Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes
Autores
- José L. Hernández, Ingeniero-Investigador, Fundación CARTIF
- Pedro Martín Lerones, Director Área Patrimonio, Fundación CARTIF
- Sonia Álvarez, Arquitecta-Investigadora, Fundación CARTIF
- Peter Bonsma, Director Técnico, RDF Ltd.
- Andrè van Delft, Director General, Demo Consultants
- Richard Deighton, Responsable software, Demo Consultants
- Jan-Derrick Braun, Arquitecto, Hochtief
Resumen
Una de las posibles definiciones de edificio inteligente es un tipo de construcción que hace uso de las tecnologías para hacer más eficiente su uso y control. Sin embargo, la integración entre tecnologías y formatos asociados que incorporan los edificios inteligentes plantea nuevos retos para la gestión de los recursos de manera armonizada. El presente artículo presenta un marco sobre el que integrar la información de los sistemas de climatización, seguridad y accesibilidad del edifico en el proceso BIM bajo el estándar IFC, siguiendo los desarrollos del proyecto INSITER (Grant Agreement 636063). La ventaja competitiva que esto supone estriba en que dichos sistemas son capaces de comunicarse en un entorno interoperable.
Palabras clave
INSITER, Interoperabilidad, IFC, Auto-inspección, Integración, Gestión, Mantenimiento
Introducción
Los edificios inteligentes se definen de muy diversas maneras, aunque todas ellas coinciden en la aplicación de las nuevas tecnologías a la gestión, uso y control del edificio. (ESDIMA, 2018). Estas tecnologías abarcan principalmente 4 categorías: seguridad, comunicaciones, apoyo logístico y automatización de procesos. Una de sus principales finalidades es ser eficiente en el consumo de energía y agua. De esta manera, un edificio inteligente contribuiría a lograr los objetivos establecidos por las directivas Europeas para edificios energéticamente eficientes en 2020 a través de la industrialización sostenible de los componentes arquitectónicos y estructurales (EC, 2002). Para alcanzar los objetivos anteriormente mencionados, uno de los conceptos clave es la integración, lo cual está soportado por la transformación digital. Sin embargo, es importante tener en cuenta todo el ciclo de vida del edificio, desde su diseño hasta su mantenimiento. Con tal fin, el proyecto INSITER (INSITER, 2014) trata el desarrollo de herramientas para auto-inspección para reducir las discrepancias entre el diseño y construcción con respecto a la calidad y rendimiento del edificio. En este sentido, detectar y prevenir errores en etapas tempranas incrementaría la calidad de la edificación, mejor rendimiento, gestión y mantenimiento (Hernández et al., 2018).
El mayor de los retos que presenta la integración de la información, así como facilitar la gestión y el mantenimiento de los edificios es la carencia de estándares que permitan interpretar los datos de manera homogénea. Este artículo trata de dar respuesta a la interoperabilidad entre sistemas para integrar tecnologías y, así, incrementar la facilidad para su gestión y mantenimiento. Para tal propósito, se emplea metodología BIM (Building Information Modelling) cuya finalidad es optimizar todo el proceso de edificación (BuildingSmart, 2018). Sin embargo, es importante destacar que el concepto BIM se entiende de diversas formas, por ejemplo como un simple repositorio, modelo de datos, etc. En la situación de técnicas de auto-inspección, dicho concepto tiene que ser reajustado. En la práctica, los modelos BIM son muy complejos e incluyen mucha información que no se encuentra estructurada en los procesos de construcción.
Por otro lado, hay diversas fuentes que obtienen información valiosa para la gestión y mantenimiento. Desde modelos 3D de escáneres láser hasta dispositivos dinámicos de datos (es decir, sensores) pasando por imágenes 2D, como termografías (Revel et al., 2012). Su mayor hándicap radica en los diferentes protocolos de comunicación para la representación de los datos que presentan. Por lo tanto, un formato de datos común se hace necesario. Teniendo en cuenta la metodología BIM propuesta, IFC (Industry Foundation Classes) es el estándar escogido para armonizar las comunicaciones para, de esta forma, incrementar la interoperabilidad entre los sistemas del edificio inteligente y, por lo tanto, optimizar los procesos de gestión y mantenimiento del edificio.
