Etude de cas allemand

L’ACIER DANS LES BÂTIMENTS RÉSIDENTIELS POUR UNE CONSTRUCTION DURABLE
Système de construction modulaire
pour logement multi-générationnel
Ce projet a été développé par le bureau d’architectes 3L et a pour but de
créer et développer une maison de génération, conçue à partir de méthodes
de construction modulaire offrant une large part à l’acier et qui s’adapte très
bien à l’évolution de la taille des familles.
Montrant l’applicabilité de ce mode de
construction, les résultats ont été obtenus
par des expériences en vraie grandeur sur
des éléments de construction du système.
De plus, un projet de démonstration a été
développé de manière à montrer l’éventail
des possibilités de conception, tant en plan
qu’en élévation.
Le projet inclut la conception et le calcul de
l’ossature principale ainsi que la
démonstration des performances
thermiques du bâtiment conformément à la
directive EnEv (directive relative aux
réductions de consommations d’énergie et
de production de CO2 du bâtiment) ainsi
que les calculs d’isolation acoustique.
La première étape a été de définir la forme
et les dimensions du bâtiment en tenant
compte des exigences du client.
L’adaptabilité, l’efficacité économique et les
performances relatives à l’environnement,
depuis la conception jusqu’à la fin de vie et
la maintenance du bâtiment, en passant par
la préfabrication et le montage, ont été les
principaux aspects qui ont influencé la
conception.
L’acceptation d’un bâtiment résidentiel multi
-étagé, fait d’éléments modulaires de la
taille d’une pièce dépend de questions
relatives à l’espace privé, à la qualité de
l’ouvrage et en particulier celle relative à
l’isolation acoustique.
Une des difficulté identifiée et importante
était de proposer une conception évolutive
au cours des générations en considérant
les aspects de fonctionnalité, de flexibilité et
la liberté de l’usage des espaces.
Un autre but majeur du développement des
systèmes de construction modulaire était
d’augmenter la part de l’acier dans la
construction de bâtiments résidentiels et de
montrer aux propriétaires combien il est
important de protéger l’environnement en
construisant à l’aide d’une technologie
architecturale écologique et économique.
Les escaliers relient les éléments entre les différents
niveaux.
“Chaque déménagement amène
son lot de difficultés. Si nous
avons la possibilité de vivre
dans une maison unique mais
évolutive, nous l’utiliserons.”
La famille Hellmund.
Conception
Conception d’un système modulaire
Un bâtiment flexible et à usage variable a été conçu en fonction de
son aménagement en plan. La conception du rez-de-chaussée a
démontré la souplesse de la trame pour les réaménagements à
partir du projet initial, en termes d’espace supplémentaire
nécessaire à la taille future de la famille.
La composition du bâtiment en modules n’est pas exclusivement
influencée par la faisabilité technique et l’utilisation efficace des
matériaux, mais elle dépend aussi des possibilités logistiques. Pour
cette raison, la trame de base repose sur une grille de 3 m x 15 m,
avec l’option de diviser les modules en deux unités de 3 m x 7,5 m.
Pour les variations suivantes, le choix de ne pas avoir des murs
porteurs intermédiaires a permis à l’architecte de développer de
nombreuses solutions en fonction des différents groupes
d’occupants et de leurs types de besoins. L’analyse financière a
conduit à construire le bâtiment sans sous-sol. De plus, un niveau
de bureaux à espace libre a été créé de manière à montrer la
possibilité de flexibilité d’aménagement des niveaux. Les premier et
second étages du bâtiment sont uniquement dévolus à un usage
de logements.
Flexibilité d’agencement intérieur
Niveau rez-de-chaussée à usage de bureaux et de
locaux techniques.
Premier étage avec deux logements – 4 pièces, salle
de bain et cuisine.
Façade nord-est avec ascenseur et entrée indépendante à chaque niveau.
Second étage avec deux logements – 4 pièces avec
salle de bains, salle d’eau et cuisine.
Plan d’insertion montrant l’environnement immédiat
et les espaces d’habitat et de travail.
