Funicularity and equilibrium for high-performance conceptual structural design

Las estructuras que trabajan por forma se caracterizan por la íntima e indisociable relación entre geometría y comportamiento estructural. Por consiguiente, la elección de una apropiada geometría es el paso previo indispensable en el diseño conceptual de dichas estructuras. En esa tarea, la selección de las posibles geometrías antifuniculares para las distribuciones de cargas permanentes más habituales son más bien limitadas y, muchas veces, son criterios no estructurales (adaptabilidad funcional, estética, proceso constructivo, etc.) los que no permiten la utilización de dichas geometrías que garantizarían el máximo aprovechamiento del material. En este contexto, esta tesis estudia la posibilidad de obtener una estructura sin momentos flectores incluso si la geometría no es antifunicular para sus cargas permanentes. En efecto, esta tesis presenta un procedimiento, basado en la estática gráfica, que demuestra cómo un conjunto de cargas adicionales, introducidas a través de un sistema de pretensado exterior con elementos post-tesos, puede eliminar los momentos flectores debidos a cargas permanentes en cualquier geometría plana. Esto se traduce en una estructura antifunicular que proporciona respuestas innovadoras a demandas conjuntas de versatilidad arquitectónica y optimización del material. Dicha metodología gráfica ha sido implementada en un software distribuido libremente (EXOEQUILIBRIUM), donde el análisis estructural y la variación geométrica están incluidos en el mismo entorno interactivo y paramétrico. La utilización de estas herramientas permite más versatilidad en la búsqueda de nuevas formas eficientes, lo cual tiene gran importancia en el diseño conceptual de estructuras, liberando al ingeniero de la limitación del propio cálculo y de la incomprensión del comportamiento estructural, facilitando extraordinariamente el hecho creativo a la luz de una metodología de este estilo. Esta tesis incluye la aplicación de estos procedimientos a estructuras de cualquier geometría y distribución inicial de cargas, así como el estudio de diferentes posibles criterios de diseño para optimizar la posición del sistema de post-tesado. Además, la metodología ha sido empleada en el proyecto de maquetas a escala reducida y en la construcción de un pabellón hecho enteramente de cartón, lo que ha permitido obtener una validación física del procedimiento desarrollado. En definitiva, esta tesis expande de manera relevante el rango de posibles geometrías antifuniculares y abre enormes posibilidades para el diseño de estructuras que combinan eficiencia estructural y flexibilidad arquitectónica.Curved structures are characterized by the critical relationship between their geometry and structural behaviour, and selecting an appropriate shape in the conceptual design of such structures is important for achieving materialefficiency. However, the set of bending-free geometries are limited and, often, non-structural design criteria (e.g., usability, architectural needs, aesthetics) prohibit the selection of purely funicular or antifunicular shapes. In response to this issue, this thesis studies the possibility of achieving an axial-only behaviour even if the geometry departs from the ideally bending-free shape. This dissertation presents a new design approach, based on graphic statics that shows how bending moments in a two-dimensional geometry can be eliminated by adding forces through an external post-tensioning system. This results in bending-free structures that provide innovative answers to combined demands on versatility and material optimization. The graphical procedure has been implemented in a free-downloadable design-driven software (EXOEQUILIBRIUM) where structural performance evaluations and geometric variation are embedded within an interactive and parametric working environment. This provides greater versatility in finding new efficient structural configurations during the first design stages, bridging the gap between architectural shaping and structural analysis. The thesis includes the application of the developed graphical procedure to shapes with random curvature and distribution of loads. Furthermore, the effect of different design criteria on the internal force distribution has been analyzed. Finally, the construction of reduced- and large-scale models provides further physical validation of the method and insights about the structural behaviour of these structures. In summary, this work strongly expands the range of possible forms that exhibit a bending-free behaviour and, de facto, opens up new possibilities for designs that combine high-performing solutions with architectural freedom.

Context Aware Middleware Architectures: Survey and Challenges

Abstract: Context aware applications, which can adapt their behaviors to changing environments, are attracting more and more attention. To simplify the complexity of developing applications, context aware middleware, which introduces context awareness into the traditional middleware, is highlighted to provide a homogeneous interface involving generic context management solutions. This paper provides a survey of state-of-the-art context aware middleware architectures proposed during the period from 2009 through 2015. First, a preliminary background, such as the principles of context, context awareness, context modelling, and context reasoning, is provided for a comprehensive understanding of context aware middleware. On this basis, an overview of eleven carefully selected middleware architectures is presented and their main features explained. Then, thorough comparisons and analysis of the presented middleware architectures are performed based on technical parameters including architectural style, context abstraction, context reasoning, scalability, fault tolerance, interoperability, service discovery, storage, security & privacy, context awareness level, and cloud-based big data analytics. The analysis shows that there is actually no context aware middleware architecture that complies with all requirements. Finally, challenges are pointed out as open issues for future work.

