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Ciencia de la construcción

Pequeño horno capaz de alcanzar 600°C y aplicar una carga estática para probar materiales de construcción.

La ciencia de la construcción es la recopilación de conocimientos impulsada por la ciencia y la tecnología para proporcionar una mejor calidad ambiental interior (IEQ), entornos construidos energéticamente eficientes y comodidad y satisfacción de los ocupantes . La física de la construcción, la ciencia arquitectónica y la física aplicada son términos utilizados para el dominio del conocimiento que se superpone con la ciencia de la construcción. En la ciencia de la construcción, los métodos utilizados en las ciencias naturales y duras se aplican ampliamente, que pueden incluir experimentos controlados y cuasi-experimentos , control aleatorio, mediciones físicas, teledetección y simulaciones . Por otro lado, los métodos de las ciencias sociales y blandas , como el estudio de caso , las entrevistas y los grupos focales , el método de observación , las encuestas y el muestreo de experiencias , también se utilizan ampliamente en la ciencia de la construcción para comprender la satisfacción, la comodidad y las experiencias de los ocupantes mediante la adquisición de datos cualitativos. Una de las tendencias recientes en la ciencia de la construcción es una combinación de los dos métodos diferentes. Por ejemplo, es ampliamente conocido que la sensación térmica y la comodidad de los ocupantes pueden variar según su sexo, edad, emoción, experiencias, etc., incluso en el mismo entorno interior. A pesar de los avances en la tecnología de extracción y recopilación de datos en la ciencia de la construcción, las mediciones objetivas por sí solas difícilmente pueden representar el estado mental de los ocupantes, como su comodidad y sus preferencias. Por lo tanto, los investigadores están tratando de medir tanto los contextos físicos como de comprender las respuestas humanas para descubrir interrelaciones complejas.

La ciencia de la construcción tradicionalmente incluye el estudio del ambiente térmico interior, el ambiente acústico interior , el ambiente de luz interior , la calidad del aire interior y el uso de los recursos de la construcción, incluido el uso de energía y materiales de construcción . [1] Estas áreas se estudian en términos de principios físicos, relación con la salud, la comodidad y la productividad de los ocupantes del edificio, y cómo pueden controlarse mediante la envoltura del edificio y los sistemas eléctricos y mecánicos . [2] El Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción (NIBS) incluye además las áreas de modelado de información de construcción , puesta en servicio de edificios , ingeniería de protección contra incendios , diseño sísmico y diseño resiliente dentro de su alcance. [3]

Uno de los propósitos prácticos de la ciencia de la construcción es proporcionar capacidad predictiva para optimizar el rendimiento y la sostenibilidad de los edificios nuevos y existentes, comprender o prevenir fallas en los edificios y guiar el diseño de nuevas técnicas y tecnologías.

Aplicaciones

Durante el proceso de diseño arquitectónico, se utilizan los conocimientos científicos de la construcción para fundamentar las decisiones de diseño destinadas a optimizar el rendimiento del edificio. Las decisiones de diseño se pueden tomar en función de los principios científicos de la construcción y de las directrices establecidas, como la Guía de diseño integral de edificios (WBDG) del NIBS y la recopilación de normas ASHRAE relacionadas con la ciencia de la construcción.

Las herramientas computacionales se pueden utilizar durante el diseño para simular el rendimiento del edificio basándose en información de entrada sobre la envolvente del edificio diseñado , el sistema de iluminación y el sistema mecánico . Los modelos se pueden utilizar para predecir el uso de energía durante la vida útil del edificio, la distribución del calor y la radiación solar, el flujo de aire y otros fenómenos físicos dentro del edificio. [4] Estas herramientas son valiosas para evaluar un diseño y garantizar que funcionará dentro de un rango aceptable antes de que comience la construcción. Muchas de las herramientas computacionales disponibles tienen la capacidad de analizar los objetivos de rendimiento del edificio y realizar la optimización del diseño . [5] La precisión de los modelos está influenciada por el conocimiento del modelador de los principios de la ciencia de la construcción y por la cantidad de validación realizada para el programa específico. [4]

Cuando se evalúan los edificios existentes, se pueden utilizar mediciones y herramientas computacionales para evaluar el desempeño en función de las condiciones existentes medidas. Se puede utilizar una variedad de equipos de prueba en el campo para medir la temperatura, la humedad, los niveles de sonido, los contaminantes del aire u otros criterios. Los procedimientos estandarizados para tomar estas mediciones se proporcionan en los Protocolos de medición del desempeño para edificios comerciales. [6] Por ejemplo, se pueden utilizar dispositivos de imágenes infrarrojas (IR) térmicas para medir las temperaturas de los componentes del edificio mientras el edificio está en uso. Estas mediciones se pueden utilizar para evaluar cómo está funcionando el sistema mecánico y si hay áreas de ganancia o pérdida de calor anómalas a través de la envoltura del edificio. [7]

Las mediciones de las condiciones de los edificios existentes se utilizan como parte de las evaluaciones posteriores a la ocupación . Las evaluaciones posteriores a la ocupación también pueden incluir encuestas [8] a los ocupantes del edificio para recopilar datos sobre la satisfacción y el bienestar de los ocupantes y para recopilar datos cualitativos sobre el rendimiento del edificio que pueden no haber sido capturados por los dispositivos de medición.

