Comment optimiser IC construction et IC énergie de la RE2020 grâce au BIM


La modélisation des informations pour la construction (BIM) amène de nouvelles opportunités pour l’immobilier. Sous les noms de « 6D » ou de « BEM » pour « Building Environment Modeling », l’intégration des enjeux environnementaux dans les maquettes numériques de projet se développe ces dernières années. Qu’il s’agisse de création d’un modèle thermique analytique pour les calculs réglementaires, de gestion des quantitatifs des matériaux utilisés dans l’étude ACV ou de modèles de quartiers 3D pour la simulation aérauliques externes (Computational Fluids Dynamics), les maquettes numériques se démocratisent et participent à la maîtrise des impacts environnementaux pour les opérations de construction.


« RE2020 », « ACV », « Ic », de quoi parle-t-on ?


La réglementation environnementale RE2020, préfigurée par l’expérimentation E+C-, permet de répondre aux enjeux environnementaux auxquels fait face le secteur du bâtiment, à savoir, entre autres, réduire l’émission des gaz à effet de serre qui s’élève actuellement à 23% des émissions totales du territoire français. Pour évaluer l’empreinte carbone d’un ouvrage, il est nécessaire de réaliser une analyse du cycle de vie (ACV), méthode d’évaluation environnementale multi-étapes et multicritère, de l’extraction des matières premières à son traitement en fin de vie. L’ACV d’un bâtiment se compose de la somme des ACV des différents produits de construction le constituant, réalisée à partir des informations contenues dans les fiches de données environnementales et sanitaires (FDES/PEP), en considérant également les contributeurs énergie, chantier et eau. 
Pour cela, deux indicateurs sont à calculer, et doivent respecter des valeurs seuils maximales de carbone équivalent par unité de surface de référence et durée de vie du bâtiment :

  • Ic énergie : impact sur le changement climatique associé aux consommations d’énergie primaire
  • Ic construction : impact sur le changement climatique associé aux « composants » et « chantier »

 

Atouts du BIM sur l’impact carbone d’un point de vue « construction »


L’indicateur Ic construction correspond à la somme des contributions composants et chantier. Le résultat obtenu par le calcul pour Ic construction dépend de la maturité du projet, et donc a fortiori de la précision des données liées au projet. Plus le projet est dans ses prémices, plus il est difficile de quantifier finement ses éléments. C’est dans ce contexte que l’approche BIM permet de photographier le plus précisément possible l’impact carbone du bâtiment à un instant T de la conception. La numérisation des données du bâtiment facilite l’extraction des quantités de chaque composant intégrant la nature du matériau le constituant. Les acteurs du projet sont aussi invités à préciser les FDES correspondantes issues de la base INIES. Ainsi, le BIM facilite, à chaque phase du projet, l’élaboration du calcul, permettant de prendre conscience de la direction carbone qu’emprunte l’ouvrage pour en rectifier potentiellement l’objectif.


Pour les lots techniques, pour lesquels les données sont encore rares, la méthode de calcul ACV autorise l’utilisation de valeurs forfaitaires. Le BIM permet de renseigner précisément l’impact de chaque corps d’état technique. Ainsi le résultat global du bâtiment s’approche davantage de la réalité. Le BIM offre un réel atout quant à l’extraction et la manipulation des données pour comparer des variantes. De cette manière, plusieurs modèles peuvent être confrontés d’un point de vue morphologique en amont du projet ou bien selon le choix des matériaux dans les phases aval de la conception. Grâce aux retours d’expérience des études environnementales menées en BIM, la maquette numérique devient un outil indispensable pour orienter les choix de conception d’un point de vue carbone.  
 

Retour d’expérience : ZAC de l’Ecoquartier fluvial du Village des Athlètes

Sur l’écoquartier fluvial de L'Île-Saint-Denis avec le groupe Pichet et Legendre Immobilier, la Maquette Numérique a été créée et modélisée par BIMtech pour calculer les ratios bois/béton des principes constructifs structurels et l'impact Carbone PCE total pour vérifier la conformité au programme très ambitieux sur l’aspect écologique. L’impact carbone des matériaux et des bâtiments a été calculé et simulé sur la base des 15 maquettes numériques de projet couvrant près de 50 000 m2 habitable.

Les équipes de BIMtech ont travaillé sur l’extraction des quantités de matériaux issues des différents modèles de projet et également sur la liaison avec la base de données ACV en collaboration avec Vizcab. Un point de difficultés a été rencontré sur les premiers flux d’intégration. La correspondance entre les objets de la maquette numérique et les objets de la base de données a dû être finement étudiée afin d’anticiper les mises à jour des quantitatifs dans le temps. Une attention toute particulière a été portée aux identifiants des objets et leur liaison. Cela a été une des clés de succès du processus. 

Enfin, BIMtech a pu développer des interfaces de Data Vizualisation Web afin de donner à la Maitrise d’Ouvrage des outils d’aide à la décision pour minimiser les poids carbone et atteindre les niveaux attendus sur les bâtiments du projet. Le processus a été automatisé dans GrasshopperÒ (logiciel de représentation paramétrique) afin que l’interface de Data Vizualisation puisse être mise à jour très rapidement une fois l’analyse d’impact carbone terminée.

