Museo del Futuro de Dubái: Construyendo un icono arquitectónico de 78 metros

El Museo del Futuro que se está construyendo actualmente en Dubái, Emiratos Árabes Unidos (EAU), es una de las estructuras más complejas jamás construidas. El edificio de 78 metros de altura alberga siete plantas dentro de una cubierta en forma de toro que se asienta sobre un podio de tres plantas. La fachada exterior del toro comprende 1.024 paneles compuestos ignífugos (FR). Revestidos con acero inoxidable, cada panel es una forma 3D única e integra caligrafía árabe moldeada. La escritura fluida forma poemas que describen la visión para el futuro de Dubái por Su Alteza el Jeque Mohammed bin Rashid Al Maktoum, vicepresidente y primer ministro de los EAU y gobernante del Emirato de Dubái. También sirven como ventanas del edificio, proyectando luz diurna a través del interior sin columnas y creando un efecto dramático por la noche mediante 14 kilómetros de iluminación LED integrada.

Concebido por el Jeque Mohammed como incubadora de innovación e invención, el Museo del Futuro se considera uno de los edificios más avanzados del mundo, un lugar donde la gente puede experimentar e investigar nuevas tecnologías. También es un símbolo de arquitectura que traspasa límites mediante el diseño digital y el uso de materiales más eficientes. El diseño paramétrico se usó para desarrollar la rejilla diagonal de acero —un marco de 2.400 miembros de acero que se intersectan diagonalmente— a la que se unen losas de suelo de compuesto de concreto y 17.000 metros cuadrados de revestimiento compuesto, este último usando 1 millón de metros cuadrados de prepreg de epóxido reforzado con fibra de vidrio y carbono multiaxial.

La empresa de Dubái Affan Innovative Structures proporcionó el diseño compuesto para los paneles, así como la fabricación y soporte para la instalación. "Esta es la primera vez que se emprende un proyecto así", dice el CEO de la empresa, Dr. Amer Affan. "Y también la primera vez que paneles compuestos se han usado para integrar múltiples funciones de construcción a través de formas tan complejas."

El arquitecto principal Shaun Killa explica que exteriores tan complejos son normalmente pantallas de lluvia, con un edificio detrás que contiene el sistema de impermeabilización. "Esto simplifica las cosas porque es un poco más indulgente al crear estas formas tridimensionales tan complejas", señala. "En este edificio, sin embargo, el envoltorio está haciendo la impermeabilización, la estanqueidad al aire, la estructura y la iluminación." Affan concede que para un proyecto tan grande, su empresa es pequeña en tamaño, "pero hemos usado nuestra experiencia técnica para lograr algo único y hemos mostrado cómo se construirán los edificios en el futuro."

Capacidad en diseños digitales complejos

Affan Innovative Structures fue contactada inicialmente por el equipo de ingeniería del Museo del Futuro. "No había muchas empresas que pudieran hacer el trabajo requerido para el revestimiento exterior", señala Affan. "El único otro competidor propuso un muro cortina normal con paneles de aluminio o acero inoxidable en el exterior." Los muros cortina, típicamente usados además de un marco estructural de acero, son delgados y hechos de marcos de aluminio que soportan paneles exteriores de vidrio, metal y/o piedra delgada (ver "El envoltorio del edificio: fachadas unitizadas de PRF"). Esto fue rechazado por el equipo de ingeniería como demasiado difícil e incapaz de proporcionar la misma apariencia que era posible usando una fachada de panel compuesto integrado y multifuncional. Así, esta última, propuesta por Affan Innovative Structures, fue seleccionada para el proyecto. "También tenemos tecnología única que nos permite hacer paneles grandes", añade Affan, "hasta 3 metros de ancho por 9 metros de alto, curvados en ambas direcciones, lo que significa menos juntas."

Affan Innovative Structures estaba únicamente capacitada para este proyecto. Formada en 2004 por el Dr. Affan, la empresa proporciona soluciones llave en mano completas —desde el diseño conceptual hasta la instalación y mantenimiento del edificio— gravitando hacia desafíos muy técnicos. El currículum de la empresa incluye la compleja pantalla geométrica de aluminio/revestimiento para el Estadio King Abdullah Sports City (Yeda, Arabia Saudita), el dosel de entrada compuesto y 64 claraboyas de vidrio y acero con patrones intrincados para el Yas Mall (Abu Dabi, EAU), el techo exterior compuesto para el Hospital Sidra (Doha, Catar) y muchos otros proyectos desafiantes. Esta capacidad en ensamblajes complejos de acero, vidrio y compuestos sería exactamente lo que se necesitaba para el exterior compuesto multifuncional del Museo del Futuro.

