The Floor is Yours

Sols funiculaires fonctionnellement intégrés

Block Research Group, ETH Zurich
Architecture et systèmes de construction, ETH Zurich
Technologies de construction numériques, ETH Zurich

L'extraction rapide des matières premières a pour conséquence que, dès 2050, il n'y aura plus assez de sable et d'acier pour les constructions en béton. Il est donc temps de repenser la conception et la construction des bâtiments. Dans le pavillon de Davos, l'ETH Zurich présente un système de sol intégré fonctionnel. Il est le résultat d'une recherche architecturale inédite et montre comment l'interaction entre les designs géométriques historiques et les nouvelles technologies peut conduire à une construction plus légère ainsi qu'à des économies significatives de matières premières.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie du Département d'architecture de l'ETH Zurich travaille actuellement à la mise au point d'un système intégré de structure porteuse pour le sol. L'objectif est de s'attaquer à la part considérable de l'industrie du bâtiment dans les émissions mondiales de gaz à effet de serre et dans la dégradation rapide des ressources naturelles, et de la réduire à terme. Les éléments porteurs d'un bâtiment de plusieurs étages représentent en effet jusqu'à 50 % de son énergie grise. Et dans les bâtiments de dix étages ou plus, jusqu'à 80 % du poids de la structure provient des dalles de sol, généralement en béton armé. Un système de structure porteuse du sol efficace en termes de matériaux pourrait réduire de manière significative l'énergie grise des zones construites dans les villes à croissance rapide de la planète. De plus, des systèmes de chauffage et de refroidissement optimisés réduiraient considérablement la consommation d'énergie nécessaire au fonctionnement des bâtiments.

Le Block Research Group développe des sols funiculaires avec des nervures rigidifiées, constituées de coques à double courbure, qui résistent efficacement aux contraintes sous pression. Les tensions sont en outre absorbées à l'extérieur par des liaisons au lieu d'être stockées dans des armatures en acier. Cela permet une réduction massive du béton inutile jusqu'à 70 %. La géométrie de la structure porteuse se traduit en outre par des charges extrêmement faibles, même dans les zones très minces, ce qui permet d'utiliser des matériaux plus faibles, comme le béton recyclé. En creusant le radier - en ne laissant que la substance de construction nécessaire à un transfert efficace des forces sous pression - il est possible de faire passer des tuyaux, des câbles et des systèmes mécaniques à travers des volumes de sol qui n'étaient pas accessibles auparavant.

La chaire d'architecture et de systèmes pour les bâtiments étudie les systèmes énergétiques et climatiques pour les bâtiments ainsi que leur intégration dans les éléments porteurs. Ceci dans le but d'augmenter l'efficacité et de réduire les besoins en espace ainsi que les coûts. Dans le cadre de cette recherche, on étudie en particulier l'intégration d'une extension tridimensionnelle optimisée d'un système hybride de refroidissement et de chauffage par induction CVC dans des géométries de plancher funiculaire. Des synergies avec la conception de la structure porteuse sont obtenues en utilisant les cavités et les propriétés géométriques du sol, qui permettent une conduction efficace de l'air et de l'eau pour le transport de chaleur et l'alimentation en air. Une telle conception optimale de l'écoulement est rendue possible grâce à la flexibilité de l'impression 3D.

En raison de la géométrie complexe de la structure porteuse et du niveau d'intégration élevé, la fabrication de tels sols en béton entraînerait typiquement des solutions de coffrage coûteuses en matériaux et en argent. De plus, des travaux de montage et de démontage complexes seraient nécessaires. C'est pourquoi, en collaboration avec la chaire des technologies de construction numérique, de nouvelles solutions de coffrage efficaces, basées sur les technologies d'impression 3D les plus modernes, sont étudiées. L'objectif est de développer des moules sur mesure à parois minces qui conviennent aussi bien aux systèmes de conduites internes qu'à la face inférieure visible du sol.

Le prototype de ce système de plancher fonctionnel intégré, exposé dans le pavillon de l'ETH Zurich au World Economic Forum (WEF) 2019 à Davos, est une solution efficace, rendue possible par la géométrie de la structure porteuse, l'intégration des systèmes du bâtiment, les méthodes de fabrication efficaces et la recherche collaborative dans le cadre du National Research Program Digital Fabrication (NCCR DFAB). Le prototype vise à démontrer l'énorme potentiel de ces nouveaux composants de construction lorsqu'il s'agit de thématiser et de relever les défis auxquels l'industrie de la construction est déjà confrontée et qui ne feront qu'augmenter à l'avenir.