La complejidad del análisis de estructuras industrializadas con CLT (parte II, las herramientas)

Este artículo viene después de la primera parte, en la que analizamos los factores que influyen en la complejidad del análisis de una estructura con paneles de CLT. Vimos que en el diseño de este tipo de estructuras hay diversos factores que afectan de forma mucho más marcada que en los sistemas tradicionales no industrializados.

Estos factores son:

• La composición, calidad y rigidez de los paneles.
• El despiece de paneles, la continuidad de los planos, etc.
• Uso de sistema baloon o marco-plataforma.
• La rigidez de las uniones.
• Como afectan los materiales que se ponen en juntas para aislar del ruido.
• Lo que afecta el paso del tiempo a las uniones.
• La presencia de capas de hormigón u otros elementos constructivos que unidos al CLT, le aportan rigidez.
• La interacción con otros elementos constructivos.

Así, para disponer de modelos de cálculo que aproximen con suficiente garantía a lo que se va a construir, hay que tener presente tres cosas:

• Deben estar definidos los productos (paneles, barras, herrajes).
• Deben estar preestablecidos los despieces.
• Deben estar definidos los criterios generales y detalles constructivos (como cargas, juntas acústicas o capas de compresión).

La industrialización es la respuesta a la que nos conduce esta situación, que es válida para los sistemas industrializados en general, pero que una vez más, lo centraremos en el CLT, no por ser el sistema más eficiente en cuanto a uso de madera, sino por el interés que despierta y también por ser un elemento que lleva la industrialización en su ADN.

Al hablar de construcción industrializada, se suele hacer referencia a la fabricación de automóviles, dónde en realidad el contexto es distinto, dado que la marca externaliza a los proveedores de desarrollo no solo el abastecimiento de piezas, sino su diseño, montaje, e incluso los controles de calidad de cada pieza, todo ello con un elevado nivel de ingenierización.

Por lo contrario, excepto en construcción seriada, un edificio es un prototipo único, solo se va a fabricar un modelo, de manera que el proceso no es el mismo: para obtener un producto óptimo, el diseño debe ajustarse, en cada caso, a la realidad y posibilidades del mercado.

Por esto, el diseño con elementos industrializados (como es el CLT), no debe dejar, como se hace en la industria del automóvil, a los proveedores la responsabilidad del diseño y fabricación, sino poniendo a proveedores y montadores de la mano del Promotor y del equipo encargado del diseño, al mismo nivel. Veamos qué propuestas se manejan en esta línea para la construcción industrializada con madera.

Dónde nos lleva la situación analizada

Hemos visto que estructuras de CLT requieren, por su complejidad, cambiar la forma habitual de desarrollo de los proyectos y construcción por sistemas que integren todo el proceso. La respuesta es industrializar. Pero en la cultura constructiva habitual de nuestro entorno actual, resulta todavía excepcional trabajar con productos industrializados.

Podemos esbozar una forma de trabajar, especialmente para proyectos de cierta envergadura o complejidad: en fase previa a la redacción del proyecto ejecutivo (la fase que comúnmente denominamos de Proyecto Básico), deben estar definidas las soluciones estructurales, comprobada la estabilidad global y dimensionados los elementos tipo y aquellos que puedan condicionar algún aspecto arquitectónico o estructural.

Luego viene la fase en la que se desarrolla toda la información enfocada a que la obra pueda ser valorada y más adelante construida, lo que viene a ser el Proyecto Ejecutivo, en la que se deben definir el dimensionado de todos los elementos y detallar los puntos singulares.

Complementando esta fase de ejecutivo, para las estructuras de CLT, se introduce un cambio de paradigma respecto lo que suele hacerse en proyectos no industrializados. Se abre paso una fase que podemos denominar documentación para fabricación, que incluye definiciones detalladas de todos los productos, despieces, planos de montaje.

Así, para lograr una optimización de la madera y el éxito de este tipo de proyectos, es fundamental un trabajo colaborativo desde las primeras fases de redacción y a lo largo de toda la cadena de suministro entre promotor, contratista, proyectistas, ingenieros estructurales y de instalaciones, proveedores, fabricantes, montadores, administraciones encargadas de dar licencias.

El rol de cada uno de estos agentes debe estar perfectamente determinado, para trabajar durante todo el proceso del proyecto y obra que garantice que todos los involucrados estén en sintonía con el diseño, uso de soluciones reales del mercado, garantizar la constructibilidad, las metodologías de construcción y estrategias de mantenimiento, para así alcanzar los plazos, prestaciones, costes deseados y minimizar sobrecostes por cambios en fases maduras.

