Construction 4.0: l'innovation au service du bâti

“Construction 4.0 : l'innovation au service du bâti”. C'est sous ce titre que le Pôle de Compétitivité GreenWin, actif dans les secteurs de la chimie durable, des matériaux et de la construction durable et des technologies environnementales, a organisé, en décembre 2019, un premier atelier consacré à l'innovation numérique et aux profondes transformations qu'elle induit dans le secteur de la construction. Partenaires de la journée: le Centre scientifique et technique de la construction (CSTC) et l'INFOPOLE Cluster TIC.

La conférence s'insérait dans le cadre plus vaste du programme “Innovation numérique” via lequel la Région désire sensibiliser et aider les acteurs industriels wallons - tous secteurs confondus - à prendre le pli de la transformation et de l'innovation numérique.

Le programme “Innovation numérique”, mis en oeuvre par l'Infopole Cluster TIC et les Pôles de Compétitivité, déploiera une série d'ateliers d'accélération et d'idéation et de rencontres faisant se croiser et interagir des acteurs évoluant dans divers écosystèmes.

Onze thématiques numériques ont été identifiées, parmi lesquelles: l'Intelligence Artificielle, l'analyse de données, l'Internet des Objets et la réalité virtuelle et augmentée.

Tout au long de la journée, divers acteurs du secteur ainsi que des prestataires de solutions ont replacé les potentiels des nouvelles technologies numériques dans le contexte du secteur de la construction, afin de démontrer le potentiel qu'elles peuvent représenter pour une grande variété de finalités: optimisation des performances de conception et de construction, sécurité, gains de productivité, appui à la main d'oeuvre, réduction des coûts, action bénéfique sur l'environnement (via par exemple la minimisation de l'impact en termes d'utilisation de matières premières, de production de déchet, de consommation énergétique), amélioration des conditions de travail...

”En Europe, les bâtiments représentent 40% de la consommation énergétique et 36% des émissions de CO ₂ . 35% du parc immobilier a plus de 50 ans et 75% est énergétiquement inefficace. Plus de 97,5% de ce parc devra être rénové d'ici 2050 pour atteindre les objectifs near-zero energy. 50% de la population mondiale vit dans des villes et est responsable de 75% de la consommation énergétique globale. Et le phénomène s'accentue. Nous avons besoin des technologies, de solutions innovantes et intégrées, pour répondre à ces défis.”

Olivier Vandooren, directeur général du CSTC, et Marc Van Den Neste, président de GreenWin

Le numérique, sous une multitude de formes, se fraye un chemin grandissant dans le monde du bâti et de la construction. Pour n'en citer que quelques-unes: les techniques évoluées de modélisation et de simulation (BIM, réalité virtuelle et augmentée...), les objets connectés (capteurs, caméras...), l'impression 3D, les jumeaux numériques, la robotique (en ce compris les drones et les exo-squelettes), l'Intelligence Artificielle (pour l'interprétation des données), la blockchain, l'optimisation topologique pour la conception des pièces...

Les défis du secteur

Le secteur de la construction est confronté à de nombreux défis:

• impact environnemental et nécessité de rénover le parc existant

• inflation dans la consommation de matières premières et d'énergie alors que celles-ci se raréfient, deviennent plus onéreuses et impactent négativement la santé de la planète

• pénurie de compétences et de main-d'oeuvre

• mise à niveau nécessaire des compétences pour optimiser les usages et procédures et exploiter pleinement les nouveaux potentiels...

“La transformation numérique, comme levier de transition environnementale et énergétique.”

Comparativement à d'autres, le secteur de la construction est en retard en termes d'adoption des nouvelles technologies et de transformation numérique.

Dans son dernière “Baromètre de maturité numérique” des entreprises wallonnes (2016), l'AdN signalait que le secteur de la construction est l'un des plus importants de l'économie wallonne, représentant 12% des entreprises locales (le troisième en importance).

Mais la pénétration des technologies et processus numériques y est souvent inférieure à celles d'autres secteurs.

