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Conception paramétrique et l’industrie de la construction

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La conception paramétrique s’avère de plus en plus appropriée car l’industrie de la construction commence largement à utiliser cette technologie. Il y a eu une augmentation des outils non traditionnels destinés à tout le secteur de la construction au cours des dernières années. Aujourd’hui des structures de plus en plus complexes sont conçues et les méthodes de conception traditionnelles ne s’y appliquent pas facilement, laissant la place aux innovations. Les outils de conception paramétrique, utilisés principalement par les architectes il y a quelques années, sont désormais disponibles pour les ingénieurs structures et civils. Étudions de plus près la modélisation et la conception paramétriques.

Pourquoi passer au paramétrique ?


Généralement, les entreprises peuvent améliorer leur productivité en utilisant la conception paramétrique. Travailler à l’aide de la conception paramétrique aide à créer, maintenir et optimiser les modèles d'analyse de structure tout en conservant une définition du modèle claire et lisible. Le script visuel est le moyen le plus courant de concevoir des structures de manière paramétrique. Grasshopper, un plugin pour Rhinoceros (logiciel de modélisation 3D), est l'un des environnements de script visuel les plus populaires. Tout comme Dynamo qui offre une fonction similaire pour Autodesk Revit. Les scripts visuels utilisent un algorithme pour créer divers éléments (des points, des lignes et des surfaces) dans l'espace du modèle 3D. Cet algorithme suit une logique linéaire et se définit facilement dans l'environnement utilisateur graphique. Comparé aux langages de programmation traditionnels, un script visuel est beaucoup plus intuitif. Avec un script visuel robuste, les modifications de la topologie structurelle (c'est-à-dire la géométrie de la structure) peuvent être effectuées très rapidement.

Le flux de travail le plus élémentaire s’avère très simple. Définissez deux points (nœuds) et reliez-les par une ligne. Si l'un des points change de position, la ligne les reliera quand même. La même idée peut être appliquée à la création de listes de nœuds et de lignes qui créent finalement une structure. L’initiation au script visuel est extrèmement ludique et n’importe qui peut devenir très productif en un rien de temps. Par exemple, la figure 1 montre un script visuel qui utilise une géométrie personnalisée pour générer une ferme en 3D pour un auvent de toit. Avec un peu de pratique et une bonne formation, vous pourrez créer ce script visuel en seulement 15 minutes. 

Fig 1 – Script visuel qui génère une topologie de treillis en 3D (topologie de la structure résultante en bas à gauche)

Le script visuel offre un "script" lisible qui peut être porté sur la plupart des logiciels commerciaux d'analyse de structure. La topologie du modèle scriptée (géométrie de la structure et dimensions des sections transversales) peut être importée dans les progiciels d'analyse et de conception les plus courants à l’aide d'autres composants logiciels. Des composants logiciels largement disponibles et souvent gratuits. La connexion à des logiciels, comme SCIA Engineer, Tekla Structures, Dlubal, IDEA StatiCa, etc., est disponible gratuitement pour Grasshopper. L'un des principaux avantages de Grasshopper est son ouverture. Toute personne avec des compétences basiques en programmation peut créer un nouveau composant pour répondre à un besoin spécifique et le partager avec la communauté. Il est évidemment nécessaire d’avoir des compétences avancées en programmation pour créer des solveurs FEA ou des outils d'analyse pour des sujets complexes tels que l'analyse en temps réel de structures de membranes tendues (par exemple, le plugin Kangaroo), la dynamique des fluides numérique (solveurs CFD pour les simulations en soufflerie) ou les calculs météorologiques avancés (le plugin Ladybug). La nature ouverte du script visuel permet aux utilisateurs de faire leurs choix parmi les outils les plus appropriés afin de réaliser un nombre illimité de tâches de conception en utilisant en même temps la même topologie de modèle scriptée. En plus de la topologie du modèle, l'ingénieur doit aussi ajouter des conditions limites (appuis, rotules, charges, etc.) qui peuvent toutes être définies dans le script visuel. Par exemple, les utilisateurs peuvent répéter une analyse SCIA Engineer pour optimiser la structure tout en imprimant les valeurs des résultats et en vérifiant les éléments à chaque itération. Notez que lorsque vous travaillez avec SCIA Engineer, certains paramètres ne peuvent pas être définis dans le modèle scripté, comme les paramètres de maillage ou la sélection des résultats appropriés à exporter. Les utilisateurs peuvent alors utiliser des fichiers de projet modèles pour prédéfinir ces paramètres avant de transformer le modèle scripté en modèle d'analyse.

