Diseño de muros impresos en 3D para reducir la irradiación solar acumulada

Abstract

Esta investigación busca reducir la irradiación solar acumulada en fachadas mediante estrategias geométricas pasivas aplicadas a muros impresos en 3D, para ello, se desarrollaron ocho prototipos: uno liso como modelo base, tres con relieves primitivos (vertical, horizontal y combinado), y cuatro prototipos de muros evolutivos diseñados específicamente según la orientación solar (oriente, norte y poniente). La metodología incluyó seis etapas: revisión bibliográfica; diseño paramétrico de los muros con ‘‘Rhinoceros’’ (McNeel, 1993) y "Grasshopper’’ (McNeel, 2007); simulaciones solares utilizando ‘‘Ladybug Tools’’ (Mackey & Sadeghipour, 2017) en tres fechas clave del año (solsticio de invierno, equinoccio de primavera y solsticio de verano); fabricación de prototipos mediante impresión 3D utilizando arcilla como material de ensayo y evaluación comparativa de los resultados. Los resultados evidencian que los prototipos de muros evolutivos, diseñados en función de la trayectoria solar, lograron reducir hasta en un 33% la irradiación solar acumulada mensual respecto al muro liso. El prototipo de muro evolutivo ME-FO (fachada oriente) fue el más eficiente, seguido del ME-FP (poniente) y ME-FN-V02 (norte). En cambio, algunos relieves simples, como el vertical o el horizontal, aumentaron la captación solar en ciertas orientaciones. Además, se identificaron limitaciones constructivas, como inestabilidad en muros con base angosta y parte superior ancha, lo que demuestra que no toda geometría térmicamente eficiente es viable para impresión. Esta investigación demuestra que el diseño geométrico adaptado al contexto solar puede ser una estrategia pasiva efectiva, combinando herramientas paramétricas, simulación climática y fabricación digital para generar soluciones arquitectónicas que reduzcan el ingreso térmico en climas soleados como Santiago de Chile.

This research seeks to reduce cumulative solar radiation on facades through passive geometric strategies applied to 3D-printed walls. To this end, eight prototypes were developed: one smooth as a base model, three with primitive reliefs (vertical, horizontal, and combined), and four prototypes evolutionary walls designed specifically according to solar orientation (east, north, and west). The methodology included six stages: literature review; parametric design of the walls with Rhinoceros (McNeel, 1993) and Grasshopper (McNeel, 1993); solar simulations using Ladybug Tools (Mackey & Sadeghipour, 2017) at three key dates of the year (winter solstice, spring equinox, and summer solstice); fabrication of prototypes by 3D printing using clay as a test material; and comparative evaluation of the results. The results show that the evolutionary walls prototypes, designed according to the sun's trajectory, reduced monthly cumulative solar radiation by up to 33% compared to the smooth wall. The ME-FO evolutionary wall prototype (east facade) was the most efficient, followed by the ME-FP (west) and ME-FN-V02 (north). In contrast, some simple reliefs, such as vertical or horizontal, increased solar gain in certain orientations. In addition, construction limitations were identified, such as instability in walls with a narrow base and wide top, demonstrating that not all thermally efficient geometry is viable for printing. This research demonstrates that geometric design adapted to the solar context can be an effective passive strategy, combining parametric tools, climate simulation, and digital manufacturing to generate architectural solutions that reduce heat gain in sunny climates such as Santiago, Chile.