Sistema predictivo multiescala de la degradación del frente urbano edificado

Evidence from progressive deterioration of the urban building stock is well known. This brings about a large social and economic impact due to maintenance costs and associated personal hazards. This thesis explores ways to tackle these phenomena by means of predictive methodologies from a big urban areas point of view. To this end, we propose a predictive system about the deterioration of urban building areas. In this thesis we contribute to the existing theories of durability and life cycle analysis by introducing survival analysis prediction techniques in the durability analysis of the urban building stock. The dissertation is divided into three parts. In Part I, we present a literature review regarding the theoretical and legislative framework. After that, we address the following issues: a) classification of the observed phenomena, b) architectonical typologies emerging from the study, c) their location in the urban network, d) their relationship with climatological phenomena and pollution and finally, e) identification of the causes of deterioration and related structural damages, creating a classification according to its extent and its severity. Part II covers the methodology of inspections, the statistical analysis and the implementation of a SIG application. The template file for façade inspections has been revised by experts and it has been optimized by using multicriteria methods. We study as well the reliability of the inspection teams. In Chapter 5 we describe the survival analysis techniques employed in the nonparametric modeling for interval-censored data. The Turnbull estimator has been used as an alternative to parametric analysis due to the structure of the information available. This is a novel approach compared to the state of the art in prediction modeling. The inspection methodology and survival analysis have been integrated in a SIG management framework. The statistical application in QGIS allows for an exploration of the urban building stock analyzing the landscape, the morphology and the damages using the R libraries. The plugin, programmed in Python, is a relevant contribution as a tool for decision-making, as it allows making inferences about the deterioration process of the building stock. Then we apply the proposed prediction methodology to the analysis of a case study. The city that has been chosen for the study is L¿Hospitalet de Llobregat. In part III we describe the inspections conducted in order to select the neighborhoods that allow for maximum data coverage. The research has avoided parametric assumptions and it has been focused on the topics that are more interesting from the point of view of the data collected in terms of orientation, territorial impact, percentage of damages in the representative parts of the façade and percentages of different types of damages. These descriptive statistics of the sample guide the sample selection in the following stages of the survival analysis study. Specifically, we propose and describe non-parametric techniques for the determination of the significant variables in the process of façade deterioration. Results from the case study show how to draw relevant information in order to conduct an effective prevention management. We conclude showing the validity of the predictive system for the prevention of the building stock deterioration. The final chapter also suggests advice for the improvement of inspections, such as ICT and inspector¿s training, and for incorporating dynamic data about the landscape exploiting the QGIS tool and the statistical analysis of the FAD plugin. The PhD candidate postulates that such initiatives require a supporting infrastructure from institutions and he advocates the creation of a commission to implement predictive systems that improve the management of the urban building stock.