Solución de interoperabilidad para edificios
Tal y como se ha mencionado anteriormente, la interoperabilidad es un aspecto clave en la gestión de los edificios inteligentes. Existen diversos recursos de información, así como herramientas útiles para aplicar técnicas de auto-inspección y gestión de edificios. Sin embargo, una de las mayores carencias que presentan es su falta de integrabilidad. Para solventarlo, se propone el marco de interoperabilidad mostrado en la Figura 1 (Hernández et al., 2018). La finalidad de la arquitectura presentada es armonizar los datos que representan el rendimiento de un edificio, cuyo núcleo es el BIM.
Empezando por la parte inferior, las diversas fuentes de información del edificio se incluyen en la capa de adquisición de datos (INSITER, 2016). Básicamente, las redes de sensores miden el rendimiento dinámico del edificio a través de dispositivos que miden, por ejemplo, consumo de energía, confort, gestión del agua, etc. Otro tipo de hardware es la captura de datos a través de escáner láser, termografías y sondas de sonido que permiten comprobar la calidad del edificio desde diferentes puntos de vista (Revel et. al, 2012). Adicionalmente, bases de datos existentes sobre el edificio y otra información como data-sheets o documentación también aplican a esta capa. A continuación, se encuentra la capa de adaptación que trata el ajuste de los formatos de datos de los recursos de la capa de adquisición en el modelo de datos de INSITER, es decir, IFC (INSITER, 2016). Esta adaptación se realizar a través de un middleware que traduce la información para ser insertada en el concepto “extended BIM” (xBIM) (Hernández et al., 2018) que se encuentra en la capa BIM. Dicho concepto es la integración de información a través de una combinación de repositorios como son el Open Source BIM Server para almacenar los datos estáticos (es decir, BIM) del edificio, una base de datos PostgreSQL para los datos dinámicos y el share-point para documentación. Cabe destacar que este último repositorio no trabaja bajo el concepto IFC puesto que no es viable interpretar un documento dentro del modelo de datos IFC.
Por último, la capa de aplicación trata de los servicios de alto nivel para la gestión y mantenimiento de los edificios inteligentes. Algunos ejemplos son los visualizadores BIM, cuadros de mando para datos e indicadores, soporte a la toma de decisiones, etc. También tiene como objetivo permitir que los trabajadores puedan llevar a cabo análisis de calidad del edificio y permitir comunicación remota con expertos.
Estándar para la representación del edificio
Tal y como se ha mencionado anteriormente, el marco de interoperabilidad propuesto está enfocado en la utilización de la metodología BIM. Dentro del mundo TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) existe una tendencia creciente sobre estándares de intercambio de datos, cada uno con un propósito y contexto. Algunos estándares maduros y frecuentemente utilizados, por ejemplo, DraWinG (DWG), AutoCAD y ficheros nativos de Revit (software comúnmente utilizado en modelado BIM), son propietarios o cerrados, los cuales incrementan la dependencia del software utilizado. Otras alternativas ofrecen posibilidades más abiertas, pero con un alcance limitado, por ejemplo Drawing Exchange Format (DXF) y Green Building Extensible Markup Language (gbXML) (Hernández et. al, 2018).
Sin embargo, ninguno de los estándares anteriormente mencionados cumple con los requisitos del marco de INSITER. Como consecuencia, el estándar IFC es el mejor posicionado como candidato para formato de datos común. Industry Foundation Classes (IFC) es un modelo de datos estándar (ISO 16739) y abierto, utilizado en la industria de la construcción. Entre sus ventajas se encuentra que los datos cubren el ciclo de vida del edificio: diseño, construcción, mantenimiento y operación. Además, no solo es una representación 3D, sino un modelo dinámico capaz de integrar información geométrica, estructural, rendimiento energético, seguridad, etc (BuildingSmart, 2018). Para proyectos como INSITER, el estándar IFC es el único que cubre todas las disciplinas del sector.
