05 Juin 2019  |  Architecture
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 03/2019

Le DFAB HOUSE: une première mondiale en termes de construction numérique

Le DFAB HOUSE qui a été inauguré le 27 février dans le bâtiment NEST de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf, est la première maison au monde dont la construction a été réalisée grâce à un nouveau procédé numérique. Les modules en bois du bâtiment ont été préfabriqués au Robotic Fabrication Laboratory à l’EPFZ à l’aide de robots ABB, d’une manière similaire au processus d’impression 3D.

Le DFAB HOUSE est une unité résidentielle de trois étages située sur le toit du bâtiment de recherche et d’innovation NEST de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf. C’est la première maison habitée au monde qui n’a pas seulement été planifiée numériquement, mais aussi construite en grande partie de manière numérique, à l’aide de robots et d’imprimantes 3D . Les technologies de construction utilisées ont été développées par les chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich en collaboration avec des partenaires industriels.
Cette maison de 200 m2 est le fruit d’une collaboration de longue date entre des chercheurs de huit chaires de l’EPFZ, des experts de l’industrie et des professionnels de la planification issus d’une trentaine d’entreprises. Il en est résulté un démonstrateur qui montre comment les procédés de fabrication numérique peuvent révolutionner notre façon de concevoir et de construire.
 
La DFAB HOUSE est la première maison habitée au monde qui a été planifiée numériquement et construite à l’aide de robots et d’imprimantes 3D. (Photo: Roman Keller)
 
 
Des robots et des composants d’ABB
Les d’ABB ont découpé les longueurs et angles exacts des poutres nécessaires à la réalisation des éléments complexes en bois, avant de procéder à un assemblage de précision des pièces. D’autres solutions de cette entreprise sont également appliquées dans le DFAB HOUSE. Un système d’automatisation des bâtiments permet de commander l’éclairage et les stores, d’évaluer et d’optimiser la consommation d’énergie, ainsi que d’assurer la communication avec d’autres systèmes d’automatisation. Des onduleurs alimentent le réseau électrique du bâtiment à partir des panneaux solaires placés sur le toit. Différents composants, comme les distributeurs électriques, les commutateurs, les prises électriques et les prises de charge USB proviennent également d’ABB.
 
Construction de modules de bâtiment avec les robots ABB.(Photo: Roman Keller)
 
 
Un lieu d’hébergement pour les chercheurs hôtes de l’Empa
Un plafond en béton coulé dans un coffrage imprimé en 3D et un mur en béton courbé créé par un robot de construction caractérisent l’architecture du salon, dont l’esthétique rappelle celle des décors de tournage de l’artiste suisse HR Giger. Lorsqu’on les appelle, les stores s’ouvrent comme par magie et la bouilloire prépare l’eau du thé. Ce qui ressemble à un film de science-fiction est une réalité à Dübendorf. À la fois intelligente et en grande partie conçue et construite numériquement, la DFAB HOUSE a ouvert ses portes le 27 février dernier. À compter du printemps, elle permettra d’héberger les chercheurs hôtes de l’Empa.
 
Le DFAB HOUSE est une unité résidentielle de trois étages située sur le toit du bâtiment de recherche et d’innovation NEST de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf.
 
 
Du laboratoire à l’application architecturale
Cette maison d’habitation de trois étages est située au sommet de trois plates-formes dans le bâtiment modulaire de recherche et d’innovation NEST, qui permet aux chercheurs de l’Empa et de l’Eawag de tester de nouvelles technologies de construction et d’énergie dans des conditions réelles, avec leurs partenaires industriels.
Le bâtiment NEST se compose d’un noyau de central auquel différents modules peuvent s’amarrer. Pour la construction de l’unité DFAB HOUSE, les chercheurs de huit chaires de l’EPFZ, dans le cadre du Pôle de recherche national «Fabrication numérique», ont transféré, en collaboration avec des partenaires industriels, plusieurs nouvelles technologies numériques de construction, du laboratoire à des applications réelles.
 
