Le Building Information Modeling et les logiciels de calcul de structure : scénarios et facteurs déterminants pour un échange de données réussi

Article technique

Le Modèle d’Information unique du Bâtiment (Building Information Modeling ou BIM) est l’un des enjeux principaux de l’industrie du logiciel AEC (Architecture, ingénierie et construction), en effet une planification précise en début de projet a une retombée très positive sur le coût total du projet. Depuis plus de 20 ans l’industrie de la construction métallique utilise des modèles 3D, pour générer des notes de calcul 2D ou pour envoyer les données NC directement en production.

Les calculs statiques sur des modèles 3D sont aujourd’hui hypersophistiqués. Lorsqu’il s’agit de logiciels d’aide à la construction, les maquettes digitales soulèvent la question de l’échange de données et de comment ces modèles peuvent être utilisés de manière efficace par plusieurs ingénieurs. Il n’y a pas que l’aspect géométrique de la maquette qui est à prendre en compte, mais également d’autres informations non-visibles. De telles maquettes sont composées de modèles analytiques ou structurels avec des propriétés de matériaux, des conditions limites ou encore des charges qui peuvent être difficilement reconnaissables dans un modèle purement architectural.

Ce sont ces données non-visibles qui peuvent provoquer des problèmes lors de l’utilisation du BIM. L’obstacle est un grand défi pour les éditeurs de logiciel. Cet article explique les problèmes fondamentaux de l’échange de données et fournit des solutions pratiques.

Conception des structures avec le BIM

Le Modèle d’Information unique du Bâtiment part du principe que le cycle de vie d’une structure est un tout. Au départ, nous avons l’idée de base et la planification de la conception (échanges entre l’architecte et le maître d’ouvrage), le calcul de structure et la sortie des notes de calcul (échanges entre les ingénieurs), puis la construction et enfin la démolition de l’ouvrage. L’objectif est, entre autres, d’optimiser les coûts pendant tout le cycle de vie de la structure. La conception de la structure n’est qu’une petite partie du BIM, son impact est d’ailleurs en général secondaire.

Le calcul de structure joue un rôle primordial lors d’une étape paradoxalement courte de la planification. Le dimensionnement détermine la faisabilité d’une conception donnée et est donc centrale au processus car sans son aval, les autres tâches ne sont pas réalisables. Le calcul de structure a également une influence importante sur la précision de la planification entière et donc sur les coûts supplémentaires dus aux modifications nécessaires. En bref : le calcul de structure et les modifications qu'il apporte doivent être efficaces et fiables. Les maquettes 3D BIM d’aujourd’hui peuvent fournir des données importantes ou encore faciliter la communication et la compréhension dans le processus de calcul de structure.

Figure 01 – Scénario classique d’échange de données avec le BIM

Maquette BIM et modèle structural

En général, les maquettes BIM contiennent des informations à propos de la géométrie, des matériaux et des produits semi-finis d’un bâtiment. Elles décrivent pourquoi le bâtiment a cette structure et peuvent également fournir d'autres informations, comme le temps de montage par exemple. Les maquettes BIM fonctionnent comme des outils de communication visuelle pour tous les participants du projet. Elles sont également des outils pour la détermination des matériaux à utiliser et des prix. Enfin, elles aident à éviter les erreurs de planification. L’échange de données désigne surtout la description paramétrique de la géométrie exacte du bâtiment. Les composants structuraux sont décrits par des modèles surfaciques et des extrusions qui résultent en des solides.

À l’inverse, les modèles structuraux se concentrent sur la projection mécanique exacte de la structure d’appui. La géométrie est simplifiée et réduite aux composants structuraux pertinents pour le calcul de structure. La description détaillée de la géométrie n’est utilisée que si nécessaire et son utilisation augmente le temps de calcul. Les poteaux et poutres sont calculés comme barres (éléments 1D), les murs et plafonds sont calculés comme dalles et plaques (éléments 2D). Ces éléments de barre et de surface peuvent également être combinés entre eux dans un modèle 3D. Tous les composants structurels doivent être assemblés et les conditions de transfert vérifiées afin de réaliser un calcul numérique de votre modèle. Tout de même, la réduction de solides à lignes (dans le cas de barres) et plans (dans le cas de surfaces) peut provoquer la non-disponibilité des intersections automatiques.

Les composants essentiels du modèle structural sont aussi :

  • Définitions d’appuis et d’articulations
  • Propriétés mécaniques de matériaux et de sections
  • Charges externes (vent, neige, charges imposées, etc.) et combinaisons de charges
  • Effets d’une activité sismique ou d’autres actions accidentelles
  • Paramètres de calcul
  • Méthodes de calcul et d’analyse linéaires et non linéaires

La déduction d’un modèle BIM à partir de données géométriques sans l’aide d’un ingénieur structure est impossible. La modélisation de deux structures identiques requiert également la représentation d’un modèle solide pour le calcul statique. Tout de même, avec une configuration système très puissante, le calcul d’un bâtiment comme un modèle volumique n’est pas concevable.