Aproximación a la arquitectura popular en la Mancha Baja. El caso de Manzanares

La tesis se compone de una primera parte introductoria, en la que se recogen las distintas opiniones y definiciones de la arquitectura “popular”, el estado de la cuestión, comentando los artículos y publicaciones realizados sobre la Mancha. La segunda parte profundiza en aspectos generales previos al análisis edificatorio central de la tesis, con los siguientes capítulos: -Estudio de los condicionantes físicos, históricos, socio-económicos y culturales de la comarca de la Mancha Baja. Acotando el territorio. -Una visión general sobre la arquitectura tradicional de la provincia de Ciudad Real, por comarcas. -Un estudio de las distintas tipologías edificatorias tradicionales, con ejemplos en la comarca manchega. -El análisis de materiales constructivos, elementos y sistemas utilizados en las construcciones tradicionales en la Mancha Baja. La tercera parte, desde la premisa de la representación gráfica, apoyado en un anexo con dibujos de ciento treinta y siete edificios populares de Manzanares y comarca, estudia: El trazado urbano y las casas de Manzanares; desde los levantamientos de plantas, alzados y secciones, emplazamiento en la manzana y fotografías, se realiza una descripción completa, con noventa y seis ejemplos. Además de llegar a las conclusiones derivadas del análisis de estas edificaciones, los objetivos pretendidos con este estudio serían también: Realizar un primer trabajo aproximativo, desde la visión arquitectónica, de la arquitectura tradicional manchega. Recopilar toda la información existente que pueda relacionarse con la arquitectura popular en la comarca, y citar los escritos y publicaciones de referencia para posteriores estudios. Se estudia la geomorfología, el clima, el territorio, la economía, la sociología, etc…, para obtener una información clave, además de los materiales, técnicas constructivas y morfología de las edificaciones. Se destaca el apartado de los edificios preindustriales tradicionales, como molinos de viento, de agua, palomares, pósitos y bodegas con el análisis de varios ejemplos, por su importante presencia en las poblaciones. Por último se desarrolla un amplio bloque sobre bibliografía de arquitectura popular, la consultada y la general. La arquitectura popular de la mancha baja es tapial cubierto de teja árabe, cerrada al exterior, pero abierta a grandes patios, de planta baja y cámaras altas, con elementos auxiliares de protección y acceso, que revisten la aparente simplicidad volumétrica de estos complejos, viviendas-almacén. Con un complejo programa tanto agrícola como doméstico. De gran protección frente al clima, con escasa decoración, esquemas espaciales primitivos y con mayor envergadura estructural en las dependencias agropecuarias. Una arquitectura que mezcla el uso doméstico y el productivo, pero que al evolucionar aumenta su diferenciación. Edificios que mantienen las mismas cualidades estéticas, repitiendo formas y volúmenes, pero de peculiares configuraciones espaciales, se repiten los materiales y técnicas constructivas, así como elementos arquitectónicos con pocas variaciones, pero no existen dos conjuntos similares. No podemos utilizar un ejemplo como modelo de casa manchega. Evoluciona de la casa bloque, básica y primitiva, con ejemplos escasos en las poblaciones más deprimidas, a la casa compleja, donde se separan con claridad las dependencias agropecuarias de las vivideras. Evoluciona de una casa rural, con los mismos esquemas, ya se ubique en el campo o en núcleos de población, a la casa urbana, entre medianerías, en la que se puede encontrar una transformación paralela, desarrollándose programas domésticos, más especializados, mezclados con arquitecturas cultas, con programas que reflejan las nuevas necesidades de la sociedad urbana del siglo XX. ABSTRACT The thesis is composed of a first part that is collected as introducing different views and definitions of popular architecture, the state of affairs, commenting on articles and publications carried out at the Mancha. The second part explores general issues before the main urban analysis of the thesis, with the following chapters: -A study of the geographic, historical, socio-economic and cultural conditions of the region of the Mancha Baja. Delimiting the territory -A tour with an overview of the province of Ciudad Real by regions. -A study of the different traditional building types, with examples in the region from the Mancha. -The Analysis of building materials, components and systems used in traditional buildings in the Mancha Lower The third part studies from the premise of the drawing: The urban planning of the towns to study and houses of Manzanares, from the execution of plans, elevations and sections, sites in the blocks, old photographs, a full description is made, covering a wide range of examples, highlighting the “evolution during the twentieth century, in its last quarter, buildings of popular character “, which is the ultimate aim of the thesis. In addition to reaching the conclusions drawn from the analysis cards of these buildings, the objectives pursued with this study would be also: This paper is the realization of a first rough work from the architectural vision of traditional architecture from the Mancha. To Search a work method for approaching the popular architecture, other than those made so far by other studies of historians, engineers and sociologists, with the graphical representation and the buildings would be studied like living organisms that evolve over time. To collect all the current information that It can be able to connect itself with the popular architecture in the region, and cite the writings and publications of reference for future studies. Geomorphology, climate, topography of the place is studied to obtain a key information about materials, construction techniques and morphology of the buildings. A section is opened to study the case of traditional industrial buildings like windmills, flour mill, pigeon lofts, public granary, threshing floor and cellars with the analysis of several examples; its importance is highlighted in the urban plan of the town. Finally a large block of popular literature on architecture is developed, consulted for work is distinct from the general existing on the subject. The popular architecture from the Mancha is built of rammed earth and roofs inclined of Arabic tiles, the buildings are closed to the outside, but they are open around large courtyards, and ground floor and camera high, with additional elements of protection, they are opened to patios. The manor has a complex program on agricultural and domestic activity. Large climate protection, poor decoration, quite primitive in shaping living spaces, and more structural scale in storage and processing units of agriculture-related products, mainly wine, cereal and to a lesser extent oil. These architecture combines the domestic and productive use, but which will evolve and they are distinguishing, both enclosed spaces such as courtyards. The buildings keep the same aesthetic qualities because they repeat shapes and volumes, but they maintain their spatial configuration individually; the materials, building techniques and architectural elements are repeated with slight variations, but there aren´t two identical houses. This architecture evolved from the block, basic and primitive house, with few examples in the most deprived towns, to the complex house, where agricultural units are clearly separated of domestic rooms. It developed from a country house (with the same patterns) whether it is located in the countryside or in the towns, to an urban house, in which we can find a parallel transformation, developing domestic programs, more specialized, mixed with cultivated architectures, with programs that reflect the changing needs of urban society of the twentieth century.

