Modelos cognitivos y herramientas de complejidad en la arquitectura, el análisis y el diseño urbano

Carlos Reynoso

Justificación

Desde fines del siglo XX y en lo que va del milenio, se han desarrollado diversos métodos algorítmicos innovadores que usualmente se refieren como teorías de la complejidad
y el caos determinista. Paralelamente se ha consolidado lo que muchos consideran
la nueva ciencia de las redes, en las que las que el tradicional análisis de redes
sociales y la teoría de grafos (asimismo de gran impulso como orientación matemática)
se aplican a configuraciones con distribuciones de ley de potencia, una distribución que se sabe característica de los fenómenos complejos, desde la geometría fractal hasta las series temporales en dinámica no lineal.
En poco tiempo, modalidades de investigación y herramientas usuales en la investigación convencional se han visto sustituidas o complementadas ventajosamente por sus equivalentes complejos y no lineales: la identificación de sistemas en estadística matemática se complementa ahora con la reconstrucción de sistemas dinámicos de la dinámica no lineal; las geometrías euclideanas con la geometría fractal; los métodos convencionales del GIS con los grafos primales y duales de la sintaxis del espacio; donde antes había simulaciones con movimiento browniano y camino al azar, ahora hay además vuelos de Lévy; donde antes se diseñaban los modelos urbanos y arquitectónicos con plantillas y procesos informáticos de gestión manual, ahora se aplican patrones y gramáticas complejas; y así sucesivamente.
Desarrolladas sobre todo en la última década, las variedades algorítmicas que integran los dos conjuntos complementarios (complejidad y redes) han llegado a ser innumerables: metaheurísticas evolucionarias, sistemas complejos adaptativos (incluyendo autómatas celulares, redes booleanas y modelos basados en agentes), gramáticas recursivas(sistemas de Lindenmayer y shape-grammars), sociedades artificiales, vida artificial, análisis de redes complejas, criticalidad auto-organizada y en los últimos pocos años una poderosa combinación de teoría de grafos y sintaxis espacial. Más importante aun, las diversas familias de algoritmos de la complejidad están atravesadas y unificadas no sólo por distribuciones estadísticas características, sino por el uso de instrumentos conceptuales
que se manifiestan (o que resultan productivos) en todos y cada uno de los
miembros del conjunto: modelos de percolación, modelos de transiciones de fase de
segundo orden, dimensión fractal, gráficos de recurrencia.
A todo ello se agrega una reciente preocupación por los aspectos cognitivos de la organización del espacio, que recién ahora se están integrando a los modelos de complejidad basados en teoría de grafos, comenzando por el inmenso campo que se ha generado en torno de la sintaxis espacial.
En el seminario cuyo programa se adjunta se propone concentrar el foco en sólo cinco
conjuntos algoritmos y metodologías de complejidad que son los que se describen en el
programa analítico, sin perjuicio de que en el curso de las prácticas se hagan referencia a algunos otros de los nombrados si ello resulta consistente con las necesidades u orientaciones profesionales de los cursantes. Tratándose de un seminario teórico práctico, y siendo necesario definir un conjunto acotado de posibilidades aplicativas de interés transdisciplinario, se propone organizar el campo empírico en torno de problemáticas de análisis y diseño urbano (incluyendo diseño urbano y planificación de configuraciones espaciales y servicios), modelado organizacional (incluyendo modelos complejos de gestión y perspectivas reticulares de las organizaciones complejas) y modelos complejos de innovación (incluyendo modelos de difusión y las dinámicas reticulares concomitantes).