Scénarios d’échange de données

Vous pouvez distinguer l’échange de données entre des logiciels de la même discipline et entre logiciels de discipline différentes. Si les données doivent être échangées entre des logiciels de CAO ou de calcul, les objets sont considérés de sorte que leurs modèles soient très similaires. Les différents logiciels peuvent traiter les informations importées et les traduire en objets intelligents. C’est ce que l’on appelle l’échange de données horizontale.

Si les données sont transférées vers un logiciel dont l’application est différente, par exemple à partir d’un logiciel de conception vers un logiciel de calcul, l’enjeu principal de l’échange est d’obtenir une vue différente des mêmes données : dans notre cas, seuls les éléments porteurs (poteaux, voiles, treillis et plaques) seront considérés. L’information additionnelle nécessaire, comme la position des lignes d’action, l’élasticité des éléments d’assemblage ou encore les détails mécaniques des matériaux ou sections sera manquante. C’est ce que l’on appelle l’échange de données vertical. La perte de données ou les erreurs d’interprétation est facile à éviter lors d'un échange de données entre logiciels de même application. Dans le cas du BIM pour le calcul de structure, il s’agit souvent d’un échange de données vertical car le modèle de structure est en général généré à partir du modèle architectural. Tout de même, le transfert d’une maquette d’un logiciel de calcul à un autre requiert également la vérification des calculs.

Figure 02 – Échange de données horizontal et vertical

Les scénarios les plus importants peuvent être résumés ainsi :

  • Architecture -> Calcul de structure -> Construction
  • Calcul de structure -> Architecture pour synchronisation des données des modifications suite au calcul de structure
  • Calcul de structure -> Consultation des résultats statiques
  • Export de la structure entière ou de la sous-structure
  • Mise à jour (bidirectionnelle) des matériaux, épaisseurs et sections, et retour des résultats de calcul

Figure 03 – Scénario BIM : Transfert d’un modèle à partir d’un logiciel BIM à un logiciel de calcul de structure, mise à jour des sections et transfert des résultats de calcul (efforts internes) vers une maquette BIM

Vous avez de nombreux formats disponibles pour l’échange de données. L’IFC est le format de base. Il a différentes utilisations selon le type d’application. Son utilisation la plus populaire est la « Coordination View », pour lesquels les logiciels peuvent être certifiés. Lorsque le format IFC est utilisé sans préciser les vues individuelles, la Coordination View est utilisée par défaut. Ce format est supporté par la plupart des logiciels de dessin. À l’inverse, la « Structural Analysis View » pour le calcul de structure comporte la description du modèle structural, pour les charges et les combinaisons de charge. Cette vue ne peut pas encore être certifiée et n’est supportée que par un faible nombre de logiciels de calcul de structure. Même s’il est considéré comme standard, le format IFC peut en général être interprété de plusieurs manières. Ainsi, il est nécessaire de comparer les données importées avec les données du logiciel utilisé pour l’export pour obtenir à coup sûr un échange réussi.

Figure 04 – Modèles IFC Coordination View dans RFEM, visualisation et sélection d’un objet intelligent dans RFEM

Au-delà du format IFC, vous pouvez utiliser des formats reconnus comme le DXF ou DWG, l’Interface produit pour construction métallique, ou les applications de feuille de calcul. Les interfaces directes peuvent aussi s’avérer très utiles : elles ne disposent pas de formats spécifiques mais communiquent directement par interfaces programmables (API).

Facteurs déterminants pour un échange de données réussi

Le point essentiel est de comprendre à quel scénario d’échange nous avons affaire. Si vous connaissez les logiciels utilisés, vous êtes peut-être familiers avec les interfaces supportées. Nous conseillons de réaliser des échanges tests avec des modèles de petite taille. Veillez à porter une attention particulière aux sections et matériaux transférés. En général chaque logiciel fournit des bases de données pour le calcul de structure contenant des paramètres dépendants d’une norme. Ces bases de données peuvent être en relation entre elles à travers un « fichier de mappage », en partie fourni par les développeurs des logiciels. Nous recommandons d’unifier et d’intégrer ces fichiers selon les logiciels utilisés pour votre projet.

