Los tejidos para arquitectura y las membranas de laminillas ofrecen a los arquitectos oportunidades únicas de diseño.
Nicholas Goldsmith, FAIA LEED AP
Si se mira desde una perspectiva histórica a la evolución de la arquitectura, desde las masivas pirámides de Egipto hasta las estructuras de marco de la construcción griega y romana, desde los arcos góticos y hasta la eventual moderna arquitectura del Siglo 20, hay una progresión continua casi lineal, desde una masa sólida a pieles diáfanas de vidrio y acero.
Un récord de antiguas estructuras de ladrillo y madera en Egipto dió paso a la presencia de las primeras arquitecturas de piedra hace unos 5.000 años, y debido a la obsesión de los egipcios con el mundo del más allá y la permanencia, se creó una cultura de piedra.
A medida que la cultura se desplazó desde Egipto hasta Grecia, se continuó usando la piedra, pero los templos grecos y romanos usaron longitudes más grandes para sus columnas y menos material en total. Las clásicas tres órdenes comenzaron con los períodos Dórico, Iónico y Corinto — cada uno de ellos progresivamente más ligero en sus perfiles.
Con la llegada de las iglesias bizantinas y romanas, el peso de los arcos disminuyó; y cuando se desarrolló el estilo gótico en el norte de Europa en el Siglo 12, el arco disminuyó más en peso con la introducción de arcos voladores que permitían la construcción de paredes de cortinas de vidrio que reflejaban su atracción metafísica a la luz, en alturas de hasta 150 pies.
Arquitectura en el Siglo 20
En el Siglo 20, se aceleró el movimiento de masa a membrana con la introducción del marco de acero, las vigas de soporte, y nuevos desarrollos en la tecnología del vidrio. Al comienzo de dicho Siglo, el vidrio ya se había convertido en un material preferido.
Paredes de cortina usando marcos de soporte, diagramas de rejilla, vidrio especial, y sistemas de cable, se convirtieron en práctica común en la arquitectura. Las corporaciones usaron torres de vidrio como símbolo de prestigio y transparencia.
En la actualidad, tecnologías de construcción aún más livianas incluyen membranas estructurales compuestas de tejidos y láminas. Es interesante notar que dos de las principales compañías de alta tecnología más grandes del mundo, Google y Apple, están desarrollando ahora pieles de vidrio y de láminas ETFE como elementos de sus nuevas oficinas corporativas.
En resumen, si se mira a los últimos 4.000 años en arquitectura, se puede ver una evolución lineal, desde la masa de las pirámides hasta las membranas del futuro (Figura 1). De masa hasta membrana es una jornada de arquitectura humana. ¿Podemos usar menos material, ser más sustentable, y ayudar a reducir la huella de carbono en el planeta llamado tierra?
El tejido, las láminas y otras membranas son materiales bien apropiados para la creación de pieles o coberturas para edificios. Estos materiales son curvados para crear resistencia, ofrecen protección contra el agua y aislamiento, se pueden formar en varias capas, y pueden crear superficies complejas con una costura mínima.
Las pieles de tejido se han usado desde el comienzo de la civilización, como se puede ver en los toldos de campaña hechos de cuero en las civilizaciones antiguas. Pero con los nuevos materiales compuestos de la actualidad, el análisis computacional y el diseño digital, las membranas se han convertido en nuevas opciones para uso permanente como pieles o paredes para edificios.
Construcción de pieles
Para ilustrar el aspecto de las nuevas pieles o paredes delgadas de edificios del futuro y los nuevos métodos usados para la construcción de pieles o coberturas, hay que mirar a la piel humana.
Hay tres capas de piel: la epidermis, la dermis y la hipodermis. La capa exterior de epidermis contiene los poros para sudar y los contenedores de pelos; la capa media dermis contiene tejidos conectivos, folículos de pelo, glándulas de sudor, y algunos músculos, y la capa interior hipodermis contiene venas y arterias y tejido conectivo que junta las capas.
Este sistema de múltiples capas integradas pero realizando funciones diferentes, crea una piel que da al cuerpo una cobertura a prueba de agua, aleja las enfermedades y protege contra la luz solar. Cuando el sistema de múltiples capas integradas se aplica a las estructuras de membranas usadas en arquitectura, hay que entender primero los requerimientos de desempeño necesarios en la piel del edificio.
