La méthode BIM en calcul de structure : planification, possibilités et opportunités  

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Article technique

L'utilisation croissante de la méthode BIM dans la planification de bâtiments offre également de nouvelles possibilités aux ingénieurs structures. Une fois le modèle en 3D complet d'un bâtiment terminé, des calculs de structure peuvent être effectués et offrir des avantages notables. Le BIM représente cependant de nouveaux défis pour les ingénieurs structures et les logiciels utilisés dans ce domaine. Ces problématiques constituent le sujet de cet article.

Figure 01 - En haut : modèle BIM avec objets structuraux intégrés dans Revit Structure d'Autodesk. Au centre : boîte de dialogue de transfert du modèle analytique de Revit Structure vers RFEM. En bas : modèle analytique calculé dans RFEM

Suppression des composants non porteurs

Les modèles 3D BIM offrent l'avantage de centraliser les informations dans une même base de données. Lorsqu'un bâtiment est conçu par un architecte, la structure n'est pas nécessairement l'aspect prioritaire. L'accent est plutôt mis sur l'utilisation et la conception du bâtiment ainsi que sur le respect d'un budget, déterminés en étroite collaboration avec le client. Les structures porteuses nécessaires sont ensuite conçues en fonction de ces aspects. On peut considérer ce modèle structural comme la « colonne vertébrale » du bâtiment, il présente donc un intérêt tout particulier pour les ingénieurs structures. Les parties non porteuses restantes du bâtiment sont négligeables (par exemple, les vérifications détaillées des portes et des fenêtres, les structures de plancher, les installations électriques et sanitaires très précises, etc.). Au meilleur des cas, elles sont susceptibles d'être utilisées pour émettre des hypothèses de charge. L'ingénieur structure n'analyse donc que certains aspects des modèles BIM et identifie les objets structuraux pertinents dans le cadre de ses tâches. Il doit cependant indiquer si des composants utiles au calcul de structure sont disponibles dans le modèle BIM ou paramétrer les filtres de telle sorte à masquer les éléments superflus pour son travail. Certains logiciels BIM disponibles sur le marché permettent d'indiquer les composants porteurs des modèles architecturaux. Si l'architecte se charge de cette tâche, le transfert automatique du modèle vers le logiciel de calcul de structure s'en trouve facilité.

Modèle structural physique et modèle analytique idéal

Une fois les composants structuraux porteurs éliminés du modèle BIM global, on obtient le modèle physique structurel, qui représente le futur modèle solide en termes de position et de forme. En raison des capacités de calcul limitées et des simplifications nécessaires pour effectuer les calculs, tous les composants structurels ne sont généralement pas calculés comme des modèles solides, mais plutôt comme des éléments de barre et surfaciques dont les résultats se réfèrent aux normes actuelles. L'utilisation de modèles solides se limite habituellement aux composants structuraux très épais ou à l'analyse de composants structuraux spéciaux (les assemblages en acier, par exemple) lorsque certains détails du modèle (les vis, les soudures, les conditions de contact, ect.) sont affichés. La simplification d'un modèle sous forme de barres et de surfaces soulève la question de la position des axes de gravité de ces composants et de la manière dont ils sont reliés les uns aux autres. Des hauteurs de composant, des coupes et des assemblages différents peuvent entraîner des incohérences dans les modèles avec axes de gravité qui sont reliés en un point et doivent ensuite être ajustés afin de servir de modèles analytiques. L'ingénieur structures se pose alors un certain nombre de questions :

  • Où doivent se trouver les lignes du système ?
  • Comment traiter les éventuels excentrements de barres et de surfaces ?
  • Les lignes du système doivent-elles être raccourcies ou prolongées et quel serait l'effet sur le chargement (poids propre, charges linéiques, charges surfaciques, etc.) ?
  • Une modélisation à l'aide de nœuds analytiques simples suffit-elle ou faut-il créer des modèles plus approfondis qui pourront être ajustés par un ingénieur (par exemple, un poteau connecté au plafond par un nœud uniquement
  • Les assemblages de barres et surfaciques sont-ils articulés, flexibles ou rigides ?
  • Où se trouvent les supports et selon quelles conditions d'appui ?
  • Certaines barres ou surfaces doivent-elles être divisées pour obtenir un modèle analytique exploitable ?

