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==Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel ==
https://ceur-ws.org/Vol-1535/paper-10.pdf
Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un
projet BTP Tunnel
Sirong MAO1, Jean-Lou LEBRUN2, Omar DOUKARI2, Rahim
AGUEJDAD3, Yong YUAN1
1. Faculté de l'Ingénierie Géotechnique, l'Université Tongji,200092, Shanghai,
Chine
maosirong@hotmail.com
yuany@tongji.edu.cn
2. Institut de Recherche en Constructibilité, ESTP Paris, 94234, Cachan, France
odoukari@estp-paris.eu
3. Laboratoire Image, Ville, Environnement UMR7362, 67000, Strasbourg, France
rahim.aguejdad@live-cnrs.unistra.fr
RESUME. Le secteur du BTP a connu, ces dernières années, une nouvelle manière de
modéliser un projet à travers la maquette numérique, ou le BIM. Ce dernier facilite la
communication et la collaboration entre les différents acteurs du projet, particulièrement
pour les grands projets avec une géométrie complexe.
Inspirés de la notion de co-conception, notre travail consiste principalement à mieux
structurer la maquette 3D BIM multi-échelle pour un projet BTP tunnel en définissant tous
ses composants élémentaires ainsi que leurs niveaux de détails. La modélisation multi-échelle
permet, entre autres, l’intégration des SIG lors de la phase de conception. Afin de simplifier
et rendre plus rapide la modélisation, nous proposons une méthode de décomposition de la
maquette globale du projet en plusieurs sous-maquettes ainsi qu’une méthode de fusion des
sous-maquettes numériques réalisées par différents acteurs et métiers du projet pour faire la
synthèse de la maquette globale.
ABSTRACT. In recent years, Building information model (BIM) has been adopted by the
construction industry as a new way to design a project through the digital model. BIM helps
to simplify the communication and the cooperation between different actors during the project
life-cycle, especially for big projects with complex geometry.
Based on the concept of co-design, our aim is to better structure the 3D BIM multi-scale
model for a tunnel construction project by defining their basic components with their levels of
detail. The multi-scale modeling allows the integration of GIS during the design phase. To
simplify the modeling and make it faster, we propose a decomposition method to split up the
entire project into several sub-models, and a consistent merging method of digital sub-models
made by different actors, in order to build the overall model.
MOTS-CLE : BIM, Tunnel, co-conception, famille Revit, modélisation multi-échelle, NdDs.
KEYWORDS: BIM, Tunnel, co-design, Revit family, multi-scale modeling, LoDs.
Copyright © by the paper’s authors. Copying permitted for private and academic
purposes. Proceedings of the Spatial Analysis and GEOmatics conference, SAGEO
2015.
2 SAGEO’2015
1. Introduction
Dans les pays en pleine croissance comme la Chine, les projets BTP (Bâtiment et
Travaux Publics) deviennent de plus en plus complexes pour répondre à la demande
d’étalement urbain (Ding et al., 2014). La durée du cycle de vie des projets s’allonge
et le nombre de participants ainsi que la quantité d’information échangée
augmentent, ce qui rend plus difficile et couteuse la communication entre les
collaborateurs du projet.
Dans ce contexte, la modélisation des données du bâtiment (BIM) est adoptée.
Elle permet, à l’aide de la maquette numérique, d’optimiser le processus de
conception, d’exécution et de gestion dès les premières étapes du projet. La
maquette BIM simplifie la communication en partageant les données entre
collaborateurs au sein du même model numérique. En conséquence, le BIM
améliore la coordination et contribue à éviter les conflits inattendus, les
modifications et les retards de planification, donc réduit les dépenses inutiles et
permet la plus efficace et durable exécution du projet BTP (Tarandi, 2015 ; Eadie et
al., 2013) .
Shanghai est l’une des grandes et plus attractives villes en Chine où des
infrastructures de transport sont en cours de développement. Le tunnel au bouclier1
est le type préféré pour construire des nouvelles lignes de transport au centre-ville.
Cela est principalement dû à son adaptabilité particulière au sol mou et la haute
teneur en eau, qui sont les deux mauvaises conditions géologiques qui caractérisent
Shanghai, ainsi qu’une meilleure qualité et un prix très raisonnable de construction
(Li et Zhu, 2013 ; Li et Chen, 2012 ; Maeda et Kushiyama, 2005).
