Soutenance mémoire
Vers un cycle de vie collaboratif basé sur le BIM
La section précédente a montré que le BIM est donc un modèle de données pour la conception des bâtiments, la construction et le suivi du projet, pouvant être utilisé durant tout le cycle de vie d’un bâtiment et potentiellement partagé entre tous les acteurs impliqués. Les échanges collaboratifs représentent alors un enjeu essentiel dans la réussite de la conduite des projets de bâtiment, puisque le BIM met en jeu différentes disciplines et corps de métier. Cela induit la nécessité d’une bonne coordination des activités entre les différents acteurs du projet.
Le BIM vise de fait à promouvoir la collaboration [113], [70], définie comme « lacapacité desdifférents acteurs à travailler sur leur partie du projet en utilisant leurs propres méthodes de travail tout en étant capable de communiquer avec les autres participants pour atteindre un objectif commun » [70]. Sur ce point, Singh et al. [113] affirment que le BIM peut soutenir la collaboration multidisciplinaire et propose un cadre qui précise les caractéristiques et exigences techniques à prendre en compte. Sont abordées par exemple les méthodes d’accès au modèle, telles que le chargement et le téléchargement des fichiers. Cependant, le format de fichier dans lequel les données du BIM sont partagées n’est pas évoqué. Pourtant, cette question a une grande influence sur l’efficacité des supports de collaboration.
Le Building Information Modeling (BIM) est utilisé par un nombre grandissant des acteurs du secteur de l’AEC : un sondage réalisé par NBS National BIM en 2015 [84] indique qu’en 2014, l’adoption du BIM a largement augmenté : 54% des participantsaffirment utiliser le BIM sur au moins un projet en 2014, une hausse de 15% par rapport à l’année précédente. En 2010, seulement 13% des participants utilisaient le BIM et 43% l’ignoraient totalement. Les architectes utilisent essentiellement le BIM pour les visualisations 3D de leurs projets. Cependant, avec les progrès des outils et l’extension du spectre de leurs fonctionnalités, on peut envisager une utilisation plus large du BIM pour l’analyse : de l’éclairage, l’énergie, des émissions de carbone, etc. Dans tous les cas, les prévisions sont unanimes quant à la généralisation de l’utilisation du BIM dans un avenir proche.
Un des défis de l’industrie de la construction est de concrétiser l’utilisation du BIM non seulement comme outil dans le processus de conception, mais également comme interface unifiée pour l’échange d’informations entre les différents acteurs impliqués dans les projets. Le BIM doit donc être un vecteur efficace et fiable de collaboration et d’échange d’informations entre les nombreux protagonistes : clients, architectes, ingénieurs, estimateurs et métreurs, entrepreneurs et organismes de réglementation.
Comme indiqué précédemment, de façon usuelle, les informations étaient jusqu’à présent échangées sous la forme de plans et de documents. Cependant, la transition des pratiques vers une utilisation accrue de supports logiciels incite à une utilisation élargie des modèles numériques non plus seulement comme supports de l’information de conception mais également comme moyen d’échange d’informations . Ce mouvement se heurte cependant à une réalité complexe : les acteurs utilisent souvent des outils différents (soit issus de fournisseurs distincts soit spécifiques à leur domaine d’activité), et cette diversité d’outils constitue un défi pour l’échange de modèle. Sur ce dernier point, divers outils propriétaires sur le marché proposent des solutions d’interopérabilité, par exemple Autodesk Revit [21] et Microstation [69] mais elles sont cantonnées au catalogue des éditeurs concernés. Par ailleurs, les états de l’art sur les outils et plates-formes BIM de Howell et al. [67] et Eastman et al. [55] ont montré que les approches traditionnelles de partage de l’information via l’échange de fichiers en utilisant des formats propriétaires tels que .dxf, .dwf et .dwg ne permettent pas un transfert d’informations suffisamment riches et précises. De nouvelles approches sont donc nécessaires pour échanger des données de façon fiable et ouverte. Sur la question de l’interopérabilité, les solutions propriétaires ont un inconvénient intrinsèque : elles s’appuient sur des formats propriétaires et de ce fait, « enferment » l’utilisateur dans l’offre du fournisseur. Or il existe de nombreux outils tiers, utilisés dans des domaines spécifiques (pour la thermique, structure, etc..), auxquels il faut être en mesure de se connecter. L’enjeu consiste en effet à pouvoir traduire les informations échangées et faire en sorte qu’elles puissent être communiquées et utilisées par les différents outils utilisés par les acteurs du cycle de vie.