Les logiciels ne fournissent généralement qu'une aide limitée à l'ingénieur structures, qui doit répondre seul à la plupart de ces questions. Plusieurs logiciels d'architecture et de calcul récents incluent cependant des systèmes structuraux et la possibilité d'en créer automatiquement. Ils offrent l'avantage de pouvoir transférer des systèmes structuraux déjà correctement définis (idéalement avec charges incluses) vers un programme de calcul de structure sans avoir à apporter de modification majeure.

Figure 02 - Avantages du BIM : la position des lignes et des composants structuraux supportant les nœuds EF peut déjà être définie dans un modèle physique dans Revit. Ce modèle peut être importé directement dans RFEM

Le logiciel BIM doit néanmoins être utilisé par des personnes possédant des connaissances solides sur le calcul de structure et les logiciels associés. C'est pour cette raison que les bureaux d'architecture et de calcul de structure rencontrent assez fréquemment des difficultés concernant l'échange de données et donc la mise en place de processus BIM. La création de modèles structuraux ne relève effectivement pas de la responsabilité des architectes.

Aspects particuliers de la modélisation

Lors de la création de modèles aux éléments finis, il peut être nécessaire d'utiliser des structures auxiliaires spécifiques pour les zones de transition entre les surfaces et les éléments de barre ou les poutres en retombée. Ces structures auxiliaires doivent être ajustées manuellement dans la structure importée. Le modèle BIM initial et le modèle analytique idéal présentent donc des différences de plus en plus marquées, ce qui complique considérablement l'attribution des composants requis dans les programmes utilisés dans les divers corps de métiers impliqués sur un projet.

Figure 03 - Différences entre le modèle BIM et le modèle structural : la poutre transversale décrit un composant physique. Dans le modèle structural, elle peut être transformée en cinq barres analytiques ou bien l'outil de maillage selon la MEF doit pouvoir reconnaître et relier les nœuds situés sur la ligne de la poutre

Ce problème se reflète surtout lorsque l'on compare les changements dans les deux modèles. Des barres de couplage rigides sont souvent utilisées pour coupler des composants structuraux de manière fixe lors de la modélisation. Ces types de barre spéciaux peuvent cependant entraîner des problèmes numériques selon leur implémentation dans le logiciel de calcul de structure si ces barres sont très courtes et très rigides. La création de tels éléments de couplage à partir d'un logiciel BIM doivent donc faire l'objet d'une attention particulière. Les composants structuraux d'un modèle analytique qui sont supposés connectés constituent un problème parfois difficile à identifier. Des inexactitudes de modélisation dans le logiciel BIM ou une précision numérique restreinte peuvent entraîner la formation de nœuds MEF très proches. Ils entraînent eux-mêmes des problèmes au niveau du maillage ou des composants structuraux qui ne sont alors plus connectés dans le modèle de calcul et les résultats obtenus sont incorrects. Par conséquent, il faut vérifier le modèle importé avec un grand soin.

Figure 04 - Différences entre le modèle BIM et le modèle structural : liaison d'un poteau à un voile via trois nœuds et des éléments de barre rigides horizontaux

Hypothèses de charge et combinaisons de charges

Dans certaines applications BIM, il est possible de définir des charges et des combinaisons de charges. Il est devenu beaucoup plus complexe de déterminer par exemple des profils de charge de vent, des charges de neige ou de sismicité en raison des Eurocodes introduits ces dernières années. Il en va de même pour les règles de création de combinaisons de charges dans différentes situations de calcul. Les programmes de calcul de structure sont évidemment mieux adaptés, plus polyvalents et offrent des outils de génération complets pour ces tâches. L'entrée de charges et la combinatoire doivent donc être effectuée dans l'analyse structurale. Si les charges et combinaisons résultantes sont redéfinies dans un modèle BIM, les paramètres associés à la génération automatique sont généralement perdus, tout comme les informations sur les objets de charge si des modifications doivent être effectuées ultérieurement.