Quelques chiffres le démontrent:

• Seules 11% des entreprises wallonnes du secteur de la construction disposent d'un informaticien ou d'un service informatique en interne, contre une moyenne trans-sectorielle de 14%

• achats électroniques: 17%

• acceptation de commandes électroniques: 9% via e-mail, 1% via le site Internet de la société, 0% via EDI, Web EDI ou place de marché en ligne

• ventes en-ligne: 15%

• score moyen d'aptitude à l'e-commerce : 10%

Score global de maturité numérique:

• 20 sur 100 pour le sous-secteur des installations et finitions: 29 sur 100 au niveau de l'infrastructure IT, 28 pour la numérisation de l'organisation du travail, 15 pour la numérisation et intégration des flux d'information, 10 pour la numérisation de la vente et es services aux clients

• 18 sur 100 pour les entreprises spécialisées dans le gros-oeuvre: 27 sur 100 au niveau de l'infrastructure IT, 25 pour la numérisation de l'organisation du travail, 13 pour la numérisation et intégration des flux d'information, 10 pour la numérisation de la vente et es services aux clients

Plusieurs facteurs expliquent ce retard. Benoît Parmentier, coordinateur Stratégie et Innovation à la CSTC, en énumérait quelques-uns lors de la conférence Construction 4.0: un manque de confiance face à la pertinence réelle des technologies numériques, la difficulté à évaluer le retour sur investissement, un manque d'intégration avec les partenaires et sous-traitants, un manque d'interopérabilité pour l'échange de données, la nécessité de pouvoir tester les nouvelles technologies, un manque de formations et l'intérêt qu'il y aurait à mutualiser certains investissements.

Le défi de la rénovation

En Wallonie, seulement 0,7% du bâti est rénové chaque année. Le nouveau gouvernement wallon s'est engagé à accélérer le rythme pour passer à 3% par an. Mais le chantier est immense.

Dans le résidentiel, 75% des logements sont antérieurs à 1985. 31% correspond au niveau G sur l'échelle PEB (le plus mauvais). En haut de pyramide, les logements les plus vertueux sont encore largement minoritaires: 13% au niveau C, 9% au niveau B, 1% au niveau A/A+/A++.

Le bâti tertiaire n'est guère mieux loti, loin s'en faut. Une grande partie, parfois de manière majoritaire, des bâtiments, toutes finalités confondues (bureaux privés ou publics, supermarchés enseignement...)  sont antérieurs à 1945. Seuls secteurs où la majorité des bâtiments ont été construits ou rénovés en profondeur après 1945: l'horeca, les hôpitaux, les maisons de repos et les commerces.

Un démonstrateur numérique en préparation

Face à cette situation, une série d'initiatives ont déjà été prises pour sensibiliser et former les entreprises du secteur aux avantages de la numérisation.

Une nouvelle initiative verra bientôt le jour sous la forme d'un démonstrateur technologique baptisé Build4Wal qui sera mis en oeuvre conjointement par la CSTC et les centres de recherche CETIC et Cenaero.

Le CSTC apportera ses compétences en matière de processus constructifs, de BIM et d'ICT. Le CETIC y ajoutera les dimensions Internet des Objet, ICT, big data, intelligence artificielle et bâtiments connectés intelligents. Quant au Cenaero, il mettra  à disposition ses ressources et compétences en conception visuelle et simulation numérique, ainsi que son infrastructure superinformatique.

Ce démonstrateur de construction numérique aura pour raison d'être de stimuler la transition numérique des entreprises du secteur de la construction.

Le Digital Construction Hub, attendu pour 2021, s'articulera autour de trois composantes:

• Un hall permanent de démonstration, d'une superficie de 350 m2, verra le jour à Limelette, au siège de la CSTC.

• Un espace assez similaire, ajoutant la dimension de surveillance, sera aménagé sur le site du Cenaero à Gosselies.

• Un camion mobile ira en outre à la rencontre des entreprises.

Les deux espaces permanents permettront aux entreprises et acteurs du secteur de découvrir, de manière pratique, des solutions et processus numériques, d'y tester des idées, de participer à des ateliers d'idéation et de création, de développer des scénarios d'application métier validés par des experts du métier concerné, de réaliser des tests sur projet avant déploiement sur le terrain... Des formations seront également organisées afin de pallier aux manques de compétences et de former à de nouveaux métiers.

Parmi les technologies auxquelles il sera possible de se familiariser:

• l'impression 3D (béton et autres matériaux),
• la réalité virtuelle et augmentée,
• les capteurs et l'Internet des Objets,
• les drones,
• les exo-squelettes...

“Le démonstrateur Build4Wal aura un rôle d'animation, d'incubation et de levier R&D. Les ateliers qui y seront organisés, autour d'un thème ou d'une opportunité, le seront avec des acteurs créatifs, capables d'imaginer des produits ou des approches novatrices. L'un des objectifs poursuivis sera d'accélérer la mise sur le marché d'innovations.”

