Comment utiliser le format IFC pour les analyses énergétiques réglementaires ?

Depuis son origine, le BIM est considéré comme un outil permettant d’optimiser la performance énergétique du bâtiment dès la phase de conception. Dans le cadre de ses projets, BIM In Motion a su mettre en place des processus Open BIM. Afin d’étudier comment mieux exploiter les données du format IFC pour les analyses énergétiques, nous réalisons régulièrement des recherches, en partenariat avec des bureaux études environnementaux et des éditeurs de logiciels.

Nous travaillons notamment avec le bureau d'études Vivien, dont voici un court témoignage qui permettra de resituer le contexte des recherches présentées dans cet article.

Pourquoi le bureau d’études VIVIEN a choisi de travailler en open BIM ?

"À l’heure d’une transformation des modèles collaboratifs et d’une montée des valeurs écologiques, le secteur du BTP doit assurer sa transition écologique de pair avec sa transition numérique.

Depuis 2018, le BE VIVIEN travaille sur les enjeux du BEM ; Building Environnement/Energy Modeling.

Forts d’un savoir-faire de plus 38 ans en ingénierie fluides, thermique et environnementale, nous menons nos expérimentations BEM internes sur les calculs thermiques à partir des maquettes numériques. Ces dernières nous ont aidé à identifier deux problématiques majeures pour la filière des bureaux d’études spécialisés :

• Les approches CLOSED BEM sont selon nous, inadaptées pour les bureaux d’études spécialisés. Elles ont pour impact de démultiplier les investissements logiciels et de formation auprès des professionnels sans garantir une méthode de travail déployable à tous les projets d’un bureau d’études. En effet ces méthodes suggèrent que la majorité des partenaires architectes ne travaille qu’avec un seul outil (Exemple : REVIT). L’approche CLOSED BEM peut être une solution dans le cas d’approche anglo-saxonnes ; « architecture et ingénierie intégrées ».
• Les approches OPEN BEM ont quant à elles mis plus de temps à se développer dans les mœurs de l’ingénierie énergétique et environnementale. Les formats initialement propices et adaptés à ces usages (Ifc4 et gbxml) ont montré d’importantes lacunes sur les aspects de la collaboration projet, de l’interopérabilité et de l’itération de données.
• Cette approche a évolué et plusieurs éditeurs ont progressé sur l’ifc2x3, résultat : un gain de temps considérable pour les bureaux d’études spécialisés sur les temps de remodélisation et de ressaisie. L’effort aujourd’hui est à mettre sur l’aspect collaboratif et itération de données dans les maquettes ifc2x3."

"Au BE VIVIEN, nous aimons penser que le BIM apporte son aide dans la réflexion « d’éco-conception » en facilitant les échanges entre les acteurs du projet pour gagner en qualité dès les premières phases. Dans un contexte environnemental en pleine mutation nous pensons que la maitrise des interopérabilités énergétiques, thermiques et environnementales sur les aspects itératifs et collaboratif permettra à terme aux acteurs de capitaliser sur le BIM pour entrer dans la nouvelle ère du BEM ; un processus de travail standardisé basé sur les maquettes numériques pour les calculs énergétiques et environnementaux.

Dans le cadre de notre recherche et développement, notre équipe a souhaité s’associer à l’entité BIM IN MOTION pour creuser le sujet de l’utilisation du format Ifc pour mesurer les performances énergétiques ; usages BEM ; Bbio, Cep."

Au démarrage de nos recherches, les logiciels de calcul réglementaires ont dû être analysés.

La plupart de ces logiciels (Pleiade d’Izuba, CYPETherm de Cype France, THERMSTD de Perrenoud…) intègrent le moteur de calcul COMETH du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB). Ce moteur de calcul ouvert permet aux éditeurs de développer leurs propres logiciels, tout en respectant la méthode de calcul définie par le gouvernement. Quant à l’utilisation des maquettes numériques BIM (au format natif ou IFC) pour les analyses énergétiques, la plupart des solutions interprètent les métrages du bâtiment sans trop de difficultés. Et pourtant, l’utilisation du format IFC fait encore face à des contraintes : la nécessité de saisir des données supplémentaires pour les calculs, notamment le zonage, les ponts thermiques, les matériaux…

Afin de faciliter la collaboration entre les acteurs de construction pour les analyses énergétiques, nos travaux visent à développer une méthode de transmission de données IFC vers le format d’entrée du moteur de calcul COMETH du CSTB (XML).

Transmission entre l’IFC et le moteur de calcul énergétique

Correspondance entre IFC et le moteur de calcul COMETH

Une des limites relevées dans les articles scientifiques est le manque de définition des données demandées pour le calcul énergétique à intégrer dans le modèle BIM (Pinheiro et al., 2018b) (Gao et al., 2019b). Afin de pallier ces limites, nous avons établi un tableau de correspondance entre le moteur de calcul COMETH et le format IFC. Les paramètres d’entrée du moteur COMETH sont identifiés selon les référentiels des éditeurs de logiciels. Ensuite, nous avons identifié les paramètres du format IFC qui peuvent être traduits en paramètres pour COMETH, par exemple les données des espaces, les données des parois… Ce tableau de correspondance permettra la conversion du format IFC en format d’entrée du COMETH pour réaliser les simulations énergétiques.