La conception d’un projet tunnel peut être facilitée par une nouvelle méthode de
collaboration entre métiers, appelée co-conception. Selon cette méthode, les acteurs
se retrouvent au début de la phase de conception pour se répartir la modélisation du
projet. Ils travaillent chacun de son côté, en parallèle, pour réaliser leurs sous-
maquettes. Ensuite, ils se rencontrent pour confronter leurs sous-modèles et faire la
synthèse du projet. En nous basant sur cette approche de modélisation, nous
proposons deux nouvelles méthodes : une de décomposition des projets en plusieurs
sous-projets ou composants, et une méthode de fusion de sous-maquettes permettant
de construire la maquette globale.
Par ailleurs, les projets tunnels nécessitent une modélisation multi-échelle, car la
prise de décision pour ce type de projets s’effectue sur des parcelles de plusieurs
kilomètres aussi bien que sur des détails de quelques centimètres. Cette notion a été
initialement proposée dans le cadre des SIG (Oosterom et Schenkelaars, 1995). Les
cinq niveaux de détails (NdDs) sont ensuite repris dans le projet CityGML afin de
représenter toutes les données de la maquette multi-échelle d’une ville (Kolbe,
2008). Une adaptation pour la modélisation 3D d’un projet tunnel a également été
proposée dans (Borrmann et al., 2013).
1. Tunnel construit avec un tunnelier, dont le processus de percement est automatique.
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 3
Cet article est organisé comme suit. La section 2 présente l’organisation de la
maquette 3D BIM multi-échelle d’un projet tunnel au bouclier. Nous introduisons
tous les composants élémentaires ainsi que leurs niveaux de détails et précisons les
différents types d’informations modélisées dans la maquette BIM. La section 3
présente une méthode de décomposition de la maquette globale d’un projet tunnel au
bouclier en plusieurs sous-maquettes. La section 4 propose une méthode de fusion
cohérente des sous-maquettes numériques, avant de conclure en section 5.
2. Organisation de la modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet tunnel
2.1. BIM est une révolution et tendance inévitables pour les projets tunnel
L’approche BIM est apparue depuis les années 90 (Nederveen et Tolman, 1992)
permettant de représenter un projet bâtiment sous forme d’une maquette numérique
en 3 dimensions comprenant toutes les informations pertinentes tout au long du
cycle de vie du projet. Tous les plans, vues, perspectives et coupes sont établis à
partir de la maquette BIM. Lorsque cette maquette est modifiée, les dessins et les
données qui lui sont liées sont automatiquement modifiés. Elle est désormais de plus
en plus employée en phase de conception et construction, et s’étend à la phase
d’exploitation. Considéré comme l’une des grandes tendances du secteur de la
construction, le BIM s’étend du projet Bâtiment aux infrastructures urbaines comme
pour les projets tunnels dans les dernières années.
Quant aux tunnels de transport, leur construction est généralement irréversible.
De ce fait, une meilleure planification est impérative. Cependant, leur
entrecroisement au-dessous de la ville rend compliquée la planification de nouvelles
lignes et exige une meilleure exploitation de celles existantes. Très efficace dans le
domaine du Bâtiment (Takim et al., 2013), la maquette BIM s’avère un futur
inévitable pour répondre à ces besoins.
2.2. Différents niveaux de détail de la maquette d’un projet tunnel au bouclier
Le domaine des infrastructures, à cause de ses spécificités, n’as pas évolué de la
même manière que celui du Bâtiment. La prise de décision pour ce type de projets
s’effectue à l’échelle de plusieurs kilomètres aussi bien qu’à l’échelle de quelques
centimètres par exemple des assemblages des boulons, d’où une modélisation multi-
échelle s’impose.
Inspirés des recherches menées par Borrmann (Borrmann et al., 2013) sur la
modélisation 3D multi-échelle (Figure 1), nous proposons une méthode
d’organisation d’un projet tunnel au bouclier en phase de conception, en fonction de
5 niveaux de détails (NdDs).
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4 SAGEO’2015
Figure 1. Les 5 NdDs d’un projet tunnel au bouclier
Nous proposons d’entamer la conception du projet par une représentation globale
nommée NdD 1, où on précise les axes sur lesquels des composants supplémentaires
seront fixés (tunnels de connexion, des puits de ventilation…). Aucune information
sémantique ne se présente à ce niveau. Au NdD 2, la conception s’effectue
séparément sur chacun des composants précédents. Par exemple, l’espace total du
composant principal (Figure 1, NdD 2) est représenté par un volume solide placé
autour de son axe. Au niveau suivant, l’espace du tunnel se divise en trois parties
(Figure 1, NdD 3), la conception de la voûte et celle des composants intérieurs se
séparent à partir de ce niveau. La conception lors des trois premiers niveaux de
détails est consacrée à l’étendu du projet et son interaction avec l’environnement.