Afin de rendre le BIM pleinement collaboratif, une priorité de la communauté des fournisseurs et utilisateurs d’outils est d’améliorer l’interopérabilité en favorisant l’émergence de normes et de standards tels que l’Industry Foundation Classes (IFC) [83].
L’IFC est le format d’échange ouvert de référence pour le BIM développé au cours de ces dix dernières années par le consortium buildingSMART International – un organisme dont le but est de promouvoir l’utilisation du BIM sur l’ensemble du cycle de vie du bâtiment. Un projet entièrement basé sur ce standard serait accessible et utilisable par les différents partenaires et outils des diverses disciplines.
Les formats et standards ouverts dans le BIM
Selon Merschbrock [91], l’interopérabilité dans le BIM est l’une des problématiques les plus importantes de l’industrie AEC. La plupart des auteurs soulignent que, pour assurer les trois niveaux d’interopérabilité (KISS) et faciliter l’échange d’informations, il est nécessaire de normaliser les modèles de données et les formats du BIM et de définir des lignes méthodologiques claires pour une mise en œuvre structurée des processus.
Un grand nombre de formats de données est usuellement utilisé dans les projets de bâtiment, certains étant ouverts, les autres étant propriétaires et en lien avec des outils commerciaux. Une grande partie des standards ouverts pour le bâtiment est fondée sur le modèle de données EXPRESS [71], qui est un (méta) langage de modélisation orienté objet normalisé (ISO 10303-11). En complément, des formats de données structurés standards sont souvent utilisés. L’eXtensible Markup Language (XML) [118], en particulier, qui est un standard très populaire pour l’échange d’informations structurées.
Le tableau 1 récapitule les principaux modèles et formats de données utilisés dans le bâtiment.
Synthèse sur les modèles et formats de données et analyse des limites
L’objectif fondamental du BIM est de faciliter la communication et la collaboration entre les disciplines grâce à l’interopérabilité des données tout au long du cycle de vie de la construction. Il est donc préférable que les formats du BIM couvrent le plus grand nombre possible de domaines métiers. Le tableau 3 résume les caractéristiques des formats décrits dans la section précédente, et indique pour chacun leur niveau de couverture des principaux domaines d’intérêt : architecture, structure, données SIG, travaux publics, et analyse énergétique.
A l’aide du tableau 3, on remarque que la majorité des formats décrits se concentrent sur le domaine architectural : on y retrouve STEP, aecXML, ifcXML ainsi que tous les formats propriétaires (RVT, DWG, DGN, DXF). Les formats comme CityGML, landXML et CIS/2 couvrent chacun un domaine bien spécifique, respectivement les données SIG, le domaine des travaux publics et le modèle de structure. Par contre, on remarque que l’IFC couvre plusieurs domaines d’application dans un projet AEC : le modèle architectural, le modèle de structure, ainsi que l’analyse d’énergie. C’est donc est un modèle complet pour la conception et la gestion d’un bâtiment. Il contient non seulement toutes les informations liées à la structure du bâtiment (murs, matériaux, canalisations) mais aussi les données nécessaires à sa gestion. C’est pour ces raisons qu’il est considéré comme le standard du BIM et qu’il est pris en charge par la plupart des outils de conception du bâtiment.
Approches d’extension et d’enrichissement du BIM IFC
Tout au long du chapitre précédent nous avons mis en avant l’importance de la collaboration entre les différents intervenants autour du BIM. L’IFC, étant le standard de référence, doit répondre pleinement au besoin d’interopérabilité. On retrouve donc dans la littérature des travaux qui visent à concrétiser cette vision. Ces approches, comme on va le voir dans cette section, se divisent en deux catégories : celles visant à l’extension de l’IFC (i.e. l’ajout d’éléments ou d’attributs) et celles visant à l’enrichissement sémantique de l’IFC (i.e. permettant de préciser et/ou formaliser la sémantique d’éléments existants).
Les mécanismes d’extension du modèle IFC
L’IFC décrit les éléments du bâtiment et leurs propriétés. Cependant, il est parfois nécessaire d’étendre le méta-modèle et d’utiliser des sources de données supplémentaires en lien avec le domaine d’application visé. Nous donnons ci-dessous un résumé des différentes options disponibles pour étendre l’IFC.
Mise à jour du méta-modèle du standard IFC
Liebich et al. proposent dans [85] une classification des options disponibles pour étendre ou spécialiser le standard IFC. La plus évidente, et la première présentée, consiste à opérer une extension du méta-modèle de l’IFC en ajoutant de nouveaux concepts, attributs et relations (Figure 4) relatifs au domaine visé. Ces ajouts auront pour but d’intégrer à l’IFC l’information qui devait, initialement, être extraite de sources externes.