És contrastable l'evidència de l'envelliment progressiu del parc edificat de les ciutats, al costat del fort impacte social i repercussió econòmica en termes de manteniment que aquest representa, així com el risc per a les persones que porta associat. En aquest context, la Tesi Doctoral explora vies per intercedir davant aquests fenòmens mitjançant metodologies predictives que abordin la problemàtica sota una perspectiva de grans àrees urbanes. Per aconseguir aquest objectiu, la recerca proposa un sistema predictiu a multiescala de la degradació dels fronts urbans edificats de la ciutat. La Tesi Doctoral planteja incorporar a les teories existents de durabilitat, cicle de vida i anàlisi del cicle de vida una aportació innovadora fonamentada en la introducció de tècniques d'anàlisi de supervivència predictives, al llarg del temps, en els estudis de durabilitat a les façanes del front urbà. La recerca, per tal d'abastar tota la problemàtica, s'ha estructurat en tres parts en què es contribueix de manera específica i directa a la investigació principal. A la Part I, Introducció al marc teòric i al laboratori urbà, s'exposen les conclusions a les que ens ha portat la revisió de la bibliografia científica i de la legislació existent, sobre els temes que han suscitat interès per al progrés de la investigació. Un cop presentat el Laboratori Urbà, es justifica i defineix com estructurar els elements objecte d'observació, quines tipologies arquitectòniques resulten de l'estudi, com se situen dins d'una trama urbana, quines relacions s'estableixen amb els fenòmens climàtics i de contaminació mediambientals, quins són els principals agents de degradació i a quin tipus de lesions corresponen, incloent una escala de representació i de gravetat. Amb això definim l'element unitari d'estudi amb les seves característiques morfològiques, d'entorn i d'afectació deixant introduïts els elements bàsics per a la realització d'estudis de seguiment de grans àrees urbanes. La metodologia d'inspecció, les tècniques d'anàlisi estadística i la implementació d'un aplicatiu en SIG s'investiguen i proposen a la Part II de la Tesi. Pel que fa al model de fitxes per a realitzar les inspeccions de façanes, el document proposat ha estat revisat per experts i optimitzat via mètodes comparatius multicriteri. També s'ha estudiat la fiabilitat dels equips d'inspecció que ha conduït a propostes concretes d'actuació, així com a futures línies d'investigació. Al Capítol 5 es descriuen les tècniques emprades dins el model d'anàlisi estadística de supervivència aplicant models no paramètrics per a dades amb censura en un interval. S'introdueix l'estimador de Turnbull per a aquest tipus d'anàlisi, com a alternativa a les anàlisis paramètriques. La raó del model respon al tipus d'informació disponible i que aquesta sempre es troba censurada en un rang temporal molt ampli. Les tècniques presentades són fonamentals pel que representen un canvi de paradigma en les estratègies de modelització preventiva La metodologia d'inspecció i d'anàlisi de supervivència que es proposen s'han integrat en un entorn de gestió SIG. Per això s'ha implementat un aplicatiu estadístic en QGIS que permet l'exploració territorial, morfològica i de lesions del front urbà i el modelatge dels temps fins a la lesió fent ús de llibreries de R. L'aplicatiu s'ha elaborat en col·laboració amb el Dr. Jacek Rapinski de l'Institut de Geodèsia de la Facultat de Geodèsia i Enginyeria de la Universitat de Warmia and Mazury a Olsztyn (Polònia), el Laboratori d'Edificació i l'IEMAE de l'EPSEB, i ha estat programat en llenguatge Python. Aquesta integració representa una rellevant aportació com a eina de suport a la presa de decisions sobre el parc edificat, quant al coneixement que s'infereix sobre el procés de deteriorament dels fronts urbans. Amb la metodologia del sistema predictiu disponible s'ha procedit a l'exploració i obtenció de resultats sobre un cas d'estudi. La ciutat escollida ha estat la de L'Hospitalet de Llobregat. A la Part III es descriuen les diferents campanyes d'inspecció que s'han realitzat per tal de millorar la informació disponible i quins barris han estat seleccionats. La investigació ha relaxat hipòtesis prèvies de manera que ha permès que siguin les dades que marquin els focus d'interès més significatius arran de consultar el mòdul d'anàlisi que permet mostrar orientacions, impactes territorials, percentatges d'afectació sobre les parts més representatives de la façana i percentatges basats en els tipus de lesió. Aquests resultats descriptius de l'estat general de la mostra estudiada, són la base de la selecció per a les anàlisis de supervivència i modelització posteriors. En particular, també es proposen i il·lustren tècniques de modelització no paramètriques per determinar quines variables intervenen de forma significativa en el procés d'aparició de les lesions sobre les façanes. Els resultats parcials del cas d'estudi demostren com es pot disposar d'informació rellevant per a una gestió preventiva eficaç. Les conclusions de la Tesi Doctoral reafirmen la validesa del sistema predictiu plantejat i que es postula com un model eficaç per a la prevenció en la