A l'intérieur de College Road : L'ingénierie des modules de l'un des plus hauts bâtiments modulaires du monde
Michael Hough est le directeur de MJH Structural Engineers.
L'occasion manquée de la conception modulaire
College Road est un projet résidentiel innovant situé à East Croydon, dans le sud de Londres, réalisé par le promoteur et entrepreneur hors site Tide et sa société de construction modulaire Vision Volumetric (VV), et dont l'ingénierie a été confiée à MJH Structural Engineers. Le projet comprend deux des plus hauts bâtiments modulaires du monde, qui offrent près de 1 000 nouveaux logements. Une tour de 35 étages fournit 120 logements abordables, et une tour de 50 étages fournit 817 logements en colocation, l'un des plus grands projets de colocation au monde. Les deux tours sont dotées d'importants espaces d'agrément et d'un sous-sol à deux niveaux. Fondamentalement, ce projet a été réalisé sur un site restreint de 2 000 m2 en seulement 28 mois, du début à la fin, grâce à sa livraison modulaire. Les tours ont été construites à l'aide de 1725 modules Vision enveloppant deux noyaux de béton, placés sur une structure de transfert en béton de quatre étages, contenant les équipements d'agrément du bâtiment.
Description du système
Ce projet a été conçu par les architectes MJH, Tide, Vision et HTA avec une solution modulaire à l'esprit dès le départ, maximisant les capacités du système à un stade précoce pour assurer l'efficacité. La flexibilité du système Vision permet de construire l'ensemble de la plaque de plancher en dehors du noyau central sous forme de modules individuels interconnectés renfermant des pièces.
Chaque module est constitué d'une série de panneaux muraux, d'un plancher et d'un plafond. Les panneaux muraux sont assemblés avec des cadres en acier soudés entre les principaux éléments structurels. Ces murs sont conçus pour fournir la structure du bâtiment final, tout en tenant compte des étapes temporaires de la construction. Les murs doivent être suffisamment solides et rigides pour supporter la manutention, le déplacement et les forces qui en résultent avant l'assemblage complet en modules 3D.
Une fois les modules assemblés, le levage et la manutention doivent tenir compte de la rigidité des composants assemblés et éviter les déformations. Un plancher en béton est coulé dans l'usine et ajoute de la rigidité et du poids au module.
Conception et charges
Chaque dalle de béton est conçue pour le module spécifique en fonction de la portée et des ouvertures, avec des détails locaux pour transférer les forces de connexion dans la dalle de béton. En position permanente, les dalles n'ont de tension que sur la surface inférieure, mais une tension peut se produire sur la surface supérieure dans les phases temporaires. Si un module surplombe la plate-forme d'un camion, les dalles peuvent devoir être en porte-à-faux sur le côté ou à l'arrière de la remorque. Avec la construction modulaire, la charge et la situation prévues ne se présentent pas toujours sur le chantier ou dans le bâtiment achevé.
Photo de College Road, à gauche, en cours de construction. Photo : Michael Hough.
Les forces critiques qui s'exercent sur les différents éléments d'un système modulaire se produisent à des moments différents. Les murs modulaires, en particulier ceux situés à l'intérieur du périmètre du bâtiment, sont à l'abri des charges dans leur emplacement permanent. Le cas de conception peut être le vent dû au transport ou à la mise en place sur le site où ils sont exposés. Sur la remorque, il peut y avoir des pressions et des succions générées par la vitesse qui dépassent de loin celles rencontrées sur le chantier.
Pour la hauteur de construction de College Road, nous utilisons des évaluations en soufflerie qui identifient les pressions et les succions du vent. Celles-ci sont principalement utilisées pour informer la conception de la stabilité, mais peuvent également fournir des forces locales.
Les charges verticales varient en fonction de la hauteur du bâtiment et sont évaluées au moyen d'une modélisation structurelle détaillée. La conception de MJH prend en compte chaque colonne par étage individuellement, de sorte que chaque colonne dans chaque position du bâtiment est conçue pour être efficace. Cela est essentiel pour gérer le tonnage d'acier dans les constructions de grande hauteur. Les forces d'analyse sont extraites du modèle du bâtiment et prises en compte avec d'autres considérations de conception en dehors des programmes de conception technique standard, car ceux-ci ne prennent pas en compte toutes les exigences de la conception modulaire. Les dimensions conçues sont ajoutées au modèle et un processus de conception itératif permet d'obtenir des dimensions de conception et d'analyse compatibles.
Dans les constructions modulaires, la répartition des charges est complexe et liée à la rigidité du plancher et de la construction des murs, qui est influencée par la rigidité du plancher en particulier. D'autres effets se produisent dans les structures de grande hauteur où la rigidité des fondations et de la structure de transfert peut influencer la distribution de la charge axiale à travers le bâtiment. Afin d'étudier plus en détail l'efficacité de la conception, nous entreprenons une analyse de la construction par étapes du bâtiment au fur et à mesure que les modules sont placés niveau par niveau. Cela permet de comprendre les forces de connexion qui apparaissent au fur et à mesure que les modules sont placés et que les conditions de charge changent.
