Construction en composites : penser autrement l'architecture

Rédigé par Karine DANA
Publié le 28/02/2018

Dossier réalisé par Karine DANA
Dossier publié dans le d'A n°260 Par sa légèreté et ses qualités structurelles tant qu’énergétiques, le composite répond de manière particulièrement pertinente aux exigences de notre situation contemporaine. Il offre la précieuse possibilité de re-questionner les relations au projet, qu’il s’agisse du rapport à la conception, au chantier et à l’espace tel qu’il peut être vécu.
À l’occasion d’une table ronde que nous avons organisée dans un café parisien, Christelle Chalumeaux, Jean-François Caron et Philippe Bancilhon débattent sur les forces actuellement en jeu dans ce nouveau territoire de projet que présente la construction en composites.

D’a : Quelles notions spécifiques sont en jeu dans la construction en composites et comment abordez-vous ce matériau ?

Christelle Chalumeaux : Construire en composites, c’est penser dans une autre langue ! Conceptuellement, l’assemblage d’une matrice et d’un renfort non miscibles, collaborant structurellement, est vieux comme le monde : la brique de terre crue avec paille, que l’on retrouve en Orient plusieurs millénaires avant notre ère, la pierre et les crampons d’airain, le béton… Artefacts faisant écho aux composites naturels : l’os, le bois. En revanche, ce qui est spécifique au composite, c’est la continuité surfacique et structurelle, avec la disparition possible de ressaut structurel et l’absence d’éléments unitaires à assembler mécaniquement entre eux. À supposer que l’on n’aborde pas le composite avec des profils pultrudés2 de type IPN, bien sûr… Le vocabulaire matériau et la syntaxe sont très spécifiques. On est face à un matériau « sans forme », dépourvu de qualité formelle propre : une situation des plus singulières. Ainsi, lorsque l’on entre dans un processus de projet, on aborde l’espace à partir d’un matériau non présent précisément, comme à partir d’un « vide » ou plutôt de « beaucoup de possibles ».

Jean-François Caron : À la différence des briques ou des parpaings, les composites présentent des caractéristiques différentes selon leur orientation. Cela change tout ! Intrinsèquement, quand on raisonne « composite » pour la construction, on doit donc penser en termes d’« anisotropie ». Et à partir du moment où l’on maîtrise les directions dans lesquelles vont les fibres et dans lesquelles passent les efforts, on est alors capable d’optimiser une structure. C’est une propriété des composites qui a d’ailleurs permis aux avions de s’alléger.
En tant que chercheurs, nous nous efforçons de trouver des applications sur mesure : possibles uniquement avec les composites. C’est là qu’il faut commencer à s’interroger. Or aujourd’hui, les composites sont surtout abordés comme une innovation par reproduction, par transfert d’idées. C’est bien mais insuffisant à mon avis. À partir d’un système constructif IPN en acier, on se contente souvent de le transposer aux matériaux composites en se disant que ça sera plus léger, plus résistant, plus durable, etc. Il faut plutôt repenser le concept structurel dans son ensemble en l’associant au nouveau matériau. En utilisant par exemple la propriété de flexibilité des composites.

C.C. : Tout à fait ! Et si on ne les aborde pas à partir de ce qu’ils sont et permettent, mais simplement par transposition d’un système constructif existant en optimisant à la marge, on se prive d’une ouverture « typologique » de la construction et de l’espace architectural impliquant les perceptions physiques, la dimension symbolique et culturelle…

Philippe Bancilhon : Vos réflexions me rappellent un propos de Jean Prouvé : « Ce qui m’inquiète, c’est ce que l’on fait avec les matériaux nouveaux, plus exactement ce que l’on ne fait pas3. » À ce titre, il est passionnant de revenir à sa vision sur la construction composite. Son intérêt pour ce matériau se concrétise en 1965 avec la proposition de Saint-Gobain d’étudier un procédé constructif précisément en composites. De cette collaboration va naître la maison « plastique » Saint-Gobain/J. Prouvé. La recherche de Prouvé se situe alors au croisement des conceptions de ceux qui abordaient ce matériau pour sa capacité à travailler en coque – de manière très souple et très libre – et de ceux qui utilisaient les systèmes constructifs traditionnels poteaux-poutres en béton ou acier. Pour cette maison, Prouvé développe des poteaux en croix et des panneaux sandwichs en composites. Il met au point des surfaces rigides et légères, composées de mousse de polyuréthane armée de fibre de verre et de résine. Cette recherche appliquée lui permettra de développer par la suite les fameux panneaux Matra des stations-services Total (J. Prouvé/L. Pétroff).

