Eléments simples, formes complexes - L'université comme milieu d'expérimentation

Rédigé par Stéphane BERTHIER
Publié le 01/09/2017

La coque textile constituée de filaments entrecroisés du Research Pavilion 2014-2015 d'Achim Menges rappelle le nid subaquatique d’une araignée d’eau.

Dossier réalisé par Stéphane BERTHIER
Dossier publié dans le d'A n°256 Une nouvelle génération de chercheurs, architectes, ingénieurs, mathématiciens, explore les possibilités de construction des architectures dites « non standard » qui ont émergé à la fin du XXe siècle avec l’apparition de l’informatique. Après le formalisme virtuel des premières heures, ces universitaires réinterrogent cette production à partir de ses conditions de réalisation. Ils inventent un registre architectural original, tectonique. Leurs travaux s’appuient désormais sur la constitution d’un continuum numérique, de la conception à la fabrication robotique, qui transforme profondément le caractère séquentiel de l’acte de bâtir.

À l’instar des structures spatiales tridimensionnelles développées dans les années 1960 par Robert Le Ricolais à l’université de Pennsylvanie ou par Konrad Wachsmann au Chicago Institute of Design, l’architecture non standard 2.0 s’invente à l’université. Mais plus que l’invention de formes exceptionnelles, le trait commun de ces laboratoires contemporains est certainement la recherche et le développement d’un continuum numérique, de la conception à la fabrication. Les équipes de recherche sont systématiquement pluridisciplinaires et associent l’architecture, les sciences de l’ingénieur, de l’informatique ou des matériaux, autour d’objets expérimentaux partagés. Il s’agit de petits pavillons ou simplement de sculptures-structures, aux formes étonnantes, souvent biomorphiques mais pas toujours, présentés in fine comme les démonstrateurs des connaissances nouvelles que les recherches ont créées.

 

 GRAMAZIO ET KOHLER A L’ETH DE ZURICH 

Les travaux de Fabio Gramazio et de Matthias Kohler à Zurich développent depuis près de dix ans la fabrication robotique appliquée à la construction d’édifices. Leur laboratoire Architektur und Digitale Fabrikation documente et expérimente une à une toutes les facettes de ces nouvelles possibilités. L’ouvrage The Robotic Touch, How Robots Change Architecture, publié en 2013, en dresse un inventaire détaillé. Les modes de fabrication expérimentés regroupent d’une part les outils de prototypage rapide comme les imprimantes 3D ou les fraiseuses CNC et d’autre part la robotique industrielle sur bras articulé capable de reproduire tous les gestes de l’artisan. Le projet Structural Oscillations de 2008 met en oeuvre une station de chantier robotique, installée dans un petit container transportable sur le lieu du chantier. Ce dispositif inaugure la possibilité d’une robotique foraine capable de construire des édifices en dehors du laboratoire. Le démonstrateur de cet outil est un mur de brique de 100 m de longueur, dont la double courbure oscille par rapport à ses axes verticaux et horizontaux, à la manière de la Cristo Obrero Iglesia d’Eladio Dieste. Cette forme, au-delà de témoigner de la dextérité du robot, confère au mur sa stabilité. Ce dispositif est réalisé par addition de briques standard et illustre la logique de discrétisation des formes complexes à partir de la répétition d’éléments simples. Un dispositif très similaire a été exposé à Orléans en 2013 pour l’exposition d’Archilab « Naturaliser l’architecture ». Cette foisci, les briques étaient mises en place une à une par une cohorte de drones. Le process constructif est aussi expérimenté en bois, à partir d’un robot à bras articulé, avec le Sequential Wall en 2009, sous différentes distributions algorithmiques des éléments constitutifs. Ce mur en bois deviendra une voûte en 2010 avec la Sequential Structure. Ces essais se poursuivent en 2013 avec Rubble Aggregations. Il s’agit d’une construction qui agrège intelligemment des roches irrégulières préalablement scannées en trois dimensions. Le programme informatique trouve ensuite la position idéale des roches les unes par rapport aux autres pour qu’elles s’assemblent de manière optimisée, inventant une sorte de stéréotomie aléatoire digitale. Ce que faisait sans doute déjà le paysan qui construisait un mur de pierres à joints secs pour délimiter son pré. Les outils robotiques expérimentent aussi la mise en oeuvre des matières molles, comme la mousse polyuréthane avec The Foam, présenté en 2008, dont les chercheurs tirent des formes alvéolaires économes de matière. À partir de 2012, le programme de recherche Smart Dynamic Casting poursuit ces essais avec l’extrusion du béton. Une série de poteaux torses extrudés est ainsi produite, qui démontre la mise au point des outils de coulage robotique, comme du matériau lui-même dont la viscosité et le temps de séchage doivent être maîtrisés pour s’adapter au process d’un coulage lent continu. 