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”.

Mies van der Rohe's Illinois Institute of Technology: Analysis and History of a Compositive Development = El IIT de Mies van der Rohe: análisis e historia de un proceso compositivo

The Illinois Institute of Technology (iit) campus, Chicago, by architect Ludwig Mies van der Rohe, is often considered as a transitional work, usually acknowledged as significant for the reorientation of his professional career after he emigrated to the United States. Moreover, its favorable recognition today is somehow indicative of its relevance as a model for urban intervention in the contemporary American city and for contemporary city planning in general, not to mention the profound impact that it had on the cityscape of Chicago. However, today we know it was rather the result of a close collaboration between he and Ludwig Hilberseimer —later on, to be completed with Alfred Caldwell— who merged their personal ideas and expertise in the design for the first time. In addition to this, when one tries to locate the design within its own historical context and evaluate the sources of its approach to it, some contradictions arise. The major impact of the images produced by Mies to promote its realization —widely disseminated in most contemporary architectural periodicals— probably outshined the particular circumstances in which the design was conceived. In fact, it would never be materialized as originally presented, but it was, instead, continuously reworked according to land availability in the site —a circumstance often ignored by subsequent architectural critic, that enthusiastically praised the design even before it was fully completed. One of the main consequences of looking at iit from such a standpoint is that, when historically contextualized, one can appreciate that, due to the urban scale of its implementation process, the design had to face a complex reality very different to that initially planned by the architect, often far from his actual possibilities of intervention. Such approach is in contradiction with the common description of the design as a ‘tabula rasa’ that allegedly would have been formulated on the basis of a full denial of its context. On the contrary, the ever-changing circumstances of the design motivated a necessary re-interpretation of the relation between its executed fragments, in order to keep the original identity of the whole in an ever-changing context. This situation implied a continuous transformation of the design by means of a steady re-composition of its elements: as the number of completed buildings increased in its successive stages, their relation to their site-specific context changed, in a very particular process that these lines try to delineate. Requiring decades to be erected, neither of its authors would ever see the design finished as planned, partially because of the difficulties in acquiring the extension of land that it required. Considering the study of this process as able to provide a valuable gateway to understand the urban discourse that the architects entailed, the aim of these lines is to analyze the problems that the iit campus design had to face. As a starting point, a relationship between practice and theory in the activity of the authors implied in iit campus design has been assumed. Far from being interrupted during World War ii, strong historical evidence can be found to infer that both were developed in parallel. Consequently, the historical sequence of the preserved testimonies has been put into context, as well as their transformation while Mies remained in charge for the campus Master Plan. Notably, when seen from this perspective, some ideas already expressed during his previous European practice were still present during the design process. Particularly, Mies's particular understanding of certain architectural concepts — such as those of ‘order’ and ‘structure’—can be traced paralleling the theories about urban planning from his collaborators, a fact that possibly facilitated the campus successful development. The study of the way these ideas were actually redeveloped and modified in the American urban context, added to the specific process of the implementation of iit campus design, sheds a new light for a critical interpretation of the reasons that made it possible, and of the actual responsibility of Mies's collaborators in its overall development and final completion. RESUMEN El campus del Illinois Institute of Technology (iit) de Chicago, obra del arquitecto Ludwig Mies van