Building Information Modeling: interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure Julien Blachère To cite this version: Julien Blachère. Building Information Modeling: interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure. Génie civil. 2015. ￿dumas-01729324￿ HAL Id: dumas-01729324 https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01729324 Submitted on 12 Mar 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS CENTRE REGIONAL DE RHÔNE-ALPES Mémoire présenté en vue d'obtenir Le diplôme d'ingénieur CNAM Spécialité : GENIE CIVIL Option : Construction et aménagement, calcul des structures Par BLACHERE Julien Building Information Modeling Interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure Date de soutenance: 18 Décembre 2015 JURY PRESIDENT : F. GUILLEMARD : Ingénieur, Professeur associé CNAM département ICENER MEMBRES : P. TROUILLET : Ingénieur expert et enseignant Cnam Lyon J. PAIS : Ingénieur, Responsable ingénierie et calculs chez Graitec S.A J. SURLEAU : Docteur, Directrice adjointe service Bâtiment chez COGECI M. CHARLES : Ingénieur, Directeur Général Délégué chez COGECI 1 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure REMERCIEMENTS Je tiens dans un premier temps à remercier l'ensemble des intervenants du CNAM. Mr Trouillet Pierre responsable de la chaire Génie civil du CNAM Lyon, pour son engagement et son investissement dans l'enseignement. Mme Gondeau Eléonore pour ses connaissances administratives avancées et son soutient spirituel. Enfin, sans qui rien n'aurait été possible, un grand merci à l'abbé Grégoire qui en 1791 à participé à la fondation du Conservatoire National des Arts et Métiers. J'aimerais ensuite remercier mes collègues de COGECI. Messieurs Mandica Georges et Charles Michel pour leur compréhension et leur tolérance afin de m'avoir laissé une certaine liberté. Un grand merci à Surleau Juliette, pour son aide et ses conseils avisés. Merci à Mr Pais Joseph pour sa disponibilité et son apport technique irremplaçable. Enfin merci à ma famille. Mon frère pour m'avoir continuellement demandé si mon mémoire était terminé. Ma belle-sœur, qui termine également un mémoire d'expertise comptable et qui sait a quel point ce travail est de longue haleine. Et puis surtout, merci à ma conjointe pour son soutient, sentimental et psychologique, qui m'ont donné le courage nécessaire pour mener à bien ce travail. 2 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure ABREVIATIONS 2D : 2-dimensional drawing 3D : 3-dimensional drawing, geometric modelling 4D : 3-dimensional drawing + Time (scheduling) 5D : 3-dimensional drawing + Time (scheduling) + Cost estimating AEC : Architecture, Engineering and Construction API : Application Program Interfacing BET : Bureau d'Etudes Technique BIM : Building Information Modeling CAO : Conception Assistée par Ordinateurs CIS/2 : CIMSteel Integration Standards Version 2 DAO : Dessin Assisté par Ordinateur EDI : Echange de Données Informatisées FFB : Fédération Française du Bâtiment FEM : Finite Élément Method GTP : Gestion technique du patrimoine IAI: International Alliance for Interoperability ICT : Information and Communication Technology IFC : Industry Foundation Classes ISO : International Organization for Standardization ITC: Information Technology in Construction LOD : Level Of Development LOO : Logiciels Orienté Objets ND : Niveau de développement MNB : Maquette Numérique du Bâtiment MVD : Model View Definition OGC : Open Geospatial Consortium PDF : Portable Document Format PLM : Product Lifecycle Management TIC : Technologie de l’information et de la Communication RSI : Retour sur investissement S-BIM : Structural Building Information Modeling SDAI : Standard Data Acces Interchange SHON : Surface Hors œuvre nette SI : Système d'Informations SIG : Système d’information géographique STEP : Standard for Exchange of product Data Model. SUC : Système Unitaire de Communication 3 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure DEFINITIONS TECHNIQUES Armoire à plans électroniques : Système informatique de contrôle et de stockage de plans numérisés pour les opérations de synthèses. Attributs (ou propriétés) : dans un LOO et dans les IFC, une propriété qualifie un objet d'une classe, propriété propre (matériaux, dimensions) ou propriété contextuelle (conséquence de l'environnement existant autour du composant dans son voisinage immédiat, ne pas confondre avec les relations). Axes, Epures : En résistance des matériaux, les épures (ou fibre moyenne) sont les courbes ou droites définies par le centre de gravité de la section. BIM (Little) : Echange d’informations au sein d’une organisation (bureau d’étude, entreprise) BIM (Big) : Echange d’informations entre différents partenaires d’un projet iBIM : BIM intégré dans des processus Web Composant : Terme générique pour désigner un objet physique du bâtiment. Il est assemblé ou préfabriqué. S'il est construit sur place, on le désigne comme un ouvrage. Chemin critique : Dans un planning d'ordonnancement de travaux, chemin d'enchaînement des tâches dont dépend la date de terminaison du chantier. Classe : Dans un LOO et dans les IFC, une classe regroupe des objets de même type, possédant des propriétés et un comportement semblable (ex : poteau, poutre, mur). Evénement : Action qui n'a pas de durée. Elle est déclenchée par toute cause intérieure ou extérieure au système d'information. EXPRESS : Langage formel normalisé pour décrire la structure de base de données orientée objet. EXPRESS est un outil de STEP. Le CSTB à développé un traducteur de schémas NIAM qui produit des instructions EXPRESS. Héritage : Dans un LOO et dans les IFC, mécanisme qui permet à des objets d'une sous-classe de bénéficier des propriétés des classes "parents". Homogène : Dans un modèle, propriété d'une paroi en tout point de sa surface, les propriétés géométriques, fonctionnelles et physiques sont constantes. Idée : Terme utilisé dans la méthode de spécification NIAM : information mettant en jeu une seule relation (ensembliste) entre deux concepts. IFC : Format de fichier orienté objet utilisé par l'industrie du bâtiment pour échanger et partager des informations entre logiciels. 