Détection des ponts thermiques et affectation des catégories des ponts thermiques

La catégorie du pont thermique dépend de la catégorie, la composition structurelle et la position de l’isolant des parois concernées. Dans le cadre de notre recherche, les ponts thermiques sont détectés en se basant sur les relations IFC, par exemple :

• Pont thermique mur - mur :  IfcRelConnectsPathElements. Cette relation Ifc met en relation deux murs en contact. La relation objectivée fournit toutes les informations supplémentaires nécessaires pour caractériser le pont thermique entre deux murs en se basant sur leurs compositions structurelles. Le linéaire du pont thermique prend la longueur de contact de deux murs.
• Pont thermique menuiserie – mur :  IfcOpeningElement, IfcRelVoidsElement. Pour affecter la bonne catégorie du pont thermique, il faut se baser sur la composition structurelle, les matériaux de la menuiserie (porte, fenêtre) et le mur concerné. Dans le format Ifc, il n’y a pas de relation directe entre les menuiseries et les murs. Donc, IfcOpeningElement et IfcRelVoidsElement seront utilisés pour mettre en relation les menuiseries avec les murs.

Après la détection des arêtes sur l’enveloppe du bâtiment, les catégories des ponts thermiques et leurs propriétés peuvent être attribuées selon les données des objets concernés. Pour les calculs réglementaires, les propriétés thermiques de pont thermique ont des valeurs forfaitaires définies dans le référentiel du CSTB.  Notre méthode de calcul du pont thermique ne concerne que des entités Ifc standards. Par conséquent, elle n’a pas d’exigence supplémentaire pour la modélisation BIM.

Workflow préliminaire

Dans un premier temps, la fiabilité de notre méthode de calcul a été vérifiée en utilisant les outils existants. Dans ce workflow préliminaire, la transmission de données IFC vers le format d’entrée du moteur de calcul COMETH du CSTB est réalisée par le biais d’un fichier gabarit Excel.

La transmission de données IFC vers le moteur de calcul COMETH se compose de 3 étapes :

• D’abord, les données issues du modèle IFC de test sont chargées dans le gabarit Excel.
• Deuxièmement, les données supplémentaires nécessaires pour le calcul sont intégrées dans le gabarit Excel : paramètres du bâtiment, paramètres de la zone, propriétés thermiques des matériaux. Une fois que toutes les données demandées sont intégrées, le gabarit Excel est exporté en XML.
• Enfin, le fichier XML est importé dans le logiciel de calcul pour réaliser la simulation. En principe, tous les logiciels de calcul RT 2012 peuvent importer le fichier d’entrée sous le format XML.

Evaluation de la méthode proposée en utilisant les modèles de test

Afin d’évaluer la méthode proposée, nous l’avons testée en utilisant deux maquettes IFC.

Maquettes IFC pour l’expérimentation de la méthode proposée

Deux calculs indépendants ont été réalisé pour chaque maquette :

• Méthode traditionnelle : à partir de la maquette IFC, le bureau d’études Vivien remodélise le bâtiment et réalise le calcul RT 2012 dans Pléiades.
• Méthode proposée : les données de la maquette IFC sont transmises dans un fichier XML pour le calcul RT 2012.

Dans cette évaluation, l’indicateur Bbio de RT2012 obtenu par les deux méthodes ci-dessus ont été comparés. Les résultats obtenus pour les deux méthodes sont assez similaires : 0 % d’écart pour le modèle 1, 10% d’écart pour le modèle 2. L’écart du modèle 2 est dû à la différence géométrique entre le modèle IFC et le modèle remodélisé dans Pléiade . Cet écart sera étudié et amélioré dans les prochaines expérimentations.

Evaluation de l’expérimentation

A ce stade, Nous avons donc fait une expérimentation complète de la transmission de données entre une maquette IFC et le logiciel de calcul thermique. Les avantages et limites du workflow actuel sont synthétisés dans le tableau ci-dessous. Les limites d’ordre informatique peuvent être réglées en développant un outil spécifique dans les prochaines étapes de cet axe de recherche.

Discussion et perspectives

Afin d’améliorer les limites identifiées, les prochaines étapes de nos travaux visent au développement d’un Plugin sur la plateforme BIMData.io.

L’implémentation de ce futur Plugin a deux objectifs :

• Créer un flux de données bidirectionnel entre l’architecte et le thermicien. Par exemple, à l’issue des analyses énergétiques, le thermicien peut créer des BCF sur la plateforme collaborative pour proposer à l’architecte des solutions pour améliorer la performance du bâtiment : position des isolants, emplacement des fenêtres… Le futur plugin pourra permette d’enregistrer les données alphanumériques dans la maquette IFC à l’issue du calcul : propriétés thermiques de matériaux, type de vitrage…
• Rendre notre méthode accessible aux bureaux d’études qui pourront l’appliquer de manière systématique sur leurs projets. Le Plugin vise à faciliter le processus et rendre le gain de temps significatif

Le protocole de collaboration entre l’architecte et le thermicien via la plateforme collaborative est synthétisé dans la figure ci-dessous. Ici, la plateforme permettra de centraliser les données et d’assurer la continuité de flux de données des échanges pendant différentes phases du projet. La collaboration et le flux de données seront basés sur 3 fonctionnalités clés : import/export du format BCF, l’enregistrement des données alphanumériques dans le format IFC et l’export XML de calcul thermique.

Enfin, à l’issue des résultats de cet axe de recherche, nous pourrons définir des critères de contrôle qualité des maquettes Ifc pour le calcul énergétique et ensuite, automatiser ce contrôle par les outils de vérification (BIM model checker).

Auteur : Truong Thi NGUYEN