der Rohe, es a menudo considerado como una obra de transición que, por lo general, ha venido siendo reconocida como relevante para la reorientación de su carrera profesional posterior a su exilio en los Estados Unidos. El reconocimiento del que goza el proyecto es indicativo, de algún modo, de su importancia como modelo para la intervención urbana en la ciudad norteamericana contemporánea y el planeamiento de la ciudad contemporánea en general, sin olvidar el profundo impacto que ha tenido sobre el paisaje urbano de Chicago. Sin embargo, hoy sabemos que el resultado se benefició de su estrecha colaboración con Ludwig Hilberseimer y se completaría más tarde con la de Alfred Caldwell, quienes unieron sus ideas y experiencia profesional en el proyecto por primera vez. Asimismo, cuando se intenta ubicar el proyecto dentro de su propio contexto histórico y evaluar los criterios de su manera de abordarlo, surgen algunas contradicciones. El considerable impacto de las imágenes producidas por Mies para impulsar su ejecución —ampliamente difundidas en la mayoría de publicaciones de arquitectura de la época— probablemente eclipsó las particulares circunstancias en las que el proyecto fue concebido. De hecho, nunca llegó a materializarse tal y como fue inicialmente presentado. Por contra, fue reelaborado de manera continua, de acuerdo a la disponibilidad de suelo en el emplazamiento; una circunstancia a menudo ignorada por la crítica posterior, que elogió con entusiasmo el proyecto antes siquiera de que fuese terminado. Una de las principales consecuencias de contemplar el iit desde semejante punto de vista es que, una vez contextualizada históricamente su puesta en obra, se puede apreciar que el arquitecto tuvo que enfrentarse a una compleja realidad urbana muy diferente a la inicialmente prevista —probablemente debido a la escala del proyecto— a menudo lejos de sus posibilidades reales de intervención. Este enfoque contradice la descripción habitual del proyecto como una ‘tabula rasa’, que supuestamente se habría formulado sobre la base de una negación completa de su contexto. Por el contrario, las circunstancias cambiantes del proyecto obligaron una necesaria reinterpretación de la relación entre sus frag mentos ejecutados, con el fin de mantener la identidad original del conjunto en un contexto en constante cambio. Esta situación implicó una continua transformación del proyecto por medio de una permanente re-composición de sus elementos: según se incrementaba el número de edificios construidos en las etapas sucesivas de desarrollo del conjunto, variaba su relación con el contexto específico en que se emplazaban, en un proceso muy particular que estas líneas tratan de perfilar. Al necesitar décadas para ser levantado, ninguno de sus autores vería el conjunto terminado según lo planificado, en parte debido a las dificultades para la adquisición de la extensión de suelo que demandaba. Asumiendo que el estudio de este proceso es capaz de proporcionar una valiosa puerta de entrada para elucidar el discurso urbano asumido por los Mies, el objetivo de estas líneas es analizar los problemas a los que el proyecto del campus del iit tuvo que enfrentarse. Como punto de partida, se ha supuesto una relación entre la práctica y la teoría en la actividad de los autores implicados en el proyecto del campus del iit. Lejos de interrumpirse durante la Segunda Guerra Mundial, existen evidencias históricas sólidas para deducir que ambas vertientes se desarrollaron en paralelo. En consecuencia, se ha contextualizado la secuencia histórica de los testimonios conservados, así como su transformación durante el periodo en que Mies estuvo a cargo del Plan General del campus. Significativamente, al ser contempladas bajo esta perspectiva, algunas ideas ya expresadas durante su práctica europea anterior resultan aún presentes durante la redacción del proyecto. En concreto, se puede trazar un paralelismo entre la comprensión particular de Mies de ciertos conceptos arquitectónicos —como los de ‘orden’ y ‘estructura’— y las teorías sobre el urbanismo de sus colaboradores, hecho que posiblemente facilitó el exitoso desarrollo del proyecto. El estudio de la manera en que estas ideas fueron reelaboradas y modificadas en el contexto urbano estadounidense, sumado al proceso específico de su aplicación en el proyecto del campus del iit, arroja una nueva luz para una interpretación crítica tanto de las razones que lo hicieron posible, como del papel real que los colaboradores de Mies tuvieron en su desarrollo y ejecución final.