Cette méthode nécessite cependant d’étendre les spécifications du modèle de données standard – et donc de suivre les processus de soumission et validation de modifications du consortium de standardisation. De ce fait, cette approche présente de nombreux inconvénients.
Extensions à l’aide des mécanismes natifs de l’IFC
Une autre solution consiste en l’extension des données BIM à l’aide des mécanismes déjà présents dans le standard lui-même [85]. Le modèle IFC dispose effectivement de nombreuses capacités d’extension natives par le biais de sous-classes comme « IfcRelationship » [42], « IfcProxy » [41], « IfcPropertySet » [40]. Ces approches offrent plus de souplesse. Par exemple, l’IfcPropertySet est un élément qui peut être attaché à toute classe IFC afin d’étendre la liste des propriétés (attributs) liées à cette classe (figure 5). En outre, le schéma IFC dispose d’un objet IfcProxy qui permet de décrire tous les objets qui ne sont pas définis dans le schéma. Par exemple, dans le cas de l’aménagement paysager, il n’y a pas d’éléments IFC pour les arbres ou les arbustes, donc ceux-ci sont souvent inclus comme des objets IfcProxy [116]. Enfin, il y a la possibilité de l’extension à l’aide de l’entité IfcRelationship, qui représente les relations entre les objets IFC [56], apportant des capacités d’extension supplémentaires avec la possibilité de transformer la relation entre deux classes.
Enrichissement sémantique du standard IFC
Si l’on se réfère à la hiérarchie KISS [116], on peut considérer que l’IFC ne traite pas le niveau d’interopérabilité sémantique. Afin de surmonter cette limitation du standard, de nombreuses recherches ont porté sur son enrichissement sémantique.
Enrichissement à l’aide de l’IFD (International Framework for Dictionaries)
Pour assurer l’interopérabilité, buildingSMART propose une bibliothèque appelée IFD (International Framework for Dictionnaries), qui offre la possibilité de préciser la sémantique des éléments du standard. L’IFD fonctionne comme un complément à l’IFC.
L’IFD permet de définir des ontologies mais ne constitue pas en soi une ontologie, étant uniquement spécifique à l’IFC [38]. Dans le domaine du Web sémantique, les « ontologies » désignent des vocabulaires qui définissent les concepts et les relations utilisés pour décrire et représenter un domaine. Tandis que l’IFD, lui, ne définit que les types des éléments. Par exemple, les entrées dans IFD pourraient être les différents types de portes que l’on peut rencontrer dans un projet.
Outils pour la spécification des processus de transmission et de transformation de l’information de conception
Comme mentionné précédemment, un élément fondamental dans les approches de conception basées sur le BIM est la collaboration entre les partenaires du projet à l’aide du partage de l’information numérique. Ce partage d’information devrait idéalement suivre un processus d’échange bien documenté – ce qui est rarement le cas. Le processus d’échange devrait décrire essentiellement les activités réalisées, les acteurs impliqués, et les échanges d’information opérés.
Afin de faciliter la spécification et la mise en œuvre des processus, et toujours dans le but d’améliorer l’interopérabilité en conception à l’aide du BIM, buildingSMART propose deux outils dédiés : L’IDM (Information Delivery Manual) et le MVD (Model View Définition). L’IDM et le MVD sont deux outils complémentaires qui permettent respectivement de spécifier la façon dont les échanges de données entre différentes applications sont effectués et de définir une vue spécialisée d’un modèle IFC. Là où les approches présentées dans la section précédente visent l’extension ou l’enrichissement de l’IFC, l’IDM et le MVD ont pour but de faciliter la mise en lien de l’IFC avec des modèles de données tiers. Ces outils sont donc parfaitement complémentaires des mécanismes d’extension et d’enrichissement de l’IFC.
Nous en donnons une définition rapide dans ce qui suit, avant de décrire leur mise en application dans le chapitre 3.
BIM pour la simulation énergétique : état de l’art et limites
Les pratiques actuelles d’analyse de performance des bâtiments reposent beaucoup sur les technologies BIM. Néanmoins, il subsiste des problèmes d’interopérabilité qui entravent le lien entre les outils BIM et les outils pour la simulation énergétique. Pour bénéficier pleinement du potentiel du BIM en simulation et la prise de décision en conception, des approches doivent être mises au point pour permettre une transformation fiable et transparente des informations de la conception numérique du bâtiment vers les fichiers d’entrée des environnements de simulation. Cela se traduirait par des avantages significatifs, tant sur le rapport coût-efficacité (l’analyse est effectuée plus efficacement) que sur la fiabilité (les modèles de simulation sont conformes aux modèles de conception).