 

ACHIM MENGES A L’UNIVERSITE DE STUTTGART

 L’université de Stuttgart présente quant à elle chaque année, sous la forme d’un pavillon, les travaux communs de l’Institute of Computational Design (ICD) dirigé par l’architecte Achim Menges et de l’Institute for Building Structures and Structural Design (ITKE) dirigé par l’ingénieur Jan Knippers. Ils poursuivent à leur manière la tradition du « chef-d’oeuvre », artefact d’exception qui conclut et synthétise les apprentissages, bien connu par les compagnons charpentiers. Le Research Pavilion 2015-2016 est une coque de 9 m de portée, discrétisée en une multitude de modules tridimensionnels ovoïdes, cousus entre eux. Cette architecture s’inspire de la structure des oursins plats de la famille des échinoïdes, dont le squelette est fait de petits éléments osseux, reliés entre eux par les ligaments fibreux qui lui confèrent sa souplesse. Une équipe scientifique formée d’architectes, d’ingénieurs et de biologistes s’est attachée à caractériser cette structure très particulière pour en comprendre la morphologie et le comportement. Elle l’a ensuite décrite sous forme d’algorithmes pour la modéliser en 3D. La forme continue mais non régulière qui en résulte est composée de 151 modules faits de fines plaques de contreplaqué, dont la forme cintrée est contrainte par une bande textile cousue robotiquement, aux trois extrémités. Chaque élément est à la fois rigide du fait de la contrainte donnée par la couture, et souple grâce à l’élasticité du matériau. Les modules ainsi préparés sont ensuite assemblés entre eux pour former la coque, à nouveau par une couture, manuelle cette fois-ci. Ces coutures répliquent la souplesse des connexions fibreuses du squelette des échinoïdes. Les panneaux de contreplaqué qui devaient être extrêmement minces pour être cousus ont fait l’objet d’une fabrication spéciale à l’université, afin que les fibres du bois suivent exactement les lignes des efforts, selon la position du module dans la coque. De la sorte, il était possible d’en optimiser l’épaisseur. Il en résulte une structure très légère qui couvre 85 m2 avec seulement 7,85 kg de matière par mètre carré. Le développement d’assemblages robotiques cousus comme la mise au point d’un contreplaqué spécifiquement adapté aux efforts de la structure nous indique la réciprocité complexe entre matériau, forme et fabrication robotique. Le Research Pavilion 2014-2015 est quant à lui une coque textile constituée de filaments entrecroisés qui en décrivent, de manière aléatoire, les lignes géodésiques. Cet objet expérimental s’inspire du nid subaquatique d’une araignée d’eau (agyroneda aquatica) dont la particularité est de former une bulle d’air sous-marine. À nouveau, une équipe d’architectes et de scientifiques a étudié le comportement de cette araignée durant la construction de son nid et a analysé les règles de design décrites par les trajectoires de dépôt de son fluide organique. Ces observations ont ensuite été codées sous forme d’algorithmes, modélisées en 3D, puis exécutées par un robot. Pour sa construction, une membrane en ETFE est d’abord gonflée pour servir de coffrage perdu. Le robot prend alors place à l’intérieur de cette bulle sous pression. Son bras articulé va peu à peu reproduire la trajectoire programmée d’agyroneda aquatica et dévider ainsi 45 km de fibres de carbone enduites de colle, à la vitesse de 0,6 m/min. En séchant, l’accumulation de fibres encroisées prend la forme d’une résille comprimée de 7 m de portée par 4 m de hauteur dans laquelle sont découpés, selon deux plans verticaux, les arcs d’entrée. Ce voile extrêmement mince qui ne consomme que 6,5 kg de matière au mètre carré renouvelle à sa façon le credo de Robert Le Ricolais : « Portée infinie, poids nul », à l’heure de la raréfaction des ressources naturelles. Ces travaux sont en même temps ceux de la mise au point de matériaux innovants tels que la fibre de carbone enduite de colle ou celle du développement de la tête de robot capable d’en assurer le dévidement régulier. Mais ces recherches peuvent aussi conduire à des réflexions tournées vers la thermodynamique, comme avec le Meteorosensitive Pavilion conçu en 2011 et exposé à Orléans pour l’exposition Archilab 2013 « Naturaliser l’architecture ». Cet objet expérimental, fait de panneaux de contreplaqué composite, exploite le différentiel de dilatation hygrométrique des deux faces du matériau pour fabriquer une architecture « vivante » capable de s’ouvrir ou de se fermer au gré des conditions atmosphériques. S’inspirant de la pomme de pin qui s’ouvre ou se ferme selon le degré d’humidité de l’air, ces plaques de contreplaqué possèdent une face insensible à la vapeur d’eau, donc qui se dilatera très peu, tandis que l’autre, très sensible, se dilatera beaucoup. La différence de dilatation entre les deux faces fera se courber la matière sous l’effet de l’humidité, ouvrant ou refermant des orifices dans l’enveloppe du pavillon. Cette recherche expérimente un dispositif intéressant de ventilation naturelle où le matériau lui-même est un capteur sensible à son environnement et peut réguler le confort intérieur d’une architecture, sans recourir à des équipements techniques consommateurs d’énergie. 