degradació dels fronts urbans. El capítol final també incorpora aspectes de millora de les inspeccions com els mitjans TIC i la formació dels inspectors, i al seu torn apunta propostes per a incorporar dades dinàmiques sobre el territori aprofitant el potencial de QGIS i dotar de més anàlisi estadística a l'aplicatiu FAD. El doctorand argumenta que aquest tipus d'iniciatives requereixen un suport de les institucions encarregades de vetllar per la sostenibilitat del que s'ha construït i proposa la creació de comissions per a la implantació futura de sistemes predictius que millorin i optimitzin la gestió del parc urbà.Es contrastable la evidencia del envejecimiento progresivo del parque edificado de las ciudades, junto al fuerte impacto social y repercusión económica en términos de mantenimiento que éste representa, así como el riesgo para las personas que lleva asociado. En este contexto, la Tesis Doctoral explora vías para interceder ante estos fenómenos mediante metodologías predictivas que abordan la problemática bajo una perspectiva de grandes áreas urbanas. Para conseguir este objetivo la investigación propone un sistema predictivo a multiescala de la degradación de los frentes urbanos edificados de la ciudad. La Tesis Doctoral plantea incorporar a las teorías existentes de durabilidad, ciclo de vida y análisis del ciclo de vida una aportación innovadora fundamentada en la introducción de técnicas de análisis de supervivencia predictivas. Para ello la investigación se ha estructurado en tres partes que contribuien al objetivo principal. En la Parte I, Introducción al marco teórico y al laboratorio urbano, se exponen las conclusiones a las que nos ha llevado la revisión de la bibliografía científica y de la legislación existente. Una vez presentado el Laboratorio Urbano, se justifica y define cómo estructurar los elementos objeto de observación, qué tipologías arquitectónicas resultan, la sitúan dentro de la trama urbana, qué relaciones se establecen con los fenómenos medioambientales, principales agentes de degradación y a qué tipo de lesiones corresponden. La metodología de inspección, las técnicas de análisis estadístico y la implementación de un aplicativo en SIG se investigan y proponen en la Parte II. En cuanto al modelo de fichas para realizar las inspecciones de fachadas, el documento propuesto ha sido revisado por expertos, optimizado vía métodos comparativos multicriterio, y estudiado la fiabilidad de los equipos de inspección. En el Capítulo 5 se describen las técnicas empleadas dentro del modelo de análisis estadístico de supervivencia aplicando modelos no paramétricos para datos con censura en un intervalo. Se introduce el estimador de Turnbull para este tipo de análisis, como alternativa a los análisis paramétricos. Las técnicas presentadas son fundamentales en cuanto representan un cambio de paradigma en las estrategias de modelización preventiva. La metodología de inspección y de análisis de supervivencia propuestos se ha integrado en un entorno de gestión SIG. Por ello se ha implementado un aplicativo estadístico en QGIS que permite la exploración territorial, morfológica y de lesiones del frente urbano y el modelado de los tiempos hasta la lesión haciendo uso de librerías de R. El aplicativo ha sido programado en lenguaje Python y representa una relevante aportación como herramienta de soporte a la toma de decisiones sobre el parque edificado, en cuanto al conocimiento que infiere sobre el proceso de deterioro de los frentes urbanos. Con la metodología del sistema predictivo disponible se procede a la exploración y obtención de resultados sobre un caso de estudio. La ciudad escogida ha sido la de L'Hospitalet de Llobregat. En la Parte III se hallan descritas las distintas campañas de inspección. La investigación ha relajado hipótesis previas de manera que ha permitido que sean los datos quienes marquen los focos de interés más significativos. También se proponen e ilustran técnicas de modelización no paramétricas para determinar qué variables intervienen en el proceso de aparición de las lesiones sobre las fachadas. Las conclusiones de la Tesis Doctoral reafirman la validez del sistema predictivo planteado y que se postula como un modelo eficaz para la prevención en la degradación de los frentes urbanos. El capítulo final incorpora aspectos de mejora de las inspecciones y la formación de los inspectores, y apunta propuestas para incorporar datos dinámicos sobre el territorio y dotar de mayor análisis estadístico al aplicativo FAD.Postprint (published version