4 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure Ingénierie concourante : Méthode d'ingénierie mettant en œuvre une base de données centralisée du projet, accessible aux logiciels informatiques des partenaires d'une opération. Permet l'interopérabilité. Interopérabilité : capacité que possède un produit ou un système, dont les interfaces sont intégralement connues, à fonctionner avec d'autres produits ou systèmes existants ou futurs et ce sans restriction d'accès ou de mise en œuvre. Cela permet aux partenaires d'une même opération d'accéder simultanément à une information dynamique et partagée du projet. Interface : Elément intermédiaire entre deux logiciels pour permettre le transfert de données. Pose des problèmes de sémantique et de formats. ISO : Organisation internationale de normalisation dépendant de l'ONU, qui spécifie en autres les normes de communication en informatique. Modèle : Au sens restrictif, Description d'un système d'information à l'aide de méthodes ou de langages de spécification formelle pour une vue donnée. Modèle conceptuel : Description formelle des concepts véhiculés focalisée sur l'aspect sémantique du système d'information. Étape préalable à la constitution d'une base de données ou fichier d'échange. Modèle analytique : Un modèle numérique est dit analytique lorsqu’il est entièrement décrit à l’aide d’équations mathématiques qui représentent des caractéristiques physiques. Les logiciels de calculs utilisent ce modèle. Les objets d'analyse suivants sont définis : - Nœuds des éléments d'analyse et des pièces physiques - Conditions d'appui pour les nœuds - Connectivité entre les éléments et les nœuds - Charges sur les composants et les éléments Objet : En informatique, un objet représente un concept, une idée ou toute entité du monde physique. Occurrence : Objet qui dans une classe est individualisé par un nom ou un numéro. L'objet conserve les propriétés et comportement de sa classe. Orienté objet : Se dit d'un langage ou d'un logiciel utilisant une structuration d'informations exploitant les concepts de classes, attributs, événements, relations Ouvrage : Par opposition à un composant, un ouvrage désigne un élément du bâtiment construit sur place, faisant appel à de la main d'œuvre et des matériaux. Programmation orientée objets : Paradigme de programmation informatique consistant en la définition et l'interaction de briques logicielles appelées objets. Relation : Dans un LOO et dans les IFC, une relation est un lien formel entre deux objets de même classe ou de classes différentes ou avec une autre relation. SDAI : Norme ISO de spécification et d'échange de modèles de produits. Spécialisation : Définition de sous-classes d'objets à partir d'une classe dite "parent". 5 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure STEP : Norme ISO de spécification et d'échange de modèles de produits. STEP propose un cadre méthodologique, un formalisme et des outils EDI. SUC : Structure expérimentale de communication inventé par trois grandes entreprises françaises (CBC, DUMEZ, CAE) pour échanger le contenu sémantique des composants des bâtiments, dessinés dans un plan. Workflow : est la représentation d'une suite de tâches ou opérations effectuées par une personne, un groupe de personnes, un organisme, etc. Le terme flow (flux) renvoie au passage du produit, du document, de l'information, etc., d'une étape à l'autre. 6 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure SOMMAIRE REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... 2 ABREVIATIONS ......................................................................................................................................... 3 DEFINITIONS TECHNIQUES ...................................................................................................................... 4 SOMMAIRE .............................................................................................................................................. 7 LE BIM – ETAT DE L'ART ......................................................................................................................... 10 1.1 L’environnement – la maquette numérique ......................................................................... 10 1.1.1 La maquette numérique, présentation ......................................................................... 10 1.1.2 Le niveau de développement d’une maquette ............................................................. 11 1.1.3 L’intéropérabilité ........................................................................................................... 13 1.1.4 Les enjeux de l’interopérabilité en AEC (Architecture, Engineering and Construction) 14 1.1.5 Le coût du défaut d’interopérabilité ............................................................................. 15 1.1.6 Gagner en performance ................................................................................................ 16 1.2 Le BIM aujourd’hui dans le monde et en France .................................................................. 18 1.2.1 L'adoption du BIM ......................................................................................................... 18 1.2.2 Les utilisateurs du BIM en Europe ................................................................................. 18 1.2.3 Panorama dans les pays utilisateurs du BIM ................................................................. 