L'analyse thermique et environnementale des projets avec le BIM Energie Environnement (BEE)
Depuis plus de 30 ans, BBS Slama développe des logiciels pour le calcul thermique dans le bâtiment. La question de l’interopérabilité entre les logiciels de la construction a toujours été un point d’intérêt pour l’entreprise. En 2019, BBS Slama reçoit le soutien de l’Ademe pour son projet BEE, étant lauréat du concours innovation ADEME i-Nov dans le cadre du plan d'investissement d'avenir. Le but est de créer les outils pour pouvoir exploiter les maquettes numériques des bâtiments en ce qui concerne les calculs thermiques et environnementaux. Le projet a duré 2 ans. Il a permis de grandes avancées et ouvre une voie pleine de défis passionnants.
L'objectif de BEE (BIM Énergie Environnement) est de développer des outils réalisant les traitements nécessaires pour qu’à partir de maquettes BIM, on puisse réaliser une analyse énergétique et environnementale. L’usage de fichiers d'entrée IFC 4 complets reste malheureusement rare. De plus, il est courant de trouver des erreurs de saisie dans les maquettes : l’oubli d’un plafond ou la mauvaise jonction entre deux murs sont des erreurs récurrentes. Sans compter les problèmes de génération automatique d’IFC erronés. Toutes ces observations montrent que la génération d'un modèle thermique à partir de la lecture d'un fichier IFC n’est pas une solution efficace. Quant au calcul environnemental, il se base en grande partie sur les volumes de matières, alors que le calcul thermique s’intéresse aux surfaces. Le point de vue est en fait très différent posant la question d’avoir un ou deux modèles pour traiter ces deux sujets.
Première étape, l’analyse géométrique
Cela fait des années que des travaux sont fait pour améliorer les formats IFC et les méthodologies de de création de maquette. Pourtant force est de constater qu’il reste une multitude de façons de modéliser un bâtiment et surtout une infinie possibilité de se tromper. Nous avons donc fait le choix de partir de maquettes telle qu’on les trouve aujourd’hui. Un peu comme chez Mc Do, les maquettes viennent comme elles sont. A partir de là, on réalise une analyse géométrique. Le but est de retrouver par nous même les informations qu’il nous faut, qu’elles soient présente dans des objets de l’IFC ou non : les pièces, les murs, les ponts thermiques. Cette analyse permet également de détecter certaines erreurs. Ainsi on a mis à disposition un outil pour vérifier que les pièces sont bien fermées et que l’on a bien les bons espaces. L’analyse géométrique est basée sur un module développé par la société EnerBIM. L'algorithme utilise à la fois des méthodes de ray tracing et de voxels.
Nous avons abouti à un outil qui traite les aspects thermiques et environnementaux de manière séparée. En ce qui concerne la partie thermique, l’outil d’import BEE se présente comme un utilitaire qui accompagne l’utilisateur. Il lui expose les informations extrait de l’IFC et à chaque étape l’utilisateur valide ou ajuste les informations. Le schéma suivant expose les différentes étapes.
La méthode consiste à générer des espaces, au lieu d'utiliser les IFCSpaces des fichiers IFC, à partir d’étapes successives :
(i) Tri sémantique des objets IFC : récupération du fichier IFC et stockage de la géométrie – surfaces et volumes, à partir des objets IFC. Cette étape permet également de corriger les erreurs sémantiques du modèle IFC, comme les éléments structuraux (murs, dalles) qui ont été dessinés avec des outils inappropriés et sont vus par l'IFC avec la mauvaise classe.
(ii) Création d'espaces : cette étape génère des volumes à partir des d'IFCSpaces ou de nouveaux espaces détectés. Les volumes détectés reposent principalement sur des méthodes combinées de ray tracing et de voxels. Une correspondance est effectuée avec les IFCSpaces pour conserver les liens avec les données BIM. Cela permet de conserver les données même pour les cas où les IFCSpaces sont mal définis, par exemple des IFCSpaces inexistants à l'emplacement du volume détecté, ou de plusieurs IFCSpaces localisés pour un même volume détecté, ou des erreurs de modélisation telles que : absence de plafond sous combles qui génère un IFCSpace unique au dernier niveau sous les combles. La détection concerne aussi bien les volumes intérieurs que les volumes extérieurs pour l’enveloppe du bâtiment. Des outils d'édition ont été développés pour créer des surfaces locales à l'intérieur de la géométrie générée pour délimiter des espaces : dalles, plafonds, etc. Cela évite de modifier la maquette dans le logiciel BIM initial.