Plusieurs éléments du module sont conçus pour l'usage auquel ils sont destinés et ne varient pas sensiblement d'un bâtiment à l'autre. Les éléments de soutien du plafond ont une conception raisonnablement normalisée en fonction de leur portée, les conditions de charge ne variant pas d'un étage à l'autre ou d'une pièce à l'autre. Ces éléments supportent les finitions intérieures, les services, les finitions extérieures pour le transport temporaire et les étapes de mise en place, et doivent être suffisamment rigides et solides pour permettre l'accès du personnel pendant l'opération de mise en place. Il est probable que l'accès au chantier dictera la conception de ces éléments, car c'est là que la charge sera la plus élevée et que toutes les finitions fragiles seront en place, de sorte que les déformations doivent être limitées. Des exigences de conception similaires s'appliquent aux montants de remplissage dans les murs lorsqu'ils ne constituent pas un élément principal de la structure achevée.
De nombreux éléments d'un système modulaire peuvent être conçus pour atteindre un certain niveau de capacité qui est généralement suffisant et ne nécessite qu'une évaluation minimale. Lorsque les capacités sont dépassées, des solutions supplémentaires sont nécessaires dans ces domaines. La détermination de la construction la plus efficace pour répondre à la majorité des exigences est essentielle pour une fabrication efficace.
Automatisation et fabrication
Vision a conçu son système modulaire et son processus de fabrication de manière à englober une gamme de tailles et de formes aussi large que possible. Cela permet une plus grande liberté architecturale en maximisant le contenu modulaire d'un développement, mais aussi, s'il est utilisé à un niveau élevé, peut exercer une pression sur la livraison du système tout au long de la conception, du détail, de l'approvisionnement et de la fabrication.
Au fil des ans, MJH s'est efforcé d'ajouter des niveaux d'automatisation à ses flux de travail grâce à l'ingénierie informatique et au codage. La normalisation au sein du système se fait au niveau des composants, où nous construisons les modules à partir d'éléments bien compris dans des modules qui varient de manière significative. L'automatisation des étapes de conception et d'élaboration des détails permet de réduire le temps du chemin critique menant à la fabrication, en particulier lorsqu'il existe un grand nombre de variations dans les dispositions modulaires sur un plan d'étage.
Charges complexes
La DfMA est un outil puissant, mais uniquement lorsqu'elle est mise au service d'un flux allégé. L'industrie modulaire ne peut pas se permettre de traiter la conception et la fabrication comme des domaines distincts. Lorsqu'elles sont intégrées, les usines ronronnent, les projets sont réalisés dans les délais et les clients obtiennent exactement ce qui leur a été promis.
Si nous voulons que la construction modulaire réalise son potentiel, nous devons aller au-delà de la conception pour l'assemblage et commencer à concevoir pour le flux. Cela signifie qu'il faut intégrer les principes de flux dès les premières conversations de conception, donner aux équipes de production les moyens de façonner ces conceptions et considérer chaque produit sous l'angle de l'ajustement et de l'ordonnancement en usine.
L'avenir de la modularité n'est pas seulement une conception plus intelligente, c'est une conception synchronisée. Et cela commence par une DfMA qui coule.
Incendie
Les considérations relatives à l'incendie dans les constructions modulaires de grande hauteur ne relèvent pas du domaine pratique des incendies précédents ; heureusement, nous n'avons pas l'expérience de véritables incendies dans des bâtiments modulaires. Par conséquent, il existe des critères d'évaluation supplémentaires pour évaluer les conséquences des températures élevées dans une zone d'un bâtiment adjacente à une autre où la température ambiante prévaut. Dans une construction traditionnelle, les éléments structurels sont plus susceptibles d'être partagés entre ces zones, mais dans une construction modulaire, que ce soit une bonne ou une mauvaise chose, la structure est principalement séparée de part et d'autre d'un mur de compartiment.
Les températures extrêmes tentent de dilater les éléments structurels tels que les colonnes et cette dilatation est résistée par le poids du bâtiment, la connectivité avec d'autres éléments de la structure et la résistance adjacente des éléments plus froids. Des modèles thermomécaniques sont créés et analysés pour tous nos bâtiments modulaires afin d'évaluer les mouvements et les forces. Ces modèles sont basés sur des essais d'incendie de modules complets, de murs, d'assemblages de planchers et de composants, ainsi que sur des rigidités générées par des essais numériques et physiques. Ces évaluations ne modifient pas nos conceptions globales de bâtiments et nos agencements pour le système Vision, mais offrent des niveaux élevés de confiance dans cette forme de construction en raison des températures extrêmes utilisées dans la modélisation, au-delà de ce qui est réalisable dans la pratique dans les bâtiments.
Croquis de l'extérieur de College Road.
Collaboration
L'étroite collaboration entre MJH, Vision et nos partenaires de fabrication est un élément clé de la flexibilité et de l'efficacité de la conception. Le modèle structurel complet est développé dans Tekla Structures et partagé en temps réel avec notre fabricant d'acier, ce qui permet de coordonner les détails de fabrication directement à partir d'un modèle centralisé en temps réel. Cet échange ouvert d'informations supprime les silos et garantit que toutes les parties travaillent sur la base des données de conception les plus récentes. Parallèlement, Vision modélise et coordonne tous les éléments architecturaux et MEP dans Autodesk Revit, qui est continuellement aligné sur le modèle structurel afin d'identifier et de résoudre les conflits potentiels avant la fabrication.
Ce flux de travail numérique intégré, étayé par une solide coordination BIM, a permis d'assurer un niveau élevé de précision et de cohérence dans la chaîne d'approvisionnement tout au long de la réalisation du projet College Road.
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