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FACILITER L’USAGE DES LOGICIELS DE SIMULATION GRACE AUX ECHANGES D’OBJETS IFC Bernard FERRIES Laurenti, 2 Rue du stade, 31320 Castanet Tolosan, France tél : 05 34 66 62 99 ; fax : 05 34 66 62 98 ; email : [email protected] www.laurenti.com ; www.ximul.com RESUME La préparation des données est reconnue comme un des freins à l’utilisation des logiciels de simulation. Jusqu’à présent, l’information délivrée par les logiciels de CAO et de gestion de patrimoine n’était pas exploitable en l’état et devait faire l’objet de traitements sans valeur ajoutée qui pénalisaient la prestation de simulation. Il est aujourd’hui possible de procéder autrement grâce aux IFC. Ce standard émergent des objets du bâtiment a été défini par l’IAI, association internationale, et les IFC ont été adoptées par de nombreux éditeurs de logiciels. Après une présentation rapide des IFC, nous montrons comment le processus de simulation est modifié et quels sont les bénéfices obtenus. Nous évoquons enfin quelques projets représentatifs des perspectives ouvertes par les IFC. INTRODUCTION Les outils de simulation peuvent rendre de grands services mais ils sont encore peu utilisés par les professionnels du secteur de la construction. Parmi les freins identifiés dans l’étude que P. Barles avait menée pour IBPSA [8], figurait l'important travail de préparation des données préalable à une simulation. En effet, on ne dispose la plupart du temps que de plans ou de fichiers de plans à partir desquels il faut définir et qualifier les objets utiles à la simulation puis effectuer des opérations de métré. C’est aussi vrai pour des applications plus classiques, et ce problème des saisies et ressaisies multiples en aval des logiciels de CAO ou de DAO n’est pas nouveau. Il se pose aussi avec les logiciels de gestion de patrimoine qui détiennent des informations sur les bâtiments existants. Or il est désormais possible d’échanger non seulement des représentations d’objets comme le contour d’une zone, mais la description détaillée des objets eux-mêmes comme les caractéristiques d’une zone thermique et des locaux qui la composent. Ces informations peuvent être transmises dans un fichier IFC, conforme dans son format et sa structure à un standard international et cela va renouveler totalement la façon de préparer les informations utiles aux simulations. L’article s’appuie sur les résultats de plusieurs études et projets : - une étude exploratoire menée à la demande de l’Ademe qui a permis d’expérimenter des échanges IFC entre un logiciel de gestion de patrimoine (RS Abyla) et un logiciel de simulation thermique (TRNSYS) [9] - Le projet CLAIRE [13], développement coopératif d’un logiciel de traitement de fichiers IFC et les prolongements de ce projet dans le cadre de deux projets soutenus par le Ministère de l’Industrie dans le cadre d’UCIP (Utilisation Collective d’Internet par les Pme) [14]. LA DEFINITION D’UN MODELE DE REFERENCE POUR LA CONSTRUCTION Un besoin exprimé de longue date Des recherches sur une nouvelle génération de systèmes de CAO menées dans le cadre du programme IN.PRO.BAT avaient amené plusieurs équipes à démontrer l’intérêt d’un modèle du projet qui serait le support des échanges entre CAO et outils d’évaluation [1]. Il est apparu rapidement qu’il fallait s’accorder sur un modèle de référence pour que ces échanges 1/8 soient indépendants des logiciels. Cela suscita des initiatives comme le Groupe Structuration de Données qui, dès 1991, proposait une synthèse de modèles élaborés par différentes équipes françaises [2]. A son tour, le modèle GSD contribua avec d’autres modèles comme COMBINE et RATAS à la définition d’un modèle de description des espaces et des éléments séparatifs, sujet clé pour la thermique [3]. Au milieu des années 1990, le groupe Building Construction de l’ISO (TC184/SC3) entreprit la définition du noyau d’un modèle de référence pour la construction (Building Construction Core Model). Les résultats du