Perfectionnant le quatrième niveau de Borrmann, nous détaillons l’espace
intérieur en quatre petits espaces, selon une décomposition fonctionnelle. Par
exemple, l’espace de service est réservé pour des composants élémentaires de type :
circulation, sécurité, communication etc., qui fournissent des services essentiels. La
modélisation des différents sous-espaces peut s’effectuer parallèlement, ce qui
marque le début de la conception distribuée des métiers. Au niveau le plus détaillé,
NdD 5, où s’effectue la conception métiers, l’espace de voûte est détaillé jusqu’aux
segments (Figure 1, NdD 5). Les espaces sont complétés par des objets concrets
(feux de circulation, quai, planches…). A ce niveau, le projet est complètement
défini.
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 5
2.3. Définition des composants élémentaires de la maquette BIM multi-échelle
Sur la base des 5 NdDs, nous structurons la maquette BIM en définissant ses
composants élémentaires (Figure 2). La voûte et l’espace intérieur sont les parties
les plus importantes lors de la conception. La première représente l’interface avec
toutes les forces extérieures afin de soutenir la forme du tunnel et la deuxième
représente la partie fonctionnelle du projet. Notre travail se consacre principalement
à ces deux parties.
Figure 2. Structure de la maquette BIM multi-échelle d’un projet tunnel au bouclier
A Shanghai, la voûte d’un tunnel au bouclier se compose de plusieurs cercles qui
sont généralement de 1,2m de large. Chaque cercle comprend trois types de
segments : un segment K également nommé la clef de voûte, deux segments B qui
sont adjacents au premier, et le reste des segments sont des segments A (Figure 3).
Le nombre des segments par cercle varie selon le diamètre du tunnel.
Figure 3. La voûte d’un tunnel au bouclier et les segments K, B et A
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Nous modélisons d’abord les trois types de segments sous Autodesk Revit 2014,
un logiciel BIM utilisé pour des projets Bâtiments (Shoubi et al., 2015). Ce choix est
justifié par le manque de logiciels de modélisation spécialisés en tunnel. Les
segments K, B et A sont définis avec les paramètres communs, comme le diamètre,
l’épaisseur et la largeur, ainsi qu’un paramètre respectif s’appelé : angle au centre.
Ensuite, les segments sont assemblés afin de créer la famille d’objets cercle. Nous
créons après l’axe du tunnel sur lequel nous plaçons des cercles pour définir deux
familles de tunnels : tunnel en virage et tunnel linéaire (Figure 4).
Figure 4. Processus de création des composants élémentaires de la voûte d’un
tunnel au bouclier sous Autodesk Revit 2014
Quant à l’espace intérieur, il contient tous les composants élémentaires des
différents systèmes fonctionnels. Nous pouvons regrouper ces composants, selon
leur localisation, en plusieurs espaces, ce qui permet de définir une nouvelle
méthode de collaboration entre les acteurs du projet (voir section 3). Un exemple des
composants élémentaires du NdD 5 pour un tunnel ferroviaire 2 est donné par
Tableau 1. Les six systèmes nécessaires pour réaliser un tunnel peuvent se regrouper
en quatre espaces différents : un espace de transport, un espace de ventilation, un
espace de service et un espace de rail.
Tableau 1. Composants élémentaires de l’espace intérieur d’un tunnel ferroviaire
NdD 4 NdD 5
Espaces Systèmes fonctionnels Composants élémentaires
fonctionnels
Système de signal Caméra de surveillance du trafic, lampes-signal
2. Tunnel pour passage d’une ligne de chemin de fer.
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 7
Espace de Système d’alimentation Lignes aériennes de contact, système de
transport support pour des lignes suspendues
(type par Lignes aériennes
de contact)
Espace de Système de ventilation Ventilateurs
ventilation
Système d’éclairage Lumières
Espace de Système de signal Caméra de surveillance du trafic, radio trafic
service
Système de communication Téléphone d’urgence, boutons d’alarme,
extincteurs, issues de secours, capteurs, centre
de contrôle-commande, détection automatique
d'incident, détection d’incendie/ de fumée,
radio trafic
Système de rail Rail, joints de rail, attaches/boulons, cravate
Espace de plaques, traverses, ballast, tapis socle
rail Système de signal Capteurs, câbles
Système d’alimentation Un ensemble de conducteurs d’électricité
(type Alimentation Par le entre/ à côté des rails de roulement, ou sous le
Sol) frotteur de véhicule
2.3. Types des données modélisées dans la maquette BIM d’un projet tunnel
La maquette BIM est plus qu’une modélisation 3D, elle optimise le processus du
projet en structurant une grande quantité de données, venant de tous les métiers et
toutes les étapes du projet. En conséquence, une base riche de données distingue la
maquette BIM des autres modélisations basées uniquement sur la 3D.
