Assessment methodology to make urban transport interchanges attractive for users

En las ciudades europeas, los patrones de movilidad son cada vez más complejos debido fundamentalmente a un crecimiento sostenido de la población así como a la tendencia de dispersión de los núcleos urbanos. En consecuencia, muchos de los usuarios del transporte público se ven obligados a combinar varios modos o servicios de transporte para completar sus viajes diarios. Por tanto, el mayor reto de las ciudades es conseguir una mejora e incremento en la movilidad mientras que al mismo tiempo se reducen problemas como la congestión, los accidentes y la contaminación (COM, 2006). Un principio básico para lograr una movilidad sostenible es reducir los inconvenientes y molestias derivados de la transferencia o ruptura del viaje. En este sentido, los intercambiadores de transporte público juegan un papel fundamental como nodos de la red urbana de transporte y la calidad del servicio prestado en ellos tiene una influencia directa sobre la experiencia diaria de los viajeros. Como señaló Terzis and Last (2002), un intercambiador de transportes urbano eficiente debe ser competitivo y al mismo tiempo, debe ser atractivo para los usuarios dado que sus experiencias físicas y sus reacciones psicológicas se ven influenciadas de manera significativa por el diseño y operación del intercambiador. Sin embargo, todavía no existen standards o normativas a nivel europeo que especifiquen como deberían ser estos intercambiadores. Esta tesis doctoral proporciona conocimientos y herramientas de análisis dirigidas a planificadores y gestores de los propios intercambiadores con el fin de entender mejor el funcionamiento de los intercambiadores y gestionar así los recursos disponibles. Así mismo, esta tesis identifica los factores clave en el diseño y operación de intercambiadores urbanos de transporte y proporciona algunas guías generales de planificación en base a ellos. Dado que las percepciones de los usuarios son particularmente importantes para definir políticas adecuadas para intercambiadores, se diseñó y se llevó a cabo en 2013 una encuesta de satisfacción al viajero en tres intercambiadores de transporte urbano europeos: Moncloa (Madrid, España), Kamppi (Helsinki, Finlandia) e Ilford Railway Station ( Londres, Reino Unido). En resumen, esta tesis pone de relieve la naturaleza ambivalente de los intercambiadores urbanos de transporte, es decir, como nodos de la red de transporte y como lugares en sí mismos donde los usuarios pasan tiempo dentro de ellos y propone algunas recomendaciones para hacer más atractivos los intercambiadores a los usuarios. Travel patterns in European urban areas are becoming increasingly complex due to a sustained increase in the urban population and the trend towards urban sprawl. Consequently, many public transport users need to combine several modes or transport services to complete their daily trips. Therefore, the challenge facing all major cities is how to increase mobility while at the same time reducing congestion, accididents and pollution (COM, 2006). Reducing the inconvenience inherent in transferring between modes is a basic principle for achieving sustainable mobility. In this regard, transport interchanges play a key role as urban transport network nodes, and the quality of the service provided in them has a direct influence on travellers' daily experience. As noted by Terzis and Last (2000), an efficient urban transport interchange must be competitive and, at the same time, be attractive for users given that their physical experiences and psychological reactions are significantly influenced by the design and operation of the interchange. However, yet there are no standards or regulations specifying the form these interchanges should take in Europe. This doctoral thesis provides knowledge and analysis tools addressed to developers and managers in order to understand better the performance of an urban transport interchange and manage the available resources properly. Likewise, key factors of the design and operation of urban transport interchanges are identified and some 'Planning guidelines' are proposed on the basis on them. Since the users' perceptions of their experience are particularly important for achieving the most appropriate policy measures for interchanges, an ad‐hoc travellers' satisfaction survey was designed and carried out in 2013 at three European transport interchanges: Moncloa (Madrid, Spain), Kamppi (Helsinki, Finland) and Ilford Railway Station (London, United Kingdom) In summary, this thesis highlights the ambivalent nature of the urban transport interchanges, i.e. as nodes within the transport network and as places where users spending time and proposes some policy recommendations in order to make urban transport interchanges attractive for users.

Diseño para fabricación digital: definición unívoca entre forma y fabricación en arquitectura