"Dentro de cada panel compuesto, hay un sistema de paneles de vidrio plano dentro de la escritura árabe", explica Affan. "El vidrio está casi empotrado dentro de los paneles, hasta 200 milímetros de profundidad." Este empotramiento cambia no solo desde la parte superior del edificio, con menos empotramiento para evitar acumulación de agua, hasta la parte inferior, donde los paneles verticales y bajo corte pueden empotrarse profundamente sin atrapar agua, sino también dentro de cada panel, inclinándose y disminuyendo para producir un borde gradual y natural para la escritura. "La ubicación y los bordes del empotramiento también variaban según la ubicación del vidrio dentro del panel porque el vidrio era plano pero los paneles eran curvos", señala Affan. "Esto solo fue posible con diseño digital y mecanizado CNC." Esta precisión también sería necesaria para asegurar que la escritura, que variaba de un panel al siguiente, se alineara con precisión a medida que se instalaban los paneles para que las letras y palabras fluyeran correctamente a través del exterior del edificio.

Para Affan, la única solución era moldear la escritura árabe y los empotramientos en cada panel compuesto. "Los refuerzos se colocarían en moldes mecanizados con CNC de precisión", explica. Afortunadamente, el software CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Francia) que Affan Innovative Solutions usa para impulsar sus máquinas CNC es también el programa CAD 3D usado por la industria aeroespacial para diseñar aviones complejos y estructuras compuestas. Además, el equipo de 28 ingenieros de Affan también domina el software BIM Tekla, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, Washington, EE. UU.) y AutoCAD de Autodesk. "Hicimos todos los dibujos en CATIA, así como el diseño de laminado, lo que nos dio la capacidad de hacer un mecanizado tan complejo", dice Affan.

El diseño, sin embargo, no fue trivial, y tuvo que cumplir una variedad de cargas estructurales y de viento. Por ejemplo, el interior del toro creó un efecto túnel de viento, explica Affan. Estos paneles deben soportar hasta 450 kg/m² (92 lb/ft²) de carga de viento. (Nota, el Código Internacional de Construcción lista cargas de viento de 71 lb/ft² para áreas de alto riesgo de huracanes en West Palm Beach, Florida, EE. UU.). Los paneles compuestos para el Museo del Futuro también están adaptados para minimizar el peso. "Los paneles usan 9 a 13 capas, que varían según la ubicación y la carga", dice Affan. Añade que el Composite Technology Center (Stade, Alemania), una subsidiaria de Airbus y socio de larga data a través de la organización comercial CFK Valley ev (Stade, Alemania), "proporcionó una verificación de terceros de nuestro diseño de laminado, cálculos de deflexión y rigidez."

Una complejidad e innovación adicional es que los paneles también integran su propio sistema de fijación. "En los bordes, 24 capas forman la geometría de fijación tipo casete para conectar al edificio", explica Affan. Un sistema de casete es un método para fijar revestimiento externo, desarrollado originalmente para instalaciones tipo pantalla de lluvia. Aunque los tipos y geometrías varían, los casetes típicamente permiten una superficie exterior plana e impermeable que se asegura detrás al marco de carga del edificio. Para los paneles de fachada del Museo del Futuro, no se requerían piezas separadas para formar los bordes del casete, sino que se mecanizaban en cada molde y así se integraban en cada panel compuesto.

Materiales, moldes y fabricación de paneles

Aunque los 10.000 metros cuadrados de espacio de fabricación compuesta de Affan Innovative Structures tienen 16 máquinas de infusión de resina y ocho mesas de infusión de resina con tapa de vidrio y base de acero que miden 3 metros por 20 metros, eligió usar prepreg. ¿Por qué? "Lograr el rendimiento FR necesario requiere muchos aditivos, por lo que la resina se vuelve espesa y no fluirá en infusión", explica Affan. En este caso, el aditivo fue trihidrato de aluminio (ATH, ver "Resistir el fuego sin el peso"). Continúa, "Así que trabajamos con Notus Composites [Ras Al Khaimah, EAU] para desarrollar un prepreg epóxico FR. Usamos principalmente fibra de vidrio pero también fibra de carbono en ciertas secciones donde había problemas de deflexión." Aprobado por la Defensa Civil de Dubái, el prepreg EPFR-609 de Notus Composites, en combinación con la película de superficie NE11-FR, ha pasado los requisitos de incendio NFPA 285, EN13051-1 y ASTM E1098 y E84 Clase A (ver "Prepregs ignífugos permiten..." y "Mejor y más barato cribado de materiales de construcción PRF").