D’a : Les conditions de pensée et de production d’un projet en structure composite ont-elles évolué ?

J.-F. C. : Selon moi, construire en composites doit être aujourd’hui indissociable de logiques de processus. Il y a en effet une infinité de types de fibre et de résine. Et s’il y a processus, il devient alors pertinent de parler de productivité. Voilà cinquante ans qu’elle n’a pas augmenté dans le monde du bâtiment ! Cette réflexion n’est pas vraiment menée dans le monde de la construction architecturale alors qu’elle se pose dans celui de l’aéronautique et de l’automobile de manière évidente.
À ma connaissance, il n’y a toujours pas eu d’expérience probante dans le bâtiment où le processus lié au composite se rapporterait à celui de l’aéronautique. Il y a bien sûr quelques tentatives mais elles sont cantonnées aux milieux universitaires. Il faut bien avoir en tête que les composites ne sont pas issus des métiers du bâtiment mais des métiers de la construction navale, aéronautique et automobile. Dans ces domaines, des formes complexes sont aujourd’hui construites avec des composites via le digital, le numérique et la robotique. C’est une occasion de penser les ouvrages autrement et cela change la manière d’appréhender un projet. Il est grand temps que les procédés du monde de l’industrie se propagent dans le monde de la construction architecturale. Cela commence à se produire ! Au sein du laboratoire Navier, par exemple, nous travaillons à une problématique de construction numérique – via la construction additive ou la robotisation, par exemple. C’est une première entrée. En effet, dès lors que l’on fait déjà l’effort de parler numérique, robotique, digital dans le secteur de la construction, qu’il s’agisse de béton ou de composite, finalement, cela ne change pas grand-chose…

P. B. : Le composite structurel n’est pas très répandu. Cela reste exceptionnel et concerne souvent des bâtiments très coûteux ou des ouvrages d’art très particuliers. Comment sortir de cette rareté pour que le composite existe dans un catalogue classique qu’un architecte peut utiliser ?
Dans ma pratique professionnelle et en situation de marché public, je ne sais pas intégrer du composite dans mes projets car je ne vais pas en maîtriser l’économie. C’est rédhibitoire sur un marché courant avec un budget serré. C’est une vraie question. Aujourd’hui, l’usage des composites en construction est trop inhabituel pour qu’on en contrôle vraiment l’impact financier.
Mais en tant qu’architecte, notre enthousiasme est intact : bénéficier d’un nouveau matériau qui de surcroît revêt des qualités uniques – légèreté, résistance, très bonne tenue à l’usure, à la corrosion, à l’eau, etc. – est absolument passionnant. Et je pense que son développement va finir par éclater. Il y a une vraie révolution depuis quelques années dans la plupart des domaines de la vie, mais pas encore dans le bâtiment.

C. C. : Si l’on part vraiment de la capacité de ce nouveau matériau, les allers-retours propres au projet – entre le matériau et l’espace projeté – s’en trouvent fondamentalement modifiés. Il faut faire un double mouvement, « descendre » dans la « substance » : faire le choix de la matrice et du renfort pour composer son matériau, et en même temps « monter » dans la mise en forme en décidant des procédés. Si l’on considère que la matière, le matériau et la matérialité sont trois entités liées, il y a donc un enjeu pour la conception, à chaque articulation. Toutefois, dans la pratique courante du projet, on se heurte évidemment aux conditions de production. Aujourd’hui, la filière composite n’étant pas en place pour la production architecturale, l’engagement des acteurs avec lesquels on construit est plus déterminant que jamais. Il n’est pas facile de trouver des industriels qui vont jouer le jeu quand on construit à 1 000 euros du mètre carré, dans des délais courts. Cela constitue une limite à l’intérieur de laquelle il faut jouer pour développer les composites – en dehors de situations de recherche. Il y a des grandes avancées dans la formulation des matrices, dans le contrôle, mais globalement, la production semble se faire aujourd’hui dans les mêmes conditions que celles posées par Arthur Quarmby dans son ouvrage publié en 1974, The Plastics architect : un cadre contraint par le coût d’investissement de l’outillage et du moule. La robotique dont tu parles, Jean-François, va naturellement produire la rupture de ce cadre.