Entre otras características, IFC, en su versión IFC4, incluye la mejora en representación de curvas y superficies, capacidades de planificación, integración con herramientas como Microsoft Project, uso de texturas y nuevos métodos para el almacenamiento de datos geométricos. Finalmente, cabe destacar que IFC4 sigue un esquema entidad-relación con más de 700 clases que se relacionan entre sí para crear una jerarquía de representación de la información en múltiples dominios como se muestra en la Figura 2 (BuildingSmart, 2018).
Integración de datos dinámicos
Teniendo en cuenta que IFC4 es el modelo de datos seleccionado para la representación de la información estática del edificio y que sigue un esquema entidad-relación, la integración de datos dinámicos, provenientes principalmente de redes de sensores, utilizan modelos de datos similares. En este caso, bases de datos estructuradas son la mejor aproximación puesto que permiten representar fielmente la jerarquía que despliega IFC4. Para ello, PostgreSQL ha sido seleccionado como motor de base de datos, cuyo esquema entidad-relación se ajusta al modelo IFC4 (INSITER, 2016).
Principalmente, las clases IfcSensor, IfcTimeSeries, IfcZone e IfcSpace son las que permiten extender el modelo BIM para datos dinámicos. La primera de ellas representa el sensor, de forma que, a través de su GlobalId dentro del modelo BIM permite identificar unívocamente el sensor. Sin embargo, tiene que ser mapeado en el entorno físico donde el sensor tiene una dirección física.
De esta manera, los mundos físico y virtual se encuentran conectados. Por su parte, IfcTimeSeries representa series temporales, siendo la entidad perfecta para el almacenamiento de datos periódicos. El resto de clases permiten localizar el sensor dentro de las áreas del edificio y jerarquizarlo por zonas, espacios y plantas del edificio (INSITER, 2016). Así se forma el concepto BIM Server mostrado en la Figura 3.
Tecnología para integración de datos
Aparte de la información estática y dinámica, otra información es valiosa para la gestión y el mantenimiento de los edificios inteligentes. Como se ha descrito, la capa de adquisición de datos incluye información 2D y 3D del edificio, obtenido a través de técnicas como escáneres láser, fotografías, termografías, etc. El gran inconveniente de estas técnicas es que cada una de ellas formatean la información de manera heterogénea y en un entorno no relacionado con BIM (Hernández et. al., 2018). Sin embargo, dentro del marco de trabajo de INSITER, los datos en IFC son necesarios para asegurar la interoperabilidad. Con tal propósito, se ha desarrollado una metodología, como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., para integrar información digital en Revit para facilitar el proceso de auto-inspección. Por tanto, se ha desarrollado un plug-in específicamente diseñado para Revit con la librería Point Cloud Library (PCL) para el procesado de nubes de puntos (Lerones et al., 2015), como se muestra en la Figura . El plug-in es una DLL (dynamic-link library) capaz de mostrar ficheros PLY en capas dentro de un proyecto único, permitiendo analizar la información de manera armonizada. El proceso, básicamente, carga la información relacionada con las herramientas hardware para poder extraer características paramétricas para auto-inspección.
Caso de estudio: CARTIF-III
El edificio de CARTIF-III es un edificio de oficinas situado en el Parque Tecnológico de Boecillo, en la localidad de Boecillo, Valladolid (España), construido con paneles prefabricados de hormigón. Formó parte del proyecto europeo DIRECTION (Grant Agreement 285443), cuyo límite de consumo (en energía primaria) tenía que estar por debajo de 60 KWh/m2 año, siguiendo con ello las premisas de construcción de un Edificio de Energía Casi Nula. La construcción del edificio se realizó en 2011 y cuenta con una superficie construida de 4.075 m2, con un coste de 1.140,06 €/m2. Dicho edificio ha sido modelado en BIM como paso inicial del proceso de digitalización e integración de datos para gestión y mantenimiento, como se ilustra en la Figura 15.