La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. Establecida la primera conclusión, el capítulo de contexto histórico continúa enfocándose sobre la aplicación de las técnicas digitales en el Proceso de proyecto primero, y en la puesta en obra después. Los casos de estudio identifican claramente como un punto de inflexión para la generación de formas complejas mediante un software CAD el Museo Guggenheim de Bilbao en 1992. El motivo esencial para elegir este proyecto como el primer proyecto digital es el uso de la herramienta de definición digital de la geometría para su reproducción inequívoca en obra. “La revolución digital ha aportado al Arquitecto la posibilidad de abandonar las tipologías arquitectónicas basados en restricciones geométricas-constructivas. La aplicación de técnicas de fabricación digital ha permitido la capacidad de diseñar con independencia del sistema constructivo y libertad formal. En este nuevo contexto las prestaciones suponen los nuevos límites conceptuales, ya que el acceso y disposición de la información del comportamiento de las alternativas que cada geometría conlleva demanda del Arquitecto la jerarquización de los objetivos y la formulación en un conjunto coherente de parámetros”. Los proyectos que emplean herramientas digitales para la resolución de las distintas etapas del proceso proyectual se verán incrementados de forma exponencial desde 1992 hasta nuestros días. A pesar del importante auge de las técnicas de diseño asistido por ordenador el principal desafío sigue siendo la vinculación de las geometrías y materiales propuestos con las capacidades de las técnicas de manufactura y puesta en obra. El proceso de diseño para fabricación en un entorno digital es una tecnología madura en otras industrias como la aeroespacial o la automovilística, incluso la de productos de consumo y decoración, sin embargo en el sector de Construcción es un sistema inmaduro e inconexo. Las particularidades de la industria de la construcción aún no han sido abordadas en su totalidad y las propuestas de investigación realizadas en este ámbito se han centrado hasta 2015 en partes del proceso y no en el proceso total. “El principal obstáculo para la estandarización e implantación globalizada de un proceso digital desde el origen de la forma hasta la construcción es la inexistencia de un protocolo integrado que integre las limitaciones de fabricación, económicas y de puesta en obra junto a la evaluación de desempeño prestacional durante la fases iniciales de proyecto”. En el capítulo número 3 se estudian los distintos procesos de generación de la forma. Se propone una definición específica para el ámbito de la investigación de “forma” en el entendemos que se incluye la envolvente exterior y el conjunto organizativo de espacios interiores conectados. Por lo tanto no es excluyente del interior. El objetivo de este estudio es analizar y clasificar los procesos para la generación digital de formas en los distintos proyectos seleccionados como emblemáticos de cada tipología. Se concluye que la aproximación a este proceso es muy variada y compleja, con aplicación segregada y descoordinada entre los distintos agentes que han intervenir. En un proceso de generación formal analógico los parámetros que intervienen son en parte conscientes y en parte inconscientes o aprendidos. El Arquitecto sólo tiene control sobre la parte consciente de los parámetros a integrar en el diseño, de acuerdo a sus conocimientos y capacidades será capaz de manejar un número limitado de parámetros. La parte aprendida permanece en el inconsciente y dirige el proceso analógico, aportando prejuicios estéticos incorporados durante el proceso formativo y propio del entorno cultural. “El empleo de herramientas digitales basadas en la evaluación prestacional durante el proceso de selección formal permite al Arquitecto conocer “en tiempo real” el desempeño en el conjunto de prestaciones evaluadoras del conjunto de alternativas geométricas a la propuesta previamente definida por la intuición arquitectónica. El proceso definido no persigue identificar una solución óptima sino asistir al Arquitecto en el proceso de generación de la forma mediante la evaluación continua de los vectores direccionales más idóneos que el procedimiento generativo plantea”. La definición de complejidad en generación y producción de formas en relación con el proceso de diseño digital paramétrico global o integrado, es esencial para establecer un protocolo que optimice su gestión. “Se propone como definición de complejidad como factor resultante de multiplicar el número de agentes intervinientes por el número de parámetros e interacciones comunes que intervienen en el proceso de generación de la forma, dividido por la complejidad de intercambio de información digital desde el origen hasta la fase de fabricación y construcción”. Una vez analizados los procesos de generación digital de Arquitectura se propone identificar los parámetros geométricos que definen el proceso de Diseño digital, entendiendose por Diseño el proceso que engloba desde la proposición de una forma inicial basada en la intuición del Arquitecto, la generación y evaluación de variantes y posterior definición digital para producción, tanto de un objeto, un sistema o de la totalidad del Proyecto. En la actualidad el proceso de Diseño es discontinuo y lineal organizandose los parámetros por disciplinas en las que está estructurada las atribuciones profesionales en la industria de la construcción. Para simplificar la identificación y listado se han agrupado siguiendo estos grupos de conocimiento. Entendemos parametros invariables aquellos que son independientes de Tipologías arquitectónicas o que dependen del mismo proceso de generación de la Forma. “El listado de los parámetros que intervienen en un proceso de generación formal es una abstracción de una realidad compleja. La parametrización de las decisiones que intervienen en la selección de una forma determinada mediante “well defined problems” es imposible. El proceso que esta tesis describe entiende esta condición como un elemento que pone en valor el propio procedimiento generativo por la riqueza que la subjetividad que el equipo de diseño aporta”. La segunda parte esencial de esta investigación pretende extraer las restricciones propias del estado del arte de la fabricación digital para posteriormente incorporarlos en los procesos digitales de definición de la Forma arquitectónica. “La integración de las restricciones derivadas de las técnicas de fabricación y construcción digitales en el proceso de generación de formas desde el ámbito de la Arquitectura debe referirse a los condicionantes geométricos asociados a cada sistema constructivo, material y técnica de fabricación. La geometría es además el vínculo que permite asociar el conjunto de parámetros prestacionales seleccionados para un Proyecto con los sistemas de fabricación digital”. A estos condicionantes geométricos obtenidos del análisis de cada sistema de fabricación digital se les ha denominado “invariantes geométricos”. Bajo este término se engloban tanto límites dimensionales de fabricación, como materiales compatibles, tolerancias de manufactura e instalación y cualidades prestacionales asociadas. El objetivo de esta propuesta es emplear la geometría, herramienta fundamental y propia del Arquitecto, como nexo de unión entre el conjunto complejo y heterogéneo de parámetros previamente listados y analizados. Para ello se han simplificado en tablas específicas para cada parámetro prestacional los condicionantes geométricos que se derivan de los Sistemas de fabricación digital compatibles (ver apéndice 1). El estudio y evaluación de las capacidades y objetivos de las distintas plataformas de software disponibles y de las experiencias profesionales evaluadas en los proyectos presentados, permiten concluir que la propuesta de plataforma digital de diseño integral multi-paramétrico de formas arquitectónicas requiere de un protocolo de interoperatibilidad específico aún no universalmente establecido. Actualmente el enfoque de la estrategia para normalizar y universalizar el contexto normativo para regular la interoperatibilidad se centra en figura del gestor denominado “BIM manager”. Las atribuciones y roles de esta figura se enfocan a la gestión del continente y no del contenido (Definición de los formatos de intercambio, niveles de desarrollo (LOD) de los componentes o conjuntos constructivos, detección de interferencias y documentación del propio modelo). Siendo este ámbito un desarrollo necesario para la propuesta de universalización del sistema de diseño para fabricación digital integrado, la presente investigación aporta un organigrama y protocolo asociado. El protocolo: 1. Establece la responsabilidad de identificar y definir la Información que debe determinar el proceso de generación y desarrollo de la forma arquitectónica. 2. Define la forma digital apropiada para generar la geometría del Proyecto, incluyendo la precisión necesaria para cada componente y el nivel de detalle necesario para su exportación inequívoca al proceso de fabricación. 