Basés sur les recherches de Li et Zhu (Li et Zhu 2013), nous proposons de
classer toutes les données en deux grandes catégories. La première catégorie
contient des données sur la géométrie et des informations caractéristiques du tunnel.
Par exemple, au NdD 1, on trouve les coordonnées des points d’extrémités, le
kilométrage du projet… tandis que pour la voûte au NdD 4, on trouve des données
plus détaillées comme le nombre, le type, l’épaisseur et la larguer des cercles
(Figure 5). La plupart des données de ce type est définie en phase de conception du
projet.
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Figure 5. Première catégorie des données : Géométries et caractéristiques du tunnel
Par ailleurs, toutes les données concernant l’exécution, l’état de service et la
propriété du projet, appartiennent à la deuxième catégorie. Avec l’avancement du
projet, ce type de données est sujet à plusieurs modifications (Figure 6).
Figure 6. Deuxième catégorie de données en phase de construction3
Cette section nous a permis de structurer la maquette BIM en fonction des 5
NdDs et préciser les deux types de données à modéliser. La section suivante
3. TBM (Tunnel Boring Machine) : le tunnelier.
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 9
introduit une nouvelle méthode de conception des tunnels par décomposition de la
maquette BIM en plusieurs sous-maquettes.
3. Conception BIM d’un projet tunnel par décomposition
3.1. Co-conception : nouvelle méthode de conception pour les grands projets
La co-conception consiste à découper le processus de conception en plusieurs
étapes avec autant de sessions de synthèse, lors desquels les acteurs se retrouvent
pour confronter leurs avancées et se répartir le travail pour les prochaines phases.
Entre deux sessions de co-conception (Figure 7), les acteurs travaillent chacun de
leur côté dans des phases de conception dites distribuées.
Figure 7. Co-conception : une nouvelle méthode de collaboration
3.2. Méthode de décomposition de la maquette BIM d’un projet tunnel
Basée sur la conception distribuée, notre méthode vise à faciliter la conception
de l’espace intérieur, l’une des parties les plus importantes du tunnel. On commence
par une maquette globale prise au niveau de détails 4, où on définit les espaces
fonctionnels. Ensuite, on affecte ces espaces aux différents métiers et acteurs. Lors
de la conception distribuée, chaque acteur crée les composants élémentaires de sa
partie en réalisant sa sous-maquette au NdD 5 (Figure 8). Ainsi, tous les objets
élémentaires nécessaires sont définis par leur métier correspondant. En fin, pour
obtenir la maquette BIM globale du projet, on n’a qu’à fusionner toutes les sous-
maquettes (voir section 4).
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Figure 8. Méthode de décomposition fonctionnelle d’un projet tunnel
Nous allons expliquer la méthode par un exemple de tunnel ferroviaire.
Tableau 2. Composants élémentaires de l’espace intérieur d’un tunnel ferroviaire
NdD 4 Conception distribuée NdD 5
Espaces Systèmes fonctionnels Espaces distribués Composants
fonctionnels élémentaires
Espace de transport
Système de signal Espace de service
Espace de Espace de rail
transport
Espace de transport
(type par Lignes aériennes de
Espace de contact) Objets
ventilation Système d’alimentation
élémentaires
Espace de rail (type
Alimentation Par le Sol)
Espace de
service Système de ventilation Espace de ventilation
Système d’éclairage Espace de service
Espace de
rail Système de communication Espace de service
Système de rail Espace de rail
Au début de la conception, tous les acteurs des différents métiers se réunissent
pour définir les objectifs et se partager les quatre espaces fonctionnels. L’espace
intérieur d’un tunnel ferroviaire est composé de six systèmes fonctionnels (Tableau
2). Chaque système est géré par un métier spécifique. Par exemple, l’entreteneur
ferroviaire se charge du système de rail ; on lui affecte donc cet espace. A ce rythme,
chaque métier s’occupe de ses espaces spécifiques et crée ses sous-maquettes en
définissant les objets élémentaires du NdD 5.