No solo es la piel humana sensitiva, enviando información al cerebro acerca de la presión y la temperatura, sino que también se cura de manera eficiente para mantener una barrera protectiva. Combinando estas dos características en un material manufacturado ha sido el enfoque de Zhenan Bao, profesora de ingeniería química de la Universidad Stanford, así como de su equipo de trabajo.
Este equipo ha alcanzado éxito en la elaboración de una piel manufacturada que no solo es sensitiva a la piel, sino que también es capaz de curarse ella misma de manera rápida y en forma repetida a la temperatura ambiental del salón, lo que tiene implicaciones significantes para los mercados textiles biomédicos. Los investigadores alcanzaron el éxito combinando dos materiales — un polímero de plástico con la habilidad de repararse a sí mismo, y un metal conductivo.
En la actualidad, se puede observar un enorme crecimiento en el mercado de prendas inteligentes o “wearables”. Estas tecnologías usan caminos inteligentes en las fibras de los materiales para crear e-textiles, o sea textiles inteligentes. Productos de este tipo disponibles en la actualidad incluyen medias, brassieres deportivos, camisetas con sensores para el corazón, y yesos con corriente para sanar huesos de manera rápida.
A medida que este mercado se desarrolla, tecnologías relacionadas con el mismo probablemente ejercerán un gran impacto en las tecnologías de piel o cobertura para edificios.
Hace unos pocos años, la firma FTL Design Engineering Studio, basada en Nueva York, trabajó con Klaudia Kruse y el equipo de innovación de la firma BMW para desarrollar un cuerpo de tejido estirable para el concepto de un carro llamado Gina, para honrar el nombre de la famosa artista italiana Gina Lollobrigida.
El sistema de un tejido estirable está basado en un marco de aluminio de poco peso con una piel de tejido que se puede abrir y cerrar como una forma completa. Este es un sistema de piel de tejido para diseño industrial que está en su etapa de desarrollo inicial, pero que tiene en cuenta la cuestión de cómo obtener más cuando se usa menos material.
Estructura
Hay tres tipos básicos de estructuras de piel para edificios — membranas soportadas con marcos, membranas soportadas por cable y viga, y membranas neumáticas infladas por aire o soportadas por aire. Cada uno de estos sistemas requieren que la piel sea pre-estirada para que adquiera resistencia, y requiere que la forma de las superficies sea desarrollada como 3-D relajado — ya sea sinclástico o anticlástico — que están en equilibrio.
Idealmente, estas estructuras deben tener una tensión igual y son consideradas como superficies mínimas, pero a menudo, por razones de espacio, tienen tensiones diferentes en ambas direcciones primarias opuestas. Ya sea que se usen programas computarizados que utilizan un sistema de densidad de fuerza o un sistema de relajación dinámica para la formación y análisis, se requiere un elemento de análisis finito para crear pieles de estructuras balanceadas que puedan resistir presiones hacia abajo o hacia arriba.
Forma
Las membranas pre-estiradas pueden tener la forma de superficies en forma de sillas de caballo — paraboloidos hiperbólicos — o formas de toroido o rosca; y superficies de revolución — ya sea superficies hiperbolóica o toroica. En pieles complejas para edificios, estos elementos básicos de bloques de construcción se convierten en paneles múltiples en donde las diferentes superficies son unidas por rebordes y valles para crear geometrías complejas.
La intersección de las líneas de reborde y las líneas de valles se convierten en elementos lineales 3-D que son descritos por el modelado físico y por geometrías de formación.
Acústica
Hay muchos sistemas diferentes para generar la forma y que incluyen la consideración de la acústica, problemas en el sitio, ángulos del sol, y el viento. Usando la acústica, se comienza con un diagrama de rayos para generar superficies reflectivas que combinan y reflejan las ondas de sonido.
Dependiendo de si la estructura se va a usar para escuchar ya sea música clásica o música popular, esto determina el tipo de superficie requerido para el desempeño. Las formas conoidas y las formas sinclásticas tienen la tendencia de atrapar el sonido, de modo que la mayoría de los pabellones usados para conciertos usan una serie de superficies hiperbólicas para crear una rica experiencia interior.
