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2e JOURNÉE DU DIGITAL
25 OCTOBRE 2018

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LE MAGAZINE DE LA 2e JOURNÉE DU DIGITAL 25 OCTOBRE 2018

Robot architecte
Adrian Meyer et Gabi Schwegler

A Dübendorf, près de Zurich, la maison du futur sort de terre: dessinée à l’ordinateur à l’aide d’algorithmes et construite par des robots.

Ceux qui ont pensé la DFAB House: Thomas Wehrle (à g.) et Matthias Kohler.
Photo: KellenbergerKaminski

La grue soulève le module fait de poutres de bois. Il s’élève doucement vers le chantier situé au troisième étage de cette bâtisse à la forme étrange: l’immeuble NEST voué à la recherche et à l’innovation sur le terrain de l’EMPA, le Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche, à Dübendorf (ZH). Satisfait, l’architecte et chef de projet Konrad Graser observe comment les ouvriers fixent le module de bois. «Même si ça ne se voit pas du premier coup, il y a beaucoup de high-tech et d’innovation là-dedans. Je suis très fier.»

A vrai dire, les travaux ne sont guère spectaculaires. Jusqu’à ce qu’on apprenne quelles merveilles technologiques ils recèlent. Car le module de bois ou, plus précisément, l’appartement entier qui a été érigé cet été au sommet du NEST est unique au monde. Au total, trois étages conçus sur ordinateur à l’aide d’algorithmes et fabriqués par des robots et des imprimantes 3D: ils forment ce que l’on a appelé la «DFAB House», construite par des chercheurs de l’EPFZ en collaboration avec des partenaires de l’industrie pour un budget de 2,4 millions de francs. DFAB signifie «digital fabrication», un des objectifs de recherche du Fonds national suisse qui se consacre à la construction future des habitations.

Un algorithme a calculé les angles des poutres, deux robots les ont sciés et positionnés ensemble dans un labo high tech de l’EPFZ. Des humains ont surveillé le processus et boulonné les poutres ensemble, main dans la main avec les robots. Au bout du compte, six de ces modules de bois forment un appartement de deux étages. Le coffrage de la dalle incurvée sur laquelle l’appartement reposera est l’œuvre d’une imprimante 3D.

Un robot a façonné directement sur le chantier le mur porteur du plafond et des deux étages de bois. On dirait une vague de béton à la grâce spectaculaire. Il n’est certes épais que de 12 centimètres mais porte à 99 % tout seul la charge de 100 tonnes de l’appartement.

«Par cette maison, nous voulons montrer les opportunités de la numérisation dans le bâtiment, explique le chef de projet Graser. Et cela dès aujourd’hui.» La DFAB House doit constituer une piste de réflexion pour l’ensemble de l’industrie du bâtiment. Huit chaires se sont associées au projet. Elles recourent pour la première fois dans le bâtiment à cinq technologies de fabrication numériques toutes nouvelles (voir encadré). Un mégaprojet auquel prennent part plus de 40 chercheurs et deux douzaines de partenaires de l’industrie.

5 innovations numériques de la DFAB House

1 In situ Fabricator

Pour la DFAB House, un robot constructeur mobile a fabriqué tout seul un grillage d’acier tridimensionnel deux fois incurvé qui sert d’armature au mur porteur en béton.

2 Tecnologia Mesh Mould

La structure grillagée fabriquée par le robot sert simultanément de coffrage et de ferraillage au mur de béton. Les mailles du grillage sont si étroites que le béton peut y être maintenu et formé. Cela permet des géométries complexes, sans coûts élevés ni beaucoup de déchet. Pour réaliser le grillage d’acier en forme de longue vague de 12 mètres, le robot constructeur a eu besoin d’environ 120 heures de «travail».

3 Smart Slab

Le coffrage et la face inférieure de la dalle incurvée de 80 mètres carrés sont entièrement issus d’une imprimante 3D. Cela permet de nouvelles libertés dans les géométries et économise du temps et des matériaux.

4 Smart Dynamic Casting

Ce processus larde automatiquement le béton avec des montants de diamètres divers. Le coffrage se réalise tout seul.

5 Spatial Timber Assembly

Un système dit multirobot saisit, scie et positionne tout seul les poutres de bois dans l’espace. Les robots percent même les trous pour les vis. Un algorithme a, au préalable, calculé la disposition des poutres.

Et le transfert de technologie a l’air de marcher: les partenaires industriels entendent développer ultérieurement certaines des innovations et les utiliser au jour le jour. La recherche et l’industrie se sont unies au stade du laboratoire de l’EPFZ déjà. Matthias Kohler, professeur d’architecture et de fabrication numérique à l’EPFZ, et Thomas Wehrle, membre de la direction d’Erne AG Holzbau à Laufenburg (AG), voulaient partager leurs savoirs pour apprendre à construire numériquement avec succès.