Aéroports et stades, des structures complexes


L'une des principales utilisations de l'approche de conception paramétrique concerne les types de structures qui seraient trop complexes pour être modélisées manuellement. Les stades, les aéroports, les immeubles de grande hauteur (ou toute autre structure imposante) conçus par des architectes ambitieux ont un point commun : des formes très complexes, souvent trop compliquées pour être modélisées de manière traditionnelle dans des délais raisonnables. Les grands cabinets d'architectes, comme Zaha Hadid Architects, utilisent l'approche paramétrique au quotidien. S'ils apprenaient à utiliser le modèle paramétrique défini par les architectes pour générer la géométrie de la structure, les ingénieurs structures pourraient gagner en efficacité. Les méthodes de conception paramétrique aident l'ingénieur à créer des modèles d'analyse des projets les plus exigeants en quelques minutes au lieu de plusieurs mois. Des milliers d'éléments sont contenus dans ces modèles, or les modifications peuvent être facilement mises en œuvre, analysées et conçues.

La mise en œuvre la plus récente de cette approche est le monumental stade Al Janoub au Qatar (figure 2), où les ingénieurs d'AECOM ont utilisé des méthodes paramétriques pour sa conceptualisation et sa conception. Le stade a été construit pour la Coupe du monde de la FIFA 2022. Il peut accueillir 40 000 spectateurs et sera utilisé jusqu'aux quarts de finale du tournoi. Ensuite, il aura une capacité de 20 000 places et sera utilisé par le club Al Wakrah. Le toit comprend deux parties symétriques, chaque côté étant composé de trois coquilles. Les étages supérieurs du stade ont été pensés pour devenir amovibles après le tournoi. La structure du toit, dotée d’arches étayées de 185m, a fait l'objet d'une conception avec phasage, d'une ingénierie incendie et d'une conception de plaques pour les poteaux en V qui soutiennent les arches principales.

Fig. 2 – Stade Al Janoub au Qatar [1] Gauche : modèle d'analyse de structure dans SCIA Engineer, présenté dans le cadre du concours des utilisateurs SCIA 2020 ; droite : Visualisation architecturale

La création d’un stade emblématique offrant une expérience de classe mondiale s’est avéré un vrai défi. Le prototype réalisé rapidement à l'aide de la conception paramétrique avec SCIA Engineer et l'interopérabilité avec les environnements de réalité virtuelle ont permis aux ingénieurs de tester différentes solutions et d'évaluer toutes les possibilités pour créer un stade conforme à la vision de l'architecte.

L'approche choisie pour créer le modèle paramétrique du stade Al Janoub est assez semblable à l'exemple de la poutre treillis présentée plus haut (Fig 1.). Bien que le scénario soit plus complexe, et que le concepteur devait avoir un contrôle absolu sur les données. De tels projets sont d’habitude divisés en plusieurs parties, connectées mais modélisées par des scripts partiels séparés. A la fin, tous les éléments sont fusionnés en une seule longue liste qui peut ensuite être reliée au modèle d'analyse de structure.

De la conception paramétrique à la conception générative


L'optimisation de la topologie, la recherche de formes et la conception générative émergent de la conception paramétrique. Dans toutes ces étapes, l'ingénieur définit les limites de la solution possible, puis des algorithmes avancés trouvent de manière itérative la solution optimale. Dans la conception générative, l'intelligence artificielle (IA) est associée à la conception paramétrique pour trouver la forme structurelle la plus adéquate. Par pragmatisme, l'IA n'a pas toute la liberté de trouver la forme optimale ; l'ingénieur devra définir certaines contraintes pour la guider, comme par exemple des zones d'appui définies et le domaine volumétrique dans lequel la forme structurelle peut exister. Les structures sont optimisées pour leurs conditions uniques ce qui amènent souvent les algorithmes de conception générative à aboutir à des résultats uniques en leur genre. Les structures optimisées de cette manière ressemblent d’ailleurs très souvent à des formes trouvées dans la nature (Fig. 3).

On retrouve très souvent des silhouettes d’arbres dans les formes de structure réalisées par la conception générative. Si vous étudiez la "superstructure" d'un arbre, le tronc est le plus fort à sa base. C'est à cet endroit que les forces et les mouvements dus aux feuilles, aux branches et aux charges du vent sont les plus importants. Le tronc se divise en grandes branches, qui continuent à se diviser en branches plus petites et plus fines. Les feuilles de forme optimale situées à l'extrémité des branches couvrent finalement la plus grande surface possible pour capter la lumière du soleil. L'évolution pousse les arbres à s’adapter de la manière la plus efficace possible, et les formes qui se développent sont directement liées aux conditions dans lesquelles les espèces d'arbres vivent. On peut appliquer les mêmes principes au design, à l'architecture et à l'ingénierie. Sur les grands ponts, où l'utilisation des matériaux détermine en grande partie la conception de la structure, on observe une efficacité similaire. En ingénierie de structure, l'efficacité a toujours été une question fondamentale.