L’IFC se focalise essentiellement sur la géométrie du bâtiment. La version nouvellement développée de l’IFC (2×4) a ajouté plus de paramètres, en particulier pour les propriétés des systèmes de CVC (Chauffage, Ventilation et Climatisation). Néanmoins, malgré cet ajout de données supplémentaires, le standard ne répond pas encore entièrement aux exigences des outils de simulation [106]. D’autres formats spécialisés, comme gbXML [108], se concentrent sur la géométrie et la définition des zones thermiques, mais fournissent peu de données HVAC et n’assurent pas une compatibilité élargie avec les outils de simulation [48]. De façon générale, les formats d’échange disponibles ne couvrent pas l’ensemble des besoins des outils de simulation [95]. Nous développons ce point dans la suite, en mettant tout d’abord en avant la complexité de l’enjeu, puis en donnant un aperçu des capacités actuelles des outils en termes de compatibilité aux formats d’échanges standards les plus répandus, enfin, en décrivant les travaux de recherche réalisés sur l’amélioration de la connexion BIM – simulation énergétique.
Connecter le BIM et la simulation énergétique du bâtiment : une question complexe
Les outils de simulation thermique du bâtiment estiment la performance thermique d’un bâtiment donné et le confort thermique de ses occupants. De nombreuses données d’entrée sont nécessaires à la simulation thermique: la géométrie de la construction, la configuration des espaces (surfaces et volumes), le regroupement des pièces dans des zones thermiquement homogènes, l’orientation de la construction, les propriétés thermiques de tous les éléments de construction, les charges internes, l’éclairage, les scénarios d’occupation, ainsi que les caractéristiques des équipements, de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), et les données météorologiques. La précision du résultat de la simulation thermique est conditionnée par la validité des données d’entrée, il est donc important de s’assurer de leur fiabilité.
Utilisation du BIM pour la simulation : état de l’art
Le rôle central du BIM dans l’analyse du comportement énergétique est généralement reconnu, et la question de l’interopérabilité entre les modèles BIM et la simulation énergétique est considérée comme un défi majeur. Ce constat est confirmé par Laine et al. [80], dans lequel ils démontrent par exemple les bénéfices de l’utilisation du BIM pour la simulation de l’énergie thermique. Cette opinion est partagée par Bazjanac [29], qui prône l’utilisation du modèle standard National Building Information (NBIMS) dans la simulation de performance énergétique. Également, dans une étude plus récente Bavastro et al. [26], mettent l’accent sur l’importance des échanges entre les modèles 3D et le modèle d’analyse et leur impact sur le besoin en énergie.
Par ailleurs, les fonctionnalités et performances des outils de simulation ont fait l’objet d’analyses approfondies et de comparatifs qui montrent l’importance et la diversité de l’offre en lien. Ceci est illustré par l’étude [18], où une évaluation est menée en fonction de cinq critères : la convivialité, l’intelligence, l’exactitude, l’interopérabilité et les processus d’adaptation. Dix outils (HEED, eQuest, Energy-10, Vasari, Solar Shoebox,OpenStudio, VE-Ware, ECOTECT, DesignBuilder, BEopt) sont passés en revue dans cette étude. D’après cette dernière, il est nécessaire d’améliorer les outils existants pour les rendre plus performants. Egalement, les développeurs d’outils devraient fournir des outils mieux adaptés aux besoins des architectes. On peut citer également une autre étude [90] qui porte sur une analyse comparative de DOE-2 et du simulateur thermique EnergyPlus, ainsi que certaines de leurs interfaces utilisateur. Elle montre que les interfaces utilisateur pour DOE-2 sont actuellement plus développées par rapport aux interfaces pour EnergyPlus. D’après cette étude, l’absence d’interface utilisateur complète et conviviale rend la réalisation d’une simulation de performance énergétique du bâtiment plus difficile dans la pratique.