projet SIGMA, synthèse de plusieurs travaux français, furent communiqués à ce groupe de travail et publiés en 1995 [4]. L’engagement des éditeurs logiciels et la création de l’IAI Du général au particulier Les IFC sont regroupées en schémas qui sont organisés en couches. La couche inférieure contient des ressources, entités d’usage général comme celles qui traitent de la géométrie des objets et des relations topologiques. Le noyau et ses extensions rassemblent les concepts indépendants d’un point de vue particulier. Ainsi, IfcProduct est la classe dont héritent tous les objets tangibles qui sont localisés et auxquels on peut associer une ou plusieurs représentations géométriques. La couche supérieure contient les éléments partagés comme les parois (murs, portes, fenêtres, dalles, poteaux, poutres,…). Enfin la couche la plus haute organise les entités par domaine comme Hvac qui est dédié au génie climatique. de La plupart de ces démarches avaient essentiellement impliqué chercheurs et utilisateurs. Un groupe d’éditeurs de logiciels s’engagea enfin, à l’initiative d’Autodesk. Ce fut le point de départ de l’Alliance Internationale pour l’Interopérabilité (IAI) créée en 1996. L’objectif de cette association à but non lucratif n’était pas de développer des logiciels mais de spécifier un langage commun indispensable à l’amélioration de l’interopérabilité des logiciels. Cette initiative a porté ses fruits puisque ces spécifications qui ont pour nom IFC sont disponibles, qu’elles font l’objet d’un consensus au niveau international et qu’elles ont été adoptées par la plupart des éditeurs de logiciels. LES IFC Les IFC (Industry Foundation Classes) sont des classes d’objets spécifiques à la construction et destinées à répondre aux besoins d’échange et de partage d’information entre tous les intervenants pour toutes les phases du cycle de vie d’une construction. Le modèle couvre donc un spectre très large et il est développé de façon progressive et incrémentale. Trois versions des IFC ont été déjà été définies (1.5.1, 2.0 et 2x). La plus récente publiée en octobre 2000 contient 370 classes [12]. Figure 1 : Architecture des IFC (version 2.0) Exemple de classe (version IFC 2x) : ENTITY IfcSpace SUBTYPE OF (IfcSpatialStructureElement); InteriorOrExteriorSpace : IfcInternalOrExternalEnum; ElevationWithFlooring : OPTIONAL IfcLengthMeasure; INVERSE BoundedBy : SET OF IfcRelSpaceBoundary FOR RelatingSpace; END_ENTITY; 2/8 La classe IfcSpace est un sous-type d’une classe plus générale (IfcSpatialStructureElement), elle-même sous-classe d’autres classes. Aussi hérite-t-elle des attributs de toutes ces classes. Un espace est borné par un ensemble de limites d’espace. Il est soit intérieur soit extérieur et on peut préciser le niveau moyen de son plancher. Cette définition pourrait sembler trop peu détaillée en première analyse. En fait, beaucoup d’attributs sont décrits sous la forme d’ensembles de propriétés (propertyset) que l’on peut associer à une classe pour compléter sa description. Ce mécanisme puissant rend le modèle facilement extensible et adaptable y compris dans le cadre d’un projet particulier. Exemples d’ensembles de propriétés : - Pset_SpaceCommon rassemble des propriétés valables pour tout type d’espace (type de ventilation, température et humidité requises en hiver, été et demisaison,…) - Pset_SpaceHvacInformation contient des propriétés utiles à la thermique (apports internes, déperditions, taux de renouvellement d’air,…) - Pset_SpaceProgramOccupied est dédié à l’occupation des espaces ce qui peut servir à une estimation précise des apports dus aux occupants. Ainsi, dans l’exemple suivant, #1 est une instance de la classe des points cartésiens dont les coordonnées sont précisées entre parenthèses. #4 est une instance de la classe des Polylignes qui joint les points #1, #2 et #3. #1=IfcCartesianPoint ((0.,0.,0.)) ; #2=IfcCartesianPoint ((0.,1.,0.)) ; #3=IfcCartesianPoint ((1.,1.,0.)) ; #4=IfcPolyligne((#1,#2,#3)); De l’intérêt des outils