Estos esquemas de trabajo se engloban en la construcción industrializada, y hoy día existen distintas formas de llevarla a cabo. Me declaro claramente no experto en la materia, pero sí interesado en arrojar luz al asunto, así que propongo explorar algunas de ellas.

Construcción industrializada

La construcción industrializada es la suma de la racionalización, la mecanización y la automatización de un proceso productivo. En comparación con otros países europeos, la aplicación de este modelo de construcción aún es escasa en España. Sin embargo, sus ventajas harán sin duda que la tenga una gran presencia en los próximos años.

En un edificio de construcción industrializada, los módulos son elaborados en las fábricas antes de ser transportados al lugar de construcción. Estos módulos se tratan de elementos independientes que se ensamblan in situ, dando forma al edificio.

El proceso de construcción industrializada se compone de tres fases:

• El diseño, que debe ser pensado para la fabricación y el ensamblaje.
• La producción las unidades industrializadas, con un montaje mecanizado y con todas las garantías de calidad, en instalaciones cerradas y controladas.
• Transporte al emplazamiento, montaje y ensamblaje en obra, incluyendo las mínimas tareas in situ, quedando la cimentación fuera del proceso de industrialización.

Las unidades industrializadas pueden ser de tres tipos:

• 1D o lineales, como vigas, pilares, tuberías.
• 2D o paneles, que definen un plano y pueden ser paneles de forjado, cubierta, particiones, fachadas.
• 3D o modulares que pueden constituir una habitación o parte de una edificación o una vivienda completa.

Por cierto, contra lo que se puede pensar, este tipo de estructura permite la customización o adaptación a cada caso que se desee, hacer elementos a medida, dado que se construye según un proyecto que es distinto en cada caso, si bien la serialización puede ser una ventaja respecto a la variabilidad de elementos.

Las principales ventajas de la construcción industrializada son:

• Construcción circular y descarbonizada.
• Optimización de recursos y energía.
• Minimización de residuos.
• Mejora de la calidad.
• Alta eficiencia energética.
• Control y reducción de costes.
• Reducción y control de los plazos de construcción.
• Control de precios y costes.
• Reducción de riesgos a trabajadores.
• Suministros en serie de piezas, a mejor precio y mayor disponibilidad de estocs.

A menudo se confunden conceptos como construcción industrializada, prefabricada, modular, off-site, paramétrica. Automatización, prefabricación, modulación, parametrización, son herramientas de la industrialización, pero se debe de partir de un diseño industrial de base, es decir, tener procesos en línea.

Prefabricación

El término «prefabricado» es el que comúnmente se acepta para definir las unidades de un proceso industrializado que se producen en una fábrica y se transportan de una pieza o divididas en unidades al solar donde se va a ubicar.

Estructuras modulares

La construcción modular es el término utilizado en inglés y traducido como construcción industrializada. A diferencia del modelo industrializado, plantea el edificio en bloques que se fabrican por separado y luego se ensamblan.

Construcción off-site

Es el término en inglés para denominar la construcción industrializada que se suele adoptar como anglicismo.

Construcción parametrizada / robotización

Los avances tecnológicos en software, internet de las cosas, interfaces, generan oportunidades para repensar los flujos de trabajo actuales de la madera. La parametrización en las estructuras se basa en fabricar elementos con procesos repetitivos, obteniendo una reducción de los tiempos de construcción y de residuos. Uno de los retos que presenta es que requieren una coordinación elevada entre todos los agentes implicados en la construcción.

Vídeo. Ejemplo de robotización con entramado ligero https://www.youtube.com/watch?v=O3al52UWoc0

Algunas propuestas y herramientas

En el mundo de la industrialización uno puede perderse entre palabras, neologismos, acrónimos y conceptos como DfMA, DB, BIM, LEAN, CAD/CAM, CNC, Gemelo Digital, …

Procesos de industrialización de este tipo se vienen aplicando con distintos sistemas estructurales desde hace décadas, pero el contexto y exigencias de hogaño están propiciando la aparición de múltiples propuestas actualizadas para dar respuesta a los requerimientos actuales. Algunas de estas propuestas son complementarias, algunas avanzan en paralelo hacia un objeto similar.

Sin pretensión de revisarlas todas, veamos algunas de ellas, destacando que nos acercamos a estos conceptos con la humilde finalidad de abrir caminos para familiarizar herramientas que parece que han venido para quedarse, en relación a las estructuras de madera.