L’importance de l’offre en simulation énergétique et la reconnaissance des bénéfices générés par l’utilisation du BIM ont naturellement généré un fort intérêt pour la question de l’interopérabilité entre le BIM et les outils de simulation. Par exemple, l’article [93] propose une évaluation de l’interopérabilité entre un modèle BIM et différents outils de simulation d’énergie tels qu’EnergyPlus, eQUEST, Ecotect et IES <VE>. L’accent est mis sur le format d’échange gbXML qui englobe la géométrie, la composition de l’espace, la construction, la charge interne et les systèmes HVAC. L’étude montre que tous ces outils affichent une compatibilité avec le BIM, à travers le formatgbXML, mais que cette compatibilité est mise en œuvre de façon extrêmement variable.
On constate notamment des limites sur la couverture de l’information modélisée dans le BIM (limites en partie liée aux caractéristiques propres du format gbXML) mais également une qualité contrastée de l’import d’information. L’étude propose également quelques suggestions visant à améliorer l’interopérabilité avec les outils de simulationsélectionnés, comme le développement d’une interface entre le modèle BIM et les outils d’analyse.
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Table des matières
Résumé
Abstract
Acronymes
Chapitre 1 Contexte et objectifs de la thèse
Rôle de la simulation énergétique dans le bâtiment
Le cycle de vie du bâtiment
Outils pour la simulation énergétique du bâtiment
Notre enjeu : faciliter et fiabiliser l’utilisation des outils de simulation énergétique pendant la conception
Building Information Model (BIM)
Caractéristiques générales du BIM
Vers un cycle de vie collaboratif basé sur le BIM
Motivations
Problématique
Objectifs de la thèse
Contributions de la thèse
Chapitre 2 Building Information Model pour l’interopérabilité en conception
Etat de l’art sur les formats et standards du BIM
Les formats et standards ouverts dans le BIM
Les formats propriétaires
Synthèse sur les modèles et formats de données et analyse des limites
Approches d’extension et d’enrichissement du BIM IFC
Les mécanismes d’extension du modèle IFC
Mise à jour du méta-modèle du standard IFC
Extensions à l’aide des mécanismes natifs de l’IFC
Enrichissement sémantique du standard IFC
Enrichissement à l’aide de l’IFD (International Framework for Dictionaries)
Enrichissement sémantique de l’IFC à l’aide d’ontologies
Synthèse et définition de nos orientations de recherche
Outils pour la spécification des processus de transmission et de transformation de l’information de conception
Information Delivery Manual (IDM)
Model View Definition (MVD)
Conclusion
Chapitre 3 Environnement méthodologique pour l’interopérabilité du BIM : application à la simulation énergétique
BIM pour la simulation énergétique : état de l’art et limites
Connecter le BIM et la simulation énergétique du bâtiment : une question complexe
IFC et gbXML, des formats d’échanges pour la simulation
Utilisation du BIM pour la simulation : état de l’art
Discussion et orientation
Application de la méthodologie IDM et construction d’un MVD pour la simulation énergétique
Applications de l’IDM dans la conception numérique du bâtiment
Application de l’IDM à la modélisation de la connexion IFC-COMETH
Définition du processus
Etablissement de la Process map
Définition des « Exchange Requirement »
Etablissement du tableau des Exchanges Requirements
Mapping vers l’IFC, Etablissement de la MVD
Conclusion
Chapitre 4 Le Building Simulation Model : une approche inspirée par l’ingénierie dirigée par les modèles
Un modèle neutre, en accord avec les principes de l’ingénierie dirigée par les modèles
La nécessité d’un modèle neutre
L’interopérabilité dans l’ingénierie dirigée par les modèles
Model-Driven Architecture (MDA)
Le Building Simulation Model comme modèle neutre en conception numérique
Points communs entre le BSM et le PIM
Le Building simulation Model
Indépendance et généricité
Architecture du BSM
Le BSM, un modèle extensible
Conclusion
Chapitre 5 Développement de la plateforme logicielle de traduction BIM IFC – Simulation thermique
Fonctionnalités du logiciel et exigences
Le processus à mettre en œuvre
En amont du processus de transformation : la création du BIM
Note sur le choix du langage de développement
Note sur les diagrammes de classe UML2
La version IFC utilisée dans le prototype
Description du cas d’application
Caractéristiques du logiciel – Eléments de conception
Implémentation du BSM
Module de traduction IFC vers BSM
Implémentation du modèle de données COMETH
Implémentation de la traduction BSM vers COMETH
Mapping direct
Mapping par calcul
Ajout de données externes
Résumé sur les règles de correspondances
Résultats des tests
Conclusion
Chapitre 6 Conclusions et perspectives
Synthèse des contributions
Discussion
Perspectives
Références bibliographiques
Annexe I Introduction à la méthode de calcul RT 2012
Annexe II L’Information Delivery Manual développé pour notre application