3. Define el tempo de cada etapa de diseño identificando un nivel de detalle acorde. 4. Acopla este organigrama dentro de las estructuras nuevas que se proponen en un entorno BIM para asegurar que no se producen solapes o vacíos con las atribuciones que se identifican para el BIM Manager. “El Arquitecto debe dirigir el protocolo de generación coordinada con los sistemas de producción digital para conseguir que la integración completa. El protocolo debe asistir al proceso de generación de forma mediante la evaluación del desempeño prestacional de cada variante en tiempo real. La comunicación entre herramientas digitales es esencial para permitir una ágil transmisión de información. Es necesario establecer un protocolo adaptado a los objetivos y las necesidades operativas de cada proyecto ya que la estandarización de un protocolo único no es posible”. Una decisión estratégica a la hora de planificar una plataforma de diseño digital común es establecer si vamos a optar por un Modelo digital único o diversos Modelos digitales federados. Cada uno de los modos de trabajo tiene fortalezas y debilidades, no obstante en el ámbito de investigación se ha concluido que un proceso integrado de Diseño que incorpore la evaluación prestacional y conceptual definida en el Capítulo 3, requiere necesariamente de varios modelos de software distintos que han de relacionarse entre sí mediante un protocolo de comunicación automatizado. Una plataforma basada en un modelo federado consiste en establecer un protocolo de comunicación entre los programas informáticos empleados por cada disciplina. En este modelo de operación cada equipo de diseño debe establecer las bases de comunicación en función del número y tipo de programas y procesos digitales a emplear. En esta investigación se propone un protocolo basado en los estándares de intercambio de información que estructura cualquier proceso de generación de forma paramétrico “La investigación establece el empleo de algoritmos evolutivos como el sistema actual óptimo para desarrollar un proceso de generación de formas basadas en la integración y coordinación de invariantes geométricos derivados de un conjunto de objetivos prestacionales y constructivos. No obstante, para la aplicación en el caso práctico realizado se ha podido verificar que la evaluación del desempeño aún no puede realizarse en una única herramienta y por lo tanto el proceso de selección de las variantes genéticas óptimas ha de ejecutarse de forma manual y acumulativa. El proceso debe realizarse de manera federada para la selección evolutiva de los invariantes geométricos dimensionales”. La evaluación del protocolo de integración y los condicionantes geométricos obtenidos como parámetros geométricos que controlan las posibles formas compatibles se realiza mediante su aplicación en un caso práctico. El ejercicio simula la colaboración multidisciplinar con modelos federados de plataformas distintas. La elección del tamaño y complejidad constructiva del proyecto se ha modulado para poder alcanzar un desarrollo completo de cada uno de los parámetros prestacionales seleccionados. Continuando con el mismo objetivo propuesto para los parámetros prestacionales, la tipología constructiva-estructural seleccionada para el ejercicio permite la aplicación la totalidad de invariantes geométricos asociados. El objetivo de este caso práctico es evaluar la capacidad alterar la forma inicialmente propuesta mediante la evaluación del desempeño prestacional de conjunto de variantes geométricas generadas a partir de un parámetro dimensional determinado. Para que este proceso tenga sentido, cada una de las variantes debe ser previamente validada conforme a las limitaciones geométricas propias de cada sistema de fabricación y montaje previstos. El interés de las conclusiones obtenidas es la identificación de una variante geométrica distante a la solución simétrica inicialmente como la solución óptima para el conjunto de parámetros seleccionados. Al tiempo se ha comprobado como la participación de un conjunto de parámetros multi-disciplinares que representan la realidad compleja de los objetivos arquitectónicos favorecen la aparición de variaciones genéticas con prestaciones mejoradas a la intuición inicial. “La herencias tipológicas suponen un límite para la imaginación de variantes formales al proceso de ideación arquitectónica. El ejercicio realizado demuestra que incluso en casos donde aparentemente la solución óptima aparenta ser obvia una variante aleatoria puede mejorar su desempeño global. La posibilidad de conocer las condiciones geométricas de las técnicas de fabricación digital compatibles con el conjunto de parámetros seleccionados por el Arquitecto para dirigir el proceso asegura que los resultados del algoritmo evolutivo empleado sean constructivamente viables. La mejora de imaginación humana con la aportación de geometrías realmente construibles supone el objetivo último de esta tesis”. ABSTRACT Architectural form generation process is shifting from analogical to digital. Digital technology has changed the way we design empowering Architects and Engineers to precisely define any complex geometry envisioned. At the same time, the construction industry, following aeronautical and automotive industries, is implementing digital manufacturing techniques to improve efficiency and quality. Consequently construction complexity will no longer be related to geometry complexity and it is associated to coordination with digital manufacturing capacities. Unfortunately it is agreed that non-standard geometries, even when proposed with performance optimization criteria, are only suitable for projects with non-restricted budgets. Furthemore, the lack of coordinated exportation protocol and geometry management between design and construction is avoiding the globalization of emergence process in built projects Present research first objective is to identify exclusive form-generation parameters related to digital manufacturing geometrical restraints. The intention was to use geometry as the form-generation tool and integrate the digital manufacturing capacities at first stages of the project. The first chapter of this text describes the investigation historical context focusing on the influence between accurate geometry definition at non-standard forms and its construction. At first examples of non-Euclidean geometries built the communication between design and construction were based on analogical partial and imprecise documentation. Deficient communication leads to geometry adaptation on site leaving the final form uncontrolled by the Architect. Computer Aided Design enable Architects to define univocally complex geometries that previously where impossible to communicate. “The univocally definition of the Form, and communication between design and construction is essential for complex geometry Projects”. The second chapter is focused on digital technologies application in form finding process and site construction. The case studies selected identifies a clear inflexion node at 1992 with the Guggenheim Museum in Bilbao. The singularity of this project was the use of Aeronautics software to define digitally the external envelope complex geometry to enable the contractor to build it. “The digital revolution has given the Architect the capacity to design buildings beyond the architectural archetypes driven by geometric-constructive limitations. The application of digital manufacturing techniques has enabled a free-form construction without geometrical limitations. In this new context performance shall be the responsible to set new conceptual boundaries, since the behavior of each possible geometry can be compare and analyze beforehand. The role of the Architect is to prioritize the performance and architectural objectives of each project in a complete and coherent set of parameters”. Projects using digital tools for solving various stages of the design process were increased exponentially since 1992 until today. Despite the significant rise of the techniques of computer-aided design the main challenge remains linking geometries and materials proposed at each design with the capabilities of digital manufacturing techniques. Design for manufacturing in a digital environment is a mature technology in other industries such as aerospace and automotive, including consumer products and decoration, but in the construction sector is an immature and disjointed system. The peculiarities of the construction industry have not yet been addressed in its entirety and research proposals made in this area until 2015 have focused in separate parts of the process and not the total process. “The main obstacle to global standardization and implementation of a complete digital process from the form-finding to construction site is the lack of an integrated protocol that integrates manufacturing, economic and commissioning limitations, together with the performance evaluation of each possible form”. The different form generation processes are studied at chapter number 3. At the introduction of this chapter there is a specific definition of "form" for the research field. Form is