Metodología

El seminario propuesto requiere trabajo presencial de un mínimo de 32 horas con disponibilidad de computadora por cada alumno o por cada pequeño grupo de alumnos. Se
requieren por ende conocimientos mínimos de operación de productos, siendo recomendado(aunque no ha de considerarse excluyente) alguna experiencia de programación en lenguajes usuales de scripting o lenguajes de propósito general. Se trabajará en entorno Windows, aunque favoreciendo el trabajo sobre programas susceptibles de instalarse en otros entornos operativos.
El tiempo de dictado se articulará con módulos teórico-prácticos en los que se brindarán por un lado los fundamentos conceptuales necesarios y se realizará por el otro un conjunto de ejercicios de implementación de escala real en base a especificaciones y archivos de prueba que ya han sido preparados con esta finalidad.
Se suministrará a los asistentes el conjunto de programas de computación de código
abierto y/o dominio público que se indica en las referencias analíticas, así como la bibliografía licenciada correspondiente en soporte binario y los archivos para las pruebas prácticas de sistemas adaptativos, diagnóstico fractal, redes organizacionales, sintaxis del espacio y análisis de factores cognitiv.
El régimen de asistencia, elaboración eventual de trabajos de profundización y promoción se regirán por las normas usuales de la Universidad.

Programa analítico

1. Sistemas complejos adaptativos: Autómatas celulares. Modelado de crecimiento urbano y de proyección ambiental con AC. Estándares y ambientes de trabajo de propósito general u orientados a la disciplina. Modelos de microsimulación celular de
tráfico. Modelos celulares de difusión de innovaciones. Prácticas.

2. Modelos basados en agentes, vida, cultura y sociedades artificiales. Conceptos generales y productos. Usos de modelos de agentes para modelado de tráfico, modelos de evacuación y flujo peatonal. Entornos de MBA dedicados a la gestión y el análisis
organizacional. Modelos de agentes autónomos para la simulación de procesos de
innovación. Prácticas.

3. Dimensión fractal. Modelos de crecimiento fractal basados en agregación limitada
por difusión. Usos del concepto en el análisis estructural, en el diagnóstico y planificación del crecimiento urbano, en el estudio y proyección del uso de la tierra y el impacto ecológico. Prácticas.

4. Gramáticas de la complejidad. Sistemas-L. Shape-grammars. La perspectiva del
actor: Aspectos cognitivos del diseño gramatical. Prácticas de diseño de parques,
marinas o laberintos con curvas tipo FASS en programas de sistemas-L. Diseño de
conjunto urbano con GroIMP. Diseño de ciudad con CityEngine según modelos
predeterminados.

5. Sintaxis espacial. Modelos de isovista y GIS y modelos de grafos primales y duales.Usos del modelo en el diseño y análisis de estructuras organizacionales, modelado urbano y problemáticas sociales (ergonomía, caminabilidad, segregación, prevención del crimen). Prácticas de análisis de sintaxis espacial.

6. Perspectivas de complejidad en cognición situada y cognición espacial. Teorías de la percepción. Percepción visual del espacio y de la forma. Mapas cognitivos. Síntesis de la neurociencia social cognitiva contemporánea. Evaluación de la percepción cognitiva del espacio con herramientas de sintaxis espacial y modelos de complejidad.


Referencias bibliográficas

1. Autómatas celulares.
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Clarke, Keith. 2002. “Land Use Change Modeling Using SLEUTH”. Proceedings of Advanced
Training Workshop on Land Use and Land Cover Change Study. Taiwan, National Central
University / National Taiwan University / START, 9 al 20 de diciembre, pp. 525-
573.
Reynoso, Carlos. 2009. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja.Capítulo 1, pp. 6-33.

2. Modelos basados en agentes, vida, cultura y sociedades artificiales.
Barrett, C.L., R.J. Beckman, K.P. Berkbigler, K.R. Bisset, B.W. Bush, K. Campbell, S. Eubank,
K.M. Henson, J.M. Hurford, D.A. Kubicek, M.V. Marathe, P.R. Romero, J.P. Smith,
L.L. Smith, P.E. Stretz, G.L. Thayer, E. Van Eeckhout y M.D. Williams. 2001. “TRansportation
ANalysis SIMulation System (TRANSIMS)”. Portland Study Reports. Los
Alamos National Laboratory Reports LA-UR-01-5711, 5712, 5713, 5714, 5715. LAUR-
01-5711, 5712, 5713, 5714, 5715. Los Alamos, Los Alamos National Laboratory.
Reynoso, Carlos. 2009. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja.Capítulo 2, pp. 34-41.