19 1.3 L'interopérabilité dans l'AEC ................................................................................................. 20 1.3.1 Les obstacles à la communication ................................................................................. 20 1.3.2 La limite de performances des logiciels conventionnels ............................................... 21 1.3.3 Standard et Norme ........................................................................................................ 23 1.3.4 L’alliance internationale pour l’interopérabilité ........................................................... 24 1.3.5 Les chapitres nationaux ................................................................................................. 25 1.4 La modélisation dans les logiciels de Conception Assistée par Ordinateur .......................... 25 1.4.1 Les représentations tridimensionnelles ........................................................................ 25 1.4.2 Le langage orienté objet ................................................................................................ 26 1.4.3 La modélisation paramétrique des objets intelligents .................................................. 27 1.5 Industry Foundation Classes .................................................................................................. 29 1.5.1 L’émergence d’un langage international ....................................................................... 29 1.5.2 Les caractéristiques d'un objet IFC ................................................................................ 30 1.5.3 L’architecture d’un objet IFC ......................................................................................... 30 1.6 CIMsteel Intégration Standards............................................................................................. 31 1.6.1 Historique du langage CIS/2 .......................................................................................... 31 1.6.2 Les relations entre l'IFC et le CIS/2 ................................................................................ 32 7 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure 1.7 Les formats d'échanges courants .......................................................................................... 33 1.7.1 Les formats natifs .......................................................................................................... 33 1.7.2 Les autres formats d'échanges courants ....................................................................... 34 1.7.3 Construction Operations Building Information Exchange ............................................. 34 1.7.4 Le format CityGML ......................................................................................................... 35 1.8 Panorama de l’offre logicielle................................................................................................ 35 1.9 Conclusion ............................................................................................................................. 37 INTEROPERABILITE DES LOGICIELS DE CAO ET FEM .............................................................................. 38 2.1 Les raisons des difficultés dans les échanges CAO-logiciels d’analyse .................................. 38 2.1.1 Les trois classes de représentations graphiques ........................................................... 38 2.1.2 IFC Structural Analysis View .......................................................................................... 40 2.1.3 Structural Building Information Modelling .................................................................... 40 2.1.4 Transition d’une maquette architecturale vers les résultats analytiques ..................... 41 2.1.5 Transition de la maquette structurelle vers un logiciel analytique ............................... 42 2.2 Présentation des logiciels ...................................................................................................... 42 2.2.1 Les raisons de leurs choix dans l’étude ......................................................................... 43 2.2.2 Tekla structures ............................................................................................................. 43 2.2.3 Revit structure ............................................................................................................... 43 2.2.4 Scia engineering............................................................................................................. 44 2.2.5 Robot Structural Analysis .............................................................................................. 44 2.2.6 Suite logicielle GRAITEC ................................................................................................. 44 2.3 Conception d’un modèle analytique intégré ......................................................................... 45 2.3.1 Des objets polymorphes ................................................................................................ 45 2.3.2 Paramétrage du modèle analytique .............................................................................. 46 2.3.3 Création de cas de charges et combinaisons ................................................................ 47 2.3.4 Méthodologie de construction d’un modèle intégré .................................................... 48 2.3.5 Comparaison entre une modélisation intégrée et FEM ................................................ 51 2.3.6 Comparatif des méthodes intégrées ............................................................................. 53 2.4 La méthode corrective .......................................................................................................... 