identified with the outer envelope geometry, including the organizational set of connected indoor spaces connected to it. Therefore it is not exclusive of the interior. The aim of this study is to analyze and classify the main digital form generation processes using different selected projects as emblematic of each type. The approach to this process is complex, with segregated and uncoordinated different actors have to intervene application. In an analogical form-generation process parameters involved are partly conscious and partly unconscious or learned. The architect has control only over limited part of the parameters to be integrated into the design, according to their knowledge and. There is also a learned aesthetical prejudice that leads the form generation process to a specific geometry leaving the performance and optimization criteria apart from the decision making process. “Using performance evaluation digital tools during form finding process provides real-time comparative information to the Architect enabling geometry selection based on its performance. The generative form generation process described at this document does not ambition to identify the optimum geometry for each set of parameters. The objective is to provide quick information at each generation of what direction is most favorable for the performance parameters selected”. Manufacturing complexity definition in relation to a global and integral process of digital design for manufacture is essential for establishing an efficient managing protocol. “The definition of complexity associated to design for production in Architecture is proposed as the factor between number of different agents involved in the process by the number of interactions required between them, divided by the percentage of the interchange of information that is standardized and proof of information loss”. Design in architecture is a multi-objective process by definition. Therefore, addressing generation process linked to a set of non-coherent parameters requires the selection of adequate generative algorithm and the interaction of the architect. During the second half of the twentieth century and early twenty-first century it have been developed various mathematical algorithms for multi-parametric digital design. Heuristic algorithms are the most adequate algorithms for architectural projects due to its nature. The advantage of such algorithms is the ability to efficiently handle large scale optimization cases where a large number of design objectives and variables are involved. These generative processes do not pursue the optimum solution, in fact it will be impossible to proof with such algorithm. This is not a problem in architectural design where the final goal is to guide the form finding process towards a better performance within the initial direction provided by the architect. This research has focused on genetic algorithms due to its capacity to generate geometric alternatives in multiple directions and evaluate the fitness against a set of parameters specified in a single process. "Any protocol seeks to achieve standardization. The design to manufacturing protocol aims to provide a coordinated and coherent form generation process between a set of design parameters and the geometrical requirements of manufacturing technique. The protocol also provides an information exchange environment where there is a communication path and the level of information is ensured. The research is focused on the process because it is considered that each project will have its own singularities and parameters but the process will stay the same. Again the development of a specific tool is not a goal for the research, the intention is to provide an open source protocol that is valid for any set of tools”. Once the digital generation processes are being analized and classified, the next step is to identify the geometric parameters that define the digital design process. The definition of design process is including from the initial shape proposal based on the intuition of the architect to the generation, evaluation, selection and production of alternatives, both of an object , system or of the entire project . The current design process in Architecture is discontinuous and linear, dividing the process in disciplines in which the construction industry is structured. The proposal is to unify all relevant parameters in one process. The parameters are listed in groups of knowledge for internal classification but the matrix used for parameter relationship determination are combined. “A multi-parameter determination of the form-finding process is the integration all the measurable decisions laying behind Architect intuition. It is not possible to formulate and solve with an algorithm the design in Architecture. It is not the intention to do so with the proposal of this research. The process aims to integrate in one open protocol a selection of parameters by using geometry as common language. There is no optimum solution for any step of the process, the outcome is an evaluation of performance of all the form variations to assist the Architect for the selection of the preferable solution for the project”. The research follows with the geometrical restrictions of today Digital manufacturing techniques. Once determined it has been integrated in the form-finding process. “Digital manufacturing techniques are integrated in the form-finding process using geometry as common language. Geometric restraints define the boundary for performance parametric form-finding process. Geometrical limitations are classified by material and constructive system”. Choose between one digital model or several federate models is a strategic decision at planning a digital design for manufacturing protocol. Each one of the working models have strengths and weakens, nevertheless for the research purposes federated models are required to manage the different performance evaluation software platforms. A protocol based on federated models shall establish a communication process between software platforms and consultants. The manager shall integrate each discipline requirements defining the communication basis. The proposed protocol is based on standards on information exchange with singularities of the digital manufacturing industry. “The research concludes evolutionary algorithms as current best system to develop a generative form finding process based on the integration and coordination of a set of performance and constructive objectives. However, for application in professional practice and standardize it, the performance evaluation cannot be done in only one tool and therefore the selection of optimal genetic variants must be run in several iterations with a cumulative result. Consequently, the evaluation process within the geometrical restraints shall be carried out with federated models coordinated following the information exchange protocol”. The integration protocol and geometric constraints evaluation is done by applying in a practical case study. The exercise simulates multidisciplinary collaboration across software platforms with federated models. The choice of size and construction complexity of the project has been modulated to achieve the full development of each of the parameters selected. Continuing with the same objective proposed for the performance parameters the constructive and structural type selected for the exercise allows the application all geometric invariants associated to the set of parameters selected. The main goal of the case study is to proof the capacity of the manufacturing integrated form finding process to generate geometric alternatives to initial form with performance improved and following the restrictions determined by the compatible digital manufacturing technologies. The process is to be divided in consecutive analysis each one limited by the geometrical conditions and integrated in a overall evaluation. The interest of this process is the result of a non-intuitive form that performs better than a double symmetrical form. The second conclusion is that one parameter evaluation alone will not justify the exploration of complex geometry variations, but when there is a set of parameters with multidisciplinary approach then the less obvious solution emerge as the better performing form. “Architectural typologies impose limitation for Architects capacity to imagine formal variations. The case study and the research conclusions proof that even in situations where the intuitive solution apparently is the optimum solution, random variations can perform better when integrating all parameters evaluation. The capacity of foreseing the geometrical properties linking each design parameter with compatible manufacturing technologies ensure the result of the form-finding process to be constructively viable. Finally, the propose of a complete process where the geometry alternatives are generated beyond the Architect intuition and performance evaluated by a set of parameters previously selected and coordinated with the manufacturing requirements is the final objective of the Thesis”.