3. Dimensión fractal.
Arlinghaus, Sandra Lach. 1985. “Fractals take a central place”. Geografiska Annaler B: Human Geography, 67(2): 83–88.
Arlinghaus, Sandra Lach. 1993. “Central Place fractals: theoretical geography in an urban setting”. En: N. Siu-Ngan Lam, L. DeCola (compiladores), Fractals in Geography,
Englewood Cliffs, Prentice Hall, pp. 213–227
Batty, Michael y Paul Longley. 1994. Fractal cities: A geometry of form and function. Londres y San Diego, Academic Press.
Frankhauser, Pierre. 1997. “Fractal geometry of urban patterns and their morphogenesis”. Discrete dynamics in nature and society, 2: 127-145.
Frankhauser, Pierre. 1998. “The Fractal Approach. A New Tool for the Spatial Analysis of Urban Agglomerations”. Population: An English Selection, Vol. 10, No. 1, New Methodological Approaches in the Social Sciences, pp. 205-240.
Frankhauser, Pierre y Denise Pumain. 2007. “Fractals and geography”. En: Lena Sanders (compiladora),Models in spatial analysis. Londres, ISTE.
Reynoso, Carlos. 2009. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja. Capítulo 3, pp. 42-60.

4. Gramáticas de la complejidad. Sistemas-L. Shape-grammars.
Müller, Pascal, Tijl Vereenooghe, Andreas Ulmer y Luc Van Gool. 2005. “Automatic reconstruction of Roman housing architecture”. Recording, Modeling and Visualization of Cultural Heritage, Ascona, Suiza.
Müller, Pascal, Tijl Vereenooghe, Peter Wonka, Iken Papp y Luc Van Gool. 2006. “Procedural
2D reconstruction of Puuc buildings in Xkipché”. En: M. Ioannides, D. Arnold, F. Niccolucci y K. Mania (compiladores), The 7th International Symposium on virtual reality, archaeology and cultural heritage, VAST, pp. 139-146.
Müller, Pascal, Peter Wonka, Simon Haegler, Andreas Ulmer, Luc van Gool. 2006. “Procedural modeling of buildings”. Proceedings of ACM Siggraph 2006 / ACM Transactions on Graphics, 26(3), Nueva York, ACM Press.
Ramli, Moh Adib y Mohamed Rashid Embi. 2008. “The shape grammar of Rudinara Residence”. Jurnal Alam Bina, Jilid 13(4): 53-61.
Reynoso, Carlos. 2009. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja.Capítulo 4, pp. 61-79.

5. Redes y Sintaxis espacial.
Barabási, Albert-László. 2003. Linked: How everything is connected to everything else and
what it means. Nueva York, Plume Books.
Hillier, Bill. 2007a. The space is the machine: A configurational theory of architecture. Londres,
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Reynoso, Carlos. 2009a. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja.Capítulo 5, pp. 80-103.
Reynoso, Carlos. 2009b. Redes y complejidad. En curso de edición. Disponible en la página del curso.
Toker, Umut y Zeynep Toker. 2003. “Family structure and spatial configurationin Turkish house form in Anatolia from late nineteenth century to late twentieth century”. Proceedings, 4th International Space Syntax Symposium, Londres, pp. 55.1-55.16.