Use of UAVs for technical inspection of buildings within the BRAIN massive inspection platform

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are becoming more and more popular for use in a various sectors of the economy. The paper presents the results of experiments using a UAV, equipped with a high resolution digital camera, for a visual assessment of technical condition of a building with connection to a big project implemented in Barcelona that required visual data about buildings and their changes with time. Authors try to find out possibilities for the usefulness of digital images obtained from the UAV deck in concrete examples and figure out if they may be complementary to traditional ways used so far in a project called Building Research Analysis and Information Network, which is a platform for analysis to allow strategic decision-making for the maintenance and the sustainability of building stock.Peer ReviewedPostprint (published version

Implementation of a multi-scale predictive system of the degradation of the urban front in Brno, Czech Republic

The unavoidable deterioration of the built urban front in the cities has been increasingly generating a huge environmental impact. From this perspective, it is necessary to develop systematized methods that facilitate strategic maintenance of the facades and which study the variables that can potentially play a significant role in the damage occurrence. Therefore it is convenient to implement analytical methodologies to the decision making process on conservation and sustainability of the built urban front with a macro-scale approach. The BRAIN platform (Building Research Analysis and Information Network) is a Multi-scale Predictive System of the Degradation of the Urban Front. By means of periodic inspections, BRAIN allows analyses of damage progression and prediction of the future affectation, based on survival/reliability statistical models. The aim of this paper is to introduce a preliminary study on the implementation of the Urban Laboratory in the city of Brno, Czech Republic. Results of this primary approach have been displayed and discussed.Peer ReviewedPostprint (published version

Técnicas de análisis de supervivencia aplicadas a la conservación del patrimonio construido

Este trabajo de investigación tiene dos objetivos principales: el primero de ellos consiste en introducir el análisis de supervivencia para su uso en técnicas de conservación en el patrimonio construido y, en segundo lugar, aplicar la metodología estudiada en un gran parque edificado, con el fin de obtener información relevante para crear estrategias de conservación y posterior mantenimiento útiles para establecer futuras políticas de intervención. Por razones de impacto urbanístico y de seguridad hacia los ciudadanos, esta investigación se centra en el subsistema de la fachada de los edificios. Asimismo, se ha prestado especial atención a la descripción del evento de interés considerado como la existencia de lesión en función de su magnitud y gravedad, representando de esta forma los parámetros de disfunción o de riesgo que presentan las fachadas. El seguimiento realizado sobre éstas se basa en inspecciones visuales. Para poder estimar la durabilidad de los elementos inspeccionados, se han empleado análisis de durabilidad bajo un enfoque no paramétrico. Para ello, se han implementado procedimientos en el programa S-PLUS®, de Insightful®, con formulación específica para la obtención de los estimadores de supervivencia numéricos y gráficos. El potencial de esta propuesta se ilustra con su aplicación en un conjunto de datos reales obtenidos a partir de un estudio sistemático de inspecciones de fachadas en la ciudad de Santiago de Chile, mediante un sistema de fichas estandarizadas y que se han aplicado con éxito en distintos lugares del mundo. Este estudio particularizado se basa en más de 1.400 edificios que han sido inspeccionados y de los cuales se ha recopilado una exhaustiva información del estado real de cada uno de ellos. El análisis de los resultados permite a los técnicos detectar las diferentes zonas y niveles de degradación y riesgo de las fachadas de los edificios, con el fin de establecer intervenciones parciales o integrales de forma predictiva y con criterios de sostenibilidad social, lógicos para la perdurabilidad de la ciudad.Peer ReviewedPostprint (published version

Survival analysis methodology for service live prediction and building maintenance

This paper deals with, on one hand, the introduction of survival analysis techniques for being used in building maintenance and, on the other hand, the application of this methodology for analyzing a large building stock in order to obtain information for maintenance strategies and/or prevention policies. In particular, in this contribution the description of the time to the event when the event of interest is some damage (or some level of degradation or extent) on the building façade is the main goal to reach. For the time being, building follow-up is based on inspections. However, data coming from building inspections are always not completed, but censored, due to the fact that, at each inspection time, the event of interest is already happened, or not yet. In order to solve this problematic, the existing methodology for fields like medicine, biology, industrial engineering or event history analysis is adapted, and routines in S-PLUS for a numerical and graphical systematic analysis are implemented. Estimates for non-parametric durability and hazard functions are derived. The possibilities of the proposed methodology will be illustrated with its application to the building façades in Hospitalet de Llobregat, the second most important city in population in Catalonia (Spain), where more than 14.000 buildings have been inspected. The analysis of the results allows technicians to detect different zones and levels of intervention to be applied in the city.Postprint (published version

Exploring conditions and usefulness of UAVs in the BRAIN Massive Inspections Protocol

