollo de estas actividades forma parte de la investigaciónFONDECYT 1080328 y han contado con la colaboración de JorgeDelgado, Gonzalo Iturra, Gerth Wandersleben, Eric Avendaño,Carolina Salinas, Claudio Aravena, Mario Ramos, SusanaCarrasco, Oscar Otarola y Underlea Bruscato.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––ReferencesGramazio F. y Kohler M.: 2008, Digital Materiality in Architecture, Muller Publishers,Baden Switerzland.Soto R.: 2002, Desarrollo de un sistema constructivo para edificar viviendas enferrocemento, U. del Bio-Bio y Cementos Bio-Bio.Stacey, M. : 2004, Digital Fabricators, University of Waterloo School of ArchitecturePress, Canada.

Figura 4. Diseño de piezas y modelo de paramento.