Conception paramétrique et script visuel

Ces dernières années, nous avons observé une augmentation des outils non traditionnels destinés à l'ensemble du secteur de la construction. Des structures de plus en plus complexes sont conçues de nos jours, pour lesquelles les méthodes de conception traditionnelles ne sont pas facilement applicables. C'est dans ces moments-là qu’apparaissent les innovations. Les outils de conception paramétrique, presque exclusivement utilisés par les architectes il y a quelques années, sont désormais disponibles pour les ingénieurs structures et civils. Examinons de plus près la modélisation et la conception paramétriques.

Pourquoi passer au paramétrique ?

En général, les entreprises peuvent bénéficier d'une productivité accrue en utilisant la conception paramétrique. Un processus de travail en conception paramétrique permet de créer, de maintenir et d'optimiser les modèles d'analyse de structure tout en conservant une définition claire et lisible du modèle. La manière la plus courante de concevoir des structures de manière paramétrique est le script visuel. Grasshopper, un plugin pour Rhinoceros (un logiciel de modélisation 3D), est l'un des environnements de script visuel les plus utilisés. De même, Dynamo offre une fonction similaire pour Autodesk Revit. Les scripts visuels utilisent un algorithme pour créer diverses entités (c'est-à-dire des points, des lignes et des surfaces) dans l'espace du modèle 3D. Cet algorithme suit une logique linéaire et est relativement simple à définir dans l'environnement utilisateur graphique. Par rapport aux langages de programmation traditionnels, un script visuel est beaucoup plus intuitif. Si le script visuel a été créé de manière robuste, les modifications de la topologie structurelle (c'est-à-dire la géométrie de la structure) peuvent être effectuées extrêmement rapidement.

Le processus de travail le plus élémentaire est simple : définissez deux points (c'est-à-dire des nœuds) et reliez ces points par une ligne. Si l'emplacement de l'un des points change, la ligne les reliera toujours. La même idée peut être appliquée à la création de listes de nœuds et de lignes, pour finalement générer un système structurel. Il est certainement amusant de s'initier au script visuel, et chacun peut devenir très productif en peu de temps. Par exemple, la figure 1 montre un script visuel qui génère une ferme en 3D pour un auvent de toit avec une géométrie personnalisée. Avec de la pratique (et de la formation), ce script visuel pourrait être créé en 15 minutes seulement.

Fig 1 – Script visuel qui génère une topologie de treillis en 3D (topologie de la structure résultante en bas à gauche)

Le script visuel offre un "script" lisible qui peut être transféré dans la plupart des logiciels commerciaux d'analyse de structure. La topologie du modèle scriptée (géométrie de la structure et dimensions des sections transversales) peut être importée dans les progiciels d'analyse et de conception les plus courants en utilisant d'autres composants logiciels. Ces composants logiciels sont largement disponibles et souvent fournis gratuitement. La connexion à des logiciels, tels que SCIA Engineer, Tekla Structures, Dlubal, IDEA StatiCa, etc., est disponible gratuitement pour Grasshopper. L'un des principaux avantages de Grasshopper est son ouverture ; toute personne possédant des compétences de base en programmation peut créer un nouveau composant pour répondre à un besoin spécifique et le partager avec la communauté. Bien entendu, des compétences avancées en programmation sont nécessaires pour créer des solveurs FEA ou des outils d'analyse pour des sujets complexes tels que l'analyse en temps réel de structures de membranes tendues (par exemple, le plugin Kangaroo), la dynamique des fluides numérique (solveurs CFD pour les simulations en soufflerie) ou les calculs météorologiques avancés (par exemple, le plugin Ladybug). La nature ouverte du script visuel permet aux utilisateurs de choisir les outils les plus appropriés pour réaliser un nombre illimité de tâches de conception tout en utilisant la même topologie de modèle scriptée. Outre la topologie du modèle, l'ingénieur doit également ajouter des conditions limites (appuis, rotules, charges, etc.) qui peuvent toutes être définies dans le script visuel. Par exemple, les utilisateurs peuvent faire tourner automatiquement en boucle une analyse SCIA Engineer pour optimiser la structure tout en imprimant les valeurs des résultats et en effectuant des vérifications des éléments à chaque itération. Il convient de noter que lorsque vous travaillez avec SCIA Engineer, certains paramètres ne peuvent pas être définis dans le modèle scripté, par exemple, les paramètres de maillage ou la sélection des résultats appropriés à exporter. Dans ces cas, les utilisateurs peuvent utiliser des fichiers de projet modèles pour prédéfinir ces paramètres avant de transformer le modèle scripté en modèle d'analyse.