Les logiciels BIM incluent un modèle analytique (un modèle structural) dans le modèle architectural. L’avantage d’un tel logiciel est que les deux modèles se complètent et permettent un échange facile et efficace. Au-delà des données du système, le paramétrage des charges est possible. Lorsque vous utilisez un tel logiciel, vous devez créer vos deux modèles avec précision. La coordination entre les différentes parties du projet doit être exemplaire. La question est alors de décider qui détermine les coûts pour les modèles interdisciplinaires et qui est responsable pour la précision de l’étude. Dans tous les cas, la méthode BIM est très avantageuse et continue d’être utilisée par les plus grandes sociétés. Si la chaîne entière est prévue à l’avance pour la planification, les modèles BIM peuvent très vite être optimisés et utilisés par la suite pour le calcul de structure.

Un aspect important dans le choix d’un logiciel doit être les formats qu’il supporte. La simple visualisation ou la référence des données de modèle n’est pas suffisante pour une planification de structure et ne peut que servir qu’à un contrôle visuel. Si plusieurs modèles peuvent être lus par le logiciel et interprétés dans le modèle issu des données d’objet, c’est une augmentation très importante de la flexibilité et des chances d’un échange de données réussi. C’est un facteur critique, par exemple, lorsque les fichiers IFC Coordination View sont utilisés dans un logiciel de calcul statique.

Même si la programmation de vos outils d’échange de données en début de projet semble nécessiter beaucoup d’efforts, elle n’est surtout pas à exclure. C’est ce qui permet le transfert facile de données supplémentaires sous forme de paramètres. Ainsi, vous pouvez afficher des éléments d’un modèle dans le logiciel BIM, communiquer des modifications ou ajouter des flux de travail propres à votre société dans le logiciel. Cette manipulation requiert que tous les logiciels aient une interface programmable (API) qui peut être opérée en langages de programmation basiques (VBA, C#, etc.).

Les facteurs déterminants pour un échange de données réussi et efficace comprennent :

La génération d’un modèle BIM en considérant le calcul de structure
  • Implication de l’ingénieur structure dès le début du projet, avec possibilité de consultation lors du transfert des données
  • Paramétrage des normes pour les matériaux et descriptions des sections (avec les tableaux de mappage)
  • Modélisation fonctionnelle et constante des composants de la structure (poteaux, poutres comme barres, murs et plaques comme objets surfaciques)
  • Modélisation des murs, des plaques et des colonnes en sections et niveaux
Détermination de l’ampleur et du contenu à transférer
  • Qui créé le modèle de structure idéal et quel logiciel utilise-t-il ? (BIM ou un logiciel de calcul de structure)
  • Est-ce que les dimensions géométriques et les contours des structures étudiées seront transférés seuls ? Ou seront-ils accompagnés d’autres propriétés de structure comme des appuis et articulations ?
  • Qui définit les cas de charge, les combinaisons de charges et les charges ?
  • Qui est autorisé à apporter des modifications comme l’ajout ou la suppression d’éléments structurels, ou encore la définition de sections et épaisseurs des composants ?
  • Comment et quand est-ce que l’alignement automatique du modèle potentiel sera réalisé ?
Définition des étapes de travail
  • Qui travaille sur quel espace du modèle, et quand ?
  • Éviter la modification des mêmes éléments en simultané
Test des scénarios d’échange et utilisation des formats d’échange de données et d’interfaces
  • Est-ce que les logiciels de calcul de structure et BIM fournissent les mêmes interfaces et dans quelle mesure ?
  • Réalisation de tests dans des modèles légers avec l’utilisation d’objets définis pour l’échange
Règle impérative pour rendre les modèles BIM disponibles pour tous
  • Réaliser les modèles en plusieurs formats (IFC, format utilisé par le logiciel, DWG/DXF, SNDF, STEP, ou d’autres)
  • Extension des possibilités d’échange de données et permission de consultation et comparaison des modèles

Résumé

Le calcul de structure est un pilier du BIM (Building Information Modeling). L’implication toujours plus importante de la méthode BIM dans la planification des projets de construction permet le développement de nouvelles méthodes d’échange toujours plus efficaces. Un modèle BIM et un modèle structural ont des caractéristiques très différentes. Un processus de planification efficace pour le calcul de structure requiert la présence dès les premières étapes d’un ingénieur structure, ainsi que le respect des aspects du calcul de structure et de l’échange de données lors de la création d’un modèle BIM. Le logiciel utilisé doit permettre le transfert des informations de la géométrie paramétrée des objets intelligents propres au logiciel grâce aux interfaces dédiées. Enfin, une bonne stratégie d’échange de données conforme au logiciel permet d’intégrer aisément la conception dans le processus BIM.


 

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Vidéo : Une coopération efficace grâce à la méthode BIM (en anglais)

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Logiciel de calcul de structures aux éléments finis (MEF) pour les structures 2D et 3D composées de plaques, voiles, coques, barres (poutres), solides et éléments d'assemblage

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Programme de base

Logiciel de calcul de structures filaires composées de charpentes, poutres et treillis. Il permet le calcul linéaire et non linéaire des efforts internes, des déformations et des réactions d'appui