6. Cognición situada y cognición espacial.
Hillier, Bill. 2007b. “Studying cities to learn about minds: how geometric intuitions shape urban space and make it work”. Space Syntax and Spatial Cognition - Proceedings of the Workshop held in Bremen, 24th September 2006. Spatial Cognition 2006, pp. 11-31.
Reynoso, Carlos. 2008. Materiales del curso de Ciencia Cognitiva y Antropología del Conocimiento,
http://carlosreynoso.com.ar/seminario-de-ciencia-cognitiva-y-antropologia-delconocimiento/
Reynoso, Carlos. 2009. Herramientas para el diseño y el análisis de la ciudad compleja. Capítulo 5, pp. 103-107.
Yun, Yong Woo y Young Ook Kim. 2007. “The effects of depth and distance in spatial cognition”.Proceedings, 6th International Space Syntax Symposium,
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Zako, Reem. 2009. “Young people’s gatherings in the urban public realm: Enhancement of a distraction from its liveability”. Proceedings of the 7th Space Syntax Symposium, Estocolmo, pp. 066.1-066.16.


Propuestas de práctica

Un terreno tan ligado a la realización de modelos y a la sistematización y producción de conocimiento a partir de ellos, debería ir acompañado de una práctica que ponga al alcance de las manos las mismas experiencias de investigación a las que se hicieron referencia en el texto u otras muy semejantes. He incluido en este apéndice algunos ejercicios que en la práctica de realización de diversos workshops y seminarios sobre el tema me han parecido más estimulantes y de mayor impacto pedagógico. Los especialistas en áreas (antropología urbana, diseño arquitectónico, modelado proyectivo, transporte) podrán aportar sin duda mejores propuestas ligadas a dominio de las que a mí me es posible pensar.

1 – Autómatas celulares

1) Objetivo: Comprender al menos un modelo formal de crecimiento de una estructura compleja se asentamiento, las características de sus configuraciones y las formas de dar cuenta de sus relaciones cualitativas y cuantitativas. ¨ Procedimiento:
Modelar un proceso de expansión urbana de tipo DLA con Mirek’s Cellebration
o Golly, evitando la formación de áreas vacías en el centro y otorgando
valores diferenciales a las orientaciones geográficas. ¨ Medir las dimensiones
fractales de las figuras resultantes en cada una de las etapas de iteración y
analizar la trayectoria. ¨ Probar la generación de estructuras arquitectónicas en
base a DLAs tridimensionales (con Visions of Chaos [Mode / Diffusion-Limited
Aggregation / 3D DLA] u otras alternativas de software). ¨ Probar con cubos /
esferas / tuberías y distintos escenarios de textura e iluminación hasta que se
comprenda la lógica del procedimiento en profundidad. ¨ Determinar si hay eventuales
diferencias o más bien regularidades en la lógica de crecimiento en
asentamientos de distintas culturas o épocas históricas.

2) Desarrollar un modelo urbano que reproduzca a grandes rasgos la especialización funcional de una ciudad determinada, utilizando Spacelle (o alternativamente DUEM si se logra modelar el espacio primario).
Tomar como template los archivos de muestra relativo al caso de Rouen del primer programa. ¨ Aclarar el significado de las reglas de transición en el uso de la tierra. El documento instructivo podría ser el paper de Edwige Dubos-Paillard, Yves Guermond y Patrice Langlois, “Analyse de l’évolution urbaine par automate cellulaire. Le modèle Spacelle” que se puede bajar de la página del programa. ¨ Modificar la siguiente regla de transición del caso de Rouen para adaptarlo a la situación que se desea modelar; hacer eventualmente lo propio con otras reglas. ¨ Analizar y explicar el comportamiento dinámico de la evolución estadística en este o en otros casos. ¨ Verificar la actuación del principio de sensitividad extrema a las condiciones iniciales y/o explicar por qué no se manifiesta con determinados valores
de parámetro (véase Reynoso 2006: 270-275). ¨ Tipificar las conductas según la
nomenclatura de Wolfram:

3) Establecer un modelo óptimo de evacuación de una planta urbana definida utilizando el módulo de MatSim.
La documentación instructiva se encuentra en el manual Evacuation Queue Simulation Tutorial. ¨ Razonar sobre el alcance del equilibrio de Nash y el uso del algoritmo de Dijkstra en este contexto.