56 2.4.1 Outils de correction analytique ..................................................................................... 56 2.4.2 Méthodologie de conception d'un modèle correctif .................................................... 57 2.5 La synchronisation des modèles............................................................................................ 58 2.5.1 Synchronisation entre Tekla et Scia via l'IFC ................................................................. 58 2.5.2 Synchronisation entre Revit et Advance via plugin ....................................................... 63 2.5.3 Synchronisation entre Revit et Scia via plugin .............................................................. 66 2.5.4 Synchronisation entre Revit et Robot Structural Analysis ............................................ 67 2.6 Comparatif des technologies actuelles ................................................................................. 69 8 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien Mémoire d'ingénieur CNAM – BIM, interopérabilité des logiciels de CAO et de calculs de structure 2.6.1 Comparatif des méthodes intégrées et correctives ...................................................... 69 2.6.2 Comparatif des langages IFC et propriétaires ............................................................... 70 2.7 Evaluation des informations échangées ................................................................................ 71 2.7.1 Matrice des informations alphanumériques ................................................................. 71 2.7.2 Matrice de correspondance des familles d'objets ........................................................ 73 2.8 Conclusion sur l'état actuel des outils ................................................................................... 75 2.8.1 Un usage peu commode ................................................................................................ 75 2.8.2 Limites dans la pratiques ............................................................................................... 76 2.9 CONCLUSION ......................................................................................................................... 77 IMPACTS SUR LA PROFESSION - AVENIR ............................................................................................... 79 3.1 Développements potentiels futurs ........................................................................................ 79 3.1.1 Méthode globale intégrée-corrective ........................................................................... 79 3.1.2 Combinaison des techniques ......................................................................................... 80 3.1.3 Conception analytique avancée .................................................................................... 80 3.1.4 Traçabilité des modifications......................................................................................... 80 3.1.5 Travailler en sous-projet ................................................................................................ 81 3.1.6 Communication ............................................................................................................. 82 3.1.7 Calculs et conception intégrés....................................................................................... 83 3.1.8 Analyse et calculs dans le Cloud .................................................................................... 84 3.2 Impact sur la profession ........................................................................................................ 85 3.2.1 Les enjeux au sein de mon métier ................................................................................. 85 3.2.2 Les enjeux au sein d'un bureau d'études structure ...................................................... 85 3.2.3 Domaine d'activité stratégique ..................................................................................... 86 3.3 Nouveaux processus de travail .............................................................................................. 86 3.3.1 Description des rôles et responsabilités dans l'entreprise ............................................ 86 3.3.2 Description des workflow actuels ................................................................................. 87 3.3.3 Changement des processus collaboratifs ...................................................................... 90 3.4 Retour sur investissement ..................................................................................................... 93 3.5 Conclusion ............................................................................................................................. 94 CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................................... 95 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 96 4.1 Rapports-Thèses-Conférences-Cours .................................................................................... 96 4.2 Livres-Ouvrages ..................................................................................................................... 99 TABLE DES ILLUSTRATIONS .................................................................................................................. 100 SITES INTERNETS ................................................................................................................................. 102 ACTEURS ET EVENEMENTS .................................................................................................................. 103 RESUME / SUMMARY .......................................................................................................................... 104 9 CNAM – Mémoire d'ingénieur – BLACHERE Julien