Le système Mesh Mould combine coffrage et renfort en un seul système, fabriqué par un robot. Le béton est coulé dans le treillis métallique. Grâce à la structure à mailles serrées du treillis, le mélange spécial de béton reste à l’intérieur du treillis et ne s’écoule pas. (Photo: NCCR Digital Fabrication)
 
 
Une construction plus efficace et plus durable
L’objectif des technologies numériques n’est pas seulement de rendre la planification et la construction plus efficaces, mais aussi plus durables. La dalle de plancher de la DFAB HOUSE, par exemple, planifiée numériquement, est optimisée statiquement et structurellement de telle sorte que des quantités considérables de matériau peuvent être économisées par rapport à une dalle de béton classique.
Ces technologies offrent également de nouvelles possibilités de conception. Les deux étages supérieurs résidentiels, par exemple, sont caractérisés par des cadres en bois qui ont été fabriqués à l’aide de deux robots de construction et disposés selon des géométries complexes.
«Le potentiel architectural des technologies numériques du bâtiment est immense. Malheureusement, ces technologies sont encore peu utilisées sur les chantiers de construction. Avec la DFAB HOUSE, nous pouvons tester de nouvelles technologies en collaboration avec l’industrie et accélérer ainsi le passage de la recherche à la pratique», explique Matthias Kohler, professeur à l’EPFZ en architecture et en fabrication numérique.
 
Une maison intelligente
Dans deux mois, les premiers résidents – des invités académiques de l’Empa et de l’Eawag – emménageront dans cette maison intelligente. Un consortium d’entreprises, dirigé par la société digitalSTROM AG, a installé les premières solutions pour cette maison intelligente, basées sur la plate-forme digitalSTROM indépendante de tout fabricant. Il s’agit notamment d’une protection antieffraction à plusieurs niveaux, d’options automatisées d’ombrage et de protection contre l’éblouissement, ainsi que de la dernière génération d’appareils ménagers intelligents en réseau.
La DFAB HOUSE est intelligente non seulement en termes d’électronique domestique, mais aussi en termes de gestion de l’énergie. Les modules photovoltaïques situés sur le toit fournissent, en moyenne, une fois et demie plus d’électricité que l’unité elle-même en consommera. Un système de commande intelligent coordonne toutes les consommations et veille à ce qu’il n’y ait pas de pics de charge. La chaleur des eaux usées, qui serait autrement perdue, est récupérée directement dans les bacs de douche par l’intermédiaire d’échangeurs de chaleur. Et l’eau chaude s’écoule des tuyaux vers la chaudière lorsqu’elle n’est pas utilisée, au lieu de se refroidir dans les tuyaux. Cette méthode permet non seulement d’économiser de l’énergie et de l’eau, mais aussi de réduire le risque de formation de bactéries dans les conduites.
 
Le système de façade léger, mince et isolant, permettant à la lumière de pénétrer dans le bâtiment, est constitué de granules d’aérogel insérés et stabilisés entre des panneaux de membrane. (Photo: Daniel Sanz Pont)
 
 
La recherche et l’industrie apprennent l’une de l’autre
La sixième unité de recherche et d’innovation du NEST est un bon exemple de la manière dont la coopération entre les chercheurs et l’industrie peut produire des solutions d’avenir. «Dans la réalisation d’un projet de construction comme la DFAB HOUSE, les méthodes de construction traditionnelles répondent aux nouveaux concepts du monde numérique. Le chemin qui mène de la planche à dessin numérique au bâtiment réel a posé des défis aux scientifiques et aux experts. Grâce à un dialogue constructif, l’utopie est devenue réalisable et nous espérons qu’elle sera bientôt utilisée dans l’industrie de la construction», explique Gian-Luca Bona, directeur de l’Empa.
 