Figure 05 - Objet statique « Charge de neige » dans RFEM : il ne peut pas être représenté de la même manière dans le logiciel ou les interfaces BIM, par exemple dans la Structural Analysis View des IFC. Les informations sur l'objet sont perdues s'il est calculé sous forme de charges linéiques et trapézoïdales sans référence avec la zone de charge de neige

Aspects particuliers du calcul de structure

Si un modèle analytique adéquat est obtenu à partir du modèle BIM, il peut être calculé dans le logiciel de calcul de structure. Il faut alors sélectionner la théorie de calcul et les modèles de matériau. Après le calcul, le modèle doit parfois être ajusté et certaines variantes de modélisation sont créées. Par ailleurs, de nouveaux éléments peuvent être ajoutés ou supprimés. Les articulations et les appuis doivent être contrôlés. D'autres hypothèses doivent être émises et les paramètres correspondants entrés pour vérifier le système structural. Les sections et les dimensions peuvent changer. Selon la méthode BIM habituelle, ces spécifications et ces hypothèses doivent être enregistrées dans le modèle BIM principal. Ces opérations ne peuvent cependant pas être complètement mises en œuvre actuellement et ne sont pas supportées, même par les interfaces habituelles, ou bien elles s'accompagnent nécessairement de la perte d'informations sur les objets.

La prise en compte des phases de construction joue un rôle très important dans les modèles spatiaux et détermine dans quelle mesure les résultats de calcul sont utilisables. Avant d'effectuer le calcul, il est donc absolument nécessaire de s'assurer si un calcul sur l'ensemble du modèle nécessite la prise en compte des phases de construction ou si les modèles partiels doivent être calculés par section. Dans ce contexte, il convient de noter que la méthode BIM ne signifie pas que l'ensemble du modèle de bâtiment est toujours calculé spatialement. L'extraction successive de chaque élément structurel d'un modèle BIM complet pour les calculer séparément constitue une stratégie efficace.

Modifications dans le modèle BIM en raison de l'analyse structurelle

Des changements de matériau et de section peuvent être requis au terme du calcul. Par ailleurs, des composants tels que des contreventements ou des poutres en T doivent parfois être déplacés, retirés ou ajoutés. Ces modifications doivent être répercutées dans le modèle BIM et ce dernier doit alors être mis à jour. Que se passe-t-il si des modifications doivent être apportées et ajustées au modèle BIM d'origine ? Comment déterminer l'ampleur des modifications à appliquer ? Ce processus doit être soumis à certaines règles et les modifications existantes doivent être approuvées par des professionnels compétents. Il faut également s'assurer que les modifications du modèle BIM ont été correctement importées dans le logiciel de calcul de structure. Dans certaines circonstances, des modifications peuvent être appliquées au même composant structural à la fois dans le modèle BIM et dans le modèle analytique. De tels cas de figure peuvent être résolus en mettant en place certains blocages au sein du modèle ou en désactivant certains composants. Il est généralement possible de transférer automatiquement les modifications de section, les épaisseurs de surface ou l'ajout et le retrait de composants structurels dans un autre modèle, par exemple grâce aux logiciels Dlubal. Veuillez noter que les mises à jour résultant du calcul de structure ne remplacent pas les autres informations du modèle BIM qui ne sont pas pertinentes pour le calcul de structure.