Possibilités des systèmes modulaires
Détails constructifs
Vu de l’extérieur, l’utilisation d’un système de construction
modulaire doit être non apparent, plus particulièrement la forme et
les limites de chaque pièce. Le défaut majeur des constructions
modulaires est que l’apparence extérieure peut suggérer à
l’observateur une construction préfabriquée souvent associée à une
impression négative en terme de développement durable et de
performances générales.
Des détails constructifs ont été créés,
et les études de performance, incluant
une notation de développement
durable, ont été menées. L’étude
principale avait pour but la vérification
des performances en physique du
bâtiment. Des calculs pour l’isolation
acoustique et thermique ont été menés
suivant la législation allemande.
L’utilisation de l’acier pour une construction modulaire est profitable
pour le constructeur, le concepteur et le client. Une comparaison
des coûts de construction a montré que ce procédé était 15 % plus
économique qu’une construction traditionnelle. La rapidité de
montage sur site est une question clef, tout autant que la capacité
de réutilisation ultérieure des modules.
L’équipe de conception désirait maximiser l’utilisation des espaces
à chaque niveau. Le système utilisé permet cette flexibilité, comme
illustré ci-dessous. Le bâtiment peut être adapté pour un usage
résidentiel ou tertiaire, aussi bien lors de la conception originale que
pour des réaménagements futurs.
Les détails présentés montrent la situation type pour un angle sortant
de bâtiment et une liaison complexe entre un mur extérieur et un mur
de séparation entre deux modules de logement, intégrant une
isolation acoustique. Les éléments choisis pour réaliser les parois
extérieures éliminent les ponts thermiques tout en apportant une
excellente performance acoustique.
Angle sortant de façade - Description des matériaux utilisés de
l’extérieur vers l’intérieur :
Matériaux
Panneau de béton de fibre
Total
244,17m²
Appartement 1
83,30m²
Disposition en plan pour 3 appartements.
10 mm
30 mm
Film pare-vent de marque Tyvek
0,2 mm
Isolation thermique Polysyrol (classe 030)
100 mm
Laine minérale (isolation thermique classe 030)
Appartement 3
83,97m²
Largeur
Lame d’air ventilée
Panneau raidisseur à structure ouverte OSB
Appartement 2
76,90m²
Angle de mur
extérieur
Film polyéthylène (pare-vapeur)
Plaque de plâtre
La conception des liaisons verticales
et leur intégration dans la construction
des planchers a été très
soigneusement étudiée. Les détails
en coupe horizontale montrent la
liaison entre un séparatif intérieur
entre deux appartements et la paroi
de façade courante. Ce détail a été
conçu pour éviter les ponts
thermiques et acoustiques, en deux
comme en trois dimensions.
15 mm
100 mm
0,2 mm
2 x 12,5 mm
Liaison entre un
mur extérieur et
un mur séparatif
Les murs extérieurs d’une épaisseur de 280 mm sont très efficaces
en terme d’isolation acoustique. La valeur du coefficient U
(déperdition thermique) est inférieure à 0,30 W/m2K. Le mur de
séparation a une épaisseur totale de 275 mm, comparable à la
solution classique du double mur en briques.
Avec l’isolation et la lame d’air ventilée, l’épaisseur passe à environ
300 mm, rendant la performance de la paroi bien meilleure en termes
de physique du bâtiment. Bien sûr ces éléments à base d’acier sont
également significativement plus légers que les solutions
traditionnelles.
Illustration montrant la variété des modules.
Liaison Mur extérieur / Cloison séparative interne - Description
et dimensions des matériaux utilisés (coupe horizontale) :
Matériaux
Panneau de plâtre
12,5 mm
Panneau à structure ouverte OSB
15 mm
Film polyéthylène
0,2 mm
Laine minérale
100 mm
Panneau rigide de fibre
lame d’air ventilée
Panneau rigide de fibre
4 mm
12 mm
4 mm
Laine minérale
100 mm
Film polyéthylène
0,2 mm
Panneau à structure ouverte OSB
Vue de la façade nord-ouest.
Epaisseur
Panneau de plâtre
15 mm
12,5 mm
Données techniques
Consommation énergétique
Comparaison des coûts de construction
La vue nord-ouest montre la quasi transparence du mur rideau,
construit à l’aide de montants et lisses en acier.