D’a : Et comment questionner – par l’architecture – les propriétés liées à ce nouveau matériau ?

C. C. : En confrontant les propriétés des composites avec les situations architecturales. À ce titre, les recherches relatives à la thermique d’été me semblent passionnantes à mener avec les composites, des matériaux à très faible inertie. Une approche située est indispensable à développer en travaillant et maillant finement l’implantation du bâtiment, la typologie et des dispositifs élémentaires pour tirer parti ou compenser cette caractéristique. Par ailleurs, on vante souvent les propriétés d’étanchéité parfaite des matériaux composites qui, effectivement, les placent en très bonne position au regard des nouvelles réglementations thermiques en France. Or, en tant qu’architecte, je trouve qu’il peut être intéressant de moduler cette qualité en travaillant la perspirance des parois. En ce sens, se rapprocher du développement du secteur du sportswear offre une piste de recherche bien stimulante.
Il me semble que, fondamentalement, construire en composites permet de travailler la porosité avec l’extérieur. Leur légèreté, leur faible épaisseur, leur possible translucidité, leur souplesse renversent notre relation à la structure et notre imaginaire des systèmes constructifs. Et par conséquent, cela modifie notre perception de l’espace. Phénoménologiquement, quand on vit dans une maison en composites, il y a un bouleversement profond du rapport à l’acoustique, au déplacement et à la diffusion de la lumière du fait qu’il n’y ait plus de ressauts de poutres et donc plus d’ombre portée, que les surfaces soient continues, que la structure puisse être translucide, que le sol puisse être souple…

P. B. : Oui ! Ces propriétés renvoient à l’imaginaire de la peau. Une notion effectivement peu explorée aujourd’hui au plan de la réceptivité. Nos bâtiments sont souvent constitués d’éléments agrafés, vissés. Or, raisonner en termes d’enveloppe structurelle légère change beaucoup de choses au plan de la conception et de la perception des espaces.
Dans les années 1960, Jean-Benjamin Maneval travaillait sur des maisons-bulles à six coques assemblées. Il cherchait un continuum de surface mais également une continuité entre la peau intérieure et le mobilier qui était intégré. Même si les espaces étaient finalement assez contraignants pour les habitants, notamment car ils étaient petits, ces recherches ont cependant induit cette idée de forme continue.
Il me semble également important de signifier que le composite permet de faire entrer la précision dans le monde du bâtiment, un univers assez imprécis où l’unité de mesure est le centimètre contre le millimètre quand on travaille en composites. Cette augmentation de résolution peut modifier la façon de concevoir les bâtiments aujourd’hui.

De nouvelles pistes d’exploration sont-elles en train de se dessiner ?
J.-F. C. : Le composite permet de construire en vraie 3D ! Au sein de notre laboratoire, nous explorons la déformabilité des composites pour générer de la forme, et donc de la rigidité. Tout en restant élastique, ce matériau est beaucoup plus déformable que le bois ou l’acier. Cette caractéristique est très peu utilisée dans la construction architecturale alors qu’elle l’est dans le sport et le loisir : les perches de saut, les skis, les raquettes de tennis en découlent… Et s’ils sont déformables, les composites sont donc aussi des matériaux formables. Cette idée nous a conduits à réaliser – avec le bureau d’études T/E/S/S – la cathédrale éphémère de Créteil, à partir d’une structure en gridshell. Celle-ci relève d’une démarche en deux temps : à partir de joncs en fibre de verre, on réalise une grille que l’on vient déformer, puis on rigidifie la forme obtenue. On peut alors simplement trianguler cette grille en ajoutant des barres pour fixer et figer la structure qui devient ainsi une coque, au sens structurel. Ou encore, l’on peut tout aussi bien y projeter une fine couche de béton ou tendre des câbles métalliques pour apporter la raideur.
Ce système constructif (proposé pour le bois par Frei Otto, de Stuttgart, dans les années 1970) permet d’éviter de construire d’abord une forme – de type moule ou cintre – pour générer une forme finale. Celle-ci est obtenue par le seul déploiement de la grille. Les applications de ces structures en gridshell sont très diverses. Il est possible de fabriquer toutes sortes d’espaces de grandes portées – espace public couvert, halle, structure à végétaliser – ou de mixer cette approche avec une logique de construction traditionnelle.