 

YVES WEINAND A L’EPFL 

Cette pluridisciplinarité de la recherche universitaire se retrouve aussi à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, dans les travaux récents du laboratoire de l’IBOIS, dirigé par Yves Weinand. Dans un court texte intitulé « The architecture studio as a model ? », il énonce son ambition d’organiser son studio d’architecture à l’EPFL comme un lieu de recherche hybride pour favoriser des interactions fertiles entre les différentes disciplines concernées par l’architecture. Le studio de projet d’architecture n’y est plus pensé comme le lieu où se miment des pratiques professionnelles sous l’autorité d’un architecte enseignant, mais il réunit au même endroit, et sur les mêmes objets expérimentaux, les approches de la recherche exploratoire (curiosity-driven) et de la recherche appliquée (problem-oriented). L’exposition « Timber Project », organisée en 2011, synthétisait les recherches exploratoires de nouveaux modes constructifs en bois, inspirés de la vannerie et de l’art japonais de l’origami. Ces travaux, menées au sein du studio d’architecture durant les sept semestres que présentaient l’exposition, se poursuivent scientifiquement au sein du laboratoire de l’IBOIS, avec plusieurs thèses en cours ou soutenues. Leurs sujets portent autant sur le développement de ces modes constructifs innovants, leurs caractérisations mécaniques, que sur la mise au point des outils numériques nécessaires à leur conception et à leur réalisation. En 2009, Ivo Stotz, architecte diplômé de l’EPFL, a soutenu « Iterative Geometric Design For Architecture1 », suivi en 2010 par Gilles Gouaty, ingénieur informaticien INSA, avec une recherche de doctorat intitulée « Modélisation géométrique itérative sous contrainte2 ». Ces deux recherches construisent une méthode numérique de discrétisation itérative des surfaces complexes en s’inspirant du mode de génération des géométries fractales. Leur but est de développer des solutions techniques pour le dessin et la production de projets architecturaux complexes se basant sur des géométries non standard. Les deux thèses présentent une série de prototypes réalisés en bois, à grande échelle, au sein du laboratoire. Elles illustrent aussi l’intérêt de la réunion des compétences des départements d’architecture, de mathématiques, d’informatique et d’ingénierie civile. Hani Buri architecte EPFL a soutenu en 2010 sa thèse « Origami – Folded Plate Structures3 », qui porte sur la mise au point de méthodes de modélisation numérique de structure plissées en vue de leur réalisation en panneaux de bois. Elle constitue une analyse architecturale, structurelle et mathématique des structures plissées. Ce travail est complété en 2015 par la thèse de Christopher Robeller architecte britannique, auteur de « Integral Mechanical Attachment for Timber Folded Plate Structures4 », qui élabore des assemblages bois-bois par découpe des bordures des panneaux, à la manière des assemblages à queue d’aronde des menuisiers pour éviter le recours à des connecteurs métalliques rapportés. Ces assemblages sont étudiés en termes de géométrie, de mécanique et d’usinage robotique. À nouveau, une série de prototypes réalisée au laboratoire de l’IBOIS vient appuyer la démonstration. Ces technologies trouvent aussi des applications en situation réelle comme avec la chapelle Saint-Loup, livrée en 2008 ou plus récemment le théâtre de Vidy, au bord du lac Léman, dont l’inauguration est prévue en septembre 2017. Les structures textiles font elles aussi l’objet de recherches approfondies. Markus Hudert architecte EPFL a soutenu en 2013 « Timberfabric : Applying Textile Assembly Principles for Wood Construction in Architecture5 ». Ce doctorat étudie les conditions de transfert des assemblages textiles sur les panneaux de bois minces ainsi que les différents types de canevas tridimensionnels adaptés à l’élasticité des panneaux de bois minces. Sina Nabaei en a ensuite étudié les caractéristiques mécaniques dans sa thèse « Mechanical Form-Finding Of Timber Fabric Structures6 » en 2015. Cette recherche visait à mettre au point un modeleur numérique de détermination morphologique (form-finding) des structures tissées qui intègre les caractéristiques élastiques des panneaux. 