4) Objetivo: Comprender los modelos celulares/microscópicos de crecimiento urbano.
¨ Procedimiento: Instalar Cygwin y SLEUTH y modelar el cambio de una
ciudad propuesta por el instructor a diez, veinte y cuarenta años. Contrastar estadísticamente contra un caso de referencia. Elaborar cambios en las proyecciones
según se articulen los parámetros de (1) difusión, (2) breed, (3) spread, (4)
resistencia de las pendientes y (5) gravedad de las rutas. ¨ Medir, tabular y explicar la dimensión fractal diferencial conforme a las variaciones de los parámetros en cada época y a través de ellas.
Modelos basados en agentes

5) Instalar TRANSIMS. Elaborar el modelo de estado y establecer los requisitos del modelo óptimo de tráfico para la sección de planta urbana que proponga el instructor y de acuerdo con los criterios cuantitativos que éste establezca para los modelos Na-Sch o KSSS, según disponibilidad de tiempo.

6) Realizar un modelo semejante en SUMO (Simulation of Urban MObility) y
comparar prestaciones de un modelo de caja negra [SUMO] con un modelo basado
en agentes (con prestaciones de autómatas celulares) [TRANSIMS]. ¨ Establecer similitudes y discrepancias conductuales del mismo juego de parámetros
y valores de variable en ambas clases de modelos.

7) Implementar el modelo de flujo peatonal especificado por el instructor con MicroPedSim.(¨ Verificar previamente la configuración del sistema con el Panel de Control para que acepte caracter de punto como coma decimal). ¨ Comparar
performance y características conductuales del modelo de fuerzas inherente al
programa versus otras concepciones microscópicas de modelado. Verificar versión
y características del software en:
http://people.revoledu.com/kardi/research/pedestrian/MicroPedSim/download.htm
Dimensión fractal

8) Procesar una fotografía satelital de dos ciudades definidas (o dos barrios diferentes de la misma ciudad), implementar los filtros adecuados e interpretar la razón de ser de los parecidos y diferencias de sus respectivas dimensiones fractales y multifractales, tanto globales como locales. Utilizar HarFA, FracLab o Fractalyse,en ese orden de preferencia.

9) Modelar plantas urbanas con espacios internos en base a figuras de Menger o Sierpinski, según el modelo de Frankhauser (véase pág. ¡Error! Marcador no
definido.). Utilizar preferentemente Janus Fractal; hacer que el modelo converja
con un patrón diseñado a priori y llevar registro de los valores de variable que
más se aproximan a la clase esperada. ¨ Comparar generación de patrones urbanos
de tipo Menger/Sierpinski con diversas técnicas, por ejemplo sistemas-L,
iteración fractal estándar [Winfract/Sierpinski], ecuación de recurrencia [an=an–1
XOR 2an–1], autómatas celulares [Wolfram 60, 90, 102] e IFS. ¨ Idem para patrones
de crecimiento de tipo DLA.
Gramáticas generativas

10) Sistemas-L: Generar un embaldosado hexagonal análogo a las configuraciones de central place con Visions of Chaos o algún programa específico de sistemas-L. ¨ Establecer la variación de la dimensión fractal conforme al nivel de anidamiento recursivo.

11) Sistemas-L: Elaborar un parque, marina o laberinto de tipo FASS basado en curvas de Hilbert o Gosper (también establecer la variación de la dimensión
fractal según el nivel de anidamiento recursivo). ¨ Ver definición de FASS en la
pág. ¡Error! Marcador no definido.. ¨ Migrar el modelo a tres dimensiones
incluyendo variables ambientales, de textura e iluminación. Utilizar preferentemente
LynSys 3D o L-Studio. ¨ Comparar procesos de generación gramaticales
con alternativas celulares o de DLA para esta clase de configuraciones.