P. B. : Les gridshells peuvent également répondre à des programmes d’équipements sportifs. Il y a aujourd’hui une vraie demande sur les enveloppes, pas forcément chauffées mais juste couvrantes.
Un autre domaine où les composites peuvent devenir intéressants : le secteur de la menuiserie. Aujourd’hui, nous avons le choix entre l’aluminium – très conducteur –, le bois qui vieillit mal ou demande de l’entretien, ou le PVC qui est assez mou. Les composites ne se dégradent pas comme le bois, ils sont beaucoup plus rigides que le PVC et leurs qualités d’isolation sont très supérieures à celles de l’aluminium.

J.-F. C. : Absolument ! Et avec la RT 2020, les exigences en matière d’isolation thermique vont devenir énormes ! Les vitrages deviennent hyper-performants mais la conductivité thermique des huisseries reste très importante, même avec des rupteurs. C’est une occasion pour les composites de s’imposer sur le marché et d’habituer le public à leur présence.

C. C. : Pour revenir sur l’utilisation structurelle, je pense aussi que les matériaux en composites répondent bien aux situations des milieux denses et contraints, du fait de leur légèreté, qui impacte faiblement les fondations, et du faible encombrement structurel qu’ils offrent. C’est une nouvelle piste d’exploration défendue d’ailleurs par l’architecte Luc Boulais, au sein de l’agence artificial architecture, qui a réalisé différentes interventions – greffes, surélévations, extensions – en situation urbaine dense tout en explorant diverses solutions structurelles et qualités spatiales. Les éléments sont réalisés en atelier et nécessitent un minimum d’assemblage sur site, ils sont facilement grutables et permettent ainsi d’intervenir rapidement, avec une grande facilité de manipulation.

P. B. : La vitesse de mise en œuvre est en effet fondamentale en situation urbaine. Cela permet d’économiser beaucoup d’argent… Aujourd’hui, ces surélévations ou extensions sont souvent construites en bois car on sait en maîtriser les coûts et la filière. Le composite correspond, quant à lui, à une plongée dans l’inconnu. La chaîne de production n’est pas du tout maîtrisée. On ne sait pas trop à quelle entreprise s’adresser, ni comment on va poser les panneaux.
Il est urgent que des industriels s’intéressent aux composites pour fabriquer des prototypes et réaliser des tests. C’est ce qui manque dans ce domaine. On ne peut pas toujours invoquer la question du faible volume des commandes pour expliquer ce qui freine le développement de la construction en composites pour l’architecture.

D’a : L’avenir du composite ne passera-t-il que par son industrialisation, ou bien de nouvelles voies s’ouvrent-elles via le numérique et la robotique ?

J.-F. C. : Si l’on regarde ce qui a été réalisé de manière non industrielle dans les années 1960, par exemple, et ce que Pierre Colleu a conçu depuis, on peut imaginer qu’avec des techniques sous vide, des moyens finalement assez légers, on peut réaliser des pièces de très bonne qualité en préfabrication et artisanalement. Avec 50 000 euros, on peut aujourd’hui acquérir un robot six axes…
À l’École des Ponts, les meilleurs makers4 que nous ayons – les makers étant sans doute les artisans de demain – sont des étudiants en école d’architecture. Ils sont passionnés par l’architecture numérique. Ils ont développé des socles, des plateformes, et travaillent main dans la main avec le plus grand fabricant de robot. Il n’est donc pas certain que l’avenir du composite dans le bâtiment soit nécessairement rattaché à son industrialisation.