Les résultats des évaluations financières sont prometteurs. En
comparaison avec les constructions traditionnelles en Allemagne,
il est possible de bâtir en utilisant la construction modulaire avec
des ressources financières inférieures. Le calcul a été fait pour des
bâtiments existants et a montré que la construction modulaire peut
être 15 % plus économique.
La combinaison d’une façade en acier et verre, avec élément de
remplissage transparent et isolant thermiquement, requise pour
l’esthétique extérieure du bâtiment, conduit à une valeur moyenne
du coefficient U pour le bâtiment inférieure à 0,30 W/m2K.
La consommation d’énergie nécessaire à la production des
matériaux de construction, au processus de préfabrication, dans
l’assemblage et dans la logistique, dans les travaux de maintenance
et durant l’usage du bâtiment, et finalement, lors de la démolition ou
la déconstruction du bâtiment, ont été des thèmes particulièrement
étudiés et évalués. Le résumé est présenté ci-dessous :
Coût de préparation
du chantier
Données caractéristiques du projet
Coûts rapportés à la
SH de 728 m2
Bâtiment
en béton
Construction
modulaire
19 266 €
100%
19 266
100%
-/-
977 189 €
100%
830 611 €
85%
- 146 578 €
- 15%
1 342 €/m2
1 140 €/m2
- 202 € /m2
19 865 €
100%
19 865 €
100%
-/-
Coûts additionnels,
frais et assurances
150 806 €
100%
128 722 €
85.3%
- 22 084 €
- 14.7%
Total incluant la TVA
1 167 126 €
998 464 €
-168 662 €
-14.4%
Ossature, garde-corps
et façades
Aménagements
extérieurs
Nombre de logements (selon la taille de la famille)
5-8 unités
Surface habitable
728 m
Volume
3 117 m3
Surperficie du terrain
845 m2
Coût de construction du système modulaire
1140 €/m
Durée de construction
approx : 3 mois
2
Gain
2
Comparaison – consommation d’énergie électrique
Etude économique du système modulaire
Etude de faisabilité
Financement / Ressources
Coûts du projet
Besoins en énergie
Coût d’emprunt par an
38 000 €
Rentrées locatives par an (taux d’occupation de 100 %)
44 000 €
100%
Coût en €/m² TTC
100
13.3%
8 229 kWh pa x 0,08 €/kWh = 664 € de gain par année.
(Le calcul est basé sur un coût d’énergie électrique de 0,08 €/kWh)
Programme de construction pour un bâtiment typique
de 3 niveaux
9 mois plus rapide
14,4% de
coût en moins
86.7%
728 m2 x (surface de plancher chauffé) x 11.4 kWh .p.a;
(gain) = 8 299 kWh p.a;
Le bâtiment en construction modulaire peut être monté en seulement 25 % du temps total nécessaire pour une construction traditionnelle en béton ; dans le cas présent, 3 mois au lieu de 12 mois.
Le gain de temps conduit également à un gain financier et un retour
sur investissement plus rapide.
120
-11.4 kWh/m2p.a.
ECONOMIE D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE TYPIQUE POUR UNE
SURFACE D’APPARTEMENT DE 728 M2
Comparaison des vitesses de construction
140
Gain
79.2 kWh/m2p.a. 67.8 kWh/m2p.a.
1 045 000 €
Durée de remboursement : 32 ans et 1 mois
Construction
modulaire
Bâtiment
en béton
Période (semaines)
1 167 €
998 €
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Fondation et plancher de rez-de-chaussée
Montage de modules et des panneaux
Montage des façades et de la toiture
80
Cloisons (construction sèche)
60
Finitions et crépis
40
20
0
0
1
2
3
4
5
Temps de construction en mois
Construction modulaire
6
7
8
9
10
11
12
Construction en béton
Partenaires
3L architects +
industrial designers,
Horlecke 46, 58706
Menden
Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e.V.
Sohnstraße 65
40237 Düsseldorf, Germany
www.stahlforschung.de
Ce projet de démonstration a été
développé dans le cadre d’un contrat
de recherche RFCS 7215-PP-058
et sa valorisation fait partie du projet
RFCS – RFS2-CT-2005-0035.
Le Fonds de
Recherche du
Charbon et de l’Acier
de la Commission
Européenne