Estratos arquitectónicos : conceptos, lógicas, sinopsis

La presente tesis doctoral se centra en la investigación del "estrato arquitectónico", manejando conceptos, lógicas y sinopsis como puntos organizativos, enlazados y superpuestos, que den paso a un marco propositivo que pueda ser simultáneamente articulado e independiente. Una situación que, ante nuevos desafíos, pretende ir más allá de una estricta definición de estrato o de su noción preconcebida descrita desde la superposición de diversos materiales. Todo ello a fin de revelar los diferentes perfiles del estrato y de la estratificación. Para ello, se abre y amplía el campo de estudio proyectual/procesual desdibujando los límites entre disciplinas –geología, filosofía, tecnología, arquitectura–. Y al mismo tiempo, se construye una cartografía del estrato arquitectónico asociada: a una taxonomía descriptora, a nuevas formulaciones, a pensamientos de personajes reconocibles y/o rescatados –como Rowe/Slutzky, Smithson, Parent/Virilio, Koolhaas, MVRDV, etc.–, y, por último, a nuevas lógicas proyectuales y operativas referidas al estrato, que fusionan conocimientos complejos. Unos contenidos que habitualmente no se presentan en investigaciones doctorales tradicionales –lo que permite afrontar nuevos cambios metodológicos, e imprimir un punto de partida para el desarrollo de futuras investigaciones o de otros posibles caminos emergentes–. Así, el discurso se impregna de nuevos referentes teóricos dentro de una misma mitología común (la del estrato). Un tema abordado con claves híbridas, es decir, con estudios selectivos y escritos coleccionados –analizados a partir de antecedentes encontrados y consolidados–, combinados con interpretaciones subyacentes en la arquitectura contemporánea –que pueden todavía encontrarse en fase experimental–. Una investigación que muestra la adaptación, la evolución y el cambio de la definición de "estrato arquitectónico", así como de su apariencia, utilización y aplicación a lo largo del tiempo, consecuencia de las nuevas necesidades y/o de las nuevas bases ideológicas ocasionadas por nuevos descubrimientos. Estratos arquitectónicos que dotan al espacio de profundidad –desde la bidimensionalidad– mediante la superposición de planos paralelos hacia la construcción de una nueva experiencia de estratificación fenomenológica. Estratos que generan estímulos y cambian su materialidad –de opacos a (en)tramados– creando apariencias y produciendo diversos efectos, para posteriormente exfoliarse y convertirse en estratos habitables. Estratos capturadores del espacio-tiempo, o de las dinámicas internas. Llegando incluso, con un último giro, a la era digital, donde el estrato informacional –que continua siendo independiente, autónomo y diverso, y que puede ser modificado, manipulado, suprimido o activable sin alterar el conjunto–, propicia obtener sistemas flexibles, relacionales, capaces de mutar o adaptarse, asociados a distintos niveles de organización dispositiva, que impulsan acciones y hacen emerger lógicas proyectuales. Estratos que surgen de forma elaborada o espontánea en el territorio urbano o natural (ciudad sobre ciudad, suelo sobre suelo), que se aplican extendiendo e hibridando el territorio (paisajes operativos), que son replanteados artificialmente como mecanismos edificatorios según las exigencias existentes (estratos programáticos, capas especializadas), y que se implantan como capas/layers en los programas informáticos utilizados como herramientas de diseño (multicapas, sistemas de intercambio informacional). Un trabajo que se estructura de manera multicapa lo que permite recorrer la tesis como un mapa de secuencias, saltar entre estratos de información, o seleccionar lecturas según intereses de pensamiento o acción arquitectónica. En consecuencia, una investigación sobre el "estrato arquitectónico" que conecta diversas disciplinas, que recopila distintos posicionamientos teórico/prácticos –lo que implica la introducción de parámetros y datos vivos–, y afronta un posicionamiento estratégico que vuelve a poner en valor el estrato arquitectónico –partiendo de estrategias formales que se han transformado en estrategias experimentales/operativas (a medida que el entorno se ha ido complejizando), siguiendo una estrategia conceptual e intelectual contemporánea, propia y específica–. ABSTRACT This PhD thesis is based on the research of "architectural stratum" using concepts, logical and synopsis as organizational, linked and overlapping points, which give way to a proactive framework that can be articulated and independent simultaneously. A situation that, faced with new challenges, aims to go beyond a strict definition of stratum or their preconceived notion described from the superposition of different materials. All this in order to reveal the different profiles of stratum and stratification. To do this, it opens and widens the field of project/process study, blurring the boundaries between disciplines –geology, philosophy, technology, architecture–. And, at the same time, a cartography of the architectural stratum is constructed, that associates with: descriptor taxonomy, new formulations, thoughts of recognizable and/or rescued characters, –as Rowe/Slutzky, Smithson, Parent/Virilio, Koolhaas, MVRDV, etc.–, and finally, a new project and operational logics referred to stratum, which merge complex knowledge. A content not usually presented in traditional doctoral research –which can face new methodological changes, and creates a starting point for future research or other possible emerging paths–. Thus, the work is imbued with new theoretical framework within a common mythology (stratum’s myth). An issue addressed with hybrid keys, that is, with selective studies and collected writings –analyzed starting from found and consolidated backgrounds–, combined with underlying performances on contemporary architecture –which can still be in experimental phase–. A research that shows adaptation, evolution and change of the definition of "architectural stratum", as well as their appearance, use and application throughout time, result of the new requirements and/or the new ideological foundations caused by new discoveries. Architectural strata that give depth to space –from two-dimensionality– by overlapping parallel planes towards the construction of a new experience of phenomenological stratification. Strata that generate stimuli and change their materiality –from opaque to lattice– creating appearances and producing various effects, for later exfoliating and becoming habitable strata. Strata that capture space-time or internal dynamics. Even reaching, with a final twist, the digital age, where the informational stratum –which remains independent, autonomous and diverse, and can be modified, manipulated, deleted or activated without altering the whole–, contribute to obtaining flexible, relational systems, able to mutate or adapt, associated with different levels of regulatory organization, that drive actions and make emerge project logics. Strata that arise elaborately or spontaneously in urban or natural territory (city upon city, floor upon floor), which apply expanding and hybridizing the territory (operational landscapes), which are artificially restated as building mechanisms according to existing requirements (strata program, specialized layers), which are implemented as layers in the software used as design tools (multilayer, systems of informational interchange). A work that is structured in a multi-layered way, which allows explore the thesis as a sequence map, jump between layers of information, or select readings according to an interest in thought or architectural action. Therefore, an investigation into the "architectural stratum" that connects different disciplines, which collects different theoretical/practical positions –which implies the introduction of live parameters and data– and faces a strategic positioning returning to value the architectural stratum –based on formal strategies that have become experimental/operational strategies (as the environment has become more complex), following a conceptual, intellectual, contemporary, own specific strategy–.