DfMA

Frente a diseñar para construir, el DfMA es un modelo consistente en diseñar para fabricar.

El DfMA, por las siglas inglesas Design for Manufacturing and Assembly, es una metodología de desarrollo de un producto (no de un proyecto), consistente en un proceso para diseñar piezas, componentes o productos para facilitar la fabricación, con el objetivo final de hacer un mejor producto a un menor coste, mejorar la calidad, fabricabilidad, montabilidad y costes, sin olvidar la huella ambiental.

Design-and-build

Es un enfoque que rompe el flujo del método tradicional en el que en primer lugar el Promotor contrata a un arquitecto para redactar un proyecto, luego se licita y finalmente se construye.

En el Design-and-Build se juntan las etapas de diseño y construcción en un solo contrato y bajo la responsabilidad de un único contratista, una empresa de construcción que se encarga tanto del diseño como de la construcción, lo cual implica una colaboración más estrecha y una mayor integración entre los diseñadores y los constructores en todo el proceso del proyecto y obra.

BIM

BIM (Building Information Modeling) es una metodología de trabajo colaborativa que pretende, en su máxima expresión, disponer de un gemelo digital del edificio. Como su nombre insinúa, es una base de datos centralizada en la que promotor, técnicos, proveedores, constructores, propietarios, especialistas pueden participar. Ello permite gran control, trazabilidad y colaboración para mejorar los procesos de diseño y uso del edificio.

Muchas veces se confunde BIM con determinados programas de modelización tridimensional, pero BIM no es un software, es la forma de trabajar, el entorno en el que se desarrolla el proyecto, y los programas son herramientas para trabajar en este entorno.

Cada elemento se define por su geometría más toda la información necesaria para su fabricación y ensamblaje en la construcción: disposición, material, acabados, uniones. A partir de esta información se obtienen de forma automática mediciones, pesos, centros de gravedad, cubicación, cantidades por tipología, superficies, precios, impacto ambiental, mantenimiento.

En un proyecto con BIM, se debe establecer al principio el nivel de desarrollo (LOD, por las siglas en inglés de Level of Developement) de cada parte del proyecto, que en el caso del CLT son:

• LOD100. Diseño conceptual. Elementos esquemáticos. No se dibujan los paneles de CLT.
• LOD200. Diseño esquemático. La geometría de paneles y aberturas está bastante definida. Los paneles CLT se dibujan con su grosor y posición con precisión +/-30 mm.
• LOD300. Diseño detallado. Todos los elementos están detallados: secciones, forma, posición, propiedades y aberturas e instalaciones. Se detectan las principales interferencias de elementos estructurales con los no estructurales. Precisión +/- 10 mm.
• LOD400. Fabricación y montaje (WYDIWYG: lo que dibujas es lo que obtienes). Todos los elementos del modelo se representan con información completa para su producción. Se diseñan todas las conexiones y se resuelven las interferencias. Se definen el fabricante y cada capa de los paneles CLT. Se resuelven las interferencias. Precisión +/-0,5 mm.
• LOD500. As build. El modelo 3D es exactamente tal y como se ha construido in situ y sirve para la gestión de uso del edificio. La base de datos se completa con información sobre los elementos no estructurales. En paneles de CLT no hay diferencia entre LOD400 y LOD500 a menos que haya cambios durante el montaje.

LEAN

Construcción LEAN es una metodología proveniente de la industria del automóvil, cuyo objeto es trabajar de forma muy ajustada, sin pérdidas, eficiente. Es un método de gestión de la producción orientado a la mejora continua, eliminando cualquier actividad que no agregue valor al producto, y ofrecer así mayor calidad, opitimización de recursos, reducción de plazos y costes.

CAD-CAM

En industrialización con CLT, los software CAD/CAM se engloban en el entorno BIM y sirven para diseñar y exportar a fabricación industrializada con máquinas de control numérico especializadas en mecanización de estructuras de madera, además de obtener toda la información para el mecanizado, montaje y características de todos los elementos.

Se trabaja con bibliotecas de productos de los fabricantes de paneles, barras, herrajes y tornillería, así como automatismos para el diseño, de manera que permite tomar decisiones con el máximo detalle y control en la fase de modelado 3D, avanzándose a los posibles imprevistos en obra.

Además, se pueden obtener códigos QR para cada pieza, con la información que se precise, para hacer un seguimiento desde diseño hasta puesta en obra.