Nous testons la recherche live, au format 1:1,

Les modules habitables de bois de la DFAB House font le lien entre le laboratoire et le projet de construction effectif. «Nous testons la recherche live, au format 1:1, remarque le professeur Kohler. Mettre correctement en position les extrémités d’une poutre de bois de 3 mètres ne va pas de soi, même pour un robot. Surtout avec un matériau naturel comme le bois, qui est rarement 100 % rectiligne.»

C’est pourquoi l’assemblage des poutres par les robots a été contrôlé en permanence par des chercheurs de l’EPFZ et des collaborateurs d’Erne AG Holzbau. Ils ont vérifié que les robots n’abîment ni la structure ni eux-mêmes et ont vissé les poutres à la main. «En faisant pénétrer la vis, l’homme donnait au robot quittance que la poutre était bien positionnée et que les angles générés par les algorithmes étaient les bons», souligne Thomas Wehrle.

Photos: NFS Digitale Fabrikation
Photos: NFS Digitale Fabrikation

Pour lui, c’est là le symbole de ce qui peut être fait à l’avenir dans l’industrie du bois. Chez Erne, il ouvre sans cesse le débat avec des collaborateurs qui voient leur métier menacé par la numérisation. «Je leur demande alors s’ils veulent vraiment passer leur vie à dessiner des ossatures de bois
sur l’ordinateur. Ce travail fastidieux, nous pouvons le laisser aux algorithmes et nous concentrer d’autant plus sur la conception et l’exécution.» Pour Thomas Wehrle, ce qui compte est d’avoir des spécialistes bien formés qui ont appris leur métier dès l’enfance. «C’est d’ailleurs une condition pour savoir utiliser des robots.»

Ce travail fastidieux, nous pouvons le laisser aux algorithmes.

Du côté des architectes, on assiste également à de grands changements. Jusqu’ici, la conception et l’exécution sont deux processus largement distincts: l’architecte imagine, l’industrie construit. Les modifications ultérieures sont coûteuses. Désormais, les plans ne seront plus dessinés mais programmés, explique le professeur Kohler. «Nous devons savoir dès le stade de la conception comment quelque chose sera construit. Par exemple dans quel ordre les éléments seront assemblés.» Dès que le projet est complété, on passe à la production.

Photos: NFS Digitale Fabrikation

Ce qui étonne, c’est qu’au début les chercheurs ne savaient pas précisément à quoi ressemblerait finalement la DFAB House.
Ils ont commencé par alimenter les programmes avec des plans de sol, des unités de volume, des charges et de multiples prescriptions. Puis les programmes ont calculé tout seuls la géométrie optimale de l’ouvrage. Et c’est ce modèle-là qui a finalement été construit.

Sur le chantier de Dübendorf, on n’est pas tout à fait dans son assiette quand on se balade à travers les modules de bois tout en sachant que tout cela n’est porté que par un mur large comme la main. Même les poutres de bois des modules sont toutes statiques, autrement dit aucune pièce de bois n’est là pour faire joli, elles ont toutes une fonction porteuse. Les poutres sont arrangées de manière à former une façade de biais, qui penche une fois vers l’intérieur, une fois vers l’extérieur. Les robots les ont assemblées selon des angles qu’un être humain n’aurait pu réaliser que très difficilement. Il lui aurait fallu, pour ce faire, une multitude d’outils et il aurait dû mesurer sans cesse.

Les nouvelles technologies permettent une esthétique toute nouvelle.

La crainte que des robots constructeurs et la numérisation produisent des maisons à la chaîne est infondée, selon les chercheurs. La DFAB le montre: elle est exactement le contraire de l’uniformité et de l’automaticité. Les nouvelles technologies permettent une esthétique toute nouvelle. Grâce à elles, il est désormais possible de construire à moindre coût des formes compliquées, excentriques, à l’instar des œuvres de l’architecte catalan Antoni Gaudí (1852-1926). «Grâce à la numérisation, les modules ne doivent pas être tous identiques, souligne Thomas Wehrle, d’Erne Holzbau. Nous avons de la liberté dans la planification et quand même une importante phase de préfabrication, ce qui est très attrayant pour nous comme pour le maître de l’ouvrage.»
Les nouvelles possibilités enthousiasment également Konrad Graser, le chef de projet. Il pense que ces dix prochaines années les modes de construction changeront radicalement. «Nous voulons montrer que, sur les chantiers, l’homme et la machine peuvent collaborer superbement.» Le nouveau manœuvre sur les chantiers sera à coup sûr bientôt un robot.