Un robot de construction mobile
Le robot de construction mobile In situ Fabricator est destiné à la fabrication d’éléments de construction directement sur les chantiers. Son système intégré de détection et de calcul a été développé pour permettre des procédures de repositionnement autonomes, la localisation de l’effecteur final, ainsi que l’adaptation des données de fabrication en fonction du comportement imprévu des matériaux et des tolérances de fabrication, sans avoir besoin de dispositifs de mesure externes. Ce robot a passé 125 heures sur le chantier pendant 22 jours.
 
Les éléments en béton sont posés pièce par pièce sur le mur Mesh Mould de 12 cm de large. (Photo: Digital Building Technologies, EPFZ/Tom Mundy)
 
 
Coffrage et renfort en un seul système de construction
Le système Mesh Mould combine coffrage et renfort en un seul système, fabriqué par un robot. En tant que tel, le robot In situ Fabricator construit une structure de maille 3D qui sert à la fois de coffrage et de renforcement structurel. Un mortier de ciment spécialement développé est ensuite coulé dans la structure en treillis et retiré à la truelle à la main, ce qui permet d’obtenir la forme unique du mur porteur de 12 de longueur et de 3 m de hauteur. Le système Mesh Mould a réalisé 22’300 nœuds de soudure.
 
Un processus de construction numérique optimisé
Le processus de construction numérique Smart Slab de nouvelle génération est optimisé, de la conception à la fabrication. Il utilise l’impression 3D au sable pour automatiser le processus le plus exigeant en main-d’œuvre dans la construction en béton: la fabrication du coffrage. Les 295 pièces de coffrage imprimées en 3D permettent à la plasticité du béton de créer un élément de construction de forme libre avec des structures ornementales complexes qui créent une riche expérience architecturale.
  • Superficie: 78 m2
  • Poids de la dalle intelligente: 15,7 t (réduction d’environ 65 % par rapport à une dalle standard).
  • Montage sur site: 4 jours
 
La technique de fabrication des meneaux
Le système Smart Dynamic Casting a permis la production de quinze meneaux en béton armé sur mesure. Chaque meneau a été fabriqué par un coffrage glissant à commande numérique, par lequel le béton auto-compactant est introduit dans un coffrage flexible qui façonne le béton au fur et à mesure qu’il durcit. Cette technique permet à chaque meneau d’être fabriqué individuellement dans la géométrie la mieux adaptée aux exigences de portance et à sa position exacte.
  • Nombre de meneaux: 15
  • Volume total de béton par meneau (moyenne): 23 l
  • Temps nécessaire pour former un meneau: 4 h.
 
Un procédé de fabrication robotisé
Le procédé de fabrication robotisé Spatial Timber Assembliesutilise le système de robot double du laboratoire de fabrication robotisée (RFL) de l’EPFZ pour préfabriquer des modules à ossature en bois destinés aux étages supérieurs de la DFAB HOUSE. En utilisant les robots, le bois peut être coupé, tenu et positionné sans référence dans l’espace, permettant des géométries nouvelles et complexes.
  • Précision du placement de la poutre lorsque les émetteurs suivent le robot dans le RFL: moins de 1 mm
  • Poids maximum des poutres assemblées par le robot: 55 kg
  • Nombre de poutres: 487
  • Nombre de modules: 6
  • Temps d’installation sur site: 12 h
 
Une façade légère et translucide
Le système de façade léger, mince et doublement courbé, ayant des propriétés de super-isolation permettant à la lumière d’entrer dans le bâtiment à travers l’ensemble du mur, est constitué de granules d’aérogel insérés et stabilisés entre des panneaux de membrane spécialement développés par un nouveau procédé.
  • Épaisseur de la façade: 80-120 mm
  • Pourcentage d’énergie économisée: valeur U 0,165
 
L’équipe du projet de construction
  • Propriétaire de l’immeuble: Empa
  • Conception, design et planification d’objets: EPFZ, Pôle de recherche national (PRN) Fabrication numérique, Zurich
  • Entreprise générale: ERNE AG Holzbau, Laufenburg
 
Empa
8600 Dübendorf
Tél. 058 765 11 11
 
ABB Suisse SA
1007 Lausanne
Tél. 058 588 40 50
www.abb.ch


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