Les données issues des simulations ACV (poids carbone et seuil carbone atteints pour chaque bâtiment) ont ensuite été rapatriées dans les modèles via un groupe de scripts dans DynamoÒ (outil de programmation visuelle). Étant donné que la structure des données était organisée de la même manière lors de chaque mise à jour, les scripts ont permis de renseigner automatiquement les données d’analyse carbone. Ainsi, le cycle de la donnée est continu, et nous pouvons assurer une donnée carbone fiable et à jour dans chaque objet des maquettes BIM.

Atout du BIM sur l’impact carbone d’un point de vue « énergétique »


L’indicateur Ic énergie évalue quant à lui les émissions de gaz à effet de serre des énergies consommées pendant le fonctionnement du bâtiment grâce à la méthode d’analyse du cycle de vie. Il met donc en exergue la nécessité d’utiliser des sources d’énergie décarbonée pour réduire l’impact carbone global du projet. Faire appel à des sources d’énergie renouvelable est un levier efficace pour réduire au maximum l’empreinte carbone. 

C’est dans ce contexte que le BIM permet de prédire et de modéliser des installations in situ de dispositifs de production d’énergie en faisant varier les capacités de production, les implantations des dispositifs et les coûts associés. De cette manière, comme pour les produits de construction et équipements, il est possible de comparer plusieurs variantes entre elles et donc d’offrir une aide à la décision sur le choix de la solution retenue.
 

Retour d’expérience : étude d’opportunité photovoltaïque en BIM


À la demande d’un promoteur qui souhaitait bénéficier d’un outil d’aide à la décision sur le potentiel photovoltaïque de son bâtiment, BIMtech a développé un outil permettant de simuler en phase de faisabilité, le potentiel d’installation de panneaux photovoltaïques sur les toitures d’un bâtiment. L’outil permet d’abord de simuler le rayonnement solaire sur les toitures d’un bâtiment, en fonction de son contexte et des données météorologiques. Pour modéliser le contexte des bâtiments environnants, nous utilisons les données SIG open source, et pour les simulations énergétiques, nous utilisons l’outil LadybugÒ de GrasshopperÒ et les données météorologiques open source ici ou ici.
 

L’outil détecte l’orientation la plus optimale des panneaux selon le projet et les données associées. L’algorithme développé par BIMtech réalise ensuite l’implantation et le calepinage des modules sur les zones pertinentes. Le processus général consiste à lier la modélisation paramétrique du panneau PV au modèle de simulation énergétique dans GrasshopperÒ, afin de permettre à l’algorithme de rechercher tous les angles possibles et de trouver les angles optimaux, à haute rentabilité ou à haut évitement de CO2 équivalent.

Une fois le calcul terminé, nous importons toutes les données ainsi que les géométries 3D sur la plateforme Web Design Explorer pour la visualisation. Ce rapport interactif permet aux Maîtres d’Ouvrage d’accéder à toutes les solutions possibles sans aucune licence ou installation de logiciel sur l’ordinateur.

Ainsi, la maîtrise d’ouvrage peut connaître très en amont des projets la capacité d’installation de panneaux PV, avoir une estimation de retour sur investissement d’installation de panneaux, le poids de CO2 évité et éventuellement d’être valorisé pour l’obtention d’une certification.

 

Gouvernance des données et études environnementales 

L’utilisation des modèles numériques pour estimer le poids carbone des objets pose la question de la gouvernance de la donnée (quantités, matériaux, surfaces, durée de chantier, consommations, etc.) intégrée aux modèles BIM. Chaque acteur de la construction doit travailler autour des modèles et y intégrer ses données au fur et à mesure de l’avancement du projet, en suivant le niveau de détail (LOD) attendu à chaque phase.

Le groupe de travail Code <BâT/carbone>, mené par Novabuild et BEE, ont mené une réflexion sur le numérique au service du bas carbone et propose un guide des bonnes pratiques pour structurer la 6eme dimension du BIM et traite du sujet de la gouvernance de la donnée.
Les bonnes pratiques qui se dégagent de cette étude consistent à :
- Mettre en place un "management responsable" de la donnée, 
- Définir correctement les besoins de chaque acteur à chaque phase du projet,
- Introduire un indice de fiabilité de la donnée dans le cas où la DOE BIM serait utilisée en gestion de patrimoine, exploitation ou en maintenance (BIM GEM).

La démarche BIM montre, à plusieurs égards, son intérêt pour maîtriser les impacts environnementaux des projets de construction. La maquette numérique apporte également des outils puissants de reporting et de prise de décision pour les donneurs d’ordre. Le secteur doit tirer profit de ces nouvelles méthodes et généraliser l’usage de la 6D s’il veut répondre aux grands défis climatiques qui se posent aujourd’hui et demain.

Article signé Léa Gilbert, Mélanie Vanderschooten et Congzheng Zou de BIMTECH


Article suivant : L'analyse thermique et environnementale des projets avec le BIM Energie Environnement (BEE)


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