Desmaterialización de la envolvente estructural contemporánea : una secuencia de estrategias arquitectónicas en Toyo Ito, Herzog&de Meuron y Sanaa

La Tesis investiga aquellas obras en las que se ha producido un desplazamiento de la estructura portante hacia el perímetro del edificio para alcanzar su posterior desvanecimiento aplicando ciertos mecanismos arquitectónicos. En el proceso de la investigación se ha detectado cómo la rotundidad e inmediatez de la huella de lo estructural percibida en la arquitectura tradicional, tiende a desvanecerse, su desmaterialización queda patente en ciertas obras de la arquitectura contemporánea. La investigación comienza con la concordancia hallada entre tres edificios contemporáneos cuyo perímetro lo conforma una Envolvente Estructural: la tienda TODS, de Toyo Ito (2003); PRADA, de Herzog&de Meuron (2000) y DIOR, de SANAA (2001). Tres obras de fechas consecutivas, que, aun respondiendo a las mismas condiciones de ubicación, Omotesando (Tokio), uso, volumetría, altura y superficie, su Envolvente se configura de modo muy diverso, produciendo soluciones estructurales diferenciadas y heterogéneas. De estos tres modos de configurarse la envolvente, se desprenden las tres estrategias arquitectónicas empleadas en el desarrollo de la Tesis: figuración, abstracción y desmaterialización. Así pues, la investigación descubre, por una parte, un procedimiento figurativo que pone el acento en valores expresivos empleando códigos de significado como son los objetos de la naturaleza; por otra parte, un procedimiento abstracto, priorizando las reglas de construcción formal del propio objeto; y por último, como continuación de los anteriores, se descubre un procedimiento de desmaterialización planteado desde la delgadez de los muros, los materiales efímeros o una semitransparencia que pretende mayor conexión con el mundo exterior. Con el análisis de estas tres categorías secuenciales desveladas por los edificios citados de Omotesando, se han identificado otras obras clarividentes de Toyo Ito, Herzog&de Meuron y SANAA, por ser representativos de dichas nociones. Así pues, se han seleccionado veinticuatro casos de estudio y se han ordenado formando una colección de obras capaz de llegar a formular por sí misma un enunciado conclusivo sobre los procedimientos arquitectónicos capaces de velar la estructura mecánica. En la actualidad, el planteamiento de la Envolvente Estructural recurre a un nuevo modo de abordar la arquitectura. Esta ya no consiste en el juego sabio, correcto y magnífico, sino que adquiere una nueva dimensión poética desde la ausencia de la esencia resistente. Efectivamente, por un lado, se ha afirmado que ‘sin estructura no hay arquitectura’; y por otro lado, se trata de hacerla desaparecer. Así queda expresado en palabras de SANAA: “Para nosotros la estructura es muy importante, incluso su desaparición lo es”. Por otro lado, la Envolvente Estructural analizada en la Tesis recoge el legado de la historia, lo interpreta y se manifiesta con el lenguaje contemporáneo manteniendo aquella unidad entre las disciplinas de arquitectura e ingeniería comenzada en el siglo XIX. El contorno edilicio, conformado en un único elemento compacto e indiferenciado, resuelve diversas funciones habitualmente asignadas a otros elementos específicos: Encierra en un reducido espesor el cerramiento, la estructura resistente, el ornamento y el acondicionamiento térmico (en algunos casos); configura la forma arquitectónica y envuelve el espacio arquitectónico mostrando una libertad formal (cáscaras esculturales) y un lenguaje de liviandad (muros de espesores reducidos) sin precedentes. La tipología planteada condensa todo aquello que le permite expresar el enunciado más inmaterial de la estructura mecánica. Concluyendo, la Tesis verifica que una parte de la arquitectura contemporánea ya ha pasado del límite denso, corporeizado y mecánico tradicional, a un límite borroso, que se ha erosionado, se ha transmutado hasta su desmaterialización, su desvanecimiento o incluso su desaparición. ABSTRACT This thesis researches those buildings where the bearing structure has been moved towards the perimeter in order to reach its fading by means of architectural strategies. In the research development it has been detected how the clearness and immediacy of the footprint of the structure as noticed in the traditional architecture, tends to vanish, its dematerialization remains patent in certain contemporary architecture works. The research begins with the agreement found in three contemporary buildings whose perimeter is shaped by a structural envelope: TODS shop, by Toyo Ito (2003); PRADA, by Herzog&de Meuron (2000) and DIOR, by SANAA (2001). Three works in consecutive dates, that share the placement conditions, Omotesando (Tokio), use, volume, height and area, but its envelope is shaped in various ways, generating different and heterogeneous structural solutions. From these three ways of the envelope shape are deduced the three architectural strategies studied during the Thesis development: figuration, abstraction and dematerialization. Thus, the research discovers, on one hand, a figurative procedure that highlights the expressive values by using meaning codes such as the nature objects; on the other hand, an abstract procedure, prioritizing the formal construction rules typical of the object; at last, as a continuation of the others, a dematerialization procedure is shown, set out from the wall thinness, the ephemeral materials or the semitransparency that tries to increase the connection with the world around. With the analysis of these three categories in a sequence, shown in the Ometesando buildings, other works from Toyo Ito, Herzog&de Meuron and SANNAA have been identified because of being representative of those concepts. Therefore, twenty four case studies have been selected and have been ordered to set a collection of works that are able to formulate by themselves a conclusive statement about the architectural procedures that are able to veil the mechanical structure. Nowadays, the Structural envelope approach leads to a new way of dealing with architecture. This is not any more a wise game, correct and magnificent, but it acquires a new poetic dimension from the absence of the resistant essence. Indeed, on the one hand, it has been stated that ‘without structure there is no architecture’; and on the other hand, it tries to make it disappear. It is so stated in SANAA words: ‘The structure is very important for us, and even its disappearance” On the other hand, the Structural envelope analysed in this Thesis gathers the legacy of history, interprets it and it is expressed with a contemporary language, by keeping that unity between disciplines of architecture and engineering already started in the XIX century. The building boundary, shaped as a compacted and undifferentiated single element, solves several functions commonly assigned to other specific elements: keeps in a small thickness the envelope, the bearing structure, the ornament and the thermal conditioning (in same cases); it shapes the architectural form and envelopes the architectural space by showing a formal freedom (sculptural shells) and a lightness language (small thickness walls) with no precedents. This typology gathers all what lets to express the most immaterial statement of the mechanical structure. As a conclusion, the Thesis verifies that a part of the contemporary architecture has already gone over the dense limit, shaped and mechanical traditional to a blur limit that has been eroded, it has been changed until its dematerialization, its fading or event its disappearance.