Un proyecto en Sun Valley, Idaho, completado por FTL Design Engineering Studio en 2008 usa reflección acústica y las limitaciones del sitio como el generador de la forma para el pabellón de la música. El sitio fue un paisaje en las Montañas Rocosas en un famoso sitio de esquiar recreativo frecuentado por las celebridades de Hollywood.
La solución de FTL al problema presentado por el paisaje fue el de desa-rrollar una serie de paredes de retención que se levantan de la tierra y se reúnen para crear un espacio musical y luego desaparecen en el fondo. La temporada de música duró solo durante los meses de verano, pero el criterio de la nieve invernal era de más de 100 libras por pie cuadrado (lb/ft2) con corrientes de hasta 200 lb/ft2.
La firma FTL entendió que la sinfonía requería una estructura que combinaba la calidad efemérica y de temporada de una tienda de campaña para el verano, con una instalación más permanente que pudiera acomodar los requerimientos acústicos y del teatro.
FTL se dió cuenta que los requerimientos locales de la carga de nieve no permitían la construcción de una estructura de tejido permanente. El diseño eventual se caracteriza por una red de cable de acero y usa un material de madera rígida que puede manejar altas cargas verticales. Durante el desarrollo de estas ideas, FTL concluyó que el uso de maderas estaba de acuerdo con el uso de materiales cercanos al sitio y el uso de los mismos en edificios cercanos.
Un techo cubierto de cobre mantuvo la diferencia en la ladera y agregó otro toque terrenal a la estructura efemérea del cable. El área para la audiencia permaneció cubierta con una piel de tejido estirable que se puede desmontar cada otoño antes del comienzo del invierno (Figura 2).
Musicalmente, el techo de madera permite obtener un sonido más rico, y el cual es aumentado por una serie de paneles reflectores acústicos suspendidos debajo de una red de cables, y los cuales se pueden afinar para los diferentes tipos de música. En este caso, una solución híbrida de la red de cables y de tejidos tensionado sirvió para solucionar la diversa serie de desafíos al diseño.
Sombreado y aislamiento
Una de las calidades esenciales de las estructuras de tensión es su uso como elementos para el sombreado. Desde tiempos antiguos, se han usado membranas para este propósito — ya sea en la “vela” de sombreado usada en los coliseos romanos o en las tiendas de campaña de pelo de cabra beduina usadas en Arabia, o en los “toldos” que cubren las calles en ciudades del sur de España.
Con tejidos que permiten transparencias desde cero hasta un 40%, el nivel de sombreado se puede controlar en base a diferentes climas y regiones del mundo. Basado en una clasificación de diferentes climas, tales como la categorización de climas desarrollada por el profesor Koeppen en el Siglo 19, y basada en la duración de las plantas alrededor del planeta, esta categorización se puede aplicar tanto al sombreado como al aislamiento en las estructuras de poco peso.
Las estrategias para las membranas en climas fríos y húmedos, tales como en el norte de Europa, son considerablemente diferentes a los climas áridos y calientes tales como el suroeste de Estados Unidos o los climas calientes y húmedos de Centro América.
Tecnologías tales como estructuras de almohadilla de aluminio hacen sentido en climas fríos y húmedos; mientras que en los climas áridos y calientes se usan más a menudo tejidos de malla; y en los climas calientes y húmedos se usan tejidos sólidos que permiten el libre movimiento de aire y el enfriamiento pasivo.
FTL tuvo que considerar un clima nórdico cuando diseñó una entrada para el Casino Empire City en Yonkers, N.Y. La firma de diseño desarrolló un sistema de almohadilla de láminas de aluminio de etileno tetrafluoroetileno (ETFE) soportados por una estructura de concha de rejillas de acero que actúan como entrada al casino y proveen protección contra el sol y la lluvia para hasta 30 carros.
El diseño también actúa como elemento de iluminación y como un icono para el casino (Figura 3). FTL desarrolló una forma de torroida para la concha de la rejilla, pero también consideró formas funiculares para minimizar el peso del acero. Las almohadillas ETFE permiten obtener transparencias de hasta un 98%, y son una alternativa suave a los techos y fachadas de vidrio.
Generación de energía
Por su naturaleza, las estructuras de membranas usan grandes arcos sin soporte y los cuales pueden ser modificados con la aplicación de tecnologías solares de láminas delgadas para generar energía para el espacio interior. Además, las membranas tensionadas pueden servir como mantos para las turbinas de recolección de viento en donde el minimizado de la turbulencia permite que las turbinas puedan trabajar eficientemente a menores velocidades del viento.