Variações sobre a vida após a morte: desenvolvimento de uma crença no judaísmo do Segundo Templo

A expectativa sobre o que acontece a uma pessoa após sua morte circunda a imaginação humana desde tempos muito antigos. Por este motivo, não poucos sistemas religiosos buscaram e ainda buscam dar uma resposta sobre o que uma pessoa pode esperar para além de sua morte. Esta resposta por vezes reflete as situações vivenciadas no cotidiano, de modo que expectativas de justiça, descanso e felicidade, entre outras, estão no centro da esperança de existência depois da vida no mundo como o temos. Mas como idéias, crenças e épocas são sempre diversas, escolhemos o campo imagético judaico para acompanhar suas elaborações e desenvolvimentos das suas noções de vida após a morte. Desta maneira, tencionamos observar algumas sutilezas que permeiam o aparecimento desta crença no Judaísmo do Segundo Templo e de que modo ela e suas reformulações responderam a certos anseios dos que recorreram às suas sugestões, o que fazemos trazendo para este campo também as crenças de outros povos/culturas com os quais Israel manteve contado ao longo de alguns períodos de sua história. Ao procedermos assim, estamos pressupondo uma troca de elementos religioso-culturais que, relidos à luz de expectativas próprias, tenham propiciado ao Judaísmo do Segundo Templo uma gama de conceitos e opções que não estava disponível na época mais antiga.

Variações sobre a vida após a morte: desenvolvimento de uma crença no judaísmo do Segundo Templo

A expectativa sobre o que acontece a uma pessoa após sua morte circunda a imaginação humana desde tempos muito antigos. Por este motivo, não poucos sistemas religiosos buscaram e ainda buscam dar uma resposta sobre o que uma pessoa pode esperar para além de sua morte. Esta resposta por vezes reflete as situações vivenciadas no cotidiano, de modo que expectativas de justiça, descanso e felicidade, entre outras, estão no centro da esperança de existência depois da vida no mundo como o temos. Mas como idéias, crenças e épocas são sempre diversas, escolhemos o campo imagético judaico para acompanhar suas elaborações e desenvolvimentos das suas noções de vida após a morte. Desta maneira, tencionamos observar algumas sutilezas que permeiam o aparecimento desta crença no Judaísmo do Segundo Templo e de que modo ela e suas reformulações responderam a certos anseios dos que recorreram às suas sugestões, o que fazemos trazendo para este campo também as crenças de outros povos/culturas com os quais Israel manteve contado ao longo de alguns períodos de sua história. Ao procedermos assim, estamos pressupondo uma troca de elementos religioso-culturais que, relidos à luz de expectativas próprias, tenham propiciado ao Judaísmo do Segundo Templo uma gama de conceitos e opções que não estava disponível na época mais antiga.

Determining divergence times with a protein clock: Update and reevaluation

A recent study of the divergence times of the major groups of organisms as gauged by amino acid sequence comparison has been expanded and the data have been reanalyzed with a distance measure that corrects for both constraints on amino acid interchange and variation in substitution rate at different sites. Beyond that, the availability of complete genome sequences for several eubacteria and an archaebacterium has had a great impact on the interpretation of certain aspects of the data. Thus, the majority of the archaebacterial sequences are not consistent with currently accepted views of the Tree of Life which cluster the archaebacteria with eukaryotes. Instead, they are either outliers or mixed in with eubacterial orthologs. The simplest resolution of the problem is to postulate that many of these sequences were carried into eukaryotes by early eubacterial endosymbionts about 2 billion years ago, only very shortly after or even coincident with the divergence of eukaryotes and archaebacteria. The strong resemblances of these same enzymes among the major eubacterial groups suggest that the cyanobacteria and Gram-positive and Gram-negative eubacteria also diverged at about this same time, whereas the much greater differences between archaebacterial and eubacterial sequences indicate these two groups may have diverged between 3 and 4 billion years ago.