Figure 06 - Avantage de la méthode BIM : treillis, 632 barres, 344 sections à partir d'un modèle Tekla Structures (en haut). Temps de modélisation estimé lors du calcul de structure : plusieurs heures. Le modèle brut avec affectation des sections et des barres peut être généré à partir du modèle Tekla et transféré vers RFEM/RSTAB en quelques minutes (en bas)

Interface IFC et interfaces directes entre les logiciels

Des interfaces adéquates sont nécessaires pour établir une planification cohérente. Si l'utilisateur a accès via des interfaces personnalisables aux données des programmes entre lesquels des données sont échangées, il peut lier ces programmes directement sans avoir à échanger de fichiers. Les programmes impliqués doivent être installés sur le même ordinateur. De telles interfaces peuvent être adaptées de manière très flexible. Cette personnalisation n'est pas liée à la syntaxe et aux modèles de données des formats d'interface généraux nécessaires à l'échange de fichiers. Le format IFC joue un rôle important lors de l'échange des données sous des formats de fichier neutres et indépendants du fabricant.

Figure 07 - IFC, la norme internationale d'échange de données. Les données de la « Structural Analysis View » doivent être écrites pour la vérification de la structure

Si un logiciel est certifié IFC, cela ne signifie pas nécessairement que le transfert vers le logiciel de calcul de structure est possible. Seule la « Vue de coordination » (« Coordination View ») bénéficie actuellement d'une certification. Elle décrit principalement la géométrie de la structure à partir de modèles de solide, c'est-à-dire le modèle structural physique décrit ci-dessus. La « Structural Analysis View » qui permet également le transfert des appuis, des articulations et des charges est disponible pour le modèle de structure. En cas de transfert de données IFC à partir d'un programme d'architecture, il faut vérifier la vue exporter.

Résumé et conclusion

Les modèles BIM en 3D aident l'ingénieur structure à comprendre des systèmes structuraux complexes et à générer des modèles analytique plus rapidement en important des données. Le modèle BIM et le modèle analytique sont généralement différents, notamment sur le plan géométrique. Les modèles analytiques générés automatiquement doivent être vérifiés soigneusement et le calcul de l'ensemble du modèle peut nécessiter la considération des phases de construction. Certains aspects du calcul de structure peuvent nécessiter une modélisation spéciale et requièrent généralement des données supplémentaires qui ne peuvent pas être stockées dans le modèle BIM, ou seulement de manière limitée. Des règles doivent être fixées afin de déterminer quels utilisateurs peuvent effectuer quelles modifications à quel moment et quels emplacements du modèle. Les architectes et les ingénieurs structure doivent disposer de connaissances plus vastes et approfondies concernant l'ensemble des phases de planification d'un projet, mais aussi faire preuve de la volonté de repenser la division traditionnelle des tâches de planification et le travail d'équipe. Lorsqu'un effort supplémentaire mais faisable est fourni au début d'un projet dans la perspective de l'étape de planification, des économies considérables peuvent être réalisées et de meilleurs résultats obtenus pour la planification. Les bureaux de planification qui ont implémenté la méthode BIM ces dernières années confirment ce fait. La méthode BIM continuera de se démocratiser dans les années à venir pour ces raisons, mais également car elle est prescrite par les clients publics. La planification de projets de calcul de structure fait partie intégrante de la méthode BIM, les logiciels de calcul de structures compatibles BIM et la gestion de modèles globaux prendront donc une importance croissante.

Les logiciels Dlubal sont adaptés aux processus de planification orientés BIM car ils supportent de nombreux formats de fichiers utilisés dans ce cadre et possèdent des interfaces directes avec d'autres logiciels BIM couramment employés. Les logiciels Dlubal peuvent être intégrés en toute simplicité aux processus de planification propres à chaque entreprise grâce à leur interface ouverte et programmable. Les tâches de modélisation peuvent ainsi être automatisées et le traitement des résultats de calcul facilité.

Mots-clés

BIM Échange de données IFC Revit

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  • Mis à jour 10 novembre 2020

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