Benoît Parmentier

L'apport des technologies numériques

Le BIM

Le BIM (building information modeling) est un puissant outil pour l'optimisation des processus dans le secteur de la construction. Plusieurs intervenants de la journée en ont cité quelques exemples:

• coordination des équipes et corps de métier

• analyse du positionnement idéal des grues sur chantier en fonction des charges et types d'éléments

• étude et optimisation du placement des échafaudages (ancrages, supports, zones de circulation...)

• visualisation et suivi temps réel des commandes en fonction de l'évolution du chantier

• contrôle de qualité, en faisant appel à des scans 3D pour comparer le modèle à l'As-Built et pouvoir ainsi procéder à des adaptations en cours de chantier pour rectifier erreurs, conflits ou écarts...

Les “digital twins”

La technique dite de “jumeau numérique” (“digital twin” en anglais) consiste à créer une représentation virtuelle, un modèle numérique, du réel (terrain, bâtiments, abords, infrastructures en surface ou souterraines...) afin de pouvoir y effectuer des traitements, transformations et simulations, sans impacter la situation de terrain.

Les finalités sont nombreuses: tester de nombreux scénarios, concepts ou modèles de construction, simuler et anticiper l'impact de la modification de différentes variantes sur l'existant, assurer le suivi des activités sur un chantier et les valider, prédire et optimiser les opérations de maintenance...

Dans le secteur de la construction et de la rénovation, la technique des “digital twins” peut permettre de sélectionner le meilleur scénario de rénovation possible sur base de la signature énergétique du bâtiment, d'évaluer la pertinence du déploiement de différents types de réseaux d'énergie, de simuler l'opportunité et l'impact d'une nouvelle politique énergétique à l'échelle d'un bâtiment, d'un quartier ou d'un territoire...

Il devient possible de pré-tester, sur base de données réelles, la manière dont un design imaginé se comportera en réalité, selon les différentes contraintes ambiantes (matériaux, conditions atmosphériques, gravité, sécurité...).

En combinant données brutes (correspondant à la réalité - venant de multiples sources: bases de données, bases open data publiques, photos aériennes voire satellitaires, données de capteurs IoT...) et simulations numériques de scénarios, il devient par exemple possible de tester et de valider les procédures, les plans, les caractéristiques techniques des matériaux et des équipements, les règles de sécurité, l'impact d'une construction sur l'environnement...

Le modèle de simulation peut être statique ou dynamique, et inclure éventuellement des mécanismes IA, par exemple pour analyser automatiquement des images.

La valeur concrète d'une démarche “digital twin” exige toutefois de veiller à la complétude et à la qualité des données, rappelait Christophe Adriaensen de la société GIM lors de la conférence Construction 4.0.

La robotique

La robotique au service de la construction prendra à l'avenir des formes de plus en plus diverses. Le premier scénario auquel on pense est celui de l'inspection par des drones autonomes. Des modèles de grande taille et plus puissants ou des engins autonomes d'un autre genre pourront également acheminer des éléments de construction sur site.

Dès à présent, des projets de robots poseurs de briques ou d'éléments de construction, travaillant avec une extrême précision, sont à l'étude ou déjà testés.

La société Imax Pro d'Harzé, en province de Liège, développe et utilise des solutions robotiques pour l'usinage et la création d'ossatures en bois. Des robots se chargent de tâches telles que mise en place de panneaux, de clous, découpe, surfaçage, usinage de grumes, réalisant des structures complexes.

L'automatisation commence en amont par le biais d'une technique de scanning capable d'identifier les formes de troncs d'arbre et de définir ainsi l'usinage optimisé des grumes.

La société a ainsi pu rendre son processus de production plus efficace et moins onéreux. De nouveau développements sont en cours afin de modéliser et de scénariser virtuellement le “comportement” des robots dans leur environnement de fonctionnement. Le but: simuler des risques de collision avec des objets lors des mouvements et évolutions des robots, corriger les trajectoires et configurer la zone de travail de manière optimale.

L'Internet des Objets

Dans le secteur de la construction, l'IoT (Internet of Things) prend essentiellement la forme de déploiement de capteurs en tous genres, notamment pour le suivi de consommation énergétique (électricité, gaz, eau).