de visualisation et de médiation Même si un fichier IFC est consultable avec un simple éditeur de texte, ce n’est pas ainsi que l’on peut contrôler le contenu d’un projet. D’une part parce que l’interprétation du fichier nécessite la connaissance du modèle et d’autre part parce que beaucoup d’informations ne traitent que de la géométrie (80% des 65 000 objets relatifs à un bâtiment de 5 niveaux). D’où l’intérêt d’une visualisation des objets IFC. C’est la fonction première de CLAIRE [13]. La fenêtre ci-dessous est composée de trois parties en interrelation : - une fenêtre graphique pour repérer ou désigner un objet - à droite, la hiérarchie des objets composant le projet - en bas, le tableau des attributs des objets d’une même famille Un modèle qui évolue Les IFC contiennent d’ores et déjà de nombreuses entités utiles aux simulations thermiques mais leur définition se poursuit. Les futures extensions du modèle se préparent dans le cadre de projets menés au niveau international et deux des projets en cours traitent spécifiquement de thermique [15]: - BS7 : HVAC performance validation - BS8 : HVAC modeling and simulation Le format de fichier L’IAI a adopté un format de fichier qui est une norme internationale (ISO 10303-partie 21). Un fichier IFC contient un entête dans lequel on trouvera la référence à la version du modèle et une section données dont chaque ligne correspond à la déclaration d’un objet. Figure 2 : interface principal de CLAIRE CLAIRE est actuellement le seul logiciel français à avoir obtenu la certification de l’IAI, le 25/5/2001 à Sophia Antipolis. Outre la visualisation, CLAIRE assure également la médiation entre les IFC et des logiciels métiers en produisant des fichiers directement exploitables par ces logiciels. Ce projet qui a bénéficié du soutien de la DGUHC du Ministère de 3/8 l’Equipement a permis à plusieurs éditeurs de devenir rapidement compatibles IFC au prix d’un investissement modéré. Certains comme ROBOBAT ont ensuite développé leur propre outil de médiation en l’intégrant à un véritable « assistant métier ». DES PLANS A L’OBJET Les limites de l’échange de fichiers de plans Du fait de l’usage croissant des logiciels de DAO et de CAO, le fichier de plans est devenu le principal mode d’échange entre les partenaires. Quasiment tous les logiciels sont aujourd’hui capables de produire et d’interpréter des fichiers au format DXF ou DWG. Certes, des chartes imposent parfois une organisation de ces fichiers de plans et notamment le regroupement d’objets dans des calques, mais elles simplifient peu les traitements préalables aux évaluations du projet. En effet, avant d’effectuer des calculs réglementaires ou de simuler les performances thermiques d’un bâtiment, les informations contenues dans le fichier de plans doivent être analysées et traitées : il s’agit de qualifier les objets (parois, ouvertures, locaux, zones) puis d’effectuer certains métrés comme le calcul des surfaces d’échange entre zones. Avec les IFC, la s’effectue en amont qualification Le tableau ci-dessous compare solutions actuellement pratiquées : Qualification CAO / GP Préparation TAS SIMCAD CLAIRE+SIMCAD CLAIRE+CLIMACAD CLAIRE ROBIN de Patrimoine, et non par le prestataire de simulation. A cette réduction de tâches de traitement à faible valeur ajoutée s’ajoutent les bénéfices de la mutualisation puisque plusieurs logiciels peuvent exploiter le résultat de la qualification. Ainsi, le même projet peut faire l’objet d’un métré (CadQuant), d’un calcul réglementaire (Climawin) ou d’un calcul de structure (Robobat). Faciliter la transition entre la vue CAO et les vues métier Nous résumerons l’apport des IFC en trois figures. La première illustre le fait qu’il faut passer d’une vue dite « CAO » à une vue « Thermique » (ou acoustique ou structure…). L’écart entre ces deux vues est naturel mais il convient de le réduire car plus il est grand et plus les traitements de l’information provenant de la vue CAO seront importants : Vue Thermique Vue CAO La