Debido a que las superficies metálicas externas en Dubái pueden alcanzar temperaturas de 80 °C (176 °F) en verano, Affan explica, "curamos el prepreg a 120 °C para asegurar un Tg (temperatura de transición vítrea) suficiente para resistir la deflexión por calor. Por lo tanto, los moldes se mecanizaron en espuma de poliuretano que podía soportar esa alta temperatura, lo cual es más caro. Probamos tres o cuatro espumas diferentes, pero solo una pudo soportar la temperatura más presión de vacío, y sin embargo era lo suficientemente blanda para mecanizar CNC fácil y rápidamente."

El mecanizado CNC de cada molde tomó de 12 a 72 horas y cada uno de los 1.024 paneles compuestos requería su propio molde. Las cuatro máquinas CNC de 5 ejes CMS (Zogno, Italia) de Affan Innovative Structures —la mayor midiendo 33 metros de largo por 13 metros de alto por 2,5 metros de alto— fueron necesarias para cumplir la exigente tasa de producción del museo. "Si una [máquina] estaba parada por mantenimiento, teníamos las otras funcionando en paralelo", explica Affan.

Las capas de prepreg se cortaron y kitaron usando un cortador automático (Bulmer, Mehrstetten, Alemania). "No usamos núcleo en los paneles porque, a diferencia de hoy, no había núcleos de espuma en ese momento que pudieran pasar los requisitos FR", dice Affan. Incluso con tal automatización, la fuerza laboral de la empresa de 250 empleados, un total que había alcanzado para 2015, también fue necesaria para entregar en producción, promediando cuatro paneles por día. Equipos de seis trabajadores, cada uno con un supervisor y un conjunto equilibrado de habilidades para ser eficientes, colocaron los paneles. "Normalmente, tendríamos dos o tres equipos trabajando en un proyecto", señala Affan, "pero para cumplir este cronograma de producción teníamos 20 equipos trabajando en un momento dado."

Pasos de fabricación

Paso 1: La espuma de poliuretano se fresa en moldes de precisión. Fuente de todas las imágenes de pasos de fabricación | Affan Innovative Solutions

Paso 2: El prepreg de fibra de vidrio/epóxido se coloca a mano en los moldes.

Paso 3: Los estratificados de prepreg se embolsan al vacío y curan en un horno durante 6 horas a 120 °C.

Paso 4: Los paneles desmoldeados se preparan para el encolado adhesivo del acabado de acero inoxidable.

Paso 5: Los hexágonos de acero inoxidable se encolan y sujetan mecánicamente a los paneles PRF.

Paso 6: Los paneles terminados se elevan para la instalación.

Paso 7: Cada panel se ajusta mediante una "articulación universal" 3D única.

Paso 8: Cada panel se ajusta mediante una "articulación universal" 3D única para lograr una fachada exterior alineada suavemente.

Los estratificados se colocaron a mano, se embolsaron al vacío y curaron durante 6 horas en hornos que medían 20 metros de largo por 8 metros de ancho por 3 metros de alto. "Cada máquina CNC tenía su propio horno", dice Affan. "No agrupamos muchos paneles por ciclo de curado. En su lugar, cuando cada panel estaba listo, lo curábamos inmediatamente para mantener el flujo de producción lo más alto posible. Luego desmoldeábamos los paneles y usábamos un escáner 3D para asegurar que el panel fabricado coincidiera con el archivo CATIA. Según nuestro sistema de control de calidad total, teníamos que verificar contra los archivos digitales en cada paso del proceso."

Los paneles terminados recibieron entonces el acabado exterior de acero inoxidable. "El acero inoxidable se encola adhesivamente a cada panel y luego se sujeta con fijaciones mecánicas, lo cual es un arte en sí mismo", dice Affan. "El metal se cortó en pequeños hexágonos para que se adaptara a los paneles 3D. La cuadrícula hexagonal variaba de pieza a pieza dependiendo de la cantidad de curvatura. Aunque tenemos experiencia y confianza en el encolado, no podía haber riesgo de que un solo hexágono se desprendiera durante la vida del edificio. Así, cada hexágono tuvo que ser sujeto —requiriendo hasta 200 a 300 sujeciones para un solo panel." Los paneles terminados se enviaron luego al sitio para ser instalados.

Instalación sin problemas asistida por la NASA

La instalación fue completada en realidad por la empresa constructora del edificio BAM International (Gouda, Países Bajos). "Solo suministramos supervisores para la instalación para ayudar con cómo manejar los paneles", señala Affan. "La forma en que cada uno se eleva es clave. Los paneles fueron diseñados para ser lo suficientemente fuertes para la posición específica de cada uno en el edificio. Sin embargo, deben elevarse de una manera específica, a través de al menos dos puntos de elevación, al igual que colgar casetes en métodos de construcción más tradicionales."

