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Estructuras que respiran

Desde que las instalaciones han pasado a suponer un aspecto fundamental del proyecto contemporáneo, con una importante presencia en el presupuesto global del edificio, y en la volumetría general del edificio, los diseñadores han tratado de integrarlas al máximo en el edificio haciéndolas coincidir con otros elementos arquitectónicos como estructura y cerramientos.

Esta integración no solamente ofrece un gran campo de posibilidades de diseño, sino que permite bajar considerablemente la altura total por planta, reduciendo el impacto de la edificación durante su proceso de construcción, sino que durante la vida útil del edificio la energía necesaria es menor, adecuándose a los requisitos NZEB y permitiendo la integración con estrategias sostenibles como la activación térmica y la ventilación mediante sistemas de recuperadores térmicos de aire.

De izquierda a derecha: estructura interna de hueso, tendido de instalaciones en el suelo de un avión y forjado de hormigón con instalaciones integradas en Art Gallery en Yale de Louis Kahn

La evolución en la integración de la estructura y las instalaciones

Ya en las termas romanas en el Caldarium se disponían conducciones de aire caliente en suelo y paredes con tecnologías como el Hipocausto, pero no es hasta la aparición de los sistemas de climatización artificial mecánica y los tendidos eléctricos intensivos cuando la distribución horizontal de las instalaciones pasa a ocupar un espacio importante en la sección del edificio.

Muchas de estas integraciones de instalaciones y suelos fueron experimentadas en barcos y aviones, donde el control de los elementos mecánicos es un aspecto fundamental de su funcionamiento. También es interesante en este sentido referencias de la naturaleza como la estructura esponjosa de los huesos atravesadas por “instalaciones” como nervios y vasos sanguíneos.

Los ejemplos más interesantes en el siglo XX se refieren a edificios de grandes luces y gran canto. Al adoptar soluciones con secciones importantes de estructura y alto nivel de instalaciones se imponen soluciones ligeras como estructuras trianguladas de acero (Centro Pompidou de Rogers y Piano, General Motors de Eero Saarinen, Lake Grove Village en Michigan). También se desarrollan otras tecnologías en este sentido en hormigón como el Art Gallery de Yale de Louis Kahn.

En el panorama contemporáneo aparecen soluciones de integración de instalaciones como vigas de acero perforadas, losas con conducciones registrables longitudinales (in situ y en placas alveolares) o el sistema de forjados de hormigón perforado en todas direcciones como la patente HOLEDECK. Se está también trabajando con soluciones en madera trianguladas que también permiten el paso de instalaciones.

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Las ventajas EECN de la integración durante la construcción del edificio

Al hacer coincidir estructura e instalaciones que normalmente aparecen superpuestas, la sección total del mismo se reduce de forma significativa (en edificios de oficinas entre 35 y 70 cm. que puede suponer entre el 15 y 25% de la sección total del edificio). Las lógicas ventajas económicas se transforman también en ventajas desde el punto de vista EECN.

Reducción de altura y de elementos constructivos verticales

Al reducir la altura de cada planta en el mismo volumen edificado, podemos obtener más plantas, siendo necesario menos elementos constructivos verticales como fachadas, muros, pilares o cerramientos interiores.

Estructura tipo HOLEDECK Ho45 sobre la que se apoyan directamente las instalaciones sin necesidad de falso techo

Eliminación de falsos techos y suelos técnicos

Con un sistema de instalaciones accesibles desde la parte inferior o superior de la estructura se pueden eliminar totalmente las capas adicionales de suelo y techo, favoreciendo la higiene, registrabilidad y transformabilidad de todos los sistemas de instalaciones del edificio.

Optimización o reducción del uso del material estructural

Al poder disponerse de más canto para la estructura al compartirse éste con las instalaciones, y por lo tanto aumentarse el momento de inercia estructural, se puede reducir de forma significativa el uso de material, tanto para soluciones de acero, hormigón o madera.

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Las ventajas EECN de la integración durante la vida útil del edificio

Reducción del volumen a climatizar

Al reducirse la altura de cada planta el volumen de aire  a climatizar es menor y la energía necesaria se reduce en una proporción similar a la  que se reduce la altura del edificio.

Posibilidad de obtener una planta extra cada 5 agrupando el espacio de instalaciones recuperado

Activación térmica de la estructura e inercia térmica

En el caso de estructuras de alta inercia térmica como los forjados de hormigón con perforaciones la superficie de contacto con el aire es mayor que una losa convencional, por lo que el intercambio térmico entre la masa de la estructura y el aire se desarrolla de una forma más eficiente, sobre todo en el caso de que la circulación del aire se realice mediante plenum.

