Des courbes à moindre coût Le constructeur AWI adopte la 3D pour

Des courbes à moindre coût
Le constructeur AWI adopte la 3D pour développer des projets complexes
avec beaucoup plus de facilité.
Par Brett Duesing, Strategic Reach
Les progrès au niveau des outils de conception 3D ont permis aux fabricants
d'augmenter considérablement leur productivité au cours des deux dernières
décennies. Le développement automobile par exemple, n'a rien à voir avec ce qu'il
était il y a 20 ans. Dans cette industrie, les données 3D sont utilisées pour le design
et les études mais tous les procédés de fabrication en aval ont également évolué
pour tirer profit des avantages offerts par la technologie 3D.
On pourrait penser que la CAO 3D apporte les mêmes avantages dans le domaine
de l'architecture et la construction. Les architectes pourraient disposer d'une plus
grande palette de formes d'expression - courbures et textures non rectilignes ; les
entrepreneurs pourraient avoir des données visuelles plus claires et réduire ainsi les
confusions, les retards et les dépassements de délais lors de la construction de
structures complexes.
Mais dans la plupart des cas, ces avantages n'ont pas fait surface. Même si les
dessinateurs peuvent modéliser facilement des formes fantastiques dans des
modeleurs 3D, les avancées technologiques se heurtent vite à la résistance
humaine. Tous les professionnels habitués aux méthodes traditionnelles
d'architecture et de construction - ingénieurs, sous-traitants, contrôleurs, même
l'AIA elle-même - attendent tous des documents contractuels sous forme de dessins
2D.
Les expériences au niveau des formes demandent parfois aux architectes du travail
supplémentaire - en particulier, le traçage des dessins en 2D à partir de leur
modèle 3D original. Et la description de géométries complexes sur des vues en 2D
invite parfois à la confusion. Comme le mentionne le site de Gehry Technologies –
l'antenne chargée des logiciels de l'entreprise de Frank Gehry - une mauvaise
coordination entre les données et le terrain entraîne une augmentation des coûts de
20 pour cents. En dehors du caractère superflu inhérent à la situation, la réduction
d'une forme en feuilles 2D annihile tous les avantages de la modélisation.
« Dans un monde où les changements au niveau de la technologie peuvent prendre
uniquement un an ou deux, mais où les changements dans la construction peuvent
prendre toute une génération - environ 35 ans - les designers et propriétaires font
un grand pari sur l'avenir lorsqu'ils mettent en avant ces idées » dit Richard
Herskovitz, architecte chez Architectural Woodwork Industries (AWI).
Et si tous les procédés de construction étaient basés sur le modèle 3D ? En
contraste avec l'inertie du reste de l'industrie, AWI Philadelphie est un sous-traitant
qui a choisi d'adopter la technologie 3D. Son plaidoyer pour une dynamique de
travail centrée sur la 3D a permis à l'entreprise de terminer la charpente courbée
de la salle de concert de l'EMPAC à un coût défiant toute concurrence.
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L'EMPAC a été conçu par Grimshaw Architects et modélisé dans Rhino; Davis Brody Bond, maître d'œuvre local,
était chargé de coordonner tous les consultants, fournir les documents contractuels et superviser la
construction.
La méthodologie de l'entreprise est un aperçu de ce que la construction pourrait
être. Étant donné l'approche générale moins coûteuse et plus sensée que la
méthode traditionnelle, il n'y a aucune raison de croire qu'il ne s'agit pas là du
modèle de construction du futur.
L'optimisation de la puissance de la 3D, dans les bureaux comme sur le terrain,
rend possible la construction de surfaces courbées et permet également une
construction plus rapide, moins chère et plus précise.
L'expérience de l'EMPAC (Experimental Music and Performing Arts Center)
La structure en acier blanc et les panneaux en verre allant du sol au plafond
semblent typiques à l'architecture d'un campus moderne ; mais un simple regard à
travers les fenêtres du nouveau centre de l'institut polytechnique de Rensselaer
révèle l'enveloppe d'une salle de trois étages, arrondie sur tous les côtés et de haut
en bas. La structure intérieure en forme de ruche est entièrement recouverte par
un quadrillage de panneaux en bois lisse, amplifiant la présence organique
surprenante de la salle.