Hubo un problema adicional que Affan estaba únicamente calificado para resolver. "Para que cada panel se asiente en la estructura de acero y aún forme la superficie suave, necesitábamos la capacidad de ajustar el panel en profundidad, orientación y curvatura en 3D —en otras palabras, una especie de articulación universal con tres grados de libertad. En 1985, trabajé como estudiante en la NASA en California sobre amortiguación de estructuras de estaciones espaciales. La clave era poder mover cada estructura y ajustarla cuando el transbordador acoplaba para que la vibración se amortiguara rápidamente, un poco como cancelación de ruido. Usé la misma tecnología para la fijación y ajuste del panel durante la instalación."

Además, como los paneles proporcionaban el sellado estanco del edificio, no podía haber huecos entre ellos. "Los paneles no podían estar directamente adyacentes, o podrían agrietarse", dice Affan, explicando que debido a una carga viva alta de 1,5 toneladas en el área de exposición del 6º piso en voladizo, la estructura de acero en realidad se mueve. "Mantuvimos un espacio precisamente espaciado entre paneles y esto se rellenó con una junta especial." Esta junta, lo suficientemente blanda para expandirse, pero lo suficientemente rígida para soportar la carga, proporcionaba funcionalidad de sellado mientras permitía la apariencia estética del edificio.

Tales soluciones son una ventaja, señala Affan. "Porque venimos de un fondo de estructuras, somos capaces de combinar muchos materiales. Esto es muy importante. Los compuestos son solo un material que usamos. Esto no fue solo un proyecto de compuestos." Los resultados hablan por sí mismos. "La instalación fue bien; no hubo problemas en absoluto", dice Affan, quien señala que no había forma de verificar si el panel encajaría excepto asegurando su conformidad con el archivo digital. "No hemos tenido un panel aún que no haya encajado o haya tenido la forma incorrecta o la palabra mal escrita", testificó el gerente de proyecto de Buro Happold, Bauly, en un artículo de la BBC por Elizabeth Bains.

Construcción modular futura

"Gestionamos todo el proceso juntos", añade Affan. "El trabajo en equipo dentro de nuestra propia empresa también fue clave; los grupos de diseño y estratificación tuvieron que coordinarse entre sí. Nunca habíamos hecho un trabajo tan grande como este, y fue un desafío, pero nos gustan los desafíos."

Desafortunadamente, el COVID-19 ha pasado factura. "Terminamos este trabajo justo antes del confinamiento por la pandemia", dice. "Ahora, estamos reducidos a menos de 30 personas. Es devastador. Pero esto ha afectado a todos, no solo a nosotros." Y sin embargo, Affan ve esperanza para el futuro y para el papel que los compuestos jugarán en lograr la sostenibilidad e innovación que el mundo necesita en la construcción. "Especialmente en Dubái y el CCG (Consejo de Cooperación del Golfo), la gente quiere probar nuevas ideas. Está demostrando el futuro de la arquitectura y la construcción."

Ese futuro, enfatiza, será para aquellos que puedan usar sistemas modulares de construcción, "y el COVID-19 en realidad está acelerando esto. Las empresas construirán en módulos y los enviarán al sitio. Esto se desarrollará porque mueve las ineficiencias fuera del sitio y a una fábrica, aumentando el control y la calidad. En el sitio, tienes que coordinar a toda la gente. Pierdes tiempo esperando a otros subcontratistas. También dependes del clima y paradas de trabajo. La fabricación en una fábrica elimina todo esto. Porque son lo suficientemente fuertes, ligeros y duraderos para transportar e instalar fácilmente, los compuestos permiten este tipo de construcción modular y puedes hacer cualquier forma que quieras."

Affan señala que la construcción modular se ha usado en cruceros durante años, donde cada camarote está premontado, completo con calefacción/aire acondicionado, sistemas eléctricos y de fontanería, y luego se ensamblan en el marco de acero del barco como bloques LEGO. "Imagina cuánto tiempo ahorrarás cuando cada módulo ya está equipado. Estamos viendo ahora un proyecto para hacer un edificio de gran altura de esta manera usando compuestos", dice. "Si tienes resinas FR, entonces no necesitas las partes que antes eran de metal." Citando un hotel Marriott construido así y completado el año pasado en la ciudad de Nueva York, Affan añade, "ese edificio era de acero y madera, pero podemos construirlo en compuestos."