Muchos aspectos de la ciencia de la construcción son responsabilidad del arquitecto (en Canadá, muchas firmas de arquitectura emplean a un tecnólogo arquitectónico para este propósito), a menudo en colaboración con las disciplinas de ingeniería que han evolucionado para manejar las preocupaciones de la ciencia de la construcción que no tienen que ver con la envoltura del edificio: ingeniería civil , ingeniería estructural , ingeniería sísmica , ingeniería geotécnica , ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica, ingeniería acústica e ingeniería de códigos contra incendios. Incluso el diseñador de interiores inevitablemente generará algunos problemas de ciencia de la construcción.

Temas

Calidad ambiental interior (IEQ)

La calidad ambiental interior (IEQ) se refiere a la calidad del entorno de un edificio en relación con la salud y el bienestar de quienes ocupan el espacio dentro de él. La IEQ está determinada por muchos factores, incluidos la iluminación, la calidad del aire y la temperatura. [9] A menudo, los trabajadores se preocupan de tener síntomas o problemas de salud debido a la exposición a contaminantes en los edificios donde trabajan. Una razón para esta preocupación es que sus síntomas a menudo mejoran cuando no están en el edificio. Si bien la investigación ha demostrado que algunos síntomas y enfermedades respiratorias pueden estar asociados con edificios húmedos, [10] aún no está claro qué mediciones de contaminantes interiores muestran que los trabajadores corren riesgo de contraer enfermedades. En la mayoría de los casos en que un trabajador y su médico sospechan que el entorno del edificio está causando una condición de salud específica, la información disponible de las pruebas médicas y las pruebas del entorno no es suficiente para establecer qué contaminantes son los responsables. A pesar de la incertidumbre sobre qué medir y cómo interpretar lo que se mide, la investigación muestra que los síntomas relacionados con el edificio están asociados con las características del edificio, incluida la humedad, la limpieza y las características de ventilación.

Los ambientes interiores son sumamente complejos y los ocupantes de los edificios pueden estar expuestos a una variedad de contaminantes (en forma de gases y partículas) provenientes de máquinas de oficina, productos de limpieza, actividades de construcción, alfombras y muebles, perfumes, humo de cigarrillo, materiales de construcción dañados por el agua, crecimiento microbiano (hongos, moho y bacterias), insectos y contaminantes del exterior. Otros factores, como las temperaturas interiores, la humedad relativa y los niveles de ventilación, también pueden afectar la forma en que las personas responden al ambiente interior. Comprender las fuentes de contaminantes ambientales interiores y controlarlas a menudo puede ayudar a prevenir o resolver los síntomas relacionados con los trabajadores en los edificios. Hay disponible una guía práctica para mejorar y mantener el ambiente interior. [11]

El entorno interior de los edificios abarca los aspectos ambientales en el diseño, análisis y funcionamiento de edificios energéticamente eficientes, saludables y confortables. Los campos de especialización incluyen arquitectura, diseño de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) , confort térmico , calidad del aire interior (IAQ), iluminación , acústica y sistemas de control .

Sistemas HVAC

Los sistemas mecánicos, que suelen ser un subconjunto de los servicios de construcción más amplios, que se utilizan para controlar la temperatura, la humedad, la presión y otros aspectos selectos del ambiente interior se suelen describir como sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Estos sistemas han aumentado en complejidad e importancia (a menudo consumen alrededor del 20 % del presupuesto total en los edificios comerciales) a medida que los ocupantes exigen un control más estricto de las condiciones, los edificios se hacen más grandes y los cerramientos y las medidas pasivas se vuelven menos importantes como medio para brindar comodidad.

La ciencia de la construcción incluye el análisis de los sistemas HVAC tanto para los impactos físicos (distribución del calor, velocidades del aire, humedades relativas, etc.) como para el efecto sobre la comodidad de los ocupantes del edificio. Debido a que la comodidad percibida por los ocupantes depende de factores como el clima actual y el tipo de clima en el que se encuentra el edificio, las necesidades de los sistemas HVAC para proporcionar condiciones cómodas variarán según los proyectos. [12] Además, se han implementado y estudiado varias estrategias de control de HVAC para contribuir mejor a la comodidad de los ocupantes. En los EE. UU., ASHRAE ha publicado estándares para ayudar a los administradores e ingenieros de edificios a diseñar y operar el sistema. [13] En el Reino Unido, CIBSE publicó una directriz similar . [14] Además de la práctica de la industria, las estrategias de control avanzadas también se discuten ampliamente en la investigación. Por ejemplo, el control de retroalimentación de bucle cerrado puede comparar el punto de ajuste de la temperatura del aire con las mediciones del sensor; [15] el control de respuesta a la demanda puede ayudar a evitar que la red eléctrica tenga una carga máxima al reducir o cambiar su uso en función de la tasa variable en el tiempo. [16] Con la mejora del rendimiento computacional y los algoritmos de aprendizaje automático , la predicción del modelo sobre la carga de refrigeración y calefacción con un control óptimo puede mejorar aún más la comodidad de los ocupantes al preoperar el sistema HVAC. [17] Se reconoce que la implementación de estrategias de control avanzadas está dentro del alcance del desarrollo del Sistema de Automatización de Edificios (BMS) con tecnologías de comunicación inteligente integradas, como Internet de las Cosas (IoT). Sin embargo, uno de los principales obstáculos identificados por los profesionales es la escalabilidad de las lógicas de control y el mapeo de datos de construcción debido a la naturaleza única de los diseños de edificios. Se estimó que debido a la interoperabilidad inadecuada, la industria de la construcción pierde $ 15.8 mil millones anualmente en los EE. UU. [18] Proyectos de investigación recientes como Haystack [19] y Brick [20] pretenden abordar el problema utilizando esquemas de metadatos , que podrían proporcionar formas más precisas y convenientes de capturar puntos de datos y jerarquías de conexión en los sistemas mecánicos de construcción. Con el apoyo de modelos semánticos, la configuración automatizada puede beneficiar aún más la puesta en servicio del control de HVAC y las actualizaciones de software. [21]