Conçu par Grimshaw Architects, l'EMPAC utilise des surfaces curvilignes pour son
élément central. Le design est emblématique des nouvelles expériences sur les
formes et les textures utilisées dans les grands projets de construction publique.
Lorsque AWI a gagné l'appel d'offres soumis par le maître d'ouvrage, Turner
Construction Company, pour le lot concernant les panneaux en bois de l'EMPAC, le
charpentier avait une requête inhabituelle. La coordination entre AWI et tous les
autres sous-traitants utiliserait le modèle de conception 3D original comme point de
référence. Au lieu des plans 2D utilisés depuis des générations dans la construction,
les sous-traitants s'occupant de l'acier et du béton ont reçu une copie du logiciel de
modélisation, une brève formation et le design de la salle en 3D divisé en
différentes phases de construction.
Selon Herskovitz, « Cette méthode ouverte, qui permet à plusieurs disciplines ou de
nombreux sous-traitants de partager des informations numériques, sur le terrain ou
au bureau, pour coordonner leurs travaux, est un énorme changement. » « Cette
réinvention est une vraie « expérience sociale » comme le dit un ami. Il ne s'agit
pas tant de la technologie mais plutôt de son implantation. »
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Quand le bois courbé impose ses règles
L'étroite relation entre AWI et la modélisation 3D est en partie due au besoin du
matériau lui-même. Les architectes et ingénieurs ont adopté une mentalité 3D
depuis 1991, lors de l'apparition des premiers programmes de dessin assisté par
ordinateur. Au même moment, les différentes machines pour travailler le bois
provenant d'Europe ont commencé à utiliser des pilotes informatisés et des
programmes spécialisés permettant de réaliser des tâches d'ébénisterie
standardisées. Les machines étaient très précises, beaucoup plus que les outils
manuels. Depuis lors, l'entreprise a toujours évolué avec les nouvelles technologies
3D, en appliquant les dernières innovations aux besoins de l'industrie.
Fort de son expérience, AWI a été amené à réaliser des intérieurs à grande échelle
en bois courbé de plus en plus difficiles, travaillant souvent avec le dessinateur
depuis le concept jusqu'à la réalisation. AWI a développé ses méthodes au cours de
plusieurs projets de grande envergure comme le Verizon Hall de Philadelphie dans
le centre Kimmel ainsi que les intérieurs du centre des congrès de Boston.
Une haute précision est nécessaire lors de la mise en place des panneaux dans des
concepts courbés comme ceux-là. Si la structure de support s'éloigne trop des
dimensions prévues, les planches de cèdre légèrement courbées ne s'ajusteront
plus ensemble.
« Le bois est un matériau qui se dilate et se contracte d'environ 2 cm tous les 40
m, nous devons donc avoir des tolérances d'environ 2 cm. » Ces marges d'erreur
sont environ quatre fois plus petites que celles des constructions typiques. La
charpente d'une maison, par exemple, peut varier d'environ un centimètre.
Dans sa recherche de précision, l'entrepise a découvert des processus tels que la
fabrication numérique et le transport automatisé, ainsi que les avantages de la
planification des phases de construction en 3D. Ces nouvelles méthodes ont
également produit des effets secondaires inattendus : réduction des coûts et
augmentation de la vitesse de construction
Le « processus » est plus important que le « programme »
La première étape dans la construction de la forme caractéristique de l'EMPAC est
d'assurer la précision du modèle 3D. William Horgan, architecte en charge du
projet, a modélisé le concept de Grimshaw dans un logiciel de modélisation plus
spécialisé pour le dessin industriel : Rhinoceros. Rhinoceros utilise des équations
mathématiques, appelées NURBS (B-splines rationnelles non uniformes), pour
construire les surfaces et ainsi calculer avec une précision exacte, n'importe quel
point sur une courbe complexe.
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Rhino a été utilisé comme plate-forme commune pour la coordination entre le modèle projeté et l'acier, le
béton, les réseaux de canalisations et l'enveloppe extérieure. Il a permis d'organiser tous les systèmes lors des
rencontres hebdomadaires. Le coffrage des murs en béton de la coque intérieure a été modélisé dans Rhino par
Perri Forms en Allemagne puis inséré dans le modèle principal afin d'être vérifié.
