Conception axée sur les données : La nouvelle norme ?

La conception paramétrique peut offrir de nombreux avantages aux ingénieurs en structure, de l'automatisation des tâches répétitives et de la gestion efficace des changements de conception de dernière minute aux opportunités qu'elle offre pour la création des éléments géométriquement complexes. Stuart Campbell, Responsable du développement commercial - Ingénierie chez Trimble, nous explique la situation.

La conception paramétrique, ou conception axée sur les données, est peut-être plus souvent associée à l’architecture. Cependant, bien que les architectes soient ouverts à la conception paramétrique et la pratiquent depuis plusieurs années, cela ne veut pas dire que les ingénieurs découvrent ce concept pour la première fois. Alors que les architectes utilisent la modélisation paramétrique pour créer des éléments géométriques complexes dans leurs projets, un ingénieur pourrait éventuellement tirer davantage profit de cette approche paramétrique ou axée sur les données sur de nombreux plans, et ce non seulement pour leur entreprise et ses processus, mais également pour leurs clients.

Au lieu d’affirmer que les architectes sont les leaders de la conception et la modélisation paramétrique, il serait peut-être plus exact de dire que, bien que les deux disciplines soient familiarisées à cette approche, ce sont les ingénieurs qui explorent et développent de plus en plus la valeur que cette méthode paramétrique axée sur les données peut offrir. La conception paramétrique n'est pas non plus réservée aux plus grands projets de construction. Elle est devenue largement accessible dans le secteur de l'ingénierie et est aussi bien utilisée dans les tâches quotidiennes que dans les projets d’exception.

Création de poutres et de vitrages complexes par Grasshopper et Rhino dans Tekla Structures

L'automatisation des tâches et des calculs répétitifs permet de gagner du temps et de faire des économies

Bien que chaque projet de construction soit différent et qu'il n'y ait pas deux bâtiments identiques, les processus impliqués, en particulier du point de vue de l'ingénierie structurelle, sont souvent identiques. Par conséquent, ils se prêtent bien aux processus automatisés.

En effet, tout bâtiment, quelle que soit sa fonction, sera souvent répétitif dans sa conception, avec un grand nombre de composants en acier identiques, tels que des poutres, des colonnes ou des plaques. Du point de vue de la modélisation, chacun de ces composants identiques devrait être ajouté au modèle séparément, ce qui est non seulement extrêmement répétitif, mais également très fastidieux. Toutefois, en pratique, si les tâches et les calculs manuels et répétitifs pouvaient être automatisés, le temps gagné et les ressources épargnées pourraient être investis plus efficacement dans une autre phase du projet.
Bien que les outils de CAO existants, tels que Tekla Structures, aient parfois déjà des capacités paramétriques et automatisées, la conception paramétrique peut faire passer cette fonctionnalité au niveau supérieur.

Prenez une série de colonnes en acier, chacune de forme identique et devant être installées à une distance donnée les unes des autres. Avec un outil de conception paramétrique tel que Grasshopper, il vous suffit de saisir les paramètres requis, y compris la valeur de l'axe x, pour que plusieurs colonnes identiques soient automatiquement créées dans le modèle correspondant, et espacées conformément à la valeur indiquée dans le script écrit.

Cependant, l’intérêt de l'automatisation est peut-être plus évident lors de l'analyse structurelle. Les ingénieurs consacrent une majeure partie de leur temps à l'examen des données d'analyse, que ce soit pour vérifier que le bâtiment répond à un ensemble dicté d'exigences structurelles ou pour déterminer l'ensemble de variables fournissant la conception structurelle la plus optimale. En effet, avec des clients de plus en plus exigeants qui souhaitent obtenir le projet de construction le plus efficace en termes de coût des matériaux et d'empreinte carbone, les ingénieurs sont soumis à une pression croissante.

Avec un flux de travail manuel, l’identification du projet le plus efficace est généralement un processus incroyablement long, pendant lequel l'équipe d'ingénierie doit modifier manuellement chaque variable, exécuter une analyse, noter les résultats, et recommencer un nombre indéfini de fois. En intégrant la conception paramétrique dans votre flux de travail, ce processus est transformé.