Comparative Life Cycle Assessment of the Conventional Façade SOS Natura and the Natural Water Tank Façade

The construction industry produces great environmental impacts to the planet. In order to tackle this problem, the European Union has put into effect Regulation No 305/2011, which compels the construction products manufacturers to carry out environmental performance studies of these products and thus make public the impact they cause on the environment. The aim of this research is to make known the environmental impacts of the SOS Natura Conventional Façade (CF) solution, obtained within the research project "SOS Natura, Vegetal Architectural Solutions" developed by the Department of Construction and Technology in Architecture of the School of Architecture of the Technical University of Madrid (Spain). In addition, we report an environmental comparative with the Natural Water Tank Façade (NWTF), studied previously by the same work group and included in the same research project.We present as well an uncertainty analysis for both façades. Following the study conducted we conclude that the NWTF profile has a slightly better environmental behaviour when compared to the CF profile for the entire life cycle in most of the impact categories analysed in this study. However it should also be noted that, in detail and at stage level, the NWTF presents a higher environmental impact than the CF.

Architectural specificity in chromatin structure at the TATA box in vivo: Nucleosome displacement upon β-phaseolin gene activation

Extensive studies of the β-phaseolin (phas) gene in transgenic tobacco have shown that it is highly active during seed embryogenesis but is completely silent in leaf and other vegetative tissues. In vivo footprinting revealed that the lack of even basal transcriptional activity in vegetative tissues is associated with the presence of a nucleosome that is rotationally positioned with base pair precision over three phased TATA boxes present in the phas promoter. Positioning is sequence-dependent because an identical rotational setting is obtained upon nucleosome reconstitution in vitro. A comparison of DNase I and dimethyl sulfate footprints in vivo and in vitro strongly suggests that this repressive chromatin architecture is remodeled concomitant with gene activation in the developing seed. This leads to the disruption of histone-mediated DNA wrapping and the assembly of the TATA boxes into a transcriptionally competent nucleoprotein complex.