Fig. 3 – Cas typique de conception générative. [2]

La conception générative peut être évidemment utilisée dans d'autres domaines que la conception de formes naturelles et de structures organiques. Pour trouver une disposition optimale des appartements dans un immeuble à plusieurs étages, par exemple, ou pour optimiser des zones urbaines entières afin qu'elles soient plus faciles à vivre pour les habitants. L'ajout de l'IA ou de l'apprentissage automatique aux algorithmes de conception paramétrique permet à l'ingénieur de comparer un grand nombre de solutions de conception potentielles et de sélectionner le schéma qui lui paraît le plus efficace. Un processus irréalisable avec les méthodes d'ingénierie habituelles.

Conception paramétrique des ponts


La conception de ponts est clairement un domaine de l'ingénierie de structure où les projets peuvent bénéficier de méthodes paramétriques. Les travées étant conçues de plus en plus longues, le système structurel doit être très efficace afin de supprimer toute charge inutile. Cela correspond parfaitement à l'approche de la conception paramétrique. Le profil et la courbure en plan d'un pont sont souvent déterminés par l'alignement, le profil et la section transversale de la chaussée ou de la voie ferrée qu'il supporte. La création d'un modèle d'analyse devient souvent complexe et source d'erreurs si la courbure du pont est importante en plan ou en profil. Cela est particulièrement vrai pour les formes de ponts (par exemple, les fermes, les ponts suspendus ou à haubans) dont la composition intègre généralement de nombreux éléments. La conception paramétrique offre un moyen plus efficace de créer plus vite ce même modèle d'analyse. De plus, si celui-ci est également créé de manière paramétrique, il est possible de générer le modèle d'analyse directement à partir du modèle d'autoroute.


De plus, un avantage majeur de la conception paramétrique des ponts est la possibilité de réutiliser les scripts existants. Un grand avantage en termes de productivité. La réutilisation de scripts issus de projets précédents pour le même type de pont peut faire gagner beaucoup de temps de conception car les ponts sont généralement assez similaires. Notez que les bons scripts sont basés sur le respect des conditions de conception et pas uniquement sur des chiffres exacts. Le pont suspendu illustré à la figure 4 ci-dessous se situe en République tchèque. Une fois le modèle paramétrique créé, il a été converti en un modèle d'analyse dans SCIA Engineer par un plugin Grasshopper - Koala. L'analyse EF et la vérification des éléments conçus en acier ont ensuite été effectuées dans SCIA Engineer.

Fig. 4 – La passerelle de Sázava a été modélisée au moyen d'un script visuel et a fait l'objet du concours utilisateurs SCIA 2020. [3]


De nombreux types de ponts peuvent être modélisés et conçus de manière paramétrique, mais la connexion d’outils logiciels BIM aux modèles paramétriques peut modifier la manière dont la documentation est fournie aux autorités, aux parties prenantes et à l'équipe de construction. Ensemble, ces outils permettent aux concepteurs de créer des modèles riches en données qui peuvent être utilisés pendant la phase de construction et d'entretien du cycle de vie du pont.

Fig. 5 – Visualisation du modèle BIM du pont de Randselva, en Norvège. [4]

Les conflits entre les barres de ferraillage, les câbles de précontrainte et les autres voies de service sur le pont ont pu être résolus par l’existence d’un modèle central. Ce procédé a permis d'atténuer et de minimiser les potentiels conflits sur le site, qui auraient vraisemblablement entraîné des retards de construction. La Norvège est le pays qui semble être le plus avancé dans ce développement. L'administration des routes de Norvège a conçu le pont de Randselva en 2016. La construction s'est appuyée sur un modèle BIM étendu contenant des informations, notamment sur le ferraillage de chaque phase de construction, les garde-corps et les finitions de la surface de la route. Le modèle BIM achevé a également été archivé par l'administration routière norvégienne en tant qu'information complète à des fins de maintenance et d'exploitation. De nos jours, la plupart des ponts en Norvège sont en fait soumis aux autorités et aux entrepreneurs sous la forme d'un modèle BIM. Nul doute que d'autres pays suivront.

Pour conclure


Il est certain que la conception paramétrique va changer la façon dont les ingénieurs abordent et traitent les projets de structure complexes. Aujourd’hui, sa puissance est surtout utilisée pour concevoir des structures architecturales sauvages. Pourtant, elle offre aux ingénieurs un moyen de créer rapidement des modèles d'analyse pour des géométries structurelles complexes, avec l'avantage de pouvoir suivre l'évolution des projets. De plus, pour la majorité des ingénieurs des ponts, il s'agit d'une solution viable pour automatiser le processus de conception, tout en gagnant encore plus de temps en réutilisant au mieux les travaux antérieurs des projets achevés.


Références
[1]        https://www.scia.net/en/company/references/projects/al-janoub-stadium
[2]        https://bdaa.com.au/generative-design-generates-results/
[3]        https://www.scia.net/en/company/references/uc-books
[4]        https://e-mosty.cz/wp-content/uploads/e-mosty-Sept21.pdf

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