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 11
4. Méthode de fusion des sous-maquettes sous Autodesk Revit 2014
En raison de sa grande réussite pour la modélisation BIM des projets Bâtiment,
nous avons choisi le logiciel Autodesk Revit pour illustrer notre méthode de fusion.
4.1. Création des familles Revit pour un projet tunnel au bouclier complet
Comme mentionné dans la Figure 4, nous avons créé, sous Revit, des familles de
segments, de voûte… jusqu’aux familles tunnel linéaire et en virage. La Figure 9
présente toutes les familles Revit que nous avons créées pour un projet tunnel au
bouclier. Les composants des NdDs 2 et 3 peuvent être considérés soit comme une
famille, soit comme un sous-projet, tout dépend de la complexité et l’échelle du
projet global. Faute de temps, nous avons créé uniquement une partie des
composants de chaque NdD. Cependant, l’absence de certains composants
élémentaires n’affectera en rien nos résultats de fusion des sous maquettes BIM.
Figure 9. Création des composants de tous les NdDs pour réaliser un projet tunnel
complet sous Autodesk Revit 2014
Pour un projet Carrefour reliant un grand tunnel routier avec deux autres petits
tunnels, nous créons d’abord l’axe, ensuite les cinq parties constitutives séparément
(Figure 10). Au point de la jonction des trois tunnels, le projet est réalisé à l’aide
d’une pelle mécanique à la place de tunnelier (Wang et al., 2012). En conséquence,
nous créons de nouvelles familles spécifiques en plus des voûtes habituelles. Les
cinq parties peuvent être facilement rassemblées grâce à l’axe commun du projet.
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Enfin, nous réalisons le modèle complet du projet comprenant des composants des 5
NdDs.
Figure 10. Modélisation d’un projet Carrefour sous Autodesk Revit 2014
4.2. Maquette numérique globale reliant plusieurs sous-projets tunnel
Dans le cas des grands projets complexes, la fusion des sous-maquettes ne
s’arrête pas au niveau des familles. Elle consiste également à relier des sous-projets.
Figure 11. Fusion des sous-projets sous Autodesk Revit 2014
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Modélisation 3D BIM multi-échelle d’un projet BTP Tunnel 13
Supposons que les deux petits tunnels s’étendent sur une longue distance depuis
la jonction. Dans ce cas, nous créons un projet indépendant pour cette partie, ce qui
fait deux projets à fusionner pour obtenir la maquette globale du projet (Figure 11).
Notre méthode de fusion est basée sur la création d’un « axe commun » pour
tous les sous-projets. Cet axe est déterminé par tous les acteurs ensemble avant
d’entamer la phase de conception distribuée. Ensuite, il est découpé en plusieurs
morceaux que l’on doit affecter aux différents acteurs avec les sous-maquettes à
modéliser. Tous ces morceaux doivent par contre rester dans le même système de
coordonnées. Lors de la conception distribuée, les sous-projets sont réalisés sur la
base de ces morceaux. La fusion des sous-projets s’effectue, par la suite, en
définissant un projet principal parmi les sous-projets, puis y attacher tous les autres,
un par un, comme des « liens » (sous Autodesk Revit, appelés « Lien Revit ») avec
l’option « origine à origine » activée. De cette manière, tous les sous-projets
apparaissent dans le même projet et la fusion se réalise de façon cohérente grâce à la
continuité de l’axe commun du projet.
5. Conclusion
Dans cet article, une nouvelle méthode de collaboration en phase de conception
est introduite pour faciliter et accélérer le processus de modélisation 3D BIM pour
un projet tunnel. Nous avons d’abord structuré la maquette multi-échelle en
définissant tous ses composants élémentaires en précisant les différents niveaux de
détails correspondant ainsi que les types de données modélisées. Un exemple de
tunnel ferroviaire stipule la définition des espaces et systèmes fonctionnels dans un
cas réel. Ensuite, une méthode de décomposition de la maquette globale basée sur
les espaces fonctionnels d’un tunnel au bouclier est introduite. En fin, une méthode
de fusion cohérente des sous-maquettes numériques est proposée et illustrée sur un
projet Carrefour sous Autodesk Revit 2014. Dans un futur proche, nous comptons
enrichir davantage l’information modélisée dans la maquette BIM pour faciliter la
gestion et la maintenance du tunnel lors de la phase d’exploitation.
Remerciements
Les auteurs vaudraient remercier la Société Armélio (ENVIRPROD SAS),
Société de gestion de la production industrielle, consulting innovation, d’avoir
financé ce travail de recherche.
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