Par exemple, dans le cadre d'un projet récent, l'équipe d'ingénieurs a utilisé le lien direct vers Grasshopper et Rhino avec Tekla Structural Designer pour analyser la déflexion dans un système de ferme proposé. Grâce au script Grasshopper, l'équipe a pu exécuter rapidement diverses itérations de conception. Le logiciel a ensuite dressé la liste des résultats de déflexion pour chaque itération et a automatiquement identifié l'ensemble de variables aboutissant au projet le plus efficace : dans ce cas, l'équilibre optimal entre le poids minimal de l'acier et la déflexion minimale.

Création d’un auvent complexe en béton par Grasshopper et Rhino dans Tekla Structures

Parce qu’elle fait gagner un temps précieux, la conception paramétrique et informatique marque le passage du travail manuel et répétitif à une ingénierie plus créative. Même l'utilisation d'une seule fonction mathématique automatisée à la place d'une tâche répétitive a un résultat notable : elle vous permet de passer plus de temps à fournir des services à forte valeur ajoutée au client pour son projet.

Création de projets géométriquement complexes

Cette idée d'ingénierie créative est un autre avantage intéressant de la conception paramétrique. Tout comme le temps et les ressources économisés, grâce à l'automatisation, peuvent être utilisés pour réduire le coût ou l'empreinte carbone d'un bâtiment, ils peuvent être investis dans la création d'un projet géométriquement plus complexe et plus esthétique dès le départ. Utilisée correctement, la modélisation paramétrique peut être un moyen de permettre aux logiciels de gérer la création de bâtiments à ossature d'acier structurellement complexes, qu’il aurait été incroyablement difficile, voire impossible, de modéliser et d’analyser manuellement.

En plus de donner le temps aux ingénieurs d'être créatifs et de repousser les limites de la conception structurelle, la conception paramétrique permet également de modéliser des structures autrement difficiles, telles que des façades de bâtiments complexes, à un rythme beaucoup plus rapide. L'aéroport international de Santiago au Chili en est un exemple. La conception manuelle des soffites et du nouveau système de toiture curviligne pour le premier terminal a été réalisée en six mois par l'équipe d'ingénierie dans Tekla Structures. Pour le deuxième terminal, le lien direct vers Grasshopper a été utilisé conjointement avec Rhino et Tekla Structures, et les soffites et le système de toiture ont été modélisés en seulement une semaine, ce qui représente un gain de temps énorme.

Le génie civil, tel que la construction de ponts et de tunnels routiers et ferroviaires, est un autre domaine où la conception paramétrique est particulièrement bénéfique, car il est souvent difficile et structurellement complexe par nature. Lors de la conception de l'extension de la ligne 11 du métro parisien, étant donné la variabilité de la voie et les tolérances serrées, il était clair qu'une insertion manuelle de tous les éléments aurait été un processus fastidieux. C’est pourquoi un fichier Grasshopper sur mesure a été développé, en utilisant le lien direct entre Tekla Structures et Grasshopper, afin de placer automatiquement les éléments, de sorte qu'ils soient correctement alignés par rapport à la voie ferrée.
Le fichier Grasshopper contenait une transformation de coordonnées permettant aux éléments structurels de Tekla d'être proches de l'origine du modèle, et donnant les coordonnées géoréférencées de chaque élément modélisé.

Le modélisateur BIM et le géomètre, qui était chargé de suivre les points d'installation des éléments, ont ainsi pu collaborer étroitement.

Le lien direct entre Grasshopper et Tekla a permis de réduire considérablement le temps nécessaire pour modéliser les soffites et le système de toiture curviligne de l'aéroport international de Santiago, au Chili.

Gestion efficace des changements de conception de dernière minute

Les modifications de conception de dernière minute sont un défi commun à tous les projets de construction que les ingénieurs en structure peuvent mettre énormément de temps à résoudre. Elles peuvent impliquer de nombreuses répétitions, en particulier dans les modèles BIM les plus complexes. Comme leur nom l'indique, ces demandes se produisent généralement vers la fin de la phase de conception, lorsque le modèle, les plans et les calendriers sont presque terminés et contiennent une grande quantité de données riches en informations. Bien que la modification puisse initialement porter sur un seul composant structurel, il est probable qu'elle aura un effet domino majeur sur tous les composants connectés. Réaliser la modification et vérifier que le modèle mis à jour est toujours constructible peut donc être un processus long et complexe.