figure suivante illustre le fait que les échanges actuels basés sur des fichiers de plans augmentent l’écart entre les deux vues puisque l’export DXF s’accompagne en général d’un appauvrissement de l’information : Vue Thermique quelques Simulation TRNSYS TRNSYS ClimaWin CadQuant ROBOBAT Le logiciel TAS est une solution intégrée qui couvre l’ensemble de la chaîne dont la phase de qualification. TRNSYS assure les mêmes fonctions en association avec SIMCAD [5]. Lorsqu’on dispose de fichiers IFC, la qualification a été effectuée en amont par l’utilisateur du logiciel de CAO ou de Gestion Vue CAO Export DXF En élevant le niveau sémantique du transfert, les IFC contribuent à réduire l’écart entre les vues CAO et thermique, et les traitements associés : Vue CAO Vue Thermique Export IFC 4/8 EXPERIMENTATION Dans le cadre de son activité de gestion multiservices exercée pour des gestionnaires de patrimoine, GTM construction souhaite pouvoir évaluer un patrimoine existant avec différents outils et a souhaité expérimenter des échanges basés sur les IFC. Parmi les logiciels impliqués dans l’expérimentation, TRNSYS et CLIMAWIN. ArchiCad CAO/DAO Visio Technical C L IFC 2.0 A I Sim TRN CAD SYS R L’expérimentation a porté sur le siège, immeuble de bureau situé à Nanterre d’une surface totale de 9 500 m2 répartis sur 5 niveaux. Le bâtiment a été saisi avec le logiciel de gestion de patrimoine RS ABYLA. E RS Abyla Clima CAD Clima Win Gestion de Patrimoine Figure 5 : architecture du démonstrateur Définition des zones Figure 3 : Rez de chaussée Le fichier IFC produit par Abyla contenait la définition des locaux regroupés en zones fonctionnelles ainsi que les limites d’espaces, que le gestionnaire relie à des informations sur la nature des revêtements et leur état. Les 24 zones thermiques qui ne correspondaient pas nécessairement aux zones fonctionnelles ont été définies rapidement, en composant les zones à partir de la liste des locaux, par de simples « glisser/déposer ». Figure 4 : zones thermiques Développements Les parties hachurées de la figure 5 correspondent aux développements effectués pour le démonstrateur : 1. un module d’export IFC pour RS Abyla 2. une extension de CLAIRE permettant à SIMCAD d’exploiter le contenu du fichier IFC afin d’éviter la phase de qualification. 5/8 Simulation thermique avec TRNSYS La simulation a permis de quantifier les dépassements de consigne en été et demisaison. Dans plusieurs zones du bâtiment particulièrement exposées, la température de 25°C serait dépassée 30% du temps. En pratique, les occupants agissent sur l'ouverture de fenêtres ou se dotent d'appareils de climatisation individuels. La deuxième simulation correspond à la mise en place de protections solaires hors période de chauffage. Le fait de réduire le facteur solaire des stores de 0,6 à 0,4 a pour effet de diviser par 2 la durée de dépassement des consignes. La dernière simulation met en évidence les avantages d'une régulation plus fine qui pourrait être mise en oeuvre par l'installation de plusieurs sondes et des dispositifs de régulation correspondants. L'énergie fournie aux zones est mieux adaptée aux besoins réels et on n'observe plus de surchauffes. Des économies de l'ordre de 15% peuvent ainsi être obtenues. Cet exemple illustre l'intérêt de la simulation numérique pour tester des modes d'exploitation plus performants et quantifier leurs incidences. Calculs réglementaires Nous avons utilisé CLIMAWIN en reprenant les espaces et les zones tels que définis dans SIMCAD pour les besoins de la simulation thermique : - les zones (locaux dans la terminologie Climawin) ont été intégralement transférées; La régulation actuelle est pilotée par une sonde unique située dans un bureau en exposition Nord. La plupart des locaux qui reçoivent davantage d'apports solaires et internes voient leur température dépasser la consigne. Les fréquences cumulées ci-après, valables pour la période Janvier-Février-Mars, illustrent que la plupart des zones sont trop chauffées en hiver. - la décomposition des zones en espaces (pièces dans la terminologie Climawin) a été préservée ; - les surfaces et volumes ont été conservés. Les onglets de l’écran ci-dessous correspondent aux locaux composant la zone 4 (cafétéria, distribution, restaurant). 