La computación evolutiva es una rama de la inteligencia artificial que ha demostrado ser de gran efectividad para la optimización de problemas basados en combinatoria, diseño automatizado o predicciones. Su extrapolación al diseño de prototipos y simulaciones mediante comportamientos físicos y mecánicos permite optimizar soluciones arquitectónicas, cuantificando valores del diseño geométrico, estructural o bioclimático susceptibles de mejorar.

Por otro lado, BIM (Building Information Modeling) es una metodología de trabajo colaborativa para proyectos de edificación y obra civil a través de una modelo digital en 3D, que permite gestionar los elementos durante todo el ciclo de vida. Esta metodología se ha convertido en esencial durante los últimos años en la práctica profesional, sin embargo, no está exenta de limitaciones. A día de hoy no es posible, entre otras cosas, realizar simulaciones de optimización evolutivas como las anteriormente descritas.

Se propone trabajar con los alumnos del Grado de Fundamentos de Arquitectura en la asignatura optativa de BIM y Diseño Computacional y del Máster Universitario en Comunicación Arquitectónica en el desarrollo de simulaciones físicas mediante computación evolutiva, para su implementación en metodología BIM. Posteriormente, los materiales didácticos que se generen en esta experiencia piloto se propondrán como un medio para introducir en el Grado de Fundamentos de la Arquitectura y el Máster los nuevos aprendizajes instrumentales que cada vez se demandan más en la formación de arquitectura.

La aproximación al diseño de algoritmos genéticos presenta una parte de experimentación, debido a que las soluciones óptimas no son siempre obvias, especialmente cuando se trata de definir proyectos en los que intervienen la creatividad, como es la arquitectura. De esta manera, cada grupo de alumnos definirá sus propios algoritmos genéticos, obteniendo diferentes prototipos que servirán como base para la posterior experimentación. Existe una fase de prueba y error, en la que cada grupo de alumnos experimentará con diferentes configuraciones difícilmente previsibles, tales como las probabilidades de cruce y mutación, los tamaños de población o los índices de distribución. Los diferentes genes, objetivos “fitness” y fenotipos empleados por los alumnos darán lugar a diferentes prototipos que servirán como material documental para futuros estudiantes.

Debido al grado de complejidad técnica de la propuesta, se cuenta con la colaboración de profesionales en el ámbito tanto de BIM como de inteligencia artificial, que podrán asesorar a los alumnos y profesores durante el desarrollo del proyecto de innovación.

La propuesta tiene un carácter transversal. El taller propone una integración de disciplinas mediante la colaboración de tres Universidades, varios departamentos de la UPM, el grupo de innovación educativa Hypermedia y profesionales de empresas privadas.

La transversalidad de disciplinas alrededor de un proyecto permite a los estudiantes llevar a cabo un proceso completo de diseño algorítmico, prototipado y fabricación digital, adquiriendo los conocimientos técnicos para llevarlo a cabo.

La línea de trabajo principal en la que se enmarca el proyecto de innovación educativa es Inteligencia Artificial (E5). Sin embargo, el proyecto abarca más líneas de las que se especifican:

1. Aula Invertida (E1).

Se establecen varios canales de comunicación no presenciales, de manera que los alumnos puedan adquirir los conocimientos técnicos requeridos fuera del aula.  De esta manera se pueden dedicar las horas del taller a realizar simulaciones con los profesores y utilizar la maquinaria de la Escuela para la fabricación digital de los prototipos.

2. Aprendizaje basado en retos (E3).

Los alumnos deberán resolver los retos planteados por los profesores. Los retos intentarán motivar a los alumnos, favoreciendo el trabajo y aprendizaje de los alumnos.

Para la consecución de los retos, los estudiantes deberán llevar a cabo un proceso completo de prototipado, incluyendo las fases de estudio previo, diseño algorítmico, análisis, simulaciones y fabricación digital.

Los retos se plantean bajo la premisa de la transversalidad de los conocimientos y herramientas requeridas para su ejecución. Los estudiantes necesitan poner en práctica conocimientos previos del grado de arquitectura (construcción, estructuras, diseño y dibujo) y adquirir nuevas competencias en programación, metodología BIM y fabricación digital. 

3. Aprendizaje basado en investigación (E4).

Se trata de talleres experimentales, donde los trabajos realizados por los alumnos conllevan una investigación, plantean una hipótesis para su realización y los prototipos finales son los ensayos reales obtenidos. Mediante la realización de un experimento desarrollan soluciones para un problema planteado.

Los alumnos documentan el proceso de los ensayos y experimentos realizados. Estos servirán de base para su posterior divulgación y elaboración de materiales docentes.

Los resultados obtenidos por los alumnos aumentan el conocimiento existente y amplían las capacidades de los softwares actuales.

El objetivo principal de la propuesta consiste en ampliar las capacidades actuales de la metodología BIM mediante Inteligencia Artificial. A su vez, se busca la consecución de los siguientes objetivos específicos:

- Introducir a los estudiantes de arquitectura en el diseño de algoritmos mediante Inteligencia Artificial.

- Concienciar a los alumnos de la importancia de la optimización en el diseño arquitectónico y su impacto a nivel global (ahorro de materiales, disminución de emisiones de CO2, mejoras estructurales, eficiencia energética, etc.).

- Aumentar el interés de los alumnos, poniendo a su alcance herramientas actuales de éxito en el mercado laboral.

- Incorporar tecnologías de la información y la comunicación en los métodos docentes y evaluadores.

- Fomentar el desarrollo de prácticas en entornos virtuales que permitan mejorar los resultados académicos de los alumnos, promocionando el autoaprendizaje mediante aula invertida.