La morfología de los forjados con perforaciones permite un uso más eficiente del material por el significativo incremento de la superficie de hormigón en contacto con el aire

Integración de la estructura con sistemas de ventilación y recuperadores

En los EECN o Passivhauss, ya sea vivienda o usos terciario el uso de recuperadores de calor se ha impuesto como sistema de optimización energética, siendo necesario la implementación de una red de conductos con aire de impulsión y de retorno que hace necesaria la instalación de falsos techos descolgados. En una solución integrada estos conductos pueden disponerse en el interior del forjado a través de las perforaciones del mismo, permitiendo sustanciales ahorros de altura y facilitando el montaje y transformación de su trazado.

La transformación del uso y la disposición de las instalaciones se puede desarrollar de una forma más rápida y eficiente, aumentando significativamente la vida útil del edificio.

Ejemplo de vivienda NZEB HOLEDECK en el empleo de forjados con perforaciones que permite la integración de los conductos de ventilación del sistema de recuperación, no haciendo necesario el empleo de falsos techos descolgados

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Recomendaciones de diseño para integrar estructura e instalaciones

Aunque la integración de estructura e instalaciones se puede efectuar en cualquier momento del proceso de diseño, se ofrecen algunas recomendaciones de partida para el diseño.

  • La integración de la estructura y las instalaciones es más eficiente si se tiene en cuenta desde las primeras fases de diseño, además muchas de estas instalaciones pueden dejarse expuestas y registrables.
  • Puede aprovecharse también la posibilidad de incorporar nuevas plantas o reducir el volumen total del edificio configurando la geometría y apariencia del edificio.
  • Prever desde el principio el recorrido de las instalaciones tanto vertical como horizontal. En edificios de gran superficie es aconsejable zonificar horizontalmente las instalaciones de aire para evitar los descuelgues de los conductos principales.
  • Aunque la integración se realice partiendo de un diseño previo ya terminado, en un modificado que integre estructura e instalaciones se pueden obtener ventajas como el aumento de la altura útil, disposición más sencilla de las instalaciones o reducción de elementos constructivos y materiales estructurales.

Posibilidades de diseño integrando la estructura y las instalaciones

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Cuantificación de la reducción de los consumos energéticos del edificio

Las ventajas de la integración de la estructura y las instalaciones va a depender de diversos parámetros como el uso del edificio, luces entre pilares, solución estructural de partida y los requerimientos de instalaciones. Por lo tanto, se hace necesario un estudio particularizado de cada caso para determinar la solución más adecuada.

En general se puede afirmar que la integración de la estructura y las instalaciones siempre tiene ventajas desde el punto de la sostenibilidad independientemente de las condiciones de partida. Para establecer una valoración de las reducciones de consumo energético de un edificio integrado se plantea como la comparación con un diseño de partida de referencia que no integra estructura e instalaciones.

Como ejemplo se ha partido de un edificio convencional de oficinas que parte con una estructura de vigas y losas y se plantea la comparación con un edificio de instalaciones y estructura integrada HOLEDECK 45.

Se parte de precios de la base de datos del Itec, que además permite la valoración de las emisiones de carbono.

El ejemplo consiste en un edificio convencional de oficinas para el que se obtiene un ahorro de altura del 12%. En edificios de oficinas de mayor canto estructural y de instalaciones se pueden obtener ahorros de altura del 20%.

Muchas de las emisiones de CO2 de la vida del edificio se producen durante la construcción del edificio. El edificio del ejemplo tiene una calificación tipo C, por lo que los ahorros energéticos durante la vida útil son los más importantes. En edificios NZEB más eficientes energéticamente, los ahorros más importantes de emisiones de CO2 se producen durante el proceso de construcción.

Ejemplo cuantificación de la reducción de los consumos energéticos del edificio

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Quantifying the reduction of energy consumption of the building example

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Conclusiones

El edificio más sostenible es el que no se construye y si se construye, el que menos volumen construido ocupa y menos materias primas y energía necesita para responder a su función.

Integrar estructura e instalaciones es un camino muy eficiente de reducir el impacto de la edificación, si se consideran desde el comienzo del proceso de diseño. La reducción de emisiones de carbono que se obtiene integrando estructura e instalaciones puede estar entre 10 y 25% dependiendo de las condiciones del edificio de referencia del que se parte.

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