Lors de la conférence Construction 4.0, la société eWattch a ainsi énuméré une série de scénarios d'utilisation: surveillance de l'état des systèmes d'éclairage d'un chantier, suivi de consommation de grues ou centrales à béton, de la température interne d'un tableau électrique, détecteurs de présence, suivi des courbes de temps de chauffe et temps de veille (pour le calcul et l'optimisation du fonctionnement de machines), objectivation des temps de maintenance, notifications automatiques pour dépêcher un technicien en cas de besoin...

La réalité virtuelle et augmentée

L'AR/VR (réalité virtuelle et augmentée) peut être un outil intéressant dans plusieurs aspects des métiers de la construction.

En BIM, comme on l'a vu, elle permet par exemple de valider la pertinence des travaux réalisés, par rapport aux plans initiaux.

Elle peut aussi s'avérer utile pour l'apprentissage et la formation à de nouvelles compétences ou techniques ou encore pour sensibiliser aux risques de certaines situations sur le terrain. Pour encore accentuer son impact sur la rétention des connaissances, elle devient parfois une technique utilisée dans le cadre de jeux sérieux, tels ceux que développe la société montoise Drag On Slide.

L'exploitation des données

La collecte, la centralisation et l'analyse de données venant d'un nombre varié de sources peuvent s'avérer un outil puissant pour planifier le bâti, procéder à des rénovations de l'existant et mettre en oeuvre de nouvelles pratiques et politiques de construction davantage respectueuses de l'environnement, permettant de nous rapprocher des objectifs de neutralité carbone fixés au niveau européen ou local.

A Genk, l'institut de recherche en innovation énergétique EnergyVille (un partenariat entre l'agence flamande VITO, l'IMEC et les universités de Louvain et de Hasselt), élabore et explore des scénarios nouveaux au service de l'industrie et des pouvoirs publics afin de permettre le déploiement de bâtiments et de réseaux énergétiquement efficaces ainsi qu'un environnement urbain durable.

Une multitude de données sont captées et analysées (données géographiques, comportement d'utilisation et de consommation des ménages, données de surveillance de consommation...). Le centre de recherche développe par ailleurs des logiciels permettant de planifier de nouvelles infrastructures, formulant différents scénarios (incluant des dimensions de coûts d'investissement et d'évaluation du retour sur investissement) qui permettent de simuler et comparer l'impact et les atouts/inconvénients de différents types d'énergies renouvelables.

D'autres acteurs, tels que la société Knauf Energy Solutions, ont développé des solutions permettant d'objectiver l'impact de programmes de rénovation du bâti. La collecte et l'analyse de données, avant et après rénovation, au niveau d'un large parc de bâtiments permet d'évaluer la différence en consommations et, dès lors, de dimensionner et de planifier les infrastructures de production d'énergie (existantes ou futures).

Dans le secteur de la construction, comme dans d'autres, la collecte, l'exploitation et l'utilisation des données demeurent toutefois confrontées à de nombreux défis.

Du fait même de l'explosion des volumes et de la multiplication des types et formats de données, leur exploitation et intégration représente un défi non négligeable.

Idem en termes de  combinaison et d'intégration pertinentes d'informations historiques et de données temps réel (de divers formats et sources).

Profusion n'est pas forcément synonyme de raison. La nécessité demeure plus que jamais d'analyser soigneusement le potentiel de plus-value avant de les collecter et traiter.

La qualité des données et la nécessité de les structurer sont aussi des conditions fondamentales à respecter.

Cécile Goffaux, responsable développement commercial et innovation au Cenaero, concluait la conférence Construction 4.0 sur ce bon conseil: “Souvent les données ne sont pas structurées, ne sont pas ouvertes [open data], sont d'une qualité insuffisante et sont coûteuses. Le défi reste donc entier.

Il faut avant tout déterminer où on va les conserver, pour quels usages et comment les mettre au service des solutions plus pertinentes et moins onéreuses.”

Etude de cas: BESIX, groupe de construction et un des principaux entrepreneurs mondiaux

L'innovation ouverte comme levier de progrès

Petits ou grands acteurs de la construction peuvent être démunis face au renouveau technologique. Ils savent qu'ils doivent innover, s'approprier de nouveaux potentiels, mais ne disposent pas forcément en interne des ressources et/ou compétences nécessaires.

Lors de la conférence, le groupe Besix est ainsi venu expliquer comment il avait fait sien le principe de l'open innovation. Autrement dit, l'accueil en ses murs d'idées et de projets orientés solutions durables, portés par d'autres acteurs, en particulier par des start-ups ayant déjà atteint le stade de la maturité.