« Seules quelques applications disposent de cette capacité d'analyse et de cette
très haute précision sur les courbes », indique Herskovitz.
Selon lui, les clients qui débutent avec la construction 3D ne devraient pas
s'inquiéter du logiciel de modélisation utilisé pour créer le concept initial. Quels que
soient les fichiers de CAO qu'il reçoit du client, AWI peut facilement importer la
géométrie dans un environnement NURBS. Rhinoceros importe et exporte
également sans aucun problème la géométrie 2D dans des formats communément
utilisés par AutoCAD.
« Des programmes tels que Rhino permettent aux dessinateurs de mieux étudier
les formes et de créer celles-ci avec précision. Rhino peut lire fidèlement la plupart
des autres fichiers et apporte au dessinateur un environnement neutre pour
l'intégration de son travail. »
Rhino a permis de détecter les conflits de conception et de fournir un support visuel pour en expliquer les
origines lors des réunions ; il a également été utilisé comme outil logistique pour les panneaux de l’enveloppe.
Les conflits spécifiques ont été identifiés et des solutions trouvées conjointement, évitant ainsi de passer par un
interminable processus d'appel à informations. Des décisions ont été prises en commun et notées dans les
comptes rendus de réunions, évitant ainsi de perdre des semaines et des heures de travail.
Ici, le prolongement du mur d’insonorisation intérieur, à travers l'acier extérieur, ainsi que le porte-à-faux de la
dalle ont été détectés et corrigés sans appel à informations, lors d'une des réunions hebdomadaires autour du
modèle. De la même façon, il a été possible de voir qu'un gousset en acier n'était pas fixé. Ces problèmes
courants n'auraient pas été trouvés par un logiciel de détection de conflit mais ils l'ont été grâce à l'inspection
visuelle en 3D.
Rhino a été utilisé pour extraire les informations géométriques qui ont permis à Radius Track, dans le
Minnesota, de courber les rails. Chaque surface, courbée dans deux directions, représentant les panneaux du
mur, a été divisée en espaces de même grandeur afin de développer la courbure de chaque rail complétant les
panneaux. Ces modèles ont été envoyés sous forme numérique puis exportés dans un programme qui a permis
la réalisation de la courbure des rails avec une infinie précision.
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L'avantage de Rhinoceros est qu'il permet à AWI de diviser des géométries
courbées en différentes parties, de les numéroter et de les organiser pour les
étapes suivantes du projet. Pour le projet de la salle de concert de l'EMPAC, un seul
ingénieur, Ron Evans, chef de projet chez AWI, a peaufiné le modèle et exporté les
formes et les arcs dans des programmes d'analyse de structure. Le modeleur a
également permis de fractionner le modèle en différentes parties, de les numéroter
et de les organiser pour la construction.
Fabrication numérique
Une des méthodes les plus innovantes de la nouvelle approche d'AWI est
empruntée au domaine de la fabrication. Une fois que Ron Evans a divisé le modèle
3D du dessinateur en plusieurs composants dans Rhino, l'enveloppe extérieure de
la salle de concert de 1200 places s'apparente plus à un ensemble de petits projets
de fabrication.
Les dessins obtenus à partir des modèles des panneaux ont permis à l'entreprise Eastern Exterior Wall Systems
d'assembler les rails avec précision dans leurs ateliers et de les livrer dans le bon ordre de montage.
Une maquette grandeur nature représentant une portion de la zone la plus courbée et de l'entrée a été utilisée
pour que l'équipe de design et le propriétaire puissent l'approuver.
Ron Evans a partagé le modèle 3D en 268 panneaux à double courbure de 3 par 4
mètres. Ces panneaux métalliques, tous courbés de façon légèrement différente,
formaient la surface arrondie qui supporte l'extérieur de la salle. Les panneaux ont
été fabriqués dans un environnement industriel et le métal, ondulé exactement au
bon endroit, devait pouvoir recevoir le cèdre courbé.
Les panneaux, composés de rails pré-courbés, sont fabriqués automatiquement par
découpe au laser ou usinage, et tournage à commande numérique. Ces machines
peuvent travailler avec des tolérances atteignant 0,13 mm. Ron a exporté chaque
panneau numéroté dans le modèle de Rhino vers des traducteurs de données de
commande numérique. La liste de coupe contient la forme 3D de chaque panneau,
programmée pour être découpée par une machine. Les données 3D ne sont pas
utilisées ici pour la visualisation mais pour guider la découpe.