- Incentivar al profesorado en el uso de nuevas tecnologías digitales para transmitir los conocimientos de construcción, diseño y prototipado.

- Mejorar la competencia en la lengua inglesa. El taller se realiza completamente en inglés, la documentación aportada a los alumnos y los resultados que elaboren serán en este idioma.

- Integrar los algoritmos diseñados en el flujo de trabajo, ampliando las capacidades de los softwares actuales BIM.

El Ministerio de Fomento promueve desde hace años el uso e implantación de la metodología BIM con la finalidad de aumentar la productividad de España en el sector de la construcción, a la vez que disminuir los costes de los modelos de mantenimiento de activos de las edificaciones. Entre los objetivos marcados se encuentra “promover el uso de BIM en el ámbito profesional y docente”.

Desde el 17 de diciembre de 2018 existe la obligación de ejecutar en BIM todos los proyectos constructivos de edificación con financiación pública.

A fecha de hoy en el Grado de Fundamentos de Arquitectura de la UPM solamente existe una asignatura -de carácter optativo- en la que los alumnos puedan obtener formación en BIM.

El proyecto de innovación pretende ampliar las capacidades de la metodología BIM a la vez que ofrecer una formación a los alumnos demandada en el mundo profesional. Se busca una mejora de los resultados académicos favoreciendo y flexibilizando el flujo de trabajo basado en dicha metodología, incorporando agentes externos a las aplicaciones BIM actuales.

El proyecto se desarrollará entre los meses de febrero y mediados de noviembre de 2023, adaptándose a las fechas de la convocatoria.

Fase 1. Aprendizaje de los conceptos y herramientas requeridos para que los alumnos sean capaces de desarrollar sus prototipos. Los softwares empleados no son gratuitos, pero se dispone de licencias en la Escuela de Arquitectura. A su vez, los alumnos disponen de licencias educacionales para trabajar fuera del aula.

Fase 2. Planteamiento de hipótesis y objetivos por parte de los alumnos, tras obtener una visión de las posibilidades del proyecto. Los prototipos fabricados serán diferentes para cada grupo de alumnos, resolviendo los objetivos establecidos por ellos. Unas soluciones serán mejores y otras peores; solucionar el problema consistirá en encontrar la solución óptima.

Fase 3. Desarrollo de algoritmos genéticos. Los alumnos definirán una estructura de datos que admita todas las posibles soluciones a un problema. Los trabajos de cada grupo servirán como base de trabajo de futuros alumnos, ampliándose progresivamente la base de datos. Se emplearán librerías de acceso abierto sin coste económico.

Fase 4. Implantación de las simulaciones en la metodología BIM. Se ampliarán las capacidades de los softwares BIM actuales, integrando las simulaciones previamente desarrolladas. El uso de familias parametrizadas permite reducir tiempos en la definición geométrica y constructiva de los prototipos para su posterior fabricación.

Fase 5. Fabricación digital de los prototipos. Para el año 2023 el nuevo laboratorio de fabricación digital de la Escuela de Arquitectura de la UPM estará operativo. Los alumnos dispondrán de impresoras 3D, cortadoras láser y una fresadora para la fabricación de modelos a escala de los prototipos realizados. Estos modelos servirán para verificar la viabilidad de los prototipos realizados y comprobar sus propiedades mecánicas. 

Fase 6. Divulgación de los resultados y material didáctico.

Viabilidad y sostenibilidad de la propuesta: el empleo de software del que ya se disponen licencias y libre, recursos didácticos digitales, librerías de libre acceso, material de bajo coste y maquinaria ya disponible en la Escuela garantiza la viabilidad económica del proyecto. Su sostenibilidad en el tiempo se ve reforzada por su escalabilidad. El material producido irá conformando una base de datos reutilizable por futuros alumnos, que a su vez volverán a ampliarla.

El seguimiento del proyecto se llevará a cabo mediante reuniones semanales entre los profesores y el becario contratado. Se establece una reunión cada dos sesiones de trabajo con los alumnos, pudiéndose controlar el cumplimiento de los hitos establecidos.

La evaluación de los resultados se realizará para cada fase del proyecto. Se establecen diferentes métodos de evaluación: midiendo el nivel de aprendizaje de los alumnos, valorando pedagógicamente las herramientas digitales empleadas, usando de rúbricas, comparando los prototipos fabricados, autoevaluación y nivel de satisfacción de los alumnos.

El producto principal serán los prototipos desarrollados por los alumnos, que irán conformando una base de datos reutilizable para futuros alumnos.

Por otro lado, los alumnos documentarán el proceso, generando materiales didácticos transferibles a otras asignaturas tanto de la UPM como externas.

Los materiales y publicaciones realizadas estarán disponibles para los alumnos y profesores y se divulgarán en las páginas de los Departamentos implicados.

A su vez se plantea la difusión nacional e internacional mediante Congresos especializados:

- International Conference on Computer Supported Education. https://csedu.scitevents.org/Home.aspx

- Ponencias en Jornadas de Innovación docente JIDA https://revistes.upc.edu/index.php/JIDA

- International Conference of Education, Research and Innovation. https://iated.org/iceri/

- Congreso Universitario Internacional sobre la Comunicación en la profesión y en la Universidad de hoy: Contenidos, Investigación, Innovación y Docencia https://cuiciid.net

- Profesores del Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónica de la UPM (coordinación).

- Grupo de Innovación educativa Hypermedia de la UPM.

- Profesores de las Universidades del País Vasco.

- Profesionales de las empresas Acciona y McNeel Europe.

- Comunidades EELISA