6/8 Enseignements Beaucoup de simulations portent sur des projets neufs mais il est important de pouvoir traiter aussi les bâtiments en service. En effet, le patrimoine bâti recèle d’importants gisements d’économie en particulier dans le tertiaire et la simulation est un moyen puissant pour étudier de nouveaux modes d’exploitation plus économiques. Pour simuler des bâtiments existants, la principale source d’informations sera de plus en plus les systèmes de gestion informatisée de patrimoine que mettent en place les gestionnaires. Lorsque ces systèmes sont capables de produire des fichiers IFC comme RS Abyla, l’expérimentation nous a montré que l’on obtenait beaucoup d’informations indispensables à la thermique et à d’autres simulations : - la définition des locaux et des zones, concepts de premier plan pour le gestionnaire - les limites d’espaces dont on déduit aisément les surfaces d’échange entre zones - l’occupation effective du patrimoine et les équipements qu’il contient dont on déduira avec précision les apports internes. QUELQUES RECHERCHES PROJETS PILOTES ET Des outils de médiation au serveurs de projet De nouveaux modes d’échange et de partage sont en cours d’expérimentation par les équipes engagées dans les projets UCIP sur l’interopérabilité [14]. Un premier prolongement a consisté à pouvoir exploiter depuis CLAIRE le contenu de fichiers IFC situés sur un serveur Web. L’étape en cours consiste à développer un véritable serveur de projet doté de fonctionnalités d’échange partiel. En effet les premières expérimentations ont montré l’intérêt de pouvoir ne transmettre qu’une partie d’un projet, comme la zone d’un bâtiment qui ferait l’objet d’une restructuration. Ces travaux sont menés dans le cadre du projet Bâtiment interopérable, en coopération avec le VTT (Finlande). Conception d’un bâtiment au LBNL Dans le cadre de la conception d’un nouveau bâtiment du laboratoire, les IFC ont été utilisés comme vecteur d’échange d’informations. La saisie amont a été effectuée avec Archicad qui a produit un fichier IFC utilisé directement ou indirectement par un ensemble de logiciels dont : - Energie Plus (thermique) - Radiance (éclairage) - Comis (aéraulique) L’une des conclusions du projet [10] est que ce qui est nécessaire aux applications aval (dont les simulations) ne peut être défini en amont. Cela confirme l’intérêt des solutions de médiation que nous venons de présenter. Plateforme logicielle EVE Le CSTB est impliqué dans plusieurs projets européens portant sur l’ingénierie concourante et les maquettes numériques. Les IFC sont au cœur de ces développements et en particulier de la plateforme EVE qui fédère trois outils de simulation en thermique, acoustique et éclairage [11]. Centre de calcul Ximul Le site www.ximul.com propose des services de simulation pour plusieurs disciplines (thermique, acoustique, éclairage, qualité de l’air). Suivant la nature du besoin, plusieurs outils de simulation peuvent être mobilisés à partir d’une description commune du bâtiment basée sur les IFC. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Lorsqu’on veut simuler des bâtiments ou des ensembles immobiliers d’une certaine taille, il est nécessaire d’automatiser le plus possible tous les traitements amonts, car ils sont sources d’erreur et pénalisent l’activité de simulation. Les IFC ouvrent de nouvelles perspectives en la matière. Des logiciels de CAO et de gestion de patrimoine peuvent produire des fichiers IFC conformes à un standard international et 7/8 contenant des informations à haute valeur ajoutée sur les objets utiles à la thermique. Le recours aux IFC entraîne une réduction significative des tâches préalables aux simulations. Les bénéfices sont tangibles pour tout