The orientation of the AP-1 heterodimer on DNA strongly affects transcriptional potency

Activation of gene transcription in eukaryotes requires the cooperative assembly of an initiation complex containing many protein subunits. The necessity that these components contact each other and the promoter/enhancer in defined ways suggests that their spatial arrangement might influence the activation response. Indeed, growing evidence indicates that DNA architecture can profoundly affect transcriptional potency. Much less is known about the influence of protein architecture on transcriptional activation. Here, we examine the architectural dependence of activator function through the analysis of matched pairs of AP-1•DNA complexes differing only in their orientation. Mutation of a critical Arg residue in the basic-leucine zipper domain of either Fos or Jun yielded single point-mutant heterodimers that bind DNA in a single defined orientation, as determined directly by native chemical ligation/affinity cleavage; by contrast, the corresponding wild-type protein binds DNA as a roughly equal mixture of two isomeric orientations, which are related by subunit interchange. The stereochemistry of the point-mutant heterodimers could be switched by inversion of a C•G base pair in the center of the AP-1 site, thus providing access to both fixed orientational isomers. Yeast reporter gene assays consistently revealed that one orientational isomer activates transcription at least 10-fold more strongly than the other. These results suggest that protein architecture, especially the spatial relationship of the activation domain to the promoter, can exert a powerful influence on activator potency.

Parkinson disease: A new link between monoamine oxidase and mitochondrial electron flow

Two factors that contribute to the progression of Parkinson disease are a brain defect in mitochondrial respiration and the generation of hydrogen peroxide (H2O2) by monoamine oxidase (MAO). Here we show that the two are linked. Metabolism of the neurotransmitter dopamine, or other monoamines (benzylamine, tyramine), by intact rat brain mitochondria suppresses pyruvate- and succinate-dependent electron transport. MAO inhibitors prevent this action. Mitochondrial damage is also reversed during electron flow. A probable explanation is that MAO-generated H2O2 oxidizes glutathione to glutathione disulfide (GSSG), which undergoes thiol-disulfide interchange to form protein mixed disulfides, thereby interfering reversibly with thiol-dependent enzymatic function. In agreement with this premise, direct addition of GSSG to mitochondria resulted in similar reversible inhibition of electron transport. In addition, the monoamines induced an elevation in protein mixed disulfides within mitochondria. These observations imply that (i) heightened activity and metabolism of neurotransmitter by monoamine neurons may affect neuronal function, and (ii) apparent defects in mitochondrial respiration associated with Parkinson disease may reflect, in part, an established increase in dopamine turnover. The experimental results also target mitochondrial repair mechanisms for further investigation and may, in time, lead to newer forms of therapy.

Selenium redox biochemistry of zinc–sulfur coordination sites in proteins and enzymes

Selenium has been increasingly recognized as an essential element in biology and medicine. Its biochemistry resembles that of sulfur, yet differs from it by virtue of both redox potentials and stabilities of its oxidation states. Selenium can substitute for the more ubiquitous sulfur of cysteine and as such plays an important role in more than a dozen selenoproteins. We have chosen to examine zinc–sulfur centers as possible targets of selenium redox biochemistry. Selenium compounds release zinc from zinc/thiolate-coordination environments, thereby affecting the cellular thiol redox state and the distribution of zinc and likely of other metal ions. Aromatic selenium compounds are excellent spectroscopic probes of the otherwise relatively unstable functional selenium groups. Zinc-coordinated thiolates, e.g., metallothionein (MT), and uncoordinated thiolates, e.g., glutathione, react with benzeneseleninic acid (oxidation state +2), benzeneselenenyl chloride (oxidation state 0) and selenocystamine (oxidation state −1). Benzeneseleninic acid and benzeneselenenyl chloride react very rapidly with MT and titrate substoichiometrically and with a 1:1 stoichiometry, respectively. Selenium compounds also catalyze the release of zinc from MT in peroxidation and thiol/disulfide-interchange reactions. The selenoenzyme glutathione peroxidase catalytically oxidizes MT and releases zinc in the presence of t-butyl hydroperoxide, suggesting that this type of redox chemistry may be employed in biology for the control of metal metabolism. Moreover, selenium compounds are likely targets for zinc/thiolate coordination centers in vivo, because the reactions are only partially suppressed by excess glutathione. This specificity and the potential to undergo catalytic reactions at low concentrations suggests that zinc release is a significant aspect of the therapeutic antioxidant actions of selenium compounds in antiinflammatory and anticarcinogenic agents.

The vibrational energy flow transition in organic molecules: Theory meets experiment

Most large dynamical systems are thought to have ergodic dynamics, whereas small systems may not have free interchange of energy between degrees of freedom. This assumption is made in many areas of chemistry and physics, ranging from nuclei to reacting molecules and on to quantum dots. We examine the transition to facile vibrational energy flow in a large set of organic molecules as molecular size is increased. Both analytical and computational results based on local random matrix models describe the transition to unrestricted vibrational energy flow in these molecules. In particular, the models connect the number of states participating in intramolecular energy flow to simple molecular properties such as the molecular size and the distribution of vibrational frequencies. The transition itself is governed by a local anharmonic coupling strength and a local state density. The theoretical results for the transition characteristics compare well with those implied by experimental measurements using IR fluorescence spectroscopy of dilution factors reported by Stewart and McDonald [Stewart, G. M. & McDonald, J. D. (1983) J. Chem. Phys. 78, 3907–3915].