Vídeo. Ejemplo de mecanización con CLT: https://www.youtube.com/watch?v=XHwrSfGIz40

Contratación

Todos estos cambios en la forma de desarrollar los proyectos rompe los flujos tradicionales de contratación, como se pone de relieve en este artículo, lo cual obliga a redefinir las cadenas de contratación.

Hemos visto ejemplos en los que el promotor puede ser el productor de los elementos prefabricados o que el fabricante/suministrador forma parte del equipo en el momento de redactar el proyecto.

Pero también los procedimientos de financiación son distintos de los que se manejan en construcción tradicional, dado que al materializarse gran parte de la obra en poco tiempo, se requiere mayor inversión inicial en los proyectos de CLT industrializados. Sin embargo, la inversión se recupera antes debido a la reducción de lo tiempo de construcción.

Conclusión

En líneas generales, la construcción está en un nivel muy similar al que había en Mesopotamia. Se usan ladrillos desde hace unos 9000 años, sin casi ningún cambio tecnológico.

Vimos en el artículo anterior que el análisis de estructuras industrializadas de CLT implica un nivel de complejidad que va más allá del campo habitual de un proyecto de estructuras. Y llegamos a la conclusión que este tipo de proyectos piden cambiar las dinámicas de trabajo. Aquí hemos esbozado algunas de las características de estas formas de proceder, y hemos visto el cuello de botella que hay en las fases primeras de diseño.

Pero estos métodos de trabajo todavía parecen declaraciones de intenciones. En España estamos empezando, se calcula que se construye en torno un 1-2% con sistemas industrializados, un porcentaje todavía marginal.

Nos falta consenso en los protocolos, en como se materializa la transversalidad de estos flujos, qué figura lidera estos procesos, así como sus niveles de implementación para cada caso. Si queremos avanzar en este sentido, de entrada debemos cambiar nuestra forma de trabajar, especialmente en las fases de diseño.

La industrialización puede suponer una revolución del sector de la construcción. Una revolución en positivo en el contexto de crisis de recursos y emisiones. Una revolución para optimizar y reducir el consumo. No para que la voracidad del mercado la fagocite por su rentabilidad, alcanzando la indeseable paradoja de Jevons, sino para, una vez analizada la necesidad de un nuevo proyecto desde el punto de vista social, urbanístico, de inversión, se llegue a la conclusión de que hay que hacer la obra (recordemos que el producto más sostenible es el que no se consume), entonces hacerla con el mínimo impacto en recursos, energía y emisiones.

Parece que un proceso industrializado puede ser una buena respuesta, especialmente cuando el sistema está amortizado.

No cabe duda de que, correctamente aplicados, los flujos de trabajo holísticos que hemos repasado derivan en beneficios de prestaciones, calidad, plazos, medio ambiente y económicos, pero parece que en la construcción estamos empezando un proceso que otras industrias llevan décadas usando.

Terminamos invitando a visualizar un encuentro que creemos merece la pena. Ergodomus es una ingeniería alpina especializada en estructuras de madera, que la difunden con pasión. Ejemplo de ello las conferencias sobre DfMA que organizan desde 2022.

Vídeo: DfMAy Conference 2022 https://www.youtube.com/watch?v=c7o2eevdxeE

Bibliografía

• [1] https://acetra.rs/news/masstimberdesign/
• [2] https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/business%20functions/operations/our%20insights/modular%20construction%20from%20projects%20to%20products%20new/modular-construction-from-projects-to-products-full-report-new.pdfhttps://www.mckinsey.com/capabilities/operations/how-we-help-clients/capital-excellence
• [3] https://www.youtube.com/watch?v=c7o2eevdxeE

• [4] https://www.arquima.net/design-build/
• Frank Lattke, Sebastian Hernandez-Maetschl: «LeanWood. Advancing performance of design teams in timber construccion», WTCE Vienna, 2016.
• Puyan Abolghasem Zadeh, Sheryl Staub-French, Francisco Calderon, Imen Chikhi: «Building Information Modeling (BIM) and Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) for Mass Timber Construction», University of British Columbia 2018.
• Pablo Guindos: «TERCERA PARTE», ediciones Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile, 2019.
• M. Vilà, X. Centelles, D. Garcia: «Parametrización e industrialización: ¿un camino hacia la tecnificación en edificación?», IV Congreos ACE, Barcelona, 2022.
• Varios autores: «Construcción industrializada de bajo impacto», Woodea, Valencia, 2023.