In this paper authors conduct a case study analysis by implementing the use of UAVs in the data collection within the BRAIN framework for the failures diagnosis of facades. The main goal is to assess the conditions and usefulness of UAVs in the BRAIN protocol by analyzing the goodness of fit to the fundamental requirements that support this inspection methodology. This preliminary qualitative approach allows the authors to investigate the benefits and potential of this high performance technology as a complement or alternative tool to the initial method, which is based on visual inspections supported, as maximum, by high resolution digital camera images. For the study a sample of facades has been selected in Poland. A full equipped UAV has been collecting the images. Finally, full procedure, collected data and positive and negative issues has been assessed under the perspective of the requirements involved in a multiscale BRAIN inspection. Overall scoring conditions has been determined and, as a conclusion, it can be stated that the use of UAVs for technical inspections in a population based predictive approach is, and even more it will be in the future, an interesting complementary tool for the data collection.Peer ReviewedPostprint (published version

Analysis of classification systems for the built environment: historical perspective, comprehensive review and discussion

Research into the organisation of building project information began to bear fruit in the 1950s when the first classification system for the construction industry was introduced. Driven by the growing use of digital tools and technologies and by the first publication of ISO 12006-2 in 2001, this research topic has become incredibly popular in recent years. However, the absence of accurate historical traceability in the literature makes it difficult to understand the origin and evolution of the most prominent classification systems. The aim of this paper is to provide a comprehensive review of selected commonly used classification systems published in the last seven decades, delving into those developed in Sweden, the UK and the USA/Canada. Furthermore, the latest classification system launched by each of these countries (CoClass, Uniclass 2015 and OmniClass®, respectively) has been chosen to analyse, compare and discuss its strengths and weaknesses. The results of this research show that there is no consensus on the use of a common international classification system for the built environment. Although organisations worldwide are working diligently towards an internationally accepted standard classifier, the use of national classification systems still prevails. The main gaps to be bridged in this area are discussed in the paper and can be summarised as follows: (i) barriers are found to classify construction elements of residential buildings in a consistent, unambiguous and standardised manner, (ii) commonly used classification systems are designed so that the information required is acquired during the design and construction stages, and (iii) further work is needed to address the challenges of properly classifying construction elements at the operation and maintenance stage.Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats SosteniblesPostprint (published version

On the selection of significant variables in a model for the deteriorating process of facades

In previous works the authors of this paper have introduced a predictive system that uses survival analysis techniques for the study of time-to-failure in the facades of a building stock. The approach is population based, in order to obtain information on the evolution of the stock across time, and to help the manager in the decision making process on global maintenance strategies. For the decision making it is crutial to determine those covariates -like materials, morphology and characteristics of the facade, orientation or environmental conditions- that play a significative role in the progression of different failures. The proposed platform also incorporates an open source GIS plugin that includes survival and test moduli that allow the investigator to model the time until a lesion taking into account the variables collected during the inspection process. The aim of this paper is double: a) to shortly introduce the predictive system, as well as the inspection and the analysis methodologies and b) to introduce and illustrate the modeling strategy for the deteriorating process of an urban front. The illustration will be focused on the city of L’Hospitalet de Llobregat (Barcelona, Spain) in which more than 14,000 facades have been inspected and analyzed.Peer ReviewedPostprint (published version

Creation and design of a guidelined model for the management of public urban spaces and services

The objective of this project is the creation of a guidelined management model to optimize public spaces and urban services. The indicators composing the computerized Balanced Scorecard of the model provide information of the subsystems that make up the spaces and its utilities in four strategic blocks that allow their expansion. The model is founded on the basis of systematically collecting data and then processing the data to create quality indexes from the analyzed sections, depending on the level of degradation of its subsystems, as well as the estimated repair costs. This information makes it possible to prioritize the type of intervention to be made by the manager. The purpose of this model is to be used, in the future, to estimate the durability of the different elements that compose the roads and to manage them in a more sustainable way. The model was tested on the urban sprawl of Mataró (Barcelona), which consists of a total of 141,5 km of roads and 331 crossroads, analyzed with its public furnishings and fixturesPostprint (published version