12) Shape grammar: Diseñar un pequeño conjunto característico de un dowtown moderno o posmoderno con GroIMP modificando la definición XML del archivo
skycraper.rgg, o alterándola de manera interactiva mediante la interface gráfica.
¨ Configurar condiciones ambientales en un programa de diseño tridimensional
de alta definición tipo POV-Ray. Asimilar previamente los artículos de
Ole Kniemeyer (2004) y Winfried Kurth (2000; 2007).

13) Modelado procedimental: Modelar una planta urbana semejante al de una ciudad determinada en base a los modelos del tutorial de CityEngine. Aplicar la estructura de trazado de calles, la especialización zonal y los constreñimientos edilicios específicos de la cultura y el estilo que establezca el instructor. ¨ Exportar a un ambiente de trabajo con capacidades de simulación de textura e iluminación.
¨ Implementar animaciones de transformación de estilos arquitectónicos
según requerimiento. ¨ Utilizar como base de transformación de ciudades el
ejemplo de tres reglas ilustrado en la figura o manipular valores de parámetro en
el proceso de generación de ciudades utilizando el Wizard .
9.5 – Sintaxis del espacio

14) Space syntax: Elaborar el modelo de sintaxis espacial para el área de planta urbana o asentamiento arqueológico con AJAX, DepthMap, Mindwalk o WebMap-AtHome según el requerimiento propuesto por el instructor. Utilizar datos reales de GIS o remote sensing en formato vectorial en la medida de lo posible. Configurar previamente punto decimal a la manera inglesa. ¨ Si se escoge el programa
MindWalk se requerirá un archivo en formato DXF de la ciudad o región a
analizar sintácticamente; se puede trabajar con el archivo que viene por defecto
pero la idea es penetrar mucho más hondamente en las cualidades sintácticas del
diseño. ¨ Si existe la posibilidad, tomar dos ciudades o regiones, ejecutar las operaciones de interpolación de superficies, obtener los nuevos mapeados según
se indica en los documentos y dar cuenta de las diferencias en los valores estadísticos de una y otra. ¨ Elaborar experimentos creativos de wayfinding en barrios o edificios conforme a los lineamientos descriptos en Alan Penn (2003) y
en las investigaciones por él referidas. Determinar si existen constancias o diferencias según clase social, nivel educativo, lugar, familiaridad con el ambiente,
cultura de origen, actividad profesional ligada al diseño, etcétera. ¨ Analizar dibujos de mapas cognitivos de lugares bien conocidos y relevados por el investi10
gador en términos de sintaxis espacial y correlacionar con el análisis espacial de
los sitios reales. Explicar constancias y divergencias.

15) Grafos espaciales. Llevar un conjunto de datos emanados de un sistema de análisis espacial a un ambiente con capacidad de análisis de grafos y redes y explicar el significado de las estadísticas correspondientes de centralidad, betweenness, distancia geodésica, coeficiente de clustering, exponentes de distribuciones de ley de potencia, umbral de percolación, etc. ¨ Tomar como punto de partida Reynoso (2008b) y la bibliografía allí mencionada. ¨ Elaborar un examen diacrónico de planos habitacionales de distintas épocas tomando como modelo el
paper de Toker y Toker (2003). Correlacionar los cambios estructurales con procesos
histórico-sociales y usos estilísticos. ¨ Posibles programas de acceso libre
para este ejercicio son Network Workbench, UCINET, Visone y Pajek. El programa
recomendado para el ejercicio es *ORA.

16) Sintaxis espacial, cognición y sociedad. Tomar mapas del barrio o región a definir,importarlo al programa DepthMap y correlacionar parámetros de sintaxis espacial con valores de preferencia habitacional, riqueza y pobreza, segregación, criminalidad, conducta antisocial, (percepción de) inseguridad, acceso al mercado laboral, marcación de territorialidad, realización de reuniones juveniles o de tribus urbanas en espacios públicos, formación de ghettos, etcétera.