P. B. : La vraie problématique tient à ce qu’on ne construise que des prototypes, dans le bâtiment. On fait très peu de séries. On a essayé dans les années 1950 et on a vite abandonné ! À ce titre, le numérique pourrait en effet ouvrir le champ de nouveaux développements des composites. On pourrait faire des prototypes ou de la petite série sans générer de coûts importants ou sans avoir besoin de produire de gros volumes pour amortir notamment les moules.

C. C. : Dans les années 1970, Gaetano Pesce avait déjà cette visée de la fabrication sérielle non standard et il a travaillé par la suite en introduisait un algorithme pour amener de la variation dans le cycle de production d’objets en série. On retrouve le travail de recherche de production d’objets non standard avec le laboratoire Objectile, fondé par Patrick Beaucé et Bernard Cache, au milieu des années 1990. Cette approche n’est pas propre aux composites mais elle est liée à celle du continuum numérique et à l’évolution des machines-outils. La robotique ouvre une nouvelle voie et offre la possibilité d’inventer une autre manière de faire, hors de la logique binaire traditionnelle « artisanat ou industrie ». Robotique et artisanat ne s’excluent pas l’un et l’autre. Situation intéressante. Par ailleurs, la production de masse n’est plus une contrainte économique liée à un amortissement du coût de l’outillage, on peut fabriquer sur mesure : une seule unité ou produire des objets tous différents à l’intérieur d’une petite ou grande série. Et les composites se prêtent particulièrement bien à ce nouveau jeu. Aujourd’hui, avec l’avancée dans les domaines de la robotique et de la formulation de la matrice, on peut fabriquer en 3D dans l’espace et sans moule. Nous aurons d’ailleurs l’occasion de développer cette approche lors du prochain colloque à l’ENSA de Nancy5.

J.-F. C. : Tout est paramétrique et paramétrable aujourd’hui. Tous les outils sont là pour faire diversifier les séries… Je pense que la robotique sera le cheval de Troie pour le développement des composites.
Par ailleurs, ces matériaux sont très intéressants à associer à du béton ou à du bois, par exemple. On utilise déjà leur apport pour la réparation de structure, pour ajouter de la raideur, ou pour répondre à des pathologies, à des problèmes de fissuration ou de corrosion. Ce marché est gigantesque. On consomme des quantités de carbone incroyables pour renforcer structurellement des ouvrages. Mais cela reste assez artisanal. Sur ce point, le numérique pourrait améliorer la qualité de pose, le contrôle et la gestion des matériaux en phase chantier. Et ce qui différencie le monde du bâtiment de l’automobile et de l’aéronautique, c’est bien la phase chantier. Amener le numérique sur des sites est un vrai challenge.
À ce propos, on a proposé sur Paris Est un gros projet de recherche nommé DiXite, comme Digital Construction Site, qui s’étend également aux sciences humaines et sociales. En effet, quelle acceptabilité par le citoyen peut-on attendre de ces révolutions et que devient le métier d’ouvrier si les robots font le travail ? Et parallèlement à cette question trop évidente, on entend souvent dire que l’on peine à trouver de la main-d’œuvre pour travailler sur les chantiers. Il va peut-être s’opérer là une transition naturelle…

D’a : Justement, quel est l’impact du numérique sur un chantier et comment s’y raccroche le composite ?


J.-F. C. : Les entreprises Bouygues et Vinci testent aujourd’hui de nouvelles situations. Ils ont notamment lancé la fabrication d’exosquelettes qui posent des problèmes d’usage, car ils ne peuvent pas être ôtés par la seule personne qui porte la protection. On comprend très vite à quel point tout va être rejoué.
Le numérique sur le chantier va devenir incontournable. C’est formidable car tout est à régler et à réinterroger : la gestion de l’imprévu, l’intelligence artificielle de tous les engins, la préfabrication sur chantier, la préfabrication nomade… dans un tel environnement, les composites auront beaucoup d’atouts.