 

ET EN FRANCE ? 

La France fait figure de parent pauvre de cette recherche orientée vers l’élaboration d’un continuum numérique. Toutefois, le laboratoire MAP-CRAI de l’ENSA de Nancy développe lui aussi, plus discrètement car avec beaucoup moins de moyens, des recherches similaires. Franck Besançon et Jean-Claude Bignon revendiquent ainsi un atavisme nancéen, depuis l’Union des Arts et de l’Industrie de l’École de Nancy au début du XXe siècle jusqu’au concept de création industrielle défendu par Jean Prouvé. Associés à l’ENSTIB d’Épinal, ils travaillent désormais sur l’élaboration d’une plateforme numérique continue de la conception à la fabrication dans la filière bois française et tentent d’associer les acteurs régionaux, universitaires et professionnels, à cette démarche. Deux expérimentations initialement présentées lors des Défis du Bois 2014, workshop annuel organisé par l’ENSA Nancy et l’ENSTIB, se sont depuis poursuivies sous forme de recherche de doctorat sous la codirection Jean-Claude Bignon et Gilles Duchanois. Oscar Gamez a soutenu une thèse sur la mise au point d’outils numériques de paramétrage et de fabrication robotique de structures alvéolaires aléatoires qui présentent l’avantage d’offrir un excellent rapport résistance/quantité de matière. Les panneaux de contreplaqué qui composent ces structures alvéolaires présentent des assemblages à queue d’aronde qui s’affranchissent des connecteurs métalliques. Julien Meyer, qui soutiendra sa thèse prochainement, expérimente quant à lui l’efficacité des structures pliées non développables, donc non assimilables à des origamis, puisque ces derniers sont toujours, par définition, tirés d’un patron plan. En revanche, ces formes non développables présentent l’avantage mécanique d’être plus difficiles à déformer. La mise au point d’outils numériques qui constituent l’objet de ces recherches est élaborée à l’ENSA tandis que les prototypes destinés à tester leur bon fonctionnement sont réalisés en partenariat avec l’ENSTIB. Pour décloisonner l’organisation des écoles françaises et favoriser la pluridisciplinarité, le ministère de la Culture et de la Communication soutient le développement d’une chaire « bois » en Lorraine, dont la convention est en cours de rédaction. Elle réunira les compétences régionales, universitaires et professionnelles de la filière afin d’en fédérer les compétences, espérant ainsi soutenir et amplifier cette dynamique de recherche. Toutes ces architectures non standard ne sont donc que la partie émergée, médiatique et architecturale de recherches qui se développent dans plusieurs champs scientifiques et techniques. Elles donnent une indication assez précise de ce que peut être une « recherche par le projet » lorsque ce dernier est entendu comme un outil de connaissance et prend la forme d’un objet expérimental partagé entre plusieurs disciplines scientifiques et artistiques. Il est néanmoins légitime de se demander si la production architecturale remarquable qui témoigne des recherches présentées n’est pas une forme d’autolégitimation et de valorisation d’ambitions technophiles. L’argument régulièrement avancé d’optimisation de la quantité de matière au service d’une démarche écologique est bien ténu et fait fi de l’énergie grise consommée pour produire ces objets légers, comme des investissements importants qui, depuis plus de dix ans, n’ont pas vraiment permis de construire plus que de délicieux démonstrateurs un peu narcissiques, à l’exception notable des deux édifices réalisés par Yves Weinand qui nous indiquent les possibilités d’application dans le domaine des équipements. L’architecture y devient surtout une forme de représentation du savoir après des siècles de représentation du pouvoir, pour autant que ces nouveaux savoirs, centrés sur les outils numériques, ne soient pas simplement une nouvelle forme de pouvoir qui s’approprie les gestes artisanaux séculaires, non plus en les appauvrissant comme le faisait l’industrie du XXe siècle, mais en leur substituant une dextérité robotique que seul un tout petit groupe élitiste, urbain et diplômé contrôlerait…

1. http://ibois.epfl.ch/page-20496-en.html, pages consultées le 9 juillet 2016. 

2. Ibidem. 

3. Ibidem. 

4. Ibidem. 

5. Ibidem. 

6. Ibidem. 


Lisez la suite de cet article dans : N° 256 - Septembre 2017

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