Structures difficiles - Aéroports et stades

L'une des principales applications de l'approche de conception paramétrique concerne les types de structures qui seraient trop complexes pour être modélisées manuellement. Les stades, les aéroports, les immeubles de grande hauteur (ou toute autre structure emblématique) conçus par des architectes ambitieux ont une chose en commun : des formes très complexes qui sont souvent trop compliquées pour être modélisées par des moyens conventionnels dans des délais raisonnables. Les grands cabinets d'architectes (par exemple, Zaha Hadid Architects) utilisent tous les jours l'approche paramétrique. Les ingénieurs structures pourraient devenir très efficaces s'ils apprenaient à utiliser le modèle paramétrique produit par les architectes pour générer la géométrie de la structure. Les méthodes de conception paramétrique permettent à l'ingénieur de créer des modèles d'analyse des projets les plus exigeants en quelques minutes au lieu de plusieurs mois. Ces modèles peuvent contenir des milliers d'éléments, mais les modifications peuvent être mises en œuvre, analysées et conçues avec une relative facilitée.

L'une des applications les plus récentes de cette approche est le monumental stade Al Janoub au Qatar (figure 2), où les ingénieurs d'AECOM ont utilisé des méthodes paramétriques pour conceptualiser et concevoir la structure. Le stade a été construit pour la Coupe du monde de la FIFA 2022. Il peut accueillir 40 000 spectateurs et sera utilisé jusqu'aux quarts de finale du tournoi. Ensuite, il sera converti en une capacité de 20 000 places et utilisé par le club sportif Al Wakrah. Le toit comprend deux parties symétriques, chaque côté étant composé de trois coquilles. Les étages supérieurs du stade ont été conçus pour être amovibles après le tournoi. La structure du toit, qui comprend des arches étayées de 185m, a fait l'objet d'une conception avec phasage, d'une ingénierie incendie et d'une conception de plaques pour les poteaux en V soutenant les arches principales.

Fig. 2 – Stade Al Janoub au Qatar [1] Gauche : modèle d'analyse de structure dans SCIA Engineer, présenté dans le cadre du concours des utilisateurs SCIA 2020 ; droite : Visualisation architecturale

Le défi consistait à créer un stade emblématique offrant une expérience de classe mondiale. Le prototype rapide à l'aide de la conception paramétrique avec SCIA Engineer et l'interopérabilité avec les environnements de réalité virtuelle ont permis aux ingénieurs de tester différentes solutions et d'évaluer les options pour produire un stade conforme à la vision de l'architecte.

L'approche adoptée pour créer le modèle paramétrique du stade Al Janoub n'est pas très différente de l'exemple de la poutre treillis présentée précédemment (Fig 1.). Le scénario, cependant, était en effet plus complexe, et le concepteur devait avoir un contrôle total sur les données. Habituellement, de tels projets sont divisés en plusieurs parties qui sont connectées mais modélisées par des scripts partiels séparés. Dans les étapes finales, tous les éléments sont fusionnés en une seule longue liste qui peut ensuite être reliée au modèle d'analyse de structure.

De la conception paramétrique à la conception générative

Les domaines émergents de la conception paramétrique sont l'optimisation de la topologie, la recherche de formes et la conception générative. Dans tous ces cas, l'ingénieur définit les limites de la solution possible, puis des algorithmes avancés trouvent itérativement la solution optimale. Dans la conception générative, l'intelligence artificielle (IA) est combinée à la conception paramétrique pour sélectionner la meilleure forme structurelle. Par pragmatisme, l'IA n'est pas totalement libre de trouver la forme optimale ; l'ingénieur devra définir certaines conditions limites pour guider l'IA. Généralement, ces conditions sont des zones d'appui définies et le domaine volumétrique dans lequel la forme structurelle peut exister. Les algorithmes de conception générative peuvent souvent aboutir à des résultats uniques en leur genre, car les structures sont optimisées pour leurs conditions uniques. Il est intéressant de noter que les structures optimisées de cette manière ressemblent souvent à des formes trouvées dans la nature (Fig. 3).

Les formes de structure produites par la conception générative ressemblent très souvent à des arbres. Si vous examinez la "superstructure" d'un arbre, le tronc est le plus fort à sa base, car c'est à cet endroit que les forces et les moments dus aux feuilles, aux branches et aux charges du vent sont les plus importants. Le tronc se divise en grandes branches, qui continuent à se diviser en branches plus petites et plus fines. Finalement, les feuilles de forme optimale situées à l'extrémité des branches couvrent la plus grande surface possible pour capter la lumière du soleil. L'évolution pousse les arbres à être aussi efficaces que possible, et les formes qui se développent sont directement liées aux conditions dans lesquelles les espèces d'arbres existent. Les mêmes principes peuvent être appliqués au design, à l'architecture et à l'ingénierie. Une efficacité similaire peut être observée dans les ponts de grande portée, où l'utilisation des matériaux détermine en grande partie la conception de la structure. L'efficacité a toujours été une question fondamentale en ingénierie de structure.