Sistemas de cerramiento (envolvente)

El cerramiento del edificio es la parte del mismo que separa el interior del exterior. Esto incluye la pared, el techo, las ventanas, las losas del terreno y las juntas entre todos ellos. La comodidad, la productividad e incluso la salud de los ocupantes del edificio en áreas cercanas al cerramiento del edificio (es decir, las zonas perimetrales) se ven afectadas por las influencias externas, como el ruido, la temperatura y la radiación solar, y por su capacidad para controlar estas influencias. Como parte de su función, el cerramiento debe controlar (no necesariamente bloquear o detener) el flujo de humedad, calor, aire, vapor, radiación solar, insectos o ruido, al mismo tiempo que resiste las cargas impuestas sobre la estructura (viento, sismo). La transmisión de la luz natural a través de los componentes acristalados de la fachada se puede analizar para evaluar la menor necesidad de iluminación eléctrica. [22]


Construyendo sostenibilidad

Parte de la ciencia de la construcción es el intento de diseñar edificios teniendo en cuenta el futuro y los recursos y realidades del mañana. Este campo también puede denominarse diseño sostenible . Aparte del campo del diseño, alrededor del 40% del consumo de energía [23] y el 13% de las emisiones de carbono [24] están relacionadas con el funcionamiento de los sistemas HVAC de los edificios. Para mitigar el rápido cambio climático, la industria de la construcción adopta fuentes de energía renovables , como la energía solar y eólica, para respaldar la generación de electricidad. Sin embargo, el perfil de demanda de electricidad muestra un desequilibrio entre la oferta y la demanda, lo que se conoce como la " curva del pato ". Esto podría afectar al mantenimiento de la estabilidad del sistema de red. [25] Por lo tanto, se desarrollan otras estrategias, como los sistemas de almacenamiento de energía térmica, para lograr niveles más altos de sostenibilidad al reducir la potencia máxima de la red. [17]

En el campo de la ciencia de la construcción, se ha producido un impulso hacia los edificios de energía cero, también conocidos como edificios de energía neta cero. Las calificaciones para la certificación de edificios de energía neta cero se pueden encontrar en el sitio web de Living Building Challenge .

Evaluación posterior a la ocupación (POE)

El POE es un método basado en encuestas para medir el rendimiento del edificio después de que el entorno construido haya sido ocupado. Las respuestas de los ocupantes se recogieron mediante consultas estructuradas o abiertas. A menudo se utilizaron métodos estadísticos y visualización de datos para sugerir qué aspectos (características) del edificio favorecían o perjudicaban a los ocupantes. Los resultados pueden convertirse en conocimientos de diseño para que los arquitectos diseñen nuevos edificios o proporcionen una base de datos para mejorar el entorno actual.

Proceso de dar un título

Si bien no existen certificaciones profesionales directas o integradas de arquitectura o ingeniería para la ciencia de la construcción, existen credenciales profesionales independientes asociadas con las disciplinas. La ciencia de la construcción es típicamente una especialización dentro de las amplias áreas de la práctica de la arquitectura o la ingeniería. Sin embargo, existen organizaciones profesionales que ofrecen credenciales profesionales individuales en áreas especializadas. Algunos de los sistemas de calificación de edificios ecológicos más destacados son:

Existen también otras instituciones de acreditación y certificación de la sostenibilidad de la construcción. También en los EE. UU., los contratistas certificados por el Building Performance Institute, una organización independiente, anuncian que operan sus negocios como científicos de la construcción. Esto es cuestionable debido a su falta de formación y credenciales científicas. Por otro lado, en Canadá, la mayoría de los asesores de energía certificados tienen una experiencia más formal en ciencias de la construcción. Muchos de estos oficios y tecnólogos requieren y reciben algún tipo de capacitación en áreas muy específicas de la ciencia de la construcción (por ejemplo, hermeticidad o aislamiento térmico).

Lista de las principales revistas científicas de la construcción

Véase también

Referencias

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