logiciel nécessitant des informations quantitatives sur les locaux et les éléments de construction. Grâce aux IFC, les prestataires de simulation évitent la lourde phase de qualification des objets qui sera effectuée en amont. Le gain est encore supérieur lorsqu’on veut évaluer le même projet avec plusieurs outils de simulation. Les équipes de recherche qui travaillent actuellement sur le concept de maquette numérique ne s’y sont pas trompé et les IFC sont au cœur de leurs systèmes. REFERENCES [1] "KREPIS : une réponse aux besoins de com- [2] [3] [4] [5] L’expérimentation menée avec GTM Construction a consisté à simuler le même bâtiment avec plusieurs logiciels dont TRNSYS et CLIMAWIN. Elle confirme le caractère opérationnel d’outils de visualisation et de médiation, véritable pont entre les logiciels amont (CAO et gestion de patrimoine) et aval (évaluation et simulation). Les conditions sont objectivement réunies pour que les IFC deviennent le standard des objets pour la construction : - - [6] [7] [8] Le modèle des IFC est mature. Il couvre un large domaine et a été proposé à l’ISO dans le cadre d’une procédure d’homologation en cours [9] les éditeurs de logiciels dont les leaders de la CAO ont mis en œuvre les IFC et des produits « parlant IFC » sont en vente [10] Il ne reste qu’à passer à la pratique et ce sera le plus difficile car il faut passer de la culture du plan à celle de la maquette numérique. Maîtres d’ouvrage et gestionnaires de patrimoine peuvent contribuer à accélérer l’évolution de pratiques en prescrivant l’usage des IFC. Ils le feront de plus en plus car ils commencent à être sensibilisés au sujet et à prendre conscience qu’il est de leur intérêt que l’usage des IFC se généralise. [11] [12] [13] [14] [15] munication entre concepteurs en architecture." B. Ferriès, D. Caradant, S. Moulin MICAD, Février 1989, PARIS Synthèse des modèles conceptuels développés dans le cadre de la recherche bâtiment en France. A.M. Dubois, B. Ferriès, J.P. Goulette, H. Habrias, S. Hanrot, M. Mommessin, P. Perez, G. Sauce. Collection Recherches du Plan Construction et Architecture, déc. 91 A conceptual model of spaces, space boundaries and enclosing structures. Bo-Christer BJÖRK Automation in Construction N°1, 1992 SIGMA, proposition d'un modèle de référence pour les échanges de données dans le secteur de la Construction JP. Bedrune, AF. Cutting-Decelle, P. Debras, B. Ferriès, février 1996 (Documents téléchargeables à la rubrique Documentation de www.laurenti.com ) Couplage entre outils de CAO et outils de simulation de bâtiments : une nouvelle approche dans la technologie des environnements de simulation et son application à TRNSYS W. Keilholz, J-P Bedrune, B. Ferries SOPHIA ANTIPOLIS, déc. 98. Automatisation du traitement des masques solaires en amont de TRNSYS. J.Pierre Bedrune, Pierre Duffau, Bernard Ferries, François-Xavier Rocca 2ème séminaire TRNSYS francophone, MONTREAL, mai 99. Bringing Simulation to Application Rapport final de l’Annexe 30 de l’IEA (Agence Internationale de l’Energie), 1999 Etude sur l’Usage de la Simulation Dynamique dans la Conception Thermique des Bâtiments en France. Pierre BARLES, Mai 2000 Des logiciels de CAO et de Gestion de Patrimoine à la Simulation Thermique : l’apport des IFC. Bernard Ferries, Jean-Pierre Bédrune Rapport final, Juillet 2001. www.laurenti.com/ademe Energy efficiency and electricity reliability laboratory building. Virtual Building Design Vlado Bazjanac, LBNL, University of California International Seminar, Helsinki, April 2002 De l’usage des IFC pour des environnements virtuels. Patrice POYET, Juillet 2002 Conférence annuelle du chapitre francophone de l’IAI. www.iai-france.org Site d’information sur les IFC et sur les activités du chapitre francophone. www.bbs-slama.com/ ou www.iai-france.org rubrique projets (le visualisateur est disponible en téléchargement) www.bbs-slama.com/ rubrique projets //cic.vtt.fi/niai/technical/IFC_3/R3_BS7.html //cic.vtt.fi/niai/technical/IFC_3/R3_BS8.html 8/8