Desde la primera aplicación de los paneles solares de los que FTL fue pionero en 1998 en el Museo de Diseño Nacional en Nueva York, la compañía ha trabajado con tecnologías de silicona amorfa y de selenido de galio indium de cobre (CIGS) para desarrollar métodos alternos de generación de energía u-sando pieles en edificios.
Generando solo aproximadamente 6 vatios por pie cuadrado, el método es todavía relativamente ineficiente. Pero debido a que el área del techo de la piel del edificio es generalmente grande, la ineficiencia de la tecnología de la lámina delgada es compensada por el tamaño de costo efectivo.
Iluminación
Varias formas básicas de iluminación existen en la naturaleza — iluminantes, modos de láminas, modos de superficie, y modos de volumen. Las membranas pueden hacer uso de la superficie y de los modos del volumen de iluminación natural. El uso de iluminación artificial por medio del modo del volumen de iluminación crea volúmenes de brillo de forma y espacio.
El reciente proyecto de FTL para la Universidad Estatal de Arizona, basada en Phoenix, usó iluminación modelada en computador para crear iluminación volumétrica de gran brillo usando dispositivos de descarga de alta densidad para las superficies principales y las luces de diodos programables que emiten iluminación para resaltar el trabajo de acero (Figura 4).
Recolección de agua
La recolección de agua ha sido siempre una importante función del techado en los climas secos desde los tiempos romanos, pero con el actual interés añadido en el desarrollo sustentable y en la recolección de agua de tormentas, se ha incrementado el interés en la recolección de estas aguas en cisternas para su reuso posterior.
Las estructuras de membranas son recolectores ideales de agua de lluvia, y la forma del techo se puede manipular para que se convierta en una característica de agua del edificio.
En el 2009, FTL completó un nuevo centro de tránsito en el centro de la ciudad de Detroit. La meta era la de unificar seis áreas de espera de buses y conectarlas al “Movedor de Personas” — un sistema de riel elevado que sirve a la ciudad. La firma de diseño desarrolló un techo de 6.000 metros cuadrados, bajo el cual 13 buses pueden cargar y descargar pasajeros.
Debido al sitio urbano único y a las pistas elevadas del sistema de riel, la colocación de la fundación era muy limitada. Sin embargo, el diseño requería el recubrimiento del área de la calle hasta las pistas o carriles elevados.
La solución de FTL a este dilema fue la de crear una serie de postes de marco en forma de A y los cuales usan un sistema de cable tensado para suspender 8 vigas curvadas. Usando un sistema de “cantilever” se colocaron las vigas encima de la carretera y el área de buses quedó cubierta.
La sección de vigas con marcos en forma de A creó puntos elevados y bajos, que proveen curvatura del tejido, pero también crearon la oportunidad de recolectar agua del techo, y la cual es almacenada en una cisterna colocada debajo del piso. El reborde del punto bajo tiene un sistema de alcantarilla y tubos de alimentación que permiten que el agua caiga en un elemento de paisaje, con una basina de recolección al nivel del piso .
Las áreas de recolección de agua están rodeadas por asientos incorporados en el sitio para los pasajeros que están esperando los buses. El agua almacenada es usada para irrigación de las plantas y el paisaje en el sitio.
Perspectivas futuras
Hay muchos elementos diferentes requeridos en la construcción usando pieles o coberturas para los edificios, dependiendo de la localización en que se van a usar. La tarea adelante se enfocará en integrar estos diferentes elementos para crear soluciones de varias pieles.
El siguiente paso en la evolución de las estructuras de membranas será la colocación en capas de sistemas integrados que, cuando se interconectan, transformarán la noción de fachadas de edificios en una membrana porosa de funciones múltiples, y la cual reflejará el mundo natural.
Nota del Editor: Nicholas Goldsmith, FAIA LEED AP, es senior principal de FTL Design Engineering Studio, de Nueva York; y es miembro distinguido del Instituto Americano de Arquitectos, Asociación Internacional para conchas y estructuras espaciales, así como anterior director de la Asociación de Estructuras Livianas. Este artículo está basado en una presentación de Goldsmith durante el Foro a la Innovación Textile World 2015.
Septiembre-Octubre de 2016