Fig. 3 – Cas typique de conception générative. [2]

Bien entendu, la conception générative peut être utilisée dans d'autres domaines que la conception de formes naturelles et de structures organiques. Elle pourrait être utilisée pour trouver une disposition optimale des appartements dans un immeuble à plusieurs étages ou pour optimiser des zones urbaines entières afin qu'elles soient plus pratiques pour les habitants. L'ajout d'une couche d'IA ou d'apprentissage automatique aux algorithmes de conception paramétrique permet à l'ingénieur de comparer un grand nombre de solutions de conception potentielles et de sélectionner le schéma le plus efficace. Ce processus ne serait pas réalisable avec les méthodes d'ingénierie traditionnelles.

Conception paramétrique des ponts

La conception des ponts est un secteur apparent de l'ingénierie de structure où les projets peuvent bénéficier des méthodes paramétriques. Lors de la conception de travées de plus en plus longues, le système structurel doit être très efficace afin de supprimer toute masse structurelle inutile. Cela correspond tout à fait à l'approche de la conception paramétrique. Le profil et la courbure en plan d'un pont sont souvent déterminés par l'alignement, le profil et la section transversale de la chaussée ou de la voie ferrée qu'il supporte. Lorsque la courbure du pont est importante en plan ou en profil, la création d'un modèle d'analyse devient souvent fastidieuse et source d'erreurs. Cela est particulièrement vrai pour les formes de ponts (par exemple, les fermes, les ponts suspendus ou à haubans) qui sont généralement composés de nombreux éléments. La conception paramétrique offre une méthode plus efficace pour créer ce même modèle d'analyse en moins de temps. De plus, il est possible de générer le modèle d'analyse directement à partir du modèle d'autoroute si celui-ci est également créé de manière paramétrique.

En outre, un avantage significatif de la conception paramétrique des ponts est la possibilité de réutiliser les scripts existants, ce qui constitue un grand avantage en termes de productivité. Les ponts étant généralement assez similaires, la réutilisation de scripts issus de projets antérieurs du même type de pont peut faire gagner beaucoup de temps de conception. N'oubliez pas que les bons scripts reposent sur la satisfaction des conditions de conception et non exclusivement sur des chiffres exacts. Le pont suspendu illustré à la figure 4 ci-dessous se trouve en République tchèque. Une fois le modèle paramétrique créé, il a été transformé en un modèle d'analyse dans SCIA Engineer par un plugin Grasshopper - Koala. L'analyse EF et la vérification de la conception des éléments en acier ont ensuite été réalisées dans SCIA Engineer.

Fig. 4 – La passerelle de Sázava a été modélisée au moyen d'un script visuel et a fait l'objet du concours utilisateurs SCIA 2020. [3]

Divers types de ponts peuvent être modélisés et conçus de manière paramétrique, mais la manière dont la documentation est fournie aux autorités, aux parties prenantes et à l'équipe de construction pourrait être transformée en connectant des outils logiciels BIM au modèle paramétrique. La combinaison de ces outils permet aux concepteurs de produire des modèles riches en données qui peuvent être utilisées pendant la phase de construction et d'entretien du cycle de vie du pont.

Fig. 5 – Visualisation du modèle BIM du pont de Randselva, en Norvège. [4]

L'existence d'un modèle central a permis de résoudre les conflits entre les barres de ferraillage, les câbles de précontrainte et les autres voies de service sur le pont. Ce processus a permis d'atténuer et de minimiser les conflits potentiels sur le site, qui auraient autrement entraîné des retards dans le processus de construction. Le pays qui semble être le plus avancé dans ce développement est la Norvège. Le pont de Randselva a été conçu en 2016 par l'administration des routes de Norvège. La construction s'est appuyée sur un modèle BIM étendu. Ce modèle contenait des informations, notamment sur le ferraillage de chaque phase de construction, les garde-corps et les finitions de la surface de la route. Le modèle BIM tel que construit a également été archivé par l'administration routière norvégienne en tant qu'information complète à des fins de maintenance et d'exploitation. En fait, aujourd'hui, la plupart des ponts en Norvège sont soumis aux autorités et aux entrepreneurs sous la forme d'un modèle BIM. Il ne fait aucun doute que d'autres pays suivront cet exemple.

Conclusions

La conception paramétrique va certainement changer la façon dont les ingénieurs abordent et traitent les projets de structure complexes. Actuellement, sa puissance est surtout utilisée dans la conception de structures architecturales sauvages. Pourtant, elle offre aux ingénieurs une méthode rapide pour créer des modèles d'analyse pour des géométries structurelles compliquées, avec l'avantage supplémentaire de pouvoir suivre l'évolution des projets. En outre, pour la majorité des ingénieurs des ponts, il s'agit d'une solution viable pour automatiser le processus de conception, tout en permettant de gagner encore plus de temps en réutilisant mieux les travaux antérieurs des projets terminés.  

Références

[1]          https://www.scia.net/en/company/references/projects/al-janoub-stadium

[2]          https://bdaa.com.au/generative-design-generates-results/

[3]          https://www.scia.net/en/company/references/uc-books

[4]          https://e-mosty.cz/wp-content/uploads/e-mosty-Sept21.pdf