P. B. : Aujourd’hui, les conditions de chantiers sont encore sales, il y a de la boue, de la poussière. On a du mal à amener du numérique dans cet univers très agressif. En ce qu’ils véhiculent de « propreté », notamment pour leur part de production en atelier, les composites pourront modifier la façon dont les chantiers vont se dérouler. Ils sont propices à l’avènement du numérique sur les sites.

C. C. : Oui… et considérer tout autrement l’espace de production. Au-delà du numérique, l’une des caractéristiques des chantiers en structure en composites est la réduction des interfaces métiers et des interfaces matériaux. En effet, le composite permet l’intégration des fonctions – les chéneaux, la lumière… Ce qui a un impact également sur la maintenance.

P. B. : En intégrant de plus en plus d’éléments dans les panneaux, le métier de maçon devient un métier de monteur. C’est une tendance claire. Et ces montages pourront être robotisés et assistés.

D’a : Certains industriels sont-ils aujourd’hui intéressés par le développement du composite comme matériau pour l’architecture ?

P. B. : Dans les années 1960, les industriels de l’énergie – les Charbonnages de France, Total ou encore Elf Aquitaine – ont investi des sommes relativement conséquentes dans la construction architecturale en composites. Il y avait à l’époque une réelle croyance dans ce développement porteur d’une utopie sociale. On vivait dans le futur ! Mais aujourd’hui, je ne sens pas cet élan, je n’ai pas l’impression que stratégiquement les industriels soient intéressés par de telles évolutions, mais cela peut survenir prochainement !
Le lien entre architecte et industriel n’existe peut-être plus vraiment… Dans les années 1960, certains architectes comme Prouvé, Maneval ou Schein étaient capables d’entraîner de grands industriels. Et inversement, les industriels étaient prêts à entrer dans l’aventure. Aujourd’hui, on pourrait attendre d’un acteur comme Saint-Gobain – incontournable dans la fabrication de matériaux pour le bâtiment et dans la fibre de verre – qu’il revienne dans le jeu de la construction en composites. Or, on ne les sent pas s’intéresser à ce matériau… Ils sont en revanche impliqués dans le numérique, la robotisation ou l’impression 3D, c’est certain ! Là encore, le composite pourrait arriver en embuscade, comme étant une solution très efficace.

J.-F. C. : Les industriels investissent beaucoup dans le composite pour l’automobile. Il leur faut certes du volume, mais à l’échelle du bâtiment la question des quantités peut être très importante. Solvay, par exemple, produit des résines biosourcées qui commencent à être vraiment pertinentes. Ils ont mis sur le marché des produits que l’automobile est en train de développer. Par ce biais-là, les composites devraient infuser dans l’automobile. Et ces nouveaux produits pourraient potentiellement servir le bâtiment.

Les « biocomposites » constituent-ils aujourd’hui une réelle piste de développement ?

J.-F. C. : Il faut encore trouver les bons schémas ! Une des problématiques des matériaux biosourcés tient à un paradoxe : on part du principe qu’ils sont durables car biosourcés, mais ils ne le sont pas puisqu’ils sont biodégradables. Or une structure dégradable pose certains problèmes… Les profilés biosourcés testés aujourd’hui sont très hydrophiles. C’est un problème, mais il ne s’agit peut-être que de nouveaux dispositifs techniques à mettre en place. D’autre part, si l’on pouvait fabriquer des biopolymères sans prendre la place des terres agraires et emprunter d’autres voies, comme celles du recyclage, ça serait intéressant… En ce qui concerne les fibres végétales, il y en a de très bonnes – telles que le chanvre, peu gourmand en eau, et le lin – qui peuvent avoir la qualité de la fibre de verre. Il existe des produits industriels pré-imprégnés en rouleaux qui contiennent de la résine et de la fibre de lin. Decathlon construit beaucoup d’objets à partir de ce genre de matériaux. Bien sûr, les performances mesurées ne sont pas aussi régulières que celles des fibres de verre et dépendent des années et des récoltes. Les sciences du vivant sont des sciences très complexes. Et au final, il ne faut pas que cela finisse parfois comme pour le bois : chargé de produits toxiques !

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