(iii) Création des murs : cette étape est destinée à la génération des murs et des limites entre volumes, ouvertures et menuiseries : une méthode de ray tracing est à nouveau utilisée pour détecter les murs et limites ainsi que les différents éléments des murs composés. Une mise en correspondance est également effectuée à partir des murs générés et des IFCWalls du modèle BIM pour conserver les liens de données des IFCWalls, IFCWindows, etc.
(iv) Création des liaisons thermiques : la dernière étape consiste en la génération des ponts thermiques dans le nouveau modèle, ils sont générés à partir des espaces et murs, indépendamment des objets IFCRelSpaceBoundary initiaux.
Deuxième étape, l'enrichissement des données techniques
La partie du processus environnemental de BEE consiste à transférer les métrés utiles au bilan carbone, à partir d’objets IFC contenant des informations sur les quantités de matériaux, y compris tous les objets de la géométrie : IFCWall, IFCWindow, IFCColumn, IFCStair, etc. Une réflexion importante issu de ce projet est que la clé de voute pour avoir l’ensemble des informations est de pouvoir spécifier les compositions des murs et surtout les compositions des ponts thermiques. Ces dernières informations ne sont jamais dans les IFC créés par les modeleurs ou les architectes. Elles relèvent de choix techniques du thermicien sur la façon efficace d’isoler. Ou se trouve la couche d’isolant ? Faut-il rajouter un rupteur thermique ? Cette partie est traitée dans la partie catalogue des ponts thermiques. Elle se fait directement dans ClimaWin, notre logiciel de calcul thermique. Le catalogue de ponts thermiques est enrichi par l’étape précédente par la liste des ponts thermiques. L’analyseur détecte des familles de pont thermiques de la maquette, et créé une seule instance pour chaque type. Il s’agit dans un deuxième temps pour l’utilisateur de renseigner précisément la composition du pont thermique. Le catalogue contient des outils de calculs pour caractériser précisément les PSI, c’est-à-dire les coefficients de déperditions thermiques.
Ainsi les catalogues de parois et de ponts thermiques vont pouvoir caractériser précisément les compositions des murs et donc les volumes des matériaux. Les données nécessaires pour obtenir un calcul environnemental pertinent sont ainsi rassemblées.
Troisième étape, enrichissement de la maquette
A l'issue de l’analyse BEE, et du travail sur les catalogues, le modèle BEE est constitué du modèle thermique, enrichi de liens avec des données techniques, ainsi que des volumes de matériaux affinés. Un fichier de sortie GbXML est disponible avec toutes les données requises (Figure 2). Une réflexion est en cours sur la façon d’enrichir la maquette numérique en prenant en compte la problématique des mises à jour de la maquette suite à des modifications successives.
Expérimentations
BEE a donné lieu à plusieurs workshops où partenaires et confrères ont participé. Ce travail a donné lieu à des expérimentation sur une vingtaine de maquettes numériques à partir de fichiers IFC, non formatés pour les applications techniques. Les fichiers IFC ont été conçus par différents partenaires du projet : bureaux d'études de bâtiments, sociétés d'ingénierie ou universités. Le processus BEE a permis de résoudre différents problèmes communs : détection des espaces sous les toits en raison de la géométrie fermée complexe autour des combles, détection de mauvais IFCSpaces générés dans des cas de façades murs-rideaux (Figure 3).
Côté analyse environnementale, la récupération des métrés ne pose pas davantage de problèmes de stabilité du processus BEE, une fois le modèle BEE bien établi. Toutefois l'évaluation des détails dans le bilan carbone doit s'envisager sur la base du choix des objets IFC filtrés dans la maquette initiale. Une analyse des classes d’objets IFC à compléter reste à faire pour mieux prendre en compte le bilan carbone.
A suivre
Ce travail commencé avant la mise en place de la Réglementation Environnementale 2020, se poursuit avec un intérêt croissant du notamment à l’augmentation du besoin de calculs carbones et se retrouve dans notre logiciel ClimaWin 2020 dans les modules « RE2020 Energie », « ACV » et le module « Import IFC ».
Un article signé par Lise Slama de BBS SLAMA et par Régis Lécussan d'ENERBIM
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