The exaptive excellence of spandrels as a term and prototype

In 1979, Lewontin and I borrowed the architectural term “spandrel” (using the pendentives of San Marco in Venice as an example) to designate the class of forms and spaces that arise as necessary byproducts of another decision in design, and not as adaptations for direct utility in themselves. This proposal has generated a large literature featuring two critiques: (i) the terminological claim that the spandrels of San Marco are not true spandrels at all and (ii) the conceptual claim that they are adaptations and not byproducts. The features of the San Marco pendentives that we explicitly defined as spandrel-properties—their necessary number (four) and shape (roughly triangular)—are inevitable architectural byproducts, whatever the structural attributes of the pendentives themselves. The term spandrel may be extended from its particular architectural use for two-dimensional byproducts to the generality of “spaces left over,” a definition that properly includes the San Marco pendentives. Evolutionary biology needs such an explicit term for features arising as byproducts, rather than adaptations, whatever their subsequent exaptive utility. The concept of biological spandrels—including the examples here given of masculinized genitalia in female hyenas, exaptive use of an umbilicus as a brooding chamber by snails, the shoulder hump of the giant Irish deer, and several key features of human mentality—anchors the critique of overreliance upon adaptive scenarios in evolutionary explanation. Causes of historical origin must always be separated from current utilities; their conflation has seriously hampered the evolutionary analysis of form in the history of life.

Nucleosomes, linker DNA, and linker histone form a unique structural motif that directs the higher-order folding and compaction of chromatin

The compaction level of arrays of nucleosomes may be understood in terms of the balance between the self-repulsion of DNA (principally linker DNA) and countering factors including the ionic strength and composition of the medium, the highly basic N termini of the core histones, and linker histones. However, the structural principles that come into play during the transition from a loose chain of nucleosomes to a compact 30-nm chromatin fiber have been difficult to establish, and the arrangement of nucleosomes and linker DNA in condensed chromatin fibers has never been fully resolved. Based on images of the solution conformation of native chromatin and fully defined chromatin arrays obtained by electron cryomicroscopy, we report a linker histone-dependent architectural motif beyond the level of the nucleosome core particle that takes the form of a stem-like organization of the entering and exiting linker DNA segments. DNA completes ≈1.7 turns on the histone octamer in the presence and absence of linker histone. When linker histone is present, the two linker DNA segments become juxtaposed ≈8 nm from the nucleosome center and remain apposed for 3–5 nm before diverging. We propose that this stem motif directs the arrangement of nucleosomes and linker DNA within the chromatin fiber, establishing a unique three-dimensional zigzag folding pattern that is conserved during compaction. Such an arrangement with peripherally arranged nucleosomes and internal linker DNA segments is fully consistent with observations in intact nuclei and also allows dramatic changes in compaction level to occur without a concomitant change in topology.

Birefringence Imaging Directly Reveals Architectural Dynamics of Filamentous Actin in Living Growth ConesV⃞

We have investigated the dynamic behavior of cytoskeletal fine structure in the lamellipodium of nerve growth cones using a new type of polarized light microscope (the Pol-Scope). Pol-Scope images display with exquisite resolution and definition birefringent fine structures, such as filaments and membranes, without having to treat the cell with exogenous dyes or fluorescent labels. Furthermore, the measured birefringence of protein fibers in the thin lamellipodial region can be interpreted in terms of the number of filaments in the bundles. We confirmed that birefringent fibers are actin-based using conventional fluorescence-labeling methods. By recording movies of time-lapsed Pol-Scope images, we analyzed the creation and dynamic composition of radial fibers, filopodia, and intrapodia in advancing growth cones. The strictly quantitative information available in time-lapsed Pol-Scope images confirms previously deduced behavior and provides new insight into the architectural dynamics of filamentous actin.