CARTIF-III ha sido utilizado como uno de los demostradores del proyecto y, por lo tanto, la integración de la información ha sido uno de los principales objetivos. Puesto que se trata de un edificio construido, el foco es el mantenimiento y cómo detectar errores durante esta fase del ciclo de vida del edificio. Es por ello que la metodología anteriormente descrita ha sido validada en el edificio. La Figura demuestra la inserción de información en el software Revit de datos termográficos, reflectancia (L index: materiales y humedad), información de color RGB (red-green-blue) y geometría mediante coordenadas XYZ, obtenidos mediante láser escáner e importados gracias al plug-in INSITER-DLL creado.
Con respecto a los datos dinámicos de los sensores, la plataforma BIM explicada anteriormente ha sido desplegada en el edificio. Como se observa en la Figura 8, en la parte izquierda, el modelo BIM incluye un sensor de temperatura con IFC-ID = “0VE1OxL6b0nAnaUiygQBij”. Ese mismo sensor está insertado en la base de datos dinámica de manera que se genere el vínculo entre ambos repositorios. Una vez que los datos están insertados, se puede extraer la información tal y como se muestra en la parte derecha de la imagen.
Conclusiones
La gestión y el mantenimiento de los edificios inteligentes requieren de información y datos digitales para mostrar información útil sobre el rendimiento y calidad del edificio. Además, existen múltiples herramientas software que permiten llevar a cabo la gestión y el mantenimiento. Sin embargo, necesitan un amplio conocimiento por parte de los trabajadores, la utilización de varios servicios software y no se integran entre ellos. Como consecuencia, el proceso es más complejo. Por ello, soluciones interoperables son la clave, tal y como se ha mostrado en el artículo, en el que un marco homogéneo y armonizado se ha presentado para integrar datos de múltiples y heterogéneas fuentes. De esta manera, un simple punto de acceso facilita las tareas de gestión y mantenimiento. Para llevar a cabo este concepto, las metodologías BIM que se han utilizado permiten modelar un edificio y tenerlo perfectamente caracterizado. Sin embargo, esta información no es la única necesaria para la gestión y el mantenimiento. Datos dinámicos, información 3D o termografías son ejemplos de otros recursos de datos que permiten analizar la calidad y rendimiento del edificio. Por tanto, tomando BIM como el núcleo, se construye un modelo de integración basado en el estándar IFC, cuya ventaja es homogeneizar la información y, así, mejorar los procesos productivos de los edificios inteligentes.
Referencias
- BuildingSmart, International openBIM Home, accedido 2 abril 2018.
- Directive 2002/91/EC, Energy performance of buildings, accedido 10 de abril 2018.
- Escuela de diseño de Madrid, ESDIMA, ¿Qué es un edificio inteligente?, accedido 10 de abril 2018.
- Hernández, J.L.; Martín Lerones, P.; Bonsma, P.; van Delft, A.; Deighton, R.; Braun, J.-D., 2018, An IFC Interoperability Framework for Self-Inspection Process in Buildings, Buildings, 8(2), 32, doi:10.3390/buildings8020032
- INSITER Consortium, 2016, D3.1: Functional Program of Requirements for Planning and Cost; INSITER Project, Delft, Holanda.
- Lerones, P.M.; Vélez, D.O.; Rojo, F.G.; García-Bermejo, J.G.; Casanova, E.Z. Moisture Detection in Heritage Buildings by 3D Laser Scanning. Stud. Conserv. 2015, 61 (Suppl. 1), 46–54, doi: 10.1179/2047058415Y.0000000017.
- Proyecto INSITER, 2014, Intuitive Self-Inspection Techniques, accedido 9 abril 2018.
- Revel, G.M.; Sabbatini, E., Arnesano, M., 2012, Development and experimental evaluation of a thermography measurement system for real-time monitoring of comfort and heat rate exchange in the built environment. Meas. Sci. Technol., 23, doi:10.1088/0957-0233/23/3/035005.