Protein fluctuations are sensed by stimulated infrared echoes of the vibrations of carbon monoxide and azide probes

The correlation functions of the fluctuations of vibrational frequencies of azide ions and carbon monoxide in proteins are determined directly from stimulated photon echoes generated with femtosecond infrared pulses. The asymmetric stretching vibration of azide bound to carbonic anhydrase II exhibits a pronounced evolution of its vibrational frequency distribution on the time scale of a few picoseconds, which is attributed to modifications of the ligand structure through interactions with the nearby Thr-199. When azide is bound in hemoglobin, a more complex evolution of the protein structure is required to interchange the different ligand configurations, as evidenced by the much slower relaxation of the frequency distribution in this case. The time evolution of the distribution of frequencies of carbon monoxide bound in hemoglobin occurs on the ≈10-ps time scale and is very nonexponential. The correlation functions of the frequency fluctuations determine the evolution of the protein structure local to the probe and the extent to which the probe can navigate those parts of the energy landscape where the structural configurations are able to modify the local potential energy function of the probe.

Protein-protein interaction: a genetic selection for compensating mutations at the barnase-barstar interface.

Barnase and barstar are trivial names of the extracellular RNase and its intracellular inhibitor produced by Bacillus amyloliquefaciens. Inhibition involves the formation of a very tight one-to-one complex of the two proteins. With the crystallographic solution of the structure of the barnase-barstar complex and the development of methods for measuring the free energy of binding, the pair can be used to study protein-protein recognition in detail. In this report, we describe the isolation of suppressor mutations in barstar that compensate for the loss in interaction energy caused by a mutation in barnase. Our suppressor search is based on in vivo selection for barstar variants that are able to protect host cells against the RNAse activity of those barnase mutants not properly inhibited by wild-type barstar. This approach utilizes a plasmid system in which barnase expression is tightly controlled to keep the mutant barnase gene silent. When expression of barnase is turned on, failure to form a complex between the mutant barnase and barstar has a lethal effect on host cells unless overcome by substitution of the wild-type barstar by a functional suppressor derivative. A set of barstar suppressors has been identified for barnase mutants with substitutions in two amino acid positions (residues 102 and 59), which are critically involved in both RNase activity and barstar binding. The mutations selected as suppressors could not have been predicted on the basis of the known protein structures. The single barstar mutation with the highest information content for inhibition of barnase (H102K) has the substitution Y30W. The reduction in binding caused by the R59E mutation in barnase can be partly reversed by changing Glu-76 of barstar, which forms a salt bridge with the Arg-59 in the wild-type complex, to arginine, thus completing an interchange of the two charges.

Crystal structure of the cell cycle-regulatory protein suc1 reveals a beta-hinge conformational switch.

The Schizosaccharomyces pombe cell cycle-regulatory protein suc1, named as the suppressor of cdc2 temperature-sensitive mutations, is essential for cell cycle progression. To understand suc1 structure-function relationships and to help resolve conflicting interpretations of suc1 function based on genetic studies of suc1 and its functional homologs in both lower and higher eukaryotes, we have determined the crystal structure of the beta-interchanged suc1 dimer. Each domain consists of three alpha-helices and a four-stranded beta-sheet, completed by the interchange of terminal beta-strands between the two subunits. This beta-interchanged suc1 dimer, when compared with the beta-hairpin single-domain folds of suc1, reveals a beta-hinge motif formed by the conserved amino acid sequence HVPEPH. This beta-hinge mediates the subunit conformation and assembly of suc1: closing produces the intrasubunit beta-hairpin and single-domain fold, whereas opening leads to the intersubunit beta-strand interchange and interlocked dimer assembly reported here. This conformational switch markedly changes the surface accessibility of sequence-conserved residues available for recognition of cyclin-dependent kinase, suggesting a structural mechanism for beta-hinge-mediated regulation of suc1 biological function. Thus, suc1 belongs to the family of domain-swapping proteins, consisting of intertwined and dimeric protein structures in which the dual assembly modes regulate their function.

Operational RNA code for amino acids: species-specific aminoacylation of minihelices switched by a single nucleotide.

The genetic code is based on aminoacylation reactions where specific amino acids are attached to tRNAs bearing anticodon trinucleotides. However, the anticodon-independent specific aminoacylation of RNA minihelix substrates by bacterial and yeast tRNA synthetases suggested an operational RNA code for amino acids whereby specific RNA sequences/structures in tRNA acceptor stems correspond to specific amino acids. Because of the possible significance of the operational RNA code for the development of the genetic code, we investigated aminoacylation of synthetic RNA minihelices with a human enzyme to understand the sequences needed for that aminoacylation compared with those needed for a microbial system. We show here that the species-specific aminoacylation of glycine tRNAs is recapitulated by a species-specific aminoacylation of minihelices. Although the mammalian and Escherichia coli minihelices differ at 6 of 12 base pairs, two of the three nucleotides essential for aminoacylation by the E. coli enzyme are conserved in the mammalian minihelix. The two conserved nucleotides were shown to be also important for aminoacylation of the mammalian minihelix by the human enzyme. A simple interchange of the differing nucleotide enabled the human enzyme to now charge the bacterial substrate and not the mammalian minihelix. Conversely, this interchange made the bacterial enzyme specific for the mammalian substrate. Thus, the positional locations (if not the actual nucleotides) for the operational RNA code for glycine appear conserved from bacteria to mammals.

Swapping structural determinants of ribonucleases: an energetic analysis of the hinge peptide 16-22.

Bovine seminal ribonuclease (BS-RNase) is a homodimeric enzyme strictly homologous to the pancreatic ribonuclease (RNase A). Native BS-RNase is an equilibrium mixture of two distinct dimers differing in the interchange of the N-terminal segments and in their biological properties. The loop 16-22 plays a fundamental role on the relative stability of the two isomers. Both the primary and tertiary structures of the RNase A differ substantially from those of the seminal ribonuclease in the loop region 16-22. To analyze the possible stable conformations of this loop in both enzymes, structure predictions have been attempted, according to a procedure described by Palmer and Scheraga [Palmer, K. A. & Scheraga, H. A. (1992) J. Comput. Chem. 13, 329-350]. Results compare well with experimental x-ray structures and clarify the structural determinants that are responsible for the swapping of the N-terminal domains and for the peculiar properties of BS-RNase. Minimal modifications of RNase A sequence needed to form a stable swapped dimer are also predicted.