En 2016, le groupe a décidé de lancer un “accélérateur” pour start-ups (belges ou étrangères). Cinq sont sélectionnées chaque année. Conditions sine qua non: disposer d'un MVP (minimum viable product), de clients, proposer un produit ou une technologie capable d'améliorer le coeur de métier de Besix (surveillance énergétique via l'IoT, sécurité des chantiers, analyse de matériaux, surveillance de projets de construction avec des robots, plate-forme logistique colaborative...).

Cela permet à Besix de découvrir et d'explorer de nouveaux champs technologiques. Les relations avec les start-ups pouvant déboucher sur divers scénarios: amélioration ou pivotage d'un produit, découverte de nouveaux marchés, prise de participation, accord commercial...

Du numérique au coeur du métier

Les activités de Besix sont de plus en plus empreintes de numérique: BIM, conception paramétrique, production guidée par modélisation, automatisation des sorties de plan sur base de modèles 3D, surveillance de sécurité via IoT embarquée dans les casques, déploiement de drones sur chantier, impression 3D (béton mais aussi autres types de matériaux - en collaboration avec l'Université de Gand et le CSTC), bâtiments intelligents...

Dans ce dernier registre, Besix a équipé son QG de Rotterdam de capteurs surveillant les consommations électriques afin d'optimiser les coûts. En comparant les courbes et besoins de consommation avec les prix du marché de l'électricité, le bâtiment choisit de se fournir sur le réseau ou de solliciter les batteries qui l'équipent.

Le BIM (building information modeling) occupe également une place centrale chez Besix. Le groupe y voit un moyen indispensable pour améliorer la communication entre les différents corps de métier et acteurs d'un site de construction et, de manière encore plus fondamentale, pour récolter et pouvoir exploiter davantage de données et pour améliorer ainsi sans cesse les processus.

Exemples d'utilisation du BIM: utilisation lors de la phase de conception, pour de l'inspection de chantier, pour améliorer la planification (via intégration à l'ERP), ajout d'un potentiel de réalité augmentée afin de comparer le modèle ou le plan avec la réalité...

Numérisation, digital mapping et digital twins permettent par ailleurs de travailler sur les données d'un chantier même lorsque celui-ci n'est pas accessible (par exemple, en journée, pour la rénovation de ponts ou tunnels).

Les outils de simulation et de visualisation numérique permettent également de mieux planifier et définir les tâches des différents acteurs d'un chantier, optimisant les interventions en fonction des contraintes spécifiques de chaque portion ou élément du bâtiment.

Le groupe se lance également dans l'activité mixte de construction et exploitation d'hôtels. Le premier a vu le jour près de la Gare centrale d'Anvers. Le suivant sera construit à Diegem, près de Bruxelles. D'ici 2025, l'ambition est d'en avoir implanté dans 35 villes, pour un total de 7.000 chambres.

Le groupe maîtrise ainsi toute la chaîne et veut en profiter pour innover, tester de nouvelles technologies, en mode “living lab” pour des technologies venant de tierces parties, notamment les start-ups passant par son propre programme d'accélération.

L'hôtel d'Anvers applique par exemple une technologie biométrique développée par une start-up belge qui remplace l'usage des clés ou cartes magnétiques par l'identification de la paume de la main.

Focus sur nos experts numériques

 Ewattch développe des capteurs sans-fil et des services innovants principalement dédiés à la maîtrise énergétique, à destination de l'Industrie, du secteur tertiaire et des projets de Smart buildings.

www.ewattch.com

 Drag ON Slide développe des outils technologiques de formation/sensibilisation serious game notamment sur:

• les normes PEB
• les risques en entreposage
• la prévention des risque au travail

http://www.dragonslide.com

 GIM dispose d'une équipe de géo-experts qui aident les services publics, les entreprises, les institutions de recherche et les ONG à obtenir et exploiter des données cartogrpahiques.

http://www.gim.be

 INGESTIC comme "Smart Data Minded Company" accompagne la mise en oeuvre de systèmes d'information intelligents indispensables à la transformation numérique.

www.ingestic.be

 Cooperlink propose une plateforme permettant à des entreprises de la construction de collaborer sur leurs projets communs et automatiser leurs échanges de données chacun à partir de leurs propres outils dans le cadre du BIM.

www.cooperlink.io