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Après avoir extrait les surfaces des « lames » de support à partir d'un modèle de Rhino, les informations, au
format AutoCAD, ont été envoyées au métallier afin qu'il puisse les utiliser pour commander son laser de
découpe pour couper les lames.
Grâce à cette automatisation, le coût de fabrication ne revient guère plus cher que
si tous les panneaux en acier possédaient la même courbure. Les pilotes
informatiques lisent simplement les instructions géométriques de chaque panneau
et la machine coupe, perce ou courbe les matériaux en fonction des données.
La préfabrication en usine n'a rien de nouveau. En 1972, la construction du World
Trade Center de New York impliquait déjà la production en usine de grilles en acier
identiques qui formaient le treillis extérieur. Mais maintenant, grâce à la découpe
numérique en 3D, toutes les pièces peuvent être uniques, ce qui permet de
construire une surface courbée à très grande échelle.
X, Y et Z sur le site de construction
Afin de conserver la précision exceptionnelle obtenue lors de la fabrication en
atelier, AWI devait accrocher les panneaux sur la structure en acier et en béton en
respectant les mêmes normes.
L'utilisation d'un système de transport automatisé a permis d'atteindre cet objectif.
Tout comme les équipements de mesure au laser, déjà très présents sur le site de
construction pour l'étude préalable, le transport automatisé peut être programmé
avec les points de contrôle 3D du modèle NURBS. Les mécanismes automatiques
déplacent le pointeur laser par télécommande et de ce fait, aucun personnel n'est
nécessaire pour faire fonctionner la station.
Rhino a été utilisé pour extraire la position des points permettant de placer les « lames » de support des
panneaux. Les informations ont ensuite été transférées vers AutoCAD afin que le métreur puisse les préparer
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pour le transport. Le transport automatisé localisait l'axe central, la hauteur et la distance à partir de la
structure en acier afin de souder les cornières dans la bonne position.
« Un transport automatisé peut localiser un point en utilisant une combinaison de
mesures de distances électroniques », explique Herskovitz. « Si vous connaissez
l'angle vertical et horizontal ainsi que la distance nécessaire sur une ligne droite,
vous pouvez déterminer le point exact dans l'espace. »
Cette technique est l'étape finale dans la suite de procédés tridimensionnels. Le site
de construction est alors lié au modèle virtuel. Dans la réalité, une immense grille
x-y-z recouvre l'emplacement du projet, en complément des formes 3D
numériques. Le résultat se traduit par une installation très précise mais également
par un faible coût de mise en place. Les techniques automatisées ont permis une
adaptation parfaite des panneaux de l'EMPAC sur la structure, évitant ainsi des
heures d‘ajustage qui auraient pu être nécessaires dans un projet aussi complexe.
AWI a utilisé Rhino pour concevoir en 3D la structure en bois des portails inférieurs et pour découper les formes
courbées des bords dans du contreplaqué retardateur de flammes.
Les formes complexes des portails supérieurs comprenaient des rails double courbure et des montants droits
couverts d'une tôle de 0,76 mm apportant une protection non combustible à l'extérieur en bois.
Même si 228 dessins d'assemblage en 2D ont été créés, les architectes ne pouvaient utiliser que le modèle 3D
de Rhino pour vérifier la forme et approuver les dessins. Il devait exister une isolation phonique entre les ponts
de la partie et le mur de la salle. Il était donc indispensable de bien voir le vide de quelques centimètres entre
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les panneaux, ce que ces images ont permis. On pouvait également voir que toutes les lames et tous les
panneaux étaient parfaitement alignés.
Le projet de construction réinventé
Le passage à la construction en 3D représente un challenge plus social que
numérique car il implique un changement d'attitude et d'approche des problèmes.
En effet, afin d'éviter des dépassements de budgets pendant la phase de
pannellisation, les phases précédentes, lors de la mise en place de l'acier et du
béton, devaient respecter un haut niveau de précision.
« Heureusement pour nous, Jasper DeFazio, vice-président de Turner, a adhéré à
cette approche dès le début et Rensselaer également en demandant à AWI de
modéliser toutes les formes importantes pour une meilleure coordination »,
commente Herskovitz.