Synthesis and Turnover of Embryonic Sea Urchin Ciliary Proteins during Selective Inhibition of Tubulin Synthesis and Assembly

When ciliogenesis first occurs in sea urchin embryos, the major building block proteins, tubulin and dynein, exist in substantial pools, but most 9+2 architectural proteins must be synthesized de novo. Pulse-chase labeling with [3H]leucine demonstrates that these proteins are coordinately up-regulated in response to deciliation so that regeneration ensues and the tubulin and dynein pools are replenished. Protein labeling and incorporation into already-assembled cilia is high, indicating constitutive ciliary gene expression and steady-state turnover. To determine whether either the synthesis of tubulin or the size of its available pool is coupled to the synthesis or turnover of the other 9+2 proteins in some feedback manner, fully-ciliated mid- or late-gastrula stage Strongylocentrotus droebachiensis embryos were pulse labeled in the presence of colchicine or taxol at concentrations that block ciliary growth. As a consequence of tubulin autoregulation mediated by increased free tubulin, no labeling of ciliary tubulin occurred in colchicine-treated embryos. However, most other proteins were labeled and incorporated into steady-state cilia at near-control levels in the presence of colchicine or taxol. With taxol, tubulin was labeled as well. An axoneme-associated 78 kDa cognate of the molecular chaperone HSP70 correlated with length during regeneration; neither colchicine nor taxol influenced the association of this protein in steady-state cilia. These data indicate that 1) ciliary protein synthesis and turnover is independent of tubulin synthesis or tubulin pool size; 2) steady-state incorporation of labeled proteins cannot be due to formation or elongation of cilia; 3) substantial tubulin exchange takes place in fully-motile cilia; and 4) chaperone presence and association in steady-state cilia is independent of background ciliogenesis, tubulin synthesis, and tubulin assembly state.

Description of microcolumnar ensembles in association cortex and their disruption in Alzheimer and Lewy body dementias

The cortex of the brain is organized into clear horizontal layers, laminae, which subserve much of the connectional anatomy of the brain. We hypothesize that there is also a vertical anatomical organization that might subserve local interactions of neuronal functional units, in accord with longstanding electrophysiological observations. We develop and apply a general quantitative method, inspired by analogous methods in condensed matter physics, to examine the anatomical organization of the cortex in human brain. We find, in addition to obvious laminae, anatomical evidence for tightly packed microcolumnar ensembles containing approximately 11 neurons, with a periodicity of about 80 μm. We examine the structural integrity of this new architectural feature in two common dementing illnesses, Alzheimer disease and dementia with Lewy bodies. In Alzheimer disease, there is a dramatic, nearly complete loss of microcolumnar ensemble organization. The relative degree of loss of microcolumnar ensembles is directly proportional to the number of neurofibrillary tangles, but not related to the amount of amyloid-β deposition. In dementia with Lewy bodies, a similar disruption of microcolumnar ensemble architecture occurs despite minimal neuronal loss. These observations show that quantitative analysis of complex cortical architecture can be applied to analyze the anatomical basis of brain disorders.

Architectural limits on split genes

Exon/intron architecture varies across the eukaryotic kingdom with large introns and small exons the rule in vertebrates and the opposite in lower eukaryotes. To investigate the relationship between exon and intron size in pre-mRNA processing, internally expanded exons were placed in vertebrate genes with small and large introns. Both exon and intron size influenced splicing phenotype. Intron size dictated if large exons were efficiently recognized. When introns were large, large exons were skipped; when introns were small, the same large exons were included. Thus, large exons were incompatible for splicing if and only if they were flanked by large introns. Both intron and exon size became problematic at ≈500 nt, although both exon and intron sequence influenced the size at which exons and introns failed to be recognized. These results indicate that present-day gene architecture reflects at least in part limitations on exon recognition. Furthermore, these results strengthen models that invoke pairing of splice sites during recognition of pre-mRNAs, and suggest that vertebrate consensus sequences support pairing across either introns or exons.

Five subunits are required for reconstitution of the cleavage and polyadenylation activities of Saccharomyces cerevisiae cleavage factor I

Cleavage and polyadenylation of mRNA 3′ ends in Saccharomyces cerevisiae requires several factors, one of which is cleavage factor I (CF I). Purification of CF I activity from yeast extract has implicated numerous proteins as functioning in both cleavage and/or polyadenylation. Through reconstitution of active CF I from separately expressed and purified proteins, we show that CF I contains five subunits, Rna14, Rna15, Pcf11, Clp1, and Hrp1. These five are necessary and sufficient for reconstitution of cleavage activity in vitro when mixed with CF II, and for specific polyadenylation when mixed with polyadenylation factor I, purified poly(A) polymerase, and poly(A) binding protein. Analysis of the individual protein–protein interactions supports an architectural model for CF I in which Pcf11 simultaneously interacts with Rna14, Rna15, and Clp1, whereas Rna14 bridges Rna15 and Hrp1.