Avec la conception paramétrique, le bâtiment ou la structure a déjà été modélisé de manière connectée. Tous les paramètres d’entrée et de sortie sont interconnectés et les relations entre les données sont maintenues, ce qui signifie que si vous devez modifier un seul paramètre, tous les composants associés s'ajusteront automatiquement en fonction des nouvelles données entrées.

Comme indiqué ci-dessus, à bien des égards, certains logiciels de modélisation 3D, tels que Tekla Structures, ont déjà des capacités paramétriques inhérentes, reposant sur cette même idée de lien de transfert de données continu. Par exemple, si vous modifiez quelque chose dans un modèle Tekla Structures, les calendriers et les plans 2D associés sont également mis à jour automatiquement. En intégrant un outil paramétrique tel que Grasshopper dans le flux de travail, vous ajoutez essentiellement un nouveau lien au début de cette chaîne de données, ce qui permet de transférer efficacement les données et de rester connecté tout au long du processus de conception, du modèle aux plans.

Des données précises sont essentielles pour la réussite de l’intégration.

Cette idée d'un processus intégré est au cœur de la conception paramétrique,
non seulement du fait de l’intégration dans la conception paramétrique elle-même, mais également en raison de la position des outils paramétriques dans le processus de conception structurelle, les données étant transférées du script informatique au modèle et même aux calendriers et aux plans. En fait, cela va peut-être même au-delà, en permettant une plus grande intégration entre les disciplines dans le contexte du projet dans son ensemble, ainsi qu’un flux de données plus contrôlé à travers le plan de travail numérique global du projet.
Utilisée à la fois par les architectes et les ingénieurs, la modélisation paramétrique peut être la force motrice de la conception architecturale et structurelle, facilitant l’application des processus numériques et permettant une meilleure connexion des données de conception tout au long d'un projet.

Cependant, cet idéal présente également son lot de difficultés, puisque pour maximiser les niveaux d'intégration que la conception paramétrique collaborative peut offrir, le même niveau de qualité et de précision des données est requis tout au long du processus de construction, de l'architecte à l'ingénieur et au-delà. 

Les connaissances et l'expertise des ingénieurs expérimentés sont nécessaires aujourd’hui et pour l’avenir.

Il est clair que les avantages de la conception paramétrique et axée sur les données sont considérables : elle automatise les flux de travail traditionnellement répétitifs et permet aux ingénieurs de consacrer plus de temps et d'attention à la création de valeur ajoutée pour un projet, que ce soit en termes d'optimisation de la conception ou de complexité géométrique d'une structure. Cela dit, il est important de noter que de telles avancées technologiques ne peuvent pas remplacer les ingénieurs eux-mêmes. Les acteurs de la BIM et de l’industrie de la construction en général ont souvent tendance à craindre que, à mesure que la technologie se développe, les parties prenantes s'appuient exclusivement sur la technologie au détriment des compétences traditionnelles.

Pourtant, contrairement à ce qu’ils semblent croire, aussi avancés que soient nos scripts informatiques et logiciels modernes, ils ne sont d'aucune valeur lorsqu’ils sont considérés de façon isolée.

L'intégration réussie de la conception paramétrique demande davantage d’implication que le simple fait d'exécuter un script et de laisser l'ordinateur générer ses propres modèles, sans limites ni contrôles. Pour utiliser les outils de conception paramétrique correctement, les connaissances et l'expertise d'un ingénieur expérimenté sont essentielles.
Ce n'est qu'alors que vous pourrez contrôler et comprendre les paramètres requis que vous entrez et les variables que vous analysez, et valider les résultats du script.

Dernièrement, cet intérêt accru pour la conception informatique a entraîné l'arrivée de jeunes diplômés dans l'industrie de l'ingénierie, qui possèdent désormais de meilleures compétences en programmation informatique. Ces nouvelles compétences, ainsi que ces technologies et ces logiciels innovants, sont un grand pas en avant pour la BIM et le secteur de l'ingénierie. Utilisés correctement, ils peuvent encore élargir - et non remplacer - les connaissances d'un ingénieur, peut-être de la même manière que l'arrivée de la calculatrice il y a de nombreuses années.

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