« Cette méthode a bien sûr impliqué une phase de mise en place. Nous avons tout
d'abord dû convaincre les autres sous-traitants d'utiliser la 3D, puis il a fallu
apprendre à utiliser Rhinoceros et ses outils », précise-t-il. « Mais il était important
pour nous que tous les intervenants pensent en trois dimensions et comprennent
parfaitement les points critiques où se rejoignaient nos travaux. Une construction
virtuelle permet souvent de détecter les conflits de conception et de soulever des
questions très tôt dans le projet, ce qui permet de gagner du temps et ainsi de
l'argent pendant la construction.
Herskovitz défend la 3D comme moyen de coordination pour tous les acteurs de la
construction, afin de définir plus clairement les phases de construction et de
répartir les tâches entre les propriétaires, les dessinateurs et les sous-traitants.
Pour profiter de tous les avantages de la construction en 3D, les processus doivent
changer, y compris les rôles et les tâches traditionnels de chaque acteur.
« Le monde numérique a permis aux architectes de concevoir des formes plus
complexes, mais les moyens et les méthodes utilisés dans la construction changent
trop doucement pour pouvoir suivre », indique Herskovitz. « Ainsi, en centrant la
construction autour des données 3D, même des concepts complexes, s’ils sont bien
coordonnées, passent alors facilement de la modélisation à la fabrication.
Les formes sculptées sont encore rares dans l'architecture car l'apparence est
restreinte par les considérations économiques. « Les appels d'offre, plus souvent
pour les bâtiments publics, représentent une exception. Les musées d'art, les salles
de spectacle, les bibliothèques, les gares sont de grands projets dans le monde de
l'architecture », dit Herskovitz. « Dans ces cas, la forme sculptée possède un
budget propre. Ces clients investissent dans la forme artistique de l'architecture et
invitent à des designs plus innovants », remarque Herskovitz. Dans le cas de la
salle de concert de l'EMPAC, le concept n'a pas demandé de budget de rêve ; la
note pour la structure ne représentait qu'une fraction de ce que les clients paient
d'habitude pour une salle de concert haute qualité. « Le propriétaire a fait une très
bonne affaire. »
Dans ces projets à grand budget, des expériences sont réalisées et testées avec les
technologies et les techniques. Et c'est ainsi qu'un nouvel ensemble de procédés de
construction efficaces et innovants ont vu le jour. « Nous essayons maintenant de
prouver la rentabilité de la 3D », indique Herskovitz. « Une fois l'efficacité de la
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construction en 3D vérifiée, nous la verrons sûrement plus souvent dans le
future. »
À propos de l'entreprise Architectural Woodworking Industries (AWI)
Constituée de deux architectes et de charpentiers et menuisiers ayant de
nombreuses années d'expérience, que ce soit en atelier ou sur le terrain,
Architectural Woodwork Industries fournit des services de consultation, de gestion
de projets, d'estimation des coûts et d'organisation ainsi que la fabrication et
l'installation de charpentes haut de gamme. Basés à Philadelphie, les constructeurs
d'AWI utilisent la technologie de la CFAO 3D pour créer des concepts en bois de
haute qualité tout en restant à des coûts abordables.
Pour voir d'autres projets, visitez www.awin.net.
À propos de Rhinoceros
Rhino met à votre disposition les outils nécessaires pour modéliser avec précision
vos dessins afin de calculer un rendu, créer une animation, une étude technique, un
prototype, une analyse et fabriquer l'objet. Rhino peut créer, modifier, analyser et
traduire des courbes, des surfaces et des solides dans Windows sans limite de
complexité, de degré ni de taille. Rhino apporte la précision nécessaire pour le
dessin, le prototypage, l'étude technique, l'analyse et la fabrication de tous types
d'objets, qu’ils aient l’envergure d’un avion ou la finesse d’un bijou. Rhino offre,
sans limite, compatibilité, accessibilité et vitesse dans un modeleur de forme libre,
des qualités jusqu’alors présentes uniquement dans des produits coûtant 20 à 50
fois le prix.
Pour voir les nombreux produits conçus avec cet outil 3D et télécharger une version
d'évaluation, visitez: http://www.rhino3d-fr.com.
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